Курс на толерантность

Толерантное топливо
Разработка толерантного топлива — приоритетное направление для создателей топлива в последнее десятилетие. Необходимость создать топливо, максимально препятствующее развитию тяжелых аварий, возникла после анализа причин аварии на АЭС «Фукусима‑1»; основными причинами оказались прекращение функционирования системы охлаждения и пароциркониевая реакция при температуре свыше 1200 °C. Путей развития технологий пока два: уменьшить количество циркония в реакторе и изменить химический состав топливной композиции так, чтобы увеличилась теплоотдача топлива.

Нельзя утверждать, что одно только новое топливо сможет предотвратить аварии. Но цель его создания — обеспечить запас времени для реагирования на редкие аварийные события, а также получить технологические и экономические преимущества при нормальной эксплуатации реактора.

Созданием толерантного топлива (в англоязычных источниках используется аббревиатура ATF) занимаются, как уже было сказано, все крупнейшие производители: Westinghouse, Framatome, Росатом, Global Nuclear Fuel (GNF), а также производители из Китая и Кореи.

Усилия разработчиков направлены на создание новых материалов как для оболочки, так и для топливной композиции. Наиболее быстрым из возможных решений считается разработка покрытий оболочек, в том или ином виде включающих хром. Вариант, требующий более длительного изучения, но потенциально интересный для производства оболочек — композитные материалы на базе карбида кремния. Для топливных композиций рассматриваются варианты с добавлением хрома или молибдена, а также использование вместо оксида урана силицида или нитрида урана.

Хромовые покрытия на циркониевых сплавах обеспечивают повышенную коррозионную и износостойкость, а также сниженную водородопроницаемость, что способствует сохранению пластичности циркониевых сплавов.

Предпочтительная технология нанесения покрытия пока не выявлена, различные производители используют варианты, которые они сочли наиболее приемлемыми. Так, в статье научного сотрудника отделения импульсных процессов «ТРИНИТИ» Алексея Якушкина и профессора кафедры теоретической физики МГОУ Федора Высикайло «Проблемы разрушения поверхности оболочек тепловыделяющих элементов ядерных энергетических установок», опубликованной в «Вестнике МГОУ», отмечается, что комплексные методы нанесения обладают высокой технологической, но низкой экономической эффективностью. Та же проблема — у метода сильного легирования поверхности. Более перспективны, по мнению авторов, лазерные методы нанесения. Также ученые отмечают привлекательность магнетронных методов покрытия твэлов (высокая скорость нанесения и однородность покрытия).

По данным отчета «Концепции хранения отработавшего и транспортировки толерантного топлива» (Spent Fuel Storage and Transportation of Accident Tolerant Fuel Concepts), который выпустила в сентябре нынешнего года Тихоокеанская северо-­западная национальная лаборатория (Pacific Northwest National Laboratory, США, далее — Лаборатория), разработки в области покрытия оболочек включают покрытие оболочек твэлов из циркалоя (сплава олова и циркония), из карбида кремния и из фехраля (FeCrAl).

К новым топливным композициям можно отнести легированный диоксид урана (UO₂), топливо с высокой плотностью (например, U₃Si₂) и металлическое, например уран-молибденовое, топливо.

Толерантность на практике
В настоящее время Westinghouse производит трубки для тепловыделяющих элементов из сплавов ZIRLO‑1, оптимизированного ZIRLO — для использования в реакторах с водой под давлением (PWR) и циркалоя‑2 — для топлива, загружаемого в реакторы с кипящей водой (BWR).

Компания также занимается коммерциализацией двух видов толерантного топлива. В апреле 2019 года 20 стержней EnCore (12 твэлов с оболочкой из сплава ZIRLO с хромовым покрытием и стандартным топливом из диоксида урана, четыре твэла со стандартной оболочкой и сегментированным топливом U₃Si₂ и четыре твэла с оболочкой из ZIRLO с хромовым покрытием и топливом ADOPT‑2) были загружены в реактор Byron‑2 в США.

В сентябре 2020 года в реактор блока № 4 АЭС «Дул» в Бельгии была загружена опытная партия кассет с толерантным топливом EnCore. Судя по отчету Лаборатории, EnCore подразумевает два варианта. Первый — циркониевая оболочка с хромовым покрытием плюс топливо из легированного оксидом хрома и оксидом алюминия оксида урана (Cr₂O₃ + Al₂O₃) UO₂ (ADOPT). Второй — циркониевая оболочка с хромовым покрытием и топливом из силицида урана (U₃Si₂).

