Двухуровневый топливный цикл

    При работе реакторов на тепловых нейтронах, даже рециркулируя ОЯТ с помощью МОХ или REMIX, используется только незначительная часть потенциально содержащейся в уране энергии. В основном сгорает ²³⁵U и небольшое количество ²³⁸U через делящиеся изотопы ²³⁹Рu и ²⁴¹Рu, образующиеся из него в реакторе. Кроме того, не решаются экологические проблемы, так как накапливаться высокорадиотоксичные элементы – неделящиеся в тепловом спектре нейтронов четные изотопы плутония, минорные актиноиды, энергетический порог деления которых порядка 1 МэВ и некоторые осколки деления, например, ⁹⁹Тс, ¹²⁹I, ¹⁵⁰Gd с периодами полураспада от десятков до сотен тысяч лет.
    Двухуровневый топливный цикл с использованием быстрых реакторов может обеспечить минимизацию объемов радиоактивных отходов и экономное расходование урановых ресурсов. Трансмутация трансурановых элементов наиболее эффективна в быстрых реакторах. Поскольку большинство трансурановых элементов способно к делению под действием быстрых нейтронов, они также участвуют в производстве энергии, и в высокоактивные отходы перейдет меньшее их количество.

Рис. 9. Двухуровневый топливный цикл. Слабо делящийся плутоний - плутоний содержащий как нечетные (²³⁹Рu и ²⁴¹Рu), так и четные изотопы (²⁴⁰Рu и ²⁴²Рu).

    Реакторы на тепловых нейтронах являются основными источниками плутония, но этот реакторный плутоний содержит  около трети четных  изотопов плутония (²⁴⁰Pu+²⁴²Pu). Он отделяется и превращается в МОХ-топливо для быстрых реакторов-размножителей с коэффициентом размножения не менее 1.2, а ОЯТ из них имеет гораздо меньшую долю четных изотопов плутония. Этот «чистый» плутоний, извлеченный из ОЯТ быстрых реакторов (наряду с любым оружейным плутонием для утилизации), затем превращается в МОХ-топливо для тепловых реакторов и составляет около 30% их топлива. Другие 70% - обогащенный переработанный уран также используются в МОХ-топливе вместо использования обычного обедненного урана.
    Плутоний и большая часть урана не выходят из системы и перерабатываются. Минорные актиниды сжигаются в быстрых реакторах. Количество продуктов деления, которые должны быть удалены как отходы в двухкомпонентной системе, намного меньше, чем при использовании однокомпонентной системы на тепловых реакторах. Спад активности отходов происходит существенно быстрее. Как и в случае отходов REMIX, они могут быть обработаны для извлечения ценных продуктов деления, таких как изотопы Cs, Sr и Tc.