Palivo MOX

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 8. prosince 2020; kontroly vyžadují 42 úprav .

Palivo MOX ( Mixed -Oxide  fuel ) je jaderné palivo obsahující několik druhů oxidů štěpných materiálů. V zásadě je tento termín aplikován na směs oxidů plutonia a přírodního uranu , obohaceného uranu nebo ochuzeného uranu , která se chová ve smyslu řetězové reakce podobně (i když ne identicky) jako málo obohacený oxid uranu. MOX lze použít jako přídavné palivo pro nejběžnější typ jaderných reaktorů : lehkou vodu na tepelných neutronech . Efektivnějším využitím paliva MOX je však spalování v reaktorech s rychlými neutrony [1] . Prioritou ve vývoji takových reaktorů je Rusko [2] .

Charakteristika

Využití přepracování VJP a využití separovaného plutonia ve formě paliva MOX v tepelných reaktorech umožňuje snížit potřebu uranu až o 30 %.

Obsah oxidu plutonia v MOX se pohybuje od 1,5 do 25-30 % hmotn.

Jednou z atraktivních vlastností paliva MOX je to, že jeho výroba může nevratně likvidovat přebytky zbrojního plutonia , které by jinak bylo radioaktivním odpadem [3] [4] [5] nebo by mohlo být použito k výrobě jaderných zbraní. S takovou likvidací se počítalo podle dohody o likvidaci plutonia mezi Spojenými státy a Ruskem, ale neprováděla se ve významných objemech.

Palivo MOX lze také získat zpracováním ozářeného paliva z energetických reaktorů jaderných elektráren . V procesu přepracování se z něj uvolňují izotopy plutonia, například pro palivo po dostatečně dlouhé kampani, téměř dvě třetiny jsou izotopy Pu-239 a Pu-241 (štěpné v tepelných neutronových reaktorech) a asi třetina - Pu-240 [6] [ 7] . Vzhledem k tak vysokému obsahu izotopu 240 nelze plutonium získané přepracováním použít k výrobě spolehlivých a předvídatelných jaderných zbraní [8] [9] . MAAE se přitom drží konzervativních zásad a požaduje pro takové plutonium (i jako součást směsi MOX) stejně vysokou úroveň ochrany jako pro materiály přímého použití ( anglicky  direct use material ), například obohacené plutonium, uran-233, vysoce obohacený uran 235 [10] [9] [11] .

Plutonium tvoří asi 1 % ozářeného jaderného paliva. Přibližný poměr izotopů: Pu-239 52 %, Pu-240 24 %, Pu-241 15 %, Pu-242 6 %, Pu-238 2 %. Všechny z nich jsou buď štěpné materiály , nebo mohou být přeměněny na štěpné materiály prostřednictvím procesu transmutace. Například Pu-242 vyžaduje tři neutrony, aby se stal Curium - 245 [12] .

V tepelných neutronových reaktorech lze dosáhnout 30% spálení plutonia ze složení paliva MOX [12] .

Mezi nevýhody jeho použití patří nestabilnější stav paliva, mnohem přísnější požadavky na chlazení a režimy řízení reaktoru.

Použití paliva MOX umožňuje recyklovat vyhořelé „palivo“ a vyrábět nové směsné uran-plutoniové palivo, ve kterém se množství energie, kterou lze získat z přírodního uranu, zvýší asi 100krát. Zároveň se po zpracování VJP mnohonásobně sníží množství radioaktivních odpadů podléhajících zvláštnímu zpracování a ukládání. Reaktory s rychlými neutrony jsou také schopny „spálit“ radioaktivní štěpné produkty s dlouhou životností (s dobou rozpadu až tisíce a stovky tisíc let) a přeměnit je na krátkodobé s poločasem rozpadu 200-300 let, poté mohou být bezpečně pohřbeny v souladu se standardními postupy a nenaruší přirozenou radiační bilanci Země [2] .

Výroba

Významným výrobcem paliva MOX je francouzský závod Melox, který ročně uvádí na trh 195 tun produktu.

Rosatom zahájil průmyslovou výrobu paliva MOX v září 2015 ve svém těžařském a chemickém závodě Železnogorsk . Projektovaná kapacita startovacího komplexu je 400 palivových souborů ročně a měla být dosažena v roce 2019, skutečná průmyslová výroba však začala již v srpnu 2018, kdy byla do Bělojarské JE odeslána první sériová dávka palivových souborů [ 13] . V těžebním a chemickém závodě se bude jaderné palivo vyrábět z recyklovaných materiálů, včetně vysoce aktivního plutonia. Na zahájení této výroby se podílelo více než 20 podniků jaderného průmyslu Ruska.
Palivo MOX se vyrábí v Rusku a v poloprovozních závodech dalších podniků Rosatomu: RIAR (Dimitrovgrad, Uljanovská oblast) a Sdružení výroby Mayak (ZATO Ozersk, Čeljabinská oblast) [13] .

