Проверка дожигания
На Белоярской АЭС завершилось облучение сборок с минорными актинидами
Одно из самых важных направлений научной и инженерной мысли в «Росатоме» — трансмутация минорных актинидов. Она снизит радиотоксичность отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и сократит срок стабилизации радиоактивных материалов. Все это — часть концепции замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ). В рамках создания удобной и безопасной технологии трансмутации «ТВЭЛ» и концерн «Росэнергоатом» впервые в мире выполнили программу опытно-промышленной эксплуатации уранплутониевого МОКС-топлива с добавлением минорных актинидов.
Минорные актиниды — это трансурановые элементы (за исключением плутония). Они образуются в ядерном топливе при облучении в реакторе, когда атомы урана или плутония не расщепляются нейтронами, а поглощают их. Основные минорные актиниды — нептуний, америций и кюрий. Минорные актиниды обладают высокими радиотоксичностью и тепловыделением, у их изотопов длительный (у америция-243 — тысячи лет, у нептуния-237 — миллионы лет) период полураспада, поэтому они самые опасные компоненты радиоактивных отходов. Именно радиотоксичностью обусловлена необходимость их многоступенчатой сложной изоляции от окружающей среды. На профессиональном сленге атомщики минорные актиниды называют «миноры».
Справка
Идея трансмутации минорных актинидов в том, чтобы извлекать их из ОЯТ, добавлять в свежее топливо и загружать в быстрые реакторы. Там быстрые нейтроны, обладающие более высокой энергией, чем тепловые, врезаются в минорные актиниды, и те распадаются на более мелкие и безопасные осколки. У них гораздо меньший период полураспада, их радиотоксичность радикально ниже, поэтому переработка и условия их хранения проще и дешевле, а сроки на несколько порядков ниже: вместо 700 тыс. лет — порядка 300 лет.
Организации «Росатома», участвующие в разработке технологий, предложили две методики изготовления топлива с добавлением минорных актинидов — гомогенную и гетерогенную.
Гомогенная технология
Способ извлечения из ОЯТ и разделения америция, кюрия, нептуния разработали ученые Бочваровского института. Вместе с коллегами из Горно-химического комбината (ГХК) они разработали технологию включения нептуния и америция в таблетки уранплутониевого МОКС-топлива. Опытные тепловыделяющие сборки (ТВС) с МОКС-топливом и минорными актинидами (МАМОКС-1) изготовили специалисты ГХК.
Три опытных ТВС с америцием-241 и нептунием-237 были загружены в активную зону реактора БН-800 Белоярской АЭС летом 2024 года. Они прошли эксплуатацию в течение трех топливных микрокампаний при номинальной мощности реактора. Как сообщили в «Росэнергоатоме», отклонений от нормальной эксплуатации МАМОКС-1 не было.
Во время планово-предупредительного ремонта энергоблока № 4 Белоярской АЭС в апреле 2026 года опытные ТВС переместили во внутриреакторное хранилище. Сборки перемещались по закрытому тракту, поэтому увидеть и дать первичные оценки их состояния можно будет после извлечения из внутриреакторного хранилища через полгода. Затем они пройдут комплекс послереакторных исследований в Димитровграде. Поскольку количество твэлов с минорами в МАМОКС-1 невелико, перевозить сборки планируют с помощью штатного транспортно-упаковочного контейнера, используемого на БН-800.
Участники испытаний ожидают, что количество входящих в состав топлива минорных актинидов будет существенно снижено. Ранее расчеты и исследования показали, что количество минорных актинидов в топливе, облученном в быстром реакторе, стремится к равновесию. Так, если загрузить ТВС с обычным МОКС-топливом или добавить в топливную композицию 2–3% миноров, то доля минорных актинидов в облученном топливе будет одинакова — 0,5–1%.
«Ожидается, что выжигание минорных актинидов поможет в десятки раз снизить количество радиоактивных отходов, направляемых на окончательную изоляцию. Приблизительно за 60 лет работы реактор сможет утилизировать около 4 тонн минорных актинидов — это больше, чем вырабатывается в нескольких тепловых реакторах», — говорит директор Белоярской АЭС Юрий Носов.
