Твс что это в энергетике
2.2. Тепловыделяющие сборки (ТВС)
Тепловыделяющие сборки (ТВС) – пакет (пучок) твэлов для загрузки в активную зону большинства реакторов. Исключение составляют блочковые твэлы, загружаемые в топливные каналы (ТК) поштучно, и шариковые твэлы, которыми заполняют весь объем активной зоны, образуемой боковыми и нижними отражателями.
В зависимости от типа твэлов, ТВС устанавливают на опорные конструкции в активной зоне (корпусной реактор) либо в топливные каналы (канальный реактор) [1,4].
Функции ТВС – закрепление и дистанционирование твэлов, организация потока в активной зоне (обеспечение требуемого направления потока, его величины и распределения), облегчение транспортно-технологических операций с ядерным топливом.
Классификация ТВС по типу объединяемых в них твэлов – со стержневыми, кольцевыми, трубчатыми, пластинчатыми, призматическими твэлами. Пучки стержневых твэлов могут быть установлены в кожух (корпусные реакторы ВВЭР), либо загружаться в активную зону без кожуха (канальные реакторы РБМК). В ТВС с трубчатыми твэлами последние одновременно являются и трактами теплоносителя.
Во многих реакторах принята шестигранная правильная геометрия кожуха пучка. Как правило, в ТВС насчитывается десятки и даже сотни твэлов. Конструкции ТВС отечественных энергетических ядерных реакторов показаны на рис. 3.5.7 –3.5.9 [1,4].
3. Классификация ядерных реакторов
Возможна классификации ядерных реакторов по энергии нейтронов, замедлителю, теплоносителю, топливу, конструкционному исполнению, назначению и т.д.
По энергии нейтронов – реакторы на быстрых, тепловых и промежуточных нейтронах. Последние не получили широкого распространения. Тепловые реакторы – основной тип на данном этапе. Однако будущее ядерной энергетики принадлежит быстрым реакторам.
По виду замедлителя – реакторы с графитовым (С), легководным (Н2О), тяжеловодным (D2О), бериллиевым (Ве, ВеО), органическим (дифенил, трифенил и т.д.) замедлителями. Наиболее распространены легководные (ВВЭР, PWR, BWR), тяжеловодные (CANDU) и графитовые (РБМК, Magnox) реакторы.
Каждый теплоноситель имеет свое преимущество. У жидких металлов хорошие теплофизические свойства и низкое давление паров при высокой температуре. Газовые теплоносители позволяют достичь температур до 1000°С и выше, отсюда и более высокий к.п.д. Наиболее распространенный и дешевый теплоноситель – легкая вода. Для быстрых реакторов используется натрий, но более перспективным представляется свинец.
По типу конструкции – корпусные, канальные и бассейновые. В корпусных реакторах (рис. 3.6.1) внутри корпуса течет общий поток теплоносителя, а в канальных (рис. 3.6.2) теплоноситель течет раздельно по каждому каналу с тепловыделяющей сборкой. Корпус бассейнового реактора (рис. 3.6.3) представляет собой большой бак без герметичной крышки, заполненный водой на несколько метров. В нижней части бассейна находится активная зона, через которую прокачивается либо вода бассейна, либо теплоноситель, циркулирующий по специальному контуру. Корпусные реакторы ограничены размером корпуса (по диаметру), а канальные имеют разгруженный корпус и могут перегружаться «на ходу», но их монтаж сложнее, как и эксплуатация. Бассейновая конструкция больше используется для исследовательских реакторов. Энергетические реакторы, в основном, имеют корпусное (ВВЭР, PWR, BWR) или канальное (РБМК, CANDU) исполнение.
По структуре активной зоны – гетерогенные и гомогенные. В гетерогенных реакторах топливо, замедлитель и теплоноситель пространственно разделены. ТВС расположены в них обычно в виде правильной решетки. В гомогенных реакторах циркулирует однородная смесь топлива, замедлителя и теплоносителя в виде раствора, тонкой взвеси или расплавов. Гомогенные реакторы пока не вышли из стадии исследования и единичных опытных установок.
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Тепловыделяющая сборка (ТВС) ядерного реактора: освещаем по порядку
Чехол свежего топлива (видны головки тепловыделяющих сборок «нержавеющих» ТВС)
Тепловыделяющая сборка (ТВС) — машиностроительное изделие, содержащее делящиеся вещества и предназначенное для получения тепловой энергии в ядерном реакторе за счёт осуществления управляемой ядерной реакции.
Обычно представляет собой четырёхгранный (PWR) или шестигранный (ВВЭР) пучок ТВЭЛов длиной 2,5—3,5 м (что примерно соответствует высоте активной зоны) и диаметром 30—40 см, изготовленный из нержавеющей стали или сплава циркония (для уменьшения поглощения нейтронов).
Твэлы собираются в ТВС для упрощения учёта и перемещения ядерного топлива в реакторе. В одной ТВС обычно содержится 18 (РБМК), 90-313 (ВВЭР) твэлов, в активную зону реактора обычно помещается 163—1693 ТВС.
ТВС других стран
ТВС-W — обобщённое название для ТВС ВВЭР производства компании Вестингауз (Westinghouse), которые эпизодически поставлялись на АЭС Ловииса Финляндия (с ВВЭР-440), АЭС Темелин (Чехия) и на Южно-Украинскую АЭС (обе с ВВЭР-1000). Во всех случаях топливные сборки имели разную конструкцию.
После больших проблем с надёжностью эксплуатации на АЭС Темелин (отказ-недоход 51 «регулирующего стержня» из 61 шт. до концевиков низа в 2007 г. на АЭС Темелин из-за изгиба направляющих каналов в ТВС-W) топливо было выгружено досрочно и эксплуатирующей организацией АЭС Темелин проведён тендер, по результатам которого с 2010 года ТВС-W были заменены на ТВСА. Среди основных недостатков специалисты отмечают недостаточную жёсткость ТВС-W.
Эксплуатирующей организацией украинских АЭС НАЭК «Энергоатом» в 2008 году был заключен контракт на поставку в 2011—2015 гг. не менее 630 ТВС-W2 на минимум на 3 энергоблока с ВВЭР-1000. В настоящее время 42 сборки проходят опытную эксплуатацию на Южно-Украинской АЭС.
Ссылки
Эта статья или раздел описывает ситуацию применительно лишь к одному региону, возможно, нарушая при этом правило о взвешенности изложения.
Вы можете помочь Википедии, добавив информацию для других стран и регионов.
Тепловыделяющая сборка
Тепловыделяющая сборка (ТВС) — машиностроительное изделие, содержащее ядерные материалы и предназначенное для получения тепловой энергии в ядерном реакторе за счёт осуществления контролируемой ядерной реакции.
Обычно представляет собой четырёхгранный (PWR) или шестигранный (ВВЭР) пучок ТВЭЛов длиной 2,5—3,5 м (что примерно соответствует высоте активной зоны) и диаметром 30—40 см, изготовленный из нержавеющей стали или сплава циркония (для уменьшения поглощения нейтронов).
Твэлы собираются в ТВС для упрощения учёта и перемещения ядерного топлива в реакторе. В одной ТВС обычно содержится 150—350 твэлов, в активную зону реактора обычно помещается 200—450 ТВС.
Содержание
Мировые поставщики ТВС [1] [2]
Российские ТВС
ТВС реакторов ВВЭР-440
ТВС ВВЭР-440 состоит из пучка твэлов, головки, хвостовика и чехла. Твэлы в пучке расположены по треугольной решётке и объединены между собой дистанционирующими решётками «сотового» типа, закреплёнными на центральной трубе, и нижней опорной решёткой, закреплённой на хвостовике. Головка и хвостовик ТВС жестко по шестигранной поверхности соединены с чехлом, являющимся несущим элементом конструкции. Пучок состоит из 126 твэлов.
ТВС альтернативной конструкции с жёстким каркасом, формируемым шестью уголками и дистанционирующими решётками. Главный упор был сделан на увеличение глубины выгорания, повышение эксплуатационной надёжности и усиление изгибной жёсткости ТВС. Выполненная модернизация сборок позволила продлить срок их эксплуатации до 4-5 лет, а также предоставила возможность работать в манёвренном режиме (суточное изменение мощности энергоблока).
ТВСА-АЛЬФА
Эволюционное развитие базовой конструкции ТВСА. ТВСА-АЛЬФА комплектуется восьмью дистанционирующими решётками увеличенной высоты с оптимизированной геометрией ячейки, твэлами с оболочкой меньшей толщины и таблетками без отверстия.
ТВСА-T
ТВСА с сокращенным до восьми количеством дистанционирующих решёток. Модификация ТВСА для поставок на АЭС «Темелин» (Чехия) для замены топлива американской компании «Вестингауз».
ТВСА-У
ТВСА с удлиненной активной частью.
ТВСА-PLUS
Разрабатываемая конструкция ТВСА рассчитанная на эксплуатацию в 18-месячном топливном цикле при работе на мощности 104 % от номинальной.
Бесчехловая ТВС третьего поколения. Технический проект кассеты базируется на опыте эксплуатации комплекса кассет второго поколения и технических решениях воплощенных в кассетах ВВЭР-1000 (ТВСА и ТВС-2)
ТВС реакторов ВВЭР-1000
ТВС ВВЭР-1000 представляет собой активную конструкцию из 312 твэлов, закреплённых в каркасе из 18 направляющих каналов, 15 дистанционирующих и одной нижней решётки.
Концевые детали ТВС служат для фиксации кассеты в установочных гнёздах активной зоны. Верхняя концевая деталь (головка) обеспечивает взаимодействие с внутрикорпусными устройствами реактора и поджатие ТВС от всплытия, а также разъёмное соединение с каркасом ТВС. Нижняя концевая деталь (хвостовик) обеспечивает заданное местоположение кассеты в активной зоне, а также организацию протока теплоносителя.
Основные конструктивные особенности отечественной конструкции ТВС связаны, прежде всего, с формой её поперечного сечения. В отличие от мировых аналогов, базирующихся на прямоугольной форме, ТВС ВВЭР-1000 имеет гексагональное (шестигранное) сечение. При прочих равных условиях гексагональная форма ТВС обеспечивает более высокую однородность поля расположения твэлов и гарантирует сохранность ТВС во время транспортно-технологических операции при её изготовлении и при эксплуатации на АЭС.
В отличие от штатной ТВС ВВЭР-1000 каркас УТВС изготовлен из циркония, а не из нержавеющей стали. В УТВС в качестве выгорающего поглотителя используется оксид гадолиния, равномерно распределённый по объёму топливных таблеток нескольких твэгов (твэлы с гадолинием). УТВС — разборная ТВС, то есть, при обнаружении негерметичного твэла кассету можно отремонтировать, заменив поврежденный твэл на герметичный.
УТВС разработана в ОКБ «Гидропресс» совместно с ОАО «ТВЭЛ».
ТВС с жёстким каркасом, образованным приваркой двенадцати дистанционирующих решёток к направляющим каналам. Является эволюционным развитием конструкций предшествующих бесчехловых ТВС (ТВС-М, УТВС), по сравнению с которыми в неё не добавлено ни одного нового элемента. Все новые качества получены путём применения положительно зарекомендовавших себя в эксплуатации решений, усовершенствования конструкции отдельных составляющих элементов.
