Секреты МОКС-кухни с Горно-химического комбината

К концу 2019 года Горно-химический комбинат вышел на плановые показатели производства МОКС-топлива по всем переделам: выпуску диоксида плутония, созданию мастер-смеси, изготовлению таблеток, твэлов и тепловыделяющих сборок. А в конце января 2020-го в быстрый реактор энергоблока № 4 Белоярской АЭС загрузили первую серийную партию смешанного уран-плутониевого топлива. На отработку технологий у ГХК ушло пять лет. «СР» рассказывает о тонкостях МОКС-производства.

Сначала очистка

Аффинаж плутония (очистка от химических примесей) — ​головной процесс создания МОКС-топлива. В результате получают диоксид плутония, из которого делают мастер-смесь для МОКС-таблеток. Аффинаж проводят на заводе фабрикации топлива (ЗФТ), 35 операторов работают там в три смены. Процессом управляют дистанционно, специалисты участка по производству диоксида плутония отслеживают показания приборов щитов управления на мониторах компьютеров. Само технологическое оборудование находится в нижнем ярусе производства, в каньонах под бетонными плитами. Там плутоний очищают от накопившегося за время хранения америция и прочих лишних в технологии производства МОКС-топлива продуктов полураспада.

В случае необходимости можно получить доступ к оборудованию. Но предварительно его и помещение, в котором оно находится, нужно дезактивировать с помощью специальных химических составов. За последние полгода дезактивацию на участке экстракционного аффинажа проводили часто — ​после каждой обкатки нового оборудования, чтобы вручную внести коррективы в процесс.

Испытания на воде

На МОКС-производстве применяют экстракцию нового типа. Ее испытывали сначала на воде, потом на урановых растворах. Перед тем как перейти к финальной стадии экспериментов с плутонием, консультировались со специалистами ВНИИНМ, поскольку институт является куратором и главным технологом проекта по созданию МОКС-топлива.

«При запуске нового оборудования искали новые технические решения, пробовали, переделывали, опять пробовали и переделывали, понимая важность задачи. Но завод фабрикации топлива должен выпускать ТВС для Белоярской АЭС. Чтобы выполнять план, работаем пока на старой технологической схеме аффинажа, проверенной годами, — ​говорит начальник участка аффинажа плутония ЗФТ Владимир Суханов. — ​В дальнейшем будем ее использовать только для доизвлечения остатков микрокомпонента из хвостовых растворов».

Грамотный помол

«Практически все сегодняшние руководители на МОКСе прошли через участок таблетки, где самая сложная технология. Тут слабые не выдерживали», — ​говорит начальник участка изготовления твэлов ЗФТ Андрей Клочков. Технологию изготовления уранплутониевых топливных таблеток ВНИИНМ разработал специально для МОКС-производства ГХК. Большую часть оборудования произвел и поставил «Атомэнергомаш»: установку дозирования исходных материалов и вихревого размола для приготовления пресс-порошка МОКС-топлива, установку прессования, комплекс спекания таблеток и боксы с транспортно-перегрузочным и газоочистным оборудованием.

«Перемолов исходный материал в магнитном поле при помощи металлических игл, получаем мелкодисперсную фракцию. За счет этого происходит гомогенизация материала в магнитных вихревых потоках. Потом гранулируем, окатываем и прессуем таблетки. Все просто, — ​рассказывает инженер-технолог цеха МОКС ЗФТ Александр Шаройко. — ​Но оборудование совершенно новое, нам пришлось очень многое дорабатывать, и тут огромное спасибо отделу главного механика. Например, сохранив принцип работы установки вихревого размола, считай, практически с нуля сделали новые приводы и управление».

Выпечка таблеток

Следующий этап — ​прессование таблеток. Порошок поступает на автомат, который прессует таблетки в матрицах. Оборудование позволяет делать таблетки разных форм и размеров — ​до 191 штуки в минуту. «Мы делаем МОКС, и требования очень жесткие, особенно к геометрии. Нужного качества долго не могли добиться, пока не поменяли геометрию матрицы, установив на этот автомат пресс-инструмент московского производства, — ​поясняет аппаратчик приготовления пресс-порошка цеха МОКС ЗФТ Сергей Дружинин. — ​Теперь выход с пресса по качеству увеличен до 90 %, а после спекания — ​до 85 %. Таблетки, которые повело на выпечке, возвращаются на установку вихревого размола».

Сборки с гелием

На новый качественный уровень перешло и производство твэлов. В конце 2019 года приемной комиссии сдали очередную партию, 906 образцов. На ГХК особенно гордятся показателем выхода годного. Этот показатель говорит о том, сколько продукции изготовили без дефектов. Сегодня с первого раза принимается 93 % твэлов, а еще несколько месяцев назад показатель не превышал 80 %.

Создание тепловыделяющих сборок начинается в камере № 1 линии изготовления твэлов. Здесь, как и на участке по производству диоксида плутония, все манипуляции сварщик-оператор выполняет дистанционно. Только комплектующие устанавливают вручную. Будущий тепловыделяющий элемент — ​полую трубку — ​заполняют топливными таблетками. Затем вакуумируют, опрессовывают гелием и герметизируют. Гелий нужен для подстраховки: если твэл запаян недостаточно надежно, летучий газ выделится, и его легко найдет течеискатель.

Ювелирная навивка

Затем тепловыделяющие элементы контролируют на предмет поверхностного альфа-загрязнения, проверяют целостность топливных столбов и наличие всех комплектующих. Следующий этап — ​навивка дистанционирующей проволоки. Установку для этой манипуляции разработал «НИКИМТ-Атомстрой». Проволока обеспечивает зазор между твэлами, собранными в ТВС. Это гарантия того, что теплоотдача пойдет равномерно. Иначе при соприкосновении твэлов выделение ими избыточного тепла может привести к разрушению стенок топливных элементов.

Оператор с пульта проводит навивку с точным расчетом угла, количества шагов, расстояния между ними и четким формированием фиксирующих сварных швов. Специалисты ГХК долго осваивали технологию почти ювелирной навивки. В итоге попутно ее усовершенствовали, выйдя на нормальный производственный процесс.

Ни царапины, ни вмятины

На последнем этапе готовая продукция попадает в камеру выходного контроля. Оператор и контролер ОТК проверяют, соответствует ли продукция жестким параметрам качества, и выносят вердикт: отправлять изделия заказчику или возвращать на доработку.

Обязателен визуальный осмотр: никаких дефектов быть не должно. Ни царапин, заусениц, задиров, вмятин. Недопустима так называемая побежалость — ​изменение цвета металлической оболочки твэла, которое может дать кислород, если попадет при горячем контроле герметичности в вакууме. Твэл проходит более 10 видов жестчайшего и крайне придирчивого контроля. Одно «не так» — ​и он отбраковывается, отправляясь на разделку, а таблетки МОКС-топлива — ​на растворение и снова в начало производства.

Справка

Создание МОКС-производства на ГХК началось в 2011 году. В 2014-м получили первую партию таблеток и изготовили первую ТВС. В 2015 году запустили промышленное производство МОКС-топлива. В последующие два года специалисты ГХК осваивали оборудование для производства МОКС-топлива для реактора БН‑800. Промышленная фабрикация МОКС-топлива началась в конце 2018 года. В августе 2019-го ГХК отправил на Белоярскую АЭС первую серийную партию ТВС с МОКС-топливом, а в конце года производство вышло на плановые показатели.