Wie man den Uranpeak um zehntausend Jahre erhöht

... oder Bildungsprogramm über den geschlossenen Kernbrennstoffkreislauf (NFCF).

Zwei der vielversprechendsten und gleichzeitig kritisierten Konzepte der Kernenergie sind die kontrollierte Fusion und die Schließung des Kernbrennstoffkreislaufs. Seit dem Aufkommen dieser Energieideen sind etwa sechzig Jahre vergangen, aber der erste hat den Laborkittel nicht ausgezogen, und der zweite blieb in Form von Einzelexperimenten „versucht und beendet“. Aber wenn die thermonukleare Energie eine besondere Geschichte ist , mit der heimtückischen Natur und der menschlichen Schwäche in der Handlung, dann steckt der Kernbrennstoffkreislauf aus ganz anderen Gründen in den Kinderschuhen.


Pillen aus einer Mischung von Urandioxid und Plutonium - die Grundlage des heutigen Kernbrennstoffkreislaufs

Die Idee von NFCF ist es zu lernen, wie man Energie aus derzeit nicht verwendetem Uran-238 oder Thorium-232 extrahiert. Sie enthalten die gleiche Energiemenge wie das U235, das heute in Reaktoren "arbeitet" - ungefähr 150 kWh (Verbrauchsmonat einer durchschnittlichen Wohnung) Strom pro 1 Gramm Metall. In natürlichem Uran sind jedoch nur 0,7% von U235 (von denen wir 0,5% erhalten, der Rest geht auf die Deponie, wenn Isotope getrennt werden) und 99,3% von diesem U238. Wenn es möglich wäre, zweihundertachtunddreißigstes Uran zu verwenden, würde dies die Kernbrennstoffreserven um das 200-fache erhöhen. Und hier liegt das erste Problem des Kernbrennstoffkreislaufs - es besteht kein besonders dringender Bedarf für die Erweiterung der Brennstoffreserven in der Welt, dies reicht aufgrund der Stagnation der Gesamtkapazität von Kernkraftwerken aus.


MOX-Montagekammer der Brennelemente für den BN-800-Reaktor. Wände und Edelstahlausrüstung, Robotik und Dichtheit sind typische Bestandteile solcher Industrien.

Wie wird der NFC die Energie von Uran 238 nutzen? Dieses Isotop unterstützt nicht die für die Energieextraktion erforderliche Spaltkettenreaktion. Es stellt sich jedoch heraus, dass durch Absorption eines Neutrons Plutonium-239 entstehen kann, das die Kettenreaktion bereits unterstützt. Glücklicherweise "fallen" bei der Spaltung von U235 und Pu239 zwei oder drei Neutronen aus ihnen heraus, und wenn man die Kettenreaktion fortsetzt, kann das zweite "überflüssige" ein nützliches Beispiel finden: Ausgaben für die Umwandlung von U238 in etwas Spaltbares (z. Pu239). So entsteht das Konzept des Verschlusses - wir „verbrennen“ Plutonium im Reaktor und erhalten gleichzeitig neues Plutonium von U238.


Bei abgebrannten Brennelementen können nur 3-5% der zu entsorgenden radioaktiven Spaltprodukte und der Rest (etwas vereinfachend) in einen neuen Kreislauf überführt werden.

Die minimale NFCF besteht aus drei Elementen:

1. Reaktor
2. Fabrik zur Verarbeitung von bestrahltem Kernbrennstoff
3. Anlage zur Herstellung von frischem Kraftstoff mit spaltbaren Materialien gemäß Absatz 2.

Wo beginnt die NFCF?

