Плутоний и замыкание ядерного топливного цикла.

Аватар пользователя Лектор

На афтершоке много обсуждают атомную энергетику и ее будущее - быстрые реакторы, работающие на плутонии (тория в этом обзоре касаться не будем). Я хочу рассказать о малоизвестных аспектах замыкания.

Как известно, ядерная физика подарила нам возможность создать реактор, который при работе может превращать не поддерживающий цепную реакцию U238 в Pu239, т.е. сжигая делящийся материал нарабатывать новый. Более того, в специально сконструированном реакторе нарабатываться материала может больше, чем расходываться. Коэффициент, показывающий соотношение наработанного материала к затраченному называется Кв (воспроизводства). Теоретически, Кв может принимать значения вплоть до ~2, в реальных же быстрых реакторах, которые должны еще и электроэнергию вырабатывать он скорее всего попадет в диапазон 1.1-1.3 (современные варианты) 1.4-1.5 (перспективные).

Рассмотрим поподробнее, что такое воспроизводство топлива, на примере БН-1200. Итак, у БН-1200 кампания топлива (время между частичными перезагрузками) - 1 год, каждая ТВС находится в реакторе 4 лет, постепенно выгорая и  еще один год во внутриреакторорном хранилище. После чего ТВС извлекается, отмывается и отправляется в бассейн выдержки. В бассейне ей придется простоять, судя по французкому опыту 3-4 года. После этого ее можно переработать, извлечь оставшийся и вновь наработавшийся плутоний. Кроме такой сборки есть еще сборки боковых экранов воспроизводства, которые имеет смысл извлекать каждый год, выстаивать еще 4 года и так же перерабатывать.

Вся эта информация позволяет нам прикинуть цикл плутония: каждый год мы загружаем Х кг. плутония в реактор и извлекаем 1 Х начиная со второго года работы и 1.2Х начиная с 5ого (для БН). Но извлекаем в виде сборок, для того, что бы засунуть обратно, мы должны еще подождать 4-5 лет, пока сборки "остынут" и еще где-то полгода на переработку и фабрикацию новых сборок.

Таким образом получается, что за первые 5 лет мы вложим в реактор 5Х плутония, затем за счет воспроизводства нам начнется возвращаться плутоний темпом 0.2Х в год. Получается, что при работе реактора размножителя плутония на следующий реактор мы накопим аж за 25 лет работы первого! Осталось добавить, что для БН-1200 Х=2.1 тонны плутония, а в целом необходимый инвертарь плутония на каждый пускаемый блок - ~10 тонн. 



Рис. 1. Гибридный замкнутый цикл с БН-1200 и ВВЭР-1200.


Получившееся время удвоения топлива - 25 лет, характеризует темп, с которым мы можем строить новые блоки.  Количество блоков, которое мы сможем построить за T лет будет равно N = A*2^(T/D), где N - количество, A - стартовое количество блоков, которое зависит от инвертаря плутония на момент начала строительства, а D - как раз время удвоения топлива. 

Критично важной величиной становится величина стартового запаса плутония. Ситуация для России оценивается так:

- 92 тонны оружейного плутония находятся в боеголовках и стратегическом резерве
- 34 тонны мы должны по договору с США уничтожить путем сжигания в БН-800. (тема для отдельного большого поста, очень много нюансов)
- ~50 тонн плутония разного качества было выделено из ТВС разных реакторов
- ~100 тонн плутония находится в отработанном топливе РБМК и ВВЭР-1000, которое сейчас перерабатывать экономически нецелесообразно.

По поводу последнего хотелось бы отметить, что в современном реакторе с глубоким выгоранием нарабатывается плутоний, богатый четными изотопами (Pu-240, Pu-242, до 40%), которые не делятся и сильно ухудшают качество плутония, как топлива. Поэтому приходится последнюю цифру (100 тонн) половинить. 

Итак, мы можем сказать, что на 2020 год в России будет ~150 тонн плутония. Это позволит построить ~20 реакторов БН-1200. Я сделал простенькую модель воспроизводства плутония, на чуть более оптимистичных установках, и получил, что развиваясь от 150 тонн 360ый блок БН-1200 (из известного расчета) мы сможем позволить себе на 74 год развития.

