تبذل شركة تفيل للوقود النووي (TVEL Fuel Company) التابعة لروساتوم جهودًا كبيرة لتطوير أنواع جديدة من الوقود النووي. هناك حاجة إليها لتحسين الكفاءة الاقتصادية لمحطات الطاقة الذرية الحالية وتشغيل مفاعلات جديدة. لخّص قام الباحثون والمهندسون عملهم في العام 2022 في مؤتمر الجيل الجديد لوقود محطات الطاقة الذرية: التطورات وممارسات التشغيل والآفاق.
التجميع بوساطة الروبوتات
ربما كان عنوان المؤتمر إعلانًا عن قيام شركة تفيل بتصنيع أول ثلاث مجموعات وقود TVS-5 وتحميلها في أحد المفاعلات في محطة نوفوفورونج في العام 2023. السمة المميزة للتكنولوجيا الجديدة هي إنتاج مؤتمت بالكامل لا يتطلب أي تدخل بشري. فأولاً، سيتم اختبار التكنولوجيا للتأكد من أن بإمكان الروبوتات تصنيع مجموعات الوقود مثلما يفعل البشر. إذا كان الأمر كذلك، فسيتم إطلاق خط إنتاج تجريبي في العام 2025 لتصنيع مجموعات TVS-5 المحتوية على مزيج من اليورانيوم والبلوتونيوم (إن هذا هو مزيج الوقود الذي تم تطوير التكنولوجيا الجديدة من أجله). سوف تقوم الروبوتات حتى ذلك الحين بتجميع قضبان وقود أقل تطوراً مصنوعة من أغلفة عادية من الزركونيوم ومركب وقود أكسيد اليورانيوم.
سيتم بناء الخط الآلي بالكامل لإنتاج مجموعات وقود TVS-5 في مصنع سيبيريا للكيماويات في سيفيرسك. ستتحول المحطة تدريجيًا إلى مركز وقود لدورة وقود نووي مغلقة بمثابة وحدة لإعادة معالجة الوقود ووحدة تصنيع/إعادة تصنيع وقود لمفاعل النيوترون السريع BREST-OD-300 الذي تم بناؤه في نفس الموقع كجزء من مشروع .Proryv (اختراق)
يوضح نائب الرئيس الأول للبحث والتطوير في شركة TVEL ألكسندر أغريوموف قائلا: “درس معهد كورتشاتوف عدة خيارات لمزيج اليورانيوم والبلوتونيوم الخاص بـالوقود TVS-5، بما في ذلك ثلاثة أنواع من وقود REMIX متباينة فيما بينها من حيث محتوى البلوتونيوم، وتكوين وقود موكس. بدأت الاختبارات داخل المفاعل على وقود REMIX في العام 2021، حيث تم تحميل ست مجموعات تجريبية في مفاعل وحدة بالاكوفو 1. ونعمل في هذا العام [2022] على تصنيع مجموعات وقود MOX لمفاعل MIR. إن هذه هي الطريقة التي سنضمن بها أقصى قدر من المرونة والاستعداد لتحسين دورات الوقود النووي استجابةً لتلبية احتياجات الزبائن”.
إغلاق دورة الوقود النووي
تتجه روساتوم نحو دورة وقود نووي مغلقة، التي تحتاج إلى وقود خاص. تتم معالجة اليورانيوم المستخرج من مجموعات الوقود المشععة إلى وقود تم استخدامه في الوحدة الأولى في محطة كولا للطاقة الذرية وبعض وحدات محطات الطاقة الذرية في سمولينسك وكورسك ولينينغراد منذ العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. أكدت شركة تفيل للوقود النووي على إمكانية وملاءمة استخدام اليورانيوم المعاد معالجته في مفاعلات الطاقة الماء – مائية – 1000(VVER-1000). قال ألكسندر أوغريوموف في المؤتمر: “إننا نعمل مع شركة روس إنيرغ أتوم (RosEnergoAtom) [المشغل الروسي لمحطات الطاقة الذرية] على توسيع تطبيقه ليشمل مفاعلي VVER-1000 وVVER-1200“.
اشار كونستانتين كوراكين، رئيس دورات الوقود في معهد كورتشاتوف، إلى أن إعادة معالجة الوقود يمكن أن توفر ما يصل إلى 20٪ من اليورانيوم الطبيعي تبعا لطول الدورة.
مواد جديدة لوقود مقاوم للحوادث
تجري شركة تفيل اختبارات على عدد من تركيبات الوقود ومواد التكسية لإنتاج وقود مقاوم للحوادث. يدرس الباحثون سبيكة 42CrNiMo (الكروم والنيكل والموليبدينوم) وطلاء الكروم لكسوة الزركونيوم وكسوة كربيد السيليكون. يعتبر ألكساندر أوغريوموف أن هذه المواد هي أكثر المواد الواعدة على الرغم من صعوبة إنتاجها.
تقوم شركة تفيل بتطوير مركبين للوقود، يورانيوم – موليبدينوم وسيليسيد اليورانيوم، لوقودها المقاوم للحوادث. إنهما يمتزان بموصلية حرارية عالية، مما يقلل من مخاطر ارتفاع درجة حرارة الوقود والانصهار في حوادث فقدان سائل التبريد. ولديهما، بالإضافة إلى ذلك، كثافة أعلى ومحتوى يورانيوم أعلى، مما يؤدي إلى زيادة فترة التزود بالوقود. ومع ذلك، هناك عيوب أيضًا. قال ألكسندر أوغريوموف: “لقد تم التحقق من صحة تقنية اليورانيوم – الموليبدينوم، وتم اختبار الحلول ذات الصلة في مفاعل أبحاث. ومع ذلك، فإن تكاليف هذه التقنية أعلى من تكلفة صنع وقود السيراميك التقليدي”. وأشار إلى أن “هذا ما سنعمل عليه”
تتمثل الخطوة التالية في دراسة كسوة كربيد السيليكون في التحقق من إمكانية استخدام وقود اليورانيوم – الموليبدينوم ووقود ديسيليد اليورانيوم مع مادة الكسوة هذه.
هندسة دقيقة
العمل مستمر لتطوير وقود MUPN (MUPN تعني نيتريد اليورانيوم والبلوتونيوم المختلط). تمت، وفقًا لميخائيل سكوبوف، نائب مدير معهد الأبحاث الروسي للمواد غير العضوية (VNIINM، جزء من روساتوم)، ترقية التصميم التفصيلي لتجميع الوقود للتحميل الأول في BREST-OD-300 في العام 2021، ويعمل المهندسون على تحديد وخفض العوامل المؤدية لتقليل الاحتراق. طور VNIINM تصميمات تخطيطية لقضبان الوقود للمفاعلين BN-1200 و BR-1200 ، وقدم عددًا من المقترحات لتحسين قضبان الوقود، مثل إجراء عمل فترات استراحة جانبية لتقليل حجم كريات الوقود، والوقود الدقيق باستخدام نيتريد الألومنيوم لزيادة الانكماش وتقليل الزحف وإدخال طبقة فرعية من المعدن السائل لزيادة الاحتراق.
محكوم على الأكتينيدات الصغيرة بالفشل
الكوريوم والأمريسيوم والنبتونيوم هي العناصر الأكثر نشاطا في الوقود النووي المشع. من المبرمج أن يتم استخراج هذه العناصر، وتخزين الكوريوم، في حين سيتم تحميل الأميريسيوم والنبتونيوم في مفاعل نيوتروني سريع وحرقهما هناك.
يقول ألكسندر توزوف، مدير معهد أبحاث المفاعلات الذرية (RIAR)، إن مفهوم حرق الأميريسيوم والنبتونيوم في البطانية الجانبية لمفاعل نيوتروني سريع قد تم تطويره بالفعل. يتم تصنيع قضبان الوقود المحتوية على أكاسيد الأميريسيوم والنبتونيوم (ما يسمى بقضبان الاحتراق الأكتينيدية الصغرى، MABR) بوساطة الضغط الاهتزازي عن بُعد. تم تحميل MABRs التجريبية بأطياف نيوترونية مختلفة في فتحات المنطقة النشطة للمفاعل BOR-60. تم الحصول على النتائج الأولى لتحليل ما بعد التشعيع، ولكن التشعيع مستمر. كما طوّر المهندسون تصميمات مفصلة لتجميعات MABR.
موثوقية الوقود TVS-Kvadrat
خصصت إحدى جلسات المؤتمر للوقود النووي لمفاعلات الماء الخفيف أجنبية التصميم. قال المشاركون في هذه الجلسة إن تجميعات الوقود TVS-Kvadrat قد اجتازت اختبارات التأهيل في المفاعل PWR-900 أوروبي التصميم. تمتعت مجموعات الوقود TVS-Kvadrat، بعد نشر نتائج تحليل ما بعد التشعيع من قبل مركز أبحاث مستقل، بنجاح تجاري في السوق العالمية. إنه الوقود النووي PWR الوحيد في العالم المستقل تمامًا عن مطوري تقنية المفاعل الأصلي من حيث حقوق الملكية الفكرية وعمليات الإنتاج، وقد أثبت أنه موثوق به وفعال من حيث التكلفة.
