В Усть-Каменогорске журналистам показали процесс производства ядерного топлива

Сегодня в Казахстане добывается порядка 21 процента всего природного урана, который получают в мире. А Усть-Каменогорск входит в число немногих городов мира, где производится топливо для атомных электростанций. В декабре 2025 года исполнится десять лет дочернему предприятию Ульбинского металлургического завода — ТОО «Ульба-ТВС», которое делает тепловыделяющие сборки (ТВС) для реакторов. В честь юбилея АО «Национальная атомная компания «Казатомпром» решило продемонстрировать журналистам все этапы производства топлива для «мирного атома», передает Noks.kz.

Особые условия

Инструктаж по технике безопасности — обязательный этап при посещении журналистами любых производств. Но в случае уранового производства это особенно важно: здесь работают с радиоактивным материалом. Уран — тяжёлый металл. В природном виде он сравнительно слабо радиоактивен — от него неплохо защищает человеческая кожа. А вот при попадании внутрь организма он становится действительно опасен. Прежде чем зайти на производство урановых таблеток, надеваем средства индивидуальной защиты — халаты, косынки, бахилы и перчатки. Работники УМЗ внимательно следят, чтобы респираторы надёжно закрывали наши органы дыхания. Ведь главную опасность на этом производстве представляют именно мелкие частицы.

Так выглядит высокотехнологичная атомная металлургия

Хотя уран — металл, на УМЗ нет плавильных печей, текущих расплавов и огненных брызг, которые представляются нам по кадрам с металлургических производств. Тут применяется порошковая металлургия. Это означает, что вначале диоксид урана измельчают, а потом из уранового порошка формуют топливные таблетки. Именно они впоследствии будут загружены в тепловыделяющий элемент — ТВЭЛ. А пока порошок смешивают с технологическими добавками, которые задают будущей таблетке нужные свойства — плотность, прочность, устойчивость к высоким температурам.

На участке приготовления пресс-порошка, где к урану добавляются примеси, позволяющие таблетке держать форму, мы не останавливаемся. Именно здесь существует наибольшая опасность нахватать радиоактивной пыли. Поэтому оборудование герметично, процессы автоматизированы. У всех заходящих в производственную зону есть индивидуальные аварийные кассеты, которые сдаются на проходной. По ним определяется не только индивидуальная доза облучения, которую человек может получить в случае ЧП, но и зона, которая больше всего фонит. Таким способом можно определить участок, где произошла авария, не отправляя в разведку людей.

Таблетка не для лечения

В следующем цеху подготовленный порошок засыпают в форму и прессуют под высоким давлением, получая почти готовую по геометрии заготовку. Скоро здесь появится пресс зарубежного производства с высокой производительностью, который планируется закупить в рамках модернизации оборудования.

После прессования таблетки ещё не имеют нужной прочности. Её они приобретут после спекания. Заготовки таблеток укладывают в небольшие молибденовые «лодки». Одна таблетка содержит семь граммов чистого урана. В каждой «лодке» — порядка 15 килограммов таблеток.

Нам повезло увидеть, как открывается жерло печи спекания и туда отправляется очередная «лодка». Там она пробудет ровно 30 часов. При температуре +1750 градусов частицы порошка схватятся между собой, превращаясь в монолит с заданной плотностью и структурой. Такой способ почти безотходный — форма получается максимально близкой к конечной.

Молибденовая "лодка" с таблетками отправляется в печь. Там она пробудет 30 часов при температуре +1750 градусов

В ядерной энергетике особенно важна точность. Поэтому готовые таблетки после спекания шлифуют, а затем проверяют на отсутствие трещин и сколов. Параметры должны соответствовать заданным значениям с точностью до микрона. Размер одной таблетки — 13 миллиметров в длину и восемь — в диаметре. Но одна такая кроха вырабатывает такое же количество энергии, которое получается при сжигании примерно 700 килограммов угля, только без выбросов в атмосферу. Также контролируется изотопный состав каждой таблетки, физические свойства, наличие примесей. Продукция, соответствующая стандартам, поступает на другое предприятие — «Ульба-ТВС», где из нее производится уже собственно ядерное топливо.

Параметры должны соответствовать заданным значениям с точностью до микрона

Весь объём топливных таблеток, которые используются для производства ТВС в Казахстане, сегодня делается на УМЗ. Здесь производят таблетки AFA 3G для реакторов французского дизайна, эксплуатируемых в Китае. Именно Китай сегодня является главным потребителем продукции АО «УМЗ» и его дочернего предприятия ТОО «Ульба-ТВС», где с 2021 года выпускаются промышленные тепловыделяющие сборки для этих реакторов.

— В планах у нас — ежегодно загружать предприятие «Ульба-ТВС» объёмом 200 тонн урановых таблеток в год, — рассказывает директор уранового производства АО «УМЗ» Константин Кузьмин. — Чтобы достичь этой производительности, нам нужно было закупить дополнительные единицы оборудования. Сейчас общая производительность уранового производства в таблетках составляет порядка 300 тонн в год: 200 тонн мы делаем для «Ульба-ТВС» и 100 тонн — прямые поставки в Китай.

Вес одного изделия — 7 граммов, диаметр — 8 миллиметров, длина — 13 миллиметров

А вот и ядерное топливо!

Чтобы ядерная энергетика была безопасной, реактор должен быть правильно загружен. Нельзя просто засыпать в него урановые таблетки. Вначале их надо загрузить в ТВЭЛы — тепловыделяющие элементы. Производством ТВЭЛов и готовых тепловыделяющих сборок занимаются на ТОО «Ульба-ТВС».

Покидая производство таблеток, мы снимаем использованные средства индивидуальной защиты и сдаём индивидуальные аварийные кассеты. Хотя «Ульба-ТВС» находится через стену от помещения, где мы были только что, нам снова приходится переодеться. С одной только разницей — теперь мы не закрываем органы дыхания. Все источники ионизирующего излучения на производстве ТВЭЛов и сборок — закрытые. Здесь тоже представляет опасность пыль, но уже не для людей, а для продукции, где требуется идеальная чистота и предельная точность.

— ТВЭЛы — это, по сути, и есть то ядерное топливо, которое работает в реакторе, — поясняет директор по технологическому контролю и учёту ядерных материалов ТОО «Ульба-ТВС» Станислав Матвеев. — Это трубки из циркониевых сплавов, наполненные таблетками из диоксида урана.

Одна такая кроха вырабатывает такое же количество энергии, которое получается при сжигании примерно 700 килограммов угля

Все компоненты для ТВЭЛов, кроме таблеток, поступают из Франции и Германии. Стержни тщательно проверяют, продувают сжатым воздухом, приваривают заглушки с одного конца. Сварка и проверка производятся в автоматическом режиме. Затем подготовленные стержни поступают на линию, где происходит загрузка таблеток. Со специальных поддонов при помощи вибрации таблетки плавно заходят в трубки по своим каналам. Одновременно заполняется 25 трубок. Затем в каждую вкладывается специальная пружина, которая будет обеспечивать плотный контакт таблеток при расширении и сжатии.

Трубка заполняется гелием, а конец наглухо заваривается. Газ нужен для диагностики ТВЭЛов на герметичность. Если обнаружится течь, вся партия из 25 ТВЭЛов отправляется на дополнительное сканирование до тех пор, пока не будет найден некачественный стержень. Кроме герметичности, каждый тепловыделяющий элемент проверяется на отсутствие механических повреждений и отсутствие кривизны.

Тем временем на специальной автоматической линии свариваются скелетоны — конструкции, в которых будут располагаться тепловыделяющие элементы.

— ТВЭЛы ведь не спагетти, их не бросишь просто в реактор, — рассказывает Станислав Матвеев. — Для них нужен металлический каркас. Решётки привариваются к направляющим трубкам — порядка тысячи точечных сварок. Это и есть скелетон. За семичасовую смену мы изготавливаем два скелетона.

Так собирают скелетоны

Готовые скелетоны также проверяются на специальной координатно-измерительной машине. Точность составляет порядка одной тысячной миллиметра. На завершающем этапе скелетон поступает на сборочную платформу. Специальные щупы с захватами проходят сквозь трубки скелетона, цепляют ТВЭЛы, вставленные в кассету, а затем затаскивают их на положенное место.

Одновременно машина загружает 17 ТВЭЛов. Всего в готовой сборке — 264 ТВЭЛа. Одна ТВС по выделяемой мощности эквивалентна 650 вагонам с углём или десяти железнодорожным составам. Для одного реактора, в зависимости от его мощности, нужно 190 – 200 ТВС.

Одна ТВС по выделяемой мощности эквивалентна 650 вагонам с углём или десяти железнодорожным составам

Своё или чужое?

Сегодня УМЗ и «Ульба-ТВС» — единственные, кто производит ядерное топливо в Казахстане. На данный момент они обеспечивают сборками усть-каменогорского производства шесть китайских АЭС: Хуньянхэ, Ниндэ, Даявань, Фанчэнган, Янцзян. С 2022 по 2025 год уже поставлено 1200 тепловыделяющих сборок.

Закономерно возникает вопрос: будут ли наши предприятия задействованы в загрузке первой казахстанской АЭС в Балхаше? В этом на УМЗ пока не уверены. Всё зависит от рентабельности.

Обычно атомную станцию строит компания — обладатель технологии. С 1977 года на УМЗ массово выпускали таблетки для советских реакторов. Когда Советский Союз распался, заказы прекратились. Чтобы производство работало, УМЗ вынужден был выходить на китайский рынок. Но это уже другой тип реакторов.

— Первая атомная станция будет российского дизайна, — комментирует директор уранового производства АО «УМЗ» Константин Кузьмин. — Опыт производства таких таблеток у нас есть, но сейчас мы их не производим. Если мы говорим о нашей первой АЭС, то здесь надо делать экономический расчёт, чтобы оценить, какие потребуются вложения, чтобы обеспечить производство именно такого типа таблеток. Посчитаем, посмотрим, оценим. Но при этом компетенции и квалифицированный персонал у нас есть.

Благодаря производству ядерного топлива в Усть-Каменогорске Казахстан занимает важное место на глобальном рынке и развивает сотрудничество с другими странами. Скоро своя атомная генерация появится и в нашей стране. Хотелось бы, чтобы наши промышленные флагманы также нашли своё место в обеспечении Казахстана чистой энергией.

Ирина Плотникова
Фото: Айсулу Мухамедкалиева