Тяжёловодные реакторы PHWR составляют основу индийской атомной энергетики. В стране эксплуатируется 15 таких реакторов с различной мощностью, завершается строительство ещё 3 PHWR и планируется сооружение ещё не менее 4 тяжёловодников.
О перспективах развития ядерного топлива для PHWR рассказывается в докладе, подготовленном группой специалистов ядерно-энергетической корпорации Индии и переданном в базу данных системы INIS.
Урановые ТВС
Топливные сборки (fuel bundle) индийских реакторов были разработаны на основе канадских технологий для реакторов CANDU. В качестве исходного варианта индийцы использовали конструкцию с 19 твэлами в сборке, но в дальнейшем самостоятельно модифицировали её на 22 твэла. В реакторах PHWR-540 используется 37-твэльный вариант.
В тяжёловодных реакторах CANDU и PHWR активная зона состоит из множества расположенных горизонтально топливных каналов, в каждый из которых загружается 12 и более ТВС.
Пояснение по проекту тяжёловодных реакторов
(рисунок с сайта http://www.nuclearfaq.ca)
В 19-твэльном варианте индийские ТВС состоят из трёх рядов твэлов - 1, 6 и 12 твэлов в ряду, соответственно. Твэлы набираются из таблеток с природным ураном, помещённых в трубки с графитовым покрытием. Длина ТВС составляет 500 мм, а её диаметр - 82 мм.
В реакторах PHWR-220 в один топливный канал загружается по 12 ТВС, а всего таких каналов в активной зоне предусмотрено 306. В базовой конфигурации индийские сборки спроектированы для работы при линейной энергонапряжённости 57,5 кВт/м и глубине выгорания до 15 ГВт×/сут.
Более высокие в тяжёловодниках температуры топлива приводят к большим, по сравнению с PWR и BWR, скоростям выхода осколков в пространство между топливом и оболочкой, но негативные последствия этого компенсируются за счёт очень низкого выгорания.
Конструкционный материал в ТВС индийских тяжёловодников - сплав Zircaloy-4, слабо поглощающий нейтроны и имеющий удовлетворительные механические характеристики. Его количество в активной зоне постоянно минимизируется, так как в реакторах без обогащённого урана паразитное поглощение нейтронов в оболочках может привести к потере работоспособности аппарата.
Одно из наиболее удачных усовершенствований, внесённых индийскими специалистами в исходный канадский проект ТВС, связано с использованием графитового подслоя в топливной таблетке.
На внутреннюю поверхность оболочки таблетки наносится слой графита толщиной порядка 5 микрон, служащий барьером между выходящими из топлива осколками деления - в первую очередь, йодом - и оболочкой из циркалоя. Это позволяет свести к минимуму нежелательные химические реакции на оболочке, способствующие развитию коррозии.
Подобная практика получила своё подтверждение после инцидента на первом блоке АЭС "Нарора" с реактором PHWR-220 в 1992 году, когда резкое падение мощности на 25% привело к разгерметизации сразу 28 ТВС. Все они были без графитового подслоя, в то время, как стоявшие в зоне кассеты с подслоем перенесли инцидент без видимых последствий.
Общие показатели надёжности индийских сборок оцениваются как приемлемые. Всего за всё время существования атомной энергетики в этой стране в реакторы PHWR было загружено около 300 тысяч ТВС. Вероятность появления дефекта оболочек в ходе эксплуатации составила 1:1000, то есть, в каждой тысяче кассет герметичность теряла лишь одна из них. Наблюдаемая активность теплоносителя по 131I в PHWR не превышает 5 мКи/л.
19-твэльный вариант ТВС PHWR-220
MOX и ториевые ТВС
Следующий тип кассет, разработанных для индийских тяжёловодников - сборка MOX-7, позволяющая использовать смешанное уран-плутониевое топливо.
Конструкция MOX-7 скопирована с 19-твэльной урановой сборки PHWR-220 за следующим исключением - внутренние 7 твэлов содержат, помимо диоксида природного урана, добавку в виде 0,4% (по весу) плутония.
Широкое внедрение MOX-7 в индийской атомной отрасли позволило бы существенно сократить расход природного урана на обслуживание парка PHWR. Так, PHWR-220 на природном уране требуется подпитка в объёме 9 кассет на день работы на номинальной мощности. При переходе на MOX-7 это количество снизится до 7 кассет.
Напомним, что реакторах CANDU и PHWR перегрузка топлива производится на ходу.
Внедрение MOX-топлива на индийских тяжёловодниках потребует серьёзной переделки схемы перегрузок. Также значительно снизятся веса управляющих стержней, однако индийцы считают, что необходимые требования к системе СУЗ при работе на MOX-7 будут выполняться. В Индии была изготовлена опытная партия из 50 MOX-7 кассет, которая прошла испытания на первом блоке АЭС "Какрапар" с реактором PHWR-220.
В Индии осуществляется также программа НИР и НИОКР по переходу на ториевое топливо. В различных блоках с PHWR прошли натурные испытания свыше 200 ториевых кассет. Наибольшие достигнутые при этом показатели таковы:
- максимальная мощность ТВС - 408 кВт;
- максимальная глубина выгорания - 13 ГВт×сут.
Ещё одна задача, над которой трудятся индийские атомщики - это повышение глубины выгорания ядерного топлива в тяжёловодниках. Как показывают предварительные расчёты, без больших модификаций используемые в PHWR кассеты могли бы набирать выгорание до 20 ГВт×/сут.
Первые эксперименты подобного рода проводятся на втором блоке АЭС "Какрапар", где для нескольких опытных сборок было получено выгорание до 22,3 ГВт×/сут.