stringtranslate.com

МОКС-топливо

Смешанное оксидное топливо , обычно называемое МОКС-топливом , представляет собой ядерное топливо , содержащее более одного оксида делящегося материала , обычно состоящего из плутония, смешанного с природным ураном , переработанным ураном или обедненным ураном . МОКС-топливо является альтернативой низкообогащенному урановому топливу, используемому в легководных реакторах , которые преобладают в производстве ядерной энергии .

Например, смесь 7% плутония и 93% природного урана реагирует аналогично, хотя и не идентично, с низкообогащенным урановым топливом (от 3 до 5% урана-235). МОКС обычно состоит из двух фаз, UO 2 и PuO 2 , и/или однофазного твердого раствора (U,Pu)O 2 . Содержание PuO 2 может варьироваться от 1,5 мас.% до 25–30 мас.% в зависимости от типа ядерного реактора.

Одной из привлекательных особенностей МОКС-топлива является то, что это способ утилизации избыточного оружейного плутония, альтернатива хранению избыточного плутония, который необходимо защитить от риска кражи для использования в ядерном оружии . [1] [2] С другой стороны, некоторые исследования предупреждают, что нормализация глобального коммерческого использования МОКС-топлива и связанное с этим расширение ядерной переработки скорее увеличит, чем уменьшит риск ядерного распространения , поощряя более интенсивное отделение плутония от отработанного топлива в гражданском ядерном топливном цикле . [3] [4] [5]

Обзор

В каждом ядерном реакторе на основе урана происходит как деление изотопов урана, таких как уран-235 , так и образование новых, более тяжелых изотопов из-за захвата нейтронов , в первую очередь ураном-238 . Большая часть топливной массы в реакторе — уран-238. В результате захвата нейтронов и двух последовательных бета-распадов уран-238 превращается в плутоний-239 , который в результате последовательного захвата нейтронов превращается в плутоний-240 , плутоний-241 , плутоний-242 и (после дальнейших бета-распадов) в другие трансурановые или актинидные нуклиды. Плутоний-239 и плутоний-241 делятся , как и уран-235. Небольшие количества урана-236 , нептуния-237 и плутония-238 образуются аналогичным образом из урана-235.

Обычно, при замене низкообогащенного уранового топлива каждые пять лет или около того, большая часть плутония-239 «сгорает» в реакторе. Он ведет себя как уран-235, с немного более высоким сечением деления, и его деление высвобождает аналогичное количество энергии . Обычно около одного процента отработанного топлива, выгружаемого из реактора, составляет плутоний , а около двух третей плутония — плутоний-239. Во всем мире ежегодно в отработанном топливе образуется почти 100 тонн плутония.

Переработка плутония в пригодное к использованию топливо увеличивает энергию, получаемую из исходного урана, примерно на 12%, а если уран-235 также перерабатывается путем повторного обогащения, то эта цифра становится около 20%. [6] Плутоний перерабатывается и используется только один раз в качестве МОКС-топлива; отработанное МОКС-топливо с высокой долей второстепенных актинидов и изотопов плутония хранится как отходы.

Существующие ядерные реакторы должны быть повторно лицензированы до того, как можно будет ввести МОКС-топливо, поскольку его использование изменяет эксплуатационные характеристики реактора, и установка должна быть спроектирована или немного адаптирована для этого; например, требуется больше регулирующих стержней . Часто только треть или половина топливной загрузки переключается на МОКС-топливо, но для загрузки МОКС-топлива более 50% необходимы значительные изменения, и реактор должен быть спроектирован соответствующим образом. Проект реактора System 80, развернутый на американской атомной электростанции Palo Verde недалеко от Финикса, штат Аризона , был разработан для 100%-ной совместимости активной зоны с МОКС-топливом, но до сих пор всегда работал на свежем низкообогащенном уране. Теоретически три реактора Palo Verde могли бы использовать МОКС-топливо, получаемое из семи реакторов с традиционным топливом каждый год, и больше не требовали бы свежего уранового топлива.

Реакторы на быстрых нейтронах БН-600 и БН-800 рассчитаны на 100% загрузку МОКС-топливом. В 2022 году БН-800 впервые был полностью загружен МОКС-топливом. [7]

По данным Atomic Energy of Canada Limited (AECL), реакторы CANDU могут использовать 100% MOX-топливо без физической модификации. [8] [9] AECL сообщила комитету Национальной академии наук США по утилизации плутония, что у нее есть большой опыт в тестировании использования MOX-топлива, содержащего от 0,5 до 3% плутония. [ необходима цитата ]

Отработанное МОКС-топливо

Содержание несгоревшего плутония в отработанном MOX-топливе тепловых реакторов значительно – более 50% от первоначальной загрузки плутония. Однако во время сжигания MOX-топлива соотношение делящихся (нечетных) изотопов к неделящимся (четным) падает примерно с 65% до 20% в зависимости от выгорания. Это затрудняет любую попытку извлечения делящихся изотопов, и для любого большого количества извлеченного Pu потребуется такая высокая доля Pu в любом MOX-топливе второго поколения, что это будет непрактично. [ почему? ] Это означает, что такое отработанное топливо будет трудно переработать для дальнейшего повторного использования (сжигания) плутония. Регулярная переработка двухфазного отработанного MOX-топлива затруднена из-за низкой растворимости PuO 2 в азотной кислоте. [10]

По состоянию на 2015 год единственная демонстрация дважды переработанного топлива с высокой степенью выгорания имела место в быстром реакторе Феникс . [11]

Приложения

Использованный МОКС, который имеет 63 ГВт-дней (тепловых) выгорания и был исследован с помощью сканирующего электронного микроскопа с использованием электронного микрозонда. Чем светлее пиксель в правой части, тем выше содержание плутония в материале в этом месте

Переработка коммерческого ядерного топлива для производства МОКС-топлива осуществляется во Франции и в меньшей степени в России , Индии и Японии . В Великобритании THORP работал с 1994 по 2018 год . Китай планирует разработать быстрые реакторы-размножители и переработку. Переработка отработанного ядерного топлива коммерческих реакторов не разрешена в Соединенных Штатах из-за соображений нераспространения. У Германии были планы по строительству завода по переработке в Ваккерсдорфе, но поскольку они не были реализованы, она вместо этого полагалась на французские возможности по переработке ядерного топлива, пока в 2005 году не был законодательно запрещен транспорт немецкого отработанного топлива для переработки. [12]

Соединенные Штаты строили завод по производству МОКС-топлива на площадке Саванна-Ривер в Южной Каролине. Хотя Tennessee Valley Authority (TVA) и Duke Energy выразили заинтересованность в использовании реакторного топлива МОКС, полученного в результате конверсии оружейного плутония, [13] TVA (наиболее вероятный заказчик) заявила в апреле 2011 года, что отложит принятие решения до тех пор, пока не увидит, как поведет себя МОКС-топливо в ходе ядерной аварии на Фукусиме-1 . [14] В мае 2018 года Министерство энергетики сообщило, что для завершения завода потребуется еще 48 миллиардов долларов, в дополнение к уже потраченным 7,6 миллиардам долларов. Строительство было отменено. [15]

Тепловые реакторы

Большинство современных тепловых реакторов, использующих высоковыгорающее топливо из оксида урана, производят довольно значительную долю своей продукции к концу срока службы активной зоны за счет деления плутония, полученного путем захвата нейтронов в уране 238 ранее в течение срока службы активной зоны, поэтому добавление некоторого количества оксида плутония в топливо при изготовлении в принципе не является очень радикальным шагом. Около 30 тепловых реакторов в Европе (Бельгия, Нидерланды, Швейцария, Германия и Франция) используют МОКС-топливо [16] , и еще 20 получили лицензию на это. Большинство реакторов используют его в качестве примерно одной трети своей активной зоны, но некоторые будут принимать до 50% сборок МОКС-топлива. Во Франции EDF стремится, чтобы все ее реакторы серии 900 МВт работали как минимум на одной трети МОКС-топлива. Япония стремилась к тому, чтобы к 2010 году треть ее реакторов использовала МОКС-топливо, и одобрила строительство нового реактора с полной загрузкой МОКС-топлива. По состоянию на 2011 год, от общего объема используемого ядерного топлива МОКС-топливо составляло около 2%. [6]

Вопросы лицензирования и безопасности использования МОКС-топлива включают: [16]

Около 30% плутония, изначально загруженного в MOX-топливо, потребляется при использовании в тепловом реакторе. Теоретически, если одна треть активной топливной загрузки составляет MOX-топливо, а две трети — урановое топливо, то чистое изменение массы плутония в отработанном топливе равно нулю, и цикл можно повторить; однако, остается множество трудностей при переработке отработанного MOX-топлива. По состоянию на 2010 год плутоний перерабатывается только один раз в тепловых реакторах, а отработанное MOX-топливо отделяется от остального отработанного топлива и хранится в качестве отходов. [16]

