Como aumentar o pico de urânio em 10 mil anos

... ou programa educacional sobre o ciclo fechado de combustível nuclear (NFCF).

Duas das mais promissoras e ao mesmo tempo criticadas, o conceito de energia nuclear é a fusão controlada e o fechamento do ciclo do combustível nuclear. Sessenta e tantos anos se passaram desde o advento dessas idéias energéticas, mas o primeiro deles não tirou o jaleco e o segundo permaneceu na forma de experimentos únicos “tentados e abandonados”. Mas se a energia termonuclear é uma história especial , com a natureza insidiosa e a fraqueza humana na trama, então o ciclo do combustível nuclear está em sua infância por razões completamente diferentes.


Comprimidos de uma mistura de dióxido de urânio e plutônio - a base do atual ciclo de combustível nuclear

A idéia do NFCF é aprender a extrair energia do urânio 238 ou do tório-232 atualmente não utilizado. Eles contêm a mesma quantidade de energia que o U235 que "trabalha" nos reatores atualmente - aproximadamente 150 kWh (mês de consumo de um apartamento médio) de eletricidade por 1 grama de metal. No entanto, no urânio natural, apenas 0,7% do U235 (dos quais obtemos 0,5%, o restante vai para o lixão quando os isótopos são separados) e 99,3% desse U238. Se fosse possível usar duzentos e trigésimo oitavo urânio, aumentaria as reservas de combustível nuclear em 200 vezes. E é aí que reside o primeiro problema do ciclo do combustível nuclear - não há uma necessidade urgente de expandir as reservas de combustível no mundo, é suficiente devido à estagnação da capacidade total das usinas nucleares.


Câmara de montagem MOX de montagens de combustível para o reator BN-800. Paredes e equipamentos de aço inoxidável, robótica e estanqueidade são componentes típicos de tais indústrias.

Como a NFC vai usar a energia do urânio 238? Este isótopo não suporta a reação em cadeia da fissão necessária para a extração de energia. Porém, ao absorver um nêutron, ele pode se transformar em plutônio-239, que já suporta a reação em cadeia. Felizmente para nós, ao fissionar o U235 e o Pu239, dois ou três nêutrons "caem" deles, e se alguém continuar a reação em cadeia, o segundo "supérfluo" pode encontrar um exemplo útil: gastar na conversão do U238 em algo físsil (por exemplo, Pu239). Assim, o conceito de fechamento é formado - nós “queimamos” plutônio no reator, recebendo simultaneamente novo plutônio do U238.


No combustível nuclear usado, apenas 3-5% dos produtos de fissão radioativa que precisam ser descartados e o restante (um tanto simplificador) podem muito bem ser colocados em um novo ciclo.

O NFCF mínimo é obtido consistindo em três elementos:

1. Reator
2. Fábrica para processamento de combustível nuclear irradiado
3. Instalações para a produção de combustível fresco com materiais físseis obtidos no no 2.

Onde começa a NFCF?

Onde o aro começa? Para simplificar a apresentação, digamos que o teatro comece com um cabide no centro do ciclo de combustível nuclear que começa no reator. Um reator é o local em que a energia e os nêutrons são extraídos dos materiais físseis . Os nêutrons "sobressalentes" são absorvidos por um material de partida especial, após o que se transforma em um novo físsil, reproduzindo seu consumo. O par tradicional de material físsil e de partida é o plutônio Pu239 (físsil) e o urânio U238 (absorve), mas existem várias outras opções, por exemplo, em vez do Pu239 artificial, você pode usar o combustível tradicional U235 e a conversão de U238 em Pu239 pode ser chamada de conversão em vez de reprodução. Existem muitos projetos de reatores, nos quais, além da deterioração do material físsil, um novo está sendo produzido - eles podem ser rápidos e térmicos (no caso do par U233 - Th232). Já nesta fase, não é difícil ficar confuso com a abundância de garfos no ciclo do combustível nuclear, e ainda não começamos a considerar opções diferentes para a química do combustível!


Esquemas típicos de NFCF. E é muito ampliado!

As variantes mais ou menos tradicionais do reator de reprodução do parágrafo anterior prevêem a separação física das zonas de divisão e reprodução. Como, tradicionalmente, o núcleo é recrutado a partir de cassetes especiais, acontece que após a campanha de combustível, digamos, uma vez por ano, removemos o combustível nuclear irradiado do reator, em alguns dos quais temos menos material físsil e em parte - muito mais


Os desenvolvedores russos do centro de ciclo de combustível nuclear agora veem o reator BN-1200 como um elemento-chave. O plutônio será retirado do combustível nuclear usado reprocessado dos reatores VVER e RBMK, que resolve o problema de seu armazenamento.

Por que esse material físsil acumulado (DM) não pode ser usado imediatamente em um reator? Principalmente por razões tecnológicas - está localizado dentro de elementos isolantes (elementos combustíveis), que possuem um certo recurso de estar dentro do núcleo. Além disso, a parte do DM que foi compartilhada com a geração de energia e nêutrons deixa para trás produtos de fissão, que são venenos de nêutrons e degradam gradualmente as características do reator.


A maior planta de reprocessamento de SNF do mundo - a francesa La-Haug, capaz de reprocessar o SNF anual de 90 unidades de energia - todo o combustível usado na Europa.

Grãos do joio. Reciclagem.

Além disso, esse combustível deve ser processado e dividido:

• projetos de cassetes passivos de metal
• material de partida (Th232, U238)
• produtos de fissão
• material acumulado (Pu239)
• material físsil residual.

Tradicionalmente, plantas radioquímicas, como a Lighthouse, fazem isso. E se houver cerca de uma dúzia de opções para reatores de reprodução, então existem mais de cem opções tecnológicas para processamento.


Por exemplo, parece um processo muito avançado para reprocessar o SNF do reator BREST-300 , que é realizado diretamente em usinas nucleares. A palavra "pyro" aqui se refere ao processo infernal de eletrólise do derretimento de combustível nuclear irradiado em cádmio.

Para começar, o tipo de combustível que circula no reator é importante. Pode ser urânio metálico e plutônio (ou uma liga com zircônio, molibdênio, etc., etc.) ou um composto químico: óxido, nitreto, carboneto - ou seja, composto de urânio e plutônio com oxigênio, nitrogênio, carbono, etc. Na engenharia de energia tradicional, é usado o óxido de urânio UO2, que possui algumas características convenientes (por exemplo, na retenção dos produtos de fissão gasosa do xenônio, hélio e iodo). A química do combustível é determinada pelos requisitos físicos de nêutrons do reator reprodutor e, por sua vez, determina a tecnologia que será usada na planta de reprocessamento do SNF. O processamento de combustível nuclear na forma de soluções em ácido nítrico, ou o processo PUREX, é tradicional e relativamente amplamente utilizado.O PUREX mais tecnologicamente simples (e não menos perigoso disso) foi desenvolvido com o objetivo de extrair plutônio de nível de armas do combustível nuclear usado em reatores nucleares operacionais, mesmo no início da era atômica.


A propósito, o PUREX pode ser fabricado em casa.

No entanto, no futuro, os radioquímicos da NFCF gostariam de se afastar do combustível de óxido mudando para carboneto ou nitreto (mais precisamente, uma mistura de plutônio e carbonetos / nitretos de urânio) e da radioquímica líquida, passando para o processamento de massa irradiada na forma de sais fundidos ou mesmo gás ionizado (!) . Por um lado, essa transição dá bônus perceptíveis a todo o projeto NFCF, por exemplo, ao trabalhar com nitreto, um reator pode ser feito sem zonas de reprodução (o que significa dois esquemas de reprocessamento SNF), e uma tonelada de reprocessamento SNF não deixará dezenas de metros cúbicos de resíduos radioativos líquidos para trás. Por outro lado, é necessário resolver simultaneamente uma enorme variedade de questões, tanto no reator, no reprocessamento do combustível nuclear usado, como também na fabricação de combustível novo, sobre o qual falaremos adiante.


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É o combustível de nitreto usado para construir o projeto do ciclo de combustível nuclear de Proryv, que fornece um reator rápido com refrigerante de chumbo e refino e fabricação de combustível sem líquido no local. Esse conjunto de tecnologias faz o "avanço" muito da NFCF convencional, na qual o reator é sódio, o combustível é óxido e o processamento é líquido, então não faz sentido misturar, por exemplo, a planta de combustível de nitreto que está sendo construída em Seversk e BN-800 - são como duas linhas paralelas.


Por exemplo, uma linha experimental em que você pode produzir até 20 kg por mês de comprimidos a partir de uma mistura de urânio, plutônio e neptúnio. I.e. a linha está dentro e vemos apenas as caixas de proteção nas quais ela se encontra em uma atmosfera livre de oxigênio e anidra.

Terceira etapa da NFCF. Fabricação de combustível

Fabricação é a montagem de cartuchos de combustível (conjuntos de combustível) a partir da estrutura, barras de combustível pré-embaladas com combustível de urânio (geralmente na forma de comprimidos). É claro que todos os reatores do mundo que não pensam no ciclo do combustível nuclear consomem esses conjuntos de combustível todos os anos, portanto a fabricação é um processo industrial bem desenvolvido. que inclui os estágios tecnologicamente avançados de moagem de pó de UO2, compressão desse pó em comprimidos e sinterização.

Assim, a fabricação de combustível para o ciclo do combustível nuclear quebra todas as grandes tradições industriais das fábricas de montagem de combustível. Em primeiro lugar, os conjuntos de combustível coletados dos restos de combustível nuclear irradiado são radioativos, o que significa que todos os processos devem ocorrer sem a participação de pessoas. Em segundo lugar, o pó de óxido de plutônio é diferente do urânio. Em terceiro lugar, se ainda assim decidirmos usar nitretos ou carbonetos de urânio-plutônio em vez de óxidos, uma descoberta desagradável nos espera - eles se inflamam no ar ou na presença de umidade. Assim, a moagem, a prensagem e a sinterização deverão ser realizadas em caixas isoladas cheias de nitrogênio seco.


Por exemplo, no lado direito da estrutura, há uma caixa com uma prensa fabricando comprimidos MOX para conjuntos de combustível BN-800.

Como resultado, a fabricação de combustível no ciclo de combustível nuclear acaba não sendo menos importante e tão difícil quanto os dois estágios anteriores.

O resultado de um fechamento "correto" deve ser o consumo de material de partida (U238 ou Th232) na fábrica de montagem de combustível, a geração de eletricidade pelo reator e o fluxo de resíduos altamente radioativos (produtos de fissão e alguns absorventes de processo) da fábrica de processamento SNF. O balanço material de tudo isso será muito pequeno - um reator de gigawatt precisará de cerca de 2,5 toneladas de U238 por ano e será obtida a mesma quantidade de fragmentos de fissão que terão que ser enterrados por dezenas de milhares de anos.

Há também uma variante do NFCF que é amada pelos publicitários, na qual, em cada ciclo de circulação da substância, mais materiais físseis são obtidos no reator do que os carregados - NFCF com reprodução expandida. Existe um termo importante "tempo de duplicação de combustível", ou seja, o período em que em um sistema fechado de duas fábricas e um reator o plutônio se torna duas vezes mais longo e mais uma unidade pode ser lançada. Para as opções em consideração, esse período geralmente é de cerca de 30 anos, o que, nos lábios de algumas, se torna a principal desvantagem do ciclo do combustível nuclear: a quantidade de plutônio inicial é limitada e com um tempo de duplicação, digamos, 100 gigawatts de reatores rápidos podem ser construídos em 100 anos ou menos. No entanto, não se esqueça das milhares de toneladas de U235, que agora se encontram na composição de urânio natural em algum lugar nas rochas dos depósitos contornados, bem como no último momento chave do ciclo do combustível nuclear,que você precisa saber.


2020 () -1000 -1000, .

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Este ponto é bastante simples - a NFCF já existe e funciona. É verdade que não é de pleno direito, mas uma espécie de “meio dinheiro”, mas tecnologicamente tudo está no lugar. Estamos falando de combustível MOX e reprocessamento SNF de reatores de energia convencional (geralmente com água pressurizada e espectro de nêutrons térmicos). Hoje, essa prática é mais amplamente usada na França, que processa combustível com ~ 100 gigawatts de reatores de toda a Europa e fabrica conjuntos de combustível com plutônio separado do SNF para carregar nos mesmos reatores. Existem todos os elementos aqui - reatores que operam com combustível urânio-plutônio (na verdade MOX - este é óxidos mistos - óxidos mistos de plutônio e urânio), reprocessamento do combustível nuclear usado com plutônio acumulado como resultado da irradiação do início do U238, fabricação de novo plutônioMOX-TVS. Além disso, a França tem uma experiência única na fabricação de conjuntos de combustível a partir de plutônio, que foi desenvolvido em conjuntos de combustível MOX, ou seja, dobrando o uso de energia natural de urânio.


E, é claro, não se deve esquecer a pequena produção de combustível MOX para o BN-800, lançada na MCC este ano. No quadro, a soldagem automática da cabeça do conjunto de combustível na viga das barras de combustível.

Por que isso é uma "MISSÃO"? Os reatores térmicos têm um espectro de nêutrons "errado" demais; portanto, para cada evento de fissão, existem apenas 0,4-0,5 átomos acumulados. Além disso, nesse espectro no plutônio, não apenas os isótopos alvo 239 e 241 aparecem, mas também os venenos de nêutrons 240, 242 e o mesmo veneno U236 é produzido no urânio. Acontece que o material inicial e o material físsil alvo no reator no espectro térmico são muito “sujos” e muito pouco para suportar o ciclo, absorvendo apenas U238.

No entanto, o combustível irradiado dos reatores térmicos contém cerca de 20% do conteúdo inicial do U235 (o coeficiente de conversão é de 0,4-0,5, mas parte dele queima no reator durante a operação). Ao reprocessar o combustível nuclear usado em reatores de 100 gigawatts, os franceses conseguem carregar 15 gigawatts de energia "de graça", sem gastar urânio natural. Embora, na realidade, esses "conjuntos de combustível MOX grátis" sejam três vezes mais caros do que os fabricados com urânio natural enriquecido, é mais importante para os franceses não armazenar uma quantidade enorme de combustível nuclear usado em seus reatores (como é o caso nos Estados Unidos, onde quase 100 mil toneladas de combustível usado são armazenadas ) e enterrar uma quantidade relativamente pequena de produtos de fissão.


Uma ilustração importante dos benefícios do reprocessamento de combustível nuclear usado: a proporção de radiotoxicidade de diferentes componentes ao longo dos anos. Pode-se observar que, se o plutônio, o urânio e os actinídeos menores são separados, a radiotoxicidade do combustível é bastante reduzida, principalmente após 100 anos. O SNF não processado terá que ser armazenado por centenas de milhares de anos.

Resumindo no âmbito do programa educacional sobre a NFC, gostaria de formular os principais pontos :

1. A NFC existe e a presença / ausência de reatores rápidos é um pequeno detalhe em uma tela grande. Hoje, a NFCF está sendo introduzida não porque o urânio acabará em breve, mas para reduzir a quantidade de resíduos radioativos sendo descartados.

2. O combustível obtido no ciclo NFC é hoje três vezes mais caro do que o obtido com urânio natural, que é o freio mais importante no fechamento do ciclo. O segundo aspecto importante é o problema da possível proliferação de armas nucleares no planeta junto com a NFCF.

3. O NFCF tem potencial para melhorar com a transição para novos processos químicos e técnicos (que é a base do projeto BREAKTHROUGH), mas essa transição requer muita pesquisa e desenvolvimento e construção.

Source: https://habr.com/ru/post/pt388533/