В Росатоме обсудили внедрение новых поколений ядерного топлива для АЭС

06.12.2022

В Сочи состоялась традиционная научно-техническая конференция Топливной компании ТВЭЛ «Ядерное топливо нового поколения для АЭС. Результаты разработки, опыт эксплуатации и направления развития». В мероприятии приняли участие представители Госкорпорации «Росатом», АО «ТВЭЛ» и предприятий Топливного дивизиона, АО «Концерн Росэнергоатом», АО «Техснабэкспорт», а также специалисты и руководители ведущих научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро, участвующих в создании новых видов, конструкций и модификаций ядерного топлива.

Участники обсудили развитие технологий ядерного топливного цикла в контексте решения стратегических задач атомной энергетики. Внедрение новых видов ядерного топлива имеет ключевое значение для повышения эффективности атомной генерации, создания двухкомпонентной ядерной энергетики с замкнутым ядерным топливным циклом, для решения вопросов обращения с отработавшим топливом и ядерными отходами, а также для дальнейшего развития атомных станций малой мощности и плавучих энергоблоков. Всего было представлено 45 докладов, в том числе 12 – по линии ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, ведущего материаловедческого института атомной отрасли (АО «ВНИИНМ», входит в Топливный дивизион).

«Топливная компания ТВЭЛ должна быть драйвером технологического развития для всей атомной отрасли и выступать с опережающими инициативами в интересах всего Росатома», - подчеркнул в своем приветственном слове директор направления научно-технических исследований и разработок Госкорпорации «Росатом» Виктор Ильгисонис.

Топливные циклы российских АЭС

Главный технолог АО «Концерн Росэнергоатом» Дмитрий Ануфриев рассказал о том, как российские атомщики повышают эффективность АЭС с реакторами ВВЭР за счет решений по ядерному топливу и топливному циклу.

Он отметил, что в России реализована Программа повышения мощности на действующих АЭС. Благодаря внедрению современного топлива с увеличенной ураноемкостью все ректоры ВВЭР-1000 работают на мощности 104% от номинальной в удлиненных 18-месячных топливных циклах. Все новые энергоблоки поколения III+ c реакторами ВВЭР-1200 также будут переведены с 12-месячных на 18-месячные топливные циклы (в 2020 году переведен энергоблок №1 Нововоронежской АЭС-2, до конца 2025 планируется внедрить удлиненный топливный цикл на трех других реакторах ВВЭР-1200 в составе Нововоронежской АЭС-2 и Ленинградской АЭС-2).

Прорабатывается вопрос о повышении мощности энергоблоков ВВЭР-1000 до 107% от номинальной. После выполнения необходимых работ по обоснованию безопасности и согласования с Ростехнадзором проведение комплексных испытаний на одном из энергоблоков может начаться в конце 2024 года,  а в 2025 или 2026 гг. - опытно-промышленная эксплуатация на мощности 107%.

По инициативе АО «ТВЭЛ» в реакторах ВВЭР-1000 Ростовской, Балаковской и Калининской АЭС проходит опытно-промышленная эксплуатация (ОПЭ) новых видов топлива (РЕМИКС, ATF), а также инновационных конструкций. Как отметил Дмитрий Ануфриев, в 2023 году на Ростовской АЭС завершается программа ОПЭ для топлива с антидебризным фильтром второго поколения АДФ-2, после чего может быть принято решение о внедрении такой конструкции на всех российских блоках ВВЭР-1000 (с 2022 года АО «ТВЭЛ» уже поставляет топливо c такими фильтрами в Индию для АЭС «Куданкулам»).

Топливо пятого поколения

Старший вице-президент по научно-технической деятельности АО «ТВЭЛ» Александр Угрюмов отметил, что стратегия российской атомной отрасли заключается в создании двухкомпонентной ядерной энергетики с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах. При этом замыкание ядерного топливного цикла должно быть обеспечено не только для быстрых реакторов, работающих на уран-плутониевом МОКС- и СНУП-топливе, но и для стандартных тепловых легководных установок (на Балаковской АЭС с 2021 года проходит опытно-промышленная эксплуатация уран-плутониевого РЕМИКС-топлива в реакторе ВВЭР-1000).

Для безопасности персонала промышленное производство уран-плутониевого топлива для ВВЭР должно быть полностью автоматизированным и безлюдным, как это реализовано при фабрикации ТВС для «быстрых» реакторов. Для этого в Росатоме разработана конструкция тепловыделяющей сборки пятого поколения для ВВЭР - ТВС-5. Особенность этой конструкции позволит полностью исключить ручной труд при фабрикации топлива, а также изготавливать модификации сборки как для ВВЭР-1000, так и ВВЭР-1200.

Александр Угрюмов подчеркнул, что кассета ТВС-5 прошла полный комплекс дореакторных испытаний. Подтверждена надежность конструкции и возможность использования в реакторах ВВЭР-1000/1200. В ближайших планах – изготовить несколько ТВС-5 со стандартной урановой топливной композицией. При получении лицензии со стороны Ростехнадзора уже в 2023 году планируется начать опытно-промышленную эксплуатацию этого топлива в одном из реакторов ВВЭР-1200 Нововоронежской АЭС-2. После завершения полной программы ОПЭ следующим шагом должна стать опытная эксплуатация в реакторе нескольких ТВС-5 с уран-плутониевым топливом.

