МОКС и Ремикс

[tnenergy]

Замыкание ядерного топливного цикла - сложная технология, состоящая из многих процессов, которую непросто охватить во всем многообразии.

Одной из не очевидных сложностей является наличие в мире 400 гигаватт ядерной энергетики, не очень-то приспособленной к ЗЯТЦ, но зато задающей верхнюю планку себестоимости атомной энергии. При попытке прикрутить к существующим технологиям ЗЯТЦ сразу раздаются возмущенные вопросы финансистов, которым не нравится итоговый результат по затратам. Но есть один довольно интересный обходной путь, который избрала эта технология - это уменьшение количества и злобности отработанного ядерного топлива путем его переработки, как мы помним - это одна из трех важнейших ног ЗЯТЦ.

Сегодня я хочу рассказать о плюсах и минусах работающей прямо сегодня технологии замыкания и о проблемах и перспективах ее развития.


В прошлый раз для иллюстрации про ЗЯТЦ я утащил фото испанской Enusa с таблетками, в этот - их же твэлы.


Для начала несколько фактов из жизни современных реакторов с водой под давлением - рабочих лошадок атомной энергетики. В ходе работы в такой реактор мощностью в 1 гигаватт электрический приходится загружать каждый год примерно 20 тонн тепловыделяющих сборок, в которых только 0,9 тонны представляют собой топливо - уран 235. За год (на самом деле не за год, но для простоты мы будем считать так) из этих 900 килограмм образуется много тепла, ~850 килограмм продуктов деления (высокорадиоактивных отходов) а из имеющегося тут же U238 - 350 килограмм плутония. В свою очередь из 350 килограмм плутония, который почти такое же топливо 150-180 сгорает в ходе той де кампании, а 170-200 кг остается.



Работа с плутонием в перчаточных ящиках на МОКС-производстве в английском Sellafields

В итоге облученное в реакторе ядерное топливо (ОЯТ) представляет собой нечто парадоксальное: смертельную опасность снаружи и старый добрый профит где-то внутри. Для того, что бы понять что с этим можно сделать, надо еще раз посмотреть на составляющие ОЯТ, которые выкидывают современные реакторы.

• Продукты деления, 850 кг, которые в идеале надо бы отделить от остальных 20 тонн, на порядок уменьшив объем хранения
• Уран в количестве примерно 70% от всей массы, представляющий собой что-то вроде природного урана - 235 изотопа слегка больше (0,9-1%), но больше содержание изотопа 232 (злобно радиотоксичный) и 236 (нейтронный яд, заставляет класть больше 235
• Плутоний, которого в ОЯТ 0,8-1% Ядерное топливо, но к сожалению, прошедший современный PWR такой плутоний нашпигован на 40% старшими изотопами (Pu240, Pu241, Pu242) из которых четные - не ядерное топливо, а нейтронные яды, а 241 быстро распадается в Америций241, который что? Правильно - минорный актиноид
• Минорные актиноиды, общим содержанием в районе 0,2-0,3% Сюда относят Нептуний, Америций и Кюрий. Это все нестабильные изотопы, весьма радиотоксичные, являющиеся скорее нейтронными ядами (кроме нептуния) в ВВЭР/PWR, но и портящие малину с захоронением ПД своими длинными периодами полураспада (сотни и тысячи лет)
• Металлические детали тепловыделяющих сборок - из нержавейки и циркония, которые проще всего захоронить вместе с ПД.

Итак, представьте себе, что наш завод по переработки ОЯТ все это дело разделил, ПД и металл отправил вглубь Земли, минорные актиноиды отложил на будущее (благо их мало) и теперь нам надо придумать, как попробовать отбить зверские расходы этого завода с имеющимся у нас на руках ураном и плутонием.



Иммобилизированные в алюмофосфатном стекле высокорадиоактивные продукты переработки ОЯТ в нержавеющих контейнерах.

Собственно, простых варианта два: МОКС и Ремикс.

МОКС - это когда весь плутоний из ОЯТ складывается в отдельную бочку, туда же досыпается обедненный уран до микса 6-8% плутония и 92-94% обедненного урана. Из полученной смеси формируются таблетки и затем новые ТВС. В Европе 70% ОЯТ перерабатывается и превращается в МОКС-кассеты, которые загружаются в те же европейские реакторы.

Ремикс - это когда в уран-плутониевую смесь из ОЯТ досыпается обогащенный уран (20-40%) до смеси состава примерно 4% U235, 1-2% плутония и ~95% остальных изотопов урана, в основном естественно 238.

Второй вариант чуть более полно использует остаточный топливный потенциал ОЯТ, но логичен лишь тогда, когда у вас есть много урана высокого обогащения (например - оружейного) или большие центрифужные обогатительные мощности. Например - в России или в меньшей степени - во Франции.



Планируемый завод (цветастенький справа) по переработке ОЯТ ВВЭР/РБМК в ГХК, Железногорск и 4 модуля хранения ОЯТ на 35000 тонн.

Теперь, когда мы разобрались, что такое современный МОКС и Ремикс, посмотрим на плюсы и минусы.

• К плюсам можно отнести примерно четырехкратное сокращение обьемов радиоактивных отходов и очень значительное сокращение сроков, которые эти отходы будут оставаться опасными - со 100 тысяч лет до нескольких сот (особенно если с МА удасться разобраться)
• Есть статистически заметная экономия природного урана - для МОКС это примерно 12,5%, для Ремикс - в районе 22%
• С другой стороны, в отличии от взрослого ЗЯТЦ за второй проход через реактор МОКС/Ремикс кассеты набирают уже такое количество нежелательных изотопов, что превращаются в малополезную бяку. В ЗЯТЦ с быстрыми бридерами теоретически можно 50-70% исходного природного урана превратить в тепло и свет, а в таком варианте - 1-1,5% (но это лучше, чем 0,7% открытого цикла).
• Цена переработки-производства МОКС/Ремикс зашкаливает - если одна ТВС из природного урана стоит сегодня 0,7-1 миллион долларов, то МОКС - 2,5-3,5 миллиона. Кроме адски непрятной радиохимии сложностей (= цены) добавляет то, что кассеты свежего топлива становятся более радиоактивными, чем кассеты с урановым топливом.

Скандальный строящийся американский завод MFFF по производству МОКС-топлива из оружейного плутония по французской технологии.

Наконец, в перспективе существующий недоЗЯТЦ (еще раз напомню, что в Европе заметная часть атомной энергетики работает именно по такому циклу) имеет интересное развитие через введение быстрых бридеров. БН-1200 можно кормить МОКС-кассетами с плутонием извлеченным из ОЯТ ВВЭР (т.е. некачественным), при этом чудесным образом мы будем получать обратно плутония больше и качественного - с небольшим содержанием четных изотопов. В свою очередь этот плутоний из БН можно загружать в ВВЭР. Правда, ни при каком разумном соотношении ВВЭР и БН от потребности в природном уране отказаться не получится, но это уже явный шаг к дальнейшему замыканию.

Именно такую, двухкомпонентную ядерную энергетику рассматривают, как перспективную в России. И лет 30 назад рассматривали во Франции, что наводит на мысль, что пытаться сегодня оценивать перспективы реализации замыкания топливного цикла неблагоразумно.