Технополис завтра
Самое важное. Самое полезное. Самое интересное...
Новости Фунты, тугрики...

Борис Марцинкевич. Модернизация ядерного топлива

Источник: Геоэнергетика
30.05.2018

Современный автомобиль может ехать и на бензине с октановым числом 72 – но это будет печальная и медленная езда. Атомная электростанция способна работать и на топливе, разработанном 50 лет назад – но это будет работа в невыгодном режиме, реактор не сможет реализовать новые возможности, заложенные в него конструкторами.

С момента создания самой первой АЭС атомщики постоянно ведут кропотливую работу по улучшению качества ядерного топлива, увеличивая преимущества атомной энергетики.

Все мы видели и уже привыкли к тому, как выглядят атомные электростанции – гигантские сооружения, которые можно и нужно считать одним из символов современного этапа развития человеческой цивилизации. Гигантские турбины, вращающийся ротор которых создает гигантской силы электрический ток, могучие насосы, под большим давлением прогоняющие воду сквозь активную зону реактора, прочные корпуса реакторов, дополнительные герметичные оболочки, способные выдерживать землетрясения, падение на них самолетов. Трубопроводы первого и второго контуров, гигантские башни градирен, в которых остывает вода второго контура – тут все большое, порой колоссальное. Но сердце любого атомного реактора – совсем крошечное, ведь управляемая ядерная реакция деления происходит внутри совсем небольших топливных таблеток, содержащих обогащенный по изотопу-235 уран. Именно здесь, в небольших таблетках, происходит самое главное – выделение огромного количества тепла, для полезного использования которого и создается все, что мы видим на АЭС. Вот это все, большое и красивое, сложное, требующее огромных усилий при производстве и эксплуатации оборудование – всего лишь «обслуга» топливных таблеток.

Атомная энергетика без формул

Рассказывать о том, что же такое ядерное топливо АЭС достаточно сложно – в обычных случаях для описания требуются многоэтажные математические формулы, атомная физика и прочая квантовая механика. Попробуем обойтись без всего этого, чтобы понять, каким таким образом наши атомщики укротили уран, сделав его надежным источником столь необходимой нам электрической энергии. Нам кажется, что логики и простого житейского здравого смысла для этого будет вполне достаточно, а отправной точкой станет школьное описание цепной реакции деления. Помните?

«Нейтрон налетает на ядро урана, выбивает из него сразу два нейтрона, те налетают теперь уже на пару ядер, выбивают сразу четыре…»

 

Цепная ядерная реакция

Говоря языком математическим, при коэффициенте размножения нейтронов, равным двум, управляемая цепная реакция невозможна. Количество свободных нейтронов и актов распада ядер урана нарастает настолько лавинообразно, что результат может быть только один – атомный взрыв. Для того, чтобы реакция шла плавно, долго, чтобы ее можно было контролировать и регулировать, требуется добиться коэффициента размножения 1,02 – сто свободных «начальных» нейтронов должны вызывать появление 102 свободных нейтронов «второго поколения», все остальные должны быть устранены, поглощены, нейтрализованы – называйте этот процесс как угодно, но это обязательно должно произойти. Это пороговое значение было вычислено теоретически, за что отдельное огромное «спасибо» нашим ученым: не хватало еще экспериментов, которые приводили бы время от времени к неудачам – небольшим таким ядерным взрывам. Они же, ученые-теоретики, выяснили, что природного содержания изотопа-235 недостаточно для того, чтобы коэффициент размножения превысил единицу. Другими словами, если нам требуется, чтобы реакция деления не прекратилась, не затухла сама по себе, нам нужно научиться повышать содержание этого изотопа до 3-4%, то есть в 5-6 раз выше того, что обеспечивает нам матушка-природа. Теоретики высчитали, а вот инженеры-практики сделали всю остальную работу, придумав способы использования в активной зоне реакторов материалов, поглощающих лишние нейтроны, изобрели «нейтрализаторы нейтронов».

