Разработка новых видов топлива и конструкционных материалов для крупномасштабной ядерно-энергетической системы России презентация

России

Россия, Москва, 26-27.05.2010.

В.М. Троянов, А.В. Ватулин, В.В. Новиков, И.А. Шкабура
ОАО ВНИИНМ им. А.А. Бочвара

обеспечения ядерно-энергетической системы России: 1 - топливо для реакторов ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200, 2 - концептуальные подходы к созданию производства смешанного топлива для реакторов на быстрых нейтронах, работающих в замкнутом топливном цикле, 3- разработка твэлов дисперсионного типа для плавучих энергоблоков (ПЭБ) и атомных станций малой мощности (АСММ).

требуют своего обоснования!!!

и ТВС-2

гадолиния, интегрированная в топливную матрицу с массовой долей до 10%.

Оболочки твэлов выполнены из оптимизированного сплава Э-110опт.

Топливные таблетки имеют диаметр нар./внутр. 7.6/1.2 мм.

Рассматривается в дальнейшем возможность использования таблеток 7.8 мм без отверстия с соответствующим изменением толщины оболочек 9.10х0.57мм.

сердечника и оболочки при сохранении внешнего размера оболочки.

настоящее время – блок №1 Калининской АЭС

7,57/1,4
10 ТВСА - 7,60/1,2

1 ТВСА - 7,60/1,2 + 18 твэлов 7,6/0,0
1 ТВСА - 7,60/1,2 +18 твэлов 7,8/0,0

- твэлы 7,8/0,0 или 7,6/0,0 (4,4 %)

- твэлы 7,6/1,2 (4,4 %)

- твэлы 7,6/1,2 (4,95 %)

(2006-2007 год)

18 ТВСА - 7,57 / 1,4
18 ТВСА - 7,60 / 1,2
6 ТВСА - 7,80 / 0,0
1 ТВСА - 7,60/1,2 + 18 твэлов 7,6/0,0 (~ 28 МВт*сут/кгU)
1 ТВСА - 7,60/1,2 + 18 твэлов 7,8/0,0 (~ 28 МВт*сут/кгU)

ДР

(2008-2009 год)

36 ТВСА - 7,80 / 0,0
6 ТВСА - 7,80 / 0,0
1 ТВСА - 7,60/1,2 + 18 твэлов 7,6/0,0 (~ 55 МВт*сут/кгU)
1 ТВСА - 7,60/1,2 + 18 твэлов 7,8/0,0 (~ 55 МВт*сут/кгU)

повышенное до 11,4% вес. паросодержание в теплоносителе. Массовое расчетное паросодержание на выходе максимально «горячей» ячейки в течение кампании (реальные параметры для топливного цикла 5х1 год) показано на рисунке.

Э110 при облучение в реакторе в БОР-60

время облучения 4200 час

Радиационный рост

твэлов

Повышение надежности твэлов нового поколения (циркониевая губка, утонение стенки 0.65 ⇒ 0.57 мм)
Обеспечение конкурентоспособности (свойства по коррозии и формоизменению)
Технологичность

приоритетным направлением создание замкнутого топливного цикла (ЗТЦ) с регенерацией плутония из отработавших ТВС для использования его в качестве топлива реакторов на быстрых нейтронах.

изготовление таблеточного смешанного оксидного топлива (МОКС-топлива) для реакторов типа БН. На ПО «Маяк» накоплен опыт по получению на заводе РТ-1 регенерированного диоксида плутония и опытно-промышленному изготовлению ТВС с таблеточным МОКС-топливом для БН-350 и БН-600.
Всего испытано 53 таких ТВС до максимальной глубины выгорания 11,8 % т.а. с повреждающей дозой на оболочке до 82 сна.
В БН-600 проходят испытания три экспериментальных ТВС с таблеточным МОКС-топливом в конструктиве БН-800, отличающемся, главным образом, наличием в верхней части поглощающих элементов вместо торцевого экрана.

так называемые плотные виды смешанного топлива:
нитриды,
карбиды,
металлические сплавы и композиционные топливные материалы на их основе.

