МОКС-топливо - MOX fuel

Смешанное оксидное топливо, обычно называемый МОКС-топливо, является ядерное топливо который содержит более одного окись из делящийся материал, обычно состоящий из плутоний смешанный с природный уран, переработанный уран, или же обедненный уран. МОКС-топливо является альтернативой низкообогащенный уран (НОУ) топливо, используемое в легководные реакторы которые преобладают атомная энергия поколение.

Например, смесь 7% плутония и 93% природного урана реагирует аналогично, хотя и не идентично, с топливом с НОУ. MOX обычно состоит из двух фаз: UO2 и PuO2, и / или однофазный твердый раствор (U, Pu) O2. Содержание PuO2 может варьироваться от 1,5 мас.% до 25–30 мас.% в зависимости от типа ядерного реактора. Хотя МОКС-топливо можно использовать в тепловые реакторы для получения энергии эффективное деление плутония в МОКС-топливо может быть достигнуто только в быстрые реакторы.[1]

Одно из преимуществ МОКС-топлива состоит в том, что это способ утилизации излишков оружейный плутоний, альтернатива хранению излишков плутония, который необходимо защитить от риска кражи для использования в ядерное оружие.[2][3] С другой стороны, некоторые исследования предупреждали, что нормализация глобального коммерческого использования МОКС-топлива и связанное с этим расширение ядерная переработка увеличит, а не уменьшит риск распространение ядерного оружия, путем поощрения увеличения выделения плутония из отработавшего топлива в гражданском ядерном топливном цикле.[4][5][6]

Обзор

В каждом урановом активная зона ядерного реактора есть оба деление изотопов урана, таких как уран-235, и образование новых, более тяжелых изотопов за счет захват нейтронов, прежде всего уран-238. Большую часть массы топлива в реакторе составляет уран-238. Путем нейтронного захвата и двух последовательных бета-распад, уран-238 становится плутоний-239, который при последовательном захвате нейтронов становится плутоний-240, плутоний-241, плутоний-242, и (после дальнейших бета-распадов) другие трансурановый или актинид нуклиды. Плутоний-239 и плутоний-241 - это делящийся, как уран-235. Небольшие количества уран-236, нептуний-237 и плутоний-238 аналогично образуются из урана-235.

Обычно при замене топлива каждые три года большая часть плутония-239 «сжигается» в реакторе. Он ведет себя как уран-235, с немного более высоким поперечное сечение для деления, и его деление высвобождает такое же количество энергия. Обычно около одного процента отработанное топливо Из реактора выгружается плутоний, и около двух третей плутония составляет плутоний-239. Ежегодно во всем мире в отработанном топливе образуется почти 100 тонн плутония. 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%.[7] При дополнительной рециркуляции процент делящегося (обычно означает нечетное)число нейтронов ) нуклидов в смеси уменьшается и число четных нейтронов, нейтронопоглощающих нуклиды увеличения, что требует увеличения общего содержания плутония и / или обогащенного урана. Сегодня в тепловые реакторы плутоний повторно используется в качестве МОКС-топлива только один раз; отработавшее МОКС-топливо с высокой долей второстепенные актиниды и даже изотопы плутония хранятся как отходы.

Существующий ядерные реакторы должна быть повторно лицензирована 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, больше стержни управления необходимы. Часто только от трети до половины нагрузки топлива переключается на МОКС-топливо, но для более чем 50% -ной загрузки МОКС-топлива необходимы значительные изменения, и реактор должен быть спроектирован соответствующим образом. В Система 80 конструкция реактора, особенно развернутого в США Пало-Верде АЭС возле Феникс, 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, получаемое из семи реакторов с традиционным топливом, каждый год, и для этого больше не потребуется свежее урановое топливо.

Согласно с Атомная энергия Канады Лимитед (AECL), Реакторы CANDU может использовать 100% МОХ-ядра без физической модификации.[8][9] AECL сообщил Национальная академия наук США комитет по утилизации плутония, что он имеет большой опыт в испытаниях использования МОКС-топлива, содержащего от 0,5 до 3% плутония.[нужна цитата ]

Содержание несгоревший плутоний в отработанном МОКС-топливе от тепловых реакторов значительно - 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 двухфазный отработанный MOX трудно из-за низкой растворимости PuO2 в азотной кислоте.[1]

Текущие приложения

Использованный МОКС-топливо с выгоранием 63 ГВт-сут (термическое) и был исследован с помощью растровый электронный микроскоп с помощью приставки 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 производится в объединенное Королевство и Франция, и в меньшей степени в Россия, Индия и Япония. Китай планирует развивать быстрые реакторы-размножители и переработка. Переработка отработавшего ядерного топлива коммерческих реакторов не разрешена в Соединенных Штатах из соображений нераспространения. У всех этих стран уже давно есть ядерное оружие от военных. исследовательский реактор топливо кроме Японии.

