Кассеты особого назначения: «Росатом» создал гетерогенный РЕМИКС

Российские атомщики впервые совместили технологии замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ) и толерантного топлива. В реактор ВВЭР‑1000 на Балаковской АЭС загрузили три кассеты с твэлами в оболочках с хромовым покрытием, часть которых содержит МОКС-топливо. Это первое приближение к гетерогенному РЕМИКСу — оригинальной концепции топлива, которое «приведет» в ЗЯТЦ водо-водяные энергетические реакторы.

ЗЯТЦ предполагает переработку облученного топлива, использование регенерированных урана и плутония, образовавшихся при облучении, и обедненного урана, что снижает потребность в природном уране и сокращает образование радиоактивных отходов.

Стратегическая цель «Росатома» — создание двухкомпонентной системы, в которой быстрые и тепловые реакторы функционируют в замкнутом топливном цикле и отработавшее топливо одних становится сырьем для топлива других. Для ЗЯТЦа разработали такие виды топлива, как МОКС, СНУП и РЕМИКС (см. «Топливная палитра»), которые различаются видом химических соединений и комбинацией компонентов топливной смеси.

Толерантность — другой параметр. Толерантное топливо, или ATF, отличается повышенной устойчивостью к авариям с потерей теплоносителя и нарушением отвода тепла от активной зоны. ТВЭЛ испытал два варианта такого топлива: с циркониевыми оболочками твэлов, покрытыми хромом, и с оболочками на основе сплава хрома и никеля (42ХНМ). Твэлы простояли в реакторе блока № 2 Ростовской АЭС три топливные кампании, до марта этого года. Эксплуатация показала, что по сумме технологических и экономических факторов лучший вариант — циркониевые оболочки с хромовым покрытием.

«Программа разработки ATF дала важный результат: свойства хромированной поверхности позволяют исключить при фабрикации топлива для реакторов ВВЭР несколько операций, которые до сих пор выполняются вручную. Безлюдная фабрикация — необходимое условие промышленного производства топлива с вовлечением регенерированных материалов в ядерный топливный цикл», — отметил старший вице-президент по научно-технической деятельности ТВЭЛ Александр Угрюмов.

В апреле в реактор блока № 1 Балаковской АЭС загрузили три топливные кассеты, каждая из которых содержит 312 твэлов с оболочками из циркония и хромовым покрытием. В 18 твэлах — МОКС-топливо. Кассеты будут находиться в активной зоне два 18-месячных топливных цикла.

Специалисты топливного дивизиона планируют комплектовать сборки для ВВЭР твэлами с МОКС-топливом и обычной топливной композицией из обогащенного урана в соотношении один к трем. Такая компоновка получила рабочее название РЕМИКС-гет (гетерогенный). Предварительные оценки ТВЭЛ показывают, что ее внедрение позволит сократить потребление природного урана при эксплуатации АЭС минимум на 20 %.

РЕМИКС-гет — это целевая комплектация твэлов в кассетах для реакторов ВВЭР большой мощности. Сборки, загруженные недавно в реактор на Балаковской АЭС, — промежуточный вариант. Количество твэлов с МОКС-топливом в сборках планируется увеличивать.

Опыт эксплуатации РЕМИКС-гет будет учитываться при формировании активной зоны перспективного реактора ВВЭР-С (со спектральным регулированием), который намерены построить на Кольской АЭС‑2.

«Все, что мы делаем в научно-технологических проектах по топливу для ВВЭР, направлено на формирование двухкомпонентной атомной энергетики. Загружены твэлы с МОКС-топливом и хромовыми оболочками, опытную эксплуатацию на блоке № 1 Нововоронежской АЭС‑2 проходит конструкция ТВС пятого поколения для ВВЭР‑1200. Есть проект технологии изготовления топливных таблеток для безлюдной фабрикации. Мы планируем объединить все новые решения по материалам, конструкциям и технологиям фабрикации в одном продукте», — отметил Александр Угрюмов.

ТОПЛИВНАЯ ПАЛИТРА

МОКС (от англ. mixed oxide, «смешанное оксидное») изготавливается из оксидов обедненного урана и наработанного в энергетических реакторах плутония. Изначально рассматривалось как топливо только для быстрых реакторов. Единственный в мире коммерческий реактор, работающий на МОКС-топливе, — БН‑800 на Белоярской АЭС.

СНУП (смешанное нитридное уран-плутониевое) — уникальная разработка ТВЭЛ. В топливной композиции — смесь мононитридов (а не оксидов, как обычно) урана и плутония. Разрабатывается для быстрых реакторов с натриевым и свинцовым теплоносителем. Высокая плотность повышает топливоемкость, коэффициент воспроизводства и температурную стойкость топлива.

РЕМИКС (от англ. regenerated mixture, «регенерированная смесь») — еще одна уникальная разработка ТВЭЛ. Предназначена для реакторов на тепловых нейтронах. В топливной композиции — смесь плутония и регенерированного или обедненного урана с добавлением обогащенного. Содержание плутония ниже, чем в МОКС-топливе, поэтому нейтронный спектр РЕМИКСа и поведение в активной зоне в целом не отличаются от стандартного уранового топлива. Можно внедрять без изменений в конструкции реакторов и значительных дополнительных мер безопасности. Опытно-промышленная эксплуатация РЕМИКС-топлива завершилась на Балаковской АЭС в марте этого года.