Химия – это жизнь

Как происходит обогащение урана по содержанию изотопа-235, Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru уже рассказывал – сначала уран нужно превратить в газ, во фторид урана, потом при помощи газовых центрифуг «отсеять» тяжелые атомы, за счет чего станет больше число атомов легких (ядро основного изотопа урана содержит 238 протонов и нейтронов, такой атом весит на три атомных единицы больше, чем атом урана-235). Замечательно – фторид стал богаче ураном-235, все в порядке. А дальше – что и как? Ведь не закачивают в активную зону реактора этот волшебный газ, в них используются твердые топливные таблетки. Значит, путь ядерного топлива в реакторы АЭС начинается в заботливых руках химиков, выполняющих чрезвычайно важную работу – они превращают газ в твердое вещество, причем в такое, какое им «заказали» атомщики. Атомная энергетика тем и удивительна, что она не ограничивается только атомной физикой, здесь используются сразу десятки научных дисциплин, в Росатоме всегда есть место для химиков, материаловедов, металлургов и для многих-многих других специалистов.

А «заказывают» физики химикам диоксид урана – порошок из молекул, в составе которых один атом урана и два атома кислорода. Почему именно его? Да уж больно хороши многие свойства этих молекул. Температура плавления у диоксида урана – 2’840 градусов, заставить его расплавиться очень сложно, в истории атомной энергетики аварий, сопровождавшихся расплавом ядерного топлива, было всего три. Диоксид урана мало подвержен так называемому газовому распуханию – явлению интересному, но для атомной энергетики вредному. То, что происходит в активной зоне реактора – это ведь воплощение мечты средневековых алхимиков, там происходят превращения одних химических элементов в другие, совершенно от них отличные. Свободный нейтрон, который шмякает об ядро урана-235, не только выбивает из него дополнительные свободные нейтроны – он вызывает деление самого ядра на разные части. Как именно произойдет деление, какие новые ядра при этом образуются – дело случая, но статистика показывает, что в числе прочих осколков деления есть и газы. Они накапливаются внутри топливной таблетки и ведут себя так, как и положено газам – пытаются занять как можно больший объем, пытаются в буквальном смысле слова разорвать топливную таблетку в клочья. Согласитесь, ничего полезного в этом нет – топливная таблетка нам нужна целенькая и здоровенькая, чтобы она могла находиться в активной зоне как можно дольше, дабы передать нам всю энергию, которая содержится в ядрах атомов урана. Так что только хардкор, только диоксид урана – он позволяет использовать более высокие температуры, что повышает КПД атомной электростанции, он позволяет увеличить глубину выгорания топлива.

«Глубина выгорания ядерного топлива» термин вполне научно-технический, но для понимания того, что это такое, высшего физического образования не требуется. Глубина выгорания топлива – это доля ядер урана, которые испытали ядерное превращение при воздействии нейтронов. Выражается в процентах, чем процентов больше – тем лучше, ведь тем большее число ядер урана мы смогли использовать в нужных нам целях, получив от них тепло, используемое для выработки электроэнергии. Глубина выгорания топлива, таким образом – один из основных экономических параметров АЭС. Если мы затолкали в активную зону 100 килограмм урана-235, а по окончании топливной сессии извлекли из нее 99 кг его же – грош цена такой конструкции активной зоны, реактора и АЭС. А вот если обнаружится, что в извлеченной из активной зоне топливной таблетке урана-235 вообще не осталось – значит, конструкторы молодцы и настала пора срочно вручить каждому из них по Нобелевской премии, лучше – по две.

