Аргус на минорах Опции

[eninav]

Возникла такая (может быть бредовая) идея.
При выделении минорных актиноидов есть проблема с отделением америция от кюрия - они слишком похожи химически. Процесс сложный, требует дорогих реактивов. Делать же таблетки из смеси америция с кюрием не хочется - кюрий слишком активный, плюс нейтроны от спонтанного деления, от которого сложно защититься. Придется процесс изготовления тотально автоматизировать и роботизировать, что бы человек даже близко не подходил.
В то же время есть реактор Аргус, растворный. Устройство предельно простое - бак на 22 л с раствором соли урана с обогащением 90%.
Почему бы не попробовать для выжигания миноров сделать что-то подобное?
Плюсы:
1. Не надо разделять америций от кюрия, достаточно отделить их от лантаноидов (что тоже не так-то просто, но все же легче).
2. Не надо делать таблетки-твэлы-ТВС, раствор америция и кюрия (плюс возможно нептуний) сразу льем в реактор. С раствором работать проще, если он достаточно разбавлен (толстый слой воды отлично задерживает излучение, и в том числе нейтроны). Потом достаточно будет раствор немного выпарить, что бы достичь критичности.
3. Естественная безопасность - при вскипании реактор сам себя глушит.
4. Опционально есть возможность на ходу чистить раствор от нейтронных ядов и шлаков какими-нибудь ионно-обменными смолами. Самый сильный нейтронный яд Xe-135 просто будет сам улетучиваться из раствора и не повлияет на реакцию в АЗ.
5. Если в растворе будет только Am, Cm и возможно Np, то реактор будет чистым выжигателем миноров, без образования новых (нет урана и плутония).

Правда, у Аргуса смешная мощность - 20 кВт, с такой мощностью миноры быстрее распадутся сами от старости, чем трансмутируют. Но можно мощность и увеличить, если добавить охлаждение (у Аргуса другие задачи, там не было цели повышать мощность, охлаждения там можно сказать нет), да и объем можно сделать больше. В общем, несколько масштабировать.
Также, минусом является низкая температура (у Аргуса 80 гр) — для отопления еще сойдет, но электричество получать - КПД будет ниже плинтуса. Но можно сделать корпус попрочнее, повысить давление и температуру, и получать перегретый пар во втором контуре. Впрочем, горячая вода тоже неплохо, получится такая АТЭЦ, работающая полностью на отходах.

[17th Guest]

20-минутное интервью главы Росатома Алексея Лихачева каналу "Россия-24"
https://smotrim.ru/article/3739657
Вообще о планах развития, но конкретно по четвёртому поколению реакторов и минорным актиноидам с 04:32
+
Страна Росатом, интервью с Владимиром Кащеевым, директором отделения по обращению с ОЯТ и РАО "Элементы с плохой репутацией: почему атомщики терпеть не могут минорные актиниды"
https://strana-rosatom.ru/2023/09/18/elemen...ciej-pochemu-a/

Сообщение отредактировал 17th Guest - 8.1.2024, 9:39

[armadillo]

"Элементы с плохой репутацией: почему атомщики терпеть не могут минорные актиниды"

оффтоп: почему там обсуждается пережиг Кюрия, которого вроде бы пытаются увеличить наработку?

[eninav]

оффтоп: почему там обсуждается пережиг Кюрия, которого вроде бы пытаются увеличить наработку?

Насколько я понял, имеют интерес нечетные изотопы кюрия, в первую очередь 245 — очень большое сечение тепловых нейтронов и длительный период полураспада, можно делать очень компактные реакторы для космоса, например. Но в реакторах его нарабатывается крайне мало, в основном нарабатываются четные - 242 и 244. А они крайне радиотоксичны из-за короткого периода полураспада.

