MOX-bränsle ( M ixed- Ox ide fuel ) är kärnbränsle som innehåller flera typer av oxider av klyvbara material. I grund och botten tillämpas termen på en blandning av oxider av plutonium och naturligt uran , anrikat uran eller utarmat uran , som beter sig i betydelsen av en kedjereaktion som liknar (men inte identisk) med låganrikad uranoxid. MOX kan användas som extra bränsle för den vanligaste typen av kärnreaktorer : lätt vatten på termiska neutroner . En mer effektiv användning av MOX-bränsle är dock förbränning i snabba neutronreaktorer [1] . Prioriteten i utvecklingen av sådana reaktorer tillhör Ryssland [2] .
Användningen av SNF-upparbetning och användningen av separerat plutonium i form av MOX-bränsle i termiska reaktorer gör det möjligt att minska behovet av uran med upp till 30 %.
Innehållet av plutoniumoxid i MOX varierar från 1,5 till 25-30 viktprocent.
En av de attraktiva egenskaperna hos MOX-bränsle är att dess produktion irreversibelt kan göra sig av med överskott av plutonium av vapenkvalitet , som annars skulle vara radioaktivt avfall [3] [4] [5] eller skulle kunna användas för att skapa kärnvapen. En sådan disposition förutsågs enligt plutoniumdispositionsavtalet mellan USA och Ryssland, men genomfördes inte i betydande volymer.
MOX-bränsle kan också erhållas genom att bearbeta bestrålat bränsle från kraftreaktorer i kärnkraftverk . I upparbetningsprocessen frigörs plutoniumisotoper från det, till exempel för bränsle efter en tillräckligt lång kampanj, nästan två tredjedelar är Pu-239 och Pu-241 isotoper (klyvbara i termiska neutronreaktorer), och ungefär en tredjedel - Pu-240 [6] [7] . På grund av ett så högt innehåll av 240-isotopen kan plutonium som erhålls genom upparbetning inte användas för att tillverka tillförlitliga och förutsägbara kärnvapen [8] [9] . Samtidigt följer IAEA konservativa principer och kräver för sådant plutonium (även som en del av en MOX-blandning) samma höga skyddsnivå som för material av direkt användning ( engelska direct use material ), till exempel anrikat plutonium, uran-233, höganrikat 235 uran [10] [9] [11] .
Plutonium utgör cirka 1 % av det bestrålade kärnbränslet. Ungefärligt isotopförhållande: Pu-239 52 %, Pu-240 24 %, Pu-241 15 %, Pu-242 6 %, Pu-238 2 %. Alla av dem är antingen klyvbara material eller kan omvandlas till klyvbara material genom transmutationsprocessen. Pu-242 kräver till exempel tre neutroner för att bli Curium -245 [12] .
I termiska neutronreaktorer kan en 30%-ig utbränning av plutonium från sammansättningen av MOX-bränsle uppnås [12] .
Nackdelarna med dess användning inkluderar ett mer instabilt tillstånd för bränslet, mycket strängare krav på kylnings- och reaktorstyrningslägen.
Användningen av MOX-bränsle gör det möjligt att återvinna använt "bränsle" och producera nytt blandat uran-plutoniumbränsle, där mängden energi som kan erhållas från naturligt uran ökas med cirka 100 gånger. Samtidigt, efter bearbetningen av SNF, minskas mängden radioaktivt avfall som är föremål för särskild bearbetning och bortskaffande med en multipel. Snabba neutronreaktorer kan också "bränna ut" långlivade (med en sönderfallstid på upp till tusentals och hundratusentals år) radioaktiva klyvningsprodukter och förvandla dem till kortlivade sådana med en halveringstid på 200-300 år, varefter de säkert kan begravas i enlighet med standardprocedurer och kommer inte att bryta mot jordens naturliga strålningsbalans [2] .
En stor producent av MOX-bränsle är den franska fabriken i Melox, som släpper ut 195 ton produkt på marknaden årligen.
Rosatom började industriell produktion av MOX-bränsle i september 2015 vid sin gruv- och kemiska anläggning i Zheleznogorsk . Designkapaciteten för uppstartskomplexet är 400 bränslepatroner per år och var tänkt att uppnås 2019, men den faktiska industriella produktionen började redan i augusti 2018, då den första seriella satsen bränslepatroner skickades till Beloyarsk kärnkraftverk [ 13] . Vid gruv- och kemifabriken kommer kärnbränsle att tillverkas av återvunnet material, inklusive högnivåplutonium. Mer än 20 företag inom kärnkraftsindustrin i Ryssland deltog i lanseringen av denna produktion.
MOX-bränsle tillverkas i Ryssland och vid pilotanläggningar hos andra Rosatom-företag: RIAR (Dimitrovgrad, Ulyanovsk-regionen) och Mayak Production Association (ZATO Ozersk, Chelyabinsk-regionen) [13] .
Andra länder arbetar också med att introducera MOX-bränsle i sina kärnkraftverks bränslecykel. Japans sjätte strategiska energiplan, som antogs i oktober 2021, föreskriver fortsatt användning av MOX-bränsle i lättvattenreaktorer. Det föreskriver också att arbetet med produktion av MOX-bränsle vid Rokkasho- fabriken ska fortsätta [14] .
Trots att Kinas prioriteringar på detta område inte har formulerats fullt ut, anses frågan om utsikterna för produktion och vidare användning av MOX-bränsle vara löst, och prioriteringarna för dess användning diskuteras [15] .
MOX-bränsle testades första gången 1963[ var? ] , men dess utbredda kommersiella användning i termiska reaktorer började[ var? ] först på 1980 -talet [2] . Användningen av MOX-bränsle i befintliga reaktorer kräver separat tillstånd, ibland krävs viss modifiering av reaktorerna, till exempel införande av fler styrstavar. Ofta utgör MOX-bränsle mellan en tredjedel och en halv av allt bränsle, eftersom stora mängder kräver betydande modifieringar eller en specialdesignad reaktor.
I Sovjetunionen var den första industriella snabba neutronreaktorn BN-350 ursprungligen planerad att lanseras på MOX-bränsle, den började fungera 1973 i Aktau och fungerade framgångsrikt till 1999.
Den andra kraftenheten installerades vid Beloyarsk NPP 1980 ( BN-600 ) och har fungerat smidigt till denna dag, 2010 förlängdes dess livslängd med 10 år, 2020 förlängdes den med ytterligare 5 år.
På samma plats togs en ny generations reaktor, BN-800 , i drift den 10 december 2015 ; det var också ursprungligen planerat att lanseras på MOX-bränsle, men det fanns ingen produktion av detta bränsle, och 2010, när bränsle skulle behöva laddas i reaktorn, var det inte klart. Sedan fick konstruktören ett brådskande uppdrag: att ersätta den designade MOX-zonen med en blandad, där en del av aggregaten skulle innehålla uranbränsle. Först i september 2022 sattes BN-800- reaktorn i enhet 4 i Beloyarsk NPP till full kapacitet för första gången, och var fullastad med oxid uran-plutonium MOX-bränsle [16] .
Tack vare lanseringen av denna reaktor kan Ryssland uppfylla sina åtaganden enligt det rysk-amerikanska plutoniumavyttringsavtalet från 2000, som föreskriver omvandling av 34 ton kärnladdningar till bränsle för kärnkraftverk. För närvarande upptar Ryssland den första platsen i världen i utvecklingen av teknik för konstruktion av snabba neutronreaktorer. Konstruktionen av BREST- och SVBR-
reaktorerna är också fokuserad på möjligheten att använda MOX-bränsle .
De största konsumenterna av MOX-bränsle är Japan (10 reaktorer licensierade) och EU-länder (40 reaktorer licensierade).
Endast fyra enheter i USA är designade för full MOX-laddning, tre System-80 PWR- enheter vid landets största kärnkraftverk, Palo Verde ( Tonopah , Arizona ), och en enhet under uppbyggnad i delstaten Washington [17] . Ingen reaktor i USA licensierades 2007 [18] .
Ett 40-tal termiska reaktorer i Europa ( Belgien , Schweiz , Tyskland, Frankrike) är licensierade att använda en kombination av konventionellt och MOX-bränsle [12] och ytterligare 30 är under licensiering. Faktum är att många av dem kan ha ungefär en tredjedel av sitt bränsle MOX, men vissa kan köra på 50 % MOX. Innan Fukushima-katastrofen planerade Japan att börja använda MOX i en tredjedel av sina reaktorer (till en början 2010), och godkände en plan för att bygga en ABWR- enhet som använder upp till 100 % MOX vid kärnkraftverket i Oma .
Från och med 2017 stod MOX för 5 % av allt nyproducerat kärnbränsle i världen; för Frankrike nådde denna siffra 10 % [19] .
Enligt World Nuclear Association har över 2 000 ton MOX-bränsle använts i kommersiella reaktorer genom historien, men 1,6 miljoner ton utarmat uran har samlats i lager runt om i världen. Endast på dessa reserver, exklusive använt kärnbränsle , kan snabba neutronreaktorer ge den nuvarande nivån på världens energiförbrukning i 326 år.
2022 genomförde Rosatom den första internationella leveransen av MOX-bränsle. Den är avsedd för CFR-600- reaktorn vid Xiapu NPP och producerades under ett kontrakt från 2018 [20] .
MOX-bränsle som innehåller oxider av torium och plutonium testas också [21] .
Innehållet av oförbränt plutonium i använt MOX-bränsle från termiska reaktorer är betydande - mer än 50 % av den ursprungliga plutoniumlasten. Under MOX-förbränning sjunker dock förhållandet mellan klyvbara (udda) och icke-klyvbara (jämna) isotoper från cirka 65 % till 20 %, beroende på utbränning. Detta gör alla försök att utvinna klyvbara isotoper svårt. Sådant använt bränsle är svårare att bearbeta för ytterligare återanvändning av plutonium. Regelbunden bearbetning av tvåfas använt MOX-bränsle är svårt på grund av den låga lösligheten av PuO 2 i salpetersyra [22] .
Från och med 2015 inträffade den enda demonstrationen av dubbelt upparbetat bränsle med hög utbränning vid Phoenix snabbneutronreaktorn [22] .
| Energi | |||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| struktur efter produkter och branscher | |||||||||||||||||||||||||||
| Kraftindustri : el |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Värmetillförsel : värmeenergi |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Bränsleindustri : bränsle _ |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Lovande energi : |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Portal: Energi | |||||||||||||||||||||||||||