MOX-polttoaine ( Mxed - Oxide fuel ) on ydinpolttoaine , joka sisältää monenlaisia halkeamiskelpoisten aineiden oksideja . Periaatteessa termiä käytetään plutoniumin ja luonnonuraanin oksidien , rikastetun uraanin tai köyhdytetyn uraanin oksidien seokseen , joka käyttäytyy ketjureaktion merkityksessä, joka on samanlainen (joskaan ei identtinen) vähän rikastetun uraanioksidin kanssa. MOX:ia voidaan käyttää lisäpolttoaineena yleisimmille ydinreaktoreille : kevyt vesi lämpöneutroneilla . MOX-polttoaineen tehokkaampi käyttö on kuitenkin nopea neutronireaktori [1] . Etusija tällaisten reaktorien kehittämisessä kuuluu Venäjälle [2] .
SNF-jälleenkäsittelyn ja erotetun plutoniumin käyttö MOX-polttoaineena lämpöreaktoreissa mahdollistaa uraanin tarpeen vähentämisen jopa 30 %.
Plutoniumoksidin pitoisuus MOX:ssa vaihtelee välillä 1,5-25-30 paino-%.
Yksi MOX-polttoaineen houkuttelevista ominaisuuksista on, että sen tuotannossa voidaan peruuttamattomasti hävittää ylijäämäaseluokan plutonium , joka muuten olisi radioaktiivista jätettä [3] [4] [5] tai jota voitaisiin käyttää ydinaseiden luomiseen. Tällaista loppusijoitusta suunniteltiin Yhdysvaltojen ja Venäjän välisen plutoniumin loppusijoitussopimuksen puitteissa , mutta sitä ei toteutettu merkittävissä määrin.
MOX-polttoainetta voidaan saada myös käsittelemällä ydinvoimalaitosten voimareaktoreista säteilytettyä polttoainetta . Jälleenkäsittelyprosessissa siitä vapautuu plutonium-isotooppeja, esimerkiksi polttoaineeksi riittävän pitkän kampanjan jälkeen, lähes kaksi kolmasosaa on Pu-239- ja Pu-241-isotooppeja (halkeavia lämpöneutronireaktoreissa) ja noin kolmannes - Pu-240 [6] [7] . 240-isotoopin suuren pitoisuuden vuoksi uudelleenkäsittelyllä saatua plutoniumia ei voida käyttää luotettavien ja ennustettavien ydinaseiden valmistamiseen [8] [9] . Samanaikaisesti IAEA noudattaa konservatiivisia periaatteita ja vaatii tällaiselta plutoniumilta (myös osana MOX-seosta) yhtä korkeaa suojaustasoa kuin suorakäyttöisiltä materiaaleilta ( englanniksi direct use material ), esimerkiksi rikastetulta plutoniumilta, uraani-233, korkeasti rikastettu 235 uraani [10] [9] [11] .
Plutonium muodostaa noin 1 % säteilytetystä ydinpolttoaineesta. Arvioitu isotooppisuhde: Pu-239 52%, Pu-240 24%, Pu-241 15%, Pu-242 6%, Pu-238 2%. Kaikki ne ovat joko halkeamiskelpoisia materiaaleja tai ne voidaan muuttaa halkeamiskelpoisiksi materiaaleiksi transmutaatioprosessin kautta. Esimerkiksi Pu-242 vaatii kolme neutronia tullakseen Curium -245: ksi [12] .
Termisissä neutronireaktoreissa voidaan saavuttaa 30 %:n plutoniumin palaminen MOX-polttoaineen koostumuksesta [12] .
Sen käytön haittoja ovat polttoaineen epävakaampi tila, paljon tiukemmat jäähdytys- ja reaktorin ohjaustavat.
MOX-polttoaineen käyttö mahdollistaa käytetyn "polttoaineen" kierrätyksen ja uuden uraani-plutonium-sekapolttoaineen valmistamisen, jossa luonnonuraanista saatavan energian määrä kasvaa noin 100-kertaiseksi. Samalla SNF:n käsittelyn jälkeen erityiskäsittelyn ja loppusijoituksen kohteena olevan radioaktiivisen jätteen määrä vähenee moninkertaisesti. Nopeat neutronireaktorit pystyvät myös "polttamaan pois" pitkäikäisiä (jopa tuhansien ja satojen tuhansien vuosien hajoamisaika) radioaktiivisia fissiotuotteita, muuttaen ne lyhytikäisiksi, joiden puoliintumisaika on 200-300 vuotta, jonka jälkeen ne voidaan turvallisesti haudata standardimenettelyjä noudattaen, eivätkä ne loukkaa maapallon luonnollista säteilytasapainoa [2] .
Suurin MOX-polttoaineen tuottaja on ranskalainen Meloxin tehdas , joka tuo markkinoille 195 tonnia tuotetta vuosittain.
Rosatom aloitti MOX-polttoaineen teollisen tuotannon syyskuussa 2015 Zheleznogorskin kaivos- ja kemiantehtaallaan . Käynnistyskompleksin suunnittelukapasiteetti on 400 polttoainenippua vuodessa ja sen piti saavuttaa vuonna 2019, mutta varsinainen teollinen tuotanto alkoi jo elokuussa 2018, jolloin Belojarskin ydinvoimalaitokselle lähetettiin ensimmäinen polttoainenippujen sarjaerä [ 13] . Kaivos- ja kemiantehtaalla ydinpolttoainetta valmistetaan kierrätysmateriaaleista, mukaan lukien korkea-arvoisesta plutoniumista. Tämän tuotannon käynnistämiseen osallistui yli 20 Venäjän ydinteollisuuden yritystä.
MOX-polttoainetta valmistetaan Venäjällä ja muiden Rosatomin yritysten pilottilaitoksissa: RIAR (Dimitrovgrad, Uljanovskin alue) ja Mayak Production Association (ZATO Ozersk, Tšeljabinskin alue) [13] .
Myös muut maat pyrkivät ottamaan MOX-polttoainetta ydinvoimaloidensa polttoainekiertoon. Japanin kuudes strateginen energiasuunnitelma, joka hyväksyttiin lokakuussa 2021, edellyttää MOX-polttoaineen käytön jatkamista kevytvesireaktoreissa. Siinä määrätään myös MOX-polttoaineen tuotannon jatkamisesta Rokkashon tehtaalla [14] .
Huolimatta siitä, että Kiinan prioriteetteja tällä alueella ei ole täysin muotoiltu, kysymys MOX-polttoaineen tuotannon ja jatkokäytön näkymistä katsotaan ratkaistuksi ja sen käytön painopisteistä keskustellaan [15] .
MOX-polttoainetta testattiin ensimmäisen kerran vuonna 1963[ missä? ] , mutta sen laaja kaupallinen käyttö lämpöreaktoreissa alkoi[ missä? ] vasta 1980-luvulla [2] . MOX-polttoaineen käyttö olemassa olevissa reaktoreissa vaatii erillisen luvan, joskus reaktoreihin vaaditaan muutoksia, esimerkiksi säätösauvojen lisääminen. Usein MOX-polttoaine muodostaa kolmanneksen ja puolet kaikesta polttoaineesta, koska suuret määrät vaativat merkittäviä muutoksia tai erityisesti suunnitellun reaktorin.
Neuvostoliitossa ensimmäinen teollinen nopea neutronireaktori BN-350 suunniteltiin alun perin käynnistettäväksi MOX-polttoaineella, se aloitti toimintansa vuonna 1973 Aktaussa ja toimi menestyksekkäästi vuoteen 1999 asti.
Toinen voimayksikkö asennettiin Belojarskin ydinvoimalaitokselle vuonna 1980 ( BN-600 ) ja on toiminut moitteettomasti tähän päivään asti, vuonna 2010 sen käyttöikää pidennettiin 10 vuodella, vuonna 2020 sitä jatkettiin vielä 5 vuodella.
Samassa paikassa otettiin käyttöön uuden sukupolven reaktori, BN-800 , 10. joulukuuta 2015 ; se oli myös alun perin tarkoitus käynnistää MOX-polttoaineella, mutta tätä polttoainetta ei tuotettu, ja vuoteen 2010 mennessä, jolloin polttoainetta piti ladata reaktoriin, se ei ollut valmis. Sitten suunnittelijalle annettiin kiireellinen tehtävä: korvata MOX-suunnitteluvyöhyke sekalaisella, jossa osa kokoonpanoista sisältäisi uraanipolttoainetta. Vasta syyskuussa 2022 Belojarskin ydinvoimalaitoksen 4:n yksikön BN-800- reaktori saatettiin täyteen kapasiteettiin ensimmäistä kertaa täyteen oksidi-uraani-plutonium-MOX-polttoaineella [16] .