Соединенные Штаты строили завод по производству МОКС-топлива в Сайт реки Саванна в Южной Каролине. Хотя Власть долины Теннесси (TVA) и Duke Energy выразил заинтересованность в использовании реакторного топлива МОКС от конверсии оружейного плутония,[10] TVA (в настоящее время наиболее вероятный заказчик) заявила в апреле 2011 года, что отложит принятие решения до тех пор, пока не увидит, как МОКС-топливо работает во время ядерной аварии на Фукусима-дайити.[11] 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.[12]

Тепловые реакторы

Около 30 тепловых реакторов в Европе (Бельгия, Нидерланды, Швейцария, Германия и Франция) используют МОХ.[13] и еще 20 получили лицензию на это. Большинство реакторов используют его примерно как одну треть своей активной зоны, но некоторые могут принимать до 50% сборок из МОКС-топлива. Во Франции EDF стремится обеспечить, чтобы все реакторы серии мощностью 900 МВт работали с как минимум одной третью МОХ. 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%.[7]

Вопросы лицензирования и безопасности использования МОКС-топлива включают:[13]

  • Поскольку изотопы плутония поглощают больше нейтронов, чем урановое топливо, системы управления реактором могут нуждаться в модификации.
  • МОКС-топливо имеет тенденцию к нагреву 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. Если одна треть загрузки активной зоны составляет МОКС, а две трети - урановое топливо, чистый прирост плутония в отработанное топливо.[13]

Все изотопы плутония либо делящиеся, либо воспроизводящие, хотя плутоний-242 необходимо поглотить 3 нейтрона, прежде чем стать делящимся кюрий -245; в тепловых реакторах изотопная деградация ограничивает потенциал рециркуляции плутония. Около 1% отработанное ядерное топливо из текущего LWR 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.[13]

Быстрые реакторы

Смотрите также: БН-800

Поскольку отношение деления к захвату нейтронов сечения с высокой энергией или быстрые нейтроны изменения в пользу деление почти для всех актиниды, включая 238
92U
все они могут быть использованы в быстрых реакторах в качестве топлива. Все актиниды, включая TRU или трансуран актиниды могут подвергаться нейтронному делению с немодерированными или быстрыми нейтронами. А быстрый реактор более эффективен при использовании плутония и высших актинидов в качестве топлива. В зависимости от того, как работает реактор, он может использоваться как плутоний. заводчик или горелка.

Эти быстрые реакторы лучше подходят для трансмутация других актинидов, кроме тепловых реакторов. 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

Первым шагом является отделение плутония от оставшегося урана (около 96% отработавшего топлива) и продуктов деления с другими отходами (вместе около 3%). Это осуществляется в ядерная переработка растение.

Сухое смешивание

МОКС-топливо можно получить путем измельчения оксида урана (UO2) и оксид плутония (PuO2) перед прессованием смешанного оксида в гранулы, но этот процесс имеет недостаток - образование большого количества радиоактивной пыли. МОКС-топливо, состоящее из 7% плутония, смешанного с обедненный уран, эквивалентно оксид урана топливо с обогащением около 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

Смесь уранилнитрат и нитрат плутония в азотная кислота превращается обработкой основанием, таким как аммиак, с образованием смеси диуранат аммония и гидроксид плутония. После нагревания в смеси 5% водород и 95% аргон образует смесь диоксид урана и диоксид плутония. Используя основание, полученный порошок можно пропустить через Нажмите и превращается в гранулы зеленого цвета. Затем зеленую гранулу можно спеченный в таблетку из смешанного оксида урана и плутония. Хотя этот второй тип топлива более однороден в микроскопическом масштабе (растровый электронный микроскоп ) можно увидеть районы, богатые плутонием, и районы, бедные плутонием. Может быть полезно думать о твердом теле как о салями (в грануле присутствует более одного твердого материала).

Содержание америция

Плутоний из переработанного топлива обычно превращается в МОКС-топливо как можно скорее, чтобы избежать проблем с разлагаться недолговечных изотопы плутония. В частности, плутоний-241 распадается на америций -241, что является гамма-луч эмиттер, порождающий потенциальную гигиена труда опасность, если выделенный плутоний старше пяти лет используется на обычной установке по производству МОКС-топлива. Хотя америций-241 является гамма-излучателем, большая часть фотоны он излучает мало энергии, так что 1 мм свинца или толстого стекла на бардачок обеспечит операторам надежную защиту их торсы. Однако существует вероятность попадания в руки высокой дозы радиации при работе с большими количествами америция в перчаточном ящике.

В результате старый плутоний реакторного качества может быть трудно использовать в установке МОКС-топлива, поскольку плутоний-241, который он содержит, распадается с коротким периодом полураспада 14,1 года на более радиоактивный америций-241, что затрудняет обращение с топливом. на производственном предприятии. Примерно через 5 лет типичный реакторный плутоний будет содержать слишком много америция-241 (около 3%). Однако можно очистить америций, содержащий плутоний, с помощью процесса химического разделения. Даже при наихудших возможных условиях смесь америция / плутония никогда не будет такой радиоактивной, как раствор растворяющего раствора отработавшего топлива, поэтому извлечение плутония путем извлечения плутония должно быть относительно простым. PUREX или другой водный способ переработки.

