БН, жги!
В Росатоме началась опытно-промышленная эксплуатация ядерного топлива с минорными актинидами
На энергоблоке № 4 Белоярской АЭС в реактор на быстрых нейтронах БН-800 в июле 2024 года впервые загружены тепловыделяющие сборки с уранплутониевым МОКС-топливом, в которые были добавлены минорные актиниды — наиболее радиотоксичные и долгоживущие компоненты, содержащиеся в облученном ядерном топливе.
Загрузка топлива в активную зону реактора состоялась после согласования с Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор), которая подтвердила безопасность эксплуатации инновационных сборок. После планово-предупредительного ремонта энергоблок возобновил работу.
Три экспериментальных МОКС-ТВС с содержанием америция-241 и нептуния-237 были изготовлены и прошли приемку на Горно-химическом комбинате в конце 2023 года. В реакторе БН-800 они пройдут опытно-промышленную эксплуатацию в течение трех микрокампаний (ориентировочно — полтора года).
«Следующая микрокампания реактора БН-800 должна экспериментально подтвердить возможность утилизации минорных актинидов в промышленных масштабах. Возможность ликвидации минорных актинидов — преимущество реакторов на быстрых нейтронах, позволяющее снизить объемы радиоактивных отходов от всей инфраструктуры ядерного топливного цикла эксплуатации АЭС», — отметил директор Белоярской АЭС Иван Сидоров.
По оценкам ученых, при выжигании минорных актинидов можно будет достичь радиационной эквивалентности исходного уранового сырья и ядерных отходов, подлежащих изоляции, всего за 300 лет, то есть в 2300 раз быстрее по сравнению с 700 тыс. лет при открытом ядерном топливном цикле.
Технология МОКС-топлива, в том числе с минорными актинидами, разработана учеными Топливного дивизиона Росатома. Для изготовления МОКС-ТВС с минорными актинидами по штатной технологии на промышленном оборудовании ГХК были верифицированы и валидированы 38 методик аналитического контроля МОКС-топлива.
«Изготовленное в Росатоме МОКС-топливо с минорными актинидами для промышленного реактора на быстрых нейтронах не имеет аналогов в мире и демонстрирует принципиальную технологическую возможность реализовать важнейший компонент ядерных энергетических систем поколения IV. Услуга по дожиганию минорных актинидов в ядерном топливе быстрых реакторов — совершенно новый продукт для мировой атомной отрасли. Само по себе уранплутониевое топливо позволяет расширить сырьевую базу атомной энергетики, перерабатывать ОЯТ вместо хранения, сократить объем образования ядерных отходов. А утилизация минорных актинидов — это возможность еще и значительно снизить уровень радиоактивности отходов, что позволит в перспективе отказаться от их сложного и дорогостоящего глубинного захоронения», — отметил старший вице-президент по научно-технической деятельности АО «ТВЭЛ» Александр Угрюмов.
Россия — единственная страна в мире, где создается энергетическая система поколения IV, основанная на пристанционном замкнутом ядерном топливном цикле. На одной площадке в Северске Томской области в рамках проекта «Прорыв» ведется строительство опытно-демонстрационного энергокомплекса в составе энергоблока с реактором БРЕСТ-ОД-300, завода по фабрикации и рефабрикации ядерного топлива и модуля по переработке ОЯТ.
Реакторы на быстрых нейтронах в качестве топлива могут использовать не только обогащенный уран, но и вторичные продукты ядерного топливного цикла — обедненный уран и плутоний, извлеченный из ОЯТ. «Дожигание» в быстром реакторе минорных актинидов — это следующий шаг российской атомной отрасли в замыкании ядерного топливного цикла. Под действием быстрых нейтронов минорные актиниды будут делиться на элементы, представляющие гораздо меньшую потенциальную опасность.
Для Белоярской АЭС, где сегодня отрабатываются элементы технологии будущего, проектируется быстрый реактор большой мощности. «На основе опыта эксплуатации уникальных энергоблоков Белоярской АЭС с быстрыми реакторами БН-600 и БН-800 сегодня создается серийный энергоблок с быстрым реактором ядерной энергетической системы уже поколения IV, — отметил генеральный директор АО «Концерн Росэнергоатом» Александр Шутиков. — Головной энергоблок из этой серии с реактором БН-1200М будет построен на Белоярской АЭС. Новые технологические решения позволят полностью использовать энергетический потенциал уранового сырья, а также обладают новым уровнем безопасности».
Справка
Минорные актиниды
Это элементы, образующиеся в урановом ядерном топливе (помимо плутония) при эксплуатации в любом реакторе. Особого внимания атомщиков требуют изотопы нептуния, америция и кюрия, поскольку именно они доставляют наибольшие трудности при переработке облученного ядерного топлива (ОЯТ) и обращении с радиоактивными отходами. Эти элементы обладают высокой радиоактивностью и токсичностью, выделяют много тепла, имеют большой период полураспада и являются наиболее опасными компонентами ядерных отходов. Все это требует особых условий транспортировки, хранения и окончательной изоляции.
Обращение с минорными актинидами
Традиционная ядерная энергетика нацелена на длительное хранение и окончательное захоронение отходов от переработки ОЯТ без извлечения минорных актинидов. Такой способ требует обеспечения гарантированной безопасности объектов в течение порядка миллиона лет и значительных затрат на захоронение. Практики глубинного геологического захоронения в мире не реализованы. Включение минорных актинидов в топливо быстрых реакторов позволит в перспективе «сжигать» америций и нептуний, кратно сократить объем отходов, подлежащих глубинному захоронению, и в перспективе перейти к приповерхностному захоронению.
МОКС-топливо для быстрых реакторов
В отличие от традиционного для атомной энергетики обогащенного урана, сырьем для производства таблеток МОКС-топлива выступают оксид плутония, получаемый при переработке ОЯТ реакторов ВВЭР, и оксид обедненного урана (получается путем обесфторивания гексафторида обедненного урана — ОГФУ, так называемых вторичных хвостов обогатительного производства).
Впервые серийные МОКС-ТВС были загружены в активную зону БН-800 в январе 2020 года. Первая полная перегрузка БН-800 МОКС-топливом состоялась в январе 2021 года, и далее все тепловыделяющие сборки были поэтапно заменены на инновационные МОКС-ТВС.
В реакторах на тепловых нейтронах, составляющих основу современной атомной энергетики, используется около 1% урана, оставшиеся 99% направляются на временное хранение или утилизируются как радиоактивные отходы. Быстрые реакторы, используя в качестве топлива смесь оксидов урана и плутония, могут нарабатывать плутоний в количестве, достаточном для обеспечения расширенного развития атомной энергетики.
