Первое упоминание о проблемах создания ядерного топлива для гражданской энергетики содержится в отечественных документах 1950 года. Немногим более полугода после испытания первой советской атомной бомбы руководителю страны кладется на стол совершенно секретный («особая папка») документ, теперь уже опубликованный в истории «Атомного проекта СССР». Председатель специального комитета Лаврентий Берия представляет на утверждение проект «Постановления СМ СССР о плане научно-исследовательских, проектных и экспериментальных работ по использованию атомной энергии в мирных целях». В сопроводительном письме он весьма доходчиво излагает вождю задачи, которые надо решить, чтобы на основе опыта реакторов-наработчиков плутония создать мирную ядерную энергетику. В их числе и разработка ядерного топлива. «Проведенные лабораторией академика Курчатова расчеты показывают, что в атомных агрегатах для энергетических целей напряженность ядерной реакции в урановых блочках будет в 20–30 раз превышать напряженность ядерной реакции действующих агрегатов. При такой высокой интенсивности ядерных излучений в урановых блочках, в конструктивных материалах высокотемпературных атомных агрегатов будут происходить глубокие превращения, которых не могут выдержать действующие у нас ядерные агрегаты… Повышение живучести урановых блочков является технически сложной проблемой и требует длительной и кропотливой работы».
Нетрудно догадаться, кто был автором этого исторического документа. Он там и назван, как и лаборатория, где родилась идея мирной ядерной энергетики. На следующий после получения день (так тогда работали), 16 мая 1950 года, постановление СМ № 2030–788 по использованию атомной энергии для мирных целей было подписано Иосифом Сталиным. «Длительная и кропотливая работа» по усовершенствованию «урановых блочков», которые мы теперь называем тепловыделяющими элементами, или твэлами, продолжается и по сей день.
Сегодня около 30 компаний из двух десятков стран производят ядерное топливо для реакторов наземных типов. Суммарный объем существующих в мире мощностей по производству ядерного топлива (по сравнению с другими атомными отраслями) не так уж велик – около 20 тыс. т в год. Три крупнейших производителя – Framatome, Westinghouse и ТВЭЛ владеют примерно половиной этих мощностей. По данным World Nuclear Association, в настоящее время мощности по производству топлива легководных реакторов во всем мире значительно превышают спрос. В Евросоюзе такие мощности есть у пяти стран (Германия, Испания, Румыния, Франция и Швеция). Как считают эксперты WNA, «производство топлива не станет узким местом в обозримой цепочке поставок для любого ядерного ренессанса». Избыточные мощности увеличивают такие страны, как Китай, Индия и Южная Корея, стремящиеся к самообеспечению.
При этом услуги по изготовлению топлива закупаются по другим принципам, чем, например, обогащение урана. Ядерные тепловыделяющие сборки (ТВС) являются высокотехнологичной продукцией, изготовляемой по индивидуальному техническому заданию каждого заказчика. Они определяются физическими характеристиками реактора, стратегией его эксплуатации и управления топливным циклом, а также национальными лицензионными требованиями. Большинство основных производителей топлива являются поставщиками реакторов и обычно формируют первые активные зоны и ранние перезагрузки для реакторов, построенных по их собственным проектам.
Тем не менее рынок топлива для легководных реакторов (превалирующих в мировой ядерной энергетике) становится все более конкурентным, и для большинства видов топлива в настоящее время существует несколько конкурирующих поставщиков. Это в полной мере относится к российскому производителю ядерного топлива – топливной компании ТВЭЛ.
Не считая опытного производства МОКС-топлива в Железногорске, входящий в структуру Росатома ТВЭЛ производит ядерное топливо на двух больших заводах: машиностроительном заводе (МСЗ) в г. Электростали и Новосибирском заводе химконцентратов (НЗХК), которые близки по мощности (суммарно около 2800 т/год, по данным WNA).
История МСЗ берет начало с 1916 года, когда для снабжения русской армии необходимыми боеприпасами в Первую мировую войну был построен «снаряжательный» (оружейный) завод. В период Второй мировой войны завод произвел около 250 млн снарядов, что сопоставимо с третью боезапаса СССР, выпущенного по Германии. С августа 1945 года по решению спецкомитета «Атомного проекта СССР» завод начал интенсивно работать в составе атомной программы. Он был перепрофилирован для выполнения новых задач и больше не выпускал непосредственно оружия и боеприпасов. 1954 год стал началом нового направления – производства тепловыделяющих элементов и ТВС для ядерной энергетики. Была изготовлена первая партия ТВС для первой в мире АЭС в г. Обнинске.
Завод производит ядерное топливо для энергетических реакторов разного типа: водо-водяных российского (ВВЭР-440, ВВЭР-1000, ВВЭР-1200) и, с 2009 года, западного дизайна (PWR и BWR), уран-графитовых, на быстрых нейтронах, исследовательских реакторов и транспортных энергетических установок, а также поглощающие элементы и органы регулирования. Основную часть, около 90% производственной программы машиностроительного завода составляет ядерное топливо для АЭС с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах. В зарубежные страны поставляется топливо ВВЭР-440 (Финляндия, Чехия, Словакия, Венгрия, Армения) и ВВЭР-1000 (Чехия, Болгария). В сотрудничестве с Siemens (с 1993 года), Framatome (с 2001 года) и AREVA (с 2005 года) завод изготовлял ТВС для реакторов типа PWR и в разное время поставлял их в Германию, Швейцарию, Нидерланды, Швецию и Великобританию.
