11

Разработка новых видов топлива и конструкционных материалов

для крупномасштабной ядерно-энергетической системы России

Международная конференция «Атомно-энергетический комплекс Украины:международное сотрудничество и кооперация, инвестиции, ядерно-топливный цикл»

Украина, Киев, 23-24.06.2010.

В.М. Троянов, ОАО ВНИИНМ им. А.А. Бочвара

22

ВВЕДЕНИЕ

В докладе рассматриваются 2 вопроса, касающиеся разработки ядерного топлива для обеспечения ядерно-энергетической 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.

33

ВВЭР-1200Основные параметры РУ ВВЭР-1200 и ядерного топлива

ПараметрыВВЭР-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

Межперегрузочный период, мес. 12 - 18 12/(18-24)

Высота топливного столба, мм 3530 3730

Масса UO2, кг 80600 87065

Все изменения рабочих параметров топлива требуют своего обоснования!!!

44

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

57,264,5

45,664,0

Удельный расход природного урана (отвал 0.3%) 0,191 0,24

55

ВВЭР-1200 Конструкция тепловыделяющих элементов основывается на референсном опыте

проектов ТВСА и ТВС-2

66

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.

77

Развитие конструкции твэла ВВЭР-1000

Увеличение загрузки топлива за счет оптимизации размеров топливного сердечника и оболочки при сохранении внешнего размера оболочки.

88

Эффект от использования «толстых» таблеток в ВВЭР-1000 – увеличение загрузки.

Применение в настоящее время – блок №1 Калининской АЭС

99

21-я топливная загрузкана 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 %)

1010

Картограмма размещения ТВС в 22-й топливной загрузкена 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)

1111

Состояние поверхности твэлов ТВСА после 2-х лет эксплуатации

Область 13-й ДР Область 2-й ДР

1212

Картограмма размещения ТВС в 24-й топливной загрузкена 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)

1313

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

Э110штатный

Э110оптимизированный

Корректировка 2007 г. ТУ по Fe для Э110

14

Модернизация сплава Э110 – увеличение O и Fe

300

200

750

100 450

1515

Зависимость радиационного формоизменения от содержания железа в оболочечных трубах из сплава Э110 при облучение в реакторе в БОР-60

время облучения 4200 час

Радиационный рост

1616

Характеристики твэлов нового поколения и штатных твэлов

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

1717

ЗАКЛЮЧЕНИЕ по ВВЭР-1000: Эволюция топлива на энергоблоках

Конструкционные материалы ТВС

Циркониевые сплавыЭ110 и Э635

Повышение жесткости ТВС

Выгорающий поглотитель

UO2 – Gd2O3 (5% 8%) Снижение пиковых нагрузок.

Повышение выгорания.

Обогащение топлива 235U (4,4% 4,95%)

Повышение выгорания и энерговыработки

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 конструкции оболочки

9,1х7,73 9,1х7,93

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 опытно-промышленному изготовлению ТВС с таблеточным МОКС-топливом 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

Реализация принципа универсальности таблеточного производств

Гранулятор

Печь спеканияпроходного типа

КассетныйПресс-автомат

Установка ВРна базе АВС

исходныепорошки

готовыетаблетки

пресс-порошок

UO2, PuO2(U,Pu)O2

Модуль изготовленияисходных порошков плотного топлива

МОКС

Плотное топливо

Гранулятор

Печь спеканияпроходного типа

КассетныйПресс-автомат

Установка ВРна базе АВС

исходныепорошки

готовыетаблетки

пресс-порошок

UO2, PuO2(U,Pu)O2

Модуль изготовленияисходных порошков плотного топлива

МОКС

Плотное топливо

22

BN-800

Твэлы с МОХ-топливом:BN-600

23

EP 450 Феррито-мартенситная

сталь

Аустенитная сталь

Irradiation-induced swelling – criterion of structural material choiceSw

ellin

g,%

24

Parameter Current status Stage 1 Stage 2Fuel cladding material 06 Cr16 Ni15 Мo2 Mn2

Тi W B (ChS-68 cw)

06 Cr16 Ni15 Мo2 Mn2 Тi W B

(ChS-68 cw)

07 Cr16 Ni19 Мo2 Mn2 Nb Тi V

(EK164 cw)

Lifetime duration, effective days 560-585 592 710/770

Interval duration between refuelings, effective days 14030 14830 14830

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

Maximal damage dose, dpa 82-86 87 110

Fuel element maximal HGR, kW/m 47 47 47

Fuel cladding maximal temperature, С 700 700 700

Перспективы усовершенствования топлива в БН‑600

25

Parameter Design basis core Prospects Fuel cladding material 06 Cr16 Ni15 Мo2 Mn2 Тi W B

(ChS-68 cw)07 Cr16 Ni19 Мo2 Mn2 Nb Тi V

(EK164 cw)

Campaign, eff. days 465 570-620

Fuel cycle between refuelings, eff. days 155 143-155

Number of fuel cycles during FA campaign 3 4

Maximal local fuel burn-up, % h.a. 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

Некоторые параметры эксплуатации топлива в БН‑800

26

Parameter Stage 1 Stage 2 Stage 3

Fuel cladding material 16 Cr12 W2 V Ta N B (EK-181)

20 Cr12 Mo W V Nb N B (ChS-139)

ODS ODS

Campaign, eff. days 1320 1650 1980

Fuel cycle between refuelings, eff. days 330 330 330

Number of fuel cycles during FA campaign 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

Некоторые параметры эксплуатации топлива в БН‑1200

27

Реакторные испытания для подтверждения работоспособности твэлов БН-1200

Material science assembly, BN-600

сна

2828

Спасибо за внимание!Спасибо за внимание!