4 октября 2014

Быстрые шведы

Рис.1. Процесс спекания и готовая таблетка плотного нитридного топлива

В настоящее время Швеция участвует в реализации большого количества различных фундаментальных и прикладных научных проектов, направленных на изучение ядерных энергетических технологий будущего, а по некоторым из них выступает в качестве координатора.

Основными организациями-участниками этих работ являются следующие научные организации страны: "KTH Royal Institute of Technology", "Chalmers University of Technology" и "Uppsala University".

Перспективное топливо

В вопросе фабрикации плотного топлива шведы добились заметных успехов. В частности, экспериментальные партии UN-порошков изготавливаются на базе исследовательского института KTH.

Спекание таблеток осуществляется методом плазменного синтеза (spark plasma sintering - SPS), который протекает при воздействии силы тока в 5000 А (Рис.1).
Проведённые эксперименты показали, что плотность таблеток, полученных при температуре 1450°С, составляет 91,8±0,01% от теоретической, а при температуре 1650°С - 99,8±0,01%, что является мировым рекордом.

В ближайшее время в KTH должны стартовать исследования, направленные на фабрикацию америций-содержащего плотного топлива.

Исследования по фабрикации широкого спектра нитридных топливных композиций проводятся и в специальной лаборатории, оборудованной перчаточными боксами, на базе университета Chalmers. Это единственная подобная университетская лаборатория в Европе.
Первые гранулы ZrN были получены весной 2013 года, а фабрикация нитридного (Pu,Zr)N-топлива проводится путём золь-гель процесса. Кроме того, в лаборатории изготавливаются топливные микросферы Zr(N,O).

Одним из международных исследовательских проектов, в которых Швеция выступает в качестве лидера-координатора, является проект ASGARD.
Этот проект направлен на исследование возможностей растворения различных топливных композиций (оксидных, нитридных и карбидных). Бюджет проекта составляет порядка 10 миллионов евро, а финансируется он в рамках 7-ой европейской рамочной программы исследований и технологического развития (7th Framework Programme).

Участвуют в проекте 16 организаций из девяти европейских стран, а координирующей организацией выступает шведский университет Chalmers.
Непосредственно за шведскими специалистами закреплены эксперименты по следующим направлениям:

  • фабрикация и растворения следующих топливных композиций - UN, (U,Zr)N и (Pu,Zr)N;
  • растворение топливной композиции (Pu,Am)O2.

Материаловедение

В институте KTH совместно с компанией "Sandvik" проводятся разнообразные материаловедческие исследования в области коррозионной стойкости инновационных марок сталей (к примеру, Fe10Cr6Al-RE) при их длительном взаимодействии с расплавленным свинцом (около 550°С).
В частности, изучаются возможности нанесения ультратонких защитных покрытий в виде оксида алюминия на стальные поверхности.

Кроме того, в Швеции был проведён эксперимент по изучению проблематики взаимодействия топлива и теплоносителя, который показал, что между гранулами уран-нитрида, спечённого по упомянутому выше методу SPS, и свинцом с низким содержанием кислорода при температуре 1090°С не происходит никакого взаимодействия.

Также был проведён эксперимент по погружению разогретых до 1060°С уран-нитридных гранул в "холодную" (200°C) эвтектику свинца-висмута, в результате которого гранулы остались целыми.

Что касается общих вопросов освоения технологии тяжёлых жидкометаллических теплоносителей, то в Швеции с 2004 года функционирует тестовая свинцово-висмутовая петля высотой шесть метров, которая в основном используется для изучения свойств естественной конвекции.

Отдельные эксперименты по теплофизике проводятся в кооперации с европейскими партнёрами. В частности, изучаются вопросы образования и переноса газовых пузырей в эвтектике свинец-висмут.

Международные проекты РУ

Участие шведской стороны в проекте создания энергоблока с натриевой реакторной установкой ASTRID заключается, во-первых, в оценке вероятности и сценариев протекания тяжёлых аварий (в том числе и с учётом возможного расплава активной зоны).

А во-вторых, шведы проводят исследования в области способов мониторинга нейтронно-физического состояния активной зоны, органов СУЗ, акустических методов обнаружения утечек в парогенераторах и других. На эти работы суммарно выделено 3,5 миллионов евро, а проводятся они объединёнными силами специалистов KTH, Chalmers и Uppsala.

