Metalbrændsel til atomreaktorer. Nukleart brændsel: typer og behandling

Livscyklussen for nukleart brændsel baseret på uran eller plutonium begynder ved minevirksomheder, kemiske fabrikker, i gascentrifuger og slutter ikke i det øjeblik, hvor brændselssamlingen losses fra reaktoren, da hver brændselssamling skal gennemgå en lang vej bortskaffelse og derefter genbehandling.

Udvinding af råstoffer til nukleart brændsel

Uran er det tungeste metal på jorden. Omkring 99,4% af jordens uran er uran-238, og kun 0,6% er uran-235. Det Internationale Atomenergiagenturs Red Book-rapport viser, at uranproduktionen og -efterspørgslen stiger på trods af atomulykken i Fukushima, som har fået mange til at undre sig over udsigterne for atomkraft. Alene i løbet af de seneste år er påviste uranreserver steget med 7 %, hvilket er forbundet med opdagelsen af ​​nye forekomster. De største producenter er fortsat Kasakhstan, Canada og Australien; de udvinder op til 63% af verdens uran. Derudover er metalreserver tilgængelige i Australien, Brasilien, Kina, Malawi, Rusland, Niger, USA, Ukraine, Kina og andre lande. Tidligere skrev Pronedra, at der i 2016 blev udvundet 7,9 tusinde tons uran i Den Russiske Føderation.

I dag udvindes uran på tre forskellige måder. Den åbne metode mister ikke sin relevans. Det bruges i tilfælde, hvor aflejringer er tæt på jordens overflade. Med den åbne metode skaber bulldozere et stenbrud, hvorefter malmen med urenheder læsses i dumpere til transport til forarbejdningskomplekser.

Ofte ligger malmlegemet i stor dybde, og i så fald anvendes den underjordiske minedriftsmetode. En mine graves op til to kilometer dybt, klippen udvindes ved at bore i vandrette drivere og transporteres opad i godselevatorer.

Blandingen, der transporteres opad på denne måde, har mange komponenter. Stenen skal knuses, fortyndes med vand og det overskydende fjernes. Dernæst tilsættes svovlsyre til blandingen for at udføre udvaskningsprocessen. Under denne reaktion opnår kemikere et gult bundfald af uransalte. Til sidst renses uran med urenheder i et raffineringsanlæg. Først herefter produceres uranoxid, som handles på børsen.

Der er en meget mere sikker, miljøvenlig og omkostningseffektiv metode kaldet borehole in situ leaching (ISL).

Med denne metode til minedrift forbliver territoriet sikkert for personale, og strålingsbaggrunden svarer til baggrunden i store byer. For at udvinde uran ved hjælp af udvaskning skal du bore 6 huller i hjørnerne af sekskanten. Gennem disse brønde pumpes svovlsyre ind i uranaflejringer og blandes med dets salte. Denne opløsning ekstraheres, nemlig pumpes gennem en brønd i midten af ​​sekskanten. For at opnå den nødvendige koncentration af uransalte ledes blandingen gennem sorptionssøjler flere gange.

Atombrændselproduktion

Det er umuligt at forestille sig produktionen af ​​nukleart brændsel uden gascentrifuger, som bruges til at fremstille beriget uran. Efter at have nået den nødvendige koncentration, presses urandioxidet til såkaldte tabletter. De er skabt ved hjælp af smøremidler, der fjernes under fyring i ovne. Brændetemperaturen når 1000 grader. Herefter kontrolleres tabletterne for at sikre, at de opfylder de angivne krav. Overfladekvalitet, fugtindhold og forholdet mellem ilt og uran er vigtige.

Samtidig forberedes rørformede skaller til brændselselementer på et andet værksted. Ovenstående processer, herunder efterfølgende dosering og pakning af tabletter i skalrør, forsegling, dekontaminering, kaldes brændstoffremstilling. I Rusland udføres oprettelsen af ​​brændstofsamlinger (FA) af Mashinostroitelny Zavod i Moskva-regionen, Novosibirsk Chemical Concentrates Plant i Novosibirsk, Moscow Polymetals Plant og andre.

