МОКСимальный эффект

В ближайшие десятилетия мир ждет дефицит урана, а до конца века его ресурсы и вовсе могут быть исчерпаны, прогнозируют эксперты. Но есть другой путь развития атомной энергетики: «Росатом» сегодня активно реализует стратегию перехода к экономике замкнутого цикла, внедряя повторное использование сырья. Одно из ключевых решений — МОКС-топливо. Скоро будет три года, как на нем стабильно работает реактор БН-800 на Белоярской АЭС.

Не отходы, а ценный ресурс

В природном уране содержится менее 1% изотопа U-235, который используют реакторы на тепловых нейтронах. Остальное — непригодный для них изотоп U-238 («урановые хвосты»), который после процесса обогащения отправляют в хранилища. В отработавшем ядерном топливе (ОЯТ) остается и большое количество плутония. Но вместо того, чтобы хранить ОЯТ как отходы, их можно снова использовать. Тогда имеющихся запасов урана хватит для работы атомных станций в течение десятков тысяч лет.

В МОКС-топливе (от англ. mixed oxide, «смешанное оксидное») вместо обогащенного урана используется смесь оксидов: плутония и обедненного урана. Плутоний извлекают из ОЯТ, а обедненный уран — из тех самых «урановых хвостов» обогатительного производства, гексафторида урана-238. То есть МОКС-топливо — один из способов вернуть в игру уже использованные ядерные материалы.

Работа на быстрых

Реактор БН-800 на Белоярской АЭС сразу проектировали под инновационное топливо, но загружали постепенно. В 2014 году большую часть стартовой загрузки составляло обычное оксидное урановое топливо, МОКС-топлива было всего 16 %. Его изготовили на опытных производствах «Маяка» и института «Росатома» в Димитровграде.

Сегодня серийное МОКС-топливо для БН‑800 выпускает красноярский Горно-химический комбинат (ГХК). Для таблеток используются обедненный уран и высокофоновый плутоний, извлеченный из облученного топлива тепловых реакторов. Первые 18 тепловыделяющих сборок с МОКС-топливом промышленной серии производства ГХК загрузили в реактор в начале 2020 года. Американский журнал Power, одно из старейших профессиональных изданий, назвал это событие в числе главных в мировой энергетике. Через год загрузили еще 160 тепловыделяющих сборок и с того времени при всех последующих перегрузках использовали только инновационное топливо. Осенью 2023 года активная зона БН-800 достигла полной загрузки уранплутониевым топливом.

Теперь, когда надежная и безопасная работа на МОКС-топливе доказана, создается серийный энергоблок с быстрым реактором следующего поколения — БН-1200М. Головной энергоблок этой серии построят на Белоярской АЭС. Реакторы БН-1200М позволят в промышленных масштабах повторно использовать ОЯТ других АЭС, вовлечь в полезный производственный цикл неиспользуемый сегодня изотоп урана U-238, а также минимизировать радиоактивные отходы путем дожигания наиболее долгоживущих изотопов (так называемых минорных актинидов: америция, нептуния и др.) из ОЯТ других реакторов. Подробнее о минорах читайте здесь. 

Курс на ВВЭР

Сегодня МОКС-топливо планируют адаптировать для легководных реакторов ВВЭР, чтобы и их вовлечь в замыкание ядерного топливного цикла. Такую возможность ученые исследуют в институте «Росатома» в Димитровграде, испытания проводят в исследовательском реакторе МИР.М1. Программа рассчитана на шесть циклов, поведение твэлов исследуют при номинальных параметрах работы, а также в режимах нарушения нормальной эксплуатации и проектных аварий.

ВВЭР-С (со спектральным регулированием, его намерены построить на Кольской АЭС‑2) должен стать первым в мире легководным реактором, который сможет работать с полной загрузкой МОКС-топливом. По оценкам экспертов, это сэкономит порядка 50% природного урана.

В апреле этого года российские атомщики впервые совместили технологии замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ) и толерантного топлива. В реактор ВВЭР-1000 на Балаковской АЭС загрузили три кассеты с твэлами в оболочках с хромовым покрытием, часть которых содержит МОКС-топливо.

Еще один продвинутый топливный продукт, предназначенный для реакторов ВВЭР, — РЕМИКС-топливо (от англ. regenerated mixture, «регенерированная смесь»). По сравнению с МОКС-топливом, в нем меньше плутония и уран обогащенный, а не обедненный.

Картина мира

Первым только на МОКС-топливе в 1973 году заработал французский реактор «Феникс». Из-за ​внезапного резкого падения реактивности он был остановлен, потом пущен, потом снова остановлен и окончательно заглушен в феврале 2010-го. Сейчас МОКС-топливо используют во французских реакторах на тепловых нейтронах, но его доля не превышает трети активной зоны.

Китай, напротив, делает ставку на развитие технологии. В 2011 году там запустили экспериментальный реактор CEFR, а в 2017-м начали строить CFR-600 — флагманский проект КНР в области быстрой атомной энергетики.

В Японии развитие быстрых реакторов фактически остановилось после аварий на АЭС «Мондзю». Через четыре месяца после пуска произошла крупная утечка натрия. Потом 15 лет ремонта, перезапуск и еще одна авария. Сейчас страна использует МОКС-топливо только в тепловых реакторах, закупая его во Франции.

США от масштабных программ по МОКС-топливу отказались в 2018 году: проект завода оказался слишком сложным и дорогим. А в Великобритании завод построили в 1997 году, но он так и не вышел на проектную мощность. В 2011 году приняли решение о его останове.