энергетической системы России

1
В.М. Троянов, А.В. Ватулин, В.В. Новиков, И.А. Шкабура
ОАО ВНИИНМ им. А.А. Бочвара
Разработка новых видов топлива и
конструкционных материалов
для крупномасштабной ядерноэнергетической системы России
Россия, Москва, 26-27.05.2010.
2
ВВЕДЕНИЕ
В докладе рассматриваются 3 вопроса, касающиеся
разработки ядерного топлива для обеспечения ядерноэнергетической системы России:
1 - топливо для реакторов ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200,
2 - концептуальные подходы к созданию производства
смешанного топлива для реакторов на быстрых нейтронах,
работающих в замкнутом топливном цикле,
3- разработка твэлов дисперсионного типа для плавучих
энергоблоков (ПЭБ) и атомных станций малой мощности
(АСММ).
3
ВВЭР-1200
Основные параметры РУ ВВЭР-1200 и ядерного топлива
ВВЭР-1000
ВВЭР-1200
Номинальная мощность реактора, МВт
3000
3200
Давление теплоносителя на выходе из реактора, МПа
15,7
16,2
Температура теплоносителя на входе в реактор, С
291
298,6
Температура теплоносителя на выходе из реактора, С
321
329,7
Максимальный линейный тепловой поток, Вт/см
448
420
12 - 18
12/(18-24)
Высота топливного столба, мм
3530
3730
Масса UO2, кг
80600
87065
Параметры
Межперегрузочный период, мес.
Все изменения рабочих параметров топлива требуют своего обоснования!!!
4
ВВЭР-1200
Топливные циклы АЭС-2006 – Заказчику на выбор!
Топливный цикл
5х1
3х1,5
Количество ТВС подпитки, шт.
36
78
Среднее обогащение ТВС, %
4,84
4,85
Длительность работы топливной загрузки, эфф.сут. (без
мощностного эффекта)
302
521
Выгорание в выгружаемых ТВС, МВт*сут/кг U
-среднее
-максимальное
57,2
64,5
45,6
64,0
Удельный расход природного урана (отвал 0.3%)
0,191
0,24
5
ВВЭР-1200
Конструкция тепловыделяющих элементов основывается на референтном опыте
проектов ТВСА и ТВС-2
6
ВВЭР-1200
Топливная композиция и оболочки
В качестве выгорающего поглотителя используется окись гадолиния,
интегрированная в топливную матрицу с массовой долей до 10%.
Оболочки твэлов выполнены из оптимизированного сплава Э-110опт.
Топливные таблетки имеют диаметр нар./внутр. 7.6/1.2 мм.
Рассматривается в дальнейшем возможность использования таблеток 7.8
мм без отверстия с соответствующим изменением толщины оболочек
9.10х0.57мм.
7
Развитие конструкции твэла ВВЭР-1000
Увеличение загрузки топлива за счет оптимизации размеров топливного
сердечника и оболочки при сохранении внешнего размера оболочки.
8
Эффект от использования «толстых» таблеток в ВВЭР-1000 – увеличение загрузки.