Кроме того, Westinghouse работает над созданием композитной оболочки из волокна, созданного из карбида кремния, армированного матрицей из того же материала (SiC/SiC), с топливом U₃Si₂, а также другими вариантами таблеток, включая нитрид урана (UN). Ранее концептуальные оболочки были испытаны в реакторе Массачусетского технологического института. Топливные таблетки из силицида урана исследовали в самом Westinghouse и усовершенствованном испытательном реакторе (ATR) Национальной лаборатории Айдахо. Облучение сборок с покрытыми хромом оболочками и таблетками ADOPT, UO₂ и U₃Si₂, а также сборок с оболочкой из карбида кремния и топливом U₃Si₂ запланировано на 2022 год.

Активность американских разработчиков объясняется старением парка: срок действия примерно половины действующих блоков подойдет к концу до середины 2030-х годов. «Операторы, планирующие продление лицензий, должны иметь возможность воспользоваться эксплуатационными экономическими преимуществами толерантного топлива, если оно будет доступно к середине 2020-х годов», — отмечалось в сообщении американского Nuclear Energy Institute еще в 2018 году (цит. по atominfo.ru).

Framatome использует сплав M5−2 для сборок, загружаемых в реакторы PWR, и циркалой‑2 — в реакторы BWR, а также работает над коммерциализацией двух типов толерантного топлива. К запуску ближе всего подошел вариант с оболочкой из циркониевого сплава с хромовым покрытием M5 и топливом из диоксида урана, легированного Cr₂O₃. Оболочка из сплава M5 с хромовым покрытием была протестирована на швейцарской АЭС «Гёсген» и в Национальной лаборатории в Окридже (ORNL). «Покрытая хромом оболочка M5 с топливом из UO₂, легированного Cr₂O₃, была испытана в ATR и в исследовательском реакторе Halden», — отмечается в отчете Лаборатории. В майском выпуске Journal of Nuclear Material обосновывается преимущество покрытия М5. «Сплав M5 разработки Framatome с хромовым покрытием обеспечивает значительное дополнительное время до полного охрупчивания оболочки после одностороннего окисления при температуре 1200 °C и закалки по сравнению с материалами без покрытия», — говорится в кратком описании статьи.

Весной 2019 года в активную зону блока американской АЭС «Вогл‑2» были загружены 16 испытательных твэлов с оболочкой M5 с хромовым покрытием и топливом из UO₂, легированного Cr₂O₃. Осенью 2019 года в блок № 1 АЭС «Арканзас Ньюклиар 1» (США) были загружены 32 испытательных твэла с хромовым покрытием. Испытания продолжатся в 2021 году. Предполагается, что две полные сборки с оболочкой из сплава M5 с хромовым покрытием и топливом из диоксида урана, легированного Cr₂O₃, будут загружены в реактор на АЭС «Калверт Клиффс» в Мэриленде весной 2021 года с последующей перезагрузкой в 2025 году.

Как и Westinghouse, Framatome нацелена на разработку топлива с композитной оболочкой. В долгосрочной перспективе компания планирует разработать оболочку из композита SiC/SiC и топливо из диоксида урана, легированного Cr₂O₃.

В феврале 2020 года Framatome анонсировала сотрудничество с General Atomics при создании твэлов из карбида кремния. По замыслу участников проекта, новый материал позволит снизить количество циркония в активной зоне реактора на 40% и уменьшить выделение взрывоопасного водорода.

Предполагается, что стержни из ­карбида кремния будут протестированы в АTR в рамках второй кампании по исследованию толерантного топлива (ATF‑2). Как следует из материалов министерства энергетики США, вторая кампания должна была пройти еще в 2018 году, но на момент окончания работы над отчетом Лаборатории о кампании все еще говорится в будущем времени. Облучить твэлы с оболочкой из композита SiC/SiC и топливом из UO₂, легированного Cr₂O₃, планируется к 2022 году.

