Вестингауз, LTA-2 и гадолиний

[katerina-0906]

http://atominfo.ru/news/air6448.htm

Украина довольна результатами переговоров в Москве на премьерском уровне по поставкам российского ядерного топлива на украинские АЭС. По словам Юлии Тимошенко, новое долгосрочное соглашение будет подписано на "выгодных для Украины условиях". Топливный контракт должен быть "сформирован и представлен" до середины июля этого года.

В многочисленных комментариях в СМИ превалирует мнение о том, что долгосрочное (до 2026 года) соглашение позволит "полностью загрузить" украинские реакторы топливом российского образца и сделает кассеты от американской фирмы "Вестингауз" практически невостребованными на украинском рынке.

Последние новости служат хорошим поводом для того, чтобы взглянуть на текущее положение дел с американскими кассетами на Украине.

"Вестингауз" на Украине - Южно-Украинская, Ровенская, Хмельницкая

Официальным стартом программы "Вестингауза" по захвату украинского рынка ядерного топлива можно считать июнь 1999 года, когда эта компания была выбрана в качестве поставщика первой партии кассет западного производства для атомных станций Украины.

Вне всякого сомнения, этому предшествовал большой объём подготовительной работы, включавший в себя подписание межправительственного соглашения США и Украины и выход последней из бушерского проекта.

Ещё ранее - в 1996 году - "Вестингауз" стал одним из четырёх участников тендера по выбору партнёра для совместного строительства на Украине топливного завода. Соперниками американцев выступали ABB, "VVER Fuels" и российский ТВЭЛ. Первый опыт для американцев оказался неудачным, и победа досталась россиянам - впрочем, уже через год проект строительства завода был надолго отложен на дальнюю полку.

В июне 2005 года на Украину были доставлены первые шесть американских кассет и началась подготовка к следующим шагам. Они включали в себя поставку на Украину 42 ТВС, которые должны быть изготовлены на шведском заводе "Вестингауза", и постепенный перевод на американское топливо части украинских ВВЭР. В ряду претендентов на получение западных кассет назывались не только Южно-Украинская, но и Ровенская и Хмельницкая АЭС.

Считается, что цена топливных сборок "Вестингауза", предназначенных для загрузки в активные зоны ВВЭР-1000, существенно превышает стоимость российских аналогов. Все заинтересованные стороны опасаются разглашения коммерческой тайны и избегают огласки точных цифр.

Согласно просочившимся в прессу неофициальным оценкам, кассеты от "Вестингауза" дороже российских на 25-40%, и это обстоятельство дало повод россиянам охарактеризовать сотрудничество украинских атомщиков с американцами как политизированное. В региональной прессе США назывались следующие данные по контрактам "Вестингауза" на Украине:

* производство опытной партии из 6 сборок (2000 год) - 5 млн долларов; контракт заключён между "Вестингаузом" и министерством энергетики США;
* производство партии из 42 сборок (2007 год) - 14 млн долларов; контракт заключён между "Вестингаузом" и министерством энергетики США;
* поставка топлива от "Вестингауза" на три украинских энергоблока, начиная с 2011 года, в количестве не менее 630 сборок - свыше 100 млн долларов; прямой контракт между американской компанией и украинским потребителем.

Однако структура цены у всех перечисленных контрактов не публикуется, что не позволяет сделать вывод об их полноте. Отсутствует также однозначное подтверждение соответствия названных сумм действительности.

В качестве изготовителя в украинских контрактах "Вестингауз" выбирал разные заводы. Если первая партия из 6 ТВС была сделана в Соединённых Штатах, то кассеты для последующих поставок будет делать предприятие ABB-"Вестингауз" в Швеции.

Покрыты туманом и источники урановой продукции - в частности, появлялись утверждения, что природный уран для американского топлива может предоставлять Украина, а его обогащение может производиться в международном центре МЦОУ в российском Ангарске.

Кассеты от "Вестингауза"

Технические детали по американским кассетам для ВВЭР-1000 известны не слишком широко ввиду, во-первых, коммерческой чувствительности данной информации, и во-вторых, из-за постоянно вносимых американскими инженерами изменений в конструкции кассет.

Так, кассеты, поставляемые и предполагаемые к поставке "Вестингаузом" на Украину, имеют ряд существенных отличий от ТВС, применявшихся на чешской АЭС "Темелин" - например, изменена головка кассеты и установлено 16 решёток вместо 9.

С одной стороны, это позволяет американцам надеяться на неповторение известных и хорошо описанных в публикациях чешских неудач, с другой - требует проведения программы квалификации американского топлива на украинских АЭС, так как полученный на Темелине опыт эксплуатации становится непереносимым.

Одной из наиболее полных подборок открытых сведений по продукции "Вестингауза" можно считать дипломную работу, посвящённую монте-карловскому моделированию шестигранных кассет для реакторов ВВЭР-1000 и выполненную в одном из шведских институтов в 2008 году.

Кассеты, передающиеся "Вестингаузом" на Украину, можно разбить на два типа - LTA-1 и LTA-2. Главное отличие второго типа от первого связано с введением 6 так называемых защитных стержней (protective rods) с целью сделать сборки более жёсткими и избежать инцидентов типа IRI (incomplete rod insertion, неполный ввод стержней). Это стержни, выполненные из сплава ZIRLO и имеющие внешний диаметр 9,754 мм.