Применение в настоящее время – блок №1 Калининской АЭС
9
21-я топливная загрузка
на 1-м блоке Калининской АЭС (2005-2006 год)
30 ТВСА - 7,57/1,4
10 ТВСА - 7,60/1,2
1 ТВСА - 7,60/1,2 + 18 твэлов 7,6/0,0
1 ТВСА - 7,60/1,2 +18 твэлов 7,8/0,0
- твэлы 7,8/0,0 или 7,6/0,0 (4,4 %)
- твэлы 7,6/1,2 (4,4 %)
- твэлы 7,6/1,2 (4,95 %)
10
10
Картограмма размещения ТВС в 22-й топливной загрузке
на 1-м блоке Калининской АЭС (2006-2007 год)
18 ТВСА - 7,57 / 1,4
18 ТВСА - 7,60 / 1,2
6 ТВСА - 7,80 / 0,0
1 ТВСА - 7,60/1,2 + 18 твэлов 7,6/0,0
(~ 28 МВт*сут/кгU)
1 ТВСА - 7,60/1,2 + 18 твэлов 7,8/0,0
(~ 28 МВт*сут/кгU)
11
11
Состояние поверхности твэлов ТВСА после 2-х лет эксплуатации
Область 13-й ДР
Область 2-й ДР
12
12
Картограмма размещения ТВС в 24-й топливной загрузке
на 1-м блоке Калининской АЭС (2008-2009 год)
36 ТВСА - 7,80 / 0,0
6 ТВСА - 7,80 / 0,0
1 ТВСА - 7,60/1,2 + 18 твэлов 7,6/0,0
(~ 55 МВт*сут/кгU)
1 ТВСА - 7,60/1,2 + 18 твэлов 7,8/0,0
(~ 55 МВт*сут/кгU)
13
13
ВВЭР-1200
Обоснование коррозионной стойкости выполнено для новых параметров реактора,
включая повышенное до 11,4% вес. паросодержание в теплоносителе. Массовое
расчетное паросодержание на выходе максимально «горячей» ячейки в течение
кампании (реальные параметры для топливного цикла 5х1 год) показано на рисунке.
14
14
Модернизация сплава Э110 – увеличение O и Fe
Корректировка
2007 г. ТУ
по Fe для Э110
200
750
Э110
штатный
300
100
Э110
оптимизированный
450
15
15
Зависимость радиационного формоизменения от содержания железа в оболочечных
трубах из сплава Э110 при облучение в реакторе в БОР-60
Радиационный рост
время облучения 4200 час
16
16
Основные требования к материалам оболочек твэлов
•
•
•
Повышение надежности твэлов нового поколения (циркониевая губка,
утонение стенки 0.65  0.57 мм)
Обеспечение конкурентоспособности (свойства по коррозии и
формоизменению)
Технологичность
Характеристики твэлов нового поколения и штатных твэлов
17
17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ по ВВЭР-1000: Эволюция топлива на энергоблоках
Конструкционные
материалы ТВС
Циркониевые сплавы
Э110 и Э635
Повышение жесткости
ТВС
Выгорающий
поглотитель
UO2 – Gd2O3 (5%  8%)
Снижение пиковых
нагрузок.
Повышение
выгорания.
Обогащение топлива
235U
(4,4%  4,95%)
Увеличение наружного
диаметра топливной
таблетки
7,57  7,60  7,8
Уменьшение
центрального
отверстия топливной
таблетки
2,3  1,4  1,2  0,0
Увеличение длины
топливного столба
3530  3680
Изменение
9,1х7,73  9,1х7,93
Повышение выгорания
и энерговыработки
18
Смешанное топливо для БР
 Федеральная целевая программа
«Ядерные энерготехнологии нового
поколения…» определяет приоритетным
направлением создание замкнутого
топливного цикла (ЗТЦ) с регенерацией
плутония из отработавших ТВС для
использования его в качестве топлива
реакторов на быстрых нейтронах.
19
Смешанное топливо для БР
 Обоснованным вариантом вовлечения плутония в топливный
цикл является изготовление таблеточного смешанного
оксидного топлива (МОКС-топлива) для реакторов типа БН.
На ПО «Маяк» накоплен опыт по получению на заводе РТ-1
регенерированного диоксида плутония и опытнопромышленному изготовлению ТВС с таблеточным МОКСтопливом для БН-350 и БН-600.
 Всего испытано 53 таких ТВС до максимальной глубины
выгорания 11,8 % т.а. с повреждающей дозой на оболочке до
82 сна.
 В БН-600 проходят испытания три экспериментальных ТВС с
таблеточным МОКС-топливом в конструктиве БН-800,
отличающемся, главным образом, наличием в верхней части
поглощающих элементов вместо торцевого экрана.
20
Смешанное топливо для БР
 Перспективным направлением развития топливных
технологий является переход на так называемые
плотные виды смешанного топлива:
– нитриды,
– карбиды,
– металлические сплавы и композиционные топливные
материалы на их основе.
