MOX-brændsel ( M ixed- Ox ide fuel ) er nukleart brændsel, der indeholder flere typer oxider af fissile materialer. Grundlæggende anvendes udtrykket på en blanding af oxider af plutonium og naturligt uran , beriget uran eller forarmet uran , som opfører sig i betydningen en kædereaktion, der ligner (men ikke identisk) med lavberiget uranoxid. MOX kan bruges som ekstra brændsel til den mest almindelige type atomreaktorer : let vand på termiske neutroner . En mere effektiv anvendelse af MOX-brændsel er dog forbrænding i hurtige neutronreaktorer [1] . Prioriteten i udviklingen af sådanne reaktorer tilhører Rusland [2] .
Anvendelsen af SNF-oparbejdning og brugen af separeret plutonium i form af MOX-brændsel i termiske reaktorer gør det muligt at reducere behovet for uran med op til 30 %.
Indholdet af plutoniumoxid i MOX varierer fra 1,5 til 25-30 vægt%.
En af de attraktive egenskaber ved MOX-brændstof er, at dets produktion irreversibelt kan bortskaffe overskydende plutonium af våbenkvalitet , som ellers ville være radioaktivt affald [3] [4] [5] eller kunne bruges til at skabe atomvåben. En sådan bortskaffelse var forudset under plutoniumdispositionsaftalen mellem USA og Rusland, men blev ikke udført i væsentlige mængder.
MOX-brændstof kan også opnås ved at behandle bestrålet brændsel fra kraftreaktorer på atomkraftværker . I processen med oparbejdning frigives plutoniumisotoper fra det, for eksempel til brændstof efter en tilstrækkelig lang kampagne, næsten to tredjedele er Pu-239 og Pu-241 isotoper (fissile i termiske neutronreaktorer), og omkring en tredjedel - Pu-240 [6] [7] . På grund af et så højt indhold af 240-isotopen kan plutonium opnået ved oparbejdning ikke bruges til at fremstille pålidelige og forudsigelige atomvåben [8] [9] . Samtidig overholder IAEA konservative principper og kræver for sådant plutonium (selv som en del af en MOX-blanding) det samme høje beskyttelsesniveau som for materialer til direkte brug ( engelsk direct use material ), for eksempel beriget plutonium, uran-233, højt beriget 235 uran [10] [9] [11] .
Plutonium udgør omkring 1% af det bestrålede nukleare brændsel. Omtrentlige isotopforhold: Pu-239 52%, Pu-240 24%, Pu-241 15%, Pu-242 6%, Pu-238 2%. Alle af dem er enten fissile materialer eller kan omdannes til fissile materialer gennem transmutationsprocessen. For eksempel kræver Pu-242 tre neutroner for at blive Curium -245 [12] .
I termiske neutronreaktorer kan der opnås en 30% forbrænding af plutonium fra sammensætningen af MOX-brændsel [12] .
Ulemperne ved dets anvendelse omfatter en mere ustabil tilstand af brændstoffet, meget strengere krav til afkøling og reaktorkontroltilstande.
Brugen af MOX-brændsel gør det muligt at genanvende brugt "brændsel" og producere nyt blandet uran-plutonium-brændsel, hvor mængden af energi, der kan opnås fra naturligt uran, øges med omkring 100 gange. Samtidig, efter behandlingen af SNF, reduceres mængden af radioaktivt affald , der er genstand for særlig behandling og bortskaffelse, med et multiplum. Hurtige neutronreaktorer er også i stand til at "brænde ud" langlivede (med en henfaldsperiode på op til tusinder og hundredtusinder af år) radioaktive fissionsprodukter og gøre dem til kortlivede med en halveringstid på 200-300 år, hvorefter de sikkert kan begraves i overensstemmelse med standardprocedurer og vil ikke krænke Jordens naturlige strålingsbalance [2] .
En stor producent af MOX-brændstof er den franske fabrik i Melox, som bringer 195 tons produkt på markedet årligt.
Rosatom begyndte industriel produktion af MOX-brændstof i september 2015 på dets Zheleznogorsk-mine- og kemiske fabrik . Designkapaciteten af opstartskomplekset er 400 brændselselementer om året og skulle være opnået i 2019, men den faktiske industriel produktion begyndte allerede i august 2018, da den første serie af brændselselementer blev sendt til Beloyarsk NPP [ 13] . På mine- og kemikalieanlægget vil nukleart brændsel blive produceret af genbrugsmaterialer, herunder plutonium på højt niveau. Mere end 20 virksomheder fra den nukleare industri i Rusland deltog i lanceringen af denne produktion.
MOX-brændstof fremstilles i Rusland og på pilotanlæg hos andre Rosatom-virksomheder: RIAR (Dimitrovgrad, Ulyanovsk-regionen) og Mayak Production Association (ZATO Ozersk, Chelyabinsk-regionen) [13] .
Andre lande arbejder også på at introducere MOX-brændstof i brændselskredsløbet på deres atomkraftværker. Japans sjette strategiske energiplan, vedtaget i oktober 2021, giver mulighed for fortsat brug af MOX-brændsel i letvandsreaktorer. Den giver også mulighed for at fortsætte arbejdet med produktionen af MOX-brændstof på Rokkasho -fabrikken [14] .
På trods af, at Kinas prioriteter på dette område ikke er fuldt formuleret, anses spørgsmålet om udsigterne for produktion og videre anvendelse af MOX-brændstof for at være løst, og prioriteterne for dets anvendelse diskuteres [15] .
