Борьба с нетолерантностью
13.01.2019 62 0 0 tnenergy

Борьба с нетолерантностью

---
0
В закладки
Меня попросили прокомментировать статью Handelsblatt с заголовком "Россия намеревается с помощью нового топлива произвести революцию в атомной энергетике" в которой рассказывается о толерантном топливе примерно в таком ключе: "В Росатоме считают, что они совершили прорыв в технологии безопасности. Чудесное средство называется «толерантное топливо», оно призвано восстановить положительный имидж атомной энергии в мире."

Немецкая статья является пиарсопровождением события, которое никто из внеотраслевых журналистов не заметил - изготовлением "под елочку" компанием ТВЭЛ экспериментальных тепловыделяющих сборок с толерантным топливом. Эти сборки предназначены для испытания в реакторе МИР и фактически означают некое продвижение по пути разработки толерантного топлива для энергетических реакторов.

Но что же такое, черт подери,толерантное топливо и почему оно так называется?

Борьба с нетолерантностью топлива, топливо, урана, активной, вариант, охлаждения, Однако, безопасности, реакции, через, пароциркониевой, толерантного, твэлов, после, водой, только, покрытием, толерантным, часть, цирконий

"Толерантные" покрытия циркониевых твэлов. Подробности - ниже.

Название "толерантное топливо" есть калька с английского Accident Tolerant Fuel (ATF), т.е. топливо, устойчивое к авариям. По смыслу это скорее "дуракоустойчивое топливо", прежде всего за счет снижения требований по охлаждению активной зоны. Большой интерес у атомной индустрии к концепции такого топлива возник после аварии на Фукусимской АЭС, где значительная часть тяжести аварии сформировалась из-за взрывов водорода на трех блоках АЭС, А водород возник из-за хорошо известной пароциркониевой реакции - когда при температуре >1000 градусов цирконий оболочек твэлов вытесняет водород из водяного пара.

До сих пор борьба с этим типом аварий сводилась к усложнению систем аварийного охлаждения активной зоны - вводились различные ступени пассивной заливки, активной заливки, отвода тепла в атмосферу или большой бассейн воды. Логика тут понятна - при любых единичных неисправностях системы охлаждения все же не допустить испарения воды из активной зоны, ее расплавления и как и вишенки на торте - пароциркониевой реакции.

Однако, после аварии на Фукусиме, в отрасль пришла другая парадигма - а что, если вместо очередного удорожания системы аварийного охлаждения (путем, например, ее удвоения и введения 8-канальной вместо 4-канальной) сделать топливо, в котором не будет пароциркониевой реакции? А? А? И плевать, что активная зона превратилась в озерцо лавы - водорода-то не будет! Такое топливо и называют "толерантным".

Еще в 2012 году разработкой ATF активно занялись все основные поставщики - Westinghouse, Areva, GE-Hitachi. Причем в виду поддержки этой идеи МАГАТЭ и министерства энергетики США работы повелись сразу по многим фронтам. А через 3-4 года после этого очнулся и ТВЭЛ - стало очевидно, что толерантное топливо, при всей половинчатости идеи, становится фактором конкурентноспособности - предлагать нетолерантный ТВС-К толерантным западным заказчикам скоро будет некомильфо.

Какие варианты создания ATF топлива вообще есть?

Первый и самый очевидный - отказаться от циркония в конструкции ТВС. Раньше все ТВС делали из хромоникелевых сталей, а цирконий стали применять потому что по совокупности механических характеристик и коррозионной стойкости он не уступает сталям, но при этом поглощает сильно меньше нейтронов, что при водит к уменьшению расхода природного урана на выработанный мегаватт*час.

С учетом того, но разработать новое топливо стоит денег, этот вариант рассматривается всеми игроками как запасной.

Борьба с нетолерантностью топлива, топливо, урана, активной, вариант, охлаждения, Однако, безопасности, реакции, через, пароциркониевой, толерантного, твэлов, после, водой, только, покрытием, толерантным, часть, цирконий

Интересно, что в области стальных оболочек для реакторов с водой под давлением ТВЭЛ является мировым лидером - в СССР любили технологичность и не очень заботились об экономии урана в исследовательских реакторах или ЯЭУ ледоколов.

Второй вариант - нанести на циркониевые твэлы тонкий слой хрома гальваническим способом или магнетронным распылением. Хром затянет затянет начало пароциркониевой реакции - на картинке выше показано состояние твэла без покрытия (верхний) после 10 минут в водяном паре при 1200 С а ниже - твэла с покрытием. Однако, видно, что коррозия всего в 4 раза меньше - пускай не через 10 минут, а через 40, но твэл точно так же разрушится, да? Не совсем.