Hvert parti af brændselselementer er skabt til en bestemt type reaktor. Europæiske brændstofsamlinger er lavet i form af en firkant, mens russiske har et sekskantet tværsnit. Reaktorer af typen VVER-440 og VVER-1000 er meget udbredt i Den Russiske Føderation. De første brændselselementer til VVER-440 begyndte at blive udviklet i 1963 og til VVER-1000 - i 1978. På trods af det faktum, at nye reaktorer med post-Fukushima-sikkerhedsteknologier aktivt introduceres i Rusland, er der mange gamle nukleare installationer, der opererer i hele landet og i udlandet, så brændstofsamlinger til forskellige typer reaktorer forbliver lige relevante.

For at levere brændstofsamlinger til en kerne af RBMK-1000-reaktoren er der for eksempel brug for over 200 tusinde komponenter lavet af zirconiumlegeringer samt 14 millioner sintrede urandioxid-pellets. Nogle gange kan omkostningerne ved at fremstille en brændstofsamling overstige prisen på det brændstof, der er indeholdt i elementerne, hvorfor det er så vigtigt at sikre høj energieffektivitet pr. kilogram uran.

Omkostninger til produktionsprocesser i %

Separat er det værd at nævne brændselssamlinger til forskningsreaktorer. De er designet på en sådan måde, at observation og undersøgelse af neutrongenereringsprocessen bliver så behagelig som muligt. Sådanne brændselsstave til eksperimenter inden for kernefysik, isotopproduktion og strålingsmedicin produceres i Rusland af Novosibirsk Chemical Concentrates Plant. FA'er er skabt på basis af sømløse elementer med uran og aluminium.

Produktionen af ​​nukleart brændsel i Den Russiske Føderation udføres af brændstoffirmaet TVEL (en afdeling af Rosatom). Virksomheden arbejder med at berige råmaterialer, samle brændstofelementer og leverer også brændstoflicenstjenester. Det mekaniske anlæg i Kovrov i Vladimir-regionen og Ural-gascentrifugeanlægget i Sverdlovsk-regionen skaber udstyr til russiske brændstofsamlinger.

Funktioner ved transport af brændstofstænger

Naturligt uran er kendetegnet ved et lavt niveau af radioaktivitet, men før produktionen af ​​brændselselementer gennemgår metallet en berigelsesprocedure. Indholdet af uran-235 i naturlig malm overstiger ikke 0,7 %, og radioaktiviteten er 25 becquerel pr. 1 milligram uran.

Uran pellets, som placeres i brændstofsamlinger, indeholder uran med en uran-235 koncentration på 5%. Færdige brændselssamlinger med nukleart brændsel transporteres i specielle højstyrke metalbeholdere. Til transport bruges jernbane-, vej-, sø- og endda lufttransport. Hver beholder indeholder to samlinger. Transport af ikke-bestrålet (frisk) brændstof udgør ikke en strålingsfare, da strålingen ikke strækker sig ud over de zirkoniumrør, hvori de pressede uranpiller er placeret.

Der er udviklet en særlig rute til brændstofforsendelsen; lasten transporteres ledsaget af sikkerhedspersonale fra producenten eller kunden (oftere), hvilket primært skyldes de høje omkostninger ved udstyret. I hele historien om produktion af nukleart brændsel er der ikke registreret en eneste transportulykke, der involverer brændselselementer, som ville have påvirket miljøets strålingsbaggrund eller ført til ofre.

Brændstof i reaktorkernen

En enhed nukleart brændsel - en TVEL - er i stand til at frigive enorme mængder energi over en lang periode. Hverken kul eller gas kan måle sig med sådanne mængder. Brændselslivscyklussen på ethvert atomkraftværk begynder med aflæsning, fjernelse og opbevaring af frisk brændsel i brændstofsamlingslageret. Når den forrige batch brændstof i reaktoren brænder ud, samler personalet brændstofsamlingerne til indlæsning i kernen (reaktorens arbejdsområde, hvor henfaldsreaktionen finder sted). Som regel genoplades brændstoffet delvist.

Fuldt brændstof tilsættes kun kernen på tidspunktet for den første opstart af reaktoren. Dette skyldes det faktum, at brændstofstængerne i reaktoren brænder ujævnt ud, da neutronfluxen varierer i intensitet i forskellige zoner af reaktoren. Takket være måleanordninger har stationspersonalet mulighed for at overvåge graden af ​​udbrænding af hver brændstofenhed i realtid og foretage udskiftninger. Nogle gange, i stedet for at læsse nye brændstofsamlinger, flyttes enheder indbyrdes. I midten af ​​den aktive zone opstår udbrændthed mest intenst.

