Пресса об РФФИ

Не пустить пузыри: выработку ядерных отходов можно сократить в три раза

Газета «Известия» (г. Москва), 25.08.2020

Дата публикации: 17.11.2020

Выработку ядерных отходов можно сократить в три раза. К такому выводу в результате модельных экспериментов пришли учёные Уральского федерального университета, предложив модификацию состава топлива для атомных реакторов. В основе их работы — изучение генерации пузырьков ксенона, которые накапливаются в уране и приводят к его деградации, снижающей полезный период использования этого радиоактивного вещества. Изменения состава топлива также помогут увеличить безопасность использования АЭС, считают эксперты.

НЕЖЕЛАТЕЛЬНЫЕ НАКОПЛЕНИЯ

Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) — один из наиболее опасных видов отходов. Его утилизация требует строительства дорогостоящих хранилищ, которые пополняются по мере выработки ОЯТ в действующих реакторах. Сейчас этот процесс идёт довольно быстрыми темпами, учитывая относительно низкий срок службы тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) — герметично заваренных трубок из циркониевого сплава, с помощью которых таблетки уранового топлива доставляют в активную зону реакторов.

Способ значительного замедления накопления ядерных отходов предлагают российские учёные, создавшие точную модель процессов, происходящих в активной зоне.

— Во время ядерной реакции делящийся уран распадается на ксенон и другие инертные газы, которые в виде небольших пузырей (диаметром от 1 до 10 нанометров) постепенно появляются в топливе, — рассказал научный сотрудник кафедры технической физики Уральского федерального университета (УрФУ) Дастан Сеитов. — Из-за этого снижаются эксплуатационные характеристики топлива (в частности, теплопроводность), что в конечном счёте приводит к необходимости замены отслужившего ТВЭЛа на новый.

По словам учёного, их исследование было направлено на поиск условий, необходимых для схлопывания газовых пузырей под внешним воздействием, чтобы замедлить деградацию металла. В результате было обнаружено, что в качестве эффективного решения здесь может выступать энергия соударения атомов (так называемых каскадов), которая возникает при цепной реакции.

— Эти выводы мы сделали, проведя эксперимент с помощью выстроенной нами математической модели, — пояснил Дастан Сеитов. — Ранее в неё были заложены уже известные данные, полученные от предыдущих практических опытов, что позволяет нам говорить о достоверности результатов.

СТРУКТУРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ

Полученная учёными информация позволит модифицировать топливо таким образом, чтобы влияние каскадов на пузырьки было максимальным и процесс накопления газа значительно замедлился. Например, это можно сделать с помощью внесения в урановые таблетки необходимых добавок. Интересно, что оставшиеся пузырьки при этом станут сдвигаться от центра элемента к периферии, равномерно рассредотачиваясь в веществе. Это предотвратит их возможное объединение, которое грозит значительным ухудшением теплопроводности и последующим выходом топливного элемента из строя.

— Ядерное топливо в стандартных реакторах используется в лучшем случае на 7%, а его период работы в стандартных реакторах составляет около трёх лет, после чего топливную сборку достают из реактора и начинают готовить к утилизации, — отметил доцент кафедры физики УрФУ Кирилл Некрасов. — Использование полученных данных при создании нового поколения ТВЭЛов способно повысить глубину выгорания топлива до 20%. При этом общий срок его эксплуатации увеличится примерно в три раза.

По словам эксперта, это напрямую повлияет на скорость образования ядерных отходов, сокращение количества которых является одной из основных целей исследователей.

— Хранение и транспортировка больших объёмов ОЯТ — дорого и потенциально опасно, а для их захоронения на постоянной основе ещё не существует надёжных технологий, — рассказывает директор Экологического правового центра «Беллона» Александр Никитин. — Именно поэтому задача снижения количества отработавшего топлива должна быть в приоритете.

Согласно мнению эксперта, представленный способ вполне может стать одним из решений проблемы наряду со строительством более эффективных реакторов на быстрых нейтронах — в них накопление газов в топливе практически не препятствует его эксплуатации.

Ожидается, что работа по модификации ядерного топлива с учётом полученных учёными данных может продлиться около 10 лет. Их исследование получило грантовую поддержку Российского фонда фундаментальных исследований.

Александр Буланов
Источник: Известия
Фото: Nuclear Regulatory Commission / Flickr