Combustibil MOX

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 8 decembrie 2020; verificările necesită 42 de modificări .

Combustibilul MOX ( combustibil mixt-oxid  ) este combustibil nuclear care conține mai multe tipuri de oxizi ai materialelor fisionabile . Practic, termenul se aplică unui amestec de oxizi de plutoniu și uraniu natural , uraniu îmbogățit sau uraniu sărăcit , care se comportă în sensul unei reacții în lanț similare (deși nu identice) cu oxidul de uraniu slab îmbogățit. MOX poate fi folosit ca combustibil suplimentar pentru cel mai comun tip de reactoare nucleare : apa usoara pe neutroni termici . Cu toate acestea, o utilizare mai eficientă a combustibilului MOX este arderea în reactoare cu neutroni rapidi [1] . Prioritatea în dezvoltarea unor astfel de reactoare aparține Rusiei [2] .

Caracteristici

Utilizarea reprocesării SNF și utilizarea plutoniului separat sub formă de combustibil MOX în reactoarele termice face posibilă reducerea necesarului de uraniu cu până la 30%.

Conținutul de oxid de plutoniu în MOX variază de la 1,5 la 25-30% în greutate.

Una dintre proprietățile atractive ale combustibilului MOX este că producția sa poate elimina ireversibil surplusul de plutoniu de calitate pentru arme , care altfel ar fi deșeuri radioactive [3] [4] [5] sau ar putea fi folosit pentru a crea arme nucleare. O astfel de dispunere a fost avută în vedere în cadrul acordului de eliminare a plutoniului dintre Statele Unite și Rusia, dar nu a fost realizată în volume semnificative.

De asemenea, combustibilul MOX poate fi obținut prin procesarea combustibilului iradiat din reactoarele de putere ale centralelor nucleare . În procesul de reprocesare, izotopii de plutoniu sunt eliberați din acesta, de exemplu, pentru combustibil după o campanie suficient de lungă, aproape două treimi sunt izotopi Pu-239 și Pu-241 (fisionabile în reactoarele cu neutroni termici) și aproximativ o treime - Pu-240 [6] [ 7] . Datorită unui conținut atât de mare de izotop 240, plutoniul obținut prin reprocesare nu poate fi folosit pentru a face arme nucleare fiabile și previzibile [8] [9] . În același timp, AIEA aderă la principii conservatoare și solicită pentru un astfel de plutoniu (chiar și ca parte a unui amestec MOX) același nivel ridicat de protecție ca și pentru materialele de utilizare directă ( material de utilizare directă în engleză  ), de exemplu, plutoniu îmbogățit, uraniu-233, uraniu 235 foarte îmbogățit [10] [9] [11] .

Plutoniul reprezintă aproximativ 1% din combustibilul nuclear iradiat. Raport aproximativ izotop: Pu-239 52%, Pu-240 24%, Pu-241 15%, Pu-242 6%, Pu-238 2%. Toate acestea sunt fie materiale fisionabile , fie pot fi transformate în materiale fisionabile prin procesul de transmutare. De exemplu, Pu-242 necesită trei neutroni pentru a deveni Curium -245 [12] .

În reactoarele cu neutroni termici , se poate obține o ardere de 30% a plutoniului din compoziția combustibilului MOX [12] .

Dezavantajele utilizării sale includ o stare mai instabilă a combustibilului, cerințe mult mai stricte pentru modurile de răcire și de control al reactorului.

Utilizarea combustibilului MOX face posibilă reciclarea „combustibilului” uzat și producerea unui nou combustibil mixt uraniu-plutoniu, în care cantitatea de energie care poate fi obținută din uraniu natural este mărită de aproximativ 100 de ori. În același timp, după prelucrarea SNF, cantitatea de deșeuri radioactive supuse prelucrării și eliminării speciale se reduce cu un multiplu. Reactoarele cu neutroni rapizi sunt, de asemenea, capabile să „arde” produse radioactive de fisiune cu durată lungă de viață (cu o perioadă de descompunere de până la mii și sute de mii de ani), transformându-le în unele de scurtă durată cu un timp de înjumătățire de 200-300 ani, după care pot fi îngropate în siguranță cu respectarea procedurilor standard și nu vor încălca echilibrul natural de radiații al Pământului [2] .