На самом деле глубина выгорания в 100% недостижима в принципе, но это не значит, что за нее не борются – сражения за каждый процент идут нешуточные. Чем больше глубина выгорания – тем меньше себестоимость полученной в результате электроэнергии, а конкуренцию с энергетикой, базирующейся на сжигании углеводородов, никто не отменял. Чтобы ядерное топливо выгорело как можно глубже, таблетка с ним должна сохранять прочность, форму как можно дольше. Мало того – чем дольше по времени «горит» таблетка, тем реже реактору требуется перезарядка топлива. Конструкция ВВЭР (водно-водяного энергетического реактора) такова, что смена топлива происходит при полной остановке и расхолаживании реактора – так безопаснее. Чем меньше таких остановок – тем выше коэффициент использования установленной мощности, КИУМ – второй важнейший экономический показатель АЭС. В техническом паспорте вашего пылесоса написана его мощность – допустим, 1’200 Вт*час. Но 1’200 ватт вы получите, если пылесос будет работать именно час, в режиме полчаса работы – полчаса «что-то поясницу прихватило» вы получите всего 600 ватт, или, другими словами, КИУМ пылесоса составит всего 50%. Как и в случае с глубиной выгорания топлива заветная цель – 100%, и снова каждый процент на счету, ведь экономика атомного реактора должна быть выгоднее экономики тепловой электростанции и даже экономики ГЭС.

Казалось бы – как можно показать более выгодные экономические результаты, чем ГЭС, которой топлива вообще не требуется, где используется только энергия падающей воды? Да очень просто – вода не падает на гидроагрегаты 24 часа в сутки 365 дней в году, для этого нужен совершенно определенный объем воды в водохранилище. Пока этот объем не наберется – ГЭС будет «отдыхать», и АЭС, которая про такие паузы ничего не знает, успеет догнать и перегнать своего соперника. Вот и краткий итог – КПД, глубина выгорания, КИУМ любой атомной электростанции критически зависит от топливной таблетки, от ее материала. Химик, превращающий газ фторида урана в порошок диоксида урана, помни – от твоего мастерства зависит будущее атомной энергетики!

Топливные атомные таблетки – шаг за шагом

Объяснить простыми словами можно очень многое, но сделать такое упражнение для того, чтобы описать работу химиков невозможно от слова «вообще», поэтому приготовьтесь. Газ фторида урана для начала пропускают через водный раствор и получают уранилфторид, который смешивают с аммиаком и кислотным остатком угольной кислоты. В итоге получается уранилкарбонат аммония, который выпадает в осадок – считайте, что полдела уже и сделано, у нас появилось хоть что-то твердое, а не газообразное. Суспензию пропускают через фильтр, промывают и отправляют в печь с кипящим слоем, где из-за высокой температуры все ненужные примеси распадаются, в сухом остатке получается порошок триоксида урана (на 1 атом урана в этой молекуле приходится три атома кислорода). Все, теперь он почти наш!

Участок изготовления порошка диоксида урана методом высокотемпературного пирогидролиза

Снова высокая температура – 500 градусов, но уже с прогонкой водорода, который забирает на себя лишний атом кислорода, и химики спокойно уходят на обеденный перерыв, позволяя физикам забрать вожделенный ими диоксид урана. Впрочем, радуются они рано – их тут же шлепают по протянутым загребущим рукам … металлурги, поскольку топливные таблетки производят методом порошковой металлургии. Порошок, получившийся в результате трудов химиков, дробят, просеивают и получают мелкодисперсный порошок – мельчат до состояния практически пыли. После добавления связующих и смазочных материалов таблетки прессуют, еще раз отправляют на отжиг, чтобы устранить ненужные примеси. После этого температура повышается до 1’750 градусов, таблетки становятся более плотными, более тяжелыми – теперь их уже можно обрабатывать механическими методами. В дело вступает круглошлифовальный станок, чтобы получить необходимые размеры – вот и все.

Участок изготовления урановых таблеток

Нет, ну не совсем «все», потому как сразу после этого в цех являются контролеры, чтобы проверить геометрические размеры, качество поверхности, содержание влаги, соотношение атомов кислорода и урана. Обратите внимание, что проверять соотношение атомов урана-235 и урана-238 не требуется – какие бы манипуляции не выполняли химики, их действия не влияют на состав атомных ядер. Итог всей этой работы – топливные таблетки весом всего в 4,5 грамма, но в этих крохотульках содержится столько же энергии, как и в 400 кг каменного угля, в 360 кубометрах природного газа или в 350 кг нефти.