Все изотопы плутония являются либо делящимися, либо воспроизводящими, хотя плутоний-242 должен поглотить 3 нейтрона, прежде чем стать делящимся кюрием -245; в тепловых реакторах изотопная деградация ограничивает потенциал рецикла плутония. Около 1% отработанного ядерного топлива из нынешних LWR составляет плутоний, с приблизительным изотопным составом 52%239
94Пу
, 24%240
94Пу
, 15%241
94Пу
, 6%242
94Пу
и 2%238
94Пу
когда топливо впервые удаляется из реактора. [16]

Быстрые реакторы

Поскольку отношение деления к захвату нейтронов высокой энергии или быстрых нейтронов изменяется в пользу деления почти для всех актинидов , включая238
92У
, быстрые реакторы могли бы использовать их все в качестве топлива. Все актиниды могут подвергаться делению, вызванному нейтронами, с незамедленными или быстрыми нейтронами. Поэтому быстрый реактор более эффективен, чем тепловой реактор, для использования плутония и высших актинидов в качестве топлива.

Эти быстрые реакторы лучше подходят для трансмутации других актинидов, чем тепловые реакторы. Поскольку тепловые реакторы используют медленные или замедленные нейтроны, актиниды, которые не делятся тепловыми нейтронами, имеют тенденцию поглощать нейтроны вместо деления. Это приводит к накоплению более тяжелых актинидов и снижает количество тепловых нейтронов, доступных для продолжения цепной реакции. Подкритический реактор с внешним источником нейтронов может либо работать в спектре быстрых нейтронов (без необходимости в высокообогащенном топливе, как это обычно бывает в быстрых реакторах), либо использовать тепловые нейтроны для воспроизводства делящихся материалов, компенсируя потерю нейтронов за счет увеличения потока от источника нейтронов.

Изготовление

Разделение плутония

Первым шагом является отделение плутония от оставшегося урана (около 96% отработанного топлива) и продуктов деления с другими отходами (вместе около 3%) с использованием процесса PUREX .

Сухое смешивание

МОКС-топливо можно изготовить путем совместного измельчения оксида урана (UO 2 ) и оксида плутония (PuO 2 ) перед прессованием смешанного оксида в таблетки, но этот процесс имеет недостаток, заключающийся в образовании большого количества радиоактивной пыли.

Соосаждение

Смесь нитрата уранила и нитрата плутония в азотной кислоте преобразуется путем обработки основанием, таким как аммиак, в смесь диураната аммония и гидроксида плутония. После нагревания в смеси 5% водорода и 95% аргона образуется смесь диоксида урана и диоксида плутония . Используя основание , полученный порошок можно пропустить через пресс и превратить в гранулы. Затем гранулы можно спекать в смешанный оксид урана и плутония.

Содержание америция

Плутоний из переработанного топлива обычно перерабатывается в МОКС-топливо менее чем за пять лет с момента его производства, чтобы избежать проблем, связанных с примесями, образующимися при распаде короткоживущих изотопов плутония. В частности, плутоний-241 распадается до америция-241 с периодом полураспада 14 лет. Поскольку америций-241 является источником гамма-излучения , [ необходима ссылка ] его присутствие представляет потенциальную опасность для здоровья на рабочем месте . Однако возможно удалить америций из плутония с помощью процесса химического разделения. Даже в наихудших условиях смесь америция и плутония менее радиоактивна, чем раствор отработанного топлива, поэтому восстановление плутония с помощью PUREX или другого метода водной переработки должно быть относительно простым . [ необходима ссылка ]

Содержание кюрия

Возможно, что и америций , и кюрий можно добавлять в U/Pu MOX-топливо перед его загрузкой в ​​быстрый реактор или подкритический реактор, работающий в "режиме горелки актинидов". Это один из способов трансмутации. Работать с кюрием намного сложнее, чем с америцием, поскольку кюрий является излучателем нейтронов, производственную линию MOX необходимо экранировать как свинцом , так и водой для защиты рабочих.

