ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Организация производства керметных твэл для атомных электростанций»

Рекомендуемая область пременения

Атомная энергетика. Керметный твэл на основе микротоплива предназначен для размещения ядерного топлива в активной зоне АСММ, охлаждаемого водой.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта - использование керметного твэла позволяет расширить потенциальные возможности АСММ за счет повышения эксплуатационных характеристик твэла. Разработка направлена на повышение эксплуатационных характеристик керметного твэла и АСММ

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Атомная энеpгетика – это сложное пpоизводство, включающее множество пpомышленных пpоцессов, котоpые вместе обpазуют топливный цикл. Существуют разные типы топливных циклов, зависящие от типа реактора и от того, как протекает конечная стадия цикла. Обычно топливный цикл состоит из следующих пpоцессов. В pудниках добывается урановая руда. Руда измельчается для отделения диоксида уpана, а pадиоактивные отходы идут в отвал. Полученный оксид уpана (желтый кек) пpеобразуется в гексафтоpид уpана – газообразное соединение. Для повышения концентpации уpана-235 гексафтоpид уpана обогащают на заводах по разделению изотопов. Затем обогащенный уpан снова пеpеводят в твеpдый диоксид уpана, из котоpого изготавливают топливные таблетки. Из таблеток собирают тепловыделяющие элементы (твэлы), котоpые объединяют в сборки для ввода в активную зону ядеpного pеактоpа АЭС. Извлеченное из реактора отработанное топливо имеет высокий уровень радиации и после охлаждения на территории электростанции отправляется в специальное хранилище. Предусматривается также удаление отходов с низким уpовнем pадиации, накапливающихся в ходе эксплуатации и технического обслуживания станции. По истечении срока службы и сам реактор должен быть выведен из эксплуатации (с дезактивацией и удалением в отходы узлов реактора). Каждый этап топливного цикла регламентируется так, чтобы обеспечивались безопасность людей и защита окружающей среды.

Тепловыделяющий элемент является важнейшей сборочной единицей, генерирующей тепловую энергию. Под герметичной оболочкой твэл размещен топливный сердечник, состоящий из таблеток двуокиси урана. Тепловыделяющий элемент обеспечивает удержание топлива и продуктов его деления от проникновения в теплоноситель и теплопередачу от топливной таблетки к теплоносителю через оболочку твэл.

Изготовление тепловыделяющих элементов осуществляется на автоматизированных линиях, объединяющих технологические и контрольные операции в единый технологический комплекс. Особое внимание уделяется технологии сварки нижней и верхней заглушек и контролю качества сварных швов и околошовных зон, которые должны обладать высокой прочностью и коррозионной стойкостью, отсутствием внешних и скрытых дефектов, структурных аномалий и внутренних напряжений.

В России к концу 1990 – х годов насчитывалось более 40 в различной степени проработанных реакторных установок малой мощности (верхняя граница тепловой мощности приходится на уровень примерно 500 МВт), в которых используется, как правило, керметное топливо. Основные эксплуатационные характеристики этих реакторов в значительной степени определяются применяемыми твэлами. Поэтому конструкторами современных реакторов перед разработчиками твэл ставится задача создать новое поколение керметных твэл с большей загрузкой по ядерному топливу и более низким обогащением и имеющих повышенные эксплуатационные характеристики (прежде всего по выгоранию и геометрической стабильности) и надежность. Предлагаемый керметный твэл позволяет конструкторам реакторов в большем объеме реализовать потенциальные возможности своих разработок.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Предлагаемый керметный твэл отличается от твэла дисперсионного типа тем, что:

керметный топливный сердечник имеет матричную структуру, исключающую контакты между топливными частицами размером 350-500 мкм, при объемной доле ядерного топлива в композиции 70-75 %, что значительно решает проблему нераспространения;

в качестве материала матрицы используется сплав на основе циркония и ниобия с прочностными свойствами, обеспечивающими компенсацию твердого распухания ядерного топлива его пористостью;

между оболочкой и сердечником располагается подслой из материала типа силумин, обеспечивающий металлургическое сцепление и высокую теплопроводность.

Высокая концентрация ядерного топлива в композиции (70-75% об.) и возможности технологии применять различные ядерные топлива (U0_2, UN, U9Mo и другие) позволяет создать твэл с обогащением урана по урану-235 не более 20% (в соответствии с требованиями МАГАТЭ по нераспространению).

Описание конструкции твэла. Предлагаемый керметный твэл отличается от твэла с керамическим топливом и известных твэлов дисперсионного типа тем, что (рис. 1, [2]):

Рис.1. Конструктивная схема керметного твэла на основе микротоплива.
а – продольное сечение твэла;

б – поперечное сечение твэла;

в – структура керметной композиции(UO₂ – ZrNb сплав);

г – структура контактного подслоя между сердечником и оболочкой.

