FR22 - топливо для быстрых натриевых

AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 29.05.2022

Международная конференция FR22 по быстрым реакторам и связанным с ними топливным циклам прошла в штаб-квартире МАГАТЭ в Вене с 19 по 22 апреля 2022 года.

На конференции от имени международного форума "Generation IV" был представлен обзорный доклад по топливу для быстрых натриевых реакторов. У доклада 19 авторов из восьми организаций, в том числе из России.

Основной докладчик - Фредерик Серр (Frederic Serre), французский комиссариат атомной энергии.

Основные преимущества разных топлив

В докладе обсуждались три вида ядерного топлива для быстрых натриевых реакторов - металлическое, оксидное и нитридное. В первой части доклада названы основные преимущества каждого из трёх топлив.

Преимущества металлического топлива таковы:

• высокая плотность, позволяющая достигать высоких КВ; более жёсткий спектр нейтронов благоприятен с точки зрения баланса нейтронов;

• высокая теплопроводность, вследствие чего топливо работает при пониженных температурах;

• отличная химическая совместимость с натриевым теплоносителем;

• относительно простой процесс изготовления топлива;

• продемонстрированная способность к электрохимической переработке, что обеспечивает желательный уровень нераспространенческих свойств.

Преимущества оксидного топлива таковы:

• высокая температура плавления;

• превосходная структурная и химическая стабильность при высоких температурах и глубоких выгораниях;

• меньшее по сравнению с металлическим топливом распухание под облучением;

• технологические процессы изготовления и переработки во многом схожи с процессами для топлива легководных реакторов, что позволяет использовать накопленный для LWR опыт.

Преимущества нитридного топлива таковы:

• высокая плотность;

• высокая теплопроводность;

• высокая температура плавления.

Страны выбирают топливо для своих проектов быстрых натриевых реакторов, исходя из различных соображений.

Выбор тесно связан с требованиями к конструкции активной зоны, имеющимся опытом облучения и испытаний, наличием мощностей по производству топлива и соображениями, касающимися конечного этапа топливного цикла.

В настоящее время Китай, Франция, Япония и Евросоюз выбрали оксидное топливо для основных направлений проектирования быстрых натриевых реакторов, в то время как США и Южная Корея предпочитают металлическое топливо.

В России быстрые натриевые реакторы работают на оксидном топливе, но для следующего поколения реакторов БН рассматривается нитридное топливо.

Для оболочек твэлов и конструкционных материалов ТВС все страны, участвующие в форуме "Generation IV", планируют начинать с ферритно-мартенситных или аустенитных сталей, но в долгосрочной перспективе стремятся перейти на другие материалы, такие как дисперсноупрочнённые (ODS) стали или керамика (например, карбид кремния SiC).

Краткие характеристики

Далее в докладе (не презентации!) дана краткая характеристика всех трёх видов топлива для быстрых натриевых реакторов.

Металлическое топливо отливается под давлением в виде длинных стержней (заготовок) из бинарных (U-Zr) или тройных (U-Pu-Zr, U-TRU-Zr) сплавов. Как правило, доля циркония составляет от 5% до 30%. Наличие циркония позволяет повысить температуру плавления и прочность конструкции, а также минимизировать возможности химического взаимодействия топлива и оболочки.

Топливо термически связано с оболочкой через натриевый подслой, что обеспечивает почти беспрепятственную передачу тепла от топлива к теплоносителю.

Рабочая температура обычно составляет от 700 К до 1000 К в центре топливных стержней, в зависимости от состава топлива и позиции по высоте. Температура плавления топлива составляет около 1500 К, также в зависимости от состава топлива.

Для сбора газообразных продуктов деления предусматривается относительно большая полость, которую конструкторы обычно располагают в ТВС над топливным столбом.

Большинство проектов металлического топлива имеют большой зазор между топливом и оболочкой, чтобы обеспечить достаточный объём при распухании на ранних этапах работы топлива и для образования взаимосвязанной пористости, что, в свою очередь, помогает избежать дальнейшего распухания при более глубоких выгораниях.

Оксидное топливо во многом аналогично оксидному урановому или MOX-топливу для легководных реакторов. Это спечённые керамические таблетки, уложенные внутри оболочки твэла, заполненной гелием.

Из-за более низкой теплопроводности топлива и малой проводимости зазора оксидное топливо работает при относительно более высоких температурах, чем металлическое топливо. Рабочая температура обычно составляет от 2300 К до 2700 К в центре таблеток.