Кроме того, Швеция принимает активное участие в реализации проекта по сооружению исследовательского комплекса MYRRHA. В настоящее время в рамках совместных проектов с другими участниками из Евросоюза изучаются, к примеру, вопросы взаимодействия эвтектики свинец-висмут и MOX-топлива при температурах около 1600°С, а также вопросы дисперсии расплавленного топлива в этом типе теплоносителя.

Кроме того, шведской компанией "Sandvik" специально для проекта MYRRHA были изготовлены оболочки твэлов.

Шведские проекты РУ

Помимо участия в международных проектах, шведские учёные трудятся и над собственными разработками.
В частности, существуют проработки атомной станции малой мощности (АСММ) с реактором со свинцовым теплоносителем под незамысловатым названием Swedish Advanced Lead Reactor (SEALER) мощностью 3 МВт(эл.) при 8 МВт(тепловых).

При этом предполагается, что этот реактор будет работать на традиционном UO2-топливе обогащением чуть ниже 20% по 235U.
По расчётам разработчиков, без перегрузки топлива такая установка сможет проработать порядка 30 лет, а её габариты (корпус 2,7 м в диаметре и 6 м в высоту) позволят доставлять её к месту эксплуатации воздушным транспортом.

Активная зона (а.з.) реактора SEALER, картограмма которой представлена на Рис.2, состоит из 19 ТВС, содержащих в сумме 1729 твэлов.
Высота а.з. - 1,1 м, диаметр - 0,8 м (при этом общий диаметр корзины а.з. равен 1,7 м). Загрузка топлива по UO2 составит без малого 2,5 т.
Компоновка а.з. предполагает наличие 12 стержней регулирования (B4C) и шести стержней аварийной защиты (10B4C). В качестве отражателя выступает ZrO2, а в качестве защитного экрана - B4C.

 

Рис.2. Картограмма активной зоны реактора SEALER.

Шведские разработчики предполагают, что проект АСММ SEALER, прежде всего, окажется востребованным поселениями в отдалённых уголках Канады.

По их подсчётам, порядка 50 канадских поселений с населением от 200 до 7000 человек (Рис.3) не имеют возможности подключиться к централизованной электросети и остаются зависимыми от дизель-генераторов, топливо для которых может быть завезено в эти места только в летний период времени, а стоимость электроэнергии в этих поселениях в итоге составляет от 0,5 до 2 $/кВт×ч.

В таких условиях энергоблок с реактором SEALER представляется вполне конкурентоспособным, особенно вкупе с тем фактом, что выбранная технология исключает возможность возникновения аварий с необходимостью эвакуации населения (использование свинца в качестве теплоносителя), а также не требует перегрузки топлива в период всего срока эксплуатации.

Рис.3. Канадское поселение Resolute Bay. Население 230 человек, средняя температура зимой -30°С. На переднем плане дизель-генератор мощностью 2 МВт, стоимость генерации - 0,9 $/кВт×ч.

Параллельно в университете Uppsala ведутся разработки реактора на быстрых нейтронах под названием Swedish Autonomous Fission Energy Reactor (SAFER).

Этот реактор должен отвечать всем требованиям по внутренне присущей безопасности (в частности, иметь обратную связь по реактивности), а его системы безопасности должны быть исключительно пассивными.
Планируется, что стартовой топливной загрузки должно хватать на 30 лет работы (при учёте использования установки на полную мощность), а рост реактивности при этом должен быть минимальным.
Кроме того, планируется, насколько это возможно, минимизировать габариты и вес основного оборудования реакторной установки для возможности их массового производства.

В реакторе SAFER предполагается использование металлического топлива, представляющего из себя кольцевые таблетки с небольшим содержанием циркония (около 2%).
На Рис.4 схематично представлен твэл, разрабатываемый для реактора SAFER. Стрелками на рисунке указаны (начиная сверху и далее по часовой стрелке): верхняя заглушка, газовый зазор, газовый фильтр, топливо, втулка, оболочка, стальной отражатель, нижняя заглушка, полость заполненная гелием, свободное пространство на случай распухания топлива.

Рис.4. Твэл реактора SAFER.

В качестве теплоносителя будет выступать жидкий металл, но какой точно, ещё неизвестно, выбор идет между натрием и свинцом. Во втором случае планируется использовать свойства естественной циркуляции.

Мощность установки так же окончательно не определена, проработки ведутся для реактора мощностью от 50 до 500 МВт(тепловых). Кроме того, проводятся необходимые теплофизические исследования.