Тепловыделяющие разборки

Текст: Ингард ШУЛЬГА

Индустрия поставки самого дорогого и эффективного в мире топлива вступила в эпоху перемен. Если в сфере уранодобычи события в Фукусиме привели к настоящему упадку, то на рынке ТВС не все так однозначно: на фоне не лучшей конъюнктуры этот сектор оказался на пороге смены технологического уклада, что может придать второе дыхание всей атомной энергетике.

Фото: Росатом, TASS
Около 400 работающих во всем мире энергоблоков АЭС, обеспечивающих свыше 1/10 выработки электричества на планете, за целый год потребляют меньше топлива (по весу), чем одна не самая крупная угольная электростанция — за один день.

Глобальный спрос на ядерное горючее составляет порядка 12 тыс. тонн тяжелого металла в год, из них около 70% приходится на легководные реакторы наиболее распространенных типов (PWR, BWR, ВВЭР), бóльшая часть остального — на тяжеловодные реакторные установки. Действующие мощности фабрикации ТВС существенно превосходят спрос — в среднем на десятки процентов, в зависимости от типа и модификации реактора.

Избыток мощностей в некоторых нишах топливного рынка сильно увеличился вскоре после аварии на АЭС «Фукусима‑1», вследствие которой в течение короткого времени прекратили работу (были остановлены на годы или навсегда) свыше 60 энергоблоков АЭС по всей планете; большинство из них до сих пор бездействуют. Во многом под влиянием этого события некоторые страны и регионы объявили или подтвердили намерение отказаться от ядерной энергетики (Германия, Бельгия, Швейцария, Тайвань, Южная Корея), отменили планы ее создания (Италия) или сократили программы развития отрасли (Франция, Япония).

Дополнительным осложняющим фактором для рынка ядерного топлива в нынешнем десятилетии стали экономические проблемы атомной генерации: на фоне слабой конъюнктуры рынков электричества и энергоносителей в целом ряде регионов мира атомная энергетика рискует потерять позиции в ценовом соревновании с подешевевшим газом и распределенными возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), развитие которых поддерживается массированными дотациями.

Все эти факторы в совокупности на годы выбили мировой фронтенд из привычной колеи. Несмотря на оживление в последние годы сферы строительства и ввода в строй новых блоков АЭС (см. Таблицу 1), пока не восполнены потери от остановки станций и урезания ядерных программ. У поставщиков ядерного топлива остается неуверенность в завтрашнем дне, что влечет переоценку долгосрочных перспектив некоторых рынков. На фоне количественного снижения спроса поставщики «уходят в качество»: совершенствуют свое топливо и разрабатывают принципиально новые его виды, чтобы обеспечить себе место под солнцем в будущем. Итогом становится усиление конкуренции в тех сегментах рынка, где она возможна.
Таблица 1. Изменение мировых ядерных генерирующих мощностей с 2011 по начало 2018 года
Конкурентная ситуация
Специфика рынка ядерного топлива заключается в том, что основные его поставщики — это организации, продающие в числе прочего и собственные реакторные технологии. Это, с одной стороны, создает предпосылки для монополизации рынка, его разделения на замкнутые сегменты и самообеспечения некоторых государств; с другой же — дает вендорам возможность сыграть на чужом технологическом поле, частично потеснив конкурентов на открытых рынках, а заодно и загрузив свои избыточные мощности фабрикации.

Рынок ТВС — чрезвычайно пестрый: конкурентные его сегменты (как технологические, так и региональные) соседствуют с абсолютными монополиями в определенных сферах или странах; избыточные мощности в каких-то нишах у одних поставщиков сочетаются с дефицитом у других; причем не во всех случаях они могут взаимно дополнять друг друга.

В мире насчитываются десятки актуальных конструкций реакторов, топливо которых несовместимо друг с другом — иногда даже в тех случаях, когда реакторы относятся к одному типу (например, некоторые PWR). Нет полной унификации и в отношении «сырья», из которого делается топливо — порошка и таблеток, а также других комплектующих. Это объективный, технический фактор, создающий сегментацию рынка.

Другой, условно субъективный, фактор — это государственная политика. Некоторые страны (например, США, многие государства Евросоюза, Япония, Канада) допускают внутреннюю (между национальными компаниями) или внешнюю (со стороны зарубежных поставщиков) конкуренцию на рынке ядерного топлива или в отдельных его технологических сегментах. Другие страны (Россия) делают ставку на полное самообеспечение ядерным топливом, если имеется такая возможность. Третьи постепенно продвигаются от одной модели к другой: от конкуренции в сторону монополизации национального рынка (Южная Корея, Китай) или наоборот (Индия).

В Таблице 2 представлено распределение стран, рынков и поставщиков в зависимости от конкурентной ситуации в отдельных сегментах рынка ядерного топлива.

Поставщиков этого рынка можно разделить на несколько условных категорий.

К «первой гильдии» относятся наиболее крупные игроки, которых отличают масштаб деятельности и ее комплексный характер: каждый из них не только фабрикует тепловыделяющие сборки, но и полностью обеспечивает производство сырьем и комплектующими (порошком, таблетками, циркониевой продукцией и т. п.). Эти компании (или холдинги, в которые они входят) — «первоисточники», создатели ключевых технологий, на базе которых производится топливо для большинства АЭС мира. К ним относятся: Росатом (ТВЭЛ), Westinghouse, Framatome и GE (ее дочерняя структура GNF). Доля каждой из них на мировом рынке превышает 15 %. Из всех поставщиков этой категории только Росатом обладает всеми производственными стадиями фронтенда, необходимыми и достаточными для производства топлива — от добычи урана до фабрикации.

Ко второй категории можно отнести поставщиков среднего масштаба, чья деятельность ограничена отдельными технологическими стадиями фабрикации, топливом одного из типов реакторов или достаточно крупным, но региональным рынком. К ним относятся: корейская KNFC, канадская Cameco, казахстанский Казатомпром, американская BWXT, испанская Enusa, китайская CNFC, индийская NFC, японская MNF. Некоторые из них начинают претендовать на роль крупных международных игроков (KNFC, Enusa, CNFC). Однако свободной экспансии подобных поставщиков на глобальном рынке мешает, в частности, то, что многие из них сохраняют технологическую или производственную зависимость от более крупных игроков. В этой группе только два поставщика располагают всеми стадиями фронтенда, которые необходимы для производства их топлива: CNNC и Cameco.

К третьей категории следует отнести локальных игроков, чья деятельность ограничена относительно небольшим рынком своей страны. Среди них: бразильская INB, румынская SNN, аргентинская Conuar (в части топлива энергетических реакторов).
Таблица 2. Структура рынка ядерного топлива* действующих энергетических реакторов
Westinghouse Electric
Базирующаяся в США компания Westinghouse Electric, недавно перешедшая в собственность канадской группы Brookfield, производит топливо для реакторов PWR, BWR, AGR и ВВЭР.

