Хабрахабр

О совершенствовании ядерного топлива

image

То самое, дорогое высокотехнологичное изделие, над созданием которого трудятся сотни инженеров на протяжении последних 50 лет. Ключевым элементом в системе производства атомной энергии является ядерное топливо. 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.

Такие новые конструкции топлива должны быть совместимы с существующими топливными и реакторными системами и соответствовать всем нормативным требованиям современной атомной энергетики. 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.

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.

Данный пучок объединяется в единую конструкцию дистанционирующими решётками «сотового» типа, закреплёнными на центральной трубе. 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.

image
Входной контроль ТВС «западного» дизайна на АЭС

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

Обычно это диоксид урана, гораздо реже — смесь окисей урана и плутония. В качестве материала таблеток повсеместно используется оксид тяжелого металла. Используется в современных энергетических реакторах уран с содержанием изотопа 235U, не превышающим 5%, в том числе уран природного изотопного состава (~0,71%) или слабообогащенный.

Это улучшало потребительские свойства топлива, его надежность и безопасность, обеспечивая ощутимое конкурентное преимущество с ранними версиями ТВС. При сохранении перечисленных общих черт на протяжении последних десятилетий происходило постепенное изменение «вторичных» конструктивных признаков тепловыделяющих сборок.

Вот некоторые из них:

  1. 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.
  2. 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 15x15, стало 17x17.
  3. 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.
  4. 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.

Основные системы безопасности специально проектировались для реагирования на данные проектные события. 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)).

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:

image

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

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. Во время протекания вышеупомянутых событий, нарушается режим охлаждения активной зоны, первое слагаемое правой части становится численно меньше и тепло Q постепенно вызывает увеличение температуры. Физическая деградация оболочки ТВЭЛ начинается при температурах (700-1000 ̊С) и вызывает вздутие и разрыв оболочек.

Ключевым фактором является экзотермичность данной реакции. Химическая деградация выражается, главным образом, путем парового окисления циркония. 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. И конечно же, продуктом данной реакции является взрывоопасный водород.

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.

image
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).

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

Быстрое и очевидное решение —применение защитного покрытия поверхности циркониевой оболочки. 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. Учеными было установлено, что хорошую устойчивость к паровому окислению при высоких температурах имеют хром, алюминий, кремний. Тонкие покрытия на оболочку циркония должны оказывать минимальное влияние на тепло- и нейтроннофизические характеристики топлива. Данные примеси демонстрируют стабильность в высокотемпературной паровой среде, не смотря на то что могут несколько реагировать с паром.

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

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

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

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

Топливные элементы

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. 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. 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.

image
Концепт микроэлементной топливной таблетки

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

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

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

image
Типичная структура микроэлементных таблеток с металлом

Данное изменение позволит снизить температуру в центре таблетки при нормальных и аварийных условиях эксплуатации ТВЭЛ.

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. Для понимания того, как вышеупомянутые нововведения реализуются на практике, приведу следующий пример.

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.

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. Благодаря последним двум параметрам компания предполагает удержать обогащение EnCore в пределах 5%, что облегчит его продвижение на рынке.

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:

  1. Kurt A. Terrani «Accident tolerant fuel cladding development: Promise, status, and
    challenges»;
  2. IAEA-TECDOC-1797 «Accident Tolerant Fuel Concepts
    for Light Water Reactors»;
  3. Материалы журнала «Атомный эксперт» №3, май 2018.
Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть