Толерантное топливо
Разработка толерантного топлива — приоритетное направление для создателей топлива в последнее десятилетие. Необходимость создать топливо, максимально, насколько это возможно, препятствующее развитию тяжелых аварий, возникла после анализа причин аварии на АЭС «Фукушима Даичи»: прекращения функционирования системы охлаждения и пароциркониевой реакции при температуре свыше 1200 С. Путей развития технологий пока два: уменьшить количество циркония в реакторе и изменить химический состав топливной композиции так, чтобы увеличилась теплоотдача топлива.
Нельзя говорить, что одно только новое топливо сможет предотвратить аварии. Но цель его создания — обеспечить запас времени для реагирования на редкие аварийные события, а также дать технологические и экономические преимущества при нормальной эксплуатации реактора.
Усилия разработчиков направлены на создание как новых материалов оболочки, так и топливной композиции. Наиболее быстрым из возможных решений считается разработка покрытий оболочек, в том или ином виде включающих хром. Вариант, требующий более длительного изучения, но потенциально интересный для производства оболочек — композитные материалы на базе карбида кремния. Для топливных композиций рассматриваются варианты с добавлением хрома или молибдена, а также использование вместо оксида урана силицида или нитрида урана.
Хромовые покрытия на циркониевых сплавах обеспечивают повышенную коррозионную и износостойкость и сниженную водородопроницаемость, что способствует сохранению пластичности циркониевых сплавов.
Предпочтительной технологии нанесения покрытия пока не выявлено, различные производители используют вариант, который они сочли наиболее приемлемым. Так, в статье научного сотрудника отделения импульсных процессов «ТРИНИТИ» Алексея Якушкина и профессора кафедры теоретической физики МГОУ Федора Высикайло отмечается, что комплексные методы нанесения обладают высокой технологической, но низкой экономической эффективностью. Та же проблема у метода сильного легирования поверхности. Более перспективны, по мнению авторов, лазерные методы нанесения. Также они отмечают привлекательность магнетронных методов покрытия твэлов благодаря высокой скорости нанесения и однородности покрытия.
К новым топливным композициям можно отнести легированный диоксид урана (UO2), топливо с высокой плотностью (например, U3Si2) и металлическое, например, уран-молибденовое топливо.
Росатом действует в тренде и разрабатывает различные комбинации оболочек и топливных композиций. В прошлом году в исследовательский реактор МИР в ГНЦ НИИАР (входит в Росатом) были загружены две экспериментальные ТВС. Для оболочек использован циркониевый сплав с хромовым покрытием и хром-никелевый сплав. Для топливной композиции были использованы традиционный диоксид урана и уран-молибденовый сплав повышенной плотности и теплопроводности. В каждой ТВС — 24 твэла с различной комбинацией материалов.
Кроме того, ВНИИНМ им. А. А. Бочвара (входит в Росатом) в прошлом году создала образцы волокна из карбида кремния с 10–12 % содержанием кислорода. Следующий шаг — добиться производства бескислородного карбидного волокна, из которого можно производить оболочки для твэлов. Уже создан банк образцов, параллельно отрабатываются технологии пайки и герметизации. Проект будет продолжаться и в 2021 году.
Скорость внедрения толерантного топлива на рынке будет связана не только с успехами в разработке, но и с обоснованием возможности использования конкретного варианта толерантного топлива в активной зоне конкретного реактора. На это, как показывает практика, может уйти несколько лет.
Замыкание ядерного топливного цикла
Росатом системно занимается разработкой новых видов топлива для замыкания ядерного топливного цикла.
В линейке новых видов топлива — три варианта: РЕМИКС, МОКС и СНУП. В настоящее время все они находятся на стадии исследований и испытаний.
По данным пресс-службы «Концерна «Росэнергоатом» (входит в Росатом), в настоящее время в активной зоне реактора БН‑800 эксплуатируются 26 ТВС с МОКС-топливом. Из них 18 сборок с таблеточным МОКС-топливом — первые «штатные» сборки, произведенные на промышленном производстве на Горно-химическом комбинате (ГХК, входит в Росатом) и поставленные «Росэнергоатому» топливной компанией Росатома «ТВЭЛ». Они были загружены в активную зону реактора БН‑800 Белоярской АЭС в конце 2019 года. Еще восемь сборок были произведены на опытной линии ГНЦ НИИАР и содержат виброуплотненное МОКС-топливо. ТВС с таблеточным МОКС-топливом должны облучаться в активной зоне реактора около полутора лет, в течение которых пройдут три микрокампании. Наработка ТВС после их облучения в активной зоне составит около 465 эффективных суток. «В настоящее время указанные ТВС эксплуатируются штатно, без отклонений, наработка составляет примерно 310 эффективных суток», — сообщили в «Росэнергоатоме».
Эксплуатационные характеристики таблеточного МОКС-топлива были обоснованы в рамках облучения в реакторе БН‑600 нескольких десятков экспериментальных ТВС. Стартовая зона реактора БН‑800, запущенного в 2015 году, почти на четверть состояла из ТВС с МОКС-топливом, изготовленных на опытных линиях в ГНЦ НИИАР и ПО Маяк. Опыт их облучения подтвердил эксплуатационную надежность таблеточного МОКС-топлива и позволил обосновать «штатную» активную зону БН‑800 с полной загрузкой таблеточным МОКС-топливом, промышленное производство которого было запущено под управлением «ТВЭЛ» на Горно-химическом комбинате.
ТВЭЛ уже изготовил на ГХК и поставил на Белоярскую АЭС «Концерна Росэнергоатом» первую «полную» перегрузку из МОКС-топлива в составе 168 сборок. По данным пресс-службы концерна, в первой половине 2021 года эти сборки будут загружены в реактор. Завершиться процесс формирования активной зоны МОКС-топливом должен во второй половине 2022 года. Незначительные изменения в графике загрузок могут быть связаны с изменением сроков плановых ремонтов блока БН‑800.
