Физические принципы атомной энергетики

Топливо ядерных реакторов

Топливо ядерных реакторов

UO2

Достоинства диоксида урана: · Высокая темпера­тура плавления (2780°С);

· Химическая устойчивость к теплоносителям;

· Совместимость с материа­лами оболочек;

· Высокая плотность табле­ток (до 95 %);

· Приемлемая радиационная стойкость (до 3-х лет);

· Изотропность кристаллической решётки.

Переработка облучённого ядерного топлива (технология PUREX)

· Извлечение ОЯТ из тепловыделяющих элементов;

· Предварительное окисление ОЯТ (волоксидация);

· Растворение ОЯТ;

· Экстракция и регенерация экстрагента;

· Отделение плутония от урана.

Ядерный топливный цикл и вероятности хищения ядерных материалов

Схема ядерного топливного цикла

Рис. 8. Схема ядерного топливного цикла. Количество чёрных «шаров» характеризует привлекательность каждого из этапов для хищения ядерных материалов с целью изготовления ядерного оружия.

Ториевый ядерный цикл и нераспространение

Факт превращения сырьевых изотопов U238 и Th232 в делящиеся изотопы при нейтронных реакциях означает теоретическую возможность полного “сжигания” урана и тория в ядерных реакторах. В идеале, это позволило бы повы­сить эффективность использования топлива в 80 раз.

Возможность использования природного урана

Первый этап индийской ядерной программы состоял в постройке реакторов на тяжелой воде, которые работают на природном, необо­гащённом уране. При этом, вообще нет произ­водства, хранения либо использования урана, обогащенного изотопом U235, из которого проще всего изготавливать ядерные взрывные уст­ройства.

Наработка плутония без оружейного качества

Плутоний, нарабатываемый в центральной области ториевого реактора, не будет иметь оружейного ка­чества, поскольку окажется загрязнённым примесью Pu238. Изотоп Pu238 имеет период полураспада 88 лет. Он является сильным a-излучателем с выделением тепла, которое будет достаточным даже для расплав­ления некоторых деталей конструкции взрывного устройства. Кроме того, Pu238 характеризуется не­приемлемо сильным спонтанным испусканием нейт­ронов, 2600 n/(г×с). Оружейный плутоний должен был бы содержать не более 0.1 % Pu238.

Безопасность хранения облучённого топлива

Ториевое облучённое топливо более безопасно при длительном хранении, в силу сравнительно быстрого снижения радиоактив­ности. В первые месяцы после извлечения из реактора, радиоактивность топлива опреде­ляется в основном распадом короткоживущих осколков деления, таких, как Sr-90 и Cs-137. После распада этих осколков основной вклад в радиоактивность топлива вносят нестабильные актиниды (трансурановые элементы, такие, как Am-241) с периодами полураспада свыше 30 лет. В ториевом топливе радиоактивных трансурановых элементов образуется сущест­венно меньше, чем в урановом, посколь­ку ядро тория содержит на 2 нейтрона меньше. Расчеты показывают, что через 100 лет хранения активность отработанного ториевого топлива будет в 100 раз ниже, чем уранового, а через 500 лет – в 10 тыс. раз ниже.

Значение примеси U-232

Уран-233, извлеченный из отработанного то­риевого топлива, окажется очень гамма-актив­ным из-за неизбежной примеси изотопа U232. Этот изотоп подвержен a-распаду с периодом полураспада 69 лет. Некоторые из дочерних изотопов, образующиеся в цепочке распада U232, являются сильными гамма-излучателями. В частности, таллий-208 излучает гамма-кванты с энергией 2.7 МэВ. Такое излучение, к тому же, имеет высокую проникающую способность.

Из-за накопления таких продуктов распада, радиоактивность смеси U233+U232 возрастает со временем в течение примерно 10 лет. При содер­жании 0.1 % U232, характерном для то­риевых реак­торов, смесь становится смер­тель­но опасной через месяц после извлечения из реактора. 20 кг такой смеси, необходимые для изготовления ядерного заряда, через год будут иметь активность 0.5 мЗв/час на расстоянии 0.5 м, а через 10 лет – 1.6 мЗв/час. Для сравнения, максимально допус­тимая доза облу­чения в США составляет 50 мЗв/год.

Атомная энергетика