Для основных потребителей - легководных реакторов (PWR, ВВЭР, ВWR, РБМК) -топливные порошки слабообогащенного диоксида урана прессуют по специальным технологиям в таблетки и спекают при высокой температуре (1973 К) для получения плотных керамических форм. Таблетки собирают в топливные столбы и герметизируют в трубках из коррозионно-стойкого сплава Zr-Nb, обладающего низким сечением поглощения нейтронов. После контроля изготовленные тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы В литературе используется также сокращение «твэлы».)* комплектуют в кассеты -тепловыделяющие сборки (ТВС). Аналогичные процедуры применяют при изготовлении TBC и для других типов энергетических реакторов -CANDU, быстрых реакторов (БЫ), газоохлаждаемых реакторов (AGR) - со своими особенностями по содержанию в топливе урана-235 (от природного до десятков процентов), конструкции ТВЭЛов и ТВС, используемым конструкционным материалам; так, в TBC БН, AGR вместо циркония используют коррозионно-стойкие стали. Постоянно идут процессы модернизации топливных циклов для повышения их надежности и эффективности в направлениях: внедрения уран-гадолиниевого (ВВЭР-1000) и уран-эрбиевого (РБМК) топлива; использования в TBC ВВЭР-1000 сплава Zr-Nb-Sn-Fe (Э-635) в качестве конструкционного материала, исключения из конструкции TBC ВВЭР стальных деталей.
В транспортных, а также исследовательских реакторах, работающих на будущее, используют различные топливные композиции:
металлический уран - UO2; сплавы урана с Al, Zr, Mo, Ni и др; карбиды (UC, U2С3, UC2), нитриды (UN, U2N3, UN2), силициды (U3SÌ, U2Si2), арсениды (UAs, U2As3), фосфиды (UP, U3P4) урана и др.
В ядерный топливный цикл уже реально вошло уран-плутониевое оксидное топливо. В Западной Европе по состоянию на 1999 г. в реакторы PWR-900 загружено около 500 т U-Pu топлива с низким (около 5 %) содержанием плутония. На эту программу работают заводы во Франции и Бельгии; строятся или планируются производства в Великобритании и Японии (табл. В.3.3).
Согласно российской стратегии плутоний предназначается для использования в реакторах на быстрых нейтронах, что отвечает целям крупномасштабного и долгосрочного развития ЯЭ с эффективной структурой замкнутого топливного цикла.
Этому служат многолетние эксперименты с уран-плутониевым топливом на серии быстрых опытных реакторов Физико-энергетического института (ФЭИ), г. Обнинск, крупномасштабные эксперименты в реакторе БОР-60 Научно-исследовательского института атомных реакторов (НИИАР), г. Димитровград. В промышленные реакторы БН-350 (Казахстан) и БН-600 загружено около 1 т U-Pu топлива с содержанием плутония 20 %; готовится перевод реактора БН-600 на работу в режиме гибридной зоны (загрузка ураном средней степени обогащения и уран-плутониевым топливом). Опытное топливо готовилось по четырем технологиям: механическое смешивание индивидуальных оксидов урана и плутония; получение гранулированного топлива через соосаждение соединений урана и плутония (процесс «Гранат»); метод внутреннего гелирования («золь-гель-процесс»); получение виброуплотненного топлива путем электролиза солевых хлоридных расплавов. Для извлекаемого из боезарядов плутония оружейного качества прорабатывается задача его использования в тепловых реакторах ВВЭР-1000.
Высокая стоимость (200...350 долл ./кг урана) продукции топливных производств, обеспечивающих основные мощности мировой ядерной энергетики с легководными реакторами, стимулировала развитие этой отрасли во многих государствах (табл. В.3.4) и обусловила сильнейшую конкуренцию на мировом рынке. Наиболее сильные позиции занимает холдинг Areva, включающий фирмы Framatome ANP и Cogema.
В границах бывшего СССР была создана мощная топливная индустрия, располагавшая крупными производствами в городах Электросталь, Новосибирск, Усть-Каменогорск. Два первых производства (Россия) имеют полностью законченный производственный цикл, включая изготовление TBC (не только для легководных, но и для быстрых реакторов на обогащенном уране). УМЗ (Казахстан) является крупным производителем топливных таблеток для реакторов ВВЭР и РБМК суммарной мощностью 2650 т U; этот завод технологически завязан с российскими - по поступлению обогащенного урана (UF6 и плав гексагидрата нитрата уранила) из России и передаче топливных таблеток на российские заводы. В настоящее время эта кооперация осуществляется в рамках концерна «ТВЭЛ».
В комплексе с концерном «ТВЭЛ» работает Чепецкий механический завод (ЧМЗ, г. Глазов) - крупнейший в мире завод по производству циркония высокого качества (с содержанием гафния < 0,005 %) и всех изделий из сплавов на его основе для нужд ядерной энергетики.