俄罗斯完成全球首次次锕系元素MOX燃料试运行

全球首个在钚铀混合氧化物(MOX)燃料中添加次锕系元素的试运行计划已在俄罗斯Beloyarsk核电站4号机组的BN-800快中子反应堆中完成。次锕系元素是乏燃料中包含的最具放射毒性和最长寿命的成分。

三个包含镅-241和镎-237的试验燃料组件于2024年夏季装入反应堆堆芯，并在三个燃料微循环中成功完成了运行循环。在乏燃料池中冷却后，辐照过的组件将被送去进行堆后研究。

通过动力反应堆中的燃耗实现次锕系元素的再循环是第四代核能发展的关键。次锕系元素是一组在反应堆运行期间在核燃料中形成的超铀元素。它们包括镎、镅和锔，在自然界中不存在，仅通过核反应产生。它们在辐照燃料质量中仅占很小份额，但却对其放射性毒性和余热产生做出不成比例的贡献。次锕系元素同位素的半衰期非常长（数十万年），正是它们的存在决定了废物与环境隔离的时间框架和条件。

作为闭式核燃料循环的一部分，俄罗斯已在核燃料循环中再利用再生铀和主要锕系元素钚方面拥有经验。然而，正是乏燃料的分离和次锕系元素的后续处置可以解决放射性废物管理的主要环境问题。去除次锕系元素将使核废物达到原始铀原料辐射等效性的速度加快数百倍。未来，这将显著减少需要深地质处置的放射性废物的体积和范围。

处置次锕系元素最有效的方法是在反应堆中燃烧。俄罗斯正在开发多项技术，允许多种方式燃烧次锕系元素。快中子反应堆尤其适合此用途。通过嬗变，它们会变成更稳定或短寿命的同位素。俄罗斯在快堆方面拥有丰富的经验。除了2016年开始运行的BN-800外，Beloyarsk核电站3号机组的BN-600已运行40多年。此外，首台系列化大功率快堆BN-1200M计划在Beloyarsk核电站5号机组建造。

“在反应堆中燃烧次锕系元素不是一次性操作，而是长期战略，”俄罗斯国家原子能公司燃料部母公司TVEL股份公司科技活动高级副总裁Alexander Ugryumov表示。“在将该解决方案转化为工业规模之前，我们展示了该理念可行的技术可行性。在下一阶段，我们打算增加MOX燃料试验组件中次锕系元素的含量。此外，我们计划将次锕系元素添加到用于快堆的高密度钚铀氮化物燃料中，并测试次锕系元素的非均匀燃烧。在这种情况下，次锕系元素不会混入钚铀燃料中，而是放置在单独的燃料棒或单独的组件中，这些组件将安装在反应堆的特定区域。”

Beloyarsk核电站主任Yuri Nosov指出：“我们预计燃料中次锕系元素的含量将显著减少，但这必须通过进一步的堆后研究来确认。研究结果将确认次锕系元素燃烧技术的概念，并确定其在平衡燃料循环中的作用和比重。预计这将有助于将送去最终隔离的放射性废物量减少数十倍。作为平衡核燃料循环的一部分，第四代动力机组将有助于提高核能的环保性和能源潜力，允许使用辐照燃料而不是储存燃料。在大约60年的运行期间，这将使用约4吨次锕系元素——这比几个热堆产生的还要多。”

含次锕系元素的MOX燃料鉴定计划是在联邦环境、技术和核监督局的严格协调下进行的，该局确认了创新组件的运行安全。含次锕系元素的实验性MOX组件在Zheleznogorsk的采矿与化学联合企业制造。

此外，目前正在GKhK的天然气化工联合企业建造研究性液态盐反应堆，这将允许在工业规模上开发次锕系元素再循环技术。从乏燃料中提取和分离次锕系元素的工业技术由莫斯科AA Bochvar无机材料研究所的科学家开发。同时，Bochvar研究所的科学家与国家化工联合企业共同创造了将镎和镅掺入钚铀MOX燃料片剂的技术。

通过我们的领先行业洞察力为您的业务提供竞争优势。