Результаты трансмутации осколков деления в спектре нейтронов теплового и быстрого реакторов

21.06.2017 2017 - №02 Топливный цикл и радиоактивные отходы

Н.В. Иванов Ю.А. Казанский Г.В. Карпович

https://doi.org/10.26583/npe.2017.2.11

Радиоактивность выгруженного отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) из реактора в течение первых сотен лет определяется осколками деления (ОД), в дальнейшем основной вклад в активность ОЯТ формируется актинидами. Существующие сценарии обращения с ОЯТ основываются на трансмутации малых актинидов (МА) в осколки деления в быстрых реакторах. Рассмотрены сценарии трансмутации осколков деления в спектрах тепловых и быстрых нейтронов и радиационные характеристики в зависимости от времени. Нуклидный состав осколков деления взят из результатов моделирования выгорания сборки 439GT (тип ТВСА) для ВВЭР-1000 в течение трех лет на комплексе MCU-5. Полученные данные использовались для определения исходного состава нуклидов при разных выдержках перед началом трансмутации (облучения в потоках нейтронов) для программы ORIGEN2.

Приведены три варианта облучения осколков деления: трансмутация без выдержки, выдержка осколков деления четыре года перед облучением, выдержка 30 лет перед облучением. Длительность облучения выбрана равной трем и 15-ти годам. Эффективность трансмутации определялась с помощью зависящего от времени «коэффициента трансмутации», равного отношению радиоактивности нуклидов в процессе трансмутации и после ее окончания к их радиоактивности без трансмутации.

Рассчитанные коэффициенты трансмутации оказались заметными только во время облучения в реакторе: их значения достигали 5 – 10 и зависели только от длительности выдержки осколков деления перед началом трансмутации. После извлечения осколков деления из нейтронного потока коэффициент трансмутации в течение нескольких лет снижался до единицы. Еще через сотню лет после облучения в спектре нейтронов теплового реактора коэффициент трансмутации снижается до 0.8 – 0.5 в зависимости от длительности процесса трансмутации. После облучения в спектре нейтронов быстрого реактора в интервале 200 – 1000 лет наблюдается небольшой рост коэффициента трансмутации до значений 1.2 – 1.8 и затем после тысячи лет снижение до значений 0.9 – 0.7.

Основной вывод – специальное выжигание осколков деления не имеет смысла, поскольку незначительный выигрыш в радиоактивности (чуть менее чем в два раза) наступает через тысячу лет.

Индифферентность осколков деления к трансмутации частично можно объяснить долей стабильных нуклидов, которая увеличивается по мере длительности хранения осколков деления. После окончания цикла использования топлива в нем среди осколков деления есть примерно 15% стабильных нуклидов, а через тридцать лет выдержки количество стабильных изотопов достигает 85%.

Ссылки

1. Mukaiyama T., Gurji Y. Characteristics of minor actininides transmutation in minor actinide burner reactors and power reactor. First OECD/NEA Information Exchange Meeting on Actinide and Fission Product Portioning and Transmutation. – Mito City (Japan); November 6 – 8, 1990. – PP. 326-346.
2. Salvatores M. The physics of transmutation for radioactive waste minimisation. The Frederic Joliot summer school in reactor physics. Cadarache, France, August 1998.
3. Казанский Ю.А., Дудкин А.И., Клинов Д.А. Трансмутация: мода или необходимость? // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 1993. – №1. – С. 65-69.
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. Шмелев А.Н., Апсе В.А., Куликов Г.Г., Морин Д.В., Новиков А.Е. О трансмутации долгоживущих продуктов деления в ядерных установках. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 1994. – № 1. – С. 30-37.
6. Slessarev I., Salvatores M. The potential of nuclear transmutation: «neutron economics» of critical reactors and hybrids. Proc. of the International Conference on Evaluation of Emerging Nuclear Fuel Cycle Systems. – Versailles (France); September 11-14. – 1995. – Vol. 1. – PP. 482-488.
7. Krivitski I.Yu. Actinide and Fission Product Burning in Fast Reactors with a Moderator. Proc.of the Int. Conf. On Future Nucl. Syst. GLOBAL-99. – USA, Jackson Hole, Wyoming. Aug 29 – Sep 3 1999.
8. Казанский Ю.А., Клинов Д.А. Эффективность трансмутации осколков деления // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2000. – № 4. – С. 38-46.
9. Yang W.S., Kim Y., Hill R.N., Taiwo T.A. and Khalil H.S. Long-Lived Fission Product Transmutation Studies. // Nuclear Science and Engineering. – 2004. – Vol. 146. – PP. 291-318.
10. Kun Liu, Hongchun Wu, Liangzhi Cao, Youqi Zheng. Studies on LLFP transmutation in a pressurized water reactor. // Journal of Nuclear Science and Technology. – 2013. – Vol. 50. – No. 6. – PP. 581–598.
11. Гуревич М.И., Шкаровский Д.А. Расчет переноса нейтронов методом Монте-Карло по программе MCU. / Учеб. пособие. – М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – 154 с.
12. Lotsch T., Khalimonchuk V., Kurchin A. Proposal of a benchmark for core burnup calculations of a VVER-1000 reactor core. AER Symposium on VVER Reactor Physics and Reactor Safety. – Varna (Bulgaria); Oct 21 – 25 2009. – P. 57.
13. Croff A.G. A User’s Manual for the ORIGEN2 Computer Code. – Oak Ridge National Lab., TN (USA). July, 1980. – 196 p. Электронный ресурс: https://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_q=RN:11560149 (дата доступа 02.02.2017).

осколки деления трансмутация коэффициент трансмутации радиоактивность

Ссылка для цитирования статьи: Иванов Н.В., Казанский Ю.А., Карпович Г.В. Результаты трансмутации осколков деления в спектре нейтронов теплового и быстрого реакторов. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2017. – № 2. – С. 118-125. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2017.2.11 .