Проект "Прорыв" известен многим, как попытка вырваться из тупика, в который зашли быстрые реакторы и замкнутый ядерный цикл. На примере свежей новости по испытаниям опытных топливных сборок в рамках этого проекта хочется показать, как вообще работают разработчики ядерного топлива, а точнее часть их работы.
Вчера появилась новость:Главный технолог проекта «Прорыв» Владимир Троянов сообщил о результатах послереакторных исследований первой комбинированной экспериментальной тепловыделяющей сборки (КЭТВС-1) со смешанным нитридным топливом.
Проектное изображение опытного центра с реактором БРЕСТ-300-ОД. МП — модуль переработки ОЯТ, МФР — модуль фабрикации/рефабрикации нового топлива производительностью 14,7 тонны топлива (по СНУП) в год.
Первые послереакторные исследования, проведенные в Государственном научном центре — НИИ атомных реакторов (ГНЦ-НИИАР), с точки зрения ученых дали феноменальные результаты.«Не обнаружены нарушения в целостности топливного столба, очень порадовала низкая деформация оболочек», — сообщил Владимир Троянов.Совокупность полученных экспериментальных данных показывает, что состояние твэлов с нитридным топливом удовлетворительное и их ресурс далеко не исчерпан.
Три года назад ГНЦ-НИИАР изготовил комбинированную экспериментальную ТВС, в состав которой вошли четыре экспериментальных твэла с нитридным топливом производства АО «ВНИИНМ им. академика А.А.Бочвара». Сборка была загружена в реактор БН-600 на Белоярской АЭС. После того, как она отработала заданный ресурс, ее извлекли из реактора и на полгода поместили во внутриреакторное хранилище для снижения тепловыделения до допустимого уровня. Затем эта экспериментальная ТВС была возвращена в НИИАР для проведения послереакторных исследований. Первый цикл исследований был завершен в конце октября 2015 года. В целом, программа всех послереакторных исследований первой экспериментальной тепловыделяющей сборки со смешанным нитридным топливом рассчитана до середины 2016 года. Она предусматривает различные, в том числе разрушающие исследования.
В настоящий момент шесть полностью изготовленных в АО «СХК» экспериментальных тепловыделяющих сборок со смешанным нитридным топливом находятся на испытании в реакторе БН-600. Кроме того, специалисты СХК приняли участие в изготовлении четырех комбинированных экспериментальных сборок.
Полученные результаты исследований лягут в основу лицензирования обоснования работоспособности нитридного топлива в быстрых реакторах. Результаты работ будут использованы при реализации проекта создания опытно-демонстрационного энергокомплекса в составе реакторной установки «БРЕСТ-ОД-300» и пристанционных модулей по производству плотного топлива и переработке облученного плотного топлива на площадке АО «СХК».
==================================================================================================
О чем же здесь? Для начала надо напомнить, что одно из ключевых слов здесь — "нитридное": вместо стандартного диоксида урана UO2 тут планируется использовать нидрид урана UN и плутония PuN. Оксиды известны вдоль и поперек, наработав миллионы ТВС-лет в реакторе. Нитриды известны гораздо хуже, причем со всех сторон — как сделать порошок нитрида, топливную таблетку, как она ведет себя в реакторе, как взаимодействует с конструкционными материалами и теплоносителем и т.п. Почему они используются в "Прорыве"? Нитриды урана-плутония имеют большую плотность, а значит бОльшее удельное содержание делящихся материалов в активной зоне, меньше потери нейтронов и больший коэффициент воспроизводства плутония. С помощью нитридов Кв >1 можно получить для зоны без воспроизводящих экранов, что заметно упрощает эксплуатацию. Злые языки говорят кроме того, что нитриды выбраны потому, что оксиды всплывают в свинцовом теплоносителе, что не айс при разрушении твэла :)Итак, в рамках проекта прорыв планируются обширные исследования поведения нитридного топлива, в том числе путем изучения физико-химических характеристик облученного топлива.
Для чего планируется изготовить множество экспериментальных ТВС, какие-то из них будут нужны для определения поведения топлива "вообще", какие-то — для отличий в поведении топлива в будущих ТВС быстрых реакторов ПРОРЫВа от "вообще".
