Толерантное ядерное топливо сдало экзамен
На втором энергоблоке Ростовской АЭС Госкорпорация «Росатом» завершила программу опытно-промышленной эксплуатации «толерантного» ядерного топлива. Также прошли тестирование новые материалы оболочек.
Опыт начался в 2021 году. Три кассеты с инновационными тепловыделяющими элементами (твэлами) были загружены в реактор ВВЭР-1000 и отработали три полные топливные кампании по 18 месяцев. После выгрузки они прошли тщательный оценочный анализ.
В программе рассматривались два варианта новых материалов оболочек: хром-никелевый сплав 42ХНМ и циркониевый сплав с хромовым покрытием. По итогам работы эксперты АО «ТВЭЛ», топливного дивизиона госкорпорации «Росатом», назвали оптимальным для промышленного внедрения хромированную циркониевую оболочку. Все этапы проведены в соответствии с регламентом.
Внедрение инновации проводится в соответствии со стандартной мировой практикой квалификации новых видов ядерного топлива. Они попадают в полноценные серийные сборки только после испытания кассет с отдельными твэлами в реакторе.
Оптимум найден
Состоявшиеся испытания дали отрасли принципиально новое ATF-топливо (Accident Tolerant Fuel, ATF) – дольше сохраняющее целостность в нештатных ситуациях и снижающее риски интенсивного протекания пароциркониевой реакции с выделением водорода. И это, без преувеличения – новое слово в ядерной безопасности. Топливо обеспечит целостность даже в случае потери теплоносителя и нарушения отвода тепла в активной зоне реактора. С его повсеместным внедрением атомная отрасль начнет отсчет нового стандарта безопасности.
Международные отраслевые организации – в то числе IAEA – подтверждают, что именно циркониевая оболочка твэла с хромовым покрытием наиболее близка к лицензированию и развертыванию ATF-решений в мире.
В ходе состоявшейся опытно-промышленной эксплуатации три комбинированные сборки конструкции ТВС-2М содержали по 12 твэлов в инновационном исполнении. На половине из них конструкционный материал был представлен хром-никелевым сплавом 42ХНМ, на другой – циркониевым сплавом с хромовым покрытием. Главной задачей и основным предметом наблюдения были либо полное исключение, либо значительное торможение пароциркониевой реакции в активной зоне реактора.
Теперь организаторам процесса предстоит собрать обширный пакет документов для Ростехнадзора. Далее топливо планируется передать в НИИ атомных реакторов, на которых в ближайшей перспективе запланировано применение оболочек из нового материала. Чепецкий механический завод уже принял задачу по нанесению хромовых покрытий на оболочки из традиционного циркониевого сплава. Для этого на предприятии создан отдельный участок. Серийное производство стартовало. На данный момент 1000 хромированных оболочек твэлов отправлена для фабрикации тепловыделяющих сборок в полноценном «толерантном» исполнении.
Азы и основы
По сути, твэл является «сердцем» ядерного реактора. Это главный конструктивный элемент активной зоны гетерогенного ядерного реактора, содержащий ядерное топливо. В твэлах происходит деление тяжёлых ядер, сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая, в свою очередь, передаётся теплоносителю (например, воде) и в конечном счёте преобразуется в электричество на АЭС.
Ключевые задачи твэла: обеспечить эффективный отвод тепла от ядерного топлива к теплоносителю; предотвратить распространение радиоактивных продуктов деления в теплоноситель и окружающую среду. При этом оболочка служит одним из барьеров безопасности.
Типичный твэл состоит из трёх основных частей – топливного сердечника, оболочки из материалов, слабо поглощающих нейтроны и установочные и герметизирующие элементы (заглушки, пружины, втулки), обеспечивающие герметичность и фиксацию топливных таблеток внутри трубки.
Задачи по разработке в данной сфере и курирует АО «ТВЭЛ», включающее предприятия по фабрикации ядерного топлива, конверсии и обогащению урана, производству газовых центрифуг, а также научно-исследовательские и конструкторские организации. «ТВЭЛ» – единственный поставщик ядерного топлива для российских АЭС. Компания обеспечивает топливом более 70 энергетических реакторов в 15 государствах, исследовательские реакторы в девяти странах мира, а также транспортные реакторы российского атомного флота. Каждый шестой энергетический реактор в мире работает на топливе «ТВЭЛ». При этом компания постоянно проводит изыскания в области модификации и совершенствования ядерного топлива.
Голос будущего
Успешная опытно-промышленная эксплуатация ATF топлива на Ростовской АЭС повышает безопасность и надёжность российской атомной энергетики, укрепляет технологическую самостоятельность РФ в ядерном топливном цикле, стимулирует развитие смежных отраслей и инфраструктуры.
Усиливается экспортный потенциал АО «ТВЭЛ», топливо которого уже работает в каждом шестом реакторе мира. В целом внедрение инновационных тепловыделяющих элементов приближает переход к замкнутому топливному циклу и безлюдному производству электроэнергии.
Старший вице-президент по научно-технической деятельности АО «ТВЭЛ» Александр Угрюмов:
«По совокупности всех факторов: экономика, технология, регулирование, процедуры – оптимальный вариант для промышленного внедрения – это оболочки из классического циркониевого сплава с нанесением хромового покрытия. Это решение, к которому пришли все ведущие мировые производители ядерного топлива. Но для России, где реализуется стратегия замыкания ядерного топливного цикла, программа разработки ATF дала еще один важный результат. Свойства хромированной поверхности позволяют исключить ряд операций при фабрикации ядерного топлива для реакторов ВВЭР, где до сих пор задействован ручной труд. А безлюдная фабрикация – это необходимое условие для промышленного производства топлива с регенерированным ураном и плутонием».