Новые материалы

Важное внимание в ходе конференции было уделено новым конструкционным и топливным материалам. Масштабная программа исследований по материалам для оболочек твэлов и топливных таблеток реализуется в рамках разработки «толерантного» топлива нового поколения безопасности ATF (топливные композиции из уран-молибдена и уран-силицида, оболочки из хром-никелевого сплава, циркония с хромовым покрытием и карбида кремния). На Чепецком механическом заводе реализуется проект по созданию производственного участка для нанесения хромовых покрытий на оболочки из традиционного циркониевого сплава. Пуско-наладочные работы планируется выполнить в 2023 году.

Другое направление связано с рециклингом облученного топлива. Ранее в Росатоме обосновали использование в топливе для ВВЭР регенерированного урана, который уже используется в серийных поставках ТВС ВВЭР-440 для Кольской АЭС. Как сообщил Александр Угрюмов, АО «ТВЭЛ» и АО «Концерн Росэнергоатом» работают над внедрением топлива с регенерированным ураном для реакторов ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200, предварительные расчеты подтвердили возможность и целесообразность такого перехода.

Выжигание минорных актинидов

Российская концепция двухкомпонентной атомной энергетики с замкнутым топливным циклом предполагает, что реакторы на быстрых нейтронах должны не только работать на уран-плутониевом топливе (оксидное МОКС-топливо, нитридное СНУП-топливо), но и использоваться для «дожигания» минорных актинидов – наиболее высокоактивных элементов, выделенных из отработавшего ядерного топлива. Это позволит многократно расширить ресурсную базу атомной энергетики, сократить количество облученного топлива (отработавшее топливо будет перерабатываться, а не храниться на площадках АЭС), а также значительно снизить объемы радиоактивных отходов, подлежащих захоронению и их активность. Выделение и «дожигание» минорных актинидов в конечном итоге позволит отказаться от практики глубинного захоронения ядерных отходов.

Александр Тузов, директор НИИ атомных реакторов (АО «ГНЦ НИИАР», г. Димитровград), представил концепцию гетерогенного выжигания
минорных актинидов в реакторе на быстрых нейтронах. Она заключается в том, что для трансмутации минорных актинидов они будут не добавляться в ядерное топливо (как при гомогенном выжигании), а использоваться для изготовления специальных элементов и сборок, которые могут устанавливаться в активную зону, а также в боковой или торцевой экраны реактора. Стержневые элементы с сердечниками на основе оксидов америция и нептуния получили название МАВЭЛ - минор-актиниды выжигающие элементы. Их оболочками могут стать те же материалы, что у тепловыделяющих элементов с ядерным топливом.

В АО «ГНЦ НИИАР» были наработаны опытные партии оксидов нептуния и америция, изготовлены экспериментальные мавэлы на их основе и два облучательных устройства с мавэлами, также три сборки с замедлителем нейтронов. В декабре 2020 года в быстром исследовательском реакторе БОР-60 начались реакторные испытания, в мае 2021 года по два мавэла из каждого облучательного устройства были выгружены для послереакторных исследований. Кроме того, разработаны технические проекты экспериментальных сборок для утилизации минорных актинидов с мавэлами из америция и нептуния в боковом экране реактора БН-800.

Топливо PWR

Специальная тематическая секция была посвящена топливу ТВС-Квадрат (TVS-K) для легководных реакторов зарубежного дизайна PWR. В Росатоме успешно разработан продукт для конкурентного рынка в новом для компании сегменте с устоявшимися правилами. Отмечено, что в результате интенсивной работы российских инженеров ТВС-Квадрат не только сравнялся с зарубежными аналогами, но и по ряду позиций превзошел предложения других поставщиков.

Заложенные в конструкции решения помогут существенно повысить экономическую эффективность энергоблоков с реакторами PWR, при этом потенциал для дальнейшего совершенствования топлива позволяет операторам АЭС выстроить долгосрочную стратегию оптимизации топливоиспользования. Специалисты АО «ТВЭЛ» подчеркнули, что после квалификации в европейском реакторе PWR-900 и успешных результатов послереакторных исследований в независимом научно-исследовательском центре ТВС-Квадрат является крайне востребованным на мировом рынке решением как высокоэффективный продукт и единственное в мире ядерное топливо для PWR, полностью независимое от разработчиков оригинальной реакторной технологии, как в вопросах интеллектуальной собственности, так и в производстве.

Для Справки:

Топливная компания Росатома «ТВЭЛ» (Топливный дивизион Госкорпорации «Росатом») включает предприятия по фабрикации ядерного топлива, конверсии и обогащению урана, производству газовых центрифуг, а также научно-исследовательские и конструкторские организации. ТВЭЛ обеспечивает топливом в общей сложности 75 энергетических реакторов в 15 государствах, исследовательские реакторы в девяти странах мира, а также транспортные реакторы российского атомного флота. Каждый шестой энергетический реактор в мире работает на топливе ТВЭЛ. Топливный дивизион Росатома является крупнейшим в мире производителем обогащенного урана, а также лидером глобального рынка стабильных изотопов.

Технологии и производства ядерного топливного цикла, основанные на передовых достижениях российской науки, находят применения в ряде других отраслей, обеспечивая национальный технологический суверенитет России. В Топливном дивизионе активно развиваются новые бизнесы в области химии, металлургии, технологий накопления энергии, 3D-печати, цифровых продуктов, а также вывода из эксплуатации ядерных объектов. В контуре Топливной компании ТВЭЛ созданы отраслевые интеграторы Росатома по аддитивным технологиям, системам накопления электроэнергии и выводу из эксплуатации ЯРОО. http://www.tvel.ru