Евгений Рязанцев
Директор Института реакторных технологий и материалов РНЦ »Курчатовский институт»

    Среди конструкционных материалов, применяемых в современной атомной энергетике, цирконий, а точнее сплавы на его основе занимают важное место благодаря уникальному сочетанию физико-химических свойств. Малая плотность, высокая температура плавления, небольшой коэффициент термического расширения, достаточно высокая коррозионная стойкость и механические свойства в пароводяной среде при температуре до 300^оС и, наконец, исключительно важный показатель – низкое сечение захвата нейтронов (в 1,2 раза ниже, чем у алюминия, в 16 раз – чем у нержавеющей стали, в 31 раз – чем у титана) – эта совокупность свойств создала цирконию заслуженную славу важнейшего материала для оболочек тепловыделяющих элементов (твэл) и других деталей активной зоны реакторов, в которых процесс ядерного деления урана осуществляется на тепловых нейтронах. Поэтому неудивительно, что цирконий на протяжении более сорока лет привлекает внимание физиков, металлургов, технологов атомного производства.
    С начала практического использования циркония в реакторе первой атомной подводной лодки »Наутилус» (США, 1955 год) сформировались принципиальные химико-металлургические основы циркониевого производства, включая подготовку и производство исходного сырья, многоступенчатый цикл его переработки, изготовление и тестирование конечной продукции. Необходимо подчеркнуть исключительно важную роль – и это общепризнано сегодня в мире – советской металловедческой школы (в первую очередь ВИАМ, ИАЭ им. И. В. Курчатова, ВНИИНМ им. А. А. Бочвара) в создании высокоэффективных промышленных сплавов и технологии их обработки. Сегодня циркониевые сплавы являются основным конструкционным материалом российской атомной энергетики; в каждом из действующих промышленных реакторов типа ВВЭР и РБМК применяются в качестве оболочек твэлов и других элементов активной зоны от 20 до 150 т этих материалов, главным образом в виде труб различного сортамента. Более 90 % всех ядерных энергетических установок АЭС мира работают с использованием циркония, в том числе в реакторах с водой под давлением (PWR) и кипящей водой (BWR).

СПРАВКА     Цирконий – металл IV группы периодической системы, атомный номер 40. Плотность 6,5 г/см3, температура плавления 1852оС. Открыт в 1789 году. Основной металлсодержащий минерал – циркон. Хотя цирконий формально относится к группе редких металлов, распространен в природе более широко, чем, например, медь, олово, свинец, никель. Впервые выделен в виде металлического порошка в 1824 году. Чистый пластичный металл был получен в 1925 году. Основное применение – в атомной энергетике. Частично используется в пиротехнике, электротехнике, производстве керамики, огнеупоров и т. д.

    Немного истории
    Развитие циркониевого производства в СССР неразрывно связано с одной из наиболее ярких страниц послевоенной истории страны – созданием советской атомной промышленности. В решении этой важнейшей общенациональной комплексной проблемы под научным руководством академика Игоря Васильевича Курчатова участвовали сотни предприятий, институтов и конструкторских бюро.
    Основная сложность состояла в том, что научный поиск начинался практически на пустом месте в связи с полным отсутствием какой-либо информации. Трудности возникали на каждом этапе. Для того чтобы исследовать свойства циркония, необходимо было хотя бы иметь этот металл в достаточном количестве, однако для этого требовалось решить огромный комплекс проблем, включая поиски подходящего природного сырья и разработку методов извлечения из него металла, выбор основных технологических параметров металлургического цикла, создание соответствующего оборудования, в том числе с применением принципиально новых в те годы процессов (вакуумная, ультразвуковая, электронно-лучевая техника и др.). Попытки применить американский опыт с использованием относительно дешевой циркониевой губки (процесс Кролля – восстановление магнием из тетрахлорида циркония) в качестве исходного сырья для плавки потерпели неудачу: из-за чрезмерного загрязнения примесями металл имел низкую пластичность и нередко разваливался при последующей обработке давлением. Следует отметить, что цирконий, отличающийся повышенной склонностью к поглощению газов при нагреве, теряет свои физико-механические преимущества уже при ничтожных содержаниях примесей. Более перспективным явился способ иодидного рафинирования за счет диссоциации иодида циркония, который обеспечивал исключительно высокую чистоту – до »трех девяток», т. е. содержание циркония не ниже 99,999 %. Исходя из требований высочайшего качества и надежности изделий для атомной техники, эта технология была выбрана для производства базового сырья, что позволило обеспечить высокую стабильность физико-механических характеристик металла, хотя и повышало его стоимость.
    Первые и наиболее существенные исследования по проблеме циркония были выполнены во Всесоюзном институте авиационных материалов (ВИАМ), где к началу 50-х годов сформировалась, пожалуй, одна из наиболее сильных металловедческих школ страны. Именно в ВИАМе коллективом молодых сотрудников под руководством Рубена Сергеевича Амбарцумяна и Алексея Александровича Киселева были проведены комплексные научно-технологические разработки, результаты которых не утратили своего значения и в настоящее время. Используя преимущества более чистого исходного сырья, специалисты ВИАМа сумели найти оригинальный подход к легированию металла. К научным достижениям поистине мирового уровня следует отнести в первую очередь создание промышленных сплавов циркония, легированного ниобием, – знаменитых сплавов Н-1 (для оболочек твэлов) и Н-2,5 (для технологических каналов), которые вот уже на протяжении более 40 лет являются основными материалами атомной энергетики России и стран СНГ, Болгарии, Венгрии, Чехии, Словении, а также финской АЭС »Ловииза» (см. таблицу). Прекрасные свойства сплава Н-2,5 привлекли к нему внимание во всем мире, и сегодня этот материал применяется в канадских реакторах CANDU и японской FUGEN взамен американского циркалоя-2.

Рубен Сергеевич Амбарцумян

    Основные принципы промышленной технологии производства циркониевых полуфабрикатов, главным образом труб для оболочек тепловыделяющих элементов, были разработаны ВИАМом в содружестве с Кольчугинским заводом им. Орджоникидзе. В этой работе участвовали ведущие научно-конструкторские организации страны: ЦНИИТМАШ, ВНИИМЕТМАШ, ВНИИЭТО, УкрНИТИ и др. В рекордно короткие сроки были созданы первые в стране уникальные вакуумные печи, ультразвуковые дефектоскопы, широкое применение нашли специальные станы роликовой прокатки тонкостенных труб.
    К началу 60-х годов на базе довольно развитой производственной кооперации сформировались основные контуры циркониевой промышленности для обеспечения атомного комплекса изделиями определенного сортамента. Главными звеньями этой кооперации были Чепецкий механический завод (г. Глазов), Кольчугинский завод им. Орджоникидзе, Машиностроительный завод (г. Электросталь). Научное руководство и координацию осуществлял Институт атомной энергии им. Курчатова, где был создан специальный исследовательский реактор МР для моделирования условий эксплуатации и испытаний материалов и конструкций атомных энергетических установок. В процессе этих испытаний были подтверждены отличные свойства сплавов системы цирконий-ниобий.
    В 1957 году принимается постановление правительства о создании на базе Чепецкого завода производства циркония для развития атомной энергетики страны.
    Благодаря этой кооперации из сплавов циркония с ниобием были изготовлены комплекты изделий для первых реакторов Нововоронежской АЭС, атомного ледокола »Ленин» и др. объектов.

    Эпоха большого атома
    Во второй половине 60-х годов в стране созрела необходимость и сложились технико-экономические предпосылки для качественного рывка в развитии атомной энергетики. Была разработана широкомасштабная программа развития отрасли, основу которой должны были составить корпусные реакторы ВВЭР нового поколения и реакторы большой мощности принципиально нового канального типа РБМК-1000. Программой предусматривалось использование циркониевых сплавов Н-1 и Н-2,5 в качестве основных конструкционных материалов этих аппаратов. В соответствии с программой предполагалось создание нескольких десятков энергетических реакторов с электрической мощностью от 440 МВт до 1000 и 1500 МВт.
    Масштабы развития атомной энергетики обусловили необходимость не только резкого (в десятки раз) увеличения годового выпуска циркониевых изделий, но и поиск принципиально новых подходов в развитии отрасли. Кроме создания крупных производственных мощностей для обеспечения потребности в циркониевых полуфабрикатах, расширения их сортамента и повышения качества, важнейшее значение приобрел фактор экономической эффективности производства. При запланированном повышении роли и удельного веса атомной энергии в структуре энергообеспечения народного хозяйства экономические показатели должны были обеспечить АЭС прочные позиции в соперничестве с другими подотраслями энергетического комплекса. Проектные расчеты показывали, что применение дорогостоящего иодидного сырья для крупномасштабного производства циркониевых полуфабрикатов существенно снижает его рентабельность. Поэтому важнейшим фактором сокращения производственных затрат являлось снижение материалоемкости производства циркониевых полуфабрикатов за счет использования более дешевого исходного сырья в виде порошка, полученного путем электролиза расплавленных солей (фторцирконат с хлоридом кальция). Эта технология была разработана ВНИИНМ им. А. А. Бочвара совместно с Глазовским заводом.
    К началу 70-х годов на базе Чепецкого завода в Глазове был создан комплекс цехов для производства циркониевых труб и листов различного сортамента. Впервые в СССР был сформирован замкнутый металлургический цикл циркониевого производства, который включал производство иодидного металла и выпуск циркониевого порошка в процессе электролиза получаемого на заводе химического сырья, прессование электродов для вакуумного дугового переплава, ковку заготовок для прокатного передела. Прокатный цех, оснащенный современным высокопроизводительным оборудованием, был рассчитан на обеспечение циркониевыми полуфабрикатами потребностей энергетики. Трубы из сплавов Н-1 и Н-2,5 глазовского производства используются в активной зоне всех действующих реакторов типа ВВЭР и РБМК.
    К сожалению, не удалось в полной мере обеспечить требуемый уровень физико-механических свойств сплавов на основе электролитного порошка из-за его недостаточной химической чистоты. Технологический компромисс был найден в использовании для выплавки сплавов смешанной шихты, состоящей из порошка и иодидного циркония в соотношении 50 : 50.

    Что впереди?
    Циркониевое производство России сегодня сталкивается с общими для экономики проблемами, такими как нерегулируемый рост цен на продукцию и услуги естественных монополий, прекращение централизованного финансирования, высокий уровень налогов и развал финансовой системы, отсутствие средств для финансирования социальной сферы. В этих условиях фактическая ликвидация программы развития атомной энергетики в России и странах СНГ привела к резкому падению спроса на циркониевую продукцию. Безусловно, отрицательную роль сыграла также Чернобыльская катастрофа. В результате мощное современное производство сегодня находится на грани остановки. Серьезный кризис переживает фундаментальная и отраслевая наука.
    Перспективы производства циркония, так же как и научных исследований по этой проблеме, самым тесным образом связаны с разработкой основных положений концепции будущего развития атомной энергетики. После довольно длительного периода неопределенности в стране, наконец, утвердилось мнение о необходимости дальнейшего наращивания потенциала атомной энергетики на новой технической основе. Эта программа находится в стадии разработки, однако уже сейчас можно утверждать, что новый этап развития атомной энергетики будет по-прежнему связан с использованием циркониевых сплавов для изготовления ответственных узлов активной зоны более совершенных и безопасных реакторов нового поколения.
    Несмотря на крупные потери последних лет, имеются все необходимые предпосылки для нового качественного подъема атомной науки и техники. В России есть необходимый для этого выбор природного сырья, высококвалифицированные кадры, в основном сохраняются научные силы в ведущих научных подразделениях. Сохранил свой производственный потенциал уникальный по самым высоким мировым стандартам Чепецкий механический завод, где практически реализуются наукоемкие технологии в области реакторной техники и материалов, разработанные российскими НИИ. Завод, входящий в состав концерна и АО »ТВЭЛ», специализируется на производстве урановых изделий, металлического кальция и циркониевых полуфабрикатов, по выпуску которых предприятие является крупнейшим в мире. Производственные мощности ЧМЗ используются сегодня на 30 – 40 %. Поэтому завод стремится найти и предложить новые сферы использования циркония, в том числе в химическом аппаратостроении, нефтяной и газовой промышленности, в качестве легирующего элемента в черной и цветной металлургии, электронике и др.
    Разумеется, в новых условиях атомной энергетике будет непросто завоевать место на рынке энергопотребления в конкуренции с другими энергоносителями. При этом сложно рассчитывать на существенную государственную поддержку, в лучшем случае – это дело регионов, а также крупных финансово-промышленных групп, способных понять, что финансирование развития атомной энергетики при рациональной организации является довольно прибыльным. Очевидным признанием высокого уровня российской атомной промышленности стал ее выход на зарубежные рынки, что нашло отражение в контрактах на строительство АЭС в Иране и двух блоков ВВЭР-1000 в Китае. Ведутся переговоры о строительстве реакторов в Индии.
    Нельзя забывать, что атомная энергетика, наряду с информатикой, биотехнологией, производством новых материалов и другими наукоемкими направлениями технического прогресса, определяет основные контуры будущей постиндустриальной экономической системы. Поэтому дальнейшее промедление в развитии этой отрасли грозит длительной остановкой страны на обочине мирового научно-технического прогресса.