Войти
В технологии ядерной энергетики выгорание (также известное как использование топлива ) - это мера того, сколько энергии извлекается из основного источника ядерного топлива. Он измеряется как доля ядер топлива, подвергшихся делению, в% FIMA (количество делений на исходный атом металла) или% FIFA (делений на исходный делящийся атом), а также, предпочтительно, фактическая энергия, выделяемая на массу исходного топлива в гигаватт -дней / метрическая тонна тяжелого металла (ГВт · сут / тТМ) или аналогичные единицы.
Выражается в процентах: если 5% исходных атомов тяжелых металлов подверглись делению, выгорание составляет 5% FIMA. Если бы эти 5% составляли общее количество U, которое было в топливе в начале, выгорание составило бы 100% FIFA (поскольку U является делящимся, а остальные 95% тяжелых металлов, таких как U, нет). В реакторах этот процент трудно измерить, поэтому предпочтительнее альтернативное определение. Это можно рассчитать, умножив тепловую мощность установки на время работы и разделив на массу начальной загрузки топлива. Например, если тепловая установка мощностью 3000 МВт (эквивалентна 1000 МВт электрической) использует 24 тонн обогащенного урана (tU) и работает на полной мощности в течение 1 года, среднее выгорание топливо составляет (3000 МВт · 365 суток) / 24 метрических тонны = 45,63 ГВт · сут / т, или 45 625 МВт · сутки / тТМ (где HM означает тяжелый металл, означающий актиниды, такие как торий, уран, плутоний и т. д.).
Преобразование между процентами и энергией / массой требует знания κ, тепловой энергии, выделяемой в результате деления. Типичное значение составляет 193,7 МэВ (3,1 × 10 Дж ) тепловой энергии на одно деление (см. Ядерное деление ). При этом значении максимальное выгорание 100% FIMA, которое включает деление не только делящегося содержания, но и других делящихся нуклидов, эквивалентно примерно 909 ГВт · сут / т. Инженеры-ядерщики часто используют это, чтобы приблизительно оценить выгорание 10%, что составляет менее 100 ГВт-сут / т.
Фактическим топливом может быть любой актинид, который может поддерживать цепную реакцию (то есть делящийся), включая уран, плутоний и более экзотические трансурановые топливо. Это содержание топлива часто называют тяжелым металлом, чтобы отличить его от других металлов, присутствующих в топливе, например, используемых для оболочки. Тяжелый металл обычно присутствует в виде металла или оксида, но возможны и другие соединения, такие как карбиды или другие соли.
Реакторы поколения II обычно рассчитывались на выработку около 40 ГВт-сут / тонну. Благодаря новейшим технологиям производства топлива и, в частности, использованию ядерных ядов, эти же реакторы теперь способны производить до 60 ГВт-сутки / тонну. После того, как произошло такое большое количество делений, накопление продуктов деления отравляет цепную реакцию, и реактор должен быть остановлен и заправлен топливом.
Ожидается, что некоторые более совершенные конструкции легководных реакторов будут обеспечивать выработку более 90 ГВт · сут / т более обогащенного топлива.
Реакторы на быстрых нейтронах более устойчивы к отравлению продуктами деления и могут по своей природе достигать более высокое выгорание за один цикл. В 1985 году реактор EBR-II в Аргоннской национальной лаборатории потреблял металлическое топливо с выгоранием до 19,9%, или чуть менее 200 ГВт-сут / т.
Глубокое сжигание Модульный гелиевый реактор (DB-MHR) может достигать 500 ГВт · сут / т трансурановых элементов.
На электростанции высокое выгорание топлива желательно для:
Также желательно, чтобы выгорание было как можно более равномерным как внутри отдельных тепловыделяющих элементов, так и от одного элемента к другому внутри топливного заряда. В реакторах с дозаправкой в оперативном режиме тепловыделяющие элементы можно перемещать во время работы, чтобы добиться этого. В реакторах без этой установки может использоваться точное позиционирование регулирующих стержней для уравновешивания реактивности в активной зоне и изменение положения оставшегося топлива во время остановов, в которых заменяется только часть топливного заряда.
С другой стороны, есть признаки того, что увеличение выгорания выше 50 или 60 ГВт · сут / тУ приводит к значительным инженерным проблемам и не обязательно приводит к экономическим выгодам. Топливо с более высоким выгоранием требует более высокого начального обогащения для поддержания реакционной способности. Поскольку количество рабочих единиц разделения (ЕРР) не является линейной функцией обогащения, достижение более высоких уровней обогащения обходится дороже. Есть также эксплуатационные аспекты топлива с высоким выгоранием, которые особенно связаны с надежностью такого топлива. Основными проблемами, связанными с топливом с высоким выгоранием, являются:
В прямоточных ядерных топливных циклах, которые используются в настоящее время в большинстве стран мира, отработанные тепловыделяющие элементы утилизируются целиком как высокоактивные ядерные отходы, а оставшееся содержание урана и плутония теряется. Более высокое выгорание позволяет использовать больше делящегося U и плутония, полученного из U, что снижает потребность в уране топливного цикла.
В прямоточных ядерных топливных циклах более высокое выгорание снижает количество элементов, которые необходимо захоронить. Однако кратковременное тепловыделение, один ограничивающий фактор глубокого геологического хранилища, в основном обусловлено среднеактивными продуктами деления, особенно Cs (период полураспада 30,08 года). и Sr (период полураспада 28,9 года). Поскольку их пропорционально больше в топливе с высоким выгоранием, тепло, выделяемое отработавшим топливом, примерно постоянно для данного количества генерируемой энергии.
Аналогично, в топливных циклах с ядерной переработкой количество высокоактивных отходов для данного количества произведенной энергии не имеет тесной связи с выгоранием. Из топлива с высоким выгоранием образуется меньший объем топлива для переработки, но с более высокой удельной активностью.
Необработанное отработанное топливо современных легководных реакторов состоит из 5% продуктов деления и 95% актинидов и является опасно радиотоксичным. требующие особого содержания на 300 000 лет. Большинство долгосрочных радиотоксичных элементов являются трансурановыми и поэтому могут быть переработаны в качестве топлива. 70% продуктов деления либо стабильны, либо имеют период полураспада менее одного года. Еще шесть процентов (I и Tc ) можно преобразовать в элементы с чрезвычайно коротким периодом полураспада (I —12,36 часа - и Tc -15,46 секунды). Zr, имеющий очень длительный период полураспада, составляет 5% продуктов деления, но может быть легирован ураном и трансурановыми соединениями во время рециркуляции топлива или использоваться в оболочке, где его радиоактивность не имеет значения. Оставшиеся 20% продуктов деления или 1% необработанного топлива, для которого наиболее долгоживущими изотопами являются Cs и Sr, требуют особого хранения только в течение 300 лет. Следовательно, масса материала, требующего особого хранения, составляет 1% от массы необработанного отработанного топлива.
Выгорание является одним из ключевых факторов, определяющих изотопный состав отработавшего ядерного топлива, другие - его исходный состав и нейтронный спектр реактора. Очень низкое выгорание топлива необходимо для производства оружейного плутония для ядерного оружия, чтобы производить плутоний, содержащий преимущественно Pu, с минимально возможной долей Pu и Pu.
Плутоний и другие трансурановые изотопы производятся из урана путем поглощения нейтронов во время работы реактора. Хотя в принципе возможно извлечь плутоний из отработанного топлива и направить его на использование в оружии, на практике для этого существуют огромные препятствия. Во-первых, необходимо удалить продукты деления. Во-вторых, плутоний необходимо отделить от других актинидов. В-третьих, делящиеся изотопы плутония должны быть отделены от неделящихся изотопов, что труднее, чем отделение делящихся от неделящихся изотопов урана, не в последнюю очередь потому, что разница масс составляет одну атомную единицу вместо трех. Все процессы требуют работы с сильно радиоактивными материалами. Поскольку существует множество более простых способов создания ядерного оружия, никто не создавал оружие из использованного топлива гражданских реакторов для электроэнергии, и, вероятно, никто никогда этого не сделает. Кроме того, большая часть плутония, производимого во время работы, расщепляется. В той степени, в которой топливо перерабатывается на месте, как это предлагается для интегрального быстрого реактора, возможности для переключения еще больше ограничиваются. Таким образом, производство плутония при эксплуатации гражданского энергетического реактора не представляет большой проблемы.
В одной из дипломных работ аспиранта Массачусетского технологического института 2003 г. делается вывод о том, что «стоимость топливного цикла, связанная с уровнем выгорания 100 ГВт · сут / тТМ, выше, чем при выгорании 50 ГВт · сут / тТМ., потребуются расходы на разработку топлива, способного выдержать такие высокие уровни облучения. В нынешних условиях выгоды от высокого выгорания (более низкие скорости выброса отработавшего топлива и плутония, разложившиеся изотопы плутония) не вознаграждаются. Следовательно, нет никаких стимулов операторам атомных электростанций - инвестировать в топливо с высоким выгоранием ".
В исследовании, спонсируемом Программой Университета ядерной энергии, изучалась экономическая и техническая осуществимость в долгосрочной перспективе более высокого выгорания.
