23 августа 2012

Харьковский физико-технический институт: научно-техническая поддержка развития ядерных технологий Украины

Atomic-Energy.ru
Южно-Украинская АЭС

В рамках соглашения о научно-техническом сотрудничестве между Национальной академией наук Украины и ГП НАЭК «Энергоатом» идут активные работы по обеспечению стабильного функционирования энергоблоков АЭС.

Атомная энергетика Украины является важной составляющей общего топливно-энергетического комплекса и занимает ведущие позиции в энергообеспечении страны. На четырех атомных электростанциях эксплуатируются 15 энергоблоков (13 ВВЭР-1000 и два ВВЭР-440) с общей установленной мощностью 13835 МВт, вырабатывающие около 50% всей электроэнергии, потребляемой на Украине.

Учитывая важность и наукоемкость развития ядерно-энергетического комплекса, в Национальной академии наук (НАН) Украины было создано новое Отделение ядерной физики и энергетики (ОЯФЭ). В его состав вошли:

  • Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт» (ННЦ  ХФТИ),
  • Институт ядер­ных исследований, Институт прикладной физики,
  • Институт геохимии окружающей среды,
  • Институт электрофизики и радиационных технологий и учебно-научный центр «Физико-химическое материаловедение».

Головная организация отделения – ННЦ ХФТИ.

В настоящее время ОЯФЭ совместно  с институтами отделения физики и астрономии, отделения физико-технических проблем материаловедения, отделения физико-технических проблем энергетики НАН Украины и организациями других ведомств проводит научные исследования в рамках программ в области ядерных и радиационных технологий. В числе таких программ:

  • «Исследования по атомной науке и технике» (АНТ, по заказу НАН Украины);
  • Государственная программа фундаментальных и прикладных исследований по проблемам использования ядерных материалов, ядерных и радиационных технологий в сфере развития отраслей экономики на 2004-2010 годы (ЯМРТ);
  • «Проблемы ресурса и безопасности эксплуатации конструкций, сооружений и машин» (по государственному заказу);
  • программа Минтопэнерго «ЯТЦ» и обновленный план действий на 2008-2010 годы по реализации раздела IV «Развитие ядерной энергетики» Энергетической стратегии Украины до 2030 года;
  • программа НАН Украины по нанотехнологиям;
  • программа Государственного комитета­ ядерного регулирования Украины «Исследо­вания и разработки в области энергетики»;
  • общегосударственная целевая экологическая программа обращения с радиоактивными отходами.

Помимо этого, идут работы по контрактам с МАГАТЭ и Pacific Northwest National Laboratory (США), по проектам Украинского научно-технологического центра и хоздоговорам с ГП НАЭК «Энергоатом», Южноукраинской, Запорожской, Хмельниц­кой и Ровенской АЭС.

Продление срока эксплуатации АЭС

У 12 из 15 энергоблоков украинских АЭС к 2020 году окончится проектный срок эксплуатации. Учитывая высокую стоимость и длительность строительства новых блоков, только продление срока эксплуатации АЭС может спасти страну от энергетического кризиса. Кроме того, это даст отсрочку для решения проблем закрытия АЭС и захоронения РАО. Налицо также экономическая эффективность: на продление срока эксплуатации на 15-20 лет, по расчетам, потребуется около $90 млн, но при этом прибыль составит $1,3 млрд.

НАН Украины совместно с Минтопэнерго и ГП НАЭК «Энергоатом» работают над проблемой научно-технического обоснования продления ресурса службы энергоблоков в рамках Комплексной программы продления срока эксплуатации действующих энергоблоков АЭС и программы ЯМРТ. Разработаны и внедряются новые методы диагностики состояния корпусов реакторов, основного оборудования и трубопроводов АЭС. В частности, освоены технологии вырезки темплетов по внешней и внутренней поверхности корпусов реакторов и трубопроводов для непосредственного контроля их структурного состояния и механических свойств до и после эксплуатации, а также технология коэрцитиметрического контроля напряженно-деформированного состояния корпуса реактора.

 

Вырезка темплета с главной циркуляционной трубы (энергоблок №3 ЮУ АЭС, ППР-2005). Модуль электроэрозионного резания

 

Проанализировано напря­женно-деформированное состояние пяти корпусов реакторов ВВЭР-1000, 24 парогенераторов и около 1200 сварных швов трубопроводов турбинного отделения АЭС. Установлены основные причины разрушения сварных швов труб трубопроводов и преждевременного разрушения теплообменных труб парогенераторов. Рекомендована экспресс-методика контроля трубопроводов и глушения трубок.

Персонал Южноукраинской и Запорожской АЭС осуществил вихретоковый контроль оборудования этих станций. В результате комплексных исследований огромного количества дефектных труб парогенераторов совместно с ННЦ ХФТИ и ГП НАЭК «Энергоатом» разработаны «Атлас эксплуатационных дефектов в теплообменных трубках парогенераторов АЭС с реакторами типа ВВЭР» и каталог напряженно-деформированного состояния основного металла и сварных соединений оборудования и трубопроводов энергоблоков АЭС Украины.

Специалисты Института электросварки им. Е.О. Пато­на и Института ядерных исследований совместно разработали типовую программу контроля свойств корпусов реакторов по образцам-свидетелям, технологии сварки в узкий зазор трубопровода парогенератора ВВЭР-1000 (шов 111) и композитных сварных соединений для увеличения ресурса трубопроводов второго контура. Институтом проблем прочности созданы методики и нормативные документы по оценке конструкционной прочности и ресурса корпусов реакторов и трубопроводов в процессе эксплуатации.

Создание элементов ядерного топливного цикла

Производственные мощности украинской промышленности обеспечивают около 30% природного урана, необходимого АЭС страны, и полностью удовлетворяют потребности Украины в ионообменных смолах и циркониевом концентрате. Все остальные стадии производства ядерного топлива, которое используется на АЭС Украины, реализуются в РФ.
В ближайшее десятилетие необходимо увеличить добычу урана и мощности уранового производства до полного обеспечения потребностей АЭС.

Учитывая наличие в стране богатых залежей урана, циркония и гафния, современных передовых технологий переработки сырья, целесообразно развивать собственное промышленное производство концентрата природного урана, топливных кассет, элементов систем управления, диагностики и защиты реакторов. На предприятиях Украины возможна  организация производства конструкционных материалов на базе отечественного циркония и комплектующих для ТВС из сплавов циркония. Нужно также создать завод для производства ТВС и ядерного топлива. На Украине есть все возможности использования перерабатывающих заводов (Желтые Воды, Днепродзержинск), чтобы производить UF6. Корпоративное участие Украины в создании в городе Ангарске международного центра по обогащению урана и в производстве ТВС для отечественных АЭС позволит замкнуть цикл по производству топлива. Украина заинтересована в масштабной кооперации с Россией в сфере атомной энергетики, особенно в модернизации украинских блоков, в строительстве предприятия по производству ядерного топлива не только для собственных АЭС, но и для АЭС третьих стран.

Регулярно проводятся двусторонние российско-украинские встречи и совещания, где обсуждаются вопросы организации взаимодействия по обеспечению надежной эксплуатации и модернизации основного оборудования АЭС, разработке и внедрению новых методик и систем управления и контроля ресурса, диагностики оборудования.

Например, в октябре 2008 года и в октябре 2009 года в Колонтаево (Россия) и Энергодаре (Украина) успешно проведены российско-украинские совещания-семинары «Развитие атомной энергетики России и Украины – фактор устойчивого межгосударственного сотрудничества».

 

Украинско-российское совещание-семинар «Развитие атомной энергетики России и Украины – фактор устойчивого межгосударственного сотрудничества»

 

Разработана конструкция поглощающих вставок для сухих хранилищ отработавшего ядерного топлива на ЗАЭС

Обеспечение ядерной и радиационной безопасности

Большое внимание уделяется вопросам ядерной и радиационной безопасности. Так, Институт геохимии окружающей среды разработал функциональное районирование Чернобыльской зоны отчуждения, создает методологии оценки безопасности защитных барьеров при выборе мест для геологического захоронения радиоактивных отходов.

Сделан первый шаг в создании на Украине производства поглощающих элементов (пэлов). ННЦ ХФТИ совместно с ГП НАЭК «Энергоатом» разработали и апробировали производство пэлов и поглощающих вставок для сухого хранилища ОЯТ на Запорожской АЭС. Проведены ядерно-физические расчеты и комплекс конструкторско-технологических работ и испытаний на этапе технического проектирования. Сейчас идет процесс подготовки к изготовлению опытных образцов.
Для обеспечения безопасности необходима выработка концепции и единой государственной программы по обращению с отработавшим ядерным топливом АЭС Украины.

Варианты будущего ЯТЦ

Поскольку на Украине ограничены запасы 235U, дальнейшее развитие атомной энергетики на основе традиционных реакторов на тепловых нейтронах маловероятно. Для поддержания уровня выработки энергии на тепловых реакторах необходим переход на топливный цикл Th-233U; наиболее перспективными являются реакторы на быстрых нейтронах.

На будущее в качестве наиболее перспективных ЯТЦ рассматриваются:

  • замкнутый ЯТЦ с реакторами ВВЭР;
  • ЯТЦ с реакторами ВТГР;
  • ЯТЦ с реакторами типа CANDU;
  • замкнутый ЯТЦ с тандемным циклом «реакторы ВВЭР – быстрые реакторы»;
  • ЯТЦ с реакторами с теплоносителем в виде солевых расплавов;
  • ЯТЦ быстрого реактора, работающего в режиме волны ядерного горения.

Особое значение имеет переход к подкритическим ядерным энергетическим системам, управляемым ускорителем. Их работа исключает возможность развития неуправляемой цепной реакции деления ядер, поскольку при выключении ускорителя цепная реакция полностью прекращается. ННЦ ХФТИ совместно с Аргоннской национальной лабораторией США разрабатывает концептуальный проект нейтронного источника на подкритической сборке, управляемого линейным ускорителем электронов. Цель проекта состоит в создании на Украине экспериментальной базы для нейтронных исследований на основе безопасных интенсивных источников нейтронов.

 

Проект общего вида подкритической сборки, управляемой линейным ускорителем с размещенными нейтронными каналами (АНЛ США – ННЦ ХФТИ)

 

Помимо этого, в НАН Украины ведутся научные разработки высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (возможность наработки водорода), быстрого жидкосолевого реактора, реактора на быстрых нейтронах, работающего в режиме волны ядерного горения (Феоктистова-Тейлора) и энергетических термоядерных установок.

Авторы

Неклюдов Иван Матвеевич,
д.ф.-м.н.

Волобуев Александр Васильевич,
к.ф.-м.н.

Национальный научный центр
«Харьковский физико-технический институт»