РЕМИКС-топливо — это тоже, как и МОКС-топливо, смесь оксидов урана и плутония. Но доля плутония ниже: 1–3 % (по массе). Кроме того, в РЕМИКС-топливо добавляется не обедненный, а обогащенный уран. Его доля — порядка 3–4 % по изотопу U‑235. В отличие от МОКС-топлива, РЕМИКС-топливо загружается не в быстрые, а в энергетические реакторы (ВВЭР или РБМК). Кроме того, для РЕМИКС-топлива будут использоваться сборки ТВС‑2М с увеличенной, по сравнению с более ранними моделями, загрузкой топлива, длиной твэлов и твэгов, удлиненным каркасом, оптимизированным профилем ячеек и уменьшенной толщиной конструкции нижней опорной решетки.
С 2016 года на Блоке № 3 Балаковской АЭС идет опытно-промышленная эксплуатация трех экспериментальных сборок, в каждую из которых включены шесть твэлов с РЕМИКС-топливом. Всего в каждой топливной кассете 312 твэлов. В 2020 году начался третий 18-месячный цикл облучения. Следующий этап — загрузка сборок, полностью укомплектованных твэлами с РЕМИКС-топливом.
Для того, чтобы обеспечить производство необходимого количество сборок, инвестиционный комитет Росатома в августе 2020 года принял решение о начале проекта по созданию линии по производству ТВС с РЕМИКС-топливом на Сибирском химическом комбинате (СХК, входит в Росатом). Новая линия появится благодаря модернизации экспериментального производственного участка по фабрикации топлива: добавится оборудование по снаряжению твэлов и ТВС. Линия будет готова к 2021 году. По итогам отработки технологии на новой линии и результатов облучения сборок на Балаковской АЭС будет решаться вопрос о создании промышленного производства РЕМИКС-топлива.
СНУП-топливо отличается от РЕМИКС и МОКС уже тем, что СНУП — это не оксидное, а нитридное топливо. Расшифровка аббревиатуры — смешанное нитридное уран-плутониевое (топливо). Использоваться оно должно в демонстрационном реакторе БРЕСТ-ОД‑300 в рамках проекта «Прорыв». Его также планируют использовать и в первом коммерческом реакторе на быстрых нейтронах БН‑1200, который находится на стадии проектирования. Экспериментальные ТВС производятся и проходят испытания в исследовательских реакторах БОР‑60, МИР и в промышленном реакторе БН‑600. Уже облучено и продолжает облучаться более 20 сборок. В настоящее время выгорание уже превышает 9 %. На модуле фабрикации-рефабрикации топлива для реактора БРЕСТ-ОД‑300, создаваемом на площадке Сибирского химического комбината, входящего в «ТВЭЛ», идет монтаж оборудования.
Одна из важнейших проблем, которую надо решать при переходе к промышленным объемам работы с РЕМИКС-, МОКС- и СНУП-топливом — необходимость обращения с высокофоновыми материалами, в особенности — с облученным топливом и топливом, проходящим третий и более цикл вовлечения в производство.
Не забывать про улучшения
Топливная компания «ТВЭЛ» не только разрабатывает новое топливо для новых реакторов, но и улучшает уже существующие модели для действующих клиентов. В октябре нынешнего года «ТВЭЛ» завершил начатую в 2017 году разработку и обоснование новой модификации ядерного топлива для реакторов ВВЭР‑440 венгерской АЭС «Пакш». Оптимизация водно-урановоего отношения в активной зоне реактора повысит эффективность топливоиспользования и улучшит экономические характеристики эксплуатации энергоблоков.
В июле нынешнего года «ТВЭЛ» заключил с чешской энергокомпанией ČEZ a. s. соглашение о внедрении на АЭС «Дукованы» новой модификации ядерного топлива для реакторов ВВЭР‑440 РК‑3+. Нововведения следующие: вместо чехла кассеты РК3+ применена каркасная конструкция с уголками, увеличен шаг расположения твэлов и твэгов, изменено профилирование обогащения по сечению топливной кассеты. Эти изменения дают возможность удлинить топливный цикл на АЭС «Дукованы».
В рамках контракта между «ТВЭЛ» и словацкой электроэнергетической компанией Slovenské elektrárne a. s. реализуется проект по разработке нового ядерного топлива и новой стратегии топливных циклов для АЭС «Моховце» и «Богунице». Новое ядерное топливо будет отличаться оптимизированным профилированием обогащения по сечению топливной кассеты (схемой расположения твэлов в зависимости от уровня обогащения по урану‑235), а также использованием другой марки уранового сырья для производства топливных таблеток. Благодаря новому топливу топливные циклы удлинятся, экономическая эффективность энергоблоков повысится.
Плутониевые особенности МОКС-топлива
МОКС-топливо загружается в России в реакторы на быстрых нейтронах и представляет собой смесь оксидов плутония с обедненным либо природным ураном, причем доля плутония в смеси составляет 15–25 % (по массе) в зависимости от зоны обогащения и изотопного состава плутония. В сборках с таблеточным МОКС-топливом может использоваться плутоний различного происхождения:
В сборках с таблеточным МОКС-топливом, которые облучают сейчас в БН‑800, использован низкофоновый плутоний. С 2021–22 годов планируется переход на высокофоновый плутоний. Отличие высокофонового плутония от низкофонового и плутония выровненного изотопного состава заключается в изотопном составе. Например, в высокофоновом плутонии более высокое содержание четных изотопов, которые накапливаются при облучении ядерного топлива в энергетических реакторах (БН, ВВЭР, РБМК).
