Замыкание ядерного топливного цикла представляет собой важный шаг как с точки зрения надёжного обеспечения атомной энергетики ресурсами, так и с позиций обращения с ядерными отходами. Проблемам замыкания ЯТЦ по урану посвящена новая публикация МАГАТЭ IAEA Nuclear Energy Series No. NF-T-4.4. Use of Reprocessed Uranium: Challenges and Options.
Пути использования регенерированного урана
Уран, восстановленный после переработки ОЯТ (регенерированный уран), может быть возвращён в топливный цикл различными путями. Он может использоваться напрямую, может быть дообогащён, а также может быть смешан с обогащённым или природным ураном. Кроме этого, регенерат может применяться в качестве защитного материала в контейнерах для ОЯТ или получить иные применения, выходящие за пределы атомной энергетики.
Различные применения регенерированного урана
В случае прямого применения регенерат может служить целям выравнивания потока и повышения выгорания в тяжёловодных реакторах, а также выступать матрицей при изготовлении MOX-топлива или материалом для бланкетов быстрых реакторов. После обогащения или смешивания с обогащённым или природным ураном регенерат может быть возвращён в виде топлива в легководные и газографитовые реакторы.
Большая группа государств - Бельгия, Великобритания, Германия, Индия, Испания, Италия, Казахстан, Китай, Нидерланды, Россия, США, Украина, Франция, Швейцария, Швеция и Япония - либо располагает значительными запасами регенерированного урана, либо имеет программу или планы по получению регенерата из ОЯТ.
Ещё три страны - Аргентина, Канада и Южная Корея - рассматривают стратегии переработки ОЯТ, включающие в себя использование регенерированного урана в тяжёловодных реакторах.
Общее количество регенерированного урана, выделенного из ОЯТ, составляло в мире на конец 2005 года более 45 тысяч тонн с сильным различием по составу между отдельными партиями. В прошлом и настоящем немедленное рециклирование регенерата было и частично остаётся невыгодным.
По этой причине, большая часть регенерата была деконвертирована из жидкого гексагидрата нитрата уранила UNH в стабильную твёрдую форму оксидов урана UO3 или U3O8 и помещена в хранилища.
Гексагидрат нитрата уранила имеет химическую формулу UO2(NO3)2-6H2O, но обозначается как UNH. |
В дополнение к названному выше количеству, ещё свыше 120 тысяч тонн регенерированного урана может быть восстановлено из находящегося в промежуточных хранилищах ОЯТ.
Великобритания
В Соединённом Королевстве запасы регенерата пополняются из двух источников - от переработки выгоревшего металлического топлива магноксовых реакторов и от переработки оксидного ОЯТ реакторов AGR и LWR.
Большая часть британского регенерата приходится на первый из перечисленных источников. Всего в стране была получена 41 тысяча тонн регенерата из магноксовых реакторов, причём 17 тысяч тонн из этого количества было возвращено в топливный цикл (рециклировано). Таким образом, на складах в Великобритании в 2005 году хранилось 24 тысяч тонн регенерата из магноксовых реакторов. К 2012 году это количество может возрасти до 30 тысяч тонн.
Уран, восстанавливаемый из ОЯТ магноксовых реакторов, имеет обогащение ниже природного, и за ним закрепилось обозначение MDU (Magnox Depleted Uranium). Его среднее обогащение составляет 0,4%, содержание изотопов 232U и 236U низкое из-за малого выгорания. Как правило, MDU восстанавливается в форме UO3.
Кроме этого, в Великобритании в 2005 году имелось 2000 тонн регенерата, восстановленного из ОЯТ реакторов AGR (в будущем это количество может увеличиться до 5000 тонн). На территории королевства хранился также регенерат, принадлежащий зарубежным клиентам и подлежащий со временем возврату в страну-владельца ОЯТ. Типичное содержание 236U в таком регенерате составляет 0,8-1,0%.
Франция
Во Франции имеется четыре завода по переработке ОЯТ - UP-1 в Маркуле на юге Франции, а также UP2-400, UP2-800 и UP-3 в Ля Аг.
Переработка на заводе UP-1 велась на протяжении 40 лет и была прекращена в 1997 году. Имевшиеся на момент закрытия завода 2800 тонн регенерированного урана подлежали рециклированию в реакторах до конца 2009 года.
Завод UP2-400 в Ля Аг также в настоящее время выведен из эксплуатации. Поэтому единственными действующими заводами во Франции остались UP2-800 и UP-3.
Общее количество урана, выделенного за всё время во Франции из ОЯТ, превышает 45 тысяч тонн. Оно почти поровну - 23 тысячи против 22 тысяч - делится между регенератом из ОЯТ газоохлаждаемых реакторов и регенератом из ОЯТ легководных реакторов.