В январе 2020 года GE сообщила, что опытную партию толерантного топлива производства GNF загрузили в реактор американской АЭС «Клинтон‑1» в штате Иллинойс. Для оболочек использованы покрытие ARMOR и три варианта решения IronClad на базе ферритной стали. Это первые сборки с покрытием IronClad, которые были загружены вместе с топливом: в 2018 году в реакторе АЭС «Хэтч» в Джорджии исследовались только оболочки без топлива. По информации GE, IronClad разрабатывается для того, чтобы обеспечить повышенную стойкость покрытия к окислению при высоких температурах. Покрытие ARMOR должно обеспечить устойчивость не только к окислению, но и к фреттинг-­износу (повреждениям в результате истирания).

По данным отчета Лаборатории, программа исследований и разработок толерантного топлива в Японии включает две концепции: оболочку из фехраля с оксидно-­дисперсионным упрочнением (FeCrAl-­ODS) и композитную оболочку SiC/SiC с топливом из легированного диоксида урана. «Были проведены экспериментальные исследования для оценки основных свой­ств материала оболочки FeCrAl-­ODS, включая прочность и пластичность, коррозионную стойкость, проницаемость для трития, износостойкость, стойкость к коррозионному растрескиванию под действием йода и свариваемость», — отмечается в отчете Лаборатории. Кроме того, в ORNL были проведены испытания, имитирующие аварию с потерей теплоносителя. Сплав FeCrAl-­ODS показал высокую устойчивость к высокотемпературному окислению паром, закалке в воде и взрыву.

China General Nuclear разработала несколько вариантов толерантного топлива. Компания изучает циркониевый сплав с покрытием, фехраль, сплав молибдена с покрытием и карбид кремния. Для топливной композиции рассматривается топливо из диоксида урана с высокой теплопроводностью.

Росатом разрабатывает различные комбинации оболочек и топливных композиций. В прошлом году в исследовательский реактор МИР в ГНЦ «НИИАР» были загружены две экспериментальные ТВС. Для оболочек использованы циркониевый сплав с хромовым покрытием и хром-никелевый сплав. Для топливной композиции — традиционный диоксид урана и уран-молибденовый сплав повышенных плотности и теплопроводности. В каждой ТВС — 24 твэла с различными комбинациями материалов.

Кроме того, ВНИИНМ им. А. А. Бочвара в прошлом году создал образцы волокна из карбида кремния с 10−12% содержанием кислорода. Следующий шаг — добиться производства бескислородного карбидного волокна, из которого можно производить оболочки для твэлов. Уже создан банк образцов, параллельно отрабатываются технологии пайки и герметизации. Проект будет продолжен в 2021 году.

Скорость внедрения толерантного топлива на рынке будет связана не только с успехами его разработок, но и с обоснованием возможности использования конкретного варианта толерантного топлива в активной зоне конкретного реактора. На это, как показывает практика, может уйти несколько лет.

Замыкание ядерного топливного цикла
Росатом системно занимается разработкой новых видов топлива для замыкания ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ). В линейке новых видов топлива — три варианта: РЕМИКС, МОХ и СНУП. Все они находятся на стадии исследований и испытаний.

По данным пресс-­службы концерна «Росэнергоатом», сегодня в активной зоне реактора БН‑800 эксплуатируются 26 ТВС с МОХ-топливом. Из них 18 сборок с таблеточным МОХ-топливом — первые «штатные» сборки, произведенные на Горно-химическом комбинате. Они были загружены в активную зону реактора БН‑800 Белоярской АЭС в конце 2019 года. Еще восемь сборок были произведены на опытной линии ГНЦ НИИАР и содержат виброуплотненное МОХ-топливо. ТВС с таблеточным МОХ-топливом должны облучаться в активной зоне реактора около полутора лет, в течение которых пройдут три микрокампании. Наработка ТВС после их облучения в активной зоне составит около 465 эффективных суток. «Указанные ТВС эксплуатируются штатно, без отклонений, наработка составляет примерно 310 эффективных суток», — сообщили нам в Росэнергоатоме.

Эксплуатационные характеристики таблеточного МОХ-топлива были обоснованы в рамках облучения в реакторе БН‑600 нескольких десятков экспериментальных ТВС. Стартовая зона реактора БН‑800, запущенного в 2015 году, почти на четверть состояла из ТВС с МОХ-топливом. Опыт их облучения подтвердил эксплуатационную надежность таблеточного МОХ-топлива и позволил обосновать «штатную» активную зону БН‑800 с полной загрузкой таблеточным МОХ-топливом, промышленное производство которого было запущено под управлением ТВЭЛа на Горно-химическом комбинате.