FA efter et atomkraftværk

Uran, der er blevet brugt i en atomreaktor, kaldes bestrålet eller brændt op. Og sådanne brændselselementer bruges som brugt nukleart brændsel. SNF er placeret adskilt fra radioaktivt affald, da det har mindst 2 nyttige komponenter - uforbrændt uran (metallets forbrændingsdybde når aldrig 100%) og transuran-radionuklider.

For nylig er fysikere begyndt at bruge radioaktive isotoper akkumuleret i brugt nukleart brændsel i industri og medicin. Efter at brændstoffet har afsluttet sin kampagne (den tid, hvor samlingen er i reaktorkernen under driftsforhold ved nominel effekt), sendes det til kølebassinet, derefter til opbevaring direkte i reaktorrummet og derefter til oparbejdning eller bortskaffelse. Kølebassinet er designet til at fjerne varme og beskytte mod ioniserende stråling, da brændstofsamlingen forbliver farlig efter fjernelse fra reaktoren.

I USA, Canada eller Sverige sendes brugt brændsel ikke til oparbejdning. Andre lande, herunder Rusland, arbejder på et lukket brændstofkredsløb. Det giver dig mulighed for betydeligt at reducere omkostningerne ved at producere nukleart brændsel, da en del af det brugte brændsel genbruges.

Brændselsstavene opløses i syre, hvorefter forskere adskiller plutonium og ubrugt uran fra affaldet. Omkring 3% af råmaterialerne kan ikke genbruges; disse er højaktivt affald, der gennemgår bituminisering eller forglasning.

1 % plutonium kan genvindes fra brugt nukleart brændsel. Dette metal behøver ikke at blive beriget; Rusland bruger det i processen med at producere innovativt MOX-brændstof. Et lukket brændselskredsløb gør det muligt at gøre én brændstofsamling cirka 3 % billigere, men denne teknologi kræver store investeringer i konstruktion af industrielle enheder, så den er endnu ikke blevet udbredt i verden. Rosatom-brændstofselskabet stopper dog ikke forskning i denne retning. Pronedra skrev for nylig, at Den Russiske Føderation arbejder på et brændstof, der er i stand til at genbruge isotoper af americium, curium og neptunium i reaktorkernen, som indgår i de samme 3% af højradioaktivt affald.

Nukleart brændstofproducenter: rating

1. Den franske virksomhed Areva leverede indtil for nylig 31 % af det globale marked for brændstofelementer. Virksomheden producerer nukleart brændsel og samler komponenter til atomkraftværker. I 2017 gennemgik Areva en kvalitativ renovering, nye investorer kom til virksomheden, og det kolossale tab i 2015 blev reduceret med 3 gange.
2. Westinghouse er den amerikanske afdeling af det japanske firma Toshiba. Det udvikler aktivt markedet i Østeuropa og leverer brændstofelementer til ukrainske atomkraftværker. Sammen med Toshiba står det for 26 % af det globale marked for produktion af nukleart brændsel.
3. Brændstofselskabet TVEL fra statsselskabet Rosatom (Rusland) er på tredjepladsen. TVEL står for 17 % af det globale marked, har en tiårig kontraktportefølje til en værdi af 30 milliarder dollars og leverer brændstof til mere end 70 reaktorer. TVEL udvikler brændselssamlinger til VVER-reaktorer og kommer også ind på markedet for atomkraftværker af vestlig design.
4. Japan Nuclear Fuel Limited leverer ifølge de seneste data 16 % af verdensmarkedet og leverer brændselselementer til de fleste atomreaktorer i selve Japan.
5. Mitsubishi Heavy Industries er en japansk gigant, der producerer turbiner, tankskibe, klimaanlæg og for nylig nukleart brændstof til reaktorer i vestlig stil. Mitsubishi Heavy Industries (en afdeling af moderselskabet) er engageret i konstruktionen af ​​APWR-atomreaktorer og forskningsaktiviteter sammen med Areva. Dette firma blev valgt af den japanske regering til at udvikle nye reaktorer.

Den centrale fase af det nukleare brændselskredsløb er brugen af ​​nukleart brændsel i en atomkraftværksreaktor til at producere termisk energi. Som en energianordning er en atomreaktor en generator af termisk energi af visse parametre, opnået gennem spaltningen af ​​urankerner og det sekundære plutoniumbrændselselement dannet i reaktoren (fig. 6.22). Effektiviteten af ​​at konvertere termisk energi til elektrisk energi bestemmes af perfektionen af ​​de termohydrauliske og elektriske kredsløb i atomkraftværket.

