Топливная эволюция

Что обсуждали на конференции создатели российского ядерного топлива

На научно-технической конференции «ТВЭЛ» рассказывали о направлениях совершенствования ядерного топлива и технологий ядерных топливных циклов. Обсуждались улучшения топлива для АЭС в России и за рубежом, создание и эксплуатация активных зон для атомных станций малой мощности, развитие технологий фабрикационного производства. Впервые за все время проведения подобных конференций в программу вошли доклады по радиохимии и разработке, изготовлению и эксплуатации топлива для двухкомпонентой ядерной энергетики.

Основные тенденции в сфере ядерного топлива

В условиях растущей мировой конкуренции как между разными видами генерации, так и между поставщиками ядерного топлива задача «ТВЭЛ» — обеспечить долгосрочную конкурентоспособность. Заместитель генерального директора госкорпорации «Росатом» по науке и стратегии Юрий Оленин отметил, что компетенции, на которых базируется технологическое положение АО «ТВЭЛ», позволяют компании быть одним из глобальных лидеров.

От нарушения условий международного сотрудничества и ограничения доступа из-за санкций к научно-техническим достижениям страдают обе стороны, но вряд ли в ближайшие годы что-то изменится. «Расчет должен быть исключительно на свои силы», — подчеркнул Юрий Оленин.

«Конкурентоспособность в долгосрочном периоде определяется и будет зависеть от уровня результативности НИОКР, которые мы выполняем или планируем», — сказал Юрий Оленин. Для решения поставленных задач необходимо организовать и скоординировать весь конструкторский и научный потенциал отрасли, институтов РАН и вузов. На конференции обсуждалось, что время требует нового подхода к научным разработкам. Теперь уже на старте исследований необходимо планировать доведение их до наивысшего уровня технологической готовности: надо приходить с полным циклом — до промплощадки, до изготовления продукта и технологии. Как это будет происходить — станут ли институты научно-производственными объединениями или будут передавать свои разработки сторонним организациям — еще предстоит решить.

Одно из важнейших направлений исследований — это переход к топливу с обогащением выше 5% в легководных реакторах на тепловых нейтронах. В «ТВЭЛ» надеются, что результаты исследований будут реализованы в ближнесрочной перспективе. Как было отмечено на конференции, все основные мировые производители топлива вместе с организациями, эксплуатирующими АЭС, рассматривают варианты, как увеличить длительность топливных кампаний между частичными перегрузками активных зон реакторов, и один из них предполагает увеличение обогащения топлива. Длинная кампания даст экономический выигрыш: меньше дней на перегрузку топлива — больше выработка электроэнергии — выше выручка. «Уход на топливо выше 5% — это уже тренд», — подытожил старший вице-президент АО «ТВЭЛ» по научно-технической деятельности Александр Угрюмов.

Другая мировая тенденция — это рост числа проектов с реакторами малой мощности. Росатом в ней — законодатель мод. В дорожную карту строительства АЭС в России до 2045 года включены 42 блока различной мощности, и на долю малых, если считать в штуках, приходится порядка четверти всех будущих российских блоков. Предполагается возведение АСММ в четырех вариантах: с реакторами РИТМ-200 в плавучем и наземном исполнении, с реакторами РИТМ-400 и с реактором «Шельф-М». За рубежом тенденция еще ярче: на долю АСММ приходится 38% от общего числа планируемых энергоблоков.

Очень важное для России направление развития атомной отрасли, которое стало сквозной темой конференции, — это переход к замкнутому ядерному топливному циклу (ЗЯТЦ) и двухкомпонентной атомной энергетике. Она должна быть безопасной, экономически выгодной и максимально использовать энергетический потенциал природного урана. В рамках этой тенденции усилено внимание к радиохимии и переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).

Принципы и технологии ЗЯТЦ реализуются на строящемся в рамках проекта «Прорыв» опытно-демонстрационном энергокомплексе. Он состоит из реактора БРЕСТ-ОД-300 и двух модулей — переработки и фабрикации-рефабрикации топлива. В этом году второй из них должен быть введен в эксплуатацию. Тогда же должны пройти заводские и ресурсные испытания главного циркуляционного насосного агрегата и испытания топлива. Задачи на перспективу — пуск и ввод в эксплуатацию ОДЭК с БРЕСТ-ОД-300 и модулем переработки ОЯТ.