Wo fängt der Reifen an? Nehmen wir zur Vereinfachung der Darstellung an, das Theater beginnt mit einem Kleiderbügel, während der Kernbrennstoffkreislauf im Reaktor beginnt. Ein Reaktor ist der Ort, an dem Energie und Neutronen aus spaltbaren Materialien extrahiert werden . "Ersatz" -Neutronen werden von einem speziellen Ausgangsmaterial absorbiertDanach verwandelt es sich in ein neues Spaltbares und reproduziert seinen Verbrauch. Das traditionelle Paar aus spaltbarem Material und Ausgangsmaterial ist Plutonium Pu239 (spaltbar) und Uran U238 (absorbieren). Es gibt jedoch mehrere andere Optionen. Beispielsweise können Sie anstelle von künstlichem Pu239 den herkömmlichen Kraftstoff U235 verwenden, und die Umwandlung von U238 in Pu239 kann eher als Umwandlung als als Reproduktion bezeichnet werden. Es gibt viele Reaktorkonstruktionen, bei denen zusätzlich zum Zerfall von spaltbarem Material ein neues hergestellt wird - sie können sowohl schnell als auch thermisch sein (im Fall des Paares U233 - Th232). Bereits zu diesem Zeitpunkt ist es nicht schwer, sich in der Fülle der Gabeln im Kernbrennstoffkreislauf zu verwirren, und wir haben noch nicht begonnen, verschiedene Optionen für die Chemie des Brennstoffs in Betracht zu ziehen!


Typische NFCF-Schemata. Und es ist sehr vergrößert!

Mehr oder weniger traditionelle Varianten des Brutreaktors aus dem vorhergehenden Absatz sehen die physikalische Trennung der Teilungs- und Reproduktionszonen vor. Da der Kern traditionell wieder aus speziellen Kassetten rekrutiert wird, stellt sich heraus, dass wir nach der Brennstoffkampagne beispielsweise einmal im Jahr bestrahlten Kernbrennstoff aus dem Reaktor entfernen, in dem wir teilweise weniger spaltbares Material haben, und zum Teil viel mehr.


Russische Entwickler des Kernbrennstoffkreislaufzentrums sehen den Reaktor BN-1200 nun als Schlüsselelement. Plutonium wird aus den wiederaufbereiteten abgebrannten Brennelementen aus den Reaktoren VVER und RBMK entnommen, wodurch das Problem der Lagerung gelöst wird.

Warum kann dieses angesammelte spaltbare Material (DM) nicht sofort in einem Reaktor verwendet werden? Hauptsächlich aus technologischen Gründen - es befindet sich in Isolierelementen (Brennelementen), die eine gewisse Ressource im Kern haben. Darüber hinaus hinterlässt der Teil des DM, der mit der Erzeugung von Energie und Neutronen geteilt wurde, Spaltprodukte, die Neutronengifte sind und die Eigenschaften des Reaktors allmählich verschlechtern.


Die weltweit größte SNF-Wiederaufbereitungsanlage - French La-Haug, die in der Lage ist, jährliche SNF aus 90 Kraftwerken wiederaufbereiten zu lassen - alle europäischen abgebrannten Brennelemente.

Körner von der Spreu. Recycling.

Ferner muss dieser Kraftstoff verarbeitet und aufgeteilt werden:

• passive Metallkassetten
• Ausgangsmaterial (Th232, U238)
• Spaltprodukte
• angesammeltes Material (Pu239)
• spaltbares Restmaterial.

Traditionell tun dies radiochemische Pflanzen wie Lighthouse. Und wenn es ungefähr ein Dutzend Optionen für Züchterreaktoren gibt, dann gibt es mehr als hundert technologische Optionen für die Verarbeitung.


Zum Beispiel sieht es nach einem sehr fortschrittlichen Verfahren zur Wiederaufbereitung von SNF des BREST-300- Reaktors aus , das direkt in Kernkraftwerken durchgeführt wird. Das Wort "Pyro" bezieht sich hier auf den höllischen Prozess der Elektrolyse der Schmelze des bestrahlten Kernbrennstoffs in Cadmium.

