О некоторых особенностях магнитоплазменной переработки отработанного ядерного топлива
Рассмотрены особенности плазменной переработки отработанного ядерного топлива (ОЯТ) на разных стадиях. Оценены энергозатраты, сопровождающие этот процесс. Рассмотрена возможность сепарации актиноидов плазменным методом. The perculiarities of spent fuel plasma processing in different stages are consi...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108945 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | О некоторых особенностях магнитоплазменной переработки отработанного ядерного топлива / В.Б. Юферов, В.О. Ильичева, О.С. Друй, С.В. Шарый // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 191-193. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860258129910956032 |
|---|---|
| author | Юферов, В.Б. Ильичева, В.О. Друй, О.С. Шарый, С.В. |
| author_facet | Юферов, В.Б. Ильичева, В.О. Друй, О.С. Шарый, С.В. |
| citation_txt | О некоторых особенностях магнитоплазменной переработки отработанного ядерного топлива / В.Б. Юферов, В.О. Ильичева, О.С. Друй, С.В. Шарый // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 191-193. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Рассмотрены особенности плазменной переработки отработанного ядерного топлива (ОЯТ) на разных стадиях. Оценены энергозатраты, сопровождающие этот процесс. Рассмотрена возможность сепарации актиноидов плазменным методом.
The perculiarities of spent fuel plasma processing in different stages are considered. Energy lossеs, accompanying this process are estimated. Possibility of actinoids' separation by plasma method is presented.
Розглянуто особливості плазмової переробки відпрацьованого ядерного палива (ВЯП) на різних стадіях. Оцінені енерговитрати, супроводжуючі цей процес. Розглянута можливість сепарації актиноїдів плазмовим методом.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:51:34Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 191
УДК 621.039.643
О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ МАГНИТОПЛАЗМЕННОЙ
ПЕРЕРАБОТКИ ОТРАБОТАННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
В.Б. Юферов, В.О. Ильичева, О.С. Друй, С.В. Шарый
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
E-mail: v.yuferov@kipt.kharkov.ua
Рассмотрены особенности плазменной переработки отработанного ядерного топлива (ОЯТ) на разных
стадиях. Оценены энергозатраты, сопровождающие этот процесс. Рассмотрена возможность сепарации ак-
тиноидов плазменным методом.
Решением проблемы непрерывного накопления
ОЯТ с реальным снижением радиотоксичности и
количества подлежащих захоронению отходов явля-
ется переработка ОЯТ с извлечением урана и плуто-
ния и использование последних в смешанном ок-
сидном (U, Pu)O2 МОХ-топливе (рециклирование
топлива для реализации замкнутого топливного
цикла) [1]. При этом основная фракция урана и плу-
тония (99,9 %) извлекается из ОЯТ и перерабатыва-
ется в топливо, а в отходах высокого уровня актив-
ности (продукты деления с массой, приблизительно
равной 0,1 массы ОЯТ) остается малая часть урана и
плутония, которая и отправляется на вечное хране-
ние в геологическое хранилище. Такой процесс в
промышленных масштабах используется в странах
Западной Европы, где МОХ-топливо составляет до
30 % загрузки реакторов. В России также строится
завод по изготовлению МОХ-топлива. В США ис-
пользуется открытый топливный цикл. Представля-
ется, что рециклирование топлива может стать ре-
шением проблемы, однако, постоянное накопление
в МОХ-топливе актиноидов ограничивает процесс
рециклирования топлива [1]. На Рис.1 представлены
цепочки деления урана и преобразования актинои-
дов.
Mz80
35 ↔ Mz135
57 Mz80
35 ↔ Mz135
57
U238
92 U239
92 Np239
93 Pu239
94 ↑ Pu240
94 Pu241
94 ↑ Pu242
94
↓
Am241
95 Am242
95 Cm242
95
Mz80
35 ↔ Mz135
57
U235
↑ U236 U237 Np237
→ Np235 Pu235 U232
↓
Pu236
← Np236
Рис.1. Цепочки деления урана и преобразования актиноидов. Вертикальные и горизонтальные
стрелки – процессы, приводящие к превращениям актиноидов (α, β-распад, захват нейтрона).
Ддвойная стрелка – процесс деления, Mz - продукты деления
.
В процессе рециклирования топлива сгорают де-
лящиеся изотопы плутония 239Рu и 241Рu, и продол-
жают накапливаться высокотоксичные элементы,
неделящиеся в тепловом спектре нейтронов, изотопы
240Рu и 242Рu и малые актиноиды (МА), энергетиче-
ский порог деления которых лежит на уровне 1 МэВ.
И, как известно, стратегическим выходом здесь яв-
ляются реакторы на быстрых нейтронах. Кроме того,
стоимость переработки ОЯТ и изготовления смешан-
ного уран-плутониевого топлива оказалась выше, чем
ожидалось, в 4 раза. Тем не менее страны, построив-
шие большие радиохимические заводы (Франция,
Англия, Япония, Россия), продолжают перерабаты-
вать ОЯТ легководных реакторов, покрывая затраты
увеличением тарифов на электроэнергию, произво-
димую АЭС (~ 0,3 цента /кВт⋅ч). В то же время США
отказываются от переработки ОЯТ, предпочитая
длительную выдержку, что оказывается дешевле
(добавка за хранение составляет 0,1 цента/кВт⋅ч). Но
при этом возрастают экологические риски, обуслов-
ленные накоплением радиоактивных отходов (РАО).
Выделение актиноидов из ОЯТ снижает радиоак-
тивность на 10% и массу захороняемых РАО при-
близительно в 20 раз. В то же время альтернативные
пьюрекс-процессу экологически более чистые тех-
нологии переработки ОЯТ, в частности, газофто-
ридная и магнитоплазменная, пока не отработаны.
Основой магнитоплазменного метода является
перевод ОЯТ в плазменную фазу, что является дос-
таточно энергозатратным процессом. Поскольку
ОЯТ − это смесь изотопов элементов, находящихся
по меньшей мере в трех состояниях: твердом, ад-
сорбированном и газообразном, то первичная сепа-
рация может быть начата с откачки газов, десорбции
адсорбатов и устранения относительно летучих ве-
ществ с высокими упругостями пара. Этот процесс
достаточно эффективен, поскольку только газы
криптон и ксенон уносят более 10 % массы продук-
тов деления ОЯТ и часть радиоактивности. Процесс
перевода в плазменную фазу целесообразно начи-
нать тогда, когда упругости паров элементов сред-
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 192
них масс-продуктов деления ОЯТ приближаются к
упругостям пара малых актиноидов − урана и плу-
тония.
Наиболее вероятные элементарные процессы,
происходящие при этом, схематически представле-
ны уравнениями, определяющими создание плазмы
из ОЯТ: диссоциация, диссоциативная ионизация,
ионизация, относящаяся к окислам урана, продуктам
деления (ΣПД М), малым актиноидам (МА),
UO2 +e UO +O +e;
UO2 +e U + O2 +e;
UO +e U + O +e;
e +UO2 UO+ + O+2e;
e +UO2 U++ O2 +2e;
e +UO2 U++ O + O +2e;
e +UO U++ O+2e;
ΣПД М+е =ΣПД М+ +2е;
Np, Pu, Am ,Cm+4e Np+,Pu+,Am+,Cm++8e.
