Результат интеллектуальной деятельности: РЕМИКС - ТОПЛИВО ЯДЕРНО-ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА

Изобретение относится к области ядерных технологий, в частности к оксидному уран-плутониевому ядерному топливу АЭС с реакторами на тепловых нейтронах.

В настоящее время в России накоплено около 22,5 тысяч тонн отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и ежегодно из реакторов выгружается дополнительно 650-700 тонн ОЯТ. Стратегия обращения с ОЯТ предусматривает два варианта: переработка ОЯТ с рециклированием урана и плутония и кондиционированием радиоактивных отходов (РАО) или прямое захоронение ОЯТ в геологических формациях.

Наиболее эффективным способом обращения с ОЯТ является его вовлечение в замкнутый ядерно-топливный цикл (ЯТЦ) с переработкой и возвратом в топливный цикл (рециклом) содержащихся в ОЯТ делящихся материалов (урана и плутония). Замкнутый ядерно-топливный цикл может быть реализован как с использованием ректоров на быстрых нейтронах, так и тепловых. Топливом для быстрых реакторов (МОКС-топливо) в данном случае выступает оксидное уран-плутониевое топливо, изготавливаемое из обедненного отвального урана и регенерированного из ОЯТ плутония.

Замкнутый ЯТЦ с ректорами на тепловых нейтронах может быть реализован при использовании в качестве топлива АЭС РЕМИКС-топлива, включающего выделенные из ОЯТ уран и плутоний, с обогащением части регенерированного урана и добавлением обогащенного природного урана для обеспечения равного энергетического потенциала топливу из обогащенного природного урана (для реакторов типа ВВЭР).

Известна топливная композиция для водоохлаждаемых реакторов АЭС на тепловых нейтронах [патент RU 2537013, опубл. 27.12.2014] типа РЕМИКС, выбранная в качестве прототипа и включающая смесь регенерированного плутония и обогащенного урана в виде оксидов. В качестве обогащенного урана используется обогащенный регенерированный уран при соотношении компонентов,, определяемом энергетическим потенциалом, равным потенциалу свежеприготовленного топлива АЭС из обогащенного природного урана, обеспечивающего 100% загрузку активной зоны реактора.

В частности для реактора ВВЭР-1000 при стандартном выгорании ОЯТ в 50 ГВт*сут/т композиция содержит регенерированный плутоний в концентрациях до 5,25% плутония и от 4,2 до 3,5% U-235 в смеси с другими его изотопами, соответственно, при обеспечении равного энергетического потенциала со свежим топливом из природного урана с обогащением 4,33% U-235. Композиция может содержать регенерированный плутоний и часть регенерированного совместно с ним урана без обогащения.

Облучение известной топливной композиции ведут в режиме максимального выгорания в специально выделенных для этого серийных реакторах при повышенном числе перегрузок с тем, чтобы уран из такого ОЯТ (или все ОЯТ целиком) по количеству изотопа U-235 уже не представлял интереса в плане циклирования в замкнутом ЯТЦ.

Получение известной композиции осуществляют после переработки ОЯТ АЭС с помощью Пурекс-процесса в варианте получения реэкстракта плутония в смеси с частью регенерированного урана, полученный на последующей стадии реэкстракт урана подвергают упариванию и денитрации, оксид урана фторируют и полученный гексафторид урана обогащают по U-235 до его содержания 5-6%. Продукт дефторируют, а оксид растворяют в указанном выше реэкстракте с достижением расчетного изотопного состава. Смешанный продукт подвергают денитрации, из полученного твердого раствора смеси оксидов урана и плутония изготавливают топливные таблетки, а затем и тепловыделяющие сборки (ТВС). К обогащенному регенерированному урану может быть добавлена для регулировки энергетического потенциала небольшая часть (до 10%) обогащенного природного урана.

К недостаткам известной топливной композиции следует отнести необходимость задействования отдельных технологических линий для обогащения регенерированного урана, используемого в качестве одного из компонентов топливной композиции.

Задачей данного изобретения является разработка топливной композиции типа РЕМИКС энергетическим потенциалом, равным потенциалу свежеприготовленного топлива АЭС из обогащенного природного урана с обеспечением 100%-ной загрузки активной зоны теплового реактора.

Техническим результатом изобретения является разработка состава топливной композиции типа РЕМИКС, позволяющего вовлекать в ЯТЦ регенерированные из ОЯТ ядерные делящиеся материалы с одновременным использованием обогащенного природного урана, а также обеспечивающего при этом решение задач по утилизации отдельно выделенного ранее плутония (в том числе оружейного), снижению количества ОЯТ с рециклированием делящихся материалов из ОЯТ в течение срока эксплуатации ядерного реактора (до 5 рециклов), экономии природного урана для фабрикации топлива, и, как следствие, обеспечению самодостаточности ЯТЦ.

Для достижения указанного технического РЕМИКС-топливо ядерно-топливного цикла включает смесь регенерированного плутония и обогащенного урана в виде оксидов с обеспечением равного энергетического потенциала топливу из обогащенного природного урана и возможности 100% загрузки активной зоны реактора на тепловых нейтронах, при этом для обеспечения равного энергетического потенциала топливу из обогащенного природного урана РЕМИКС-топливо содержит плутоний, полученный при переработке ОЯТ реакторов типа ВВЭР, в количестве 1-2% масс, с содержанием изотопа Рu-239 более 51%, обогащенный природный уран в количестве 17-19% масс, с содержанием изотопа U-235 19,75%, регенерированный уран, полученный при переработке ОЯТ реакторов типа ВВЭР, в количестве более 80% масс.

Указанное содержание в РЕМИКС-топливе регенерированных урана и плутония позволяет использовать РЕМИКС-топливо для решения всего спектра задач, которые могут быть поставлены перед замкнутым ЯТЦ с учетом количества реакторов, доступности природного урана, количества накопленного ОЯТ.

Исходные регенерированные плутоний и уран для РЕМИКС-топлива могут представлять собой как раздельно полученные продукты, так и представлять собой неразделенную смесь урана и плутония, выделенные в ходе переработки ОЯТ.

Неразделенная смесь урана и плутония может быть получена в результате радиохимической (упрощенный Пурекс-процесс) переработки ОЯТ реакторов типа ВВЭР в Опытно-Демонстрационном Центре (ОДЦ) ФГУП «Горнохимический комбинат» (ФГУП «ГХК»). Обогащение части природного урана, как и фабрикация таблеток ядерного топлива, изготовление тепловыделяющих элементов и производство тепловыделяющих сборок (ТВС) осуществляются по известной технологии.

Облучение ТВС ведут в серийных реакторах типа ВВЭР (с выгоранием более 50 ГВт*сут/т).

Содержание плутония в количестве 1-2% масс, в составе топливной композиции РЕМИКС-топлива позволяет с учетом незначительных доработок (в части радиационной защиты персонала) максимально эффективно использовать технологические линии фабрикации ядерного топлива для АЭС из обогащенного природного урана для изготовления РЕМИКС-топлива.