НЗХК — производство ядерного топлива в Новосибирске
Новосибирский завод химконцентратов (НЗХК) входит в состав компании ТВЭЛ и относится к топливному дивизиону Росатома. ТВЭЛ — монополист по поставке ядерного топлива для российских АЭС, судовых и исследовательских реакторов страны. Росатом контролирует всю цепочку работы АЭС — от добычи ураносодержащей руды и постройки атомных станций до регулярной поставки топлива. А на НЗХК это топливо производят.
В цехах НЗХК выпускают таблетки из спрессованного диоксида урана, укладывают их в трубки из циркониевого сплава и собирают в тепловыделяющие сборки (ТВС), которые затем отправляются на атомные станции. Завод выпускает ТВС для реакторов ВВЭР-1000 и ВВЭР 1200, которые Росатом строит в России, Европе, Азии и на Ближнем Востоке. Часть ТВС производятся для распространённых на западе серии PWR, а также для исследовательских реакторов. Росатом — оператор 20% всех исследовательских реакторов в мире.
В 2023 году Новосибирский завод химконцентратов отметил 75-летний юбилей. Каждый шестой реактор в мире работает на ядерном топливе ТВЭЛ. Кроме ядерного топлива, на заводе выпускают самый чистый в мире литий, а Литий-7 закрывает 70% мирового потребления.
1. Ядерное топливо — это не просто вещество, которое перерабатывается в реакторе и генерирует тепловую энергию. Это сложное техническое устройство, которое позволяет реализовать процесс ядерного деления. То есть нельзя просто взять уран и «залить» его в «бак» реактора — всё гораздо сложнее.
В качестве ядерного топлива используют тепловыделяющие сборки (ТВС) — это кассеты, которые состоят из нескольких сотен тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) и несущего каркаса. Если проще — это приблизительно 300 тонкостенных трубок диаметром 9 мм и длиной около 4 метров, которые собраны в единую конструкцию. А каждая трубка заполнена таблетками из спрессованного диоксида урана и заварена с двух сторон. Именно такие ТВС — конечный продукт Новосибирского завода химконцентратов.
2. Урановая руда для производства топлива добывается в Забайкальском крае и Казахстане. На добывающих предприятиях получают сухой урановый концентрат — «жёлтый кек». Затем концентрат очищают от примесей (аффинаж) и переводят в гексафторид урана с природным содержанием изотопа U-235. В таком виде продукт приходит на обогатительный комбинат — и, наконец, отправляется на НЗХК. На заводе из сырья делают ядерное топливо и собирают ТВС для атомных станций.
3. Внутри ТВЭЛ находятся топливные таблетки — прессованный и шлифованный диоксид урана. Вес одной таблетки — 4,5-5 грамм. По эффективности она заменяет 900 кг каменного угля, 750 м³ газа или 650 кг нефти.
4. На первом этапе производят порошок диоксида урана. Важно получить однородную по составу и физическому состоянию партию гранулированного пресс-порошка — для этого в финале техпроцесса прессуют «шашку», а затем дробят её и разделяют на фракции. Получившийся пресс-порошок используют для изготовления топливных таблеток.
Изготовление начинают со смешивания пластификатора, порошков алюминия и диоксида урана. На НЗХК впервые в истории начали процесс «сухого» прессования топливных таблеток — это обеспечивает ядерную и экологическую безопасность производства. Затем таблетки 20 часов спекаются в водородной восстановительной среде при температуре 1750 °C. Готовые таблетки калибруют, шлифуют поверхность. После этого они готовы к сборке.
5. Готовые топливные таблетки помещают в тонкостенные трубки из циркониевого сплава. По краям трубку герметизируют заглушками и заваривают. В результате получается ТВЭЛ — тепловыделяющий элемент, готовый к сборке в ТВС.
6. Установка для загрузки таблеток диоксида урана в трубку ТВЭЛ.
7. НЗХК производит 600 тонн топливных таблеток в год. На заводе есть оборудование для полного цикла изготовления — от подготовки сырья до выпуска готовых ТВС для отправки на АЭС.
8. Трубки ТВЭЛ размещаются в ТВС на определённом расстоянии друг от друга. Чтобы соблюдать это расстояние, используют дистанционирующие решётки со специальными металлическими ячейками. Каждая ячейка — это шестигранная призма с полукруглыми выступами, направленными внутрь. Такая конструкция позволяет вставить трубку «с натягом» и получить более жёсткое соединение и надёжную конструкцию — это важно при транспортировке и эксплуатации готовой ТВС.
9. Сборка дистанционирующих решёток во многом происходит вручную — оператор заполняет их ячейками, в которые затем вставляются ТВЭЛ.
10. Финальный этап сборки решётки — контроль расположения ячеек.
11. Сборка ТВС. Каждая трубка ТВЭЛ вставляется в определённую ячейку. В ТВС входит примерно 300 ТВЭЛ. А на современной АЭС в активной зоне реактора мощностью 1000 МВт одновременно работает 163 ТВС, содержащих около 50 тысяч ТВЭЛ, в которых находится около 80 тонн урана.
12. На участке сборки ТВС находятся в разной стадии готовности. Когда все ТВЭЛ занимают свои места в дистанционирующих решётках, сверху и снизу к каркасу присоединяется головка и хвостовик для закрепления ТВС в корпусе реактора и организации потока теплоносителя.
13. Линия для загрузки ТВЭЛ в дистанционирующие решётки.
14. Постепенно ТВЭЛ заполняют все ячейки на определённом расстоянии друг от друга.
15. Конструкция герметизируется и заваривается. Перед этим свободное пространство заполняют гелием под давлением 2 МПа — это повышает равномерность распределения тепла и устойчивость оболочки.
16. Финальный контроль готовой ТВС.
17. Готовые ТВС отправляются на атомные электростанции в защищённых контейнерах — по две в каждом. Завод выпускает ТВС для реакторов ВВЭР-1000, ВВЭР 1200 и PWR. Каждая шестая АЭС в мире работает на топливе НЗХК. Тепловыделяющие сборки служат по 4-5 лет.
18. Кроме топлива для АЭС, завод выпускает ещё несколько линеек продукции. Одно из направлений — производство лития. Главное преимущество лития НЗХК — химическая чистота. По этому параметру завод занимает первое место в мире — выпускает литий с чистотой 99,999%. Литий закупают производители батареек и аккумуляторов, металлургические предприятия и компании химической отрасли.
НЗХК — крупнейший из двух мировых производителей Лития-7, который используют как реагент для ядерной энергетики и добавку в теплоноситель первого контура реакторов типа PWR. Продукция завода покрывает 70% мирового потребления Лития-7.
