Cara mendorong puncak uranium hingga 10 ribu tahun

... atau program pendidikan tentang Closed Nuclear Fuel Cycle (NFCF).

Dua yang paling menjanjikan dan sekaligus mengkritik konsep energi nuklir adalah fusi terkontrol dan penutupan siklus bahan bakar nuklir. Enam puluh tahun yang aneh telah berlalu sejak munculnya ide-ide energi ini, tetapi yang pertama tidak melepaskan mantel lab, dan yang kedua tetap dalam bentuk percobaan tunggal "mencoba dan berhenti." Tetapi jika energi termonuklir adalah cerita khusus , dengan sifat berbahaya dan kelemahan manusia dalam plot, maka siklus bahan bakar nuklir masih dalam masa pertumbuhan karena alasan yang sangat berbeda.


Pil dari campuran uranium dioksida dan plutonium - dasar siklus bahan bakar nuklir saat ini

Gagasan NFCF adalah mempelajari cara mengekstrak energi dari uranium-238 atau thorium-232 yang saat ini tidak digunakan. Mereka mengandung jumlah energi yang sama dengan U235 yang "bekerja" di reaktor saat ini - sekitar 150 kWh (bulan konsumsi rata-rata apartemen) listrik per 1 gram logam. Namun, dalam uranium alami, hanya 0,7% dari U235 (yang kita dapatkan 0,5%, sisanya masuk ke dump ketika isotop dipisahkan), dan 99,3% dari U238 itu. Jika mungkin untuk menggunakan uranium dua ratus tiga puluh delapan, itu akan memperluas cadangan bahan bakar nuklir sebanyak 200 kali. Dan di sinilah letak masalah pertama siklus bahan bakar nuklir - tidak ada kebutuhan mendesak khusus untuk memperluas cadangan bahan bakar di dunia, itu sudah cukup karena stagnasi total kapasitas pembangkit listrik tenaga nuklir.


Ruang perakitan MOX rakitan bahan bakar untuk reaktor BN-800. Dinding dan peralatan stainless steel, robot, dan kekencangan adalah komponen khas industri tersebut.

Bagaimana NFC akan menggunakan energi uranium 238? Isotop ini tidak mendukung reaksi berantai fisi yang diperlukan untuk ekstraksi energi. Tetapi ternyata dengan menyerap satu neutron, ia dapat berubah menjadi plutonium-239, yang sudah mendukung reaksi berantai. Untungnya bagi kita, ketika melakukan fisi U235 dan Pu239, dua atau tiga neutron "jatuh" darinya, dan jika seseorang melanjutkan untuk melanjutkan reaksi berantai, maka "superfluous" yang kedua dapat menemukan contoh yang berguna: menghabiskan untuk mengubah U238 menjadi sesuatu yang fisil (mis. Pu239). Dengan demikian, konsep penutupan terbentuk - kami "membakar" plutonium dalam reaktor, sekaligus menerima plutonium baru dari U238.


Dalam bahan bakar nuklir bekas, hanya 3-5% dari produk fisi radioaktif yang perlu dibuang, dan sisanya (agak menyederhanakan), mungkin dimasukkan ke dalam siklus baru.

NFCF minimum yang diperoleh terdiri dari tiga elemen:

1. Reaktor
2. Pabrik untuk memproses bahan bakar nuklir iradiasi
3. Pabrik untuk produksi bahan bakar segar dengan bahan fisil yang diperoleh pada paragraf 2.

Di mana NFCF dimulai?

Di mana lingkaran itu dimulai? Untuk penyederhanaan presentasi, katakanlah teater dimulai dengan gantungan di pusat siklus bahan bakar nuklir dimulai di reaktor. Reaktor adalah tempat di mana energi dan neutron diekstraksi dari bahan fisil . Neutron "cadangan" diserap oleh bahan awal khusus, setelah itu berubah menjadi fisil baru, mereproduksi konsumsinya. Pasangan tradisional bahan fisil dan awal adalah plutonium Pu239 (fisil) dan uranium U238 (menyerap), tetapi ada beberapa opsi lain, misalnya, daripada Pu239 buatan, Anda dapat menggunakan bahan bakar U235 tradisional, dan konversi U238 ke Pu239 dapat disebut konversi alih-alih reproduksi. Ada banyak desain reaktor, di mana, di samping peluruhan bahan fisil, yang baru sedang diproduksi - mereka dapat menjadi cepat dan termal (dalam hal pasangan U233 - Th232). Sudah pada tahap ini tidak sulit untuk bingung dalam kelimpahan garpu dalam siklus bahan bakar nuklir, dan kami belum mulai mempertimbangkan berbagai opsi untuk kimia bahan bakar!


