Исследователи-химики из Владивостока испытали новую технологию спекания таблетированного композитного топлива для АЭС. Она позволяет синтезировать изделия требуемого качества при относительно низкой температуре и за меньшее время, чем традиционные методы. Результаты эксперимента опубликованы в Nuclear Engineering and Technology. Исследование поддержано грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.
Стандартный топливный цикл реактора атомной электростанции составляет 12 месяцев. За это время АЭС потребляет до 30 тонн уранового топлива. Продлить цикл при том же объеме загрузки можно двумя способами: обогатить топливо большим, чем обычно, количеством радиоактивного урана (но стоимость его производства при этом тоже вырастет) или изготовить композитное топливо с так называемыми выгорающими поглотителями нейтронов, например, оксидом гадолиния. Хотя они и не сгорают буквально, в ходе цикла эти добавки медленно уничтожаются. Благодаря им можно использовать ядерное топливо более эффективно, достигая его глубокой выработки с повышенным выделением энергии. Выгорающие поглотители обладают большим сечением захвата тепловых нейтронов, возбуждающих цепную реакцию, и тем самым увеличивают и ускоряют циклы деления атомов урана. Что не менее важно, эти добавки улучшают контроль технологических условий в активной зоне реактора: обеспечивают снижение скачка начальной реактивности при запуске и исключают вредное поглощение нейтронов на поздних стадиях рабочего цикла, что выравнивает характеристики выделения энергии и продлевает срок службы топлива.
Если соединить топливо и поглотитель в одной «таблетке», можно увеличить топливный цикл до 24 месяцев. Благодаря этому на 2–3% снижается и стоимость каждого цикла работы атомного реактора. Свойства оксидов редкоземельных элементов, например, триоксида гадолиния, делают их перспективными выгорающими поглотителями нейтронов. Но добавить их в композитное топливо непросто. В экспериментах разных ученых триоксид гадолиния смешивали с диоксидом урана при температуре 1700 °C и выше и выдерживали для спекания несколько часов. При этом полученное топливо сильно уступало обычному по плотности, прочности и теплопроводности. Традиционные технологии производства топливных изделий оказались не способны улучшить результат. Этот негативный эффект называется «блокировкой спекания» и пока не имеет однозначного обоснования, изучение его причин актуально для науки.
Производство изделий композитного ядерного топлива по технологии SPS Евгений ПапыновИсследователи из Института химии Дальневосточного отделения Российской академии наук и Дальневосточного федерального университета первыми изготовили «таблетки» уранового топлива с триоксидом гадолиния с применением современной ограниченно изученной технологии искрового плазменного спекания (Spark Plasma Sintering, SPS). Ранее они уже синтезировали с ее помощью керамику из самых разных веществ, в том числе и диоксида урана, но без гадолиния. При SPS на порошковую смесь воздействуют электроимпульсным током и постоянным давлением прессования. Выбор оптимальных электрофизических параметров процесса обеспечивает гораздо более быстрый разогрев, чем при других способах. Механизм спекания при этом отличается от известных процессов, что придает уникальность технологии и получаемому изделию.
Химики использовали как чистый диоксид урана, так и его смеси с 2 и 8% триоксида гадолиния, чтобы сравнить структуру и механические свойства разных материалов. В отличие от других способов спекания, весь процесс занимал считанные минуты. Смесь нагревали при сравнительно низких температурах в вакуумной камере под высоким давлением. По сравнению с другими способами спекания, когда высокую температуру требуется поддерживать минимум три часа, эти условия гораздо проще и дешевле. Кроме того, не понадобились никакие добавки для пластичности или упрочнения таблеток.
Ученые установили, что достаточная температура для производства топлива с гадолиниевой добавкой — 1250 °C. При этом характеристики композитных таблеток с поглотителем не идеальны, но лучше, чем у изделий, изготовленных другими методами. Уже сейчас они полностью соответствуют нормативным требованиям, а в дальнейшем могут быть улучшены, например, за счет новых способов подготовки стартовой смеси.
Важным фундаментальным научным результатом эксперимента стало подтверждение одной из гипотез о причинах «блокировки спекания». После тщательного комплексного исследования химического состава и структуры изделия ученые обосновали этот эффект для технологии SPS так: качественные характеристики изделия снижаются, когда атомы гадолиния и урана подвергаются активной взаимопротивоположной диффузии, то есть атомы одного элемента проникают между атомами другого. При этом в керамике формируются дефекты, или стабильные поры. Это явление известно как эффект Киркендалла, и так как при технологии SPS время спекания сокращается, он действует не так долго, как при других способах. Качество топлива при этом страдает не так сильно.
«В этом эксперименте мы достигли ранее неизвестных результатов, которые расширили фундаментальное понимание механизма искрового плазменного спекания при синтезе композитного топлива, и доказали преимущество технологии перед традиционными способами спекания: при более мягких технологических режимах изготовления она позволяет достичь того же качества топливных изделий, — говорит заведующий лабораторией композиционных и керамических функциональных материалов Института химии ДВО РАН кандидат химических наук Евгений Папынов. — Сейчас мы совершенствуем методы подготовки смесей для спекания, чтобы получать материалы с более высокими эксплуатационными прочностными характеристиками, а также расширяем перечень других выгорающих, легирующих и функционализирующих добавок. При этом разрабатываем и реализуем возможности технологии SPS в производстве топлива для нового поколения реакторов: с высокой степенью безопасности (толерантного) и смесевого, в котором используется материал из отработавших топливных сборок».
Синтез и термообработка топливного сырья Евгений Папынов