6.2.4. Производство твэлов для реакторов на тепловых нейтронах

Производство наиболее широко распространенных твэлов из диоксида урана состоит из следующих технологических стадий или переделов.

Подготовка ядерного топлива: приготовление порошков оксидного топлива путем конверсии гексафторида в диоксид урана, прессование и получение спеченных таблеток, шлифование, выходной контроль и комплектование таблеток для снаряжения твэлов.

Подготовка трубчатых оболочек твэлов и концевых деталей: контрольная дефектоскопия материала трубок, обработка торцов и контроль геометрических размеров, установка и приварка к трубке одного из наконечников.

Снаряжение твэлов топливом: дозировка и упаковка таблеток в подготовленные к сборке оболочечные трубки, установка концевых деталей, наполнение гелием, герметизация (сваркой), контроль сварных швов, дезактивация, проверка герметичности и геометрических размеров твэла, автоклавирование, контрольные операции и передача твэлов на сборку.

Подготовка и комплектование деталей для сборки ТВС (кожухи, концевые детали, дистанционирующие решетки, стержни, крепеж). Передача их на сборку ТВС.

Сборка ТВС. Контрольные стендовые испытания. Разборка забракованных твэлов и ТВС.

Дефектация. Переработка отходов и дефектных бракованных таблеток («оборотов»). Возврат в цикл кондиционных материалов и изделий.

При определенных условиях может оказаться целесообразным организовать изготовление твэлов и ТВС на нескольких заводах или вести его полностью на одном комплексном заводе. Комплексные заводы производят порошок из UO2, таблетки, твэлы и комплектные сборки. Общая их мощность (1985 г.) около 4300 т/год (слабообогащенного 3,5% урана).

В таблице 6.11 приведены производственные характеристики некоторых таких заводов, принадлежащих ведущим фирмам США.

Обычно производство топлива для твэлов начинается с превращения в диоксид урана поступающего на завод гексафторида, поставляемого с обогатительного завода. Циркониевые трубки и прокат поступают также со специализированного завода.

Таблица 6.11 Основные комплексные заводы США по производству реакторного топлива из UO2 для водо-водяных реакторов LWR

Изготовление твэлов и ТВС по своему характеру является массовым механическим и в значительной мере автоматизированным производством прецизионного класса. Оно имеет дело с сотнями тысяч и миллионами одинаковых деталей, выполняемых с высокой точностью, обеспечивающей идентичность и взаимозаменяемость. Производство ведется при непрерывном контроле параметров как на отдельных операциях, так и в процессе сборки.

Кроме того, при производстве твэлов и ТВС необходимо обеспечить требования ядерной и радиационной безопасности. Столь сложное производство может быть осуществлено лишь на заводе, где применяются в максимальной мере высокомеханизированные, а на многих операциях дистанционно управляемые и автоматизированные процессы (включая контроль) массового производства, гарантирующие высокое качество и стабильность каждой технологической операции и соответственно каждого выпускаемого изделия.

Для изготовления одной активной зоны реактора РБМК-1000 требуется около 200000 комплектующих деталей из циркониевых сплавов, обработанных по высокому классу точности, а также свыше 14 млн. спеченных таблеток из диоксида урана, отшлифованных по наружному диаметру с допуском~0,025 мм. При изготовлении твэлов для одной комплектной активной зоны реактора РБМК1000 выполняются около 240000 индивидуально-контролируемых герметичных швов. Все это обусловливает большую зависимость стоимости изготовления твэлов от уровня технологии и контроля и объемов производства.

Затраты на изготовление твэлов и ТВС для реакторов на тепловых нейтронах. Затраты на изготовление твэлов в общей их стоимости могут составлять для реакторов на тепловых нейтронах, работающих на слабообогащенном уране, значительную долю. Эта доля тем  выше, чем ниже цены на обогащенный уран, т. е. чем дешевле природный уран, меньше цена 1 ЕРР, меньше степень обогащения, следовательно, необходимая работа разделения. Затраты на изготовление твэлов из природного или отвального урана могут превосходить стоимость содержащегося в твэлах топлива. Поэтому важно получить с каждого килограмма топлива, заложенного в твэл, более высокую энергоотдачу, т. е. большую глубину выгорания.

Затраты на изготовление твэлов принято относить к 1 кг урана, загруженного в твэлы. Эти затраты зависят от многих технических и производственных факторов: принятой конструкции твэлов и ТВС, материала оболочек и топливной композиции сердечника твэла, от масштабов производства (проектной производительности предприятия и фактической мощности, на которой оно работает) и от инженерно-технического оснащения всех технологических процессов, включая контрольные операции.

Таким образом, затраты на изготовление твэлов определяются выбранным типом реактора и твэлов и могут быть сопоставлены лишь для твэлов, близких по конструкции и топливной композиции. Наиболее широко используются в настоящее время (и будут использоваться в ближайшее десятилетие) твэлы с сердечниками из слабообогащенного диоксида урана в тонкостенных трубах – оболочках из циркониевых сплавов или нержавеющих сталей. Они применяются в корпусных реакторах (ВВЭР, PWR, BWR), реакторах канального типа (РБМК, CANDU, SGHWR), газографитовых английских реакторах AGR, охлаждаемых жидким натрием реакторах на быстрых нейтронах, т. е. практически во всех типах реакторов, на которых базируется развитие ядерной энергетики в ведущих промышленных странах (России, США, Великобритании, Франции, Канаде, Германии). При изготовлении и эксплуатации твэлов с диоксидом урана накоплен значительный опыт, проведены широкие экспериментальные исследования, созданы методики расчета, технология массового производства.

