Как Казахстан производит урановые таблетки, кому их продаёт и при чём тут "пьяная бочка"

Попасть на территорию АО "Ульбинский металлургический завод" всегда непросто. Внешний периметр, 142 га территории, где расположены несколько крупных металлургических производств, в круглосуточном режиме охраняет Нацгвардия. Строгая пропускная система на Ульбинке с обязательным досмотром транспорта и людей является залогом и безопасности работников (а их около четырёх тысяч), и высокого качества технологичной продукции, на выпуске которой группа предприятий УМЗ специализируется не одно десятилетие.

В годы существования СССР деятельность УМЗ, запущенного в восточном Казахстане в 1949 году, само собой, курировало Министерство среднего машиностроения. Дело в том, что Минсредмаш управлял атомной отраслью Союза и обеспечивал разработку и производство ядерных боезарядов. На этом и специализировался казахстанский машиностроительный завод. Логично, что в 1998 году предприятие вошло в состав Национальной атомной компании "Казатомпром".

На мировом рынке Ульбинский завод известен прежде всего выпуском урановой продукции (топливных таблеток и не только) для атомной промышленности.

С недавнего времени здесь открыли производство ТВС – тепловыделяющих сборок. Это машиностроительные изделия с высокой добавленной стоимостью, ими непосредственно заряжают АЭС для получения энергии.

Заказчиком ТВС является китайская корпорация CGNPC-URC.

Таблетки для атомной энергетики

Выпуск топливных таблеток появился на УМЗ в 1977 году. И за прошедшие десятилетия ни одной нештатной ситуации не произошло. Об этом с гордостью (и не без основания) говорят местные специалисты.

Вопросы безопасности людей на урановом производстве всегда первостепенны. При работе с ядерным материалом персонал обязывают переодеваться полностью и принимать душ после смены. Каждый рабочий день персонала начинается с получения индивидуального дозиметра. Один раз в квартал происходит их замер. При допустимом уровне в 20 миллизиверт в год дозы, получаемые на УМЗ, значительно меньше – менее одного миллизиверта.

Существуют альфа и бета частицы. Альфа-частицы не проникают ни через лист бумаги, ни через кожу. То есть если в руки ничего не брать, то всё со здоровьем будет хорошо, предупреждают специалисты полушутя.

"Проектная мощность производства таблеток УМЗ составляет 400 тонн, хотя при необходимости объёмы производства можно нарастить в короткие сроки. Даже странам с атомной энергетикой открывать такие производства далеко не всегда экономически выгодно, поэтому предприятия такого уровня в мире можно пересчитать по пальцам. Среди них производители из России, Китая, США, Кореи, Японии, Франции, Германии и наш казахстанский завод", – рассказал во время пресс-тура по производству первый заместитель председателя правления, главный инженер АО "УМЗ" Владимир Вахненко.

Производство топливных таблеток – процесс высокотехнологичный, включающий несколько этапов.

Вначале порошок диоксида урана необходимо усреднить. Для этого к нему подсыпают добавки и помещают в планетарно-шнековый смеситель (напоминающий своим вращением "пьяную бочку"). После этого специалисты техконтроля отбирают пробы, центральная заводская лаборатория проводит анализы. Если всё соответствует требованиям, то порошок попадает на следующую операцию – получение пресс-порошка.

Над прессом устанавливается контейнер с пресс-порошком. Во время прессования порошок сжимается, и на выходе получаются сырые топливные таблетки. Пока ещё хрупкий урановый полуфабрикат переносят в лодочки для спекания. Обращаются с продукцией очень бережно, чтобы не допустить брак. Поскольку технологии изготовления топлива для АЭС очень дорогостоящие.

По словам Владимира Вахненко, на производстве всё, что требует вложений, рассчитывается с точки зрения экономической выгоды. К примеру, рассчитывают, нужно ли покупать новое оборудование, чтобы уменьшить выход брака, или выгоднее перерабатывать таблетки повторно. Впрочем, о проценте брака не сообщили, зато рассказали о том, что бракованные таблетки идут на повторное измельчение, прессование и спекание.

Неказистые на вид лодочки сделаны из дорогого металла – тугоплавкого молибдена, который выдерживает температуру до +3000°C (температура спекания урановых таблеток – +1750°C). В печь помещается 40 лодочек. В каждой находится около 18 кг таблеток. За 28 часов, что лодочка проводит в печи, она теряет в весе всего 300 граммов, при этом плотность таблеток увеличивается почти вдвое.

