1631124716-ca290a1880d134895afb166158f03ba1 (848591), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Это означает, что поместив вбыстрый реактор отработанное в тепловых реакторах ядерное топливо, в котором находятсяочень опасные радиоактивные отходы изотопов плутония с минорными актинидами (изотопынептуния, америция, кюрия), под действием потока быстрых нейтронов в этих изотопахпроисходят ядерные реакции, и они превращаются в стабильные, либо в короткоживущиеизотопы.
При этом количество радиоактивных отходов уменьшается более чем в двадцать раз.Эта особенность быстрых реакторов позволяет решить одну из ключевых проблемсуществующей ядерной энергетики на тепловых нейтронах.[9]192.3.2 Сжиганий на ускорителяхПрактическая возможность трансмутации долгоживущих отходов предполагает наличиемощного источника нейтронов. Минимальное количество нейтронов, необходимых дляполной трансмутации наиболее опасных изотопов99Тс,129Iи79Se, наработанных за 40 летстандартным ВВЭР - 11.29 кг (в 1 кг нейтронов содержится 5.97·1026 нейтронов). В варианте,когда источником нейтронов является протонный пучок, потребуется ускоритель,рассчитанный на энергию протонов ≥1 ГэВ.
В процессе spallation-реакции, когда мишеньюслужит свинец, средняя энергия нейтронов составит 10 МэВ, поэтому наработка 1 кгнейтронов требует 0,5·109кВт·час или 1,5 МВт средней мощности пучка на протяжении 40 лет.При КПД ускорителя 0.5 - это соответствует 3 МВт электрической мощности. Следовательно,выработка 11,29 кг нейтронов, необходимых для трансмутации долгоживущих отходов,потребует 34,2 МВт электрической мощности за весь период работы ВВЭР, т.е., около 4% отвырабатываемой им энергии. Если включить еще вероятность захвата нейтронов осколкамиделения и другие факторы, то на трансмутацию долгоживущих отходов потребуетсяпостоянно отдавать около 7% производимой на ВВЭР мощности. Этот расход энергии изатраты на сооружение ускорителя представляются значительными.[10]Как рассказано выше РАО можно «сжигать» в мощных протонных ускорителях, чтопозволяет превратить их в короткоживущие, но этот метод применим не ко всемрадионуклидам.
В 2004 году была осуществлена трансмутация ядерных отходов с помощьюлазера. Физики из Великобритании и Германии с помощью суперлазера VULCAN превратили129I – изотоп йода, имеющий период полураспада 15.7 млн лет, - в128I, период полураспадакоторого 25 мин. Тонкая золотая мишень, за которой помещался образец129I облучалиимпульсами лазера длительностью 0.7пс. Под действием лазерного луча мишень испаряласьдо состояния плазменного облака, причем электроны плазмы приобретали огромные скорости.Поток ускоренных электронов при торможении на ядрах золота образовывал вторичные γкванты, которые в свою очередь выбивали из образца 129I нейтроны, превращая часть его ядерв ядра 128I.Каждый лазерный импульс позволял получить около 3 млн ядерI. По мнению128экспериментаторов, остается лишь развить этот метод до масштабов, необходимых дляутилизации накопленных ядерных отходов.
Насколько перспективна эта идея, пока не ясно.[4]2.3.3 Energy AmplifierEnergy Amplifier явился следствием перекрестного обогащения ускорительных технологийи технологий производства энергии в процессе деления ядер. Концептуальные особенностиЕА заключаются в 4-х основополагающих новациях:201. Подкритичность. В основе ЕА лежит подкритический ядерный реактор с коэффициентомразмножения нейтронов k =0.97...0.98. Этот фактор является гарантией полной безопасностиядерной энергетики и исключает возможность аварийной ситуации.2.
Недостаток нейтронов, необходимых для протекания цепной реакции, восполняется засчет нейтронов, рождаемых в процессе spallation-реакции на ядрах с большим массовымчислом (свинец, висмут), облучаемых пучком протонов, ускоренных до энергии (1...1.5 ГэВ).Изначальный энергетический спектр этих нейтронов очень жесткий.3.
Замедлителем нейтронов является свинец. Процесс замедления нейтронов протекаетадиабатически, путем их многократного рассеяния на ядрах свинца. Свинец в ЕА выполняетсразу несколько функций: рождение spallation-нейтронов, их замедление, перенос энергиипутем естественной конвекции, экранирование и поглощение излучений, вытекающих изактивной зоны. Наконец, он выполняет роль среды для помещения топливных элементов.4. Топливом ЕА могут служить различные варианты смесей делящихся материалов.Наиболее эффективными являются смеси моноизотопного тория с трансурановымиэлементами, наработанными в ядерных реакторах на медленных нейтронах, а также смеситория с 235U или 233U, военным плутонием.Кроме решения непосредственной задачи создания новых источников дешевой и в высшейстепени надежной ядерной энергии, работающих на доступном и практически неисчерпаемомтопливе (торий), электроядерные энергетические установки могут коренным образом решитьи другую труднейшую проблему ядерной энергетики – сжигание радиоактивных отходовядерного топлива.
Все они внедряются в ториевую матрицу топливных элементов и процессих сжигания сопровождается наработкой233U согласно цепочке реакций232Th + n →233Th→233Pa →233U. Последний может быть использован для «засева» новых циклов ЕА или вреакторах ВВЭР.Плутоний и другие трансураны за несколько циклов полностью сжигаются.
Этот процесссопровождается выделением большого количества энергии, 940 МВт·дней/кг ТРУ.Практически этот выход увеличивается за счет энергии осколков деления (несколькопроцентов) и реакции деления 233U, нарабатываемого из 232Th, достигая 1200 МВт·дней/кг. Изприведенной информации следует, что один ЕА с тепловой мощностью 1500 МВт,работающий на топливной смеси ТРУ – Th, будет нарабатывать за год тепловой энергии 547,5ГВт·дней, или при электрической мощности 625 МВт – около 6 млрд. кВт·часовэлектроэнергии в год. При этом будет уничтожаться 420 кг ТРУ.Главной целью работы ЕА в режиме сжигания отходов ядерного топлива являетсяустранение ТРУ, которые вносят решающий вклад в радиотоксичность после цикла работыВВЭР.
Однако в случае успешного выполнения этой операции остается несколько21долгоживущихрадионуклидов,которыевносятосновнойвкладвостаточнуюрадиотоксичность отходов, поэтому необходимо рассмотреть возможность их трансмутации.Если при сжигании ТРУ, которое осуществляется путем деления ядер, имеет место большойвыход дополнительной энергии, то в случае осколков деления при захвате нейтроновпроисходит их распад, трансформируя долгоживущий элемент в другой короткоживущий, азатем в стабильный элемент.
Этот метод требует высокой изотопной чистоты, иначе большоеколичество нейтронов будет захватываться другими, преимущественно стабильнымиизотопами, превращая их опять в активные. Радиотоксичность осколков деления с течениемвремени приведена на рис 6. Приведенное рассмотрение показывает, что приоритетнойтрансмутации подлежат99Тс иI. В результате их ликвидации объем захоронения долго129живущих отходов по классу А уменьшится в 37 раз (с 53971 до 1463 м3 в расчете на одинреактор).Как показано в главе 2.3.4 необходим более рациональный метод чем «прямое» сжиганиепри помощи ускорителя поэтому рассматривается возможность более рационального методатрансмутации в потоке «убегающих» нейтронов в Energy Amplifier, в режиме сжигания ТРУ.В одном ЕА в процессе их сжигания будет наработано 106.2 кг нейтронов.
Часть этого потокаможет быть взята на трансмутацию. Оптимальной для комплексного сжигания ТРУ идолгоживущих осколков деления является величина 0.106. Эта избыточная часть нейтроновбудет эффективно утилизирована для трансмутации долгоживущих осколков деления.Трансмутация долгоживущих осколков деления с помощью быстрых «убегающих» или«паразитных» нейтронов, может применяться прямо в ЕА. Общий вид топливной, активнойзоны ЕА приведен на рис.6. В объем 27 вносят 270 кг 99Тс в металлическом виде, располагаяего дисперсно в матрице свинца с относительной концентрацией 1.04× 10-3. В блоки 29 вносятдругие трансмутируемые элементы.
Отношение масс99Тс/(Th+ТРУ) = 0.843 т/10.178 т =0.0828. Блоки трансмутируемых технеция, йода и, возможно, селена должны располагаться вопределенном сочетании, так как сильный резонансный захват 99Тс имеет место при энергиинейтронов 5.6 эВ, которая существенно ниже резонанса других элементов. Поэтому должнабыть подобрана их геометрия таким образом, чтобы обеспечить оптимальные условиятрансмутации всех элементов.[10]22Рис. 6 Левый рисунок: Динамика радиотоксичности отходов ядерного топлива массой 2527 т (случай Испании)(обозначение в абсолютных единицах) (слева) и отнесенная к радиотоксичности сжигаемого угля дляполучения той же энергии (справа).Правый рисунок: Конфигурация активной зоны ЕА для трансмутации долгоживущих осколков деления. 20 стальной сосуд, наполненный жидким свинцом - 21, ионопровод пучка - 23, собственно топливные элементы- 22, окно выхода пучка - 24, spallation-область - 25, топливные стержни - 26, трансмутируемые отходы в блоках- 27, 29 - емкости с трансмутируемыми материалами: поперечное сечение (а);продольное сечение (б)2.4 Методы обработки эксплуатационных отходов АЭСВсе эксплуатационные радиоактивные отходы АЭС с момента их образованияпретерпевают целый ряд процедур обращения с целью исключения негативного воздействияна человека и окружающую среду на весь срок сохранения отходами потенциальнойопасности.
При работе АЭС в штатных режимах образуются жидкие, твердые и газообразныерадиоактивные отходы.Таблица 3. Виды отходов и методы их переработкиТвердыеВиды отходовСжигаемыеМетоды переработкиСжигание в печах23ПрессуемыеМеталлическиеНесжигаемые, непрессуемыеОрганические сжигаемыеОрганические несжигаемыеВодные малосолевыеВодные высокосолевыеЖидкиеГазообразныеПлазменное сжиганиеТермомеханическая переработкаСжигание при остекловыванииКислотное разложенииКомпактированиеПлавлениеКонтейнеризацииСжигание, совместное сжигание ствердыми отходами.Сорбция на порошках и включениев цементоподобную матрицу,термохимическая переработка.Очистка (концентрирование)выпаркой, химическим осаждением,сорбцией, селективной сорбцией,мембранным разделением.Цементирование.Очистка селективной сорбцией.Цементирование.Битумирование.Остекловывание.Улавливание сорбцией ихимическими реагентами.2.4.1 Обработка газообразных радиоактивных отходовГазообразные радиоактивные отходы образуются во всех эксплуатационных режимахработы АЭС, включая проектные аварии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
