Металлическое топливо для ядерных реакторов

Обновлено: 20.09.2024

Подобно тому, как это было сделано для ядерных реакторов деления (см. гл. 3), в табл. 15.4 проведена классификация основных компонентов и материалов термоядерных реакторов.
Многочисленные второстепенные компоненты и материалы, определяемые основными, могут изменяться в зависимости от типа термоядерного реактора, его конструкции, требуемых мер безопасности и экономических соображений.
Таблица 15.4. Основные узлы и материалы термоядерных реакторов

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Конструкционные материалы обеспечивают противодействие механическим усилиям, сохранение формы конструкций, удержание термоядерной плазмы в термоядерном реакторе. Основными материалами являются те, из которых изготовлена первая стенка вакуумной камеры, каналы теплоносителя и бланкета (окружающего камеру), радиационная защита, магнитные обмотки с их защитной конструкцией, криогенные сосуды с жидким гелием и т. п. Некоторые основные материалы и общие требования к их свойствам приведены в табл. 15.5 [19, 20]*.

*По этому вопросу - см. материалы I. II и III Всесоюзных конференций по исследованию и разработке конструкционных материалов для реактором термоядерного синтеза: Исследования и разработка материалов для реакторов термоядерного синтеза. М.: Наука, 1981: Конструкционные материалы для реакторов термоядерного синтеза. М.: Наука. 1983. Конструкционные материалы для реакторов термоядерного синтеза. М.: Наука. 1987. - Прим пер

Таблица 15.5. Общие требования и основные материалы конструкций термоядерного реактора

Низкое сечение захвата нейтронов

Zr, Nb, Mo, V, Ti, нержавеющая

Малая наведенная радиоактивность

V, Nb, Ti, нержавеющая сталь

Высокая радиационная стойкость

Ni, Ti, Nb, нержавеющая сталь

Высокие теплопередающие свойства

Ti, Nb, Mo, нержавеющая сталь

Высокая механическая прочность и пластичность

Mo, Ti, Nb, нержавеющая сталь

Высокое сопротивление коррозии

Ni, Ti, Mo, нержавеющая сталь

Совместимость с теплоносителем (литий)

Ti, V, Nb, Mo, нержавеющая
сталь

Например, требования совместимости выбранных конструкционных материалов с литиевым теплоносителем могут отличаться от требований, предъявляемых гелиевым или водяным теплоносителем. По-видимому, Nb, V, Мо, сплавы титана и нержавеющие хромоникелевые стали удовлетворяют большинству исходных требований.

МАТЕРИАЛЫ ЗАМЕДЛИТЕЛЯ, ОТРАЖАТЕЛЯ И БЛАНКЕТА

В ядерных реакторах деления замедлитель (реактора деления на тепловых нейтронах) и бланкет илн зона воспроизводства (быстрого реактора) по своим функциям не могут быть совмещены. В термоядерном реакторе, например D—T-реакторе синтеза, материал может работать как замедлитель, отражатель и воспроизводящий материал одновременно. Например, жидкий литий-6, будучи легким элементом, может замедлять быстрые нейтроны синтеза [см. (15.16)], отражать их и, кроме того, поглощать, осуществляя реакцию воспроизводства (15.19) трития. Другими словами, в D-Т-реакторе синтеза жидкий литий-6 может выполнять одновременно функции замедлителя, отражателя и воспроизводящего материала. Кроме того, в конструкциях ТЯР жидкий литий может служить теплоносителем. Далее, в случае гибридного реактора синтеза деления быстрые нейтроны синтеза могут быть поглощены сырьевым материалом, обедненным ураном или торием, что приведет к воспроизводству делящегося топлива. Основные материалы замедлителя, отражателя и бланкета термоядерного реактора и предъявляемые к ним ядерные требования представлены в табл. 15.6.
Таблица 15.6. Требуемые ядерные характеристики и основные материалы замедлителя, отражателя и бланкета

МАТЕРИАЛЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ И ЗАЩИТЫ

Теплоноситель термоядерного реактора должен иметь высокую теплопроводность, большую теплоемкость, низкую точку плавления, высокую температуру кипения, малую плотность, малую вязкость и не вызывать коррозии. Кроме того, теплоноситель должен быть совместим с конструкционными материалами, материалами труб и каналов термоядерного реактора. Исходные требования и основные материалы, которые могут быть выбраны в качестве теплоносителя, приведены в табл. 15.7.
Теплоносители первичного контура охлаждения и вторичного контура в реакторе термоядерной электростанции будут различными.
Материалы защиты для термоядерного реактора в соответствии с их назначением распадаются на следующие группы:

тяжелые и умеренно тяжелые элементы для поглощения гамма- и рентгеновского излучения и замедления быстрых нейтронов и ионов;
легкие элементы и водородсодержащие вещества для рассеяния и замедления нейтронов и ионов;
легкие материалы, содержащие бор, для захвата нейтронов без образования вторичного гамма-излучения.

Таблица 15.7. Общие требования и основные материалы тепло носителей термоядерных реакторов

Таблица 15.8. Общие требования я основные материалы защиты термоядерного реактора

Наиболее распространенные материалы защиты для использования в термоядерном реакторе — это свинец, сталь, бетон, бор и водородсодержащие вещества для тепловой и биологической защиты (табл. 15.8). Многие материалы защиты, часто используемые в ядерных реакторах деления, можно с успехом применять в термоядерных реакторах.
Если в термоядерном реакторе в качестве теплоносителя выбран жидкометаллический литий, расплав соли Li₂BeF₄ или вода, их можно рассматривать в качестве легкого вещества защиты реактора.