«Выжигание минорных актинидов в реакторе — это не разовый опыт, а долгосрочная стратегия. Перед тем как перевести это решение в промышленный масштаб, мы демонстрируем саму технологическую возможность, что эта идея работает», — комментирует старший вице-президент по научно-технической деятельности «ТВЭЛ» Александр Угрюмов.
В Топливном дивизионе сейчас уверенно говорят о том, что благодаря изготовленным сборкам технология изготовления МАМОКС-1 отработана. Ее зрелость позволила закладывать требование о возможности выпуска топлива с содержанием минорных актинидов на уровне 3–4% в проект промышленного производства топлива для перспективного БН-1200М.
«Мы намерены увеличить содержание минорных актинидов в опытных сборках с МОКС-топливом. Помимо этого, в конце 2025 года мы отработали технологию добавления минорных актинидов и в нитридное СНУП-топливо для быстрых реакторов», — комментирует Александр Угрюмов.
Гетерогенная технология
Особенность гетерогенного топлива в том, что топливо скомпоновано не в таблетки, как обычно, а в виброуплотненные стержни с сердечниками на основе оксидов америция и нептуния — мавэлы (минор-актинидные выжигающие элементы). Для обоснования гетерогенной технологии выжигания минорных актинидов в 2022 году мишени с минорными актинидами загрузили для облучения в реактор БОР-60. Их извлекли в 2024 году и провели послереакторные исследования. В ближайшее время ученые планируют приступить к изготовлению облучательных устройств для БОР-60, содержащих полномасштабные мавэлы и разбавитель. Облучение полномасштабных мавэлов станет базой для обоснования изготовления мавэлов и проведения с ними реакторных испытаний в БН-800. Отдельные твэлы или сборки планируется устанавливать в определенных зонах реактора.
Технологические усовершенствования
Энергосистемы поколения IV — новое поколение ядерных энергетических комплексов с большей эффективностью использования топлива, увеличенной безопасностью, энергоэффективностью и сокращенным объемом ОЯТ по сравнению с действующими АЭС.
Россия — один из лидеров в разработке технологий поколения IV. В Томской области впервые в мировой практике на одной площадке создаются АЭС с реактором на быстрых нейтронах (БРЕСТ-ОД-300) и комплекс переработки ОЯТ и фабрикации топлива, обеспечивающие ЗЯТЦ. На площадке идут бетонирование виброизолированного фундамента турбины и генератора реакторной установки БРЕСТ-ОД-300 и ресурсные испытания опытного образца главного циркуляционного насосного агрегата.
На Белоярской АЭС ведутся подготовительные работы по сооружению энергоблока с быстрым реактором БН-1200М. Старт работ по укладке бетона в основание фундаментной плиты здания реактора запланирован на 2027 год.
Справка
Параллельно идут исследования на иных этапах обращения с минорными актинидами. Так, была успешно испытана технология экстракции и хроматографического разделения минорных актинидов на модельных растворах. В ближайшее время ученые планируют испытать ее для извлечения и разделения америция и кюрия из реальных растворов ОЯТ и использовать полученный материал для изготовления сборок с МАМОКС-2. Также рассматриваются варианты совместного выделения минорных актинидов с ураном и плутонием. Возможность селективного или совместного выделения миноров планируется предусмотреть в проекте нового завода большой производительности по переработке ОЯТ.
Если америций и нептуний выжигают, то кюрий пока планируют выделять и хранить с тем, чтобы затем использовать в качестве топлива для жидкосолевого реактора, который планируется соорудить на площадке ГХК.
Еще одно применение минорных актинидов — космическое топливо. Так, из нептуния традиционно нарабатывают плутоний-238. Это энергоноситель, без которого невозможно освоение дальнего космоса. Америций и кюрий теоретически могут стать альтернативным сырьем либо использоваться в радиоизотопных источниках тепла и электроэнергии. Пока космические программы скромны, много радиоизотопов им не требуется. Но в будущем направление минорных актинидов на нужды космической отрасли дополнит их выжигание.