Стремясь повысить безопасность и экономичность, компании, производящие ядерное топливо, делают инвестиции в новые материалы и технологии производства.
Двумя основными факторами разработки материалов в области ядерного топлива являются безопасность и стоимость топливного цикла. Компания «Framatome» занимается исследованиями и разработками реакторов с водой под давлением (PWR) и реакторов с кипящей водой (BWR). Это включает проекты на площадках компании «Framatome» во Франции, Германии и США, а также техническое партнерство по всему миру.
После аварии на АЭС «Фукусима-I» в 2011 г. атомная отрасль предприняла глобальные усилия по дальнейшему увеличению запаса топлива в случае тяжелой аварии. Это привело к программам по разработке улучшенного топлива, устойчивого к авариям (enhanced accident tolerant fuel – EATF). Компания «Framatome» в рамках своей программы PROTect разрабатывает и испытывает две концепции топлива EATF, включая краткосрочное решение с топливными таблетками с улучшенным содержанием хрома и с топливными стержнями с хромовым покрытием и более долговременное решение с оболочкой на основе карбида кремния.
Добавление хромового покрытия к существующей оболочке из циркониевого сплава M5 от компании «Framatome», которое было продемонстрировано при выгорании 75 МВт·сут/кг U, улучшает стойкость к окислению при высоких температурах и уменьшает образование водорода при потере охлаждения. Хромированное покрытие также снижает ползучесть и повышает устойчивость к истиранию при нормальных условиях эксплуатации. Гранулы, легированные хромом, можно использовать с UO2 и МОКС-топливом (PuO2/UO2), и они снижают выделение газообразных продуктов деления, улучшают поведение при потере охлаждения и минимизируют взаимодействие таблеток в оболочке (pellet clad interaction – PCI).
Топливо EATF внедрили в коммерческих реакторах еще в 2015 г., на АЭС «Гёсген» в Швейцарии. Испытательные стержни с современными материалами оболочки уже находились в реакторе в течение двух циклов и подтверждают положительные результаты испытаний, проведенных вне реактора. Для покрытий основной проблемой является обеспечение качества продукта, чтобы в конце срока службы покрытие оставалось на оболочке и сохраняло свои функции.
Подчеркивается важность сбора данных из разных стран для удовлетворения потребностей операторов и регулирующих органов.
Недавно компания «Framatome» доставила первые усовершенствованные испытательные сборки, содержащие оболочку с хромовым покрытием и топливные таблетки с хромовым покрытием, на АЭС «Вогтл-2» в штате Джорджия. Сборки были загружены в реактор PWR в марте, и теперь энергоблок работает на полной мощности. Стержни останутся в реакторе в течение трех 18-месячных циклов.
Для доставки коммерческого топлива необходим комплексный план квалификации. Компания «Framatome» работает в течение нескольких лет при поддержке программы Министерства энергетики США по топливу, устойчивому к авариям (Accident Tolerant Fuel – ATF), которая позволила компании значительно улучшить первоначальную цель для развертывания технологии в 2022 г. Компания «Framatome» теперь стремится перегрузить топливо ATF к 2025 г.
Следующая цель – заменить металлическую оболочку керамическим композитным материалом на основе карбида кремния (SiC), способным выдерживать более высокие температуры и более экстремальные условия. Демонстрация и лицензирование этого материала более сложные. Карбид кремния – это керамика, и это значит, что она не имеет такого же поведения, как металлы. В результате будет проведено множество испытаний карбида кремния во время и после облучения, чтобы проверить, нет ли какого-либо нетипичного поведения, потому что это керамика. Компания «Framatome» разрабатывает концепцию «триплекс», включающую матрицу SiC плюс металлические волокна. Металл будет служить барьером для выброса продуктов деления, что может помочь ускорить процесс лицензирования.
Будущие технологии
Существуют возможности использования новых технологий для производства и квалификации топлива. Большие данные – это способ прогнозирования поведения топлива. Как разработчик топлива, компания «Framatome» имеет много рабочих данных, которые могут быть использованы для оптимизации конструкции будущих твэлов.
Аддитивное производство (additive manufacturing – AM) также предлагает много потенциальных преимуществ для компонентов ядерного топлива. Оно может быть использовано для изготовления трехмерных (3D) форм, которые не осуществимы со стандартными производственными процессами или требуют много деталей. Это также предлагает возможности исследования градиентов состава в компонентах. Основные области применения включают создание прототипов, изготовление специализированных инструментов и производство запасных частей. Аддитивное производство открывает область творчества для дизайнера. Компания «Framatome» имеет технологию селективного лазерного плавления и разработала фильтр против обломков и другие компоненты.
Следующим этапом будет проверка поведения компонентов, изготовленных с добавками, при облучении. Этот процесс может продлиться 5–6 лет. Однако остается вопрос, снизит ли аддитивное производство расходы. Пока это неочевидно, потому что скорость производства низкая, а зрелости недостаточно, чтобы знать, обеспечат ли эти методы снижение затрат.
Технологии должны быть полностью освоены, а микроструктура материалов квалифицирована, чтобы показать, что материалы соответствуют проектным требованиям. Это означает, что широкое применение маловероятно до середины 2020-х годов.
Компания «Framatome» работает с компанией «Lightbridge» в рамках совместного предприятия «EnFission» для разработки металлического ядерного топлива со спиральными изгибами, которое может преодолеть разрыв между современными реакторами LWR и усовершенствованными реакторами. Благодаря уникальной геометрии эта технология может выиграть от аддитивного производства. Компания «Framatome» также работает над топливом для малых модульных реакторов (SMR) в партнерстве с компанией «NuScale», которая, как ожидается, установит первый реактор SMR в США.
Источник: Nuclear Engineering International: Features 13.6.2019