Что такое мокс mox топливо
МОКС топливо, MOX топливо (англ. Mixed-Oxide fuel)
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.
Применение переработки ОЯТ и использование выделенного плутония в виде МОКС топлива в тепловых реакторах позволяет снизить необходимость в уране на величину до 30%.
Содержание оксида плутония в MOX составляет от 1,5 до 25-30 весовых %.
Одним из привлекательных свойств MOX-топлива является то, что при его производстве могут утилизироваться излишки оружейного плутония, которые в противном случае являлись бы радиоактивными отходами.
Также MOX топливо можно получать путем переработки облученного топлива с энергетических реакторов.
Из-за столь высокого содержания 240 изотопа, плутоний, полученный путем переработки топлив, не может быть использован для изготовления надежных и предсказуемых ядерных зарядов.
В то же время МАГАТЭ придерживается консервативных принципов и требует для такого плутония (даже в составе MOX-смеси) столь же высокого уровня защиты, как и для материалов прямого использования (англ. direct use material), например обогащенного плутония, урана-233, высокообогащенного по 235 урана.
Применение МОКС-топлива в существующих реакторах требует отдельного лицензирования, иногда требуется некоторая доработка реакторов, например, введение большего числа управляющих стержней.
Часто МОКС-топливо составляет от 1/3 до 1/2 от всего топлива, так как большие количества требуют значительных изменений или специально спроектированного реактора.
Всего 4 блока в США спроектированы на полную загрузку МОКС, 3 блока System-80 PWR на крупнейшей в стране АЭС Пало-Верде (англ.) русск. (Тонопа, Аризона) и строящийся блок в штате Вашингтон.
Ни один реактор в США не имел соответствующей лицензии на 2007 г.
Около 40 реакторов на тепловых нейтронах в Европе (Бельгия, Швейцария, Германия, Франция) имеют лицензию на использование комбинации обычного и MOX топлива и ещё 30 находятся в процессе лицензирования.
Фактически у многих из них около 1/3 топлива может составляет МОКС, но некоторые могут работать и на 50% МОКС.
На реакторах на тепловых нейтронах может достигаться 30% выгорание плутония из состава МОКС-топлива.
Плутоний составляет порядка 1% от облученного ядерного топлива.
Приблизительное изотопное соотношение: Pu-239 52%, Pu-240 24%, Pu-241 15%, Pu-242 6%, Pu-238 2%.
Все они либо делящиеся материалы, либо могут быть превращены в делящиеся в процессе трансмутации, хотя Pu-242 требует 3-х нейтронов, чтобы стать Кюрием-245.
MOX-топливо
Содержание
Характеристика [ ]
[1] Применение переработки ОЯТ и использование выделенного плутония в виде MOX-топлива в тепловых реакторах позволяет снизить необходимость в уране на величину до 30 %.
Содержание оксида плутония в MOX составляет от 1,5 до 25-30 весовых %.
Также MOX-топливо можно получать путём переработки облучённого топлива с энергетических реакторов АЭС. В процессе переработки из него выделяются изотопы плутония, например, для топлива после достаточно длительной кампании почти две трети приходится на изотопы Pu-239 и Pu-241 (делящиеся в реакторах на тепловых нейтронах), а около трети — Pu-240. Из-за столь высокого содержания 240-го изотопа, плутоний, полученный путём переработки топлива, не может быть использован для изготовления надёжных и предсказуемых ядерных зарядов. В то же время МАГАТЭ придерживается консервативных принципов и требует для такого плутония (даже в составе MOX-смеси) столь же высокого уровня защиты, как и для материалов прямого использования (англ. direct use material), например обогащённого плутония, урана-233, высокообогащённого по 235 урана.
Применение [ ]
[2] Впервые МОХ-топливо было опробовано в 1963 году, однако его широкое коммерческое использование в тепловых реакторах началось только в 1980-х годах. Применение MOX-топлива в существующих реакторах требует отдельного лицензирования, иногда требуется некоторая доработка реакторов, например, введение большего числа управляющих стержней. Часто MOX-топливо составляет от трети до половины от всего топлива, так как большие количества требуют значительных изменений или специально спроектированного реактора.
В реакторах на тепловых нейтронах может достигаться 30%-е выгорание плутония из состава MOX-топлива.