Борьба с нетолерантностью топлива, топливо, урана, активной, вариант, охлаждения, Однако, безопасности, реакции, через, пароциркониевой, толерантного, твэлов, после, водой, только, покрытием, толерантным, часть, цирконий


Дело в том, что разогрев топлива без охлаждения водой происходит из двух источников: радиоактивный распад продуктов деления урана, мощность которого постоянно уменьшается и запасенное в топливе тепло.

О последнем стоит поговорить отдельно, т.к. это редко всплывающая вне скучных учебников концепция. Современное топливо сделано из диоксида урана - прекрасное стойкое керамическое химическое соединение, хорошо выдерживающее большие выгорания топлива, имеющее большую температуру плавления. Но у него есть один минус - диоксид урана плохо проводит тепло. Поэтому, что бы отдавать необходимую мощность, центр таблетки при работе на мощности может быть разогрет до 1600 градусов цельсия. При потере охлаждения в активной зоне оказывается не только несколько десятков мегаватт ядерного распада, но и 80 тонн урановой керамики, нагретой в сренем до 900 С, которые немедленно начинают разогревать цирконий.

Отсюда рождается следующая идея толерантного топлива - отказаться от диоксида урана и перейти на один из вариантов более теплопроводного соеднинения урана - силицид USi3, нитрид UN или просто сплавы металлического урана с металлическим молибденом (как в Kilopower)

Из такого топлива, в сочетании с хромовым покрытием, можно сделать активную зону, которая при потере охлаждающей воды просто не нагреется до критичных температур. Вышеназванные композиции так же обещают экономить нейтроны и улучшать утилизацию природного урана - т.е. такой вариант может окупиться чисто экономически, да еще и привнести улучшение безопасности. Однако, переход на новую химию влечет за собой довольно радикальное изменение конструкции активной зоны, а значит переделку парка существующих реакторов, если мы хотим поставлять топливо сегодня. Плюс - годы отработки новых композиций и обоснования безопасности перез атомными регуляторами. В общем переход на силицид, нейтрид или металлическое топливо дает действительные выигрыши, но долго и очень дорого.

Борьба с нетолерантностью топлива, топливо, урана, активной, вариант, охлаждения, Однако, безопасности, реакции, через, пароциркониевой, толерантного, твэлов, после, водой, только, покрытием, толерантным, часть, цирконий

Есть еще довольно экзотический вариант в виде многослойных твэлов со слоями из разного металла.

Наконец, последний вариант - это использование в качестве оболочки твэлов не циркония, не стали, а композитного материала SiC-C (волокна карбида кремния в углеродной матрице) или SiC-SiC. Этот материал обладает очень хорошими теплометахическими свойствами, не подвержен коррозии водой и водяным паром, имеет наилучие нейтронно-физические характеристики (лучше циркония и стальи) (и как бонус - почти нулевую активацию в результате кампании топлива). Однако пока никому в мире не удалось создать газоплотную оболочку твэла SiC-SiC, поэтому работы здесь скорее на научном этапе, и если этот вариант толерантного топлива когда-то и пойдет в жизнь, то не раньше, чем через 15-20 лет.

Собственно, все эти 4 варианта изучают в ТВЭЛ, а 3 из них подготовлены к испытаниям в реакторе МИР в НИИАР.

Однако, как я уже говорил, конкуренты впереди. Тогда, как ТВЭЛ только планирует загрузку в исследовательский реактор и в перспективе 2х лет - в энергетический, Framatome (бывшая Арева) поставили испытательную партию топлива с хромовым покрытием под загрузку этой весной а GNF загрузили опытную партию в BWR.  Вообще планы западных компаний выглядят так:
Борьба с нетолерантностью топлива, топливо, урана, активной, вариант, охлаждения, Однако, безопасности, реакции, через, пароциркониевой, толерантного, твэлов, после, водой, только, покрытием, толерантным, часть, цирконий


Резюмируя, можно сказать, что изначально не однозначная идея половинчатого повышения безопасности дешевым путем превратилась в поле конкурентной борьбы. Как мы видим, к борьбе подключились пиарщики, обещающие "революцию в безопасности"

