6.4 Смешанные виды ядерного топлива.
6.4.1 Смешанное уран-плутониевое оксидное топливо (мокс)
МОХ - топливо (англ. Mixed-Oxide fuel) – смешанное ядерное топливо, содержащее оксиды делящихся материалов, в основном, урана и плутония. MOX может применяться как дополнительное топливо для наиболее распространённого типа ядерных реакторов: легководных на тепловых нейтронах. Однако более эффективно MOX топливо использовать в реакторах на быстрых нейтронах.
Плутоний для МОХ-топлива получают путём переработки ОЯТ энергетических реакторов. В облученном ядерном топливе смесь изотопов плутония составляет около 1% от массы облучённого ядерного топлива. Приблизительное изотопное соотношение: Pu-239 52%, Pu-240 24%, Pu-241 15%, Pu-242 6%, Pu-238 2%. Все они либо делящиеся материалы, либо могут быть превращены в делящиеся в процессе трансмутации в составе ядерного топлива. К недостаткам его использования относится нестабильное состояние состава топлива, что приводит к более жестким требованиям к режимам охлаждения и регулирования реактора.
Использование выделенного плутония в виде MOX-топлива в тепловых реакторах позволяет снизить необходимость в уране на величину до 30%. Содержание оксида плутония в MOX составляет от 1,5 до 25-30 весовых %.
Плутоний должен быть введен в технологический цикл по изготовлению МОКС-топлива на специальном заводе, который часто интегрируется с перерабатывающим предприятием. Выход продукции перерабатывающего предприятия строго скоординирован с загрузкой мощностей завода по изготовлению МОКС-топлива. Это делается для того чтобы избежать создания неиспользуемых запасов плутония. Если плутоний хранится в течение нескольких лет, то увеличивающийся в нем уровень содержания изотопа Америция-241, создаст трудности при производстве МОКС-топлива из-за повышения уровня гамма излучения. Предприятия по изготовлению МОКС-топлива имеются во Франции, Бельгии, Великобритании и Японии. Суммарный объем производства МОКС-топлива невелик и составляет около 400 тонн в год. На рис.6.8 представлена схема производства МОКС-топлива.
Рис.6.8 . Схема производства и использования МОКС-топлива.
К проблемам использования МОКС-топлива на действующих АЭС с реакторами типа ВВЭР-1000 нужно отнести следующие: Ни один из реакторов на тепловых нейтронах не проектировался с учетом возможности использования такого топлива. Изотопы плутония отличаются по своим ядерным свойствам от изотопов урана. Эти различия приводят к следующим последствиям для безопасности реактора, работающего на МОКС-топливе: - уменьшению поглотительной способности управляющих стержней. Это происходит из-за того, что МОКС-топливо сравнительно хорошо поглощает нейтроны низких энергий, поэтому средняя энергия нейтронов оказывается выше, а управляющие стержни поглощают быстрые нейтроны хуже, чем медленные. По той же причине падает поглотительная способность бора, добавленного в теплоноситель. Из-за этого оказывается недопустимым размещать топливные сборки с МОКС-топливом в непосредственной близости от управляющих стрежней; - использование МОКС-топлива в PWR вносит различные важные для безопасности физико-нейтронные изменения, которые значительно влияют на поведение активной зоны в рабочем и аварийном режиме. В связи с тем, что при использовании МОКС-топлива доля запаздывающих нейтронов меньше и значения коэффициентов реактивности менее благоприятны, события, ведущие к возрастанию реактивности, рассматриваются как более серьезные для реактора на МОКС-топливе, чем для реактора с обычным UO2 топливом. Кроме этого, сама технологии изготовления МОКС-топлива для реакторов не тепловых нейтронах не является хорошо отработанной. Производство и использование МОКС-топлива налажено для АЭС Западной Европы.