Повторное использование отработавшего ядерного топлива - старые технологии и новые возможности

Представьте на минутку, что из тонны добытого угля мы сжигаем (с получением энергии) 5%, а все остальное выбрасываем. Дикость и расточительство? Однако именно это происходит сегодня с природным ядерным топливом – ураном. Лишь пять процентов урана в топливных стержнях ядерных реакторов подлежат делению, после чего стержни изымаются из обращения и помещаются на постоянное хранение. Многие тысячи тонн радиоактивных ядерных отходов представляют один из серьезнейших аргументов против атомной энергетики.

Тем не менее, существует метод, позволяющий использовать практически весь уран из топливного стержня. Повторное использование добытого ранее и единожды отработавшего ядерного топлива может обеспечить нас энергией на годы вперед (не сказать, чтобы «зеленой», но, как минимум, не приводящей к выбросам углерода). Применявшиеся некогда технологии обнаружили ряд проблем, что привело к прекращению переработки ядерного топлива в США. Тем не менее, новые разработки ученых Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США решают многие из них, возвращая идее актуальность.

Одна из причин столь неполного использования возможностей урана заключается в том, что большая часть существующих промышленных реакторов относится к так называемым «легководным» реакторам, ЛВР. Они во многом хороши, но при этом не рассчитаны на выжимание из топлива всей энергии до последнего ватта.

Однако существуют и другие типы реакторов – так называемые «быстрые» (реакторы на быстрых нейтронах), способные «перерабатывать» отработавшее топливо с извлечением куда большего количества энергии.

Основное различие между двумя типами реакторов заключается в том, какое вещество используется для охлаждения ядра. В легководных реакторах теплоносителем выступает обыкновенная вода. В реакторах на быстрых нейтронах с этой целью применяются другие вещества – натрий или свинец. Они не замедляют нейтроны так сильно, как вода, что позволяет реактору расщеплять множество других изотопов. Это означает, что быстрые реакторы могут производить электричество из разнообразнейших видов топлива, включая остатки отработавшего топлива ЛВР. (Усовершенствованные ЛРВ также могут использовать отработавшее топливо, но далеко не столь эффективно).

По уверениям ученых, с постройкой быстрых реакторов мы могли бы достать все отработавшее ядерное топливо (ОЯТ), что производилось и складировалось на протяжении последних 60ти лет, и снова пустить его в дело. Какая-то его часть по-прежнему подлежала бы захоронению, но составляла бы намного меньший процент. Так, повторное использование всего урана и других актинидов уменьшило бы объем отходов, подлежащих длительному хранению, на 80%.

Так или иначе, до подачи отработавшего топлива обратно в реактор его необходимо определенным образом обработать. Для этого в разных странах десятилетиями применялся метод под названием PUREX. В его основе лежало американское исследование 1940х годов по выделению из отработавшего топлива плутония. Высказывались, однако, опасения, что этот процесс может быть использован для производства оружейного плутония, в связи с чем президент Джимми Картер в 1978м году ввел запрет на коммерческую переработку ОЯТ.

Это решение заставило ученых искать другие, более эффективные пути переработки отработавшего топлива. Результатом изысканий стала технология «пирометаллургической обработки» (“pyroprocessing”), в которой электрический ток используется для выделения совокупности необходимых элементов, а не плутония в отдельности.

Как это работает

Отработавшее в легководном реакторе керамическое ядерное топливо на 95% состоит из урана; еще один процент представлен другими долгоживущими радиоактивными элементами – актинидами. И уран, и актиниды могут использоваться повторно, и лишь оставшиеся четыре процента топлива, состоящие из продуктов деления, не поддаются переработке.

Процесс пирометаллургической обработки начинается с разрезания керамического топлива на мелкие кусочки и превращения его в металл. После этого топливо помещается в емкость с солевым расплавом, и электрический ток выделяет из него уран и другие полезные элементы, из которых формируются новые топливные стержни.

Оставшиеся и не подлежащие переработке продукты деления удаляются из электроочистительной установки и заливаются в прочные стеклянные диски. В таком виде они помещаются на долгосрочное хранение, но при этом возвращение к радиоактивности, соответствующей показателям природного урана, занимает каких-то пару сотен лет – в отличие от тысяч лет, необходимых для хранения необработанного топлива.

Почему этот метод все еще не используется?

Ученые называют две причины, и первая из них – отсутствие финансовых стимулов – носит лишь временный характер. Стоимость урана сегодня невысока, и однократное использование топливных стержней оказывается дешевле, чем разработка и проверка методов их переработки. Постройка легководных реакторов также обходится дешевле, так как старые технологии не вызывают вопросов и у производителей, ни у органов правления. Процесс утверждения новых типов реакторов (включая «быстрые») занимает годы, и желающих ждать и терпеть почти не находится.

Вторая из выделенных причин заключается в опасениях, связанных с распространением технологии и попадании ее в руки террористов, желающих заполучить оружейный уран и плутоний. Эту проблему предложенный процесс решает двумя способами – во-первых, она связывает плутоний с ураном и высокорадиоактивными актинидами, усложняя кражу и обработку материала с целью создания оружия. Во-вторых, заводы пирометаллургической обработки с быстрыми реакторами могли бы возводиться на месте бывших легководных реакторов, обеспечивая закрытость предприятий. Это снизило бы риск, связанный с транспортировкой отработавшего топлива для повторного использования.

Итак,

Ученые и инженеры Аргоннской национальной лаборатории продолжают работать над тем, чтобы сделать повторное использование отработавшего ядерного топлива как можно более безопасным, дешевым и эффективным. Тестируют опытные модели установок переработки, прибегают к компьютерному моделированию протекающих в них химических процессов, разрабатывают новые типы реакторов. Будут ли их усилия оценены по достоинству – покажет время.

Источник: www.anl.gov

• < Волновая электростанция у берегов Австралии
• Прозрачные солнечные элементы позволят окнам вырабатывать электричество >

Комментарии: