stringtranslate.com

МОКС-топливо

Смешанное оксидное топливо , обычно называемое МОКС-топливом , представляет собой ядерное топливо , содержащее более одного оксида делящегося материала , обычно состоящее 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 атомной энергетике .

Например, смесь 7% плутония и 93% природного урана реагирует аналогично, хотя и не идентично, с низкообогащенным урановым топливом (от 3 до 5% урана-235). МОХ 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 сторон МОХ-топлива является то, что это способ использования излишков оружейного плутония, альтернатива хранению излишков плутония, который необходимо будет 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 снизит, риск ядерного распространения , поощряя более активное отделение плутония от отработанное топливо в гражданском ядерном топливном цикле . [3] [4] [5]

Обзор

В активной зоне каждого ядерного реактора на основе урана происходит как деление изотопов урана, таких как уран-235 , так и образование новых, более тяжелых изотопов за счет захвата нейтронов , в первую очередь урана-238 . Большую часть массы топлива в реакторе составляет уран-238. В результате захвата нейтронов и двух последовательных бета-распадов уран-238 становится плутонием-239 , который при последовательном захвате нейтронов становится плутонием-240 , плутонием-241 , плутонием-242 и (после дальнейших бета-распадов) другими трансурановыми или актинидными нуклидами. Плутоний-239 и плутоний-241 расщепляются , как и уран-235. Аналогично из урана-235 образуются небольшие количества урана-236 , нептуния-237 и плутония-238 .

Обычно, когда низкообогащенное урановое топливо заменяется примерно каждые пять лет, большая часть плутония-239 «сгорает» в реакторе. Он ведет себя как уран-235, с немного более высоким сечением деления, и при его делении выделяется такое же количество энергии . Обычно около одного процента отработавшего топлива, выгруженного из реактора, составляет плутоний , а около двух третей плутония — плутоний-239. Ежегодно во всем мире в отработавшем 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 переработать путем повторного обогащения, то эта цифра составит около 20%. [6] В настоящее время плутоний перерабатывается и используется только один раз в качестве МОХ-топлива; отработанное МОХ-топливо с высокой долей минорных актинидов и изотопов плутония хранится как отходы.

Существующие ядерные реакторы должны быть повторно лицензированы, прежде чем можно будет использовать МОХ-топливо, поскольку его использование меняет рабочие характеристики реактора, и завод должен быть спроектирован или слегка адаптирован для его использования; например, необходимо больше стержней управления . Часто только от трети до половины загрузки топлива переводится на МОХ, но для загрузки МОКС более 50% необходимы значительные изменения, и реактор необходимо проектировать соответствующим образом. Конструкция реактора System 80 , развернутого, в частности, на американской атомной электростанции Пало-Верде недалеко от Феникса, штат Аризона , была разработана для 100% совместимости активной зоны МОКС-топлива, но до сих пор всегда работала на свежем низкообогащенном уране. Теоретически три реактора Пало-Верде могли бы использовать МОХ-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), в реакторах CANDU можно использовать 100% МОХ-активные зоны без физической модификации. [8] [9] Компания AECL сообщила комитету Национальной академии наук США по утилизации плутония, что имеет обширный опыт испытаний использования МОКС-топлива, содержащего от 0,5 до 3% плутония. [ нужна цитата ]

Отработанное МОКС-топливо

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

По состоянию на 2015 год единственная демонстрация дважды переработанного топлива с высоким выгоранием произошла на быстром реакторе Феникс . [11]

Текущие приложения

Использованный МОКС-топливный газ с выгоранием 63 ГВт-сут (термическое) был исследован с помощью сканирующего электронного микроскопа с использованием электронной микрозондовой насадки. Чем светлее пиксель справа, тем выше содержание плутония в материале в этом месте.

