Сборка данных: как в России совершенствуют ядерное топливо

ТВЭЛ провел конференцию «Ядерное топливо нового поколения для АЭС. Результаты разработки, опыт эксплуатации и направления развития». Продуктовая корзина компании впечатляет, но научный поиск продолжается. Новые виды топлива могут дать значительный экономический эффект в течение срока службы АЭС.

Топливные вариации для концерна

Для реакторов ВВЭР ТВЭЛ разработал множество модификаций топлива с разной конструкцией и изотопным составом. В «Росэнергоатоме» тестируют три активные зоны, полностью укомплектованные усовершенствованными ТВС. Так, на третьем блоке Калининской АЭС идет опытная эксплуатация ТВСА‑12PLUS. Они отличаются увеличенной ураноемкостью, оптимизированным каркасом и улучшенными теплогидравлическими характеристиками. На Ростовской АЭС тестируют ТВС‑2М с антидебризным фильтром второго поколения. Очень полезное приспособление. Как отметил главный технолог «Росэнергоатома» Дмитрий Ануфриев, раньше главной причиной разгерметизации твэлов были посторонние предметы в первом контуре реактора, их-то и ловит антидебризный фильтр. Второе поколение от первого отличает конструкция: теперь это не решетка с отверстиями, а множество пластинчатых элементов. На четвертом блоке Кольской АЭС завершилась опытная эксплуатация РК‑3. Это бесчехловые кассеты с улучшенным водо-урановым отношением, меньшей металлоемкостью и более простой конструкцией.

Зачем нужны новые конструкции топливных сборок? Для улучшения экономических показателей и безопасности. Мощность, выработка и продолжительность топливного цикла растут — ​значит, растет выручка.

Прежде чем перевести станцию на мощность свыше 100 %, надо доказать, что эксплуатация топлива в новых условиях будет безопасна. Все российские ВВЭР‑1000 уже работают на 104 % и с полуторагодовым топливным циклом. То же ждет ВВЭР‑1200: первый блок Нововоронежской АЭС‑2 перевели, еще три блока, на Нововоронежской и Ленинградской АЭС‑2, перейдут не позже 2026 года.

Следующий шаг — ​повысить мощность ВВЭР‑1000 до 107 %, «Росэнергоатом» обсуждает с Ростехнадзором проведение комплексных испытаний в конце 2024 года, а в 2025 или 2026 году — ​начало опытно-промышленной эксплуатации с новыми показателями.

ТВС‑5 соберут роботы

Пожалуй, главная новость конференции — ​в 2023 году ТВЭЛ планирует изготовить и загрузить первые три ТВС‑5 в один из реакторов Нововоронежской станции. Твэлы для них пока с оксидным урановым топливом и в обычных циркониевых оболочках. Ключевая особенность — ​технология сборки: 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).

Впрочем, полностью безлюдным производство не будет — ​нужны ремонты, техобслуживание. «Уже на стадии проектирования закладываются решения для того, чтобы максимально удобно проводить дезактивацию, заменять те или иные детали», — ​пояснил старший вице-президент по научно-технической деятельности ТВЭЛ Александр Угрюмов.

Сборки новой конструкции сделали для ВВЭР‑1000, ВВЭР‑1200 и ВВЭР-С (со спектральным регулированием). Этот реактор планируют построить на Кольской АЭС в 2031–2035 годы. Сейчас идет эскизное проектирование, в 2024 году будут выбирать лучший проект.

«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 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 Александр Угрюмов.

Автоматизированный участок ТВС‑5 планируется организовать на СХК. 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».

Регенерация продолжается

«Росатом» нацелен на переход к двухкомпонентной ядерной энергетике. Более того, благодаря концепции сбалансированного ядерного топливного цикла, предполагающей переработку ОЯТ зарубежных заказчиков, в замыкание ЯТЦ будут вовлечены и другие страны. Задача ТВЭЛ — ​предоставить топливо, максимально подходящее для новой системы.

Компания намерена поставлять топливо, для производства которого регенерируют уран из облученных сборок, на большее количество блоков. На таком топливе с 2000‑х годов работает второй блок Кольской АЭС, блоки на Смоленской, Курской и Ленинградской АЭС. «Подтверждена возможность и целесообразность использования регенерированного урана в реакторах ВВЭР‑1000, и сейчас мы с «Росэнергоатомом» переходим к расширению применения его в ВВЭР‑1000 и ВВЭР‑1200», — ​сообщил на конференции Александр Угрюмов.