Если плотность до спекания – 6 г/1 см³, то после спекания – 10,4-10,6 г/1 см³, То есть после выхода из печи топливные таблетки становятся прочными.

Главный инженер обратил внимание, что каждая таблетка промаркирована, как того требует покупатель. К каждой есть соответствующие требования – диаметр и высота. Если высота не соответствует нормам, то уже ничего не исправить, таблетку отбраковывают.

А вот диаметр подгоняют на операции шлифования. С помощью настройки алмазных кругов внутри оборудования специалист стремится достичь определённой геометрии. Круги сводят до того диаметра, который необходим по спецификации, и лишь затем приступают к шлифовке таблеток.

Весь процесс происходит в воде, чтобы не было распыления ураносодержащих материалов. Поэтому после этой операции продукция отправляется в сушильную камеру и на контроль диаметра.

Вообще, промежуточных этапов контроля и разбраковки продукции на Ульбинском металлургическом заводе немало, потому что цена человеческой ошибки или халатности в атомной промышленности очень высока.

Вот и после шлифовки начинается процесс разбраковки на конвейерной линии, таблетки выстраиваются в ручеёк. В машине находится оптическое лазерное устройство, которое определяет диаметр и длину каждой таблетки в потоке, при любом несоответствии она отбраковывается.

Существует также выборочный контроль. Аппаратчик берёт таблетку, измеряет прибором и сравнивает данные с требуемыми параметрами. Если всё соответствует, значит, машина отработала правильно.

Кроме того, у машины есть эталонная настройка. В этом случае по ручейку запускают муляжи таблеток и смотрят, как себя покажет машина при их прогоне. Если что-то не соответствует, то происходит корректировка данных оборудования.

Но и это ещё не всё. Существуют определённые требования к внешнему виду готовой продукции. Ни в коем случае на готовой продукции не должно быть сколов, раковин, трещин. 

Восемь разбраковщиц работают исключительно в дневную смену – с 8.00 утра до 14.12 дня, пять дней в неделю. Все остальные операции на производстве осуществляются в круглосуточном режиме. По информации Владимира Вахненко, автоматическая разбраковка внедрена всего на двух производствах в мире, поскольку очень тяжело заменить человека.

Как только таблетки пройдут этот этап разбраковки, формируется партия готовой продукции. Теперь уже заводской отдел технического контроля (ОТК) методом случайной выборки отбирает определённое количество готовой продукции. И затем делает заключение на соответствие по внешнему виду. На десять таблеток допускается два незначительных несоответствия определённого типа. Если обнаружат три несоответствия, то партию отправляют на повторную разбраковку. Двойную работу делать не хочется, поэтому все несоответствия стараются обнаружить до ОТК.

Специалисты УМЗ уверяют, что нештатные ситуации, при которых партия была бы полностью забракована, не случались ни разу.

Простые таблетки для сложной начинки

Наконец, в спецупаковках готовые таблетки отправляются на соседнее производство тепловыделяющих сборок (ТВС) – казахстанско-китайское совместное предприятие ТОО "Ульба-ТВС". Его учредителями является АО "УМЗ" (с долей участия 51%) и CGNPC-URC (49%). Китайская корпорация является одновременно и заказчиком готовой продукции.

"Ульба-ТВС" – это первое и единственное на территории Центральной Азии производство по выпуску топлива для атомных электростанций.

Открытие нового производства состоялось менее двух лет назад – 10 ноября 2021 года.

"После запуска завода сразу начались процедуры сертификации. Этим казахстанские специалисты занимались весь 2021 год у поставщика технологии. В этот период произвели пять тестовых сборок и получили сертификат. Затем мы прошли сертификацию у потребителя – китайской корпорации. Для проведение аудита приезжала комиссия из КНР", – рассказал о первых месяцах работы нового производства генеральный директор "Ульба-ТВС" Арман Сулейменов.

Первая партия ТВС казахстанского производства – 68 сборок – будет установлена на одной из китайских АЭС в ближайшее время. Ожидают заказ на поступление 310 комплектов для сборки очередных ТВС.

По информации руководителя, всего до конца 2023 года запланировано поставить в Китай четыре партии ТВС, это сто тонн в урановом эквиваленте, из них две уже отправлены заказчику. В 2024 году предприятие намерено выйти на полную производственную мощность – поставку 200 тонн урана в ТВС, это эквивалентно 440 ТВС или шести перезагрузкам для АЭС.