Плутоний составляет порядка 1 % от облучённого ядерного топлива. Приблизительное изотопное соотношение: Pu-239 52 %, Pu-240 24 %, Pu-241 15 %, Pu-242 6 %, Pu-238 2 %. Все они либо делящиеся материалы, либо могут быть превращены в делящиеся в процессе трансмутации. Pu-242 требует трёх нейтронов, а также 2 протонов, чтобы стать, например, Кюрием-245.
К недостаткам его использования относится более нестабильное состояние топлива, гораздо более жесткие требования к режимам охлаждения и регулирования реактора.
Использование МОКС-топлива позволяет переработать отработавшее «горючее» и изготовить новое смешанное уран-плутониевое топливо, в котором количество энергии, которое можно получить от природного урана, увеличивается примерно в 100 раз. При этом, после переработки ОЯТ, количество радиоактивных отходов, подлежащих специальной обработке и захоронению, уменьшается кратно. Реакторы на быстрых нейтронах также способны «дожигать» долгоживущие (с периодом распада до тысяч и сотен тысяч лет) радиоактивные продукты деления, превращая их в короткоживущие с периодом полураспада в 200—300 лет, после чего они могут быть надёжно захоронены с соблюдением стандартных процедур и не нарушат природный радиационный баланс Земли.
Производство [ ]
[3] По данным Всемирной ядерной ассоциации, за всю историю в коммерческих реакторах использовано свыше 2 тысяч тонн МОХ-топлива, однако в мире на складах накоплено 1,6 миллиона тонн обедненного урана. Только на этих запасах, без учета отработавшего ядерного топлива, реакторы на быстрых нейтронах позволяют обеспечить текущий уровень мирового потребления энергии на 326 лет.
Крупным производителем МОХ-топлива является французский завод в Мэлоксе, который выдает на рынок 195 тонн продукции ежегодно.
МОХ-топливо изготавливается в России и на опытных производствах других предприятий Росатома: НИИАР (Димитровград, Ульяновская область) и «Производственного объединения «Маяк» (ЗАТО Озерск, Челябинская область).
Потребление [ ]
В мире [ ]
Основными потребителями МОКС-топлива являются Япония (лицензировано 10 реакторов) и страны Евросоюза (лицензировано 40 реакторов).
Всего четыре блока в США спроектированы на полную загрузку MOX, три блока System-80 PWR на крупнейшей в стране АЭС Пало-Верде (Тонопа, Аризона) и строящийся блок в штате Вашингтон. Ни один реактор в США не имел соответствующей лицензии на 2007 год.
В СССР и России [ ]
Благодаря пуску этого реактора Россия выполняет свои обязательства по российско-американскому соглашению «Об утилизации плутония» от 2000 года, конвертируя 34 тонны ядерных зарядов в топливо для АЭС. В настоящее время Россия занимает первое место в мире в развитии технологий строительства реакторов на быстрых нейтронах.
Про плутоний, БН-800 и МОКС-топливо
Лицо Нашего видели, когда он про отказ США жечь плутоний рассказывал?
Серьезное лицо, ни тени ухмылки. Я б не смог. Я б ржал во весь голос. Вы спросите — почему? Нет у Америки таких технологий. И в Европе нет. Есть только у «ватников» Сейчас я вам расскажу. Но начну издалека — иначе будет непонятно.
Да, я, безусловно, прошу прощения у всех, кого дальнейший текст покоробит: слово «совесть» в этой заметке отсутствует напрочь. Только технические подробности и цинизм-прагматизм.
Через месяц после Аламогордо эксперименты были успешно продолжены. Над Хиросимой рванул урановый «Малыш», над Нагасаки — плутониевый «Толстяк». Сравнение результатов было явно в пользу плутония. Дело в том, что при атомном взрыве заряд разлетается со скоростью порядка 1000 км/с, потому заряд не весь успевает сдетонировать. Пичалька. В «Малыше» взорвалось всего 1,4% урана-235, а вот в «Тостяке» успешно сработали 20% плутония-238. Результат получился просто замечательный: 70 тысяч трупов сразу, 100 тысяч инвалидов. Пиндосы апплодировали.
Военным понравилось — физики взяли под козырек. Были разработаны и созданы специальные «плутониевые» реакторы: уран в них горел так, чтобы на выходе получилось максимальное количество плутония.
