كيفية دفع ذروة اليورانيوم بمقدار 10 آلاف سنة

... أو برنامج تعليمي حول دورة الوقود النووي المغلقة (NFCF).

اثنان من أكثر الواعدة وانتقد في نفس الوقت مفهوم الطاقة النووية هو الانصهار للرقابة وإغلاق دورة الوقود النووي. مرت ستون سنة على ظهور أفكار الطاقة هذه ، لكن الأولى لم تخلع معطف المختبر ، وظلت الثانية على شكل تجارب فردية "مجربة ومغادرة". ولكن إذا كانت الطاقة النووية الحرارية قصة خاصة ، مع الطبيعة الخبيثة وضعف الإنسان في المؤامرة ، فإن دورة الوقود النووي في مهدها لأسباب مختلفة تمامًا.


حبوب من خليط من ثاني أكسيد اليورانيوم والبلوتونيوم - أساس دورة الوقود النووي اليوم

تتمثل فكرة NFCF في تعلم كيفية استخراج الطاقة من اليورانيوم 238 غير المستخدم حاليًا أو الثوريوم 232. تحتوي على نفس الكمية من الطاقة مثل U235 التي "تعمل" في المفاعلات اليوم - ما يقرب من 150 كيلو واط في الساعة (شهر استهلاك متوسط ​​الشقة) من الكهرباء لكل 1 جرام من المعدن. ومع ذلك ، في اليورانيوم الطبيعي ، فقط 0.7 ٪ من U235 (التي نحصل عليها 0.5 ٪ ، يذهب الباقي إلى التفريغ عند فصل النظائر) ، و 99.3 ٪ من ذلك U238. إذا كان من الممكن استخدام مائتين وثماني وثلاثين يورانيوم ، فسيتم توسيع احتياطيات الوقود النووي بمقدار 200 مرة. وهنا تكمن المشكلة الأولى لدورة الوقود النووي - لا توجد حاجة ملحة خاصة لتوسيع احتياطيات الوقود في العالم ، وهي كافية بسبب ركود السعة الإجمالية لمحطات الطاقة النووية.


غرفة تجميع MOX لمجموعات الوقود لمفاعل BN-800. تعتبر الجدران ومعدات الفولاذ المقاوم للصدأ والروبوتات والضيق مكونات نموذجية لهذه الصناعات.

كيف ستستخدم NFC طاقة اليورانيوم 238؟ لا يدعم هذا النظير تفاعل سلسلة الانشطار اللازمة لاستخراج الطاقة. ولكن اتضح أنه من خلال امتصاص نيوترون واحد ، يمكن أن يتحول إلى بلوتونيوم 239 ، الذي يدعم بالفعل تفاعل السلسلة. لحسن الحظ بالنسبة لنا ، عند انشطار U235 و Pu239 ، "يسقط" اثنان أو ثلاثة نيوترونات منها ، وإذا استمر أحدهما في متابعة التفاعل المتسلسل ، يمكن للمرء الثاني "الزائد" أن يجد مثالاً مفيدًا: الإنفاق على تحويل U238 إلى شيء قابل للانشطار (على سبيل المثال. Pu239). وهكذا ، تم تشكيل مفهوم الإغلاق - فنحن "نحرق" البلوتونيوم في المفاعل ، ونتلقى في نفس الوقت البلوتونيوم الجديد من U238.


في الوقود النووي المستنفد ، قد يتم وضع 3-5٪ فقط من منتجات الانشطار الإشعاعي التي يجب التخلص منها ، والباقي (التبسيط إلى حد ما) في دورة جديدة.

يتم الحصول على الحد الأدنى من NFCF يتكون من ثلاثة عناصر:

1. مفاعل
2. مصنع معالجة الوقود النووي المشعع
3. مصنع لإنتاج الوقود الطازج بمواد انشطارية تم الحصول عليه في الفقرة 2.

من أين يبدأ NFCF؟

أين يبدأ الطوق؟ لتبسيط العرض التقديمي ، لنفترض أن المسرح يبدأ بشماعات في مركز دورة الوقود النووي يبدأ في المفاعل. المفاعل هو المكان الذي يتم فيه استخراج الطاقة والنيوترونات من المواد الانشطارية . يتم امتصاص النيوترونات "الاحتياطية" بمواد بدء خاصة، وبعد ذلك تتحول إلى انشطارية جديدة ، مستنسخة استهلاكها. إن الزوج التقليدي من المواد الانشطارية والبداية هو البلوتونيوم Pu239 (الانشطاري) واليورانيوم U238 (امتصاص) ، ولكن هناك العديد من الخيارات الأخرى ، على سبيل المثال ، بدلاً من Pu239 الاصطناعي ، يمكنك استخدام الوقود التقليدي U235 ، ويمكن أن يسمى تحويل U238 إلى Pu239 التحويل بدلاً من التكاثر. هناك الكثير من تصميمات المفاعلات ، حيث يتم إنتاج واحدة جديدة ، بالإضافة إلى انحلال المواد الانشطارية - يمكن أن تكون سريعة وحرارية (في حالة الزوج U233 - Th232). بالفعل في هذه المرحلة ، ليس من الصعب الخلط بين وفرة الشوك في دورة الوقود النووي ، ولم نبدأ بعد في النظر في خيارات مختلفة لكيمياء الوقود!


مخططات NFCF النموذجية. وتضخم جداً!

توفر المتغيرات التقليدية إلى حد ما لمفاعل المولد من الفقرة السابقة الفصل المادي لمناطق التقسيم والتكاثر. نظرًا لأنه ، مرة أخرى ، بشكل تقليدي ، يتم تجنيد النواة من أشرطة خاصة ، فقد اتضح أنه بعد حملة الوقود ، على سبيل المثال ، نزيل الوقود النووي المشعع من المفاعل ، حيث يوجد في بعضنا مواد انشطارية أقل ، وفي جزء منه - كثير المزيد.


يرى المطورون الروس لمركز دورة الوقود النووي الآن مفاعل BN-1200 كعنصر رئيسي. سيتم أخذ البلوتونيوم من الوقود النووي المستهلك المعاد معالجته من مفاعلات VVER و RBMK ، مما يحل مشكلة تخزينه.

لماذا لا يمكن استخدام هذه المواد الانشطارية المتراكمة (DM) على الفور في المفاعل؟ بشكل رئيسي لأسباب تكنولوجية - يقع داخل العناصر العازلة (عناصر الوقود) ، التي لديها مورد معين لوجودها داخل القلب. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذا الجزء من DM الذي تم مشاركته مع توليد الطاقة والنيوترونات يترك وراءه منتجات الانشطار ، وهي سموم نيوترونية وتدهور خصائص المفاعل تدريجيًا.


أكبر محطة إعادة معالجة SNF في العالم - الفرنسية La-Haug ، القادرة على إعادة معالجة SNF السنوية من 90 وحدة طاقة - جميع الوقود الأوروبي المستهلك.

الحبوب من القشر. إعادة التدوير.

علاوة على ذلك ، يجب معالجة هذا الوقود وتقسيمه:

• تصاميم الكاسيت المعدني السلبي
• مواد البدء (Th232 ، U238)
• منتجات الانشطار
• المواد المتراكمة (Pu239)
• المواد الانشطارية المتبقية.

تقليديا ، النباتات الكيميائية الإشعاعية ، مثل المنارة ، تفعل ذلك. وإذا كان هناك حوالي عشرة خيارات لمفاعلات المولد ، فهناك أكثر من مائة خيار تكنولوجي للمعالجة.


على سبيل المثال ، يبدو أنها عملية متقدمة جدًا لإعادة معالجة SNF لمفاعل BREST-300 ، والتي يتم إجراؤها مباشرة في محطات الطاقة النووية. تشير كلمة "pyro" هنا إلى العملية الجهنمية للتحليل الكهربائي لذوبان الوقود النووي المشعع في الكادميوم.

