proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2017 год
  Агентство  ПРоАтом. 20 ЛЕТ с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Обсудим?!
Сроки строительства блоков АЭС в РФ выросли до 10 лет. Причины?
Спешка не требуется
Плохая организация на площадке
Слабый контроль со стороны Заказчика
Некачественный проект
Брак комплектующих в поставках
Другое

Результаты
Другие опросы
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. Информация: (812) 438-32-77, E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
PRo Рекламу

[01/02/2016]     Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР

Основные направления разработок в мире

Алексей Савченко,  к.т.н.

Я попытался сделать краткий обзор актуальной сейчас темы разработки толерантного топлива по материалам конференций и совещаний экспертных групп, в которых сам принимал участие, обсуждений с коллегами, а также используя многочисленные публикации по этой тематике. Так как вскоре Россия, чтобы не потерять топливный рынок, также, я надеюсь, начнет целенаправленные разработки в этом направлении, то обсуждение этих работ представляет интерес.


Аварии на АЭС в Чернобыле и Фукусиме показали особую опасность паро-циркониевой реакции, возникающей при повышении температуры оболочек твэлов после потери теплоносителя и всплесках реактивности. Практически сразу во всех странах, имеющих развитую атомную энергетику, активировались разработки по защите от возможности возникновения паро-циркониевой реакции.

Термин устойчивое к авариям толерантное топливо - Accident Tolerant Fuel – (ATF) возник после аварии на Фукусиме. В формулировке МАГАТЭ это топливо должно быть работоспособно как в нормальных условиях работы, так, и это главное – в условиях потери теплоносителя. Основной разрушающий твэлы фактор связан с паро-циркониевой реакцией, происходящей при температуре свыше 1200 оС. Естественно пути решения этой проблемы лежат как в модификации или замены циркониевых оболочек, так и в модификации или применении нового топлива.

 В настоящее время программу создания нового типа топлива для реакторов ВВЭР, с повышенной стойкостью к аварийным ситуациям, включились практически все игроки международного топливного рынка. Созданы национальные и международные программы и выделено значительное финансирование. Это прежде всего США, европейские страны – Франция, Германия, Швейцария, а также, Япония, Южная Корея, Китай и Индия Nuclear Fuel Complex (NFC). Помимо исследовательских организаций над ней работают такие кампании как Вестингаус, Арева, EDF и GE.

Для примера, на рисунке представлена структура финансирование DOE США проектов по толерантному топливу. Как видно, различные аспекты работ распределены между различными организациями.




Подобная организация работ существует и в других странах. Координация работ и международное сотрудничество осуществляется также в рамках экспертной группы АЯЭ ОЭСР (OECD/NEA). Сейчас к этой программе подключилась МАГАТЭ. Как пример на рисунке приведены направления работ экспертной группы АЯЭ ОЭСР (OECD/NEA)




Разработки в этом направлении фактически заменили программу создания нового типа топлива для реакторов ВВЭР. Поэтому сейчас в мире на нее расходуются десятки миллиардов долларов. Следует отметить, что это не случайно. Помимо увеличения надежности активных зон, повышение стойкости твэлов к аварийным ситуациям позволит минимизировать затраты на дополнительные усовершенствования и усложнения конструкции реакторов типа ВВЭР. Поэтому, кто первый решит эту проблему – потеснит конкурентов с рынка производителей топлива и, автоматически, атомных станций. Ведь за рубежом работы в этом направлении ведутся уже четыре года, и есть первые результаты. Наша основная российская  топливная компания пока еще не в теме. А это грозит потерей рынка, и никакой ТВС-квадрат нас не спасет. А гипотетический, везде рекламируемый, наполненный потенциальными заказами Портфель Заказов превратится просто в портфель из дорогой кожи.

Сначала, что включает в себя концепция толерантного топлива (ниже приведен слайд из программы DOE USA). Это, прежде всего, разработка оболочек – различные стали, в том числе новые Fe-Cr-Al, жаропрочные металлы (Mo), керамические оболочки SiC, легированные Zr сплавы, а также всевозможные защитные покрытия на Zr оболочках.



Затем, топливо, это прежде всего ураноемкое холодное топливо – металлическое, нитриды и силициды урана – для уменьшения количества запасенного тепла. В результате увеличивается время нагрева до критической температуры. Ураноемкость нужна еще и для экономики, чтобы компенсировать затраты как на разработку новых видов топлива, так и для случая применения обладающих захватом тепловых нейтронов оболочек из стали. И естественно, чтобы не превышать 5% барьер по обогащению урана-235.

Кроме того рассматривается также дисперсионное и микрокапсульное топливо (разновидность топлива для газовых реакторов), и модификации диоксидного топлива с целью геттерного связывания продуктов деления и т. д.




Отдельным аспектом стоит топливный цикл с новым топливом и экономика. Естественно сохраняются работы по моделированию поведения нового топлива в аварийных ситуациях.

Определено также время, необходимое для разработки и начала внедрения (по зарубежным экспертным оценкам, см. рисунок)).




