Текущее состояние утилизации топлива PWR

В настоящее время переработка топлива с использованием реакторов на герметичных водах (PWR) в основном зависит от процесса PUREX — извлечения плутония и урана — метода извлечения жидкой жидкости, который отделяет плутоний и уран от продуктов деления в отработанном ядерном топливе. В то время как PUREX используется в промышленности на протяжении десятилетий, особенно во Франции на заводе в Ла-Хаге, он производит большие объемы жидких радиоактивных отходов и вызывает значительные проблемы с распространением из-за разделения чистого плутония. Процесс достигает высоких темпов рекуперации (до 99,5% для плутония и урана), но полученное в результате смешанное оксидное (MOX) топливо, в то время как используется в некоторых реакторах, составляет лишь часть глобального спроса на топливо. Большинство отработанного топлива PWR остается храниться в бассейнах или сухих бочках, а не перерабатывать, в основном из-за экономических сдерживающих факторов и политических решений в таких странах, как Соединенные Штаты, которые выступают за прямое удаление.

Процесс PUREX подробно

PUREX предполагает растворение отработанного топлива в азотной кислоте, затем контактирование раствора с органическим растворителем (трибутилфосфат в разбавителе) в серии этапов экстракции и стриптиза. Уран и плутоний избирательно экстрагируются, в то время как высокорадиоактивные продукты деления и незначительные актиниды остаются в водном рафинате, который должен быть остеклен для геологической утилизации. Основным недостатком помимо риска пролиферации является генерация вторичных потоков отходов — продуктов деградации органических растворителей, загрязненных растворов скраба и высокоуровневых жидких отходов, требующих сложной обработки. Кроме того, процесс не отделяет нептуний, америций или кюриум, оставляя долгосрочную радиотоксичность остекленных отходов практически неизменной в течение тысяч лет.

Новые технологии в переработке топлива

Исследователи и команды ядерной инженерии во всем мире проводят альтернативные методы переработки, которые устраняют ограничения PUREX: сокращение объема отходов, устойчивость к распространению и способность перерабатывать более широкий спектр актиноидов.Эти новые технологии делятся на три основные категории: передовые водные процессы, пирообработка и обработка топливных элементов прямого метанола.

Продвинутые водные процессы

Опираясь на инфраструктуру PUREX, в национальных лабораториях США были разработаны передовые водные потоки, такие как UREX+ (Uranium Extraction Plus), в том числе в Национальной лаборатории Айдахо. Варианты UREX+ предназначены для разделения одного урана или совместного извлечения нескольких актинид без выделения чистого плутония, тем самым повышая устойчивость к пролиферации. Например, процесс UREX+1a производит продукт, содержащий плутоний, нептуний и америций вместе, который может быть изготовлен в новое топливо для быстрых реакторов. Процесс COEX (COEXtraction), пилотируемый во Франции, аналогичным образом совместно осаждает уран и плутоний вместе, устраняя чистый поток плутония. Другие передовые водные методы, которые исследуются, включают i-SANEX (инновационный селективный экстракт актинида) для незначительного разделения актинида и GANEX (группа ActiNide Extraction), который направлен на извлечение всех актинид вместе, оставляя продукты деления.

Ограничения водных методов

Несмотря на их усовершенствования, передовые водные процессы по-прежнему зависят от экстракции растворителя органическими фазами, генерации смешанных отходов и требующих больших производственных площадей. Они также работают при относительно низких температурах, что ограничивает растворимость некоторых элементов и требует многократных циклов экстракции для достижения высокой рекуперации. Стоимость строительства и эксплуатации таких водных перерабатывающих мощностей, оцениваемая в миллиарды долларов для завода коммерческого масштаба, остается значительным барьером, особенно в странах без централизованной политики управления отходами.

Пирообработка: высокотемпературная электрохимическая рафинировка

Пирообработка является альтернативой, которая использует расплавленные соли и электролиз для отделения актиноидов от продуктов деления при температурах около 500-800°C. Разработанная в основном Аргоннской национальной лабораторией концепции интегрального быстрого реактора (IFR) в 1980-х-1990-х годах, пирообработка обрабатывает топливо в электролите расплавленной соли (обычно эвтектика LiCl-KCl) с использованием серии этапов электрорафинирования. Уран осаждается на твердом катоде, в то время как трансурановые (плутоний, нептуний, америций, кюриум) собираются в жидком катоде кадмия. Продукты деления либо остаются в соли, либо собираются в анодной корзине. Поскольку пирообработка никогда не изолирует чистый плутоний (продукт содержит смесь актиноидов), он считается по своей сути более пролиферативным, чем PUREX. Кроме того, процесс производит компактные твердые формы отходов (керамические или металлические), подходящие для геологической утилизации, с уменьшен

Корейский исследовательский институт по атомной энергии (KAERI) активно развивает пирообработку отработанного топлива PWR с крупномасштабным инженерным демонстрационным объектом в стадии планирования. Южнокорейский процесс усовершенствованного кондиционирования отработанного топлива (ACP) направлен на преобразование оксидного топлива PWR в металлическое топливо путем шага сокращения, за которым следует электрорафинирование. Металлическое топливо может затем служить сырьем для быстрого реактора, создавая замкнутый топливный цикл. Однако остаются проблемы: загрязнение пирообработки продукта солевыми следами может усложнить удаленное изготовление, а поля высокого излучения требуют полностью защищенных горячих ячеек, увеличивая капитальные затраты. Тем не менее, демонстрация IFR в Аргонне успешно переработала более 100 кг отработанного топлива, доказав, что концепция осуществима.

Быстрые реакторы и замкнутые топливные циклы

Реакторы на быстрых нейтронах естественным образом сопряжены с передовой переработкой, поскольку они могут сжигать более высокую долю переработанного топлива, включая незначительные актиниды, которые способствуют долгосрочной радиоактивности отходов. В замкнутом топливном цикле отработанное топливо PWR перерабатывается в новые топливные элементы для быстрого реактора, который, в свою очередь, производит собственное отработанное топливо, которое может быть далее переработано. И Франция (с реакторами Phénix и Superphénix, которые теперь закрыты) и Россия (с реакторами BN-600, BN-800 и предстоящим BN-1200) эксплуатируют быстрые реакторы с использованием переработанного топлива MOX. Стратегия замкнутого топливного цикла России, которая включает в себя комплексную пирообработку в пилотном демонстрационном центре под Железногорском, направлена на достижение «эквивалентности излучения» - это означает, что через 200 лет радиотоксичность отходов сопоставима с первоначальной урановой рудой. Это конечная перспектива быстрых реакторов в сочетании с передовой переработкой: почти полная рециркулировка актинида.

Международный форум поколения IV (GIF) определил системы быстрых реакторов с замкнутыми топливными циклами в качестве приоритета для устойчивой ядерной энергии, причем шесть из четырнадцати стран-членов GIF активно разрабатывают технологии переработки. Проект Японии по разработке технологий быстрого реакторного цикла (FaCT) и программа Индии по разработке прототипа реактора быстрого размножения (PFBR) полагаются на передовую переработку для их долгосрочного снабжения топливом. Однако экономическая жизнеспособность остается неуловимой - затраты на топливо LWR относительно низки, а высокая авансовая стоимость переработки и строительства быстрых реакторов делает замкнутый цикл в настоящее время более дорогим, чем однократное управление топливом на большинстве рынков.

Проблемы и регуляторные барьеры

Помимо технических вопросов, будущее утилизации топлива PWR зависит от режимов нераспространения, общественного признания и стратегий хранения отходов. Инициатива Министерства энергетики США по сокращению глобальной угрозы подчеркивает необходимость ограничения доступа к отделенному плутонию; соответственно, любая технология переработки, которая дает чистый плутоний, политически чревата. Международное сообщество через МАГАТЭ поддерживает разработку методов переработки, устойчивых к распространению, но определение «сопротивления распространению» последовательно во всех странах оказалось трудным. Например, совместная добыча актиноидов пирообработкой считается внутренне устойчивой, но некоторые аналитики утверждают, что процесс может быть изменен, чтобы изолировать плутоний, если это необходимо, поэтому гарантии и учет материалов остаются необходимыми.

Экономические соображения

Переработка топлива PWR в настоящее время стоит значительно больше, чем прямое удаление, особенно когда цены на уран низки. Всемирная ядерная ассоциация оценивает стоимость переработки примерно в 1000-1500 долларов за кг тяжелого металла (включая кондиционирование и удаление отходов), по сравнению с примерно 500 долларами за кг для долгосрочного хранения и окончательного удаления отработавшего топлива. Чтобы оправдать переработку экономически, странам обычно необходимо (а) иметь дефицит урановых ресурсов, (б) эксплуатировать парк быстрых реакторов для полного использования переработанного топлива или (с) придавать большое значение сокращению долгосрочных ядерных отходов. Франция, например, имеет национальную политику, которая делает переработку обязательной для безопасности поставок, хотя это не строго экономично. Япония перерабатывает на заводе в Роккашо в основном для удовлетворения давней стратегии энергетической независимости. Напротив, США отменили или отложили несколько инициатив по переработке, включая Глобальное партнерство по ядерной энергии (GNEP), из-за перерасхода средств и проблем распространения.

Глобальный эффект и страновые стратегии

Несколько стран активно инвестируют в технологии переработки следующего поколения, каждая из которых имеет свои мотивы и сроки.

Франция

Французская компания Orano (ранее Areva) эксплуатирует завод по переработке в Ла-Хаге, который имеет мощность 1700 тонн в год и переработал более 30 000 тонн отработанного топлива с 1970-х годов. Полученное в результате MOX топливо используется примерно в 40 реакторах на воде под давлением по всей Франции, что составляет примерно 10% от ядерной электроэнергии страны. Orano также разрабатывает процесс COEX в качестве будущей замены PUREX, с пилотным объектом, запланированным на 2030-е годы.

Россия

Российский Росатом проводит комплексный замкнутый топливный цикл на базе быстрого реактора БН-1200 и МБИР (многоцелевой исследовательский реактор на быстрых нейтронах). Пилотный демонстрационный центр (ПДЦ) под Томском предназначен для демонстрации пирообработки отработанного МОХ-топлива из быстрых реакторов, направленной на цикл с нулевыми отходами, где утилизируются только продукты деления. Российский подход объединяет переработку, изготовление топлива и эксплуатацию реактора под единым государственным предприятием, уменьшая институциональные трения, которые преследуют другие страны.

Япония

Япония вложила значительные средства в завод по переработке Роккашо, который, как ожидается, возобновит полную эксплуатацию в 2025 году после многих лет задержек и нормативных обновлений. Объект использует модифицированный процесс PUREX для извлечения урана и плутония для изготовления в MOX-топливо для существующих реакторов на легкой воде. Программа Японии FaCT также исследует пирообработку для будущих быстрых реакторов, хотя сроки изменились из-за катастрофы на Фукусиме в 2011 году и последующих перезапусков реакторов.

Соединенные Штаты Америки

В США нет коммерческих перерабатывающих мощностей, но Министерство энергетики (DOE) финансирует исследования в национальных лабораториях по передовой переработке, в частности в Национальной лаборатории Айдахо и Аргонне. В настоящее время основное внимание уделяется разработке интегрированных стратегий управления отходами, а не строительству новых перерабатывающих заводов. Управление по ядерной энергии Министерства энергетики США поддерживает проекты, такие как быстрый реактор расплавленного хлорида (MCFR) и электрохимическая переработка, но коммерческое развертывание остается более чем на десятилетие.

Индия

Индия, имеющая ограниченные внутренние запасы урана, но богатая торием, реализует трехступенчатую программу ядерной энергетики, которая включает переработку отработанного топлива типа PWR (из импортных реакторов на обогащенном уране) и, в конечном итоге, топливные циклы на основе тория. Индия построила небольшие перерабатывающие заводы с использованием PUREX и разрабатывает передовые технологии разделения для малых актиноидов. Реактор быстрого разведения прототипа (PFBR) в Калпаккаме, как ожидается, достигнет критичности в 2025 году, станет ключевым испытательным стендом для технологий замкнутого топливного цикла в Индии.

Будущие инновационные концепции

Долгосрочные исследования направлены на создание комплексных систем рециркуляции, которые сочетают производство топлива, эксплуатацию реактора и переработку на одном участке, сводя к минимуму транспортировку ядерных материалов. Концепция "Реактор расплавленной соли (МСР) по своей сути облегчает онлайновую переработку, поскольку топливо растворяется в соли. Конструкторы МСР предусматривают непрерывное удаление продуктов деления путем бульканья гелия или использования процессов волатильности фтора, что приводит к резкому сокращению объема отходов и устранению необходимости в изготовлении твердого топлива. Однако МСР все еще находятся на стадии прототипа (прогнозируемое коммерческое развертывание после 2040 года) и сталкиваются с проблемами коррозии материалов и обработки соли.

Еще одна инновационная концепция - это переработка прямого метанолового топливного элемента (DMFC), который использует растворитель на основе метанола для выборочного извлечения актиноидов при комнатной температуре. Хотя это нишевые академические усилия, ранние исследования в Кембриджском университете показывают перспективы сокращения отходов органических растворителей и работы без токсичного трибутилфосфата. Более практически, проект PROcessing for Long-term Irradiation of Fuels (PRO-LIF) в рамках программы Европейской комиссии Horizon 2020 изучает экстракцию растворителей с «зелеными» реагентами, такими как дигликоламиды и малонамиды, в качестве альтернативы TBP, стремясь к более эффективному разделению малых актиноидов.

Горячее изостатическое прессование переработанного топлива

Достижения в области кондиционирования отходов, такие как горячее изостатическое прессование (HIP) переработанных остатков топлива в прочные стеклокерамические композиты, также интегрируются в рециркуляционные листы. HIP может инкапсулировать остатки продуктов деления в стабильную матрицу без необходимости витрификации печей, уменьшая вторичные отходы. Эта технология демонстрируется на ядерных исследовательских объектах Австралии и может быть адаптирована для топлива PWR, переработанного в замкнутых циклах.

Заключение и прогноз

Будущее переработки и переработки топлива PWR — это не единая технология, а семейство взаимозависимых процессов, каждый из которых адаптирован к национальным приоритетам и паркам реакторов. Передовые водные методы, такие как UREX+ и COEX, предлагают эволюционный путь от PUREX с улучшенной устойчивостью к распространению, в то время как пирообработка имеет долгосрочные перспективы для интегрированных компактных топливных циклов. Быстрые реакторы остаются ключом к закрытию цикла и использованию полного энергетического потенциала переработанного топлива, но экономические и нормативные барьеры замедляют их развертывание.

Международное сотрудничество — через программу МАГАТЭ INPRO, Международный форум поколения IV и двусторонние соглашения между Францией, Россией, Японией и США — будет иметь важное значение для стандартизации подходов к безопасности, распределения затрат на исследования и разработки надежных гарантий. По мере того, как ресурсы урана становятся все более ограниченными и усиливается стремление к декарбонизации, стимул для переработки топлива PWR будет расти. К 2050 году вполне вероятно, что 30-40% глобальной ядерной электроэнергии может быть произведено из переработанного топлива, используя комбинацию MOX в реакторах на легкой воде и передовых видах топлива в быстрых реакторах. Достижение этого видения потребует постоянных инвестиций, участия общественности и эволюции регулирования, но потенциальное сокращение объема ядерных отходов и радиотоксичность делает его критическим путем к действительно устойчивой ядерной энергии.

Для дальнейшего чтения см. Обзор Всемирной ядерной ассоциации по переработке отработанного ядерного топлива и ресурсов МАГАТЭ по переработке отработанного топлива . Подробные технические отчеты по пирообработке доступны из Обзора технологий пирообработки Аргоннской национальной лаборатории .