Для перехода к ЗЯТЦ необходимо увеличивать мощности по переработке ОЯТ и получению регенерированного урана и плутония. Это позволит сохранить себестоимость топлива на приемлемом уровне. В связи с этим намечен плавный переход реакторов ВВЭР на топливо из регенерированного урана. Ведутся подготовительные работы, начало перевода АЭС с ВВЭР на регенерат запланировано на 2028 год.

Параллельно идут работы по подтверждению безопасности использования уранплутониевого РЕМИКС/МОКС-топлива в реакторах ВВЭР. Предполагается, что перспективный реактор большой мощности со спектральным регулированием ВВЭР-С будет работать на МОКС-топливе. Курчатовский институт, ОКБ «Гидропресс», «ОКБМ Африкантов» вместе с концерном «Росэнергосатом» и «ТВЭЛ» в следующем году выберут вариант реакторной установки, который в итоге и будет воплощен в бетоне и металле. Вовлечение в топливный цикл регенерированных ядерных материалов — это задача государственная, как подчеркнул Александр Угрюмов. «Надеюсь, мы ее при поддержке концерна «Росэнергоатом» успешно решим», — сказал он.

Теперь коротко расскажем о некоторых материалах и решениях, которые были представлены на конференции.

Уран + эрбий

Уран-эрбиевое топливо называют перспективным для использования в реакторах ВВЭР. У Росатома накоплен многолетний опыт расчетного обоснования и эксплуатации на реакторах РБМК и положительные результаты послереакторных исследований этого топлива.

Чтобы перейти к двухлетним топливным кампаниям на реакторах ВВЭР, необходимо повышение обогащения топлива с нынешних <5% до 6%, а в перспективе до 7–8%, а также более высокое выгорание этого топлива по сравнению с нынешним. Эрбий обеспечит более высокое выгорание топлива и одновременно выровняет показатели реактивности активной зоны реактора.

«Важно не только обеспечить длительность, но и сохранить количество ТВС в перегрузке и ресурсные параметры корпуса реактора (60+ лет). Новое технологическое решение закладывает серьезную базу для снижения эксплуатационных издержек и повышения эффективности за счет удлинения кампании. Надеемся на положительный отклик со стороны «Росэнергоатома» и принятие решения об опытной эксплуатации уран-эрбиевого топлива повышенного обогащения», — подытожил Александр Угрюмов.

БРЕСТ-ОД-300

К запуску реактора со свинцовым теплоносителем надо создать и протестировать топливо для него. Как рассказал главный конструктор активных зон — директор отделения НИКИЭТ Андрей Пулинец, который руководит созданием активной зоны для БРЕСТ-ОД-300, расчеты и эксперименты, в том числе механические, гидравлические и вибрационные испытания в свинце, подтвердили свойства и работоспособность спроектированной активной зоны, обоснованность конструкционных элементов для твэлов, возможность загрузки ТВС в реактор и выгрузки из реактора. Отработана технология изготовления полуфабрикатов для ТВС, регулирующих органов СУЗ и поглощающих элементов, они поставлены на производство. Идет постановка на производство изделий имитационной и активной зон.

МОКС- и СНУП-топливо

Заместитель гендиректора — директор отделения ВНИИНМ Владимир Кузнецов рассказал о работе по расчетно-экспериментальному обоснованию МОКС-топлива для реакторов ВВЭР. В НИИАР на реакторе МИР.М1 в режимах, имитирующих аварию с ростом реактивности, испытали опытные МОКС-твэлы с различным содержанием плутония. Твэлы «аварию» выдержали, сохранив герметичность. Также выполнили валидацию кодов и рассчитали оптимальные параметры таблеток МОКС-топлива.

Заместитель гендиректора — директор отделения ВНИИНМ Михаил Скупов рассказал об улучшениях в конструкционных материалах для активной зоны быстрых реакторов. Так, для натриевых реакторов удалось вдвое снизить радиационное распухание стали ЭК-164 при увеличении повреждающей дозы. Использование стали этой марки, которая стала штатным материалом оболочек твэлов, увеличило глубину выгорания топлива в быстрых натриевых реакторах и дало возможность нарастить ресурс тепловыделяющих сборок минимум на одну микрокампанию. В перспективе улучшение показателей позволит удлинить топливную кампанию до 800 и примерно 600 эффективных суток в БН-600 и БН-800 соответственно.