Однако высокая температура плавления оксида (около 3000 К) обеспечивает сопоставимый, если не больший запас до расплавления активной зоны при постулируемых авариях.

Хорошая структурная стабильность оксидного топлива ограничивает его распухание, что позволяет иметь меньший объём для сбора газообразных осколков.

В некоторых конструкциях газовый объём располагают ниже топливного столба, на участке с относительно низкими температурами натрия, что позволяет снизить давление в газовом объёме. В свою очередь, это позволяет уменьшить высоту твэла и снизить потери давления на активной зоне.

Конструкция оксидного топливного элемента позволяет использовать преимущества технологических процессов изготовления топлива для легководных реакторов. Отсутствие необходимости в натриевом подслое упрощает технологию переработки.

Нитридное топливо, как и оксидное, представляет собой керамические таблетки из нитрида урана или смеси нитридов урана и плутония, уложенные внутри оболочки твэла, заполненной гелием или, в качестве запасного варианта, жидким металлом.

Из-за высокой теплопроводности нитридное топливо работает при более низкой температуре, чем оксидное топливо, но при более высокой, чем металлическое топливо. Рабочая температура обычно составляет от 800 К до 1300 К в центре таблеток в зависимости от их состава и теплопроводности зазора.

Высокая температура плавления (около 3000 К) обеспечивает большой запас до расплавления активной зоны во время постулируемых аварий, однако эффективность нитрида ограничена термическим разложением топлива, которое начинается при 1700 К (с очень низкой скоростью) и становится значительным при 2200 К.

Благодаря хорошей способности удерживать газообразные осколки давление в твэле относительно низкое. Для ограничения механического взаимодействия топлива и оболочки плотность топлива составляет около 80% от теоретической.

Нитридное топливо рассматривается как перспективная новая форма топлива, сочетающая в себе лучшие свойства металлических и оксидных топлив. Однако для нитрида отсутствует обширный опыт производства, переработки, облучения и испытаний, какой имеется у металла и, особенно, оксида.

Нитрид также обладает неприятным недостатком - при относительно низкой (ниже точки плавления) температуре он разлагается на металл и азот, что ограничивает его эффективность во время аварий и создаёт производственные проблемы.

Ещё один недостаток нитридного топлива, который следует принимать во внимание - поглощение нейтронов по реакции ¹⁴N(n,р)¹⁴С. Это ухудшает нейтронный баланс и ведёт к образованию ¹⁴С, изотопа с периодом полураспада 5700 лет.

Влияние на безопасность

В следующей части доклада рассмотрены свойства топлив с точки зрения безопасности.

Докладчик напомнил, что фундаментальные свойства безопасности должны предотвращать отказы топлива, формировать пригодную для охлаждения геометрию активной зоны, а также сохранять открытыми каналы для введения органов регулирования и защиты.

Металлическое топливо характеризуется значительным опытом использования в быстрых натриевых реакторах. Достигнуты глубины выгорания до 10%(ат.), продемонстрирована способность достичь глубины выгорания до 20%(ат.) с оболочками из ферритно-мартенситных сталей.

Под облучением в металлическом топливе происходят перераспределение компонентов топливного сплава, образование пористости, удержание и выделение газообразных осколков, радиальное и аксиальное распухание топлива, а также образование легкоплавкой эвтектики на границе раздела топливо-оболочка, приводящее к постепенному истончению оболочки.

Низкие рабочие температуры и температуры в переходных процессах обеспечивают относительно небольшие Допплер-эффекты реактивности, что облегчает контроль за реактивностью и уменьшает возможную величину случайно введённой реактивности. Также это даёт оператору больше времени для устранения несоответствий между выделяемой мощностью и охлаждением активной зоны в аварийных ситуациях.

Основной сценарий отказа металлического топлива - повреждение под воздействием газообразных осколков оболочки твэла, ослабленной из-за эвтектического утончения (Fuel Cladding Chemical Interaction, FCCI).

При рабочих температурах FCCI является медленным процессом. Но при повышенных температурах при аварийных режимах он может привести к к ускоренному разрушению оболочки. Образование эвтектики зависит от температуры, поэтому данное явление накладывает ограничения на выходную температуру теплоносителя (но не на глубину выгорания!).

В аварийных режимах нагрузки на оболочку твэла во многом определяются давлением газообразных осколков, поэтому требуется большой объём для сбора газов в твэле.