Для оболочек:
•           Покрытия Zr оболочек – 3-7 лет,

•           Стальные оболочки – 6-10 лет,

•           Оболочки из Mo – 9-14 лет,

•           Керамические оболочки из SiС – 15-20 лет

Для топлива:
•           Модифицированный диоксид урана – 7-11 лет,

•           Высокоплотное топливо – U3Si2, UN, etc  - 12-17 лет,

Дисперсионное топливо (с многослойным покрытием) – 17-22 лет,


Статус разработок в мире на данный момент следующий:

Наиболее быстро разработки по толерантному топливу продвигаются в США практически по всему спектру вариантов. Их финансирует министерство энергетики (DOE). Кроме собственных исследований существует и программа двухстороннего сотрудничества по этой проблеме с Францией, Японией, Китаем, Евросоюзом, Британией и экспертными группами  OECD/CEA и МАГАТЭ. В программе исследований США по ATF участвуют университеты, национальные лаборатории, компании – AREVA, Westinghouse, GE.

На данный момент:

Изготовлены установки для проведения испытаний на аварийные ситуации.

– Изготовлены и исследуются образцы с металлическим, керамическим и многослойными покрытиями на циркониевых оболочках, полученных разными методами. Проведены их испытания в режимах аварийных ситуаций.

- Изготовлены и исследуются оболочки твэлов из SiC (Вестингхаус, Ок-Ридж)

- Получены первые образцы оболочек из новых ферритных Fe-Cr-Al сталей, а также исследуются известные стали X-750 and 304 SS.

– Получены и исследованы в дореакторных условиях таблетки из силицидов и нитрида урана. Сделаны предварительные нейтронно-физические расчеты применения топлива в реакторе ВВЭР.

- Проводятся работы по моделированию поведения топлива, экономические аспекты топливного цикла.

Следует отметить, что все варианты сразу ставятся на реакторные испытания. Для этого в Айдахо (INL, USA) изготовлена петля для реакторных испытаний, в которой образцы твэлов с конца прошлого года проходят реакторные испытания. Это легированный диоксид урана, оболочки из Fe-Cr-Al сталей, таблетки из силицидов и нитрида урана. Схема испытаний приведена на рисунке.




В похожем направлении движутся и остальные страны, хотя и с меньшим размахом. Они концентрируются на отдельных направлениях, как по оболочкам, так и по топливу. Реакторные испытания проводятся в Халденском реакторе. 

Самое интересное, что на облучение образцы ставятся сразу, еще «сырыми», не прошедшими до конца дореакторные исследования. Поэтому вариантов и комбинаций образцов твэлов получается сотни. На проведшей Конференции TopFuel-2015 я поинтересовался у Джона Кармака (INL USA), руководителя программой реакторных испытаний в США, не лучше ли провести предварительный отбор с выделением наиболее приоритетных направлений, что было бы значительно дешевле. Он ответил, что нет, выбранный ими путь наиболее оптимальный по времени для разработки качественно нового твэла. Если хоть несколько вариантов после испытаний останется, то это уже хорошо. А проблем с финансированием у них нет.

К слову сказать, на этой конференции разработке толерантного топлива уделялось ключевое внимание как основному направлению выхода из кризиса атомной энергетики в связи с резким подешевлением сырья у основных конкурентов на рынке производства электроэнергии – нефтяных и газовых компаний. Кстати, если вспомнить историю, то по такому же сценарию в СССР в свое время разрабатывались дисперсионные твэлы для ледоколов и малых реакторов. Я помню, как мы каждый квартал ставили на облучение несколько сборок разного типа твэлов. Для сравнения, сейчас одну в несколько лет с минимальными модификациями.

Теперь рассмотрим, чуть более подробно отдельные направления разработки толерантного топлива, а главное, какие подводные камни могут встретиться этом пути и к чему, в конечном счете, все это может привести.

Покрытие циркониевых оболочек – наиболее простой и оптимальный путь и практически не влияет на обогащение топлива и физику реактора. Этим направлением занимаются AREVA, Westinghouse, ORNL, GE, University of Tennessee, CEA (France) , China, KAERI, а также KIT.

Основные типы применяемых покрытий – это хром и коррозионно-стойкие стали, SiC, а также более сложные соединения. В настоящее время проводятся дореакторные исследования. Результаты сравнительные испытаний CEA при 1200 гр. в течении 10 мин приведены на рисунке. Скорость коррозии уменьшилась в 4 раза.


Методы нанесения покрытий разные, чаще всего магнетронное напыление, холодное распыление, осаждение из газовой фазы с последующей обработкой электронным пучком.

На данном этапе проводятся работы по усовершенствованию методов нанесения покрытий (на рисунке показана динамика), изучаются их свойства, прежде всего коррозионная стойкость в штатном режиме и LOCA и изготовляются образцы для реакторных испытаний.




Пока, по моим ощущениям, у них больше внимания уделяется использованию более коррозионно-стойких в паре керамических покрытий. А следует сконцентрироваться на качестве сцепления, чтобы покрытия дожили до начала аварийной ситуации, а не разрушились бы при длительной работе в штатном режиме. Пока же в штатном режиме лучше всего себя показывает самое древнее изобретение – хромовое покрытие, нанесенное PVD методом – типа нашего магнетронного напыления. Конечно, в любом случае встанет вопрос и о методах контроля. Но если они все быстро сделают, облучат и внедрят в производство – топливный рынок для нас будет точно потерян.