Плутоний-241 очень делящийся, в то время как изотопы плутония с даже массовые числа намного меньше[14] (в целом тепловые нейтроны обычно будут изотопы деления с нечетным числом нейтроны, но редко с четным числом), поэтому при распаде плутония-241 до америция-241 остается плутоний с более низкой долей изотопов, используемых в качестве топлива, и более высокой долей изотопов, которые просто захватывают нейтроны (хотя они могут стать делящимися изотопами после один или несколько захватов). Распад плутония-238 до урана-234 и последующее удаление этого урана будет иметь противоположный эффект, но плутоний-238 имеет более длительный период полураспада (87,7 лет против 14,3) и составляет меньшую долю затраченного ядерное топливо. Плутоний-239, -240 и -242 имеют гораздо более длительный период полураспада, так что распад незначителен. Плутоний-244 имеет еще более длительный период полураспада, но вряд ли образуется в результате последовательного захвата нейтронов, поскольку плутоний-243 быстро распадается с периодом полураспада 5 часов, давая америций-243.

Содержание кюрия

Возможно, что оба америций и кюрий может быть добавлен к U / Pu MOX-топливу 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, и производственная линия МОКС-топлива должна быть защищена обоими вести и воды для защиты рабочих.

Кроме того, нейтронное облучение кюрия приводит к более высокой актиниды, такие как калифорний, которые увеличивают нейтрон доза, связанная с использованное ядерное топливо; это может привести к загрязнению топливного цикла сильными излучателями нейтронов. В результате, вполне вероятно, что кюрий будет исключен из большинства видов МОКС-топлива.

Торий МОКС

Смотрите также: Ториевый топливный цикл

МОКС-топливо, содержащее торий и оксиды плутония также проходят испытания.[15] Согласно норвежскому исследованию, " пустая реактивность теплоносителя торий-плутониевого топлива отрицательно для содержания плутония до 21%, тогда как для МОКС-топлива переход составляет 16% ».[16] Авторы пришли к выводу, что «торий-плутониевое топливо, по-видимому, имеет некоторые преимущества перед МОКС-топливом в отношении тяга управления и бор ценности, CVR и потребление плутония ".[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Бураков, Б.Е .; Ojovan, M. I .; Ли, В. Э. (2010). Кристаллические материалы для иммобилизации актинидов. Лондон: Imperial College Press. п. 198.
  2. ^ «Военные боеголовки как источник ядерного топлива - от мегатонн до мегаватт - Всемирная ядерная ассоциация». www.world-nuclear.org.
  3. ^ «Американская программа МОКС-топлива требовала ослабления безопасности на объекте по производству оружейного плутония». 11 апреля 2011 г.
  4. ^ "Стоит ли рисковать переработкой в ​​США? - Ассоциация по контролю над вооружениями". www.armscontrol.org.
  5. ^ "Информационные бюллетени по Западной долине · NIRS". 1 марта 2015 г.
  6. ^ Подвиг, Павел (10 марта 2011 г.). «Программа США по утилизации плутония: неопределенности маршрута МОКС-топлива». Международная группа по расщепляющимся материалам. Получено 13 февраля 2012.
  7. ^ а б «Информация Всемирной ядерной ассоциации о МОКС-топливе».
  8. ^ «Канду работает с Управлением по снятию с эксплуатации ядерных установок Великобритании над изучением размещения реакторов EC6». Миссиссауга: пресс-релиз Candu. 27 июня 2012 г.. Получено 5 декабря 2013.
  9. ^ «Мечи на орала: Канада может сыграть ключевую роль в превращении ядерных материалов в электроэнергию», В архиве 2013-10-03 на Wayback Machine в газете «Оттавский гражданин» (22 августа 1994 г.): «Конструкция реактора CANDU ... по своей сути позволяет работать с активной зоной, полностью заполненной МОКС-топливом»
  10. ^ TVA может использовать МОКС-топливо из СГД, 10 июня 2009 г.
  11. ^ Новые сомнения относительно превращения плутония в топливо, 10 апреля 2011 г.
  12. ^ Гарднер, Тимоти (12 октября 2018 г.). «Администрация Трампа аннулирует контракт на завод по производству плутония в топливо». Рейтер.
  13. ^ а б c d "Варианты NDA плутония" (PDF). Управление по снятию с эксплуатации ядерных установок. Август 2008. Архивировано с оригинал (PDF) на 2011-05-25. Получено 2008-09-07. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ За исключением плутоний-238, какой наиболее делящимся из всех изотопов плутония.
  15. ^ «Ториевое испытание начинается». Мировые ядерные новости. 21 июня 2013 г.. Получено 21 июля 2013.
  16. ^ а б Бьорк, Клара Инсуландер; Фагер, Валентин (июнь 2009 г.). «Сравнение торий-плутониевого топлива и МОКС-топлива для PWR»: 487. Получено 11 октября 2017. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

внешняя ссылка