Производственно-технический контроль таблеток ядерного керамического топлива

Номенклатура таблеток, производимых на российских атомных предприятиях, входящих в состав корпорации ТВЭЛ – более 40 разновидностей, разных размеров, разной степени обогащения по урану-235. Но неизменным остается одно – в качестве топлива атомная энергетика продолжает использовать именно диоксид урана, который сам по себе является одним из барьеров на пути распространения радиоактивности. При рабочих температурах этот материал удерживает внутри себя 98% продуктов распада, снижая нагрузку по герметизации до минимума. Чтобы топливо выполняло свои «барьерные» функции, важно, чтобы взаимодействие топлива с теплоносителем было минимальным – иначе радиоактивные продукты распада получают шанс вырваться во внешнюю среду со всеми вытекающими неприятными последствиями.

Твэл – это не просто «длинная трубочка»

Ладно, таблетки изготовили, что дальше? Идея атомного реактора проста – теплоноситель должен «снять» все тепло, выделяемое в результате ядерных реакций. Снять не разово, этот съем должен происходить на протяжении всей топливной сессии – времени нахождения топлива в активной зоне реактора. В реакторах ВВЭР эту работу выполняет вода, проходящая по активной зоне под высоким давлением. Накидать в активную зону топливные таблетки, как пельмени в кипящую воду? Не вариант, гораздо разумнее обеспечить неподвижное положение топливных таблеток, вдоль которых проходит поток воды под напором, забирая образовавшуюся при ядерных реакциях тепловую энергию. Следовательно, нужен некий «фиксатор», который призван обеспечить неподвижное расположение топлива – им и стала полая тонкостенная трубка, внутри которой и содержатся топливные таблетки – твэл, тепловыделяющий элемент.

Тепловыделяющие элементы (твэл), Фото: wikimedia.org

Почему именно тонкостенный? Чтобы тепло, образующееся в топливных таблетках, могло быть почти беспрепятственно «снято» водой, то есть первое требование к материалу стенок твэлов – как можно более высокая теплопроводность. Взял – отдал, взял – отдал. Второе требование тоже совершенно очевидно – внешняя сторона стенок твэла постоянно находится в воде, потому ее материал не должен бояться коррозии. Третье условие тоже очевидно – материал должен выдерживать постоянную высокую радиоактивность, при этом не причиняя вреда основным, ядерным процессам. Он должен поглощать как можно меньшее количество нейтронов, чтобы не прервать ядерную реакцию, чтобы не заставить производить уран с более высокой степенью обогащения по изотопу-235. Диаметр трубки, как и диаметр топливных таблеток должен быть как можно меньше – иначе тепло, которое образуется в центральных сегментах, не дойдет до теплоносителя. Вот такой набор требований, которому должна соответствовать такая «простенькая» вещь, как тоненькая стеночка твэла.

На этапе становления атомной энергетики таким материалом стала нержавеющая сталь, но продолжалось это недолго – выяснилось, что сталь забирает слишком много свободных нейтронов, нужно что-то менее прожорливое. К этому времени атомщики основательно поработали и нашли металл, обладающий минимальным сечением захвата нейтронов. Физики – не химики, но тоже порой любят ввернуть научное словцо, чтобы привести слушателей-читателей в недоумение, в данном случае словом «сечение» они заменяют слово «вероятность». Вероятность того, что пролетающий нейтрон будет захвачен в свои тенета ядром атома циркония минимальна, при этом у циркония отличный коэффициент теплопередачи, он не взаимодействует с водой, он плавится только при температуре свыше 1’855 градусов, у него очень низкий коэффициент теплового расширения – вместо того, чтобы «распухать» при нагревании, он просто «сбрасывает» тепло во внешнюю среду. Согласитесь – просто идеальный материал для атомной энергетики, если суметь добиться получения его в идеальной химической чистоте, поскольку любая примесь норовит активно «подъедать» свободные нейтроны.

