Три минорных аккорда: зачем на Белоярской АЭС дожигают самые вредные радиоизотопы

Как мы уже сообщали, 10 июля реактор БН-800 на энергоблоке № 4 Белоярской АЭС вышел на 100 % мощности после загрузки в него свежего уранплутониевого топлива. При этом впервые в активную зону поместили три тепловыделяющие сборки, содержащие минорные актиниды — наиболее радиотоксичные и долгоживущие компоненты. Сегодня рассказываем, в чем суть эксперимента и почему это событие войдет в историю атомной энергетики.

Что такое миноры и зачем их понадобилось сжигать в реакторе? Минорные актиниды, или, как часто говорят атомщики, миноры, — это долгоживущие радиоактивные изотопы америция, кюрия, нептуния. Они образуются в процессе работы любых атомных реакторов и содержатся в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ).

Именно миноры доставляют максимум не удобств при переработке ОЯТ, а также делают очень дорогим процесс его хранения в долгосрочной перспективе. Например, нептуний-237 имеет период полураспада более миллиона лет. Обеспечить его гарантированное и надежное контролируемое хранение в течение такого длительного срока практически невозможно.

На данный момент в России накоплено более 25 т минорных актинидов, по прогнозным оценкам, к 2100 году их объемы могут увеличиться до 190 т. И это только в нашей стране, а всего в мире эксплуатируется более 400 атомных энергоблоков.

Принятая в России политика по обращению с ОЯТ заключается в том, что отработавшее топливо должно быть не бременем для будущих поколений, а ценным источником, например, для производства компонентов ядерного топлива или радиоактивных изотопов для использования в медицине и сельском хозяйстве. Это возможно только при сокращении объемов минорных актинидов, содержащихся в ОЯТ.

Почему для эксперимента выбран реактор БН-800 Белоярской АЭС?

Сейчас только БН-800 способен перевести долгоживущие радиоактивные вещества в короткоживущие или стабильные. Под воздействием быстрых нейтронов минорные актиниды поделятся на осколки или перейдут в другие изотопы (произойдет так называемая трансмутация), их радиационная активность будет гораздо ниже, а период полураспада составит около 300 лет. По сравнению с исходными цифрами — результат поразительный, это примерно в 2300 раз быстрее.

«Обязательными условиями утилизации минорных актинидов является большая энергия и плотность нейтронного потока, избыточное количество нейтронов. Эти требования промышленным образом могут выполнить только реакторы на быстрых нейтронах, — поясняет начальник ядернофизической лаборатории Белоярской АЭС Евгений Ляпин. — Сейчас единственными построенными и имеющими опыт эксплуатации являются быстрые реакторы с натриевым теплоносителем Белоярской АЭС, где самый мощный — БН-800. Инфраструктура по обращению с тепловыделяющими сборками (ТВС) на БН-800 изначально спроектирована для обращения с уранплутониевым МОКС-топливом, которое намного активнее уранового. Количество избыточных нейтронов в тепловых реакторах намного меньше, чем в быстрых, их энергия меньше. И если мы все же добавим минорные актиниды в ТВС для тепловых реакторов типа ВВЭР или РБМК, это существенно скажется на технико-экономических параметрах эксплуатации. Потребуется вводить большее обогащение топлива, соответственно, повышать температуру, а там высока вероятность появления кризисов теплоотдачи — резкого повышения температуры оболочек тепловыделяющих элементов. И даже все это будет напрасно, количество минорных актинидов будет увеличиваться».

Сжигать лучше все и сразу или по чуть-чуть?

Технология МОКС-топлива, в том числе с минорными актинидами, разработана учеными топливного дивизиона «Росатома». Для изготовления МОКС-ТВС с минорными актинидами на Горно-химическом комбинате (ГХК) были верифицированы и валидированы 38 методик аналитического контроля МОКС-топлива. Для начала опытно-промышленной эксплуатации были изготовлены и в конце 2023 года про шли приемку на ГХК три экспериментальных МОКС-ТВС с добавлением нескольких процентов америция-241 и нептуния-237. При его фабрикации сотрудникам требуется дополнительная защита от излучения, поэтому актуальна задача со временем создать полностью роботизированное производство.

А теперь представьте, как тяжело сделать топливную сборку, состоящую полностью из минорных актинидов. Понадобится серьезная биологическая защита, а обосновать установку подобной мишени в реактор еще сложнее: в активной зоне будут высокие температуры при облучении, а сама сборка будет иметь настолько большую радиоактивность, что воздействие на персонал было бы недопустимым.

Что будет дальше?

Экспериментальные сборки пройдут опытно-промышленную эксплуатацию в реакторе БН-800 в течение трех микрокампаний, это примерно полтора года.

«Энергоблок № 4 уже работает на МОКС-топливе, а топливо с минорными актинидами такого же качества, поэтому изменений не потребуется. Никакого негативного влияния на население, окружающую среду, выработку электроэнергии также не будет», — подчеркивает директор Белоярской АЭС Иван Сидоров.

Следующим этапом будет облучение экспериментальных тепловыделяющих сборок со СНУП-топливом (смешанное нитридное уранплутониевое топливо) и минорными актинидами для будущего энергоблока № 5 с реактором БН-1200М. Именно на этих новых бридерах (реакторыразмножители) начнется дожигание минорных актинидов в промышленных масштабах: каждый БН-1200М за 60 лет работы сможет утилизировать по 3,8 т этих элементов. Тепловыделяющие сборки, содержащие СНУП-топливо и минорные актиниды, изготовят на Сибирском химкомбинате в Северске. Послереакторные исследования сборок проведет Научно-исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР) в Димитровграде.

Могут ли миноры приносить пользу?

Да. Например, в НИИАР из кюрия получают калифорний, который используют в медицинских целях. Калифорний-252, наработанный там же из кюрия, использовался как пусковой источник нейтронов на реакторе БН-800. Америций — элемент, обладающий критической массой. В перспективе его использование возможно в радиоизотопных источниках электроэнергии (РИТЭГ) для дальних космических полетов.

Сейчас в РИТЭГах используют плутоний-238. Нептуний является основным источником получения плутония-238, широко применяемого в космической технике и оборонной промышленности как источник энергии на борту космического аппарата, для наземных навигационных буев, в медицинском оборудовании. Но весь наработанный на сегодня объем миноров в реакторах невозможно использовать для этих целей, так много просто не надо.