80 100 120 140 160 180
4
8
12
Ï
îò
åí
öè
àë
è
îí
èç
àö
èè
, Â
Àòî ì í àÿ ì àññà, à .å .ì
Br
K r
R b
Sr
Y
Zr
N b
M o
Tc
R u
R h
Pb
Ag
C d
In
Sn
Sb
Te
J
Xe
Cs
Ba
La
C e
Pr Nd
Pm
C m
Eu
Gd
Tb Dy
Er
Lu
H f
Ta
Рис.1. Потенциалы ионизации элементов,
продуктов деления ОЯТ. Потенциалы ионизации
актиноидов: U, Pu, Np, Am, Cm, соответственно
равны 6,2; 5,7; 5,9; 5,99; 6,02 (В)
Рис.2. Сечения ионизации щелочно-земельных
металлов и меди [6], выбранные в качестве
имитаторов ОЯТ
Как видно из Рис.1 и 2 в процессе ионизации и
создания плазмы при низкой электронной темпера-
туре будет проходить вторая стадия сепарации, оп-
ределяющаяся существенным различием сечений
ионизации элементов с большими и меньшими по-
тенциалами ионизации. Часть элементов с более
высокими потенциалами ионизации ионизована не
будет и сконденсируется на стенках камеры вблизи
плазменного источника, тогда как плазма элементов
с меньшими потенциалами ионизации будет дви-
гаться вдоль магнитного поля [7]. Таким образом,
актиноиды очищаются от части продуктов деления
уже на стадии ионизации.
Связанные с созданием плазмы энергетические
потери выражаются как [4]:
Р(А,z)= Рл(А,z)+ Рр(А,z)+ Рт(А,z),
где Рл(А,z) – линейчатое излучение; Рр(А,z) –
рекомбинационное излучение; Рт(А,z) – тормозное
излучение. Для низкотемпературной плазмы,
Те~ 5 эВ, тормозным излучением, как и циклотрон-
ными потерями и потерями на перезарядку, можно
пренебречь.
Используя экспериментальные данные [4, 5],
можно сделать соответствующие оценки для много-
компонентной плазмы ОЯТ.
В [2] приведены энергетические затраты на раз-
деление магнитоплазменным методом многокомпо-
нентной плазмы ОЯТ, составляющие около
εei= 500 эВ/ei, (эВ на ион-электронную пару), или
56 кВт⋅ч/кг.
Рассмотрим данные [4] для водородной плазмы с
малыми добавками элементов легких (углерод −
1 %) и средних масс (железо − 0,1 %). Излучатель-
ные энергозатраты составляют 1 и 0,3 Вт/см3 плаз-
мы с плотностью 1014 см-3 при Те=12 эВ. Однако для
расчета удельных энергозатрат εei (эВ/еi) необходи-
мо знание времени жизни плазмы τ, εei=Р(А,z)τ/n.
Экспериментально полученные энергетические ве-
личины [5] для многокомпонентных плазм плотно-
стью ~1,7⋅1013…1014см-3 и Те≈10 эВ, имеющих со-
став: 40 %Ti, 53 %Kr, 4,2 %Xe, 2,4 %N2, 0,6 %O2
составляют −3,0 Вт/см-3; 88,9 %Кг, 7 %Хе, 4 %N2,
0,1 %O2 − 0,8 Вт/см-3; 40 %Тi, 55,5 %Н2, 1 %N2,
1 %O2, 2 %С, 0,5 %Fe − 2,3 Вт/см-3 при временах
жизни плазмы τ ≈ (1; 2; 1,5) мс соответственно. От-
сюда значения минимальной и максимальной вели-
чин удельных энергий ε(эВ/ei) соответственно рав-
ны: 0,18…1,06⋅103; 0,95…5,6⋅102; 0,2…1,2⋅103. Наи-
более вероятной величиной является максимальная.
Более точные оценки могут быть сделаны при учете
профилей плотности и температуры. Для плазмы
ОЯТ энергозатраты будут не менее представленных
выше величин.
Эти величины целесообразно сравнить с данны-
ми [3] энергозатрат на разделение изотопов урана
для электромагнитного однолучевого сепаратора
C-2 ИАЭ им. Курчатова, с токами пучка 5…15 мА,
для М=200 производительностью 50 мг/ч. Экстра-
поляция для М=240 дает производительность
m = 58,5 мг/ч. Общие энергозатраты сепаратора
С-2 таковы: магнитное поле − Wмагн=14 кВт, ускоре-
ние ионов − Wуск= 0,9 кВт, ионизация − Wи =1,3 кВт,
вакуумная система − Wвак=7,8 кВт, охлаждение −
Wохл=1 кВт. Суммарные энергозатраты равны 25 кВт,
на ускорение и создание плазмы − 2,4 кВт. Учитывая
последнее, получаем величину ε= 3,5⋅105 эВ/i. При-
чиной столь больших величин может быть интен-
сивное рециклирование при извлечении ионов попе-
рек магнитного поля. Действительно, площадь от-
верстия эмиссии ионного источника в 30-100 раз
меньше боковой поверхности разрядной камеры.
