Ключевым элементом в системе производства атомной энергии является ядерное топливо. То самое, дорогое высокотехнологичное изделие, над созданием которого трудятся сотни инженеров на протяжении последних 50 лет. Однако, тяжелые аварии, например, на АЭС Три Майл Айленд и Фукусима-Дайичи, показали, что в экстремальных условиях ядерное топливо скорее всего потерпит неудачу и авария приведет к существенным последствиям.

Признавая, что нынешние конструкции топлива уязвимы к тяжелым авариям, возобновляется интерес к проектам альтернативного топлива, которые будут более устойчивыми к отказу и производству водорода, как главному фактору, который приводит к этому отказу. Такие новые конструкции топлива должны быть совместимы с существующими топливными и реакторными системами и соответствовать всем нормативным требованиям современной атомной энергетики.

Немного к истокам и нынешнее положение дел

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. Такая вот обобщенная статистика для понимания энергоемкости ядерного топлива.

Нынешнее ядерное топливо или тепловыделяющая сборка (ТВС) для большинства АЭС это машиностроительное изделие, представляющее собой пучок циркониевых цилиндрических оболочек (ТВЭЛов), заполненных таблетками из обогащенного урана и газом под давлением. Данный пучок объединяется в единую конструкцию дистанционирующими решётками «сотового» типа, закреплёнными на центральной трубе.

Входной контроль ТВС «западного» дизайна на АЭС

Считается, что цирконий в качестве оболочки ТВЭЛ впервые был предложен адмиралом Хайманом Риковером в июне 1946, для программы транспортных реакторов морского флота США. Данный материал обладает нужными свойствами и прекрасно зарекомендовал себя за долгое время.

В качестве материала таблеток повсеместно используется оксид тяжелого металла. Обычно это диоксид урана, гораздо реже — смесь окисей урана и плутония. Используется в современных энергетических реакторах 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 тепловыделяющих сборок. Это улучшало потребительские свойства топлива, его надежность и безопасность, обеспечивая ощутимое конкурентное преимущество с ранними версиями ТВС.

Вот некоторые из них:

• Увеличение уровня обогащения: в 1970-х годах оно едва превышало 3%, тогда как сегодня максимальное обогащение для легководных реакторов приближается к 5%. Наряду с повышением уровня обогащения происходит его профилирование в активной зоне реактора — вплоть до различий между частями таблетки в перспективном топливе.
• Увеличение загрузки урана по массе. Это изменение произошло прежде всего за счёт изменения геометрии ТВЭЛ и конструкционных частей ТВС. Например, для реакторов ВВЭР увеличивалась длинна «топливной» части сборки – приблизительно на 15 см. Для реакторов западного дизайна со временем изменилось количество ТВЭЛ в сборке квадратного профиля: было 15×15, стало 17×17.
• Существенные изменения в циркониевых сплавах. 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. Совершенствовались технологии по минимизации содержания гафния в циркониевом сплаве.
• Комплексное усовершенствование конструкций ТВС. В течение развития исключались некоторые элементы конструкции сборок (кожухи и чехлы ТВС). Появлялись решения, повышающие прочность тепловыделяющей сборки, её устойчивость к деформациям, решения, обеспечивающие дополнительную целостность ТВЭЛ (внедрение антидебрисных фильтров) и удовлетворяющие новые регуляторных требования, например, к сейсмостойкости. Конструкцию ТВС сделали разборной, тем самым допустив замену отдельных ТВЭЛов и продолжение эксплуатации.

Выше перечислены далеко не все, а скорее самые основные изменения в конструкции топлива, которые произошли с момента фабрикации первых ТВС.

Камень преткновения

Из первого пункта можно догадаться, что нынешние ТВС за долгое время развития уже успели дойти до предельных показателей эффективности и безопасности, но как минимум два фактора ныне обязывают конструкторов продолжать совершенствовать ядерное топливо дальше.

