Особенности эксплуатации ядерных реакторов на МОКС-топливе

MOX-топливо (англ. Mixed-Oxide fuel) — ядерное топливо, содержащее несколько видов оксидов делящихся материалов. В основном термин применяется для смеси оксидов плутония и природного урана, обогащённого урана или обедненного урана, которая ведет себя в смысле течения цепной реакции сходно (хотя и не идентично) с оксидом низкообогащенного урана. MOX может применяться как дополнительное топливо для наиболее распространенного типа ядерных реакторов: легководных на тепловых нейтронах. Однако более эффективное использование МОКС топлива — сжигание в реакторах на быстрых нейтронах.

Таблетки МОКС можно изготавливать путем механического смешивания исходных порошков диоксидов урана и плутония с образование «основной смеси» UO₂-PuO₂.

По своим физико-химическим характеристикам МОКС - топлива заметно отличается от уранового.

Существенным является различие температур плавления МОКС и UO₂ - у МОКС она ниже. Температура плавления соединения UO₂-PuO₂ снижается примерно пропорционально содержанию PuO₂ от 2840°C для чистого UO₂ до 2390°C для чистого PuO₂. Из этих данных можно рассчитать, что температура плавления типичного МОКС будет на 20-40 градусов ниже температуры плавления оксида урана. При высоких степенях выгорания, температура плавления может еще понизиться. Это снижение не настолько велико, чтобы создавать опасность само по себе; но в сочетании с другими эффектами или в особых ситуациях оно может оказаться опасным.

Теплопроводность МОКС монотонно падает по мере увеличения содержания плутония.

Имеются некоторые различия в физико-механических свойствах топлива (модуль Юнга, коэффициент Пуассона). При высоких степенях выгорания наблюдается возрастание выхода газообразных продуктов деления из МОКС по сравнению с UO₂.

Проблемы безопасности при работе с МОКС более значимы, чем в случае с урановым топливом. Изотопы плутония и урана по своим ядерным свойствам существенно отличаются. Эти различия приводят к следующим последствиям работы реактора с МОКС:

1) Повышенная критичность – риск при обращении и производстве плутония намного выше, чем в случае с ураном.

2) Уменьшение поглотительной способности управляющих стержней - это происходит из-за того, что МОКС сравнительно хорошо поглощает нейтроны низких энергий (медленные нейтроны), поэтому средняя энергия нейтронов оказывается выше, а управляющие стержни поглощают быстрые нейтроны хуже, чем медленные.

3) Усиление отрицательности некоторых коэффициентов реактивности при низкой степени обогащения плутония: коэффициент реактивности описывает изменение скоростей реакции деления (и, следовательно, мощности) в результате различных изменений ситуации в активной зоне, таких как появление пустот в теплоносителе, изменение температуры замедлителя (воды), температуры топлива и т.п.

4) Усиление пика мощности - из-за интенсивного поглощения медленных нейтронов плутонием возникает тенденция к неравномерному распределению мощности в активной зоне, с максимумом на границе между UO₂ и МОКС, и особенно на границе между водой и МОКС-топливом.

5) Сокращение доли запаздывающих нейтронов - часть нейтронов испускается сразу при распаде ядра (они существуют, затем в среднем еще одну микросекунду), а некоторые испускаются из ядер - осколков, возникших в результате деления ядра, с задержкой от десятых долей секунды до десятков секунд (≈55с). Хотя доля запаздывающих нейтронов мала (0,7% и менее), контроль за ходом цепной реакции с помощью перемещения управляющих стержней, которые не могут перемещаться очень быстро, возможен только за счет этих запаздывающих нейтронов. Для Pu²³⁹ доля запаздывающих нейтронов примерно в три раза меньше, чем для U²³⁵, что усложняет задачу контроля (особенно при высоких концентрациях Pu²³⁹).

6) Ускорение износа материалов реактора. Поскольку, как указывалось выше, использование МОКС приводит к повышению средней энергии нейтронов, что в свою очередь «ускоряет процессы радиационного разрушения материалов реактора нейтронами. В результате сокращается срок службы деталей реактора, что может при определенных условиях создавать опасность аварии».

7)При использовании МОКС-топлива количество плутония в активной зоне увеличивается, радиологические последствия более опасны.

8) Более высокие уровни выделения тепла и нейтронной радиации приводят к тому, что возрастает сложность транспортировки, хранения и использования МОКС-топлива.

9) Технологии, связанные с окончательным захоронением этого материала, не разработаны, существует лишь вариант иммобилизации плутония (смешивание с высокоактивными отходами и жидким стеклом/керамикой).

Некоторые свойства МОКС могут оказать отрицательное влияние на работу реактора, в особенности на его поведение в определенных переходных режимах: плутоний опасен в радиологическом смысле (т.е. как источник радиоактивного загрязнения).

Можно отметить, что МОКС – это топливо, которое поможет решить проблему переработки ядерных отходов - опасность применения настолько же велика, на сколько велика и полезность. Однако применение МОКС ставит под сомнение понятие «Мирный Атом».