P.S. У меня есть репост большой статьи специалиста из ВНИИНМ, посвященный технологиям толерантного топлива - все то же самое, только в 10 раз подробнее и детализированнее, часть 1, часть 2.
уникальные шаблоны и модули для dle
Комментарии (0)
Добавить комментарий
Прокомментировать
Как производят ядерное топливо в Новосибирске
Новосибирский завод химконцентратов — крупнейшее предприятие ядерно-топливного цикла России. Около 6% энергетических реакторов мира работают на топливе, изготовленном на
Объем топлива, которое тратит ракета на старте
Наглядно. В слонах. И конечно же в интернете не смогли обойтись без вот такого комментария. Догадались какого? С топливом у нас пока "не фонтан" - либо
Американское ядерное топливо для Украины
Веб-ресурс EADaily в материале "Ядреное топливо: почем Westinghouse для Украины" сообщает, что в распоряжении EADaily оказались данные о стоимости американского ядерного
НЗХК: как производят ядерное топливо в Новосибирске
Новосибирский завод химконцентратов — крупнейшее предприятие ядерно-топливного цикла России. Около 6% энергетических реакторов мира работают на топливе, изготовленном на
Даунгрейд сделал исследовательский реактор ВВР-К лучше
Все ядерные реакторы в мире можно поделить на 4 категории: энергетические, транспортные (атомные подводные лодки), наработчики изотопов и исследовательские. Интересно,
Росатом создал вечный реактор
...пишут нам журналисты RT. Ок, не вечный, а "вечный". Речь на самом деле идет о реакторе для атомной подводной лодки, для которого не нужна перегрузка в течении всего
Реактор на быстрых нейтронах БН-800 вышел на уровень мощности 880 МВт
Уникальный российский реактор на быстрых нейтронах, работающий на Белоярской АЭС, вывели на мощность 880 мегаватт — об этом сообщает пресс-служба Росатома. Реактор
Прием топлива в море; 1945 год
Американский линкор USS Massachusetts (BB-59) на ходу принимает топливо с флотского танкера USS Saugatuck (AO-75), Тихий океан, 20 апреля 1945 года:
Украина планирует закупать до 50% реакторного топлива у компании Westinghouse Electric
Как пишут Владимир Дзагуто, Андрей Райский и Янина Соколовская в статье «Росатом» теряет пол-Украины", опубликованной в сегодняшнем номере газеты "Коммерсантъ", в 2018
Торий
Торий
Торий
25.09.17 ---
Примерно раз в неделю вижу как кто-то где-то записывает в список мегаперспективных реакторов "ториевые" (ставлю кавычки, потому что на деле они работают на U233). Я, в
Между простотой и истиной
Меня не первый раз уже просят прокомментировать статьи Бориса Марцинкевича по атомной тематике, в частности появившуюся пару дней назад "Энергетика будущего зеленеет
Страна - атомная колонка
Экспортный портфель крупнейшего экспортера российских товаров и услуг начальной стадии ядерного топливного цикла АО "Техснабэкспорт" (торговая марка Tenex, входит в
Интересное видео с экскурсии по Ленинградской АЭС
Экскурсия по 2 блоку Ленинградской АЭС, много интересного (в основном говориться работниками ЛАЭС) 1.59 - санпропускник, 4:23 - блочный щит управления с очень
"Прорыв" продолжает успешно разрабатывать СНУП-топливо
Я довольно регулярно пишу про проект "Прорыв", в рамках которого ученые и разраотчики Росатома пробуют создать прототип АЭС с замкнутым ядерным топливным циклом - прежде
То, что Швеции хорошо, то Украине "смерть"
Читали новость о том, что "... глава Минэнерго Игорь Насалик заявил, что Украина планирует перевести 40% атомных блоков на американское топливо Westinghouse". А что
«Росатом» поставит ядерное топливо для шведской АЭС
Как сообщает пресс-служба АО «ТВЭЛ» (Топливная компания Государственной корпорации «Росатом»), компания подписала контракт со шведской Vattenfall Nuclear Fuel AB на
Как делают твэлы для ядерного реактора
Не так давно у себя в блоге я уже рассказывал, как и где производят самый дорогой металл в мире - Калифорний-252. Но производство этой супердорогой субстанции - не
ГП НАЭК "Энергоатом" загружает 42 ТВС-WR на пятый энергоблок Запорожской АЭС
Как сообщает пресс-служба украинского ГП НАЭК "Энергоатом", впервые в истории эксплуатации Запорожской АЭС на станции будет использовано свежее топливо транснациональной
Самое радиоактивное место на Земле.
После взрыва энергоблока номер четыре на Чернобыльской атомной электростанции все те, кто занимался ликвидацией последствий аварии, стали задаваться вопросом — а в
Как производят ядерное топливо для АЭС
Новосибирский завод химконцентратов - один из ведущих мировых производителей ядерного топлива для АЭС и исследовательских реакторов России и зарубежных стран.