Разработка стальных оболочек – 6-10 лет. Этим направлением занимаются США, Франция, Япония, Корея. Сюда можно отнести также разработку новых жаростойких Fe-Cr-Al оболочечных сталей с повышенным содержанием Al до 5-10%. Составы и свойства некоторых групп сталей приведены на рисунке.



Преимущества:
Высокая коррозионная стойкость в аварийных ситуациях и освоенная промышленная технология изготовления труб

Недостатки: Захват нейтронов, а также коррозионное растрескивание под напряжением (для аустенитных сталей) и радиационное охрупчивание (для ферритных сталей) – об этом за рубежом пока не знают

Ухудшение нейтронной физики (К-инф) при применении стальных оболочек требует или увеличения обогащения топлива свыше 5%, или значительного утонения толщины оболочек до 0,25-0,35 мм вместо 0,6 мм у циркалоя, или повышения ураноемкости топливного сердечника.

Оболочку такой толщины сразу сожмет давлением – если внутри будет таблетка, то возникнет эллипсность и твэл не будет работоспособен. Но когда им это говоришь, то ощущение, что там стена. Нельзя вскрывать недостатки, финансирование пропадет.

Но главным их козырем является разработка нового типа стали. На Западе, в отличие от России, не было большого опыта применения стальных оболочек в водоводяных реакторах (там в малых реакторах сразу применялся цирконий), а быстрая энергетика у них в загоне. Поэтому, при разработке новой оболочечной стали они пошли по простому пути. Взяли известные жаростойкие стали Fe-Ni-Cr-Al, убрали из них никель от греха подальше, и получили относительно новую сталь среднего состава Fe-15Cr-7Al с очень высоким уровнем жаростойкости. Сделали оболочки и стали с ними работать.
 

Трубки из Fe-Cr-Al стали. Судя по фотографии, получение стальных трубок, в отличие от России, для них в диковинку. Дай бог им удачи, они пока не представляют, с чем столкнутся.

Однако здесь могут встретиться некоторые сложности. Они не заметили, что убрав никель, перешли от аучтенитной стали к ферритно-мартенситной (по крайней мере их менеджеры, с кем я беседовал, не очень понимали разницу). А у этого типа сталей при облучении будет выпадать хрупкая альфа-штрих фаза по границам зерен. Плюс радиоционное охрупциваниен, свойственное таким сталям. Аварийную ситуацию такие стали легко выдержат, но доживут ли они до аварии, вот в чем вопрос. Тем более разница в коэффициентах линейного расширения у них значительно выше, чем у циркония.


Разработка SiC-SiC композитов – 15-20лет. Самый эффективный, но технологически сложный и длительный по времени разработки вариант. Этим направлением занимаются практически все страны. Преимущества:

*         Оболочки из SiC обладают на 25 % меньшим значением сечения захвата тепловых нейтронов, чем циркониевые сплавы.

*         SiC не реагирует с водой при повышенных температурах. Фактически, степень коррозии карбида кремния на порядки ниже, чем у циркония. Использование в реакторах типа ВВЭР и РБМК оболочек твэлов из карбида кремния обеспечит радикальное повышение радиационной безопасности современных АЭС.

На рисунке приведены образцы SiC композитов, изготавливаемых в Китае. Наибольшего успеха добился Вестингхаус – изготовлена полномасштабная оболочка для PWR.


Но проблемы очень большие. SiC хрупок, и изготовить тонкостенные оболочки большая проблема. Поэтому за рубежом (а потом и у нас) пошли по пути создания композитов из SiC – оплетка фибров из SiC пропитывается растворами, а потом из газовой фазы внутри и снаружи оболочки снова наносится покрытие из SiC. Сами фибры – тонкие волокна из SiC - могут изготавливаться только в Японии и в США по специальной технологии и стоят, естественно, очень дорого.

Однако даже этот наукоемкий и высокотехнологичный способ изготовления оболочек не полностью удовлетворяет требованиям оболочек твэлов ВВЭР. Сложность герметизации, некоторая пористость и, следовательно, возможная газопроницаемость. Но главное – хрупкость. Если таблетка при распухании дойдет до оболочки и нагрузит ее, то, как говорит депутат Госдумы от правящей партии, будет «пипец». Причем полный. Расчетчики дружно убеждают всех, что не дойдет (есть некий зазор, плюс, доспекаемость таблетки за счет пористости), но при этом, следуя некой политической линии, не учитывают технологические и прочие отклонения по размерам, неравномерность распухания и прочее. Нужно, чтобы все было хорошо, иначе отберут финансирование. Но это уже их проблемы и их коррупция.

В кулуарных разговорах с западными коллегами выяснилось еще ряд деталей, которые не афишируются. Это резкое ухудшение свойств при облучении – в частности, падение теплопроводности и скалывание кусочков керамики с оболочки в потоке воды (в статике все замечательно).

