Росатом начал испытания МОКС-топлива для перспективных «спектральных» реакторов ВВЭР-С

В Государственном научном центре – Физико-энергетическом институте им. А.И. Лейпунского (АО «ГНЦ РФ - ФЭИ», предприятие Научного дивизиона «Росатома») успешно начались испытания для обоснования нейтронно-физических характеристик активной зоны перспективного реактора со спектральным регулированием ВВЭР-С. Заказчиком НИОКР по топливу для ВВЭР-С является АО «ТВЭЛ».

В подготовке к выполнению экспериментальных исследований кроме АО «ГНЦ РФ - ФЭИ» были задействованы такие предприятия как: АО «ТВЭЛ» и предприятия Топливного дивизиона «Росатома» (АО «СХК», АО «МСЗ»), НИЦ «Курчатовский институт», которые принимали участие на различных этапах работы: формирование расчетной модели, разработка конструкторской документации, изготовление различных элементов для последующего эксперимента, в том числе: твэлы, ПЭЛы (поглощающие элементы), различные имитаторы, вытеснители и прочее.

Твэлы с МОКС-топливом из энергетического плутония для проведения экспериментальных исследований были изготовлены на Сибирском химическом комбинате в Северске и поставлены в АО «ГНЦ РФ - ФЭИ». Для выполнения нейтронно-физических исследований были внесены изменения в проектно-конструкторскую и эксплуатационную документацию критического ядерного стенда БФС-1, Ростехнадзор выдал лицензию на проведение испытаний АО «ГНЦ РФ – ФЭИ».

«В преддверии физического пуска был полностью сформирован макет критической сборки без ядерных материалов внутри и представлен комиссии по ядерной безопасности, которая провела проверку готовности всех систем критического стенда и персонала, программы контрольного физического пуска, и разрешила проведение контрольного физического пуска. После получения разрешения макеты порционно заменялись на настоящие твэлы с энергетическим плутонием», - рассказал начальник комплекса БФС Александр Жуков.

На критическом стенде БФС-1 масштабные экспериментальные исследования нейтронно-физических параметров активной зоны реакторной установки ВВЭР-С со спектральным регулированием были начаты специалистами ГНЦ РФ - ФЭИ в 2023 году.  Данная реакторная установка является развитием направления линейки реакторов ВВЭР, но уже с использованием МОКС-топлива и дополнительной системой спектрального регулирования реакции деления в активной зоне. Работы проводились в несколько этапов. Первым этапом в 2023-2024 годах стала критическая сборка, собранная в классическом для комплекса БФС трубно-блочковом варианте. На втором этапе с 2025 года, после внесения изменений в условия действия лицензии на эксплуатацию критстенда БФС-1, выполнена установка центральной вставки (бака), заполненного водой и установленными во вставке твэлами ВВЭР-С с МОКС-топливом. Работы по ВВЭР-С являются началом работ с линейкой тепловых водо-водяных реакторов с МОКС-топливом.

Стоит отметить, что разработанная двухстадийная экспериментальная программа на стенде БФС-1 с подготовительным (на основе традиционной таблеточной технологии моделирования) и основным (со вставкой с фрагментом типовой решетки реактора ВВЭР-С) этапами для исследования нейтронно-физических характеристик реактора ВВЭР-С с МОКС-топливом при условии ее выполнения в полном объеме позволит в существенной степени сократить дефицит экспериментальных данных. При этом результаты подготовительного этапа служат дополнительным обоснованием программы экспериментов основного этапа.

Реакторная установка ВВЭР-С является результатом последовательного развития технологий ВВЭР и направлена на улучшение её технико-экономических параметров. Первые такие реакторные установки планируют построить на Кольской АЭС-2 в Мурманской области. Одним из нововведений является возможность спектрального регулирования реакции деления вместо использования борной кислоты. При таком способе регулирования излишняя часть нейтронов будет поглощаться ядрами U238 и приводить к образованию Pu239, что в свою очередь позволит продлить топливную кампанию, повысить КИУМ и улучшить экономические характеристики РУ. Изучение нейтронно-физических характеристик активных реакторов ВВЭР с МОКС-топливом позволит сделать еще один шаг на пути создания двухкомпонентной атомной энергетики с реакторами ВВЭР и БН.

По итогам исследований ученые «Росатома» намерены обосновать нейтронно-физические характеристики и безопасность эксплуатации в различных режимах реакторных установок с МОКС-топливом типа ВВЭР (включая будущие перспективные установки), составляющих основу атомной энергетики в России и широко эксплуатирующихся за рубежом на АЭС российского дизайна. 

Сбалансированный ядерный топливный цикл (СбЯТЦ) – это продукт госкорпорации «Росатом», основанный на инновационных практических решениях в области замыкания ядерного топливного цикла, позволяющих эффективно переработать облученное ядерное топливо и обеспечить рациональное обращение с продуктами переработки, как полезными (уран, плутоний), так и направляемыми на захоронение (продукты деления). СбЯТЦ ставит своей основной задачей принципиальное снижение объема и активности радиоактивных отходов, направляемых на захоронение. Сбалансированный ЯТЦ позволяет: повысить безопасность обращения с отходами ядерной энергетики и снизить экологические риски; решить проблему будущих поколений и обеспечить устойчивую модель потребления и производства; минимизировать объемы и степени опасности подлежащих захоронению отходов; повторно вовлечь ценное сырье в ЯТЦ – рециклировать ядерные материалы.

Комплекс быстрых физических стендов БФС, включающий два критических стенда БФС-1 и БФС-2, представляет собой уникальную экспериментальную базу для исследования физики, прежде всего, быстрых реакторов, решения проблемы безопасности, оптимизации активных зон, обоснования параметров замкнутого топливного цикла. Критические стенды имеют один и тот же шаг решетки активной зоны, используют одни и те же материалы для моделирования активных зон,  но различаются размерами. Внесенные изменения в проектно-конструкторскую и эксплуатационную документацию делают критический стенд БФС-1 единственной в России стендовой базой для проведения нейтронно-физических исследований активных зон реакторов ВВЭР с твэлами с МОКС-топливом, находящимися непосредственно в водной среде с требуемым шагом решетки. За более, чем 60-летний срок работы критических стендов специалистами Физико-энергетического института имени А.И. Лейпунского накоплен большой опыт работ по их эксплуатации и проведению экспериментов. На критических стендах собраны и исследовано более 150 критических сборок. Более чем Полувековая успешная работа критических стендов БФС-1 и БФС-2 потребовала их технического перевооружения, которое и было проведено в рамках ФЦП ЯЭНП в 2012-2016 годах. Были заменены инженерные системы критических стендов, изготовлены дополнительные ядерные и конструкционные материалы, заменена аппаратура для научных исследований и другое оборудование.

МОКС-топливо (от англ. Mixed-Oxide fuel) изготавливается с использованием обедненного урана и плутония. В отличие от традиционного для атомной энергетики обогащенного урана, сырьём для производства таблеток МОКС-топлива выступают оксид плутония, наработанного в энергетических реакторах, и оксид обедненного урана.

ВВЭР-С – перспективный водо-водяной реактор для энергоблоков электрической мощностью 600 МВт. Принципиальное отличие ВВЭР-С заключается в спектральном регулировании изменения запаса реактивности активной зоны в процессе выгорания топлива за счет изменения водно-топливного соотношения и полном отказе от жидкостного борного регулирования при работе реактора на мощности.