Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Смешанный оксид топливо , как правило , называют МОХ - топливом , является ядерным топливом , которое содержит более одного оксид из делящегося материала , обычно состоящим из плутония смешивается с природным ураном , регенерированным ураном или обедненным ураном . МОКС-топливо является альтернативой топливу из низкообогащенного урана (НОУ), 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 топливом с НОУ. MOX 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.

Одно из преимуществ МОКС-топлива состоит в том, что это способ использования избыточного оружейного плутония, альтернативы 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 увеличит, а не уменьшит риск распространения ядерного оружия , за счет поощрения увеличения отделения плутония от отработавшее топливо в гражданском ядерном топливном цикле. [3] [4] [5]

Обзор [ править ]

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 из-за 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 превращается в плутоний-239 , который при последовательном захвате нейтронов становится плутонием-240 , плутонием-241 , плутонием-242 и (после дальнейших бета-распадов) другим трансураном или актинидом.нуклиды. Плутоний-239 и плутоний-241 расщепляются , как и уран-235. Небольшие количества урана-236 , нептуния-237 и плутония-238 образуются аналогичным образом из урана-235.

Обычно при замене топлива каждые три года или около того большая часть плутония-239 «сжигается» в реакторе. Он ведет себя как уран-235, с немного большим поперечным сечением деления, и при его делении выделяется такое же количество энергии . Обычно около одного процента отработавшего топлива, выгружаемого из реактора, составляет плутоний, а около двух третей плутония составляет плутоний-239. Ежегодно в мире образуется почти 100 тонн плутония в отработавшем топливе. Однократная рециркуляция плутония увеличивает энергию, полученную из исходного урана, примерно на 12%, а если уран-235 также рециркулируют путем повторного обогащения, это становится примерно на 20%. [6] При дополнительной рециркуляции процент делящегося вещества (обычно означает нечетное-число нейтронов ) нуклидов в смеси уменьшается, а число четных нейтронов, нейтронопоглощающих нуклидов увеличивается, что требует увеличения общего содержания плутония и / или обогащенного урана. Сегодня в тепловых реакторах плутоний повторно используется в качестве МОКС-топлива только один раз; отработавшее МОКС-топливо с высокой долей второстепенных актинидов и даже изотопов плутония хранится как отходы.

Существующие ядерные реакторы должны быть повторно лицензированы до того, как МОКС-топливо может быть введено, поскольку его использование изменяет рабочие характеристики реактора, и установка должна быть спроектирована или немного адаптирована для этого; например, требуется больше управляющих стержней . Часто только от трети до половины топливной нагрузки переключается на МОКС-топливо, но для более чем 50% -ной загрузки МОКС-топлива необходимы значительные изменения, и реактор должен быть спроектирован соответствующим образом. Проект реактора System 80 , в частности, развернутый на АЭС Пало-Верде в США недалеко от Феникса, штат Аризона., был разработан для 100% совместимости активной зоны с МОКС-топливом, но до сих пор всегда работал на свежем низкообогащенном уране. Теоретически в трех реакторах Пало-Верде можно было бы использовать МОКС-топливо, поступающее из семи реакторов с обычным топливом, каждый год, и для этого больше не потребуется свежее урановое топливо.

Согласно Atomic Energy of Canada Limited (AECL), в реакторах CANDU могут использоваться 100% -ые сердечники из МОХ-топлива без физических модификаций. [7] [8] AECL сообщил комитету Национальной академии наук США по утилизации плутония, что он имеет обширный опыт в тестировании использования МОКС-топлива, содержащего от 0,5 до 3% плутония. [ необходима цитата ]

