Atomic-Energy.ru

Оценка готовности перспективных топливных и оболочечных технологий для реакторных систем III и IV поколения

1 апреля 2014
Топливные стержни FBFC компании Areva

Национальная ядерная лаборатория Великобритании (NNL) провела классификацию перспективных видов ядерного топлива и оболочечных материалов с точки зрения уровня готовности технологий. Такой подход позволил определить перспективы проведения НИОКР для различных проектов, а также указать на возможные проблемы, с которыми эти проекты могут столкнуться в будущем.

Понятие «уровень технологической готовности» (УГТ) первоначально было разработано в космических программах НАСА для "идеального" моделирования космических полётов, где, соответственно, было необходимо получить четкое представление о степени готовности развивающихся технологий. Различные стадии разработки технологии (от более простых к более сложным) были разбиты на 10 "уровней", которые, применительно к ядерному топливу, приведены в таблице:

 

УГТ

Описание

Соответствующий пример топлива/оболочки

1

Исследование принципов, лежащих в основе технологии

Выявление перспективных материалов

2

Предложения по практическому применению

Установление дизайна конструкции топливного элемента

3

Успешное тестирование основных компонентов

Тестирование компонентов топлива и оболочек вне реактора и (или) облучение отдельных компонентов

4

Интеграция компонентов в базовую систему

Тестирование стержней вне реактора и (или) облучение в исследовательском реакторе с относительным успехом

5

Успешная демонстрация базовой системы

Успешные реакторные испытания с облучением топливных сборок

6

Конструирование прототипа (значительно более представительного, чем базовая система)

Облучение использованных сборок в прототипном или коммерческом реакторе, но лишь с ограниченным успехом

7

Успешная демонстрация прототипа

Успешное использование сборки в прототипном или коммерческом реакторе

8

Сооружение и сдача в эксплуатацию полноразмерной системы

Сборки, сфабрикованные в "перезагрузочном" объеме (не менее одной трети полной активной зоны реактора) облучены с ограниченным успехом

9

Успешное функционирование полноразмерной системы

Успешный результат облучения сборок в "перезагрузочном" объеме

10*

Длительный срок эксплуатации многих полноразмерных систем

Долговременное использование в промышленных реакторах (многие тысячи часов опыта эксплуатации)

* Пункт 10 не существовал в первоначальных вариантах НАСА так как в космонавтике приходится оперировать, как правило, со штучными изделиями; но он имеет смысл в ядерной энергетике, где одним из этапов развития технологии является переход от опытно-демонстрационных образцов к промышленному производству

 

Следует отметить, что использование терминологии TRL более полезно при сравнении различных технологий, чем при их индивидуальной оценке. При этом описание технологий в терминологии TRL имеет свои ограничения. В лучшем случае это будет несколько сырой и субъективный показатель, также не учитывающий затрат времени и материальных ресурсов. Также никто не может гарантировать, что технология, имеющая высокий рейтинг TRL, окажется практически осуществимой.

Несмотря на эти ограничения, в Национальной ядерной лаборатории Великобритании было принято решение провести комплексную оценку уровня развития топливных технологий, разрабатываемых сегодня в всем мире . Исследуемые системы ядерного топлива касались как уже существующего поколения реакторов («Поколение 3»), так и будущих перспективных проектов («Поколение 4»). Итоговая оценка была посторона на результатах обзоров специальной литературы, посещения конференций и предприятий, а также экспертного обсуждения с партнерами в международном ядерном сообществе.

Материалы, используемые в производстве топлива и оболочек, часто ограничивают возможности реактора. Ключевое значение здесь имеют механическая прочность и жесткость, способность сохранять свойства и структуру при высокой температуре и дозах излучения, коррозионная стойкость, выход газообразных продуктов деления и хранения, а также стоимость и простота производства.

Оценка перспективных видов ядерного топлива                               

Для реакторов третьего поколения стандартными видами топлива является диоксид урана (UO2) или МОКС-топлива (смесь оксидов урана и плутония) в оболочках из циркониевого сплава. В проведенном исследовании TRL были рассмотрены как варианты эволюционного усовершенствования этих технологий, так и революционные материалы и технологии, более относимые уже к реакторам IV Поколения. К следующему поколению реакторов относятся, в частности, высокотемпературные реакторы (HTR) и реакторы-размножители на быстрых нейтронах (FBR), последний из которых во время своей работы "воспроизводит" топливо, что позволяет создавать значительно более устойчивый топливный цикл.

Виды топлива, подлежащие оценке, включали в себя как «эволюционные» UO2 и МОКС-топлива с использованием новых добавок и технологий производства, так и принципиально новые материалы: карбиды, нитриды и силициды урана и плутония, а также металлическое топливо. Было рассмотрено также ториевое топливо как альтернатива уран-плутониевому топливному циклу и топливо в инертной матрице (IMF) для утилизации плутония или ядерных отходов, таких, как минорные актиниды. Наконец, были рассмотрены экзотические виды топлива, как, например, топливо в виде микрочастиц TRISO или жидкосолевые расплавы.

 

Сводная таблица: уровни технологической готовности ядерного топлива / сложность топливной конструкции

 

Оценка перспективных видов топливных оболочек

Кроме того, были рассмотрены 5 основных видов материалов топливных оболочек:

  1. усовершенствованные циркониевые сплавы
  2. стали, в т.ч. ферритные, мартенситные (F/M), понижающие активность (РА) и оксидные дисперсно-упрочненные версии (ODS).
  3. жаропрочные сплавы на основе никеля (использовались во втором быстром реакторе FBR на Доунрейской АЭС в Великобритании и в американских жидкосолевых реакторах), ванадия (использовался в тех же британских быстрых реакторах в Доунрее, а также в международных программах) и хрома.
  4. тугоплавкие сплавы, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов, на основе ниобия, тантала, молибдена и вольфрама, некоторые из которых были испытаны в американском космическом реакторе.
  5. оболочки на керамической основе. Сюда относятся волокнистые композиты на основе карбида кремния (развиваются для использования в термоядерных программах), MAX-керамика (в настоящее время проходят тестовые облучения) и покрытие для частиц топлива реактора TRISO (развивается для немецкой и американской программ высокотемпературных реакторов) и карбида циркония (в настоящее время разрабатывается для прототипов HTR). Керамические оболочки пока не превышают третьего уровня TRL.

 

Сводная таблица: уровень технологической готовности оболочечных технологий / максимальная рабочая температура реактора

 

Перспективные варианты оболочек в целом имеют более низкий показатель TRL, чем соответствующие виды топлива. Поэтому материал оболочки может стать сдерживающим фактором в развитии реакторных технологий. Для перспективных реакторных проектов необходимым условием для их коммерческого использования является тщательнная проработка материалов для оболочек твэлов. Так, для 4 из 6 проектов реакторов четветого поколения (SCWR, LFR, MSR, GFR) уровень разработанности оболочечных технологий оценивался не выше 5.

Также показатели TRL были ниже у оболочечных материалов для реакторных систем с более высокой рабочей температурой, т.е. которые термодинамически более эффективны и могут эффективно поставлять тепло производства водорода.

Соответственно, сегодня именно разработка материалов для оболочек твэлов усовершенствованных и иннновационных реакторов и является одной из самых приоритетных и неотложных задач.

Об авторе

Даниэль Шеферд – сотрудник Престонского центра Национальной ядерной лаборатории Великобритании NNL. Данная работа была профинансирована британским Министерством энергетики и изменения климата в рамках национальной программы по НИОКР в атомной сфере.