Более того, серьезные исследователи из Курчатовского института Н. Пономарев-Степной и В. Цибульский, эту модель построили гораздо более внимательно, и получили вот такой график (слева - 2100 год, а не 2010): 

 



Ну что, есть идеи, как победить такой график?


 

Комментарии

Аватар пользователя Maximus
Maximus(11 лет 5 месяцев)

Ничего страшного с плутонием не происходит за обозримое время (сотня лет). Его всего-то переплавить достаточно, и будет как новый. Элементы бонбы деградируют, так что её нужно пересобирать периодически.

Аватар пользователя DimVad
DimVad(10 лет 6 месяцев)

Никакого креста тут нет. Есть - понимание того, что это "задача столетия". Можете предложить альтернативы ? Только, плиз, не фантастические, типа "энергия из вакуума", или "термоядерное топливо с луны"... ;-)

Аватар пользователя СекретнаяСволочь

Альтернативы нет. Вообще. Треш, угар и темные века впереди. С миллиардами трупов.

 Конечно возможно останутся энергообеспеченные островки цивилизации, в том числе и с помощью БНР.

Аватар пользователя СекретнаяСволочь

Альтернативы нет. Вообще. Треш, угар и темные века впереди. С миллиардами трупов.

 Конечно возможно останутся энергообеспеченные островки цивилизации, в том числе и с помощью БНР.

Аватар пользователя DimVad
DimVad(10 лет 6 месяцев)

Ну, основная альтернатива - "скромность потребления" ;-) Хотя, слово "альтернатива" тут не совсем верная. "Скромность" будет внедряться независимо от ЗЯТЦ ;-)

Аватар пользователя СекретнаяСволочь
Это тоже эротические фантазии. Что если "затянуть пояса" то все будет хорошо. Большинству населения некуда затягивать пояса.
Аватар пользователя DimVad
DimVad(10 лет 6 месяцев)

В конце 60-х годов добывали нефти и газа гораздо меньше, чем сейчас. А большинство населения жило вполне прилично... Ездили на трамваях, например...

Аватар пользователя Матрос Железняк
так и населения было меньше
Аватар пользователя DimVad
DimVad(10 лет 6 месяцев)

Население России в 1970 - 130 079 210

Население России в 2014 - 143 666 931


Примерно 9% разницы.

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D1%81%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%A0%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B8

Аватар пользователя СекретнаяСволочь

Вот видете какие умные дядки управляют страной. развалили СССР. Устроили демографическую катастрофу в 90-е. В итоге Россия подходит к "темным векам" самой подготовленной)).

Аватар пользователя constant
constant(10 лет 12 месяцев)

 "Получается, что при работе реактора размножителя плутония на следующий реактор мы накопим аж за 25 лет работы первого!" - Острецов , кажется, озвучивал срок = 50 лет (в 2 раза больше). Вааще грустно....

Комментарий администрации:  
*** отключен (космический клоун) ***
Аватар пользователя Пацифист
Пацифист(9 лет 7 месяцев)

"...каждая ТВС находится в реакторе 4 лет"


4 года


Такое ощущение, что русский для вас не родной язык

Аватар пользователя viewer
viewer(11 лет 5 месяцев)

Похоже выпало слово "около". Это видимо проблемы недостаточно внимательного редактирования

модель построили гораздо более внимательно тщательно

Аватар пользователя Лектор
Лектор(9 лет 9 месяцев)

Да, спешил хоть сколько-то поспать :).

Аватар пользователя Руслан
Руслан(11 лет 4 месяца)

.

Аватар пользователя Xexen
Xexen(10 лет 3 месяца)

Не понял???

Как количество новых комментариев сумело превысить количество комментариев?

