Технически университет-софия Катедра Топлоенергетика и ядрена енергетика ДОКЛАД Въздействие на рециклирането на плутоний в реактори с вода под налягане върху материалния баланс на горивния цикъл и остатъчното енергоотделяне на отработеното гориво Златина Манчева
Въведение До 2040 година: Електропотреблението в световен мащаб ще нарастне с 30% (IEA) Ядрената енергетика ще стане втора по темп на развитие след възобновяемите енергийни източници (EIA) Нарастващ темп на електропотребление Ускорено развитие на ядрената енергетика Нарастващ темп на натрупване на ОЯГ В периода 2015-2018 г.: 20 стартирали строежи; 33 присъединени към електроенергийнте системи ЯЕБ; 20 спрени ЯЕБ;
Цел Изследване на различни възможности за рециклиране на плутоний в реактори с вода под налягане Анализират се ефектите на рециклирането върху: материалния баланс на горивните цикли; остатъчното енергоотделяне на отработеното гориво; големината на горивните разходи;
Ядрен горивен цикъл Отворен горивен цикъл Обогатен уран Производство на ядрено гориво () PWR ОЯГ Директно съхранение и погребване Затворен горивен цикъл РАО Обогатен уран Производство на ядрено гориво () PWR Преработка на ОЯГ ПД, МА ВАО САО НАО Pu Обеднен уран Производство на ядрено гориво (МOX) PWR ОЯГ Директно съхранение и погребване
Pu: стратегии за управление Имобилизиране на метала в стъклена или керамична матрица; Съхранение на материала за неопределен срок в хранилища с високи нива на физическа защита; Преработка в смесено уран-плутониево (МОХ) гориво и изгарянето му в енергийни реактори;
Рециклиране на плутония Оползотворяване на енергийното му съдържание; Намаляване на плутониевия инвентар; Спестявания на природен уран и разделителна работа; По-нисък дял на закъсняващите неутрони; Втвърден спектър на неутроните; Повишено генериране на минорни актиниди;
Утилизация на плутония в PWR Смесено гориво MIX (MOXEUS) хомогенна горивна касета с гориво, изработено от плутоний и обогатен уран, предназначена за многократно рециклиране
Постановка на задачата 1) 3 години (930,76 EFPD) 300 години Погребване 2) 3 години (930,76 EFPD) 10 години отлежаване MOX 3 години (930,76 EFPD) 300 години Погребване 3) 3 години (930,76 EFPD) 10 години отлежаване MIX 3 години (930,76 EFPD) 10 години отлежаване MIX 3 години (930,76 EFPD) 300 години Погребване 4) 3 години (930,76 EFPD) 10 години отлежаване MOX 3 години (930,76 EFPD) 10 години отлежаване MIX 3 години (930,76 EFPD) 300 години Погребване
Входни данни Нуклид MOX MIX () MIX (MOX) MIX (MIX) 235 U 0,28% 4,46% 4,46% 4,46% 238 U 92,72% 88,54% 88,54% 88,54% 238 Pu 0,25% 0,25% 0,25% 0,28% 239 Pu 3,58% 3,58% 2,51% 2,57% 240 Pu 1,8% 1,8% 2,19% 2,24% 241 Pu 0,7% 0,7% 0,82% 0,81% 242 Pu 0,67% 0,67% 1,23% 1,10% Гориво N η B φ x y w Pu T к. MW % MWd/ ttm % wt.% wt.% wt.% години 1000 33,0 62 000 85,0 4,8 - - 3 MOX 1000 33,0 62 000 85,0-0,3 7 3 MIX 1000 33,0 62 000 85,0 4,8-7 3
Концентрация на плутоний в ОЯГ, g/ttm Материални баланси 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 0.0 0.1 0.3 1.0 3.0 10.0 30.0 100.0 300.0 Време на отлежаване, години Неколкократно увеличаване на концентрацията на плутоний в сравнение с отворения горивен цикъл; С увеличаване на броя рециклирания концентрацията на плутоний в ОЯГ намалява;
22.30 20.26 26.30 13.87-1.89 20.74 18.84 24.45 12.90 20.74 18.84 24.45 12.90 20.74 18.84 24.45 12.90 Материални баланси MOX MIX (след ) MIX (след MIX) MIX (след MOX) Специфичен разход на природен уран, tтм/twh Специфично производство на обеднен уран, tтм/twh Специфичен разход на уранов концентрат, t/twh Специфична разделителна работа, tрр/twh Смесените горива се характеризират с: намаляване на нуждите от първичен ресурс; намаляване на нуждите от разделителна работа; консумация на обеднен уран при МОХ гориво;
Материални баланси 1) + 26,47 kg/twh 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 26,47 22.34 Брутно електропроизводство за цикъла, TWh Специфичен прираст на Pu, kgpu/twh 44.68-10,06 67.01 67.01-26,06-28,69 Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 30.0 20.0 10.0 0.0-10.0-20.0-30.0-40.0 2) + 26,47 kg/twh MOX - 46,59 kg/twh 3) + 26,47 kg/twh MIX - 39,02 kg/twh MIX - 65,63 kg/twh 4) + 26,47 kg/twh MOX - 46,59 kg/twh MIX - 65,96 kg/twh
Мощност, W/tTM Остатъчно енергоотделяне 1.00E+06 1.00E+05 1.00E+04 1.00E+03 1.00E+02 Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 0.10 1.00 10.00 100.00 1000.00 Време на отлежаване, години Прилагането на смесени уран-плутониеви горива оказва силно влияение върху енергоотделянето на отработените горива, което би затруднило управлението им по отношение на дългосрочно осигуряване на топлоотвеждането.
Остатъчно енергоотделяне Принос на плутония 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 0.1 0.3 1.0 3.0 10.0 30.0 100.0 300.0 Време на отлежаване, години Енергоотделянето, дължащо се на плутония в края на разглеждания период, намалява след всяко рециклиране. Това се дължи на натрупване на по-тежки трансуранови изотопи след всяка кампания. Извличането на плутония от отработеното гориво би допринесло за намаляване на енергоотделянето на материала, подлежащ на съхранение и погребване.
Икономическа оценка MOX MIX MIX MIX () (MIX) (MOX) Брутно електропроизводство, TWh 22,338 22,338 22,338 22,338 22,338 Маса на урановия концентрат, t 587,4-546,3 546,3 546,3 Маса на природния уран, ttm 498,1-463,2 463,2 463,2 Маса на урана, ttm 45,5-42,3 42,3 42,3 Маса на плутония, kgtm - 3184,4 3184,4 3184,4 3184,4 Маса на обеднения уран, ttm - 42,3 - - - Разделитена работа, хил. EPP 309,8-288,1 288,1 288,1 Разходи гориво, хил. щ.д. 74 211 97 806 161 932 164 889 164 889 Горивна компонента в производствените разходи, щ.д./mwh 3,32 4,38 7,25 7,38 7,38
Вариант 1 22 338 000 $74 210 560,29 $3,32 Вариант 2 44 676 000 $172 016 643,22 $3,85 Вариант 3 67 014 000 $401 030 690,76 $5,98 Вариант 4 67 014 000 $336 905 173,40 $5,03 Икономическа оценка Капиталови разходи; 58% Горивни разходи; 16% Експлоатация и поддръжка; 25% 1) Извеждане от експлоатация ; 1% 2) 3) 3,32 $/MWh 3,32 $/MWh 3,32 $/MWh 4,38 $/MWh 7,25 $/MWh MOX MIX 7,38 $/MWh MIX 4) 3,32 $/MWh 4,38 $/MWh MOX 7,38 $/MWh MIX Горивен цикъл Брутно електропроизводство, MWh Общи разходи за горивен цикъл, $ Горивна компонента в производствените разходи за горивен цикъл, $/MWh
Заключения и изводи Рециклирането на плутоний: влошава изотопния състав на горивото и намалява концентрацията на делящите се изотопи в него; наблюдава се увеличение на концентрацията на плутониеви изотопи в ОЯГ в сравнение с ураново гориво; спестява от първичния ресурс като при МОХ спестяванията са 100%, а при MIX съвпада с относителния дял на плутоний в свежото гориво; намалява разходите за уранов концентрат, конверсия и обогатяване;
Заключения и изводи С увеличаване на броя на рециклирания специфичният разход на плутоний се увеличава; Наблюдава се неблагоприятно влияние върху остатъчното енергоотделяне на горивото; Извличането на плутония от ОЯГ би намалило енергоотделянето с приблизително 25% в дългосорчен план; Не би имало съществено влияние върху крайните производствени разходи за електроенергията, тъй като участието на разходите за гориво в разходната структура е относително ниско;
Заключения и изводи От разгледаните горивни цикли вариант 4 е най-ефективен; В сравнение с вариант 3: Сходни концентрации на плутоний и мощност на остатъчното топлоотделяне; Намалена нужда от първичен ресурс, разходи за уранов концентрат, конверсия и разделителна работа; Най-ефективен е откъм специфичен разход на плутоний.
Благодаря за Вашето внимание! Дипломант: Златина Манчева