Цех производства твэл и ТВС

Как только металлурги объявили, что они научились справляться этой задачей – нержавеющая сталь покинула твэлы, атомная энергетика перешла на цирконий. Единственное предприятие на территории России, специализирующееся на производстве химически чистого циркония – Чепецкий механический завод (город Глазов, Удмуртия), входящий в состав топливной компании ТВЭЛ. С 1986 года ЧМЗ перешел на изготовление корпусов твэлов из сплава Э-110 – к цирконию добавляют один процент ниобия, и эта малая прибавка значительно увеличивает коррозионную стойкость материала. Еще лучше механические свойства у применяемого в настоящее время сплава Э-365, в котором, помимо циркония и ниобия, присутствуют железо и олово. Каждый шаг в производстве твэлов чрезвычайно важен, присутствие этих элементов позволяет лучше справляться со сваркой, с другими методами соединения разных материалов. Буковки, цифирки, за которыми скрыт огромный объем работы металлургов, физиков, химиков. Так или иначе, производимые в России твэлы соответствуют всем требованиям МАГАТЭ, показывают прекрасные эксплуатационные свойства, позволяют поднимать экономические показатели атомной энергетики.

То, что может показаться «простенькой механической деталью» таковой, конечно, не является.

 

Твэл в разрезе, Рис.: heuristic.su

Вот краткое описание твэла с содержимым внутри. Длина – 3,8 метра, внешний диаметр – 9,1 мм. Внутри – таблетки диоксида урана с наружным диаметром 7,57 мм и высотой 20 мм, в центре каждой таблетки имеется отверстие диаметром 1,2 мм. Таблетка не касается стенок твэла, зазор и отверстие внутри таблеток предназначены для того, чтобы твэл мог удерживать внутри себя радиоактивные газы, образующиеся в процессе ядерного распада. Таблетки зафиксированы внутри твэла втулками, общая длина столбика таблеток – 3,53 метра, во время топливной сессии длина увеличивается на 30 мм. Да, все измеряется в миллиметрах и даже в их долях – ведь атомная энергетика имеет дело с мельчайшими частицами вещества.

Вот таблетка диаметром меньше 8 мм – казалось бы, что в ней может быть интересного? Но во время ядерных реакций температура в центральной части таблетки достигает 1’500-1’600 градусов, а на внешней поверхности – всего 470. Перепад в тысячу градусов на расстоянии в 3-4 миллиметра, металл, становящийся газом – такие вот чудеса внутри крошечной таблетки. Еще одно важное улучшение твэлов последних лет – то, что внутри трубочек стали размещать еще и выгорающий поглотитель, оксид гадолиния. Звучит несколько замысловато, но это только с первого взгляда. В свежем ядерном топливе содержание урана-235 максимально, по мере прохождения топливной сессии его количество уменьшается. Получается, что в первое время количество образующихся свободных нейтронов максимально и, чтобы не сорваться в неуправляемую реакцию, надо нейтрализовать большое их количество. Идет время, выгорает уран-235, свободных нейтронов образуется меньше – значит, и нейтрализации подлежит меньшее их количество. Оксид гадолиния хорош тем, что он, как и уран-235, тоже выгорает, оба процесса идут параллельно. Меньше урана – меньше гадолиния – меньше число нейтронов захватывается, а « в работе» остается неизменное их количество. В верхней части твэла расположена пружина – с ростом температуры увеличивается длина топливного столбика, пружина компенсирует это расширение.

От твэла – к ТВС

Таблетки сделали, в твэле их разместили – все? Разумеется, нет – трубка вместе с топливом весит всего 2,1 кг, такой массы урана на долгую работу не хватит. Следующий этап формирования ядерного топлива – формирование ТВС, тепловыделяющих сборок. Для самого распространенного пока в России реактора ВВЭР-1000 в одну ТВС собирают 312 твэлов, между ними оставляют зазоры для входа стержней системы управления и защиты, заполненных таким эффективным поглотителем нейтронов, как бор. В нижней части ТВС расположен так называемый хвостовик – место, к которому крепятся твэлы.