Комментарий администрации:  
*** Мистер "Сомнительная Копипаста" ***
Аватар пользователя СекретнаяСволочь
сбой матрицы
Аватар пользователя S.I.
S.I.(10 лет 2 месяца)

сбой матрицы

Текстурки подвисают, бгг

 

Аватар пользователя SergeyVBNM
SergeyVBNM(11 лет 10 месяцев)

баг. иногда бывает, когда комменты трут (вроде бы)

Комментарий администрации:  
*** Зассыха, интеллектуально пресмыкающаяся перед США ***
Аватар пользователя S.I.
S.I.(10 лет 2 месяца)

Извиняюсь за оффтоп, но раз вы что называется "в теме" - подскажите (если знаете, конечно), есть ли какие-нибудь подвижки в технологии импульсного термояда? Где дейтериевую мишень "сжимают" плотным пучком лазера

Аватар пользователя DimVad
DimVad(10 лет 6 месяцев)

Американцы построили "мегамощную установку". По всем расчётам выходило, что "должно получиться". Результат - нихрена. Пытались оправдаться "ошибка в расчётах" (типа, программист виноват ;-)  ). Потом - "несимметричностью сжатия". Для справки - эту "несимметричность" педалируют уже лет 20. Были приняты меры - мишень заключалась в тонкую золотую оболочку. Нифига. Амеры пока тихо прикрыли это направление, и не пытаются запустить - говорят, что "нужна установка гораздо больше...." ;-)

Аватар пользователя Лектор
Лектор(9 лет 9 месяцев)

А эти установки делаются не для постулируемого светлого энергетического будущего, а для верификации параметров плотной термоядерной плазмы, для улучшения расчетов ядерного оружия. Так что в энергетике их особо не ждите.

Ну а так - Nif в прошлом году получил энерговыход 20 кдж с мишени, при вложении  в нее 10. Только вот вся установка на выстрел тратит 20 мдж.

Аватар пользователя DimVad
DimVad(10 лет 6 месяцев)

Всё верно. Но ожидалось превышение вот этих 20 мдж ;-)

Аватар пользователя Лектор
Лектор(9 лет 9 месяцев)

Кстати, как я понимаю, в серьезных статьях не ожидалось превышения термоядерного энерговыхода над энергией лазера (это где-то 1.7 мегаджоуля). Кроме того, у них какие-то серьезные проблемы на этапе между лазером и энергией, которая вошла в мишень.

Т.е. Q>1 для всей установки - это чистый пиар был. 

Аватар пользователя Homo 2.0
Homo 2.0(10 лет 11 месяцев)

Кроме лазеров инерционным удержанием балуются на Z-Machine

Для создания необходимого излучения в течение очень короткого периода менее 100 наносекунд электрический ток 20 миллионов ампер направляется одновременно через все 36 радиальных проводников. Тонкие вольфрамовые проволоки в центре испаряются, превращаясь в очень горячий ионизированный газ — плазму. Электрический импульс создаёт сильное магнитное поле в электропроводящей плазме, при этом происходит сжимание и нагревание — так называемый Пинч-эффект. Материал стенок, окружающих цилиндр, нагревается до температуры в несколько миллиардов градусов Кельвина. Это ведёт к тому, что цилиндр в течение одного момента излучает интенсивный рентгеновский импульс с пиковой мощностью 290 ТВт. Когда этот импульс достигает капсулы с дейтерием и тритием, она под давлением излучения сжимается до доли от их первоначального размера и нагревается. В течение нескольких наносекунд достигается мощность, в 80 раз превышающая потребление энергии на всей Земле.

В 2003 году учёным удалось с помощью импульса мощность 120 ТВт сжать капсулу на одну шестую часть своего первоначального размера. В этих условиях стало возможным образование из ядер дейтерия и трития ядра гелия. Ученые оценивают высвободившуюся энергию в 4 МДж.

Комментарий администрации:  
*** Средний россиянин нищ не только энергетически, но и мозгами (c) ***
Аватар пользователя AriesGoth
AriesGoth(9 лет 9 месяцев)

"каждый год мы загружаем Х кг. плутония в реактор и извлекаем 1 Х начиная со второго года работы" - а сколько нужно загружать в реактор U 235?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(9 лет 9 месяцев)

Примерно столько же, только вот АЗ возможно придется перепроектировать. 