بادئ ذي بدء ، نوع الوقود الذي يعمل في المفاعل مهم. يمكن أن يكون إما اليورانيوم المعدني والبلوتونيوم (أو سبيكة تحتوي على الزركونيوم ، الموليبدينوم ، إلخ.) ، أو مركب كيميائي: أكسيد ، نيتريد ، كربيد - على سبيل المثال. مركب من اليورانيوم والبلوتونيوم مع الأكسجين والنيتروجين والكربون ، إلخ. في الطاقة التقليدية ، يتم استخدام أكسيد اليورانيوم UO2 ، والذي يتميز ببعض الخصائص الملائمة (على سبيل المثال ، في الاحتفاظ بمنتجات الانشطار الغازي للزينون والهليوم واليود). يتم تحديد كيمياء الوقود من خلال المتطلبات الفيزيائية النيوترونية من مفاعل المولد ويحدد بدوره التكنولوجيا التي سيتم استخدامها في مصنع إعادة معالجة SNF. تُستخدم معالجة الوقود النووي في شكل محاليل في حمض النتريك ، أو عملية PUREX ، بشكل تقليدي وعلى نطاق واسع نسبيًا.أبسط تقنية (لا تقل خطورة عن هذا) تم تطوير PUREX بهدف استخراج البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة من الوقود النووي المستنفد من المفاعلات النووية العاملة حتى في فجر العصر الذري.


بالمناسبة ، يمكن إجراء PUREX في المنزل.

ومع ذلك ، في المستقبل ، NFCF ، يرغب الكيميائيون الراديويون في الابتعاد عن وقود الأكسيد عن طريق التحول إلى كربيد أو نيتريد (بتعبير أدق ، خليط من البلوتونيوم وكربيد اليورانيوم / نتريد) ، ومن الكيمياء الإشعاعية السائلة ، التحول إلى معالجة الكتلة المشعة في شكل أملاح منصهرة أو حتى غاز مؤين (!) . من ناحية ، يعطي هذا الانتقال مكافآت ملحوظة لمشروع NFCF بأكمله ، على سبيل المثال ، عند العمل على النيتريد ، يمكن إنشاء مفاعل بدون مناطق التكاثر (مما يعني مخططين لإعادة معالجة SNF) ، ولن يترك طن من إعادة معالجة SNF عشرات الأمتار المكعبة من النفايات المشعة السائلة. من ناحية أخرى ، من الضروري حل مجموعة كبيرة من القضايا في الوقت نفسه ، في المفاعل ، في إعادة معالجة الوقود النووي المستهلك ، وكذلك في تصنيع الوقود الطازج ، والذي سنتحدث عنه أدناه.


, . , , .


, «»

يتم استخدام وقود النيتريد لبناء مشروع دورة الوقود النووي Proryv ، والذي يوفر مفاعلًا سريعًا مع سائل تبريد الرصاص وتكرير وتصنيع الوقود الخالي من السوائل في الموقع. هذه المجموعة من التقنيات تجعل "الاختراق" كثيرًا من NFCF السائد ، حيث يكون المفاعل صوديومًا ، والوقود أكسيد ، والمعالجة سائلة ، لذلك ليس هناك فائدة من الاختلاط ، على سبيل المثال ، محطة وقود النتريد التي يتم بناؤها في Seversk و BN-800 - إنها مثل خطين متوازيين.


على سبيل المثال ، خط تجريبي حيث يمكنك إنتاج ما يصل إلى 20 كيلوجرامًا شهريًا من الأجهزة اللوحية من خليط من اليورانيوم والبلوتونيوم والنبتونيوم. على سبيل المثال الخط في الداخل ، ونرى فقط الصناديق الواقية التي يكون فيها في جو خالٍ من الأكسجين ولا مائي.

المحطة الثالثة من NFCF. تصنيع الوقود

التصنيع هو تجميع خراطيش الوقود (تجميعات الوقود) من الإطار ، قضبان الوقود المعبأة مسبقًا بوقود اليورانيوم (عادة في شكل أقراص). بالطبع ، كل مفاعل في العالم لا يفكر في دورة الوقود النووي يستهلك تجميعات الوقود هذه كل عام ، لذا فإن التصنيع هو عملية صناعية متطورة. والذي يتضمن المراحل المتقدمة تقنيًا لطحن مسحوق UO2 ، وضغط هذا المسحوق في أقراص ، وأقراص تلبيد.

