• Текст: екатерина трипотень

Нулевой отказ как идеология

На МНТК-2016 ТВЭЛ отчиталась об итогах реализации стратегии по достижению нулевого отказа топлива на российских АЭС. Результаты смешанные: прогресс есть, но и случаи разгерметизации пока не сведены к минимуму.
Для дальнейшего совершенствования работы в этом направлении необходимо развивать системные послереакторные исследования негерметичных ТВС, убеждены в топливной компании. Конечная цель — закрепить в сознании людей, задействованных на всем жизненном цикле сборки, идеологию «чистой» работы.
Отказом топлива называют ситуацию, когда оболочка твэла оказалась повреждена — в этом случае радиоактивные материалы: газообразные продукты деления и летучие элементы, в частности, криптон, ксенон, йод, цезий — попадают из топливной таблетки в первый контур охлаждения реактора. На уровень разгерметизации ядерного топлива оказывают влияние все стадии жизненного цикла изделий: проектирование, производство, эксплуатация.

Повреждения могут вызвать и вибрация в контуре, и попадание в теплоноситель первого контура инородных частиц в ходе ремонта или монтажа, и износ, и недостатки конструкции ТВС. Поэтому в движение к нулевому отказу ядерного топлива — проще говоря, сведение до минимума случаев разгерметизации ТВС — вовлечены как производители с конструкторами, так и организации, эксплуатирующие АЭС.

Топливная компания «ТВЭЛ» выступила с соответствующей инициативой в сентябре 2011 года, несколько позже, чем ее зарубежные коллеги (см. справку), хотя некоторые шаги, направленные на снижение разгерметизации, предпринимались и ранее. В 2012 году была принята соответствующая стратегия, которая чуть позже приобрела международный (был подписан меморандум о совместных действиях между ТВЭЛом и его зарубежными заказчиками: НАЭК «Энергоатом», АЭС «Козлодуй» и CEZ) и общеотраслевой статус.

Стоит отметить, что принятие стратегии «нулевого отказа» — неоднозначный шаг с точки зрения имиджа. Он означает признание наличия проблем с ядерным топливом, чем могут воспользоваться оппоненты. Но игра стоит свеч, ведь в конечном счете повышение надежности работы ядерного топлива, безусловно, положительно сказывается на имидже производителя.

Однако в нынешних макрореалиях имидж не главное. Наличие негерметичных ТВС в активных зонах ядерных реакторов не влияет на безопасность работы АЭС, но сказывается на экономической эффективности производителя топлива и эксплуатирующей организации.

«Сейчас принята обязательная выгрузка негерметичного ядерного топлива в ходе планово-предупредительного ремонта. Это десятки миллионов рублей убытков, связанных с тем, что нам необходимо негерметичное топливо компенсировать новым», — с сожалением констатировал директор департамента АО «ТВЭЛ» Алексей Долгов, который презентовал на МНТК итоги реализации соответствующей стратегии топливной компании. Кроме того, незапланированный останов реактора может повлечь штрафы или расходы на оплату замещающей мощности. Также не исключен рост издержек на эксплуатацию и ремонт в связи с повышением уровня радиоактивности.

В условиях экономического кризиса, когда каждая копейка на счету, а сокращение затрат — одна из стратегических инициатив, работа над снижением количества отказов приобрела дополнительную актуальность. Посмотрим же, какую работу удалось проделать ТВЭЛу и «Росэнергоатому» за последние годы и что еще предстоит осуществить.

РИС.1 ДИНАМИКА РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ ТВС НА АЭС В РОССИИ С ВВЭР-440 И ВВЭР-1000 ЗА 2005–2015 ГОДЫ

СТАТИСТИКА И ПРИМЕРЫ
Проработкой мероприятий по снижению уровня отказов на российских АЭС занимается рабочая группа из представителей ТВЭЛа и «Росэнергоатома», ее председателем был выбран советник главы госкорпорации Владимир Асмолов, который много лет проработал в концерне, а также три года занимал пост президента Всемирной ассоциации организаций, эксплуатирующих АЭС.