Producție

Un mare producător de combustibil MOX este fabrica franceză din Melox, care pune pe piață anual 195 de tone de produs.

Rosatom a început producția industrială de combustibil MOX în septembrie 2015 la uzina minieră și chimică din Zheleznogorsk . Capacitatea de proiectare a complexului de pornire este de 400 de ansambluri de combustibil pe an și ar fi trebuit să fie atinsă în 2019, cu toate acestea, producția industrială reală a început deja în august 2018, când primul lot în serie de ansambluri de combustibil a fost trimis la CNE Beloyarsk [ 13] . La uzina minieră și chimică, combustibilul nuclear va fi produs din materiale reciclate, inclusiv plutoniu de nivel înalt. La lansarea acestei producții au participat peste 20 de întreprinderi din industria nucleară din Rusia.
Combustibilul MOX este fabricat în Rusia și în fabricile pilot ale altor întreprinderi Rosatom: RIAR (Dimitrovgrad, regiunea Ulyanovsk) și Asociația de producție Mayak (ZATO Ozersk, regiunea Chelyabinsk) [13] .

Alte țări lucrează, de asemenea, la introducerea combustibilului MOX în ciclul combustibilului al centralelor lor nucleare. Al șaselea plan energetic strategic al Japoniei , adoptat în octombrie 2021, prevede utilizarea în continuare a combustibilului MOX în reactoarele cu apă ușoară. De asemenea, prevede continuarea lucrărilor la producția de combustibil MOX la uzina Rokkasho [14] .

În ciuda faptului că prioritățile Chinei în acest domeniu nu au fost pe deplin formulate, chestiunea perspectivelor de producție și utilizare ulterioară a combustibilului MOX este considerată a fi rezolvată, iar prioritățile pentru utilizarea acestuia sunt în discuție [15] .

Aplicație

Combustibilul MOX a fost testat pentru prima dată în 1963[ unde? ] , dar a început utilizarea sa comercială pe scară largă în reactoare termice[ unde? ] abia în anii 1980 [2] . Utilizarea combustibilului MOX în reactoarele existente necesită licențiere separată, uneori sunt necesare unele modificări ale reactoarelor, de exemplu, introducerea mai multor bare de control. Adesea, combustibilul MOX reprezintă între o treime și jumătate din tot combustibilul, deoarece cantitățile mari necesită modificări semnificative sau un reactor special conceput.

În URSS, primul reactor industrial cu neutroni rapidi BN-350 a fost inițial planificat să fie lansat pe combustibil MOX, a început să funcționeze în 1973 în Aktau și a funcționat cu succes până în 1999.

A doua unitate de putere a fost instalată la CNE Beloyarsk în 1980 ( BN-600 ) și a funcționat fără probleme până în prezent, în 2010 durata de viață a fost prelungită cu 10 ani, în 2020 a fost prelungită cu încă 5 ani.

În același loc, pe 10 decembrie 2015 a fost dat în funcțiune un reactor de nouă generație, BN-800 ; De asemenea, inițial a fost planificat să fie lansat pe combustibil MOX, dar nu a existat nicio producție a acestui combustibil, iar până în 2010, când combustibilul ar trebui să fie încărcat în reactor, acesta nu era gata. Apoi proiectantului i s-a dat o sarcină urgentă: să înlocuiască zona de proiectare MOX cu una mixtă, unde o parte din ansambluri ar conține combustibil uraniu. Abia în septembrie 2022, reactorul BN-800 al Unității 4 a CNE Beloyarsk a fost adus pentru prima dată la capacitate maximă, fiind încărcat complet cu combustibil MOX oxid uraniu-plutoniu [16] .

Datorită lansării acestui reactor, Rusia își poate îndeplini obligațiile în temeiul acordului ruso-american de eliminare a plutoniului din 2000, care prevede conversia a 34 de tone de încărcături nucleare în combustibil pentru centralele nucleare. În prezent, Rusia ocupă primul loc în lume în dezvoltarea tehnologiilor pentru construcția de reactoare cu neutroni rapidi. Proiectarea reactoarelor BREST și SVBR
se concentrează, de asemenea, pe posibilitatea utilizării combustibilului MOX .

Consumul

Principalii consumatori de combustibil MOX sunt Japonia (10 reactoare licențiate) și țările UE (40 de reactoare licențiate).

Doar patru unități din Statele Unite sunt proiectate pentru încărcare MOX completă, trei unități System-80 PWR la cea mai mare centrală nucleară din țară, Palo Verde ( Tonopah , Arizona ) și o unitate în construcție în statul Washington [17] . Niciun reactor din SUA nu a fost autorizat în 2007 [18] .

Aproximativ 40 de reactoare termice din Europa ( Belgia , Elveția , Germania, Franța) sunt autorizate să utilizeze o combinație de combustibil convențional și MOX [12] și alte 30 sunt în proces de autorizare. De fapt, multe dintre ele pot avea aproximativ o treime din combustibilul MOX, dar unele pot funcționa cu 50% MOX. Înainte de dezastrul de la Fukushima , Japonia plănuia să înceapă să folosească MOX într-o treime din reactoarele sale (inițial până în 2010) și a aprobat un plan de construire a unei unități ABWR folosind până la 100% MOX la centrala nucleară Oma .

Începând cu 2017, MOX a reprezentat 5% din tot combustibilul nuclear nou produs din lume; pentru Franța, această cifră a ajuns la 10% [19] .

Potrivit Asociației Mondiale Nucleare , peste 2.000 de tone de combustibil MOX au fost folosite în reactoarele comerciale de-a lungul istoriei, dar 1,6 milioane de tone de uraniu sărăcit au fost acumulate în depozitele din întreaga lume. Numai pe aceste rezerve, excluzând combustibilul nuclear uzat , reactoarele cu neutroni rapidi pot asigura nivelul actual al consumului mondial de energie pentru 326 de ani.

Comerț internațional

În 2022, Rosatom a efectuat prima furnizare internațională de combustibil MOX. Este destinat reactorului CFR-600 de la CNE Xiapu și a fost produs în baza unui contract din 2018 [20] .

Combustibil MOX de toriu

Combustibilul MOX care conține oxizi de toriu și plutoniu este, de asemenea, testat [21] .

Reutilizarea combustibilului MOX

Conținutul de plutoniu nears în combustibilul MOX uzat din reactoarele termice este semnificativ - mai mult de 50% din încărcătura inițială de plutoniu. Cu toate acestea, în timpul arderii MOX, raportul dintre izotopi fisionali (impari) și nefisionali (pari) scade de la aproximativ 65% la 20%, în funcție de ardere. Acest lucru face dificilă orice încercare de extragere a izotopilor fisionali. Un astfel de combustibil uzat este mai dificil de procesat pentru reutilizarea ulterioară a plutoniului. Procesarea regulată a combustibilului MOX uzat în două faze este dificilă din cauza solubilității scăzute a PuO 2 în acid azotic [22] .

Începând cu 2015, singura demonstrație a combustibilului dublu reprocesat a avut loc la reactorul cu neutroni rapidi Phoenix [22] .

