Особенности воспроизводства топлива

Необходимость воспроизводства ядерного топлива возникает из-за того, что реакторы на тепловых нейтронах выжигают не более 0,5 % природного урана, загруженного в реактор (т. к. делится только ²³⁵U).

Основной характеристикой накопления топлива из пороговых изотопов является коэффициент воспроизводства (КВ)

M_т0 - масса топлива, загружаемого в реактор;

M_т - масса топлива, выгружаемого из реактора.

Коэффициент воспроизводства топлива для всех реакторов повышает эффективность использования топлива. Рассмотрим тепловой реактор с КВ < 1 в замкнутом топливном цикле. Тогда после n циклов перегрузки данного топлива масса топлива составит.

Т. е. в реакторе типа ВВЭР, где КВ» 0,5 эффетивность использования топлива за счет регенерации и повторной загрузки увеличивается не более чем в 2 раза.

Для увеличения эффективности использования топлива необходимо увеличивать КВ. Реакторы на быстрых нейтронах позволяют получить КВ > 1, что значительно повышает эффективность использования сущетсвующего топлива, а также использование в качестве топлива обедненых (отвальных) руд.

Рассмотрим баланс нейтронов в реакторе:

eh - коэффициент размножения на быстрых и тепловых нейтронах (источник)

1 - использование нейтронов для подержания цепной реакции.

q - утечка и поглощение в конструкционных материалах.

КВ - поглощение нейтронов в элементах, использующихся для воспроизводства топлива.

Из формулы видно, что для увеличения КВ необходимо уменьшать бесполезную утечку и захват нейтронов. Для уменьшения паразитного захвата необходимо использовать более высокое обогащение топлива.

Коэффициенты e, n и a зависят от энергии нейтронов.

e несколько повышается при увеличении средней энергии нейтронов (т. к. больше нейтронов находятся выше энергии деления пороговых элементов)

n_теп^Pu» 2,78 a_теп^{ЗгЗгглотлдоэ}

^жэжюэPu = 0,39

n_б^Pu» 3 a_б^Pu = 0,1

Очевидно, что при повышении энергии КВ увеличивается и при переходе на быстрые нейтроны КВ реакторов с U топливом становится > 1, а для реакторов с Pu топливом достигает 1,5. Т. е. использование ²³⁹Pu, получаемого в реакторах более эффективно.

Еще более эффективно использование Th топлива, для которого за счет высоких размножающих характеристик ²³³U.

КВ в реакторах с Th топливом достигает 1 даже в реакторах на тепловых нейтронах.

Рассмотрим замкнутый топливынй цикл:

t₂ - время удвоения топлива - время в течение которого количество топлива увеличивается в 2 раза.

t₂ определяется длительностью на каждой операции топливного цикла.

- увеличение массы топлива.

Рост энергопотребления составляет 5 % в год для обеспечения энергетики топливом для покрытия этого прироста необходимо иметь

, где t = 1 год t₂» 14 лет.

t₂ можно уменьшить за счет сокращения времени топливного цикла, а также за счет увеличения выгорания топлива (ограничивается надежностью твэлов).