Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ)

Отработавшее ядерное топливо - это уран, использовавшийся в ядерном реакторе в реакции деления и извлеченный из активной зоны в составе тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) или их групп, тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов атомных электростанций (АЭС) и других установок.

Ядерное топливо относят к ОЯТ, когда оно не может более эффективно поддерживать цепную реакцию.

ОЯТ содержит невыгоревший уран (уран-235, не участвовавший в цепной реакции), продукты деления - радиоактивные изотопы цезий-137, стронций-90, технеций-99, йод-129 и др., трансурановые элементы - плутоний, нептуний, америций, кюрий и другие элементы, образовавшиеся при захвате нейтронов ядрами урана.

В 1 тонне ОЯТ, только что извлечённого из реактора типа ВВЭР, содержится до 980 кг урана-235 и 238, до 10 кг плутония, а также продукты деления и минорные актиниды.

В большинстве современных реакторов ТВЭЛ представляет собой тонкостенную трубку из различных сплавов циркония, в которой находятся «таблетки» соединения урана различной степени обогащения, длиной 3 м и около 1-3 см диаметром, снабженную на концах заглушками, обеспечивающими герметичность ТВЭЛа и его крепление в ТВС.
ОЯТ имеет значительную радиоактивность за счет содержания большого количества продуктов деления и имеет свойство саморазогреваться на воздухе до больших температур.

Выдерживание и хранение ОЯТ

Поэтому после извлечения из активной зоны реактора ОЯТ предварительно выдерживается 2-5 лет в бассейне с водой (мокрая выдержка) или на периферии активной зоны реактора.
Сухое хранилище отработанного ядерного топлива (СХОЯТ) - это площадка или установка, где осуществляется хранение ОЯТ. Сухое хранение считается более надёжным и безопасным методом по сравнению с мокрым. Основные элементы СХОЯТ:

• герметичный пенал - сосуд для размещения ОЯТ;
• гнездо хранения - герметичное устройство для размещения одного или нескольких герметичных пеналов;
• отсек хранения - часть СХОЯТ, предназначенная для размещения нескольких гнёзд хранения.

Система физических барьеров СХОЯТ должна включать не менее 2 барьеров: герметичный пенал и гнездо хранения. Их назначение и количество определяются проектом и обосновываются в отчёте по обоснованию безопасности (ООБ) СХОЯТ.

После уменьшения остаточного энерговыделения топлива его отправляют на захоронение или переработку.

Обращение с ОЯТ:

• открытый топливный цикл (разовое использование). ОЯТ после выдержки отправляют на долговременное хранение в подземных хранилищах (шахты, соляные купола, базальтовые пласты) без дальнейшей переработки;
• замкнутый топливный цикл (переработка). ОЯТ перерабатывают, выделяя уран и плутоний для повторного использования (для производства МОКС-топлива и др.).

Переработка и утилизация

Более 90 % потенциальной энергии остается в ОЯТ даже после 5 лет работы в реакторе.
В США в ОЯТ накапливается 850 т/год изотопов на основе трансурановых элементов.
По энергетическому эквиваленту это составляют 1 % от мировых запасов природного газа.
Благодаря огромному потенциалу воспроизводства в реакторах на быстрых нейтронах энергия переработанного ОЯТ может быть огромная. Использование Реакторов на быстрых нейтронах позволяет превращать долгоживущие радиоактивные продукты деления в короткоживущие с периодом полураспада до 300 лет, что позволяет снизить объём высокоактивных радиоактивных отходов (РАО), требующих захоронения.
Переработка ОЯТ для извлечения невыгоревшего урана и других ценных компонентов - ключевой элемент замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ). В рамках ЗЯТЦ ОЯТ перерабатывают, а полученные материалы возвращают в цикл для изготовления нового ядерного топлива.

Технологии переработки ОЯТ:
PUREX ( позволяет получить компоненты ядерного оружия). PUREX - процесс основан на жидкостно‑жидкостной экстракции с использованием органического растворителя.
На выходе получаются:

• очищенный уран (в форме нитрата уранила, UO₂(NO₃)₂) со степенью извлечения более 99 % - может после упаривания и денитрации повторно обогащён и использован в реакторах,
• очищенный плутоний (в концентрированном растворе, до 100 г/л) со степенью извлечения более 95% (хорош для MOX‑топлива и военных целей),
• нептуний (Np) - концентрируется частично с ураном, частично с плутонием, может быть отделен на стадии аффинажа,
• высокоактивные отходы (ВАО) - остаточный водный раствор после экстракции: содержат продукты деления (цезий‑137, стронций‑90, технеций‑99, йод‑129 и др.), подлежат кондиционированию (остекловыванию, битумированию) и захоронению,
• регенерированный органический растворитель (трибутилфосфат в керосине) - возвращается в цикл для повторного использования;
• нерастворимый остаток - это это фракция, которая не переходит в раствор при растворении ОЯТ в азотной кислоте на первой операции PUREX‑процесса. Содержит платиноиды (металлы платиновой группы, МПГ) - рутений (Ru), родий (Rh), палладий (Pd), осмий, иридий, платина. В ОЯТ платиноиды накапливаются как продукты деления и содержатся в количестве 5,6–40 кг на 1 тонну ОЯТ в зависимости от типа реактора и степени выгорания.

Техпроцесс PUREX:

• оболочку ОЯТ удаляют,
• ОЯТ растворяется в концентрированной азотной кислоте,
• извлекают плутоний, уран. нептуний.

Пиропереработка (подходит для производства энергии): на проводящем металлическом электроде из химической ванны при высокой температуре получают ионы урана.

Во Франции отработанный уран перерабатывают на заводах UP-2 и UP-3 в Нормандии на мысе Ла Аг. Там в течение трех лет погружают в деминерализованную воду, после чего отделяют для переработки в оксидное топливо.