В качестве иллюстрации в таблице 6.12 приведены некоторые зарубежные данные по экономике изготовления твэлов, характеризующие реальные соотношения в структуре и величине затрат при производстве ядерного топлива для АЭС. Они основаны на относительно стабильной базе цен и затрат периода до 1973 г. и отражают технические и технологические особенности конструкций твэлов и ТВС и производственных процессов, применяемых при их изготовлении, которые, по существу, мало изменяются.

Таблица 6.12 Структура затрат, %, при изготовлении твэлов из UO2в зависимости от производственной мощности завода

При современном уровне требований доля затрат на материалы оболочек (трубки, заглушки) в общих затратах на изготовление твэлов значительна (см. табл. 6.12) и составляет почти 50% (конструкционные материалы – 10%, а остальное – топливо).

Стоимость изготовления тонкостенных труб из циркониевых сплавов и нержавеющих сталей, применяемых для oбoлочек твэлов, характеризует весьма высокие технические требования к качеству металла (по химическому составу, содержанию примесей и включений), к допускам на геометрические размеры труб.

Значительное удорожание оболочечных труб обусловлено большим объемом необходимого контроля (включая ультразвуковую дефектоскопию) и очень высокими требованиями к качеству поверхности (отсутствие рисок, царапин и других технологических дефектов).

К оболочечным трубам предъявляются весьма жесткие требования по точности выполнения: допуск на диаметр и толщину стенки составляет соответственно ~1 и ~10% номинального размера. Строгие ограничения предъявляются к химическому составу, особенно к содержанию некоторых примесей, имеющих большие сечения захвата нейтронов, например бора, гафния, кобальта и др. Стоимость изготовления 1 пог. м труб сильно зависит от их диаметра и толщины стенки. Все это влечет за собой резкое удорожание труб из-за большой отбраковки и малого выхода годных изделий.

С учетом операций по снаряжению твэлов и контролю герметичности, а также сборки кассет и заключительной проверки изделия в сборе полная стоимость изготовления твэлов, отнесенная к 1 кг U, составляет (по американским данным) 80–160 дол./кг U для твэлов в циркониевых оболочках и 50–110 дол./кг U для твэлов в оболочках из нержавеющей стали.

Из рисунка 6.20 следует, что в случае наружного диаметра твэлов 10 – 11 мм стоимость изготовления твэлов для реакторов, охлаждаемых водой, при производстве на одной поточной линии~0,2 т/сут составит 100–110 дол./кг U. Стоимость изготовления топлива для реактора PWR по данным фирмы «Вестингауз электрик» составляла 190–200 дол./кг урана в начале девяностых годов.

Эти данные были заложены в прейскурант цен для заключения долгосрочных контрактов на поставку ядерного топлива фирмой «Дженерал электрик» начиная с 1964 года и далее и явились отправной точкой для анализа влияния на стоимость производства топлива различных факторов (масштаба производства, структуры постоянных и переменных затрат, удорожания, связанного с работой на неполной мощности, и т. п.). Так, увеличение проектной мощности предприятия в 5 раз (с 260 до 1300 т/год) при работе его с полной загрузкой приводит к снижению стоимости изготовления твэлов в 1,5 раза.

Рис. 6.20. Зависимость затрат на изготовление твэлов из UO2в оболочках из циркониевых сплавов (1) и нержавеющей стали (2) от диаметра твэла

Затраты на изготовление твэлов разделяются на постоянные, не зависящие от объема производства, и переменные, т. е. пропорциональные выпуску продукции. Постоянные затраты состоят из амортизационных отчислений и других затрат, прямо не связанных с объемом производства. Переменные включают в себя затраты на материалы, реактивы, энергию и т. п., пропорциональные объему выпуска. Для завода проектной мощностью 260 т/год при работе на полной загрузке постоянные затраты составляют около 40%. Если предприятие работает на мощности, равной 50% проектной, то увеличение стоимости изготовления твэлов составит 40%.

Стоимость изготовления твэлов существенно зависит от среднегодового коэффициента использования мощности предприятия. При снижении годовой загрузки предприятия увеличивается относительная доля постоянных затрат в стоимости изготовления топлива.

На рисунке 6.21 приведены зависимости относительного увеличения стоимости изготовления твэлов для реакторов PWR и BWR от суточной производительности завода по изготовлению твэлов (по данным американских фирм «Вестингауз электрик» и «Дженерал электрик»).

Фактическая продолжительность, т/сут

Рис. 6.21. Зависимость относительной стоимости изготовления твэлов для реакторов PWR и BWR от суточной производительности завода: I – твэлы PWR диаметром 10,9 мм; 2 – твэлы BWR диаметром 12,5 мм