Как делают ядерное топливо: таблетки, твэлы и ТВС для ВВЭР

• ≈1750 °Cтемпература спекания таблеток в водороде
• 10,4–10,7 г/см³плотность спечённой таблетки UO₂
• 9,1 ммнаружный диаметр твэла ВВЭР-1000
• ≈4,6 мдлина ТВС ВВЭР-1000

Порошок диоксида урана

Что такое таблетка, твэл и тепловыделяющая сборка, рассказано в статье «Как устроен ядерный реактор», а место их изготовления — фабрикации — в цепочке от рудника до переработки показано в статье «Ядерный топливный цикл». Здесь — как именно их делают и проверяют, на примере топлива ВВЭР-1000.

Сырьё приходит с разделительных заводов: обогащённый гексафторид урана UF₆ в стальных баллонах, где он находится в твёрдом виде. Баллон нагревают, гексафторид испаряют и химически переводят в порошок диоксида урана UO₂. В мировой практике для этого есть два пути. «Мокрый» — гексафторид гидролизуют водой, уран осаждают из раствора, например аммиаком, а осадок прокаливают и восстанавливают водородом. «Сухой» — гексафторид разлагают паром и сразу восстанавливают водородом в печи. Фтор в обоих случаях удаляют, и в готовом порошке его должно остаться совсем немного.

Два пути от гексафторида UF₆ к порошку UO₂

От порошка зависит всё остальное, поэтому каждую партию проверяют: обогащение по урану-235, отношение кислорода к урану, примеси, влажность, а также размер частиц и удельную поверхность, от которых зависит, как порошок будет прессоваться и спекаться. Порошок усредняют, а чтобы он равномерно заполнял пресс-форму, гранулируют. Перед прессованием в него вводят небольшие технологические добавки: смазку, облегчающую прессование, и при необходимости порообразователь, который помогает получить заданную плотность.

В порошок для части твэлов добавляют оксид гадолиния — выгорающий поглотитель. В начале работы он поглощает часть нейтронов, компенсируя избыток реактивности свежего топлива, а затем постепенно выгорает. Такие твэлы называют твэгами.

Таблетки: прессование, спекание, шлифование

Таблетки прессуют на автоматических прессах: пуансоны сжимают порошок в пресс-форме, а стержень в её центре оставляет отверстие. Получается «сырая» таблетка — она держит форму, но непрочна и заметно менее плотна, чем готовая. При спекании таблетка усаживается, поэтому пресс-форму делают с запасом по размерам.

Спекание идёт в печах непрерывного действия в атмосфере водорода при температуре около 1700–1800 °C. Таблетки в молибденовых лодочках медленно проходят через печь и проводят в горячей зоне несколько часов. Частицы порошка срастаются, большая часть пор исчезает, и таблетка превращается в плотную прочную керамику. Восстановительная атмосфера нужна, чтобы состав остался близким к UO₂: избыток кислорода ухудшил бы свойства топлива.

Спечённые таблетки шлифуют по наружному диаметру на бесцентрово-шлифовальных станках. Таблетку при этом не закрепляют: она лежит на опорном ноже между шлифовальным и ведущим кругами, что удобно для массовой обработки маленьких цилиндров. Шлам и отбракованные таблетки не выбрасывают — уран из них перерабатывают и возвращают в производство.

Форма и контроль таблетки

Таблетка ВВЭР — цилиндр диаметром около 7,6 мм и высотой около сантиметра с фасками на торцах и, как правило, небольшим центральным отверстием. Отверстие снижает температуру в центре таблетки и даёт объём, куда уходят газообразные продукты деления, а фаски уменьшают сколы и нагрузку от кромок таблетки на оболочку.

Готовые таблетки проверяют:

• размерыдиаметр, высоту, отверстие, фаски;
• плотностьоколо 10,4–10,7 г/см³, то есть примерно 95–97 % теоретической плотности диоксида урана;
• внешний видсколы, трещины, раковины; в этом помогают автоматические системы с видеокамерами;
• составотношение кислорода к урану, примеси, содержание влаги и водорода: в твэле они могли бы вызвать наводороживание циркониевой оболочки изнутри;
• микроструктуруразмер зёрен и пор, от которых зависит, как таблетка удерживает газы деления;
• термическую стабильностьпробу таблеток повторно отжигают и смотрят, не уплотнятся ли они дополнительно: усадка в реакторе открыла бы зазоры в столбе таблеток.

Оболочка из циркониевого сплава

Оболочку твэла ВВЭР делают из сплава Э110 — циркония с 1 % ниобия; почему выбран цирконий и чем он капризен, рассказано в статье «Материалы атомной отрасли». Трубка имеет наружный диаметр около 9,1 мм и стенку порядка 0,6–0,7 мм при длине почти 4 м, и на всей этой длине нужны точные размеры и сплошной металл.

Трубка оболочки твэла в цифрах

• ≈ 0,6–0,7 ммтолщина стенки
• почти 4 мдлина — и на всей длине нужны точные размеры и сплошной металл
• 1 % ниобияв сплаве Э110, основа — цирконий

Трубы получают из слитка: сначала горячим прессованием делают толстостенную трубную заготовку, затем многократно прокатывают её в холодном состоянии на станах холодной прокатки труб (ХПТ) с промежуточными отжигами в вакууме. От прохода к проходу диаметр и стенка уменьшаются, а металл получает нужную структуру. Готовые трубы по всей длине проверяют ультразвуком на дефекты и толщину стенки и вихретоковым методом, измеряют, контролируют чистоту внутренней поверхности. В России цирконий, его сплавы и трубы для оболочек выпускает Чепецкий механический завод в Глазове.

Концевые детали твэла — нижнюю и верхнюю заглушки — точат из циркониевого прутка. Детали мелкие, но ответственные: их посадочные поверхности и торцы должны точно сопрягаться с трубкой, иначе не получится качественный сварной шов.

Снаряжение твэла

Снаряжением называют превращение трубки в твэл. Сначала к оболочке приваривают нижнюю заглушку. Из таблеток набирают столб заданной длины и массы — несколько сотен штук, — осматривают и вводят в трубку. Над столбом остаётся свободный объём — газосборник, куда в реакторе будут уходить газообразные продукты деления, а столб поджимает фиксатор, который не даёт таблеткам смещаться при перевозке и загрузке.

Затем твэл заполняют гелием и герметизируют. В отечественном производстве верхнюю заглушку приваривают контактной стыковой сваркой в камере с гелием под давлением около 2 МПа, так что заполнение и герметизация происходят за одну операцию. Гелий хорошо проводит тепло и улучшает теплопередачу через зазор между таблетками и оболочкой, а давление внутри твэла частично уравновешивает давление воды снаружи.

Готовый твэл проверяют на герметичность масс-спектрометрическим гелиевым течеискателем — о методе рассказано в статье «Неразрушающий контроль». Сварные швы контролируют неразрушающими методами, а режимы сварки периодически подтверждают, разрезая и исследуя контрольные образцы. Измеряют длину, диаметр и прямолинейность, осматривают поверхность: риски, вмятины и забоины недопустимы. Поверхность должна быть чистой, в том числе от следов урана, — в реакторе они дали бы лишнюю активность теплоносителя.

Сборка ТВС

Тепловыделяющая сборка ВВЭР-1000 — шестигранная, длиной около 4,6 м и массой порядка 700 кг; размер «под ключ», между параллельными гранями, около 234 мм. В отличие от сборок ВВЭР-440, чехла у неё нет, и вода может перетекать между соседними сборками. Основу сборки — каркас — образуют 18 направляющих каналов для поглощающих элементов органов регулирования, центральная трубка и больше десятка дистанционирующих решёток, расставленных по высоте через равные промежутки.

Решётка — соты из трёх с лишним сотен тонких ячеек из циркониевого сплава, сваренных между собой точечной сваркой и охваченных ободом. Каждая ячейка держит свой твэл, не давая ему касаться соседей и вибрировать в потоке воды. Решётки собирают в точной оснастке: от точности ячеек зависит, будут ли зазоры между твэлами одинаковыми по всей сборке.

Отечественные сборки для ВВЭР-1000 выпускают в нескольких вариантах, например ТВС-2М и ТВСА. Они различаются, в частности, тем, что придаёт каркасу жёсткость: у ТВС-2М решётки приварены к направляющим каналам, у ТВСА по рёбрам шестигранника идут шесть уголков, соединённых с решётками. Жёсткий каркас нужен, чтобы сборка за годы в реакторе не искривилась: искривление мешает поглощающим стержням свободно входить в каналы.

Твэлы по одному вводят в ячейки решёток, стараясь не поцарапать оболочку, и закрепляют нижними заглушками в опорной решётке; вверху они свободны и могут удлиняться при нагреве и облучении. Снизу сборку завершает хвостовик, которым она устанавливается на опору в днище шахты реактора, сверху — головка с пружинами: через них сборку прижимают к опоре, чтобы поток воды её не приподнял. Головка и хвостовик — точные детали из нержавеющей стали: от их размеров зависит, как сборка встанет в активную зону и как её захватит перегрузочная машина.

Готовую сборку проверяют на стенде: длину, размер «под ключ», прямолинейность и скрутку по высоте, зазоры между твэлами, свободный проход имитатора поглощающего стержня по направляющим каналам. Её осматривают и проверяют чистоту: посторонний предмет, оставшийся в сборке, в реакторе может перетереть оболочку твэла. Затем сборку маркируют, оформляют на неё паспорт и укладывают в транспортный контейнер, который защищает её от ударов и вибрации в пути.

От порошка до тепловыделяющей сборки (схема). Из порошка диоксида урана прессуют и спекают таблетки, шлифуют их по диаметру и столбом загружают в оболочку из циркониевого сплава, заполняют гелием и заваривают. Из готовых твэлов на каркасе с дистанционирующими решётками собирают шестигранную ТВС.

Контроль и прослеживаемость

Качество топлива не проверяют один раз в конце: у каждого передела свой контроль, а результаты привязывают к номерам партий и изделий. По номеру сборки можно узнать, из каких твэлов она собрана, по номеру твэла — из каких партий таблеток и труб.

Покупные материалы и комплектующие — трубы, прутки, детали решёток — проходят входной контроль по документам и маркировке, как и любые материалы для изделий атомной станции. В итоге за каждой сборкой стоит комплект документов, по которому её историю можно проследить до партии порошка.

Безопасность производства

Свежее топливо слабо радиоактивно: уран испускает в основном альфа-частицы, которые не проходят даже сквозь оболочку твэла, поэтому с готовыми твэлами и сборками работают без тяжёлой защиты. Главный риск на ранних переделах — пыль: частицы урана опасны, если попадут внутрь организма с вдыхаемым воздухом. Поэтому порошок держат в закрытом оборудовании и боксах, воздух из них уходит через фильтры, загрязнение воздуха и поверхностей постоянно контролируют, а персонал работает в спецодежде и при необходимости в средствах защиты органов дыхания.

Ядерная безопасность на топливном заводе означает, что ни в одном аппарате, ёмкости или хранилище не может начаться самоподдерживающаяся цепная реакция. Для этого ограничивают массу урана в каждом аппарате и контейнере, выбирают безопасную геометрию — плоские, узкие или кольцевые ёмкости, из которых нейтроны легко утекают, — следят за количеством воды, ведь она замедляет нейтроны, и выдерживают безопасные расстояния между аппаратами. Такие ограничения стараются заложить в саму конструкцию оборудования, чтобы они не зависели от внимательности людей.

Пыль и цепная реакция: как защищаются на топливном заводе

Ядерные материалы строго учитывают: партии порошка, таблеток и твэлов взвешивают, количество урана и урана-235 сводят в баланс, а любое расхождение разбирают. В России топливо для ВВЭР выпускают предприятия топливной компании Росатома «ТВЭЛ» — Машиностроительный завод в Электростали и Новосибирский завод химконцентратов.

Термины

• Диоксид уранаКерамическое соединение урана UO₂, из которого прессуют и спекают топливные таблетки.
• СпеканиеНагрев спрессованной таблетки до высокой температуры, при котором частицы порошка срастаются в плотную керамику.
• Бесцентровое шлифованиеШлифование цилиндрических деталей, которые не закрепляют в центрах, а ведут между шлифовальным и ведущим кругами.
• ТвэгТвэл с таблетками, в которые добавлен оксид гадолиния — выгорающий поглотитель нейтронов.
• Снаряжение твэлаЗагрузка столба таблеток в оболочку, заполнение гелием и приварка концевых заглушек.
• ГазосборникСвободный объём в твэле над столбом таблеток, куда собираются газообразные продукты деления.
• Дистанционирующая решёткаСотовая решётка, которая удерживает твэлы на заданном расстоянии друг от друга по высоте сборки.
• Безопасная геометрияФорма и размеры аппаратов и ёмкостей, при которых в них не может возникнуть самоподдерживающаяся цепная реакция.

Частые вопросы

Как делают топливные таблетки?

Порошок диоксида урана прессуют в пресс-формах, затем спекают в печах в атмосфере водорода при температуре около 1700–1800 °C и шлифуют по диаметру. Готовые таблетки проверяют по размерам, плотности, внешнему виду и составу.

Зачем твэл заполняют гелием?

Гелий хорошо проводит тепло и улучшает теплопередачу от таблеток к оболочке, а давление внутри твэла частично уравновешивает давление воды снаружи. Кроме того, по гелию течеискателем проверяют герметичность готового твэла.

Из чего делают оболочки твэлов ВВЭР?

Из циркониевого сплава Э110 — циркония с 1 % ниобия. Трубки получают многократной холодной прокаткой с промежуточными вакуумными отжигами и проверяют по всей длине ультразвуком.

Сколько твэлов в ТВС ВВЭР-1000?

В сборке 312 твэлов, а кроме них — 18 направляющих каналов для поглощающих элементов и центральная трубка. Сборка шестигранная, длиной около 4,6 м.

Опасно ли производство ядерного топлива?

Свежее топливо слабо радиоактивно; главный риск — вдыхание урановой пыли, поэтому порошок держат в закрытом оборудовании с фильтрацией воздуха. Возникновение цепной реакции исключают ограничением массы урана в аппаратах, безопасной геометрией оборудования и контролем воды как замедлителя.