MOX palivo - MOX fuel

Směsného oxidu palivo , se běžně označuje jako paliva MOX , je jaderné palivo , který obsahuje více než jeden oxid ze štěpného materiálu , obvykle sestávat z plutonia smíchán s přírodního uranu , přepracovaného uranu nebo ochuzeného uranu . Palivo MOX je alternativou k nízko obohacenému uranu (LEU) používanému v lehkovodních reaktorech, které převládají v jaderné energetice .

Například směs 7% plutonia a 93% přírodního uranu reaguje podobně, i když ne identicky, na palivo LEU (3 až 5% uranu-235). MOX se obvykle skládá ze dvou fází, UO 2 a PuO 2 , a/nebo jednofázového pevného roztoku (U, Pu) O 2 . Obsah PuO 2 se může pohybovat od 1,5% hmotn. Do 25–30% hmotn. V závislosti na typu jaderného reaktoru.

Jednou z atrakcí paliva MOX je, že je to způsob využití nadbytečného plutonia na úrovni zbraní , což je alternativa k ukládání přebytečného plutonia, které by bylo nutné zajistit proti krádeži pro použití v jaderných zbraních . Na druhé straně některé studie varovaly, že normalizace globálního komerčního využití paliva MOX a s tím spojená expanze jaderného přepracování zvýší, nikoli sníží, riziko šíření jaderných zbraní podporou větší separace plutonia od vyhořelého paliva v civilní jaderné palivový cyklus.

Přehled

V každém jádru jaderného reaktoru na bázi uranu je jak štěpení izotopů uranu, jako je uran-235 , tak tvorba nových, těžších izotopů v důsledku zachycování neutronů , primárně uranem-238 . Většina paliva v reaktoru je uran-238. Zachycením neutronů a dvěma po sobě následujícími beta rozpady se uran-238 stává plutoniem-239 , které se postupným zachycením neutronů stává plutoniem-240 , plutoniem-241 , plutoniem-242 a (po dalším rozpadu beta) dalšími transuranovými nebo aktinidovými nuklidy. Plutonium-239 a plutonium-241 jsou štěpné , podobně jako uran-235. Malé množství uranu-236 , neptunia-237 a plutonia-238 se tvoří obdobně z uranu-235.

Obvykle se palivo mění přibližně každé tři roky a většina plutonia-239 se „spálí“ v reaktoru. Chová se jako uran-235, s mírně vyšším průřezem pro štěpení a jeho štěpením se uvolňuje podobné množství energie . Typicky je asi jedno procento vyhořelého paliva vypouštěného z reaktoru plutonium a asi dvě třetiny plutonia je plutonium-239. Celosvětově každý rok vyvine téměř 100 tun plutonia v vyhořelém palivu.

Přepracování plutonia na použitelné palivo zvyšuje energii získanou z původního uranu přibližně o 12%, a pokud je uran-235 také recyklován opětovným obohacením, stane se to asi 20%. V současné době je plutonium přepracováno a použito pouze jednou jako palivo MOX; vyhořelé palivo MOX s vysokým podílem drobných aktinidů a izotopů plutonia je uloženo jako odpad.

Stávající jaderné reaktory musí být před uvedením paliva MOX znovu licencovány, protože jeho používáním se mění provozní vlastnosti reaktoru a elektrárna musí být navržena nebo upravena tak, aby ji mohla odebírat; například je zapotřebí více řídicích tyčí . Často je na MOX přepnuta pouze třetina až polovina paliva, ale pro více než 50% zatížení MOX jsou nutné výrazné změny a podle toho je třeba navrhnout reaktor. Konstrukce reaktoru System 80 , zejména rozmístěná v americké jaderné elektrárně Palo Verde poblíž Phoenixu v Arizoně , byla navržena pro 100% kompatibilitu jádra MOX, ale dosud vždy fungovala na čerstvém nízko obohaceném uranu. Tři reaktory Palo Verde by teoreticky mohly každoročně využívat MOX vznikající ze sedmi konvenčně poháněných reaktorů a již by nevyžadovaly palivo z čerstvého uranu.

Podle Atomic Energy of Canada Limited (AECL) mohly reaktory CANDU využívat 100% MOX jádra bez fyzické úpravy. AECL informovalo výbor Národní akademie věd USA o likvidaci plutonia, že má rozsáhlé zkušenosti s testováním používání paliva MOX obsahujícího 0,5 až 3% plutonia.

Obsah nespáleného plutonia v použitém palivu MOX z tepelných reaktorů je významný-více než 50% počátečního naplnění plutonia. Během vypalování MOX však poměr štěpných (lichých) izotopů k neštěpným (sudým) klesá z přibližně 65% na 20%, v závislosti na vyhoření. To činí jakýkoli pokus o obnovu štěpných izotopů obtížným a jakýkoli hromadný získaný Pu by vyžadoval tak vysoký podíl Pu v jakékoli druhé generaci MOX, že by byl nepraktický. To znamená, že takto vyhořelé palivo by bylo obtížné přepracovat pro další opětovné použití (spalování) plutonia. Pravidelné přepracování dvoufázových použitých MOX je obtížné kvůli nízké rozpustnosti PuO 2 v kyselině dusičné. V roce 2015 došlo v rychlém reaktoru Phénix k jediné komerční demonstraci dvakrát recyklovaného paliva s vysokým spalováním .

Aktuální aplikace

Použitý MOX, který má 63 GW dní (tepelný) vyhoření a byl zkoumán rastrovacím elektronovým mikroskopem pomocí elektronové mikroskopické sondy. Čím je pixel na pravé straně světlejší, tím vyšší je obsah plutonia v daném místě

Přepracování komerčního jaderného paliva na výrobu MOX se provádí ve Francii a v menší míře v Rusku , Indii a Japonsku . Ve Velké Británii funguje THORP od roku 1994 do roku 2018. Čína plánuje vyvinout rychlé šlechtitelské reaktory a přepracování. Přepracování vyhořelého jaderného paliva z komerčních reaktorů není ve Spojených státech povoleno z důvodu nešíření.

Spojené státy stavěly závod na výrobu paliva MOX v lokalitě Savannah River Site v Jižní Karolíně. Přestože Tennessee Valley Authority (TVA) a Duke Energy projevily zájem o využití paliva z reaktoru MOX z přeměny plutonia na úrovni zbraní, TVA (v současné době nejpravděpodobnější zákazník) v dubnu 2011 uvedla, že odloží rozhodnutí, dokud neuvidí, jak Palivo MOX provedené při jaderné havárii ve Fukušimě Daiichi . V květnu 2018 ministerstvo energetiky oznámilo, že k dokončení závodu bude zapotřebí dalších 48 miliard dolarů, navíc k již vynaloženým 7,6 miliardám dolarů. Stavba byla zrušena.

Tepelné reaktory

Asi 30 tepelných reaktorů v Evropě (Belgie, Nizozemsko, Švýcarsko, Německo a Francie) používá MOX a dalších 20 k tomu bylo licencováno. Většina reaktorů jej využívá jako jednu třetinu svého jádra, ale některé přijmou až 50% sestav MOX. Ve Francii si EDF klade za cíl, aby všechny jeho reaktory o výkonu 900 MWe pracovaly s alespoň jednou třetinou MOX. Japonsko zamýšlelo mít do roku 2010 jednu třetinu svých reaktorů využívajících MOX a schválilo stavbu nového reaktoru s kompletním plněním paliva MOX. Z dnešního celkového jaderného paliva poskytuje MOX 2%.

Licenční a bezpečnostní problémy při používání paliva MOX zahrnují:

  • Vzhledem k tomu, že izotopy plutonia absorbují více neutronů než uranová paliva, mohou řídicí systémy reaktoru vyžadovat úpravu.
  • Palivo MOX má tendenci běžet tepleji kvůli nižší tepelné vodivosti, což může být problém v některých konstrukcích reaktorů.
  • Uvolňování štěpného plynu v palivových sestavách MOX může omezit maximální dobu vyhoření paliva MOX.

Asi 30% plutonia původně naloženého do paliva MOX se spotřebuje použitím v tepelném reaktoru. Teoreticky, pokud je jedna třetina základního palivového zatížení MOX a dvě třetiny uranového paliva, dojde k nulové čisté změně hmotnosti plutonia v vyhořelém palivu a cyklus by se mohl opakovat; při přepracování vyhořelého paliva MOX však stále existuje několik obtíží. Od roku 2010 je plutonium recyklováno pouze jednou v tepelných reaktorech a vyhořelé palivo MOX je odděleno od zbytku vyhořelého paliva, které má být uloženo jako odpad.

Všechny izotopy plutonia jsou buď štěpný nebo úrodné, i když plutonium-242 potřeby absorbovat 3 neutrony, než se stal štěpný curium -245; v tepelných reaktorech izotopová degradace omezuje potenciál recyklace plutonia. Asi 1% vyhořelého jaderného paliva ze současných LWR je plutonium, s přibližným izotopovým složením 52%239
94
Pu
, 24% 240
94
Pu
, 15% 241
94
Pu
, 6% 242
94
Pu
a 2% 238
94
Pu
při prvním vyjmutí paliva z reaktoru.

Rychlé reaktory

Protože poměr štěpení k zachycení vysoké energie nebo rychlých neutronů se mění ve prospěch štěpení téměř všech aktinidů , včetně238
92
U
Rychlé reaktory by mohly všechny použít jako palivo. Všechny aktinidy mohou podstoupit štěpení indukované neutrony s nemoderovanými nebo rychlými neutrony. Rychlý reaktor je proto účinnější než tepelný reaktor pro použití plutonium a vyšších aktinidů jako palivo.

Tyto rychlé reaktory jsou vhodnější pro transmutaci jiných aktinidů než tepelné reaktory. Protože tepelné reaktory používají pomalé nebo moderované neutrony, aktinidy, které nejsou štěpné s tepelnými neutrony, mají tendenci místo štěpení absorbovat neutrony. To vede k hromadění těžších aktinidů a snižuje počet dostupných tepelných neutronů pro pokračování řetězové reakce.

Výroba

Separace plutonia

Prvním krokem je oddělení plutonia od zbývajícího uranu (asi 96% vyhořelého paliva) a štěpných produktů s dalšími odpady (dohromady asi 3%) pomocí procesu PUREX .

Míchání za sucha

Palivo MOX lze vyrobit mletím oxidu uranu (UO 2 ) a oxidu plutonia (PuO 2 ) předtím, než se smíšený oxid lisuje do pelet, ale tento proces má tu nevýhodu, že vytváří hodně radioaktivního prachu.

Koprecipitace

Směs dusičnanu uranylu a dusičnanu plutonia v kyselině dusičné se převede zpracováním s bází, jako je amoniak, za vzniku směsi diuranátu amonného a hydroxidu plutonia. Po zahřátí ve směsi 5% vodíku a 95% argonu se vytvoří směs oxidu uraničitého a plutonia . Pomocí báze lze výsledný prášek projít lisem a převést na pelety. Pelety lze poté slinovat na směsný uran a oxid plutonia.

Obsah americium

Plutonium z přepracovaného paliva se obvykle vyrábí do MOX během méně než pěti let od jeho výroby, aby se předešlo problémům způsobeným nečistotami vznikajícími rozpadem izotopů plutonia s krátkou životností . Zejména plutonium-241 se rozpadá na americium-241 se 14letým poločasem rozpadu. Protože americium-241 je zářič gama záření , je jeho přítomnost potenciálním nebezpečím pro zdraví při práci . Je však možné odstranit americium z plutonia procesem chemické separace. I za těch nejhorších podmínek je směs americium/plutonium méně radioaktivní než kapalina pro rozpouštění vyhořelého paliva, takže by mělo být relativně jednoduché získat zpět plutonium pomocí PUREXu nebo jiné metody opětovného zpracování ve vodě.

Obsah kuria

Je možné, že jak americium, tak curium by bylo možné přidat do paliva U/Pu MOX, než bude naloženo do rychlého reaktoru. Toto je jeden z prostředků transmutace. Práce s kuriem je mnohem těžší než americium, protože curium je neutronový zářič, výrobní linka MOX by musela být chráněna olovem i vodou, aby byla zajištěna ochrana pracovníků.

Neutronové ozařování kuria generuje vyšší aktinidy , jako je kalifornium , které zvyšují dávku neutronů spojenou s použitým jaderným palivem ; to má potenciál znečišťovat palivový cyklus silnými neutronovými zářiči. V důsledku toho je pravděpodobné, že curium bude vyloučeno z většiny paliv MOX.

Thorium MOX

Testuje se také palivo MOX obsahující oxidy thoria a plutonia. Podle norské studie „ prázdná reaktivita chladiva v palivu thoria a plutonia je negativní pro obsah plutonia až do 21%, zatímco u paliva MOX je přechod na 16%“. Autoři dospěli k závěru: „Zdá se, že palivo Thorium-plutonium nabízí určité výhody oproti palivu MOX, pokud jde o hodnoty řídicích tyčí a bóru , spotřebu CVR a plutonia.“

Viz také

Reference

externí odkazy