Атомная диверсификация

Ядерная безопасность и диверсификация поставок ядерного топлива в Украину

Любая страна, которая является собственником атомного комплекса — от источников ядерного топлива и до захоронения ядерных отходов — не является независимой от других государств.

Владимир Токаревский, доктор физико-математических наук, профессор

После распада СССР украинская атомная промышленность осталась в полной зависимости от нескольких факторов. Во-первых, важные ее элементы находились, в основном, за пределами Украины. В частности, наша страна имеет комплекс предприятий по получению и переработке исходных материалов (уран, цирконий, гафний), сильные институты по ядерной энергетике в Киеве и Харькове, хорошую систему подготовки специалистов для поддержки эксплуатационного персонала АЭС. Но все основные производства, ведущие исследовательские и проектные организации сегодня находятся в России.

Во-вторых, огромное влияние на Украину, конечно же, оказала авария на Чернобыльской АЭС: несмотря на ряд интересных предложений по развитию атомной энергетики, созданию новых ядерных центров, строительству новых атомных станций, в начале независимости страны политики и общество не были готовы воспринимать эти идеи.

Тем не менее, и сегодня украинская ядерная энергетика представляет собой внушительное научное, техническое и технологическое хозяйство. У нас насчитывается 15 атомных энергоблоков, из которых 13 типа ВВЭР-1000 и два — ВВЭР-440, общей установленной мощностью 13 835 ГВт. По показателю установленной мощности украинские АЭС занимают седьмое место в мире, а действующая Запорожская АЭС является самой большой атомной электростанцией в Европе. В общем, ядерная энергетика обеспечивает почти 50% потребности Украины в электроэнергии.

В перспективе, Украине нужно развивать атомную энергетику в двух направлениях: АЭС с реакторами типа CANDU на природном уране (Украина богата залежами урана) и с реакторами типа ВВЭР на обогащенном уране. Имеются определенные соображения относительно использования всего топлива в реакторах CANDU и ВВЭР.

В связи с этим, возникает еще один важный аспект. Мировой опыт показывает, что атомная энергетика государства не должна зависеть от одного поставщика. Диверсификация поставок ядерного топлива в Украину — вопрос, который необходимо было решить уже давно.

При этом существует немало стереотипов по поводу использования тех или иных тепловыделяющих сборок (ТВС) в реакторах разных типов.

Конструктивные особенности

Различие между советскими реакторами ВВЭР и западными PWR принципиальное. Оно состоит в размерах корпусов реакторов, размерах и конструкции ТВС, системах управления и защиты и многом другом. Советские реакторы ВВЭР-1000 имеют диаметр примерно четыре с половиной метра, а западные — шире на один метр. Для ВВЭР форма топливной сборки — шестигранник, для западных реакторов — квадрат.

Корпус реактора — один из наиболее ответственных и нагруженных элементов реакторной установки. Вследствие меньшего диаметра ВВЭР, распределение нейтронной мощности внутри него больше, чем на западных реакторах. Расход теплоносителя (воды) через активную зону реактора ВВЭР-1000 составляет 80 тыс т в час. Например, на реакторах PWR, вследствие увеличения размеров корпуса реактора, расход теплоносителя через реактор составляет примерно 60 тыс т в час. Это также одно из самых принципиальных отличий между советскими и западными реакторами.

В переходных режимах, а также при плановых и аварийных остановах корпус испытывает динамические нагрузки. Материал корпуса подвержен интенсивному облучению, приводящему к изменениям его физико-механических свойств по мере накопления интегральной дозы облучения. Корпус обеспечивает надежную работу в течение 30 лет. Удельная энергонапряженность в активной зоне — 115 кВт/л, общая загрузка топлива UO₂ составляет 80 т, обогащение свежего топлива в режиме стационарных перегрузок — 4.4%, средняя глубина выгорания топлива составляет 40 МВт*сут/кг, число перегрузок топлива за кампанию равняется 3. В советских реакторах кампания нахождения ядерного топлива в активной зоне реактора составляет 3 года, на западе — 4 года.

Относительно конструкционных особенностей тепловыделяющих сборок для реакторов ВВЭР и PWR, здесь также имеются некоторые существенные отличия. ТВС изготовляются из разных материалов, и, среди прочего, находятся в различных гидромеханических условиях, имеют особенности в перегрузке топлива, характеризуются различием в осевой устойчивости, устойчивости системы управления защиты и др. Но дело не только в сплаве, а и в самой конструкции кассеты. Реакторы PWR менее напряженные с точки зрения гидродинамических свойств. Если в советских реакторах максимальная скорость теплоносителя в активной зоне составляет около 6 м/с, то в западных реакторах — 5 м/с.

Миф и реальность

Когда на украинских АЭС в реакторы ВВЭР были поставлены ТВС компании Westinghouse, они не выдерживали полностью гидродинамические нагрузки, и возникали некоторые проблемы. Согласно отчетам специальной инспекции, изучавшей особенности эксплуатации ТВС Westinghouse на Южно-Украинской АЭС в 2011-2012 гг., имели место некоторые дефекты сборок. В частности, были выявлены дефекты дистанционирующих решеток, а также царапины на элементах каркаса кассет, т.е. механические повреждения. Важно понимать главное — ни одного случая разгерметизации ТВС Westinghouse выявлено не было — это большой миф, который до сих пор можно встретить в сообщениях СМИ.

Также важно понимать, что аналогичные ТВС Westinghouse проблемы возникали и при эксплуатации российских тепловыделяющих сборок. Более того, как раз относительно продукции ТВЭЛа, ранее действительно имели место случаи потери кассетами герметичности, то есть радиоактивные элементы попадали в окружающую среду.

На самом деле, ни один производитель ТВС не застрахован от подобных случаев. Конкуренция между различными промышленными структурами всегда существует, и эти обстоятельства необходимо принимать во внимание. Компания Westinghouse разработала и начала поставлять новые шестигранные тепловыделяющие сборки на реакторы ВВЭР. Благодаря процессу постоянного усовершенствования их конструкции, а также рекомендациям Государственной инспекции ядерного регулирования Украины, на сегодняшний день продукция Westinghouse полностью соответствуют украинским требованиям. Так же и российский производитель ТВЭЛ активно налаживает производство ТВС квадратной структуры для реакторов западного типа.

С начала 2015 г. Украина возобновит поставки ядерного топлива производства Westinghouse на энергоблок №3 Южно-Украинской АЭС. Возобновление такого сотрудничества и, как результат, диверсификация источников ядерного топлива пойдут только на пользу Украине. Украинский ядерный комплекс станет менее зависимым.

Использование американских ядерных технологий, а также пристальное внимание многих экспертов и активистов экологических организаций к этому топливу только усилит ядерную безопасность Украины, увеличит контроль безопасности на украинских АЭС.

Наконец, существует колоссальный мировой опыт в развитии атомной энергетики, как относительно количества энергетических реакторов, так и способов изготовления ядерного топлива для реакторов. В США, Франции, Японии, Великобритании и Южной Корее количество реакторов примерно в десять раз больше, чем советских реакторов, эксплуатируемых в Украине, России и других странах СНГ. Поэтому сотрудничество между различными странами и рынками будет способствовать развитию атомной энергетики в мире.