Další země rovněž pracují na zavedení paliva MOX do palivového cyklu svých jaderných elektráren. Šestý strategický energetický plán Japonska , přijatý v říjnu 2021, počítá s dalším používáním paliva MOX v lehkovodních reaktorech. Zajišťuje také pokračování prací na výrobě paliva MOX v závodě Rokkasho [14] .

Navzdory tomu, že priority Číny v této oblasti nejsou zcela formulovány, otázka perspektiv výroby a dalšího využití paliva MOX je považována za vyřešenou a o prioritách jeho využití se diskutuje [15] .

Aplikace

Palivo MOX bylo poprvé testováno v roce 1963[ kde? ] , ale začalo jeho široké komerční využití v tepelných reaktorech[ kde? ] teprve v 80. letech [2] . Použití paliva MOX ve stávajících reaktorech vyžaduje samostatné licencování, někdy je nutná určitá úprava reaktorů, například zavedení více regulačních tyčí. Palivo MOX často tvoří třetinu až polovinu veškerého paliva, protože velká množství vyžadují výrazné úpravy nebo speciálně navržený reaktor.

V SSSR se původně plánovalo spuštění prvního průmyslového reaktoru s rychlými neutrony BN-350 na palivo MOX, provoz začal v roce 1973 v Aktau a úspěšně fungoval až do roku 1999.

Druhý energetický blok byl instalován na JE Bělojarsk v roce 1980 ( BN-600 ) a funguje bez problémů dodnes, v roce 2010 byla jeho životnost prodloužena o 10 let, v roce 2020 o dalších 5 let.

Na stejném místě byl 10. prosince 2015 uveden do provozu reaktor nové generace BN-800 ; původně se také počítalo s jeho spuštěním na palivo MOX, ale k výrobě tohoto paliva nedošlo a do roku 2010, kdy by bylo potřeba naložit palivo do reaktoru, nebylo připraveno. Poté dostal projektant naléhavý úkol: nahradit návrhovou MOX zónu smíšenou, kde by část sestav obsahovala uranové palivo. Teprve v září 2022 byl reaktor BN-800 4. bloku Bělojarské JE poprvé uveden na plnou kapacitu, plně zatížen oxidem uranovo-plutoniovým palivem MOX [16] .

Díky spuštění tohoto reaktoru může Rusko splnit své závazky vyplývající z rusko-americké dohody o likvidaci plutonia z roku 2000, která počítá s přeměnou 34 tun jaderných náloží na palivo pro jaderné elektrárny. V současnosti Rusko zaujímá první místo na světě ve vývoji technologií pro stavbu rychlých neutronových reaktorů. Konstrukce reaktorů BREST a SVBR
je zaměřena také na možnost využití paliva MOX .

Spotřeba

Hlavními spotřebiteli paliva MOX jsou Japonsko (licencováno 10 reaktorů) a země EU (licencováno 40 reaktorů).

Pouze čtyři bloky ve Spojených státech jsou navrženy pro plné zatížení MOX, tři bloky System-80 PWR v největší jaderné elektrárně v zemi Palo Verde ( Tonopah , Arizona ) a blok ve výstavbě ve státě Washington [17] . V roce 2007 nebyl licencován žádný reaktor v USA [18] .

Asi 40 tepelných reaktorů v Evropě ( Belgie , Švýcarsko , Německo, Francie) má licenci na používání kombinace konvenčního paliva a paliva MOX [12] a dalších 30 je v procesu licencování. Ve skutečnosti mnoho z nich může mít asi třetinu svého paliva MOX, ale některé mohou běžet na 50% MOX. Před katastrofou ve Fukušimě Japonsko plánovalo začít používat MOX ve třetině svých reaktorů (zpočátku do roku 2010) a schválilo plán výstavby bloku ABWR využívajícího až 100 % MOX v jaderné elektrárně Oma .

Od roku 2017 představoval MOX 5 % veškerého nově vyrobeného jaderného paliva na světě; u Francie toto číslo dosáhlo 10 % [19] .

Podle Světové jaderné asociace bylo v průběhu historie v komerčních reaktorech použito přes 2 000 tun paliva MOX, ale ve skladech po celém světě se nashromáždilo 1,6 milionu tun ochuzeného uranu. Pouze na těchto zásobách, vyjma vyhořelého jaderného paliva , mohou rychlé neutronové reaktory zajišťovat současnou úroveň světové spotřeby energie po dobu 326 let.

