Причины повреждаемости ОЯТ

На Международном совещании, состоявшемся в Park City, шт. Юта в США в апреле 2000 г. и посвященном характеристикам топлива легководных реакторов, были систематизированы причины повреждения топлива в PWR и BWR в США за десятилетие с 1989 по 1999 г.г. При этом было установлено, что количество поврежденных ТВЭЛов резко сократилось: для ОЯТ PWR более, чем в 20 раз, для ОЯТ BWR – в 6 раз. К основным причинам повреждения топлива отнесены различные виды коррозии (фреттинг-коррозия между ТВЭЛом и решеткой, локальная коррозия, обусловленная образованием отложений на теплопередающих поверхностях ТВЭЛов со стороны теплоносителя, Debris-коррозия), разрушение оболочки вследствие ползучести, взаимодействие топлива и оболочки (PCI-эффект), дефекты изготовления и небрежное обращение с ТВС, а также наводороживание оболочки. По данным фирмы Fragema, которая с 1986 г. занималась идентификацией причин повреждаемости ТВС типа 17×17, наиболее частой причиной, вызывающей повреждение топлива, является наличие металлических частиц в теплоносителе и дефекты производства. Установка фильтра под нижним хвостовиком ТВС (второго поколения AFA-2G) для улавливания металлических частиц из теплоносителя позволила снизить степень повреждаемости ТВС до величины, равной 5×10^–6 ТВЭЛов за цикл облучения.

По данным Института энергетических исследований (США), создавшего базу данных о надежности топлива PWR и BWR, начиная с 1980 г. уровень дефектных ТВС снизился во второй половине 1990-х годов примерно до 1 ТВС/ГВт_эл.

Технология изготовления ядерного топлива для водо-водяных

Реакторов

Принципиальная технологическая схема получения ТВС для реакторов с водным теплоносителем состоит из нескольких процессов:

· получение исходного порошка UO₂ из гексафторида урана или другого соединения урана,

· изготовление таблеток,

· шлифовка таблеток,

· контроль качества таблеток по разным параметрам,

· загрузка таблеток в трубки, являющиеся оболочками ТВЭЛов, и изготовление ТВЭЛов,

· контроль и испытание ТВЭЛов,

· сборка и контроль ТВС.

Параллельно с получением топливного материала требуется провести операции по изготовлению комплектующих деталей ТВЭЛов и ТВС-оболочек, дистанционирующих решеток и др.

Для получения порошка UO₂ было разработано несколько способов, а именно: “мокрый” и “сухой” способы. Мокрая технология имеет, по крайней мере, два варианта, в соответствии с которыми проводят гидролиз UF₆, осаждая либо диуранат аммония (ADU), либо аммоний уранил карбонат (AUC).

Мокрый процесс получения порошка UO₂ включает следующие операции:

· гидролиз UF₆ и обработка продукта гидролиза NH₄OH или (NH₄)₂CO₃ с осаждением ADU или AUC, соответственно,

· фильтрация осадка,

· сушка осадка при 175 °С,

· прокаливание осадка при 800 °С в атмосфере Н₂ для восстановления оксидов урана до UO₂.

Примеси фторид-иона удаляют из осадков ADU или AUC, пропуская над ними пар на операциях прокаливания и восстановления.

Качество порошка UO₂ (спекаемость, текучесть, состав, соотношение О/U) существенно зависит от точного соблюдения условий выполнения операций, а именно от природы исходного малорастворимого осадка (ADU или AUC), соотношения и концентрации добавляемых реагентов, температуры, атмосферы и продолжительности операций прокаливания и восстановления. Так, порошок UO₂, полученный из ADU, имеет аморфную природу, с мелкими частицами различной геометрии чешуйчатой и/или иглообразной формы. Такой порошок не обладает свободной текучестью. Наоборот, порошок UO₂, полученный из AUC, является кристаллическим, свободно текущим, с частицами определенной, чаще сферической геометрии.

Для улучшения качества таблеток топлива и снижения стоимости их производства были разработаны другие способы конверсии UF₆ в UO₂. В процессе инверсии с двойным циклом DCI (Double Cycle Inverse process), применяемом во Франции, UO₂ получают путем пирогидролиза, в котором используется перегретый пар при 250 °С и реализуется реакция:

UF₆ + 2Н₂О ® UO₂F₂ + 4HF,

а затем добавляют водород при 700 °С для восстановления UO₂F₂ до UO₂ по реакции:

UO₂F₂ + H₂ ® UO₂ + 2HF.

Получаемый таким способом порошок обладает хорошей спекаемостью.

В индийском процессе получения порошка UO₂ для топлива BWR осуществляются последовательно следующие операции:

· пирогидролиз UF₆ при повышенной температуре до UO₂F₂,

· обработка UO₂F₂ раствором NH₄OH для получения ADU,

· обработка ADU паром с образованием UO₃/U₃O₈,

· восстановление оксидов Н₂ до UO₂ во вращающейся печи.

Как видно из перечня операций, в индийском процессе осуществляется комбинированная схема с элементами мокрой и сухой технологии.

В Великобритании фирмой BNFL был разработан для заводов в Sprigfields одностадийный сухой процесс, названный Integrated Dry Route (IDR). Процессом IDR заинтересовались Япония и КНР, он вошел составной частью в автоматизированную технологическую схему предприятий по производству ТВЭЛов фирмы Westinhouse. Автоматизированное производство фирмы Westinhouse включает пять этапов:

· испарение UF₆ в камеры с горячей водой,

· конверсия UF₆ в UO₂ способом IDR, реализуемом в большой вращающейся печи, в которую подают UF₆, пар и водород,

· анализ образцов полученного порошка UO₂ и затем направление его пневмотранспортом в смеситель, из которого порошок поступает в узел изготовления таблеток,

· прессование таблеток с 60 %-ной плотностью, спекание таблеток в атмосфере Н₂ при 1750 °С до 95 % от теоретической плотности, контроль таблеток и точное измерение их размеров,

· автоматическая загрузка таблеток в циркаловые трубки, очистка концов трубок, вставка пружин и концевиков, приваривание концевиков в гелиевой атмосфере, заполнение ТВЭЛа гелием через оставленное небольшое отверстие в месте приваривания концевика и заваривание этого отверстия, контроль параметров ТВЭЛов.