Создание промышленного производства МОКС-топлива

Особенностью атомной энергетики является длительность процесса внедрения инновационных решений по типу используемых реакторов и их топливному циклу. В то же время принятые в оптимальные сроки правильные решения в области инновационного развития определяют перспективы и экономическую привлекательность (конкурентоспособность) отрасли на десятилетия вперед.     

Реакторы типа ВВЭР и БН (не считая «сходящих со сцены» РБМК) сегодня составляют основу российской атомной энергетики и, вероятно, будут играть ту же роль в первой половине XXI века. В настоящее время они используют оксидное топливо.

Перспективным «конкурентом» такому виду топлива является плотное нитридное топливо. Однако, при его несомненных преимуществах с точки зрения обеспечения безопасности реакторов, предстоит длительный путь по освоению технологии, обоснованию внедрения плотного топлива на эксплуатируемых реакторах и, возможно, на установках нового типа. В связи с этим представляется весьма логичным, что в планах инновационного развития Госкорпорации «Росатом», изложенных в Федеральной целевой программе «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010–2015 годов и на перспективу до 2020 года», проекты по разработке плотного топлива сочетаются с промышленным освоением и внедрением смешанного оксидного (МОКС) топлива*.

Создание производства МОКС-топлива обусловлено также необходимостью утилизации 34 т оружейного плутония в соответствии с соглашением между Россией и США.

Технологии изготовления ядерного топлива

Исторически в СССР, а ныне в Российской Федерации разрабатывались и обосновывались две технологии формирования топливного сердечника твэла ядерного реактора: таблеточная технология и технология виброуплотнения. Каждая из технологий имеет свои преимущества и недостатки.

В технологии виброуплотнения для достижения приемлемой эффективной плотности топливного сердечника порошковое топливо разделено на несколько фракций, различающихся по размеру частиц. Кроме того, присутствуют или могут иметь место целевые добавки, в частности, геттер (металлический уран) или выгорающие поглотители. В общем виде технология виброуплотнения включает следующие стадии: классификация смеси по фракциям, составление навески гранулята с целевыми добавками на один твэл, смешивание гранулята перед засыпкой в оболочку, засыпка в оболочку и собственно виброуплотнение.

Преимущества технологии виброуплотнения топливного столба твэла реактора на быстрых нейтронах следующие:

• возможность использования многокомпонентных топливных сердечников с варьируемыми параметрами, что особенно привлекательно в условиях замкнутого топливного цикла с трансмутацией минорных актинидов;
• относительная простота реализации технологического процесса при дистанционном и автоматическом управлении;
• возможность изготовления твэлов сложного, в принципе произвольного профиля.

Недостатками технологии являются сложность контроля качества сформированного топливного столба. Кроме того, экспериментальное подтверждение эксплуатационной надежности топлива пока получено в недостаточном объеме.

Таблеточная технология МОКС-топлива представляет собой проекцию давно и успешно освоенной технологии урановой «таблетки» на изготовление смешанного оксидного уранплутониевого топлива. Преимуществом данной технологии является то, что «таблетки»,  как продукт отдельного передела, хорошо поддаются контролю. Кроме того, уже получен значительный положительный опыт фабрикации и облучения экспериментальных тепловыделяющих сборок (ТВС) с таблеточным топливом в активной зоне реактора БН-600. К числу недостатков можно отнести чувствительность технологии к примесям и целевым добавкам, например, при реализации замкнутого цикла с трансмутацией минорных актинидов.

Создаваемые Производства

Строящийся на площадке Белоярской АЭС энергоблок с реактором БН-800 должен быть введен в эксплуатацию в 2014 году. Его активная зона будет содержать МОКС-ТВС с твэлами, изготовленными как путем виброуплотнения, так и по таблеточной технологии. Для обеспечения поставок топлива на площадке ФГУП «ГХК» будет создано промышленное производство МОКС-топлива по таблеточной технологии, в ОАО «ГНЦ НИИАР» – по технологии виброуплотнения. Таким образом, Госкорпорация «Росатом» рационально использует имеющиеся мощности и квалифицированных специалистов и не планирует выделение новых площадок под производство МОКС-топлива.

Стоимость изготовления МОКС-ТВС при запланированных масштабах производства и существующих ценах на уран выше, чем у ТВС, содержащих обогащенный уран. Но с учетом перспектив использования в реакторах наработанного плутония вместо ²³⁵U, технология смешанного уранплутониевого топлива является выгодной.

Планы перегрузки БН-800 предусматривают переход на использование в активной зоне только МОКС-ТВС в 2017 году. К этому времени опыт эксплуатации ТВС, созданных по двум конкурирующим технологиям, должен дать ответ о перспективности и целесообразности их дальнейшего развития.

Авторы