A empresa de combustível da Rosatom, a TVEL, está trabalhando intensamente no desenvolvimento de novos tipos de combustível, que são necessários para melhorar a economia das usinas nucleares existentes, assim como para os novos reatores. Durante a conferência “Combustível nuclear de nova geração para usinas nucleares. Resultados de desenvolvimento, experiência operacional e direções de desenvolvimento”, cientistas e engenheiros resumiram os resultados de 2022.

Montagem nas mãos de robôs

Talvez a maior notícia da conferência seja que, em 2023, a TVEL planeja fabricar e carregar os três primeiros TVS-5 em um dos reatores da Usina Nuclear de Novovoronezh. A característica chave da tecnologia é que esses conjuntos de combustível serão produzidos em uma planta totalmente automatizada, sem a presença humana. É necessário verificar se as máquinas automatizadas podem realizar a montagem da mesma forma que os seres humanos. Em caso afirmativo, eles criarão uma produção piloto de TVS-5 com combustível de urânio-plutônio (para a qual foi desenvolvida uma nova tecnologia de montagem) em 2025. Enquanto isso, os robôs irão montar elementos de combustível mais simples com revestimento convencional de zircônio e composição de combustível de óxido de urânio.

Uma seção automatizada de TVS-5 está planejada para ser instalada na planta SGChE JSC na cidade de Seversk. A usina está sendo gradualmente convertida em um centro de produção de combustível de energia nuclear de dois componentes: instalações para o processamento e fabricação-refabricação de combustível para o reator BREST-OD-300 estão sendo construídas ali como parte do projeto Proryv.

“O Instituto Kurchatov estudou várias opções promissoras de urânio-plutônio para os TVS-5: três com combustível REMIX, diferindo em conteúdo de plutônio, e um com MOX. Em 2021, começaram os testes do reator de uma versão homogênea do combustível REMIX, seis protótipos experimentais de combustível estão sendo irradiados na Unidade 1 da Usina Nuclear Balakovo, este ano (2022 – nota do editor) estão sendo fabricados protótipos de combustível para o reator MIR com composição MOX. Portanto, garantiremos a máxima flexibilidade e prontidão para formar ciclos de combustível ideais, dependendo das necessidades de um determinado cliente“, explicou Alexander Ugryumov, Vice-Presidente Sênior para Ciência e Tecnologia da TVEL.

O ciclo do combustível nuclear se fecha

A Rosatom visa uma transição para a energia nuclear de dois componentes, que requer combustível especial. Desde os anos 2000, a Unidade de Energia número 2 da Usina Nuclear de Kola e as unidades das usinas nucleares de Smolensk, Kursk e Leningrado estão operando com combustível urânio obtido de montagens irradiadas. A TVEL já confirmou a possibilidade e a conveniência de utilizar urânio regenerado em reatores VVER-1000. “Agora, juntamente com a Rosenergoatom, estamos avançando para expandir seu uso no VVER-1000 e no VVER-1200“, disse Alexander Ugryumov na conferência.

Konstantin Kurakin, chefe do Departamento de Ciclos de Combustível do Instituto Kurchatov, destacou que devido à reciclagem, a economia de urânio natural no combustível pode chegar a 20%, dependendo da duração do ciclo.

Novos materiais para os combustíveis tolerantes

A TVEL está testando várias composições de combustível e materiais de revestimento de combustível para o desenvolvimento de um combustível tolerante. A liga 42KhNM (cromo, níquel, molibdênio), os revestimentos de cromo em conchas de zircônio e de carboneto de silício estão sendo estudados. Alexander Ugryumov considera este material como o mais promissor, embora não seja fácil de produzir.

Para o combustível tolerante, a TVEL está desenvolvendo duas composições de combustível: urânio-molibdênio e dissilicida de urânio, que têm uma alta condutividade térmica, o que significa que há menos risco de superaquecimento e derretimento do combustível em caso de acidentes com perda de líquido refrigerante. Além disso, têm uma maior densidade e intensidade de urânio: é possível prolongar a campanha de combustível. Há também desvantagens. “Para o urânio-molibdênio, a tecnologia é clara e esta solução foi comprovada, mesmo em um reator de pesquisa. Mas o custo desta tecnologia ainda é maior do que a clássica tecnologia de produção de combustíveis cerâmicos. Vamos trabalhar nisso“, disse Alexander Ugryumov.

O próximo passo no programa de pesquisa para revestimento de carboneto de silício é a possibilidade de usar com ele composições de combustível urânio-molibdênio e dissilicida.

Geometria precisa

O desenvolvimento do combustível SNUP continua. Mikhail Skupov, Diretor Geral Adjunto do VNIINM (um instituto russo chave para o desenvolvimento de combustível nuclear, parte da Rosatom), disse que o projeto técnico do elemento combustível para a primeira carga de BREST-OD-300 em 2021 foi atualizado, e a pesquisa está em andamento para levar em conta e eliminar fatores que impedem um aumento do desgaste. Os modelos de projeto de barras de combustível foram desenvolvidos para o BN-1200 e BR-1200. O Instituto fez várias propostas para melhorar a qualidade dos elementos combustíveis: nivelar o aumento do volume de pelotas das extremidades com furos; introduzir microligas na composição do combustível com nitreto de alumínio para aumentar a retração e reduzir a fluência; introduzir uma subcamada de metal líquido para conseguir um desgaste mais profundo.

O destino dos actinídeos menores

Cúrio, amerício e neptúnio são os elementos mais radioativos no combustível nuclear irradiado. Está previsto extraí-los e manter a cúrio e carregar o amerício e o neptúnio em um reator rápido para serem queimados ali.

Alexander Tuzov, diretor geral do instituto de pesquisa NIIAR da Rússia, disse que o conceito de queimar amerício e neptúnio no escudo lateral de um reator rápido já foi desenvolvido. Os elementos de combustível com óxidos de amerício e neptúnio são fabricados usando tecnologia de vibrocompactação remota. Os elementos de combustível experimentais com óxidos de amerício e neptúnio foram carregados no BOR-60 em células com diferentes espectros de nêutrons, os primeiros resultados foram obtidos a partir de testes pós-reator e irradiação contínua. E os projetos técnicos dos conjuntos com elementos de combustível com óxidos de amerício e neptúnio foram desenvolvidos.

Confiabilidade dos TVS-Kvadrat

Uma seção especial foi dedicada ao combustível para reatores de água leve de design estrangeiro. Seus participantes disseram que após a qualificação no reator europeu PWR-900 e a publicação dos resultados dos estudos pós-reator no centro de pesquisa independente, TVS-Kvadrat se tornou um produto muito procurado no mercado mundial. É o único combustível nuclear do mundo para reator de água pressurizada (PWR) que é completamente independente dos desenvolvedores da tecnologia original do reator em termos de propriedade intelectual e em produção, e que provou sua confiabilidade e eficiência.