Изготовление каркаса – сварка каналов и дистанционирующих решёток

В верхней части твэлы крепятся к головке через блок пружин – он предохраняет твэлы от всплытия во время работы реактора. Да, уран – тяжелый элемент, цирконий тоже легким назвать не получится, но стоит помнить о том, что номинальный расход воды через ТВС составляет 500 кубометров в час, вода движется вдоль твэлов со скоростью 200 км/час в направлении снизу вверх – такой поток заставит всплыть что угодно. Твэлы разделены между собой при помощи дистанцирующих решеток, которые удерживают эти трубочки на штатных местах, обеспечивая максимально эффективный теплосъем. Дистанцирующих решеток на ТВС разных конструкций – от 12 до 15 штук, только такое их количество позволяет воде выполнить работу по снятию полезного тепла.

Каналы и дистанционирующие решётки, контроль качества

И, тем не менее, даже это не спасало полностью от проблемы искривления твэлов и ТВС. Наши сборки не выдерживали механических осевых нагрузок – почти четыре метра длины при толщине оболочки в 0,65 мм, мощный поток воды, высокие температуры делали свое дело. В 1993 году стало окончательно ясно – с этой проблемой что-то нужно делать, находить способы избавиться от нее. Минатом сделал соответствующий запрос в МАГАТЭ – как обстоят дела с этой проблемой в западных странах. МАГТЭ провела соответствующий опрос у эксплуатирующих организаций, и никакой сенсации не обнаружило – эта проблема имеется и у западных атомщиков, они тоже ищут способы с ней справиться.

Вот теперь извините, но нам в очередной раз придется коснуться главного мифа либеральной экномики – об эффективности частного собственника по сравнению с неповоротливым, инерционным государственным сектором экономики. Частных собственников АЭС на Западе, и особенно в США – немалое количество, но проблему они решить не смогли. Минатом поступил в соответствии с традициями Минсредмаша – поручил решение проблемы сразу двум конструкторским бюро, чтобы в результате борьбы двух хороших проектов победа досталась лучшему. Участниками капиталистического соревнования стало подольское ОКБ (опытно-конструкторское бюро) «Гидропресс» и нижегородское ОКБМ (ОКБ Машиностроения) им. Африкантова. Оба КБ в настоящее время входят не только в Росатом, их объединяет машиностроительный холдинг «Атомэнергомаш», но накала конкурентной борьбы это нисколько не снижало.

Конкуренция – двигатель прогресса

Нижегородцы разработали конструкцию ТВС, получившую аббревиатуру ТВСА, по мере разработки появлялись друг за другом модификации ТВСА-Альфа, ТВСА-Т, ТВСА-12, ТВСА-У, ТВСА-Plus. Основная ее характерная особенность – к дистанционным решеткам для повышения жесткости конструкции стали приваривать уголки, а вот «Гидропресс» эту концепцию не принял – лишнее количество циркония, из которого выполнены уголки, в активной зоне, по мнению подмосковных специалистов, может негативно сказаться на нейтронных характеристиках активной зоны реактора. В созданной на «Гидропрессе» модификация с аббревиатурой УТВС (Усовершенствованная ТВС) не используется жесткая сварка дистанцирующих решеток и направляющих каналов, с 1998 года УТВС стали использовать на АЭС с повышенными требованиями по сейсмоустойчивости – на китайской «Тяньвань», на иранской «Бушер», на индийской «Куданкулам». Впрочем, заявить, что эта разработка была сделана только сотрудниками ОКБ «Гидропресс» – грешно, в этой работе приняли участие Курчатовский институт, обнинский Физико-Энергетический Институт, Новосибирский завод химконцентратов, НИИ им. Бочвара. Но важен результат – опытная проверка на Ростовской АЭС показала отличные результаты, зарубежные заказчики были чрезвычайно довольны повышением надежности УТВС.

Сборка пучка

Наблюдение за подробностями борьбы двух конструкторских бюро – завораживающее зрелище, но тут столько технических подробностей, что  понадобятся усилия профессиональных переводчиков. Решетки широкие и узкие, разреженные решетки, турбулизаторы и дефлекторы, решетки с косыми каналами, интенсификаторы теплообмена, скорость загрузки кассет в активную зону, сочетание с работой перегрузочных машин, терминология из гидродинамики и термомеханики – это действительно совсем уж отдельный язык… Для атомной энергетики важен результат, которого достигли оба конструкторских бюро, научный и творческий спор которых продолжается и сейчас. Улучшения и модификации позволяют использовать топливо с более высоким обогащением по содержанию урана-235 – этот показатель для ВВЭР-1000 увеличился с 3,77% до 4,95%. Казалось бы, разница совершенно несущественна, но в результате глубина выгорания топлива увеличилась с 40 МВт в сутки с килограмма урана до 58 МВт с килограмма, почти на 50%. А вот это результат уже весьма существенный, он позволяет на равных сражаться с углеводородной энергетикой по себестоимости производимой электроэнергии, делает перспективы развития энергетики атомной все более обнадеживающими.

Одно из достижений отечественного атомного проекта – увеличение мощности действующих реакторов ВВЭР на 4-7% без изменения их конструкции базируется именно на оптимизации ядерного топлива и ТВС стало еще одним конкурентным преимуществом на международном рынке. К настоящему времени Росатом и ТВЭЛ полностью ликвидировали имевшееся в начале 90-х годов отставание по технико-экономическим показателям в области модернизации атомного топлива, а полученный при этом «разгон» позволяет с оптимизмом смотреть в будущее.

Готовая ТВС

Разумеется, УТВС не стали неким «финалом» усовершенствования топливных сборок. Основной выигрыш УТВС по сравнению с топливом предыдущего поколения был обеспечен переходом от нержавеющей стали к цирконию, к сплаву Э-110. Опытные загрузки УТВС на российских АЭС и на АЭС «Тяньвань» в Китае, однако, показали, что проблема механической деформации ТВС хоть и уменьшилась, но до конца не была устранена. «Нет предела совершенству» – вслух это сказано не было, но коллектив разработчиков двинулся дальше, к созданию ТВС-2М, которая на сегодня является лучшей топливной кассетой для реакторов типа ВВЭР-1000. Разработчики смогли увеличить жесткость конструкции без применения уголков – они усилили дистанционные решетки и стали использовать точечную сварку для увеличения устойчивости к формоизменению во время эксплуатации. Им удалось увеличить длину топливного столба – теперь в активной зоне реактора размещается больше урана, стали продолжительнее топливные сессии, перегрузки топлива можно осуществлять реже, что означает рост КИУМа.

Новое топливо для Ирана

С начала 2014 года начался переговорный процесс между ТВЭЛ и иранским заказчиком в лице Организации по атомной энергетике Ирана (AEOI) и Компании по производству и развитию атомной энергии Ирана (NPPD) по переходу АЭС «Бушер» на новые топливные кассеты – ТВС-2М. Для обеспечения переговорного процесса ТВЭЛ разработал «Технико-экономическое обоснование внедрения ТВС-2М на АЭС «Бушер», в котором заказичку предоставлялся полный объем информации для анализа и принятия решения о таком переходе. Самый лучший способ убедить потенциального заказчика – не навязчивый маркетинг, в атомной энергетике такой подход почти никогда не приносит результата. Российская топливная компания просто свела в единое целое анализ результатов внедрения ТВС-2М на российских ВВЭР-1000 – реакторах такого же типа, как и работающий в составе энергетического блока на АЭС «Бушер». И иранские атомщики смогли убедиться в том, что количество циркония в новой ТВС осталось таким же, зато количество урана стало больше, что увеличилась глубина выгорания топлива, что увеличилась длительность топливных сессий, вырос КИУМ, уменьшилось количество радиоактивных отходов.

