提升全球競爭優勢能力、增加國際市場份額是俄羅斯國家原子能集團確定的發展目標。其下屬核燃料板塊(TVEL)以全球 “領先一步”為根本宗旨,面向國際市場和未來可持續發展目標,集中優勢資源,推動競爭性核燃料新產品研發,全力競爭國際市場,已成為全球三大核燃料制造和供應商之一。截至目前,俄羅斯核燃料市場主要包括全球近80臺核電機組、30座研究堆和俄核動力艦船,占全球市場份額的17%,鈾濃縮業務更是占到36%,10年期訂單100余億美元。
提升市場競爭力、國際視野和創新驅動是俄羅斯核燃料板塊的主要發展思路。其發展方向重點聚焦在傳統VVER市場地位的鞏固、國際壓水堆新市場的開拓、再生鈾燃料的利用、閉式燃料循環的解決方案、未來燃料市場的能力儲備等。
01鞏固傳統市場控制地位,升級換代VVER機組核燃料
圍繞全球在運VVER機組的經濟性提升目標,基于成本優勢和技術研發能力,考慮各核電站功率提升和長周期換料需求,TVEL制定了核燃料競爭性提升和零故障計劃。針對VVER-440機組,TVEL推出了2套核燃料產品方案。一是升級通用的二代核燃料,將組件內鈾量增加,并優化水鈾比。捷克杜卡萬、匈牙利帕克什和芬蘭洛維薩核電站采用了該方案。其中,匈帕克什核電站燃料循環長度已達15個月。二是研發了新一代PK-3核燃料,其循環長度在108%額定功率下可達15~16個月,俄克拉核電站正在使用該型號燃料。
針對VVER-1000和VVER-1200機組,俄在其УТВС等傳統核燃料技術的基礎上于2012年推出了ТВС-2М系列和ТВСА系列核燃料,主要通過增加鈾量和加強結構剛度來解決客戶關心的安全性保證和經濟性提升問題,保障各VVER核電站功率提升和18個月換料周期目標的實現。
2012年俄開始試生產ТВС-2М型核燃料并在巴拉克夫核電站2號機組試用,之后普遍推廣。目前,ТВС-2М核燃料已在俄巴拉克夫核電站4臺機組、新瓦核電站3臺機組、我國田灣核電站4臺機組使用。2019年6月,俄同印度庫旦庫拉姆核電站簽訂2臺機組ТВС-2М燃料供貨合同,計劃2021年入堆,以實現18個月換料周期目標。
ТВСА型核燃料主要用于中東歐和俄國內特定客戶。2018年,保加利亞科茲拉杜伊核電站使用ТВСА-12型燃料,實現了104%的功率提升目標;同年,捷克特梅林核電站采用了ТВСА-Т mod.2型核燃料;另外烏克蘭各電站和俄加里寧核電站也在使用ТВСА型核燃料。
目前,俄在ТВС-2М燃料的基礎上又研發了ТВС-4新一代核燃料,增加了鈾裝量,預計可使發電成本下降2%~4%。俄又提出了使核電安全性和經濟性提升的核燃料技術新方案,將濃縮鈾的富集度提高至5%以上,燃料包殼使用其它合金替代鋯合金。
02聚焦拓展國際壓水堆市場,集中研發方形核燃料
2002年俄開始研發方形燃料,目標針對的壓水堆市場。其技術主要基于VVER燃料制造經驗,采用鋯合金包殼,并加強了燃料支撐和定位格架。
2011年2月,俄同瑞典大瀑布核燃料公司簽訂了4組或8組試用方形燃料供貨合同,并于2014年裝入林格哈里斯3號機組,2018年5月完成了3個燃料循環。2016年11月,俄同該公司簽訂了核燃料商用正式供貨合同,將于2021年供貨,正式進軍歐洲壓水堆核電站市場;2017年6月,俄又同大瀑布公司簽訂了林格哈里斯4號機組試用4組或8組方形核燃料供貨合同。
在開發美國市場方面,俄重點聚焦西屋公司設計的35臺3、4環路反應堆。2016年7月,俄同美國GNF-A公司簽訂了聯合推動方形燃料進入美國市場的合作協議,并同美一家核電運營商簽訂了燃料試用合同,計劃2019年向美國供貨,實現了對美國市場的首次突破。
03研制REMIX燃料,以再生鈾技術實現降本增效
再生鈾核燃料已在俄使用多年,主要用于大功率石墨堆和克拉核電站VVER-440機組,在加里寧核電站1臺VVER-1000機組也已試用。通過對再生鈾資源的提取利用,可有效減少對天然鈾的使用,并達到增加效益和節約燃料成本的目標。
2014年,俄赫洛斌鐳研究院提出了REMIX核燃料研發方案,使用從乏燃料中提取的未裂變的再生鈾钚混合物,并添加部分鈾。俄已掌握再生鈾提取技術,工藝中不使用氫和氨,可減少液體廢物,取得了發明專利。俄TVEL、反應堆研究院、核能康采恩、水壓機設計院、庫爾恰托夫科學院、無機材料研究院等10余家單位參加了REMIX燃料聯合研發工作,量產后用于俄在運的VVER機組并向國際市場推廣。
2016年,俄核反應堆研究院試驗了8根REMIX燃料棒,并于2017年9月進行堆后分析,結果滿意。
2016年5月,俄將REMIX燃料元件混裝至ТВС-2М燃料組件,在巴拉克夫核電站3號機組考驗。2019年5月,TVEL表示3組REMIX燃料試驗驗證結果良好,并計劃再考驗一個周期,將于2020年初進行堆后分析,2030年前后正式使用。
04服務閉式燃料循環目標,研發鈾钚混合氮化物燃料(СНУП)和MOX燃料
燃料閉式循環是俄明確的核能技術發展路線。為此,俄制定了熱中子堆與快中子堆雙元發展戰略與核燃料閉式循環“突破”創新計劃,希望通過VVER熱中子堆和先進快堆雙元發展以及所掌握的閉式燃料循環技術,實現更高安全性和更具競爭力的核能發展目標。
落實“突破”科學創新計劃,俄于2011年開始在西伯利亞化學工廠著手研發鈾钚混合氮化物燃料(СНУП),建設БРЕСТ-ОД-300鉛冷快堆。2018年2月,俄研發出鈾钚混合氮化物燃料,并在BN-600和BN-800機組進行了考驗試用。目前“突破”項目的燃料制造模塊已建成,燃料安全論證也已完成,后續計劃用于BN-1200商用堆。另外鉛冷快堆也正在建設,計劃2026年建成啟動。
MOX燃料是俄實現閉式燃料循環目標的另一重點發展方向,主要使用貧鈾和氧化钚,通過旋流研磨、壓制、烘烤等工藝制造。據報道,俄已掌握MOX燃料關鍵技術,具備工業化生產能力。
2015年,俄核燃料后端企業礦山化學聯合體開始工業生產MOX燃料。2016年3月,首批MOX燃料正式裝入俄BN-800快堆機組(1/5堆芯),目前已達90組,并計劃2019年堆芯全部使用MOX燃料。后續BN-1200快堆也計劃采用MOX燃料。
05面向未來全球核電市場,研發耐事故核燃料
2011年福島核事故之后,俄TVEL下屬無機材料研究院便牽頭負責耐事故核燃料的研發工作,主要聚焦燃料包殼材料和芯塊,包括鋯合金包殼的鉻涂層、42XHM鉻鎳合金包殼、復合材料(碳化硅等)、鈾鉬燃料等。
在包殼材料方面,俄主要研究鋯合金鉻涂層和42XHM鉻鎳合金等方案。其中,鋯合金鉻涂層方案可阻斷鋯金屬同一回路冷卻劑的接觸,進而減少嚴重事故情況下氫氣的產生,該方案的實施也最為快捷;鉻鎳合金包殼方案可以完全替代鋯合金,但需要解決中子捕獲截面大和材料論證等問題,耗時較長;復合材料是未來趨勢,但其脆性等問題是需要突破的難點。目前,俄已掌握鋯合金包殼耐熱涂層和非鋯材料焊接工藝,并完成了第一批鈾鉬燃料芯塊的生產。
2018年2月TVEL確定了耐事故核燃料研發計劃,同年5月TVEL宣布獲得西方某國的訂單。
2018年12月27日,俄生產了2組耐事故核燃料試驗組件,燃料分別采用傳統的二氧化鈾和鈾鉬芯塊,燃料包殼分別采用鋯合金加鉻涂層和42XHM鉻鎳合金。目前,2個組件正在俄反應堆研究院的研究堆進行試驗,年底將有結果。后續計劃于2020年之前在俄核電站一臺運行機組上進行試驗。
除此之外,俄還計劃生產、試驗鈾硅芯塊。