MOX-топливо

MOX-топливо (англ. Mixed-Oxide fuel) — ядерное топливо, содержащее несколько видов оксидов делящихся материалов. В основном термин применяется для смеси оксидов плутония и природного урана, обогащённого урана или обеднённого урана, которая ведёт себя в смысле течения цепной реакции сходно (хотя и не идентично) с оксидом низкообогащённого урана. MOX может применяться как дополнительное топливо для наиболее распространённого типа ядерных реакторов: легководных на тепловых нейтронах. Однако более эффективное использование MOX-топлива — сжигание в реакторах на быстрых нейтронах[1]. Приоритет в разработке таких реакторов принадлежит России[2].

Характеристика

Применение переработки ОЯТ и использование выделенного плутония в виде MOX-топлива в тепловых реакторах позволяет снизить необходимость в уране на величину до 30 %.

Содержание оксида плутония в MOX составляет от 1,5 до 25-30 весовых %.

Одним из привлекательных свойств MOX-топлива является то, что при его производстве могут необратимо утилизироваться излишки оружейного плутония, которые в противном случае являлись бы радиоактивными отходами[3][4][5] или могли бы использоваться для создания ядерного оружия. Подобная утилизация предполагалась в рамках соглашения об утилизации плутония между США и Россией, но в значительных объёмах не проводилась.

Также MOX-топливо можно получать путём переработки облучённого топлива с энергетических реакторов АЭС. В процессе переработки из него выделяются изотопы плутония, например, для топлива после достаточно длительной кампании почти две трети приходится на изотопы Pu-239 и Pu-241 (делящиеся в реакторах на тепловых нейтронах), а около трети — Pu-240[6][7]. Из-за столь высокого содержания 240-го изотопа, плутоний, полученный путём переработки топлива, не может быть использован для изготовления надёжных и предсказуемых ядерных зарядов[8][9]. В то же время МАГАТЭ придерживается консервативных принципов и требует для такого плутония (даже в составе MOX-смеси) столь же высокого уровня защиты, как и для материалов прямого использования (англ. direct use material), например обогащённого плутония, урана-233, высокообогащённого по 235 урана[10][9][11].

Применение

Впервые МОХ-топливо было опробовано в 1963 году, однако его широкое коммерческое использование в тепловых реакторах началось только в 1980-х годах.[2] Применение MOX-топлива в существующих реакторах требует отдельного лицензирования, иногда требуется некоторая доработка реакторов, например, введение большего числа управляющих стержней. Часто MOX-топливо составляет от трети до половины от всего топлива, так как большие количества требуют значительных изменений или специально спроектированного реактора.

В реакторах на тепловых нейтронах может достигаться 30%-е выгорание плутония из состава MOX-топлива[12].

Плутоний составляет порядка 1 % от облучённого ядерного топлива. Приблизительное изотопное соотношение: Pu-239 52 %, Pu-240 24 %, Pu-241 15 %, Pu-242 6 %, Pu-238 2 %. Все они либо делящиеся материалы, либо могут быть превращены в делящиеся в процессе трансмутации. Pu-242 требует трёх нейтронов, а также 2 протонов, чтобы стать, например, Кюрием-245[12].

К недостаткам его использования относится более нестабильное состояние топлива, гораздо более жесткие требования к режимам охлаждения и регулирования реактора.

Использование МОКС-топлива позволяет переработать отработавшее «горючее» и изготовить новое смешанное уран-плутониевое топливо, в котором количество энергии, которое можно получить от природного урана, увеличивается примерно в 100 раз. При этом, после переработки ОЯТ, количество радиоактивных отходов, подлежащих специальной обработке и захоронению, уменьшается кратно. Реакторы на быстрых нейтронах также способны «дожигать» долгоживущие (с периодом распада до тысяч и сотен тысяч лет) радиоактивные продукты деления, превращая их в короткоживущие с периодом полураспада в 200—300 лет, после чего они могут быть надёжно захоронены с соблюдением стандартных процедур и не нарушат природный радиационный баланс Земли[2].