Отсюда следует, что для регенерации ОЯТ предпоч-
тительны системы с отбором ионов вдоль магнитно-
го поля.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 193
Как указывалось выше, накопление заурановых
элементов в МОХ-топливе ограничивает число цик-
лов регенерации и был бы желателен процесс извле-
чения нептуния, америция и кюрия из урано-
плутониевого топлива магнитоплазменным мето-
дом. Следует заметить, что из-за перекрытия масс
разделение по ларморовским радиусам невозможно.
Выше были приведены потенциалы ионизации ак-
тиноидов. При рассмотрении данных Рис.2 можно
сделать вывод, что вблизи порогов ионизации при
изменении величины Те величины сечений иониза-
ции могут существенно различаться, поэтому сис-
тема с несколькими каскадами ионизациии и осаж-
дения позволит провести грубое разделение элемен-
тов, т.е. провести очистку урана от заурановых эле-
ментов магнитоплазменным методом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. И.М. Неклюдов. Ядерная энергетика. Обраще-
ние с отработанным ядерным топливом и ра-
диоактивными отходами. Киев: «Наукова дум-
ка», 2006, с.253.
2. В.А. Жильцов, В.М. Кулыгин, Н.Н. Семашко,
А.А. Сковорода, В.П. Смиронов, А.В. Тимофеев,
Е.Г. Кудрявцев, В.И. Рачков, В.В. Орлов. Приме-
нение методов плазменной сепарации элементов
к обращению с ядерными материалами // Атом-
ная энергия. 2006, т.101, в.4, с.302-306.
3. Изотопы: Свойства. Получение. Применение /
Под редакцией В.Ю. Баранова. Москва, 2005.
4. К. Барнетт, М. Харрисон. Прикладная физика
атомных столкновений. Плазма / Перевод с
англ. В.И. Пистунович. М.: «Энергоатомиздат»,
1987.
5. Ю.В. Ковтун, А.И. Скибенко, Е.И. Скибенко,
Ю.В. Ларин, В.Б. Юферов. Излучение много-
компонентной плазмы импульсного отражатель-
ного разряда // Вестник "ХПИ". Тематический
сборник «Техника и электрофизика высоких на-
пряжений». 2009, в.39, с.91-99.
6. C.F.Barnett. et al. Atomic date for controlled fusion
research. ORNL-5207.V-II. 1977.
7. В.Б. Юферов, А.М. Егоров, С.В. Шарый,
О.С. Друй, В.О. Ильичева, М.О. Швец,
А.С. Свичкарь, Т.И. Ткачева. О некоторых осо-
бенностях сепарационных устройств с вращаю-
щейся плазмой в скрещенных электрическом и
магнитном полях // Вісник НТУ "ХПІ". 2011,
№60, с.103-116.
Статья поступила в редакцию 25.05.2012 г.
ON SOME PECULIARITIES OF SPENT FUEL MAGNETOPLASMA PROCESSING
V.B. Yuferov, V.O. Ilichova, O.S. Druy, S.V. Shariy
The perculiarities of spent fuel plasma processing in different stages are considered. Energy lossеs, accompany-
ing this process are estimated. Possibility of actinoids' separation by plasma method is presented.
ПРО ДЕЯКІ ОСОБЛИВОСТІ МАГНІТОПЛАЗМОВОЇ ПЕРЕРОБКИ
ВІДПРАЦЬОВАНОГО ЯДЕРНОГО ПАЛИВА
В.Б. Юферов, В.О. Ільїчова, О.С. Друй, С.В. Шарий
Розглянуто особливості плазмової переробки відпрацьованого ядерного палива (ВЯП) на різних стадіях.
Оцінені енерговитрати, супроводжуючі цей процес. Розглянута можливість сепарації актиноїдів плазмовим
методом.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-108945 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:51:34Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Юферов, В.Б. Ильичева, В.О. Друй, О.С. Шарый, С.В. 2016-11-18T15:39:59Z 2016-11-18T15:39:59Z 2012 О некоторых особенностях магнитоплазменной переработки отработанного ядерного топлива / В.Б. Юферов, В.О. Ильичева, О.С. Друй, С.В. Шарый // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 191-193. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108945 621.039.643 Рассмотрены особенности плазменной переработки отработанного ядерного топлива (ОЯТ) на разных стадиях. Оценены энергозатраты, сопровождающие этот процесс. Рассмотрена возможность сепарации актиноидов плазменным методом. The perculiarities of spent fuel plasma processing in different stages are considered. Energy lossеs, accompanying this process are estimated. Possibility of actinoids' separation by plasma method is presented. Розглянуто особливості плазмової переробки відпрацьованого ядерного палива (ВЯП) на різних стадіях. Оцінені енерговитрати, супроводжуючі цей процес. Розглянута можливість сепарації актиноїдів плазмовим методом. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Применение ускоренных пучков: детекторы и детектирование ядерных излучений О некоторых особенностях магнитоплазменной переработки отработанного ядерного топлива On some peculiarities of spent fuel magnetoplasma processing Про деякі особливості магнітоплазмової переробки відпрацьованого ядерного палива Article published earlier |
| spellingShingle | О некоторых особенностях магнитоплазменной переработки отработанного ядерного топлива Юферов, В.Б. Ильичева, В.О. Друй, О.С. Шарый, С.В. Применение ускоренных пучков: детекторы и детектирование ядерных излучений |
| title | О некоторых особенностях магнитоплазменной переработки отработанного ядерного топлива |
| title_alt | On some peculiarities of spent fuel magnetoplasma processing Про деякі особливості магнітоплазмової переробки відпрацьованого ядерного палива |
| title_full | О некоторых особенностях магнитоплазменной переработки отработанного ядерного топлива |
| title_fullStr | О некоторых особенностях магнитоплазменной переработки отработанного ядерного топлива |
| title_full_unstemmed | О некоторых особенностях магнитоплазменной переработки отработанного ядерного топлива |
| title_short | О некоторых особенностях магнитоплазменной переработки отработанного ядерного топлива |
| title_sort | о некоторых особенностях магнитоплазменной переработки отработанного ядерного топлива |
| topic | Применение ускоренных пучков: детекторы и детектирование ядерных излучений |
| topic_facet | Применение ускоренных пучков: детекторы и детектирование ядерных излучений |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108945 |
| work_keys_str_mv | AT ûferovvb onekotoryhosobennostâhmagnitoplazmennoipererabotkiotrabotannogoâdernogotopliva AT ilʹičevavo onekotoryhosobennostâhmagnitoplazmennoipererabotkiotrabotannogoâdernogotopliva AT druios onekotoryhosobennostâhmagnitoplazmennoipererabotkiotrabotannogoâdernogotopliva AT šaryisv onekotoryhosobennostâhmagnitoplazmennoipererabotkiotrabotannogoâdernogotopliva AT ûferovvb onsomepeculiaritiesofspentfuelmagnetoplasmaprocessing AT ilʹičevavo onsomepeculiaritiesofspentfuelmagnetoplasmaprocessing AT druios onsomepeculiaritiesofspentfuelmagnetoplasmaprocessing AT šaryisv onsomepeculiaritiesofspentfuelmagnetoplasmaprocessing AT ûferovvb prodeâkíosoblivostímagnítoplazmovoípererobkivídpracʹovanogoâdernogopaliva AT ilʹičevavo prodeâkíosoblivostímagnítoplazmovoípererobkivídpracʹovanogoâdernogopaliva AT druios prodeâkíosoblivostímagnítoplazmovoípererobkivídpracʹovanogoâdernogopaliva AT šaryisv prodeâkíosoblivostímagnítoplazmovoípererobkivídpracʹovanogoâdernogopaliva |