К типу LTA-1 относятся первые 6 кассет, поставленные на Украину в 2005 году, а также 36 сборок из второй опытной партии. Соответственно, 6 оставшихся кассет из второй партии относятся к типу LTA-2. По некоторым данным, в 24 из 36 кассет LTA-1 во второй партии будет принято более высокое среднее обогащение.

Объём в 42 сборки недостаточен для полной загрузки активной зоны, и в течение некоторого времени российскому (ТВСА) и американскому топливам придётся сосуществовать на третьем блоке ЮУ АЭС. Известно также, что, по состоянию на 2008 год, американский код PHOENIX-H/ANC-H не умел адекватно моделировать поставляемые на Украину российские сборки ТВСА, что не могло не вызывать определённое беспокойство по поводу работы блока с двумя типами топлива одновременно.

Геометрия топливных сборок LTA-2 и российских ТВСА очень похожа, хотя имеются два принципиальных различия:

* в российских твэлах предусмотрено центральное отверстие, заполненное гелием, для выхода осколков деления; в американской продукции оно отсутствует;
* в конструкции ТВСА имеются дополнительные элементы (уголки жёсткости), идущие на пользу механическим и прочностным свойствам кассеты.

Точно так же, как россияне, американские проектанты выбрали для LTA-2 в качестве выгорающего поглотителя оксид гадолиния Gd2O3, но в ТВСА обогащение топлива в твэгах выше, чем у американцев.

Американские сборки профилируются тремя обогащениями, что выглядит для России несколько необычным подходом. Наконец, отличаются и выбранные конструкции сплавы - Э-110 и Э-635 у продукции "Росатома" и ZIRLO у "Вестингауза".

Модели кассет "Вестингауза" (слева) и ТВСА


Профилирование обогащением в сборках LTA-1.
Кассета собирается из 240 твэлов с обогащением 3,8% (или 4,1%), 60 - 3,6% и 6 с 3,2%, а также 6 гадолиниевых твэгов с обогащением 3,0%.


Профилирование обогащением в сборках LTA-2.
Кассета собирается из 240 твэлов с обогащением 3,8%, 42 - 3,4% и 18 с 3,2%, а также 6 гадолиниевых твэгов с обогащением 2,9% и 6 защитных стержней в углах кассеты.


Шведская модель уголков жёсткости ТВСА,
отсутствующих в кассетах "Вестингауза" и служащих одной из причин погрешностей
в расчётах российских кассет американскими кодами.
Уголки вытесняют воду и, тем самым, влияют на спектр нейтронов и распределение потвэльного энерговыделения.


Выгорающий поглотитель

Как видно из представленных выше технических характеристик, "Вестингауз" на Украине планирует перейти на использование гадолиния в качестве выгорающего поглотителя.

Между тем, традиционным для "Вестингауза" подходом считается выбор в пользу диборида циркония. У американской компании имеется собственное ноу-хау по нанесению ZrB2 в виде тонкого слоя на топливные таблетки, расположенные в центральной части твэла. В активных зонах с диборидом циркония наблюдается снижение амплитуды колебаний запаса реактивности, а также обеспечивается большее выгорание топлива.

О достижениях "Вестингауза" по дибориду циркония см., например, D.Franklin et al. Advances in light water reactor fuels // Trans. ANS, v.55, 1987, pp. 255-257.

Выбор в пользу гадолиния для украинских поставок может быть обусловлен различными причинами, в том числе, и коммерческого характера. Например, отсутствуют какие-либо данные о возможной передаче "Вестингаузом" технологий работы с ZrB2 на подконтрольные компании европейские заводы, а ведь местом фабрикации кассет для Украины выбрана Швеция.

Возможно и то, что "Вестингауз" решил последовать за российским производителем, а россияне рассматривают интегрированное гадолиниевое топливо как одно из магистральных направлений развития топливного цикла для реакторов ВВЭР.

Действительно, гадолиний имеет неплохие перспективы в топливном цикле легководных реакторов. При изготовлении твэгов оксид гадолиния можно вводить непосредственно в порошок UO2, то есть, поглотитель получается интегрированным с топливом.

Это позволяет не уменьшать общее количество твэлов в кассете, обходить ограничения нормативов на размещение органов регулирования, исключить отдельную транспортировку выгоревшего поглотителя и даёт ряд других преимуществ.

Шведский завод в Вастерасе (Vasteras) включён "Вестингаузом" в число производителей твэгов с гадолинием для реакторов PWR и ВВЭР. Но опыт шведов в этой области пока ещё невелик, хотя первые поставки они уже осуществляли - например, в январе 2006 года они отгрузили в адрес американских заводов "Вестингауза" 24,4 тонны таблеток с гадолинием.

В 2007 году представители испанской компании ENUSA, выпускающей топливо по лицензии "Вестингауза", ставили вопрос о том, что шведам - равно как и другим зарубежным субподрядчикам американцев - ещё потребуется доказать, что конечные потребители могут не беспокоиться при получении их продукции, и что использование шведских гадолиниевых твэгов не повлечёт за собой необходимость проведения новых квалификационных программ для топливных сборок.

Вопрос о надёжности шведской продукции имеет ключевое значение и для Украины. Дело в том, что в условиях "большого" контракта с "Вестингаузом" имеется оговорка - американское топливо должно получить разрешение от украинского надзорного органа (ГКЯРУ). А в январе этого года, как известно, в прессе появились сообщения о том, что украинские регуляторы пока не видят оснований для выдачи лицензий на промышленное использование с 2011 года американских кассет на АЭС Украины.

ИСТОЧНИК: Михаил Сторожевой, AtomInfo.Ru