Переработка коммерческого ядерного топлива в МОХ-топливо осуществляется во Франции и в меньшей степени в России , Индии и Японии . В Великобритании THORP работал с 1994 по 2018 год. Китай планирует развивать быстрые реакторы-размножители и переработку. Переработка отработанного ядерного топлива коммерческих реакторов не разрешена в Соединенных Штатах по соображениям нераспространения. У Германии были планы построить завод по переработке в Вакерсдорфе , но, поскольку они не были реализованы, вместо этого она полагалась на французские возможности ядерной переработки, пока в 2005 году не была объявлена ​​вне закона перевозка немецкого отработавшего топлива для переработки. [12]

Соединенные Штаты строили завод по производству МОКС-топлива на территории Саванна-Ривер в Южной Каролине. Хотя Управление долины Теннесси (TVA) и компания Duke Energy выразили заинтересованность в использовании МОХ-реакторного топлива, полученного при конверсии оружейного плутония, [13] TVA (в настоящее время наиболее вероятный заказчик) заявила в апреле 2011 года, что отложит принятие решения до тех пор, пока не смог увидеть, как МОКС-топливо подействовало во время ядерной аварии на Фукусиме-дайити . [14] В мае 2018 года Министерство энергетики сообщило, что для завершения строительства завода потребуется еще 48 миллиардов долларов сверх уже потраченных 7,6 миллиардов долларов. Строительство было отменено. [15]

Тепловые реакторы

Большинство современных тепловых реакторов, использующих топливо из оксида урана с высоким выгоранием, производят довольно значительную часть своей продукции к концу срока службы активной зоны за счет деления плутония, полученного путем захвата нейтронов в уране-238 на более раннем этапе жизни активной зоны, поэтому добавление некоторого количества оксида плутония к Производство топлива в принципе не является очень радикальным шагом. Около 30 тепловых реакторов в Европе (Бельгия, Нидерланды, Швейцария, Германия и Франция) используют МОКС [16] , и еще 20 получили лицензию на это. Большинство реакторов используют его примерно в трети своей активной зоны, но некоторые допускают до 50% МОКС-сборок. Во Франции EDF стремится обеспечить работу всех своих реакторов мощностью 900 МВт, по крайней мере, на одной трети МОХ-топлива. Япония стремилась к 2010 году перевести одну треть своих реакторов на МОХ-топливо и одобрила строительство нового реактора с полной загрузкой МОКС-топлива. По состоянию на 2011 год от общего количества использованного ядерного топлива МОХ-топливо составляло около 2%. [6]

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

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

Все изотопы плутония либо делящиеся, либо воспроизводящие, хотя плутонию-242 необходимо поглотить 3 нейтрона, прежде чем он станет делящимся кюрием -245; в тепловых реакторах изотопная деградация ограничивает потенциал повторного использования плутония. Около 1% отработанного ядерного топлива нынешних LWR составляет плутоний с приблизительным изотопным составом 52%.239
94Пу
, 24%240
94Пу
, 15%241
94Пу
, 6%242
94Пу
и 2%238
94Пу
при первом удалении топлива из реактора. [16]

Быстрые реакторы

Потому что отношение деления к захвату высокоэнергетических или быстрых нейтронов изменяется в пользу деления почти всех актинидов , включая238
92ты
, быстрые реакторы могли бы использовать их все в качестве топлива. Все актиниды могут подвергаться делению, индуцированному нейтронами, с незамедлительными или быстрыми нейтронами. Таким образом, быстрый реактор более эффективен, чем тепловой, поскольку в качестве топлива используется плутоний и высшие актиниды.

Эти быстрые реакторы лучше подходят для трансмутации других актинидов, чем тепловые реакторы. Поскольку в тепловых реакторах используются медленные или замедленные нейтроны, актиниды, которые не делятся тепловыми нейтронами, имеют тенденцию поглощать нейтроны, а не делиться. 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 использования высокообогащенного топлива, что 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% отработавшего топлива) и продуктов деления с другими отходами (вместе около 3%) с использованием процесса PUREX .

Сухое смешивание

МОХ-топливо можно производить путем 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 преобразуют обработкой основанием, таким как аммиак, с образованием смеси диураната аммония и гидроксида плутония. При нагревании в смеси 5% водорода и 95% аргона образуется смесь диоксида урана и диоксида плутония . Используя основу , полученный порошок можно пропустить через пресс и превратить в гранулы. Затем гранулы можно спекать в смесь оксидов урана и плутония.