[eninav]

20-минутное интервью главы Росатома Алексея Лихачева каналу "Россия-24"
https://smotrim.ru/article/3739657
Вообще о планах развития, но конкретно по четвёртому поколению реакторов и минорным актиноидам с 04:32
+
Страна Росатом, интервью с Владимиром Кащеевым, директором отделения по обращению с ОЯТ и РАО "Элементы с плохой репутацией: почему атомщики терпеть не могут минорные актиниды"
https://strana-rosatom.ru/2023/09/18/elemen...ciej-pochemu-a/

Вторую ссылку как раз читал, когда пришла в голову идея растворного выжигателя. Там речь о ЖСР, который конечно лучше в плане КПД и мощности, но сделать его как мне кажется на порядок сложнее чем растворный: надо миноры из раствора как-то перевести в соль (выпарить? но концентрированные миноры будут сильно греться, что уже само по себе проблема), проблемы с материалами (расплавленная соль сжирает любой материал, самый долгоживущий ЖСР работал емнип 25 тыс часов, т.е. всего 3 года непрерывной работы) и т.д. А КПД нам не так важен, если задача именно сжечь трансураны, а не выработать энергию.

[Татарин]

Вторую ссылку как раз читал, когда пришла в голову идея растворного выжигателя. Там речь о ЖСР, который конечно лучше в плане КПД и мощности, но сделать его как мне кажется на порядок сложнее чем растворный: надо миноры из раствора как-то перевести в соль (выпарить? но концентрированные миноры будут сильно греться, что уже само по себе проблема), проблемы с материалами (расплавленная соль сжирает любой материал, самый долгоживущий ЖСР работал емнип 25 тыс часов, т.е. всего 3 года непрерывной работы) и т.д. А КПД нам не так важен, если задача именно сжечь трансураны, а не выработать энергию.

У нас по вводной после быстрого реактора МА порядка 10% от плутония.
Если КВ реакторов ~1 (ну или чуть больше, чуть меньше - неважно), то плутония нарабатываем примерно столько же, сколько сжигаем. А 10% от этой мощности, которую даёт плутоний должно давать и дожигание МА (ну, любое деление тяжёлого атома даёт плюс-минус столько же МэВ на ядро).

Порядка процентов от полной тепловой мощности всего реактороного парка. Это минимум! Это если горят только МА, никакого другого топлива мы не добавляем! Что тоже сомнительно, учитывая количество "неудобных" изотопов типа америция-241.
Это к чему? К тому что даже при малом КПД полная мощность-то такого дожигателя (дожигателей) должна быть очень немалая.

И вот есть 3ГВт(т) ЖСР-дожигатель себе представить можно, то 3ГВт(т) растворный реактор - уже... ну, такое себе.

...
Второй момент, КМК, в том, что дожигатель, КМК, должен быть с быстрым спектром. Иначе особенности каждого конкретного изотопа в тепловом спектре и сильная зависимость работы дожигателя от состава топлива просто замучают.

Третий - в более сложной радиохимии водных растворов вообще. А реактор-то у нас мощный.
...

КМК, уж лучше дожигать в тех же БРЕСТах, где изначально топливо достаточно маловыдержанное и "горячее". Может, даже специально привозить МА от других реакторов и досыпать сверху в его родную актинидную смесь.

ЖСР-то - Вы правы - тоже то ещё удовольствие.

[eninav]

Да, похоже все упрется в мощность, а мощность упирается в теплообмен. С теплообменом у таких реакторов все плохо, т.к. он идет только с поверхности, и площадь мала (у ВВЭР теплообмен идет с поверхности ТВЭЛов, их много, и поверхность во много раз больше). У американцев в Ок-Ридже был растворный реактор на 1 МВт тепловых, диаметр АЗ 32" (80 см), т.е. объем четверть кубометра, это всего ~4 МВт/м3. У ВВЭР емнип 150. А И при масштабировании все будет еще хуже, т.к. площадь это квадрат диаметра, а объем это куб. Т.е. даже при диаметре 3м, как у ВВЭР, мощность будет порядка 15 МВт, что очень мало (за год работы сожжет 5 кг, это меньше чем производит миноров один ВВЭР-1000).
Можно наверное увеличить мощность, если разместить теплообменник в саму АЗ. Но это серьезно усложнит конструкцию и привнесет разные интересные эффекты (например, если охлаждать водой - вода замедлитель, будет влиять на реактивность. Подал холодной воды - реактор разогнался).

