Топливная эволюция

Российский атомный экспорт — это не только новые АЭС. Не менее значима топливная поддержка действующих реакторов. За 30 лет ТВЭЛ превратился в глобального лидера на этом рынке. Сейчас топливо компании используют на 75 реакторах в 15 странах. И каждое новое поколение тепловыделяющих сборок (ТВС) повышает конкурентоспособность «Росатома».

Для чего совершенствовать топливо, если реактор и так стабильно работает, выдавая 100% мощности? Ответ в эффективности. Каждое новое поколение ТВС позволяет увеличить выработку энергии при той же загрузке, продлить топливную кампанию на несколько месяцев, а значит, сократить простои на перегрузку топлива.

Параллельно ведется работа по повышению обогащения урана, что также позволяет увеличить длительность топливной кампании и продлить эксплуатацию станций сверх сроков, заложенных в первоначальном проекте. В итоге атомная энергетика становится конкурентоспособнее — и это главный двигатель эволюции топлива для ВВЭР.

ВВЭР-440: старые реакторы — новые решения

Для венгерской АЭС «Пакш» и финской «Ловииса» ТВЭЛ разработал новую модификацию топливной кассеты ВВЭР-440 с оптимизированным водно-урановым отношением. В частности, за счет изменения геометрии твэла и таблетки снижен уровень обогащения топлива по урану-235 без уменьшения выработки тепловой энергии в реакторе. «Пакш» получил экономический эффект за счет сокращения количества загружаемых в реактор топливных кассет, а на АЭС «Ловииса» решили сохранить количество сборок, но снизить уровень обогащения урана. В обоих случаях реализация проекта сделала работу блоков ВВЭР-440 более эффективной.

Для повышения экономической эффективности чешской АЭС «Дукованы» в ТВЭЛ разработали рабочие кассеты третьего поколения РК-3+ с увеличенным шагом топливных стержней, бесчехловым каркасом и улучшенными теплогидравлическими характеристиками. АЭС «Дукованы» — это единственная АЭС с ВВЭР-440, которая эксплуатирует безчехловое топливо.

Если в середине 2000-х конструкции ТВС старались унифицировать для всех заказчиков, то в настоящее время каждый потребитель получает уникальное топливное решение, максимально удовлетворяющее эксплуатационные потребности.

ВВЭР-1000: топливо четвертого поколения

На энергоблоке №6 болгарской АЭС «Козлодуй» в 2020 году сформирована полная загрузка активной зоны топливом ТВСА-12 с 12 дистанционирующими решетками вместо 15. В 2021 году завершился перевод энергоблока №2 чешской АЭС «Темелин» на ТВСА-Т.mod.2. Эти конструкции для ВВЭР-1000 отличаются от предыдущих поколений увеличенной ураноемкостью и повышенной жесткостью. Внедрение современных конструкций ТВС позволяет в том числе снизить количество отработавшего ядерного топлива.

Еще одно направление развития топлива — защита твэлов от так называемых дебриз-повреждений. Их могут вызвать посторонние частицы, попавшие вместе с теплоносителем в активную зону. Для решения этой задачи разработан антидебризный фильтр второго поколения АДФ-2. В отличие от фильтра первого поколения, напоминающего решетку с мелкими отверстиями, АДФ-2 состоит из множества пластинчатых элементов и способен задерживать более мелкие частицы.

В 2023 году на Ростовской АЭС завершилась опытно-промышленная эксплуатация 12 сборок ТВС-2М с АДФ-2. Они успешно отработали полный цикл — три топливные кампании продолжительностью 18 месяцев каждая. С 2022 года ТВС-2М с таким фильтром поставляют и на индийскую АЭС «Куданкулам», где новые энергоблоки переводят на 18-месячный топливный цикл. В 2025 году завершена поставка топлива для стартовой загрузки блока №3.

ВВЭР-1200: топливо будущего и замкнутый ЯТЦ

Для самых мощных российских блоков ВВЭР-1200 ТВЭЛ выполнил комплекс расчетных и экспериментальных обоснований, позволивших им перейти на 18-месячный топливный цикл. Нарастить длительность цикла стало возможно за счет повышения среднего обогащения ядерного топлива и применения большего количества выгорающего поглотителя (оксида гадолиния) в тепловыделяющих сборках. Если при 12-месячном топливном цикле перегружают 42–48 новых ТВС, то при 18-месячном — 72–78, что позволяет продлить кампанию до 520 суток. Аналогичный подход решено применять и для зарубежных проектов с российскими реакторами типа ВВЭР-1200.

Однако в фокусе внимания компании не только удлинение циклов. В июне 2025 года на шестом блоке Нововоронежской АЭС впервые в России загружена партия топлива пятого поколения — конструкции ТВС-5. Ей предстоит опытная эксплуатация в течение трех топливных циклов по 18 месяцев каждый. Конструктивные особенности ТВС-5 позволяют осуществить фабрикацию кассет ВВЭР-1200 в полностью автоматизированном режиме, исключая человеческий фактор. ТВС-5 создана с прицелом на работу в замкнутом ядерном топливном цикле, что позволит в будущем сократить объемы отработавшего топлива.

Горизонтальные тренды: обогащение урана, переменная мощность

Параллельно ТВЭЛ ведет работы по повышению обогащения урана для ВВЭР-1200. Это увеличит ураноемкость активных зон и экономическую эффективность без изменения конструкции сборок.

Другое направление — обоснование топлива под маневрирование мощностью реакторной установки. Способность АЭС участвовать в регулировании нагрузки энергосистемы сейчас становится одним из факторов конкурентоспособности атомной энергетики. Но для этого надо, в частности, доказать возможность устойчивой эксплуатации ядерного топлива при периодических изменениях мощности реакторов. Соответствующие испытания специалистами ТВЭЛ уже выполнены, топливо готово работать в режиме суточного следования за нагрузкой.

Отдельное направление — толерантное топливо (ATF) нового поколения безопасности. Его задача — повысить устойчивость топлива к нештатным ситуациям, прежде всего к перегреву при нарушении отвода тепла. Один из вариантов решения — циркониевая оболочка твэла с жаростойким хромовым покрытием, которое должно препятствовать развитию пароциркониевой реакции с выделением водорода.

В марте 2026 года на Ростовской АЭС завершилась опытно-промышленная эксплуатация трех ТВС-2М с ATF-твэлами. Сборки отработали полный цикл — три кампании по 18 месяцев. В каждой находилось по 12 экспериментальных твэлов: с оболочками из хромникелевого сплава и из циркониевого сплава с хромовым покрытием.

Наконец, на первом блоке Балаковской АЭС в 2021 году стартовала опытная эксплуатация РЕМИКС-топлива. Его получают из смеси регенерированного урана и плутония из отработавшего ядерного топлива реакторов ВВЭР. Шесть кассет с РЕМИКС-топливом загрузили в реактор ВВЭР-1000 первого блока. Первые три сборки выгрузили в 2024 году после двух топливных кампаний по 18 месяцев. В марте 2026 года извлекли еще три, они прошли уже три топливных цикла. Облученные кассеты поместили в бассейн выдержки, где находятся ранее выгруженные сборки. В дальнейшем РЕМИКС-ТВС направят в институт «Росатома» в Димитровграде для проведения послереакторных исследований.

С учетом эксплуатации опытных твэлов и полноценных топливных кассет ТВЭЛ накопил уже 10 лет опыта облучения РЕМИКС-топлива в коммерческом реакторе большой мощности.