Vezi și

Note

  1. ↑ Burakov, BE; Ojovan, M.I.; Lee, W.E. Materiale cristaline pentru imobilizarea actinidei  . — Londra: Imperial College Press, 2010. — P. 198.
  2. ↑ 1 2 3 Rusia face următorii pași pentru a trece la un ciclu închis al combustibilului nuclear (legătură inaccesibilă) . Site-ul oficial al companiei Rosatom . www.rosatominternational.com (29 noiembrie 2016). Preluat la 17 decembrie 2019. Arhivat din original la 17 decembrie 2019. 
  3. ↑ Ogioasele militare ca sursă de combustibil nuclear . Data accesului: 28 iulie 2010. Arhivat din original pe 24 februarie 2013.
  4. ↑ Programul MOX din SUA dorea o securitate relaxată la instalația de plutoniu de calitate pentru arme - IPFM Blog . Consultat la 5 decembrie 2013. Arhivat din original la 11 decembrie 2013.
  5. ↑ Manipularea materialelor nucleare de calitate pentru arme eliberate în timpul reducerii armelor nucleare: probleme și soluția lor Copie de arhivă din 12 decembrie 2013 pe Wayback Machine // Rezumate ale prelegerii lui V. I. Rybachenkov (Consilier al Departamentului pentru Securitate și Dezarmare a Ministerul rus de Externe), a avut loc la 4 aprilie 2002 la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova
  6. ↑ Plutoniul „arde” în LWR  -uri . - „Plutoniul actual reprocesat (combustibil burn-up 35-40 MWd/kg HM) are un conținut de fisionat de aproximativ 65%, restul este în principal Pu-240”. Consultat la 5 decembrie 2013. Arhivat din original la 13 ianuarie 2012.
  7. ↑ PERFORMANȚA COMBUSTIBILULUI MOX DIN  PROGRAME DE NEPROLIFERARE . — 2011 Reactor de apă Reuniunea de performanță a combustibilului Chengdu, China, sept. 11-14, 2011.
  8. ↑ Plutoniu -> Plutoniu și arme  (ing.) . Asociația Nucleară Mondială (martie 2012). - „De aceea, plutoniul „de calitate pentru arme” este fabricat în reactoare speciale de producție prin arderea combustibilului natural cu uraniu în limita a aproximativ 100 MWd/t (efectiv trei luni), în loc de cei 45.000 MWd/t tipici reactoarelor de putere LWR. Permiterea combustibilului să rămână mai mult timp în reactor crește concentrația izotopilor superiori ai plutoniului, în special izotopul Pu-240. Pentru utilizarea armelor, Pu-240 este considerat un contaminant grav, datorită emisiilor mai mari de neutroni și producției mai mari de căldură. Nu este fezabilă separarea Pu-240 de Pu-239. Un dispozitiv exploziv ar putea fi fabricat din plutoniu extras din combustibilul reactorului cu ardere redusă (adică dacă combustibilul ar fi fost folosit doar pentru o perioadă scurtă de timp), dar orice proporție semnificativă de Pu-240 din el l-ar face periculos pentru producătorii de bombe, precum și probabil nesigur și imprevizibil. Plutoniul tipic „de calitate pentru reactor” recuperat din reprocesarea combustibilului uzat pentru reactoare de putere are aproximativ o treime izotopi nefisionali (în principal Pu-240)d.”. Preluat la 5 decembrie 2013. Arhivat din original la 18 august 2015.
  9. ↑ 1 2 Despre cooperarea internațională a Rusiei în domeniul eliminării excesului de plutoniu de calitate pentru arme Copie de arhivă din 11 decembrie 2013 pe Wayback Machine  - informații de referință ale Ministerului Afacerilor Externe al Federației Ruse , 11-03-2001: „plutoniu de calitate pentru arme, caracterizat printr-un conținut foarte mare (peste 90%) de izotop fisionabil PU -239 și un conținut scăzut de izotop PU-240 (până la 5%) Prezența acestuia din urmă în proporții mari complică semnificativ. sarcina de a proiecta un focos fiabil cu caracteristicile dorite (putere nominală, siguranță în timpul depozitării pe termen lung etc.) datorită emisiei spontane semnificative de neutroni a acestui izotop... plutoniu „civil”, separat în timpul prelucrării (reprocesării) a Combustibil uzat din reactoarele nucleare ale centralelor nucleare și caracterizat printr-un raport mediu al conținutului de izotopi 239 și 240 60% până la 40%.... Orice informații despre utilizarea plutoniului „civil” pentru fabricarea focoaselor nucleare în aer liber nu este disponibil în literatură… Glosarul AIEA de garanții (3) se referă la oricare lutoniu. la material de utilizare directă (material nuclear care poate fi transformat în componente ale dispozitivelor explozive nucleare fără transmutare sau îmbogățire suplimentară). …”
  10. ↑ Plutoniu -> Plutoniu și arme  (ing.) . Asociația Nucleară Mondială (martie 2012). — „Agenția Internațională pentru Energie Atomică (AIEA) este conservatoare în această chestiune, astfel încât, în scopul aplicării măsurilor de salvgardare AIEA, tot plutoniul. este definit de AIEA ca un material de „utilizare directă”, adică „material nuclear care poate fi utilizat pentru fabricarea componentelor explozivilor nucleari fără transmutare sau îmbogățire ulterioară”. Definiția „utilizare directă” se aplică și plutoniului care a fost încorporat în combustibilul MOX comercial, care, ca atare, cu siguranță nu a putut fi făcut să explodeze.” Preluat la 5 decembrie 2013. Arhivat din original la 18 august 2015.
  11. ↑ Definiția materialului de utilizare directă  31. AIEA. Data accesului: 5 decembrie 2013. Arhivat din original la 18 februarie 2012.
  12. ↑ 1 2 3 Opțiuni de plutoniu NDA  (nedefinite) . – Autoritatea de dezafectare nucleară, 2008. - august. Arhivat din original pe 25 mai 2011.
  13. ↑ 1 2 Expert: Rosatom a făcut un pas către stăpânirea tehnologiilor energetice ale viitorului . RIA Novosti (27 august 2019). Preluat la 17 decembrie 2019. Arhivat din original la 3 decembrie 2019.
  14. ↑ Japonia dezvoltă un reactor de sodiu rapid cu rezistență seismică crescută . Energie atomică 2.0 (5 mai 2022). Data accesului: 18 mai 2022.
  15. ↑ Corporația chineză CGN a propus o opțiune alternativă pentru tranziția la închiderea ciclului combustibilului nuclear . Energie nucleară 2.0 (18 mai 2022). Data accesului: 18 mai 2022.
  16. ↑ Unitatea electrică de la CNE Beloyarsk a produs 100% din capacitatea sa pe „combustibilul viitorului” // 1prime.ru, 23 septembrie 2022
  17. ↑ „Swords into Plowshares: Canada Could Play Role Key in Transforming Nuclear Arms Material into Electricity”, arhivat 3 octombrie 2013. în The Ottawa Citizen (22 august 1994): „Patru LWR-uri existente în SUA (trei operaționale la Palo Verde în Arizona și unul cu 75 la sută complet în statul Washington) au fost proiectate să utilizeze MOX în 100 la sută din nucleele lor”
  18. ↑ Energia nucleară: principii, practici și perspective / David Bodansky. - P. 217. - ISBN 9780387269313 .
  19. ↑ MOX, Combustibil cu oxid mixt - World Nuclear Association . world-nuclear.org . Preluat: 23 mai 2022.
  20. ↑ Rosatom a trimis primul lot de combustibil în China . smotrim.ru . Preluat: 3 octombrie 2022.
  21. ↑ Începe testul Thorium , World Nuclear News (21 iunie 2013). Preluat la 21 iulie 2013.
  22. ↑ 1 2 Burakov, B.E. Crystalline Materials for Actinide Immobilization / B.E. Burakov, M.I. Ojovan, W.E. Lee. - Londra: Imperial College Press, 2010. - P. 58.

Link -uri