Также идут исследования материалов для оболочек труб в потоке свинца. В частности, были изготовлены и испытываются образцы с разными покрытиями и с разными технологиями термообработки.

Как сообщил Михаил Скупов, достигнутое во время реакторных испытаний и послереакторных исследований выгорание СНУП-топлива на уровне 8–9% тяжелых атомов позволяет переходить к проектированию и лицензированию твэлов для первых загрузок в БРЕСТ-ОД-300.

Для повышения жаропрочности и коррозионной устойчивости оболочек твэлов со СНУП-топливом к свинцу ВНИИНМ предлагает использовать Fe-Cr-Al-сплавы с дисперсным упрочнением оксидами, а для снижения распухания топлива и повышения глубины выгорания — жидкометаллический натриевый подслой. В совокупности эти меры увеличат ресурс твэлов.

Минорные актиниды

Михаил Скупов также сообщил, что ВНИИНМ изготовил опытные твэлы со СНУП-топливом, содержащим нептуний. ТВС с опытными твэлами будут облучать в реакторе БН-600. Следующим этапом обоснования эксплуатации ТВС с минорными актинидами в будущих реакторах БН-1200М и БР-1200 станет изготовление на площадке Сибирского химического комбината сборок с опытными СНУП-твэлами, содержащими нептуний и америций. Эти ТВС будут испытаны на реакторе БН-800.

Руководитель проектного офиса по развитию новых продуктов ядерного топливного цикла Евгений Пидопригора рассказал о выжигании минорных актинидов поподробнее. В 2022–2023 годах были разработаны технологии выделения из ОЯТ и разделения америция и кюрия методами экстракции и хроматографии. Системные исследования показали, что при переходе к двухкомпонентной ядерной энергетике достаточно обеспечить вовлечение в топливо реакторов на быстрых нейтронах до 4% минорных актинидов, чтобы в целом решить проблему с содержащимися в ОЯТ минорами. На Горно-химическом комбинате была отработана технология фабрикации МОКС-твэлов с добавками нептуния и америция, были изготовлены три ТВС с четырьмя опытными твэлами в каждой. Сейчас эти опытные твэлы с минорными актинидами облучаются в БН-800.

В рамках опытно-промышленного демонстрационного этапа, который начался в этом году, будут сформулированы технические требования к фракциям минорных актинидов, созданы стенды для обращения с америцием, кюрием и нептунием и уточнены экономические параметры обращения с минорами.

В рамках промышленного этапа «ТВЭЛ» планирует создание отделений фракционирования минорных актинидов на мощностях по переработке ОЯТ и загрузку штатных ТВС с минорными актинидами в реактор БН-1200М (см. материал «В минорной тональности»).

Малые и модульные атомные станции

ВНИИНМ разрабатывает твэлы на основе различных топливных композиций и с различными оболочечными материалами для активных зон атомных ледоколов, плавучих и наземных АСММ. Так, твэлы, разработанные институтом, успешно проработали в активных зонах обеих реакторных установок ПАТЭС, все показатели радиационной безопасности оказались в норме. Следующий шаг — послереакторные исследования и обоснование модернизации активной зоны ПАТЭС с увеличением ресурсных характеристик в 1,5 раза.

Для реакторных установок РИТМ-200 в наземном и плавучем исполнении ученые и конструкторы уже разработали активные зоны, в ближайшее время будут разработаны активные зоны для оптимизированных плавучих энергоблоков в арктическом и тропическом исполнениях, а также для реакторных установок «Шельф-М», «Елена-АМ» и мобильной АСММ.

***

Конечно, докладов и тем для обсуждений было гораздо больше. Участники конференции говорили об обращении с ОЯТ и его переработке, о широком комплексе экспериментальных обоснований с реакторными испытаниями и послереакторными исследованиями облученных материалов, о создании и развитии расчетных кодов для обоснования безопасности и работоспособности твэлов, об аддитивных технологиях и композитных материалах, сравнивали разные виды топливных композиций и материалов для оболочек, обращали внимание на ограничивающие параметры, демонстрировали скепсис и выражали поддержку.