Ядерное топливо: от руды до утилизации

Жизненный цикл ядерного топлива на основе урана или плутония начинается на добывающих предприятиях, химических комбинатах, в газовых центрифугах, и не заканчивается в момент выгрузки тепловыделяющей сборки из реактора, поскольку каждой ТВС предстоит пройти долгий путь утилизации, а затем и переработки.

Добыча сырья для ядерного топлива

Уран — самый тяжёлый металл на земле. Около 99,4% земного урана приходится на уран-238, и всего 0,6% — на уран-235. В докладе Международного агентства по атомной энергии под названием «Красная книга» содержатся данные о росте объёмов добычи и спроса на уран, несмотря на аварию на АЭС «Фукусима-1», которая заставила многих задуматься о перспективах ядерной энергетики. Только за последние несколько лет разведанные запасы урана выросли на 7%, что связано с открытием новых месторождений. Самыми крупными производителями остаются Казахстан, Канада и Австралия, они добывают до 63% мирового урана. Кроме этого запасы металла имеются в Австралии, Бразилии, Китае, Малави, России, Нигере, США, Украине, КНР и других странах. Ранее Пронедра писали, что за 2016 год в РФ было добыто 7,9 тысячи тонн урана.

В наши дни уран добывают тремя разными способами. Не теряет своей актуальности открытый метод. Он используется в тех случаях, когда залежи находятся близко к поверхности земли. При открытом способе бульдозеры создают карьер, затем руда с примесями грузится в самосвалы для транспортировки на перерабатывающие комплексы.

Урановый карьер

Часто рудное тело залегает на большой глубине, в таком случае используется подземный способ добычи. Вырывается шахта глубиной до двух километров, породу, путём сверления, добывают в горизонтальных штреках, перевозят наверх в грузовых лифтах.

Урановая руда

Смесь, которая таким образом вывозится наверх, имеет множество составляющих. Породу необходимо измельчить, разбавить водой и удалить лишнее. Далее в смесь добавляют серную кислоту для проведения процесса выщелачивания. В ходе этой реакции химики получают осадок солей урана жёлтого цвета. Наконец, уран с примесями очищается на аффинажном производстве. Только после этого получается закись-окись урана, которой и торгуют на бирже.

Работник проверяет уровень радиации оксида урана

Есть гораздо более безопасный, экологически чистый и экономически выгодный способ, который называют скважинным подземным выщелачиванием (СПВ).

Добыча урана методом подземного выщелачивания: 1 — откачивающая скважина; 2 — закачивающая скважина; 3 — сорбционная установка; 4 — десорбционная установка; 5 — добавление реагентов; 6 — осадок в виде окиси урана

При этом методе разработки месторождений территория остаётся безопасной для персонала, а радиационный фон соответствует фону в крупных городах. Чтобы добыть уран с помощью выщелачивания, необходимо пробурить 6 скважин по углам шестиугольника. Через эти скважины в залежи урана закачивают серную кислоту, она смешивается с его солями. Этот раствор добывают, а именно выкачивают через скважину в центре шестиугольника. Чтобы добиться нужной концентрации солей урана, смесь по нескольку раз пропускают через сорбционные колонны.

Производство ядерного топлива

Производство ядерного топлива невозможно представить без газовых центрифуг, которые используются для получения обогащённого урана. После достижения необходимой концентрации из диоксида урана прессуют так называемые таблетки. Их создают при помощи смазочных материалов, которые удаляются во время обжига в печах. Температура обжига достигает 1000 градусов. После этого таблетки проверяются на соответствие заявленным требованиям. Имеют значение качество поверхности, содержание влаги, соотношение кислорода и урана.

Таблетки из диоксида урана

В это же время в другом цехе готовят трубчатые оболочки для тепловыделяющих элементов. Вышеназванные процессы, включая последующие дозировку и упаковку таблеток в оболочечные трубки, герметизацию, дезактивацию, называются фабрикацией топлива. В России созданием тепловыделяющих сборок (ТВС) занимаются предприятия «Машиностроительный завод» в Московской области, «Новосибирский завод химконцентратов» в Новосибирске, «Московский завод полиметаллов» и другие.

Каждая партия топливных сборок создаётся под реактор конкретного типа. Европейские ТВС делаются в форме квадрата, а российские — с шестиугольным сечением. В РФ широко распространены реакторы типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. Первые ТВЭЛы для ВВЭР-440 начали разрабатываться с 1963 года, а для ВВЭР-1000 — с 1978 года. Несмотря на то что в России активно внедряются новые реакторы с постфукусимскими технологиями безопасности, по стране и за её пределами функционирует много ядерных установок старого образца, поэтому одинаково актуальными остаются топливные сборки для разных типов реакторов.

Тепловыделяющая сборка ТВС-2M

Например, для обеспечения тепловыделяющими сборками одной активной зоны реактора РБМК-1000 необходимо свыше 200 тысяч комплектующих деталей из циркониевых сплавов, а также 14 млн спечённых таблеток из диоксида урана. Иногда стоимость изготовления топливной сборки может превосходить стоимость содержащегося в элементах топлива, поэтому так важно обеспечить высокую энергоотдачу с каждого килограмма урана.

Затраты на производственные процессы в %

Создание тепловыделяющей сборки с ядерным топливом
Изготовление порошка UO₂	4,8%
Производство спрессованных таблеток	8,2%
Подготовка стержней для ТВС	9,8%
Загрузка топливных таблеток в стержни	3,7%
Контрольные операции, анализы	8,4%
Утилизация отходов, потери урана	6,4%
Конструкционные материалы (оболочки, сборные детали)	50%
Амортизация	8,7%

Отдельно стоит сказать о топливных сборках для исследовательских реакторов. Они конструируются таким образом, чтобы сделать наблюдение и изучение процесса генерации нейтронов максимально комфортным. Такие ТВЭЛы для экспериментов в сферах ядерной физики, наработки изотопов, радиационной медицины в России производит «Новосибирский завод химических концентратов». ТВС создаются на основе бесшовных элементов с ураном и алюминием.

Производством ядерного топлива в РФ занимается топливная компания ТВЭЛ (подразделение «Росатома»). Предприятие работает над обогащением сырья, сборкой тепловыделяющих элементов, а также предоставляет услуги по лицензированию топлива. «Ковровский механический завод» во Владимирской области и «Уральский завод газовых центрифуг» в Свердловской области создают оборудование для российских ТВС.

Особенности транспортировки ТВЭЛов

Природный уран характеризуются низким уровнем радиоактивности, однако перед производством ТВС металл проходит процедуру обогащения. Содержание урана-235 в природной руде не превышает 0,7%, а радиоактивность составляет 25 беккерелей на 1 миллиграмм урана.

В урановых таблетках, которые помещаются в ТВС, находится уран с концентрацией урана-235 5%. Готовые ТВС с ядерным топливом перевозятся в специальных металлических контейнерах высокой прочности. Для транспортировки используется железнодорожный, автомобильный, морской и даже воздушный транспорт. В каждом контейнере размещают по две сборки. Перевозка не облучённого (свежего) топлива не представляет радиационной опасности, поскольку излучение не выходит за пределы циркониевых трубок, в которые помещаются прессованные таблетки из урана.

Вагоны для перевозки ядерного топлива

Для партии топлива разрабатывается специальный маршрут, груз перевозится в сопровождении охранного персонала производителя или заказчика (чаще), что связано прежде всего с дороговизной оборудования. За всю историю производства ядерного топлива не было зафиксировано ни одной транспортной аварии с участием ТВС, которая бы повлияла на радиационный фон окружающей среды или привела к жертвам.

Топливо в активной зоне реактора

Единица ядерного топлива — ТВЭЛ — способна выделять на протяжении долгого времени огромное количество энергии. С такими объёмами не сравнится ни уголь, ни газ. Жизненный цикл топлива на любой АЭС начинается с выгрузки, выемки и хранения на складе ТВС свежего топлива. Когда предыдущая партия топлива в реакторе выгорает, персонал комплектует ТВС для загрузки в активную зону (рабочую зону реактора, где происходит реакция распада). Как правило, топливо перезагружается частично.

Загрузка ТВС в реактор

Полностью топливо закладывается в активную зону только в момент первого запуска реактора. Это связано с тем, что ТВЭЛы в реакторе выгорают неравномерно, поскольку нейтронный поток различается по интенсивности в разных зонах реактора. Благодаря учётным приборам, персонал станции имеет возможность в режиме реального времени следить за степенью выгорания каждой единицы топлива и производить замену. Иногда вместо загрузки новых ТВС, сборки перемещаются между собой. В центре активной зоны выгорание происходит интенсивнее всего.

ТВС после атомной станции

Уран, который отработал в ядерном реакторе, называется облучённым или выгоревшим. А такие ТВС — отработавшим ядерным топливом. ОЯТ позиционируется отдельно от радиоактивных отходов, поскольку имеет как минимум 2 полезных компонента — это невыгоревший уран (глубина выгорания металла никогда не достигает 100%) и трансурановые радионуклиды.

В последнее время физики стали использовать в промышленности и медицине радиоактивные изотопы, накапливающиеся в ОЯТ. После того как топливо отработает свою кампанию (время нахождения сборки в активной зоне реактора в условиях работы на номинальной мощности), его отправляют в бассейн выдержки, затем в хранилище непосредственно в реакторном отделении, а после этого — на переработку или захоронение. Бассейн выдержки предназначен для отвода тепла и защиты от ионизирующего излучения, поскольку ТВС после извлечения из реактора остаётся опасной.

Контейнеры с отработанным ядерным топливом

В США, Канаде или Швеции ОЯТ не отправляют на повторную переработку. Другие страны, среди них и Россия, работают над замкнутым топливным циклом. Он позволяет существенно сократить расходы на производство ядерного топлива, поскольку повторно используется часть ОЯТ.

Топливные стержни растворяются в кислоте, после чего исследователи выделяют из отходов плутоний и неиспользованный уран. Около 3% сырья эксплуатировать повторно невозможно, это высокоактивные отходы, которые проходят процедуры битумирования или остекловывания.

Из отработавшего ядерного топлива можно получить 1% плутония. Этот металл не требуется обогащать, Россия использует его в процессе производства инновационного MOX-топлива. Замкнутый топливный цикл позволяет сделать одну ТВС дешевле приблизительно на 3%, однако такая технология требует больших инвестиций на строительство промышленных узлов, поэтому пока не получила широкого распространения в мире. Тем не менее, топливная компания «Росатома» не прекращает исследования в этом направлении. Недавно Пронедра писали, что в Российской Федерации работают над топливом, способным в активной зоне реактора утилизировать изотопы америция, кюрия и нептуния, которые входят в те самые 3% высокорадиоактивных отходов.

Ядерный топливный цикл

Ядерное топливо: виды, производство, переработка. Уран-235

Ядерное топливо – материал, используемый в ядерных реакторах для проведения управляемой цепной реакции. Оно чрезвычайно энергоемко и небезопасно для человека, что накладывает ряд ограничений на его использование. Сегодня мы с вами узнаем, что собой представляет топливо ядерного реактора, как оно классифицируется и производится, где применяется.

Ход цепной реакции

Во время цепной ядерной реакции, ядро делится на две части, которые называют осколками деления. Одновременно с этим выделяется несколько (2-3) нейтронов, которые впоследствии вызывают деление следующих ядер. Процесс происходит при попадании нейтрона в ядро исходного вещества. Осколки деления имеют большую кинетическую энергию. Их торможение в веществе сопровождается выделением огромного количества тепла.

Осколки деления, вместе с продуктами их распада, называют продуктами деления. Ядра, которые делятся нейтронами любой энергии, называют ядерным горючим. Как правило, они представляют собой вещества с нечетным количеством атомов. Некоторые ядра делятся сугубо нейтронами, энергия которых выше определенного порогового значения. Это преимущественно элементы с четным числом атомов. Такие ядра называют сырьевым материалом, так как в момент захвата нейтрона пороговым ядром образуются ядра горючего. Комбинация горючего и сырьевого материала называется тем самым ядерным топливом.

Классификация

Ядерное топливо делится на два класса:

Природное урановое. Оно содержит делящиеся ядра урана-235 и сырье урана-238, которое способно образовывать плутоний-239 при захвате нейтрона.
Вторичное топливо, не встречающееся в природе. К нему, кроме всего прочего, относится плутоний-239, который получается из топлива первого вида, а также уран-233, образующийся при захвате нейтронов ядрами тория-232.

С точки зрения химического состава, бывают такие виды ядерного топлива:

Металлическое (в том числе сплавы);
Оксидное (к примеру, UO₂);
Карбидное (к примеру PuC_1-x);
Смешанное;
Нитридное.

ТВЭЛ и ТВС

Топливо для ядерных реакторов используется в виде таблеток небольшого размера. Они помещаются в герметично-закрытые тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), которые, в свою очередь, по несколько сотен объединяются в тепловыделяющие сборки (ТВС). К ядерному топливу предъявляются высокие требования по совместимости с оболочками ТВЭЛов. Оно должно иметь достаточную температуру плавления и испарения, хорошую теплопроводность и не сильно увеличиваться в объеме при нейтронном облучении. Также во внимание берется технологичность производства.

Применение

На атомные электростанции и другие ядерные установки топливо приходит в виде ТВС. Они могут загружаться в реактор как во время его работы (на место выгоревших ТВС), так и во время ремонтной кампании. В последнем случае тепловыделяющие сборки меняют крупными группами. При этом лишь третья часть топлива заменяется полностью. Наиболее выгоревшие сборки выгружаются из центральной части реактора, а на их место ставятся частично выгоревшие сборки, которые ранее находились в менее активных областях. Следовательно, на место последних устанавливаются новые ТВС. Эта нехитрая схема перестановки считается традиционной и имеет ряд преимуществ, главным из которых является обеспечение равномерного энерговыделения. Конечно же, это условная схема, которая дает лишь общие представления о процессе.

Выдержка

После изъятия отработанного ядерного топлива из активной зоны реактора, его отправляют в бассейн выдержки, который, как правило, находится неподалеку. Дело в том, что в отработанных ТВС содержится огромное количество осколков деления урана. После выгрузки из реактора каждый ТВЭЛ содержит порядка 300 тысяч Кюри радиоактивных веществ, выделяющих 100 кВт/час энергии. За счет нее топливо саморазогревается и становится высокорадиоактивным.

Температура недавно выгруженного топлива может достигать 300°С. Поэтому его выдерживают на протяжении 3-4 лет под слоем воды, температура которой поддерживается в установленном диапазоне. По мере хранения под водой, радиоактивность топлива и мощность его остаточных выделений падает. Примерно через три года саморазогрев ТВС доходит уже до 50-60°С. Тогда топливо извлекают из бассейнов и отправляют на переработку или захоронение.

Металлический уран

Металлический уран используется в качестве топлива для ядерных реакторов относительно редко. Когда вещество достигает температуры 660°С, происходит фазовый переход, сопровождающийся изменением его структуры. Попросту говоря, уран увеличивается в объеме, что может привести к разрушению ТВЭЛа. В случае длительного облучения при температуре 200-500°С вещество подвергается радиационному росту. Суть этого явления заключается в удлинении облученного уранового стержня в 2-3 раза.

Применение металлического урана при температуре более 500°С затрудняется из-за его распухания. После деления ядра образуется два осколка, суммарный объем которых превышает объем того самого ядра. Часть осколков деления представлена атомами газов (ксенон, криптон и др.). Газ накапливается в порах урана и формирует внутреннее давление, которое растет по мере увеличения температуры. За счет увеличения объема атомов и повышения давления газов ядерное топливо начинает распухать. Таким образом, под этим подразумевается относительное изменение объема, связанное с делением ядер.

Сила распухания зависит от температуры ТВЭЛов и выгорания. С увеличением выгорания, возрастает количество осколков деления, а с увеличение температуры и выгорания – внутреннее давление газов. Если топливо обладает более высокими механическими качествами, то оно менее подвержено распуханию. Металлический уран к таким материалам не относится. Поэтому его применение в качестве топлива для ядерных реакторов ограничивает глубину выгорания, являющуюся одной из главных характеристик такого топлива.

Механические свойства урана и его радиационная стойкость улучшаются путем легирования материала. Это процесс предполагает добавление к нему алюминия, молибдена и других металлов. Благодаря легирующим добавкам, число нейтронов деления, необходимое на один захват, снижается. Поэтому для этих целей используются материалы, которые слабо поглощают нейтроны.

Тугоплавкие соединения

Хорошим ядерным топливом считаются некоторые тугоплавкие соединения урана: карбиды, окислы и интерметаллические соединения. Наиболее распространенным из них является диоксид урана (керамика). Его температура плавления составляет 2800°С, а плотность – 10,2 г/см 3 .

Так как у этого материала нет фазовых переходов, он менее подвержен распуханию, нежели сплавы урана. Благодаря этой особенности температуру выгорания можно повысить на несколько процентов. На высоких температурах керамика не взаимодействует с ниобием, цирконием, нержавеющей сталью и прочими материалами. Ее главный недостаток заключается в низкой теплопроводности – 4,5 кДж (м*К), ограничивающей удельную мощность реактора. Кроме того, горячая керамика склонна к растрескиванию.

Плутоний

Плутоний считается низкоплавким металлом. Он плавится при температуре 640°С. Из-за плохих пластических свойств он практически не поддается механической обработке. Токсичность вещества усложняет технологию изготовления ТВЭЛов. В атомной промышленности неоднократно предпринимались попытки использования плутония и его соединений, однако они не увенчались успехом. Использовать топливо для атомных электростанций, содержащее плутоний, нецелесообразно из-за примерно 2-кратного уменьшения периода разгона, на что не рассчитаны стандартные системы управления реакторами.

Для изготовления ядерного топлива, как правило, используют диоксид плутония, сплавы плутония с минералами, а также смесь карбидов плутония с карбидами урана. Высокими механическими свойствами и теплопроводностью обладают дисперсионные топлива, в которые частицы соединений урана и плутония размещаются в металлической матрице из молибдена, алюминия, нержавеющей стали и прочих металлов. От материала матрицы зависит радиационная стойкость и теплопроводность дисперсионного топлива. К примеру, на первой АЭС дисперсионное топливо состояло из частиц уранового сплава с 9% молибдена, которые были залиты молибденом.

Что касается ториевого топлива, то оно на сегодня не используется в силу трудностей производства и переработки ТВЭЛов.

Добыча

Значительные объемы основного сырья для ядерного топлива – урана сконцентрированы в нескольких странах: Россия, США, Франция, Канада и ЮАР. Его залежи, как правило, находятся около золота и меди, поэтому все эти материалы добывают одновременно.

Здоровье людей, работающих на разработках, подвержено большой опасности. Дело в том, что уран является токсичным материалом, и газы, выделяющиеся в процессе его добычи, могут вызывать рак. И это притом, что в руде содержится не более 1% этого вещества.

Получение

Производство ядерного топлива из урановой руды включает в себя такие стадии, как:

Гидрометаллургическая переработка. Включает в себя выщелачивание, дробление и экстракционное или сорбционное извлечение. Результатом гидрометаллургической переработки является очищенная взвесь закиси оксиурана, диураната натрия или диураната аммония.
Перевод вещества из оксида в тетрафторид или гексафторид, используемый для обогащения урана-235.
Обогащение вещества путем центрифугирования или газовой термодиффузии.
Перевод обогащенного материала в диоксид, из которого производят «таблетки» ТВЭЛов.

Регенерация

Во время работы ядерного реактора топливо не может полностью выгорать, поэтому воспроизводятся свободные изотопы. В этой связи отработанные ТВЭЛЫ подлежат регенерации с целью повторного использования.

На сегодня эту задачу решают путем пьюрекс-процесса, состоящего из таких этапов, как:

Разрезание ТВЭЛов на две части и растворение их в азотной кислоте;
Очистка раствора от продуктов деления и частей оболочки;
Выделение чистых соединений урана и плутония.

После этого полученный диоксид плутония идет на производство новых сердечников, а уран – на обогащение или также изготовление сердечников. Переработка ядерного топлива является сложным и дорогостоящим процессом. Ее стоимость оказывает существенное влияние на экономическую целесообразность использования атомных электростанций. То же самое можно сказать и про захоронение отходов ядерного топлива, не пригодных к регенерации.

Как хранят отработавшее ядерное топливо, а, главное, зачем?

Судьба ОЯТ может складываться по-разному. В большинстве стран ядерное топливо, отработавшее положенный срок в реакторе АЭС, считают радиоактивными отходами и отправляют в могильники или вывозят за рубеж. Сторонники такого подхода (среди них, например, США, Канада, Финляндия) придерживаются мнения, что на планете достаточно запасов урановой руды, чтобы осваивать дорогостоящий, сложный и потенциально опасный процесс переработки ОЯТ. Россия и еще несколько ядерных держав (в том числе Франция, Англия, Индия) развивают технологии переработки облученного топлива и стремятся к тому, чтобы в перспективе полностью замкнуть топливный цикл.

Замкнутый цикл предполагает, что полученное из урановой руды и отработавшее в реакторе топливо будет снова и снова перерабатываться и использоваться на АЭС. В результате ядерная энергетика фактически превратиться в возобновляемый ресурс, снизится количество радиоактивных отходов, а человечество будет обеспечено относительно дешевой энергией на тысячи лет.

Привлекательность переработки ОЯТ объясняется малой глубиной выгорания ядерного топлива в ходе одной кампании: на наиболее распространенных водо-водяных реакторах (ВВЭР) она не превышает 3-5%, на устаревших канальных реакторах большой мощности (РБМК) — всего 2 %, и только на реакторах на быстрых нейтронах (БН) может достигать 20 %, но таких реакторов промышленного масштаба пока всего два в мире (оба в России, на Белоярской АЭС). Таким образом, ОЯТ представляет собой источник ценных компонентов, в том числе изотопов урана и плутония.

Путь ОЯТ: от реактора до места хранения

Напомним, что на АЭС ядерное топливо поступает в виде тепловыделяющих сборок (ТВС), состоящих из герметичных стержней (тепловыделяющих элементов — ТВЭЛов), наполненных таблетками гексафторида урана.

Тепловыделяющая сборка для ВВЭР состоит из 312 ТВЭЛов, закрепленных на шестигранном каркасе (фото ПАО «НЗХК»)

Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) атомных электростанций требует особого обращения. Находясь в реакторе, ТВЭЛы накапливают большое количество продуктов деления, и даже спустя годы после извлечения из активной зоны выделяют тепло: на воздухе стержни разогревается до нескольких сотен градусов. Поэтому по окончании топливной кампании облученные сборки помещают в пристанционные бассейны выдержки. Вода отводит избыточное тепло и защищает персонал АЭС от повышенного уровня радиации.

Спустя три-пять лет ТВС все еще выделяют тепло, но временное отсутствие охлаждения уже не опасно. Атомщики пользуются этим, чтобы вывезти ОЯТ с электростанции в специализированные хранилища. В России отработавшее топливо отправляют на ПО «Маяк» (Челябинская область) и Изотопно-химический завод Горно-химического комбината (Красноярский край). ГХК специализируется на хранении топлива реакторов ВВЭР-1000 и РБМК-1000. На предприятии действуют «мокрое» (водоохлаждаемое) хранилище, построенное в 1985 году, и сухое, поэтапно запущенное в 2011-2015 гг.

Отделение приемки «мокрого» хранилища. Здесь разгружают вагоны с ОЯТ

«Для транспортировки ОЯТ ВВЭР по железной дороге топливные сборки помещают в ТУК (транспортный упаковочный комплект), сертифицированный по стандартам МАГАТЭ, — рассказывает Игорь Сеелев, директор Изотопно-химического завода ГХК. — Каждый ТУК вмещает 12 сборок. Такой контейнер из нержавеющей стали обеспечивает полную защиту персонала и населения от излучения. Целостность упаковки не нарушится даже в случае тяжелой железнодорожной аварии. Состав с ОЯТ сопровождает сотрудник нашего комбината и вооруженная охрана».

В пути ОЯТ успевает разогреться до 50-80 °С, поэтому прибывший на комбинат ТУК отправляют в узел расхолаживания, где к нему по трубопроводам подается вода со скоростью 1 см/мин — резко менять температуру топлива нельзя. Через 3-5 часов контейнер охлаждается до 30°С. Воду сливают, и переносят ТУК в бассейн глубиной 8 м — для перегрузки. Крышку контейнера открывают прямо под водой. И под водой же переносят каждый ТВС в 20-местный чехол для хранения. Конечно, никаких водолазов на ГХК нет, все операции выполняют с помощью особого крана. Этот же кран перемещает чехол со сборками в отсек хранения.

Перегрузка ОЯТ под водой

Освободившийся ТУК отправляют на дезактивацию, после которой его можно без дополнительных предосторожностей перевозить по железной дороге. В год ГХК выполняет более 20 рейсов на атомные станции, по несколько контейнеров в каждом эшелоне.

«Мокрое» хранилище

«Мокрое» хранилище можно было бы принять за гигантский школьный спортзал, если бы не металлические листы на полу. Если приглядеться, можно заметить, что желтые разделительные полосы — это узкие люки. Когда нужно поставить чехол в тот или иной отсек, кран движется по этим полосам как по направляющим, перемещая груз под водой.
Над сборками надежный барьер для излучения — двухметровый слой обессоленной воды. В зале хранилища нормальная радиационная обстановка. Гости даже могут пройтись по крышкам люков и заглянуть в них.

Длина «мокрого» хранилища — 240 м, а ширина — 36 м

Хранилище спроектировано с учетом проектных и запроектных аварий, то есть устойчиво к невероятным по силе землетрясениям и другим малореальным происшествиям. Для безопасности бассейн хранилища разделен на 20 отсеков. В случае гипотетической течи каждый из этих бетонных модулей можно изолировать от остальных и перенести сборки в неповрежденный отсек. Продуманы пассивные средства поддержания уровня воды для надежного отвода тепла.

В 2011 году, еще до событий на Фукусиме, хранилище расширили и усилили меры безопасности. По итогам реконструкции в 2015 году было получено разрешение на эксплуатацию до 2045 года. Сегодня «мокрое» хранилище принимает тепловыделяющие сборки типа ВВЭР-1000 российского и зарубежного производства. Бассейны позволяют разместить более 15 тысяч ТВС. Вся информация о размещенном ОЯТ фиксируется в электронной базе данных.

Сухое хранилище

«Мы стремимся к тому, чтобы водоохлаждаемое хранилище было лишь промежуточным этапом перед сухим хранением или переработкой. В этом смысле стратегия ГХК и Росатома соответствует общемировому вектору развития, — поясняет Игорь Сеелев. — В 2011 году мы сдали в эксплуатацию первую очередь сухого хранилища ОЯТ РБМК-1000, а в декабре 2015 — завершили строительство всего комплекса. В том же 2015-м на ГХК было запущено производство МОКС-топлива из переработанного ОЯТ. В декабре 2016 года была выполнена первая перегрузка топлива ВВЭР-1000 из «мокрого» хранилища в сухое».