Разработка ОКБ «Гидропресс» (г. Подольск, Московская область). Эксплуатация ТВС-2 ведется с 2003 года на Балаковской АЭС. В 2007 году все блоки Балаковской АЭС переведены на ТВС-2. В 2007 году на этот тип переведен энергоблок № 1 Волгодонской АЭС.
ТВС-2М
Модификация ТВС-2, в ТВС-2М укорочены концевые детали и, соответственно, удлинен топливный столб активной зоны, вниз на 100 мм и вверх на 50 мм и введена 13-я решётка внизу, которая закрепляет пучок в зоне гидродинамической нестабильности. Дополнительно оптимизированы дистанционирующие решётки для уменьшения гидродинамического сопротивления. Назначение ТВС-2М — 18-месячный топливный цикл. В эксплуатации с 2006 года (энергоблок №1 Балаковской АЭС). На работу с ТВС-2М переводятся энергоблоки, работавшие на ТВС-2: энергоблоки №1-4 Балаковской АЭС, энергоблок №1 Ростовской (Волгодонской) АЭС. Энергоблок №2 Ростовской АЭС пущен с активной зоной, полностью скомпонованной из ТВС-2М. ТВС-2М является прототипом для ТВС АЭС-2006.
ТВС реакторов PWR
ТВС-квадрат
«ТВС-Квадрат» — проект ОАО «ТВЭЛ» по созданию топлива для реакторов АЭС западного дизайна. В конструкции «ТВС-Квадрат» для реакторов PWR используется топливо из диоксида урана с обогащением по U-235 до 5 % с добавкой гадолиния.
ТВС реакторов РБМК
В каждую сборку входит 18 стержневых твэлов. Оболочка твэла заполнена таблетками из двуокиси урана.
Твс что это в энергетике
Текст: Ингард ШУЛЬГА
Индустрия поставки самого дорогого и эффективного в мире топлива вступила в эпоху перемен. Если в сфере уранодобычи события в Фукусиме привели к настоящему упадку, то на рынке ТВС не все так однозначно: на фоне не лучшей конъюнктуры этот сектор оказался на пороге смены технологического уклада, что может придать второе дыхание всей атомной энергетике.
Около 400 работающих во всем мире энергоблоков АЭС, обеспечивающих свыше 1/10 выработки электричества на планете, за целый год потребляют меньше топлива (по весу), чем одна не самая крупная угольная электростанция — за один день.
Избыток мощностей в некоторых нишах топливного рынка сильно увеличился вскоре после аварии на АЭС «Фукусима‑1», вследствие которой в течение короткого времени прекратили работу (были остановлены на годы или навсегда) свыше 60 энергоблоков АЭС по всей планете; большинство из них до сих пор бездействуют. Во многом под влиянием этого события некоторые страны и регионы объявили или подтвердили намерение отказаться от ядерной энергетики (Германия, Бельгия, Швейцария, Тайвань, Южная Корея), отменили планы ее создания (Италия) или сократили программы развития отрасли (Франция, Япония).
Дополнительным осложняющим фактором для рынка ядерного топлива в нынешнем десятилетии стали экономические проблемы атомной генерации: на фоне слабой конъюнктуры рынков электричества и энергоносителей в целом ряде регионов мира атомная энергетика рискует потерять позиции в ценовом соревновании с подешевевшим газом и распределенными возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), развитие которых поддерживается массированными дотациями.
Все эти факторы в совокупности на годы выбили мировой фронтенд из привычной колеи. Несмотря на оживление в последние годы сферы строительства и ввода в строй новых блоков АЭС (см. Таблицу 1), пока не восполнены потери от остановки станций и урезания ядерных программ. У поставщиков ядерного топлива остается неуверенность в завтрашнем дне, что влечет переоценку долгосрочных перспектив некоторых рынков. На фоне количественного снижения спроса поставщики «уходят в качество»: совершенствуют свое топливо и разрабатывают принципиально новые его виды, чтобы обеспечить себе место под солнцем в будущем. Итогом становится усиление конкуренции в тех сегментах рынка, где она возможна.
Конкурентная ситуация
Специфика рынка ядерного топлива заключается в том, что основные его поставщики — это организации, продающие в числе прочего и собственные реакторные технологии. Это, с одной стороны, создает предпосылки для монополизации рынка, его разделения на замкнутые сегменты и самообеспечения некоторых государств; с другой же — дает вендорам возможность сыграть на чужом технологическом поле, частично потеснив конкурентов на открытых рынках, а заодно и загрузив свои избыточные мощности фабрикации.
Рынок ТВС — чрезвычайно пестрый: конкурентные его сегменты (как технологические, так и региональные) соседствуют с абсолютными монополиями в определенных сферах или странах; избыточные мощности в каких-то нишах у одних поставщиков сочетаются с дефицитом у других; причем не во всех случаях они могут взаимно дополнять друг друга.
В мире насчитываются десятки актуальных конструкций реакторов, топливо которых несовместимо друг с другом — иногда даже в тех случаях, когда реакторы относятся к одному типу (например, некоторые PWR). Нет полной унификации и в отношении «сырья», из которого делается топливо — порошка и таблеток, а также других комплектующих. Это объективный, технический фактор, создающий сегментацию рынка.
Другой, условно субъективный, фактор — это государственная политика. Некоторые страны (например, США, многие государства Евросоюза, Япония, Канада) допускают внутреннюю (между национальными компаниями) или внешнюю (со стороны зарубежных поставщиков) конкуренцию на рынке ядерного топлива или в отдельных его технологических сегментах. Другие страны (Россия) делают ставку на полное самообеспечение ядерным топливом, если имеется такая возможность. Третьи постепенно продвигаются от одной модели к другой: от конкуренции в сторону монополизации национального рынка (Южная Корея, Китай) или наоборот (Индия).
В Таблице 2 представлено распределение стран, рынков и поставщиков в зависимости от конкурентной ситуации в отдельных сегментах рынка ядерного топлива.
Поставщиков этого рынка можно разделить на несколько условных категорий.
К «первой гильдии» относятся наиболее крупные игроки, которых отличают масштаб деятельности и ее комплексный характер: каждый из них не только фабрикует тепловыделяющие сборки, но и полностью обеспечивает производство сырьем и комплектующими (порошком, таблетками, циркониевой продукцией и т. п.). Эти компании (или холдинги, в которые они входят) — «первоисточники», создатели ключевых технологий, на базе которых производится топливо для большинства АЭС мира. К ним относятся: Росатом (ТВЭЛ), Westinghouse, Framatome и GE (ее дочерняя структура GNF). Доля каждой из них на мировом рынке превышает 15 %. Из всех поставщиков этой категории только Росатом обладает всеми производственными стадиями фронтенда, необходимыми и достаточными для производства топлива — от добычи урана до фабрикации.
Ко второй категории можно отнести поставщиков среднего масштаба, чья деятельность ограничена отдельными технологическими стадиями фабрикации, топливом одного из типов реакторов или достаточно крупным, но региональным рынком. К ним относятся: корейская KNFC, канадская Cameco, казахстанский Казатомпром, американская BWXT, испанская Enusa, китайская CNFC, индийская NFC, японская MNF. Некоторые из них начинают претендовать на роль крупных международных игроков (KNFC, Enusa, CNFC). Однако свободной экспансии подобных поставщиков на глобальном рынке мешает, в частности, то, что многие из них сохраняют технологическую или производственную зависимость от более крупных игроков. В этой группе только два поставщика располагают всеми стадиями фронтенда, которые необходимы для производства их топлива: CNNC и Cameco.
К третьей категории следует отнести локальных игроков, чья деятельность ограничена относительно небольшим рынком своей страны. Среди них: бразильская INB, румынская SNN, аргентинская Conuar (в части топлива энергетических реакторов).
Westinghouse Electric
Базирующаяся в США компания Westinghouse Electric, недавно перешедшая в собственность канадской группы Brookfield, производит топливо для реакторов PWR, BWR, AGR и ВВЭР.
Мощности фабрикации, контролируемые компанией, составляют порядка 3,3 тыс. тонн в год по ТВС легководных и около 200 тонн в год топлива газоохлаждаемых реакторов. Они расположены в США (Коламбия), Великобритании (Спрингфилдс), Швеции (Вестерос), Японии (Токай-Мура и Куматори). Кроме того, по соглашению с Enusa часть топлива для Westinghouse производилась на заводе испанской компании в Хусбадо. Westinghouse не имеет собственных мощностей добычи, конверсии или обогащения урана и закупает продукцию этих стадий ЯТЦ у сторонних поставщиков. В Таблице 2 показаны рынки, на которых американская компания продает готовое топливо.
Framatome
Французская Framatome (до недавнего времени — часть Areva, а ныне подконтрольная французской государственной компании EDF (75,5 %), MHI (19,5 %) и Assystem) производит топливо для реакторов PWR и BWR.
Собственные мощности фабрикации компании составляют около 3,5 тыс. тонн. Framatome производит ТВС во Франции (Роман-сюр-Изер и Маркуль), Германии (Линген) и США (Ричланд). Кроме того, Framatome — миноритарный совладелец японской компании MNF, которой принадлежит завод фабрикации сборок PWR в Токай-Муре. Через эту же компанию французский поставщик продавал топливо BWR своего производства на рынке Японии. Помимо ТВС с необлученным обогащенным ураном компания также производит топливо на основе переработанных ОЯТ — ТВС с диоксидом регенерированного урана и MOX-топливо для легководных реакторов (мощности около 200 тонн в год загружены на 50–80 %) С недавних пор, в результате реструктуризации Areva, компания лишилась собственных возможностей добычи, конверсии и обогащения урана и теперь должна закупать продукцию и услуги первых этапов фронтенда на стороне.
GNF
GNF — совместная холдинговая структура американской General Electric (GE — мажоритарный владелец) и японских Hitachi и Toshiba. Собственные мощности фабрикации — около 1,8 тыс. тонн. Группа включает две основные компании: GNF-Americas LLC (GNF-A), представляющую интересы акционеров главным образом на рынках США и Европы, и GNF-Japan Co Ltd. (GNF-J), деятельность которой ограничена в основном Японией.
Эти компании производят исключительно топливо кипящих реакторов на заводах в США (Уилмингтон) и Японии (Курихама). Кроме того, в рамках совместной компании GNF-A с Enusa под названием Genusa часть топлива BWR для глобального поставщика производилась на испанском заводе в Хусбадо и предназначалась в основном для европейского рынка. До 2017 года GNF-A также фабриковала топливо для тяжеловодных реакторов CANDU в Канаде, однако этот бизнес был продан BWXT.
ТВЭЛ
ТВЭЛ, дочерняя структура Росатома, производит топливо для корпусных энергетических реакторов c водой под давлением ВВЭР‑1000, ВВЭР‑440, ВВЭР‑1200, PWR, КЛТ‑40С; кипящего корпусного реактора ВК‑50; реакторных установок с графитовым замедлителем РБМК‑1000 и ЭГП‑6; реакторов на быстрых нейтронах БН‑600 и БН‑800.
