СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТОПЛИВОИСПОЛЬЗОВАНИЯ
В НОВЫХ ПОКОЛЕНИЯХ ВВЭР
Открытый и замкнутый топливные циклы. Ориентация основной части программы развития ядерной энергетики в СССР и в других странах на использование реакторов типа ВВЭР и ограниченные запасы дешевого урана делают актуальной задачу улучшения использования топлива.
Низкая стоимость урана в настоящее время, с одной стороны, и неосвоенность химической переработки отработавшего топлива АЭС с целью регенерации делящихся изотопов для повторного использования, а следовательно, ее дороговизна, с другой, в основном предопределяют открытый топливный цикл реакторов на ближайшую перспективу.
Для повышения экономичности открытого топливного цикла необходимо наиболее полное использование делящихся изотопов, как первичных, так и накопленных в ходе выгорания (вторичных). В существующих ВВЭР это обеспечивается использованием топливных решеток с водо-урановым отношением
около 2,0. Накопление с последующим использованием вторичных делящихся изотопов в этом случае незначительно и выгорают в основном исходные изотопы (уран-235). Совершенствование использования топлива в открытых топливных циклах путем некоторого увеличения водо-уранового отношения топливных решеток приводит к более глубокому выжиганию урана-235 и более слабому вовлечению сырьевого изотопа урана-238 в цикл. Вместе с тем даже полное выжигание урана-235, содержание которого в естественной смеси изотопов составляет 0,714% (что не представляется возможным в силу специфики выгорания ядерного топлива), позволило бы использовать лишь незначительную часть урана.
В современных реакторах с хорошими показателями топливоиспользования (отношения количества загружаемого делящегося материала к количеству шлаков в выгружаемом топливе около 1,0) удается использовать лишь 0,5—0,6% естественного урана. Причем резервы для улучшения использования топлива в этом случае не так уж высоки.
Основные резервы в сокращении расходов урана реакторами на тепловых нейтронах состоят в переходе к замкнутому топливному циклу с возвратом в них вторичных делящихся изотопов. В этом случае удельный расход урана определяется главным образом коэффициентом воспроизводства.
Для современных легководных реакторов с коэффициентом воспроизводства КВ % 0,5 - 0,6 экономия урана при переходе к замкнутому топливному циклу составила бы около 30%.
В этих условиях экономическая целесообразность замкнутого топливного цикла для реакторов на тепловых нейтронах может стать несомненной лишь при повышении коэффициента воспроизводства вместе с увеличением глубины выгорания топлива, обратно пропорционально которой падают расходы на переработку и изготовление топливных элементов.
Зависимость количества используемого в различных реакторах урана от коэффициента воспроизводства представлена на рис. 2.5. Из рисунка следует, что увеличение коэффициента воспроизводства с 0,6 до 0,8 или 0,9 позволяет увеличить использование урана более чем в 2 и 4 раза соответственно.
Рассмотрим, к примеру, расход урана частью ядерной энергетики, базирующейся на использовании реакторов типа ВВЭР при развитии ее мощности в соответствии с рис. 2.6. На представленном рисунке показаны два случая: ввод реакторов в эксплуатацию по определенной стратегии до 2020 г., далее они, отработав свой 30-летний ресурс, выводятся из эксплуатации и неограниченный во времени ввод реакторов. Расход топлива на реакторах другого типа, вводимых вместо отслуживших свой срок, не учитывается.
Рис. 2.5. Зависимость количества урана, используемого в замкнутых топливных циклах, от КВ
Рис. 2.6. Варианты изменения мощности реакторов типа ВВЭР в энергосистеме:
----------- ввод ВВЭР только до 2020 г. с последующим выводом из эксплуатации через
30 лет; — —---------- неограниченный ввод новых реакторов
На рис. 2.7 показаны расходы урана реакторами ВВЭР-1000 при работе в открытых (кривые 7) и замкнутых топливных циклах (кривые 2, 5). Причем замкнутый топливный цикл рассматривается при КВ = 0,5 и КВ = 0,75. Как следует из рисунка, переход к замкнутому топливному циклу и повышение КВ позволяют снизить расход естественного урана более чем в 2 раза. Следует также учитывать ограниченные запасы дешевого урана и увеличение его стоимости по мере роста потребления.
Таким образом, повышение КВ с увеличением глубины выгорания топлива составляет основное направление в улучшении использования топлива реакторов на тепловых нейтронах, что связано не столько с топливной технологией и промышленностью, сколько с физикой самих реакторов, резервы которой еще велики.
