Сбалансированный ядерный топливный цикл (сбалансированный ЯТЦ) — это новое продуктовое направление, которое в структуре Росатома развивают и предлагают клиентам «Техснабэкспорт» и «ТВЭЛ». Сбалансированный ЯТЦ предполагает такие подходы к обращению с ОЯТ, которые сейчас не может реализовать ни одна другая страна в мире, — это уникальное предложение Росатома.
На прошедшем недавно в Казахстане форуме KazAtomExpo специалисты Росатома провели на стенде госкорпорации две лекции, посвященные новому продуктовому направлению.
Сбалансированный ЯТЦ базируется на концепции многократного использования ядерного топлива. Дело в том, что во время работы в реакторе уран, составляющий основу ядерного топлива, не выгорает полностью. Кроме того, при взаимодействии с нейтронами образуется плутоний — еще один делящийся материал, которые также может участвовать в ядерных реакциях и вырабатывать тепло. Если извлечь из отработавшего топлива (ОЯТ) эти элементы и изготовить из них новое топливо, потребность в природном уране и объем отходов, направляемых на окончательное захоронение, резко снизится. В этом и состоит основная идея многократной переработки топлива в рамках сбалансированного ЯТЦ.
Сбалансированный ЯТЦ — это комплекс из четырех услуг. Он включает, во-первых, переработку ОЯТ с фракционированием высокоактивных отходов, во-вторых, производство уранплутониевого топлива, в-третьих, дожигание минорных актинидов в быстрых реакторах и, в-четвертых, создание систем длительного хранения и транспортировки ОЯТ и высокоактивных отходов. Эти четыре услуги полностью закрывают спектр задач, связанных с обращением с ОЯТ коммерческих реакторов. Услуги можно приобрести по отдельности или вместе. Они подходят для владельцев ОЯТ любых реакторов с водой под давлением — различных модификаций ВВЭР, PWR, BWR и т. п. Конкретное исполнение будет настроено под пожелания и ограничения заказчика.
Как это работает: вывоз и переработка ОЯТ
Охлажденное в бассейне выдержки отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) загружается в специальные транспортно-перегрузочные упаковочные контейнеры (ТП ТУК). Постепенно ОЯТ перегружают в упаковочные комплекты хранения повышенной вместимости (УКХ ПВ). Когда таких комплектов становится достаточно, чтобы сформировать транспортный эшелон, их отправляют в Россию на переработку на предприятия Росатома. Там начинается самое интересное — разделение топлива на фракции (фракционирование). Сначала отделяют уран (около 96 % от всей массы топлива) и плутоний (около 1,2 %), которые можно использовать для производства новых порций различных видов топлива. Затем извлекают минорные актиниды — нептуний, америций, кюрий. Они направляются на дожигание в реакторы на быстрых нейтронах. Наконец, так называемая «короткоживущая фракция» — в основном, это стронций и цезий — остекловывается и направляется на окончательное захоронение.
Производство нового топлива
Владелец АЭС может заказать топливо из извлеченных из ОЯТ материалов. В реакторах на тепловых нейтронах можно использовать как топливо, изготовленное из регенерированного урана, так и топливо «РЕМИКС», которое создается из смеси урана и плутония. Оно такое же по геометрии, как урановое, отличия — в нейтронно-физических параметрах. Если заказчик не захочет использовать эту опцию, уран и плутоний будут использованы для изготовления топлива для российских реакторов.
Трансмутация минорных актинидов
Это, очевидно, самая необычная услуга в рамках Сбалансированного ЯТЦ. Она уникальна, так как только Росатом дошел до практической реализации идеи выжигать в быстрых реакторах минорные актиниды — долгоживущие и высокорадиотоксичные трансурановые элементы. В июле 2024 года в реактор БН-800 на Белоярской АЭС были загружены три тепловыделяющие сборки, в топливо которых были добавлены минорные актиниды. Подробнее об этом мы писали в предыдущем выпуске.
В быстрых реакторах америций и нептуний превращаются в короткоживущие или стабильные элементы, радиоактивность которых снижается до уровня природной урановой руды в течение примерно 300 лет. Это крайне важный результат, поскольку он позволяет значительно снизить объем и степень опасности радиоактивных отходов, направляемых на захоронение. Для сравнения: без переработки срок потенциальной опасности ОЯТ составил бы не менее 700 тыс. лет.
Хранение и транспортировка
Заказывая услугу по вывозу и переработке, можно заодно приобрести транспортно-перегрузочные упаковочные контейнеры, упаковочные комплекты хранения повышенной вместимости, а также пункты контейнерного хранения, где все это будет размещаться. Все эти компоненты сделают перегрузку, хранение и транспортировку топлива надежными и безопасными. Этой услугой уже воспользовалась АЭС «Аккую»: в феврале этого года туда прибыл головной экземпляр модели ТУК-137Т.А1, который Росатом классифицирует как транспортно-перегрузочный.
Для заказчиков сбалансированного ЯТЦ Росатом будет выдерживать короткоживущую высокоактивную фракцию около 30 лет. Затем ее перевезут в страну заказчика и разместят в приповерхностном хранилище вместе со среднеактивными отходами для финальной изоляции. Впрочем, возможен другой вариант: забрать короткоживущую высокоактивную фракцию сразу и разместить ее в упаковочных комплектах повышенной вместимости на площадке заказчика, где они и дойдут за 30 лет до состояния, пригодного к захоронению.
С выгодой для заказчиков
С помощью сбалансированного ЯТЦ заказчик сможет минимизировать объем образующихся отходов. По предварительным оценкам экспертов, за 60 лет службы двухблочной АЭС с реакторами ВВЭР-1200 образуется 7 тыс. м³. ОЯТ (включая упаковку). После переработки ОЯТ остается в семь раз меньше. Весь объем среднеактивных отходов (вместе с матрицей) уместится в 30 упаковочных комплектов повышенной вместимости. Расходы на инфраструктуру для временного и финального хранения отходов сократятся примерно на 23 %. Немаловажный плюс — возможность использования «зеленого финансирования»: сбалансированный ЯТЦ отвечает всем современным требованиям устойчивого развития. В целом же внедрение и активное использование сбалансированного ЯТЦ позволяет решить проблему накопления ОЯТ и подтверждает статус ядерной энергетики как возобновляемого и чистого источника энергии.
Лекции на KazAtomExpo, по отзывам участников, вызвали много вопросов и похвал. Вопросы прежде всего касались незнакомых до сих пор широкому кругу решений по фракционированию высокоактивных отходов и трансмутации минорных актинидов. Похвалы же были связаны с тем, что Росатом сумел создать гармоничный продукт, снимающий с оператора АЭС заботы о долгосрочной судьбе ОЯТ.
