Cómo impulsar el pico de uranio en 10 mil años

... o programa educativo sobre el ciclo cerrado de combustible nuclear (NFCF).

Dos de los más prometedores y, al mismo tiempo, criticados, el concepto de energía nuclear es la fusión controlada y el cierre del ciclo del combustible nuclear. Han pasado sesenta y tantos años desde el advenimiento de estas ideas energéticas, pero la primera de ellas no se quitó la bata de laboratorio, y la segunda permaneció en forma de experimentos individuales "probados y abandonados". Pero si la energía termonuclear es una historia especial , con la naturaleza insidiosa y la debilidad humana en la trama, entonces el ciclo del combustible nuclear está en su infancia por razones completamente diferentes.


Pastillas de una mezcla de dióxido de uranio y plutonio: la base del ciclo actual de combustible nuclear

La idea de NFCF es aprender cómo extraer energía del uranio-238 o torio-232 actualmente no utilizado. Contienen la misma cantidad de energía que el U235 que "funciona" en los reactores hoy en día: aproximadamente 150 kWh (mes de consumo de un apartamento promedio) de electricidad por 1 gramo de metal. Sin embargo, en el uranio natural, solo el 0.7% de U235 (de los cuales obtenemos el 0.5%, el resto va al vertedero cuando se separan los isótopos), y el 99.3% de ese U238. Si fuera posible usar el uranio doscientos treinta y ocho, expandiría las reservas de combustible nuclear 200 veces. Y aquí es donde radica el primer problema del ciclo del combustible nuclear: no existe una necesidad urgente particular de expandir las reservas de combustible en el mundo, es suficiente debido al estancamiento de la capacidad total de las centrales nucleares.


Cámara de ensamblaje MOX de ensambles de combustible para el reactor BN-800. Las paredes y los equipos de acero inoxidable, la robótica y la estanqueidad son componentes típicos de tales industrias.

¿Cómo va a usar el NFC la energía del uranio 238? Este isótopo no es compatible con la reacción en cadena de fisión necesaria para la extracción de energía. Pero resulta que al absorber un neutrón, puede convertirse en plutonio-239, que ya respalda la reacción en cadena. Afortunadamente para nosotros, cuando se fisionan U235 y Pu239, dos o tres neutrones "se caen" de ellos, y si uno continúa para continuar la reacción en cadena, entonces el segundo "superfluo" puede encontrar un ejemplo útil: gastar en convertir U238 en algo fisible (p. Ej. Pu239). Por lo tanto, se forma el concepto de cierre: "quemamos" el plutonio en el reactor, recibiendo simultáneamente nuevo plutonio de U238.


En el combustible nuclear gastado, solo el 3-5% de los productos de fisión radiactiva que necesitan ser eliminados, y el resto (algo simplificador), bien puede ser puesto en un nuevo ciclo.

El NFCF mínimo se obtiene que consta de tres elementos:

1. Reactor
2. Fábrica para el procesamiento de combustible nuclear irradiado
3. Planta para la producción de combustible fresco con materiales fisionables obtenida en el apartado 2.

¿Dónde comienza el NFCF?

¿Dónde comienza el aro? Para simplificar la presentación, digamos que el teatro comienza con una percha en el centro del ciclo de combustible nuclear que comienza en el reactor. Un reactor es el lugar donde se extraen energía y neutrones de los materiales fisibles . Los neutrones "de repuesto" son absorbidos por un material de partida especial, después de lo cual se convierte en un nuevo fisible, reproduciendo su consumo. El par tradicional de material fisible y de partida es el plutonio Pu239 (fisionable) y el uranio U238 (absorber), pero hay varias otras opciones, por ejemplo, en lugar de Pu239 artificial, puede usar combustible tradicional U235, y la conversión de U238 a Pu239 puede llamarse conversión en lugar de reproducción. Hay muchos diseños de reactores, en los que, además de la descomposición del material fisible, se está produciendo uno nuevo: pueden ser tanto rápidos como térmicos (en el caso del par U233 - Th232). Ya en esta etapa no es difícil confundirse con la abundancia de horquillas en el ciclo del combustible nuclear, ¡y todavía no hemos comenzado a considerar diferentes opciones para la química del combustible!


Esquemas típicos de NFCF. ¡Y está muy ampliado!

Las variantes más o menos tradicionales del reactor reproductor del párrafo anterior prevén la separación física de las zonas de división y reproducción. Dado que, nuevamente, tradicionalmente, el núcleo se recluta de casetes especiales, resulta que después de la campaña de combustible, por ejemplo, una vez al año, eliminamos el combustible nuclear irradiado del reactor, en algunos de los cuales tenemos menos material fisionable, y en parte, mucho más


Los desarrolladores rusos del centro de ciclo de combustible nuclear ahora ven el reactor BN-1200 como un elemento clave. El plutonio se tomará del combustible nuclear gastado reprocesado de los reactores VVER y RBMK, lo que resuelve el problema de su almacenamiento.

¿Por qué no se puede usar este material fisionable (DM) acumulado inmediatamente en un reactor? Principalmente por razones tecnológicas: se encuentra dentro de elementos aislantes (elementos de combustible), que tienen un cierto recurso de estar dentro del núcleo. Además, esa parte del DM que se compartió con la generación de energía y neutrones deja productos de fisión, que son venenos de neutrones y degradan gradualmente las características del reactor.


La planta de reprocesamiento de SNF más grande del mundo, French La-Haug, capaz de reprocesar SNF anual de 90 unidades de potencia, todo el combustible gastado europeo.

Granos de la paja. Reciclaje

Además, este combustible debe procesarse y dividirse:

• diseños de cassettes pasivos de metal
• material de partida (Th232, U238)
• productos de fisión
• material acumulado (Pu239)
• material fisionable residual.

Tradicionalmente, las plantas radioquímicas, como Lighthouse, hacen esto. Y si hay alrededor de una docena de opciones para reactores reproductores, entonces hay más de cien opciones tecnológicas para el procesamiento.


Por ejemplo, parece un proceso muy avanzado para reprocesar SNF del reactor BREST-300 , que se lleva a cabo directamente en las centrales nucleares. La palabra "piro" aquí se refiere al proceso infernal de electrólisis de la fusión del combustible nuclear irradiado en cadmio.

Para empezar, el tipo de combustible que corre en el reactor es importante. Puede ser uranio metálico y plutonio (o una aleación con circonio, molibdeno, etc., etc.) o un compuesto químico: óxido, nitruro, carburo, es decir compuesto de uranio y plutonio con oxígeno, nitrógeno, carbono, etc. En la ingeniería de energía tradicional, se usa óxido de uranio UO2, que tiene algunas características convenientes (por ejemplo, para retener los productos de fisión gaseosa de xenón, helio y yodo). La química del combustible está determinada por los requisitos físicos de neutrones del reactor reproductor y, a su vez, determina la tecnología que se utilizará en la planta de reprocesamiento de SNF. El procesamiento de combustible nuclear en forma de soluciones en ácido nítrico, o el proceso PUREX, se usa tradicional y relativamente ampliamente.El PUREX más tecnológicamente simple (no menos peligroso de esto) fue desarrollado con el objetivo de extraer plutonio de grado de armas de combustible nuclear gastado de reactores nucleares operativos incluso en los albores de la era atómica.


Por cierto, PUREX se puede hacer en casa.

Sin embargo, en el futuro, NFCF, a los radioquímicos les gustaría alejarse del combustible de óxido cambiando a carburo o nitruro (más precisamente, una mezcla de carburos / nitruros de plutonio y uranio), y de la radioquímica líquida, cambiando al procesamiento de masa irradiada en forma de sales fundidas o incluso gas ionizado (!) . Por un lado, dicha transición proporciona bonificaciones notables a todo el proyecto de NFCF, por ejemplo, cuando se trabaja con nitruro, se puede hacer un reactor sin zonas de reproducción (lo que significa dos esquemas de reprocesamiento de SNF), y una tonelada de reprocesamiento de SNF no dejará decenas de metros cúbicos de desechos radiactivos líquidos. Por otro lado, es necesario resolver simultáneamente una gran variedad de problemas, tanto en el reactor, en el reprocesamiento del combustible nuclear gastado como en la fabricación de combustible nuevo, del que hablaremos más adelante.


, . , , .


, «»

Es el combustible de nitruro que se utiliza para construir el proyecto del ciclo de combustible nuclear de Proryv, que proporciona un reactor rápido con refrigerante de plomo y refinación y fabricación de combustible libre de líquido en el sitio. Este conjunto de tecnologías hace que el "Avance" sea muy importante del NFCF convencional, en el que el reactor es sodio, el combustible es óxido y el procesamiento es líquido, por lo que no tiene sentido mezclar, por ejemplo, la planta de combustible de nitruro que se está construyendo en Seversk y BN-800 - Es como dos líneas paralelas.


Por ejemplo, una línea experimental donde puede producir hasta 20 kilogramos por mes de tabletas a partir de una mezcla de uranio, plutonio y neptunio. Es decir la línea está adentro y solo vemos las cajas protectoras en las que se encuentra en una atmósfera libre de oxígeno y anhidra.

Tercera pata de la NFCF. Fabricación de combustible

La fabricación es el ensamblaje de cartuchos de combustible (ensambles de combustible) a partir de un marco, barras de combustible preempaquetadas con combustible de uranio (generalmente en forma de tabletas). Por supuesto, todos los reactores del mundo que no piensan en el ciclo del combustible nuclear consumen estos conjuntos de combustible cada año, por lo que la fabricación es un proceso industrial bien desarrollado. que incluye las etapas tecnológicamente avanzadas de moler polvo de UO2, comprimir este polvo en tabletas y tabletas de sinterización.

Por lo tanto, la fabricación de combustible para el ciclo del combustible nuclear rompe todas las tradiciones industriales generales de las plantas de ensamblaje de combustible. En primer lugar, los conjuntos de combustible recogidos de los restos de combustible nuclear irradiado son radiactivos, lo que significa que todos los procesos deben realizarse sin la participación de las personas. En segundo lugar, el polvo de óxido de plutonio es diferente del uranio. En tercer lugar, si decidimos utilizar nitruros o carburos de uranio-plutonio en lugar de óxidos, entonces nos espera un descubrimiento desagradable: se encienden por sí mismos en el aire o en presencia de humedad. Por lo tanto, la molienda, el prensado y la sinterización deberán realizarse en cajas aisladas llenas de nitrógeno seco.


Por ejemplo, en el lado derecho del marco hay una caja con una prensa que hace tabletas MOX para conjuntos de combustible BN-800.

Como resultado, la fabricación de combustible en el ciclo de combustible nuclear resulta no menos importante y tan difícil como las dos etapas anteriores.

El resultado de un cierre "correcto" debería ser el consumo de material de partida (U238 o Th232) en la fábrica de FA, la generación de electricidad por el reactor y el flujo de desechos altamente radiactivos (productos de fisión y algunos absorbentes tecnológicos) desde la planta de procesamiento de SNF. El balance material de todo esto será muy pequeño: un reactor de gigavatios necesitará aproximadamente 2.5 toneladas de U238 por año y se obtendrá aproximadamente la misma cantidad de fragmentos de fisión que deberán enterrarse durante decenas de miles de años.

También hay una variante del NFCF que es apreciada por los publicistas, en la que, en cada ciclo de circulación de la sustancia, se obtienen más materiales fisibles en el reactor que los cargados: NFCF con reproducción expandida. Hay un término importante "tiempo de duplicación de combustible", es decir El período de tiempo en el que en un sistema cerrado de dos fábricas y un reactor, el plutonio se duplica y se puede lanzar una unidad más. Para las opciones en consideración, este período suele ser de unos 30 años, lo que en algunos casos se convierte en el principal inconveniente del ciclo del combustible nuclear: la cantidad de plutonio de partida es limitada y, con un tiempo de duplicación, por ejemplo, se pueden construir 100 gigavatios de reactores rápidos en 100 años o menos. Sin embargo, no se olvide de las miles de toneladas de U235, que ahora se encuentra en la composición de uranio natural en algún lugar de las rocas de los depósitos contorneados, así como en el último momento clave del ciclo del combustible nuclear,que necesitas saber


2020 () -1000 -1000, .

—

Este punto es bastante simple: el NFCF existe desde hace mucho tiempo y funciona. Es cierto que no es de pleno derecho, sino una especie de "medio dinero", pero tecnológicamente todo está en su lugar. Estamos hablando del reacondicionamiento de combustible MOX y SNF de los reactores de energía convencional (generalmente con agua a presión y espectro de neutrones térmicos). Hoy, esta práctica es más utilizada por Francia, que procesa combustible con ~ 100 gigavatios de reactores de toda Europa y fabrica conjuntos de combustible con plutonio separado del SNF para cargar en los mismos reactores. Aquí están todos los elementos: reactores que funcionan con combustible de uranio-plutonio (en realidad MOX, esto es Óxidos mixtos, óxidos mixtos de plutonio y uranio), reprocesamiento de combustible nuclear gastado con plutonio acumulado como resultado de la irradiación del U238 de arranque, fabricación de nuevo plutonio.MOX-TVS. Además, Francia tiene una experiencia única en la fabricación de conjuntos de combustible de plutonio, que se desarrolló en conjuntos de combustible MOX, es decir. duplicando el uso de energía natural de uranio.


Y, por supuesto, no se debe olvidar la pequeña producción de combustible MOX para BN-800, lanzado en el MCC este año. En el marco, soldadura automática del cabezal del conjunto de combustible al haz de barras de combustible.

¿Por qué es esto una "MISIÓN"? Los reactores térmicos tienen un espectro de neutrones demasiado "incorrecto", por lo que para cada evento de fisión solo hay 0.4-0.5 átomos acumulados. Además, en dicho espectro en el plutonio no solo aparecen los isótopos objetivo 239 y 241, sino también los venenos de neutrones 240, 242, y el mismo veneno U236 se produce en el uranio. Resulta que el material de partida y el material fisionable objetivo en el reactor en el espectro térmico están demasiado "sucios" y demasiado poco para soportar el ciclo, absorbiendo solo U238.

Sin embargo, el combustible gastado de los reactores térmicos contiene aproximadamente el 20% del contenido inicial de U235 (el coeficiente de conversión es 0.4-0.5, pero parte se quema en el reactor durante la operación). Al reprocesar el combustible nuclear gastado de reactores de 100 gigavatios, los franceses pueden cargar 15 gigavatios de energía "gratis", sin gastar uranio natural. Aunque en realidad estos "conjuntos de combustible MOX gratis" son tres veces más caros que los fabricados con uranio natural enriquecido, es más importante para los franceses no almacenar una gran cantidad de combustible nuclear gastado de sus reactores (como es el caso en los Estados Unidos, donde se almacenan casi 100 mil toneladas de combustible gastado) ), y enterrar una cantidad relativamente pequeña de productos de fisión.


Una ilustración importante de los beneficios del reprocesamiento de combustible nuclear gastado: la proporción de radiotoxicidad de diferentes componentes a lo largo de los años. Se puede ver que si se separan el plutonio, el uranio y los actínidos menores, la radiotoxicidad del combustible se reduce considerablemente, especialmente después de 100 años. El SNF sin procesar deberá almacenarse durante cientos de miles de años.

Resumiendo bajo el programa educativo sobre el NFC, me gustaría formular los puntos principales :

1. El NFC existe y la presencia / ausencia de reactores rápidos es un pequeño detalle en un gran lienzo. Hoy, NFCF se está introduciendo no porque el uranio termine pronto, sino para reducir la cantidad de desechos radiactivos que se eliminan.

2. El combustible obtenido en el ciclo NFC es tres veces más caro hoy que el obtenido del uranio natural, que es el freno más importante en el cierre del ciclo. El segundo aspecto importante es el problema de la posible proliferación de armas nucleares en el planeta junto con NFCF.

3. El NFCF tiene el potencial de mejorar con la transición a nuevos procesos químicos y técnicos (que es la base del proyecto BREAKTHROUGH), pero esta transición requiere mucha I + D y construcción.

Source: https://habr.com/ru/post/es388533/