Использование минорных актинидов в качестве выгорающих поглотителей в ядерных реакторах на тепловых нейтронах

25.03.2025 2025 - №01 Моделирование процессов в объектах ядерной энергетики

В.В. Колесов В.В. Коробейников К.А. Исанов

https://doi.org/10.26583/npe.2025.1.10

В настоящее время наибольшее распространение получили реакторные установки типа ВВЭР. Стратегия развития ядерной энергетики России базируется на переходе к двухкомпонентной системе ядерной энергетики, в состав которой входят и реакторы на быстрых нейтронах. Однако еще долгое время ядерная энергетика будет базироваться на тепловых реакторах типа ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200. Важным в настоящее время является усовершенствование реакторов данного типа в направлении повышения глубины выгорания ядерного топлива, которая обеспечивается длительными топливными циклами и удлинением кампании реактора. Одной из проблем ядерной энергетики является наработка и накопление минорных актинидов в отработавшем ядерном топливе. Особое взимание к минорным актинидам связано с их высокой радиоактивностью и длительными периодами полураспада, составляющими сотни и даже миллионы лет. В настоящее время пока нет определенного подхода к их обращению – нельзя их просто захоранивать в связи с очень длительным временем сокращения их радиоактивности. Предполагается, что наиболее подходящим решением для их обезвреживания является выжигание и трансмутация в ядерных реакторах. В этом случае возможно снижение их количества и, следовательно, радиоактивности отходов перед окончательным захоронением. Конечно, при этом часть нейтронов, полезных для производства энергии, уйдет на ядерные превращения вредных минорных актинидов в менее вредные. Исследованы возможности применения минорных актинидов в качестве выгорающих поглотителей в реакторах на тепловых нейтронах. Это позволит повысить эффективность работы реактора вместо ее снижения при их рутинном выжигании. В основном для исследований применялись Am и Np с разнообразными нуклидными составами. Проведено сравнение видов ядерного топлива по эффективности использования минорных актинидов в качестве выгорающих поглотителей и их выжигания.

Ссылки

1. Bergelson B., Gerasimov A., Zaritskaya T., Kiselev G., Volovik A. Decay heat power and radiotoxicity of spent uranium, plutonium and thorium fuel at long-term storage. 18th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT18), Beijing, China, August 7–12, 2005. SMiRT18-W02-2.
2. Salvatores M., Slessarev I., Uematsu M. A Global Physics Approach to Transmutation of Radioactive Nuclei. Nuclear Science and Engineering. 1994;116(1):1–18. DOI: https://doi.org/10.13182/NSE94-A21476
3. Japan Atomic Energy Agency – Nuclear Data Center. Japanese standard library for fast breeder reactors, thermal reactors, fusion neutronics and shielding calculations, and other applications (JENDL-4.0). JAEA-NDC, 2010. URL: https://wwwndc.jaea.go.jp/jendl/j40/j40.html (дата обращения 20.07.2024).
4. OECD NEA. French R&D on the Partitioning and Transmutation of Long-lived Radionuclides: An International Peer Review of the 2005 CEA Report. Papers: OECD Publishing, 2006. ISBN 92-64-02296-1.
5. Oak Ridge National Laboratory. Preliminary Multicycle Transuranic Actinide Partitioning-Transmutation Studies. 2007, ORNL/TM-2007/24. URL: https://www.academia.edu/50125953/Preliminary_Multicycle_Transuranic_Actinide_Partitioning_Transmutation_Studies?hb-sb-sw=54457475 (дата обращения 20.07.2024).
6. Takaki N. Neutronic potential of water cooled reactor with actinide closed fuel cycle. Progress in Nuclear Energy. 2000;37(1-4):223–228. DOI: https://doi.org/10.1016/S0149-1970(00)00050-0
7. Захаров А.С., Коноплев К.А., Косолапов И.М., Онегин М.С., Полтавский А.С., Смольский С.Л., Фридман С.Р. Выгорающий поглотитель для модернизированных ТВС реактора ПИК.В сб. «IV Международная научно-техническая конференция «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики» 27–30 сентября 2016 г.». М.: АО «НИКИЭТ», 2016, т. 1, с. 338–349.
8. Самойлов О.Б., Алексеев В.И., Галицких В.Ю. Анализ эффективности расширенного применения борного выгорающего поглотителя в активных зонах транспортных реакторов. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. 2014;3:90–95.
9. Колесов В.В., Коробейников В.В., Исанов К.А. Эффективность использования минорных актинидов в качестве выгорающих поглотителей в ядерных реакторах с разными спектрами. Препринт ФЭИ-3308. Обнинск: АО «ГНЦ РФ – ФЭИ», 2024, 39 с. ISBN 978-5-907108-37-0.
10. Matveev V.I., Ivanov A.P., Efimenko E.M. Concept of Specialized Fast Reactor for Minor Actinide Burning. Proceedings of a Specialists Meeting held in Obninsk. Russian Federation. 22–24 September 1992. IAEA-TECDOC-693. IAEA, 1993, 114 p.
11. Ганев И.Х., Лопаткин А.В. Орлов В.В. Гетерогенная трансмутация Am, Cm, Np в активной зоне реактора типа БРЕСТ. Атомная энергия. 2000;89(5):362–365. URL: https://j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/view/3104 (дата обращения 20.07.2024).
12. Коробейников В.В, Колесов В.В., Терехова А.М., Каражелевская Ю.Е. Исследования возможности выжигания и трансмутации Am-241 в реакторе с америциевым топливом. Препринт ФЭИ-3284. Обнинск, АО «ГНЦ РФ – ФЭИ», 2018, 14 с. ISBN 978-5-907108-08-0.
13. Косякин Д.А., Коробейников В.В., Стогов В.Ю. Исследование зависимости эффективности трансмутации Am-241 от энергетической структуры плотности нейтронного потока. Препринт ФЭИ-3294. Обнинск, АО «ГНЦ РФ – ФЭИ», 2021, 32 c. ISBN 978-5-907108-30-1.
14. Коробейников В.В, Колесов В.В., Игнатьев И.А. Расчетное моделирование выжигания минорных актинидов в реакторе на быстрых нейтронах с топливом без урана и плутония. Препринт ФЭИ-3299. Обнинск, АО «ГНЦ РФ – ФЭИ», 2022, 32 с. ISBN 978-5-907108-37-0.
15. Коробейников В.В., Колесов В.В., Терехова А.М., Каражелевская Ю.Е. Исследование возможности выжигания минорных актинидов в быстром реакторе с металлическим топливом на основе только минорных актинидов. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. 2020;1:59–68. DOI: https://doi.org/10.55176/2414-1038-2020-1-59-68
16. Leppanen J. Serpent – a Continious-energy Monte-Carlo Reactor Physics Burnup Calculation Code. Helsinki, VTT Technical Research Centre of Finland, 2015, 164 p. URL: https://serpent.vtt.fi/serpent/download/ (дата обращения 20.07.2024).

трансмутация выжигание минорных актинидов отработавшее топливо радиоактивность биологическая опасность хранение отработавшего топлива спектр нейтронов гетерогенность

Ссылка для цитирования статьи: Колесов В.В., Коробейников В.В., Исанов К.А. Использование минорных актинидов в качестве выгорающих поглотителей в ядерных реакторах на тепловых нейтронах. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2025. – № 1. – С. 141-151. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2025.1.10 .