ТОЛЕРАНТНОЕ ТОПЛИВО

Авария, произошедшая на АЭС Фукусима в 2011 году, показала опасность пароциркониевой реакции, которая возникает при повышении температуры оболочек твэлов после потери теплоносителя и всплеска реактивности. В странах, имеющих высокоразвитую ядерную энергетику, были активизированы разработки по защите от возникновения пароциркониевой реакции. После аварии и появилась концепция «Accident tolerant fuel» (ATF) – толерантного топлива – такого топлива, которое будет устойчиво ко всем техническим инцидентам, которые могут потенциально произойти на АЭС. Первые пробные шаги в вопросах разработки нового топлива для АЭС появились ещё до аварии на Фукусиме, компания Westinghouse, например, вела такие исследования ещё с 2004 года. Аналогичные исследования эксперименты по разработке потенциального нового топлива проводились и в России.

Всего было выделено несколько вариантов разработки толерантного топлива:

1. Добавление новых компонентов в существующие циркониевые оболочки;
2. Создание новых оболочек;
3. Изменение состава ядерного топлива.

У каждого из вариантов есть свои преимущества и недостатки. Ниже приведено их описание:

1. Покрытие циркониевых оболочек коррозийно-стойкими материалами. Основные типы исследуемых покрытий – хром, карбид кремния и коррозийно-стойкие стали. Этот способ является самым «простым» во внедрении, так как при применении таких видов покрытия неизменным остаётся уровень обогащения топлива.
2. Создание новых видов оболочек. Выделяют несколько направлений разработки: стальные оболочки, молибденовые оболочки, а также оболочки из карбида кремния (SiC). Стальные оболочки более устойчивы к высоким температурам и коррозии, чем циркониевые, однако обладают и большим сечением захвата нейтронов. Использование таких оболочек приведёт к необходимости увеличения обогащения топлива больше 5 % или повышения ураноёмкости топливного сердечника. Оболочки из молибдена при относительно невысокой коррозийной стойкости обладают достаточно высоким сечением захвата нейтронов, оба эти фактора предполагают добавление к молибденовым оболочкам иных компонентов для улучшения их свойств (например, стальных). Оболочки из карбида кремния также обладают рядом преимуществ перед циркониевой (меньше значение сечения захвата тепловых нейтронов и отсутствие реакции с водой при повышенных температурах), однако карбид кремния – достаточно хрупкий материал, внедрение которого предполагает собой глубокую переработку конструкции твэлов.
3. Существует несколько вариантов изменения самого ядерного топлива: от самых незначительных (легирование оксидного топлива) до внедрения дисперсного топлива. При легировании топлива (основные добавки – SiC, Cr₂O₃, окись бериллия до 10 %) произойдёт улучшение теплопроводности, как следствие – меньше проблем с перегревом, но потребуется увеличение ураноёмкости самого сердечника. Существуют также направления разработок, предполагающие замену самого топливного сердечника: вместо оксида урана – нитрид урана, диоксид урана, нитридно-силицидное топливо. Высокая теплопроводность, высокая температура плавления и высокая ураноемкость – преимущества этих видов топлива перед «классическим». Значительный выигрыш в ураноёмкости позволит не превышать 5% барьер по обогащению и применить стальные оболочки. Однако, есть и недостатки – пониженная коррозийная стойкость и вероятность захвата нейтронов у нитрида урана. Существует также вариант создания микрокапсульного топлива, но его техническая реализация – самая сложная из всех представленных вариантов изменения самого топлива.

Некоторые организации-разработчики толерантного топлива предлагают комбинировать несколько вариантов толерантного топлива. Многие страны также финансируют проекты сразу по нескольким направлениям разработки толерантного топлива.

В отдельных странах разработка и внедрение толерантного топлива уже вошла в стадию загрузки экспериментальных твэлов в реакторы. Американская компания Westinghouse в 2015 году представила свою разработку толерантного топлива – с оболочкой твэла из карбида кремния, и с силицидом урана вместо оксида урана. Это топливо называется «Westinghouse Encore Fuel». В планах компании было подготовить опытные твэлы в 2018 году, а в 2022 – опытные сборки. 

Компания Global Nuclear Fuel уже приступила к испытаниям разработанного ею толерантного топлива. Ею была отправлена опытная партия кассет с образцами толерантного топлива для испытаний на одном из блоков АЭС «Hatch», во время которых будут тестироваться твэлы с покрытием из сплава железо-хром-алюминий («IronClad») и изменённым циркониевым покрытием («ARMOR»). 4 марта 2018 года эта опытная партия твэлов начала работу. Также компания планирует в 2019 году загрузить ещё одну опытную партию кассет с толерантным топливом на АЭС «Clinton». Министерство энергетики США выделило 33,7 миллиона долларов на поддержку этих проектов.

Компания Framatome также начала испытания своих вариантов толерантного топлива. Для испытаний компания подготовила 2 новых вида топлива: одно с хромовым покрытием, другое – с добавлением оксида хрома в таблетку. Испытания будут проходить в исследовательском реакторе ATR в штате Айдахо, США, и продлятся до 2021 года, затем топливо будет переведено на исследовательский реактор TREAT также в Айдахо. Помимо испытаний в Айдахо, Framatome в конце 2019 года поставит партию противоаварийных твэлов с хромовым покрытием на американский блок ANO-1.

Китайская компания CGN в 2017 году начала испытания «кандидатных материалов» для будущих образцов толерантного топлива на исследовательском реакторе «Сhina Mianyang Research Reactor» (CMRR). Помимо этого, корпорация построит в городе Шэньчжэнь, Китай, свой собственный полигон для внереакторных испытаний ядерного топлива, а также для изучения коррозийных эффектов на ядерные материалы.

В России также проводятся разработки толерантного топлива. В 2018 году в АО «ВНИИНМ» (входит в состав Топливной компании Росатома «ТВЭЛ») был разработан новый состав покрытий твэлов на основе хрома с различным добавками (никель, железо, алюминий). В результате предварительных исследований было зафиксировано увеличение стойкости покрытых образцов в пять раз по сравнению с непокрытыми. В дальнейшем, новые твэлы будут доставлены в ПАО «НЗХК» (Новосибирск) для подготовки к дальнейшим испытаниям на исследовательском реакторе МИР в городе Димитровграде.  Помимо этого, в июне 2018 года специалисты в АО «ВНИИНМ» представили новый дисперсионный топливный сердечник. Этот уран-молибденовый сердечник обладает повышенной ураноёмкостью, а также улучшенными техническими характеристиками, такими как геометрическая стабильность и совместимость материалов топлива и оболочки. Этот новый сердечник также совместим с новыми образцами твэлов, что позволит увеличить эксплуатационную безопасность твэлов, а также снизит степень загрязнения носителя в случае разгерметизации.

Также, у топливной компании «ТВЭЛ» есть ещё 2 направления разработки толерантного топлива: создание оболочек твэлов из сплава 42ХНМ (на основе никеля) или из композитных материалов на основе карбида кремния. Так как в составах обоих сплавов нет циркония, полностью исключается возможность возникновения пароциркониевой реакции. Однако, у обеих потенциальных оболочек есть недостатки: в случае сплава 42ХНМ – это повышенное сечение захвата нейтронов, а в случае композитных материалов – хрупкость самого материала.

В планах у «ТВЭЛ» начать реакторные испытания своего толерантного топлива в 2020 году, однако, какой именно тип топлива будет испытываться, пока неизвестно – это будет определено по результатам проводимых испытаний.

Список литературы:

1. Толерантное топливо для реакторов типа ВВЭР. Основные направления разработки [Электронный ресурс] /Алексей Савченко, 2016;
2. Александр Угрюмов: четыре варианта толерантного топлива [Электронный ресурс] – 2018 / URL: http://atominfo.ru/newss/z0841.htm;
3. Tests begin on Framatome accident-tolerant fuel [Электронный ресурс] – 2018  / URL: http://www.world-nuclear-news.org/Articles/Tests-begin-on-Framatome-accident-tolerant-fuel;
4. Accident-tolerant Fuel [Электронный ресурс] – 2018 / URL: http://www.westinghousenuclear.com/Portals/0/Technovation%20Stuff/Accident%20Tolerant%20Fuel%20Brochure%20.pdf.