Сжигание Pu в реакторах на быстрых нейтронах

С конца прошлого века европейские страны и Япония проявляют интерес к РБН в связи с разработкой стратегий ЯТЦ с максимально возможным сжиганием Pu и трансмутацией МА и ДПД.

Благодаря изменениям геометрии и состава активной зоны, а также замене воспроизводящих торцевых и боковых экранов невоспроизводящими, РБН может быть адаптирован к решению новой задачи – сжигать Pu и долгоживущие отходы. РБН-выжигатели Pu и трансмутаторы МА и ДПД включаются в сценарии ЯТЦ, предназначенные для минимизации объемов РАО, подлежащих захоронению в геологические могильники.

Во Франции реактор Суперфеникс перед остановкой уже работал как сжигатель Pu, поскольку на нем в 1994 г. были сняты воспроизводящие экраны и установлены стальные отражатели. Цель модернизации состояла в замене воспроизводящей Pu активной зоны (+14 кг/ТВт·час) на сжигающую Pu (-15 кг/ТВт·час).

В связи с задачей повышения эффективности сжигания Pu в 1992 г. во Франции были начаты исследования по программе CAPRA, которая впоследствии стала международной.

На первом французском этапе выполнения программы CAPRA изучали параметры АЗ РБН со смешанным уран-плутониевым оксидным топливом, позволяющего безопасно сжигать Pu со скоростью 75 кг/ТВт·час при максимальном выгорании 20 % тяжелых атомов или 25 % от исходного количества Pu. При этом наработка МА ограничивалась 10 кг/ТВт·час (4 % от исходного количества Pu). Расчеты АЗ CAPRA с безурановым топливом показали, что максимальное выгорание тяжелых атомов может быть увеличено до 35 %. После закрытия реактора Суперфеникс эксперименты по сжиганию Pu были переориентированы на реактор Феникс.

Цель международной программы CAPRA – определение оптимальных вариантов компоновки активных зон РБН для максимально возможного увеличения количества сжигаемого реакторного плутония и трансмутации МА. Для выполнения этой цели изучаются различные предложения:

· установка неразмножающих торцевых и боковых экранов;

· повышение содержания Pu в МОХ-топливе до 45 %;

· увеличение продолжительности облучения;

· использование безуранового топлива;

· замена оксидного топлива нитридным или металлическим;

· замена части ТВЭЛов “холостыми” ТВЭЛами, то есть стальными трубками или оболочками без топлива и др.

Например, в проекте CAPRA 05/94 подсборка содержала 336 ТВЭЛов и 133 “холостых” ТВЭЛа. Были рассчитаны параметры АЗ CAPRA для сжигания Pu с высоким содержанием ²⁴²Pu и показана возможность сокращения массы Pu при использовании безуранового топлива со скоростью 125 кг/ТВт·час при наработке МА со скоростью 14-22 кг/ТВт·час.

По программе сотрудничества европейских стран (Бельгия, Германия, Великобритания и Франция) CAPRA-CADRA, а также в Японии оцениваются различные типы РБН с точки зрения утилизации Pu, сжигания МА и ДПД.

В качестве АЗ сравнения рассматривается АЗ РБН с жидкометаллическим (Na) теплоносителем. Наряду с модифицированным вариантом проекта АЗ европейского реактора на быстрых нейтронах (EFR) (без радиальных бланкетных зон) начато изучение возможности сжигания Pu в газоохлаждаемых РБН различных модификаций.

В Японии изучаются два типа РБН:

· РБН с МОХ-топливом, содержащим МА, и позволяющим многократно рециклировать Pu;

· РБН-сжигатель с очень жестким нейтронным спектром – ABR (Actinide Burner Reactor), предназначенный для сжигания ~ 300 кг МА/год.

В последние годы внимание специалистов многих стран привлекают гибридные системы ADS (accelerator-driven system), имеющие в своем составе протонный ускоритель, мишень для преобразования потока протонов в поток нейтронов и активную зону подкритического РБН. Эффективность сжигания Pu и МА в таких системах высока и может достигать 600 кг Pu/ГВт·год и 800 кг Np/ГВт·год, что выше показателей РБН CAPRA и PWR, равных 570 кг Pu/ГВт·год и 420 кг Pu/ГВт·год, соответственно.

В табл. 4.16.16 приведены результаты расчета баланса Pu и МА для разных типов РБН.

Таблица 4.16.16

Сравнение объемов наработки и сжигания Pu и МА в разных типах РБН

Как показывают данные табл. 4.16.16, увеличение содержания Pu в исходном топливе ведет к росту объемов сжигания Pu, но, с другой стороны, к увеличению наработки МА. Расчет показал, что при использовании чисто Pu-топлива величина выгорания Pu в РБН без бланкет может достигать теоретически предельного значения 110 кг/ТВт·час.

Полезно напомнить, что даже при длительной топливной кампании, равной приблизительно 5 годам, и глубине выгорания топлива около 150 ГВТ∙сут/т степень сокращения количества трансурановых нуклидов в РБН составляет 15-20 % от исходного количества и, следовательно, для более полного сжигания ТУЭ необходимо проводить рециклирование топлива несколько раз. Из-за высоких радиоактивности и тепловыделения ОЯТ период времени между выгрузкой ОЯТ из реактора и его переработкой продлевается до 10-12 лет, а промежуток времени, необходимый для сжигания, например 90 % ТУЭ, может увеличиться от 100 до 250 лет.