керметный топливный сердечник имеет матричную структуру, исключающую контакты между топливными частицами размером 350-500 мкм, при объемной доле ядерного топлива в композиции 70-75 %;

в качестве материала матрицы используется сплав на основе циркония;

между оболочкой и сердечником располагается подслой из материала типа силумин, обеспечивающий металлургическое сцепление и высокую теплопроводность, а также использование оболочки твэла, изготовленной по штатной заводской технологии.

Технологическаясхемаизготовления топливного сердечникасостоит из следующих основных операций: сфероидизация частиц ядерного топлива; нанесение  металлического покрытия на топливные микросферы, горячее изостатическое прессование стержней из топливных частиц с покрытием высотой до 50 мм; механическая обработка стержней. Заполнение твэла с тепловыделяющим мкерметным сердечником контактным материалом типа силумин осуществляется по технологии разработанной в ОАО     «МСЗ» [3].

По принятой технологической схеме изготовлены керметные тепловыделяющие сердечники для различных реакторов, отличающиеся ядерным топливом (UO₂ , UN), объемной долей (от 60 до 75%) и пористостью частиц ядерного топлива (5-10%), а также материалом матрицы (NiCr сплав, Cr, ZrNb сплав, AlZr интерметаллид и др.).

Предлагаемый твэл разработан с использованием опыта накопленного при создании конструкции и технологии керметных композиций  и твэлов на их основе для реакторов «Памир» (U0₂ +NiCr) и «75» (UN+Cr).

Существующий уровень разработок определяется основными характеристиками дисперсионного твэла (выгорание 0,65 г осколков деления на см³ композиции, продолжительность кампании 22000 эфф. ч, плотность урана в сердечнике 4,5 г/см³), разрабатываемого для реактора КЛТ-40С

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Технология позволяет изготовить керметные композиции с объемной долей ядерного топлива 70-75% с матрицей из различных металлов (сплавов). А также повысить эксплуатационные характеристики АСММ в результате увеличения геометрической стабильности при выгорании 160 МВт сут/кг U, увеличении объемной доли UO2 в композиции до 75% и снижении нагрузки на оболочку твэла и повышения ее коррозионной стойкости.

Использование керметного твэл на основе микротоплива с обогащением ниже 20% по урану 235 в транспортных ЯЭУ и малой энергетики позволит решить задачи «нераспространения» и экспортного потенциала, обеспечения длительной работы без перегрузки. Применение композиции с более прочной матрицей (на основе ZrNb сплавов), чем силумин и цирконий позволяет повысить геометрическую стабильность и уменьшить напряжения  в оболочке твэла при глубоких выгораниях за счет компенсации твердого распухания ядерного топлива его пористостью.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Увеличение безопасности эксплуатации ВВЭР за счет снижения:

- уровня запасенной тепловой энергии;

- в активной зоне реактора вероятности возникновения пароциркониевой реакции;

- на 2-3 порядка выхода продуктов деления из негерметичных твэлов.

Керметный твел остается работоспособным после аварии типа LOCA.

Использование керметного твэла на основе микротоплива позволит достичь глубину выгорания до 160 МВт сут /кг U и увеличить объемную долю UO₂ в композиции до 75%.  Процессы, протекающие при взаимодействии контактного материала с элементами конструкции твэла, не приводят к возникновению дополнительных напряжений в оболочке и её разрушению при аварии с расплавлением контактного материала.

Новые потребительские свойства продукции

Снижение нагрузки на оболочку твэла из циркониевого сплава за счет компенсации твердого распухания ядерного топлива его пористостью и созданием подслоя из силумина между оболочкой и тепловыделяющим сердечником обеспечивают:
выгорание не менее 160 МВт*сут/кг U (~ 0,8 г осколков деления в см3 композиции);
продолжительность кампании 40000 эфф. ч;
увеличение диаметра твэла не более, чем на 0,5%;
повышенную коррозионную стойкость керметной композиции и оболочки твэла в теплоносителе;
Матричная структура композиции обеспечивает:
высокую эффективность использования материала матрицы в снижении напряжений на оболочку твэла, и создании композиции с повышенными теплофизическими и физико-химическими свойствами;
минимальный выход продуктов деления из негерметичных твэлов.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Сырье и материалы соответствуют требованиям МАГАТЭ

Стадия и уровень разработки

ОКР с разработкой наукоемкой технологии изготовления керметных твэлов с использованием накопленного опыта в этой области деятельности, с изготовлением и постановкой на реакторные испытания опытных партий керметных твэл.

Предлагаемые инвестиции

150,85 млн. руб.

Рынки сбыта

Объем продаж с 2010 года по 260,09 млн руб. в год
Российская Федерация, страны СНГ.

Возможность и эффективность импортозамещения

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

17.04.2007