Замыкающее трио

Оптимальное топливо для замыкания ЯТЦ: теория и практика

Определение

СНУП — это смесь нитридов урана и плутония. Это топливо разработано для реакторов на быстрых нейтронах. МОКС — смесь оксидов тех же материалов. Исторически МОКС тоже создавался для быстрых реакторов, в его составе использовалось довольно большое количество плутония, извлекаемого при переработке ОЯТ, — порядка 20 %. Со временем французские атомщики стали промышленно использовать МОКС и для тепловых реакторов, но состав его несколько другой — там до 9 % плутония. РЕМИКС — это тоже смесь оксидов урана и плутония, последнего меньше, чем в МОКС (до 5 %), но при этом в него добавляют обогащенный регенерированный уран. Топливо также разработано для реакторов на тепловых нейтронах.

Для изготовления СНУП и МОКС для быстрых реакторов используется в основном обедненный уран, с содержанием делящегося урана-235 менее 0,7 %. Чтобы снова пустить в дело такое отработавшее ядерное топливо в цикл после переработки, туда нужно просто «досыпать» еще немного обедненного урана. В реакторы на тепловых нейтронах нужно еще «подбрасывать» уран-235.

Применение

РЕМИКС может использоваться только в тепловых реакторах. СНУП — только в быстрых. МОКС — и в тех, и в других.

Что лучше для тепловых, РЕМИКС или МОКС? Разница прежде всего в технологии производства. Когда мы «готовим» ингредиенты для МОКС, на стадии переработки ОЯТ уран отделяется от плутония — это отдельная сложная операция. В случае с РЕМИКС их можно не разделять. В топливо идет смесь. Таким образом, технология изготовления потенциально проще и экономичнее.

Что лучше для быстрых, СНУП или МОКС? Нитрид плотнее, у него выше теплопроводность. Ученые считают, что использование нитрида, особенно усовершенствованных составов, может существенно продлить топливную кампанию. Кроме того, только применение плотного топлива позволит создать реакторы с естественной безопасностью.

С другой стороны, производство СНУП пока сложнее и, следовательно, несколько дороже. При переработке ОЯТ получаются оксиды урана и плутония. Для МОКС мы сразу их смешиваем и делаем топливные таблетки, для СНУП сначала надо оксиды превратить в нитриды методом карботермического синтеза.

Замыкание

Замкнуть ЯТЦ на тепловых реакторах, пользуясь только РЕМИКС или МОКС, не получится. В любом реакторе нарабатываются продукты деления. Самые неприятные — долгоживущие минорные актиниды: америций и нептуний. В реакторе на тепловых нейтронах их никак нельзя утилизировать, их там можно только получать. Быстрый спектр нейтронов позволяет америций и нептуний трансмутировать — превратить во что-то менее опасное.

Уровень технологии

МОКС исторически возник первым, поэтому этот вариант наиболее глубоко проработан. Есть промышленные производства этого топлива. В России, в частности, Горно-химический комбинат делает МОКС-топливо для быстрого реактора БН-800. Есть большой опыт эксплуатации МОКС как в тепловых, так и в быстрых реакторах. В БН-800 уже несколько лет используют полномасштабные ТВС со смешанным оксидным топливом, уже в следующем, 2022 году реактор будет переведен на полную загрузку МОКС.

СНУП — на втором месте по уровню проработки. Есть опытное производство — выпускается по несколько экспериментальных ТВС в год в топливном дивизионе Росатома на Сибирском химическом комбинате. Там же заканчивается сооружение промышленного производства — модуля фабрикации/рефабрикации нитридного топлива в составе опытно-промышленного энергокомплекса с реактором БРЕСТ-300. Технологическое оборудование уже монтируется. Есть положительный опыт эксплуатации СНУП как в исследовательском (БОР-60), так и в опытно-промышленном быстром реакторе (БН-600).

Для РЕМИКС есть лабораторная технология изготовления. Идут реакторные испытания отдельных твэлов в составе экспериментальных комбинированных сборок на третьем энергоблоке Балаковской АЭС. Топливо для экспериментальных твэлов делали мы во ВНИИНМ, топливные элементы — на СХК, а на НЗХК собирали ТВС с этими твэлами. В текущем, 2021 году ГХК в кооперации с СХК приступили к изготовлению полномасштабных сборок с РЕМИКС. Переход к промышленному производству РЕМИКС планируется осуществить в ближайшие 10 лет.

Задачи разработчиков

Длительность топливной кампании и глубину выгорания топлива для быстрых реакторов надо увеличивать. Этому препятствует то, что в процессе эксплуатации идет радиационное распухание топлива. Со временем оно может деформировать и повредить оболочку. Так, мы стремимся повысить пластичность СНУП-топлива и создать более стойкие оболочки, чтобы этого избежать. Кроме того, надо бороться с коррозией топливных оболочек, для этого разрабатываются новые конструкционные материалы.

Также пока нет готовой технологии дожигания минорных актинидов в быстрых реакторах.

Словарь

СНУП (смешанное нитридное уранплутониевое) — вид ядерного топлива, в котором делящийся материал (смесь урана и плутония) представлен в форме соединения азота — мононитрида.