Мощности фабрикации, контролируемые компанией, составляют порядка 3,3 тыс. тонн в год по ТВС легководных и около 200 тонн в год топлива газоохлаждаемых реакторов. Они расположены в США (Коламбия), Великобритании (Спрингфилдс), Швеции (Вестерос), Японии (Токай-Мура и Куматори). Кроме того, по соглашению с Enusa часть топлива для Westinghouse производилась на заводе испанской компании в Хусбадо. Westinghouse не имеет собственных мощностей добычи, конверсии или обогащения урана и закупает продукцию этих стадий ЯТЦ у сторонних поставщиков. В Таблице 2 показаны рынки, на которых американская компания продает готовое топливо.
Framatome
Французская Framatome (до недавнего времени — часть Areva, а ныне подконтрольная французской государственной компании EDF (75,5 %), MHI (19,5 %) и Assystem) производит топливо для реакторов PWR и BWR.

Собственные мощности фабрикации компании составляют около 3,5 тыс. тонн. Framatome производит ТВС во Франции (Роман-сюр-Изер и Маркуль), Германии (Линген) и США (Ричланд). Кроме того, Framatome — миноритарный совладелец японской компании MNF, которой принадлежит завод фабрикации сборок PWR в Токай-Муре. Через эту же компанию французский поставщик продавал топливо BWR своего производства на рынке Японии. Помимо ТВС с необлученным обогащенным ураном компания также производит топливо на основе переработанных ОЯТ — ТВС с диоксидом регенерированного урана и MOX-топливо для легководных реакторов (мощности около 200 тонн в год загружены на 50–80 %) С недавних пор, в результате реструктуризации Areva, компания лишилась собственных возможностей добычи, конверсии и обогащения урана и теперь должна закупать продукцию и услуги первых этапов фронтенда на стороне.
GNF
GNF — совместная холдинговая структура американской General Electric (GE — мажоритарный владелец) и японских Hitachi и Toshiba. Собственные мощности фабрикации — около 1,8 тыс. тонн. Группа включает две основные компании: GNF-Americas LLC (GNF-A), представляющую интересы акционеров главным образом на рынках США и Европы, и GNF-Japan Co Ltd. (GNF-J), деятельность которой ограничена в основном Японией.

Эти компании производят исключительно топливо кипящих реакторов на заводах в США (Уилмингтон) и Японии (Курихама). Кроме того, в рамках совместной компании GNF-A с Enusa под названием Genusa часть топлива BWR для глобального поставщика производилась на испанском заводе в Хусбадо и предназначалась в основном для европейского рынка. До 2017 года GNF-A также фабриковала топливо для тяжеловодных реакторов CANDU в Канаде, однако этот бизнес был продан BWXT.
ТВЭЛ
ТВЭЛ, дочерняя структура Росатома, производит топливо для корпусных энергетических реакторов c водой под давлением ВВЭР‑1000, ВВЭР‑440, ВВЭР‑1200, PWR, КЛТ‑40С; кипящего корпусного реактора ВК‑50; реакторных установок с графитовым замедлителем РБМК‑1000 и ЭГП‑6; реакторов на быстрых нейтронах БН‑600 и БН‑800.

Помимо фабрикации собственных тепловыделяющих сборок, ТВЭЛ производила и поставляла за рубеж порошки и таблетки для различных реакторов, в том числе тяжеловодных, а также по соглашению с Areva осуществляла сборочное производство ТВС для реакторов PWR и BWR с использованием регенерированного урана, отправляя эти сборки на европейские рынки.

Помимо топлива из необлученного обогащенного или природного урана, компания фабрикует топливо из регенерированного урана, а также MOX-топливо двух видов для реактора на быстрых нейтронах БН‑800. Основные мощности фабрикации ТВЭЛ сосредоточены на площадках в Электростали (МСЗ) и Новосибирске (НЗХК). По данным WNA, их производительность составляет около 2,8 тыс.тонн, из которых порядка 90 % приходится на ТВС легководных реакторов. Годовой объем производства топлива — не менее 1300–1400 тонн. Небольшие установки фабрикации малораспространенных видов топлива имеются на других площадках (НИИАР, ГХК, «Маяк»).
CNNC
Китайская атомная вертикально-интегрированная госкорпорация CNNC через свою дочернюю структуру CNFC производит ТВС для легководных реакторов PWR множества видов и ВВЭР‑1000; тяжеловодных реакторов CANDU; шаровое микротвэльное топливо для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов HTR-PM (при участии INET и CNEC).

CNNC владеет двумя основными площадками фабрикации: в Ибине (провинция Сычуань) и Баотоу (Внутренняя Монголия). Их совокупная мощность приближается к 1 тыс. тонн. Мощности производства топлива тяжеловодных РУ превышают 200 тонн в год. CNNC обеспечивает текущий уровень производства всеми стадиями фронтенда, включая собственную конверсию и обогащение, добываемый и ввозимый из-за рубежа уран.
KNFC
KNFC — дочерняя структура южнокорейского холдинга KEPCO — производит топливо для реакторов PWR разных видов (OPR1000, APR1400, некоторых реакторов Westinghouse), а также CANDU‑6.

Фабрикация осуществляется на специализированной площадке в Тэджоне. Мощности составляют 700 тонн в год для сборок легководных реакторов и до 450 тонн в год — для тяжеловодных (производится ~300–400 тонн в год). Компания обеспечивает топливом южнокорейский рынок и поставляет его на экспорт — для первых загрузок строящейся по технологии APR1400 четырехблочной АЭС «Барака» в Объединенных Арабских Эмиратах.
MNF
Японская компания Mitsubishi Nuclear Fuel (MNF) (контрольный пакет ее акций принадлежит Mitsubishi Heavy Industries, а блокирующий — Framatome) производит сборки для реакторов PWR, в то время как ТВС кипящих реакторов производства Framatome импортировались для японского рынка.

Мощности фабрикации компании сосредоточены на заводе в Токай-Муре, способном выпускать около 450 тонн топлива в год. Ранее это предприятие обеспечивало тепловыделяющими сборками 22 реактора PWR в Японии, поставщиком которых был основной владелец завода, однако после Фукусимы масштабы деятельности в этом секторе сократились. Компания MNF — единственный в Японии поставщик полного цикла, способный производить порошок и таблетки диоксида урана в количестве, достаточном для обеспечения собственной фабрикации.
Enusa
Enusa Industrias Avanzadas (дочерняя структура группы Enusa, в свою очередь контролируемой испанскими госструктурами) производит топливо PWR и BWR на своем заводе в Хусбадо на западе Испании.

Мощность предприятия составляет 500 тонн в год по ТВС и столько же по таблеткам; порошок компания не производит. Реальные объемы фабрикации — 300−350 тонн в год. Фабрикация осуществляется в основном по лицензиям или соглашениям о совместной разработке с двумя поставщиками топливного дизайна: Westinghouse и GNF. Enusa обеспечивает топливом часть загрузок АЭС Испании (этот рынок не является монопольным), а также поставляет его во Францию, Швецию, Бельгию, Финляндию, Швейцарию и некоторые другие страны.
Казатомпром
Основной актив госкомпании «Казатомпром» в топливной сфере — Ульбинский металлургический завод в Усть-Каменогорске, Казахстан, который остается крупнейшим в мире производителем порошка и топливных таблеток для разных реакторов (порядка 2 тыс. тонн в год по обоим продуктам). Таблетки и порошок в полном объеме экспортируются. Компания пока не имеет собственных мощностей выпуска готового топлива, однако к 2020 году в Ульбе планируется построить завод фабрикации сборок PWR мощностью 200 тонн в год по технологии Framatome. Проект осуществляется в рамках совместного предприятия с китайской атомной компанией CGN; Казатомпрому принадлежит 51 % акций. Произведенное топливо будет поступать в Китай; таким образом CGN обеспечит существенную часть топливных потребностей своих АЭС.
Рыночная сегментация
В технологическом разрезе рынок топлива крайне неоднороден.

Наиболее конкурентны рыночные сегменты топлива BWR и PWR. В США легководные реакторы потребляют около 2,3 тыс. тонн ядерного топлива в год, в Евросоюзе и Швейцарии — порядка 2 тыс. тонн, в Китае приближаются к 1 тыс. тонн. Япония некогда была одним из крупнейших по объему рынков топлива для таких реакторов, однако в нынешнем десятилетии ее текущие потребности снизились во много раз. Как следует из Таблицы 2, в Европе на этом рынке конкурируют главным образом Westinghouse и Framatome; Enusa (включая совместные бизнесы с Westinghouse и GNF в лице GNF-A) составляет конкуренцию в основном Framatome. Те же крупнейшие холдинги (Westinghouse, Framatome и GNF-A) полностью делят рынок США, на который приходится ¼ мировой ядерной генерации. Westinghouse, Framatome и GNF в лице GNF-J также играют важную роль на рынке Японии, хотя тут существенное участие принимают японские компании. При этом после Фукусимы масштаб японского рынка сильно сократился, и лишь в последнее время он подает надежды на частичное «выздоровление».

В Китае конкурируют большинство относительно крупных поставщиков топлива. Наиболее значимое исключение — GNF, поскольку в КНР не строят корпусных кипящих реакторов, а GNF производит и продает только топливо BWR. Между тем китайские национальные компании постепенно расширяют масштабы своей деятельности в топливной сфере. Пока на этом рынке остается место для разных поставщиков топлива, учитывая высочайшие темпы расширения китайской ядерной генерации и масштаб, который она приобретает. Однако логика развития китайских госкомпаний, направленная на динамичное и эффективное импортозамещение во всех сферах, дает основания предполагать, что зарубежным производителям топлива не удастся удержать исключительные позиции на этом рынке.

Крайне перспективным рынком может оказаться Индия, планирующая масштабное внедрение легководных реакторов и представляющая интерес для вендоров не только как импортер топлива, но и как реципиент технологий фабрикации. Эта опция только-только начинает раскрываться, так что Индия в ближайшем будущем станет одной из наиболее «горячих точек» мирового рынка фабрикации.

Еще одним фактором перемен в секторе топлива западных легководных реакторов может стать выход Росатома на топливный рынок PWR со своей сборкой 17×17 — наиболее ходовым форматом в данном технологическом сегменте. В конце 2016 года ТВЭЛ заключил первое коммерческое соглашение на поставку ТВС-Квадрат с дочерней структурой шведской государственной энергокомпании Vattenfall. Договор предусматривает производство ТВС для коммерческих перегрузок шведской АЭС «Рингхальс» начиная с 2021 года.

Кроме того, в 2016 году ТВЭЛ и GNF-A объявили о создании альянса для продвижения ТВС-Квадрат на рынке США. Интерес американской компании, очевидно, заключается в том, чтобы проникнуть на рынок топлива PWR, где она до сих пор не представлена. Как сообщали СМИ, GNF-A выразила желание производить российское топливо на своих мощностях фабрикации в США. В 2019 году предполагается загрузить тестовые сборки с таким топливом в один из реакторов американской энергокомпании Exelon. Удачная их «обкатка» может открыть дорогу на американский рынок топливным разработкам Росатома уже в первой половине 2020-х годов. Конечно, при условии, что рынок ТВС в США останется открытым для подобной конкуренции.

Похожая ситуация может возникнуть на рынках топлива ВВЭР. Долгое время Росатом практически не знал конкуренции в этом сегменте: все реакторы ВВЭР‑440 и почти все ВВЭР‑1000 обеспечивались топливом по долгосрочным контрактам с ТВЭЛ. Российский поставщик по-прежнему доминирует в данных нишах, однако Westinghouse стремится расширить свое, пока еще небольшое, присутствие в них. В последние годы американская компания поставляла нарастающие объемы ТВС для реакторов ВВЭР‑1000 на Украине, и, исходя из последних соглашений, заключенных с эксплуатирующей организацией украинских АЭС, эта тенденция продолжится.

Пока это выглядит определенным сдвигом по сравнению с не слишком удачным опытом наступления Westinghouse на рынки топлива ВВЭР в прошлом. В этой связи можно вспомнить, что Westinghouse разработала первые версии своего топлива ВВЭР‑1000 более 20 лет назад, и с начала 2000-х годов в течение нескольких лет они поставлялись на чешскую АЭС «Темелин». Однако во второй половине десятилетия американская компания уступила этот рынок ТВЭЛу, проиграв тендер. Тестовые сборки ВВЭР‑1000 были впервые загружены на Южно-Украинской АЭС еще в 2005 году, но до середины текущего десятилетия американское топливо (которое изготавливается на шведском заводе Westinghouse) заполняло лишь часть активной зоны реакторов упомянутой станции, и планы расширить поставки на другие украинские АЭС долгое время так и оставались планами. Но теперь ситуация меняется.

Помимо этого, Westinghouse задумала вернуться на рынок топлива ВВЭР‑440, где в прошлом тоже потерпела неудачу. В последние годы она взялась за воссоздание собственной конструкции ТВС для этих реакторов. Проект получил финансовую и экспертную поддержку Евросоюза: Брюссель задался целью диверсифицировать поставки топлива для реакторов российского дизайна. В марте 2018 года экспертная группа во главе с Westinghouse объявила о завершении разработки концептуальной конструкции сборки для ВВЭР‑440 и проработки вопросов ее перспективного производства.

Новая ТВС представляет собой усовершенствованную версию топлива, созданного в 1990-х годах бывшей британской компанией BNFL. Те сборки производились на испанском заводе в Хусбадо и поставлялись в 2000-х годах компанией Westinghouse (в то время подконтрольной BNFL) на финскую АЭС «Ловииса». Как и в истории с ТВС в Чехии, Westinghouse во второй половине 2000-х годов проиграла финский рынок ТВЭЛу, который до сего дня обеспечивает топливом эту и все другие станции с реакторами ВВЭР‑440: в Чехии, Словакии, Венгрии, Армении, Украине и, разумеется, в России.

Еще один крупный сектор с особой ситуацией — рынок ТВС тяжеловодных реакторов, спрос на котором составляет порядка 3 тыс. тонн в год, а мощности — свыше ~4,3 тыс. тонн в год. Крупнейшие региональные сегменты этого рынка — Канада (потребление ~1,9 тыс. тонн в год, мощности ~2,7 тыс. тонн в год) и Индия, чей рынок примерно вдвое уступает канадскому. Перегрузка этих реакторов осуществляется в процессе работы, а потребляемые объемы топлива в расчете на единичную мощность в несколько раз больше, чем у легководных реакторных установок. Не случайно, в отличие от фронтенда PWR, BWR или ВВЭР, во всех странах, имеющих достаточно крупную тяжеловодную генерацию (в Канаде, Индии, Южной Корее, Аргентине, Румынии, Китае), для неё создано производство топлива.