Чтобы выявить коренные факторы, влияющие на разгерметизацию, мыслительный процесс в рабочей группе организовали достаточно хитро: представителям ТВЭЛа предложено было исходить из того, что эксплуатация топлива находится на идеальном уровне, и искать причины исключительно в конструкции ТВС. И наоборот, представители концерна должны были принять как данность то, что топливо идеально сконструировано, и искать недостатки в эксплуатации, рассказал А. Долгов.

С самого начала принялись изучать статистику отказов. Для ВВЭР-440 взяли 2005–2015 годы — период эксплуатации топлива нового поколения с циркониевым каркасом. С 2005 по 2009 год наблюдалось достаточно высокое число отказов (см. рис. 1), с 2009 года оно начало снижаться и затем находилось в среднем на стабильном уровне, с немногочисленными всплесками.

Значительный вклад в число отказов вносили особенности работы блоков старой конструкции, например, №№ 1–2 Кольской АЭС, на которых разгерметизация была связана с повышенными вибрациями в контуре. После выявления этой причины были проведены организационно-технические мероприятия, направленные на снижение вибронагрузок. Во-первых, изменили условия эксплуатации кассет, во‑вторых, разработали новую конструкцию топлива — так называемую виброустойчивую рабочую кассету для реактора ВВЭР-440.

Менее оптимистична динамика по реакторам ВВЭР-1000 (см. рис. 1). «Несмотря на то что конструкции ТВС-А и ТВС-2 у нас эксплуатируются уже долгие годы, сначала мы имели очень низкий уровень разгерметизации, затем был всплеск в 2010–2011 годах, и теперь число отказов находится на достаточно высоком уровне — 9–10 кассет в год», — констатировал А. Долгов. При этом, если углубиться в статистику по конкретным энергоблокам с ВВЭР-1000, то окажется, что порядка 60 % негерметичных ТВС дают два блока Калининской станции — №№ 1 и 3 (см. рис. 2).

На энергоблоке № 1 Калининской АЭС причиной отказов была неудачная конструкция обода дистанционирующей решетки — он повреждался при проведении транспортно-технологических операций. «И сама кассета была источником посторонних предметов в контуре, что приводило к повышенной разгерметизации ядерного топлива», — добавил А. Долгов. На третьем же блоке разгерметизация была следствием предпусковой промывки и наличия посторонних предметов в активной зоне.

РИС.2 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НЕГЕРМЕТИЧНЫХ ТВС ВВЭР-1000 ПО БЛОКАМ

«Когда эти причины были установлены, ТВЭЛ полностью изменил конструкцию обода дистанционирующей решетки, и мы ушли от проблемы с повреждением ободов. И на блоке № 3 Калининской станции были проведены интенсивные мероприятия по очистке теплоносителя первого контура от посторонних предметов», — рассказал А. Долгов. Итог: вместо десятков негерметичных ТВС на блоках №№ 1 и 3 Калининской АЭС теперь не более одной в год.

Для аналогичного анализа статистики со стороны изготовления ядерного топлива был отобран показатель числа ТВС ВВЭР, разгерметизировавшихся на первом цикле эксплуатации, в том числе в течение первого-второго месяцев работы. «Во всем мире вполне справедливо считается, что появление негерметичных ТВС на первом году эксплуатации непосредственно связано с качеством изготовления продукции», — пояснил А. Долгов. В 2015 году резко повысилось количество негерметичных ТВС — это побудило топливную компанию заново проанализировать все технологические процессы изготовления комплектующих и сборки ТВС.

В частности, узким местом топливной конструкции оказалась технология изготовления циркониевого прутка, используемого для оболочки. И ТВЭЛ уже принял ряд мер к ее изменению, для чего в 2009–2015 годах были осуществлены техперевооружение производства циркониевого проката и переход на новые технологические схемы. «От технологии волочения прутка мы перешли к холодной прокатке, что позволяет улучшить структуру материала и избежать пористостей, которые могут стать причиной негерметичности твэлов», — конкретизирует А. Долгов.

Большая работа проводится на машиностроительных заводах. В первую очередь, усилия направлены на автоматизацию процесса. Затем — на разработку стабильных технологий, которые менее подвержены воздействию внешних факторов, в том числе человеческого.

