В Томском Политехе смогли продлить срок службы ядерного топлива

Атомные станции малой мощности — это эффективный источник энергии для территорий Крайнего Севера и других удаленных регионов, где сложно и дорого доставлять топливо. Но как уменьшить расходы на эксплуатацию таких станций? Ученые Томского политехнического университета нашли способ увеличить длительность работы торий-уранового топлива — одного из наиболее подходящих для этих целей видов ядерного топлива. Их исследование было поддержано Российским научным фондом и опубликовано в журнале Annals of Nuclear Energy.

Что такое торий-урановое топливо

Торий-урановое топливо — ядерное топливо, которое использует изотоп тория Th-232 в качестве сырьевого материала и изотоп урана U-233 в качестве расщепляющегося материала. В реакторе Th-232 поглощает нейтроны и превращается в U-233, который является ядерным горючим. Этот процесс называется ядерной трансмутацией.

Торий-урановое топливо имеет несколько преимуществ по сравнению с урановым топливом, которое используется в большинстве существующих реакторов. Во-первых, торий более доступен, чем уран. По оценкам, запасы тория в природе в четыре раза больше, чем запасы урана. Во-вторых, торий-урановый цикл образует меньше плутония и других актинидов — радиоактивных элементов, которые представляют опасность для окружающей среды и могут быть использованы для создания ядерного оружия. В-третьих, торий-урановое топливо имеет более высокую энергетическую эффективность, чем урановое топливо. Оно выделяет больше энергии при делении одного атома и имеет большую степень выгорания — долю расщепленных атомов в общем количестве атомов топлива.

Как увеличить срок службы торий-уранового топлива

Одним из способов увеличить срок службы торий-уранового топлива является увеличение диаметра тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) — стержня из ядерного топлива, окруженного защитной оболочкой. ТВЭЛы располагаются в активной зоне реактора, где происходит цепная реакция деления.

Ученые Томского политеха провели расчеты, которые показали, что увеличение диаметра ТВЭЛа с 6 до 9 мм позволяет увеличить длительность работы ядерного топлива примерно на 75% при переходе на торий-урановый цикл. Это означает, что реактор может работать без замены топлива на 75% дольше, что снижает затраты на его обслуживание и повышает его конкурентоспособность.

При этом ученые убедились, что такое изменение не нарушает безопасность работы реактора. Они проверили, что при увеличении диаметра ТВЭЛа не происходит кризисов теплообмена — состояний, когда оболочка ТВЭЛа перегревается и может разрушиться. Они также проверили, что скорость течения теплоносителя — жидкости или газа, которая отводит тепло от ТВЭЛов — не превышает предельного значения.

Для эффективной работы реактора недопустимо достижение кризисов теплообмена, высоких показателей температур ядерного топлива и оболочки ТВЭЛа, а скорость течения теплоносителя не должна превышать предельного значения. Мы выяснили, что рост диаметра ТВЭЛ приводит к удовлетворительным значениям теплофизических параметров из-за снижения плотности теплового потока с поверхности ТВЭЛа
— доцент отделения ядерно-топливного цикла ТПУ Владимир Нестеров.

Что дальше

Политехники планируют провести аналогичное исследование для реакторов, работающих на торий-плутониевом топливе. Сейчас технология обращения с энергетическим плутонием не отработана, но перспективна — в природе его содержится в четыре раза больше, чем урана.

Также ученые хотят проверить свои расчеты экспериментально на модельном реакторе. Для этого им потребуется разработать и изготовить новые ТВЭЛы с увеличенным диаметром и провести испытания на специальном стенде.

Исследование может способствовать развитию атомной энергетики в России и за рубежом. Атомные станции малой мощности могут быть использованы не только для энергоснабжения отдаленных районов, но и для других целей: например, для обеспечения энергией промышленных объектов или для десалинации морской воды.

Какие перспективы у ториевого топлива

Ториевое топливо имеет большой потенциал для развития ядерной энергетики в будущем. Оно может обеспечить долгосрочную энергетическую безопасность, снизить зависимость от импорта урана, уменьшить объемы и опасность радиоактивных отходов и сделать ядерную энергетику более экологичной и экономичной.