Топливные циклы с пироэлектрохимичекой переработкой

Облученного топлива

Топливный цикл реактора-сжигателя актиноидов.

Программа DOVITA

Проблема трансмутации таких долгоживущих актиноидов как нептуний, америций и кюрий является одной из основных, от решения которой зависит обеспечение надежной экологической безопасности ядерной энергетики. К этой проблеме примыкает и задача сжигания излишков плутония разного происхождения.

Для сжигания актиноидов могут использоваться как уже существующие, так и предполагаемые к применению реакторные системы, но задача оптимизации внешнего топливного цикла реакторов-сжигателей по-прежнему остается актуальной.

НИИАР проводит концептуальные исследования по программе DOVITA с целью продемонстрировать возможности новой пироэлектрохимической технологии в оптимизации ЯТЦ реакторов-сжигателей актиноидов.

Предлагаемый топливный цикл реактора ABFR*) существенно отличается от топливного цикла реакторов на тепловых нейтронах. Прежде всего, признано нецелесообразным удалять продукты деления из топлива, содержащего малые актиноиды и освобождать плутоний от них с высоким коэффициентом очистки, так как активность топлива определяется, главным образом, излучением актиноидов. Поэтому все технологические операции с топливом должны будут осуществляться дистанционно.

При реализации топливного цикла реактора ABFR необходимо будет выполнять следующие требования:

- количества радиоактивных отходов должны быть минимальны, и они должны быть в виде, удобном для долгосрочного хранения;

- число технологических этапов при переработке топлива должно быть минимальным, коэффициент очистки топлива от ПД может быть мал;

- концепция ЯТЦ должна обеспечивать возможность многократного рециклировании топлива и максимальный рецикл его радиоактивных компонентов,

- все технологические операции должны выполняться в горячих камерах с дистанционным управлением.

Прошли исследовательскую разработку следующие ступени технологической схемы ЯТЦ со сжигателем малых актиноидов:

- переработка облученного МОХ-топлива и мишеней, содержащих малые актиноиды, двумя возможными методами: частичным термовакуумным способом и пироэлектрическим способом;

- изготовление топливных стержней и мишеней методом виброупаковки,

- обработка конечных продуктов (плутония, нептуния, америция и кюрия) с целью их полного рецикла;

- обработка отходов и приведение их в форму, пригодную для захоронения.

В предлагаемом ЯТЦ возможно использовать энергетические реакторы мощностью до 300 МВт_(тепл.). Вы6op реактора может быть сделан лишь на основе оценки материальных потоков в топливном цикле в целом.

Общая технологическая схема ЯТЦ по программе DOVITA представлена на рис. 3.8.7. Программа предполагает использование рецикла нептуния в МОХ-топливе. Кроме того, это топливо может иметь повышенное содержание плутония. В то же время, америций и кюрий предпочтительно трансмутировать в отдельных мишенях, чтобы сохранить возможность в рамках проекта DOVITA трансмутировать эти элементы, выделенные из концентрата ВАО после PUREX-процесса.

Рецикл топлива осуществляется следующим образом:

- начальная загрузка МОХ-топлива после выгорания 15-20 % выгружается из реактора, подается на снятие оболочки, измельчение, вакуумную обработку и виброупаковку с добавлением свежего топлива;

- после второго цикла, облучения это топливо перерабатывается пироэлектрохимическим методом. Выделенные в этом процессе уран, плутоний, нептуний и часть америция, после изготовления из них топлива, подвергаются облучению еще раз;

- мишенные материалы, содержащие америций, кюрий и РЗЭ облучаются 3-4 раза после периодичного снятия оболочки и термовакуумной обработки. Затем они направляются на пирохимическую переработку;

- пирохимическое отделение америция и кюрия от РЗЭ предполагается осуществлять в системе с жидкометаллическим электродом.

В рамках программы DOVITA проводятся исследования по разработке и использованию ядерных топлив с различным содержанием делящихся материалов. Это:

- производство оксидного топлива с повышенным содержанием малых актиноидов и плутония;

- изготовление топливных стержней для реактора БОР-60 с целью исследования процесса трансмутации малых актиноидов;

- производство и сертификация нескольких типов гранулированного топлива с разным содержанием плутония и малых актиноидов:

= (U,Pu,Np)O₂ с содержанием плутония 20 % и с содержанием нептуния 5 и 3 %;

= (U,Pu,Am)O₂ с содержанием плутония около 11 % и америция 4 %;

= (U,Am)O₂ с содержанием америция 3 %.

В планах – получение экспериментальных образцов топлива (U, Am_0,2-0,4)O₂ и оксида америция в инертных матрицах.

Исследования переработки топлива в ЯТЦ по программе DOVITA следуют по двум направлениям:

- частичная переработка (обработка) облученного топлива,

- пирохимическая переработка отработавшего топлива.

Рис. 3.8.7 Топливный цикл реакторов-сжигателей актиноидов по программе DOVITA

Процедура частичной переработки состоит в следующем: облученное топливо, содержащее малые актиноиды, после выгорания до 15-20 % подается на операцию механического снятия оболочки. Затем оно измельчается до образования частиц с размером, необходимым для виброупаковки. Этот гранулят подвергается термовакуумной обработке до полного удаления газообразных и летучих ПД. На этом этапе частично удаляются коррозионно-активные ПД (Cs, Tc, Sb).

Исследования пирохимической технологии переработки облученного топлива с малыми актиноидами предполагают:

 подготовку к совокупным экспериментам по этой части технологической схемы с использованием модельных материалов;

 исследования поведения малых актиноидов при переработке реального облученного оксидного топлива.

Существующая уже информация позволяет утверждать, что в предлагаемом топливном цикле нептуний полностью рециклируется вместе с ураном и плутонием.

На рис. 3.8.8 представлена технологическая схема пирохимической переработки с использованием модельного топлива.

Следует отметить, что процессы отделения америция и кюрия от РЗЭ исследованы еще недостаточно. Можно ожидать, что некоторая часть РЗЭ может быть выделена из солевого расплава в виде оксидов без америция и кюрия.

Можно полагать, что остающиеся проблемы по разработке ЯТЦ ABFR по программе DOVITA могут быть решены.