журналы подразделения новости подписка контакты home

архив
2001 год
2002 год
2003 год
2004 год
рубрики
ТЕМА НОМЕРА

СТРАТЕГИИ

КОМПАНИИ И РЫНКИ

ОТРАСЛЬ

РЫНОК ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

РЫНОК ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИИ

АРХИВ

ЦЕНОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ

гостям
Агентство "Стандарт" предлагает вам подписаться на экномические журналы – лидеры в своей области.
























"Металлы мира" – №12, 2002

ТЕХНОЛОГИИ

Гафний: металл атомной энергетики

Прогноз развития мирового рынка гафния и перспективы Украины на нем

Большинство редких металлов, ранее почти не имевших практического применения из-за своей дороговизны и крайней сложности производства, нашли свое скромное, но значимое место на мировом рынке благодаря высоким технологиям. В частности, одним из таких металлов стал гафний, почти до конца ХХ века считавшийся не более чем побочным продуктом при добыче циркония. Отраслью, где гафний был оценен по достоинству, стала, в первую очередь, атомная энергетика. Управляемая ядерная реакция распада ядерного топлива (изотопов урана-235, 233 и Pu-239), реализованная в коммерческих реакторах, стала возможна после создания эффективной и надежной системы ее регулирования, деления изотопов и защиты реактора от ядерного взрыва. Она основана на применении материалов с большим сечением захвата нейтронов. Среди них необходимо выделить карбид бора, сплав индий-кадмий-серебро, титанат диспрозия и гафний, которые прошли многолетние всесторонние испытания и показали лучшие результаты по надежности, цене и срокам эксплуатации.

В российских реакторах типа ВВЭР-440, ВВЭР-1000 работает поглощающий стержень системы управления защитой ПС СУЗ на основе карбида бора, имеющий сечение захвата 120±10 барн. Срок его службы в режиме АР (аварийного регулирования) составляет 1,5 года, а в режиме АЗ (аварийной защиты) – 5-7 лет. В реакторах подобного типа, выпущенных западными компаниями, в составе ПС СУЗ применяют как карбид бора, так и сплав индий-кадмий-серебро, который имеет эффективное сечение нейтронов до 200 барн, служит в системе АР до 7 лет и АЗ – до 10-15 лет. В отличие от российских систем он обеспечивает режим маневрирования работы реакторов с учетом требований эксплуатации. Оба материала показали надежность при степени выгорания топлива до 40-50 МВт/кг сутки, но только сплав индий-кадмий-серебро обеспечивает критическое время падения контрольных стержней менее 4 с.

Вместе с тем, длительный период эксплуатации АЭС, необходимость повышения надежности и эффективности использования ядерного топлива, а также снижения затрат на производство электроэнергии потребовали применения новых конструктивных материалов при сохранении привычной геометрии ПС СУЗ. Один из существенных недостатков обоих традиционных поглощающих материалов заключается в появлении в ходе реакции радиоактивных среднетоксичных отходов, переработка которых при современном уровне развития технологий невозможна. Их накопление в могильниках начинает создавать проблемы непосредственно на АЭС, вплоть до требования строительства новых хранилищ для них.

Появление новых материалов, в частности титаната диспрозия и гафния, позволило провести полный цикл их испытаний в научно-исследовательских реакторах ГНЦ РФ ВНИИАР и рекомендовать для применения в ВВЭР-1000 в качестве утяжеляющих компонентов ПС СУЗ с более длительным сроком службы, чем на основе карбида бора, с тем чтобы обеспечить требуемый норматив времени их падения в активную зону реактора для полной его остановки.

Титанат диспрозия можно эксплуатировать в составе ядерного топлива до 10 лет, однако его главный недостаток – такая же, как и в случае с карбидом бора, необходимость хранения отработанного материала в могильниках АЭС. Гафний не обладает такими недостатками: у него явные преимущества и в цене, и по продолжительности службы, и в экологии, так как он не дает "долгоживущих" изотопов даже после 30 лет эксплуатации, при этом, его остаточная пластичность остается на уровне 3%.

В числе многих технологических преимуществ гафния главными выделяются краткосрочность (менее 4 с) падения ПС СУЗ, коррозионная и радиационная стойкость, высокая эффективность поглощения тепловых нейтронов (105±5 барн) в течение 15-30 лет при выгорании топлива до 60-70 МВт/кг урана в сутки, чего не выдерживают ПС СУЗ на основе порошкообразных поглощающих материалов на основе карбида бора и титаната диспрозия из-за процессов газового расширения в результате выделения гелия. При этом, гафний может иметь 100%-ный физический резерв поглощения нейтронов со средней и быстрой энергией вследствие наличия области резонансного их захвата, чего не наблюдается ни у одного другого материала.

Главный обобщающий критерий эффективности внедрения гафния в АЭС – его способность благодаря своим уникальным ядерным свойствам очень тонко и с высокой степенью эффективности регулировать ядерную реакцию деления и степень использования выделяющихся тепловых нейтронов, что позволяет увеличить коэффициент использования установленных мощностей (КИУМ) при экономической эффективности до $1,5 млн. только на одном блоке ВВЭР-1000. В объеме всех 13 блоков типа ВВЭР-1000 на украинских АЭС суммарный экономический эффект может достигать $20 млн.

Работы по внедрению гафния в атомной энергетике были начаты в Украине с 1995 года по инициативе руководства Госкоматома, ПО "ПХЗ" и Ровенской АЭС на действующем ВВЭР-1000. Они продолжаются успешно более 6 лет. Перспективность применения гафния марки ГФЭ-1 в мировой атомной энергетике обусловлена, прежде всего, его качеством.

Наличие промышленного производства гафния делает Украину полноправным участником мирового рынка этого металла. Расчет потребности в гафнии для нужд национальной атомной энергетики с учетом постепенной – в течение 6-7 лет – замены действующих ПС СУЗ на основе карбида бора показывает, что для этого будет достаточно 5-6 т металла в слитках, если он будет применяться в виде прутка, и 8-10 т, если будет использоваться в виде трубки, т.е. до 1 т гафния в год.

Учитывая возможное производство гафния в количестве 6-7 т в год при 100%-ном обеспечении потребностей АЭС Украины в собственном цирконии, появляется задача поиска и расширения областей его применения в промышленности. Европейские фирмы не производят гафний требуемой степени чистоты, поскольку не имеют для этого промышленных технологий. США производят достаточно чистый иодидный металл, но для внутреннего потребления. Сфера его использования, в основном, ограничивается транспортными реакторами подводных лодок и аэрокосмической отраслью, включая производство двигателей типа "Аполло" для космических кораблей.

США имеют мощности для производства 100 т гафния в год, но они на 50% законсервированы, ибо объем национального рынка этого металла ограничен, а его экспорт как стратегического материала, используемого в ядерных технологиях, находится под строжайшим контролем и подпадает под международный договор о нераспространении ядерного оружия.

Сырьевая база гафния США, Франции, России в виде складируемого в течение десятилетий избытка гидроксида гафния позволяет при необходимости увеличить производство этого металла. Преимущество Украины заключается в том, что она – единственная страна в Европе, производящая ядерночистый гафний и, будучи членом МАГАТЭ, может его предлагать всем потребителям. Себестоимость гафния дает возможность установить цену его реализации при экспорте на уровне $225 за кг, что вполне окупает применение этого материала в коммерческой атомной энергетике. Заключение соглашений о совместной деятельности с фирмами, имеющими сырье и контакты с потенциальными потребителями, может увеличить рынки сбыта даже для слитков ф160 и ф240 мм, при условии, что в них будет выдерживаться требуемый уровень чистоты.

Однако главным ограничивающим фактором, препятствующим выходу Украины на мировой рынок гафния, стало отсутствие в стране промышленного выпуска готовой продукции из этого металла (прутки, ленты, трубки, лист, проволока, нити), в силу чего возникает необходимость кооперирования с его потребителями. Особенности физико-механических свойств гафния предъявляют специфические требования к технологии его деформации, весьма отличные от возникающих при обработке металлов-аналогов (цирконий и титан). В Украине в последние годы на базе опытных мощностей ХФТИ и ГТИ было освоено производство различных видов изделий (прутки, ленты, лист, трубки, проволока и нити), которые пока могут предлагаться как опытные партии.

Предложения по сбыту гафния растут, увеличение его потребления оценивается специалистами в 4% ежегодно. Однако особенность мировой торговли стратегическими материалами и несовершенство экспортного законодательства сдерживают развитие рынка гафния. Применение этого элемента в мировой атомной энергетике ближайшего будущего будет определяться созданием реакторов, работающих на МОХ-топливе с использованием плутония, поскольку при их эксплуатации степень выгорания возрастет до 70-80 МВт/кг урана в сутки. Это хорошо понимают ученые в США, РФ, Франции, которые планируют производство и переход на МОХ-топливо в ближайшем будущем в связи с процессом ядерного разоружения и избытком оружейного плутония. Россия проектирует новое поколение реакторов типа ВВЭР мощностью 1,5 МВт, где в качестве поглощающего материала рассматривается и гафний, который будет работать в нижней части ПС СУЗ более 25 лет.

Таким образом, внедрение ядерночистого гафния в мировой атомной энергетике – объективная и перспективная тенденция, которая должна сохраниться на достаточно длительный срок.

Мухачев А.П., к.ф.м.н.

 
© агенство "Стандарт"