Харьковский физико-технический институт: научно-техническая поддержка развития ядерных технологий Украины

В рамках соглашения о научно-техническом сотрудничестве между Национальной академией наук Украины и ГП НАЭК «Энергоатом» идут активные работы по обеспечению стабильного функционирования энергоблоков АЭС.

Атомная энергетика Украины является важной составляющей общего топливно-энергетического комплекса и занимает ведущие позиции в энергообеспечении страны. На четырех атомных электростанциях эксплуатируются 15 энергоблоков (13 ВВЭР-1000 и два ВВЭР-440) с общей установленной мощностью 13835 МВт, вырабатывающие около 50% всей электроэнергии, потребляемой на Украине.

Учитывая важность и наукоемкость развития ядерно-энергетического комплекса, в Национальной академии наук (НАН) Украины было создано новое Отделение ядерной физики и энергетики (ОЯФЭ). В его состав вошли:

• Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт» (ННЦ  ХФТИ),
• Институт ядер­ных исследований, Институт прикладной физики,
• Институт геохимии окружающей среды,
• Институт электрофизики и радиационных технологий и учебно-научный центр «Физико-химическое материаловедение».

Головная организация отделения – ННЦ ХФТИexternal link, opens in a new tab.

В настоящее время ОЯФЭ совместно  с институтами отделения физики и астрономии, отделения физико-технических проблем материаловедения, отделения физико-технических проблем энергетики НАН Украины и организациями других ведомств проводит научные исследования в рамках программ в области ядерных и радиационных технологий. В числе таких программ:

• «Исследования по атомной науке и технике» (АНТ, по заказу НАН Украины);
• Государственная программа фундаментальных и прикладных исследований по проблемам использования ядерных материалов, ядерных и радиационных технологий в сфере развития отраслей экономики на 2004-2010 годы (ЯМРТ);
• «Проблемы ресурса и безопасности эксплуатации конструкций, сооружений и машин» (по государственному заказу);
• программа Минтопэнерго «ЯТЦ» и обновленный план действий на 2008-2010 годы по реализации раздела IV «Развитие ядерной энергетики» Энергетической стратегии Украины до 2030 года;
• программа НАН Украины по нанотехнологиям;
• программа Государственного комитета­ ядерного регулирования Украины «Исследо­вания и разработки в области энергетики»;
• общегосударственная целевая экологическая программа обращения с радиоактивными отходами.

Помимо этого, идут работы по контрактам с МАГАТЭ и Pacific Northwest National Laboratory (США), по проектам Украинского научно-технологического центра и хоздоговорам с ГП НАЭК «Энергоатом», Южноукраинской, Запорожской, Хмельниц­кой и Ровенской АЭС.

Продление срока эксплуатации АЭС

У 12 из 15 энергоблоков украинских АЭС к 2020 году окончится проектный срок эксплуатации. Учитывая высокую стоимость и длительность строительства новых блоков, только продление срока эксплуатации АЭС может спасти страну от энергетического кризиса. Кроме того, это даст отсрочку для решения проблем закрытия АЭС и захоронения РАО. Налицо также экономическая эффективность: на продление срока эксплуатации на 15-20 лет, по расчетам, потребуется около $90 млн, но при этом прибыль составит $1,3 млрд.

НАН Украины совместно с Минтопэнерго и ГП НАЭК «Энергоатом» работают над проблемой научно-технического обоснования продления ресурса службы энергоблоков в рамках Комплексной программы продления срока эксплуатации действующих энергоблоков АЭС и программы ЯМРТ. Разработаны и внедряются новые методы диагностики состояния корпусов реакторов, основного оборудования и трубопроводов АЭС. В частности, освоены технологии вырезки темплетов по внешней и внутренней поверхности корпусов реакторов и трубопроводов для непосредственного контроля их структурного состояния и механических свойств до и после эксплуатации, а также технология коэрцитиметрического контроля напряженно-деформированного состояния корпуса реактора.

Вырезка темплета с главной циркуляционной трубы (энергоблок №3 ЮУ АЭС, ППР-2005). Модуль электроэрозионного резания

Проанализировано напря­женно-деформированное состояние пяти корпусов реакторов ВВЭР-1000, 24 парогенераторов и около 1200 сварных швов трубопроводов турбинного отделения АЭС. Установлены основные причины разрушения сварных швов труб трубопроводов и преждевременного разрушения теплообменных труб парогенераторов. Рекомендована экспресс-методика контроля трубопроводов и глушения трубок.

Персонал Южноукраинской и Запорожской АЭС осуществил вихретоковый контроль оборудования этих станций. В результате комплексных исследований огромного количества дефектных труб парогенераторов совместно с ННЦ ХФТИ и ГП НАЭК «Энергоатом» разработаны «Атлас эксплуатационных дефектов в теплообменных трубках парогенераторов АЭС с реакторами типа ВВЭР» и каталог напряженно-деформированного состояния основного металла и сварных соединений оборудования и трубопроводов энергоблоков АЭС Украины.

Специалисты Института электросварки им. Е.О. Пато­на и Института ядерных исследований совместно разработали типовую программу контроля свойств корпусов реакторов по образцам-свидетелям, технологии сварки в узкий зазор трубопровода парогенератора ВВЭР-1000 (шов 111) и композитных сварных соединений для увеличения ресурса трубопроводов второго контура. Институтом проблем прочности созданы методики и нормативные документы по оценке конструкционной прочности и ресурса корпусов реакторов и трубопроводов в процессе эксплуатации.

