У 2015 році проведено випробування кандидатних вуглецевих матеріалів для високотемпературних газоохолоджуваних реакторів (ВТГР) нового покоління при температурах 1400...1600 °С. Цей діапазон температур відповідає гіпотетичним аварійним ситуаціям в активних зонах ВТГР IV покоління.

 Режими експлуатації вуглецевих матеріалів в активній зоні ВТГР в проектних аварійних умовах

 Світові дослідження параметрів експлуатації експериментальних реакторів ВТГР виявили можливість появи в ЯЕУ нового покоління нового класу аварійних ситуацій, пов'язаних з розгерметизацією першого контуру або появою протікання в парогенераторі. Основні параметри таких ситуацій визначені експертними групами МАГАТЕ.

 Граничні температури експлуатації вуглецевих матеріалів у штатному режимі експлуатації визначалися максимальними температурами палива в 1250 °C (при середній температурі гелію від 750 °С до 1250 °С з урахуванням факторів перегріву) і в 1400 °С у рівноважному режимі експлуатації (при середній температурі гелію 950 °C).

 При аварійній розгерметизації першого контуру максимальна температура палива може становити 1600 °С. Проектні аварійні умови передбачають, що при температурі в інтервалі від 1400 °С до 1600 °С протягом до 100 годин може перебувати не більше 10% загальної кількості ТВЕЛів. В інших аварійних ситуаціях передбачувана максимальна температура палива становить 1500 °С.

 Іншим важливим фактором при проектуванні умов імітаційних випробувань є концентрації корозійних агентів-окислювачів (повітря і пара) в їхніх сумішах з гелієвим теплоносієм. В аварійних режимах густина повітря у повітряно-гелієвій суміші передбачається в 0...1 кг/м³ при тиску 0,1 МПа. Густина пари в парогелієвій суміші в аварійному режимі лежить у широких межах (0...8 кг/м³) при значно вищому тиску 5...6 МПа.

 Максимальна швидкість обтікання гелієм ТВЕЛів не перевищує 15 м/с; для щільних повітряно-гелієвих або парогелієвих сумішей швидкість обтікання в аварійних ситуаціях може бути в широкому діапазоні від 0,1 м/с до 10,0 м/с.

 Таким чином, для оцінки швидкості окиснення вуглецевих елементів активної зони ВТГР IV покоління при виникненні аварійних ситуацій необхідно проводити імітаційні випробування за таких умов:

 в інтервалі температур 600...1600 °С при швидкості потоку повітря 5...10 м/с;

 в інтервалі температур 500...1300 °С при швидкості потоку 10...15 м/с парогелієвої суміші (10...20% мас. пари).

 Результати експериментів

 Імітаційні випробування при температурах аварійних ситуацій раніше в ННЦ ХФТІ не проводилися.

 Використано експериментальне обладнання та методики досліджень [3,4].

 Для проведення експериментальних досліджень: виготовлено 120 зразків з різних марок графіту (ГСП, АРВ, МПГ) та УУКМ розміром 40×2×3 мм і підготовлено 60 кулястих елементів Ø 45 мм і 60 кулястих елементів Ø 60 мм з вказаних марок графіту

 Основні результати досліджень окиснення графіту при температурах аварійних ситуацій наведені в таблицях 1 і 2.

 Експериментально встановлено, що в інтервалі температур 1000...1300 °С у потоках повітряного і пароповітряного середовища швидкість окиснення кулястих елементів з графіту АРВ-2, МПГ-7 і ГСП під опроміненням електронами зростає у 4...8 разів, і при цьому залежність зменшення ваги зразків від часу опромінення має лінійний характер.

 Висновки та рекомендації

 Виявлено аномальне підвищення швидкості окиснення графіту при T = (1200... 1670) °C у повітряному і пароповітряному середовищі під тиском ~ 0,1 МПа. В цих умовах максимальна швидкість окиснення кулястих елементів з графіту АРВ-2, МПГ-7 і ГСП при T = (1300...1400) °C становить 30...60 г/г⋅год.

 Експериментально встановлено, що під опроміненням електронами окиснення графіту при T = (1200...1300) °C і струмі пучка 30...300 мкА у повітряному і пароповітряному середовищі відбувається у багато разів інтенсивніше, причому вперше спостерігався пороговий за струмом пучка ефект прискорення окиснення. Це очевидно вказує на необхідність враховувати вплив опромінення на корозійні властивості при виборі кандидатів вуглецевих матеріалів ВТГР IV покоління.

 Кулясті елементи з графітів марок АРВ-2, МПГ-7 і ГСП мають практично однакові ступені окиснення при T = (1200...1670) °C у повітряному і пароповітряному середовищі під тиском ~ 0,1 МПа і при T = (1000...1300) °C у повітряному і пароповітряному середовищі під опроміненням електронами з енергією 2,5 МеВ і струмом пучка 10...300 мкА. При цьому для зразків з графіту марки МПГ-7 за вказаних умов випробувань встановлено наявність «пухкого» поверхневого шару зі зниженими міцнісними характеристиками. За цим параметром більш корозійностійкими є графіти марок АРВ і ГСП. Однак для графіту АРВ-2 виявлено підвищену швидкість окиснення при T = (1300 ... 1420) °С. Тому з досліджених графітів найкращу корозійну стійкість у повітряному і пароповітряному середовищі при T = (1200...1670) °C без опромінення і під опроміненням електронами при T = (1000...1300) °C має виготовлений за технологією ННЦ ХФТІ графіт ГСП з густиною 1,84...1,90 г/см³. Це дозволяє рекомендувати цю розробку для подальшого розгляду як кандидатного матеріалу ЯЕУ IV покоління.