Учитывая колоссальную удельную мощность энерговыделения активной зоны легководного реактора ~ 150 Вт / см3, в сочетании с возможностью введения положительной реактивности или потерей охлаждения в этой сложной системе, инженеры, проектирующие реакторы ещё с самого начала понимали важность проектирования систем безопасности.

Чтобы разработать стратегию смягчения последствий, при возникновении аварий, за основу для проектирования систем безопасности были взяты два вида событий: события, основанные на положительном вводе реактивности (reactivity insertion accident (RIA)) и события основанные на потере теплоносителя (loss-of-coolant accident (LOCA)). Основные системы безопасности специально проектировались для реагирования на данные проектные события.

Но опыт таких аварий как на АЭС Три Майл Айленд и Фукусима-Дайичи доказал, что при множественных отказах и наложениях исходных событий, активные системы безопасности не в состоянии справится с возложенными на них функциями, в особенности отводе остаточного тепла от ТВС, находящихся в активной зоне.

Уравнение теплопереноса в его простой форме хорошо объясняет происходящее в ядерном реакторе при развитии аварии с потерей теплоотвода:

Левая часть уравнения описывает изменение температуры (T) по времени (t); данное изменение также определяется теплоемкостью материалов в активной зоне (рСр). Первое слагаемое в правой части в общем случае представляет в упрощенной форме процессы теплообмена (кондукцию, конвекцию и излучение) для отвода тепла от активной зоны. Второе слагаемое – количество генерируемого тепла в активной зоне (Q).

Во время протекания вышеупомянутых событий, нарушается режим охлаждения активной зоны, первое слагаемое правой части становится численно меньше и тепло* Q *постепенно вызывает увеличение температуры. С того момента, как активная зона реактора становится частично или полностью оголенной (падает уровень воды, вода сменяется паром), резко падает эффективность теплоотвода от активной зоны, температуры ТВЭЛ продолжают расти, что служит началу химической и физической деградации ТВЭЛов. Физическая деградация оболочки ТВЭЛ начинается при температурах (700–1000 ̊С) и вызывает вздутие и разрыв оболочек.

Химическая деградация выражается, главным образом, путем парового окисления циркония. Ключевым фактором является экзотермичность данной реакции. И конечно же, продуктом данной реакции является взрывоопасный водород. Для примера, ~ 125 кг циркония в каждой топливной сборке реактора под давлением производят около 820 МДж тепла и более чем 2700 моль газообразного водорода при реакции с паром. В зависимости от проекта легководного реактора, около 25–40 тонн циркония присутствует в активной зоне, при полном окислении которого будет произведено огромное количество тепла, в добавок к остаточному (в лучшем случае) энерговыделению самого топлива.

Величина тепловой мощности системы в зависимости от времени останова реактора с учетом экзотермической реакции окисления циркония

Сгенерированный водород, в свою очередь, не будет мирно скапливаться, и без должного срабатывания систем по его утилизации, приведет к масштабному взрыву или пожару, пока активная зона может проплавить корпус и взяться за бетон реакторного отделения.

Концепция топлива, устойчивого к авариям

Описанный выше апокалиптический сценарий в основных чертах повторяет события на АЭС «Фукусима» в 2011 году. Данное событие привело к пересмотру ряда стандартов ядерной безопасности, особенно касающихся серьезных проектных и запроектных аварий (с полным обесточиванием реакторной установки и потерей теплоносителя). В том числе благодаря этой аварии во многих регионах мира обострилась конкуренция АЭС с другими энергоисточниками, что значительно повышает требования к экономике атомных станций, а также их безопасности (при равных или порой проигрышных экономических показателях проектов инвесторы могут отдать предпочтение неядерным источникам энергии).

Данный фактор существенно повышает требования ко всем элементам производства электроэнернегии на АЭС в особенности к ядерному топливу. 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.