Создание элементов ядерного топливного цикла

Производственные мощности украинской промышленности обеспечивают около 30% природного урана, необходимого АЭС страны, и полностью удовлетворяют потребности Украины в ионообменных смолах и циркониевом концентрате. Все остальные стадии производства ядерного топлива, которое используется на АЭС Украины, реализуются в РФ.
В ближайшее десятилетие необходимо увеличить добычу урана и мощности уранового производства до полного обеспечения потребностей АЭС.

Учитывая наличие в стране богатых залежей урана, циркония и гафния, современных передовых технологий переработки сырья, целесообразно развивать собственное промышленное производство концентрата природного урана, топливных кассет, элементов систем управления, диагностики и защиты реакторов. На предприятиях Украины возможна  организация производства конструкционных материалов на базе отечественного циркония и комплектующих для ТВС из сплавов циркония. Нужно также создать завод для производства ТВС и ядерного топлива. На Украине есть все возможности использования перерабатывающих заводов (Желтые Воды, Днепродзержинск), чтобы производить UF6. Корпоративное участие Украины в создании в городе Ангарске международного центра по обогащению урана и в производстве ТВС для отечественных АЭС позволит замкнуть цикл по производству топлива. Украина заинтересована в масштабной кооперации с Россией в сфере атомной энергетики, особенно в модернизации украинских блоков, в строительстве предприятия по производству ядерного топлива не только для собственных АЭС, но и для АЭС третьих стран.

Регулярно проводятся двусторонние российско-украинские встречи и совещания, где обсуждаются вопросы организации взаимодействия по обеспечению надежной эксплуатации и модернизации основного оборудования АЭС, разработке и внедрению новых методик и систем управления и контроля ресурса, диагностики оборудования.

Например, в октябре 2008 года и в октябре 2009 года в Колонтаево (Россия) и Энергодаре (Украина) успешно проведены российско-украинские совещания-семинары «Развитие атомной энергетики России и Украины – фактор устойчивого межгосударственного сотрудничества».

Украинско-российское совещание-семинар «Развитие атомной энергетики России и Украины – фактор устойчивого межгосударственного сотрудничества»

Разработана конструкция поглощающих вставок для сухих хранилищ отработавшего ядерного топлива на ЗАЭС

Обеспечение ядерной и радиационной безопасности

Большое внимание уделяется вопросам ядерной и радиационной безопасности. Так, Институт геохимии окружающей среды разработал функциональное районирование Чернобыльской зоны отчуждения, создает методологии оценки безопасности защитных барьеров при выборе мест для геологического захоронения радиоактивных отходов.

Сделан первый шаг в создании на Украине производства поглощающих элементов (пэлов). ННЦ ХФТИ совместно с ГП НАЭК «Энергоатом» разработали и апробировали производство пэлов и поглощающих вставок для сухого хранилища ОЯТ на Запорожской АЭС. Проведены ядерно-физические расчеты и комплекс конструкторско-технологических работ и испытаний на этапе технического проектирования. Сейчас идет процесс подготовки к изготовлению опытных образцов.
Для обеспечения безопасности необходима выработка концепции и единой государственной программы по обращению с отработавшим ядерным топливом АЭС Украины.

Варианты будущего ЯТЦ

Поскольку на Украине ограничены запасы ²³⁵U, дальнейшее развитие атомной энергетики на основе традиционных реакторов на тепловых нейтронах маловероятно. Для поддержания уровня выработки энергии на тепловых реакторах необходим переход на топливный цикл Th-²³³U; наиболее перспективными являются реакторы на быстрых нейтронах.

На будущее в качестве наиболее перспективных ЯТЦ рассматриваются:

• замкнутый ЯТЦ с реакторами ВВЭР;
• ЯТЦ с реакторами ВТГР;
• ЯТЦ с реакторами типа CANDU;
• замкнутый ЯТЦ с тандемным циклом «реакторы ВВЭР – быстрые реакторы»;
• ЯТЦ с реакторами с теплоносителем в виде солевых расплавов;
• ЯТЦ быстрого реактора, работающего в режиме волны ядерного горения.

Особое значение имеет переход к подкритическим ядерным энергетическим системам, управляемым ускорителем. Их работа исключает возможность развития неуправляемой цепной реакции деления ядер, поскольку при выключении ускорителя цепная реакция полностью прекращается. ННЦ ХФТИ совместно с Аргоннской национальной лабораторией США разрабатывает концептуальный проект нейтронного источника на подкритической сборке, управляемого линейным ускорителем электронов. Цель проекта состоит в создании на Украине экспериментальной базы для нейтронных исследований на основе безопасных интенсивных источников нейтронов.

Проект общего вида подкритической сборки, управляемой линейным ускорителем с размещенными нейтронными каналами (АНЛ США – ННЦ ХФТИ)

Помимо этого, в НАН Украины ведутся научные разработки высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (возможность наработки водорода), быстрого жидкосолевого реактора, реактора на быстрых нейтронах, работающего в режиме волны ядерного горения (Феоктистова-Тейлора) и энергетических термоядерных установок.

Авторы