На Ростовской АЭС начались испытания толерантного топлива

На втором блоке Ростовской АЭС началась опытно-промышленная эксплуатация ядерного топлива ATF (advanced technology fuel), также называемого толерантным. Оно должно обеспечить дополнительную безопасность АЭС. Этот продукт будет доминировать на глобальном рынке уже в относительно краткосрочной перспективе, уверена президент ТВЭЛ Наталья Никипелова.

Во время планового ремонта блока в составе партии свежего топлива в активную зону реактора ВВЭР-1000 были загружены три комбинированные тепловыделяющие сборки конструкции ТВС-2М. Каждая содержит 12 твэлов в инновационном исполнении: шесть изготовлены с применением в качестве конструкционного материала хром-никелевого сплава 42ХНМ, шесть — с оболочками из циркониевого сплава с хромовым покрытием. Эти решения позволяют либо полностью исключить, либо значительно затормозить развитие пароциркониевой реакции в активной зоне.

Для испытаний выбрали консервативный вариант экспериментальных твэлов со стандартной топливной композицией, как и принято в общемировой практике. Зарубежные программы по ATF, поясняют в ТВЭЛ, тоже предполагают, что внедрение новых топливных и конструкционных материалов должно идти поэтапно.

«Эксплуатация в энергетическом реакторе — важный шаг для коммерциализации этого продукта. Символично, что веха стратегически важного проекта достигнута в дни, когда ТВЭЛ празднует юбилей, 25-летие со дня основания, — отметила Наталья Никипелова. — Разработка ATF — ключевой тренд в мировой атомной энергетике, направленный на то, чтобы вывести безопасность АЭС на качественно новый уровень, практически исключающий вероятность возникновения аварий с негативными последствиями для окружающей среды. Кроме того, отдельные варианты ATF c альтернативными топливными композициями могут сделать эксплуатацию более эффективной экономически без повышения уровня обогащения урана».

После аварии на японской АЭС «Фукусима‑1» атомщики во всем мире задумались о создании топливных элементов, которые даже в случае тяжелых запроектных аварий с потерей теплоносителя, то есть с нарушением отвода тепла в активной зоне реактора, будут длительное время сохранять целостность и не допускать возникновения пароциркониевой реакции.

Эта реакция происходит при температуре свыше 1,2 тыс. °C и способствует выделению водорода и разрушению твэлов. Чтобы избежать такого сценария, эксперты предлагают два барьера: физический и термодинамический. Первый исключает контакт воды с цирконием. Как это можно сделать? Во‑первых, нанеся защитное, например, хромсодержащее, покрытие на оболочку твэла. Второй, более основательный вариант — заменить сплав с цирконием другим, более инертным к воде при высокой температуре. Это, например, разработанный во ВНИИНМ сплав из хрома, никеля и молибдена, который назвали бочваллой (по имени легендарного директора института Андрея Бочвара). Сплав прошел коррозионные испытания, была отработана технология сварки и определены другие свойства, принципиально важные для изготовления твэлов.

Задача термодинамического барьера — не допустить нагревания активной зоны до температуры, при которой возможна пароциркониевая реакция. Этого можно добиться повышением теплопроводности таблетки — изменением топливной композиции. Основные варианты топлива в этом случае — уран‑молибденовый сплав и дисилицид урана. «В случае с диоксидом урана на поверхности оболочки твэла температура составляет 300–400 °C, а внутри таблетки — 1,5 тыс. °C. Градиент очень большой, как следствие, мы имеем запасенное тепло, которое может инициировать реакцию пара с цирконием. Плотное топливо с более высокой теплопроводностью такого градиента не дает: разница температуры не столь значительна. У плотного топлива есть и другое преимущество — повышенная ураноемкость. За счет этого гипотетически может быть увеличена топливная кампания, улучшены показатели активной зоны», — объяснял в одном из интервью «СР» Леонид Карпюк, гендиректор ВНИИНМ.

Уже больше пяти лет в «Росатоме» реализуется проект по толерантному топливу, причем не только для водо‑водяных реакторов российского дизайна ВВЭР, но и для зарубежных PWR. Научный руководитель работ — ВНИИНМ, в них участвуют порядка 10 организаций: НПО «Луч», НИИАР, МИФИ, ИБРАЭ РАН, Курчатовский институт, НЗХК, МСЗ и др.

C 2019 года в исследовательском реакторе МИР в НИИАР продолжаются испытания первых экспериментальных ТВС с толерантным топливом. За это время прошли три полных цикла испытаний с двумя топливными кассетами. Каждая кассета состоит из 24 твэлов с четырьмя вариантами сочетания материалов оболочки и топливной композиции (см. «Хронологию»).

Дополнительно по заказу ТВЭЛ во ВНИИНМ начались НИОКР по дисилициду урана. Уже готов экспериментальный слиток для отработки технологии изготовления порошка и таблеток. «Дисилицид урана обладает рядом преимуществ. Во‑первых, это высокие плотность и ураноемкость, которые могут позволить перейти к более длинным топливным циклам без увеличения обогащения по урану‑235. Во‑вторых, высокая теплопроводность и низкая теплоемкость, что означает меньше запасенного тепла в активной зоне реактора и более низ‑ кую температуру оболочек твэлов. В‑третьих, пониженная рабочая температура может привести к улучшению эксплуатационных характеристик топлива», — отметил вице‑президент ТВЭЛ по научно-технической деятельности и качеству Александр Угрюмов.

ХРОНОЛОГИЯ

2016 год
Старт проекта по изготовлению и исследованию оболочек твэлов из карбида кремния.

2017 год
Начало антикоррозийных испытаний образцов твэлов с защитным покрытием, параллельно отрабатывается контактно-стыковая сварка для герметизации экспериментальных твэлов.

2018 год
На НЗХК изготовлены четыре варианта инновационных твэлов с разными комбинациями оболочек и топлива в типоразмерах и для ВВЭР, и для PWR. Топливные таблетки — из диоксида урана и уран-молибденового сплава с повышенной плотностью и теплопроводностью. Оболочки — из циркониевого сплава с хромовым покрытием, а также хром-никелевого сплава.

2019 год
Начало испытаний первых экспериментальных ТВС с толерантным топливом. В исследовательский реактор МИР в НИИАР загружены две сборки с четырьмя сочетаниями материалов оболочки и топливной матрицы. В декабре на НЗХК изготовили три первые ТВС с толерантным топливом для энергетического реактора ВВЭР-1000.

2020 год
Завершился второй цикл испытаний экспериментальных ТВС в реакторе МИР.

2021 год
Началась опытно-промышленная эксплуатация экспериментальных комбинированных ТВС-2М в активной зоне реактора ВВЭР-1000 на втором блоке Ростовской АЭС.