Содержание несгоревшего плутония в отработавшем МОКС-топливе тепловых реакторов является значительным - более 50% от начальной загрузки плутония. Однако во время сжигания МОКС-топлива отношение делящихся (нечетных) изотопов к неделящимся (четным) снижается примерно с 65% до 20%, в зависимости от степени выгорания. Это затрудняет любую попытку восстановить делящиеся изотопы, и любой объемный извлеченный Pu потребует такой высокой доли Pu в любом МОХ-топливе второго поколения, что это было бы непрактично. Это означает, что такое отработанное топливо будет трудно переработать для дальнейшего повторного использования (сжигания) плутония. Регулярная переработка двухфазного отработанного MOX затруднена из-за низкой растворимости PuO 2 в азотной кислоте. [9]По состоянию на 2015 год единственная коммерческая демонстрация дважды переработанного топлива с высоким выгоранием произошла в быстром реакторе Феникс . [10]

Текущие приложения [ править ]

Использованный МОКС-топливо с выгоранием 63 ГВт-сут (термическое) было исследовано с помощью сканирующего электронного микроскопа с использованием приставки электронного микрозонда. Чем светлее пиксель справа, тем выше содержание плутония в материале в этом месте.

Переработка коммерческого ядерного топлива для получения МОКС-топлива осуществляется в Великобритании и Франции и в меньшей степени в России , Индии и Японии . Китай планирует разработать реакторы-размножители на быстрых нейтронах и переработку. Переработка отработавшего ядерного топлива коммерческих реакторов не разрешена в Соединенных Штатах по соображениям нераспространения. Все эти страны давно имеют ядерное оружие из топлива для исследовательских реакторов военного назначения, за исключением Японии.

Соединенные Штаты строят завод по производству МОКС-топлива на участке Саванна-Ривер в Южной Каролине. Хотя Управление долины Теннесси (TVA) и Duke Energy выразили заинтересованность в использовании реакторного топлива на основе МОКС-топлива при конверсии оружейного плутония [11], TVA (в настоящее время наиболее вероятный заказчик) заявила в апреле 2011 года, что отложит принятие решения до смог увидеть, как МОКС-топливо проявило себя во время ядерной аварии на Фукусима-дайити . [12] В мае 2018 года Министерство энергетики сообщило, что для завершения строительства завода потребуется еще 48 миллиардов долларов в дополнение к уже потраченным 7,6 миллиардам долларов. Строительство было отменено. [13]

Тепловые реакторы [ править ]

Около 30 тепловых реакторов в Европе (Бельгия, Нидерланды, Швейцария, Германия и Франция) используют МОХ [14], и еще 20 получили лицензии на это. Большинство реакторов используют его примерно как одну треть своей активной зоны, но некоторые могут принимать до 50% сборок с МОКС-топливом. Во Франции EDF стремится обеспечить работу всех своих реакторов серии 900 МВт с как минимум одной третью МОХ-топлива. Япония стремится к тому, чтобы к 2010 году одна треть своих реакторов использовала МОКС-топливо, и одобрила строительство нового реактора с полной загрузкой МОКС-топлива. В общем объеме используемого сегодня ядерного топлива МОКС составляет 2%. [6]

Вопросы лицензирования и безопасности использования МОКС-топлива включают: [14]

  • Поскольку изотопы плутония поглощают больше нейтронов, чем урановое топливо, системы управления реактором могут нуждаться в модификации.
  • МОКС-топливо имеет тенденцию перегреваться из-за более низкой теплопроводности, что может быть проблемой для некоторых конструкций реакторов.
  • Выделение газа деления в сборках МОКС-топлива может ограничить максимальное время выгорания МОКС-топлива.

Около 30% плутония, первоначально загруженного в МОКС-топливо, потребляется при использовании в тепловом реакторе. Теоретически, если одна треть загрузки активной зоны составляет МОКС, а две трети - урановое топливо, чистый прирост плутония в отработавшем топливе равен нулю , и цикл может быть повторен; однако по-прежнему существует множество трудностей с переработкой отработавшего МОКС-топлива. По состоянию на 2010 год плутоний рециклируется в тепловых реакторах только один раз, а отработанное МОКС-топливо отделяется от остального отработанного топлива и хранится как отходы. [14]

Все изотопы плутония либо делящиеся, либо плодородные, хотя плутоний-242 должен поглотить 3 нейтрона, прежде чем превратиться в делящийся кюрий- 245; в тепловых реакторах изотопная деградация ограничивает потенциал рециркуляции плутония. Около 1% отработавшего ядерного топлива современных LWR составляет плутоний с приблизительным изотопным составом 52%.239 94Пу, 24% 240 94Пу, 15% 241 94Пу, 6% 242 94Пу и 2% 238 94Пупри первом удалении топлива из реактора. [14]

Реакторы на быстрых нейтронах [ править ]

См. Также: БН-800

Поскольку отношение деления к захвату нейтронов в поперечном сечении с высокими энергиями или быстрыми нейтронами изменяется в пользу деления почти для всех актинидов , включая238
92U
все они могут быть использованы в быстрых реакторах в качестве топлива. Все актиниды, включая TRU или трансурановые актиниды, могут подвергаться нейтронному делению с немодерированными или быстрыми нейтронами. Быстрый реактор является более эффективным для использования плутония и высшие актинидов в качестве топлива. В зависимости от того, как реактор заправляется топливом, он может использоваться либо как размножитель плутония, либо как горелка.

Эти быстрые реакторы лучше подходят для трансмутации других актинидов, чем тепловые реакторы. Поскольку в тепловых реакторах используются медленные или замедленные нейтроны, актиниды, которые не расщепляются 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.

Изготовление [ править ]

Первым шагом является отделение плутония от оставшегося урана (около 96% отработавшего топлива) и продуктов деления с другими отходами (вместе около 3%). Это делается на заводе по переработке ядерных материалов .

Сухое смешивание [ править ]

МОКС-топливо может быть получено 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. МОКС-топливо, состоящее из 7% плутония, смешанного с обедненным ураном , эквивалентно оксидному урановому топливу с обогащением примерно до 4,5%.235
92U
, если предположить, что плутоний содержит около 60–65% 239
94Пу
. Если использовался оружейный плутоний (> 90%239
94Пу
), в смеси потребуется всего около 5% плутония.

Соосаждение [ править ]

Смесь нитрата уранила и нитрата плутония в азотной кислоте превращается обработкой основанием, таким как аммиак, с образованием смеси диураната аммония и гидроксида плутония. После нагревания в смеси 5% водорода и 95% аргона образуют смесь диоксида урана и плутония диоксида . Используя основу , полученный порошок можно пропустить через пресс и превратить в гранулы зеленого цвета. Затем сырые гранулы могут быть спечены с получением гранул из смешанного оксида урана и плутония. Хотя этот второй тип топлива более однороден в микроскопическом масштабе (с помощью сканирующего электронного микроскопа ) можно увидеть области, богатые плутонием, и области, бедные плутонием. Может быть полезно думать о твердом веществе как о салями (в грануле присутствует более одного твердого материала).

Содержание америция [ править ]

Плутоний из переработанного топлива обычно превращается в МОКС-топливо менее чем за пять лет после его производства, чтобы избежать проблем, возникающих из-за примесей, образующихся при распаде 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 на рабочем месте. Однако можно удалить америций.из плутония путем химического разделения. Даже в наихудших условиях смесь америций / плутоний менее радиоактивна, чем раствор для растворения отработавшего топлива, поэтому восстановление плутония с помощью PUREX или другого водного метода переработки должно быть относительно простым . [ необходима цитата ]

Содержание кюрия [ править ]

Возможно, что и америций, и кюрий могут быть добавлены в U / Pu MOX-топливо до его загрузки в быстрый реактор. Это одно из средств трансмутации. Работать с кюрием намного сложнее, чем с америцием, потому что кюрий является эмиттером нейтронов, производственная линия МОКС-топлива должна быть защищена 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 привести к загрязнению топливного цикла сильными излучателями нейтронов. В результате, вероятно, что кюрий будет исключен из большинства видов МОКС-топлива.

Торий МОКС [ править ]

Смотрите также: ториевый топливный цикл

МОКС-топливо, содержащее оксиды тория и плутония, также проходит испытания. [15] Согласно норвежскому исследованию, « пустотная реакционная способность теплоносителя торий-плутониевого топлива отрицательна для содержания плутония до 21%, тогда как переход составляет 16% для МОКС-топлива». [16] Авторы пришли к выводу: «Торий-плутониевое топливо, по-видимому, предлагает некоторые преимущества перед МОКС-топливом в отношении количества управляющих стержней и бора , CVR и потребления плутония». [16]

См. Также [ править ]

  • Ядерный топливный цикл
  • Ядерный реактор-размножитель
  • Контейнер для перевозки отработавшего ядерного топлива
  • Атомная энергия
  • Ядерное деление
  • Атомная электростанция
  • Хэнфорд сайт

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Военные боеголовки как источник ядерного топлива - от мегатонн до мегаватт - Всемирная ядерная ассоциация» . www.world-nuclear.org .
  2. ^ «Американская программа МОКС-топлива требовала ослабления 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 бюллетени по Западной долине · NIRS" . 1 марта 2015 г.
  5. ^ Подвиг, Павел (10 марта 2011). «Программа США по утилизации плутония: неопределенности маршрута МОКС-топлива» . Международная группа по расщепляющимся материалам . Проверено 13 февраля 2012 года .
  6. ^ a b «Информация Всемирной ядерной ассоциации о МОКС-топливе» .
  7. ^ "Канду работает с Управлением по снятию с эксплуатации ядерных установок Великобритании над изучением развертывания реакторов EC6" . Миссиссауга: пресс-релиз Candu. 27 июня 2012 . Проверено 5 декабря 2013 года .
  8. ^ «Мечи на орала: Канада может сыграть ключевую роль в преобразовании ядерных материалов в электричество», Архивировано 3 октября 2013 г. в Wayback Machine в The Ottawa Citizen (22 августа 1994 г.): «Конструкция реактора CANDU ... по своей сути допускает обращение с полностью-МОКС-сердечниками »
  9. ^ Бураков, Б.Е .; Охован, Мичиган; Ли, WE (2010). Кристаллические материалы для иммобилизации актинидов . Лондон: Imperial College Press. п. 58.
  10. ^ Натараджан, Р. (2015). «Переработка отработавшего ядерного топлива быстрых реакторов, Натараджан». Переработка и переработка отработавшего ядерного топлива : 213–243. DOI : 10.1016 / B978-1-78242-212-9.00009-5 .
  11. ↑ TVA может использовать МОКС-топливо из SRS , 10 июня 2009 г.
  12. ↑ Новые сомнения относительно превращения плутония в топливо , 10 апреля 2011 г.
  13. ↑ Гарднер, Тимоти (12 октября 2018 г.). «Администрация Трампа аннулирует контракт на завод по производству плутония в топливе» . Рейтер .
  14. ^ a b c d "Варианты NDA плутония" (PDF) . Управление по снятию с эксплуатации ядерных объектов . Август 2008. Архивировано из оригинального (PDF) 25 мая 2011 года . Проверено 7 сентября 2008 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  15. ^ "Ториевое испытание начинается" . Мировые ядерные новости. 21 июня 2013 . Проверено 21 июля 2013 года .
  16. ^ a b Бьорк, Клара Инсуландер; Фагер, Валентин (июнь 2009 г.). «Сравнение торий-плутониевого топлива и МОКС-топлива для PWR» : 487 . Проверено 11 октября 2017 года . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )

Внешние ссылки [ править ]

  • Технические аспекты использования оружейного плутония в качестве реакторного топлива
  • Синергетические ядерные топливные циклы будущего
  • Информационный документ по ядерным вопросам 42
  • Плутоний для сжигания оружия в реакторах CANDU
  • Программа по превращению плутониевых бомб в топливо устраняет препятствия