Мощностей этих заводов хватает для покрытия потребностей тяжеловодных реакторов в данных государствах, и они стремятся сами себя обеспечивать топливом, хотя в ряде случаев отдельные компоненты приходится импортировать. Важнейшее исключение — Канада, которая более чем самодостаточна во всех переделах «тяжеловодного» фронтенда и на рынке которой действуют два конкурирующих поставщика: канадская Cameco (завод в Порт-Хоуп, Онтарио, мощностью 1,2 тыс. тонн в год) и американская BWXT (завод в Питерборо в той же провинции мощностью 1,5 тыс. тонн в год). При этом BWXT получает порошок от предприятия Cameco в Порт-Хоуп.

При всей технологической общности рынка тяжеловодных ТВС, в нем выделяется ряд небольших сегментов. Во-первых, это два корпусных тяжеловодных реактора немецкой конструкции, работающие в Аргентине: они используют топливо, непохожее на применяемое всеми остальными, конструктивно близкими реакторами в перечисленных странах. Эти ТВС производятся компанией Conuar, подконтрольной Национальной комиссии по атомной энергии Аргентины (CNEA), на площадке атомного центра в Эсейсе. Во-вторых, эти и некоторые другие, единичные реакторные установки переходят на слабообогащенный уран в топливе, что несколько меняет характер и объемы фабрикации и потребления.

Есть еще несколько «нишевых», но достаточно весомых сегментов рынка, где конкуренции нет и не предвидится: это, прежде всего, топливо реакторов РБМК и AGR.

Westinghouse — монопольный поставщик ТВС для 14 британских газоохлаждаемых реакторов второго поколения AGR. Это оксидное топливо, чьи таблетки, сборки и материалы оболочки не похожи на топливо для PWR или BWR. Оно производится на комплексе в Спрингфилдсе, мощность которого — около 300 тонн в год, а объем производства — порядка 200 тонн в год. Последний из этих реакторов планируется закрыть до 2030 года. Компаний, желающих составить конкуренцию Westinghouse в данной нише, нет.

Столь же «келейный» рынок — сегмент фабрикации топлива российских реакторов РБМК. В России действуют 11 таких реакторов на трех АЭС; они требуют более 200 тонн топлива в год. Их планируется поочередно выводить из эксплуатации по мере вступления в строй замещающих мощностей, начиная с первой половины предстоящего десятилетия.

Итак, если исключить некоторые экзотические сегменты, бóльшая часть рынка ядерного топлива существует в условиях конкуренции, которая постепенно обостряется — в силу снижения спроса, взаимного проникновения ведущих поставщиков в технологические ниши друг друга, а также из-за возросших требований к безопасности и оживления инноваций на рынке топлива, о чем речь пойдет ниже.
Рынок ядерного топлива: цифры и факты
Эволюционная трансформация
Исторически конкуренция и повышение требований безопасности стимулировали конструктивное развитие топлива. Технические нововведения позволяли поставщикам сохранить или завоевать новые рынки.

После конструктивных экспериментов первых полутора-двух десятилетий атомной эры ядерная энергетика пришла к некоторым общим принципам построения топлива, применяемого сегодня на большинстве АЭС.

Речь идет, во‑первых, о тепловыделяющих сборках в виде пространственной решетки, неизменными элементами которой стали твэлы так называемого контейнерного типа (топливные таблетки помещаются в герметичную цилиндрическую оболочку с зазором между нею и топливом, заполненным газом под давлением). Единичные исключения из этой схемы (такие как кольцевое топливо Билибинской АЭС) лишь подчеркивают правило.

Вторая общая черта — использование на большинстве действующих энергоблоков мира однородной топливной матрицы из оксида тяжелого металла. Обычно это диоксид урана, гораздо реже — смесь окисей урана и плутония (наиболее значимое исключение — ныне закрытые газоохлаждаемые реакторы первого поколения: британские Magnox и французские UNGG, в которых применялся металлический уран).

Третья устоявшаяся особенность — оболочки твэлов изготавливаются из циркониевых сплавов. Исключения — редкие реакторы, такие как упомянутый ЭГП‑6, быстрые РУ, а также британские реакторы AGR, в которых применяются стальные оболочки; кроме того, английские и французские газоохлаждаемые реакторы первых поколений использовали оболочки из сплавов магния с алюминием или цирконием.

В-четвертых (опять-таки за редчайшими исключениями, такими как БН‑600 и гибридная активная зона БН‑800), в энергетических реакторах АЭС применяется уран с содержанием изотопа 235U, не превышающим 5%, в том числе уран природного изотопного состава (~0,71%) или слабообогащенный.

При сохранении перечисленных общих черт на протяжении последних десятилетий происходило постепенное изменение «вторичных» конструктивных признаков ТВС в каждой из рыночных ниш. Это улучшало потребительские свойства топлива, его надежность и безопасность, обеспечивая ощутимое конкурентное преимущество производителям-первопроходцам. Эти изменения отражали возрастающие требования потребителей (энергокомпаний) к ядерному топливу.

Такие эволюционные изменения, происходившие в последние десятилетия, хорошо видны на примере топлива самых распространенных типов энергетических реакторов — легководных (PWR, BWR, ВВЭР).

К примечательным направлениям развития такого рода топлива относятся следующие.

Во-первых, в последние десятилетия увеличивался уровень обогащения топлива в реакторах АЭС: в 1970-х годах оно едва превышало 3%, тогда как сегодня максимальное обогащение для легководных реакторов приближается к 5%. Ведущие поставщики ядерных технологий рассматривают возможность превышения этого уровня, который установлен во многих странах нормами и лицензиями на эксплуатацию объектов ЯТЦ и энергетических реакторов. Наряду с повышением уровня обогащения происходит все бóльшая его дифференциация (профилирование) в активной зоне — вплоть до различий между частями таблетки в перспективном топливе.

Во-вторых, увеличивалась загрузка урана в существующие конструкции реакторов. Это обеспечивалось, прежде всего, за счет изменения геометрии и состава конструктивных элементов ТВС. Так, существенно эволюционировала поперечная структура сборки. Например, для топлива BWR типичные в 1970-х годах стандарты 6×6 и 7×7 вытесняли с рынка ТВС последующих форматов: в 1980-х годах началось внедрение сборок 9×9, сегодня место на рынке завоевывают сборки 11×11. В случае топлива PWR некогда наиболее распространенные стандарты 14×14 и 15×15 постепенно уступают рыночные позиции сборкам 17×17, которые к сегодняшнему дню получили максимальное распространение и стали наиболее унифицированными (предыдущие форматы ТВС PWR в большей мере привязаны к определенным поставщикам и конструкциям реакторов). При этом, как правило, менялись диаметр твэлов и шаг решетки, утончалась оболочка, изменялись газовый зазор, размер и конфигурация таблетки (например, геометрия выемки, фаски в торцевой части топлива PWR; диаметр центрального отверстия в топливе ВВЭР).