 В исследовательских реакторах испытано
значительное количество экспериментальных твэлов
с различным видом плотного топлива, включая
нитридное и металлическое смешанное топливо.
21
Принципы создании промышленного производства для смешанного топлива
 - унификация технологий и машиностроительного комплекса;
 - обеспечение рентабельности производства и







систематического снижения топливной составляющей в
стоимости киловатт-часа;
- готовность технологий к промышленному внедрению;
- максимальное использование действующих промышленных
производств для снижения капитальных затрат;
- интеграция элементов ЗТЦ в действующий топливный цикл;
- минимизация количества РАО на окончательное
захоронение;
- минимизация транспортных расходов;
- обеспечение возможности экспорта технологий, продукции
и услуг;
- возможность поэтапного совершенствования по
экономическим и экологическим показателям.
22
Твэлы с таблеточным МОХ альтернативы не имеют
 Во ВНИИНМ разработана универсальная технология
изготовления смешанного таблеточного МОХ с применением
метода вихревого размола (ВР-процесс). В основе - принцип
сухого смешивания диоксидов урана и плутония в
электромагнитном вихревом смесителе. Внедренная на ПО
«Маяк» технология запатентована в России (Патент
РФ №2262756) и в ряде зарубежных стран (Германия,
Бельгия, Франция, Китай и др).
 Переход к изготовлению таблеток плотного топлива
(например, смешанного нитридного) предусмотрен без
изменения состава основного технологического
оборудования. Требуется лишь создание дополнительного
модуля для производства соответствующих исходных
материалов.
23
Реализация принципа универсальности таблеточного производств
UO2, PuO2
(U,Pu)O2
Модуль изготовления
исходных порошков плотного топлива
Плотное топливо
МОКС
исходные
порошки
Установка ВР
на базе АВС
Гранулятор
пресспорошок
Печь спекания
проходного типа
готовые
таблетки
Кассетный
Пресс-автомат
24
Твэлы с МОХ-топливом:
BN-600
BN-800
25
Irradiation-induced swelling – criterion of structural material choice
Аустенитная
сталь
Swelling,%
EP 450
Ферритомартенситная
сталь
26
Перспективы усовершенствования топлива в БН-600
Parameter
Current status
Stage 1
Stage 2
06 Cr16 Ni15 Мo2 Mn2 Тi
WB
06 Cr16 Ni15 Мo2 Mn2
Тi W B
07 Cr16 Ni19 Мo2 Mn2
Nb Тi V
(ChS-68 cw)
(ChS-68 cw)
(EK164 cw)
Lifetime duration, effective days
560-585
592
710/770
Interval duration between refuelings,
effective days
14030
14830
14830
Number of operation intervals of FA
basic array
4
4
5
Installed power factor, %
0,77-0,80
0,81
0,81
Maximal local fuel burn-up, % h.a.
11,2-11,6
11,7
15,0
82-86
87
110
Fuel element maximal HGR, kW/m
47
47
47
Fuel cladding maximal
temperature, С
700
700
700
Fuel cladding material
Maximal damage dose, dpa
27
Некоторые параметры эксплуатации топлива в БН-800
Parameter
Design basis core
Prospects
06 Cr16 Ni15 Мo2 Mn2 Тi W B
07 Cr16 Ni19 Мo2 Mn2 Nb Тi V
(ChS-68 cw)
(EK164 cw)
Campaign, eff. days
465
570-620
Fuel cycle between refuelings, eff. days
155
143-155
3
4
10,3
12,5-13,5
Maximal damage dose, dpa
90
110-120
Fuel rod maximal HGR, kW/m
48
48
Fuel cladding maximal temperature, С
700
700
Fuel cladding material
Number of fuel cycles during FA campaign
Maximal local fuel burn-up, % h.a.