Верхняя строчка — и есть та ТВС, которая успешно была облучена в реакторе до 6% выгорания, потом "отлежалась" (ВРХ) и прошла послереакторные испытания (ПРИ). За ней следуют еще 4 совсем опытные КЭТВС, а затем и уже более приближенные к рабочим ТВС БРЕСТ-300 и БН-1200 на нитридном топливе ЭТВС-3...15
8% т.а. означает, что 8 процентов плутония в ТВС распадется (при этом из U238 наработается примерно равное количество свежего плутония). Это весьма немало — вдвое больше, чем в современных реакторах с водой под давлением. В то же время, это всего половина от стартовой загрузки плутония в ТВС (17% тяжелого металла, остальное — U238) — и это одна из важнейших причин, почему быстрые реакторы нежизнеспособны без радиохимической переработки: уж слишком низкое топливоиспользование.
Как мы видим, выгорание на ЭТВС будет набираться постепенно, от ТВС к ТВС. Такие уровни дозовых повреждений достигаются непросто: распухает таблетки, охрупчивается и распухает материал оболочки, в твэле накапливаются газообразные продукты деления. Как исследуют эти воздействия на топливо, что происходит при загадочном ПРИ?
ТВС после облучения очень и очень радиоактивны. Поэтому все исследования ведутся дистанционно, в горячих камерах. Для начала ТВС разбирается или распиливается, что бы можно было достать отдельные твэлы. После этого начинается неразрушающее и разрушающее исследование твэлов.
Смотрим, нет ли деформации и повреждений.
Делаем рентгеновский снимок облученного топлива.
С помощью гамма-спектрометра выясняем распределение продуктов деления плутония вдоль твэла. Почему он имеет такую форму? Потому что интенсивность ядерной реакции неравномерна вдоль твэла:
Теперь нам нужно узнать следующий важный параметр — насколько ядерное топливо подвержено распуханию и растрескиванию. Прокалываем твэл и измеряем газовый состав внутри:
Отлично, всего 5% газообразных продуктов деления вышли в объем твэла, остальное заперто в матрице топлива. Режем твэл, фотографируем и измеряем формоизменение таблеток:
Топливо потрескалось… но насколько оно распухло? Измеряем геометрию
Видим, что изменение объема довольно прилично. Такое распухание не даст получить выгорание выше 4,5-5%. Однако оно имеет две природы — появление газовых пор внутри топлива и распухание кристаллической решетки за счет радиационного повреждения. Первое менее опасно, чем второе. После измерения объема образцов в жидкости, видим
Основной эффект привносит пористость, т.е. газообразные продукты. Что ж, возможно технологические изменения на этапе приготовления топливного порошка, прессования и спекания таблетки дадут лучшие результаты.
Примерно так, а порой и более хитрыми и сложными методами исследуют все новое топливо, сравнивая результаты с моделированием. Сложность, длительность, дороговизна таких исследований во многом определяет длительность и дороговизну любых разработок ядерной энергетики. Поэтому очень радует, когда видишь, что подобная работа в проекте Прорыв выполняется в соотвествии с графиком и результаты радуют создателей.
Вчера появилась новость:Главный технолог проекта «Прорыв» Владимир Троянов сообщил о результатах послереакторных исследований первой комбинированной экспериментальной тепловыделяющей сборки (КЭТВС-1) со смешанным нитридным топливом.
Проектное изображение опытного центра с реактором БРЕСТ-300-ОД. МП — модуль переработки ОЯТ, МФР — модуль фабрикации/рефабрикации нового топлива производительностью 14,7 тонны топлива (по СНУП) в год.
Первые послереакторные исследования, проведенные в Государственном научном центре — НИИ атомных реакторов (ГНЦ-НИИАР), с точки зрения ученых дали феноменальные результаты.«Не обнаружены нарушения в целостности топливного столба, очень порадовала низкая деформация оболочек», — сообщил Владимир Троянов.Совокупность полученных экспериментальных данных показывает, что состояние твэлов с нитридным топливом удовлетворительное и их ресурс далеко не исчерпан.
Три года назад ГНЦ-НИИАР изготовил комбинированную экспериментальную ТВС, в состав которой вошли четыре экспериментальных твэла с нитридным топливом производства АО «ВНИИНМ им. академика А.А.Бочвара». Сборка была загружена в реактор БН-600 на Белоярской АЭС. После того, как она отработала заданный ресурс, ее извлекли из реактора и на полгода поместили во внутриреакторное хранилище для снижения тепловыделения до допустимого уровня. Затем эта экспериментальная ТВС была возвращена в НИИАР для проведения послереакторных исследований. Первый цикл исследований был завершен в конце октября 2015 года. В целом, программа всех послереакторных исследований первой экспериментальной тепловыделяющей сборки со смешанным нитридным топливом рассчитана до середины 2016 года. Она предусматривает различные, в том числе разрушающие исследования.