MOX-brændstof blev første gang testet i 1963[ hvor? ] , men dens udbredte kommercielle anvendelse i termiske reaktorer begyndte[ hvor? ] først i 1980'erne [2] . Brugen af MOX-brændsel i eksisterende reaktorer kræver særskilt tilladelse, nogle gange er der behov for en vis modifikation af reaktorerne, for eksempel indførelse af flere kontrolstænger. Ofte udgør MOX-brændsel mellem en tredjedel og halvdelen af alt brændsel, da store mængder kræver væsentlige modifikationer eller en specialdesignet reaktor.
I USSR var den første industrielle hurtige neutronreaktor BN-350 oprindeligt planlagt til at blive lanceret på MOX-brændstof, den begyndte at fungere i 1973 i Aktau og fungerede med succes indtil 1999.
Den anden kraftenhed blev installeret på Beloyarsk NPP i 1980 ( BN-600 ) og har fungeret problemfrit den dag i dag, i 2010 blev dens levetid forlænget med 10 år, i 2020 blev den forlænget med yderligere 5 år.
Samme sted blev en ny generationsreaktor, BN-800 , sat i drift den 10. december 2015 ; det var også oprindeligt planlagt at blive lanceret på MOX-brændsel, men der var ingen produktion af dette brændsel, og i 2010, hvor brændstof skulle fyldes i reaktoren, var det ikke klar. Derefter fik konstruktøren en presserende opgave: at udskifte den designmæssige MOX-zone med en blandet, hvor en del af samlingerne ville indeholde uranbrændsel. Først i september 2022 blev BN-800- reaktoren i enhed 4 i Beloyarsk NPP bragt til fuld kapacitet for første gang, idet den var fuldt lastet med oxid uran-plutonium MOX-brændstof [16] .
Takket være lanceringen af denne reaktor kan Rusland opfylde sine forpligtelser i henhold til den russisk-amerikanske plutoniumaftale fra 2000, som giver mulighed for omdannelse af 34 tons nukleare ladninger til brændstof til atomkraftværker. I øjeblikket indtager Rusland den første plads i verden i udviklingen af teknologier til konstruktion af hurtige neutronreaktorer. Designet af BREST- og SVBR-
reaktorerne er også fokuseret på muligheden for at anvende MOX-brændsel .
De største forbrugere af MOX-brændsel er Japan (10 reaktorer godkendt) og EU-lande (40 reaktorer med licens).
Kun fire enheder i USA er designet til fuld MOX-belastning, tre System-80 PWR- enheder på landets største atomkraftværk, Palo Verde ( Tonopah , Arizona ), og en enhed under opførelse i staten Washington [17] . Ingen reaktor i USA blev godkendt i 2007 [18] .
Omkring 40 termiske reaktorer i Europa ( Belgien , Schweiz , Tyskland, Frankrig) har licens til at bruge en kombination af konventionelt og MOX-brændsel [12] , og yderligere 30 er i gang med at udstede licenser. Faktisk kan mange af dem have omkring en tredjedel af deres brændstof MOX, men nogle kan køre på 50 % MOX. Før Fukushima-katastrofen planlagde Japan at begynde at bruge MOX i en tredjedel af sine reaktorer (oprindeligt i 2010), og godkendte en plan om at bygge en ABWR- enhed, der bruger op til 100 % MOX på Oma-atomkraftværket .
Fra 2017 tegnede MOX sig for 5 % af alt nyproduceret nukleart brændsel i verden; for Frankrig nåede dette tal op på 10 % [19] .
Ifølge World Nuclear Association er over 2.000 tons MOX-brændstof blevet brugt i kommercielle reaktorer gennem historien, men 1,6 millioner tons forarmet uran er blevet ophobet i lagre rundt om i verden. Kun på disse reserver, eksklusive brugt nukleart brændsel , kan hurtige neutronreaktorer levere det nuværende niveau af verdens energiforbrug i 326 år.
I 2022 udførte Rosatom den første internationale levering af MOX-brændstof. Den er beregnet til CFR-600- reaktoren på Xiapu NPP og blev produceret under en 2018-kontrakt [20] .
MOX-brændstof indeholdende oxider af thorium og plutonium er også ved at blive testet [21] .
Indholdet af uforbrændt plutonium i brugt MOX-brændsel fra termiske reaktorer er betydeligt - mere end 50 % af den oprindelige plutoniumbelastning. Men under MOX-forbrænding falder forholdet mellem fissile (ulige) og ikke-fissile (lige) isotoper fra omkring 65 % til 20 %, afhængigt af udbrænding. Dette gør ethvert forsøg på at udvinde fissile isotoper vanskeligt. Sådan brugt brændsel er vanskeligere at behandle til yderligere plutoniumgenbrug. Regelmæssig behandling af tofaset brugt MOX-brændsel er vanskelig på grund af den lave opløselighed af PuO 2 i salpetersyre [22] .
Fra 2015 fandt den eneste demonstration af dobbelt oparbejdet brændstof med høj forbrænding sted ved Phoenix hurtige neutronreaktoren [22] .
| Energi | |||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| struktur efter produkter og brancher | |||||||||||||||||||||||||||
| Elindustri : elektricitet |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Varmeforsyning : varmeenergi |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Brændstofindustri : brændstof _ |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Lovende energi : |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Portal: Energi | |||||||||||||||||||||||||||