Менялись число, размеры, иногда форма нетопливных каналов ТВС. В некоторых случаях увеличивалась длина активной части сборки (к примеру, для реакторов ВВЭР‑1000 — примерно на 15 см). В процессе развития топлива иногда исключались некоторые элементы конструкции сборок (такие как кожухи или чехлы ТВС). Перечисленные новации нередко затрагивали базовые физические характеристики активной зоны действующих реакторов, такие как водно-урановое отношение. Однако при этих изменениях внешние размеры и другие детали сборок нередко оставались прежними, что обеспечивало взаимозаменяемость топлива разных модификаций в одних и тех же реакторах (например, в случае сборок BWR и ВВЭР).

В-третьих, осуществлялась частичная замена конструкционных материалов ТВС. Речь идет о развитии циркониевых сплавов, нюансы состава которых особенно важны в случае оболочек твэлов, представляющих собой первый ключевой барьер на пути потенциальной утечки радиоактивности. Яркий пример модернизации материалов оболочек — повсеместное внедрение ниобия в качестве одного из главных легирующих элементов. В противоположность сплавам, распространенным в прошлом, в которых ниобий отсутствовал или содержался в незначительных количествах (Zircaloy‑4, Zircaloy‑2), стали господствовать материалы, содержащие порядка 1% ниобия. Это касается, например, фирменных сплавов Westinghouse (Zirlo, улучшенный Zirlo, AXIOM), Framatome/Areva (сплавы M5, Q) и Росатома (сплавы Э110, Э635). При этом в ряде циркониевых сплавов уменьшались или исключались такие составляющие, как олово, никель и хром. Еще одним характерным изменением в сфере материалов стало вытеснение стали сплавами циркония в конструктивных элементах ТВС за пределами твэлов.

В-четвертых, в конструкции ТВС внедрялись решения, повышающие ее прочность, препятствующие деформации сборки при различных штатных эксплуатационных и экстраординарных нагрузках (обусловленных, например, возрастающими требованиями к сейсмостойкости). В то же время получили развитие разборные конструкции ТВС, делающие их ремонтопригодными — принципиально допускающими замену отдельных твэлов и продолжение эксплуатации сборки.

Пятым важным аспектом развития топлива стала минимизация механического и химического воздействия на оболочки твэлов. Одна из мер такого рода — внедрение антидебрисных фильтров, задерживающих твердые частицы, попадающие в поток теплоносителя. Особое внимание уделялось совершенствованию крепления твэлов, местам их контакта с пространственной решеткой: коробление оболочек в этих зонах в результате различных деформаций (в частности, так называемый фретинг-износ, вызываемый вибрациями) повышает риски разгерметизации твэлов, наряду с локальной, нодульной коррозией циркониевых сплавов, зависящей от многих факторов и типа реактора.

В-шестых, принимались меры для повышения интенсивности теплообмена между теплоносителем и ТВС за счет внедрения специальных перемешивающих решеток либо других конструктивных элементов сборки, выполняющих похожие функции. Подобные детали предусмотрены в современных модификациях топлива многих производителей.

В-седьмых, в качестве составляющих топлива стали повсеместно применяться выгорающие поглотители нейтронов, такие как гадолиний и эрбий. Поглотители давно использовались в судовых реакторах, однако они не сразу получили распространение в стационарной атомной энергетике и первоначально не использовались в составе собственно твэлов. Одним из веяний в этой сфере стало применение тонкого слоя неблокированного поглотителя, наносимого на поверхность таблетки.

Многие из перечисленных выше изменений затронули и топлива других типов реакторов: тяжеловодных, РБМК, газоохлаждаемых. Модернизация ядерного топлива, наряду с нововведениями вне топливной сферы (такими как совершенствование водно-химического режима, повышение эффективности циркуляции в первом и втором контурах) способствовали удлинению топливных циклов и повышению выгорания, наращиванию тепловой мощности действующих реакторов и в конечном итоге — улучшению экономики атомной генерации при сохранении или даже повышении уровня безопасности. К примеру, максимальное выгорание по ТВС для действующих легководных реакторов в 1970-х годах не превышало ~40 МВт∙сут./кг урана, в 1980-х годах увеличилось до ~45 МВт∙сут./кг урана, в 1990-х — до ~50 МВт∙сут./кг, ныне этот показатель достигает ~55−60 МВт∙сут./кг. Удлинялся и характерный топливный цикл для легководных реакторных установок. Так, в 1970-х годах интервал между перегрузками топлива, как правило, не превышал ~12 месяцев при продолжительности работы реактора на номинальной мощности до ~320−330 эффективных суток; обычное время нахождения топлива в реакторе в то время составляло ~3−4 года. В нынешнем столетии получил широкое распространение 18-месячный топливный цикл с работой до ~510−530 эфф. сут. и начал внедряться 24-месячный цикл, подразумевающий работу до ~700 эфф. сут. и перегрузку до ~50% топлива; при этом типичное время нахождения топлива в реакторе составляет ~4−5 лет, у отдельных сборок — порядка 7 лет.
Революционная ситуация
Благодаря перечисленным и другим новациям сегодня ядерное топливо АЭС приблизилось к пределу своей эффективности, который может быть достигнут в рамках сложившейся конструктивной парадигмы. Между тем в нынешнем столетии появилось несколько факторов, подталкивающих к выходу за эти пределы — созданию топлива с принципиально новыми характеристиками.

Во-первых, произошедшая в начале 2011 года авария на японской АЭС «Фукусима‑1» привела к пересмотру ряда стандартов ядерной безопасности, особенно касающихся серьезных проектных и запроектных аварий (с полным обесточиванием реакторной установки и потерей теплоносителя).

Во-вторых, благодаря ряду процессов за пределами атомной энергетики во многих регионах мира обострилась конкуренция АЭС с другими энергоисточниками, что значительно повышает требования к экономике атомных станций, а также их безопасности (при равных экономических показателях проектов инвесторы могут отдать предпочтение неядерным источникам энергии).

Наконец, в‑третьих, активизировалось освоение новых и хорошо забытых старых реакторных технологий (на быстрых нейтронах, ВТГР, жидкосолевых и других), в том числе благодаря возникшему буму в НИОКР малых энергетических реакторов. Это тоже требует отхода от устоявшихся конструктивных принципов и материалов ТВС, а заодно и от некоторых технологий переработки ОЯТ.

Все перечисленное повышает требования к ядерному топливу. Удовлетворить их, оставаясь в рамках традиционных конструкций и материалов ТВС, становится все труднее. Поэтому тенденцией нынешнего столетия стал постепенный отход от базовых принципов построения топлива АЭС. Это приводит уже не к усовершенствованию сложившейся конструктивной схемы, а подчас к революционной трансформации ядерного топлива, которое в случае некоторых новейших разработок может измениться до неузнаваемости.
Недостатки существующего топлива атомных станций
Не будучи идеальным ни по одному из параметров, применяемое сегодня на большинстве АЭС топливо представляет собой приемлемое сочетание различных характеристик, близкое к оптимальному в проектных условиях работы.

Однако события в Фукусиме наглядно продемонстрировали хорошо известные, но ранее недооцененные недостатки этой конструктивной концепции в условиях тяжелейших аварий с потерей теплоносителя, вероятность которых крайне мала. В случае длительного прекращения минимально необходимого теплосъема в активной зоне происходит самопроизвольный разогрев ядерного топлива за счет остаточного тепловыделения. При температуре у поверхности твэлов свыше ~1200 °C в паровой атмосфере резко интенсифицируется окисление оболочек — происходит так называемая пароциркониевая реакция, сопровождаемая обильным выделением водорода.

