Сегодня электроэнергию можно получить разнообразными способами – из воды, из воздуха, из солнечного света, из природных ресурсов (газ, уголь) и даже при делении ядре того или иного вещества. Электроэнергия производиться на специальных станциях – теплоэлектростанции (ТЭС), атомные электростанции.
Первые работают на угле или газе. Для того, чтобы произвести нужно количество электроэнергии из угля необходимо переработать десятки тысяч тонн ресурсов в сутки, это количество угля необходимо добывать, транспортировать к станции, выгружать.
Для выработки энергии из газа требуется гораздо меньше ресурсов, да и современные парогазовые установки работают на порядок эффективнее. Особенности атомных электростанции заключаются в том, что одна единица топлива выделяет большее количество тепла при чем на протяжении длительного времени. В этой статье и поговорим про ядерное топливо.
Общие сведения
Топливом для атомных станций чаще всего становятся уран или плутоний. Их жизненный цикл начинается в добывающих карьерах, химических комбинатах. При этом этот цикл довольно длинный, так как не заканчивается на этапе забора из реактора отработанной части, после этого еще следует утилизация и переработка.
Добыча ресурсов для получения ядерного топлива
Как уже отмечалось, основным ресурсом для получения ядерного топлива является уран. Это самый тяжелый металл. Уран делится на две основных разновидности – уран -238 (99,4% имеющегося на земле) и уран -235 (0,6 % от земного урана). Уран активно добывается по всему миру, за последние годы доля разведанных запасов этого металла выросла на 7%, прежде всего за счет открытия новых месторождений. Самыми крупными поставщиками и производителями урана считаются Казахстан, Канада и Австралия. В этих странах добывается 63% всего мирового урана. Запасы урана так же есть на территории Бразилии, Китая, России, Нигерии, США, Украины и некоторых других странах.
Добыча урана сегодня осуществляется тремя основными методами:
- Открытый способ. Чаще всего его используют там, где запасы металла расположены довольно близко к поверхности земли. Для добычи на месте обнаружения залежей металла создается карьер, затем добывается руда, которая далее на самосвалах транспортируется для переработки на соответствующие заводы.
- Подземный способ. Этот метод используют, если залежи металла расположились на большой глубине. Для добычи ресурса взрывается шахта, глубина которой может быть до 2 километров. Руду добывают путем сверления породы, затем в грузовых лифтах транспортируют на поверхность. В руде, добытой таким способом, содержится большое количество составляющих. Для очистки порода измельчается, разбавляется водой и лишние примеси выводятся. Далее в полученную смесь добавляется серная кислота, которая запускает процесс выщелачивания. Эта химическая реакции приводит к тому, что соли урана выпадают в осадок желтого цвета. Далее урановый осадок проходит очистку на аффинажном производстве. Только после этого получается та самая закись-окись урана, которая пригодна для продажи и получения из него топлива.
- Скважинное подземное выщелачивание. Это самый безопасный, экологичный и экономически выгодны способ добычи урана. Этот метод добычи урана сохраняет безопасность территории месторождения для персонала, не приводит к увеличению радиационного фона. Для того, чтобы добыть урана с помощью скважинного подземного выщелачивания прорубается 6 скважин по углам шестиугольника на месторождении. Через эти скважины в залежи породы закачивается серная кислота, где она смешивается с солями урана. Получившийся раствор выкачивают через центральную скважину. Далее эта смесь несколько раз проходит через сорбирующие колонны, чтобы прийти к нужной концентрации солей урана.
Производство ядерного топлива
Начинается производство ядерного топлива в газовых центрифугах, где происходит обогащение урана. После того, как будет получена необходимая концентрация вещества, из диоксида урана формируются так называемые таблетки. Создаются таблетки с помощью смазочных материалов, которые выделяются в процессе обжига в печах при температуре порядка 1000 градусов. Далее полученные таблетки проходят сертификацию, они должны соответствовать определенным критериям качества поверхности, процентному содержанию влаги, а так же определенному соотношению урана и кислорода.
Параллельно в соседнем цеху происходит изготовление трубчатых оболочек для тепловыделяющих элементов. Далее таблетки упаковываются в оболочные трубки из стали, циркония и других металлов, герметизируются, деактивируются. Готовая трубка с топливом внутри называется тепловыделяющим элементов или сокращенно ТВЭЛ. Весь этот процесс называется фабрикацией топлива. В России такие процессы выполняются на Московском заводе полимеров, на Московском машиностроительном заводе, на Новосибирском заводе химконцентратов и на некоторых других.
Каждая партия таких ТВЭЛ создается под конкретный тип реактора. Так. Европейские таблетки имеют форму квадрата, Российские – форму шестиугольника. Кроме того, они могут отличать и длинной трубки и формой. ТВЭЛ могут быть пластинчатыми, кольцевыми и любой другой формы. ТВЭЛы объединяют в тепловыделяющие сборки (ТВС)
Подробности
Транспортировка тепловыделяющих элементов
Природный уран имеете низкий уровень радиоактивности, но так как металл проходит процедур обогащения до тепловыделяющей сборки, то радиоактивность существенно увеличивается. Так, например, в одном миллиграмме природной руды содержится 0,7% урана – 235, его радиоактивность составляет 25 беккерелей. В урановых таблетках концентрация урана достигает 25%. Поэтому готовые таблетки транспортируются в высокопрочных контейнерах. Перевозка свежего не облученного топлива не представляет особой опасности, так как радиация не может выйти за пределы циркониевых трубок, в которые помещаются урановые таблетки. Топливо может транспортироваться разными видами транспорта – автомобилями, поездами, морскими или воздушными суднами.
Для каждой партии топлива разрабатывает отдельный маршрут, перевозка груза происходит в сопровождении охраны заказчика или самого производителя.
ВАЖНО: за всю истории производства ядерного топлива не было зафиксировано ни одной аварии при его транспортировке, которая привела бы к жертвам или изменению радиационного фона.
Ядерное топливо в активной зоне реактора
Одна единица ядерного топлива способна длительное время выделять огромное количество энергии. Этой энергии намного больше, чем при получении энергии из угля или газа. На атомной электростанции жизненный цикл ядерного топлива начинается с его выгрузки и организации хранения на складе. После того, как выгорает партия топлива в атомном реакторе, партия свежего топлива со склада комплектуется для загрузки в рабочую зону реактора, где и будет происходить процесс его распада с выделением энергии. ТВС может работать внутри реактора несколько лет, постоянно выделяя тепло и энергию.
Как правило, в реактор свежее топливо добавляется по частям, полная загрузка реактора свежим топливом происходит только в момент его первого запуска. Такой подход связан с тем, что в реакторе топливо выгорает неравномерно. По специальным приборам персонал станции следит за степенью выгорания каждой единицы топлива в режиме реального времени, на основе этих данных и производиться его замена. Иногда новое топливо не загружается, а просто происходит перемещение между собой уже имеющегося топлива ядерном реакторе. Интенсивнее всего выгорание происходит в центре реактора.
Ядерное топливо после отработки в реакторе
После отработки топлива в реакторе уран становиться выгоревшим и облученным. Это называется отработанное ядерное топливо (ОЯТ). ОЯТ не считается радиоактивным отходом, так как сохраняет в составе полезные компоненты – невыгоревший уран и трансурановые радионуклиды. Кроме того, радиоактивные изотопы, накопленные в отработанном ядерном топливе, сегодня активно используются в медицине и промышленности.
После того, как топливо отработает свое внутри ядерного реактора, его отправляют на выдержку в специальный бассейн (для защиты от ионизирующего излучения и отвода тепла), затем в специальное хранилище внутри реакторного отделения и только потом на переработку или захоронение.
В Швеции, Канаде и США отработанное ядерное топливо повторно не перерабатывается. В других странах, в том числе и в России, оно пускается в переработку, что существенно сокращает расходы на производство ядерного топлива.
Итоги
Для переработки топливные стержни помещают в кислоту. Из образовавшихся солей выделяют плутоний и неиспользованный уран. Около 3% отходов повторно использовать не возможно, так как они являются высокоактивными. Эти отходы отправляют на остекловывание и бутимирование.
В отработанном ядерном топливе содержится порядка 1% плутония, который не требуется обогащения. В России плутоний используется для производства инновационного МОХ-топлива. Такой замкнутый цикл использования топлива снижает практически на 3% расходы на топливо. Естественно, что такая технология первоначально требует дополнительных расходов на строительство промышленных узлов, выполняющих дополнительные процессы. Поэтому сейчас используется далеко не на всех АЭС.
