Одним из стимулов для коммерческого развертывания аварийно-устойчивого топлива (ATF) на существующих ядерных реакторах стало первое 18-месячное испытание топливного цикла GAIA Enhanced Accident Tolerant Fuel (EATF) компанией Framatome на станции Vogtle-2 компании Southern Co. «Были продемонстрированы ожидаемые результаты и отличная производительность», - заявил 2 февраля представитель компании Framatome.
Компания Southern Nuclear установила четыре свинцовые тепловыделяющие сборки (LFA) GAIA, содержащие EATF (как капсулы, так и оболочку) на Vogtle-2 весной 2019 года, а специалисты удалили LFA во время перегрузки в августе 2020 года. Инспекции подтвердили, что технология EATF «соответствует самым высоким стандартам отрасли», - заявил 2 февраля Лайонел Гейфф, старший исполнительный вице-президент топливного подразделения Framatome. Это испытание является первым из трех запланированных 18-месячных циклов эксплуатации LFA. «Более детальные проверки и измерения запланированы после оставшихся двух топливных циклов», - сказал Framatome.
Этот вывод стал важной вехой для французского гиганта в области ядерных технологий, который работает над коммерциализацией в ближайшем будущем конструкции ATF с оболочкой из циркониевого сплава с хромовым покрытием (Cr2O3) и легированной оксидом урана (UO2). Компания также разрабатывает концепцию плакирования из карбида кремния. Компания Framatome, разработавшая концепцию GAIA EATF в рамках программы PROtect и являющаяся частью программы EATF Министерства энергетики США (DOE), нацелена на жесткие временные рамки для развертывания EATF в США к 2022 году.
Framatome изготовила топливные сборки GAIA, установленные на АЭС Vogtle-2 в Ричленде, штат Вашингтон, в рамках контракта 2017 года с компанией Southern Nuclear. Сборки, разработанные после многочисленных усовершенствований, имеют улучшенное хромовое покрытие Framatome, которое добавляется к запатентованной оболочке из циркониевого сплава M5. Такая комбинация «повышает устойчивость к высокотемпературному окислению и снижает образование водорода при маловероятном случае потери охлаждения», - пояснили в компании.
Хромовое покрытие также дополнительно «обеспечивает повышенную стойкость к истиранию обломков, снижая вероятность отказа топлива во время нормальной работы». По сравнению с предыдущими конструкциями топлива топливные таблетки с повышенным содержанием хрома «имеют более высокую плотность, меньшее выделение газов деления и улучшенные характеристики в переходных условиях. Снижение взаимодействия гранул с оболочкой также лучше поддерживает силовое маневрирование и повышает производительность», - говорится в сообщении.
Технический триумф существующей ядерной энергетики.
Вехой Framatome, в частности, является также крупная победа для ядерной энергетики США, которая возглавляет инициативу, направленную на повышение стоимости и производительности существующего флота.
ATF - это отраслевое понятие, используемое для описания новых технологий в виде новых конструкций оболочек и / или топливных капсул. По мнению отраслевой группы Института ядерной энергии (NEI), топливо ATF может повысить эффективность, улучшить характеристики и снизить эксплуатационные расходы, поскольку используемые в нем новые материалы улучшают удержание продуктов деления и более устойчивы к радиации, коррозии и высоким температурам. Поскольку они потенциально могут увеличить время между дозаправками с 1,5 до 2 лет, ATF обещают сократить количество необходимого топлива примерно на 30%, что приведет к уменьшению количества отходов и отработанного ядерного топлива.
Несмотря на то, что технология ATF разрабатывалась с начала 2000-х годов, она начала более активно разрабатываться после аварии на АЭС «Фукусима» в марте 2011 года. Тогда Министерство энергетики занялось реализацией планов, в рамках утвержденной Конгрессом программы EATF по разработке ATF для существующих легководных реакторов. В технологической схеме от 8 января, Управление по атомной энергии предложило работать над развертыванием ATF на коммерческих реакторах США к 2025 году. Проект, который администрация Байдена пока не подтвердила, предусматривает «широкое внедрение» ATF к 2030 году.
Однако Министерство энергетики, ряд национальных лабораторий и исследовательских организаций энергетического сектора добились значительного прогресса в работе с Framatome, Global Nuclear Fuel (GNF) GE и Westinghouse, чтобы коммерциализировать их новое топливо в США к 2025 году. Комиссия по ядерному регулированию (NRC) подтвердила, что «ожидает заявки на лицензирование коммерческого использования ATF в коммерческих реакторах США».
Заметный прогресс в области отказоустойчивого топлива.
По данным Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL), которая оказывает техническую помощь NRC в связи с недавно предложенными конструкциями ядерного топлива и оболочки, на данный момент GNF провела испытания нескольких различных сплавов железо-хром-алюминий (FeCrAl) (включая Kanthal APMT , C26M и MA956), а также покрытия, устойчивого к истиранию и повышенному окислению (ARMOR).
В декабре Национальная лаборатория Окриджа (ORNL) получила первые испытательные стержни ядерного топлива, разработанные GNF, которые провели 24 месяца на атомной станции «Эдвин Хэтч» компании Southern Co. Испытательные образцы включают IronClad, оболочку твэла из FeCrAl, и ARMOR, твердое, стойкое к окислению покрытие, нанесенное поверх циркониевой оболочки с топливом UO2, которое GNF первоначально создала вне программы EATF Министерства энергетики США. «Первоначальный визуальный осмотр отгруженных образцов не выявил видимых признаков дефектов или деградации любой концепции топлива после извлечения из коммерческого реактора», - заявило Министерство энергетики в декабре. В настоящее время ORNL планирует провести «дополнительные испытания образцов в течение следующего года, чтобы собрать данные, необходимые для подтверждения эксплуатационных требований к производительности и аттестации новых топливных технологий в [NRC]».
Westinghouse также работает над коммерциализацией двух краткосрочных проектов ATF под своим брендом EnCore. Для краткосрочного развертывания Westinghouse проводит испытания покрытой хромом циркониевой оболочки с оксидом хрома-оксида алюминия (Cr2O3 + Al2O3) - легированным UO2 (ADOPT) топливом и покрытой хромом циркониевой оболочкой с силицидом урана (U3Si2) топливо. Westinghouse работал с Национальной лабораторией Айдахо над разработкой силицидных гранул. Компания совместно с General Atomics разрабатывает композитную оболочку из карбида кремния (SiC) и армированной волокном SiC-матрицы (SiC / SiC) с высокой плотностью (U3Si2) топлива и другие гранул, в том числе нитрида урана (UN).
Свинцовые испытательные сборки Westinghouse (12 стержней с оболочкой из ZIRLO с хромовым покрытием и стандартным топливом UO2; 4 стержня со стандартной оболочкой и сегментированным топливом U3Si2; и 4 стержня с оболочкой из ZIRLO с хромовым покрытием и топливом ADOPT) были установлены на Exelon Byron Unit-2 (штате Иллинойс) в апреле 2019 года. Согласно данным PNNL, в 2022 году планируется облучение следующих свинцовых испытательных сборок, содержащих оболочку с хромовым покрытием с топливом ADOPT, UO2 и U3Si2 и оболочку из SiC с топливом U3Si2.
Наряду с 16 свинцовыми испытательными стержнями с оболочкой M5 с хромовым покрытием и топливом UO2, легированным Cr2O3, которые были введены на блоке Vogtle-2 весной 2019 года, концепции Framatome также проходят испытания на блоке 1 в Арканзасе, сообщает PNNL. Осенью 2019 года на Арканзасе-1 было вставлено 32 свинцовых испытательных стержня с покрытием Framatome Cr. Между тем, две полные сборки с оболочкой из M5 с хромовым покрытием и топливом из UO2, легированным Cr2O3, планируется разместить на Calvert Cliffs весной 2021 года.
PNNL также отметила, что Framatome «идет по плану» для «перезагрузки пакета» в 2025 году. Планируется также вставить свинцовые испытательные стержни с оболочкой из SiC SiC и топлива UO2, легированного Cr2O3, к 2022 году.
Развитие исследований и разработок ATF во всем мире.
Развитие ATF во всем мире также набирает обороты. В рамках японской программы исследований и разработок (R&D) ATF исследователи разрабатывают FeCrAl, усиленный за счет дисперсии оболочки из мелких оксидных частиц (FeCrAl-ODS), композитную оболочку SiC/SiC и топливо с легированным UO2.
Китай также разработал несколько концепций, включая как оболочку (сплав циркония [Zr] с покрытием; сплавы FeCrAl; сплав молибдена с покрытием и SiC), так и топливо (UO2 с высокой теплопроводностью ). «Ex-реакторные испытания определили некоторые тепломеханические свойства этих концепций», - сказали в PNNL.
В Южной Корее, в Институте атомной энергии (KAERI) и Korea Electric Power Corp., разрабатываются концепции, включающие поверхностно-модифицированный Zr (покрытие из сплава Cr и упрочнение оксидной дисперсией [ODS]), плакирование SiC, железо оболочка из сплава на основе легированного UO2, керамическое и металлическое топливо с высокой теплопроводностью и композитное топливо TRISO-SiC.
В России Топливная компания ТВЭЛ в октябре 2019 года завершила первый этап испытаний ATF в Государственном научно-исследовательском институте атомных реакторов в Ульяновской области. В испытании участвовали две экспериментальные тепловыделяющие сборки ATF с ВВЭР (реактор с водяным охлаждением и водяным замедлителем российской конструкции) и топливные стержни реактора с водой под давлением.