Mezinárodní obchod

V roce 2022 provedl Rosatom první mezinárodní dodávku paliva MOX. Je určen pro reaktor CFR-600 v JE Xiapu a byl vyroben na základě smlouvy z roku 2018 [20] .

Palivo Thorium MOX

Testuje se také palivo MOX obsahující oxidy thoria a plutonia [21] .

Opětovné použití paliva MOX

Významný je obsah nespáleného plutonia ve vyhořelém MOX palivu z tepelných reaktorů – více než 50 % původní zátěže plutonia. Při spalování MOX však poměr štěpných (lichých) k neštěpným (sudým) izotopům klesá z přibližně 65 % na 20 % v závislosti na vyhoření. To ztěžuje jakýkoli pokus o extrakci štěpných izotopů. Takové vyhořelé palivo se obtížněji zpracovává pro další opětovné použití plutonia. Pravidelné zpracování dvoufázového vyhořelého paliva MOX je obtížné kvůli nízké rozpustnosti PuO 2 v kyselině dusičné [22] .

V roce 2015 došlo k jedinému prokázání vysokého vyhoření dvakrát přepracovaného paliva v reaktoru s rychlými neutrony Phoenix [22] .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Burakov, BE; Ojovan, M.I.; Lee, W.E. Krystalické materiály pro imobilizaci aktinidu  . — London: Imperial College Press, 2010. — S. 198.
  2. ↑ 1 2 3 Rusko podniká další kroky k přechodu na uzavřený jaderný palivový cyklus (nedostupné spojení) . Oficiální stránky Rosatomu . www.rosatominternational.com (29. listopadu 2016). Staženo 17. prosince 2019. Archivováno z originálu 17. prosince 2019. 
  3. ↑ Vojenské hlavice jako zdroj jaderného paliva . Datum přístupu: 28. července 2010. Archivováno z originálu 24. února 2013.
  4. ↑ Americký program MOX chtěl uvolněnou bezpečnost v zařízení na výrobu plutonia pro zbraně - IPFM Blog . Získáno 5. prosince 2013. Archivováno z originálu 11. prosince 2013.
  5. ↑ Manipulace s jadernými materiály zbrojní kvality uvolněnými při redukci jaderných zbraní: problémy a jejich řešení Archivní kopie ze dne 12. prosince 2013 na Wayback Machine // Abstrakty přednášky V. I. Rybachenkova (poradce odboru pro bezpečnost a odzbrojení hl. ruského ministerstva zahraničí), která se konala dne 4. dubna 2002 na Moskevském institutu fyziky a technologie
  6. ↑ "Spalování" plutonia v LWR  . - "Současné přepracované plutonium (shoření paliva 35-40 MWd/kg HM) má štěpný obsah asi 65 %, zbytek je hlavně Pu-240." Získáno 5. prosince 2013. Archivováno z originálu 13. ledna 2012.
  7. ↑ VÝKON PALIVA MOX Z  PROGRAMŮ NEPROLIFERACE . — 2011 Water Reactor Fuel Performance Meeting Chengdu, Čína, září. 11-14, 2011.
  8. ↑ Plutonium -> Plutonium a zbraně  (angl.) . Světová jaderná asociace (březen 2012). „Plutonium „zbraňové kvality“ se tedy vyrábí ve speciálních produkčních reaktorech spalováním přírodního uranového paliva v rozsahu pouze asi 100 MWd/t (efektivně tři měsíce), namísto 45 000 MWd/t typických pro energetické reaktory LWR. Ponechání paliva déle v reaktoru zvyšuje koncentraci vyšších izotopů plutonia, zejména izotopu Pu-240. Pro použití ve zbraních je Pu-240 považován za závažnou kontaminaci kvůli vyšším emisím neutronů a vyšší produkci tepla. Není možné oddělit Pu-240 od ​​Pu-239. Výbušné zařízení by mohlo být vyrobeno z plutonia extrahovaného z paliva reaktoru s nízkým vyhořením (tj. pokud by palivo bylo použito pouze krátkou dobu), ale jakýkoli významný podíl Pu-240 v něm by byl nebezpečný pro výrobce bomb. stejně jako pravděpodobně nespolehlivé a nepředvídatelné. Typické plutonium 'reaktorové kvality' získané z přepracování použitého paliva v energetickém reaktoru má asi jednu třetinu neštěpných izotopů (hlavně Pu-240)d.". Získáno 5. prosince 2013. Archivováno z originálu 18. srpna 2015.