Содержание америция

Плутоний из переработанного топлива обычно перерабатывается в МОХ-топливо в течение менее пяти лет с момента его производства, чтобы избежать проблем, возникающих из-за примесей, образующихся в результате распада короткоживущих изотопов плутония. В частности, плутоний-241 распадается до америция-241 с периодом полураспада 14 лет. Поскольку америций-241 является излучателем гамма-излучения , его присутствие представляет потенциальную опасность для здоровья . Однако можно удалить америций из плутония с помощью процесса химического разделения. Даже в самых худших условиях смесь америция и плутония менее радиоактивна, чем жидкость растворения отработавшего топлива, поэтому извлечение плутония с помощью PUREX или другого водного метода переработки должно быть относительно простым. [ нужна цитата ]

Содержание кюрия

Вполне возможно, что и америций , и кюрий могут быть добавлены в МОХ-топливо U/Pu перед его загрузкой в ​​быстрый реактор или подкритический реактор , работающий в «режиме актинидной горелки». Это один из способов трансмутации. Работать с кюрием намного сложнее, чем с америцием, поскольку кюрий является излучателем нейтронов, поэтому линию по производству МОКС-топлива необходимо будет защитить как свинцом , так и водой , чтобы защитить рабочих.

Кроме того, нейтронное облучение кюрия приводит к образованию высших актинидов , таких как калифорний , которые увеличивают дозу нейтронов , связанную с использованным ядерным топливом ; это может привести к загрязнению топливного цикла сильными излучателями нейтронов. В результате вполне вероятно, что кюрий будет исключен из большинства МОХ-топлив. Подкритический реактор, такой как система с приводом от ускорителя, может «сжигать» такое топливо, если будут решены проблемы, связанные с его обращением и транспортировкой. Однако, чтобы избежать скачков мощности из-за непреднамеренной критичности, необходимо точно знать нейтронные характеристики в любой данный момент времени, включая эффект накопления или потребления нейтронно-излучающих нуклидов, а также нейтронных поглотителей.

Торий МОКС

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

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Военные боеголовки как источник ядерного топлива - от мегатонн до мегаватт - Всемирная ядерная ассоциация» . www.world-nuclear.org . Архивировано из оригинала 24 февраля 2013 г. Проверено 6 сентября 2008 г.
  2. ^ «Программа МОХ-топлива в США требовала ослабления безопасности на заводе 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 бюллетени о Вест-Вэлли · NIRS». 1 марта 2015 г. Архивировано из оригинала 20 марта 2011 г. Проверено 6 сентября 2008 г.
  5. ↑ Подвиг, Павел (10 марта 2011 г.). «Программа утилизации плутония в США: неопределенности в отношении маршрута МОХ». Международная группа экспертов по расщепляющимся материалам . Проверено 13 февраля 2012 г.
  6. ^ ab «Информация Всемирной ядерной ассоциации о МОКС-топливе». Архивировано из оригинала 1 марта 2013 г. Проверено 22 мая 2011 г.
  7. ^ Реактор БН-800 полностью перешел на МОКС-топливо.
  8. ^ «Канду работает с Управлением по выводу из эксплуатации ядерных объектов Великобритании над изучением развертывания реакторов EC6» . Миссиссога: пресс-релиз Канду. 27 июня 2012 года . Проверено 5 декабря 2013 г.
  9. ^ «Мечи на орала: Канада может сыграть ключевую роль в преобразовании материала ядерного оружия в электричество», Архивировано 3 октября 2013 г. в Wayback Machine в The Ottawa Citizen (22 августа 1994 г.): «CANDU ... конструкция реактора по своей сути допускает обращение с сердечниками с полным MOX"
  10. ^ Бураков, Б.Е.; Оджован, Мичиган; Ли, МЫ (2010). Кристаллические материалы для иммобилизации актинидов . Лондон: Издательство Имперского колледжа. п. 58.
  11. ^ Натараджан, Р. (2015). «Переработка отработанного ядерного топлива быстрых реакторов, Натараджан». Переработка и утилизация отработанного ядерного топлива : 213–243. дои : 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 по поводу превращения плутония в топливо, 10 апреля 2011 г.
  15. ↑ Гарднер, Тимоти (12 октября 2018 г.). «Администрация Трампа расторгает контракт на строительство завода по производству топлива из плутония». Рейтер .
  16. ^ abcd «Плутониевые варианты NDA» (PDF) . Управление по выводу из эксплуатации ядерных объектов . Август 2008 г. Архивировано из оригинала (PDF) 25 мая 2011 г. Проверено 7 сентября 2008 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  17. ^ «Начинается испытание тория» . Мировые ядерные новости. 21 июня 2013 года . Проверено 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