Нет предела совершенству, когда речь о ядерном топливе

Все слышали о разработке принципиально нового, толерантного топлива для водо-водяных реакторов. Но мало кто знает, что и обычное топливо для ВВЭР, РБМК и PWR постоянно совершенствуется. О работе в этом направлении рассказывают начальники отделов научно-исследовательского твэльно-топливного отделения ВНИИНМ.

Разработки

Владимир Кузнецов: Я руковожу конструкторско-технологическим отделом разработки твэлов с урановым топливом для тепловых реакторов. Он самый большой в отделении — ​40 человек. Первая часть нашей работы — ​технический проект твэла, на основании которого заводы будут изготавливать ядерное топливо: конструкция, ее расчетное обоснование с применением компьютерных кодов, в том числе наших собственных, экспериментальные исследования конструкторских решений. Мы планируем, заказываем и анализируем эксперименты в исследовательских реакторах: российском МИРе и норвежском Halden.

Вторая часть — ​разработка технической документации по твэлам для лицензирования ядерного топлива в надзорных органах стран-заказчиц. Без нее невозможен ни один контракт на поставку топлива. Мы совершенствуем твэлы для всех российских блоков, а также для блоков российского дизайна на АЭС «Тяньвань» (Китай), «Темелин», «Дукованы» (Чехия), «Козлодуй» (Болгария), «Моховце» и «Богунице» (Словакия), «Ловииса» и «Ханхикиви‑1» (Финляндия), «Пакш» (Венгрия). Отдельное направление нашего отдела — ​разработка твэлов для западных PWR.

Владимир Маркелов: Я начальник отдела разработки циркониевых материалов. Мы совершенствуем циркониевые сплавы Э110 и Э635, которые применяются в производстве конструкционных материалов ядерного топлива для ВВЭР‑440, ВВЭР‑1000, ВВЭР‑1200, РБМК. Меняются условия эксплуатации, конструкция твэлов и ТВС. Приходится модернизировать и материалы, обеспечивать стабильность в условиях более высокой температуры, длительных топливных кампаний — ​оптимизируем химический состав и структурно-фазовое состояние.

Основное направление модернизации сплава Э110 — ​увеличение содержания кислорода и железа. Кислород обеспечивает сопротивление ползучести, железо повышает прочность материала под облучением и сопротивление очаговой коррозии. Уже создан сплав Э110М, планируем в ближайшее время поставить несколько сборок с оболочками из него в один из отечественных блоков на опытную эксплуатацию. Этот сплав рассматривается и для производства топлива для реакторов западного дизайна.

Э635 используется для изготовления направляющих каналов, центральных труб и уголков жесткости силового каркаса топливных сборок. Мы стабилизировали химический состав сплава по ниобию, олову и железу и оптимизировали его структурно-фазовое состояние режимами термообработки. Это позволило повысить технологическую пластичность и сопротивление материала равномерной коррозии. Работы по сплаву Э635 продолжаются в части повышения его сопротивления радиационному росту и стойкости к наводороживанию.

Александр Кабанов: Я возглавляю технологический отдел, мы занимаемся технологией изготовления всех комплектующих твэлов и ТВС из циркониевых сплавов. Сейчас главная задача — ​реконструкция отечественного циркониевого производства, чтобы повысить производительность, технико-экономические показатели, экологичность производства, автоматизацию. Мы практически исключим применение кислот на всех этапах производства, тем самым повысим безопасность для окружающей среды. Будем использовать щелочные растворы — ​это уже экспериментально обосновано, создано техническое задание на новое промышленное оборудование.

Евгений Михеев: Я заведую отделом технологий уранового топлива для реакторов ВВЭР, PWR и РБМК. Мы отвечаем за таблетки. Занимаемся разработкой новых видов топлива, исследованием их свойств: теплофизических, механических, физико-химических, геометрии.

Например, сейчас разрабатываем уран-молибденовое топливо. У него есть потенциальные преимущества перед композициями, которые используются в ВВЭР и PWR, — ​ураноемкость и теплопроводность могут стать выше. Это повысит выгорание и безопасность.

Еще одна из важных задач — ​приспособить регенерированное топливо (на таком сейчас работают РБМК) для ВВЭР, создать автоматизированное серийное, экономически выгодное производство.