«Были введены в эксплуатацию новые линии автоматизированной сборки и сварки каркасов, автоматизированные линии изготовления твэлов, стали гораздо бережнее обращаться с топливными таблетками. Появились новые установки контроля внешнего вида таблеток», — рассказывает о проделанной работе А. Долгов.

На МСЗ к 2015 году показатель «выход в годное» повысился на 1–2 процентных пункта (в зависимости от типа реактора). На НЗХК мероприятия по повышению эффективности дали прирост этого показателя на 1 процентный пункт; в частности, на заводе отменили операцию травления, перешли к сварке КСС нижнего шва вместо электронно-лучевой.

ОПЫТ США
В 2006 году Джим Эллис, вновь назначенный президент и CEO Института по эксплуатации АЭС (Institute of Nuclear Power Operations, INPO), привлек внимание операторов АЭС и основных продавцов к проблеме разгерметизации топлива. Д. Эллис, бывший коммандер авианосца «Энтерпрайз», был встревожен, узнав, что на коммерческих реакторах бывают отказы топлива, в то время как на военных реакторах, используемых на бортах морских судов, подобного не происходит. Он бросил вызов ядерной индустрии, призвав искоренить разгерметизацию к 2010 году.

Westinghouse, как один из поставщиков топлива, сфокусировался на разработке новой, более надежной топливной сборки. Для лучшего понимания основных факторов разгерметизации компания провела систематические послереакторные исследования негерметичных и герметичных твэлов. Изучение герметичного отработанного топлива, выгруженного из реакторов, позволяет установить запас прочности к известным механизмам разгерметизации, таким как фреттинг-коррозия оболочек твэлов под дистанционирующими решетками (GTRF).

Согласно материалам Westinghouse, опубликованным в Nuclear Power International Magazine, для легководных реакторов наиболее значимыми механизмами разгерметизации являются: GTRF, продукты коррозии и коррозия, дебрис-фреттинг, механическое взаимодействие топливной таблетки с оболочкой твэла и производственный брак. Превалирующие причины разгерметизации для PWR — GTRF с последующим фреттингом, вызванным дебрис-частицами.

После запуска новых, надежных конструкций твэлов эти систематические причины разгерметизации были исключены. Для BWR самыми распространенными причинами разгерметизации были дебрис-фреттинг из-за попадания инородного материала в теплоноситель первого контура и взаимодействие топливной таблетки с оболочкой твэла (PCI) в ходе набора мощности. PCI были в основном исключены благодаря использованию покрытия оболочки (liner cladding) и контролю набора мощности. Основным вызовом в случае с BWR остается дебрис-фреттинг.

Борьба с ним требует внедрения особых элементов конструкций топлива, тонко настроенных на отлавливание дебрис-частиц до попадания в активную зону. Например, необходимо изменить дистанционирующие решетки таким образом, чтобы более мелкие частицы, которые проходят через фильтр, не застревали в них и не разъедали топливо. Пучки BWR наиболее чувствительны к вызванным дебрис-частицами отказам в ходе первого топливного цикла.

Повышение эффективности эксплуатации ядерного топлива в США представлено на рис. 3.
РИС. 3 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА В США
В мае 2014 года Westinghouse сообщила, что ее ядерное топливо, загруженное в реакторы PWR и BWR США, работает на 100 % без разгерметизации. Отказы топлива в реакторах США редки, констатирует WNA. По данным Института исследования электроэнергетики (Electric Power Research Institute, EPRI) на начало 2014 года, на которые ссылается Всемирная организация ассоциаций, эксплуатирующих АЭС, 97 % американских АЭС не сталкивались с отказом топлива.

Ежегодный коэффициент отказа в США — около одного случая на миллион загруженных стержней, то есть пять стержней в год. Топливный инжиниринг продолжает улучшаться, в том числе разрабатываются более совершенные дебрис-фильтры. Global Nuclear Fuel (GNF) в 2013 году имела в эксплуатации два миллиона стержней, среди которых не было зарегистрировано ни одного случая разгерметизации.