В ближайшей перспективе обогащение регенерированного урана предполагается увеличить до уровня чуть выше 5 %, так что топливо приобретет статус HALEU (с обогащением 5–20 %). Вместо гадолиния штатным выгорающим поглотителем хотят взять эрбий, который уже используется в топливе для РБМК.

Начальник отдела топливных циклов Курчатовского института Константин Куракин добавил, что экономия природного урана благодаря рециклированию увеличивается при переходе от 12‑месячного к 18- и 24‑месячному циклам. При 12‑месячной кампании экономится не более 5 %, при более длинных — ​до 20 %.

Новые материалы для толерантного топлива

Директор Курчатовского института и руководитель направления научно-технических исследований и разработок «Росатома» Виктор Ильгисонис посоветовал участникам конференции проявлять инициативу при создании топлива для перспективных реакторов, в частности ВВЭР-СКД: «Не надо ждать посыла от конструкторов реактора, надо начинать работу».

Он выразил сожаление, что по теме толерантного топлива продвижение не так интенсивно: «Я считаю, что фронт исследований в части покрытий должен быть расширен, не ограничен только хромом». ТВЭЛ проводит испытания топливных композиций и материалов оболочек твэлов. Для толерантного топлива изучают сплав 42ХНМ (хром, никель, молибден), хромовые покрытия циркониевых оболочек и оболочки из карбида кремния. Этот материал Александр Угрюмов считает наиболее перспективным, но непростым: «В этом году в рамках единого отраслевого тематического плана нам выделили серьезные средства на разработку и создание композиционной карбидокремниевой оболочки. Пока не очень хорошо получается, возникает много технологических задач, связанных с обеспечением коррозионной стойкости в условиях реакторной установки. Есть вопросы к сохранению герметичности оболочек, их механические характеристики требуют особого рассмотрения, потому что это не металл». ТВЭЛ ищет поставщиков композитного сырья, которые смогли бы выполнить требования, в первую очередь по содержанию кислорода — ​оно должно быть предельно низким, чтобы обеспечить оболочке необходимые свойства.

Для толерантного топлива ТВЭЛ разрабатывает две топливные композиции — ​уран-молибденовую и дисилицид 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.

Оптимальное сочетание топливной композиции и оболочки ТВЭЛ подобрал пока не для всех вариантов. Например, уран-молибденовому топливу не подходят циркониевые оболочки и сплав 42ХНМ. «Мы полагаем, что в программе исследований оболочки из карбида кремния следующий шаг — возможность использования и уран-молибдена, и дисилицида», — ​сказал Александр Угрюмов.

Поиск оптимальности

О стали для оболочек подробно рассказала научный руководитель проекта по разработке конструкционных материалов твэлов и тепловыделяющей сборки проекта «Прорыв» Мария Леонтьева-Смирнова. Так, испытания аустенитной стали с нитридным топливом в БН‑600 показали наличие остаточного ресурса работоспособности твэлов при максимальных достигнутых параметрах облучения. Испытания твэлов с оболочками из ферритно-мартенситной стали в БН‑600 показали наличие запаса пластичности материала по длине оболочки (охрупчивание — ​одна из главных бед твэлов, поэтому запас пластичности нужен), к чехлам ТВС из этой стали замечаний тоже нет. Кроме того, ВНИИНМ исследует никельхромомолибденовые, железохромоалюминиевые, ванадиевые сплавы и дисперсно-­упрочненные углеродом стали.

Точная геометрия

Продолжаются разработки СНУП-топлива. Заместитель гендиректора ВНИИНМ 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 предложил снизить выявленную внутритвэльную коррозию под воздействием кислорода за счет изменения его химического потенциала; нивелировать лунками увеличение объема таблеток с торцов; ввести микролегирование топливной композиции нитридом алюминия, чтобы повысить усадку и снизить ползучесть. Для оболочек необходимо подобрать материал, устойчивый к свинцу, и 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. Гомогенная методика предполагает добавление минорных актинидов в топливную композицию. Гетерогенная — ​создание для них специального топливного элемента.

Гендиректор НИИАР Александр Тузов рассказал, что концепция гетерогенного 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. Послереакторные испытания дали предварительные экспериментальные результаты по трансмутации нептуния и америция. Облучение продолжается. Разработаны технические проекты сборок с мавэлами. Александр Тузов отметил, что необходимо разработать и внедрить специальные технические мероприятия для транспортировки и хранения свежих и облученных сборок.

Надежность ТВС-Квадрата

Отдельная секция была посвящена топливу для легководных реакторов зарубежного дизайна. Ее участники рассказали, что после квалификации в европейском реакторе PWR‑900 и обнародования 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 и в вопросах интеллектуальной собственности, и в производстве, подтвердившее свою надежность, экономичность.