Замкнутый ядерный топливный цикл в разных странах

Разные страны придерживаются разных национальных программ, предусматривающих либо переработку ОЯТ, либо захоронение, либо «отложенное решение», то есть длительное хранение отработанных твэлов.

Из 34 стран в настоящее время лишь 5 государств (Индия, Япония, Англия, Россия, Франция) перерабатывают отработанное ядерное топливо на своих предприятиях. Большинство стран, включая Канаду, Финляндию, ФРГ, Италию, Нидерланды, Швецию, Швейцарию, Испанию, США и КНР, либо хранят ОЯТ, либо передают ОЯТ на переработку другим странам.

В России на радиохимическом заводе РТ-1 (комбинат «Маяк») перерабатываются следующие виды отработанного ядерного топлива:

- ТВС, отработавшие свой ресурс в энергетических реакторах типа ВВЭР-440, БН-350, БН-600 или в транспортных ядерных установках;

- твэлы промышленных реакторов, содержащие уран, обогащенный на 90% изотопом ²³⁵U;

- ядерное топливо промышленных реакторов в виде ТВЭЛов (блоков) на основе металлического урана природного обогащения, предназначенное для наработки плутония.

ОЯТ реакторов ВВЭР-1000 и РБМК любого типа (т.е. основных реакторов энергетики России) не перерабатываются (технические это возможно, но экономически не целесообразно) и хранятся на территории завода РТ-1, а также в новом хранилище на строящемся заводе РТ-2 (Железногорск).

Единственный в России завод по переработке отработанного ядерного топлива РТ-1 (рисунок 6) действует на территории комплекса, ранее производившего оружейный плутоний (Челябинск-65, Озёрск). Завод РТ-1 перерабатывает в год 200 т ТВС (проектная мощностью 400 т тяжелого металла в год). Он является компонентом замкнутого ЯТЦ. Хотя в целом для российской ядерной энергетики характерно наличие открытого ЯТЦ.

Сейчас проводятся предварительные исследования по переводу реакторов АЭС на уран-плутониевое топливо. Продолжается разработка реактора-наработчика топлива на быстрых нейтронах на базе реактора типа БН (быстрый натриевый) в целях замыкания ядерного топливного цикла (включая эффективное сжигание оружейного плутония). Только после успешного завершения подготовительного периода Россия сможет полностью перейти на замкнутый ЯТЦ.

Рисунок 6 – Функциональные возможности завода РТ-1 [8]

По существующим планам в России до 2020 ядерная энергетика будет развиваться в основном в разомкнутом (открытом) топливном цикле, поскольку, учитывая значительные запасы уранового сырья, нецелесообразно с экономической точки зрения расширять переработку отработанного топлива. Сейчас идет подготовка технической и производственной базы для перехода к замкнутому ядерному топливному циклу (под Красноярском построен завод РТ-2 по переработке ОЯТ, приспосабливаются медленные реакторы АЭС к МОКС-топливу, расширяется использование быстрых реакторов в атомной энергетике и др.). Постепенный переход на закрытый вариант ЯТЦ диктуется не только внутренней потребностью России, но и необходимостью переработки ОЯТ зарубежных АЭС.

Наиболее последовательно замкнутый ЯТЦ осуществляет Франция. Согласно французской точки зрения, переработка ОЯТ в сочетании с возвратом в топливный цикл плутония и вводом реакторов на быстрых нейтронах помогут обеспечить в долгосрочной перспективе сохранение запасов природного урана. Ядерная энергетика Франции ежегодно нарабатывает около 1100 тонн ОЯТ. Большая его часть перерабатывается. Регенерированный уран и плутоний используется в энергетических реакторах.

В Германии реализуется вариант замкнутого ЯТЦ, причём ОЯТ немецких АЭС перерабатывается на мощностях COGEMA (Франция) и BNFL (Великобритания) в соотношении примерно 50% на 50%. Выделенный при переработке плутоний в виде уран-плутониевого МОКС-топлива загружается в немецкие энергетические реакторы.

Франция, Германия, Великобритания, Россия и Япония продолжают развитие технологий закрытого топливного цикла для оксидных топлив. Сейчас в Европе 35 реакторов способны частично использовать МОКС-топливо (от 20 до 50 %), содержащего до 7 % пригодного для реакторов плутония. В настоящее время лишь Великобритания, Франция и Россия перерабатывают ОЯТ других государств [2].

Заключение

И в заключении подведём итоги:

1. Замкнутый ЯТЦ позволяет не только навсегда избавиться от ядерных отходов, в том числе и производимых обычными АЭС, но и решить проблему ядерного топлива, заменяя в качестве горючего изотопа дефицитный уран–235 на уран–238 и другие изотопы, которых хватит, как минимум, на несколько столетий. Из этого следует, что ядерное топливо должно многократно циркулировать через реакторы и топливные предприятия атомной промышленности: радиохимические заводы, обеспечивающие регенерацию (очистку от продуктов деления и примесей) выгруженного из реактора топлива и возврат его в топливный цикл после необходимого дообогащения делящимися нуклидами; металлургические заводы по производству новых твэлов, в которых регенерированное топливо добавляется к свежему, не подвергавшемуся облучению в реакторах.

2. Развитие ядерной энергетики возможно лишь при реализации всех стадий замкнутого ЯТЦ, в том числе - переработки отработавшего топлива АЭС, т.е. при условии развития радиохимической промышленности. Создание сети АЭС требует вовлечения в ЯТЦ все большего количества делящихся материалов. Химическая переработка ОЯТ повышает его эффективность за счет выделения урана и плутония, т.е. повторного их использования в ядерных реакторах. Рецикл урана и плутония сокращает потребность в уране для легководных реакторов на 20-30%. Особенно большой эффект достигается при использовании плутония в реакторах-размножителях на быстрых нейтронах. Крупномасштабная ядерная энергетика возможна только на основе реакторов на быстрых нейтронах, которые могут решить проблему обеспечения топливом, т.е. работу в режиме самообеспечения.

В данной работе были рассмотрены сущность и этапы замкнутого ЯТЦ, его преимущества и недостатки. Отдельно был рассмотрен характер уранового и плутониевого рециклов, а также поведение урана и плутония в них. Также в работе было уделено внимание радиохимической переработке ОЯТ, как основой стадии закрытого варианта ЯТЦ. Тщательно был проведён сравнительный экономический анализ открытого и замкнутого ЯТЦ, а также были показаны осуществление и перспективы развития замкнутого ядерного топливного цикла в различных странах.