Помимо фабрикации собственных тепловыделяющих сборок, ТВЭЛ производила и поставляла за рубеж порошки и таблетки для различных реакторов, в том числе тяжеловодных, а также по соглашению с Areva осуществляла сборочное производство ТВС для реакторов PWR и BWR с использованием регенерированного урана, отправляя эти сборки на европейские рынки.
Помимо топлива из необлученного обогащенного или природного урана, компания фабрикует топливо из регенерированного урана, а также MOX-топливо двух видов для реактора на быстрых нейтронах БН‑800. Основные мощности фабрикации ТВЭЛ сосредоточены на площадках в Электростали (МСЗ) и Новосибирске (НЗХК). По данным WNA, их производительность составляет около 2,8 тыс.тонн, из которых порядка 90 % приходится на ТВС легководных реакторов. Годовой объем производства топлива — не менее 1300–1400 тонн. Небольшие установки фабрикации малораспространенных видов топлива имеются на других площадках (НИИАР, ГХК, «Маяк»).
CNNC
Китайская атомная вертикально-интегрированная госкорпорация CNNC через свою дочернюю структуру CNFC производит ТВС для легководных реакторов PWR множества видов и ВВЭР‑1000; тяжеловодных реакторов CANDU; шаровое микротвэльное топливо для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов HTR-PM (при участии INET и CNEC).
CNNC владеет двумя основными площадками фабрикации: в Ибине (провинция Сычуань) и Баотоу (Внутренняя Монголия). Их совокупная мощность приближается к 1 тыс. тонн. Мощности производства топлива тяжеловодных РУ превышают 200 тонн в год. CNNC обеспечивает текущий уровень производства всеми стадиями фронтенда, включая собственную конверсию и обогащение, добываемый и ввозимый из-за рубежа уран.
KNFC
KNFC — дочерняя структура южнокорейского холдинга KEPCO — производит топливо для реакторов PWR разных видов (OPR1000, APR1400, некоторых реакторов Westinghouse), а также CANDU‑6.
Фабрикация осуществляется на специализированной площадке в Тэджоне. Мощности составляют 700 тонн в год для сборок легководных реакторов и до 450 тонн в год — для тяжеловодных (производится
300–400 тонн в год). Компания обеспечивает топливом южнокорейский рынок и поставляет его на экспорт — для первых загрузок строящейся по технологии APR1400 четырехблочной АЭС «Барака» в Объединенных Арабских Эмиратах.
MNF
Японская компания Mitsubishi Nuclear Fuel (MNF) (контрольный пакет ее акций принадлежит Mitsubishi Heavy Industries, а блокирующий — Framatome) производит сборки для реакторов PWR, в то время как ТВС кипящих реакторов производства Framatome импортировались для японского рынка.
Мощности фабрикации компании сосредоточены на заводе в Токай-Муре, способном выпускать около 450 тонн топлива в год. Ранее это предприятие обеспечивало тепловыделяющими сборками 22 реактора PWR в Японии, поставщиком которых был основной владелец завода, однако после Фукусимы масштабы деятельности в этом секторе сократились. Компания MNF — единственный в Японии поставщик полного цикла, способный производить порошок и таблетки диоксида урана в количестве, достаточном для обеспечения собственной фабрикации.
Enusa
Enusa Industrias Avanzadas (дочерняя структура группы Enusa, в свою очередь контролируемой испанскими госструктурами) производит топливо PWR и BWR на своем заводе в Хусбадо на западе Испании.
Мощность предприятия составляет 500 тонн в год по ТВС и столько же по таблеткам; порошок компания не производит. Реальные объемы фабрикации — 300−350 тонн в год. Фабрикация осуществляется в основном по лицензиям или соглашениям о совместной разработке с двумя поставщиками топливного дизайна: Westinghouse и GNF. Enusa обеспечивает топливом часть загрузок АЭС Испании (этот рынок не является монопольным), а также поставляет его во Францию, Швецию, Бельгию, Финляндию, Швейцарию и некоторые другие страны.
Рыночная сегментация
В технологическом разрезе рынок топлива крайне неоднороден.
Наиболее конкурентны рыночные сегменты топлива BWR и PWR. В США легководные реакторы потребляют около 2,3 тыс. тонн ядерного топлива в год, в Евросоюзе и Швейцарии — порядка 2 тыс. тонн, в Китае приближаются к 1 тыс. тонн. Япония некогда была одним из крупнейших по объему рынков топлива для таких реакторов, однако в нынешнем десятилетии ее текущие потребности снизились во много раз. Как следует из Таблицы 2, в Европе на этом рынке конкурируют главным образом Westinghouse и Framatome; Enusa (включая совместные бизнесы с Westinghouse и GNF в лице GNF-A) составляет конкуренцию в основном Framatome. Те же крупнейшие холдинги (Westinghouse, Framatome и GNF-A) полностью делят рынок США, на который приходится ¼ мировой ядерной генерации. Westinghouse, Framatome и GNF в лице GNF-J также играют важную роль на рынке Японии, хотя тут существенное участие принимают японские компании. При этом после Фукусимы масштаб японского рынка сильно сократился, и лишь в последнее время он подает надежды на частичное «выздоровление».
В Китае конкурируют большинство относительно крупных поставщиков топлива. Наиболее значимое исключение — GNF, поскольку в КНР не строят корпусных кипящих реакторов, а GNF производит и продает только топливо BWR. Между тем китайские национальные компании постепенно расширяют масштабы своей деятельности в топливной сфере. Пока на этом рынке остается место для разных поставщиков топлива, учитывая высочайшие темпы расширения китайской ядерной генерации и масштаб, который она приобретает. Однако логика развития китайских госкомпаний, направленная на динамичное и эффективное импортозамещение во всех сферах, дает основания предполагать, что зарубежным производителям топлива не удастся удержать исключительные позиции на этом рынке.
Крайне перспективным рынком может оказаться Индия, планирующая масштабное внедрение легководных реакторов и представляющая интерес для вендоров не только как импортер топлива, но и как реципиент технологий фабрикации. Эта опция только-только начинает раскрываться, так что Индия в ближайшем будущем станет одной из наиболее «горячих точек» мирового рынка фабрикации.
Еще одним фактором перемен в секторе топлива западных легководных реакторов может стать выход Росатома на топливный рынок PWR со своей сборкой 17×17 — наиболее ходовым форматом в данном технологическом сегменте. В конце 2016 года ТВЭЛ заключил первое коммерческое соглашение на поставку ТВС-Квадрат с дочерней структурой шведской государственной энергокомпании Vattenfall. Договор предусматривает производство ТВС для коммерческих перегрузок шведской АЭС «Рингхальс» начиная с 2021 года.
Кроме того, в 2016 году ТВЭЛ и GNF-A объявили о создании альянса для продвижения ТВС-Квадрат на рынке США. Интерес американской компании, очевидно, заключается в том, чтобы проникнуть на рынок топлива PWR, где она до сих пор не представлена. Как сообщали СМИ, GNF-A выразила желание производить российское топливо на своих мощностях фабрикации в США. В 2019 году предполагается загрузить тестовые сборки с таким топливом в один из реакторов американской энергокомпании Exelon. Удачная их «обкатка» может открыть дорогу на американский рынок топливным разработкам Росатома уже в первой половине 2020-х годов. Конечно, при условии, что рынок ТВС в США останется открытым для подобной конкуренции.
Похожая ситуация может возникнуть на рынках топлива ВВЭР. Долгое время Росатом практически не знал конкуренции в этом сегменте: все реакторы ВВЭР‑440 и почти все ВВЭР‑1000 обеспечивались топливом по долгосрочным контрактам с ТВЭЛ. Российский поставщик по-прежнему доминирует в данных нишах, однако Westinghouse стремится расширить свое, пока еще небольшое, присутствие в них. В последние годы американская компания поставляла нарастающие объемы ТВС для реакторов ВВЭР‑1000 на Украине, и, исходя из последних соглашений, заключенных с эксплуатирующей организацией украинских АЭС, эта тенденция продолжится.
Пока это выглядит определенным сдвигом по сравнению с не слишком удачным опытом наступления Westinghouse на рынки топлива ВВЭР в прошлом. В этой связи можно вспомнить, что Westinghouse разработала первые версии своего топлива ВВЭР‑1000 более 20 лет назад, и с начала 2000-х годов в течение нескольких лет они поставлялись на чешскую АЭС «Темелин». Однако во второй половине десятилетия американская компания уступила этот рынок ТВЭЛу, проиграв тендер. Тестовые сборки ВВЭР‑1000 были впервые загружены на Южно-Украинской АЭС еще в 2005 году, но до середины текущего десятилетия американское топливо (которое изготавливается на шведском заводе Westinghouse) заполняло лишь часть активной зоны реакторов упомянутой станции, и планы расширить поставки на другие украинские АЭС долгое время так и оставались планами. Но теперь ситуация меняется.
Помимо этого, Westinghouse задумала вернуться на рынок топлива ВВЭР‑440, где в прошлом тоже потерпела неудачу. В последние годы она взялась за воссоздание собственной конструкции ТВС для этих реакторов. Проект получил финансовую и экспертную поддержку Евросоюза: Брюссель задался целью диверсифицировать поставки топлива для реакторов российского дизайна. В марте 2018 года экспертная группа во главе с Westinghouse объявила о завершении разработки концептуальной конструкции сборки для ВВЭР‑440 и проработки вопросов ее перспективного производства.
Новая ТВС представляет собой усовершенствованную версию топлива, созданного в 1990-х годах бывшей британской компанией BNFL. Те сборки производились на испанском заводе в Хусбадо и поставлялись в 2000-х годах компанией Westinghouse (в то время подконтрольной BNFL) на финскую АЭС «Ловииса». Как и в истории с ТВС в Чехии, Westinghouse во второй половине 2000-х годов проиграла финский рынок ТВЭЛу, который до сего дня обеспечивает топливом эту и все другие станции с реакторами ВВЭР‑440: в Чехии, Словакии, Венгрии, Армении, Украине и, разумеется, в России.
Еще один крупный сектор с особой ситуацией — рынок ТВС тяжеловодных реакторов, спрос на котором составляет порядка 3 тыс. тонн в год, а мощности — свыше
4,3 тыс. тонн в год. Крупнейшие региональные сегменты этого рынка — Канада (потребление
1,9 тыс. тонн в год, мощности
2,7 тыс. тонн в год) и Индия, чей рынок примерно вдвое уступает канадскому. Перегрузка этих реакторов осуществляется в процессе работы, а потребляемые объемы топлива в расчете на единичную мощность в несколько раз больше, чем у легководных реакторных установок. Не случайно, в отличие от фронтенда PWR, BWR или ВВЭР, во всех странах, имеющих достаточно крупную тяжеловодную генерацию (в Канаде, Индии, Южной Корее, Аргентине, Румынии, Китае), для неё создано производство топлива.
Мощностей этих заводов хватает для покрытия потребностей тяжеловодных реакторов в данных государствах, и они стремятся сами себя обеспечивать топливом, хотя в ряде случаев отдельные компоненты приходится импортировать. Важнейшее исключение — Канада, которая более чем самодостаточна во всех переделах «тяжеловодного» фронтенда и на рынке которой действуют два конкурирующих поставщика: канадская Cameco (завод в Порт-Хоуп, Онтарио, мощностью 1,2 тыс. тонн в год) и американская BWXT (завод в Питерборо в той же провинции мощностью 1,5 тыс. тонн в год). При этом BWXT получает порошок от предприятия Cameco в Порт-Хоуп.