В настоящий момент шесть полностью изготовленных в АО «СХК» экспериментальных тепловыделяющих сборок со смешанным нитридным топливом находятся на испытании в реакторе БН-600. Кроме того, специалисты СХК приняли участие в изготовлении четырех комбинированных экспериментальных сборок.
Полученные результаты исследований лягут в основу лицензирования обоснования работоспособности нитридного топлива в быстрых реакторах. Результаты работ будут использованы при реализации проекта создания опытно-демонстрационного энергокомплекса в составе реакторной установки «БРЕСТ-ОД-300» и пристанционных модулей по производству плотного топлива и переработке облученного плотного топлива на площадке АО «СХК».
==================================================================================================
О чем же здесь? Для начала надо напомнить, что одно из ключевых слов здесь — "нитридное": вместо стандартного диоксида урана UO2 тут планируется использовать нидрид урана UN и плутония PuN. Оксиды известны вдоль и поперек, наработав миллионы ТВС-лет в реакторе. Нитриды известны гораздо хуже, причем со всех сторон — как сделать порошок нитрида, топливную таблетку, как она ведет себя в реакторе, как взаимодействует с конструкционными материалами и теплоносителем и т.п. Почему они используются в "Прорыве"? Нитриды урана-плутония имеют большую плотность, а значит бОльшее удельное содержание делящихся материалов в активной зоне, меньше потери нейтронов и больший коэффициент воспроизводства плутония. С помощью нитридов Кв >1 можно получить для зоны без воспроизводящих экранов, что заметно упрощает эксплуатацию. Злые языки говорят кроме того, что нитриды выбраны потому, что оксиды всплывают в свинцовом теплоносителе, что не айс при разрушении твэла :)Итак, в рамках проекта прорыв планируются обширные исследования поведения нитридного топлива, в том числе путем изучения физико-химических характеристик облученного топлива.
Для чего планируется изготовить множество экспериментальных ТВС, какие-то из них будут нужны для определения поведения топлива "вообще", какие-то — для отличий в поведении топлива в будущих ТВС быстрых реакторов ПРОРЫВа от "вообще".
Верхняя строчка — и есть та ТВС, которая успешно была облучена в реакторе до 6% выгорания, потом "отлежалась" (ВРХ) и прошла послереакторные испытания (ПРИ). За ней следуют еще 4 совсем опытные КЭТВС, а затем и уже более приближенные к рабочим ТВС БРЕСТ-300 и БН-1200 на нитридном топливе ЭТВС-3...15
8% т.а. означает, что 8 процентов плутония в ТВС распадется (при этом из U238 наработается примерно равное количество свежего плутония). Это весьма немало — вдвое больше, чем в современных реакторах с водой под давлением. В то же время, это всего половина от стартовой загрузки плутония в ТВС (17% тяжелого металла, остальное — U238) — и это одна из важнейших причин, почему быстрые реакторы нежизнеспособны без радиохимической переработки: уж слишком низкое топливоиспользование.
Как мы видим, выгорание на ЭТВС будет набираться постепенно, от ТВС к ТВС. Такие уровни дозовых повреждений достигаются непросто: распухает таблетки, охрупчивается и распухает материал оболочки, в твэле накапливаются газообразные продукты деления. Как исследуют эти воздействия на топливо, что происходит при загадочном ПРИ?
ТВС после облучения очень и очень радиоактивны. Поэтому все исследования ведутся дистанционно, в горячих камерах. Для начала ТВС разбирается или распиливается, что бы можно было достать отдельные твэлы. После этого начинается неразрушающее и разрушающее исследование твэлов.
Смотрим, нет ли деформации и повреждений.
Делаем рентгеновский снимок облученного топлива.
