В 2015 были проведены испытания кандидатных углеродных материалов для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР) нового поколения при температурах 1400...1600 °С. Данный диапазон температур соответствует гипотетическим аварийным ситуациям в активных зонах ВТГР IV поколения.

 Режимы эксплуатации углеродных материалов в активной зоне ВТГР в проектных аварийных условиях

 Мировые исследования параметров эксплуатации экспериментальных реакторов ВТГР обнаружили возможность появления в ЯЭУ нового поколения нового класса аварийных ситуаций, связанных с разгерметизацией первого контура или появление течи в парогенераторе. Основные параметры таких ситуаций, определены экспертными группами МАГАТЭ.

 Предельные температуры эксплуатации углеродных материалов в штатном режиме эксплуатации определялись максимальными температурами топлива в 1250 °C (при средней температуре гелия от 750 °С до 1250 °С с учетом факторов перегрева) и в 1400 °С в равновесном режиме эксплуатации (при средней температуре гелия 950 °C).

 При аварийной разгерметизации первого контура максимальная температура топлива может составлять 1600 °С. Проектные аварийные условия предполагают, что при температуре в интервале от 1400 °С до 1600 °С в течение до 100 часов может находиться не более 10% общего количества ТВЭЛов. В других аварийных ситуациях предполагаемая максимальная температура топлива составляет 1500 °С.

 Другим важным фактором при проектировании условий имитационных испытаний является концентрации коррозионных агентов-окислителей (воздух и пар) в их смесях с гелиевым теплоносителем. В аварийных режимах плотность воздуха в воздушно-гелиевой смеси предполагается в 0...1 кг/м³ при давлении 0,1 МПа. Плотность пара в паро-гелиевой смеси в аварийном режиме лежит в широких пределах (0...8 кг/м³) при существенно более высоком давления 5...6 МПа.

 Максимальная скорость обтекания гелием ТВЭЛов не превышает 15 м/с; для плотных воздушно-гелиевых или паро-гелиевых смесей скорость обтекания в аварийных ситуациях может находиться в широком диапазоне от 0,1 м/с до 10,0 м/с.

 Таким образом, для оценки скорости окисления углеродных элементов активной зоны ВТГР IV поколения при возникновении аварийных ситуаций необходимо проводить имитационные испытания при следующих условиях:

 в интервале температур 600...1600 °С при скорости потока воздуха 5...10 м/с;

 в интервале температур 500...1300 °С при скорости потока 10...15 м/с паро-гелиевой смеси (10...20% масс. пара).

 Результаты экспериментов

 Имитационные испытания при температурах аварийных ситуаций ранее в ННЦ ХФТИ не проводилось.

 Использовано экспериментальное оборудование и методики исследований [3,4].

 Для проведения экспериментальных исследований: изготовлено 120 образцов из различных марок графита (ГСП, АРВ, МПГ) и УУКМ размером 40×2×3 мм и подготовлено 60 шаровых элементов Ø 45 мм и 60 шаровых элементов Ø 60 мм из указанных марок графита

 Основные результаты исследований окисления графита при температурах аварийных ситуаций приведены в таблице 1 и 2.

 Экспериментально установлено, что в интервале температур 1000...1300 °С в потоках воздушной и паровоздушной среды скорость окисления шаровых элементов с графита АРВ-2, МПГ-7 и ГСП под облучением электронами увеличивается в 4...8 раз, и при этом зависимость уменьшения веса образцов от времени облучения имеет линейный характер.

 Выводы и рекомендации

 Обнаружено аномальное повышение скорости окисления графита при T = (1200... 1670) °C в воздушной и паровоздушной среде под давлением ~ 0,1 МПа. В этих условиях максимальная скорость окисления шаровых элементов из графита АРВ-2, МПГ-7 и ГСП при T = (1300...1400) °C составляет 30...60 г/г⋅ч.

 Экспериментально установлено, что под облучением электронами окисление графита при T = (1200...1300) °C и токе пучка 30...300 мкА в воздушной и паровоздушной среде идет во много раз интенсивнее, причем впервые наблюдался пороговый по току пучка эффект ускорения окисления. Это очевидно указывает на необходимость учитывать влияние облучения на коррозионные свойства при выборе кандидатов углеродных материалов ВТГР IV поколения.

 Шаровые элементы из графитов марок АРВ-2, МПГ-7 и ГСП имеют практически одинаковые степени окисления при T = (1200...1670) °C в воздушной и паровоздушной среде под давлением ~ 0,1 МПа и при T = (1000...1300) °C в воздушной и паровоздушной среде под облучением электронами с энергией 2,5 МэВ и током пучка 10...300 мкА. При этом для образцов из графита марки МПГ-7 при указанных условиях испытаний установлено наличие «рыхлого» поверхностного слоя со сниженными прочностными характеристиками. По этому параметру более коррозионно стойкими являются графиты марок АРВ и ГСП. Однако для графита АРВ-2 обнаружена повышенная скорость окисления при T = (1300 ... 1420) °С. Поэтому из исследованных графитов лучшую коррозионную стойкость в воздушной и паровоздушной среде при T = (1200...1670) °C без облучения и под облучением электронами при T = (1000...1300) °C имеет изготовленный по технологии ННЦ ХФТИ графит ГСП с плотностью 1,84...1,90 г/см³. Это позволяет рекомендовать эту разработку для дальнейшего рассмотрения в качестве кандидатного материала ЯЭУ IV поколения.