При всей технологической общности рынка тяжеловодных ТВС, в нем выделяется ряд небольших сегментов. Во-первых, это два корпусных тяжеловодных реактора немецкой конструкции, работающие в Аргентине: они используют топливо, непохожее на применяемое всеми остальными, конструктивно близкими реакторами в перечисленных странах. Эти ТВС производятся компанией Conuar, подконтрольной Национальной комиссии по атомной энергии Аргентины (CNEA), на площадке атомного центра в Эсейсе. Во-вторых, эти и некоторые другие, единичные реакторные установки переходят на слабообогащенный уран в топливе, что несколько меняет характер и объемы фабрикации и потребления.
Есть еще несколько «нишевых», но достаточно весомых сегментов рынка, где конкуренции нет и не предвидится: это, прежде всего, топливо реакторов РБМК и AGR.
Westinghouse — монопольный поставщик ТВС для 14 британских газоохлаждаемых реакторов второго поколения AGR. Это оксидное топливо, чьи таблетки, сборки и материалы оболочки не похожи на топливо для PWR или BWR. Оно производится на комплексе в Спрингфилдсе, мощность которого — около 300 тонн в год, а объем производства — порядка 200 тонн в год. Последний из этих реакторов планируется закрыть до 2030 года. Компаний, желающих составить конкуренцию Westinghouse в данной нише, нет.
Столь же «келейный» рынок — сегмент фабрикации топлива российских реакторов РБМК. В России действуют 11 таких реакторов на трех АЭС; они требуют более 200 тонн топлива в год. Их планируется поочередно выводить из эксплуатации по мере вступления в строй замещающих мощностей, начиная с первой половины предстоящего десятилетия.
Итак, если исключить некоторые экзотические сегменты, бóльшая часть рынка ядерного топлива существует в условиях конкуренции, которая постепенно обостряется — в силу снижения спроса, взаимного проникновения ведущих поставщиков в технологические ниши друг друга, а также из-за возросших требований к безопасности и оживления инноваций на рынке топлива, о чем речь пойдет ниже.
Эволюционная трансформация
Исторически конкуренция и повышение требований безопасности стимулировали конструктивное развитие топлива. Технические нововведения позволяли поставщикам сохранить или завоевать новые рынки.
Речь идет, во‑первых, о тепловыделяющих сборках в виде пространственной решетки, неизменными элементами которой стали твэлы так называемого контейнерного типа (топливные таблетки помещаются в герметичную цилиндрическую оболочку с зазором между нею и топливом, заполненным газом под давлением). Единичные исключения из этой схемы (такие как кольцевое топливо Билибинской АЭС) лишь подчеркивают правило.
Вторая общая черта — использование на большинстве действующих энергоблоков мира однородной топливной матрицы из оксида тяжелого металла. Обычно это диоксид урана, гораздо реже — смесь окисей урана и плутония (наиболее значимое исключение — ныне закрытые газоохлаждаемые реакторы первого поколения: британские Magnox и французские UNGG, в которых применялся металлический уран).
Третья устоявшаяся особенность — оболочки твэлов изготавливаются из циркониевых сплавов. Исключения — редкие реакторы, такие как упомянутый ЭГП‑6, быстрые РУ, а также британские реакторы AGR, в которых применяются стальные оболочки; кроме того, английские и французские газоохлаждаемые реакторы первых поколений использовали оболочки из сплавов магния с алюминием или цирконием.
В-четвертых (опять-таки за редчайшими исключениями, такими как БН‑600 и гибридная активная зона БН‑800), в энергетических реакторах АЭС применяется уран с содержанием изотопа 235U, не превышающим 5%, в том числе уран природного изотопного состава (
0,71%) или слабообогащенный.
При сохранении перечисленных общих черт на протяжении последних десятилетий происходило постепенное изменение «вторичных» конструктивных признаков ТВС в каждой из рыночных ниш. Это улучшало потребительские свойства топлива, его надежность и безопасность, обеспечивая ощутимое конкурентное преимущество производителям-первопроходцам. Эти изменения отражали возрастающие требования потребителей (энергокомпаний) к ядерному топливу.
Такие эволюционные изменения, происходившие в последние десятилетия, хорошо видны на примере топлива самых распространенных типов энергетических реакторов — легководных (PWR, BWR, ВВЭР).
К примечательным направлениям развития такого рода топлива относятся следующие.
Во-первых, в последние десятилетия увеличивался уровень обогащения топлива в реакторах АЭС: в 1970-х годах оно едва превышало 3%, тогда как сегодня максимальное обогащение для легководных реакторов приближается к 5%. Ведущие поставщики ядерных технологий рассматривают возможность превышения этого уровня, который установлен во многих странах нормами и лицензиями на эксплуатацию объектов ЯТЦ и энергетических реакторов. Наряду с повышением уровня обогащения происходит все бóльшая его дифференциация (профилирование) в активной зоне — вплоть до различий между частями таблетки в перспективном топливе.