  9. ↑ 1 2 O mezinárodní spolupráci Ruska v oblasti likvidace přebytečného plutonia pro zbraně Archivní kopie ze dne 11. prosince 2013 na Wayback Machine  - referenční informace Ministerstva zahraničních věcí Ruské federace , 11-03-2001: „Plutonium zbraňové kvality, vyznačující se velmi vysokým (přes 90 %) obsahem štěpného izotopu PU-239 a nízkým obsahem izotopu PU-240 (až 5 %) Přítomnost posledně jmenovaného ve velkých podílech významně komplikuje úkol navrhnout spolehlivou hlavici s požadovanými charakteristikami (jmenovitý výkon, bezpečnost při dlouhodobém skladování atd.) díky významné spontánní neutronové emisi tohoto izotopu ... "civilního" plutonia, odděleného při zpracování (přepracování) vyhořelé palivo z jaderných reaktorů jaderných elektráren a vyznačuje se průměrným poměrem obsahu izotopů 239 a 240 60 % ku 40 %.... Jakékoli informace o použití „civilního“ plutonia pro výrobu jaderných hlavic v otevřeném prostoru není k dispozici v literatuře … Slovníček záruk IAEA (3) odkazuje na jakékoli lutonium. k přímému použití materiálu (jaderný materiál, který lze přeměnit na součásti jaderných výbušných zařízení bez transmutace nebo dodatečného obohacování). …"
  10. ↑ Plutonium -> Plutonium a zbraně  (angl.) . Světová jaderná asociace (březen 2012). — „Mezinárodní agentura pro atomovou energii (MAAE) je v této záležitosti konzervativní, takže pro účely uplatňování ochranných opatření MAAE veškeré plutonium. je Mezinárodní agenturou pro atomovou energii definováno jako materiál pro „přímé použití“, tj. „jaderný materiál, který lze použít pro výrobu součástí jaderných výbušnin bez transmutace nebo dalšího obohacování“. Definice „přímého použití“ se vztahuje také na plutonium, které bylo začleněno do komerčního paliva MOX, které jako takové rozhodně nemohlo explodovat.“ Získáno 5. prosince 2013. Archivováno z originálu 18. srpna 2015.
  11. ↑ Definice materiálu pro přímé použití  31. MAAE. Datum přístupu: 5. prosince 2013. Archivováno z originálu 18. února 2012.
  12. ↑ 1 2 3 NDA Plutonium Options  (neurčité) . – Úřad pro vyřazování jaderných zařízení z provozu, 2008. - srpen. Archivováno z originálu 25. května 2011.
  13. ↑ 1 2 Expert: Rosatom učinil krok k ovládnutí energetických technologií budoucnosti . RIA Novosti (27. srpna 2019). Získáno 17. prosince 2019. Archivováno z originálu dne 3. prosince 2019.
  14. ↑ Japonsko vyvíjí rychlý sodíkový reaktor se zvýšenou seismickou odolností . Atomová energie 2.0 (5. května 2022). Datum přístupu: 18. května 2022.
  15. ↑ Čínská korporace CGN navrhla alternativní variantu přechodu k uzavření jaderného palivového cyklu . Jaderná energie 2.0 (18. května 2022). Datum přístupu: 18. května 2022.
  16. ↑ Energetická jednotka v Bělojarské JE vyrobila 100 % své kapacity na „palivo budoucnosti“ // 1prime.ru, 23. září 2022
  17. ↑ „Meče na radlice: Kanada by mohla hrát klíčovou roli při transformaci materiálu z jaderných zbraní na elektřinu“, archivováno 3. října 2013. v The Ottawa Citizen (22. srpna 1994): "Čtyři existující LWR v USA (tři v provozu v Palo Verde v Arizoně a jeden ze 75 procent dokončený ve státě Washington) byly navrženy tak, aby využívaly MOX ve 100 procentech svých jader."
  18. ↑ Jaderná energie: Principy, praxe a vyhlídky / David Bodansky. - S. 217. - ISBN 9780387269313 .
  19. ↑ MOX, Mixed Oxide Fuel - World Nuclear Association . world-nuclear.org . Staženo: 23. května 2022.
  20. ↑ Rosatom poslal první várku paliva do Číny . smotrim.ru _ Staženo: 3. října 2022.
  21. ↑ Začíná test thoria , World Nuclear News (21. června 2013). Staženo 21. července 2013.
  22. ↑ 1 2 Burakov, B.E. Krystalické materiály pro imobilizaci aktinidu / B.E. Burakov, M.I. Ojovan, W.E. Lee. - London: Imperial College Press, 2010. - S. 58.

Odkazy