В целом по всему миру, по данным WNA, атомная отрасль продемонстрировала значительный прогресс в снижении числа случаев отказа топлива (на 60 % за 20 лет). В 2006 году этот показатель составлял в среднем 14 разгерметизаций на миллион загруженных стержней (МАГАТЭ, 2010 год). Работа над повышением надежности продолжается. В рамках общеотраслевой программы, возглавляемой EPRI и INPO, публикуются технические руководства, направленные на устранение отказов топлива.

ЧТО ЕЩЕ ПРЕДСТОИТ
Рабочая группа также наметила дальнейший план мероприятий. Злейший враг ТВС — дебрис. Тут есть над чем поработать и конструкторам, и оператору АЭС. Так, при эксплуатации антидебрисных фильтров (АДФ) на Калининской АЭС выявилась их неэффективность: частицы попадают куда не надо, как следствие — отказы. Работа над повышением эффективности АДФ уже ведется. Недавно создали три различных конструкции фильтров второго поколения АДФ-2, которые прошли испытания на эффективность улавливания дебрисов в ОКБ «Гидропресс».

«В настоящий момент рассматривается итоговый документ по конструкции АДФ-2; предполагается, что до конца года мы выпустим необходимое обоснование безопасности по эксплуатации ТВС с новой конструкцией антидебрисного фильтра; внедрение начнется с 2017 года на Балаковской или Ростовской АЭС», — проинформировал А. Долгов.

Эксплуатирующей же организации следует обучать персонал особенностям работы со скрытым оборудованием, контролю за непопаданием посторонних предметов в первый контур, внедрять специальные инструкции по удалению посторонних предметов из первого контура и с ТВС во время ППР.

Одного анализа статистики для снижения уровня разгерметизации ТВС мало. Только послереакторные исследования негерметичных ТВС в горячих камерах НИИАРа сегодня могут дать однозначный и практически стопроцентно верный ответ на вопрос: что явилось причиной этого явления, — утверждает А. Долгов.

Однако в 2006–2015 годах в горячих камерах было исследовано всего шесть негерметичных ТВС ВВЭР-1000, эксплуатировавшихся на российских АЭС. Исследования пяти из них показали, что причиной негерметичности был дебрис, а для одной ТВС-А — фреттинг-износ вследствие недостаточной отработки технологии на опытной партии ТВС.

В рамках проекта «Нулевой уровень отказа» было принято решение отправлять на исследование в ­НИИАР максимально возможное количество негерметичных кассет (в 2016 году — 4 ТВС, в 2017 году — 3, в 2018 году — 2). «Надеюсь, что количество негерметичных кассет будет уменьшаться, что позволит нам снизить затраты на проведение исследований», — отмечает А. Долгов.

С учетом того, что исследование в горячих камерах — ресурсоемкий процесс (вывозится не более 10 % негерметичных ТВС, высоки его стоимость и длительность), ТВЭЛ уже несколько лет ищет способ изучать причины негерметичности в пределах атомной станции во время ППР в бассейне выдержки.

С начала 2000-х годов на Калининской станции проводились опыты со стендами инспекции; затем появилась конструкция, позволявшая осуществлять ремонт и снимать головку ТВС, — она была предназначена для извлечения негерметичного твэла и его замены на имитатор. «Но, к сожалению, оказалось, что конструкция очень громоздкая, с ней тяжело работать в условиях атомной станции, она, как правило, оказывается на красном пути ППР и мешает АЭС выполнять основную функцию — зарабатывать деньги», — отметил А. Долгов.

Этот опыт привел ТВЭЛ к идее, которую компания реализует с одним из заказчиков в Восточной Европе: разработать новый стенд, приспособленный для инспекции ТВС и замены твэла в аварийном отсеке бассейна выдержки, более компактный и гибкий с точки зрения отвлечения ресурсов атомной станции.

КОММЕНТАРИЙ ЭКСПЕРТА
Владимир АСМОЛОВ,
советник гендиректора Росатома :
«Сейчас работа по движению к нулевому отказу исключительно эффективна. Создана специальная комиссия, я ее председатель. Перед началом работы была выпущена аналитическая записка. Также были проведены взаимные аудиты. Эксплуатационщики выезжали на заводы, наблюдали за процедурой фабрикации топлива, выясняли, какие могут возникнуть дефекты. Представители ТВЭЛа ездили на атомные станции. Этот этап уже закончился.

