Смешанное оксидное топливо (MOX): состав, применение и риски

Введение

Тип ядерного топлива

Смешанное оксидное топливо, обычно называемое MOX-топливом, – это ядерное топливо, содержащее более одного оксида делящегося материала, как правило, состоящее из плутония, смешанного с природным ураном, переработанным ураном или обеднённым ураном. MOX-топливо является альтернативой низкообогащённому урану, используемому в легководных реакторах, которые преобладают в производстве ядерной энергии. Например, смесь, содержащая 7% плутония и 93% природного урана, ведёт себя схожим образом, хотя и не идентично, с низкообогащённым урановым топливом (3–5% урана-235). MOX обычно состоит из двух фаз – UO2 и PuO2, и/или однофазного твердого раствора (U,Pu)O2. Содержание PuO2 может варьироваться от 1,5 мас.% до 25–30 мас.% в зависимости от типа ядерного реактора. Одним из преимуществ MOX-топлива является возможность использования избыточного плутония оружейного качества, что является альтернативой его хранению, которое требует обеспечения защиты от риска кражи для использования в ядерном оружии. С другой стороны, некоторые исследования предупреждают, что нормализация глобального коммерческого использования MOX-топлива и связанное с этим расширение ядерной переработки не уменьшит, а увеличит риск распространения ядерного оружия, стимулируя увеличение отделения плутония от отработавшего ядерного топлива в цикле ядерного топлива.

Обзор

В каждом ядерном реакторе на основе урана происходит как деление изотопов урана, таких как уран-235, так и образование новых, более тяжелых изотопов в результате захвата нейтронов, преимущественно ураном-238. Большая часть массы топлива в реакторе приходится на уран-238. В результате захвата нейтрона и двух последовательных бета-распадов уран-238 превращается в плутоний-239, который, в свою очередь, при последовательном захвате нейтронов становится плутонием-240, плутонием-241, плутонием-242 и (после дальнейших бета-распадов) другими трансплутониевыми или актинидными нуклидами. Плутоний-239 и плутоний-241 являются делящимися, как и уран-235. Небольшие количества урана-236, нептуния-237 и плутония-238 образуются аналогичным образом из урана-235. Как правило, при замене топлива из низкообогащенного урана каждые пять лет или около того, большая часть плутония-239 "сгорает" в реакторе. Он ведет себя как уран-235, с несколько большим сечением деления, и его деление высвобождает сопоставимое количество энергии. Обычно плутоний составляет около одного процента отработавшего топлива, выгружаемого из реактора, причем около двух третей этого плутония приходится на плутоний-239. Во всем мире ежегодно образуется почти 100 тонн плутония в отработавшем топливе. Переработка плутония в пригодное для использования топливо увеличивает энергию, полученную из исходного урана, примерно на 12%, а при повторном обогащении урана-235 этот показатель достигает около 20%. В настоящее время плутоний перерабатывается и используется только один раз в качестве топлива MOX; отработавшее топливо MOX с высоким содержанием минорных актинидов и изотопов плутония хранится как отходы. Существующие ядерные реакторы должны быть перелицензированы перед введением топлива MOX, поскольку его использование изменяет рабочие характеристики реактора, и установка должна быть соответствующим образом спроектирована или адаптирована; например, может потребоваться больше управляющих стержней. Часто на топливо MOX переводится лишь треть или половина загрузки, но для загрузки MOX более чем на 50% необходимы существенные изменения, и реактор должен быть спроектирован с учетом этого. Конструкция реактора "Система 80", в частности, используемая на атомной электростанции Пало-Верде вблизи Феникса, штат Аризона, была разработана для обеспечения 100% совместимости с MOX-ядрами, но до сих пор работала исключительно на свежем низкообогащенном уране. Теоретически, три реактора Пало-Верде могли бы использовать MOX, образующийся на семи реакторах с традиционным топливом каждый год, и больше не нуждались бы в свежем уранном топливе. Быстрые нейтронные реакторы БН-600 и БН-800 предназначены для 100% загрузки MOX. В 2022 году БН-800 был впервые полностью загружен топливом MOX. По данным Atomic Energy of Canada Limited (AECL), реакторы CANDU могут использовать 100% MOX-ядра без физической модификации. AECL сообщила комитету Национальной академии наук США по утилизации плутония, что имеет большой опыт испытаний топлива MOX, содержащего от 0,5 до 3% плутония.

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.

Использованное топливо MOX

Содержание несгоревшего плутония в отработавшем MOX-топливе из тепловых реакторов значительно – более 50% от первоначальной загрузки плутония. Однако в процессе облучения MOX соотношение делящихся (изотопов с нечетной массой) к неделящимся (изотопов с четной массой) изотопов снижается примерно с 65% до 20%, в зависимости от степени выгорания. Это затрудняет извлечение делящихся изотопов, и любая значительная масса извлеченного плутония потребует настолько высокой концентрации плутония в MOX-топливе второго поколения, что это будет нецелесообразно. Это означает, что повторная переработка такого отработавшего топлива для дальнейшего использования (облучения) плутония будет сложной задачей. Регулярная переработка двуфазного отработавшего MOX затруднена из-за низкой растворимости PuO2 в азотной кислоте. По состоянию на 2015 год единственным подтвержденным случаем повторного использования топлива с высоким выгоранием являлось облучение в быстром реакторе Phénix.

Текущие приложения

Переработка коммерческого ядерного топлива для производства MOX осуществляется во Франции и в меньшей степени в России, Индии и Японии. В Великобритании установка THORP работала с 1994 по 2018 год. Китай планирует развивать реакторы на быстрых нейтронах и переработку отработавшего топлива. Переработка отработавшего ядерного топлива коммерческих реакторов не допускается в Соединенных Штатах из-за соображений нераспространения ядерного оружия. Германия планировала строительство завода по переработке в Вакерсдорфе, но поскольку это не было реализовано, она вместо этого использовала возможности Франции по переработке ядерного топлива, пока в 2005 году юридически не запретила транспортировку немецкого отработавшего топлива на переработку. В Соединенных Штатах строился завод по производству MOX-топлива на объекте Саванна-Ривер в Южной Каролине. Хотя Tennessee Valley Authority (TVA) и Duke Energy проявили интерес к использованию MOX-топлива для реакторов, полученного в результате переработки плутония оружейного качества, TVA (в настоящее время наиболее вероятный заказчик) заявила в апреле 2011 года, что отложит принятие решения, пока не увидит результаты работы MOX-топлива в условиях ядерной аварии на Фукусиме Дайичи. В мае 2018 года Министерство энергетики сообщило, что для завершения строительства завода потребуется еще 48 миллиардов долларов, в дополнение к уже потраченным 7,6 миллиарда долларов. Строительство было отменено.

Тепловые реакторы

Большинство современных тепловых реакторов, использующих топливо с высоким обогащением оксида урана, производят довольно значительную долю своей энергии к концу срока службы активной зоны за счет деления плутония, образовавшегося в результате захвата нейтронов ядром урана-238 на более ранних этапах эксплуатации. Таким образом, добавление некоторого количества оксида плутония в топливо при его изготовлении не является принципиально радикальным шагом. Около 30 тепловых реакторов в Европе (Бельгия, Нидерланды, Швейцария, Германия и Франция) используют MOX-топливо, и еще 20 имеют лицензию на его использование. Большинство реакторов используют его примерно в качестве трети активной зоны, но некоторые способны принимать до 50% MOX-сборок. Во Франции EDF планирует, чтобы все реакторы мощностью 900 МВт работали как минимум на одной трети MOX-топлива. Япония планировала, чтобы к 2010 году одна треть ее реакторов использовала MOX-топливо, и одобрила строительство нового реактора с полной загрузкой MOX-топливом. По состоянию на 2011 год MOX-топливо обеспечивало около 2% от общего объема используемого ядерного топлива. Согласно норвежскому исследованию, "реактивность пустот теплоносителя в топливе на основе тория и плутония отрицательна при содержании плутония до 21%, в то время как для MOX-топлива этот показатель составляет 16%". Авторы пришли к выводу, что "торий-плутониевое топливо, по-видимому, обладает некоторыми преимуществами по сравнению с MOX-топливом с точки зрения эффективности регулирующих стержней и бора, CVR и расхода плутония".