В Индии всегда были намерены стать самостоятельными в производстве ядерного топлива. В стране рассматриваются планы по увеличению добычи урана в 10 раз к 2032 г.
В рамках своей трехэтапной ядерной программы (Three-Stage Nuclear Programme – TSNP) Министерство по атомной энергии (Department of Atomic Energy – DAE) постепенно наращивает масштабы деятельности, связанной с замкнутым циклом на основе урана-238/плутония-239.
Конечная цель – «самоподдерживающийся» замкнутый цикл на основе тория-232/урана-233. Поскольку программа TSNP в Индии в последние годы расширилась, основными целями являются изоляция от международной ядерной торговли, самообеспеченность технико-промышленными аспектами замкнутых топливных циклов. В настоящее время министерство DAE является одним из немногих ядерных комплексов, обладающих опытом в широком спектре видов деятельности, составляющих начало ядерного топливного цикла, включая разведку, добычу и переработку полезных ископаемых, производство тяжелой воды и изготовление топлива. Индия самодостаточна в производстве тяжелой воды, компонентов из циркониевого сплава и других материалов, а также в поставках для тяжеловодных реакторов (PHWR). Индия также имеет некоторые возможности по обогащению урана, которые в настоящее время она планирует расширить с помощью новой установки. Расширение деятельности, связанной с топливом, является одной из целей создания к 2031 г. АЭС электрической мощностью не менее 22,5 ГВт.
Ресурсы урана. Индия имеет доступ к импорту урана из-за рубежа, и в настоящее время на импортном топливе работают 14 реакторов корпорации «Nuclear Power Corporation of India Limited» (NPCIL), общая установленная электрическая мощность которых составляет 4380 МВт. Установки, работающие на импортном топливе, являются защищенными реакторами. Остальные 8 реакторов корпорации NPCIL общей мощностью 2400 МВт работают на уране, добываемом внутри страны.
С 2008 г. импорт топлива во многом способствовал восстановлению работы АЭС корпорации NPCIL с точки зрения их коэффициентов загрузки. Тем не менее, министерство DAE стремится снизить зависимость от иностранных источников топлива. Вместо этого оно хочет увеличить внутреннее производство урана в 10 раз к 2031–2032 гг., одновременно создавая стратегический запас урана. В прошлом министерство DAE заявляло, что 15 тыс. т запасов урана будет достаточно для обеспечения безопасности поставок для индийского парка ядерных реакторов в среднесрочной перспективе.
Управление по разведке и исследованиям атомных минералов (AMD) министерства DAE проводит обширные радиометрические, геохимические и геофизические исследования по всей Индии в поисках новых урановых месторождений. Среди последних изучаемых перспектив небольшое месторождение в Накту (штат Уттар-Прадеш) и потенциальные месторождения в Бетуле (штат Мадхья-Прадеш). Корпорация «Uranium Corporation of India Limited» (UCIL), в рамках соглашений с управлением AMD, также осуществляет деятельность, связанную с разведкой полезных ископаемых в Рохиле в Раджастане, Сингридунгри Банадунгри в Джаркханде и Педдагатту в Телангане. По состоянию на май 2018 г. управление AMD установило, что запасы U3O8 составляют 300034 т в 44 месторождениях урана с низкой концентрацией по всей Индии.
Добыча и переработка. По мере изучения новых запасов U3O8 министерство DAE стремится активизировать деятельность по добыче и переработке руды. Корпорация UCIL отвечает за добычу и обогащение урана в Индии. В июне 2019 г. корпорация обнародовала планы инвестирования в 13 новых отечественных проектов по добыче полезных ископаемых общей стоимостью 105,70 млрд рупий (1,52 млрд долл. США). Ожидается, что эти новые проекты в четыре раза увеличат общий объем внутреннего производства урана. Помимо этих новых проектов, корпорация UCIL также работает над расширением мощностей в некоторых существующих подразделениях.
В настоящее время корпорация UCIL эксплуатирует семь шахт в штате Джаркханд – Джадугуда, Бхатин, Нарвапахар, Турамдих, Баджата, Бандухуранг и Мохульдих. У нее также есть два перерабатывающих завода в штате Джаркханд, расположенных рядом с шахтами Джадугуда и Турамдих. На некоторых из ее старейших рудников в штате Джаркханд ведутся работы по наращиванию потенциала и устранению проблем. Относительно новый рудник компании в Туммалапалле (штат Андхра-Прадеш) также расширяется для повышения эффективности. Эта шахта вышла на полную производственную мощность, и расположенный рядом перерабатывающий завод также поставляет продукцию.
На перерабатывающих заводах корпорации UCIL в Джадугуда и Турамдих используется стандартная технология кислотного выщелачивания для производства концентрата урана или диураната магния (magnesium diuranate – MDU). Однако на заводе в Туммалапалле, который имеет максимальную производительность около 3000 т/день, для производства диураната натрия (sodium diuranate – SDU) используется технология щелочного выщелачивания под давлением. Недавно была введена в эксплуатацию установка для повторного растворения (RDS) на перерабатывающем заводе в Туммалапалле. Ввод в эксплуатацию ознаменовал кульминацию нескольких лет работы ученых министерства DAE, которые искали полезную технику для осаждения и полного извлечения осажденного продукта путем отправки его части в резервуары для осаждения. Был также разработан новый процесс выщелачивания, который можно использовать для получения концентрата урана из раствора с использованием выщелачивания диураната натрия фосфорной кислотой.
Ядерный топливный комплекс. Продукция перерабатывающих предприятий корпорации UCIL, будь то диуранат магния или диуранат натрия, заканчивается на Ядерном топливном комплексе (Nuclear Fuel Complex – NFC) в Хайдарабаде, который является основным заводом Индии по производству топлива. Любой импортируемый уран, будь то в форме диураната магния, обогащенного гексафторида урана (UF6) или гранул диоксида урана (UO2) (как обогащенного, так и необогащенного), также направляется в комплекс NFC для изготовления топлива. Это привело к тому, что с 2008 г. некоторые из его подразделений находятся под защитой. Комплекс NFC сначала преобразует и перерабатывает диуранат магния в порошок UO2, который затем гранулируется. Гранулы помещаются в элементы, которые затем собираются для формирования топливных сборок для реактора PHWR с использованием современных технологий сварки, механической обработки и сборки. В прошлом комплекс NFC изготавливал для реактора PHWR топливо различных конструкций, таких, как 19-элементная проволочная обмотка, 19-элементная втулка, 22-элементная втулка и 37-элементная втулка, каждая из которых содержит гранулы UO2.
В последнее время основной комплекс NFC в Хайдарабаде ежегодно производит рекордные объемы топлива для реактора PHWR. В 2018 г. комплекс NFC произвел и передал корпорации NPCIL свою миллионную топливную сборку для реактора PHWR. В 2018/19 финансовом году комплекс NFC также продемонстрировал рекордное производство 37-элементных сборок – 365 тонн. Для комплекса NFC еще одним заметным достижением стала поставка 37-элементных топливных сборок модифицированной конструкции для АЭС «Какрапар-3» электрической мощностью 700 МВт, запуск которой в коммерческую эксплуатацию намечен к 2022 г.
К середине 2020-х годов на комплексе NFC планируется еще больше увеличить мощности по производству топлива для реактора PHWR, введя в эксплуатацию новый комплекс в Кота (штат Раджастхан). Это новое предприятие, называемое NFC-Kota, первоначально сможет производить 500 т/год таблеток UO2 и 65 т/год циркалоя (для оболочек). Основные работы для этого нового объекта завершены, и ведутся работы в заводских и административных зданиях. Между тем, завод по производству обогащенного топлива (Enriched Fuel Fabrication Plant) в комплексе NFC в Хайдарабаде используется для изготовления 36- и 49-стержневых тепловыделяющих сборок с уровнями обогащения 2,66%, 2,1% и 1,6%, соответственно, для двух реакторов BWR корпорации NPCIL на АЭС «Тарапур-1 и -2». Завод начал поставлять около сотни тепловыделяющих сборок в год. Эта установка также используется для расконсервации забракованных топливных элементов для реактора PHWR для извлечения таблеток UO2 для загрузки в трубки свежего топлива.
Мощности по обогащению урана. Со временем министерство DAE намерено поставить установку по обогащенному урану. В настоящее время Индия эксплуатирует небольшой завод по обогащению в Ратенхалли недалеко от Майсура в штате Карнатака, на котором используется газоцентрифужная технология, и в основном завод предназначен для военных целей. Однако его мощность расширяется до 25 тыс. единиц работы разделения в год (ЕРР/год), и он предоставляет ограниченное количество обогащенных соединений для программ исследований и производства электроэнергии. В ближайшем будущем завод, скорее всего, также поставит слабо обогащенный уран для реактора PHWR в Индии.
