Росатом делает ядерное топливо "толерантным"

Программа опытно-промышленной эксплуатации инновационного топлива выполняется на энергоблоке № 2 Ростовской АЭС. Фото пресс-службы Росатома

Госкорпорация «Росатом» начала очередной этап опытно-промышленной эксплуатации ядерного топлива нового поколения безопасности – ATF. Программа выполняется на энергоблоке № 2 Ростовской АЭС. Использование ATF позволит предотвратить развитие нештатных ситуаций в реакторе, что выведет надежность атомной энергетики на еще более высокий уровень.

Аббревиатура ATF расшифровывается как Advanced Technology Fuel, а иногда – как Accident Tolerant Fuel, из-за чего такое топливо иногда называют «толерантным». Оно должно быть устойчиво к пароциркониевой реакции, возникающей при повышении температуры оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) после потери теплоносителя в результате нештатной ситуации на АЭС. Сплавы циркония являются самым распространенным конструкционным материалом оболочек. При нарушениях отвода тепла топливо сильно разогревается, в активной зоне реактора появляется пар, вступающий в реакцию с цирконием, твэлы могут деформироваться, образуется большое количество горючего водорода.

Современные системы безопасности АЭС рассчитаны на такие ситуации. Перспективным направлением развития является ATF-топливо, работоспособное в условиях потери теплоносителя и нарушения отвода тепла в активной зоне реактора. Твэлы в ATF-исполнении в течение достаточно длительного времени должны сохранять целостность без возникновения пароциркониевой реакции. Это позволит предотвратить или существенно замедлить опасные процессы, что выведет надежность атомной энергетики на еще более высокий уровень. При этом такое топливо должно также иметь технологические и экономические выгоды при штатной эксплуатации и быть конкурентоспособным на мировом рынке.

Росатом занимается разработкой ATF с прошлого десятилетия. Ученые рассматривают несколько вариантов решения этой задачи с применением новых топливных и конструкционных материалов. Для испытаний, в частности, были разработаны топливные таблетки, изготовленные как из стандартного диоксида урана, так и плотного уран-молибденового сплава, с оболочками из традиционного циркониевого сплава, покрытого жаростойким хромовым покрытием, а также хром-никелевого сплава. Параллельно были начаты исследования новых твэлов с уран-силицидным топливом. Сообщалось также о тестировании оболочек на основе карбида кремния.

В сентябре 2021 года на энергоблоке № 2 Ростовской АЭС в реакторе ВВЭР-1000 стартовал первый полуторагодичный цикл опытно-промышленной эксплуатации трех комбинированных тепловыделяющих сборок, содержащих по 12 твэлов в ATF-исполнении с инновационными оболочками. Шесть тепловыделяющих элементов в сборке изготовлены с применением в качестве конструкционного материала хром-никелевого сплава, шесть – с использованием циркониевого сплава с хромовым покрытием. Такие технологические решения позволяют полностью исключить либо значительно затормозить развитие пароциркониевой реакции в активной зоне реактора в случае нештатной ситуации.

Инновационные твэлы отработали штатно. В марте 2023 года начался второй полуторагодичный цикл их работы, предусмотренный опытно-промышленной эксплуатацией, а недавно – уже третий, заключительный. Таким образом, топливные кассеты с опытными твэлами пройдут стандартный цикл эксплуатации ядерного топлива для российских реакторов ВВЭР-1000 – три топливные кампании по 18 месяцев. Через полтора года, во время ближайшего планово-предупредительного ремонта на энергоблоке, топливо будет выгружено из активной зоны реактора. Инновационные твэлы тогда ждут послереакторные исследования.

Окончательную квалификацию российское ATF-топливо пройдет после загрузки в реактор топливных кассет, имеющих в своем составе уже не 12, а стандартные для ВВЭР-1000 312 твэлов в инновационном исполнении. Для их изготовления на Чепецком механическом заводе (ЧМЗ) Топливного дивизиона Росатома – компании «ТВЭЛ» в Глазове (Республика Удмуртия) создан производственный участок по нанесению хромовых покрытий на оболочки из традиционного циркониевого сплава. В настоящее время выпущена и прошла приемку опытная партия хромированных оболочек твэлов.

«Ввод на ЧМЗ промышленной установки по производству хромированных твэлов позволит изготовить несколько полноценных топливных кассет в ATF-исполнении, а их опытно-промышленная эксплуатация в реакторе большой мощности станет следующим, уже финальным шагом для квалификации и принятия решения о промышленном производстве российского ATF-топлива», – отметил старший вице-президент по научно-технической деятельности АО «ТВЭЛ» Александр Угрюмов.

«Перед российской промышленностью сегодня стоит цель в кратчайшие сроки обеспечить технологический суверенитет и переход на новейшие технологии. Инновационные технологии Росатома, примером которых является толерантное топливо, основаны на передовых достижениях российской науки и направлены на повышение безопасности и дальнейшее развитие отечественной атомной энергетики», – отметил директор Ростовской АЭС Андрей Сальников.

Кроме перспективного повышения безопасности программа разработки уже дала еще один важный результат. «Оказалось, что хромированные оболочки за счет свойств своей поверхности могут «закрыть» недостающее технологическое звено для создания полностью безлюдного автоматизированного производства топлива ВВЭР пятого поколения – конструкции ТВС-5, – рассказал Александр Угрюмов. – Эта конструкция топлива для реакторов ВВЭР-1200 специально разработана таким образом, чтобы при ее сборке исключить ряд технологических операций, где до сих пор задействован персонал, а не только автоматика. По аналогии с фабрикацией топлива для реакторов на быстрых нейтронах безлюдное промышленное производство необходимо для замыкания ядерного топливного цикла для стандартных тепловых легководных реакторов. Это возможность использовать в качестве топлива не только обогащенный уран, но и материалы, извлеченные из облученного топлива, – регенерированный уран и плутоний».