Растущий спрос на энергию и острая необходимость сократить зависимость от ископаемого топлива стимулируют поиск устойчивых и экономичных источников энергии. Атомная энергетика, несмотря на исторические опасения, связанные с безопасностью и высокими капиталовложениями, готова сыграть ключевую роль в будущих энергосистемах. В последние годы особое внимание привлекают малые модульные реакторы (ММР) – их рассматривают как решение, способное преодолеть многие трудности традиционной ядерной энергетики. ММР меньше по размеру и мощности, их можно производить быстрее и с меньшими затратами, что делает атомную энергию более доступной.
Предполагается, что ММР будут работать в режиме «следования за нагрузкой», то есть гибко регулировать свою мощность в зависимости от колебаний спроса на электроэнергию. Это необходимо для их эффективной интеграции с непостоянными возобновляемыми источниками, такими как солнечные и ветровые электростанции. Хотя такая практика для АЭС не нова, опыта эксплуатации именно ММР в подобных условиях пока нет. Постоянные изменения мощности – так называемое циклирование – могут создавать дополнительные риски для ядерного топлива.
Основной элемент ядерного реактора – топливный стержень, который представляет собой герметичную циркониевую трубку (оболочку), наполненную таблетками диоксида урана. Циклическое изменение мощности вызывает значительные колебания температуры, что приводит к многократным тепловым нагрузкам. Это явление, известное как «механическое взаимодействие таблетки с оболочкой», может стать серьезной проблемой. В сочетании с коррозионным воздействием продуктов деления такие нагрузки со временем способны ослабить оболочку и в некоторых случаях привести к ее разрушению, что недопустимо с точки зрения безопасности.
Для обеспечения безопасности необходимо тщательно изучить поведение топлива в режиме следования за нагрузкой. Однако проведение полномасштабных экспериментов в исследовательских реакторах является чрезвычайно дорогостоящим. Альтернативой становятся компьютерные исследования. С помощью передовых программных кодов, таких как TRANSURANUS, можно смоделировать широкий спектр рабочих сценариев и оценить их влияние на топливо. Недавно ученые провели такое исследование, используя данные большого водо-водяного реактора для имитации работы ММР в гибком режиме.
Результаты моделирования оказались неоднозначными. С одной стороны, большинство ключевых параметров – температура, давление и деформация – не приблизились к критическим пределам безопасности, оставаясь на уровне или даже ниже показателей при нормальной эксплуатации. Это можно считать обнадеживающим знаком. С другой стороны, симуляция показала возникновение трещин в топливной оболочке, вызванных механическим напряжением и коррозией. Некоторые из смоделированных трещин даже проходили через всю толщину оболочки, что является серьезным поводом для беспокойства.
К этим выводам следует относиться с осторожностью. Модель, предсказывающая образование трещин в коде TRANSURANUS, требует доработки и ранее уже давала ошибочные прогнозы. Кроме того, в исследовании использовались данные от крупной АЭС, которые могут не полностью отражать особенности работы ММР с их меньшими активными зонами и другими системами управления. Таким образом, давать окончательную оценку – «хорошо» или «плохо» – преждевременно. Исследование не запрещает, но и не разрешает гибкую эксплуатацию ММР, однако оно четко указывает на критически важную область для дальнейшей работы – изучение механического взаимодействия топлива с оболочкой, чтобы гарантировать безопасность будущих атомных станций.