В Чаллакере (штат Карнатака) строится гораздо более крупный завод по обогащению, который называется Установка для обогащения специальных материалов (Special Material Enrichment Facility – SMEF). На заводе также будут использовать технологию с газовыми центрифугами. Ожидается, что завод SMEF внесет значительный вклад в индийскую программу производства электроэнергии. Министерство DAE также занимается исследованиями и разработками в области методов лазерного обогащения.
Цирконий. Упомянутый выше устойчивый рост производства топлива для реактора PHWR требует соразмерного увеличения другой основной ядерной деятельности, связанной с комплексом NFC, так называемого «потока циркония». Это производство различных труб и компонентов, покрытых циркалоем, используемых для создания тепловыделяющих сборок, с помощью серии этапов, которые начинаются с преобразования циркониевого песка, поставляемого компанией «Indian Rare Earths Limited» (IREL), контролируемой министерством DAE, в порошок оксида циркония (ZrO2) ядерной чистоты.
Завод комплекса NFC по производству оксида циркония (Zirconium Oxide Plant – ZOP) в Хайдарабаде подвергается постоянной модернизации, и недавно завершен ввод в эксплуатацию высокопроизводительной установки для размельчения, которая увеличила производительность по измельчению ZrO2 до 500 кг/час. Системы управления и контроля завода ZOP также модернизируются. Тем временем, циркониевая установка комплекса NFC, так называемый циркониевый комплекс (Zirconium Complex – ZC) в Пажаякале (штат Тамилнад), постоянно наращивает производство губчатого циркония и, вероятно, в ближайшем будущем достигнет проектной мощности 250 т/год.
Производство тяжелой воды. Критическим аспектом расширения парка реакторов PHWR является бесперебойное снабжение тяжелой водой (D2O). Организация по производству тяжелой воды (Heavy Water Board – HWB) министерства DAE является крупнейшим в мире производителем D2O, и ее заводы превышают годовые производственные показатели. В 2018 г. на крупнейшем заводе в Манугуру завершен капитальный ремонт, как и на заводе в Кота. Важным фактором, определяющим жизнеспособность установок организации HWB, является их удельное энергопотребление, которое в 2017–2018 гг. составило 27,9 ГДж/кг D2O, ниже того, что организация HWB заложила в бюджет. В Тутикорине в настоящее время ведутся работы на заводе по производству растворителей и на заводе по экстракции растворителей, которые будут связаны с производством специальных растворителей, включая фосфорорганические соединения.
Организация HWB также производит критически важные материалы для индийских программ по быстрым реакторам (FBR), такие, как натрий ядерного качества для целей охлаждения и обогащенный бор. Установки по обогащению бора и гранулированию карбида бора на площадках организации HWB в Талчере и Манугуру уже обеспечили полную потребность активной зоны прототипного быстрого реактора-размножителя (Prototype Fast Breeder Reactor – PFBR) электрической мощностью 500 МВт, расположенного в Калпаккаме. Организация HWB также разработала технологию закрытых ячеек для производства натрия, который используется в качестве охлаждающей жидкости в реакторах PFBR. В данный момент ведутся работы над прототипом ячейки 24 килоампер. Этот опыт будет использован для создания завода по производству натрия с производительностью 600 т/год в Бароде.
Топливо для реакторов PFBR. На установке по быстрым реакторам (Fast Reactor Facility – FRF) комплекса NFC в настоящее время производят десять различных типов подсборок для активной зоны реактора PFBR. Аустенитная нержавеющая сталь D9 использовалась для труб с топливной оболочкой и гексагональных каналов, в то время как нержавеющая сталь SS 316 с низким содержанием азота использовалась для изготовления объемных компонентов. Одна примечательная особенность гексагональных каналов, изготовленных в комплексе NFC, заключается в том, что они бесшовные, в то время как в других странах мира эти каналы обычно имеют сварной шов. Комплекс NFC в Хайдерабаде также разрабатывает металлическое топливо для использования в будущих быстрых реакторах в Индии. Инженерно-промышленное производство энергии на основе металлического природного урана (Nat-U) уже продемонстрировано, и в 2020 г. в Вишакапатнаме планируется построить установку по производству металлического урана (uranium metal production facility – UMPF).
Источник: Nuclear Engineering International: Features, 10.9.2019