ТВЭЛ уже изготовил на ГХК и поставил на Белоярскую АЭС концерна «Росэнергоатом» первую «полную» перегрузку из МОХ-топлива в составе 168 сборок. По данным пресс-­службы концерна, в первой половине 2021 года эти сборки будут загружены в реактор. Завершится процесс формирования активной зоны МОХ-топливом во второй половине 2022 года. Незначительные изменения в графике загрузок могут быть связаны с изменением сроков плановых ремонтов блока БН‑800.

РЕМИКС‑топливо, как и МОХ-топливо, представляет собой смесь оксидов урана и плутония. Но доля плутония в нем ниже: 1−3% (по массе). Кроме того, в РЕМИКС‑топливо добавляется не обедненный, а обогащенный уран. Его доля — порядка 3−4% по изотопу ²³⁵U. В отличие от МОХ-топлива, РЕМИКС‑топливо загружается не в быстрые, а в тепловые реакторы (ВВЭР или РБМК). Кроме того, для РЕМИКС‑топлива будут использоваться сборки ТВС‑2М с увеличенными, по сравнению с более ранними моделями, загрузкой топлива, длиной твэлов и твэгов, удлиненным каркасом, оптимизированным профилем ячеек и уменьшенной толщиной конструкции нижней опорной решетки.

С 2016 года на блоке № 3 Балаковской АЭС идет опытно-­промышленная эксплуатация трех экспериментальных сборок, в каждую из которых включены шесть твэлов с РЕМИКС‑топливом. Всего в каждой топливной кассете 312 твэлов. В 2020 году начался третий 18-месячный цикл облучения. Следующий этап — загрузка сборок, полностью укомплектованных твэлами с РЕМИКС‑топливом.

Для того чтобы обеспечить производство необходимого количество сборок, инвестиционный комитет Росатома в августе 2020 года принял решение о создании линии по производству ТВС с РЕМИКС‑топливом на Сибирском химическом комбинате (Северск, Томская область). Новая линия появится благодаря модернизации экспериментального производственного участка по фабрикации топлива: добавится оборудование по снаряжению твэлов и ТВС. Линия будет готова к 2021 году. По итогам отработки технологии на новой линии и результатам облучения сборок на Балаковской АЭС будет решаться вопрос о создании промышленного производства РЕМИКС‑топлива.

СНУП‑топливо отличается от РЕМИКС- и МОХ- уже тем, что это не оксидное, а нитридное топливо. Расшифровка аббревиатуры — "смешанное нитридное уран-плутониевое" (топливо). Использоваться оно должно в демонстрационном реакторе БРЕСТ-ОД‑300 в рамках проекта «Прорыв». Его также планируют использовать в первом коммерческом реакторе на быстрых нейтронах БН‑1200, который находится на стадии проектирования. Экспериментальные ТВС производятся и проходят испытания в исследовательских реакторах БОР‑60, МИР и в промышленном реакторе БН‑600. Уже облучено и продолжает облучаться более 20 сборок. Выгорание уже превышает 9% тяжелых атомов. На модуле фабрикации-­рефабрикации топлива для реактора БРЕСТ-ОД‑300, создаваемом на площадке Сибирского химического комбината, входящего в ТВЭЛ, идет монтаж оборудования.

Одна из важнейших проблем, которую приходится решать при переходе к промышленным объемам работы с РЕМИКС-, МОХ- и СНУП‑топливом, — необходимость обращения с высокофоновыми материалами, в особенности с облученным топливом и топливом, проходящим третий и последующие циклы вовлечения в производство.

Новые реакторы — новое топливо
США держит курс на разработку принципиально новых реакторов и атомных станций. Пока с этим сложно: компания NuScale сертифицировала свой реактор, но у него нет потенциальных заказчиков, а главное — сертификат выдан с изъятиями: это значит, что потенциальный заказчик должен будет устранить спорные моменты, подавая документы на лицензию на строительство. Заявку на сертификацию реактора NuScale720, на который есть заказчик, компания планирует подать в 2021 году.

В мае 2019 года NuScale объявила о сотрудничестве с компанией Enfission — СП американской Lightbridge Corporation и французской Framatome. «Ожидается, что топливо Lightbridge улучшит конструкцию активной зоны, производительность и снизит затраты на электроэнергию», — говорится в релизе NuScale.

Российские атомщики в частных беседах о топливе Lightbridge всегда вспоминают, что генетически оно представляет собой копию топлива, созданного для российских судовых реакторных установок. В Америке оно появилось благодаря разработчикам-­россиянам, переехавшим в США. Однако для использования в реакторе NuScale необходима сертификация именно для его активной зоны.

Созданием топлива для своих реакторов занимается и TerraPower Билла Гейтса. Компания будет сотрудничать с американской Centrus в проекте по созданию топлива HALEU — урана, обогащенного до 20% — максимального уровня, который можно использовать в гражданских реакторах. Правда, надо понимать, что Centrus занимается именно обогащением, а не фабрикацией топлива, и о ней надо будет подумать отдельно.

В середине октября 2020 года Framatome и General Atomics Electromagnetic Systems объявили о том, что будут вместе работать над созданием быстрого модульного реактора с гелиевым теплоносителем мощностью 50 МВт (э). Компании надеются создать демонстрационный образец к 2030 году и подготовить его к коммерческому использованию к середине 2030-х годов.

Отдельная тема — высокотемпературные газовые реакторы (ВТГР). Япония еще на рубеже 1990−2000-х годов ввела в эксплуатацию высокотемпературный технический реактор (HTTR) мощностью 30 МВт. Топливом для него служит TRISO — микросферы урана, упакованные в многослойную оболочку из карбида кремния и пиролитического углерода. Главная функция оболочки — удерживать продукты деления внутри микросферы и обеспечивать механическую прочность. Топливные сферы укладывались в трубки, а те собирались в ТВС. Владелец HTTR, компания JAEA, работает над усовершенствованием топлива. Один из вариантов — замена карбида кремния в оболочке микросфер на карбид циркония. Новые частицы уже были облучены в ORNL. Однако, возможно, эта работа продолжится в другом формате: партнер JAEA по производству TRISO, компания Nuclear Fuel Industries Ltd, в июле нынешнего года продала свое оборудование американской X-Energy. Та, в свою очередь, стала эксклюзивным партнером по поставкам TRISO в Японию.

X-Energy — не единственный в США производитель топлива TRISO. Так, BWXT Technologies наращивает производство этого топлива на своем заводе в Линчбурге (Вирджиния) и в июле нынешнего года выиграла конкурс, объявленный INL, на расширение и модернизацию линии по производству топлива TRISO. Контракт рассчитан на 20 месяцев, компания получит $ 26 млн.

В Китае, в городе Вэйхай, компания CNNC строит проект HTR-PM — ВТГР мощностью 200 МВт. Уже идет монтаж оборудования, в этом году должны пройти испытания охлаждающей системы. В Китае микросферы засыпаются прямо в активную зону реактора — это технология «галечного слоя». Реактор также работает на топливе TRISO. Ядро диаметром около 0,5 мм состоит из урана, обогащенного до 8,9% по изотопу ²³⁵U, и помещено в многослойную оболочку. Топливные сферы помещаются в графитовую матрицу диаметром 5 см, покрытую графитовой оболочкой толщиной 5 мм. В активной зоне будут размещаться более 245 тыс. таких графитовых сфер.

Строительство нового ВТГР основано на успехах испытательного реактора ВТГР мощностью 10 МВт. Он был подключен к сети в январе 2003 года. Примерно в то же время Китай создал производство TRISO, а также инфраструктуру, необходимую для манипулирования и транспортировки.

Разнообразие технических концепций реакторов предполагает такое же разнообразие видов топлива: мировой рынок топлива структурирован по типам реакторов.

Разработка и применение новых видов топлива — следствие появления новых типов реакторов. В свою очередь, скорость их создания зависит от объемов финансирования (как показывает практика — прежде всего, государственного) и технологической зрелости, то есть накопленного опыта участников процесса. Некоторые топливные решения, например, TRISO или СНУП‑топливо, жестко привязаны к технологии, используемой в реакторе. Но успешные решения, которые можно будет легко применить для существующих реакторов, будут мгновенно использованы для продвижения и увеличения доли рынка.