Производство

По данным Всемирной ядерной ассоциации, за всю историю в коммерческих реакторах использовано свыше 2 тысяч тонн МОХ-топлива, однако в мире на складах накоплено 1,6 миллиона тонн обедненного урана. Только на этих запасах, без учета отработавшего ядерного топлива, реакторы на быстрых нейтронах позволяют обеспечить текущий уровень мирового потребления энергии на 326 лет.

Крупным производителем МОХ-топлива является французский завод в Мэлоксе, который выдает на рынок 195 тонн продукции ежегодно.

Промышленное производство МОХ-топлива «Росатом» начал в сентябре 2015 года на своём Горно-химическом комбинате в Железногорске, Красноярского края. Проектная мощность пускового комплекса составляет 400 ТВС в год и должна была быть достигнута в 2019 году, однако реально промышленное производство началось уже в августе 2018 года, когда первая серийная партия топливных сборок была отправлена на Белоярскую АЭС[13]. На ГХК ядерное топливо будет производиться из регенерированных материалов, в том числе высокоактивного плутония. В запуске этого производства участвовали более 20 предприятий атомной промышленности России.

МОХ-топливо изготавливается в России и на опытных производствах других предприятий Росатома: НИИАР (Димитровград, Ульяновская область) и "Производственного объединения «Маяк» (ЗАТО Озерск, Челябинская область)[13].

Потребление

В мире

Основными потребителями МОКС-топлива являются Япония (лицензировано 10 реакторов) и страны Евросоюза (лицензировано 40 реакторов).

Всего четыре блока в США спроектированы на полную загрузку MOX, три блока System-80 PWR на крупнейшей в стране АЭС Пало-Верде (Тонопа, Аризона) и строящийся блок в штате Вашингтон[14]. Ни один реактор в США не имел соответствующей лицензии на 2007 год[15].

Около 40 реакторов на тепловых нейтронах в Европе (Бельгия, Швейцария, Германия, Франция) имеют лицензию на использование комбинации обычного и MOX-топлива[12] и ещё 30 находятся в процессе лицензирования. Фактически, у многих из них около трети топлива может составлять MOX, но некоторые могут работать и на 50 % MOX. До Фукусимской катастрофы, Япония планировала начать использование MOX на трети своих реакторов (изначально — к 2010), и утвердила план по строительству блока ABWR, использующего до 100 % MOX в Ома. От всего используемого ныне ядерного топлива MOX составляет около 2 %[уточнить][16].

В СССР и России

В СССР первый промышленный реактор на быстрых нейтронах БН-350, утилизирующий МОХ-топливо, начал эксплуатироваться в 1973 году в Актау и успешно работал до 1999 года. Второй энергоблок был установлен на Белоярской АЭС в 1980 году (БН-600) и бесперебойно работает по сей день, в 2010 году срок его эксплуатации был продлен на 10 лет, в 2020 году - ещё на 5 лет. Там же 10 декабря 2015 года был запущен в эксплуатацию реактор нового поколения БН-800.

Благодаря пуску этого реактора Россия может выполнять свои обязательства по российско-американскому соглашению «Об утилизации плутония» от 2000 года. Соглашением предусмотрена конвертация 34 тонн ядерных зарядов в топливо для АЭС. В настоящее время Россия занимает первое место в мире в развитии технологий строительства реакторов на быстрых нейтронах.