С помощью гамма-спектрометра выясняем распределение продуктов деления плутония вдоль твэла. Почему он имеет такую форму? Потому что интенсивность ядерной реакции неравномерна вдоль твэла:
Теперь нам нужно узнать следующий важный параметр — насколько ядерное топливо подвержено распуханию и растрескиванию. Прокалываем твэл и измеряем газовый состав внутри:
Отлично, всего 5% газообразных продуктов деления вышли в объем твэла, остальное заперто в матрице топлива. Режем твэл, фотографируем и измеряем формоизменение таблеток:
Топливо потрескалось… но насколько оно распухло? Измеряем геометрию
Видим, что изменение объема довольно прилично. Такое распухание не даст получить выгорание выше 4,5-5%. Однако оно имеет две природы — появление газовых пор внутри топлива и распухание кристаллической решетки за счет радиационного повреждения. Первое менее опасно, чем второе. После измерения объема образцов в жидкости, видим
Основной эффект привносит пористость, т.е. газообразные продукты. Что ж, возможно технологические изменения на этапе приготовления топливного порошка, прессования и спекания таблетки дадут лучшие результаты.
Примерно так, а порой и более хитрыми и сложными методами исследуют все новое топливо, сравнивая результаты с моделированием. Сложность, длительность, дороговизна таких исследований во многом определяет длительность и дороговизну любых разработок ядерной энергетики. Поэтому очень радует, когда видишь, что подобная работа в проекте Прорыв выполняется в соотвествии с графиком и результаты радуют создателей.
Комментарии (14)
alexhott
21.11.2015 18:35да уж технология посложнее чем бензин из нефти сделать с присадками.
но все же думаю что в наше время работа по разработке нового ЯТ идет куда легче и быстрее чем для первого реактора
tnenergy
21.11.2015 18:52+8Да как вам сказать. Требования к топливу для первого реактора были пониже, чем сейчас :)
Mad__Max
А что это за навитая проволока внутри ТВЭЛа? Имеется ввиду та, что внутри и похожа на пружину. Про навитую снаружи написано и более-менее понятно — как понимаю, просто чтобы ТВЭЛы при манипуляциях не прижимались вплотную к друг другу. А вот что за «пружина» внутри самого ТВЭЛа видная на рентген снимках?
Хм, а почему Марганец-54 в средней части, где самые интенсивные реакции идут, наоборот имеет меньшую активность чем по краям ТВЭЛа?
Он в нейтронном потоке как-то «дожигается» и превращается в какой-то другой изотоп, поэтому где реакции интенсивнее, там его меньше? Или куда иначе он девается?
tnenergy
навитая проволока внутри ТВЭЛа?
Пружина, удерживающая топливный столб. Такие есть во всех твэлах. Кстати, твэл правильно писать маленькими буквами, это слоговое сокращение.
>Хм, а почему Марганец-54 в средней части, где самые интенсивные реакции идут, наоборот имеет меньшую активность чем по краям ТВЭЛа?
Марганец из стальной оболочки твэла — продукт активации. В концах твэла, понятное дело, конструкционной стали больше, чем в середине, а нейтронное поле определяет степень активации исходного Mn55 в реакциях ?,n или n,2n. Почему из всех изотопов марганца для контроля используется именно этот сложно сказать, но это измерительная селекция, там должен быть и Mn56, и другие изотопы.
AlexanderG
А пики рубидия и цезия внизу твэла — таблетки осыпались?
tnenergy
На рентгеновском снимке видно что там какая-то хитрая конструкция — внизу топливо, выше проставка, еще топливо. Вот от нижней таблетки и пики.
AlexanderG
Судя по неровному излому нижней кромки топливного столба, мне всё же кажется, что это может быть осыпавшееся топливо…
tnenergy
Ага, есть такое. Не все так радужно у разработчиков нитридного топлива, говорят :)
Mad__Max
Она там для компенсации расширения таблеток нужна? (как теплового, так и радиационного «распухания»)
А откуда сталь? Я всегда думал, что оболочки из сплавов циркония и подобных металлов делают, как раз по причине того что железо из любых марок стали хорошо поглощает нейтроны (и за счет этого будет как большая потеря ценных нейтронов, так и дополнительный выход никому не нужных радиоактивных отходов)
Или это экспериментальные твэлы зачем-то стальные делают?
tnenergy
>Она там для компенсации расширения таблеток нужна? (как теплового, так и радиационного «распухания»)
Ага.
>А откуда сталь? Я всегда думал, что оболочки из сплавов циркония и подобных металлов делают
Для реакторов на тепловых нейтронах — да, цирконий. Для быстрых сталь имеет примерно такие же нейтронные характеристики и лучше — механические/коррозионные.
AlexanderG
Это действительно пружина:
Полагаю, она необходима для компенсации температурного расширения топлива (а оно весьма значительно при рабочих температурах до 2000°C) и для правильного расположения топливных таблеток внутри твэла.