لذا ، فإن تصنيع الوقود لدورة الوقود النووي يكسر جميع التقاليد الصناعية الواسعة لمحطات تجميع الوقود. أولاً ، إن تجميعات الوقود التي يتم جمعها من بقايا الوقود النووي المشعع تكون مشعة ، مما يعني أن جميع العمليات يجب أن تتم دون مشاركة الناس. ثانيًا ، يختلف مسحوق أكسيد البلوتونيوم عن اليورانيوم. ثالثًا ، إذا قررنا مع ذلك استخدام نيتريد أو كربيد اليورانيوم والبلوتونيوم بدلاً من الأكاسيد ، فإن اكتشافًا مزعجًا ينتظرنا - يشعلان ذاتيًا في الهواء أو في وجود رطوبة. لذا فإن الطحن والضغط والتلبيد يجب أن يتم في صناديق معزولة مليئة بالنيتروجين الجاف.


على سبيل المثال ، يوجد في الجانب الأيمن من الإطار صندوق به أقراص MOX لصنع أقراص تجميعات الوقود BN-800 ،

ونتيجة لذلك ، تبين أن تصنيع الوقود في دورة الوقود النووي لا يقل أهمية وصعوبة مثل المرحلتين السابقتين.

يجب أن تكون نتيجة الإغلاق "الصحيح" استهلاك مادة البدء (U238 أو Th232) في مصنع تجميع الوقود ، وتوليد الكهرباء بواسطة المفاعل ، وتدفق النفايات عالية الإشعاع (منتجات الانشطار وبعض ماصات المعالجة) من مصنع معالجة SNF. سيكون التوازن المادي لكل هذا صغيرًا جدًا - سيحتاج مفاعل جيجاوات إلى حوالي 2.5 طن من U238 سنويًا وسيتم الحصول على نفس الكمية تقريبًا من شظايا الانشطار التي يجب دفنها لعشرات الآلاف من السنين.

هناك أيضًا نوع مختلف من NFCF محبوب من قبل الدعاية ، حيث يتم الحصول في المفاعل على المزيد من المواد الانشطارية في كل دورة من المواد التي يتم تحميلها - NFCF مع التكاثر الموسع. هناك مصطلح مهم هو "مضاعفة وقت الوقود" ، أي الفترة الزمنية التي يصبح فيها البلوتونيوم في نظام مغلق لمصنعين ومفاعل أطول بمرتين ويمكن إطلاق وحدة أخرى. بالنسبة للخيارات قيد النظر ، تستغرق هذه الفترة عادة حوالي 30 عامًا ، والتي على شفاه بعض يتحول إلى العيب الرئيسي لدورة الوقود النووي: كمية البلوتونيوم الأولي محدودة ومع مثل هذا الوقت المضاعف ، على سبيل المثال ، يمكن بناء 100 جيجاوات من المفاعلات السريعة في 100 عام أو أقل. ومع ذلك ، لا ننسى آلاف الأطنان من U235 ، التي تكمن الآن في تكوين اليورانيوم الطبيعي في مكان ما في صخور الرواسب الكنتورية ، وكذلك آخر لحظة رئيسية لدورة الوقود النووي ،التي تحتاج إلى معرفتها.


2020 () -1000 -1000, .

—

هذه النقطة بسيطة للغاية - NFCF موجودة منذ فترة طويلة وتعمل. صحيح ، أنها ليست كاملة ، ولكنها نوع من "نصف المال" ، ولكن كل شيء تقنياً في مكانه الصحيح. نحن نتحدث عن وقود MOX وإعادة معالجة SNF للطاقة التقليدية (عادة بالماء المضغوط وطيف النيوترون الحراري). حتى الآن ، يتم استخدام هذه الممارسة على نطاق واسع من قبل فرنسا ، التي تعالج الوقود مع ~ 100 جيجاوات من المفاعلات من جميع أنحاء أوروبا وتصنيع تجميعات الوقود مع البلوتونيوم المفصول عن SNF للتحميل في المفاعلات نفسها. هناك جميع العناصر هنا - المفاعلات التي تعمل على وقود اليورانيوم والبلوتونيوم (في الواقع MOX - هذا هو أكاسيد مختلطة - أكاسيد مختلطة من البلوتونيوم واليورانيوم) ، إعادة معالجة الوقود النووي المستهلك مع البلوتونيوم المتراكم نتيجة إشعاع بدء U238 ، تصنيع البلوتونيوم الجديدMOX-TVS. علاوة على ذلك ، تتمتع فرنسا بخبرة فريدة في تصنيع تركيبات الوقود من البلوتونيوم ، والتي تم تطويرها في تجميعات الوقود MOX ، أي مضاعفة استخدام طاقة اليورانيوم الطبيعية.


وبالطبع ، لا ينبغي للمرء أن ينسى الإنتاج الصغير لوقود MOX لـ BN-800 ، الذي تم إطلاقه في MCC هذا العام. في الإطار ، اللحام الأوتوماتيكي لرأس تجميع الوقود لشعاع قضبان الوقود.

لماذا هذه "المهمة"؟ للمفاعلات الحرارية طيف نيوتروني "خاطئ" للغاية ، لذلك لكل حدث انشطار توجد ذرات متراكمة فقط 0.4-0.5. بالإضافة إلى ذلك ، في مثل هذا الطيف في البلوتونيوم ، لا يظهر فقط النظائر المستهدفة 239 و 241 ، ولكن أيضًا السموم النيوترونية 240 ، 242 ، ويتم إنتاج نفس السم U236 في اليورانيوم. وتبين أن مادة البدء والمواد الانشطارية المستهدفة في المفاعل في الطيف الحراري "قذرة" وقليلة جدًا لدعم الدورة ، حيث تمتص U238 فقط.

ومع ذلك ، يحتوي الوقود المستنفد من المفاعلات الحرارية على حوالي 20٪ من المحتوى الأولي لـ U235 (معامل التحويل 0.4-0.5 ، لكن بعضه يحترق في المفاعل أثناء التشغيل). من خلال إعادة معالجة الوقود النووي المستنفد من مفاعلات بقوة 100 جيجاوات ، يستطيع الفرنسيون تحميل 15 جيجاوات من الطاقة "مجانًا" ، دون إنفاق اليورانيوم الطبيعي. على الرغم من أن هذه "مجمعات الوقود MOX المجانية" في الواقع أغلى بثلاث مرات من تلك التي تم تصنيعها من اليورانيوم الطبيعي المخصب ، إلا أنه من المهم بالنسبة للفرنسيين عدم تخزين كمية ضخمة من الوقود النووي المستهلك من مفاعلاتهم (كما هو الحال في الولايات المتحدة ، حيث يتم تخزين ما يقرب من 100 ألف طن من الوقود المستهلك ) ، ودفن كمية صغيرة نسبيًا من منتجات الانشطار.


مثال هام لفوائد إعادة معالجة الوقود النووي المستهلك: نسبة السمية الإشعاعية للمكونات المختلفة على مر السنين. يمكن ملاحظة أنه إذا تم فصل البلوتونيوم واليورانيوم والأكتينيدات الصغيرة ، فإن السمية الإشعاعية للوقود تنخفض بشكل كبير ، خاصة بعد 100 عام. يجب تخزين SNF غير المعالج لمئات الآلاف من السنين.

تلخيصًا في إطار البرنامج التعليمي على NFC ، أود صياغة النقاط الرئيسية :

1. إن NFC موجود ووجود / غياب المفاعلات السريعة هو تفاصيل صغيرة على قماش كبير. اليوم ، يتم إدخال NFCF ليس لأن اليورانيوم سينتهي قريبًا ، ولكن لتقليل كمية النفايات المشعة التي يتم التخلص منها.

2. الوقود الذي تم الحصول عليه في دورة NFC أغلى بثلاث مرات اليوم من الوقود الذي تم الحصول عليه من اليورانيوم الطبيعي ، وهو أهم مكابح لإغلاق الدورة. الجانب الثاني المهم هو مشكلة الانتشار المحتمل للأسلحة النووية على كوكب الأرض مع NFCF.

3. NFCF لديه القدرة على التحسين مع الانتقال إلى الكيمياء والعمليات التقنية الجديدة (وهو أساس مشروع BREAKTHROUGH) ، ولكن هذا التحول يتطلب الكثير من البحث والتطوير والبناء.

Source: https://habr.com/ru/post/ar388533/