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俄罗斯别洛亚尔斯克核电站完成全球首个含次锕系元素MOX燃料试点项目

4月22日,俄罗斯国家原子能公司新闻处报道,在别洛亚尔斯克核电站4号机组的BN - 800快中子反应堆中,全球首个工业使用铀钚MOX燃料且添加次锕系元素的试点项目顺利完成。

2024年夏季,三个含镅 - 241和镎 - 237的实验性燃料组件被装入反应堆堆芯,成功完成三个燃料循环。这些辐照过的燃料组件在乏燃料池冷却后,将被送去进行辐照后检验。

在第四代核能发展中,利用反应堆后燃法处置次锕系元素是关键。镎、镅和锔等次锕系元素在辐照燃料质量中占比小,但对放射性毒性和衰变热贡献大,其同位素半衰期极长,决定了废物与环境隔离的时间和条件。

俄罗斯在核燃料循环闭合计划中,已积累将后处理铀和钚重新引入核燃料循环的经验,但分离并处置次锕系元素才是解决放射性废物管理环境问题的关键。科学家估计,去除次锕系元素可使辐射当量化速度提高数百倍,长远看能显著减少需深层地质处置的放射性废物数量和种类。

处理次锕系元素最有效的方法是在反应堆中“燃烧”,快中子反应堆尤其适用,因其可将次锕系元素转化为更稳定或寿命更短的同位素(嬗变)。俄罗斯在开发此类设施方面经验丰富,别洛亚尔斯克核电站的BN - 600反应堆已运行超40年,BN - 800于2016年投入商业运行,首座量产型高功率快堆BN - 1200M也计划在此建设。

俄罗斯国家原子能公司(Rosatom)燃料事业部母公司TVEL JSC负责科学和技术活动的高级副总裁亚历山大·乌格留莫夫称,在反应堆中燃烧次锕系元素是长期战略,下一阶段计划提高实验性MOX燃料组件中次锕系元素含量,还计划在快堆氮化物MNUP燃料中添加次锕系元素并测试非均相燃烧。

别洛亚尔斯克核电站主任尤里·诺索夫指出,预计燃料中次锕系元素含量将显著降低,后续研究将验证技术理念,确定其在平衡燃料循环中的作用,预计可将最终处置的放射性废物量减少十倍。第四代核电站机组使用辐照燃料而非储存,有助于提高核电环境友好性和能源潜力,约60年运行期间可处置约4吨次锕系元素。

含次锕系元素的MOX燃料鉴定工作与俄罗斯联邦环境、技术和核监督局(Rostekhnadzor)严格协调进行,该局确认了创新型燃料组件的运行安全性。试验样件由位于热列兹诺戈尔斯克的矿业化工联合体制造,该联合体正在建设研究型熔盐反应堆以开发工业规模处置技术。博赫瓦罗夫研究所的科学家开发了从乏核燃料中提取和分离次锕系元素的工业技术,还与联合体合作开发了将镎和镅掺入铀钚MOX燃料芯块的技术。

次锕系元素是超铀元素,在核反应堆运行中形成,包括镎、镅和锔,自然界不存在,只能通过核反应产生,具有强放射性和毒性,是放射性废物中的危险成分。

第四代核电系统(G4NS)旨在提高燃料效率、增强安全性、提高能源效率并减少乏核废料。俄罗斯在G4NS研发方面处于领先,别洛亚尔斯克核电站的BN - 1200M机组已启动预设计工作,托木斯克州一座采用BREST - OD - 300反应堆并配备现场闭式核燃料循环系统的核电站正在建设中。

快中子反应堆以液态金属为冷却剂,能高效利用二次燃料循环产物,增殖效率高,可“后燃”高放射性超铀元素,而热中子反应堆仅利用约1%的铀。

俄罗斯国家原子能公司的创新技术基于俄罗斯核科学尖端成果,符合环境、社会和治理(ESG)议程,凝聚了众多专业人员心血,工业企业与科研机构紧密合作增强了国家技术自主性,提升了国内核工业竞争力。


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