ТВЭЛ — топливный элемент ядерного реактора¶

ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент) — основная конструктивная единица ядерного топлива, служащая для размещения радиоактивного материала в активной зоне реактора и отдачи тепловой энергии, выделяющейся при делении ядер, теплоносителю. ТВЭЛы применяются в реакторах атомных электростанций, атомных ледоколах, морских и космических энергетических установках. В России крупнейшим производителем топливных элементов является машиностроительный завод «Красноярск-26» (ПО «ТВЭЛ», входит в «Росатом»).

¶Устройство и принцип работы

Типовой ТВЭЛ состоит из топливной таблетки (спрессованного и спёкшегося диоксида урана UO₂), герметичной оболочки из циркониевого сплава или нержавеющей стали и торцевых деталей. Диоксид урана формуется в цилиндрические таблетки диаметром около 8 мм и высотой 10–15 мм, которые укладываются столбиком внутри оболочки. Между таблетками и оболочкой оставляется зазор, заполняемый гелием — он компенсирует набухание топлива под облучением и обеспечивает теплоотвод.

Оболочка ТВЭЛа воспринимает давление теплоносителя, защищает продукты деления от попадания в контур реактора и одновременно служит каналом для отвода тепла. Материал оболочки должен обладать малым сечением захвата нейтронов, коррозионной стойкостью и сохранять механические свойства при высоких температурах и интенсивном нейтронном облучении. В реакторах ВВЭР и РБМК используются оболочки из циркониевых сплавов (Циркало-4, Э110, Э635); в реакторах с газовым охлаждением и в некоторых быстрых реакторах — из нержавеющей стали.

При делении ядер урана-235 выделяются осколки деления (стронций-90, цезий-137, криптон-85 и другие), которые накапливаются внутри таблетки и оболочки. Продукты деления создают внутреннее давление, вызывают набухание топлива и коррозию оболочки, что определяет предельный срок службы ТВЭЛа.

¶Классификация

По форме топлива ТВЭЛы подразделяются на:

• таблетные — наиболее распространённый тип, топливо в виде прессованных таблеток;
• капсульные — топливо в виде гранул, размещённых в оболочке;
• дисковые — применяются в некоторых конструкциях высокотемпературных реакторов;
• трубчатые — топливо в виде полых цилиндров.

По типу топлива различают ТВЭЛы на обогащённом уране, на природном уране (РБМК, газографитовые реакторы), с топливом на основе смеси оксидов урана и плутония (МОКС-топливо), а также с нитридными и карбидными топливами, разрабатываемыми для быстрых реакторов.

¶Компоновка в реакторе

ТВЭЛы объединяются в топливные сборки (ТВС) — блоки, загружаемые в реактор целиком. В реакторе ВВЭР-1000 топливная сборка содержит 312 ТВЭЛов, в РБМК — 18 ТВЭЛов, объединённых в кассету. ВВЭР — водо-водяной ядерный реактор, наиболее распространённый тип реакторов российских АЭС; РБМК — реактор большой мощности канальный, применявшийся на Ленинградской, Чернобыльской, Курской и Смоленской АЭС.

В активной зоне реактора ВВЭР одновременно находится около 160 топливных сборок. Топливо в них выгорает постепенно: по мере снижения обогащения урана-235 сборки перемещают в менее нагруженные зоны активной зоны, а часть выгружают и заменяют свежими. Средний срок службы ТВЭЛов в ВВЭР — 3–4 года (в современных конструкциях — до 5–6 лет).

¶Производство и выгорание

Производство ТВЭЛов включает получение обогащённого урана (центрифужным методом на заводах «Новосибирский завод химконцентратов» и «ПО Электрохимический завод»), изготовление таблеток, сборку и сварку оболочек, контроль качества. Готовые ТВЭЛы комплектуются в топливные сборки на «Машиностроительном заводе» в Электростали и на «Красноярском машиностроительном заводе».

Показатель выгорания топлива в ВВЭР составляет около 40–50 МВт·сут/т, в перспективных конструкциях — до 70–100 МВт·сут/т. Повышение выгорания позволяет извлекать из урана больше энергии и снижать объёмы отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).

¶Отработавшее топливо

После выгрузки из реактора ТВЭЛы размещают в бассейнах выдержки на АЭС (обычно 3–5 лет), где охлаждаются и снижается активность короткоживущих изотопов. Затем отработавшие ТВЭЛы могут быть переработаны (на ПО «Маяк» в России действует промышленная линия переработки ОЯТ ВВЭР) или захоронены. Переработка позволяет извлечь неперегоревший уран-235 и плутоний для повторного использования в топливе.

¶ТВЭЛы в российской ядерной энергетике

Россия является одним из мировых лидеров по производству топливных элементов. ПО «ТВЭЛ» поставляет топливо не только российским АЭС, но и зарубежным заказчикам — в страны, закупающие реакторы ВВЭР (Индия, Китай, Иран, Белоруссия, Турция, Венгрия, Чехия, Словакия, Финляндия). Разрабатывается перспективное топливо для реакторов нового поколения — «Ресурс-1000» для ВВЭР-ТОИ, топливо с повышенным выгоранием для ВВЭР-1200, а также топливные сборки для быстрого натриевого реактора БН-800 на Белоярской АЭС, работающего на смеси уран-плутониевого оксидного топлива.

Источники:

• Гранкин В. М. «Ядерное топливо»
• Левин В. Е. «Ядерное топливо»
• Справочник «Ядерная энергетика: энциклопедия»
• Материалы Госкорпорации «Росатом» и ПО «ТВЭЛ»