Регенерат из ОЯТ GCR имеет среднее обогащение по 235U ниже 0,4%, и в настоящее время французы не рассматривают его повторное использование через дообогащение - оно становится неэкономичным при текущих ценах на ЕРР.
Регенерат из ОЯТ LWR вывозится в форме UNH в Пьеррелят, где конвертируется либо в U3O8, либо в UF6 в зависимости от дальнейших планов по его использованию. Здесь же в Пьерреляте хранится регенерат, принадлежащий компании "Electricite de France".
Следует отметить, что публикация МАГАТЭ не приводит данных об общем количестве регенерата, хранившегося во Франции на момент сравнения - конец 2005 года.
Япония
В Японии на заводе в Токаи продукты переработки ОЯТ получаются либо в виде UO3, либо в форме азотного раствора, содержащего уран и плутоний.
UO3 в дальнейшем пакуется в специализированные ёмкости и вывозится на захоронение. Всего в Японии накоплено 800 тонн урана в форме UO3.
Растворы урана и плутония деазотируются, давая на выходе смешанный оксид урана и плутония. Данный продукт складируется в Токаи вплоть до принятия окончательного решения по его судьбе.
Россия
У Российской Федерации практически отсутствуют запасы регенерированного урана, так как он немедленно рециклируется в реакторах РБМК. Исключение составляют лишь материалы, необходимые для разбавления регенерата западного происхождения - об этом исключении говорится ниже.
Стратегии использования регенерата в прошлом
Великобритания
В Соединённом Королевстве рециклирование регенерата освоено давно. Вплоть до середины 80-ых годов большая часть топлива для реакторов AGR выпускалась из урана, полученного в результате переработки ОЯТ магноксовых реакторов.
Из Селлафилда в Спрингфилдс было вывезено 17 тысяч тонн регенерированного урана, конвертировано в форму гексафторида и после дообогащения на центрифугах URENCO использовано при создании топлива для AGR.
Как уже говорилось, глубины выгорания в магноксовых реакторах невелики, и концентрации 232U и 236U в их выгоревшем топливе незначительны. Тем не менее, конверсионным производствам пришлось разрабатывать методику работы в условиях присутствия дочерних продуктов распада 232U, а также изотопов 99Tc и 106Ru.
В 1982 году Великобритания остановила программу по рециклированию регенерата урана. Задействованные в ней конверсионные установки в настоящее время выведены из эксплуатации.
Германия
В Германии изучение возможностей по возвращению урана в топливный цикл стартовало в начале 80-ых годов. На топливном заводе в Лингене, на тот момент принадлежавшем "Сименсу"/KWU, а сейчас контролирующемся компанией "AREVA NP", была произведена одна топливная сборка, содержавшая дообогащённый регенерированный уран. Кассету загрузили в активную зону АЭС "Обригайм" (Obrigheim). Обогащение в сборке было повышено до 3,5% для компенсации негативных эффектов от присутствия изотопа 236U. В пересчёте на топливо из свежего обогащённого урана, это было эквивалентно величине обогащения 3,2%.
На момент первого эксперимента, средняя глубина выгорания на германских АЭС составляла 32 ГВт×сут/т. В середине 80-ых годов выгорание было увеличено до 37 ГВт×сут/т.
После этого в Германии был предпринят второй эксперимент - регенерат урана был дообогащён на заводе URENCO в Альмело (Нидерланды) и использован для производства четырёх кассет, загруженных в активную зону блока "Некарвестхайм-1" (Neckarwestheim-1) с реактором PWR в 1986 и 1987 годах.
В Германии существовала явная тенденция к повышению глубины выгорания. Это создало лимитирующий фактор для использования регенерата. Кассетам с регенератом требовалось большее начальное обогащение для компенсации 236U. Было показано, что при достижении выгорания 44 ГВт×сут/т начальное обогащение в кассетах с регенератом составит 5%. Дообогащение регенерата свыше 5% было признано непрактичным и неэкономичным.
В начале 90-ых годов "Сименс" в кооперации с МСЗ (Электросталь) предложил альтернативный подход - регенерированный уран не дообогащается, но смешивается с ураном с более высоким обогащением (вплоть до 20%). В этом случае становится возможным достигать заданного обогащения при меньших концентрациях 236U.
Германские и российские специалисты подготовили в начале 90-ых годов экономические соображения по рециклированию регенерата, смешанного с ураном более высокого обогащения. Как отмечается в публикации МАГАТЭ, их выводы утратили свою актуальность, так как рыночные условия с тех пор полностью изменились.
Заключение, к которому пришли германские энергетические компании по итогам первых попыток рециклировать уран, гласит - для каждого блока необходимо как можно скорее определить технические и юридические препятствия и сложности, чтобы установить наиболее подходящий для него путь использования регенерата урана.
