La empresa de combustibles de Rosatom, TVEL, está trabajando intensamente en el desarrollo de nuevos tipos de combustible, que son necesarios para mejorar la economía de las centrales nucleares existentes, así como para los nuevos reactores. Durante la jornada “Combustible nuclear de nueva generación para centrales nucleares. Resultados de desarrollo, experiencia operativa y direcciones de desarrollo”, científicos e ingenieros resumieron los resultados del 2022.

Montaje en manos de robots

Quizás la principal noticia de la conferencia sea que, en 2023, TVEL planea fabricar y realizar la carga de los tres primeros TVS-5 en uno de los reactores de la central nuclear Novovoronezhskaya. La característica clave de la tecnología es que estos elementos combustibles se producirán en una planta completamente automatizado, sin presencia humana. Es necesario comprobar si las máquinas automatizadas pueden realizar el montaje de la misma manera que los humanos. En caso afirmativo, en 2025 crearán una producción piloto de TVS-5 con combustible de uranio-plutonio (para los que se desarrolló una nueva tecnología de ensamblaje). Mientras tanto, los robots ensamblarán elementos combustibles más simples, con revestimiento de circonio convencional y composición de combustible de óxido de uranio.

Está previsto instalar una sección automatizada de TVS-5 en la planta SGChE JSC en la ciudad de Seversk. La planta se está convirtiendo gradualmente en un centro para la producción de combustible para energía nuclear de dos componentes: las instalaciones para el procesamiento y la fabricación-refabricación de combustible para el reactor BREST-OD-300 se están construyendo allí como parte del proyecto Proryv.

“El Instituto Kurchatov estudió varias opciones prometedoras de uranio-plutonio para los TVS-5: tres con combustible REMIX, que difieren en el contenido de plutonio, y una con MOX. En 2021 comenzaron las pruebas del reactor de una versión homogénea del combustible REMIX, se están irradiando seis prototipos de combustible experimentales en la Unidad 1 de la central nuclear Balakovskaya, este año (2022 – nota del editor) se están fabricando prototipos de combustible para el reactor MIR con composición MOX. Por lo tanto, garantizaremos la máxima flexibilidad y preparación para formar ciclos de combustible óptimos en función de las necesidades de un cliente en particular”, explicó Alexander Ugryumov, Vicepresidente Primero de Ciencia y Tecnología de TVEL.

El ciclo de combustible nuclear se cierra

Rosatom tiene como objetivo una transición a la energía nuclear de dos componentes, que requiere un combustible especial. Desde la década del 2000, la Unidad 2 de potencia de la central nuclear Kolskaya y las unidades de las centrales nucleares de Smolenskaya, Kurskaya y Leningrado han estado operando con combustible de uranio obtenido de conjuntos irradiados. TVEL ya ha confirmado la posibilidad y conveniencia de utilizar uranio regenerado en reactores VVER-1000. “Ahora, junto con Rosenergoatom, estamos avanzando para expandir su uso en VVER-1000 y VVER-1200”, dijo Alexander Ugryumov en la conferencia.

Konstantin Kurakin, jefe del Departamento de Ciclos de Combustible del Instituto Kurchatov, señaló que debido al reciclaje, el ahorro de uranio natural en combustible puede llegar al 20%, dependiendo de la duración del ciclo.

Nuevos materiales para los combustibles tolerantes

TVEL está probando varias composiciones de combustible y materiales de revestimiento de combustible para el desarrollo de un combustible tolerante. Se estudian la aleación 42KhNM (cromo, níquel, molibdeno), los recubrimientos de cromo de las corazas de zirconio y las corazas de carburo de silicio. Alexander Ugryumov considera que este material es el más prometedor, aunque no es fácil producirlo.

Para el combustible tolerante, TVEL está desarrollando dos composiciones de combustible: uranio-molibdeno y disiliciuro de uranio, que tienen una alta conductividad térmica, lo que significa que hay menos riesgo de sobrecalentamiento y fusión del combustible en caso de accidentes con pérdida de refrigerante. Además, tienen una mayor densidad e intensidad de uranio: es posible prolongar la campaña de combustible. También hay desventajas. “Para el uranio-molibdeno, la tecnología está clara y esta solución ha sido probada, incluso en un reactor de investigación. Pero el costo de esta tecnología sigue siendo superior al de la tecnología clásica de producción de combustible cerámico. Trabajaremos en ello”, dijo Alexander Ugryumov.

El próximo paso en el programa de investigación para el revestimiento de carburo de silicio es la posibilidad de usar con él composiciones de combustible de uranio-molibdeno y disiliciuro.

Geometría precisa

Continúa el desarrollo del combustible SNUP. Mikhail Skupov, Vicedirector General de VNIINM (un instituto de Rusia clave para el desarrollo de combustible nuclear, que forma parte de Rosatom), dijo que se actualizó el diseño técnico del elemento combustible para la primera carga de BREST-OD-300 en 2021, y se están realizando investigaciones para tener en cuenta y eliminar los factores que impiden un aumento del desgaste. Se desarrollaron modelos de diseños de barras de combustible para BN-1200 y BR-1200. El Instituto hizo varias propuestas para mejorar la calidad de los elementos combustibles: nivelar el aumento de volumen de pellets de los extremos con agujeros; introducir microaleaciones en la composición del combustible con nitruro de aluminio para aumentar la contracción y reducir la fluencia; introducir una subcapa de metal líquido para lograr un desgaste más profundo.

El destino de los actínidos menores

El curio, el americio y el neptunio son los elementos más radioactivos del combustible nuclear irradiado. Está previsto extraerlos y conservar el curio y cargar el americio y neptunio en un reactor rápido para quemarlos allí.

El Director General del Instituto de Investigación NIIAR de Rusia, Alexander Tuzov, dijo que ya se ha desarrollado el concepto de quemar americio y neptunio en la pantalla lateral de un reactor rápido. Los elementos de combustible (denominados mavels) con óxidos de americio y neptunio se fabrican mediante la tecnología de vibrocompactación remota. Los mavels experimentales se cargaron en el BOR-60 en celdas con diferentes espectros de neutrones, se obtuvieron los primeros resultados de las pruebas posteriores al reactor y la irradiación continúa. Y se desarrollaron diseños técnicos de los conjuntos con los mavels.

La fiabilidad de los TVS-Kvadrat

Se dedicó una sección especial al combustible para reactores de agua ligera de diseño extranjero. Sus participantes dijeron que tras la calificación en el reactor europeo PWR-900 y la publicación de los resultados de los estudios posteriores al reactor en el centro de investigación independiente, TVS-Kvadrat se convirtió en un producto muy solicitado en el mercado mundial. Es el único combustible nuclear del mundo para PWR que es completamente independiente de los desarrolladores de la tecnología original del reactor en términos de propiedad intelectual y en producción, y ha demostrado su confiabilidad y eficiencia.