В исследовательских реакторах испытано значительное количество экспериментальных твэлов с различным видом плотного топлива, включая нитридное и металлическое смешанное топливо.

составляющей в стоимости киловатт-часа;
- готовность технологий к промышленному внедрению;
- максимальное использование действующих промышленных производств для снижения капитальных затрат;
- интеграция элементов ЗТЦ в действующий топливный цикл;
- минимизация количества РАО на окончательное захоронение;
- минимизация транспортных расходов;
- обеспечение возможности экспорта технологий, продукции и услуг;
- возможность поэтапного совершенствования по экономическим и экологическим показателям.

Принципы создании промышленного производства для смешанного топлива

метода вихревого размола (ВР-процесс). В основе - принцип сухого смешивания диоксидов урана и плутония в электромагнитном вихревом смесителе. Внедренная на ПО «Маяк» технология запатентована в России (Патент РФ №2262756) и в ряде зарубежных стран (Германия, Бельгия, Франция, Китай и др).
Переход к изготовлению таблеток плотного топлива (например, смешанного нитридного) предусмотрен без изменения состава основного технологического оборудования. Требуется лишь создание дополнительного модуля для производства соответствующих исходных материалов.

Твэлы с таблеточным МОХ альтернативы не имеют

fuel elements

up to 20 % h.a.

EFA, BN-600

Experimental fuel elements

up to 15 % h.a.

Irradiation assembly, BN-600

Postirradiation examinations

Material science assembly, BN-600

сна

реакторов.
Обеспечивается преемственность технологий топливного цикла на переходном этапе развития атомной энергетики.
Высокие степени очистки ОЯТ от осколков деления (107 – 108) водных методов переработки позволяют свести к минимуму экологическую нагрузку на топливный цикл, обеспечив приемлемые радиационные характеристики при производстве и обращении со свежими ТВС на всех стадиях.
Продемонстрировано на Западе и подтверждается в России, что водно-экстракционные технологии могут быть малоотходными, с развитыми методами кондиционирования ЖРО и минимально возможными объемами РАО, образующимися от ОЯТ, для захоронения в геологических формациях. Окончательные объемы РАО от переработки ОЯТ фактически зависят от свойств материалов, применяемых для их изоляции (стекло, керамика).

головного ПЭБ - ледокольная активная зона КЛТ-40 канального типа.
В активных зонах атомных ледоколов типа КЛТ-40 используются твэлы на основе высокообогащенного урана (содержащего более 20 % 235U). Для обеспечения экспортного потенциала ПЭБ и АСММ с КЛТ-40С необходимо было разработать топливо с обогащением урана не более 20%.
Разработка твэлов для ПЭБ и АСММ проводилась путем модернизация твэлов атомных ледоколов на основе проверенных конструкции и технологии.
Разработаны твэлы на основе композиции «UO2+алюминиевый сплав» («керметное» топливо), обладающей существенно большей ураноёмкостью, чем топливо атомных ледоколов.
Проведен комплекс дореакторных исследований твэлов, в результате которых определены их характеристики в необлученном состоянии.

успешно проходят испытания разработанных твэлов в составе облучательного устройства «Гирлянда» и в составе полномасштабной ТВС. Испытаны два блока, испытания еще двух блоков и полномасштабной ТВС продолжаются, все твэлы герметичны.
Проведены послереакторные исследования твэлов, достигнувших выгорания вплоть до 0,98 г/см3 (150 МВт·сут/кгU), показавшие их надежность и работоспособность применительно к условиям эксплуатации в КЛТ-40С.

Слева – микроструктура топливной композиции при выгорании 0,89 г/см3; справа – распухание сердечника твэлов в зависимости от выгорания.

исследование поведения негерметичных облученных твэлов в петле реакторе МИР. Результаты этих исследований показали, что керметное топливо не уступает топливу атомных ледоколов по радиационной стойкости в условиях запроектных аварий и по коррозионной стойкости в негерметичном состоянии.
По результатам конструкторско-технологических проработок, дореакторных и послереакторных исследований в 2007 году выпущен, согласован и утвержден технический проект твэла 14-14 для активной зоны головного ПЭБ.