?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Хочу сделать репост статьи на Proatom.ru, на мой взгляд, с очень интересным обзором ситуации по разработке нового топлива для ВВЭР.

Алексей Савченко,  к.т.н.

Я попытался сделать краткий обзор актуальной сейчас темы разработки толерантного топлива по материалам конференций и совещаний экспертных групп, в которых сам принимал участие, обсуждений с коллегами, а также используя многочисленные публикации по этой тематике. Так как вскоре Россия, чтобы не потерять топливный рынок, также, я надеюсь, начнет целенаправленные разработки в этом направлении, то обсуждение этих работ представляет интерес.

Аварии на АЭС в Чернобыле и Фукусиме показали особую опасность паро-циркониевой реакции, возникающей при повышении температуры оболочек твэлов после потери теплоносителя и всплесках реактивности. Практически сразу во всех странах, имеющих развитую атомную энергетику, активировались разработки по защите от возможности возникновения паро-циркониевой реакции.

Термин устойчивое к авариям толерантное топливо - Accident Tolerant Fuel – (ATF) возник после аварии на Фукусиме. В формулировке МАГАТЭ это топливо должно быть работоспособно как в нормальных условиях работы, так, и это главное – в условиях потери теплоносителя. Основной разрушающий твэлы фактор связан с паро-циркониевой реакцией, происходящей при температуре свыше 1200 оС. Естественно пути решения этой проблемы лежат как в модификации или замены циркониевых оболочек, так и в модификации или применении нового топлива.

В настоящее время программу создания нового типа топлива для реакторов ВВЭР, с повышенной стойкостью к аварийным ситуациям, включились практически все игроки международного топливного рынка. Созданы национальные и международные программы и выделено значительное финансирование. Это прежде всего США, европейские страны – Франция, Германия, Швейцария, а также, Япония, Южная Корея, Китай и Индия Nuclear Fuel Complex (NFC). Помимо исследовательских организаций над ней работают такие кампании как Вестингаус, Арева, EDF и GE.
Для примера, на рисунке представлена структура финансирование DOE США проектов по толерантному топливу. Как видно, различные аспекты работ распределены между различными организациями.




Подобная организация работ существует и в других странах. Координация работ и международное сотрудничество осуществляется также в рамках экспертной группы АЯЭ ОЭСР (OECD/NEA). Сейчас к этой программе подключилась МАГАТЭ. Как пример на рисунке приведены направления работ экспертной группы АЯЭ ОЭСР (OECD/NEA)




Разработки в этом направлении фактически заменили программу создания нового типа топлива для реакторов ВВЭР. Поэтому сейчас в мире на нее расходуются десятки миллиардов долларов. Следует отметить, что это не случайно. Помимо увеличения надежности активных зон, повышение стойкости твэлов к аварийным ситуациям позволит минимизировать затраты на дополнительные усовершенствования и усложнения конструкции реакторов типа ВВЭР. Поэтому, кто первый решит эту проблему – потеснит конкурентов с рынка производителей топлива и, автоматически, атомных станций. Ведь за рубежом работы в этом направлении ведутся уже четыре года, и есть первые результаты. Наша основная российская  топливная компания пока еще не в теме. А это грозит потерей рынка, и никакой ТВС-квадрат нас не спасет. А гипотетический, везде рекламируемый, наполненный потенциальными заказами Портфель Заказов превратится просто в портфель из дорогой кожи.

Сначала, что включает в себя концепция толерантного топлива (ниже приведен слайд из программы DOE USA). Это, прежде всего, разработка оболочек – различные стали, в том числе новые Fe-Cr-Al, жаропрочные металлы (Mo), керамические оболочки SiC, легированные Zr сплавы, а также всевозможные защитные покрытия на Zr оболочках.



Затем, топливо, это прежде всего ураноемкое холодное топливо – металлическое, нитриды и силициды урана – для уменьшения количества запасенного тепла. В результате увеличивается время нагрева до критической температуры. Ураноемкость нужна еще и для экономики, чтобы компенсировать затраты как на разработку новых видов топлива, так и для случая применения обладающих захватом тепловых нейтронов оболочек из стали. И естественно, чтобы не превышать 5% барьер по обогащению урана-235.

Кроме того рассматривается также дисперсионное и микрокапсульное топливо (разновидность топлива для газовых реакторов), и модификации диоксидного топлива с целью геттерного связывания продуктов деления и т. д.




Отдельным аспектом стоит топливный цикл с новым топливом и экономика. Естественно сохраняются работы по моделированию поведения нового топлива в аварийных ситуациях.