Эта химическая реакция является самоподдерживающейся экзотермической — сопровождается выделением тепла, которое становится основным фактором дальнейшего разогрева на поверхности твэла наряду с остаточным тепловыделением ядерного топлива. Между тем, в силу относительно невысокой теплопроводности оксидной матрицы, температура внутри сердечника (таблетки) гораздо выше, чем на периферии (1250−1950 °C в нормальных условиях), она и увеличивается сильнее, чем в пограничной области твэла, и при отсутствии теплоотдачи может достигать температуры плавления диоксида урана (~2860 °C).

Задолго до этого плавятся циркониевые оболочки (при температуре в районе 1800 °C, в зависимости от сплава), еще раньше начинаются процессы фазовых переходов и деградации других материалов сборки: при превышении примерно 800 °C резко ухудшаются прочностные характеристики циркониевых сплавов, усиливается реакция материала оболочек и сердечника, разрушаются материалы поглотителей нейтронов.

В таких условиях происходит резкая эскалация опасных явлений, способных привести к массовому разрушению оболочек и твэлов, водородному взрыву и утечке радиоактивности, что как раз имело место на ряде блоков АЭС «Фукусима‑1».

Хотя действующие реакторы и тем более реакторы последних поколений предусматривают многоуровневую, эшелонированную защиту от такого сценария, события в Японии показали, что при определенном, редчайшем стечении неблагоприятных обстоятельств подобное возможно.

В связи с этим многие эксперты говорят о необходимости создания новых концепций топлива, обладающих «врожденной» устойчивостью к таким инцидентам.

В нынешнем десятилетии активизировались работы по созданию принципиально нового топлива, способного противостоять условиям тяжелых аварий при сохранении или повышении экономических показателей и безопасности при нормальной эксплуатации. Множество разработок такого рода получили собирательное название Accident Tolerant Fuel (ATF) — топливо с повышенной устойчивостью к авариям. Программы в этой области осуществляются профильными международными организациями (МАГАТЭ, Агентством ядерной энергии ОЭСР) и ведущими поставщиками атомных технологий (Westinghouse, Framatome, CEA, Росатом, GE/GNF и др.) в целом ряде государств (США, Франция, Китай, Россия, Южная Корея, Япония). В некоторых странах (например, в США, Франции, Китае) такие проекты получают серьезную государственную поддержку в рамках специальных программ.

Так, во Франции сложился триумвират государственных организаций: CEA, EDF и Framatome, — ведущих НИОКР в сфере толерантного топлива. Framatome получает финансирование и научно-техническую поддержку своих работ в этой области (о них ниже) как во Франции, так и в США. В Соединенных Штатах при участии Минэнерго разработка толерантного топлива ведется по линии нескольких программ, включая Программу развития технологии легководных реакторов (LWRS), а также осуществляемую с 2012 года специализированную Программу создания устойчивого к авариям ядерного топлива (ATF).

В них принимают участие три ведущих поставщика технологий: Westinghouse, Framatome и GE/GNF, получившие на НИОКР в этой сфере десятки миллионов долларов бюджетных средств, а также возможности сотрудничества с рядом национальных лабораторий США (прежде всего Айдахской, Окриджской) вместе с их исследовательской базой (реакторы ATR и недавно расконсервированный TREAT в Айдахской Н Л; испытательный комплекс, моделирующий условия аварии с потерей теплоносителя, в Окриджской лаборатории и т. д.). Помимо американских исследовательских установок, для тестирования используются реакторы в Европе, прежде всего Halden в Норвегии, работающий под эгидой ОЭСР. В рамках АЯЭ ОЭСР в 2014 году сформирована специальная международная экспертная группа по толерантному топливу легководных реакторов.

Для устранения базовых недостатков существующего топлива АЭС ведущие организации, разрабатывающие толерантное топливо, преследуют несколько основных целей:

  • значительно снизить вероятность разрушения топлива, исключив интенсивную пароциркониевую реакцию и ряд других опасных явлений, проявляющихся в условиях тяжелейших аварий (см. Справку);
  • обеспечить надежную, длительную работу создаваемого топлива: сохранение его заданных свойств как в штатных, так и в аварийных режимах работы при длительных топливных кампаниях (глубоком выгорании);
  • улучшить экономические характеристики топлива, включая показатели послереакторного цикла.
Совместить перечисленные требования в одном коммерческом продукте чрезвычайно трудно, что и обуславливает длительные сроки НИОКР: внедрение принципиально новых концепций топлива потребует не менее полутора-двух десятилетий.

Для создания толерантного топлива поставщики технологий решают несколько основных задач.

Прежде всего — изменение оболочки твэла: разработка новых защитных покрытий или слоев для существующей оболочки из циркониевого сплава либо полная замена последнего другими материалами. Наиболее распространенный вариант, рассматриваемый для защитного покрытия, — хромсодержащий слой; также исследуются возможности стали, кремния, различных карбидов, нитридов и иных веществ. Циркониевые оболочки с покрытием либо гибридные металлокерамические оболочки (включающие циркониевый сплав наряду с другими материалами) рассматриваются как промежуточные решения на пути к отдаленной перспективе — полной замене циркония в оболочке твэла.

В качестве перспективных материалов особенно пристально рассматриваются керамика (прежде всего карбид кремния SiC), разные виды стали, сплавы молибдена и так называемые MAX-фазы (трех-четырехкомпонентные соединения, включающие переходные металлы, углерод и (или) азот, обладающие своеобразной кристаллической решеткой и свойствами одновременно керамики и металлов). Рассматривается и ряд других оболочечных материалов. Многие из них могут применяться в виде композитов. Все эти варианты призваны обеспечить ряд общих свойств: продлить время нагрева до критических температур, предотвратить бурное образование водорода в аварийных ситуациях или значительно увеличить температуру начала этого процеса, а также повысить жаропрочность оболочек (например, у карбидокремниевых оболочек температура начала интенсивного окисления с образованием водорода на ~700 °C выше, чем у нынешних циркониевых оболочек, а температура плавления — примерно на 1000 °C больше; см. Справку).

К основным трудностям, с которыми сталкиваются ученые при создании новых оболочек, относятся:
  • обеспечение их «нейтронной прозрачности» (многие материалы, в частности сталь, хуже циркония по показателю паразитного захвата нейтронов);
  • достижение механической прочности и износостойкости (например, решение проблемы хрупкости керамики, радиационного охрупчивания ряда сплавов, фретинг-износа тонкостенных стальных оболочек и т. д.);
  • сохранение герметичности (проблемы керамики —пористость и склонность к растрескиванию);
  • обеспечение радиационной и химической стойкости (к примеру, молибден без дополнительного защитного покрытия химически нестабилен в условиях потока теплоносителя, хотя отличается отменной жаропрочностью) и т. д.
Бассейн выдержки ОТВС на АЭС «Гундремминген», Германия
В ряде случаев узким местом становятся не идеальные свойства новых материалов, а разработка технологий создания полноразмерных, надежных элементов топлива на их основе (обеспечение устойчивого сцепления покрытий с циркониевым сплавом, создания тонкостенных композитов с однородными свойствами и т. п.). Причем эти и другие проблемы должны быть решены в расчете на более длительные топливные кампании, чем приняты сегодня для легководных реакторов: так, в США стоит задача сдвинуть предельный показатель выгорания с установленных сегодня 62 МВт∙сут./кг до более чем 80 МВт∙сут./кг для разрабатываемого толерантного топлива.

Помимо материала оболочек, рассматривается замена ряда других циркониевых элементов активной зоны, подверженных значительному перегреву при тяжелых авариях с потерей теплоносителя (например, разработка карбидокремниевых чехлов ТВС реакторов BWR).

Другая важнейшая задача — создание так называемого «холодного топлива» за счет многократного повышения теплопроводности топливного сердечника (прежде всего благодаря изменению материала матрицы), а также улучшения его контакта с оболочкой и сохранения высокой теплопроводности у новых оболочечных материалов (у некоторых из них, например ряда керамических композитов, этот показатель довольно низкий).

Это, в свою очередь, требует решения ряда возникающих проблем: предотвращения химических реакций оболочки и топлива, распухания и повреждений оболочки топливом, локализации продуктов деления и т. д. Особый способ повышения теплоотдачи — создание твэлов со сложным поперечным сечением для увеличения поверхности теплосъема. В этой связи рассматриваются, например, варианты кольцевых или лепестковых, в том числе винтообразно закрученных, тепловыделяющих элементов (твэлы сложной формы хорошо известны применительно к судовым и исследовательским реакторам, но для АЭС это экзотика, хотя и имеющая исторические прецеденты).

Изменения в топливе должны обеспечивать компенсацию дополнительного (по сравнению с традиционными твэлами) поглощения нейтронов некоторыми новыми материалами оболочки и новыми компонентами матрицы, включаемыми в нее для увеличения теплопроводности. Такая компенсация может быть достигнута двумя основными, до некоторой степени альтернативными, путями: повышением обогащения урана сверх 5% (чего стараются избежать всеми средствами) и (или) увеличением плотности топлива — концентрации тяжелого металла. Радикальный способ повышения плотности топлива — внедрение новых для гражданской атомной энергетики соединений урана или плутония и тория.

К наиболее пристально рассматриваемым версиям нового топлива для АЭС относятся: диоксид урана с присадками (например, оксидами хрома или бериллия; карбидом кремния); более плотное топливо на основе соединений урана с кремнием (силицидов — чаще U3Si2), азотом (нитрид UN) или их комбинацией (UN + U3Si2), а также металлическое топливо (например, уран-циркониевое, уран-молибденовое и прочие сплавы или интерметаллиды). Наряду с этими вариантами рассматривается множество других, вплоть до весьма экзотических, таких как включение в матрицу графена или алмазного порошка (последний вариант исследует, например, Framatome).

Особое направление НИОКР — создание принципиально новой пространственной структуры топлива, которая до сих пор не применялась в коммерческой атомной генерации. Сюда относятся варианты дисперсионного топлива (используемого в судовых и исследовательских реакторах), а также тепловыделяющих сборок, совмещающих некоторые особенности дисперсионного и обычного топлива, о чем речь пойдет ниже.

При всем разнообразии исследований, которые проводит большинство ведущих поставщиков в области создания толерантного ядерного топлива, каждый из них сегодня сосредоточился на собственных приоритетах в этой сфере. Эти приоритеты в целом укладываются в перечисленные магистральные направления НИОКР.

Так, Westinghouse создает толерантное топливо под маркой EnCore, которое представляет собой таблетки силицида урана U3Si2, заключенные поначалу (на первом этапе данной программы) в оболочку из хромированного циркониевого сплава Zirlo, а в последующем — в оболочку из карбидокремниевого композита, создаваемую при участии американской компании General Atomics. Как ожидается, топливо из силицида урана превзойдет традиционное диоксидное более чем в 5 раз по теплопроводности и на ~1/5 по плотности, а поглощение нейтронов карбидокремниевой оболочкой должно быть на ~¼ меньше, чем у сплавов циркония. Благодаря последним двум параметрам компания предполагает удержать обогащение EnCore в пределах 5%, что облегчит его продвижение на рынке. В 2018 году Westinghouse планирует наладить опытное производство твэлов в хромированной циркониевой оболочке, в 2019 году — начать их испытание в составе штатных топливных сборок на АЭС «Байрон» в США, параллельно исследовать поведение твэлов в моделируемых условиях тяжелой аварии (в упомянутом реакторе TREAT); начиная с 2022 года — создать и испытать в реакторе АЭС полноразмерные тестовые сборки EnCore, а во второй половине 2020-х годов — выйти с новым топливом на коммерческий рынок. Если верить собственным оценкам Westinghouse, применение этого топлива не только повысит безопасность, но и обеспечит энергетическим компаниям экономию в 3−4% (с учетом обращения с ОЯТ) или сотни миллионов долларов в год в масштабе рынка.

Стратегия Westinghouse в сфере толерантного топлива отличается от стратегий ее основных конкурентов тем, что компания начинает с замены топливного уранового соединения, тогда как коренное изменение оболочки твэла планируется на втором этапе. Иначе поступают некоторые другие поставщики: они в первую очередь трансформируют оболочку, поначалу не затрагивая матрицу (например, GE/GNF) либо ограничиваясь добавками к традиционному диоксиду урана (к примеру, Framatome).

Так, французский поставщик планирует для своего толерантного топлива таблетки диоксида урана с присадкой оксида хрома Cr2O3. Подобная композиция уже используется в новейшем коммерческом топливе Framatome — сборках GAIA для PWR и ATRIUM 11 для BWR; они начали тестироваться с 2012 года, и уже заключены контракты на их поставку. Технология изготовления такого топлива предполагает повышенную плотность спекания таблеток и уменьшение зазора между таблеткой и оболочкой. Это обеспечивает улучшенные показатели распухания, снижение вероятности повреждения оболочки за счет контакта с таблеткой, а также небольшое повышение теплопроводности. Framatome планирует на первом этапе создания толерантного топлива использовать оболочку из фирменного циркониевого сплава M5 с внешним хромовым покрытием толщиной порядка 15 микрон, получаемым путем осаждения из паровой фазы. В последующем, в более продвинутом варианте перспективного топлива, предполагается перейти на двухслойную композитную карбидокремниевую оболочку.

Framatome создает новое топливо при поддержке государственных структур США и Франции: в рамках двух отдельных программ, финансируемых министерством энергетики США, а также французским Комиссариатом по атомной и альтернативным источникам энергии (CEA) и государственным энергохолдингом EDF (теперь владеющим Framatome). Первые образцы материалов оболочки — с хромовым покрытием и карбидом кремния — облучались на АЭС «Гёсген» в Швейцарии начиная с 2016 года. Весной 2019 года компания планирует загрузить четыре тестовые сборки нового топлива в варианте с хромированной оболочкой на АЭС «Вогл» в США. К тестированию полноразмерных ТВС с карбидокремниевыми оболочками планируется приступить ближе к 2023 году.