Россия
Дообогащение регенерата ведётся в России в промышленных масштабах на СХК с начала 90-ых годов. С 1993 года МСЗ (Электросталь) выпускает топливо из дообогащённого регенерата для западных компаний - ранее для "Сименса"/KWU, теперь для "AREVA NP".
В докладе приводятся следующие данные по результатам западных контрактов МСЗ - сделано 1693 ТВС (673 тонны урана), а также 126 тонн урана в форме топливных таблеток. В последнем случае, таблетки поставлялись на завод "Линген" (Германия), где они использовались при фабрикации кассет.
Что касается обращения с собственным регенератом, то Россия поступает с ним следующим образом. Уран, получаемый на заводе РТ-1 в результате переработки ОЯТ реакторов ВВЭР-440, смешивается в растворе азотной кислоты с ураном, выделенным в ходе переработки ОЯТ исследовательских и транспортных реакторов. Получаемый состав UNH с обогащением 2,6% передаётся на заводы для фабрикации топливных сборок для реакторов РБМК.
Франция
Компания "Electricite de France" (EdF) инициировала рассмотрение вопроса о рецикле регенерата в начале 80-ых годов. Первая сборка из регенерата, сделанная на французских заводах, была получена энергетиками в 1987 году. Опытная партия таких кассет проходила квалификацию с 1987 по 1990 годы на "Круа-4" (Cruas-4).
Интересно отметить, что французы начинали работу с регенератом, не прибегая к повышению обогащения для компенсации 236U - в сборках с регенератом было такое же среднее обогащение (3,7%), как и в сборках со свежим ураном. И лишь по истечению некоторого времени EdF смогла получить лицензию на повышение обогащения в кассетах с регенератом до 4,1%.
Французы уделяют особое внимание тщательному расчёту обогащения, которое должно быть в сборках с регенератом, так как ошибки при его определении неизбежно приводят к потерям в длине кампании.
Швейцария
Швейцарская компания "Kernkraftwerk Gosgen" (KKG) разработала стратегию, направленную на рециклировании в тепловых реакторах урана и плутония. Более того, KKG соглашалась использовать на швейцарских АЭС топливо с регенератом урана иностранного происхождения.
Реализация стратегии на практике различалась для каждой отдельной станции, в зависимости от устремлений эксплуатирующей организации.
На АЭС "Мюлеберг" (Muhleberg) регенерат использовался только для продажи и перепродажи. АЭС "Ляйбштадт" (Leibstadt) передавала свой регенерат на другую станцию - АЭС "Безнау".
Рециклирование регенерата проводится в Швейцарии на АЭС "Безнау" (Beznau) и АЭС "Гёсген" (Gosgen). Уран для этих станций дообогащается в России методом разбавления со свежим ураном более высокого обогащения. Благодаря действующим соглашениям на поставку топлива из регенерата, обе станции покрыли свои потребности в горючем вплоть до второй половины следующего десятилетия.
Индия
Известно, что Индия использует регенерат при изготовлении топлива для своих тяжёловодных реакторов PHWR. По происхождению данный регенерат получается при переработке ОЯТ PHWR. Топливо из регенерата фабрикуют на тех же предприятиях, что и топливо из свежего урана, при этом соблюдается строгое разграничение между технологическими линиями, задействованными в обоих процессах.
Топливные элементы из регенерата применяются в PHWR для сглаживания поля энерговыделения. У PHWR есть известный дефект - в зоне, собранной исключительно из свежего топлива, образуются недопустимо высокие энерговыделения в центральной части. Один из путей избавления от него - добавление в начальную загрузку элементов с регенерированным ураном.
Известно также, что индийские атомщики используют топливные элементы из регенерата для сокращения времени, необходимого для выхода с МКУ на номинал. Такие элементы загружаются и в равновесные зоны с целью уменьшить расход природного урана.
Количественных данных по использованию регенерата в Индии публикация МАГАТЭ не приводит.
Текущее состояние рынка регенерата
Хотя запасы выделенного из ОЯТ урана достаточно велики, рынок для топлива из регенерата не сформирован.
Регенерированный уран относится к категории "вторичных источников" сырья. Существующие неопределённости в будущих потребностях в уране и в планах добывающих компаний по увеличению добычи природного урана привели к тому, что в мире нет значимых инициатив и предложений, направленных на расширение использования регенерата в топливном цикле.
В публикации выделены несколько сдерживающих факторов, ограничивающих рост объёмов возвращаемого в ЯТЦ урана:
Продолжение следует.
ИСТОЧНИК: AtomInfo.Ru
ДАТА: 18.01.2010
Темы: ОЯТ, ЯТЦ, Публикации МАГАТЭ