См. также

Примечания
  1. Burakov, B. E.; Ojovan, M. I.; Lee, W. E. Crystalline Materials for Actinide Immobilisation (англ.). — London: Imperial College Press, 2010. — P. 198.
  2. Россия делает очередные шаги по переходу на замкнутый ядерный топливный цикл (недоступная ссылка). Официальный сайт Росатома. www.rosatominternational.com (29 ноября 2016). Дата обращения: 17 декабря 2019. Архивировано 17 декабря 2019 года.
  3. Military Warheads as a Source of Nuclear Fuel
  4. U.S. MOX program wanted relaxed security at the weapon-grade plutonium facility — IPFM Blog
  5. Обращение с оружейными ядерными материалами, высвобождаемыми в процессе сокращения ядерного оружия: проблемы и их решение // Тезисы лекции В. И. Рыбаченкова (советник Департамента по вопросам безопасности и разоружения МИД РФ), состоявшейся 4 апреля 2002 г. в Московском физико-техническом институте
  6. Plutonium "burning" in LWRs (англ.). — «Current reprocessed plutonium (fuel burn-up 35-40 MWd/kg HM) has a fissile content of some 65%, the rest is mainly Pu-240.». Дата обращения: 5 декабря 2013. Архивировано 13 января 2012 года.
  7. PERFORMANCE OF MOX FUEL FROM NONPROLIFERATION PROGRAMS (англ.). — 2011 Water Reactor Fuel Performance Meeting Chengdu, China, Sept. 11-14,, 2011.
  8. Plutonium -> Plutonium and weapons (англ.). World Nuclear Association (март 2012). — «Hence 'weapons-grade' plutonium is made in special production reactors by burning natural uranium fuel to the extent of only about 100 MWd/t (effectively three months), instead of the 45,000 MWd/t typical of LWR power reactors. Allowing the fuel to stay longer in the reactor increases the concentration of the higher isotopes of plutonium, in particular the Pu-240 isotope. For weapons use, Pu-240 is considered a serious contaminant, due to higher neutron emission and higher heat production. It is not feasible to separate Pu-240 from Pu-239. An explosive device could be made from plutonium extracted from low burn-up reactor fuel (i.e. if the fuel had only been used for a short time), but any significant proportions of Pu-240 in it would make it hazardous to the bomb makers, as well as probably unreliable and unpredictable. Typical 'reactor-grade' plutonium recovered from reprocessing used power reactor fuel has about one third non-fissile isotopes (mainly Pu-240)d.». Дата обращения: 5 декабря 2013.
  9. О международном сотрудничестве России в области утилизации избыточного оружейного плутония — справочная информация МИД РФ, 11-03-2001: "оружейный плутоний, характеризующийся весьма высоким (свыше 90 %) содержанием делящегося изотопа PU-239 и малым содержанием изотопа PU-240 (до 5 %). Наличие последнего в больших пропорциях существенно осложняет задачу проектирования надежного боезаряда с заданными характеристиками (номинальная мощность, безопасность при длительном хранении и т. д.) по причине значительного спонтанного нейтронного излучения данного изотопа … «гражданский» плутоний, выделяемый при переработке (репроцессинге) отработавшего топлива ядерных реакторов АЭС и характеризующийся средним соотношением содержания изотопов 239 и 240 60 % к 40 %. … Какие-либо сведения об использовании «гражданского» плутония для изготовления ядерных боезарядов в открытой литературе отсутствуют. … Глоссарий гарантий МАГАТЭ (3) относит любой плутоний. к материалу прямого использования (ядерный материал, который может быть превращен в компоненты ядерных взрывных устройств без трансмутации или дополнительного обогащения). … "
  10. Plutonium -> Plutonium and weapons (англ.). World Nuclear Association (март 2012). — «The International Atomic Energy Agency (IAEA) is conservative on this matter so that, for the purpose of applying IAEA safeguards measures, all plutonium. is defined by the IAEA as a 'direct-use' material, that is, "nuclear material that can be used for the manufacture of nuclear explosives components without transmutation or further enrichment". The 'direct use' definition applies also to plutonium which has been incorporated into commercial MOX fuel, which as such certainly could not be made to explode.». Дата обращения: 5 декабря 2013.
  11. Определение direct use material (англ.) 31. IAEA. Дата обращения: 5 декабря 2013.
  12. NDA Plutonium Options (неопр.). — Nuclear Decommissioning Authority, 2008. — August. Архивировано 25 мая 2011 года.
  13. Эксперт: Росатом сделал шаг к освоению технологий энергетики будущего. РИА Новости (27 августа 2019). Дата обращения: 17 декабря 2019.
  14. "Swords into Ploughshares: Canada Could Play Key Role in Transforming Nuclear Arms Material into Electricity, " Архивировано 3 октября 2013 года. in The Ottawa Citizen (22 August 1994): «Four existing LWRs in the US (three operational at Palo Verde in Arizona, and one 75 percent complete in Washington State) were designed to use MOX in 100 percent of their cores»
  15. Nuclear Energy: Principles, Practices, and Prospects / David Bodansky. — P. 217. — ISBN 9780387269313.
  16. Information from the World Nuclear Association about MOX.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.