?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

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?


"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 к надежности работы систем аварийного охлаждения 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 потерянное охлаждение АЗ реакторов приводит к температуре >1000 градусов и 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 в 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, умножения ее на два 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 топлива - 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 приводит 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.


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 начало пароциркониевой реакции - на картинке ниже показано состояние твэла без покрытия (верхний) после 10 минут в водяном паре при 1200 С и твэла с покрытием в тех же условиях. 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.



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 продуктов деления, 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, нитрид или металлическое топливо дает действительные выигрыши, но долго и очень дорого.


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 очен 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:


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

Comments

( 35 comments — Leave a comment )
wladimire
Jan. 13th, 2019 11:36 am (UTC)
Не "дебилоустойчивое топливо", а дебилолюбивое.
besctar
Jan. 13th, 2019 12:57 pm (UTC)

А почему в случае 3 - кремния в углероде - будет давать отсутствие активации?
Вроде бы, в рбмк  графит как раз чуть ли не большую часть активации дает, нет?

tnenergy
Jan. 13th, 2019 01:10 pm (UTC)
В основном там не графит, а примеси в графите.

А здесь не отсутсвие активации, а незначительную активацию на фоне циркония и особенно стали.
(no subject) - besctar - Jan. 13th, 2019 02:38 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jan. 13th, 2019 03:39 pm (UTC) - Expand
(no subject) - besctar - Jan. 13th, 2019 04:29 pm (UTC) - Expand
(no subject) - b_my - Jan. 13th, 2019 03:58 pm (UTC) - Expand
(no subject) - b_my - Jan. 13th, 2019 03:47 pm (UTC) - Expand
(no subject) - besctar - Jan. 13th, 2019 04:28 pm (UTC) - Expand
hoshinokoee
Jan. 13th, 2019 01:56 pm (UTC)

Эм,немного не по теме.Как прокомментируете строительство Аккую в Турции ? Успех Росатома или провал ?

tnenergy
Jan. 13th, 2019 05:32 pm (UTC)
Оно то успех, то провал. Очень сложный проект, зависящий от коньюктуры. Но если удастся довести до пусков в срок хотя бы лет 7 и продавать электроэнергию по договоренной цене, то это будет успех. А вот если что-то в этой конструкции не выйдет - то провал.
(no subject) - hoshinokoee - Jan. 16th, 2019 09:18 am (UTC) - Expand
umgezogen
Jan. 13th, 2019 02:00 pm (UTC)
Вроде бы существуют каталитические рекомбинаторы водорода, если не ошибаюсь ?
Это не дешевле ?
И интересно было бы узнать, а нельзя ли в сам теплоноситель добавлять ингибиторы рекакции ?
b_my
Jan. 13th, 2019 03:57 pm (UTC)
Конечно. На многих станциях они стоЯт... На русских, вроде, уже на всех почти.

Проблема, однако, в том, что если в зоне массово прёт пароциркониевая реакция, то выброс водорода идёт уже на сотни тысяч кубов, никакой катализатор там не справится - тупо не успеет прокачать через себя объём.

Ингибиторов (значимых) нет. Там нет цепной реакции, привычной нам по обычному горению. Обычное горение - это цепочка, в которой есть радикал на входе и радикал на выходе, если отловить этот радикал, можно остановить всю дальнейшую цепочку... и новая появится уже когда появится (в результате фотореакции или на максвелловских хвостах) новый радикал. За счёт этого и работают антипирены: один атом ингибитора может прекратить тысячи-миллионы единичных реакций окисления.

А в пароциркониевой реакции цирконий просто по всей площади соприкосновения вытесняет водород из воды. Там нет цепочек. Молекула/радикал ингибитора должен быть в каждой точке, где встречается цирконий и кислород. Что, ессно, нереально.
(no subject) - umgezogen - Jan. 13th, 2019 04:32 pm (UTC) - Expand
(no subject) - i Erid - Jan. 14th, 2019 08:58 am (UTC) - Expand
(no subject) - b_my - Jan. 14th, 2019 09:43 am (UTC) - Expand
(no subject) - i Erid - Jan. 14th, 2019 11:50 am (UTC) - Expand
(no subject) - b_my - Jan. 14th, 2019 01:12 pm (UTC) - Expand
panic_killa
Jan. 13th, 2019 03:03 pm (UTC)
прорыв за прорывом
так глядишь и пенсионный возраст понизят
halbienxoto
Jan. 14th, 2019 06:40 pm (UTC)
но почему вас ебланов тянет во все темы(
simsun
Jan. 13th, 2019 03:42 pm (UTC)
взять бы самое лучше от конкуренции и плановой экономики:)
kcp_frm
Jan. 13th, 2019 05:09 pm (UTC)
Мне изменяет память или у нас уже делали молибденовые оболочки для ТВЭЛ? Вроде бы совсем недавно хвастались в связи с ядерными двигателями.

Если так, то по технологии задел есть
tnenergy
Jan. 13th, 2019 05:33 pm (UTC)
Молибден в воде корозионно нестоек (и на воздухе, кстати, при Т>800С).
(no subject) - b_my - Jan. 13th, 2019 08:40 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jan. 13th, 2019 09:33 pm (UTC) - Expand
pz_true
Jan. 13th, 2019 05:26 pm (UTC)
А сжигать водород в факеле нельзя потому, что с ним может уйти куча активног г ? И что то делать с этим нужно в замкнутном пространстве?
tnenergy
Jan. 13th, 2019 05:35 pm (UTC)
Если есть электричество, вся арматура функционирует и разрыва 1 контура нет, то и водороду не откуда взяться.
(no subject) - pz_true - Jan. 13th, 2019 07:23 pm (UTC) - Expand
(no subject) - antontsau - Jan. 16th, 2019 09:19 am (UTC) - Expand
lx_photos
Jan. 13th, 2019 05:26 pm (UTC)
Очень интересно, спасибо.
d3d11
Jan. 13th, 2019 10:08 pm (UTC)
Очепятки
>>С учетом того, но разработать новое топливо
Очевидно, вместо "но" должно быть "что"

>>в сренем
в среднем

>>стальи
стали
john_jack
Jan. 14th, 2019 01:22 am (UTC)
Пар такой температуры сложный однако. Спасибо, весьма познавательно.
sourann
Jan. 14th, 2019 12:02 pm (UTC)
Это вроде как и хорошо, но с другой стороны будет способствовать большему расслабону - снижению ответственности.
derkanat
Jan. 14th, 2019 03:40 pm (UTC)
===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 очен хорошими теплометахическими свойствами, не подвержен коррозии водой и водяным паром==
В диапазоне от 800 до 1600 °C это дейстивтельно так, из-за пассивной пленки SiO2. При температурах выше 1600 этой пленки уже нет, и проходит стадия активной оксидации при которой образуется газобразный SiO. Это означает что оболочка из SiC просто исчезнет/"сгорит"...
Эффект был хорошо изучен в процессе работы над высокотепмпературными газовыми реакторами.
( 35 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

April 2019
S M T W T F S
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
282930    
Powered by LiveJournal.com