Реакторы-конверторы - это и есть стартовое будущее ЗЯТЦ. 

Аватар пользователя psilar
psilar(11 лет 3 месяца)

~100 тонн плутония находится в отработанном топливе РБМК и ВВЭР-1000, которое сейчас перерабатывать экономически нецелесообразно.

Самое смешное, что и хранить это дело тоже экономически нецелесообразно. Отвод остаточного энерговыделения, системы спецвентиляции, системы мониторинга и т.д. и т.п Это всё стоит денег. Поэтому надо перерабатывать. Уши зятц в первую очередь отсюда растут.

Аватар пользователя Huch
Huch(11 лет 6 месяцев)

что при работе реактора размножителя плутония на следующий реактор мы накопим аж за 25 лет работы первого!

У вас ошибка в самом начале ваших вычислений.

На запуск второго реактора мы накопим нового топлива через 10 лет.

Через 5 лет по (0,2 в год) мы будем иметь необходимое количество "горячего" топлива, еще через 5 лет оно отлежится в бассейнах и хранилищах и будет переработано в новые ТВС. Третий реактор мы сможем запустить в работу уже через 15 лет от начала работы первого (топливо для него выгружалось с 6 по 10 годы работы). Через 20 лет мы сможем одновременно запустить четвертый (на топливе из первого реактора) и пятый (на топливе из второго) реакторы...

Аватар пользователя Лектор
Лектор(9 лет 9 месяцев)

Да нет там ошибки, гляньте например на схему на рис. 1 (схема от исследователей из курчатника, опубликована в журнале "Росэнергоатом" №1 за 2013 год), посмотрите потоки плутония в 6 блоков БН-1200 и из них. У меня еще все радужно, там (в схеме) Кв - 1.12

У вас просто в расчете получается, что 1.2 за первый год нарабатывается к полному объему плутония, который крутиться в блоке и его выдержке-переработке, а это не так - нарабатывается к объему в реакторе. А полное количество, которое нужно нам для работы - оно как минимум в 2 раза больше. 


Аватар пользователя Huch
Huch(11 лет 6 месяцев)

Хорошо. Сдвинем запуск второго реактора еще на 2-3-4 года. Все равно к 30 году мы будем иметь возможность строить по 2 реактора каждый год. К 40 - по 4 реактора каждый год.

Экспонента - штука очень злобная. При любом значении коэффициента размножения превышающем 1 мы в итоге сможем иметь любое нужное нам количество энергии.

А если вспомнить, что у нас есть некое начальное количество плутония, достаточное для запуска десятка (для примера) реакторов, то уже на 7-8 год мы можем запустить 11 и 12 реакторы только на вновь наработанном топливе....

UPD: внимательно посмотрел на представленный вами график из курчатника. Они решают совершенно другую задачу. Наработка топлива для массового строительства БН1200 их не интересует. Они занимаются переработкой отходов ВВЭР. И "замыкание" топливного цикла они видят именно в переработке и повторном использовании отходов ВВЭР в качестве МОКС-топлива для реактора ВВЭР.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(9 лет 9 месяцев)

Могу выложить файлик в экселе, где моделируется наработка плутония и темп ввода. Да, экспонента, да, понятно, что через 1000 лет будут миллионы плутония в год нарабатываться.

Аватар пользователя Huch
Huch(11 лет 6 месяцев)

Спасибо, было бы интересно посмотреть на ваш файл.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(9 лет 9 месяцев)

Вот. https://yadi.sk/d/sizPusQwbUpi3 Можно поиграться с коэффициентами, и со стартовым количеством плутония.

Аватар пользователя Huch
Huch(11 лет 6 месяцев)

Спасибо

Аватар пользователя psilar
psilar(11 лет 3 месяца)

Да и ещё бы неплохо оценить вклад в энерговыработку от деления урана-238. Он хоть и пороговый изотоп, в быстром спектре делиться тоже может.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(9 лет 9 месяцев)

Именно в энерговыработку? Ну, разработчики реакторов, конечно, оценивают. 