Надёжность металлического топлива при быстрых переходных процессах была продемонстрирована в ходе экспериментов на исследовательском реакторе TREAT. Также докладчик отметил химическую совместимость металлического топлива и натриевого теплоносителя, что обеспечивает отсутствие каких-либо реакций с выделением энергии при взаимодействии топлива и натрия.

Оксидное топливо имеет обширный международный опыт применения в исследовательских, демонстрационных и коммерческих быстрых реакторах.

Известные эффекты в оксиде под облучением - реструктуризация топлива, рост зерён, удержание и выделение газообразных осколков, влияющее на распухание топлива, миграция пористостей, приводящая к образованию центрального объёма, распухание топлива вследствие накопления твёрдых осколков деления, изменение размеров зазора между топливом и оболочкой, соотношение атомов кислорода и металла, влияющее на химическое взаимодействие топлива и оболочки.

Оксид характеризуется низкой теплопроводностью, но высокой температурой плавления. Соответственно, у оксидного топлива есть большой запас до расплавления.

К оксидному топливу остаются вопросы по его поведению в переходных процессах при глубоких выгораниях, порядка 15%(ат.), однако считается, что проблем можно избежать за счёт подбора эффективной плотности (smear density) топлива.

Надёжность оксидного топлива при быстрых переходных процессах была продемонстрирована в ходе экспериментов на исследовательских реакторах CABRI и TREAT.

Имеются проектные пути повышения безопасности оксидного топлива - например, за счёт снижения положительного натриевого пустотного эффекта реактивности. Докладчик также отметил, что возможности по трансмутации младших актинидов в оксидном топливе были продемонстрированы на уровне отдельных твэлов.

Нитридное топливо требует дальнейшего изучения. В России были изготовлены и облучены в БОР-60 и БН-600 свыше 1000 твэлов различной геометрии и с различными материалами оболочек.

Докладчик отметил два соображения, которые требуется принимать во внимание. Разложение нитрида при температурах порядка 2000 K и выше приведёт к выделению газообразного азота и росту давления на оболочку, а также к появлению обогащённых по плутонию металлических фаз с низкой температурой плавления.

Второе соображение касается следующего явления. Высокие теплопроводность и температура плавления нитридного топлива могут привести к взрывам паров натрия, когда горячее расплавленное топливо вступает в контакт с более холодным теплоносителем.

Интенсивный теплообмен между топливным расплавом и натриевым теплоносителем может привести к быстрому преобразованию тепловой энергии в механическую работу, что приведёт к возникновению ударных волн и поставит под угрозу целостность окружающих конструкций. Экспериментальные данные по этой теме немногочисленны, и она требует дальнейшего изучения.

Квалификация топлива

В заключительной части доклада выступающий остановился на вопросах квалификации топлив и основных стоящих при этом проблемах.

Металлическое топливо. Для него требуется установить применимость собранных в прошлом веке данных при облучении топлива в EBR-II и FFTF для современных проектов.

Докладчик отметил, что программа квалификации металлического топлива выполняется в Южной Корее для проекта PGSFR.

Оксидное топливо. Оно характеризуется наивысшей среди всех трёх топлив степенью технологической готовности. Основной упор следует сделать на изучении его свойств и поведения при добавке в топливо младших актинидов.

Нитридное топливо. Для него нужно набирать экспериментальную базу, особенно в части его поведения в переходных процессах. Эффекты поведения смешанного нитридного уран-плутониевого топлива в гелиевой атмосфере при высоких температурах также необходимо тщательно изучить, такая работа проводится в России.

В заключение докладчик напомнил, что возможности по облучению топлива и материалов в мире сегодня ограничены, поэтому важную роль при квалификации топлива будут играть передовые методы моделирования, имитирующие поведение топлива под облучением.

Ключевые слова: ЯТЦ, Быстрые натриевые реакторы, FR21, Статьи

---

Другие новости:

На Курской АЭС-2 смонтирован первый парогенератор

В ближайшее время будут смонтированы ещё три.

ГНЦ НИИАР вновь подтвердил статус государственного научного центра

Подтверждение статуса - каждые два года.

Первый бетон залит на энергоблоке №4 АЭС "Сюйдапу" в Китае

Ввод блоков №№3/4 в эксплуатацию намечен на 2027-2028 годы.

---

---

---

---

Поиск по сайту: