Добыча, переработка, использование и хранение ядерного топлива
Ядерное топливо — это вещество способное выделять энергию в реакторе поддерживая ядерную цепную реакцию.
Все процессы, вовлеченные в получение, очистку и использование этого ядерного топлива, составляют цикл, известный как топливный цикл.
Наиболее распространенными видами ядерного топлива являются радиоактивные металлы уран-235 и плутоний-239.
Уран в качестве основного ядерного топлива
Уран является относительно распространенным элементом, который встречается во всем мире. Он добывается в ряде стран и должен быть переработан, прежде чем его можно будет использовать в качестве ядерного топлива и использования энергии ядерной реакции.
Уран-235 используется в качестве источника энергии в различных концентрациях. Некоторые реакторы, такие как тяжеловодный водо-водяной, могут использовать природный уран с концентрацией урана-235 всего 0,7%, в то время как другие реакторы требуют более значительного обогащения урана до уровней от 3% до 5%. Природный уран является слегка радиоактивным металлом, который встречается по всей земной коре. Он примерно в 500 раз более распространен, чем золото, и примерно так же распространен, как олово. Он присутствует в большинстве пород и почв, а также во многих реках и в морской воде. Природный уран, например, содержится в концентрации около четырех частей на миллион в граните, что составляет 60% земной коры. В удобрениях концентрация урана может достигать 0,04%, а некоторые угольные месторождения содержат металл в концентрациях более 0,01%. Большая часть радиоактивности, связанной с ураном в природе, на самом деле обусловлена другими минералами, полученными из него в результате процессов радиоактивного распада, и которые остаются в добыче и измельчении.
Во всем мире существует ряд областей, где концентрация урана в земле достаточно высока, что добыча его для использования в качестве ядерного топлива экономически целесообразна. Такие концентрации называются рудными.
Добыча урана
Для извлечения урановой руды используются как подземные так открытые методы раскопок. Карьерные шахты требуют больших свободных территорий на поверхности, чем размер рудного месторождения, так как стены карьера должны быть наклонными, чтобы предотвратить обрушение. В результате количество материала, которое должно быть удалено для доступа к руде, может быть большим. Подземные шахты имеют относительно небольшие территории, и количество материала, которое должно быть удалено для доступа к руде, значительно меньше, чем в случае открытой шахты. В подземных шахтах для защиты от воздействия радиации в воздухе требуются особые меры предосторожности, в первую очередь повышенная вентиляция.
Решение о том, какой способ разработки использовать для конкретного месторождения, определяется характером рудного тела, безопасностью и экономическими соображениями.
Плутоний
Плутоний-239 производится и используется в реакторах размножителях на быстрых нейтронах, которые содержат значительные количества урана-238. Его можно также рециркулировать и использовать как вещество способное выделять энергию в термальных реакторах. Вещество имеет большую активность чем уран.
Плутоний-238 применяется в малогабаритных радиоизотопных источниках энергии.
Торий
В настоящее время проводятся исследования по использованию тория-232 в качестве источника.
Тория на Земле больше чем урана, он менее токсичен и не образовывает долгоживущие радиоактивные изотопы.
Производство ядерного топлива
Смешанное оксидное топливо также может быть создано, когда порошок упакован вместе с оксидом плутония. Опасности, существующие на объектах по изготовлению топлива, главным образом химические и радиологические, аналогичны опасностям на обогатительных фабриках. Эти объекты, как правило, представляют низкий риск для общественности.
Использование
При использовании вещества способные выделять энергию могут иметь множество различных форм металла, сплава или какого-то оксида.
Топливные стержни
Ядерные реакторы работают на порошкообразном диоксиде урана, который был сжат в небольшие гранулы. Для получения большого количества гранул они связываются в топливный стержень.
Одна урановая топливная таблетка размером с кончик пальца может выдать энергии как 481 кубический метр природного газа, 807 килограммов угля или 564 литра нефти. Стержни состоят из многочисленных гранул радиоактивного уранового топлива.
Они могут быть несколько метров в длину и около сантиметра в диаметре. Несколько таких стержней, обычно больше десяти, удерживаются вместе прочными металлическими кронштейнами в тепловыделяющей сборке. Эти штанги между собой имеют зазоры несколько миллиметров между каждой штангой для того, чтобы позволить хладоагенту проходить между ними. Трубки, содержащие гранулы урана, обычно состоят из циркония.
Преимущества и недостатки ядерного топлива
Ряд стран проводят исследования для определения оптимального подхода к удалению отработавшего топлива и отходов переработки. Общее согласие одобряет его размещение в глубоких геологических хранилищах, приблизительно на 500 метров ниже, первоначально извлекаемых, прежде чем быть навсегда запечатанным.
Энергия γ-излучения, сопровождающего захват нейтронов
10
Энергия γ-излучения продуктов деления
6
Энергия β-излучения продуктов деления
5
Энергия, уносимая нейтрино
11
Полная энергия деления
Классификация
Ядерное топливо делится на два вида:
Теоретические аспекты применения
Ядерное топливо используется в ядерных реакторах в виде таблеток размером в несколько сантиметров, где оно обычно располагается в герметично закрытых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах), которые в свою очередь для удобства использования объединяются по нескольку сотен в тепловыделяющие сборки (ТВС).
К ядерному топливу применяются высокие требования по химической совместимости с оболочками ТВЭЛов, у него должна быть достаточная температура плавления и испарения, хорошая теплопроводность, небольшое увеличение объёма при нейтронном облучении, технологичность производства.
Использование металлического урана, особенно при температуре больше 500 °C, затруднено из-за его распухания. После деления ядра образуются два осколка деления, суммарный объём которых больше объёма атома урана (плутония). Часть атомов — осколков деления являются атомами газов (криптона, ксенона и др.). Атомы газов накапливаются в по́рах урана и создают внутреннее давление, которое увеличивается с повышением температуры. За счёт изменения объёма атомов в процессе деления и повышения внутреннего давления газов уран и другие ядерные топлива начинают распухать. Под распуханием понимают относительное изменение объёма ядерного топлива, связанное с делением ядер.
Радиационная стойкость и механические свойства топлива улучшаются после легирования урана, в процессе которого в уран добавляют небольшое количество молибдена, алюминия и других металлов. Легирующие добавки снижают число нейтронов деления на один захват нейтрона ядерным топливом. Поэтому легирующие добавки к урану стремятся выбрать из материалов, слабо поглощающих нейтроны.
К хорошим ядерным топливам относятся некоторые тугоплавкие соединения урана: окислы, карбиды и интерметаллические соединения. Наиболее широкое применение получила керамика — двуокись урана UO2. Её температура плавления равна 2800 °C, плотность — 10,2 г/см³. У двуокиси урана нет фазовых переходов, она менее подвержена распуханию, чем сплавы урана. Это позволяет повысить выгорание до нескольких процентов. Двуокись урана не взаимодействует с цирконием, ниобием, нержавеющей сталью и другими материалами при высоких температурах. Основной недостаток керамики — низкая теплопроводность — 4,5 кДж/(м·К), которая ограничивает удельную мощность реактора по температуре плавления. Так, максимальная плотность теплового потока в реакторах ВВЭР на двуокиси урана не превышает 1,4·10 3 кВт/м², при этом максимальная температура в стержневых ТВЭЛах достигает 2200 °C. Кроме того, горячая керамика очень хрупка и может растрескиваться.
Плутоний относится к низкоплавким металлам. Его температура плавления равна 640 °C. У плутония плохие пластические свойства, поэтому он почти не поддаётся механической обработке. Технология изготовления ТВЭЛов усложняется токсичностью плутония. Для приготовления ядерного топлива обычно применяются двуокись плутония, смесь карбидов плутония с карбидами урана, сплавы плутония с металлами.
Высокими теплопроводностью и механическими свойствами обладают дисперсионные топлива, в которых мелкие частицы UO2, UC, PuO2 и других соединений урана и плутония размещают гетерогенно в металлической матрице из алюминия, молибдена, нержавеющей стали и др. Материал матрицы и определяет радиационную стойкость и теплопроводность дисперсионного топлива. Например, дисперсионное топливо Первой АЭС состояло из частиц сплава урана с 9 % молибдена, залитых магнием.
Практическое применение
На АЭС и другие ядерные установки топливо приходит в виде довольно сложных технических устройств — тепловыделяющих сборок (ТВС), которые в зависимости от типа реактора загружаются непосредственно во время его работы (как на реакторах типа РБМК в России) на место выгоревших ТВС или заменяют отработавшие сборки большими группами во время ремонтной кампании (как на российских реакторах ВВЭР или их аналогах в других странах, PWR и других). В последнем случае при каждой новой загрузке меняется чаще всего треть топлива и полностью изменяется его расстановка в активной зоне реактора, наиболее выгоревшие сборки с топливом, из центра активной зоны, выгружаются, на их место ставится вторая треть сборок, со средним выгоранием и расположением. На их место в свою очередь ставятся наименее выгоревшие ТВС, с периферии активной зоны; в то время как на периферию загружается свежее топливо. Такая схема перестановки топлива является традиционной и обусловлена многими причинами, например стремлением обеспечить равномерное энерговыделение в топливе и максимальный запас до кризиса теплообмена воды на оболочках ТВЭЛ.
В качестве исходного материала для последующего извлечения энергии чаще всего используется уран. Это вещество считается самым тяжелым металлом. Больше всего в ресурсах планеты урана-238, 99.4%. Встречается более редкий элемент с массой 235, его количество в процентном соотношении 0.6%. Несмотря на печальную статистику аварий на атомных электростанциях, потребность в исходном сырье остается достаточно высокой. Крупные разработки урана сегодня ведутся в таких странах как Казахстан, Австралия, Китай, Бразилия и Россия.
Добыча топлива для ядерных реакторов осуществляется тремя основными способами:
Выбор способа, которым будет добываться радиоактивные виды топлива, зависит от самого месторождения, глубины залегания и дальности транспортировки сырья для последующего обогащения. В чистом виде ископаемые, как правило, не используются.
Этот элемент в чистом виде является опасным для человека. Исходный состав добываемой руды включает три изотопа с разными атомными массами (234, 235 и 238 соответственно). Полученное сырье подлежит дальнейшей переработке, что необходимо для эффективного и продуктивного использования непосредственно в реакторах. По сути, для получения обогащенного ядерного топлива урана происходит повышение концентрации именно элемента с атомной массой 235.
Сам процесс приведения сырья в рабочее состояние достаточно сложный и продолжительный. Все зависит от сферы применения урана. Из производства ядерного топлива выходят вещества с различной степенью концентрации:
На выходе из производства получаются специальные таблетки, которые используются непосредственно в тепловыделяющих установках. При этом уран не является единственным видом топлива для реактора.
Плутоний
В естественном виде в природе существует в виде диоксида. Для добычи его остается ничтожно мало. По этой причине этот вид топлива для ядерного реактора получается искусственно из того же урана. Плутоний считается самым дорогим и перспективным материалом в линейке атомных продуктов. Для удешевления производства применяется технология получения из отработанного сырья.
Торий
Производство ядерного топлива
Изготовление альтернативного энергоносителя в Российской Федерации находится в ведении государственной корпорации «Росатом». Отечественная компания ТВЭЛ выпускает известные виды ядерного топлива, разрабатывает и создает тепловыделяющие сборки, включая комплектующие, обслуживает действующие реакторы. Для сравнения продуктивности урана для энергетики можно привести простой пример: 630 граммов урана равнозначны по выдаче 70 тоннам угля или 140 тоннам дров. При этом соотношение отходов после отработки вторичных реакций составляет соответственно 126 граммов с равнозначными 74 тоннами золы и газов или 1.5 тонны золы, остающейся при сжигании древесины.
Мощности производств в мире (по состоянию на 2020 год, в EPP):
Регенерация
Из школьного курса химии известно о продолжительном периоде полураспада урана и других радиоактивных веществ. Даже после использования активного сырья в производстве, вещество остается пригодным для вторичного применения. После переработки уран возвращается в топливный цикл. Для этого сырье может быть обогащено или смешано с готовыми концентратами топлива непосредственно в ядерном реакторе. Что касается России, она и здесь на первом месте, поскольку все запасы регенерации сразу же уходят в производственный цикл.
Ход цепной реакции
Основной целью использования подготовленного ядерного топлива является получение (выделение) большого количества энергии. Цепной реакцией является последовательное вступление элементов полураспада в реакцию с продуктами предыдущего процесса. Катализаторами каждой реакции, соответственно, являются выделенные на прошлом этапе нейтроны. При этом происходит обильное или чрезмерное выделение энергии. Для запуска цепной реакции необходимы специальные химические элементы, которые тоже по сути являются топливом для АЭС.
Цепные реакции бывают неразветвленными и разветвленными. В первом случае, выделяется только по одному связующему нейтрону, при этом не образуется энергия в больших масштабах. Во втором случае при правильном контроле процесса цепной реакции получается обильный выход энергии.
Особенности транспортировки ТВЭЛов
Преимущества и недостатки ядерного топлива
В числе достоинств энергоносителя следующие:
Принцип работы АЭС
Основным продуктом на выходе из электростанций, работающим на ядерных видах топлива, является электроэнергия. Следуя концепции безопасности и последовательности получения необходимого ресурса, генеральный процесс включает три этапа преобразования:
При цепной реакции происходит сильный разогрев ближайшего теплоносителя – воды, которая на время откачивается от стенок реактора (из первого контура во второй) для получения пара. Последний вид энергии под давлением и за счет разности давлений начинает активно вращать турбину, которая находится в жесткой сцепке с электрическим генератором. Существует проблематика охлаждения воды в контурах реактора, для этого применяется система градирен или используются ближайшие водоемы.
Учитывая негативную практику аварий, в настоящее время на современных АЭС большое внимание уделяется функционированию защитных систем: локальных, обеспечивающих и управляющих. Генеральная концепция состоит в строго дозированной подаче ядерного топлива внутрь реактора.
Топливо в активной зоне реактора
Непосредственно внутри реактора активные вещества находятся в виде топливных композиций, заключаются в надежную герметичную оболочку, образуют ТВЭЛ.
ТВС после атомной станции
Тепловыделяющие сборки по завершению жизненного цикла или выгорания подлежат извлечению. После этого облученный уран уходит на выдержку, затем на переработку или захоронение.
Ядовитая зеленая жижа в бочках? Все как в «Симпсонах»? Задаем глупые вопросы о ядерном топливе, которое привезли в Беларусь
Буквально на прошлой неделе стало известно, что на Белорусскую АЭС прибыл состав с ядерным топливом для первого энергоблока. Примерные сроки завоза назывались и раньше, а вот точная дата держалась в секрете по понятным причинам. «Атомка» вот-вот должна заработать, но вопросов о ее работе у белорусов все еще крайне много. Мы постарались ответить хотя бы на маленькую их часть и обратились к экспертам, задав им максимально наивные, простые и глупые вопросы о сложных процессах, которые так или иначе касаются каждого из нас.
Длинная производственная цепочка создания ядерного топлива начинается с добычи урана. Его добывают несколькими способами: методом подземного выщелачивания либо в шахтах или открытых карьерах.
Урановую руду перемалывают и растворяют для появления концентрированной соли урана, которую затем высушивают до сухого концентрата. Полученные оксиды урана смешивают с фтором, превращая в гексафторид урана, который легко может принимать газообразную форму. Это понадобится на следующей стадии — при обогащении. Таким образом, уран несколько раз меняет свое состояние, переходя из твердого вещества в жидкое и газообразное.
На обогатительных заводах гексафторид урана в газообразном состоянии закачивают в центрифуги, в которых за счет высокой скорости вращения создается центробежная сила, превышающая силу тяготения Земли в сотни тысяч раз. Газовая центрифуга вращается со скоростью более 1,5 тыс. оборотов в секунду. В процессе обогащения тяжелые атомы урана-238 отделяются от более легких атомов урана-235 и концентрация урана-235 увеличивается. Для топлива энергетических реакторов уран обогащают по изотопу уран-235 на уровне до 5%.
Для производства ядерного топлива обогащенный уран вновь переводят из газообразного в твердое состояние. Порошкообразный обогащенный диоксид урана смешивают с пластификатором и кладут под пресс.
На выходе получаются спрессованные таблетки, которые затем проходят процесс спекания при температуре около 1800 градусов в течение 18—20 часов.
Полученная в процессе спекания топливная таблетка весит всего четыре с половиной грамма, но в ней скрыта огромная энергия. По энерговыделению она эквивалентна 640 кг дров, 400 кг каменного угля, 360 куб. м газа, 350 кг нефти.
Далее готовые таблетки помещаются в специальные металлические трубки — оболочки твэлов. Тепловыделяющий элемент (твэл) — это основа конструкции ядерного топлива. Он представляет собой герметично заваренную металлическую трубку из циркониевого сплава, которая снаряжается топливными таблетками (в топливе реактора ВВЭР-1200 — приблизительно 350 шт.). Твэлы собирают в топливные кассеты — тепловыделяющие сборки (ТВС). В одной ТВС для реактора ВВЭР-1200 — 312 твэлов, активная зона реактора состоит из 163 ТВС.
Все процессы полностью автоматизированы, проходят под постоянным контролем компьютеров, и любая случайность или влияние человеческого фактора минимизированы.
Как его везли в Беларусь? На поезде, самолете, машине? Все это делалось под большим секретом?
Ядерное топливо можно перевозить в специальных транспортных упаковочных контейнерах повышенной прочности железнодорожным, воздушным и морским транспортом. Для поставки из России в Беларусь оптимальный вариант — железнодорожный.
Конфиденциальной информацией являются сами маршруты транспортировки ядерного топлива.
За многие десятилетия существования атомной энергетики мировая атомная промышленность давно выработала очень строгие нормы безопасности по транспортировке различных ядерных материалов. При этом перевозка свежего необлученного ядерного топлива не представляет радиационной опасности.
Как происходит процесс загрузки? Сотрудники делают это вручную или используют специальных роботов?
Перед загрузкой топлива на атомной станции проходит обязательная проверка готовности персонала и оборудования, разрабатывается штатная программа и только после этого дается добро на загрузку. Топливные кассеты загружаются в реактор с помощью специальной перегрузочной машины.
Что было бы, если бы защитная оболочка топлива раскололась, а порошок высыпался на землю?
В топливной кассете тепловыделяющие элементы (твэлы, то есть циркониевые трубки с урановыми таблетками внутри) соединены в жесткой конструкции с помощью решеток, металлического каркаса и других элементов. Такая конструкция сохраняет целостность даже после эксплуатации в активной зоне реактора при высоких температурах на протяжении 4—5 лет. Кроме того, внутри оболочки нет порошка, а есть спеченные топливные таблетки.
Загрузили топливо в реактор, а дальше что? Что с ним происходит в реакторе и как оно «отапливает» реактор?
Грубо говоря, если на ТЭС с паровыми турбинами, чтобы нагреть воду, приходится сжигать уголь, мазут или газ, то на АЭС вода нагревается от энергии деления атомного ядра.
Сколько работает топливо после загрузки? Его работу как-то контролируют в реакторе?
В зависимости от топливного цикла, который у каждой АЭС индивидуален, каждая тепловыделяющая сборка может эксплуатироваться порядка 4—5 лет, в некоторых случаях — еще дольше. Когда на станции проводится регулярный планово-предупредительный ремонт, часть отработавшего топлива извлекают и подгружают свежее топливо. В зависимости от цикла облучения каждая ТВС меняет свою позицию в активной зоне. Состояние топлива регулярно контролируется и анализируется.
После того как топливо отработает свой срок, как его извлекают?
Можно использовать отработанное топливо или это уже просто опасный мусор?
Разумеется, можно. В разных странах существуют различные стратегии безопасного хранения или переработки ОЯТ. Рециклирование отработавшего ядерного топлива — это динамично развивающееся направление атомной науки. Существуют заводы по переработке ОЯТ, при этом «невыгоревший» уран и плутоний, образовавшийся внутри твэлов после облучения, можно извлекать и повторно использовать для производства уран-плутониевого топлива. Причем как для классических реакторов на тепловых нейтронах (РЕМИКС-топливо; сейчас оно проходит опытную эксплуатацию на Балаковской АЭС в России), так и для инновационных реакторов на быстрых нейтронах (МОКС-топливо и СНУП-топливо используются на Белоярской АЭС).
Покупай с оплатой онлайн по карте Visa и выигрывай iPhone каждую неделю
Подземные шахты имеют относительно небольшие территории, и количество материала, которое должно быть удалено для доступа к руде, значительно меньше, чем в случае открытой шахты. В подземных шахтах для защиты от воздействия радиации в воздухе требуются особые меры предосторожности, в первую очередь повышенная вентиляция.