Funktioner ved forbrændingen af ​​nukleart brændsel i reaktorkernen, forbundet med forekomsten af ​​forskellige nukleare reaktioner med brændselselementer, bestemmer kernekraftens specifikationer, driftsforhold for atomkraftværker, økonomiske indikatorer, indvirkning på miljøet, sociale og økonomiske konsekvenser .

Effektiviteten af ​​at bruge nukleart brændsel på atomkraftværker med termiske neutronreaktorer er kendetegnet ved den gennemsnitlige årlige energiproduktion pr. 1 ton (eller 1 kg) brændsel påfyldt og brugt i reaktoren - dens gennemsnitlige forbrænding (dens dimension er MW dag/t) ). I processen med udbrænding af uranbrændsel som følge af nukleare reaktioner sker der en væsentlig ændring i dets nuklidsammensætning Figur 6.23 viser en typisk graf over denne proces i forhold til designforholdene for VVER-1000 reaktorkernen med initial berigelse x = 4,4 % (44 kg/t) og den gennemsnitlige design brændstofforbrænding B = 40 10 3 MW dag/t (eller α = 42 kg/t), og i figur 6.24 - den beregnede graf over ændringer i nuklidsammensætningen af brændstof ved x = 2 % og B = 20 10 3 MW dag/t i kernen af ​​RBMK-1000 reaktoren. Det kan ses, at når 235 U brænder op, som et resultat af strålingsindfangning af neutroner af 238 U kerner, opstår fissile isotoper af plutonium 239 Pu, 241 Pu og ikke-fissile isotoper 240 Pu, 242 Pu, samt 236 U Desuden sker der dannelsesprocesser i brændstoffet og henfaldet af andre transuran- og transplutonium-elementer (fig. 6.25), hvis mængde er relativt lille og ikke tages i betragtning i økonomiske beregninger.

Figur 6.26 viser afhængigheden af ​​ændringen i nuklidsammensætning i uranbrændstoffet i en PWR-reaktor, som har en initial berigelse på 3,44 %, af neutronfluensen. Det beregnede bidrag fra fissile plutoniumisotoper (239 Pu og 241 Pu) til VVER-1000-atomreaktorens samlede energiproduktion er mere end 33%. Denne proces forekommer også i andre termiske neutronreaktorer. Plutoniums bidrag til fission og energiproduktion er større, jo højere avlsfaktor (BR) af plutonium er, og jo større er den gennemsnitlige brændstofforbrænding.

Mængden af ​​akkumulering af plutoniumisotoper i brugt brændsel er af væsentlig betydning for tekniske og økonomiske beregninger og vurderinger inden for atomenergi. Efter at være blevet udvundet af brugt brændsel under kemisk oparbejdning, er de også kommercielle produkter fra atomkraftværker.

Forholdet mellem massen z* af alle eller kun z isotoper af plutonium akkumuleret i brugt brændsel spaltet af termiske neutroner og massen α af fissile kerner indeholdt i 1 ton brugt brændsel kaldes normalt plu(CN):

КН=z/α; KH*=z*/ α ,

hvor z* er massen af ​​alle isotoper af plutonium akkumuleret i brugt brændsel (inklusive tabet af 235U på grund af transformation til 236U uden fission). Til en omtrentlig beregning af CN kan du bruge grafer over ændringer i brændstoffets nuklidsammensætning (se fig. 6.23 og 6.24), konstrueret på basis af nuklear fysiske beregninger. En stigning i den gennemsnitlige udbrænding B ledsages (tabel 6.13) af et fald i mængden af ​​plutonium i brugt brændsel, men af ​​en stigning i dets andel af reaktorens samlede energiproduktion. Denne andel er højere, jo større værdien af ​​integralet CF (forholdet mellem antallet af dannede fissile nuklider og antallet af fissile nuklider).

Tabel 6.13 Brændstofforbrænding og plutoniumakkumulering i termiske neutronreaktorer

Når man analyserer materialebalancen på 235 U i nukleart brændsel, er det nødvendigt at tage hensyn til dets irreversible tab i reaktorkernen forårsaget af fangsten af ​​neutroner af 235 U isotopen uden fission 235 U+n → 236 U + γ.

En væsentlig del af 235 U spalter ikke, men bliver til en kunstig ikke-spaltbar radioaktiv isotop 236 U. Sandsynligheden for dannelsen af ​​236 U fra 235 U er lig med forholdet mellem tværsnittet for radiativ neutronfangning af 235 U isotop (σ n γ = 98,36 for E n = 0,0253 eV) til summen af ​​strålingsindfangningen og fissionstværsnittene (σ ~ 580 barn). I resten af ​​235 U indlæst i reaktorkernen er det således nødvendigt ikke kun at tage højde for forbruget af 235 U kerner under dens fissionsproces, men også tabet (~ 15%) af 235 U kerner, der er irreversibelt tabt til dannelsen af ​​236 U.

Figur 6.27 viser niveauet af akkumulering af 236 U i en trykvandsreaktor i et moderne atomkraftværk med forskellig indledende brændselsberigelse afhængig af dets udbrændingsdybde.

Til gengæld fører dannelsen af ​​236 U til dets forbrug i processen med dannelse af nye elementer 237 Np og 238 Pu (se fig. 6.22). Relationerne i figur 6.27 tager højde for denne proces. Ved en udbrændingsdybde på 30·10 3 MW·dag/t i termiske neutronreaktorer dannes 0,35-0,40 % 236 U med brændstofberigelse på ~ 3,4 % 235 U.

Når VWR-kernen indeholder 0,12 % 236 U, vil tabet af opnåelig udbrænding være 10 3 MW dag/t, ved 0,4 % 236 U – 2,5 10 3 MW dag/t, ved 1 % 236 U – 5·10 3 MW· dag/t. I eksisterende letvandsreaktorer, for at kompensere for den negative påvirkning af 236 U og opnå de ønskede energikarakteristika, er det nødvendigt at øge den indledende berigelse af brændstoffet med 235 U, hvilket øger omkostningerne ved den nukleare brændselscyklus.

Brugen af ​​nukleart brændsel i atomkraftværksreaktorer omfatter følgende hovedoperationer:

• aflæsning, modtagelse og opbevaring på brændstofsamlingslageret af frisk brændsel modtaget fra leverandøranlægget;
• samling af brændstofsamlinger til lastning i reaktoren sammen med kontrolstænger;
• påfyldning af brændstofsamlinger i reaktorkernen (indledende eller i rækkefølgen af ​​periodisk og delvis genladning); effektiv udnyttelse af brændsel i reaktorkernen (opnåelse af en given termisk energiproduktion i reaktoren).

Det nukleare brændsel, der bruges i reaktoren, overføres til en kølebassin placeret i reaktorhallen og forbliver der i flere år. En så lang eksponering gør det muligt væsentligt at reducere den indledende radioaktivitet og restvarmeafgivelse af brændselselementer, at afvise utætte enheder og brændselsstave for at lette opgaven med at transportere brugt brændsel fra atomkraftværkets territorium (tabel 6.14). .

Fra kølebassinerne overføres det brugte brændsel til transportcontainere installeret på særlige jernbaneperroner eller andre køretøjer. Denne operation afslutter den længste - centrale - fase af den nukleare brændselscyklus på atomkraftværket. Nogle atomkraftværker har langtidsbufferlager til brugt brændsel eller kan indeholde brugte brændselselementer i specielle beholdere tilpasset til tør langtidsopbevaring.

Typer af brændstofkredsløb. Der findes en række typer brændselskredsløb afhængigt af, hvilken type reaktor der skal lades, og hvad der sker med det brugte brændsel, der udledes fra reaktoren. Figur 6.28 viser et diagram over et åbent (åbent) brændstofkredsløb.

Brugt brændsel opbevares på ubestemt tid i en vandopbevaringspool på atomkraftværkets territorium. I denne henseende er det nødvendigt at sikre sikkerheden ved arbejde med det, emballering og overførsel af brugt brændsel til et permanent lagersted, når der bruges offentlige lagerfaciliteter. Denne cyklus involverer ikke processen med genvinding eller berigelse af fissile materialer indeholdt i brændt brændsel. Figur 6.29 viser en cyklus, hvor brugt brændsel behandles for kun at genvinde uran. Plutonium- og transuranelementer betragtes som højaktivt affald (HLW) i denne cyklus.