По моим прогнозам, они еще год-два будут бежать по инерции в данном направлении, пока не начнут думать. Научные и технологические идеи, как исправить ситуацию есть. Но они пока не востребованы. Поэтому нам в российской программе разработки толерантного топлива следует учесть негативный зарубежный опыт и сразу начать с металлокерамики на базе SiC. Тогда мы окажемся впереди.


Оболочки из Mo – 9-14 лет. Экзотический вариант создания многослойных оболочек, так как сам молибден также надо защищать от коррозии плюс у него приличный захват нейтронов. Защищают их как сталью, так и цирконием. Занимаются ими в основном в США, а также AREVA во Франции и частично в Южной Корее. Основное их преимущество – высокая жаропрочность, что препятствует разрыву оболочек при LOCA за счет давления изнутри газовых осколков.



Теперь перейдем к топливу.
Этим направлением занимаются все - США, Евросоюз, Китай, Япония и Корея. Сроки разработки до начала внедрения:

•           Модифицированный диоксид урана – 7-11 лет,

•           Высокоплотное топливо – U3Si2, UN, etc  - 12-17 лет,

Дисперсионное топливо (с многослойным покрытием) – 17-22 лет

Легирование оксидного топлива. Много стран работает над модификацией таблетки из диоксида урана путем легирования для повышения теплопроводности. Основные добавки – Cr2O3 , SiC и окись бериллия в объеме до 10%. Теплопроводность повышается в полтора раза. Но в количественном показателе это незначительно – переход с 2-4 Вт/м гр на 3-5 Вт/м гр вряд ли ощутимо понизит температуру топлива. Плюс потеря ураноемкости требует увеличения обогащения. Тем не менее и на этом пути может возникнуть что-нибудь интересное, если будут привлечены к работе нестандартно мыслящие специалисты.

Следующий вариант – микрокапсульное топливо – трансформация топлива для газовых реакторов в топлива реактора ВВЭР. Его преимущество - высокая радиационная стойкость, теплопроводность и удержание продуктов деления. Но по-моему, это экзотический вариант. Оставим в стороне технологические сложности. Но даже оставшиеся проблемы – переход с гранул диоксида урана на гранулы из нитрида урана и увеличение обогащения топлива на 20% практически ставит крест на этом варианте. Хотя по бьезопасности он считается наилучшим. Но расчетчики забывают, что конечный продукт данной разработки – твэл, т. е. комплекс, где кроме топлива есть еще и оболочка, и напряжения. Что полетит первым, то и будет определять надежность.


Теперь основной вариант топливного сердечникаэто нитрид урана, диоксид урана (или U3Si5) и нитридно-силицидное топливо (таблетки из смеси порошков нитрида урана и U3Si5). Сейчас они все более склоняются к последнему варианту. Преимущества такого топлива очевидны. Высокая теплопроводность, высокая температура плавления и высокая ураноемкость ( у нитрида урана на 42% больше, у дисилицида урана на 17%). Значительный выигрыш в ураноемкости дает плюсы в экономике, позволит не превышать 5% барьер по обогащению и применять стальные оболочки. Сейчас Вестингаус и LANL изготавили образцы для реакторных испытаний, которые начинаются в INL.

Однако есть два минуса. Первый – невысокая коррозионная стойкость в воде (что, в принципе, можно улучшить легированием). Второй – захват нейтронов у нитрида урана – азот-14. Здесь уже трудно что-нибудь сделать. Теоретически можно перейти на азот-15. Например, на совещании в МАГАТЭ представитель Вестингауса буквально клялся, что они решили эту проблему, По-моей просьбе это заявление было занесено в Протокол заседания экспертной группы. Но при всем уважении к ихним ученым, он, скорей всего, «соврамши». Разделить соседние изотопы, которых в природе только 0.2%, практически невозможно. Нашим ученым в рамках проекта «ПРОРЫВ» не удалось этого сделать

Вот коротко состояние дел на Западе. Они молодцы, быстро и широко работают, и, несмотря на трудности, рано или поздно добьются успеха.

Чтобы не загромождать обзор я здесь не привел их расчетные работы – модели и обоснования аварийных ситуаций, работоспособности материалов, экономику и т. д. Хотя они представлены очень широко – даже шире, чем технологические и материаловедческие исследования, они пока не представляет большого интереса. Очень все путано – невозможно учесть все факторы. Наверное, где-то есть приличные расчеты, но, разбирая весь этот, прошу прощения, хлам, понимаешь, что во всем мире явное перепроизводство расчетчиков, как и эффективных менеджеров. И это естественно. Просто такое время наступило, очень много компьютеров надо продать, а их надо как-то задействовать. Такова судьба. Никого не хочу обидеть, я и сам, прежде чем приступить к работе, делаю предварительные расчеты. Но здесь расчеты есть, а работы по ним нет. Как говорил Ходжа Насреддин, хоть сто раз скажи халва халва, во рту слаще не станет.