К началу 90-х, когда это оружейное безумие остановили, США успели накопить 103 тонны плутония, СССР — 170 тонн. Уразуметь, что это количество значит для планеты Земля и для людей, вам помогут несколько цифр. Итак, «на двоих» имелось 273 тонны Плутония-239, которого в «Толстяке» было всего 6,4 кг. КИЛОГРАММА. На двоих получается 18 750 «толстяков» по 120-130 тысяч смертей в каждом. Это — не учитывая того, что бомбы более поздних поколений были намного эффективнее. Даже в технологиях 1945 года на складах лежало 2,5 миллиарда смертей. Это — не считая оружейного урана-235. «Многовато» — подумали большие политики, и результатом этой мысли и стало СОУП 2000-го года. Было решено списать по 34 тонны плутония с носа — то есть сократить запасы примерно на треть. И остановить специализированные «плутониевые» реакторы.
Ну, а что делать с этими тоннами? Период полураспада у плутония-239 — 24 тысячи лет. Закопал в землю тонну, 24 тысячи лет подождал — осталось полтонны. Нормально? Вряд ли. За 24 000 лет в любой момент выкопай — и клепай «малышей». Никакие химические реакции не помогут — поливай ты его кислотой или не поливай. Замешать в тонны мусора? Человек так устроен: что сам поломал, то и починит. Потому и договорились именно сжечь — сжечь в атомных реакторах.
Надеюсь, что пока было понятно? Теперь придется понять, что горит в атомных реакторах и что нужно, чтобы спалить там и плутоний-239. Основной тип атомных реакторов — так называемый «водный». Вот бочка с урановыми стержнями, вот в ней атомный «пожар» с температурой от 400 до 630 градусов. Толку с того, кроме как погреться — никакого. Тепло надо «забрать» и как-то по умному использовать. Вокруг бочки запускают, грубо говоря, «змеевик» с водой, ее и прокачивают насосами. Пришла холодная, «мотнулась» вокруг бочки, ушла горячая. Чтобы не испарилась — воду гоняют под серьезным давлением. Что будет, если в бочку вместо урана напихать того самого плутония-239? Да ничего хорошего: температура горения будет настолько высока, что водой ее «снять» уже просто невозможно — разорвет трубки и все тут.
Правильно догадались: выход — в тех самых реакторах на быстрых нейтронах. «Быстрый» — это и есть «более горячий», поскольку в атомной физике температура и энергия — одно и то же. Чем быстрее мечется атом — тем выше у него температура, грубо говоря. Аббревиатура «БН» — не только «быстрые нейтроны», но и «быстрый, натриевый». В «змеевике» в нем крутится не вода, а жидкий натрий. Натрий плавится при 97 градусах, кипит — при 880 градусах. Логично, что он может утащить на себе бОльшую температуру, да и давление в «змеевике» такое большое, как в случае с водой, не потребуется. Но всплывает другая беда: при соединении с кислородом в воздухе жидкий натрий горит со страшной силой: любая утечка и полный трындец.
Но великая страна Америка такой реактор делать умеет, едрен-батон! Экспериментальный. Маленький. Еще Франция умеет. Маленький. Экспериментальный. Правда, американский реактор — сгорел. Французский — тоже сгорел. Японцы попробовали, но в 2010 у них сорвалась труба с топливом и тупо утонула в натрии, а там еще и Фукусима стряслась — свернули и забыли, и забили.
А что там (то есть тут) делают ватники в валенках? Ужос с ними, ужос-ужос. В СССР ведь иностранные газеты было не достать, не почитать — вот ватники и не знали ни черта. Работали и работали. На экспериментальном натриевом технологии отработали. В 1980 в Белоярске промышленный построили — БН-600. Ни аварий, ни пожаров… Вот только что БН-800 в сеть воткнули — работает и работает. Дикари. Бензоколонка. Нигде в мире нет — а тут работает. Ужос. Позор какой-то.
Возвращаемся к плутонию. Делать топливный стержень целиком из плутония-239 — не вариант, рвануть может. Тогда было разработано так называемое МОКС-топливо: смесь урана и плутония. МОКС-топливо в принципе даже на «водных» реакторах жечь можно. Ну, если МАГАТЭ разрешит, даст отдельную лицензию. Тогда можно половину стержней обычных ставить, а половину — с МОКС-топливом. В Европе 40 реакторов такие лицензии уже получили — в Бельгии, во Франции с Германией. А в Штатах? А в Штатах — нуль. Не получаецца. А в России? А ватникам лицензия ваще не нужна! У ватников — БН-600, теперь еще и БН-800, которые только под МОКС-топливо и рассчитаны. Дикари…
Производство МОКС-топлива, повторюсь, разработано. Разработано — теоретически. А практически надо бы завод построить, не так ли?
Штаты и начали его у себя строить, в 2008 году приступили. Россия, само собой, мирно дремала — куды ей, лапотной! В 2012 очнулась — тоже начала, в Железногорске. Американцы работали серьезно — работа большая, денег не жалко. К 2015 году 7,7 млрд потратили — серьезные парни. А лапотники? Ну, откуда у них столько денюх? Наскребли кое-как 240 миллионов — и все, больше им папа Вова не дал. Ну, что делать, блин. Построили на то, что дадено было. Наверняка еще и украли, чтобы шубохранилище пополнить. Открыли завод — 28 сентября прошлого года. Завод, само собой, из битых кирпичей, доски торчат во все стороны. МАГАТЭшникам взятку сунули — те и дали «добро». А американцы? А американцы сказали Обаме, что им на запустить завод … денег надо. Еще. Чутка. 17.3 млрд. Семнадцать миллиардов 300 миллионов. Вместе — 25 млрд. На бензоколонке — 240 миллионов и УЖЕ работает. А американцам вот еще бы 17.3 млрд и тогда… Тогда завод — будет. Наверное. Через пять лет. Честное слово. Обязательно.
Вот не в курсе — знает ли Обама русский матерный. Наверно, он ему нужен был, когда он этих «заводчан» услышал. Послушал-послушал — да и послал. В пеший эротический тур. Вместо денег — э-э-э… — не скажу что по всей роже.
А в Америке — сделали айфон.
Россия из плутония способна сделать 1 700 закладок МОКС-топлива, сжечь у себя, или продать его европейцам.
А Америка? А Америка сделала айфон. На китайском заводе Фоксконн. А вот куда деть плутоний — это она не знает, у ней денюх столько нету, и китайцам отдавать на отсосинг такое дело они резонно опасаются. Америка айфоны делает, отстаньте уже!
Создание промышленного производства МОКС-топлива
Особенностью атомной энергетики является длительность процесса внедрения инновационных решений по типу используемых реакторов и их топливному циклу. В то же время принятые в оптимальные сроки правильные решения в области инновационного развития определяют перспективы и экономическую привлекательность (конкурентоспособность) отрасли на десятилетия вперед.
Реакторы типа ВВЭР и БН (не считая «сходящих со сцены» РБМК) сегодня составляют основу российской атомной энергетики и, вероятно, будут играть ту же роль в первой половине XXI века. В настоящее время они используют оксидное топливо.
Перспективным «конкурентом» такому виду топлива является плотное нитридное топливо. Однако, при его несомненных преимуществах с точки зрения обеспечения безопасности реакторов, предстоит длительный путь по освоению технологии, обоснованию внедрения плотного топлива на эксплуатируемых реакторах и, возможно, на установках нового типа. В связи с этим представляется весьма логичным, что в планах инновационного развития Госкорпорации «Росатом», изложенных в Федеральной целевой программе «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010–2015 годов и на перспективу до 2020 года», проекты по разработке плотного топлива сочетаются с промышленным освоением и внедрением смешанного оксидного (МОКС) топлива*.
Создание производства МОКС-топлива обусловлено также необходимостью утилизации 34 т оружейного плутония в соответствии с соглашением между Россией и США.
Технологии изготовления ядерного топлива
Исторически в СССР, а ныне в Российской Федерации разрабатывались и обосновывались две технологии формирования топливного сердечника твэла ядерного реактора: таблеточная технология и технология виброуплотнения. Каждая из технологий имеет свои преимущества и недостатки.
В технологии виброуплотнения для достижения приемлемой эффективной плотности топливного сердечника порошковое топливо разделено на несколько фракций, различающихся по размеру частиц. Кроме того, присутствуют или могут иметь место целевые добавки, в частности, геттер (металлический уран) или выгорающие поглотители. В общем виде технология виброуплотнения включает следующие стадии: классификация смеси по фракциям, составление навески гранулята с целевыми добавками на один твэл, смешивание гранулята перед засыпкой в оболочку, засыпка в оболочку и собственно виброуплотнение.