Во-вторых, увеличивалась загрузка урана в существующие конструкции реакторов. Это обеспечивалось, прежде всего, за счет изменения геометрии и состава конструктивных элементов ТВС. Так, существенно эволюционировала поперечная структура сборки. Например, для топлива BWR типичные в 1970-х годах стандарты 6×6 и 7×7 вытесняли с рынка ТВС последующих форматов: в 1980-х годах началось внедрение сборок 9×9, сегодня место на рынке завоевывают сборки 11×11. В случае топлива PWR некогда наиболее распространенные стандарты 14×14 и 15×15 постепенно уступают рыночные позиции сборкам 17×17, которые к сегодняшнему дню получили максимальное распространение и стали наиболее унифицированными (предыдущие форматы ТВС PWR в большей мере привязаны к определенным поставщикам и конструкциям реакторов). При этом, как правило, менялись диаметр твэлов и шаг решетки, утончалась оболочка, изменялись газовый зазор, размер и конфигурация таблетки (например, геометрия выемки, фаски в торцевой части топлива PWR; диаметр центрального отверстия в топливе ВВЭР).
Менялись число, размеры, иногда форма нетопливных каналов ТВС. В некоторых случаях увеличивалась длина активной части сборки (к примеру, для реакторов ВВЭР‑1000 — примерно на 15 см). В процессе развития топлива иногда исключались некоторые элементы конструкции сборок (такие как кожухи или чехлы ТВС). Перечисленные новации нередко затрагивали базовые физические характеристики активной зоны действующих реакторов, такие как водно-урановое отношение. Однако при этих изменениях внешние размеры и другие детали сборок нередко оставались прежними, что обеспечивало взаимозаменяемость топлива разных модификаций в одних и тех же реакторах (например, в случае сборок BWR и ВВЭР).
В-третьих, осуществлялась частичная замена конструкционных материалов ТВС. Речь идет о развитии циркониевых сплавов, нюансы состава которых особенно важны в случае оболочек твэлов, представляющих собой первый ключевой барьер на пути потенциальной утечки радиоактивности. Яркий пример модернизации материалов оболочек — повсеместное внедрение ниобия в качестве одного из главных легирующих элементов. В противоположность сплавам, распространенным в прошлом, в которых ниобий отсутствовал или содержался в незначительных количествах (Zircaloy‑4, Zircaloy‑2), стали господствовать материалы, содержащие порядка 1% ниобия. Это касается, например, фирменных сплавов Westinghouse (Zirlo, улучшенный Zirlo, AXIOM), Framatome/Areva (сплавы M5, Q) и Росатома (сплавы Э110, Э635). При этом в ряде циркониевых сплавов уменьшались или исключались такие составляющие, как олово, никель и хром. Еще одним характерным изменением в сфере материалов стало вытеснение стали сплавами циркония в конструктивных элементах ТВС за пределами твэлов.
В-четвертых, в конструкции ТВС внедрялись решения, повышающие ее прочность, препятствующие деформации сборки при различных штатных эксплуатационных и экстраординарных нагрузках (обусловленных, например, возрастающими требованиями к сейсмостойкости). В то же время получили развитие разборные конструкции ТВС, делающие их ремонтопригодными — принципиально допускающими замену отдельных твэлов и продолжение эксплуатации сборки.
Пятым важным аспектом развития топлива стала минимизация механического и химического воздействия на оболочки твэлов. Одна из мер такого рода — внедрение антидебрисных фильтров, задерживающих твердые частицы, попадающие в поток теплоносителя. Особое внимание уделялось совершенствованию крепления твэлов, местам их контакта с пространственной решеткой: коробление оболочек в этих зонах в результате различных деформаций (в частности, так называемый фретинг-износ, вызываемый вибрациями) повышает риски разгерметизации твэлов, наряду с локальной, нодульной коррозией циркониевых сплавов, зависящей от многих факторов и типа реактора.
В-шестых, принимались меры для повышения интенсивности теплообмена между теплоносителем и ТВС за счет внедрения специальных перемешивающих решеток либо других конструктивных элементов сборки, выполняющих похожие функции. Подобные детали предусмотрены в современных модификациях топлива многих производителей.
В-седьмых, в качестве составляющих топлива стали повсеместно применяться выгорающие поглотители нейтронов, такие как гадолиний и эрбий. Поглотители давно использовались в судовых реакторах, однако они не сразу получили распространение в стационарной атомной энергетике и первоначально не использовались в составе собственно твэлов. Одним из веяний в этой сфере стало применение тонкого слоя неблокированного поглотителя, наносимого на поверхность таблетки.
Многие из перечисленных выше изменений затронули и топлива других типов реакторов: тяжеловодных, РБМК, газоохлаждаемых. Модернизация ядерного топлива, наряду с нововведениями вне топливной сферы (такими как совершенствование водно-химического режима, повышение эффективности циркуляции в первом и втором контурах) способствовали удлинению топливных циклов и повышению выгорания, наращиванию тепловой мощности действующих реакторов и в конечном итоге — улучшению экономики атомной генерации при сохранении или даже повышении уровня безопасности. К примеру, максимальное выгорание по ТВС для действующих легководных реакторов в 1970-х годах не превышало
40 МВт∙сут./кг урана, в 1980-х годах увеличилось до
45 МВт∙сут./кг урана, в 1990-х — до
50 МВт∙сут./кг, ныне этот показатель достигает
55−60 МВт∙сут./кг. Удлинялся и характерный топливный цикл для легководных реакторных установок. Так, в 1970-х годах интервал между перегрузками топлива, как правило, не превышал
12 месяцев при продолжительности работы реактора на номинальной мощности до
320−330 эффективных суток; обычное время нахождения топлива в реакторе в то время составляло
3−4 года. В нынешнем столетии получил широкое распространение 18-месячный топливный цикл с работой до
510−530 эфф. сут. и начал внедряться 24-месячный цикл, подразумевающий работу до
700 эфф. сут. и перегрузку до
50% топлива; при этом типичное время нахождения топлива в реакторе составляет
4−5 лет, у отдельных сборок — порядка 7 лет.