Южная Корея продолжает исследования по технологии DUPIC, считающейся одним из возможных способов решения проблемы ОЯТ легководных реакторов.
Чисто экспортная технология
Технология DUPIC была впервые предложена канадскими специалистами из королевской корпорации AECL. Название DUPIC является аббревиатурой английских слов "Прямое использование ОЯТ легководных реакторов под давлением в реакторах CANDU".
Авторы идеологии DUPIC исходят из того факта, что в ОЯТ легководных реакторов содержание 235U нередко превышает концентрацию этого изотопа в природном уране. В то же время, тяжёловодные установки успешно эксплуатируются на уране природного обогащения, что создаёт потенциальную возможность использовать выгруженные из PWR сборки в реакторах CANDU без разделения делящихся веществ и осколков.
Интересно отметить, что на родине DUPIC - в Канаде - об этой технологии рассуждают, в основном, с теоретической точки зрения. На канадской территории нет иных энергетических реакторов, кроме CANDU, и настроения канадской общественности не позволяют в обозримом будущем говорить о ввозе в Канаду ОЯТ легководных реакторов из-за рубежа.
По этой причине DUPIC предлагается канадскими атомщиками на экспорт, в особенности, в те государства, где одновременно эксплуатируются и тяжёловодные, и легководные реакторы. Число таких стран очень ограничено, и одной из них является Южная Корея.
В 1991 году корейский исследовательский институт атомной энергии (KAERI) подписал соглашение о сотрудничестве с AECL в деле изучения возможностей технологии DUPIC для дожигания ОЯТ корейских легководников. Отдельной стороной в соглашении выступает госдепартамент США, так как топливо для легководных реакторов Южной Кореи поступает из Америки.
Проблема осколков деления
Принципиальная особенность DUPIC состоит в том, что фабрикация нового топлива из-за крайне высокой радиоактивности возможна только в горячих камерах. Первые эксперименты по такому производству стартовали в Южной Корее в 1999 году.
Местные специалисты пытаются изготавливать ТВС, удовлетворяющие требованиям реакторов CANDU. В качестве исходного материала для первых экспериментов брались кассеты с блока "Кори-1" с реактором PWR, выгруженные в 1986 году и имевшие среднюю глубину выгорания 27300 МВт×сут/т.
За прошедшие 20 с лишним лет в легководном направлении наметились новые тенденции, в частности, по повышению глубины выгорания. Это важно как с точки зрения сокращения темпов накопления ОЯТ, так и с точки зрения экономики топливного цикла.
Разумеется, это поставило дополнительные вопросы перед идеологами DUPIC - останется ли их технология экономически целесообразной и удастся ли изготавливать надёжное топливо для CANDU из ОЯТ PWR c высоким выгоранием?
Основную техническую сложность для DUPIC составляет проблема осколков деления. По простым физическим причинам, в ОЯТ с высоким выгоранием накапливается большое количество газообразных продуктов.
Чтобы оценить, как это обстоятельство скажется на надёжности DUPIC-топлива для CANDU, южнокорейские специалисты поставили перед собой задачу провести ряд экспериментов и рассмотреть выгорания легководного ОЯТ вплоть до отметки 65000 МВт×сут/т. Только после решения всех технических проблем можно будет рассматривать экономическую эффективность DUPIC-технологии.
Описание технологического процесса
В качестве исходного материала для начавшейся в Южной Корее экспериментальной программы было задействовано ОЯТ со средней глубиной выгорания 65000 МВт×сут/т, выгруженное в 2001 году из реактора PWR на блоке "Ульчин-2".
Принципиальная схема технологического процесса по производству DUPIC-топлива
Разумеется, хотя DUPIC и носит название "технологии прямого использования", непосредственная загрузка кассет PWR в активную зону реактора CANDU невозможна. Легководные сборки проходят этап механической разделки, после чего начинается химическая обработка таблеток.
Таблетки окисляются в течение 5 часов при температуре 500°C, что приводит к конверсии UO2 в U3O8. Далее в методике предусмотрены 3 последовательных цикла окисления и восстановления (в атмосфере 4%H2/Ar), после чего производится изготовление топливных таблеток по спецификациям реакторов CANDU.
Технические проблемы
Говорить о перспективах промышленного применения DUPIC в Южной Корее пока рано. Эксперименты с изготовлением DUPIC-топлива из ОЯТ с выгоранием 65000 МВт×сут/т проводятся пока в лабораторных масштабах, и атомщикам потребуется справиться с несколькими неприятными техническими проблемами.
Первое слабое место DUPIC - механическая разделка выгоревших легководных кассет. Какие бы изощрённые методики для этого не применялись, на внутренних поверхностях снятых оболочек твэлов будет оставаться значительная доля топлива. Для того, чтобы снизить потери, необходимо искать новые подходы - например, длительное высокотемпературное окисление твэлов до начала механической разделки.
Выгоревшее топливо, оставшееся на снятых оболочках твэлов
Ещё одной неприятностью принципиального характера, с которой столкнулись в Южной Корее, стало резкое падение плотности топлива в ходе технологического процесса. Возможно, это явление обусловлено тем, что на этапах окисления и восстановления топливных таблеток при высоких температурах из них начинается выход цезия - причём, чем выше выгорание исходного ОЯТ, тем больше в нём хранится этого газообразного осколка деления. Выход цезия приводит к дополнительному порообразованию в материале таблетки, что негативно сказывается на его плотности.
Работы по программе DUPIC в Южной Корее продолжаются на уровне НИР. Если в конечном итоге местные атомщики смогут одолеть все проблемы технического характера, то, может быть, они сумеют перейти к практическим испытаниям DUPIC-топлива в реакторах CANDU.