[arcanist]

я кстати не очень понимаю в чем проблема отделения кюрия от америция. Подождали 60 лет, вот он и отделился. В чем смысл ускоренной переработки этих килограммов высокоактивных отходов

[Татарин]

я кстати не очень понимаю в чем проблема отделения кюрия от америция. Подождали 60 лет, вот он и отделился. В чем смысл ускоренной переработки этих килограммов высокоактивных отходов

А почему именно 60? А не 120 или 2400?

[Татарин]

Да, похоже все упрется в мощность, а мощность упирается в теплообмен. С теплообменом у таких реакторов все плохо

Ну, КМК, уж лучше эти 10% прямо в реакторах-родителях и дожигать, может быть, вместе с самыми противными осколками (типа миллионы-лет-живущего йода).
С БН ещё есть аргументы в пользу дожигателей (логично совмещать "санацию" отходов с переработкой), но вот если в массы пойдёт БРЕСТ с пристанционным циклом, то правильнее, наверное, прямо в этом цикле и решать вопрос полностью и окончательно. На выход - уже то, что должно ехать на захоронение... ну или полезная изотопная продукция, если таковая будет.

[arcanist]

А почему именно 60? А не 120 или 2400?

из статьи https://strana-rosatom.ru/2023/09/18/elemen...ciej-pochemu-a/

ЛП: Несмотря на сходство в строении атомов, у минорных актинидов много различий (период полураспада, тип и энергия ионизирующего излучения). Пока речь идет о включении в ядерное топливо только нептуния и америция. Кюрий может существенно повлиять на радиационные и физико-химические характеристики как свежего (до облучения в реакторе), так и облученного ядерного топлива, поэтому в реакторах на быстрых нейтронах кюрий дожигать пока не планируется. Кроме того, при хранении в течение 60–70 лет он и так почти полностью превратится в плутоний в результате радиоактивного распада.

[AtomInfo.Ru]

из статьи https://strana-rosatom.ru/2023/09/18/elemen...ciej-pochemu-a/

Три периода. Поэтому и говорят про 60 лет. За это время запас кюрия-244 уменьшится почти на порядок.

[eninav]

из статьи https://strana-rosatom.ru/2023/09/18/elemen...ciej-pochemu-a/

60 маловато, чуть больше 3 полураспадов. Надо хотя бы 100. Но вообще да, вполне себе вариант. Тут вопрос в экономике, что дешевле - хранить 100 лет на складе (со всей охраной, контролем и т.д. - учитывая что это отход высочайшей степени опасности), или сжечь, получив какую-никакую энергию. Вполне может оказаться, что второй вариант будет сложнее и дороже (учитывая сложности с изготовлением топлива с минорами.

[AtomInfo.Ru]

60 маловато, чуть больше 3 полураспадов. Надо хотя бы 100.

Обоснование под 60-70 лет примерно такое: "Его и так чуть-чуть, а через 60-70 лет будет в 10 раз меньше, чем чуть-чуть" (а возиться с кюрием очень не хочется).

[arcanist]

60 маловато, чуть больше 3 полураспадов. Надо хотя бы 100. Но вообще да, вполне себе вариант. Тут вопрос в экономике, что дешевле - хранить 100 лет на складе (со всей охраной, контролем и т.д. - учитывая что это отход высочайшей степени опасности), или сжечь, получив какую-никакую энергию. Вполне может оказаться, что второй вариант будет сложнее и дороже (учитывая сложности с изготовлением топлива с минорами.