Второй завод ТВЭЛа, Новосибирский завод химконцентратов (НЗХК), был основан в 1948 году на площадке несостоявшегося Новосибирского автозавода и начал опытное производство урановой продукции в 1950 году. В 1970-х годах НЗХК освоил производство твэлов и ТВС для исследовательских реакторов. С 1980 года завод начал производить топливо для энергетических реакторов большой мощности с водой под давлением. В настоящее время им поставлены ТВС для более трех десятков энергоблоков России, Украины, Болгарии, Ирана, Индии и Китая. На НЗХК изготавливаются все основные модификации ТВС для реакторов ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200. Участвует НЗХК и в разработке российской конструкции топлива для PWR западного дизайна (ТВС-квадрат). Изготавливается топливо для исследовательских реакторов (ВВР-М, МИР, ИРТ-М и др.).
Принципиально важно, что ядерное топливо играет особую роль в наполнении так называемого «ядерного острова» – сердца атомной электростанции, куда входят реактор с активной зоной, обслуживающее его оборудование и система передачи энергии от этой активной зоны к турбине. Часть «ядерного острова» поддается замене в процессе эксплуатации, часть заменять бессмысленно (проще построить новую АЭС), и она, собственно, и определяет срок службы всей установки, который в мире уверенно подбирается к 100 годам. Тепловыделяющая сборка – регулярно и наиболее часто (не считая поломок) сменяемая часть этого «ядерного острова». Ее современный срок пребывания в реакторе составляет 4–5 лет (при условии перестановки в активной зоне). Точности ради следует заметить, что при сильном желании разработчики уже способны создать активную зону, которую не нужно перезагружать в течение всего срока жизни ядерного объекта (таковы, например, активные зоны последнего американского атомного авианосца). Но это совсем другая, «военная» экономика и высокообогащенное топливо, неприемлемое для коммерческих АЭС. Таким образом, ядерное топливо – наиболее сменяемый элемент АЭС, что создает огромный стимул для его непрерывного совершенствования, который создатели атомной техники просто не способны упустить.
Именно поэтому, например, с упомянутого выше начала «усовершенствования урановых блочков» в созданном Игорем Курчатовым институте и сейчас над ядерным топливом работает большой коллектив специалистов, дела которого известны практически во всем мировом ядерном сообществе.
Последовательное и неуклонное внедрение новых конструкций тепловыделяющих сборок – это улучшение экономических показателей и безопасности. Продолжительность топливного цикла, мощность реакторов, энерговыработка растут, а следовательно, растет и выручка. Новое топливо тестируется на Калининской, Ростовской и Кольской АЭС. Все российские ВВЭР-1000 уже работают на 104% мощности в удлиненных 18-месячных топливных циклах. То же ожидает и реакторы ВВЭР-1200 (первый блок Нововоронежской АЭС уже переведен на этот режим), а к 2025 году в опытно-промышленной эксплуатации ожидается следующий шаг – повышение мощности до 107%. Казалось бы, это не так уж много, но если принять во внимание, что речь идет о 20% российской электрогенерации, то привычное нам словосочетание «экономический эффект» приобретает очень весомое наполнение. Главное при этом, что этот эффект может достигаться в течение всего срока службы АЭС.
Что же касается реакторов ВВЭР-440 с их полувековой историей (сегодня 23 энергоблока эксплуатируются в семи странах), то это впечатляющий весь атомный мир пример непрерывного совершенствования ядерного топлива, учитывающего все многообразие требований многочисленных владельцев этих замечательных аппаратов.
Стоит заметить, что при необходимости разработчики новых активных зон способны существенно увеличить сроки эксплуатации ядерного топлива и в гражданском секторе ядерной энергетики. В проекте модернизированного плавучего энергоблока (МПЭБ) активная зона реакторной установки РИТМ-200С обладает в четыре раза большим энергоресурсом, чем КЛТ-40С действующей ПАТЭС. Интервал между перегрузками МПЭБ составляет пять лет, то есть в два раза больше, чем у работающего сегодня предшественника.
Разумеется, российские создатели нового ядерного топлива активно участвуют в большой программе, которой интенсивно занимается весь реакторный мир, эксплуатирующий легководные реакторы, – разработке топлива нового поколения безопасности ATF (Advanced Technology Fuel), которое получило название «толерантное», то есть отличается «дружелюбным» поведением даже при гипотетических тяжелых авариях с сильным разогревом активной зоны.
Росатом нацелен на переход к «двухкомпонентной» ядерной энергетике, когда в одном топливном цикле будут совместно работать реакторы на тепловых и быстрых нейтронах. Задача ТВЭЛ – предоставить топливо для этой будущей системы. На МОКС (смешанное уран-плутониевое) топливо переведен быстрый натриевый реактор БН-800. Замыкание ядерного топливного цикла должно быть обеспечено не только для быстрых реакторов, но и для стандартных тепловых легководных. На Балаковской АЭС с 2021 года проходит опытно-промышленная эксплуатация уран-плутониевого топлива. Перспективные будущие реакторы ВВЭР должны быть способны работать на 100-процентной загрузке из МОКС-топлива.