Сухое хранилище ОЯТ

В зале хранения размещаются бетонные модули, а в них — герметичные пеналы с ОЯТ, заполненные азотно-гелиевой смесью. Охлаждает сборки наружный воздух, который самотеком поступает по воздуховодам. При этом не требуется принудительной вентиляции: воздух движется из-за определенного расположение каналов, а отвод тепла происходит за счет конвективного теплообмена. Принцип тот же, что у тяги в камине.

Хранить ОЯТ сухим способом значительно безопаснее и дешевле. В отличие от «мокрого» хранилища здесь нет расходов на водоснабжение и водоподготовку, не нужно организовывать циркуляцию воды. Объект не пострадает при потере электропитания, да и от персонала не требуется никаких действий, кроме собственно загрузки топлива. В этом смысле создание сухой технологии — огромный шаг вперед. Однако полностью отказаться от водоохлаждаемого хранилища нельзя. Из-за повышенного тепловыделения сборки ВВЭР-1000 должны находиться в воде первые 10-15 лет. Только после этого их можно перемещать в сухой зал или отправлять на переработку.
«Принцип организации сухого хранилища очень прост, — говорит Игорь Сеелев, — однако его никто не предложил раньше. Сейчас патент на технологию принадлежит группе российских ученых. И это подходящая тема для экспансии Росатома на международный рынок, потому что технологией сухого хранения интересуются во многих странах. К нам уже приезжали японцы, французы и американцы. Ведутся переговоры о том, чтобы на ГХК привозили ОЯТ с тех АЭС, которые российские атомщики строят за рубежом».

Сухое хранение — дешевле и безопаснее «мокрого»

Запуск сухого хранилища был особенно важным для станций с реакторами РБМК. До его создания был риск остановки мощностей Ленинградской, Курской и Смоленской АЭС из-за переполнения пристанционных хранилищ. Нынешней емкости сухого хранилища ГХК достаточно, чтобы разместить отработанные сборки РБМК всех российских станций. Благодаря меньшему тепловыделению, их сразу направляют в сухом хранилище, минуя «мокрое». Здесь ОЯТ могут находиться на протяжении 100 лет. Возможно, за это время будут созданы экономически привлекательные технологии для его переработки.

Переработка ОЯТ

Планируется, что строящийся в Железногорске Опытно-демонстрационный центр (ОДЦ) по переработке отработавшего ядерного топлива будет сдан к 2020 году. Первый пусковой комплекс по производству МОКС-топлива (смешанное оксидное уран-плутониевое) выпускает всего 10 сборок в год, поскольку технологии пока отрабатываются и совершенствуются. В будущем мощность завода существенно вырастет. Сегодня на переработку можно отправлять сборки из обоих хранилищ Изотопно-химического завода, но очевидно, что с экономической точки зрения выгоднее начинать с переработки ОЯТ, накопившегося в «мокром» хранилище. Планируется, что в дальнейшем помимо сборок ВВЭР-1000 предприятие сможет перерабатывать ТВС реакторов на быстрых нейтронах, ТВС высокообогащенного урана (ВОУ) и ТВС зарубежного дизайна. На производстве будут получать порошок закиси-окиси урана, смесь оксидов урана, плутония, актинидов и отверждённые продукты деления.

Строительство ОДЦ

ОДЦ позиционируется как самый современный в мире радиохимический завод поколения 3+ (заводы французской компании Areva имеют поколение 2+). Главная особенность внедряемых на ГХК технологий — отсутствие жидких и меньшее количество твердых радиоактивных отходов при переработке ОЯТ.

МОКС-топливо поставляется на реакторы типа БН Белоярской АЭС. Также Росатом работает над созданием РЕМИКС-топлива, которое после 2030 года, возможно, будет использоваться на реакторах типа ВВЭР. В отличие от МОКС-топлива, где плутоний смешивается с обедненным ураном, РЕМИКС-топливо планируется изготавливать из смеси плутония с обогащенным ураном.

При условии, что в стране будет достаточное количество АЭС с разными типами реакторов, работающих на смешанном топливе, Росатому удастся приблизиться к замыканию ядерного топливного цикла.

ТВЭЛ - это тепловыделяющий элемент. Ядерный реактор

Хотя атомная энергетика не является на сегодняшний день полностью безопасной, реакторов и электростанций по всему миру больше строится, нежели закрывается. Так в Соединенных Штатах Америки количество действующих реакторов только-только перевалило за сотню, во Франции (второе место по количеству мирного атома на планете) - около 60, и обеспечивают они порядка 80 % от вырабатываемого в стране электричества.

Топливом для ядерного реактора служит ТВЭЛ. Это элемент, в котором непосредственно протекает управляемая цепня реакция. Как устроены «дрова» атомного котла, как они изготавливаются и что происходит с топливом в сердце электростанции?

Что такое цепная ядерная реакция

Известно, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Например, в ядре атома урана содержится 92 протона и 143 или 146 нейтронов. Сила отталкивания между положительно заряженными протонами в ядре урана просто громадна, около 100 кгс в одном единственном (!) атоме. Однако разлетаться ядру не дают внутриядерные силы. При попадании в ядро урана свободного нейтрона (только нейтральная частица способна приблизиться к ядру) последнее деформируется и разлетается на две половинки плюс два-три свободных нейтрона.

