Рецикл регенерату. Частина I. Кількість і стратегії.
Замикання ядерного паливного циклу являє собою важливий крок як з точки зору надійного забезпечення атомної енергетики ресурсами, так і з позицій поводження з ядерними відходами. Проблемам замикання ЯПЦ по урану присвячена нова публікація МАГАТЕ IAEA Nuclear Energy Series No. NF-T-4.4. Use of Reprocessed Uranium: Challenges and Options.
Шляхи використання регенерованого урану
Уран, відновлений після переробки ВЯП (регенерований уран), може бути повернутий в паливний цикл різними шляхами. Він може використовуватися безпосередньо, може бути дообогащён, а також може бути змішаний з збагаченим або природним ураном. Крім цього, регенерат може застосовуватися в якості захисного матеріалу в контейнерах для ВЯП або отримати інші застосування, що виходять за межі атомної енергетики.
Різні застосування регенерованого урану
У разі прямого застосування регенерат може служити цілям вирівнювання потоку і підвищення вигорання в тяжёловодних реакторах, а також виступати матрицею при виготовленні MOX-палива або матеріалом для Бланкет швидких реакторів. Після збагачення або змішування з збагаченим або природним ураном регенерат може бути повернутий у вигляді палива в легководні і газографітового реактори.
Велика група держав - Бельгія, Великобританія, Німеччина, Індія, Іспанія, Італія, Казахстан, Китай, Нідерланди, Росія, США, Україна, Франція, Швейцарія, Швеція та Японія - або має значні запаси регенерованого урану, або має програму або плани по отриманню регенерату з ВЯП.
Ще три країни - Аргентина, Канада і Південна Корея - розглядають стратегії переробки ВЯП, що включають в себе використання регенерованого урану в тяжёловодних реакторах.
З цієї причини, більшість регенерату була деконвертірована з рідкого гексагідрату нітрату уранілу UNH в стабільну тверду форму оксидів урану UO3 або U3 O8 і поміщена в сховища.
Гексагідрат нітрату уранілу має хімічну формулу UO2 (NO3) 2 -6H2 O, але позначається як UNH.
На додаток до названого вище кількості, ще понад 120 тисяч тонн регенерованого урану може бути відновлено з знаходиться в проміжних сховищах ВЯП.
У Сполученому Королівстві запаси регенерату поповнюються з двох джерел - від переробки вигорілого металевого палива магноксових реакторів і від переробки оксидного ВЯП реакторів AGR і LWR.
У Франції є чотири заводи з переробки ВЯП - UP-1 в Маркулов на півдні Франції, а також UP2-400, UP2-800 і UP-3 в Ля Аг.
Завод UP2-400 в Ля Аг також в даний час виведений з експлуатації. Тому єдиними чинними заводами у Франції залишилися UP2-800 і UP-3.
Загальна кількість урану, виділеного за весь час у Франції з ВЯП, перевищує 45 тисяч тонн. Воно майже порівну - 23 тисячі проти 22 тисяч - ділиться між регенерату з ВЯП газоохолоджувальні реакторів і регенерату з ВЯП легководних реакторів.
Регенерат з ВЯП GCR має середню збагачення по 235 U нижче 0,4%, і в даний час французи не розглядають його повторне використання через дозбагачення - воно стає неекономічним при поточних цінах на ЕРР.
Регенерат з ВЯП LWR вивозиться у формі UNH в Пьеррелят, де конвертується або в U3 O8. або в UF6 в залежності від подальших планів щодо його використання. Тут же в Пьерреляте зберігається регенерат, що належить компанії "Electricite de France".
В Японії на заводі в Токаї продукти переробки ВЯП виходять або у вигляді UO3. або у формі азотного розчину, що містить уран і плутоній.
UO3 надалі пакується в спеціалізовані ємності і вивозиться на поховання. Всього в Японії накопичено 800 тонн урану в формі UO3.
Розчини урану і плутонію деазотіруются, даючи на виході змішаний оксид урану і плутонію. Даний продукт складується в Токаї аж до прийняття остаточного рішення по його долі.
У Російській Федерації практично відсутні запаси регенерованого урану, так як він негайно рецікліруется в реакторах РБМК. Виняток становлять лише матеріали, необхідні для розведення регенерату західного походження - про це виключення йдеться нижче.
Стратегії використання регенерату в минулому
У Сполученому Королівстві Рециклювання регенерату освоєно давно. Аж до середини 80-их років більшість палива для реакторів AGR випускалася з урану, отриманого в результаті переробки ВЯП магноксових реакторів.
З Селлафілд в Спрінгфілдс було вивезено 17 тисяч тонн регенерованого урану, конвертовано в форму гексафториду і після дозбагачення на центрифугах URENCO використано при створенні палива для AGR.
Як вже говорилося, глибини вигорання в магноксових реакторах невеликі, і концентрації 232 U і 236 U в їх вигорілому паливі незначні. Проте, конверсійним виробництвам довелося розробляти методику роботи в умовах присутності дочірніх продуктів розпаду 232 U, а також ізотопів 99 Tc і 106 Ru.
У 1982 році Великобританія зупинила програму по повторній переробці регенерату урану. Задіяні в ній конверсійні установки в даний час виведені з експлуатації.
У Німеччині вивчення можливостей щодо повернення урану в паливний цикл стартувало на початку 80-их років. На паливному заводі в Лінгене, на той момент належав "Сіменс" / KWU, а зараз контролюється компанією "AREVA NP", була проведена одна паливна збірка, що містила дообогащённий регенерований уран. Касету завантажили в активну зону АЕС "Обрігайм" (Obrigheim). Збагачення в збірці було підвищено до 3,5% для компенсації негативних ефектів від присутності ізотопу 236 U. У перерахунку на паливо зі свіжого збагаченого урану, це було еквівалентно величині збагачення 3,2%.
На момент першого експерименту, середня глибина вигоряння на німецьких АЕС становила 32 ГВт × добу / т. У середині 80-их років вигоряння було збільшено до 37 ГВт × добу / т.
Після цього в Німеччині було розпочато другий експеримент - регенерат урану був дообогащён на заводі URENCO в Альмело (Нідерланди) і використаний для виробництва чотирьох касет, завантажених в активну зону блоку "Некарвестхайм-1" (Neckarwestheim-1) з реактором PWR в 1986 і 1987 роках.
У Німеччині існувала явна тенденція до підвищення глибини вигорання. Це створило фактор, що лімітує для використання регенерату. Касет з регенерату потрібно більше початкове збагачення для компенсації 236 U. Було показано, що при досягненні вигорання 44 ГВт × добу / т початкове збагачення в касетах з регенерату складе 5%. Дозбагачення регенерату понад 5% було визнано непрактичним і неекономічним.
На початку 90-их років "Сіменс" в кооперації з МСЗ (Електросталь) запропонував альтернативний підхід - регенерований уран НЕ дозбагачення, але змішується з ураном з більш високим збагаченням (аж до 20%). У цьому випадку стає можливим досягати заданого збагачення при менших концентраціях 236 U.
Висновок, до якого прийшли німецькі енергетичні компанії за підсумками перших спроб рециклювати уран, говорить - для кожного блоку необхідно якомога швидше визначити технічні і юридичні перешкоди і складнощі, щоб встановити найбільш підходящий для нього шлях використання регенерату урану.
У доповіді наводяться наступні дані за результатами західних контрактів МСЗ - зроблено +1693 ТВС (673 тонни урану), а також 126 тонн урану в формі паливних таблеток. В останньому випадку, таблетки поставлялися на завод "Лінген" (Німеччина), де вони використовувалися при фабрикації касет.
Що стосується звернення з власним регенерату, то Росія надходить з ним в такий спосіб. Уран, одержуваний на заводі РТ-1 в результаті переробки ВЯП реакторів ВВЕР-440, змішується в розчині азотної кислоти з ураном, виділеним в ході переробки ВЯП дослідницьких і транспортних реакторів. Одержуваний склад UNH із збагаченням 2,6% передається на заводи для фабрикації паливних збірок для реакторів РБМК.
Цікаво відзначити, що французи починали роботу з регенерату, не вдаючись до підвищення збагачення для компенсації 236 U - в збірках з регенерату було таке ж середнє збагачення (3,7%), як і в збірках зі свіжим ураном. І лише по закінченню деякого часу EdF змогла отримати ліцензію на підвищення збагачення в касетах з регенерату до 4,1%.
Французи приділяють особливу увагу ретельному розрахунку збагачення, яке повинно бути в збірках з регенерату, так як помилки при його визначенні неминуче призводять до втрат в довжині кампанії.
Швейцарська компанія "Kernkraftwerk Gosgen" (KKG) розробила стратегію, спрямовану на Рециклювання в теплових реакторах урану і плутонію. Більш того, KKG погоджувалася використовувати на швейцарських АЕС паливо з регенерату урану іноземного походження.
Реалізація стратегії на практиці розрізнялася для кожної окремої станції, в залежності від прагнень експлуатуючої організації.
На АЕС "Мюлеберг" (Muhleberg) регенерат використовувався тільки для продажу і перепродажу. АЕС "Ляйбштадт" (Leibstadt) передавала свій регенерат на іншу станцію - АЕС "Безнау".
Рециклювання регенерату проводиться в Швейцарії на АЕС "Безнау" (Beznau) і АЕС "Гёсген" (Gosgen). Уран для цих станцій на дозбагачення в Росії методом розведення зі свіжим ураном більш високого збагачення. Завдяки чинних угод на поставку палива з регенерату, обидві станції покрили свої потреби в паливі аж до другої половини наступного десятиліття.
Відомо, що Індія використовує регенерат при виготовленні палива для своїх тяжёловодних реакторів PHWR. За походженням даний регенерат виходить при переробці ВЯП PHWR. Паливо з регенерату фабрикують на тих же підприємствах, що і паливо зі свіжого урану, при цьому дотримується суворе розмежування між технологічними лініями, задіяними в обох процесах.
Паливні елементи з регенерату застосовуються в PHWR для згладжування поля енерговиділення. У PHWR є відомий дефект - в зоні, зібраної виключно зі свіжого палива, утворюються неприпустимо високі енерговиділення в центральній частині. Один із шляхів позбавлення від нього - додавання в початкове завантаження елементів з регенерованим ураном.
Відомо також, що індійські атомники використовують паливні елементи з регенерату для скорочення часу, необхідного для виходу з МКУ на номінал. Такі елементи завантажуються і в рівноважні зони з метою зменшити витрати природного урану.
Кількісних даних по використанню регенерату в Індії публікація МАГАТЕ не приводить.
Поточний стан ринку регенерату
Хоча запаси виділеного з ВЯП урану досить великі, ринок для палива з регенерату не сформований.
- не встановлені єдині стандарти на регенерат урану, в тому числі, на його ізотопний склад і хімічні форми;
- продуктивність заводів, залучених в технологічний ланцюжок при повторній переробці урану, обмежена;
- більш того, всі ці ланцюжки не адаптовані до потенційних потреб;
- експлуатуючі організації не до кінця розуміють, що вони хочуть, і які зміни їх плани можуть зазнати в майбутньому.