Источник:
В «Росатоме» завершилась первая в мире программа эксплуатации ядерного топлива с минорными актинидами
Это ключевой элемент четвертого поколения атомных технологий и замыкания ядерного топливного цикла

На энергоблоке № 4 Белоярской АЭС в реакторе на быстрых нейтронах БН-800 завершилась первая в мире программа опытно-промышленной эксплуатации уран-плутониевого МОКС-топлива с добавлением так называемых минорных актинидов – наиболее радиотоксичных и долгоживущих компонентов, содержащихся в облученном ядерном топливе (ОЯТ).

Три опытных тепловыделяющие сборки с содержанием америция-241 и нептуния-237 были загружены в активную зону реактора летом 2024 года и успешно прошли цикл эксплуатации в течение трех топливных микро-кампаний. После остывания в бассейне выдержки облученные сборки будут направлены на послереакторные исследования.

Утилизация минорных актинидов через «дожигание» в энергетических реакторах – это ключевой элемент в создании атомной энергетики четвертого поколения. Эти элементы: нептуний, америций, кюрий – занимают небольшую долю в массе облученного топлива, но вносят непропорционально весомый вклад в его радиоактивную токсичность и остаточное тепловыделение. Изотопы минорных актинидов – очень долго живущие (периоды полураспада – сотни тысяч лет), и именно их наличие определяет сроки и условия изоляции отходов от окружающей среды.

В России в рамках замыкания ядерного топливного цикла уже есть опыт повторного вовлечения в ядерный топливный цикл регенерированного урана и основного актинида – плутония. Однако именно выделение из ОЯТ и последующая утилизация «миноров» может решить основные экологические проблемы обращения с радиоактивными отходами. По оценкам ученых при избавлении от минорных актинидов можно будет достичь радиационной эквивалентности исходного уранового сырья и ядерных отходов, подлежащих изоляции, в сотни раз быстрее. В перспективе это позволит значительно сократить объем и номенклатуру радиоактивных отходов, требующих глубинного геологического захоронения.

Самый эффективный способ утилизации минорных актинидов – «выжигание» в реакторе. Сегодня в нашей стране создаются технологии, позволяющие сжигать миноры несколькими способами. В частности, для этого подходят реакторы на быстрых нейтронах – там они превращаются в более стабильные или короткоживущие изотопы, это называется «трансмутация». Именно Россия обладает передовым опытом в создании таких установок: более 40 лет работы БН-600 на Белоярской АЭС, а также самого мощного в мире «быстрого» реактора БН-800, который введен в промышленную эксплуатацию с 2016 года. Кроме того, на Белоярской АЭС планируется к сооружению первый серийный «быстрый» реактор большой мощности БН-1200М.

«Выжигание минорных актинидов в реакторе – это не разовый опыт, а долгосрочная стратегия. Перед тем, как перевести это решение в промышленный масштаб, мы демонстрируем саму технологическую возможность, что эта идея работает. На следующем этапе мы намерены увеличить содержание минорных актинидов в опытных сборках с МОКС-топливом. Помимо этого, мы планируем добавлять минорные актиниды в нитридное СНУП-топливо для быстрых реакторов, а также опробовать гетерогенное выжигание «миноров». В этом случае минорные актиниды не "подмешиваются" в уран-плутониевое топливо, а помещаются в отдельные твэлы или отдельные сборки, которые будут устанавливаться в определенных зонах реактора», – прокомментировал Александр Угрюмов, старший вице-президент по научно-технической деятельности АО «ТВЭЛ» (головная компания Топливного дивизиона «Росатома»).

«Мы ожидаем, что количество входящих в состав топлива минорных актинидов будет существенно снижено, но это подтвердят дальнейшие послереакторные исследования. Результаты исследований позволят подтвердить концепцию технологии выжигания минорных актинидов и определить ее роль и вес в сбалансированном топливном цикле. Ожидается, что это поможет в десятки раз снизить количество радиоактивных отходов, направляемых на окончательную изоляцию. В рамках Сбалансированного ядерного топливного цикла энергоблоки IV-поколения будут способствовать повышению экологичности и энергетического потенциала атомной энергетики, позволяя использовать облученное топливо вместо его хранения. Приблизительно за 60 лет работы он будет способен утилизировать около четырех тонн минорных актинидов – это больше, чем вырабатывается в нескольких тепловых реакторах», – отметил директор Белоярской АЭС Юрий Носов.

Программа квалификации МОКС-топлива с минорными актинидами проводится в строгом согласования с Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор), которая подтвердила безопасность эксплуатации инновационных сборок. Опытные МОКС-ТВС с содержанием минорных актинидов были изготовлены на Горно-химическом комбинате в Железногорске (ФГУП «ГХК», дивизион «Экологические решения» «Росатома»). Там же на ГХК сегодня создается исследовательский жидкосолевой реактор, который позволит отработать технологию утилизации минорных актинидов уже в промышленных масштабах. Промышленная технология извлечения из ОЯТ и разделения минорных актинидов: америция, кюрия, нептуния – разработана учеными Топливного дивизиона «Росатома» из Бочваровского института. Также ученые-бочваровцы совместно с ГХК создали технологию включения нептуния и америция в таблетки уран-плутониевого МОКС-топлива.

Минорные актиниды – это группа трансурановых элементов, которые образуются в ядерном топливе в процессе работы реактора, за исключением плутония. К основным минорным актинидам относятся нептуний, америций и кюрий. Эти элементы не встречаются в природе и возникают только в результате ядерных реакций. Минорные актиниды обладают высокой радиоактивностью и токсичностью, а также имеют изотопы с длительным периодом полураспада, что делает их опасными компонентами радиоактивных отходов.

Энергосистемы IV поколения – поколение ядерных энергетических систем, которое предполагает применение различных технологий, которые объединены общим результатом – более высокой эффективностью использования топлива, увеличенной безопасностью, энергоэффективностью, сокращением отработавшего ядерного топлива и т.п. (согласно классификации, принятой МАГАТЭ). Применение таких систем способно кардинально изменить атомную энергетику, прежде всего за счет нового уровня безопасности, расширения топливной номенклатуры и существенного сокращения радиоактивных отходов. Россия является одним из лидеров в разработке технологий IV поколения: на Белоярской АЭС начались предпроектные работы по сооружению энергоблока БН-1200М, а в Томской области впервые в мировой практике на одной площадке создаются АЭС с реактором БРЕСТ-ОД-300 и пристанционный замкнутый ядерный топливный цикл.

Реактор на быстрых нейтронах – тип атомных реакторов, в котором теплоносителем выступает не вода, а жидкий металл. Преимущество таких реакторов – способность эффективно использовать для производства энергии вторичные продукты топливного цикла (в частности, плутоний). При этом обладая высоким коэффициентом воспроизводства, «быстрые» реакторы могут производить больше потенциального топлива, чем потребляют, а также «дожигать» (то есть утилизировать с выработкой энергии) высокоактивные трансурановые элементы (актиниды). Для сравнения, в реакторах на тепловых нейтронах, составляющих основу современной атомной энергетики, используется только около 1 % урана, оставшиеся 99 % направляются на временное хранение или утилизируются как радиоактивные отходы.

Инновационные технологии «Росатома» основаны на передовых достижениях российской атомной науки и в полной мере отвечают актуальной ESG-повестке. Достигнутые результаты – это труд тысяч высококвалифицированных профессионалов, которые работают в интересах экономической стабильности России. Четкое взаимодействие промышленных предприятий с научно-исследовательскими институтами помогает укреплять технологический суверенитет страны, повышать конкурентоспособность отечественной атомной отрасли.