ПУТИ ВОЗМОЖНОГО ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫЖИГАНИЯ ПЛУТОНИЯ И МЛАДШИХ АКТИНИДОВ В БЫСТРОМ РЕАКТОРЕ-ВЫЖИГАТЕЛЕ.

Поплавская Е.В., Елисеев В.А.
ГНЦ РФ ФЭИ


Одной из важнейших проблем, стоящих перед атомной энергетикой, является проблема высокоактивных отходов (ВАО), количество которых непрерывно возрастает. Одним из путей решения данной проблемы является их захоронение в стойких геологических формациях. Но для этого их необходимо переработать, разделить на фракции (плутоний, продукты деления, младшие актиниды (МА)), каждая из которых утилизируется по своей технологии. Переработка и обращение с такими материалами очень сложны ввиду их высокой активности и тепловыделения.

С другой стороны, сегодня существует проблема излишков плутония (как оружейного, так и энергетического), который надо утилизировать. Поэтому весьма привлекательной представляется идея сверхглубокого (до 99%т.а.) выжигания ядерного топлива, которая автоматически решает проблему переработки ВАО и захоронения актинидов (поскольку последних практически не остается). Т.е. взяли плутоний, получили одни осколки. Остается их только захоронить.

Сверхглубокое выжигание младших актинидов в специальных облучательных устройствах с внешним источником на сегодня хорошо изучено. Но для этого требуется источник нейтронов (т.е. реактор, в котором также образуются актиниды). Специфика же рассматриваемого реактора-выжигателя в том, что он сам себе является и источником нейтронов, и облучательным устройством. Если время выжигания в облучательном устройстве ограничено лишь радиационной стойкостью материалов устройства и не зависит от глубины выгорания топлива в реакторе, то в данном реакторе-выжигателе глубина выгорания топлива ограничена условиями критичности активной зоны. В такой активной зоне накапливается очень много осколков (больше, чем остается топлива), которые поглощают нейтроны, и сильно изменяется изотопный состав топлива: делящиеся изотопы выгорают, а остаются преимущественно пороговые изотопы.

В спектре быстрого реактора актиниды имеют на один-два порядка меньшие нейтронные сечения взаимодействия, чем в тепловом спектре. Поэтому для быстрейшего выжигания естественно возникает идея окружить активную зону быстрого реактора-выжигателя специальной зоной дожигания с замедлителем, в которую будут помещаться выгоревшие ТВС из активной зоны. При этом в зоне дожигания, с одной стороны, сохраняется высокий поток нейтронов, свойственный быстрому реактору, а с другой - значительно увеличиваются сечения актинидов. В результате получается активная зона-выжигатель, окруженная облучательными устройствами, в которых догорают недогоревший в активной зоне плутоний и актиниды.

Наиболее эффективно плутоний и другие актиниды выжигаются в реакторах, в которых отсутствует их воспроизводство, т.е. в реакторах с топливом без урана-238, изготовленного на основе инертных матриц (например, PuO2+AlN). Концепция такого реактора-выжигателя типа БН-800 была разработана в ФЭИ. Он позволяет выжигать до 600 кг/год плутония и ~80-90 кг/год младших актинидов. Однако глубина выгорания топлива в нем недостаточна - всего 30-35%т.а. Поэтому были проведены теоретические исследования по определению максимальной и реально достижимой глубин выжигания плутония в таком специализированном реакторе.

Нейтронный спектр определяется свойствами среды, а в нашем случае – составом топлива. Прежде чем разрабатывать активную зону со сверхвысокой глубиной выгорания топлива, выберем топливо, в котором выгорание происходит наиболее эффективно. В рассматриваемых средах варьировалось соотношение топливо – инертная матрица (смесь окислов магния и алюминия) или топливо – замедлитель (гидрид циркония). Характеристики этих сред представлены в таблице 1.
Таблица 1
Основные физические свойства драйверных зон
Номер состава 1 3 5 7 8
% топлива (PuO2)% матрицы% замедлителя 100-- 1090- 80-20 20-80 5-95
Нейтронный поток, *1016н/см2сСредняя глубина выгорания, % т.а.*) 0.6667 0.8512.5 0.3453 0.1928 0.1924.3
Время выжигания до 95% т.а., сут 8000 3000 10000 4600 1200
*) имеется в виду средняя глубина выгорания топлива, при которой реактор сохраняет критичность.

С одной стороны, для быстрого сжигания плутония и других актинидов желательны композиции с малым содержанием топлива. Но такие композиции не позволяют достигать глубоких выгораний. Последнее достигается только в случаях топливной композиции без матрицы и замедлителя. Наилучший вариант, как следует из таблицы 1, - чистая двуокись плутония без матицы и замедлителя, но время выжигания и интеграл облучения материалов в этом случае очень большие.

Была разработана модель активной зоны с топливом из чистой двуокиси плутония, на которой предполагалось определить максимально возможную глубину выгорания. В результате выполненных оптимизационных исследований в активной зоне было достигнуто среднее по высоте ТВС выгорание выгружаемого топлива 83%т.а. (при этом максимальное выгорание составило 87%т.а.). Добавка к топливу даже небольших количеств инертной матрицы или замедлителя снижает глубину выгорания из-за смягчения спектра.

Для дальнейшего повышения глубины выгорания выгоревшие ТВС извлекаются из активной зоны и устанавливаются на дожигание вокруг активной зоны. По мере перегрузок они затем переставляются в последующие ряды. Были рассмотрены два способа дожигания топлива: без замедлителя и с использованием сильного замедлителя – гидрида циркония, который позволяет получить тепловой спектр и тем самым многократно увеличить нейтронные сечения .
Показано, что дожигание топлива на периферии активной зоны за счет утечки нейтронов из нее позволяет увеличить среднюю глубину выгорания топлива на ~6%т.а. и достичь ~89% т.а. Это есть предельная глубина выгорания топлива, которая в принципе может быть получена в таком реакторе.

В общем случае эффективность дожигания топлива определяется остаточным содержанием делящихся изотопов в нем (в основном это Pu239 и Pu241). Если глубина выгорания в активной зоне невысокая (например, 30-40%т.а.), то остаточное содержание делящихся изотопов в выгоревшем топливе значительно (30-45%). Тогда за счет дожигания глубину выгорания топлива можно увеличить до полутора раз. Замедлитель в этом случае повышает эффективность дожигания. Однако результирующая глубина выгорания при этом будет составлять не более 50% т.а. Если же глубина выгорания в активной зоне высокая (~80%т.а.), то содержание делящихся изотопов в выгружаемом из активной зоны топливе невелико (3-5%), все оставшиеся изотопы – пороговые. Эффективность дожигания такого топлива оказывается невысокой, а замедлитель только ухудшает ее.