Новый этап в атомной энергетике США: испытания топлива HALEU

На американской атомной электростанции впервые начались испытания ядерного топлива с повышенным содержанием урана-235. Компания Southern Nuclear загрузила четыре экспериментальные топливные сборки (ТВС) в реактор второго энергоблока АЭС Vogtle в штате Джорджия. Особенность этих сборок заключается в том, что они содержат уран, обогащенный свыше стандартных 5%, что является прецедентом для коммерческой ядерной энергетики США.

Ядерное топливо – это основа работы атомной электростанции. Для того чтобы в реакторе началась и поддерживалась цепная реакция деления, урановая руда должна пройти сложный процесс переработки и обогащения. Природный уран содержит всего около 0,7% изотопа уран-235 (U-235), который способен делиться с выделением энергии. Основная же масса (около 99,3%) приходится на уран-238 (U-238), который не участвует в цепной реакции деления в большинстве современных реакторов. Чтобы реактор мог эффективно работать, концентрацию U-235 необходимо искусственно повысить.

В большинстве современных энергетических реакторов используется так называемый низкообогащенный уран (НОУ), где доля U-235 доведена до 3–5%. Этого достаточно для поддержания управляемой цепной реакции. Однако существуют и другие уровни обогащения, применяемые для специфических задач. Например, в реакторах атомных подводных лодок используется высокообогащенный уран (ВОУ) с концентрацией U-235 от 20% до 93%. Такое топливо позволяет создавать очень мощные и компактные реакторы, которые могут работать десятилетиями без перезагрузки. Фактически, конструкция современных атомных подлодок не предусматривает возможности дозаправки реактора в течение всего срока службы.

Испытания, проводимые Southern Nuclear совместно с компанией Westinghouse Electric Company, не имеют отношения к военным технологиям. Их цель – внедрить в практику коммерческих АЭС преимущества топлива нового поколения, известного как высокопробный низкообогащенный уран (HALEU). Обогащение такого топлива составляет от 5% до 20%. До недавнего времени уран HALEU применялся в основном в исследовательских реакторах или в проектах АЭС нового поколения, например, использующих технологию расплавленных солей.

Текущий эксперимент на АЭС Vogtle является частью программы Министерства энергетики США по созданию толерантного (устойчивого к авариям) ядерного топлива (Accident Tolerant Fuel Program). Задача – разработать и проверить новые виды обогащенного топлива, которые можно безопасно использовать в существующих реакторах для повышения их эффективности, увеличения срока службы топливной кампании и сокращения объемов образующихся радиоактивных отходов.

Создание топлива с повышенным обогащением требует изменения его состава и структуры. Если стандартное топливо НОУ представляет собой керамику на основе диоксида урана, то топливо с более высоким обогащением часто изготавливается в виде сплавов урана с цирконием или алюминием. В состав такого топлива также вводят так называемые выгорающие поглотители нейтронов – элементы вроде бора-10 или гадолиния-157. Они «приглушают» реакцию в начале топливного цикла, когда урана-235 много, а по мере выгорания топлива и самих поглотителей интенсивность реакции остается стабильной, обеспечивая равномерную выработку энергии.

Экспериментальное топливо для испытаний на АЭС Vogtle было произведено компанией Westinghouse под маркой ADOPT. Это усовершенствованная версия диоксида урана (UO₂), легированного оксидами хрома (Cr₂O₃) и алюминия (Al₂O₃). Такая композиция обеспечивает большую плотность урана, улучшает теплопроводность и снижает выход газообразных продуктов деления, которые могут повредить топливные таблетки и их оболочку. Взаимодействие топлива ADOPT с металлической оболочкой твэлов (тепловыделяющих элементов) также снижает вероятность ее повреждения.

По информации Westinghouse, вариант этого топлива под названием LEU+ ADOPT может использовать уран с обогащением до 8%, что значительно улучшит характеристики действующих реакторов и позволит реже проводить перезагрузку топлива. Топливные таблетки ADOPT были изготовлены на заводе Westinghouse Springfields Fuels Ltd в Великобритании из уранового порошка, предоставленного Национальной лабораторией Айдахо (США). После формирования четырех полноценных топливных сборок их установили в реактор второго блока АЭС Vogtle. Теперь специалисты будут тщательно отслеживать поведение нового топлива в условиях интенсивного облучения на протяжении нескольких топливных циклов.

Председатель правления, президент и главный исполнительный директор Southern Nuclear Пит Сена подчеркивает, что это достижение является важным шагом вперед не только для устойчивости всего действующего парка реакторов США, но и для будущих ядерных технологий. Он отмечает, что цель компании – эксплуатировать энергоблоки дольше и с большей выработкой энергии, а использование топлива с более высоким обогащением позволит еще лучше удовлетворять растущие энергетические потребности штата Джорджия.