Более того, на быстром спектре при делении получается больше нейтронов, чем каноническое 2.3 на один акт на тепловом спектре, и это учитывается при расчете Кв - он может быть до 2 (т.е. 3 с лишним нейтрона на акт деления).

Аватар пользователя psilar
psilar(11 лет 3 месяца)

Здесь логика такая: в кв мы считаем количество наработанных изотопов плутония, к количеству сгоревших. Доспустим кв реактора 1.2, то есть к примеру на 10 грамм сгоревшего плутония наработалось 12 грамм плутония вторичного. Но если вклад от урана-238 составляет 10%, тогда на эти 12 грамм наработанного плутония сгоряет всего 9 грамм плутония плюс 1 грамм урана-238. А тепловая мощность сохраняется прежней.

Аватар пользователя kwaier
kwaier(10 лет 1 месяц)
Глубина проработки темы автором настолько велика, а картинки настолько красивы, что даже неудобно ему напоминать, что начальная загрузка БН1200 это не плутоний, а уран-235. Эта маленька деталь делает все выводы статьи ничтожными. Еще раз - текущий технический уровень быстрых реакторов не предназаначен для массового расширенного воспроизводства топлива, а предназначен, в первую очередь, для ПРОСТОГО ВОСПРОИЗВОДСТВА топлива. То есть загрузили один раз ценный уран-235, а дальше реактор нарабатывает топливо для себя сам.
Аватар пользователя Лектор
Лектор(9 лет 9 месяцев)

>начальная загрузка БН1200 это не плутоний, а уран-235.


Вы с БН-600 путаете. 

Вот слайд из презентации главного конструктора БН-1200

 

Аватар пользователя kwaier
kwaier(10 лет 1 месяц)
МОКС - это смесь урана и плутония. Урана, причем, значительно больше. Никто не будет разрабатывать реакторы с начальной загрузкой (и еще как минимум 2 следующие загрузки до выхода на самообеспечение) из плутония, так как его относительно мало. Урана 235, пока, вполне достаточно. Так что основной стартовый загрузочный материал на всех новых реакторах ближайшие лет 30 будет уран 235.
Аватар пользователя Лектор
Лектор(9 лет 9 месяцев)

Про изотопный состав там ничего нет, но в случае БН-1200 это плутоний 239 + U238, к сожалению подтвердить сейчас источником не могу, позже покопаюсь. В том же БН-800 235 уран в стартовой зоне только потому что не успели сделать достаточно количество МОКС.

Аватар пользователя kwaier
kwaier(10 лет 1 месяц)
Да, лучше покопайтесь. МОКС это оксиды: урана 238, урана 235, плутония 239, остальное в следовых количествах. Причем процентный состав с убыванием по указанному ряду, то есть урана 235 в МОКС значительно больше плутония. Как ни странно это логично. Так как получить уран 235 значительно легче, чем плутоний. Повторяюсь, НИКТО и НИКОГДА не станет разрабатыват реактор, который должен выйти в огромную серию, если для старта такого типа реактора мало топлива, не унижайте росатом, там еще советские корифеи сидят, а не "эффективные менеджеры".
Аватар пользователя Лектор
Лектор(9 лет 9 месяцев)

МОКС - это mixed oxides - смесь оксидов урана и плутония. Никакого отношения к изотопному составу это название не имеет. Сложившаяся практика, когда МОКС грузят в тепловые реакторы под давлением, предназначенные для работе на уране 235 никакого отношения к обсуждаемому здесь вопросу не имеет. Точка.

Насчет реактора на огромную серию - серия для БН-1200 на данный момент планируется 4 блока. Если будет принято решение о постройке 360 блоков, то еще не известно, что там будет. 

Аватар пользователя Knight
Knight(11 лет 4 месяца)

БН-1200 по проекту действительно должен стартовать на 17% плутонии, но насколько я понимаю, ничто не помешает для первоначальной загрузки реакторов использовать тот же U235. Это будет возможно  даже в рамках существующего проекта БН-1200. Даже если возникнут какие то ограничения, то ничто не помешает лишь слегка модифицировать параметры и создать такую модификацию, которая под это будет расчитана. С теоретической точки зрения никаких ограничений на это нет. Вполне вероятно, что к 2020 уран может стоить намного дороже чем сегодня, но физически его запасы еще должны быть. 

Аватар пользователя Dark Side
Dark Side(11 лет 6 месяцев)

Это ваши личный придумки. Пока реакторы БН серии даже на 20% МОКСе не гоняли. Никто не будет ставить не отработанную схему на проект. Плутоний куда злее и противнее урана. Тем более 100%. На данный момент предел мечтаний это 30% МОКС. Что на само деле более чем достаточно.

Аватар пользователя Gray
Gray(9 лет 8 месяцев)

Если я правильно понял - в рассчётах не учитывается верхняя ветка из картинки гибридного цикла (переработка ОЯТ ВВЭР). Те принимается его наличие как полезных ископаемых (100т) но не учитывается его наработка и возможное увеличение кол-ва обычных реакторов. Получившийся в итоге график - представляет ситуацию (действительно печальную) полного исчерпания природного урана и попытки вытащить именно на размножении топлива.

Пока ситуация не настолько плоха (картинка из жж AY, МАГАТЭ 2009) оценка добычи урана и стоимости его добычи: 

Low  (<40$ за кг). Low medium и High medium (40-80$ за кг). High (80$-130$ за кг). Very High (130$-260$ за кг).

Пока сверхдорогой уран мало рассматривается, но и это может поменяться.

 

Итого - пока - природного урана хватает, чтобы расширить базу для воспроизводства топлива и/или увеличить генерацию. Насколько именно увеличить, и сколько генерации можно получить используя гибридный цикл - нужно считать отдельно.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(9 лет 9 месяцев)

Да, очень правильный ответ на вопрос. Именно пока. Есть еще ВОУ, который сейчас по тратится на ВВЭР в т.ч., есть еще хвосты обогащения, которые сейчас прокручиваются по второму разу. 

Именно сотни тонн U235 довольно высокого обогащения (20-25%), конвертированные в Pu239 могут послужить стартовым запасом для ЗЯТЦ. 

Аватар пользователя Korkin
Korkin(11 лет 5 месяцев)

  А откуда данные о КВ для БН-1200? Я вот, допустим, предполагаю, что   этот показатель будет ближе к 1,3, а разработчик,  "ОКБМ Африкантов", обещает КВ = 1,45 (на смешанном нитридном топливе). Кому верить будем?
О запасах плутония.
  "- ~100 тонн плутония находится в отработанном топливе РБМК и ВВЭР-1000, которое сейчас перерабатывать экономически нецелесообразно."
  И чё, эта ситуация навечно? Эксперименты по производству новых видов топлива не ведутся?
  Кроме 100т. плутония там содержится ещё куча полезных для именно для быстрых реакторов изотопов, чьи характеристики даже лучше плутониевых. Решение вопроса по их вовлечению в ЯЦ, думаю, не за горами. По крайней мере, в рассмариваемую здесь перспективу на 25 лет, вписывается аж со свистом.
  О сроках "выдержки" отработанных ТВС.
  На кой, простите, нам "французский опыт"? Они работают с материалами "обычных" реакторов (разница принципиальная), а опыта эксплуатации промышленных БН-реакторов, как и опыта работы с полученным на них ОТ нет ни у кого в мире, кроме нас. За опытом - велкам к Росатому. Так что и этот параметр, кмк,  высосан... не знаю из чего.
  И посмотрим, чего ещё будет с БРЕСТ-ОД-300. Прорыв (с) возможен.

Аватар пользователя DimVad
DimVad(10 лет 6 месяцев)

Просто тут, на "афтешоке" были расчеты "с какой скоростью мы можем строить БН-ны, начиная с завтрашнего утра, чтобы усё ими заменить"...

Настоящий ответ звучит именно так : "Прорыв (с) возможен" ;-)

Страницы