Tämän reaktorin käynnistämisen ansiosta Venäjä voi täyttää velvoitteensa Venäjän ja Amerikan välisen vuonna 2000 solmitun plutoniumin loppusijoitussopimuksen mukaisesti, jossa määrätään 34 tonnin ydinpanoksen muuntamisesta ydinvoimaloiden polttoaineeksi. Tällä hetkellä Venäjällä on ensimmäinen paikka maailmassa nopeiden neutronireaktorien rakentamiseen tarkoitettujen teknologioiden kehittämisessä. Myös BREST- ja SVBR-
reaktorien suunnittelussa on huomioitu MOX-polttoaineen käyttömahdollisuus .
MOX-polttoaineen pääasialliset kuluttajat ovat Japani (10 reaktoria luvanvaraista) ja EU-maat (40 reaktoria luvanvaraista).
Yhdysvalloissa vain neljä yksikköä on suunniteltu täyteen MOX-kuormitukseen, kolme System-80 PWR- yksikköä maan suurimmassa ydinvoimalassa Palo Verdessä ( Tonopah , Arizona ) ja yksi rakenteilla oleva yksikkö Washingtonin osavaltioon [17] . Yhtään reaktoria Yhdysvalloissa ei myönnetty vuonna 2007 [18] .
Noin 40 lämpöreaktorilla Euroopassa ( Belgiassa , Sveitsissä , Saksassa, Ranskassa) on lupa käyttää tavanomaisen ja MOX-polttoaineen yhdistelmää [12] , ja vielä 30:lle on lupamenettelyssä. Itse asiassa monilla niistä voi olla noin kolmannes polttoaineesta MOX, mutta jotkut voivat toimia 50 % MOX:lla. Ennen Fukushiman katastrofia Japani suunnitteli aloittavansa MOX:n käytön kolmanneksessa reaktoreistaan (alun perin vuoteen 2010 mennessä) ja hyväksyi suunnitelman rakentaa Oman ydinvoimalaitokselle jopa 100 % MOX:ia käyttävä ABWR -yksikkö .
Vuodesta 2017 lähtien MOX:n osuus kaikesta äskettäin tuotetusta ydinpolttoaineesta maailmassa oli 5 %; Ranskassa tämä luku oli 10 prosenttia [19] .
World Nuclear Associationin mukaan kaupallisissa reaktoreissa on historian aikana käytetty yli 2 000 tonnia MOX-polttoainetta, mutta 1,6 miljoonaa tonnia köyhdytettyä uraania on kertynyt varastoihin ympäri maailmaa. Vain näillä varoilla, pois lukien käytetty ydinpolttoaine , nopeat neutronireaktorit voivat tarjota nykyisen maailman energiankulutuksen 326 vuoden ajan.
Vuonna 2022 Rosatom toteutti ensimmäisen kansainvälisen MOX-polttoaineen toimituksen. Se on tarkoitettu Xiapun ydinvoimalan CFR-600- reaktoriin , ja se valmistettiin vuoden 2018 sopimuksen mukaisesti [20] .
Myös torium- ja plutoniumoksideja sisältävää MOX-polttoainetta testataan [21] .
Palamattoman plutoniumin pitoisuus lämpöreaktoreista peräisin olevassa käytetyssä MOX-polttoaineessa on merkittävä - yli 50 % alkuperäisestä plutoniumkuormasta. Kuitenkin MOX-polton aikana halkeavien (pariton) ja halkeamattomien (parillisten) isotooppien suhde putoaa noin 65 %:sta 20 %:iin palamisesta riippuen. Tämä tekee kaikista yrityksistä erottaa halkeavia isotooppeja vaikeaksi. Tällaista käytettyä polttoainetta on vaikeampi käsitellä plutoniumin uudelleenkäyttöä varten. Kaksifaasisen käytetyn MOX-polttoaineen säännöllinen käsittely on vaikeaa, koska PuO 2 liukenee typpihappoon huonosti [22] .
Vuodesta 2015 lähtien ainoa osoitus korkean palamisen kaksinkertaisesti uudelleenkäsitellystä polttoaineesta tapahtui Phoenixin nopean neutronireaktorissa [22] .
| Energiaa | |||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| tuotteiden ja toimialojen mukaan | |||||||||||||||||||||||||||
| Sähköteollisuus : sähkö |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Lämmönsyöttö : lämpöenergia |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Polttoaineteollisuus : polttoaine _ |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Lupaavaa energiaa : |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Portaali: Energia | |||||||||||||||||||||||||||