Долгое ядерное топливо

Атомные электростанции по-прежнему остаются основным способом генерации дешевой электроэнергии. В отдаленных регионах, например российских областях Крайнего Севера, наиболее эффективны станции малой мощности. Издержки их работы в основном связаны с ценой доставки ядерного топлива для реакторов, так называемых тепловыделяющих элементов (далее твэл). Оптимальный вид топлива для таких электростанций — это торий-урановые композиции.

Исследователи Инженерной школы ядерных технологий Томского политехнического университета под руководством доцента В.Н. Нестерова изучили, как изменение наружного диаметра твэла при переходе на торий-урановое топливо повлияет на теплофизические характеристики маломощных атомных станций. Они рассмотрели различные перспективные топливные композиции. В первом случае в топливо в разных пропорциях входили торий-232 и уран-235, во втором — торий-232 и уран-233. Расчеты проводили для малого модульного водо-водяного реактора КЛТ-40С тепловой мощностью 150 МВт.

Ученые с помощью математического моделирования оценили работу реактора. И это необходимо было сделать, чтобы предотвратить возможные кризисы теплообмена. Высокие температуры топлива и оболочек твэлов очень опасны, а скорость течения теплоносителя не должна превышать критического предела. Физики выяснили, что рост диаметра твэла благоприятно сказывается на тепловом балансе системы, поскольку по мере роста его диаметра снижается плотность теплового потока с его поверхности.

Ученые также рассчитали длительность работы ядерного топлива и глубину его выгорания. Расчеты показали, что при переходе на торий-урановый цикл с увеличенным диаметром твэлов длительность их работы увеличивается на 75%.

«Применение тория является перспективным, поскольку его в природе содержится в четыре раза больше, чем урана. Количество накопленного плутония в облученном ядерном топливе энергетических реакторов также высоко. При этом технология обращения с энергетическим плутонием еще не отработана. Хранить такой плутоний дорого, а сжигать его в очень ограниченном количестве реакторов на быстрых нейтронах недостаточно. Если удастся подобрать оптимальные условия — состав топлива и диаметр твэлов — мы, возможно, получим длительность работы, аналогичную торий-урановому топливу. Это позволит использовать те нуклиды, которые сейчас в энергетике почти не используются», — сказал В.Н. Нестеров. Сейчас физики планируют провести аналогичное исследование для реакторов, работающих на торий-плутониевом топливе.

Исследование открывает путь к модернизации реакторов малой мощности для труднодоступных территорий. И конечно, повышает конкурентоспособность российских реакторов. Статья о работе опубликована в журнале Annals of Nuclear Energy.