ну, для склада куда проще добиться экономического эффекта масштаба - свезли все временно хранимое в одну пустыню и храним там. В таком варианте кюрий добавляет какие то копейки расходов.
с реактором так не получится по очевидным причинам
насчет высочайшей степени опасности я не очень понял - почему кюрий размешанный с другим оят это менее опасно чем та же концентрация кюрия но в инертной матрице

[eninav]

насчет высочайшей степени опасности я не очень понял - почему кюрий размешанный с другим оят это менее опасно чем та же концентрация кюрия но в инертной матрице

Кюрий на складе и кюрий в реакторе одинаково опасен, но в реакторе он сгорит за несколько месяцев, а на складе надо ждать 100 лет пока распадется.

[Ирина Дорохова]

По поводу этой новости.
А зачем такой сложный механизм - из нептуния? Это какие-то космические цели?

[eninav]

По поводу этой новости.
А зачем такой сложный механизм - из нептуния? Это какие-то космические цели?

Плутоний-238 всегда получают из нептуния. (теоретически можно из америция, Am241 + n -> Am242 -> Cm242 -> Pu238 + He4, но это и сложнее (америций на порядки радиотоксичнее нептуния), и плутоний будет загрязнен 17% Pu242, а еще там обязательно будет Am243 который даст проблемный кюрий-244. А нептуний моноизотопный, облучение Np237 дает короткоживущий Np238 который потом дает чистый Pu238). А плутоний-238 используется в космических РИТЭГах в основном. Относительно короткий период полураспада 88 лет - хорошая удельная мощность.

Сообщение отредактировал eninav - 10.1.2024, 21:41

[AtomInfo.Ru]

По поводу хранения кюрия. Я напомню, что говорил Троянов (а он по должности и по интересам в курсе дела).

Что именно следует дожигать? По кюрию есть предложение оставить его в покое, не трогать и подождать, когда он сам распадётся. Хорошо, но тогда нужно определиться с матрицей для хранения и способами хранения. Нужен проект приповерхностного хранилища с охлаждением и системами безопасности, нужны контейнеры для хранения или, скорее, банки с загрузкой по кюрию не более полукилограмма из-за высокого энерговыделения. Всего этого сегодня у нас нет.

http://atominfo.ru/newsz05/a0217.htm

То есть, технологии (!!) хранения кюрия на сегодняшний день нет, её нужно изобретать.
Соответственно, и оценить стоимость хранения кюрия на условном складе тоже сейчас нереально. И не факт, что такое хранение выйдет дешёвым.

Так что реакторный вариант для кюрия может оказаться вполне жизнеспособным.

[AtomInfo.Ru]

И если отмотать назад по истории, то идея не трогать кюрий пошла от французов.

На стыке 80-90-ых они активно интересовались трансмутацией младших актинидов. У нас были разброд и шатания, а они надеялись спасти "Феникс" и начать проект EFR как замену "Суперфеникса-2". А если бы им не дали делать свой быстрый реактор, то была ещё надежда на старшего брата, что американцы продавят и построят у них PRISM.
Комиссариат считал варианты трансмутации (как-нибудь подниму старые бумаги, найду графики для кюрия), а "Кожема" в лабораторных масштабах изучала процессы разделения миноров из ОЯТ.
Вот так они покопались и помаялись, прошло примерно лет 10, и появился от них слух, что трансмутировать кюрий будет слишком накладно. Дело не только в его отделении, топливо с кюрием им не очень нравилось и т.д. и т.п. В итоге они стали говорить при любой удобной оказии, что кюрий нужно хранить на складе.

С французами долгое время было хорошее сотрудничество, многие их данные и результаты у наших в том или ином виде есть.
Поэтому когда наши говорят, что давайте не торопиться с кюрием, то во многом наши опираются и на французские изыскания.

Но слова Троянова про то, что и со складом не всё так просто, ибо нет технологии хранения, это не отменяет.
Поэтому надо считать все варианты. включая и реакторное дожигание.