Затем на Ленинградской АЭС была проведена первая большая совместная встреча с руководством концерна и топливной компании. В конце июня на второй встрече, которая состоялась уже на заводе в Электростали, мы обобщили результаты этих взаимных аудитов. Материала много; сейчас разгерметизация находится на очень низком уровне. Поставлена цель: прийти к нулевой разгерметизации топлива как на российских станциях, так и на зарубежных. При этом рассматриваются не только реакторы ВВЭР, но и РБМК, и БН.

Каковы первоочередные требования концерна к ТВЭЛу? На входе в кассету сейчас стоят антидебризные фильтры. Они неэффективны. Мы говорим: поставьте новые, эффективные антидебризные фильтры, а конструкцию обязательно согласуйте с концерном „Росэнергоатом". „Росэнергоатом" готов к экспертизе этих фильтров.

Представители ТВЭЛа говорят эксплуатационщикам: установите регламент работы с открытым контуром во время ППР, во время остановки блока. Ведь контур-то открыт, туда может что-то попасть и повредить топливо.

На самом деле доминирующий фактор повреждения топлива — это грязь. Но если топливный элемент выходит из строя через два-три месяца после того, как был поставлен — такие случаи бывают, — это означает, что виновата все-таки не грязь, а дефект производителя.

Главное, что сейчас создается единая команда. Если раньше время от времени концерну и ТВЭЛу приходилось говорить „брейк", то сегодня они выступают за проведение совместных аудитов, совместной работы.

Мы знаем, какие меры необходимо принять и с точки зрения конструктива топливных элементов, и с точки зрения опыта эксплуатации (здесь главная цель — чистый контур без дебризов, без частиц), чтобы решить поставленную задачу. Американцы на своих станциях начали эту работу в 2007 году, они достигли очень хороших результатов, но все равно, нет-нет, да какая-то кассетка и откажет.

Сегодня отказ топлива — это экономический показатель. Разговоры о том, что топливо Westinghouse на украинских АЭС приведет к новому Чернобылю, — это абсолютная чушь. Чехи уже через это прошли: когда они взяли топливо Westinghouse, то получили большое количество отказов. Но это был чисто экономический эффект. Рано или поздно Westinghouse научится делать топливо российского дизайна, но для этого нужен опыт эксплуатации и проектирования».


ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На момент объявления инициативы статистика по разгерметизации была такова: на энергоблоках ВВЭР-440 работа без отказа топлива составляла 90 %, на блоках ВВЭР-1000–70 %. В качестве целевого показателя новой программы было принято достижение уровня безотказной работы в 95 %, на который планировалось выйти в течение трех-пяти лет. Судя по представленной на МНТК-2016 информации, к этому показателю в России еще только предстоит прийти. И задача дальнейшего снижения количества негерметичных ТВС по-прежнему актуальна.

Тем не менее динамика позитивная. После ряда мероприятий удалось значительно снизить количество негерметичных ТВС как в реакторах ВВЭР-440, так и в ВВЭР-1000, отметил А. Долгов. «Это промежуточный итог деятельности рабочей группы, из которого можно сделать первые выводы: установив причину негерметичности ТВС и проведя необходимые организационно-технические мероприятия, мы легко добьемся положительного эффекта», — констатировал А. Долгов. По его словам, пример США, где удалось резко снизить количество негерметичных ТВС на АЭС — с десятков до единиц в год, — показывает, что за 2–3 года может быть достигнут ощутимый эффект.

Основным же итогом работы, считает А. Долгов, должно стать внедрение идеологии поддержания блока в «чистом» состоянии и выполнения всех требований, необходимых для достижения «нулевого отказа» ядерного топлива по всей цепочке — от конструирования и изготовления до эксплуатации. «Я уверен, что та работа, которая начата сейчас, формально не закончится через год-два, мы будем поддерживать высокую надежность нашего ядерного топлива, и это положительно скажется на имидже российских технологий за рубежом», — заключил директор департамента ТВЭЛа.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА