Фабрикация топлива и производство ТВС

Двуокись урана. Обогащенный гексафторид урана поступает на производство топливной композиции - порошка двуокиси урана UO₂. Основные качества двуокиси урана, обеспечившие широкое применение ее в ядерной энергетике, следующие:

• высокая температура плавления (около 2800 ^оС);

• химическая устойчивость в широком диапазоне температур по отношению ко многим теплоносителям и замедлителям (вода, водяной пар, натрий, углекислый газ);

• совместимость с различными материалами оболочек твэлов (нержавеющая сталь, цирконий и его сплавы, графит, алюминий, никель, молибден, ниобий и др.);

• возможность получения высокой плотности таблеток для удержания продуктов деления урана;

• приемлемая радиационная стойкость при больших потоках нейтронов.

Основные недостатки двуокиси урана:

• низкая теплопроводность (около 3 Вт/мград.), приводящая к большим градиентам температуры в таблетках (около 500 ^оС по радиусу таблетки);

• гигроскопичность порошка (поглощение влаги) и окисляе- мость на воздухе при комнатной температуре, что требует высокой степени сушки таблеток перед укладкой в твэлы.

Порошок двуокиси урана подвергается специальному процессу прессования и высокотемпературного спекания в керамические топливные таблетки (рис. 5.27). Обычно диаметр таблеток двуоки­си урана для различных твэлов составляет около 7 - 12 мм, высо­та - 12 мм и плотность - 10 г/см³.

Твэлы и ТВС. Таблетки двуокиси урана собираются в трубчатые конструкции, называемые тепловыделяющими элементами - твэ- лами. Тонкостенные оболочки твэлов из циркония или нержавею­щей стали заполняются гелием для улучшения теплопередачи от топливных таблеток к оболочке и герметизируются.

Пучки твэлов собирают в специальные конструкции - тепловы­деляющие сборки (ТВС), которые и представляют собой закончен­ную форму реакторного ядерного топлива. Например, в одной ТВС реактора ВВЭР-1000 помещается около 312 твэлов диаметром 9,1 мм и длиной 3,8 м (длина топливной части 3,5 м). Тепловыде­ляющие сборки, загруженные в ядерный реактор, образуют актив­ную зону реактора. В активной зоне реактора ВВЭР-1000 содер­жится 163 ТВС.

Затраты на производство ТВС. Как следует из табл. 5.10, за­купка природного урана дает вклад в себестоимость ТВС на уровне 20 - 25 %. Это означает, что повышение цены урана на 60 % вызо­вет повышение себестоимости ТВС на 16 - 18 %.

Рынок ТВС обострился в конце 80-х гг.в ХХ в. в связи с объяв­лениями правительствами ряда стран моратория на строительство АЭС. В ближайшие годы некоторыми экспертами предсказывается ежегодный рост цены ТВС на 6 % в год.

В России ТВС для ядерных реакторов различного типа произво­дят два завода [5.26]: Машиностроительный завод (г. Электросталь Московской области) и Новосибирский завод химконцентратов. Эти заводы вместе с другими предприятиями ЯТЦ входят в струк­туру ОАО «ТВЭЛ», осуществляющего производство и поставки ядерного топлива для АЭС и исследовательских реакторов России, ближнего и дальнего зарубежья. Корпорация ТВЭЛ - третий в мире производитель ТВС после французской Areva и британской BNFL (British Nuclear Fuels Ltd.). На долю ТВЭЛ приходится 17 % миро­вого рынка ТВС (в реальном выражении) и 11 % - в денежном вы­ражении.