Эти самые свободные нейтроны атакуют ядра других атомов, и т. д. Таким образом, количество столкновений увеличивается в геометрической прогрессии и в доли секунды вся масса радиоактивного металла распадается. Этот распад сопровождается разлетом на околосветовых скоростях во все стороны осколков, их столкновения с молекулами окружающей среды вызывают нагревание до нескольких миллионов градусов. Это картина обычного ядерного взрыва. ТВЭЛ это явление направляет в мирное русло. Как это происходит?

Управляемая ядерная реакция

Чтобы ядерная реакция смогла поддерживать себя сама, стала цепной, необходимо достаточное количество радиоактивного топлива (т. н. «критическая масса»). В ядерном оружии этот вопрос решается просто: два слитка оружейного металла (урана 235, плутония 239 и т. д.) с массой каждого чуть меньше критической в одно целое соединяют при помощи взрыва обычного тротила.

Для мирного использования атома этот способ не годится. На рисунке схематично показано устройство простейшего атомного реактора. Каждый ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент − урановое топливо) по массе меньше критической, суммарный же их вес превышает эту отметку. Находясь в непосредственной близости друг от друга, ТВЭЛы «обмениваются» свободными нейтронами. Благодаря такой взаимной нейтронной бомбардировке в реакторе поддерживается цепная ядерная реакция. Графитовые стержни играют роль своеобразных «тормозов» ядерного процесса. Графит – хороший поглотитель нейтронов, реакция затухает, когда стержни из этого материала помещаются между ТВЭЛ. Это полностью останавливает обмен свободными нейтронами.

Таким образом, реакция находится под постоянным контролем автоматики. Распад сопровождается движением в среде теплоносителя осколков ядер урана, которые разогревают его до необходимой температуры.

Как вырабатывается электроэнергия

Дальнейшее устройство атомной электростанции мало чем отличается от обычной тепловой, работающей на газе, мазуте или угле. Разница состоит в том, что в ТЭЦ тепло получается при сжигании ископаемых углеводородов, в АЭС же теплоноситель нагревается ТВЭЛ ядерных реакторов.

Доведенный до температуры в 500–800 °C теплоноситель (в его роли могут выступать перегретая вода, расплавы солей, и даже жидкие металлы) в специальном теплообменнике разогревает воду, превращая ее в сухой пар. Пар вращает турбину, посаженную на один вал с генератором, в котором и вырабатывается электрический ток.

Какие они бывают

Первыми ядерными реакторами были гомогенные устройства. Они представляли собой котлы, в которых находилось ядерное топливо (чаще жидкое, реже газообразное). Это расплав солей урана или слабо обогащенного урана, иногда взвеси урановой пыли и т. д. Процесс регулировался введением в активную зону замедлителя в виде пластин или стержней из материала, который хорошо замедляет свободные нейтроны. Тепло передавалось воде посредством расположенных прямо в активной зоне теплообменников, наподобие колосников в угольной печи.

На нашем же рисунке изображен гетерогенный ядерный реактор, которых сейчас в мире абсолютное большинство. Такие «атомные котлы» легче обслуживать, менять в них топливо, ремонтировать, они безопаснее и надежнее старых гомогенных.

Еще одним бонусом использования урановых ТВЭЛов является генерация в них в результате облучения нейтронами ядер урана такого элемента, как плутоний 239, который затем используется как топливо для малогабаритных ядерных реакторов, а так же в качестве оружейного металла.

Где берется топливо для атомных электростанций

Уран добывают во многих странах мира открытым (карьерным) или шахтным способом. Изначально в руде содержится даже не сам уран, а его оксид. Выделение металла из окисла – сложнейшая цепь химических превращений. Далеко не каждая страна мира может позволить себе обзавестись предприятиями по производству ядерного топлива.

Дальнейшая задача − обогащение добытого урана. Менее 1 % урана 235 содержится в природном материале, остальное – изотоп 238. Разделить эти два элемента чрезвычайно тяжело. Центрифуги по обогащению урана - это сложнейшие устройства.

Чтобы уран стал высокообогащенным (содержание изотопа 235 повысилось до 20 %) ему предстоит, превратившись в газ, пройти до тысячи ступеней переработки.

Как устроен ТВЭЛ

В руки инженеров попадает инженеров обогащенный уран, но это пока еще на ядерное топливо. Производство этого топлива сродни порошковой металлургии. Порошкообразный металл (или его химических соединений) прессуется в небольшие таблетки диаметром около сантиметра.

Изделия из металлического урана лучше приспособлены выдерживать адские условия внутри реактора, но чистый элемент очень дорог в производстве. Намного дешевле диоксид урана, но чтобы он не рассыпался от огромных давления и жара приходится запекать под громадным давлением при температуре более 1000 °C.

ТВЭЛ - это набор таких шайб длиной порядка 2-4 метров, помещенный в трубку из стали или сплавов железа с молибденом. Сами ТВЭЛы набираются в пучок из нескольких десятков или даже сотен. Такой набор называют тепловыделяющей сборкой (ТВС).

ТВС устанавливаются непосредственно в сердце атомного реактора. В одном реакторе их количество может достигать нескольких сотен. По мере распада урана ТВЭЛы теряют свою способность производить тепло, тогда их заменяют. Но один килограмм технического урана, обогащенного до содержания 235 изотопа 4%, за свою жизнь в атомном реакторе успевает произвести столько же энергии, сколько получилось бы при сжигании 300 стандартных двухсотлитровых бочек топочного мазута.

Читайте также: