Компания General Atomics – Electromagnetic Systems (GA-EMS) при поддержке Министерства энергетики США (DOE) разработала трубки из карбида кремния в качестве оболочки ядерного топлива, которые могут выдерживать экстремальные температуры. В DOE говорят, что это может полностью изменить способ производства топлива в будущем.
В настоящее время в качестве оболочки ядерного топлива широко используется циркониевый сплав благодаря своим механическим свойствам и коррозионной стойкости. Несмотря на то, что за прошедшее время оболочки из циркониевого сплава были улучшены, существует интерес к изучению и разработке новых материалов для оболочек, чтобы значительно повысить эксплуатационные характеристики, экономическую эффективность и безопасность легководных реакторов.
GA-EMS разрабатывает новую топливную оболочку под названием SiGA при финансовой поддержке, проведении реакторных испытаний и обследований после облучения в рамках программы DOE по созданию аварийно-устойчивого топлива. Оболочка SiGA изготавливается из карбида кремния − высокотемпературного керамического материала, состоящего из кремния и углерода в кристаллической структуре высокой чистоты.
Карбид кремния может выдерживать температуры, превышающие температуру расплавленной лавы, но в чистом виде он может быть хрупким, что исторически ограничивает его использование в качестве конструкционного материала. GA-EMS решила эту проблему, включив в состав оболочки волокна карбида кремния. Эти волокна усиливают материал подобно тому, как стальная арматура используется для усиления бетона.
Такая комбинация создает прочный и долговечный композитный материал из карбида кремния, который может выдерживать температуру до 3 800 °F − на 500 градусов выше температуры плавления циркониевого сплава.
GA-EMS уже создала SiGA-ампулы длиной 6 дюймов и образцы оболочки длиной 3 фута, которые отвечают строгим требованиям для ядерных реакторов и пройдут испытания на облучение в Национальной лаборатории Айдахо Министерства энергетики США. Последние работы показали, что процесс можно масштабировать до получения полноразмерных 12-футовых твэлов.
Оболочка SiGA содержит твердое топливо и газы, образующиеся во время эксплуатации, и отличается новой технологией герметизации, способной выдерживать давление, значительно превышающее типичное для легководных реакторов. Чтобы реализовать оболочку SiGA, GA-EMS продолжит расширять масштабы своей технологии изготовления и проводить дальнейший анализ SiGA как до, так и после облучения. В настоящее время ведется разработка методики ускоренной квалификации топлива с использованием исследовательских реакторов, коммерческих реакторов, а также моделирования и имитации. В компании GA-EMS полагают, что смогут продемонстрировать оболочку SiGA к концу этого десятилетия, а ее коммерциализацию − в начале 2030 г. GA-EMS также развивает внутренние производственные возможности для SiGA.
В рамках программы создания аварийно-устойчивого топлива три крупнейших американских поставщика ядерного топлива осуществляют сотрудничество с DOE по вопросу разработки других концепций аварийно-устойчивого топлива. По мнению DOE, эти новые составы топлива и оболочек могут помочь улучшить общую экономичность и производительность современных реакторов, а также позволит увеличить время реагирования при высоких температурах в аварийных ситуациях.