Определено также время, необходимое для разработки и начала внедрения (по зарубежным экспертным оценкам, см. рисунок)).




Для оболочек:
•           Покрытия Zr оболочек – 3-7 лет,

•           Стальные оболочки – 6-10 лет,

•           Оболочки из Mo – 9-14 лет,

•           Керамические оболочки из SiС – 15-20 лет

Для топлива:
•           Модифицированный диоксид урана – 7-11 лет,

•           Высокоплотное топливо – U3Si2, UN, etc  - 12-17 лет,

Дисперсионное топливо (с многослойным покрытием) – 17-22 лет,


Статус разработок в мире на данный момент следующий:

Наиболее быстро разработки по толерантному топливу продвигаются в США практически по всему спектру вариантов. Их финансирует министерство энергетики (DOE). Кроме собственных исследований существует и программа двухстороннего сотрудничества по этой проблеме с Францией, Японией, Китаем, Евросоюзом, Британией и экспертными группами  OECD/CEA и МАГАТЭ. В программе исследований США по ATF участвуют университеты, национальные лаборатории, компании – AREVA, Westinghouse, GE.

На данный момент:

Изготовлены установки для проведения испытаний на аварийные ситуации.

– Изготовлены и исследуются образцы с металлическим, керамическим и многослойными покрытиями на циркониевых оболочках, полученных разными методами. Проведены их испытания в режимах аварийных ситуаций.

- Изготовлены и исследуются оболочки твэлов из SiC (Вестингхаус, Ок-Ридж)

- Получены первые образцы оболочек из новых ферритных Fe-Cr-Al сталей, а также исследуются известные стали X-750 and 304 SS.

– Получены и исследованы в дореакторных условиях таблетки из силицидов и нитрида урана. Сделаны предварительные нейтронно-физические расчеты применения топлива в реакторе ВВЭР.

- Проводятся работы по моделированию поведения топлива, экономические аспекты топливного цикла.

Следует отметить, что все варианты сразу ставятся на реакторные испытания. Для этого в Айдахо (INL, USA) изготовлена петля для реакторных испытаний, в которой образцы твэлов с конца прошлого года проходят реакторные испытания. Это легированный диоксид урана, оболочки из Fe-Cr-Al сталей, таблетки из силицидов и нитрида урана. Схема испытаний приведена на рисунке.




В похожем направлении движутся и остальные страны, хотя и с меньшим размахом. Они концентрируются на отдельных направлениях, как по оболочкам, так и по топливу. Реакторные испытания проводятся в Халденском реакторе.

Самое интересное, что на облучение образцы ставятся сразу, еще «сырыми», не прошедшими до конца дореакторные исследования. Поэтому вариантов и комбинаций образцов твэлов получается сотни. На проведшей Конференции TopFuel-2015 я поинтересовался у Джона Кармака (INL USA), руководителя программой реакторных испытаний в США, не лучше ли провести предварительный отбор с выделением наиболее приоритетных направлений, что было бы значительно дешевле. Он ответил, что нет, выбранный ими путь наиболее оптимальный по времени для разработки качественно нового твэла. Если хоть несколько вариантов после испытаний останется, то это уже хорошо. А проблем с финансированием у них нет.

К слову сказать, на этой конференции разработке толерантного топлива уделялось ключевое внимание как основному направлению выхода из кризиса атомной энергетики в связи с резким подешевлением сырья у основных конкурентов на рынке производства электроэнергии – нефтяных и газовых компаний. Кстати, если вспомнить историю, то по такому же сценарию в СССР в свое время разрабатывались дисперсионные твэлы для ледоколов и малых реакторов. Я помню, как мы каждый квартал ставили на облучение несколько сборок разного типа твэлов. Для сравнения, сейчас одну в несколько лет с минимальными модификациями.

Теперь рассмотрим, чуть более подробно отдельные направления разработки толерантного топлива, а главное, какие подводные камни могут встретиться этом пути и к чему, в конечном счете, все это может привести.

Покрытие циркониевых оболочек – наиболее простой и оптимальный путь и практически не влияет на обогащение топлива и физику реактора. Этим направлением занимаются AREVA, Westinghouse, ORNL, GE, University of Tennessee, CEA (France) , China, KAERI, а также KIT.

Основные типы применяемых покрытий – это хром и коррозионно-стойкие стали, SiC, а также более сложные соединения. В настоящее время проводятся дореакторные исследования. Результаты сравнительные испытаний CEA при 1200 гр. в течении 10 мин приведены на рисунке. Скорость коррозии уменьшилась в 4 раза.