Преимущества технологии виброуплотнения топливного столба твэла реактора на быстрых нейтронах следующие:
Недостатками технологии являются сложность контроля качества сформированного топливного столба. Кроме того, экспериментальное подтверждение эксплуатационной надежности топлива пока получено в недостаточном объеме.
Таблеточная технология МОКС-топлива представляет собой проекцию давно и успешно освоенной технологии урановой «таблетки» на изготовление смешанного оксидного уранплутониевого топлива. Преимуществом данной технологии является то, что «таблетки», как продукт отдельного передела, хорошо поддаются контролю. Кроме того, уже получен значительный положительный опыт фабрикации и облучения экспериментальных тепловыделяющих сборок (ТВС) с таблеточным топливом в активной зоне реактора БН-600. К числу недостатков можно отнести чувствительность технологии к примесям и целевым добавкам, например, при реализации замкнутого цикла с трансмутацией минорных актинидов.
Создаваемые Производства
Строящийся на площадке Белоярской АЭС энергоблок с реактором БН-800 должен быть введен в эксплуатацию в 2014 году. Его активная зона будет содержать МОКС-ТВС с твэлами, изготовленными как путем виброуплотнения, так и по таблеточной технологии. Для обеспечения поставок топлива на площадке ФГУП «ГХК» будет создано промышленное производство МОКС-топлива по таблеточной технологии, в ОАО «ГНЦ НИИАР» – по технологии виброуплотнения. Таким образом, Госкорпорация «Росатом» рационально использует имеющиеся мощности и квалифицированных специалистов и не планирует выделение новых площадок под производство МОКС-топлива.
Стоимость изготовления МОКС-ТВС при запланированных масштабах производства и существующих ценах на уран выше, чем у ТВС, содержащих обогащенный уран. Но с учетом перспектив использования в реакторах наработанного плутония вместо 235 U, технология смешанного уранплутониевого топлива является выгодной.
Планы перегрузки БН-800 предусматривают переход на использование в активной зоне только МОКС-ТВС в 2017 году. К этому времени опыт эксплуатации ТВС, созданных по двум конкурирующим технологиям, должен дать ответ о перспективности и целесообразности их дальнейшего развития.
Авторы
Глазов А.Г., к.т.н., руководитель
Новое в блогах
Росатом» первым в мире начал выпуск МОКС-топлива
«Росатом» запустил на Горно-химическом комбинате (ГХК, входит в «Росатом») промышленное производство МОКС-топлива (mixed-oxide fuel) для реакторов на быстрых нейтронах.
В августе Железногорский ГХК собрал первую тепловыделяющую сборку (ТВС) с урановыми таблетками из МОКС-топлива.
Производство МОКС-топлива для быстрых реакторов происходит в рамках ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения». Ученые определяют график выпуска изделий в соответствии с потребностями реактора БН-800, на котором достигнут минимальный контролируемый уровень мощности (МКУ). На реакторе идут работы по подъему мощности в соответствии с регламентом, отмечает «Интерфакс».
В предновогодние дни завершается работа приёмочной комиссии, созданной по распоряжению госкорпорации «Росатом» по вводу в эксплуатацию на площадке ФГУП ФЯО «ГХК» (г.Железногорск Красноярского края) промышленного производства МОКС-топлива для нового энергоблока №4 Белоярской АЭС с реактором БН-800.
В целях интеграции в проект отраслевых достижений, богатого опыта и уникальных компетенций Топливной компании «ТВЭЛ» в области производства ядерного топлива управление проектом было возложено распоряжением ГК «Росатом» на ОАО «ТВЭЛ».
Создание промышленного производства МОКС-топлива (смешанного оксидного уран-плутониевого топлива) на площадке ФГУП ФЯО «ГХК» предусмотрено федеральной целевой программой «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года».
ОАО «ТВЭЛ» создано 12 сентября 1996 года в соответствии с Указом Президента РФ, входит в состав ГК «Росатом». ТК «ТВЭЛ» включает в себя предприятия по фабрикации ядерного топлива, конверсии и обогащению урана, производству газовых центрифуг, а также научно-исследовательские и конструкторские организации. Является единственным поставщиком ядерного топлива для российских АЭС.
ОАО «ТВЭЛ» обеспечивает ядерным топливом 77 энергетических реакторов в 15 странах мира, исследовательские реакторы в девяти странах мира, а также транспортные реакторы российского атомного флота. Каждый шестой энергетический реактор в мире работает на топливе, изготовленном ТВЭЛ.