Объём перезагрузок зависит от потребностей заказчика и мощностей АЭС, входящих в состав китайской корпорации CGNPC-URC. При этом есть возможности для наращивания мощностей "Ульба-ТВС".

Это компактное предприятие разбито на три основных участка – по изготовлению ТВС, по производству твэлов и участок таблеток, где находится урановый материал. За рабочую смену собирается две тепловыделяющие сборки.

Сначала в специальных ящиках поступают оболочки будущих твэлов из циркониевого сплава, которые предстоит заполнить топливными таблетками. Здесь трубки продувают, исключая тем самым присутствие мусора внутри и одновременно осушая внутреннюю поверхность.

На станции сварки первого шва и оптического контроля спецзаглушки приваривают к трубкам после проверки на отсутствие дефектов. Сварка проходит без участия человека, в автоматическом режиме.

Далее следует визуальный контроль. При обнаружении малейшего дефекта трубку отправляют в ремонт или вовсе в отходы. Далее будущие твэлы поступают на виброзагрузчик. В этой зоне уже подаются топливные таблетки, они и загружаются в трубки виброзагрузчиком.

Затем вновь следует контроль. На этот раз заполненные трубки проверяют: есть ли пустое пространство внутри, соответствует ли топливный столб необходимым требованиям. В зависимости от результатов оператор либо отправляет трубки на дозаправку, либо – на следующую операцию.

В одну трубку входит примерно 290 таблеток. Одна ТВС состоит из 264 твэлов, высота каждого – около четырёх метров.

Далее происходит закачка геля для опрессовывания таблеток, вставляется пружина для компенсации топливного столба, чтобы таблетки внутри "не гуляли", объясняют инженеры. Затем происходит сварка второго шва.

Кстати, особенность производства такова, что на участках "Ульба-ТВС" работают больше инженеров, чем рабочих. Всего на предприятии работают 170 человек. Обучение специалисты проходили на предприятиях, производящих ТВС, в Германии и Франции.

Затем твэл ожидает очередной контроль. Производится замер его длины и веса. Вес урана внутри твэла – 1740 г, сам твэл весит чуть больше – около двух килограммов.

Далее в гелиевый течеискатель поступает партия из 25 твэлов. Их помещают в вакуумную камеру. Если в камере обнаружили гель, значит твэл не герметичен, вся партия бракуется и идёт на разборку.

"К счастью, у нас такого ещё не разу не было", – заметил первый руководитель "Ульба-ТВС".

После проверки на целостность следует оценка уровня обогащения, плотности топливного столба, его длины, наличия или отсутствия пружины внутри. Все параметры проверяют внимательные смарт-датчики.

Далее следует визуальный контроль. На гранитном столе персонал службы качества проверяет каждый твэл с помощью увеличительного стекла на отсутствие царапин, качество шва. Уже наполненный таблетками и гелем столб прокатывают по столу, оценивая его прямолинейность.

Только после этого твэлы отправляют на стеллажи для хранения. Склад рассчитан на хранение до 5100 твэлов.

Тем временем на втором основном участке происходит сборка скелетонов – каркасов ТВС. Точечную сварку осуществляет робот. Весь процесс автоматизирован, оператор лишь наблюдает за точностью операций.

Контрольно-измерительная машина проверяет геометрические параметры скелетона, чтобы всё соответствовало требованиям. При отклонении даже на пару микрон считается, что скелетон не годен, уверяют специалисты.

Затем происходит сборка ТВС. В обойму оператор на линии загружает одновременно 17 твэлов, которые поставляют со склада хранения. Их загружают в точном соответствии с требованиями. У каждой ТВС есть своя карта, где и как должны быть расположены гадолиневые твэлы и обычные – с диоксидом урана.

Собранную ТВС поднимает кран и устанавливает на специальную платформу вертикально. Сборка отправляется на станцию продувки, где при помощи сжатого воздуха продувают всю ТВС, устраняя стружку, которая может образоваться в процессе протяжки твэлов, другие инородные материалы.

И вот уже готовая ТВС – на складе готовой продукции.

"Здесь самый высокий фон, поэтому находиться рядом с готовыми ТВС целый день вредно для здоровья человека, и об этом предупреждают новичков в первый рабочий день", – добавил Арман Сулейменов.

К заказчику поставка сборок осуществляется железнодорожным транспортом на специальных платформах.

Сначала в каждый транспортно-упаковочный комплект (ТУК) помещают две ТВС. На железнодорожную платформу помещают по четыре ТУКа (восемь ТВС) и отправляют со специальным вагоном сопровождения в Китай.