МОКС (от англ. MOX — Mixed-Oxide fuel) — ядерное топливо, содержащее несколько видов оксидов делящихся материалов. В основном термин применяется для смеси оксидов плутония и природного урана.

РЕМИКС (от англ. REMIX — REgenerated MIXture of U, Pu oxides) — ядерное топливо из неразделенной смеси урана и плутония, получаемой при переработке ОЯТ, в которую добавляется обогащенный уран.

Испытания

СНУП

Смешанное нитридное топливо для быстрых реакторов — уникальная разработка российских атомщиков. В Росатоме уже несколько лет идет масштабная комплексная программа расчетно-экспериментального обоснования СНУП. Экспериментальные тепловыделяющие сборки со СНУП-топливом с 2014 года проходят испытания в реакторе БН-600 на Белоярской АЭС. За это время облучили более тысячи твэлов. Весной этого года специалисты ВНИИНМ разработали технический проект твэла на базе нитридного топлива для реактора на быстрых нейтронах БРЕСТ-ОД-300. Проект ляжет в основу промышленного производства СНУП-топлива, которое будет запущено в составе Опытно-демонстрационного энергетического комплекса (ОДЭК), строящегося в Северске в рамках стратегического отраслевого проекта «Прорыв». Для стартовой загрузки реактора БРЕСТ достаточно обоснованного выгорания топлива на уровне 6 %, в ходе экспериментов уже достигнут показатель 9 %, цель на будущее — 12 %.

 

МОКС

Впервые МОКС-топливо было опробовано в 1963 году, в 1980-х годах началось его широкое коммерческое использование. Основные потребители — Япония и страны Евросоюза. Однако речь тут идет о тепловых реакторах, опыт эксплуатации в быстрых не такой обширный. Чтобы этот опыт получить и обосновать использование МОКС в бридерах, на площадке Горно-химического комбината с 2015 года было запущено промышленное производство МОКС-топлива. Для создания этого уникального объекта была организована широкая отраслевая кооперация при координации и научном руководстве топливной компании. Первая серийная партия МОКС из 18 ТВС загружена в реактор БН-800 энергоблока № 4 Белоярской АЭС (Свердловская обл.) в 2020 г. Через год к ним добавили еще 160 ТВС. Таким образом, активная зона БН-800 теперь на треть заполнена инновационным топливом. В следующем году рассчитывают перейти на полную загрузку МОКС. Параллельно отраслевая команда специалистов продолжает развитие технологий производства такого топлива на ГХК. В частности, освоено производство свежего топлива с применением высокофонового плутония, извлеченного из облученного топлива реакторов ВВЭР: все технологические операции полностью автоматизированы и выполняются без присутствия персонала в непосредственной близости. Уже изготовлены и прошли приемку первые партии МОКС-ТВС с высокофоновым топливом.

 

РЕМИКС

Испытания нового российского ядерного РЕМИКС-топлива на третьем энергоблоке Балаковской АЭС начались в 2016 году. В реактор загрузили три экспериментальные ТВС, каждая из которых содержит по шесть опытных твэлов с РЕМИКС. В 2020 году стартовал третий 18-месячный цикл их облучения. Следующим шагом должна стать загрузка в энергетический реактор полномасштабных ТВС с РЕМИКС-топливом. Для этого на площадке Сибирского химического комбината создан опытный участок для изготовления твэлов и ТВС для ректоров ВВЭР-1000 с РЕМИКС. Изготовление уранплутониевых топливных таблеток с РЕМИКС-топливом ведется на Горно-химическом комбинате в Красноярском крае.

Комплексы по изготовлению и исследованию инновационного СНУП, МОКС и РЕМИКС-топлива во ВНИИНМ

В институте создана технологическая цепочка для изготовления топливных таблеток из оксидов и нитридов урана и плутония. На ней не только отрабатывают технологии для опытно-промышленных инновационных производств ГХК и СХК — она также обеспечивает изготовление топлива для проведения испытаний в исследовательском реакторе БОР-60.

Этапы производства:

1. В герметичный перчаточный бокс помещают исходные порошки, загружают их вместе с ферромагнитными иголками в специальный контейнер из титана. Запускают аппарат вихревого слоя, иголки вращаются в магнитном поле, измельчают и перемешивают порошок, чтобы уран и плутоний распределились равномерно. Затем в порошок добавляют сухую смазку — стеарат цинка, чтобы порошок лучше прессовался
2. На экспериментальном производстве много ручных операций, промышленное будет полностью автоматизировано
3. Прессование таблеток на автоматическом гидравлическом прессе
4. Таблетки помещают на специальную конструкцию, затем в печь и спекают при температуре 1800 °С. Затем — контроль параметров
5. В цепочке боксов таблетки вручную загружают в твэльные оболочки, ставят никелевые пробки, фиксаторы, верхнюю заглушку, затем выкачивают из-под оболочки воздух и закачивают гелий. Далее твэлы герметизируют, приваривая заглушку к оболочке. Затем проверяют герметичность полученных изделий с помощью гелиевого течеискателя
6. Контроль качества с помощью рентгеновской установки
7. Установка измерения коэффициента термического расширения ядерного топлива позволяет отрабатывать режимы спекания топливных таблеток