Проанализировав полученные результаты, проверив их на месте, иранские заказчики сделали ответный ход – разработали перечень работ российских предприятий, который необходим для обеспечения лицензирования нового топлива в атомных надзорных органах. Дальнейшая работа была уже совместной – наши и иранские специалисты вместе составили список необходимых модернизаций оборудования энергоблока на АЭС «Бушер», которые необходимо было выполнить для того, чтобы реактор мог принять в активную зону ТВС-2М. Никто никуда не торопился, но после того, как иранцы убедились, что новое топливо позволяет продлить топливную сессию с 12 месяцев до 18, их решение уже стало очевидным. Собственно говоря, работа наших ВВЭР-1000 на новом топливе показала такие результаты, что полный переход на ТВС-2М стал просто неизбежным – выгорание топлива увеличилось на 20%, а топливная составляющая себестоимости производства электроэнергии уменьшилась почти на 9%.

Итог переговоров с иранским заказчиком вполне закономерен. В апреле этого года ТВЭЛ подписал с AEOI и NPPD дополнительное соглашение к действующему контракту на топливообеспечение АЭС «Бушер» – с 2020 года ТВЭЛ начнет поставки в Иран ТВС-2М. Никакой спешки, никакой суеты – просто и наш, и поддерживаемый нами иранский атомные проекты продолжают последовательно развиваться, обеспечивая потребителей электроэнергией в необходимых им объемах. Что думают по этому поводу заказчики в Индии и в Китае, мы наверняка узнаем в ближайшее время. Рост экономических показателей энергоблоков за счет использования нового топлива без существенного изменения комплекта оборудования настолько показателен, что есть уверенность в том, что размышления не будут излишне долгими. Впрочем, китайцы могут сомневаться довольно долго. При строительстве реакторов АЭС «Тяньвань» китайские товарищи купили у ТВЭЛ топливо в кассетах УТВС на начальную загрузку и пять перегрузок, а также технологию УТВС. Технология куплена, завод построен, китайцы вполне способны самостоятельно производить топливо, но это будет УТВС, технология ТВС-2М пока не продается и будет ли продаваться, пока неизвестно. Нам остается только следить за дальнейшим развитием событий и еще раз поздравить ТВЭЛ, ОКБ «Гидропресс» и весь коллектив разработчиков с тем, что их новое топливо получило теперь уже международное признание.

Конечно, сегодняшний рассказ о разработках ядерного топлива далеко не полон – в этой части атомного проекта изменения происходят постоянно. Разработано топливо для ВВЭР-1200, идут опытно-конструкторские разработки топлива для ВВЭР-ТОИ, ТВЭЛ продолжает производить топливо для реакторов западного дизайна совместно с французскими партнерами, ТВЭЛ самостоятельно разработал топливо, которое уже реализуется через отдельную компанию «ТВС-Квадрат» для шведских заказчиков и лицензируется для американского рынка. Предприятия ТВЭЛа уже производят МОКС-топливо для БН-800, выпущена опытная партия РЕМИКС-топлива, для перспективного реактора со свинцовым теплоносителем заканчивается разработка нитридного топлива – Росатом и не думает, что может позволить себе почивать на лаврах.

Ядерное топливо – «сердце» атомной энергетики, следить за тем, как создаются новые его виды, какие они дают результаты при их использовании полезно уже тем, что позволяет сравнивать себестоимость генерации электроэнергии на АЭС и на тепловых электростанциях. Кроме того, в этот раз мы не коснулись того, какими результатами могут похвастаться разработчики новых видов топлива в ОКБМ им. Африкантова – а их идеи тоже весьма активно используются Росатомом. Одним словом – вряд ли сегодняшний рассказ об атомном топливе останется единственным.

Фото: zaochnik.ru, kak-eto-sdelano.livejournal.com


 

Loading...
Загрузка...

© 2009 Технополис завтра

Перепечатка  материалов приветствуется, при этом гиперссылка на статью или на главную страницу сайта "Технополис завтра" обязательна. Если же Ваши  правила  строже  этих,  пожалуйста,  пользуйтесь при перепечатке Вашими же правилами.