Ядерная энергия (tnenergy) wrote in engineering_ru,
Ядерная энергия
tnenergy
engineering_ru

Испытания смешанного нитридного топлива для проекта "ПРОРЫВ"

Оригинал взят у tnenergy в Испытания смешанного нитридного топлива для проекта "ПРОРЫВ"

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».
==================================================================================================

Хочется прокомментировать. 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.

Tags: ядерная энергетика
Subscribe
promo engineering_ru march 2, 2015 08:17 174
Buy for 200 tokens
Помните байку о разработке космической ручки? Да, она не основана на реальных событиях, но очень наглядно иллюстрирует идею, что простое решение может оказаться лучше сложного. Ракета, построенная по принципу "большого глупого носителя" ("Big Dumb Booster") находится не в диапазоне…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 14 comments