Skema NFCF khas. Dan itu sangat diperbesar!

Lebih kurang varian tradisional reaktor pemulia dari paragraf sebelumnya memberikan pemisahan fisik zona pembagian dan reproduksi. Karena, sekali lagi, secara tradisional, inti direkrut dari kaset khusus, ternyata setelah kampanye bahan bakar, katakanlah, setahun sekali, kami mengeluarkan bahan bakar nuklir iradiasi dari reaktor, di mana beberapa di antaranya kami memiliki bahan fisil yang kurang, dan sebagian - banyak lebih lanjut.


Pengembang Rusia dari pusat siklus bahan bakar nuklir sekarang melihat reaktor BN-1200 sebagai elemen kunci. Plutonium akan diambil dari bahan bakar nuklir bekas yang diolah kembali dari reaktor VVER dan RBMK, yang memecahkan masalah penyimpanannya.

Mengapa bahan fisil (DM) yang terakumulasi ini tidak dapat digunakan segera di reaktor? Terutama karena alasan teknologi - terletak di dalam elemen isolasi (elemen bahan bakar), yang memiliki sumber daya tertentu untuk berada di dalam inti. Selain itu, bagian dari DM yang digunakan bersama dengan pembangkitan energi dan neutron meninggalkan produk fisi, yang merupakan racun neutron dan secara bertahap menurunkan karakteristik reaktor.


Pabrik pemrosesan ulang SNF terbesar di dunia - French La-Haug, yang mampu memproses ulang SNF tahunan dari 90 unit daya - semua bahan bakar bekas Eropa.

Butir-butir dari sekam. Daur ulang.

Selanjutnya, bahan bakar ini harus diproses dan dibagi:

• desain kaset logam pasif
• bahan awal (Th232, U238)
• produk fisi
• bahan akumulasi (Pu239)
• bahan fisil residu.

Secara tradisional, pabrik radiokimia, seperti Mercusuar, melakukan ini. Dan jika ada sekitar selusin opsi untuk reaktor peternak, maka ada lebih dari seratus opsi teknologi untuk diproses.


Sebagai contoh, ini terlihat seperti proses yang sangat maju untuk memproses ulang SNF dari reaktor BREST-300 , yang dilakukan langsung di pembangkit listrik tenaga nuklir. Kata "piro" di sini mengacu pada proses neraka elektrolisis dari lelehan bahan bakar nuklir yang diiradiasi dalam kadmium.

Untuk mulai dengan, jenis bahan bakar yang berjalan di reaktor itu penting. Ini bisa berupa uranium logam dan plutonium (atau paduan dengan zirkonium, molibdenum, dll.,), Atau senyawa kimia: oksida, nitrida, karbida - yaitu. senyawa uranium dan plutonium dengan oksigen, nitrogen, karbon, dll. Dalam rekayasa daya tradisional, uranium oksida UO2 digunakan, yang memiliki beberapa karakteristik yang mudah digunakan (misalnya, dalam mempertahankan produk fisi gas xenon, helium, dan yodium). Kimia bahan bakar ditentukan oleh persyaratan fisik-neutron dari reaktor pemulia dan pada gilirannya menentukan teknologi yang akan digunakan di pabrik pemrosesan ulang SNF. Pemrosesan bahan bakar nuklir dalam bentuk larutan dalam asam nitrat, atau proses PUREX, secara tradisional dan relatif banyak digunakan.PUREX yang paling sederhana secara teknologi (tidak kalah berbahaya dari ini) dikembangkan dengan tujuan mengekstraksi plutonium tingkat senjata dari bahan bakar nuklir bekas dari reaktor nuklir operasional bahkan pada awal era atom.


Omong-omong, PUREX bisa dibuat di rumah.

Namun, di masa depan, NFCF, ahli kimia radio ingin pindah dari bahan bakar oksida dengan beralih ke karbida atau nitrida (lebih tepatnya, campuran plutonium dan uranium karbida / nitrida), dan dari radiokimia cair, beralih ke pemrosesan massa iradiasi dalam bentuk garam cair atau bahkan gas terionisasi (!) . Di satu sisi, transisi semacam itu memberikan bonus nyata pada seluruh proyek NFCF, misalnya, ketika bekerja pada nitrida, reaktor dapat dibuat tanpa zona reproduksi (yang berarti dua skema pemrosesan ulang SNF), dan satu ton pemrosesan ulang SNF tidak akan meninggalkan puluhan meter kubik limbah radioaktif cair. Di sisi lain, perlu untuk secara bersamaan menyelesaikan sejumlah besar masalah, baik di reaktor, dalam pemrosesan ulang bahan bakar nuklir bekas, dan juga dalam pembuatan bahan bakar baru, yang akan kita bahas di bawah ini.


, . , , .


, «»

Ini adalah bahan bakar nitrida yang digunakan untuk membangun proyek siklus bahan bakar nuklir Proryv, yang menyediakan reaktor cepat dengan pendingin timbal dan pemurnian dan fabrikasi bahan bakar bebas cairan di lokasi. Seperangkat teknologi ini membuat "Terobosan" sangat banyak dari NFCF arus utama, di mana reaktornya adalah natrium, bahan bakarnya adalah oksida, dan pemrosesannya cair, jadi tidak ada gunanya mencampur, misalnya, pabrik bahan bakar nitrida yang sedang dibangun di Seversk dan BN-800 - Ini seperti dua garis paralel.


Misalnya, jalur eksperimental di mana Anda dapat menghasilkan tablet hingga 20 kilogram per bulan dari campuran uranium, plutonium, dan neptunium. Yaitu garis ada di dalam, dan kita hanya melihat kotak pelindung di mana ia berada di atmosfer bebas oksigen dan anhidrat.

Kaki ketiga dari NFCF. Fabrikasi bahan bakar

Fabrikasi adalah perakitan kartrij bahan bakar (fuel assemblies) dari frame, batang bahan bakar yang sudah dikemas sebelumnya dengan bahan bakar uranium (biasanya dalam bentuk tablet). Tentu saja, setiap reaktor di dunia yang tidak memikirkan siklus bahan bakar nuklir mengkonsumsi rakitan bahan bakar ini setiap tahun, sehingga fabrikasi adalah proses industri yang dikembangkan dengan baik. yang meliputi tahapan penggilingan bubuk UO2 yang canggih secara teknologi, mengompresi bubuk ini menjadi tablet, dan tablet sintering.

Jadi, pembuatan bahan bakar untuk siklus bahan bakar nuklir memecah semua tradisi industri yang luas dari pabrik perakitan bahan bakar. Pertama, rakitan bahan bakar yang dikumpulkan dari sisa-sisa bahan bakar nuklir iradiasi adalah radioaktif, yang berarti bahwa semua proses harus dilakukan tanpa partisipasi orang. Kedua, bubuk plutonium oksida berbeda dari uranium. Ketiga, jika kita memutuskan untuk menggunakan nitrida atau karbida uranium-plutonium sebagai ganti oksida, maka penemuan yang tidak menyenangkan menunggu kita - mereka menyala sendiri di udara atau di hadapan kelembaban. Jadi penggilingan, pengepresan, sintering harus dilakukan dalam kotak terisolasi yang diisi dengan nitrogen kering.


Misalnya, di sisi kanan bingkai ada kotak dengan tablet MOX pembuatan pers untuk rakitan bahan bakar BN-800.

Akibatnya, fabrikasi bahan bakar dalam siklus bahan bakar nuklir ternyata tidak kalah penting dan sesulit dua tahap sebelumnya.

Hasil dari penutupan yang "benar" harus berupa konsumsi bahan awal (U238 atau Th232) di pabrik perakitan bahan bakar, pembangkitan listrik oleh reaktor, dan aliran limbah yang sangat radioaktif (produk fisi dan beberapa penyerap proses) dari pabrik pengolahan SNF. Keseimbangan material semua ini akan sangat kecil - untuk reaktor gigawatt, sekitar 2,5 ton U238 per tahun akan dibutuhkan dan tentang jumlah fragmen fisi yang sama akan diperoleh yang harus dikubur selama puluhan ribu tahun.

Ada juga varian NFCF yang disukai oleh para publis, di mana, dalam setiap siklus sirkulasi zat, bahan fisil lebih banyak diperoleh dalam reaktor daripada yang dimuat - NFCF dengan reproduksi diperluas. Ada istilah penting “waktu penggandaan bahan bakar”, yaitu periode waktu di mana dalam sistem tertutup dua pabrik dan reaktor plutonium menjadi dua kali lebih lama dan satu unit lagi dapat diluncurkan. Untuk opsi yang dipertimbangkan, periode ini biasanya sekitar 30 tahun, yang pada bibir beberapa berubah menjadi kelemahan utama dari siklus bahan bakar nuklir: jumlah plutonium mulai terbatas dan dengan waktu penggandaan, katakanlah, 100 gigawatt reaktor cepat dapat dibangun dalam 100 tahun atau kurang. Namun, jangan lupa tentang ribuan ton U235, yang sekarang terletak pada komposisi uranium alami di suatu tempat di bebatuan endapan yang berkontur, serta momen kunci terakhir dari siklus bahan bakar nuklir,yang perlu Anda ketahui.


2020 () -1000 -1000, .

—

Poin ini cukup sederhana - NFCF telah lama ada dan berfungsi. Benar, itu tidak lengkap, tetapi semacam "setengah uang", tetapi secara teknologi semuanya ada. Kita berbicara tentang reaktor bahan bakar MOX dan SNF dari energi konvensional (biasanya dengan air bertekanan dan spektrum neutron termal). Saat ini, praktik ini paling banyak digunakan oleh Perancis, yang memproses bahan bakar dengan ~ 100 gigawatt reaktor dari seluruh Eropa dan membuat rakitan bahan bakar dengan plutonium yang terpisah dari SNF untuk memuat ke reaktor yang sama. Ada semua elemen di sini - reaktor yang beroperasi pada bahan bakar uranium-plutonium (sebenarnya MOX - ini adalah Oksida Campuran - oksida campuran plutonium dan uranium), pemrosesan ulang bahan bakar nuklir bekas dengan plutonium terakumulasi sebagai hasil iradiasi dari mulai U238, pembuatan plutonium baruMOX-TVS. Selain itu, Prancis memiliki pengalaman unik dalam membuat rakitan bahan bakar dari plutonium, yang dikembangkan di rakitan bahan bakar MOX, yaitu menggandakan penggunaan energi uranium alami.


Dan tentu saja, orang tidak boleh melupakan produksi kecil bahan bakar MOX untuk BN-800, yang diluncurkan di MCC tahun ini. Dalam bingkai, pengelasan otomatis kepala perakitan bahan bakar ke balok batang bahan bakar.

Mengapa ini "MISI"? Reaktor termal memiliki spektrum neutron yang terlalu "salah", sehingga untuk setiap peristiwa fisi hanya ada 0,4-0,5 atom yang terakumulasi. Selain itu, dalam spektrum seperti itu di plutonium tidak hanya muncul isotop target 239 dan 241, tetapi juga racun neutron 240, 242, dan racun U236 yang sama diproduksi di uranium. Ternyata bahan awal dan bahan fisil target dalam reaktor dalam spektrum termal terlalu "kotor" dan terlalu sedikit untuk mendukung siklus, hanya menyerap U238.

Namun demikian, bahan bakar bekas dari reaktor termal mengandung sekitar 20% dari kandungan awal U235 (koefisien konversi adalah 0,4-0,5, tetapi beberapa di antaranya terbakar di reaktor selama operasi). Dengan memproses ulang bahan bakar nuklir bekas reaktor 100 gigawatt, Perancis dapat memuat 15 gigawatt daya "gratis," tanpa menghabiskan uranium alami. Meskipun pada kenyataannya "rakitan bahan bakar MOX gratis" ini tiga kali lebih mahal daripada yang dibuat dari uranium alami yang diperkaya, lebih penting bagi Prancis untuk tidak menyimpan sejumlah besar bahan bakar nuklir bekas dari reaktor mereka (seperti halnya di Amerika Serikat, di mana hampir 100 ribu ton bahan bakar bekas disimpan ), dan untuk mengubur sejumlah produk fisi yang relatif kecil.


Sebuah ilustrasi penting tentang manfaat pemrosesan ulang bahan bakar nuklir bekas: proporsi radiotoksisitas komponen yang berbeda selama bertahun-tahun. Dapat dilihat bahwa jika plutonium, uranium, dan aktinida minor dipisahkan, radiotoksisitas bahan bakar sangat berkurang, terutama setelah 100 tahun. SNF yang belum diproses harus disimpan selama ratusan ribu tahun.

Kesimpulannya di bawah program pendidikan tentang NFC, saya ingin merumuskan poin-poin utama :

1. NFC ada dan ada / tidaknya reaktor cepat adalah detail kecil pada kanvas besar. Saat ini, NFCF diperkenalkan bukan karena uranium akan segera berakhir, tetapi untuk mengurangi jumlah limbah radioaktif yang dibuang.

2. Bahan bakar yang diperoleh dalam siklus NFC tiga kali lebih mahal saat ini daripada yang diperoleh dari uranium alami, yang merupakan rem paling penting pada penutupan siklus. Aspek penting kedua adalah masalah kemungkinan proliferasi senjata nuklir di planet ini bersama dengan NFCF.

3. NFCF memiliki potensi untuk perbaikan dengan transisi ke proses kimia dan teknis baru (yang merupakan dasar dari proyek BREAKTHROUGH), tetapi transisi ini membutuhkan banyak R&D dan konstruksi.

Source: https://habr.com/ru/post/id388533/