Не пустить пузыри: выработку ядерных отходов можно сократить в три раза
Выработку ядерных отходов можно сократить в три раза. К такому выводу в результате модельных экспериментов пришли ученые Уральского федерального университета, предложив модификацию состава топлива для атомных реакторов. В основе их работы — изучение генерации пузырьков ксенона, которые накапливаются в уране и приводят к его деградации, снижающей полезный период использования этого радиоактивного вещества. Изменения состава топлива также помогут увеличить безопасность использования АЭС, считают эксперты.
Нежелательные накопления
Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) — один из наиболее опасных видов отходов. Его утилизация требует строительства дорогостоящих хранилищ, которые пополняются по мере выработки ОЯТ в действующих реакторах. Сейчас этот процесс идет довольно быстрыми темпами, учитывая относительно низкий срок службы тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) — герметично заваренных трубок из циркониевого сплава, с помощью которых таблетки уранового топлива доставляют в активную зону реакторов.
Способ значительного замедления накопления ядерных отходов предлагают российские ученые, создавшие точную модель процессов, происходящих в активной зоне.
— Во время ядерной реакции делящийся уран распадается на ксенон и другие инертные газы, которые в виде небольших пузырей (диаметром от 1 до 10 нанометров) постепенно появляются в топливе, — рассказал научный сотрудник кафедры технической физики Уральского федерального университета (УрФУ) Дастан Сеитов. — Из-за этого снижаются эксплуатационные характеристики топлива (в частности, теплопроводность), что в конечном счете приводит к необходимости замены отслужившего ТВЭЛа на новый.
Тепловыделяющие элементы, снаряженные топливными таблетками диоксида урана
По словам ученого, их исследование было направлено на поиск условий, необходимых для схлопывания газовых пузырей под внешним воздействием, чтобы замедлить деградацию металла. В результате было обнаружено, что в качестве эффективного решения здесь может выступать энергия соударения атомов (так называемых каскадов), которая возникает при цепной реакции.
— Эти выводы мы сделали, проведя эксперимент с помощью выстроенной нами математической модели, — пояснил Дастан Сеитов. — Ранее в нее были заложены уже известные данные, полученные от предыдущих практических опытов, что позволяет нам говорить о достоверности результатов.
Структурная эволюция
Полученная учеными информация позволит модифицировать топливо таким образом, чтобы влияние каскадов на пузырьки было максимальным и процесс накопления газа значительно замедлился. Например, это можно сделать с помощью внесения в урановые таблетки необходимых добавок. Интересно, что оставшиеся пузырьки при этом станут сдвигаться от центра элемента к периферии, равномерно рассредотачиваясь в веществе. Это предотвратит их возможное объединение, которое грозит значительным ухудшением теплопроводности и последующим выходом топливного элемента из строя.
— Ядерное топливо в стандартных реакторах используется в лучшем случае на 7%, а его период работы в стандартных реакторах составляет около трех лет, после чего топливную сборку достают из реактора и начинают готовить к утилизации, — отметил доцент кафедры физики УрФУ Кирилл Некрасов. — Использование полученных данных при создании нового поколения ТВЭЛов способно повысить глубину выгорания топлива до 20%. При этом общий срок его эксплуатации увеличится примерно в три раза.
Центральный зал реакторного отделения первой очереди атомной электростанции
По словам эксперта, это напрямую повлияет на скорость образования ядерных отходов, сокращение количества которых является одной из основных целей исследователей.
— Хранение и транспортировка больших объемов ОЯТ — дорого и потенциально опасно, а для их захоронения на постоянной основе еще не существует надежных технологий, — рассказывает директор Экологического правового центра «Беллона» Александр Никитин. — Именно поэтому задача снижения количества отработавшего топлива должна быть в приоритете.
Согласно мнению эксперта, представленный способ вполне может стать одним из решений проблемы наряду со строительством более эффективных реакторов на быстрых нейтронах — в них накопление газов в топливе практически не препятствует его эксплуатации.
Опасный подъем
Дополнительная защита топлива от ксенона повлияет и на безопасность использования реакторов, считает Кирилл Некрасов.
— В частности, она не позволит газу скапливаться под оболочкой ТВЭЛа, что может вызвать перегрев и последующую за ним аварийную ситуацию, — уточнил ученый.
Кроме того, уменьшение количества газовых пузырей снизит риски разрушения топливных элементов, которые становятся хрупкими при слишком высокой концентрации ксенона и могут разрушиться прямо в ходе их изъятия из реактора.
О ценности проведенной научной работы заявили специалисты Высшей школы атомной и тепловой энергетики Санкт-Петербургского политехнического университета.
Сотрудник электрохимического комбината на участке, где происходит переработка высокообогащенного урана в низкообогащенный уран для изготовления топлива для АЭС
— Урановое топливо и так обладает низкими показателями теплопроводности, а наличие пузырей инертных газов снижает их еще сильнее, — считает старший преподаватель Высшей школы атомной и тепловой энергетики СПбПУ (вуз-участник проекта повышения конкурентоспособности образования «5-100») Максим Конюшин. — Понимание того, как происходит перемещение и схлопывание этих пузырей, действительно откроет возможности для более глубокого использования потенциала топливных элементов.
По словам эксперта, результаты исследований можно применить как при работе с перспективными реакторами, так и в отношении уже существующих установок, что позволит улучшить их эксплуатационные характеристики.
Однако имеются и более сдержанные оценки новой работы.
— Еще академик Игорь Курчатов писал о том, что таблетки ядерного топлива «вспучивают» и разрывают нанопузырьки изотопов инертных газов, — отметил профессор НИТУ «МИСиС» Александр Громов. — Представленная научная работа хоть и имеет ценность за счет предложенных подходов к совершенствованию ядерного топлива, но пока является теоретической. Для ее подтверждения необходимо проведение дополнительных практических экспериментов.
Ожидается, что работа по модификации ядерного топлива с учетом полученных учеными данных может продлиться около 10 лет. Их исследование получило грантовую поддержку Российского фонда фундаментальных исследований.