Какое из этого можно сделать резюме. Очень резкое начало, работы идут широким фронтом (благо денег немерено), без предварительного анализа и подготовки. Но настрой силен, требуемые корректировки будут сделаны и результат получен, хотя, по моему мнению, с некоторой задержкой. История показывает, что такие усилия всегда приводят к успеху. Но тогда, если мы не будем шевелиться, топливный рынок, и не только, от нас уйдет, как и авторитет в области ядерной энергетики.

Теперь рассмотрим, как обстоят дела в России. Пока утвержденных программ разработки толерантного топлива нет. В то же время факультативно разработки в этом направлении велись, и, прежде, всего в АО ВНИИНМ. Как известно, АО ВНИИНМ является основным разработчиком топлива для различного типа реакторов (тепловых, быстрых, исследовательских, малой мощности). Инновационная политика АО ВНИИНМ всегда была направлена разработку новых перспективных видов топлива для легководяных реакторов, которое по многим своим свойствам соответствует критериям устойчивого к авариям топлива (ATF). Причем некоторые варианты ATF топлива являются принципиально новыми, не имеют аналогов в мире и перспективны для включения в международные R&D программы. 

Схематично эти направление работ представлено на рисунке.




Хотя при инициативных перспективных работах не ставилась напрямую задача разработки конкретно толерантного топлива, но многие варианты после некоторой модификации вполне вписываются в концепцию ATF. Это, прежде всего, разработка особотонкостенных оболочек из стали, покрытия на циркониевых оболочках, предварительные работы по керамическим оболочкам из SiC, а также работы по теплопроводному ураноемкому топливу на базе композитного топлива дисперсионного типа, а также нитридов и силицидов урана. По направлению стальных оболочек и композитного топлива на данный момент мы имеем даже некоторое преимущество. Также следует отметить использование комбинации различных методов, моделирования поведения твэлов, вопросы топливного цикла и экономики.

По разработке оболочек. Это SiC композиты, стальные оболочки и защитные покрытия на Zr оболочках.

Оболочки из SiC
. Разработки во ВНИИНМ проводятся на уровне лабораторной технологии.

Проведены сравнительные исследования физико-химических свойств экспериментальных образцов оболочек труб, изготовленных различными методами.



Внешний вид оболочек из SiC композита и структура внешнего слоя (ВНИИНМ)

Стальные оболочки. ВНИИНМ имеет большой опыт изготовления и эксплуатации стальных оболочек как для реакторов на быстрых нейтронах, так и водо-водяных малых реакторов типа ПЭБ (плавучий атомный энергоблок), ледоколов, а также для высокопоточного исследовательского реактора СМ-2. Поэтому в этой области мы пока лидеры. Внешний вид стальных труб разных типоразмеров для быстрых и тепловых реакторов. Стальные оболочки диаметром от 2 до 30 мм с толщиной стенки от 0.1 до 0.7 мм могут быть изготовлены в промышленном масштабе.




Внешний вид стальных труб разных типоразмеров для быстрых и тепловых реакторов (ВНИИНМ)

Во ВНИИНМ также разработаны технологии получения твэлов сложной формы, позволяющих увеличить теплоотдачу и мощность реактора. Разработанное дисперсионное топливо в стальных оболочках в малых реакторах типа ВВЭР позволило достичь:

- максимального выгорания 1,0 г-оск/см3 под оболочкой твэла, что равносильно выгоранию 120 MW*d/kgU твэла реактора ВВЭР-1000), при толщине оболочки 0.20 - 0.30 мм.

Собрана база данных по свойствам и реакторным испытаниям оболочек, а также разработаны программы расчета эксплуатационных свойств оболочек применительно к реакторам ПЭБ, СМ-2 и частично ВВЭР-1000


Защитные покрытия на циркониевых оболочках. ВНИИНМ обладает уникальным оборудованием и промышленной технологией изготовления покрытий разного типа, прежде всего, методами сверхзвукового распыления, а также высокоскоростным ионно-плазменным магнетронным напылением (ВИПМР).



Примеры образцов с покрытиями (ВНИИНМ)

Разработаны технологии нанесения защитных покрытий на разные материалы. Задача дальнейших исследований – оптимизировать покрытия на оболочках и усовершенствовать технологию.

Разработка холодного топлива - высокой теплопроводностью. ВНИИНМ является головной организацией в России по разработке топлива для легководяных реакторов. Схема работ во ВНИИНМ по разработке топлива представлена на слайде

Разработка «холодного» топлива, позволяет снизить температуру при аварийных ситуациях, особенно в начальной стадии за счет меньшего количества запасенного тепла.
Композитное топливо Для реакторов типа ВВЭР и PWR сейчас разрабатывается инновационное топливо на базе композитов, представляющее собой высокоплотное металлическое топливо, в том числе U3Si в матрице из циркониевых сплавов. В композит может также добавляться керамическое топливо – порошок PuO2 (аналог МОХ). Композитное топливо имеет также внутреннюю регулируемую пористость для компенсации распухания и размещения газообразных продуктов деления.


Свойства композитного топлива

Дисперсионное топливо
U3Si
U-9Mo
U-1.5Mo-1.0Zr
U-5Nb-5Zr
U-3Nb-1.5Zr
UO2 таблетка
Содержание урана в топливной композиции (г/см3 под оболочкой твэла) при объемной доле топлива
66% o
9.6
10.7
11.9
9.8
11.34


8.5
72%
10.45
11.7
12.9
10.7
12.37
Увеличение содержания урана по сравнению с таблеткой из UO2, %
13-24
26-38
42-55
15-26
35-47
-
Теплопроводность при 500 °С,
W×m-1×К-1
19
22
24
18
21
2-4
Слой взаимодействия при 750 °С в течении 6000 часов, mm
7-10
10-15

15-25


Скорость коррозии в воде при 3300C (г/м2ч)
0.03
0.05

0.02




Структура различного типа композитного топлива

Композитное топливо может рассматриваться как толерантное топливо в соответствие со следующими критериями:

- высокая теплопроводность,

- наличие металлургического сцепления оболочки с сердечником приводит к дополнительному уменьшению рабочей температуры топлива и делает твэлы работоспособными в режиме переменных нагрузок,

- высокая ураноемкость топлива, более чем на 20% превышающая ураноемкость штатного топлива с таблеткой из диоксида урана, что позволит не только компенсировать ухудшение нейтронно-физических характеристик реактора при применении, например, стальных оболочек твэлов, но даже и снизить обогащение топлива.

- покрытое топливо (частички топлива распределены в металлической матрице, которая служит также как геттер).

На базе композитного МЕТМЕТ топлива возможна разработка композитного U(Th)-PuO2 топлива, альтернативного МОХ топливу для реакторов PWR, ВВЭР, CANDU. Основной подход к разработке твэла - разделение операций изготовления твэла с урановым сердечником и введения в него порошка из диоксида плутония, что приводит к минимизации пылеобразующих операций изготовления твэла.

Во ВНИИНМ разработано смешенное нитридное топливо для быстрого реактора БРЕСТ-300 со свинцовым теплоносителем. Однако для применения в реакторах типа ВВЭР оно должно быть модернизировано в с целью увеличения коррозионной стойкости и применением изотопа N15 c меньшим захватом тепловым нейтронов. 




Внешний вид нитридного топлива после облучения в реакторе Бор-60 (ВНИИНМ)

Во ВНИИНМ ранее также разрабатывалась силицидное топливо U3Si для реакторов РБМК (CANDU). Исследованы все свойства топлива, включая коррозионную стойкость

В отличие от общепринятого мнения, что топливо сохраняет свою стабильность (форму и размер) только до температуры ликвидуса, мы предположили, что стабильное состояние сплава должно сохраняться и при более высоких температурах – выше температуры солюдуса, но ниже температуры ликвидуса. Это предположение было подтверждено экспериментально нагревом образца твэла с силицидным топливом (11500С – 30 минут) для имитации аварийной ситуации. Образец сохранил свою форму и размеры. Слой взаимодействия с оболочкой не превышал 30 микрон. Таким образом, в качестве толерантного топлива мы можем применить более плотное U3Si топливо вместо рассматриваемого сейчас U3Si2, или топливо промежуточного состава

Применение холодного топлива значительно снижает максимальную и среднюю температуру топлива.

Микрокапсульное топливо. Микрокапсульное топливо представляет собой дисперсию топливных частиц в керамической или металлической матрицах .

ВНИИНМ разрабатывает покрытые частицы (U,Pu)O2 для газовых реакторов. Для использования данного топлива как толерантного топлива, возможен переход на нитридное топливо для увеличения ураноемкости таблеток.




Внешний вид композитов из микрокапсульного топлива (ВНИИНМ)

Комбинация методов

Для улучшения свойств ATF топлива рассматривается также комбинации методов, например, применение керамических и относительно хрупких оболочек из SiC с композитным топливом может позволить увеличить работоспособность твэлов, так как композиты пластичны, не нагружают оболочку SiC при работе, а пористость в топливе компенсирует его распухание. Возможны различные сочетания оболочечных и топливных материалов.

Моделирование поведения ATF топлива

Моделирование поведения ATF топлива включает расчет сценариев аварийных ситуаций для холодного топлива разного типа, моделирование поведения стальных оболочек при аварийных ситуациях, проведение дореакторных испытаний. Будут рассчитаны и подтверждены такие характеристики ATF топлива как теплопроводность, термическое расширение, ползучесть, плотность, теплоемкость, поглощение нейтронов, распухание, обогащение, ураноемкость, нейтронные характеристики ячейки ВВЭР, механические свойства, сценарий аварийных ситуаций, экономические аспекты и т. д.

Это очень краткий обзор работ, которые ВНИИНМ уже ведет самостоятельно или потенциально может проводить по разработке толерантного топлива, используя свой задел. Как видно мы не стояли на месте, и двигались в нужном направлении, несмотря на отсутствие единой российской Программы. Подобные телодвижения, правда, в меньшем объеме и несколько хаотично, проходили и в структурах Росатома.

Например, по инициативе В.В.Новикова (зам дир. ВНИИНМ по направлению ВВЭР), Концерн ТВЭЛ несколько лет назад профинансировал ВНИИНМ начало работ по оболочке из карбида кремния (SiC). Хотя твэлы мы еще не сделали, но полученные результаты позволяют хотя бы сильно не отстать от Запада в этом направлении.

Затем, почти два года назад, пришло официальное распоряжение из международного отдела Росатома (международный отдел Концерна ТВЭЛ сразу же продублировал своим приказом это распоряжение) принять участие в первом международном техническом совещании по разработке толерантного топлива в Окридже (США-ORNL), - базовой организацией в США по данной тематике. Но денег, естественно, ни на разработки, ни на поездку, не дали. Тем не менее, наши подготовленные два доклада там были представлены (делал их представитель МАГАТЭ). В результате удалось получить все материалы совещания, войти в эту «тусовку» и быть постоянно в теме.

Это был импульс, который наш директор Иванов В.Б., пользуясь своими связями и авторитетом, грамотно использовал для продвижения в верхних эшелонах Росатома идеи организации в России подобных работ и составлении собственной Программы (хотя, по-моему личному мнению, все должно было быть наоборот). Нашу инициативу поддержали часть руководителей Росатома, а также Ю.А. Оленин.  

Одновременно нам удалось включиться в Проект МАГАТЭ по разработке толерантного топлива (CRP-2018) со своей отдельной программой от ВНИИНМ, интерес к которой проявили как представители как OECD/NEA, так и DOE.

Далее на этой волне во ВНИИНМ был организован первый российский семинар по разработке толерантного топлива. Семинар получил резонанс, и были даже две публикации в газетах «Страна Росатом» и «Атомный Вестник». По итогам обсуждения проблемы на Семинаре во ВНИИНМ была составлена Российская Программа по разработке толерантного топлива. Она получила положительные официальные отзывы как от заводов-производителей топлива (МСЗ и НЗХК), так и разработчиков активных зон ВВЭР (Гидропресс, ОКБМ, ИАЭ), и даже Концерна ТВЭЛ (хотя и более сдержанный отзыв, и как ни странно, без подписи и печати, анонимный). Заводы вообще, образно говоря, «бьют копытом» - не только готовы работать, но и пеняют на то, что Программа даже запоздала. Теперь Программа будет рассматриваться на секции 2 НТС Росатома после получения дополнительных экспертных заключений для утверждения и определения источника финансирования. Головной организацией назначен ВНИИНМ.

Таким образом, все, казалось бы, складывается хорошо (Институты, заводы и высшее руководство структур Росатома поддерживают Проект). Настораживает только отрицательная реакция среднего звена менеджеров концерна ТВЭЛ. Для них это лишняя заморочка. Я с ними постоянно в контакте. Они хорошие ребята. Но в данном вопросе они солидарны с позицией сытого кота из известного мультфильма: «Таити, Таити, зачем нам Таити, нас и здесь хорошо кормят». А все решает обычно не руководство, а клерки. Надеюсь, что их все-таки удастся хотя бы нейтрализовать. Хотя, рассуждая логически, должно быть все наоборот – ведь ТВЭЛ топливная компания и может потерять рынок. Ему надо шевелиться. Надо четко понимать, что если мы не реализуем Программу, то Портфель Заказов можно будет сдать в музей как дорогой образец нереализованных возможностей. 
 

 
Связанные ссылки
· Больше про Ядерно-топливный цикл
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Ядерно-топливный цикл:
Понимание российского комплекса обогащения урана

Рейтинг статьи
Средняя оценка: 5
Ответов: 17


Пожалуйста, проголосуйте за эту статью:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 15 Комментарии | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 01/02/2016
"Всё пропало! Гипс снимают, клиент уезжает!"

1. Новое топливо может отразиться на стоимости систем безопасности НОВЫХ же реакторов. Специально спроектированных под это саамое новое топливо. Для существующих реакторов новое топливо в плане конкурентоспособности не даст ни чего - кап.затраты уже сделаны.

2. Из обзора "пропала" тема цирконовой оболочечной керамики.

3. В обзоре "засвелился" легированный оксидами хрома диоксид урана. Он "в их буржуинстве" появился не в силу оптимальности, а потому, что легированный цирконом диоксид УЖЕ запатентован и уже испытывался Росатомом.

4. AL-содержащие стали "родились" в атомном аспекте вообще не для ВВЭРов. Al-стали и Al-покрытия - это тема для свинцовых реакторов.


[ Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 08/02/2016
Новое топливо упрощает, а не усложняет системы безопасности, а значит удешевляет реакторную установку. 


[
Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 09/02/2016
1. Новое топливо может отразиться на стоимости систем безопасности НОВЫХ же реакторов. Специально спроектированных под это самое новое топливо. Для существующих реакторов новое топливо в плане конкурентоспособности не даст ни чего - кап.затраты уже сделаны.Согласен с Вами, но только частично. Даже для старых реакторов повышение безопасности может отразиться на конкурентоспособности нового топлива. К тому же, помимо безопасности, некоторые новые варианты топлива обладают к тому же большей ураноемкостью, и, следовательно, лучшими экономическими характеристиками.