Для GE и ее дочерней структуры GNF приоритетное направление в текущей работе над толерантным топливом — создание новых оболочек твэла при сохранении традиционной композиции матрицы. GE/GNF при участии Окриджской национальной лаборатории США разработала варианты железохромоалюминиевой стальной оболочки. Твэлы с такими оболочками без топлива, а также версии материала оболочки в отдельных образцах для облучения с начала марта 2018 года тестируются в реакторе АЭС «Хатч» в США. Это первый случай загрузки в коммерческий реактор полноразмерной оболочки, разработанной в рамках программ создания толерантного топлива АЭС в США. Тестовые сборки с полноценным топливом в новой оболочке планируется загрузить в 2019 году уже в другой реактор — на американской АЭС «Клинтон». Стальные оболочки, которые изготавливаются на заводе GNF в Уилмингтоне, планируется продвигать под маркой IronClad.
В то же время без поддержки государственных структур GE/GNF создает еще один вариант оболочечного материала для диоксидного топлива — из сплава циркония с защитным покрытием. Такие оболочки под названием ARMOR в виде обычных, содержащих топливо твэлов начали тестироваться вместе со стальными оболочками на АЭС «Хатч» и в следующем году будут испытываться на станции «Клинтон».

Совершенно оригинальную концепцию топлива для реакторов с водой под давлением создает Lightbridge — с недавних пор при участии Framatome. Эта американская компания разработала металлическое уран-циркониевое топливо в форме винтообразно закрученных (полный оборот — на 2 метра длины) твэлов так называемого лепесткового поперечного профиля, соединенных в ТВС квадратного сечения. Твэлы собраны в плотную четырехугольную решетку для западных реакторов, а с прицелом на рынок ВВЭР компания рассматривает шестигранную сборку с треугольной решеткой.

Вместо привычных дистанционирующих решеток применяется самодистанционирование (с точечным контактом твэлов в определенных местах), для обеспечения которого в случае PWR предусмотрены четырехлепестковые твэлы, а для ВВЭР — трехлепестковые. В центре твэла расположен так называемый вытеснитель, который может содержать выгорающий поглотитель. Оболочка из циркониевого сплава, включающего порядка 1 % ниобия, металлургически сцеплена с сердечником и имеет переменную толщину (на лепестках больше), что снижает риски сквозного повреждения в наиболее уязвимых местах. Доля урана в топливе составляет порядка 50 %, уровень обогащения — около 20 %. Монолитная структура твэлов, их особая конфигурация, значительно увеличивающая площадь поверхности (на 35–40 %), теплопроводный материал (металл), а также непосредственный контакт сердечника с оболочкой — все это обеспечивает теплоотдачу, многократно превосходящую обычное топливо АЭС. Благодаря этому температура даже в недрах сердечника таких твэлов (меньше 400 °C) более чем на 1000 °C ниже, чем у обычных твэлов контейнерного типа в штатных условиях их работы. Решетка из монолитных твэлов также отличается повышенной прочностью и устойчивостью к деформациям. По оценке разработчиков, такое топливо обеспечит кратное повышение выгорания и возможность увеличения мощности на 10–30 % в зависимости от поколения реактора и топливного цикла, для которых выбирается одна из трех разработанных модификаций ТВС.

В январе 2018 года Lightbridge создала в США на паритетных началах совместную компанию с Framatome под названием Enfission, цели которой — доработка, производство и продажа топлива данной конструкции. После завершения испытаний уменьшенных тестовых твэлов в норвежском реакторе Halden к 2021 году планируется загрузить полноразмерные тестовые сборки на АЭС, вероятно в США, а ко второй половине 2020-х годов — выйти на коммерческий рынок топлива. Ряд потенциальных потребителей проявили интерес к этой технологии, в том числе четыре американские энергокомпании (Southern Compony, Exelon Generation, Dominion и Duke) взаимодействуют с Lightbridge/Enfission по вопросам доработки и внедрения нового металлического топлива.

Сегодняшние версии ТВС Lightbridge рассчитаны на реакторы PWR, прежде всего мощностью не ниже 900 МВт — вероятно, с целью охвата наиболее массовой серии французских реакторов и их деривативов, которых в мире более 40, а также некоторых других PWR близкой мощности. Однако в перспективе не исключается создание в рамках совместной компании Enfission специальных ТВС для корпусных кипящих, малых модульных и исследовательских реакторов. Кроме того, акционерное соглашение Framatome и Lightbridge не распространяется на вопросы разработки топлива для тяжеловодных реакторов и ВВЭР — Lightbridge сохранила за собой право в перспективе самостоятельно выйти на эти рынки со своей технологией.

В России имеется большой задел НИОКР в целом ряде аспектов, касающихся устойчивого к авариям топлива, — в силу богатого научного наследия в атомной сфере, масштабной исследовательской базы и огромного разнообразия созданных и опробованных конструкций реакторов. В «Программе инновационного развития и технологической модернизации Госкорпорации „Росатом" на период до 2030 года», принятой в 2016 году, была поставлена цель «разработать топливо с повышенной устойчивостью к авариям типа LOCA (авария с потерей теплоносителя)».

Среди связанных с этой целью приоритетных задач были и такие: к 2020 году создать технологию изготовления оболочечных труб из новых конструкционных материалов; разработать технологию изготовления композитных карбидокремниевых оболочек типа SiC-SiC и жаропрочных сплавов и к 2025 году представить первичное обоснование радиационной стойкости и функциональной приемлемости полученных образцов. Хотя стратегия Росатома предусматривает целый ряд других передовых НИОКР в сфере фронтенда, они ориентированы главным образом на топливо быстрых реакторов и замыкание ЯТЦ — сегменты, в которых Россия занимает наиболее передовые позиции. Задачи НИОКР в области аварийно устойчивого топлива также нашли отражение в Программе. Российские атомщики ведут активные исследования в этом направлении. На форуме «Атомэкспо‑2018» были названы и сроки, когда Росатом может представить рынку одну из версий толерантного топлива собственной разработки — конец 2019 года.

Ключевая организация в сфере НИОКР по толерантному топливу в Росатоме — дочерняя структура ТВЭЛа — ВНИИНМ. Уже в первые годы после Фукусимы эта компания в инициативном порядке сформулировала основные приоритеты в области создания аварийно-устойчивых ТВС для водоохлаждаемых реакторов; к ним относились: разработка защитных покрытий циркониевых оболочек, карбидокремниевых и стальных оболочек, а также плотного уранового или уран-плутониевого топлива. Эти приоритеты соответствуют мировым тенденциям в данной сфере. Среди фактически продвигаемых сегодня проектов: создание хромсодержащих покрытий для циркониевых сплавов; поиск альтернативы для полной замены оболочечного циркония (например, хром-никелевым сплавом, используемым в судовых реакторных установках); разработка подходящего для легководных реакторов дисперсионного топлива на основе силицидов урана с циркониевой матрицей и т. д.
Участок производства МОХ-топлива, ГХК
Выводы
Как видно, рынок ядерного топлива АЭС подошел к порогу трансформации: уже в следующем десятилетии, впервые более чем за полвека, может коренным образом измениться технологический уклад верхних этажей фронтенда.

Лет десять-двадцать назад топливо от разных поставщиков принципиально не различалось, и отстающие могли нагнать лидеров, «закусив удила»: повысив качество и эффективность, скопировав вторичные улучшения. Появление на рынке экономически эффективных ТВС совершенно новых типов, которые избавят потребителей от ночных кошмаров ядерной безопасности, может оставить не у дел вендоров, застрявших в XX веке.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА