способ эксплуатации быстрого гомогенного ядерного реактора

Формула изобретения

1. Способ эксплуатации быстрого гомогенного ядерного реактора, заключающийся в том, что отработанное ядерное топливо в виде гранул загружают в активную зону, затем топливо в активной зоне расплавляют, выводят часть топлива из зоны, гранулируют его, отделяют от жидкометаллического теплоносителя и снова подают в активную зону, отличающийся тем, что из отработанного топлива извлекают минорные актиноиды и гранулируют их, равномерно перемешивают гранулы плутония с гранулами алюминия, получают топливную смесь, содержащую 1-2 ат. %% плутония, остальное - алюминий, которую используют в качестве топлива для начальной загрузки активной зоны, расплавляют топливо начальной загрузки в активной зоне и доводят реактор до критического состояния, отгружают часть выгоревшего топлива, удаляют продукты деления и компенсируют выгорание плутония добавлением к топливу гранул минорных актиноидов, после выгорания плутония получают топливо в виде металлического сплава, содержащего 3-3,5 ат. %% минорных актиноидов и 96,5-97 ат. %% алюминия, и продолжают эксплуатацию быстрого гомогенного реактора, поддерживая полученный состав топлива до конца процесса выжигания накопленных минорных актиноидов.

2. Способ эксплуатации быстрого гомогенного реактора по п. 1, отличающийся тем, что из плутония и алюминия изготавливают металлический сплав, содержащий 1-2 ат. %% плутония, остальное - алюминий, которые затем гранулируют.

3. Способ эксплуатации быстрого гомогенного ядерного реактора по п. 1 или 2, отличающийся тем, что выгорание минорных актиноидов в активной зоне компенсируют добавлением в топливо гранул плутония, после сжигания минорных актиноидов получают топливо в виде металлического сплава, содержащего 1-2 ат. %% плутония, остальное - алюминий, и продолжают эксплуатацию быстрого гомогенного реактора, поддерживая полученный состав топлива до конца процесса сжигания имеющегося запаса плутония.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к способам эксплуатации быстрых гомогенных ядерных реакторов.

Известен способ эксплуатации быстрого гомогенного ядерного реактора, заключающийся в том, что активную зону загружают металлическим топливом, содержащим плутоний (Кесслер Г. Ядерная энергетика, М., Энергоиздат, 1986, с.182).

При эксплуатации указанного реактора получают не только электроэнергию и тепло, но и нарабатывают вторичное ядерное топливо, которое может быть использовано не только в реакторах на быстрых нейтронах, но и для производства ядерного оружия.

В настоящее время программы по развитию "мирного атома" практически во всех промышленно развитых странах замораживаются. Более того, в некоторых странах (например, в Швеции) не только не собираются строить новые ядерные реакторы, но и закрывают работающие, не исчерпавшие ресурс реакторы. В этой связи уже давно стоящая в повестке дня проблема утилизации и захоронения радиоактивных отходов еще более обостряется.

Конец "холодной войны" и прекращение гонки вооружений тоже не уменьшает запасов радиоактивных материалов и еще сильнее обостряет ситуацию с их утилизацией и захоронением.

Проблема утилизации и захоронения, помимо всех прочих причин, весьма существенно отягощается также тем обстоятельством, что в процессе выгорания ядерного топлива в нем образуются долгоживущие радиоактивные элементы - минорные актиноиды (МА), из-за которых многократно усложняется процесс переработки и суживается выбор вариантов и мест захоронения радиоактивных отходов.

Для реализации данного способа необходимо использовать гетерогенные реакторы, в которых активная зона загружается очехлованными тепловыделяющими элементами. Из-за этого усложняется и удорожается топливный цикл и растут затраты на осуществление самого способа. Кроме того, в очехлованных тепловыделяющих элементах нельзя достигнуть высокой степени выгорания топлива из-за распухания топлива и выделения газообразных продуктов деления, что ведет к разрушению оболочек тепловыделяющих элементов и попаданию радиоактивных продуктов в циркуляционный контур.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предложенному решению является способ эксплуатации быстрого гомогенного ядерного реактора, заключающийся в том, что обработанное ядерное топливо в виде гранул загружают в активную зону, затем топливо в активной зоне расплавляют, выводят часть топлива из зоны, гранулируют его, отделяют от жидкометаллического теплоносителя, и снова подают в активную зону (патент РФ 2031455, кл. G 21 C 1/00, 3/42, 1990).

Применение гомогенных реакторов в данном способе позволяет упростить и удешевить технологию изготовления тепловыделяющих элементов. Снимаются также проблемы, связанные с опасностью разрушения оболочек тепловыделяющих элементов.

Однако при осуществлении данного способа в быстром реакторе также накапливается избыточное топливо, содержащее плутоний и минорные актиноиды, и летучие и газообразные продукты деления.

В свете прекращения гонки вооружений рост количества плутония нежелателен, потому что, во-первых, плутоний негде использовать, во-вторых, проблема захоронения радиоактивных отходов с каждым годом становится все острее, а, в-третьих, необходимо усовершенствовать старые и разрабатывать новые меры, направленные на обеспечение сохранности плутония.

Присутствие продуктов деления в циркуляционном контуре ведет - из-за сложности удерживания газообразных веществ, вообще, и большой протяженности контура, в частности, - к опасности попадания продуктов деления за пределы атомной станции.

Однако самый существенный недостаток указанного способа заключается в том, что способ не только не позволяет сжигать находящиеся во вторичном топливе минорные актиноиды, но и ведет к их накоплению.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение безопасности ядерной энергетики, в том числе, экологической безопасности, и ее экономичности.

Реализация предложенного способа позволит уничтожить высокорадиоактивные и долгоживущие продукты облучения ядерного топлива - минорные актиноиды, не увеличивая температуру плавления топлива в активной зоне, уменьшить массу наработанного плутония и радиоактивных отходов, подлежащих захоронению.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе эксплуатации быстрого гомогенного ядерного реактора, заключающемся в том, что отработанное ядерное топливо в виде гранул загружают в активную зону, затем топливо в активной зоне расплавляют, выводят часть топлива из зоны, гранулируют его, отделяют от жидкометаллического теплоносителя, и снова подают в активную зону, из отработанного топлива извлекают минорные актиноиды и гранулируют их, равномерно перемешивают гранулы плутония с гранулами алюминия, получают топливную смесь, содержащую 1-2 ат.%% плутония, остальное - алюминий, которую используют в качестве топлива для начальной загрузки активной зоны, расплавляют топливо начальной загрузки в активной зоне и доводят реактор до критического состояния, отгружают часть выгоревшего топлива, удаляют продукты деления и компенсируют выгорание плутония добавлением к топливу гранул минорных актиноидов, после выгорания плутония получают топливо в виде металлического сплава, содержащего 3-3,5 ат.%% минорных актиноидов и 96,5-97 ат. %% алюминия, и продолжают эксплуатацию быстрого гомогенного реактора, поддерживая полученный состав топлива до конца процесса выжигания накопленных минорных актиноидов, кроме того, тем, что из плутония и алюминия изготавливают металлический сплав, содержащий 1-2 ат.%% плутония, остальное - алюминий, которые затем гранулируют, а также тем, что выгорание минорных актиноидов в активной зоне компенсируют добавлением в топливо гранул плутония, после сгорания минорных актиноидов получают топливо в виде металлического сплава, содержащего 1-2 ат.%% плутония, остальное - алюминий, и продолжают эксплуатацию быстрого гомогенного реактора, поддерживая полученный состав топливной смеси до конца процесса сгорания имеющегося запаса плутония.

Для уяснения сущности изобретения может быть рассмотрена, например, такая теплогидравлическая схема быстрого гомогенного ядерного реактора, которая представлена на фиг.1.

Быстрый гомогенный ядерный реактор содержит активную зону 1, которая размещена в контейнере 2. Стенки контейнера 2 могут быть сделаны охлаждаемыми "чистым", т. е. нерадиоактивным, жидкометаллическим теплоносителем, циркулирующим по отдельному контуру (на чертеже не показан).

В активной зоне 1 могут быть установлены пусковая сборка 3 и/или органы регулирования 4.

В днище 5 контейнера 2 выполнены отверстия 6 и под ним расположена газовая камера 7, которая при работе реактора заполняется каким-нибудь нейтральным газом, например, аргоном, заканчивающаяся бассейном 8 с жидкометаллическим теплоносителем (например, натрием).

Газовая камера 7 соединена с устройством 9 для подачи нейтрального газа и - через трубопровод 10 - с устройством 11 для очистки от газообразных и летучих продуктов деления.

Бассейн 8 через дисперсный теплообменник 12 сообщен с вихревым гидроциклоном 13, соединенным с активной зоной 1, и с помощью трубопровода 14, который снабжен нормально открытым клапаном 15, - с промежуточным теплообменником 16.

За промежуточным теплообменником 16 следует коллектор низкого давления 17, который сообщен с камерой 18 для сбора жидкометаллического теплоносителя над активной зоной 1 и - через циркуляционный насос 19 - с коллектором высокого давления 20, к которому подключены впрыски 21 контура циркуляции топлива и других устройств.

Для ввода топлива в контур циркуляции на трубопроводе 22, ведущем от коллектора высокого давления 20 к бункеру 23 со "свежим" топливом, соединенным с дисперсным теплообменником 12, установлен вентиль 24.

Выгоревшее топливо удаляют в бункер 25 для складирования отработанного топлива по трубопроводу (на черт. не обозначен), "врезанному" в циркуляционный контур на участке между дисперсным теплообменником 12 и вихревым гидроциклоном 13.

К бункеру 25 также протянут байпасный трубопровод 26 с нормально закрытым клапаном 27.

Изображенный на чертеже быстрый гомогенный ядерный реактор эксплуатируют следующим образом.

Из входящих в состав отработанного топлива компонентов отделяют (например, в плавильной ванне) минорные актиноиды и изготавливают из них гранулы.

На заводе или непосредственно перед загрузкой топлива в гомогенный быстрый реактор гранулы плутония (Рu) равномерно перемешивают с гранулами алюминия (Аl) и получают топливную смесь, содержащую 1-2 ат.%% плутония, остальное - алюминий, чтобы в дальнейшем использовать ее для первоначальной загрузки реактора.

Чтобы сократить число операций, проводимых непосредственно на промплощадке атомной станции, можно в начале (например, в заводских условиях) изготовить сплав Рu+Аl, содержащий 1-2 ат.%% Рu, остальное - Аl, а затем его гранулировать.

Тогда перед пуском реактора контейнер 2 активной зоны 1 заполняют гранулами топлива Рu+Аl, каждая из которых будет содержать 1-2 aт.%% Pu, 98-99 ат.%% Al.

Первоначальная загрузка реактора топливной смесью из плутония и алюминия обусловлена желанием снизить температуру плавления топлива, поскольку, если в начале кампании поместить в зону топливо, состоящее из актиноидов и алюминия, то для достижения критичности необходимо, чтобы минорных актиноидов в топливной смеси было не менее 12,5 ат.%, что, как показывают расчеты, повышает температуру плавления топлива до 900^oC. Такая высокая температура плавления существенно сужает выбор конструкционных материалов для контейнера активной зоны, делает реактор более дорогим, а также снижает его надежность и безопасность.

Что же касается количественных показателей плутония в топливной смеси, то они выбраны исходя из того, что при значении плутония менее 1 ат.% топливная смесь в объеме активной зоны не достигает критичности, тогда как при значениях плутония более 2 ат.% реактивность становится чрезмерно высокой, что ведет к снижению безопасности реактора, неоправданному усложнению и удорожанию системы управления и защиты реактора.

Ввод топлива в контур циркуляции производится гидравлическим способом путем открытия вентиля 24. Топливо из бункера 23 потоком жидкометаллического теплоносителя (натрия) направляют в дисперсный теплообменник 12, а из него - в вихревой гидроциклон 13. В гидроциклоне 13 топливные гранулы отделяют от натрия и затем подают в активную зону 1. После чего вентиль 24 закрывается.

Контур охлаждения (на чертеже не показан) контейнера 2 активной зоны 1 может быть снабжен, например, электронагревателем (на чертеже не показан). Жидкометаллический теплоноситель, нагретый электронагревателем, подается к контейнеру 2 и через стенки нагревает и расплавляет гранулы топлива. Первоначальное расплавление топлива можно обеспечить также с помощью пусковой сборки 3 и/или органов регулирования 4.

Расплавленное в активной зоне 1 топливо через отверстия 6 в днище 5 контейнера 2 вытекает тонкими струями в газовую камеру 7, заполненную инертным газом, где под действием силы тяжести струи топлива разрываются на капли. Капли жидкого топлива падают в бассейн 8 с натрием, гранулируются без использования какого-то ни было вспомогательного оборудования и нагревают его. Высокая температура жидкого топлива и большая поверхность струй и капель жидкого топлива способствуют эффективному выходу газовых и летучих продуктов деления в газовой камере 7. Подключение к ней системы очистки от газовых и летучих продуктов деления 11 позволяет существенно повысить уровень безопасности реактора.

Из бассейна 8 гранулы топлива потоком натрия вновь через дисперсный теплообменник 12 выносятся к вихревому гидроциклону 13, где они отделяются от нагретого ими натрия, который уходит в промежуточный теплообменник 16 и там отдает тепло во второй контур.

Гранулы же топлива вместе с небольшой частью натрия (объемные доли топлива и теплоносителя примерно равны) опускаются в камере 18 до верхней части активной зоны 1, ограниченной уровнем расплавленного топлива, и входят в расплавленное топливо активной зоны 1. Натрий, как более легкая фракция (натрий в 20 раз легче топлива), всплывает и отводится из камеры 18 в коллектор низкого давления 17, а гранулы топлива под действием силы тяжести движутся по активной зоне 1 сверху вниз и расплавляются.

Из промежуточного теплообменника 16 охлажденный натрий через коллектор низкого давления 17 поступает на циркуляционный насос 19, из него - в коллектор высокого давления 20, а оттуда натрий поступает на впрыски 21 контура циркуляции топлива и других устройств и, в частности, бункера 23, из которого, по мере выгорания плутония, в циркуляционный контур начинают поступать гранулы минорных актиноидов для поддержания реактора в критическом состоянии.

Топливо с выгоревшим плутонием, содержащее твердые и, частично, газообразные и летучие продукты деления, отводят в бункер 25, для чего нормально закрытым клапаном открывают трубопровод 26 и нормально открытым клапаном 15 перекрывают трубопровод 14. После этого клапаны 15 и 27 приводятся в нормальное положение.

Чтобы обеспечить равновесный состав топлива в активной зоне 1 в процессе работы быстрого гомогенного реактора, содержание МА в нем постепенно увеличивают до 3-3,5 ат.%%, а оставшийся объем активной зоны 1 заполняют алюминием.

При таком составе топливной смеси реактор выходит на стационарный режим работы с избыточной реактивностью, близкой к нулю. В этом режиме при содержании в топливе МА менее 3 ат.% топливная смесь в объеме активной зоны не достигает критичности, тогда как при значении содержания МА в топливе больше 3,5 ат. % появляется высокая избыточная реактивность, что ведет к снижению безопасности реактора.

После того, как топливо достигнет указанного равновесного состава, т.е. МА - 3-3,5 ат. %%, Аl - 96,5-97 ат.%%, эксплуатация гомогенного быстрого реактора может продолжаться до сжигания всех скопившихся на данный момент в запасе актиноидов.

В какой-то момент времени, однако, запасы актиноидов придут к концу, а в активной зоне 1 какое-то их количество сохранится. Тогда для того, чтобы выжечь и эти остатки, а заодно и сократить накопленные запасы плутония, а также, если реактор не выработал свой ресурс, чтобы и дальше получать электроэнергию и тепло, начинают добавлять к топливу из актиноидов и алюминия гранулы плутония, компенсируя выгорание актиноидов и поддерживая, тем самым, реактор в критическом состоянии. После выжигания минорных актиноидов получают топливо в виде сплава, содержащего 1-2 ат.%% плутония и 98-99 ат.%% алюминия, и до завершения кампании реактор продолжают работать на топливе данного состава.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволит уничтожить высокорадиоактивные и долгоживущие продукты облучения ядерного топлива - минорные актиноиды, уменьшить массу наработанного плутония и радиоактивных отходов, подлежащих захоронению, расширить выбор конструкционных материалов для изготовления контейнера активной зоны и снизить его стоимость, повысить надежность, безопасность и экономичность реактора.