Методы нанесения покрытий разные, чаще всего магнетронное напыление, холодное распыление, осаждение из газовой фазы с последующей обработкой электронным пучком.

На данном этапе проводятся работы по усовершенствованию методов нанесения покрытий (на рисунке показана динамика), изучаются их свойства, прежде всего коррозионная стойкость в штатном режиме и LOCA и изготовляются образцы для реакторных испытаний.




Пока, по моим ощущениям, у них больше внимания уделяется использованию более коррозионно-стойких в паре керамических покрытий. А следует сконцентрироваться на качестве сцепления, чтобы покрытия дожили до начала аварийной ситуации, а не разрушились бы при длительной работе в штатном режиме. Пока же в штатном режиме лучше всего себя показывает самое древнее изобретение – хромовое покрытие, нанесенное PVD методом – типа нашего магнетронного напыления. Конечно, в любом случае встанет вопрос и о методах контроля. Но если они все быстро сделают, облучат и внедрят в производство – топливный рынок для нас будет точно потерян.


Разработка стальных оболочек – 6-10 лет. Этим направлением занимаются США, Франция, Япония, Корея. Сюда можно отнести также разработку новых жаростойких Fe-Cr-Al оболочечных сталей с повышенным содержанием Al до 5-10%. Составы и свойства некоторых групп сталей приведены на рисунке.



Преимущества: Высокая коррозионная стойкость в аварийных ситуациях и освоенная промышленная технология изготовления труб

Недостатки: Захват нейтронов, а также коррозионное растрескивание под напряжением (для аустенитных сталей) и радиационное охрупчивание (для ферритных сталей) – об этом за рубежом пока не знают

Ухудшение нейтронной физики (К-инф) при применении стальных оболочек требует или увеличения обогащения топлива свыше 5%, или значительного утонения толщины оболочек до 0,25-0,35 мм вместо 0,6 мм у циркалоя, или повышения ураноемкости топливного сердечника.

Оболочку такой толщины сразу сожмет давлением – если внутри будет таблетка, то возникнет эллипсность и твэл не будет работоспособен. Но когда им это говоришь, то ощущение, что там стена. Нельзя вскрывать недостатки, финансирование пропадет.

Но главным их козырем является разработка нового типа стали. На Западе, в отличие от России, не было большого опыта применения стальных оболочек в водоводяных реакторах (там в малых реакторах сразу применялся цирконий), а быстрая энергетика у них в загоне. Поэтому, при разработке новой оболочечной стали они пошли по простому пути. Взяли известные жаростойкие стали Fe-Ni-Cr-Al, убрали из них никель от греха подальше, и получили относительно новую сталь среднего состава Fe-15Cr-7Al с очень высоким уровнем жаростойкости. Сделали оболочки и стали с ними работать.

Трубки из Fe-Cr-Al стали. Судя по фотографии, получение стальных трубок, в отличие от России, для них в диковинку. Дай бог им удачи, они пока не представляют, с чем столкнутся.

Однако здесь могут встретиться некоторые сложности. Они не заметили, что убрав никель, перешли от аучтенитной стали к ферритно-мартенситной (по крайней мере их менеджеры, с кем я беседовал, не очень понимали разницу). А у этого типа сталей при облучении будет выпадать хрупкая альфа-штрих фаза по границам зерен. Плюс радиоционное охрупциваниен, свойственное таким сталям. Аварийную ситуацию такие стали легко выдержат, но доживут ли они до аварии, вот в чем вопрос. Тем более разница в коэффициентах линейного расширения у них значительно выше, чем у циркония.


Разработка SiC-SiC композитов – 15-20лет. Самый эффективный, но технологически сложный и длительный по времени разработки вариант. Этим направлением занимаются практически все страны. Преимущества:

*         Оболочки из SiC обладают на 25 % меньшим значением сечения захвата тепловых нейтронов, чем циркониевые сплавы.

*         SiC не реагирует с водой при повышенных температурах. Фактически, степень коррозии карбида кремния на порядки ниже, чем у циркония. Использование в реакторах типа ВВЭР и РБМК оболочек твэлов из карбида кремния обеспечит радикальное повышение радиационной безопасности современных АЭС.

На рисунке приведены образцы SiC композитов, изготавливаемых в Китае. Наибольшего успеха добился Вестингхаус – изготовлена полномасштабная оболочка для PWR.

Но проблемы очень большие. SiC хрупок, и изготовить тонкостенные оболочки большая проблема. Поэтому за рубежом (а потом и у нас) пошли по пути создания композитов из SiC – оплетка фибров из SiC пропитывается растворами, а потом из газовой фазы внутри и снаружи оболочки снова наносится покрытие из SiC. Сами фибры – тонкие волокна из SiC - могут изготавливаться только в Японии и в США по специальной технологии и стоят, естественно, очень дорого.

