Топливная компания Росатома ТВЭЛ ведет огромную работу по разработкам новых видов топлива. Они нужны, чтобы улучшить экономику действующих АЭС, а также для новых реакторов. На конференции «Ядерное топливо нового поколения для АЭС. Результаты разработки, опыт эксплуатации и направления развития» ученые и инженеры резюмировали итоги работы в 2022 году.

Сборка в руках роботов

Пожалуй, главная новость конференции — ​в 2023 году ТВЭЛ планирует изготовить и загрузить первые три ТВС‑5 в один из реакторов Нововоронежской станции. Ключевая особенность технологии — ​эти ТВС будут производить на полностью автоматизированном участке, без присутствия человека. Надо проверить, справятся ли со сборкой автоматы так же, как люди. Если да, то в 2025 году создадут опытно-­промышленное производство ТВС‑5 с уран-плутониевым топливом (для него новую технологию сборки и разрабатывали). Пока же роботы будут собирать твэлы попроще — ​с обычными циркониевыми оболочками и урановой оксидной топливной композицией.

Автоматизированный участок ТВС‑5 планируется организовать на АО «СХК» в Северске. Комбинат постепенно становится центром производства топлива для двухкомпонентной ядерной энергетики — ​там же строятся мощности по переработке и фабрикации-­рефабрикации топлива для реактора БРЕСТ-ОД‑300 в рамках проекта «Прорыв».

«Курчатовский институт исследовал несколько вариантов перспективной уран-плутониевой начинки для ТВС‑5: три с РЕМИКС-топливом, отличающиеся содержанием плутония, и один с МОКС. В 2021 году начались реакторные испытания гомогенного варианта РЕМИКС-топлива: шесть опытных ТВС облучаются в первом блоке Балаковской АЭС, в этом году (2022 — ​прим. ред) ведется изготовление ТВС для реактора МИР с МОКС-композицией. Таким образом мы обеспечим максимальную гибкость и готовность к формированию оптимальных топливных циклов, исходя из потребностей конкретного заказчика», — ​пояснил старший вице-президент по научно-­технической деятельности ТВЭЛ Александр Угрюмов.

ЯТЦ замыкается

Росатом нацелен на переход к двухкомпонентной ядерной энергетике, для которой необходимо особое топливо. На топливе из урана, получаемого из облученных сборок, с 2000‑х годов работает второй блок Кольской АЭС, блоки на Смоленской, Курской и Ленинградской АЭС. ТВЭЛ уже подтвердил возможность и целесообразность использования регенерированного урана в реакторах ВВЭР‑1000. «Сейчас мы с «Росэнергоатомом» переходим к расширению применения его в ВВЭР‑1000 и ВВЭР‑1200», — ​сообщил на конференции Александр Угрюмов.

Начальник отдела топливных циклов Курчатовского института Константин Куракин отметил, что благодаря рециклированию экономия природного урана в топливе может достигать 20 % в зависимости от длины цикла.

Новые материалы для толерантного топлива

ТВЭЛ проводит испытания нескольких топливных композиций и материалов оболочек твэлов для создания толерантного топлива. Изучают сплав 42ХНМ (хром, никель, молибден), хромовые покрытия циркониевых оболочек и оболочки из карбида кремния. Этот материал Александр Угрюмов считает наиболее перспективным, хотя произвести его непросто.

Для толерантного топлива ТВЭЛ разрабатывает две топливных композиции — ​уран-молибденовую и из дисилицида урана. Они обладают высокой теплопроводностью — ​а значит, меньше риск перегрева и расплавления топлива при авариях с потерей теплоносителя. Кроме того, у них выше плотность и ураноемкость — ​можно удлинить топливную кампанию. Есть и недостатки. «По уран-молибдену технология понятна, и это решение проверено, в том числе в исследовательском реакторе. Но стоимость этой технологии пока выше, чем классической технологии изготовления керамического топлива. С этим поработаем», — ​отметил Александр Угрюмов.

Следующий шаг в программе исследований оболочки из карбида кремния — ​возможность использования с ним уран-молибденовой и дисилицидной топливной композиции.

Точная геометрия

Продолжаются разработки СНУП-топлива. Заместитель гендиректора ВНИИНМ (ключевой российский институт по разработкам ядерного топлива, входит в Росатом) Михаил Скупов рассказал, что технический проект твэла для первой загрузки БРЕСТ-ОД‑300 в 2021 году был актуализирован, идут НИР по учету и исключению факторов, препятствующих повышению выгорания. Разработаны эскизные проекты твэлов для БН‑1200 и БР‑1200. Институт сделал несколько предложений по улучшению качества твэлов: нивелировать лунками увеличение объема таблеток с торцов; ввести микролегирование топливной композиции нитридом алюминия, чтобы повысить усадку и снизить ползучесть; ввести жидкометаллический подслой, чтобы достичь более глубокого выгорания.

Судьба минорных актинидов

Кюрий, америций и нептуний — ​самые высокоактивные элементы в облученном ядерном топливе. Их планируют извлекать, кюрий выдерживать, а америций и нептуний — ​загружать в быстрый реактор и там дожигать.

Гендиректор НИИАР Александр Тузов рассказал, что концепция выжигания америция и нептуния в боковом экране быстрого реактора уже разработана. Топливные элементы (их назвали мавэлами) с оксидами америция и нептуния изготавливают по технологии дистанционного виброуплотнения. Экспериментальные мавэлы загрузили в БОР‑60 в ячейки с разными спектрами нейтронов, получены первые результаты послереакторных испытаний, облучение продолжается. Разработаны технические проекты сборок с мавэлами.

Надежность ТВС-Квадрат

Отдельная секция была посвящена топливу для легководных реакторов зарубежного дизайна. Ее участники рассказали, что после квалификации в европейском реакторе PWR‑900 и обнародовании результатов послереакторных исследований в независимом научно-­исследовательском центре ТВС-Квадрат стала весьма востребованной на мировом рынке. Это единственное в мире ядерное топливо для PWR, полностью независимое от разработчиков оригинальной реакторной технологии в вопросах интеллектуальной собственности и в производстве и подтвердившее свою надежность, экономичность.