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:
- усовершенствованные циркониевые сплавы
- стали, в т.ч. ферритные, мартенситные (F/M), понижающие активность (РА) и оксидные дисперсно-упрочненные версии (ODS).
- 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.
- 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.
- 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.