В основе философии изменений конструкции ТВС лежит замены материалов основных компонентов ядерного топлива, в основном оболочек ТВЭЛ и топливных таблеток на материалы, которые будут более устойчивы к процессам, происходящим в момент протекания аварии.

Оболочка ТВЭЛ

Основным подходом в выборе материалов оболочки ТВЭЛ для ATF топлива является необходимость исключения или снижения степени пароциркониевой реакции и, как следствие, выделения дополнительного тепла и водорода. Быстрое и очевидное решение —применение защитного покрытия поверхности циркониевой оболочки. Тонкие покрытия на оболочку циркония должны оказывать минимальное влияние на тепло- и нейтроннофизические характеристики топлива. Учеными было установлено, что хорошую устойчивость к паровому окислению при высоких температурах имеют хром, алюминий, кремний. Данные примеси демонстрируют стабильность в высокотемпературной паровой среде, не смотря на то что могут несколько реагировать с паром.

Скорость параболического окисления для различных материалов в паре в зависимости от температуры

Как видно из графика, скорость окисления этих материалов, которые образуют и соответственно защищены своими оксидными пленками на два порядка ниже чем скорость окисления циркония. Снижение скорости парового окисления непосредственно влияет на скорость выделения тепла и водорода при тяжелой LOCA в активной зоне реактора.

Покрытие оболочек ТВЭЛ металлическим хромом ныне считается самой перспективной технологией для дальнейшего развития. Также перспективными считаются оболочки ТВЭЛ без использования циркония, например материалы FeCrAl, и SiC/SiC.

Тестирование кремниевой оболочки топлива EnCore (Westinghouse) при температуре выше 1300ºC

Топливные элементы

Вторым по значимости направлением в развитии ATF топлива является выбор и обоснование материала топливной матрицы, которая будет обладать лучшей, по сравнению с классической керамикой, теплопроводностью. 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. Институт атомной энергии Южной Кореи (KAERI) работает над созданием микроэлементных таблеток (microcell) для увеличения способности удержания продуктов деления и лучшей, по сравнению с обычными таблетками диоксида урана, теплопроводности.

Концепт микроэлементной топливной таблетки

На рисунке показана концептуальная иллюстрация, где видно, что зерна или гранулы UO₂ окружены тонкой стенкой. Главной задачей создания таких таблеток является уменьшение выхода продуктов деления из таблетки. Улучшенная возможность удерживать продукты деления уменьшает коррозионное растрескивание под напряжением с внутренней стороны ТВЭЛ, вызванное йодом и цезием.

Ожидается, что это может положительно влиять на прочность топливных стержней. Также микроэлементная структура предотвратит массированную фрагментацию таблетки при аварии, тем самым обеспечив дополнительное удержание радиоактивных продуктов деления.

Теплопроводность таких таблеток можно повысить с помощью добавления материалов с высоким коэффициентом теплопроводности, например, используя металлы в виде стенки одного элемента.

Типичная структура микроэлементных таблеток с металлом

Данное изменение позволит снизить температуру в центре таблетки при нормальных и аварийных условиях эксплуатации ТВЭЛ. Для понимания того, как вышеупомянутые нововведения реализуются на практике, приведу следующий пример. 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.

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 ~1/4 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.

Итоги

Изменения, описанные выше являются частью фактически реализуемых проектов сейчас. Возможно, в будущем мы станем свидетелями внедрения более экзотических решений.

Пока только стоит отметить, что появление на рынке экономически выгодных и новых, с точки зрения безопасности, проектов ядерного топлива поможет укрепить позиции атомной энергетики в мире.

Автор: Яценко Михаил.

Источники:

• Kurt A. Terrani «Accident tolerant fuel cladding development: Promise, status, and

challenges»;

• IAEA-TECDOC-1797 «Accident Tolerant Fuel Concepts

for Light Water Reactors»;

• Материалы журнала «Атомный эксперт» №3, май 2018.