Zunächst ist die Art des Brennstoffs wichtig, der im Reaktor läuft. Es kann entweder metallisches Uran und Plutonium (oder eine Legierung mit Zirkonium, Molybdän usw. usw.) oder eine chemische Verbindung sein: Oxid, Nitrid, Carbid - d.h. Verbindung von Uran und Plutonium mit Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff usw. In der traditionellen Energietechnik wird Uranoxid UO2 verwendet, das einige bequeme Eigenschaften aufweist (zum Beispiel zum Zurückhalten der gasförmigen Spaltprodukte von Xenon, Helium und Jod). Die Brennstoffchemie wird durch die neutronenphysikalischen Anforderungen des Züchterreaktors bestimmt und bestimmt wiederum die Technologie, die in der SNF-Wiederaufbereitungsanlage eingesetzt wird. Die Verarbeitung von Kernbrennstoffen in Form von Lösungen in Salpetersäure oder das PUREX-Verfahren ist traditionell und relativ weit verbreitet.Das technologisch einfachste (nicht weniger gefährliche) PUREX wurde mit dem Ziel entwickelt, waffenfähiges Plutonium aus abgebrannten Brennelementen aus betriebsbereiten Kernreaktoren bereits zu Beginn der Atomzeit zu gewinnen.


PUREX kann übrigens zu Hause hergestellt werden.

NFCF, Radiochemiker, möchten sich jedoch in Zukunft vom Oxidbrennstoff entfernen, indem sie auf Carbid oder Nitrid (genauer gesagt ein Gemisch aus Plutonium- und Urancarbiden / -nitriden) und von der flüssigen Radiochemie auf die Verarbeitung von bestrahlter Masse in Form von geschmolzenen Salzen oder sogar ionisiertem Gas (!) Umstellen. . Ein solcher Übergang bringt einerseits dem gesamten NFCF-Projekt spürbare Vorteile. Beispielsweise kann bei Arbeiten an Nitrid ein Reaktor ohne Reproduktionszonen hergestellt werden (was zwei SNF-Wiederaufbereitungsschemata bedeutet), und eine Tonne SNF-Wiederaufbereitung hinterlässt keine zehn Kubikmeter flüssigen radioaktiven Abfall. Andererseits ist es notwendig, gleichzeitig eine Vielzahl von Problemen zu lösen, sowohl im Reaktor, bei der Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente als auch bei der Herstellung von frischem Brennstoff, auf die wir weiter unten eingehen werden.


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Es ist Nitridbrennstoff, der für den Bau des Proryv-Kernbrennstoffkreislaufprojekts verwendet wird, das einen schnellen Reaktor mit Bleikühlmittel und flüssigkeitsfreier Brennstoffveredelung und -herstellung vor Ort vorsieht. Diese Reihe von Technologien macht den „Durchbruch“ sehr stark vom Mainstream-NFCF, in dem der Reaktor aus Natrium besteht, der Brennstoff Oxid ist und die Verarbeitung flüssig ist. Daher macht es keinen Sinn, beispielsweise die in Seversk und BN-800 gebaute Nitridbrennstoffanlage zu mischen - Es ist wie zwei parallele Linien.


Zum Beispiel eine Versuchslinie, bei der Sie aus einer Mischung von Uran, Plutonium und Neptunium bis zu 20 Kilogramm Tabletten pro Monat herstellen können. Das heißt, Die Leitung befindet sich im Inneren und wir sehen nur die Schutzboxen, in denen sie sich in einer sauerstofffreien und wasserfreien Atmosphäre befindet.

Drittes Bein der NFCF. Kraftstoffherstellung

Die Herstellung ist die Montage von Brennstoffpatronen (Brennelementen) aus einem Rahmen, Brennstäben, die mit Uranbrennstoff (normalerweise in Form von Tabletten) vorverpackt sind. Natürlich verbraucht jeder Reaktor auf der Welt, der nicht an den Kernbrennstoffkreislauf denkt, diese Brennelemente jedes Jahr, daher ist die Herstellung ein gut entwickelter industrieller Prozess. Dies umfasst die technologisch fortgeschrittenen Stufen des Mahlens von UO2-Pulver, des Komprimierens dieses Pulvers zu Tabletten und des Sinterns von Tabletten.

Die Herstellung von Brennstoff für den Kernbrennstoffkreislauf bricht also alle breiten industriellen Traditionen der Brennstoffmontagewerke. Erstens sind Brennelemente, die aus den Überresten von bestrahltem Kernbrennstoff gewonnen werden, radioaktiv, was bedeutet, dass alle Prozesse ohne Beteiligung von Menschen stattfinden müssen. Zweitens unterscheidet sich Plutoniumoxidpulver von Uran. Drittens, wenn wir uns dennoch entschlossen haben, Nitride oder Carbide von Uran-Plutonium anstelle von Oxiden zu verwenden, erwartet uns eine unangenehme Entdeckung - sie entzünden sich selbst an der Luft oder in Gegenwart von Feuchtigkeit. Das Mahlen, Pressen und Sintern muss also in isolierten Kisten erfolgen, die mit trockenem Stickstoff gefüllt sind.


Auf der rechten Seite des Rahmens befindet sich beispielsweise eine Box mit einer Presse, die MOX-Tabletten für BN-800-Brennelemente herstellt.

Infolgedessen erweist sich die Herstellung von Brennstoff im Kernbrennstoffkreislauf als nicht weniger wichtig und ebenso schwierig wie die beiden vorherigen Stufen.

Das Ergebnis eines „korrekten“ Verschlusses sollte der Verbrauch von Ausgangsmaterial (U238 oder Th232) in der Brennstoffmontagefabrik, die Stromerzeugung durch den Reaktor und der Fluss hochradioaktiver Abfälle (Spaltprodukte und einige Prozessabsorptionsmittel) aus der SNF-Verarbeitungsfabrik sein. Die Materialbilanz all dessen wird sehr gering sein - ein Gigawattreaktor benötigt ungefähr 2,5 Tonnen U238 pro Jahr und ungefähr die gleiche Menge an Spaltfragmenten, die für Zehntausende von Jahren vergraben werden müssen, wird erhalten.

Es gibt auch eine Variante der NFCF, die von Publizisten geliebt wird, bei der in jedem Zyklus des Stoffkreislaufs mehr spaltbare Materialien im Reaktor erhalten werden als geladen werden - NFCF mit erweiterter Reproduktion. Es gibt einen wichtigen Begriff "Kraftstoffverdopplungszeit", d.h. Der Zeitraum, in dem in einem geschlossenen System aus zwei Fabriken und einem Reaktor das Plutonium doppelt so lang wird und eine weitere Einheit gestartet werden kann. Für die betrachteten Optionen beträgt dieser Zeitraum normalerweise etwa 30 Jahre, was sich auf den Lippen einiger zum Hauptnachteil des Kernbrennstoffkreislaufs entwickelt: Die Menge an Ausgangsplutonium ist begrenzt, und mit einer solchen Verdopplungszeit können beispielsweise 100 Gigawatt schnelle Reaktoren in 100 Jahren oder weniger gebaut werden. Vergessen Sie jedoch nicht die Tausenden Tonnen U235, die jetzt in der Zusammensetzung des natürlichen Urans irgendwo in den Gesteinen der konturierten Lagerstätten liegen, sowie den letzten Schlüsselmoment des Kernbrennstoffkreislaufs.was du wissen musst.


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Dieser Punkt ist ganz einfach - die NFCF existiert seit langem und funktioniert. Es ist zwar nicht vollwertig, sondern eine Art „halbes Geld“, aber technologisch ist alles vorhanden. Wir sprechen über MOX-Brennstoff- und SNF-Wiederaufbereitung konventioneller Energiereaktoren (normalerweise mit Druckwasser und thermischem Neutronenspektrum). Bisher wird diese Praxis am häufigsten von Frankreich angewendet, das Brennstoff mit ~ 100 Gigawatt Reaktoren aus ganz Europa verarbeitet und Brennelemente mit von SNF getrenntem Plutonium zum Laden in dieselben Reaktoren herstellt. Hier gibt es alle Elemente - Reaktoren, die mit Uran-Plutonium-Brennstoff betrieben werden (eigentlich MOX - dies sind gemischte Oxide - gemischte Oxide von Plutonium und Uran), Wiederaufbereitung abgebrannter Kernbrennstoffe mit Plutonium, das sich durch Bestrahlung mit U238 angesammelt hat, Herstellung von neuem PlutoniumMOX-TVS. Darüber hinaus verfügt Frankreich über eine einzigartige Erfahrung bei der Herstellung von Brennelementen aus Plutonium, das in MOX-Brennelementen entwickelt wurde, d. H. Verdoppelung des Verbrauchs an natürlicher Uranenergie.


Und natürlich sollte man die geringe Produktion von MOX-Kraftstoff für BN-800 nicht vergessen, die dieses Jahr beim MCC eingeführt wurde. Im Rahmen automatisches Schweißen des Brennelementkopfes an den Balken der Brennstäbe.

Warum ist das eine "MISSION"? Thermoreaktoren haben ein zu „falsches“ Neutronenspektrum, sodass für jedes Spaltereignis nur 0,4 bis 0,5 akkumulierte Atome vorhanden sind. Zusätzlich erscheinen in einem solchen Spektrum in Plutonium nicht nur die Zielisotope 239 und 241, sondern auch die Neutronengifte 240, 242, und das gleiche Gift U236 wird in Uran produziert. Es stellt sich heraus, dass das Ausgangsmaterial und das spaltbare Zielmaterial im Reaktor im thermischen Spektrum zu "verschmutzt" und zu wenig sind, um den Zyklus zu unterstützen, und nur U238 absorbieren.

Abgebrannte Brennelemente aus thermischen Reaktoren enthalten jedoch etwa 20% des Ausgangsgehalts von U235 (der Umwandlungskoeffizient beträgt 0,4 bis 0,5, ein Teil davon brennt jedoch während des Betriebs im Reaktor aus). Durch die Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente von 100-Gigawatt-Reaktoren können die Franzosen 15 Gigawatt „kostenlos“ laden, ohne natürliches Uran zu verbrauchen. Obwohl diese „freien MOX-Brennelemente“ in Wirklichkeit dreimal so teuer sind wie solche aus angereichertem natürlichem Uran, ist es für die Franzosen wichtiger, keine große Menge abgebrannter Brennelemente aus ihren Reaktoren zu speichern (wie dies in den USA der Fall ist, wo fast 100.000 Tonnen abgebrannte Brennelemente gelagert werden ) und eine relativ kleine Menge an Spaltprodukten zu begraben.


Ein wichtiges Beispiel für die Vorteile der Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente: der Anteil der Radiotoxizität verschiedener Komponenten im Laufe der Jahre. Es ist ersichtlich, dass, wenn Plutonium, Uran und kleinere Aktiniden getrennt werden, die Radiotoxizität des Kraftstoffs stark verringert wird, insbesondere nach 100 Jahren. Unverarbeitetes SNF muss hunderttausende von Jahren gelagert werden.

Zusammenfassend möchte ich im Rahmen des Bildungsprogramms zum NFC die wichtigsten Punkte formulieren :

1. Das NFC existiert und das Vorhandensein / Fehlen schneller Reaktoren ist ein kleines Detail auf einer großen Leinwand. Heute wird NFCF nicht eingeführt, weil Uran bald enden wird, sondern um die Menge der entsorgten radioaktiven Abfälle zu verringern.

2. Kraftstoff, der im NFC-Zyklus gewonnen wird, ist heute dreimal so teuer wie aus natürlichem Uran gewonnener Kraftstoff, der die wichtigste Bremse beim Schließen des Zyklus darstellt. Der zweite wichtige Aspekt ist das Problem der möglichen Verbreitung von Atomwaffen auf dem Planeten zusammen mit NFCF.

3. Die NFCF hat das Potenzial für Verbesserungen beim Übergang zu neuen chemischen und technischen Prozessen (die die Grundlage des BREAKTHROUGH-Projekts bilden), aber dieser Übergang erfordert viel F & E und Konstruktion.

Source: https://habr.com/ru/post/de388533/