Кроме того, нейтронное облучение кюрия генерирует высшие актиниды , такие как калифорний , которые увеличивают дозу нейтронов , связанную с использованным ядерным топливом ; это может загрязнить топливный цикл сильными излучателями нейтронов. В результате, вполне вероятно, что кюрий будет исключен из большинства МОКС-топлив. Подкритический реактор, такой как Accelerator Driven System, может «сжигать» такое топливо, если будут решены проблемы, связанные с его обработкой и транспортировкой. Однако, чтобы избежать скачков мощности из-за непреднамеренной критичности, нейтронные характеристики должны быть точно известны в любой заданный момент времени, включая эффект накопления или потребления нейтронных излучающих нуклидов, а также нейтронных ядов.

Торий МОКС

Также испытывается МОКС-топливо, содержащее оксиды тория и плутония. [17] Согласно норвежскому исследованию, « реактивность теплоносителя торий-плутониевого топлива отрицательна при содержании плутония до 21%, тогда как переход находится на уровне 16% для МОКС-топлива». [18] Авторы пришли к выводу, что «торий-плутониевое топливо, по-видимому, имеет некоторые преимущества перед МОКС-топливом в отношении стержневых элементов управления и бора , CVR и потребления плутония». [18]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Военные боеголовки как источник ядерного топлива - Мегатонны в Мегаватты - Всемирная ядерная ассоциация". www.world-nuclear.org . Архивировано из оригинала 2013-02-24 . Получено 2008-09-06 .
  2. ^ «Программа США по МОКС-топливу требовала ослабления мер безопасности на объекте по производству оружейного плутония». 11 апреля 2011 г.
  3. ^ «Стоит ли переработка в США риска? — Ассоциация по контролю над вооружениями». www.armscontrol.org .
  4. ^ "Информационные листки по Западной долине · NIRS". 1 марта 2015 г. Архивировано из оригинала 20 марта 2011 г. Получено 6 сентября 2008 г.
  5. ^ Подвиг, Павел (10 марта 2011 г.). "Программа утилизации плутония в США: неопределенности маршрута МОКС". Международная группа по расщепляющимся материалам . Получено 13 февраля 2012 г.
  6. ^ ab "Информация от Всемирной ядерной ассоциации о МОКС-топливе". Архивировано из оригинала 2013-03-01 . Получено 2011-05-22 .
  7. ^ Реактор БН-800 полностью перешел на МОКС-топливо.
  8. ^ "Candu работает с Управлением по выводу из эксплуатации ядерных объектов Великобритании для изучения развертывания реакторов EC6". Миссиссога: пресс-релиз Candu. 27 июня 2012 г. Получено 5 декабря 2013 г.
  9. ^ «Мечи на орала: Канада могла бы сыграть ключевую роль в преобразовании ядерного оружейного материала в электроэнергию», архив 2013-10-03 в Wayback Machine в The Ottawa Citizen (22 августа 1994 г.): «CANDU... конструкция реактора изначально позволяет работать с полностью МОКС-топливными активами»
  10. ^ Бураков, BE; Оджован, MI; Ли, WE (2010). Кристаллические материалы для иммобилизации актинидов . Лондон: Imperial College Press. стр. 58.
  11. ^ Натараджан, Р. (2015). «Переработка отработанного ядерного топлива быстрых реакторов, Натараджан». Переработка и рециклинг отработанного ядерного топлива : 213–243. doi :10.1016/B978-1-78242-212-9.00009-5.
  12. ^ Rücknahme radioaktiver Abfälle aus der Wiederaufarbeitung (на немецком языке)
  13. ^ TVA может использовать МОКС-топливо от SRS, 10 июня 2009 г.
  14. ↑ Новые сомнения относительно превращения плутония в топливо, 10 апреля 2011 г.
  15. ^ Гарднер, Тимоти (12 октября 2018 г.). «Администрация Трампа убивает контракт на завод по производству плутония в топливо». Reuters .
  16. ^ abcd "NDA Plutonium Options" (PDF) . Nuclear Decommissioning Authority . Август 2008 г. Архивировано из оригинала (PDF) 2011-05-25 . Получено 2008-09-07 . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  17. ^ "Начинается испытание тория". World Nuclear News. 21 июня 2013 г. Получено 21 июля 2013 г.
  18. ^ аб Бьорк, Клара Инсуландер; Фагер, Валентин (июнь 2009 г.). «Сравнение тория-плутониевого топлива и МОХ-топлива для PWR». п. 487 . Проверено 11 октября 2017 г.

Внешние ссылки