Однако даже этот наукоемкий и высокотехнологичный способ изготовления оболочек не полностью удовлетворяет требованиям оболочек твэлов ВВЭР. Сложность герметизации, некоторая пористость и, следовательно, возможная газопроницаемость. Но главное – хрупкость. Если таблетка при распухании дойдет до оболочки и нагрузит ее, то, как говорит депутат Госдумы от правящей партии, будет «пипец». Причем полный. Расчетчики дружно убеждают всех, что не дойдет (есть некий зазор, плюс, доспекаемость таблетки за счет пористости), но при этом, следуя некой политической линии, не учитывают технологические и прочие отклонения по размерам, неравномерность распухания и прочее. Нужно, чтобы все было хорошо, иначе отберут финансирование. Но это уже их проблемы и их коррупция.

В кулуарных разговорах с западными коллегами выяснилось еще ряд деталей, которые не афишируются. Это резкое ухудшение свойств при облучении – в частности, падение теплопроводности и скалывание кусочков керамики с оболочки в потоке воды (в статике все замечательно).

По моим прогнозам, они еще год-два будут бежать по инерции в данном направлении, пока не начнут думать. Научные и технологические идеи, как исправить ситуацию есть. Но они пока не востребованы. Поэтому нам в российской программе разработки толерантного топлива следует учесть негативный зарубежный опыт и сразу начать с металлокерамики на базе SiC. Тогда мы окажемся впереди.

Comments

( 10 comments — Leave a comment )
clock_source
Feb. 8th, 2016 08:56 am (UTC)
> Они не заметили, что убрав никель, перешли от аучтенитной стали к ферритно-мартенситной (по крайней мере их менеджеры, с кем я беседовал, не очень понимали разницу). А у этого типа сталей при облучении будет выпадать хрупкая альфа-штрих фаза по границам зерен. Плюс радиоционное охрупциваниен, свойственное таким сталям.

Прямо горд за наше металловедение. И это... очепятки:

Они не заметили, что убрав никель, перешли от аустенитной стали к ферритно-мартенситной (по крайней мере их менеджеры, с кем я беседовал, не очень понимали разницу). А у этого типа сталей при облучении будет выпадать хрупкая альфа-штрих фаза по границам зерен. Плюс радиационное охрупчивание, свойственное таким сталям.

вот.
nucon
Feb. 8th, 2016 03:19 pm (UTC)
В этом есть доля правды...
... но и с выпадаением альфа-фазы можно попробовать побороться. Да и выпадает она не из-за облучения.
pz_true
Feb. 8th, 2016 03:10 pm (UTC)

интересно очень.
а нельзя из керамики делать нити, типа как для волс. а потом из них ткать трубки?

tnenergy
Feb. 8th, 2016 07:11 pm (UTC)
Из SiC так и делают - всякие высокотемпературные штуки, типа плиток Шаттла, но как это поможет для нагруженной давлением оболочки твэла?
pz_true
Feb. 9th, 2016 12:04 pm (UTC)
ну оплетку шланга подводки воды к крану видели? Я себе представляю себе как то так.
nucon
Feb. 8th, 2016 03:17 pm (UTC)
Краем глаза глянул...
... вижу кое-какие "домыслы". Но полезно было собрать все в кучу.
tydymbydym
Feb. 8th, 2016 03:57 pm (UTC)
Re: Краем глаза глянул...
А прокоментируйте, если не сложно.
Меня вот трудности с разделением изотопов азота заинтересовали (из второй части)
tnenergy
Feb. 8th, 2016 07:12 pm (UTC)
Re: Краем глаза глянул...
Прокомментировал во второй части "Речь идет не о разнице в массах (кстати, центрифуге важно не относительное различие в массах, а абсолютное, т.е. разделять N14 и N15 сложнее, чем U235 и U238) а о процентном содержании. Начинать надо с изотопа, содержание которого 0,36% - вдвое хуже, чем для урана. Не знаю, может быть действительно это сложно."
bmpt
Feb. 8th, 2016 05:27 pm (UTC)
Без монокристаллических SiC оболочек
раздупляться будут долго
nucon
Feb. 9th, 2016 12:27 am (UTC)
Re: Без монокристаллических SiC оболочек
Я скептически отношусь к таким изыскам. Зачем биться лбом в стену?
( 10 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

November 2017
S M T W T F S
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
2627282930  
Powered by LiveJournal.com