Результаты трансмутации малых актинидов в спектре нейтронов реакторов на тепловых и быстрых нейтронах

28.03.2016 2016 - №02 Топливный цикл и радиоактивные отходы

Ю.А. Казанский Н.В. Иванов М.И. Романов

https://doi.org/10.26583/npe.2016.2.08

Существует множество сценариев обращения с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ) для снижения его радиоактивности, которая, в основном, через несколько сотен лет после выгрузки из реактора определяется малыми актинидами (МА). Один из них при замкнутом топливном цикле и воспроизводстве делящихся ядер – трансмутация МА в осколки деления в специализированных или энергетических ядерных реакторах. Рассмотрены радиационные характеристики, зависящие от времени, после облучения МА в типичных спектрах нейтронов для теплового и быстрого реакторов. Время облучения было выбрано равным 25-ти годам. За это время глубина выгорания загруженных нуклидов в спектре теплового реактора составляла ~ 95%, а в спектре быстрого реактора ~ 75%. Эффективность трансмутации определялась с помощью зависящего от времени «коэффициента трансмутации», который определен как отношение радиоактивности или биологической опасности по воздуху (по воде) во время и после трансмутации изотопа (изотопов) к его радиоактивности или соответствующей биологической опасности без трансмутации. Это положительное число в интервале от нуля до бесконечности. Чем меньше значение коэффициента трансмутации, тем больше эффективность процесса трансмутации.

Расчеты показали, что коэффициенты трансмутации при выжигании МА в тепловом реакторе (при одинаковом времени облучения в тепловом и быстром реакторах) имеют заметные преимущества перед коэффициентами трансмутации при выжигании в быстрых реакторах. Существенно, что в тепловом реакторе глубина выгорания МА на уровне 95% достигается за время на 40 – 60% меньшее, чем в реакторе на быстрых нейтронах. Проанализированы результаты трансмутации. Существенный выигрыш в радиоактивности может быть получен для америция и кюрия после окончания 25-летнего облучения через десятки лет. Выигрыш в случае облучения нептуния может быть получен через десятки и сотни тысяч лет (в зависимости от времени облучения).

Показано, что коэффициент трансмутации по амплитуде и во времени зависит от выбранного критерия радиоактивности (радиоактивность, биологическая эффективность по допустимым концентрациям в воздухе и в воде). В частности, коэффициенты трансмутации на основе биологической опасности нуклидов в воздухе могут существенно отличаться от коэффициентов трансмутации по радиоактивности. Коэффициент трансмутации на основе биологической опасности в воздухе в первую тысячу лет оказывается в 10 раз меньше аналогичного коэффициента на основе радиоактивности. В то же время коэффициенты трансмутации по биологической опасности нуклидов в воде несущественно отличаются от коэффициентов трансмутации по радиоактивности.

Ссылки

1. Лейпунский А.И., Орлов В.В., Лыткин В.Б., Троянов М.Ф., Юрова Л.Н. Пути эффективного использования горючего в ядерной энергетике с быстрыми реакторами.// Атомная энергия. – 1971. – Т. 31. – Вып. 4. – С. 241.
2. Use of Fast Reactors for Actinide Transmutation. Proceedings of a Specialists Meeting held in Obninsk, Russian Federation, 22-24 September 1992. IAEA-TECDOC-693. IAEA, 1993.
3. Matveev V.I., Ivanov A.P., Efimenko E.M. Concept of Specialized Fast Reactor for Minor Actinide Burning. In [2], p.114.
4. Гай Е.В., Игнатюк А.В., Работнов Н.С., Шубин Ю.Н. Концепция обращения с долгоживущими ядерными отходами. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 1994. – №1. – С. 17-21.
5. Хорасанов Г.Л., Блохин А.И., Синицина В.В. Выжигание трансурановых элементов в жестком спектре нейтронов. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2000. – №3. – С.76-81.
6. Ганев И.Х., Лопаткин А.В., Орлов В.В. Гетерогенная трансмутация Am, Cm, Np в активной зоне реактора типа БРЕСТ. // Атомная энергия. – 2000. – Т. 89, вып. 5. – С. 362-365.
7. Tommasi J. Heterogeneous Recycling of Americium in Thermal and Fast Reactors. Int. Conf. on Future Nuclear Systems GLOBAL*97. 5-10 Oct. 1997. Yokohama (Japan).
8. Krivitski I.Yu. Actinide and Fission Produuct Burning in Fast Reactors with a Moderator”. Proc.of the Int. Conf. On Future Nucl. Syst. GLOBAL*99. USA, Aug.29 – Sept.3, 1999.
9. NEA, Potential Benefits and Impacts of Advanced Nuclear Fuel Cycles with Actinide Partitioning and Transmutation, OECD, Paris, France, 2011.
10. Andrianov A.A, Dogov A.A, Korovin Y.A, Kuptcov I.S. The approach to determining the optimal strategy for the nuclear transmutation // Nuclear Physics and Engineering, TE 5. – 2014. – № 2. – P. 122.
11. Status of minor actinide fuel development. – Vienna: International Atomic Energy Agency, 2009.
12. Бергельсон Б.Р., Белоног В.В., Герасимов А.С., Тихомиров Г.В. Утилизация Am, Cm, Np в энергетическом ядерном реакторе. // Атомная энергия. – 2009. – Т. 107, вып. 2. – С. 79-86.
13. Казанский Ю.А., Романов М.И. Трансмутация малых актинидов в спектре нейтронов реактора на тепловых нейтронах. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2014. – №2. – С. 140-146.
14. Nuclear Energy Agency, No. 6997, «Minor Actinide Burning in Thermal Reactors», OECD, 2013.
15. Казанский Ю.А., Клинов Д.А. Эффективность трансмутации осколков деления // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2000. – №4. – С. 38-46.
16. Нормы радиационной безопасности (НРБ 99/2009).
17. Croff A.G. A User’s Manual for the ORIGEN2 Computer Code. July, 1980.
18. Колобашкин В.М., Рубцов П.М., Ружанский П.А., Сидоренко В.Д. Радиационные характеристики облученного топлива. Справочник. – М.: Энергоатомиздат. 1983.
19. Nuclear Energy Agency, TECDOC-866, «Fast Reactor Database». IAEA. Vienna. 1996.

трансмутация малые актиниды отработавшее топливо радиоактивность биологическая опасность

Ссылка для цитирования статьи: Казанский Ю.А., Иванов Н.В., Романов М.И. Результаты трансмутации малых актинидов в спектре нейтронов реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2016. – № 2. – С. 77-86. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2016.2.08 .