На енергоблок №4 на Белоярската атомна електроцентрала в реактор на бързи неутрони БН-800 завърши първата в света програма за опитно-промишлена експлоатация на уран-плутониево МОКС-гориво с добавка на така наречените минорни актиниди – най-радиотоксичните и дългоживеещи компоненти, съдържащи се в отработеното ядрено гориво.
Три експериментални топлоотделящи касети, съдържащи америций-241 и нептуний-237, бяха заредени в активната зона на реактора през лятото на 2024 г. и успешно преминаха експлоатационен цикъл в рамките на три горивни микрокампании. След охлаждане в басейна за отлежаване облъчените касети ще бъдат насочени към следреакторни изследвания, които ще дадат количествена оценка за степента на трансформация и остатъчния изотопен състав.
МОКС-горивото представлява смес от оксиди на уран и плутоний, при което плутоният, извлечен от отработено гориво, се използва повторно като делящ се материал. Добавянето на минорни актиниди – нептуний, америций и кюрий – представлява следваща стъпка в развитието на затворения ядрен горивен цикъл. Тези елементи заемат малък дял в масата на отработеното гориво, но имат непропорционално голям принос към неговата радиотоксичност и остатъчно топлоотделяне. Характерно за тях са изключително дълги периоди на полуразпад, достигащи стотици хиляди години, което определя необходимостта от дългосрочна изолация при традиционните подходи за управление на отпадъците.
Утилизацията на минорните актиниди чрез т.нар. „изгаряне“ в реакторна среда е ключов елемент в концепцията за ядрена енергетика от четвърто поколение. В този процес, известен като трансмутация, дългоживеещите изотопи се превръщат под въздействието на неутронно поле в по-краткоживеещи или стабилни нуклиди. Реакторите на бързи неутрони са особено подходящи за тази цел, тъй като спектърът на неутроните позволява ефективно взаимодействие с тежките актиниди.
В Русия вече съществува опит с повторно включване в горивния цикъл на регенериран уран и плутоний. Включването на минорните актиниди представлява качествено нов етап, който може да доведе до съществено намаляване на екологичните рискове. По оценки на научните среди, при извеждане на минорните актиниди от отпадъчния поток може да се постигне радиационна еквивалентност между отпадъците и природния уранов ресурс в порядъци по-кратки срокове. Това означава значително намаляване на обема и разнообразието от отпадъци, изискващи дълбоко геоложко погребване.
Най-ефективният метод за управление на тези нуклиди е тяхното изгаряне в реактор. В момента се разработват няколко технологични подхода. Един от тях е хомогенното въвеждане на минорни актиниди директно в състава на МОКС-горивото. Друг подход е хетерогенното им разполагане – в отделни горивни пръти или сборки, разположени в специфични зони на реактора, което позволява по-гъвкав контрол върху неутронното поле и процесите на трансмутация.
Съществена роля играе и разработването на алтернативни горивни форми, като нитридното гориво тип СНУП, което притежава по-висока топлопроводност и по-добри неутронно-физични характеристики за работа с бързи реактори и високи концентрации на актиниди.
Александър Угрюмов, старши вицепрезидент по научно-техническа дейност в горивния дивизион, подчертава, че изгарянето на минорни актиниди не е еднократен експеримент, а дългосрочна стратегия. По думите му текущият етап има за цел да докаже технологичната реализуемост на концепцията, след което ще се премине към увеличаване на съдържанието на минорни актиниди в експерименталните сборки, както и към внедряване в други типове гориво и конфигурации.
Директорът на Белоярската АЕЦ Юрий Носов отбелязва, че се очаква значително намаляване на количеството минорни актиниди в отработеното гориво, но окончателните изводи ще бъдат направени след анализ на следреакторните изследвания. Тези резултати ще позволят да се потвърди ролята на технологията в рамките на балансиран ядрен горивен цикъл и да се оцени нейният принос за намаляване на радиоактивните отпадъци. Според него един енергоблок от този тип би могъл за около 60 години експлоатация да утилизира приблизително четири тона минорни актиниди, което превишава количествата, генерирани в няколко топлинни реактора.
Програмите за квалификация на МОКС-гориво с минорни актиниди се реализират в съгласуване с регулаторния орган, който е потвърдил безопасността на експлоатацията на иновативните горивни сборки. Производството на експерименталните касети е осъществено в Горно-химическия комбинат в Железногорск, където паралелно се разработват и нови технологии, включително изследователски реактор с течносолна среда, предназначен за индустриално усвояване на процесите по утилизация на минорни актиниди.
Технологиите за извличане и разделяне на минорни актиниди от отработено гориво са разработени от специалисти в областта на радиохимията и горивния цикъл, като е постигнато и технологично решение за включване на нептуний и америций в таблетките на уран-плутониевото МОКС-гориво. Това представлява ключова предпоставка за практическо затваряне на горивния цикъл и преминаване към ново поколение ядрени енергийни системи.
