Қоспалы оксидті отын: Ядролық отынның түрі және қолданылуы

Кіріспе

Ядролық отынның түрі

Аралас оксидтік отын, көбінесе MOX отын деп аталады, – бұл бөлінетін материалдардың бірнеше оксидін қамтитын ядролық отын, әдетте табиғи уранмен, қайта өңделген уранмен немесе қысқартылған уранмен қосылған плутонийден тұрады. MOX отын – ядролық энергия өндірісінде басымдық құрайтын жеңіл су реакторларында қолданылатын аз байытылған уран отынына балама болып табылады. Мысалы, 7% плутоний және 93% табиғи уран қоспасы аз байытылған уран отынына (3-5% уран-235) ұқсас, бірақ толықтай сәйкес келмейді. MOX әдетте екі фазадан – UO2 және PuO2, және/немесе бір фазалы қатты ерітіндіден (U,Pu)O2 тұрады. PuO2 құрамы ядролық реактордың түріне байланысты 1,5 салмақтық %-дан 25–30 салмақтық %-ға дейін өзгеруі мүмкін. MOX отынының бір артықшылығы – ол қару сапасындағы артық плутонийді пайдаланудың жолы болып табылады, бұл артық плутонийді сақтаудың баламасы, оны ядролық қару жасау үшін ұрлау қаупінен қорғау қажет. Екінші жағынан, кейбір зерттеулер MOX отынының жаһандық коммерциялық қолданысын қалыпқа келтіру және ядролық қайта өңдеуді кеңейту ядролық қару тарату қаупін азайтудың орнына арттырады деп ескертеді, себебі бұл азаматтық ядролық отын циклінде пайдаланылған отыннан плутонийді бөліп алуды ынталандырады.

Шолу

Әрбір уран негізді ядролық реактордың активтік аймағында уранның 235 сияқты изотоптарының бөлінуі де, негізінен уранның 238-імен нейтронды ұстау нәтижесінде жаңа, ауыр изотоптардың түзілуі де болады. Реактордағы отын массасының басым бөлігі уран-238 құрайды. Нейтронды ұстау және екі рет бета-бөліну арқылы уран-238 плутоний-239-ға айналады, ал ол өз кезегінде нейтронды бірінен соң бірі ұстау арқылы плутоний-240, плутоний-241, плутоний-242 және (кейін бета-бөлінуден кейін) басқа да трансурандық немесе актинидтік нуклидтерге айналады. Плутоний-239 және плутоний-241 уран-235 сияқты бөлінеді. Уран-236, нептуний-237 және плутоний-238-дің шағын мөлшерлері де уран-235-тен ұқсас жолмен түзіледі. Әдетте, аздап байытылған уран отыны бес жыл сайын ауыстырылатын болғандықтан, плутоний-239-дың көп бөлігі реакторда "күйіп" кетеді. Ол уран-235 сияқты қасиет көрсетеді, бөліну кесіндісі сәл жоғары, ал бөлінуінен шамамен бірдей энергия бөлінеді. Реактордан шығарылатын өтелген отынның шамамен 1 пайызы плутоний, ал оның үштен екі бөлігі плутоний-239. Әлем бойынша жыл сайын шамамен 100 тонна плутоний пайда болады. Плутонийді қайта өңдеу пайдалы отынға айналдырады, бұл бастапқы ураннан алынған энергияны шамамен 12%-ға арттырады, ал уран-235 қайта байытылса, бұл көрсеткіш шамамен 20%-ға жетеді. Қазіргі уақытта плутоний тек бір рет қайта өңделіп, MOX отыны ретінде қолданылады; аз актинидтер мен плутоний изотоптарының үлкен үлесі бар өтелген MOX отыны қалдық ретінде сақталады. MOX отынын пайдалануға рұқсат беру үшін қолданыстағы ядролық реакторларды қайта лицензиялау қажет, себебі ол реактордың жұмыс сипаттамаларын өзгертеді, сондай-ақ станция оны қабылдауға немесе сәл бейімделуге тиіс; мысалы, қосымша басқару таяқшалары қажет болуы мүмкін. Көбінесе отын жүктемесінің үштен бірі ғана MOX-қа ауыстырылады, бірақ 50%-дан астам MOX жүктемесі үшін маңызды өзгерістер қажет, ал реакторды оған сәйкес жобалау қажет. System 80 реакторының дизайны, атап айтқанда АҚШ-тың Аризона штатындағы Финикс қаласының жанындағы Пало-Верде ядролық электр стансасында орналасқан, 100% MOX ядролық үйлесімділігін қамтамасыз етеді, бірақ ол әзірге әрқашан жаңа аздап байытылған уранмен жұмыс істеп келеді. Теориялық тұрғыдан алғанда, Пало-Вердедегі үш реактор жылына жеті дәстүрлі отынмен жұмыс істейтін реакторлардан түсетін MOX-ты пайдалана алады және енді жаңа уран отынына мұқтаж болмайды. BN 600 және BN 800 жылдам нейтронды реакторлары 100% MOX жүктемесі үшін жобаланған. 2022 жылы BN 800 алғаш рет MOX отынымен толық толтырылды. Atomic Energy of Canada Limited (AECL) компаниясының мәлімдемесіне сәйкес, CANDU реакторлары физикалық өзгертулерсіз 100% MOX ядроларын пайдалана алады. AECL Америка Құрама Штаттарының Ұлттық ғылым академиясының плутонийді кәдеге жарату жөніндегі комитетіне 0,5-тен 3%-ға дейін плутоний қамтитын MOX отынын сынау бойынша мол тәжірибесі бар екенін хабарлады.

In every uranium based nuclear reactor core there is both fission of uranium isotopes such as uranium 235, and the formation of new, heavier isotopes due to neutron capture, primarily by uranium 238. Most of the fuel mass in a reactor is uranium 238. By neutron capture and two successive beta decays, uranium 238 becomes plutonium 239, which, by successive neutron capture, becomes plutonium 240, plutonium 241, plutonium 242, and (after further beta decays) other transuranic or actinide nuclides. Plutonium 239 and plutonium 241 are fissile, like uranium 235. Small quantities of uranium 236, neptunium 237 and plutonium 238 are formed similarly from uranium 235. Normally, with low enriched uranium fuel being changed every five years or so, most of the plutonium 239 is "burned" in the reactor. It behaves like uranium 235, with a slightly higher cross section for fission, and its fission releases a similar amount of energy. Typically, about one percent of the spent fuel discharged from a reactor is plutonium, and some two thirds of the plutonium is plutonium 239. Worldwide, almost 100 tonnes of plutonium in spent fuel arises each year. Reprocessing the plutonium into usable fuel increases the energy derived from the original uranium by some 12%, and if the uranium 235 is also recycled by re enrichment, this becomes about 20%. Currently plutonium is only reprocessed and used once as MOX fuel; spent MOX fuel, with a high proportion of minor actinides and plutonium isotopes, is stored as waste. Existing nuclear reactors must be re licensed before MOX fuel can be introduced because using it changes the operating characteristics of a reactor, and the plant must be designed or adapted slightly to take it; for example, more control rods are needed. Often only a third to half of the fuel load is switched to MOX, but for more than 50% MOX loading, significant changes are necessary and a reactor needs to be designed accordingly. The System 80 reactor design, notably deployed at the U. S. Palo Verde Nuclear Generating Station near Phoenix, Arizona, was designed for 100% MOX core compatibility, but so far has always operated on fresh low enriched uranium. In theory, the three Palo Verde reactors could use the MOX arising from seven conventionally fueled reactors each year and would no longer require fresh uranium fuel. Fast neutron BN 600 and BN 800 reactors are designed for 100% MOX loading. In 2022, the BN 800 was fully loaded with MOX fuel for the first time. According to Atomic Energy of Canada Limited (AECL), CANDU reactors could use 100% MOX cores without physical modification. AECL reported to the United States National Academy of Sciences committee on plutonium disposition that it has extensive experience in testing the use of MOX fuel containing from 0.5 to 3% plutonium.

Пайдаланылған MOX отын

Термиялық реакторлардан алынған пайдаланылған MOX отынындағы жанып үлкермеген плутонийдің мөлшері бастапқы плутоний жүктемесінің 50%-дан жоғары. Дегенмен, MOX отынының жану барысында бөлінетін (тақ санмен белгіленетін) изотоптардың бөлінбейтін (жұп санмен белгіленетін) изотоптарға қатынасы, жану деңгейіне байланысты шамамен 65%-дан 20%-ға дейін төмендейді. Бұл бөлінетін изотоптарды қайта алуға кез келген тырысқанның қиындық тудырады, ал көп мөлшерде алынған плутонийді екінші буын MOX отынында қолдану үшін оның үлесі тым жоғары болуы керек, бұл практикалық емес. Демек, мұндай пайдаланылған отынды плутонийді қайта пайдалану (жағу) үшін қайта өңдеу қиынға соғады. Екі фазалы пайдаланылған MOX отынын тұрақты түрде қайта өңдеу қиын, себебі PuO2 азот қышқылында нашар ериді. 2015 жылға дейін екі рет қайта өңделген, жоғары жану деңгейлі отынды тек Phénix жылдам реакторында көрсетуге қол жеткізілді.

Қазіргі қолданылулары

MOX жасау үшін коммерциялық ядролық отынды қайта өңдеу Францияда және аздап Ресейде, Үндістанда және Жапонияда жүзеге асырылады. Ұлыбританияда THORP 1994 жылдан 2018 жылға дейін жұмыс істеді. Қытай жылдам көбейту реакторларын және қайта өңдеуді дамытуды жоспарлап отыр. Ядролық қаруды таратпау мақсатында АҚШ-та пайдаланылған коммерциялық реактордың ядролық отынын қайта өңдеуге рұқсат берілмейді. Германияда Вакерсдорфта қайта өңдеу зауытын салу жоспарланған, бірақ ол іске аспағандықтан, 2005 жылы неміс пайдаланылған отынын қайта өңдеу үшін Францияға тасымалдау заңмен тыйым салынғанша француз ядролық қайта өңдеу мүмкіндіктеріне сүйенді. АҚШ Оңтүстік Каролина штатындағы Саванна өзені маңында MOX отын зауытын салып жатқан еді. Теннесси өңірлік электр станциясы (TVA) және Duke Energy қару сапасындағы плутонийді конверсиялау арқылы алынған MOX реактор отынын пайдалануға қызығушылық танытты, бірақ TVA (қазіргі таңда ең мүмкін клиент) 2011 жылдың сәуір айында Фукусима Дайичидегі ядролық апатта MOX отынының қалай жұмыс істегенін көргенге дейін шешімді кейінге қалдыратынын мәлімдеді. 2018 жылдың мамыр айында Энергетика департаменті зауытты аяқтау үшін бұрын жұмсалған 7,6 миллиард доллардан өзге тағы 48 миллиард доллар қажет екенін хабарлады. Құрылыс тоқтатылды.

Термиялық реакторлар

Қазіргі заманғы термиялық реакторлардың көпшілігі жоғары күйдірілген уран оксиді отынын пайдаланады, олардың өнімінің маңызды бөлігі реактордың өмірінің соңына қарай, оның басында уран-238-де нейтрон тұтқындауы арқылы түзілген плутонийдің бөлінуінен шығады. Сондықтан, отын өндірісінде плутоний оксидін қосу принципі бойынша аса радикалды қадам емес. Еуропадағы 30-ға жуық термиялық реактор (Бельгия, Нидерланды, Швейцария, Германия және Франция) MOX отынын қолданады, ал тағы 20-сына лицензия берілген. Көптеген реакторлар өз өзегінің үштен бір бөлігінде оны пайдаланады, бірақ кейбіреулері 50% дейін MOX жиынтығын қабылдай алады. Францияда EDF компаниясы барлық 900 МВт электр станцияларын кем дегенде үштен бір бөлігі MOX отынымен жұмыс істеуге бағытталған. Жапония 2010 жылға қарай реакторларының үштен бір бөлігін MOX отынымен пайдалануды жоспарлап, MOX отынымен толық жүктелген жаңа реактор құрылысын мақұлдады. 2011 жылғы мәліметтер бойынша, MOX жалпы қолданылған ядролық отынның шамамен 2% құрайды. Норвегиялық зерттеуге сәйкес, «торий-плутоний отыны үшін салқындатқыш кеңістіктің реактивтілігі плутонийдің 21% дейінгі мөлшерінде теріс, ал MOX отыны үшін бұл көрсеткіш 16%» болып табылады. Авторлар «Торий-плутоний отыны MOX отынына қарағанда басқару таяқшалары мен бордың тиімділігі, CVR және плутоний тұтынуы тұрғысынан бірнеше артықшылықтар ұсынады» деген қорытынды жасады.