Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР, часть 2.
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 сердечника - это 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 направлениюстальных 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
UO2таблетка
Содержание урана в топливной композиции (г/см3под 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.
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 сердечника - это 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 направлениюстальных 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
UO2таблетка
Содержание урана в топливной композиции (г/см3под 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.