6.2.4. Виробництво твелів для реакторів на теплових нейтронах

Виробництво найбільш широко поширених твелів з двооксиду урану складається з наступних технологічних стадій або переділів.

Підготовка ядерного палива: приготування порошків оксидного палива шляхом конверсії гексафторида в діоксид урану, пресування і отримання спечених таблеток, шліфування, вихідний контроль і комплектування таблеток для спорядження твелів.

Підготовка трубчастих оболонок твелів і кінцевих деталей: контрольна дефектоскопія матеріалу трубок, обробка торців і контроль геометричних розмірів, установка і приварювання до трубки одного з наконечників.

Заряджання твелів паливом: дозування і упаковка таблеток в підготовлені до збирання оболонкові трубки, установка кінцевих деталей, наповнення гелієм, герметизація (зварюванням), контроль зварних швів, дезактивація, перевірка герметичності й геометричних розмірів твела, автоклавування, контрольні операції і передача твелів на збірку.

Підготовка й комплектування деталей для збирання ТВЗ (кожухи, кінцеві деталі, дистанціонуючі решітки, стрижні, кріплення). Передача їх на збирання ТВЗ.

Збирання ТВЗ. Контрольні стендові випробування. Розбирання відбракованих твелів й ТВЗ.

Дефектація. Переробка відходів й дефектних бракованих таблеток («оборо тів»). Повернення в цикл кондиційних мате ріалів та виробів. За певних умов може виявитися доцільним організувати виготовлення твелів й ТВЗ на декількох заводах або вести повністю на одному комплексному заводі. Комплексні заводи виробляють порошок із UO2, таблетки, твели й комплектні збірки. Загальна їх потужність (1985 р.) близько 4300 т/рік (низькозбагаченого 3,5% урану).

У таблиці 6.11 наведені виробничі характеристики деяких таких заводів, що належать провідним фірмам США.

Зазвичай виробництво палива для твелів починається з перетворення на двооксид урану гексафториду, котрий поставляється на завод зі збагачувального заводу. Цирконієві трубки й прокат поступають також зі спеціалізованого заводу.

Таблиця 6.11. Основні комплексні заводи США з виробництва реакторного палива із UO2 для водоводяних реакторів LWR

Виготовлення твелів й ТВЗ за своїм характером є масовим механічним і значною мірою автоматизованим виробництвом прецизійного класу. Воно має справу із сотнями тисяч й мільйонами однакових деталей, що виконуються з високою точністю, яка забезпечує ідентичність та взаємозамінність. Виробництво ведеться при безперервному контролі параметрів як на окремих операціях, так і в процесі збірки.

Крім того, при виробництві твелів і ТВЗ необхідно забезпечити вимоги ядерної і радіаційної безпеки. Таке складне виробництво може бути здійснене лише на заводі, де застосовуються в максимальній мірі високомеханізовані, а на багатьох операціях дистанційно керовані й автоматизовані процеси (включаючи контроль) масового виробництва, що гарантують високу якість і стабільність кожної технологічної операції і відповідно кожного виробу, що випускається.

Для виготовлення однієї активної зони реактора РБМК-1000 потрібно близько 200000 комплектуючих деталей з цирконієвих сплавів, оброблених за високим класом точності, а також понад 14 млн. спечених таблеток з двооксиду урану, відшліфованих за зовнішнім діаметром з допуском ~0,025 мм. При виготовленні твелів для однієї комплектної активної зони реактора РБМК-1000 виконується близько 240000 індивідуально контрольованих герметичних швів. Все це обумовлює велику залежність вартості виготовлення твелів від рівня технології і контролю і від об'ємів виробництва.

Витрати на виготовлення твелів і ТВЗ для реакторів на теплових нейтронах. Витрати на виготовлення твелів в загальній вартості твелів можуть складати для реакторів на теплових нейтронах, що працюють на низькозбагаченому урані, значну частину. Ця частина тим вища, чим нижчі ціни на збагачений уран, тобто чим дешевше природний уран, менша ціна 1 ОРР, менший ступінь збагачення, отже, необхідна робота розділення. Витрати на виготовлення твелів з природного або відвального урану можуть перевершувати вартість палива, що міститься в твелах. Тому важливо отримати з кожного кілограма палива, закладеного до твелу, вищу енерговіддачу, тобто більшу глибину вигоряння.

Витрати на виготовлення твелів прийнято відносити до 1 кг урану, завантаженого до твелів. Ці витрати залежать від багатьох технічних і виробничих чинників: прийнятої конструкції твелів і ТВЗ, матеріалу оболонок і паливної композиції сердечника твела, від масштабів виробництва (проектної продуктивності підприємства і фактичної потужності, на якій воно працює) і від інженерно-технічного оснащення всіх технологічних процесів, включаючи контрольні операції.

Таким чином, витрати на виготовлення твелів визначаються обраним типом реактора і твелів та можуть бути співставлені лише для твелів, близьких за конструкцією і паливною композицією. Найширше використовуються в даний час (і використовуватимуться в найближче десятиліття) твели із сердечниками із низькозбагаченого двооксиду урану в тонкостінних трубах – оболонках із цирконієвих сплавів або неіржавіючих сталей. Вони застосовані в корпусних реакторах (ВВЕР, PWR, BWR), в реакторах канального типу (РБМК, CANDU, SGHWR), в газографітових англійських реакторах AGR, в охолоджуваних рідким натрієм реакторах на швидких нейтронах, тобто практично у всіх типах реакторів, на яких базується промисловий розвиток атомної енергетики в провідних промислових країнах (Росії, США, Великобританії, Франції, Канаді, Німеччині). При виробництві та експлуатації твелів з двооксидом урану накопичено значний досвід, проведено широкі експериментальні дослідження, створено методики розрахунку, технологія масового виробництва.

Як ілюстрація в таблиці 6.12 наведені деякі зарубіжні дані з економіки виготовлення твелів, що характеризують реальні співвідношення в структурі та величині витрат при виготовленні ядерного палива для АЕС. Вони засновані на відносно стабільній базі цін і витрат періоду до 1973 р. і відображають технічні й технологічні особливості конструкцій твелів і ТВЗ і виробничих процесів, що використовуються при їх виготовленні, котрі, по суті, мало змінюються.

Таблиця 6.12. Структура витрат, %, при виготовленні твелів із UO2 залежно від виробничої потужності заводу

При сучасному рівні вимог частка витрат на матеріали оболонок (трубки, заглушки) в загальних витратах на виготовлення твелів значна (табл. 6.12) і складає майже 50% (конструкційні матеріали – 10%, а інше – паливо).

Вартість виготовлення тонкостінних труб з цирконієвих сплавів і неіржавіючих сталей, що вживаються для оболонок твелів, характеризує вельми високі технічні вимоги до якості металу (за хімічним складом, вмістом домішок і включень), до допусків на геометричні розміри труб.

Значне здорожчання оболонкових труб обумовлене великим об'ємом необхідного контролю (включаючи ультразвукову дефектоскопію) і дуже високими вимогами до якості поверхні (відсутність рисок, подряпин та інших технологічних дефектів).

До оболонкових труб висуваються досить жорсткі вимоги з точності виконання: допуск на діаметр і товщину стінки складає відповідно ~1 і ~10% номінального розміру. Строгі обмеження висувають до хімічного складу, особливо до вмісту деяких домішок, що мають великі перетини захвату нейтронів, наприклад бору, гафнію, кобальту тощо. Вартість виготовлення 1 погонного метру труб сильно залежить від їх діаметру і товщини стінки. Все це спричинює різке здорожчання труб через велике відбракування і малий вихід придатних виробів.

З урахуванням операцій по спорядженню твелів і контролю герметичності, а також складання касет і завершальної перевірки виробу в зборі, повна вартість виготовлення твелів, віднесена до 1 кг U, складає (за американськими даними) 80–160 дол./кг U для твелів в цирконієвих оболонках і 50–110 дол./кг U для твелів в оболонках з неіржавіючої сталі. З малюнку 6.20 випливає, що при зовнішньому діаметрі твелів 10–11 мм вартість виготовлення твелів для реакторів, що охолоджуються водою, при виробництві на одній потоковій лінії ~0,2 т/добу складе 100–110 дол./кг U. Вартість виготовлення палива для реактора PWR за даними фірми «Вестінгауз електрик» складала в 190–200 дол./кг урану на початку дев'яностих років.

Ці дані були закладені до прейскуранту цін для укладення довгострокових контрактів на постачання ядерного палива фірмою «Дженерал електрик», починаючи з 1964 і далі, та стали відправним пунктом для аналізу впливу різних чинників (масштабу виробництва, структури постійних і змінних витрат, дорожчання, пов'язаного з роботою на неповній потужності, тощо) на вартість виробництва палива. Так, збільшення проектної потужності підприємства в 5 разів (з 260 до 1300 т/рік) при роботі його з повним завантаженням приводить до зниження вартості виготовлення твелів в 1,5 рази. Мал. 6.20. Залежність витрат на виготовлення твелів з UO₂ в оболонках з цирконієвих сплавів (1) і неіржавіючої сталі (2) від діаметру твела

Витрати на виготовлення твелів розділяються на постійні, котрі не залежать від об'єму виробництва, та змінні, тобто пропорційні випуску продукції. Постійні витрати складаються з амортизаційних відрахувань й інших витрат, прямо не пов'язаних з об'ємом виробництва. Змінні включають витрати на матеріали, реактиви, енергію тощо, пропорційні об'єму випуску. Для заводу проектною потужністю 260 т/рік при роботі на повному завантаженні постійні витрати складають близько 40%. Якщо підприємство працює на потужності 50% від проектної, тоді збільшення вартості виготовлення твелів складе 40%.

Вартість виготовлення твелів істотно залежить від середньорічного коефіцієнта використання потужності підприємства. При зниженні річного завантаження підприємства збільшується відносна частка постійних витрат у вартості виготовлення палива На малюнку 6.21 наведено залежності відносного збільшення вартості виготовлення твелів для реакторів PWR і BWR від добової продуктивності заводу по виготовленню твелів (за даними американських фірм «Вестінгауз електрик» і «Дженерал електрик»).

Мал. 6.21. Залежність відносної вартості виготовлення твелів для реакторів PWR і BWR від добової продуктивності заводу: I – твели PWR діаметром 10,9 мм; 2 – твели діаметром 12,5 мм