28
Некоторые параметры эксплуатации топлива в БН-1200
Parameter
Fuel cladding material
Stage 1
Stage 2
Stage 3
ODS
ODS
16 Cr12 W2 V Ta N B
(EK-181)
20 Cr12 Mo W V Nb N B
(ChS-139)
Campaign, eff. days
1320
1650
1980
Fuel cycle between refuelings,
eff. days
330
330
330
4
5
6
Maximal local fuel burn-up, % h.a.
14,4
17,6
20,6
Maximal damage dose, dpa
133
164
182
Fuel rod maximal HGR, kW/m
46
46
46
Fuel cladding maximal
temperature, С
670
670
670
Number of fuel cycles during FA
campaign
29
Реакторные испытания для подтверждения
работоспособности твэлов БН-1200
сна
Material science
assembly, BN-600
30
Переработка ОЯТ
 Унифицированное таблеточное производство стыкуется с водно-
экстракционной технологией переработки ОЯТ тепловых реакторов.
 Обеспечивается преемственность технологий топливного цикла на
переходном этапе развития атомной энергетики.
 Высокие степени очистки ОЯТ от осколков деления (107 – 108) водных
методов переработки позволяют свести к минимуму экологическую
нагрузку на топливный цикл, обеспечив приемлемые радиационные
характеристики при производстве и обращении со свежими ТВС на всех
стадиях.
 Продемонстрировано на Западе и подтверждается в России, что водноэкстракционные технологии могут быть малоотходными, с развитыми
методами кондиционирования ЖРО и минимально возможными
объемами РАО, образующимися от ОЯТ, для захоронения в
геологических формациях. Окончательные объемы РАО от переработки
ОЯТ фактически зависят от свойств материалов, применяемых для их
изоляции (стекло, керамика).
31
Разработка дисперсионных твэлов ПЭБ и АСММ
 В основе разработки активной зоны для головного ПЭБ - ледокольная




активная зона КЛТ-40 канального типа.
В активных зонах атомных ледоколов типа КЛТ-40 используются твэлы
на основе высокообогащенного урана (содержащего более 20 % 235U).
Для обеспечения экспортного потенциала ПЭБ и АСММ с КЛТ-40С
необходимо было разработать топливо с обогащением урана не более
20%.
Разработка твэлов для ПЭБ и АСММ проводилась путем модернизация
твэлов атомных ледоколов на основе проверенных конструкции и
технологии.
Разработаны твэлы на основе композиции «UO2+алюминиевый сплав»
(«керметное» топливо), обладающей существенно большей
ураноѐмкостью, чем топливо атомных ледоколов.
Проведен комплекс дореакторных исследований твэлов, в результате
которых определены их характеристики в необлученном состоянии.
32
Испытания дисперсионных твэлов ПЭБ и АСММ
 В петлях исследовательского реактора МИР (НИИАР) успешно проходят
испытания разработанных твэлов в составе облучательного устройства
«Гирлянда» и в составе полномасштабной ТВС. Испытаны два блока,
испытания еще двух блоков и полномасштабной ТВС продолжаются, все
твэлы герметичны.
 Проведены послереакторные исследования твэлов, достигнувших
выгорания вплоть до 0,98 г/см3 (150 МВт·сут/кгU), показавшие их
надежность и работоспособность применительно к условиям
эксплуатации в КЛТ-40С.
Слева – микроструктура топливной композиции при выгорании 0,89 г/см3;
справа – распухание сердечника твэлов в зависимости от выгорания.
33
Испытания дисперсионных твэлов ПЭБ и АСММ
 Проведены термические испытания облученных твэлов и
исследование поведения негерметичных облученных твэлов в
петле реакторе МИР. Результаты этих исследований показали,
что керметное топливо не уступает топливу атомных
ледоколов по радиационной стойкости в условиях
запроектных аварий и по коррозионной стойкости в
негерметичном состоянии.
 По результатам конструкторско-технологических проработок,
дореакторных и послереакторных исследований в 2007 году
выпущен, согласован и утвержден технический проект твэла
14-14 для активной зоны головного ПЭБ.
34
34
Спасибо за внимание!