Заказчики

Владимир Кузнецов: Мы потратили немало усилий, чтобы доказать, что по своим свойствам твэлы с регенерированным топливом не уступают твэлам со свежим. Более двух лет собирали тематические отчеты для лицензирования регенерированного топлива в Финляндии. Первый этап, экспертизу Fennovoima (заказчик строительства АЭС «Ханхикиви‑1». — «Лаб. СР»), мы прошли. Предстоит лицензирование в STUK (Центре радиационной и ядерной безопасности. — «Лаб. СР»).

Eвгений Михеев: Европейские заказчики ужесточают требования к обоснованию безопасности. После аварии на АЭС «Фукусима» потребовалось экспериментально подтвердить температуру плавления наших таблеток. Мы провели сложнейшие опыты, чтобы предоставить обоснование заказчику.

Владимир Кузнецов: Реакторные эксперименты длительные и дорогостоящие. Но сейчас развиваются методы ускоренного облучения материалов на коллайдерах. И все равно заказчики требуют: докажите, что испытания такими методами соответствуют опытам в ВВЭР. Вопросом обоснования ускоренных испытаний надо заниматься, но решится он не быстро. Пока проще провести реакторный эксперимент, чем доказать применимость ускоренного. Мы иногда сталкиваемся с тем, что заказчик топлива для ВВЭР‑440 не принимает в качестве обоснования результаты экспериментов с топливом для ВВЭР‑1000. Хотя и материалы те же, и типоразмер. Так что вопрос обоснования топлива для коммерческих реакторов очень непростой.

Маневрирование мощностью

Владимир Кузнецов: Требования европейских сетей — ​участие АЭС в маневрировании мощностью. В России таких требований пока нет, что объясняется относительно небольшой долей атомной энергетики. Но по заказу «Росэнергоатома» для штатного топлива ВВЭР‑440 и ВВЭР‑1000 мы уже делали обоснование работоспособности твэлов в режиме изменения мощности РУ (2–8 %), обеспечивающее участие блока в регулировании частоты в энергосети. На АЭС «Темелин» с ВВЭР‑1000 и АЭС «Дукованы» с ВВЭР‑440 надо обеспечить не только суточное маневрирование (днем — ​100 %, ночью — ​80 % мощности), но и недельное (в выходные — ​50 %). Эти требования в каждой стране определяются местными сетями.

Регенерированное топливо тоже должно быть маневренным. Мы должны проводить расчетные исследования твэлов и специальные эксперименты, в том числе реакторные. Сейчас занимаемся разработкой сценариев экспериментов для обоснования работоспособности в маневренных режимах твэлов, которые будут загружены в блоки АЭС «Пакш‑2» и «Ханхикиви‑1».

Китаю, например, маневрирование не требуется — ​нужен максимум. Опыт разработки проектов твэлов для блоков ВВЭР, работающих на мощности выше номинальной, у нас есть. В России все ВВЭР‑1000 переведены на 104 %, мы сделали проекты твэлов для «Темелина» и «Козлодуя» на 104 % мощности, для ВВЭР‑440 Кольской АЭС, «Моховце» и «Богунице» — ​на 107 %, «Дукованы» — ​на 105 %, «Ловиисы» — ​на 109 %.

ТВС-квадрат

Александр Кабанов: Первые сборки для PWR установлены установлены на АЭС «Рингхальс» в Швеции. Идет опытно-промышленная эксплуатация. Твэлы отработали три кампании, все они герметичны. После каждой кампании наши специалисты проводили осмотр топлива. По завершении опытной эксплуатации будут послереакторные исследования.

Кадры

Евгений Михеев: Кадровая проблема актуальна для всего отделения. Чтобы воспитать специалиста, нужно не меньше 10 лет. В университетах невозможно научиться работать с топливом. Мы договорились с МИФИ и открыли у себя филиал кафедры ядерного топлива и конструкционных материалов. Работаем со студентами, читаем лекции. Но они получают диплом, а к нам не приходят.

Владимир Маркелов: При этом мы не готовы брать кого угодно. Любой кандидат проходит два-три этапа собеседования. Работать спустя рукава — ​это не о ВНИИНМ. Нужно полностью отдаваться своему делу, потому что на нас большая ответственность, некомпетентность партнеры сразу же чувствуют.

Кстати

Помимо топлива для энергетических реакторов ВНИИНМ разрабатывает, а предприятия ТВЭЛ производят топливо для исследовательских реакторов России и зарубежья: Венгрии, Казахстана, Узбекистана, Польши, Чехии, Украины, Ливии. Также ТВЭЛ обеспечивает топливом все действующие атомные ледоколы и лихтеровоз «Севморпуть», корабли ВМФ.