[
Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 01/02/2016
Алексей, большое спасибо за эту обзорную и актуальную статью.К сожалению, как вы справедливо отметили, в нашей стране разработкам новым топливам для отечественных ВВЭР практически не желают уделять внимания. А за рубежом на месте не сидят и вперед движутся неплохими темпами.Считаю, что разработка нитридного топлива для ВВЭР - ошибочное направление. Проблемы с производством, использованием, хранением и переработкой ОЯТ такого типа топлива предвидятся немалые.С силицидным топливом для ВВЭР тоже можно нажить проблем немало. Верхний температурный диапазон работоспособности все таки не высок у него. Да и как такое облученное топливо силицидное перабатывать потом в промышленном масштабе?Топливо на основе U-9Mo с высокими достижимыми уровнями выгорания и соответствующей длинной топливной кампанией для среднемощных ВВЭР для региональной энергетики может оказаться очень полезным. 


[ Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 01/02/2016
А есть ли информация по применению углеродных нанотрубок для дипергирования в них топлива?А может нановолокно использовать для обмотки оболочек твэл?
НАБЛЮДАТЕЛЬ


[
Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 01/02/2016
Кому-то недостаточно существующей прочности? Особенно с учётом самоупрочнения материалов от радиационных дефектов. А плотность трубки не обеспечивают.

Да и простое деление площади поверхности ВВЭРовского твэла на толщину "нанотрубки" даёт безумные величины.


[
Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 04/02/2016
Правильное решение может быть получено переходом на твэлы малого диаметра, например, спирального типа, как это было показано в начале 90х годов.


[
Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 04/02/2016
«Правильное решение может быть получено переходом на твэлы малого диаметра, например, спирального типа, как это было показано в начале 90х годов.»

Простите, я не понял идею. В принципе увеличение поверхности теплосъема позволяет значительно увеличить поверхность теплосъема, и, следовательно, мощность реактора. Например, переход на твэлы для плавучек (ПЭБ – диаметр 6.8 мм) в реакторе ВВЭР позволит увеличить мощность на 30%, практически ничего не меняя. То же получим, если поставить наши (для малых реакторов) твэлы крестообразного профиля из стали. Однако в обоих случаях немного теряем ураноемкость, и тут возникает 5% барьер по обогащению. Хотя этот вопрос можно решить применением более ураноемкого дисперсионного композитного топлива (скоро я опубликую на сайте эти материалы). Но все упирается в принципиальный вопрос. Все ВВЭРовское сообщество, особенно верхнее руководство, ничего не хочет менять в конструкции твэлов ВВЭР. Новая технологическая платформа это не предусматривает.



[
Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 04/02/2016
Например, переход на твэлы для плавучек (ПЭБ – диаметр 6.8 мм) в реакторе ВВЭР позволит увеличить мощность на 30%

Не позволит. Мощность ЦНПК и площадь парогенераторов на 30% поднять - это нужно с нуля проектировать совершенно новую станцию.


[
Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 05/02/2016
"Новая технологическая платформа это не предусматривает".
То-то и оно.
Ставя во главу вопросы безопасности они не хотят видеть более простые и надёжные решения.


[
Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 08/02/2016
Повтор: от внедрения "безопасного" топлива в УЖЕ СУЩЕСТВУЮЩИЕ реакторы ВВЭР прибыток безопасности будет исчисляться копейками, а издержки миллиардами.

Вокруг топлива с новыми свойствами нужно строить концепции новых реакторов.


[
Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 09/02/2016
Вокруг топлива с новыми свойствами нужно строить концепции новых реакторов. Я с Вами согласен, но для того, чтобы начать проектирование новых реакторов под новое топливо нужно сначала довести новое топливо до ума. Хотя бы для применения в уже существующих реакторах. Но как раз этого и не дают сделать. А разработчики новых реакторов, в частности «КИ», пользуются старыми конструкциями, вернее одной – оболочка/таблетка и не отслеживают новые тенденции.


[
Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 08/02/2016
Пра-ально. Да и опыт эксплуатации судовых-корабельных установок это подтверждает.


[
Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 08/02/2016
Зачем разрабатывать новое топливо для реакторов, которым "сто лет в обед"? Лучшее враг хорошего. А вот разработка топлива под новые реакторы, дело другое. 


[
Ответить на это ]


Re: Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР (Всего: 0)
от Гость на 09/02/2016
Зачем разрабатывать новое топливо для реакторов, которым "сто лет в обед"? Лучшее враг хорошего. А вот разработка топлива под новые реакторы, дело другое.Как я уже отметил в предыдущем комментарии, получается замкнутый круг. Новое топливо не дают разрабатывать (программы по разработке нового топлива по существу только обсасывают все старое, плодят бумаги и забирают деньги). Если бы не аварии на реакторах, все бы так и продолжалось. А разработчикам реакторов удобнее подстраивать свои идеи под единственную конструкцию существующую твэла. Да им и выгоднее всего, чтобы новые типы тепловых реакторов не были построены – это очень хлопотно. А так спокойное существование и финансирование различных расчетов и моделей.


[
Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(812)438-3277
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
Сайт построен на основе технологии PHP-Nuke. Открытие страницы: 0.13 секунды
Рейтинг@Mail.ru