Uranen leveres tilbage til berigningsanlægget for at øge berigningsprocenten fra 0,8 til 3 %, hvilket er nok til at blive genbrugt som brændstof til WWR. "Affald" kræver korrekt håndtering, emballering og transport til et permanent lagersted. En mere komplet brændselscyklus er vist i figur 6.30. Her udvindes udover uran også plutonium. Da plutonium er et fissilt materiale, kan det bruges som brændstof. Plutoniumoxid blandet med uraniumoxid kan genbruges i VWR-cyklussen. Denne brændstofblanding, der anvendes i pilotenheder i en række kommercielle reaktorer, har vist sin succesrige anvendelse som brændstof til VWR.

Tabel 6.14 Ændring i specifik aktivitet og varmeafgivelse pr. 1 ton brugt brændsel losset fra VVER ved en gennemsnitlig forbrænding på 33 10 3 MW dag/t

Imidlertid har genbrug af plutonium ikke opnået kommerciel anvendelse på grund af en række interferenser og begrænsninger. Japan og Tyskland har vist stor interesse for genanvendelse af plutonium. I Japan var hovedmotivet at sikre uafhængighed ved at skaffe brændstof til atomkraftværker. I Tyskland ønskede man at udnytte dette til væsentligt at forenkle bortskaffelsen af ​​højaktivt affald.

Det er også muligt at kombinere VWR og hurtige reaktorer, baseret på den tredje version af brændselskredsløbet. Plutonium genvundet fra brugt brændsel kan bruges som den første brændselsbelastning til en hurtig reaktor.

Dette er den mest effektive anvendelse af plutonium, da dets bedste kvaliteter vises i den hurtige del af neutronspektret. Denne retning bruges i Frankrig.

Plutonium produceret på franske oparbejdningsanlæg oplagres til senere brug i det hurtige reaktorudviklingsprogram. En hurtig neutronreaktor kræver sin egen brændselscyklus med sine egne specifikationer og funktioner. Denne specificitet bestemmes af den dybe udbrænding af brændstof hos opdrætteren (3 gange eller mere større end i VVR). En anden cyklus er baseret på brugen af ​​thorium, som, selvom det ikke er et fissilt materiale, omdannes til 23 U i reaktoren Thorium blev brugt i demonstrationskernekraftværker med WWR-reaktoren (Indian Point 1 og Shippingport), men thoriumet. cyklus ikke modtaget industriel udvikling. Thoriumcyklussen bruges i højtemperaturgasreaktorer (hvor brændslet er indesluttet i en grafitmatrix).

I øjeblikket, på grund af intensiveringen af ​​arbejdet med at forbedre reaktorer og atomkraftværker generelt, ændrer mange landes holdninger til valget af typen af ​​nuklear brændselscyklus. Flere og flere udviklere er tilbøjelige til at vælge et lukket (lukket) brændstofkredsløb. På den anden side hedder det i en af ​​rapporterne på IAEA-konferencen i september 2004, som analyserede situationen med valget af atombrændselskredsløbstype under hensyntagen til den voksende efterspørgsel efter energi, at det åbne eller enkeltskudsbrændsel cyklus har betydelige fordele i forhold til den lukkede cyklus med hensyn til produktionsomkostninger, ikke-spredningsspørgsmål og brændstofkredsløbets driftssikkerhed. Ifølge rapporten er der nok naturlig uranmalm i verden til at understøtte idriftsættelsen af ​​1.000 nye reaktorer i løbet af de næste halvtreds år. "One-shot"-metoden til at bruge nukleart brændsel vil forblive relativt billig og sikker, indtil uranmalmforekomster er opbrugt, og atommagter begynder at behandle det akkumulerede brugte brændsel til at producere plutonium, et ikke-naturligt forekommende, menneskeskabt biprodukt fra afbrænding uran. Samtidig analyseres situationen med driftsomkostninger for deponering af brugt nukleart brændsel og radioaktivt affald ikke. Men efterhånden som uranmalmreserverne opbruges, kan omkostningerne ved at drive et åbent brændselskredsløb, det modsatte af et lukket kredsløb, stige. For at undgå de utallige risici forbundet med brugen af ​​et lukket kredsløb anbefaler eksperter imidlertid, at regeringer og ledere af atomkraftindustrien fortsætter med at drive en åben cyklus frem for en lukket kredsløb på grund af de høje omkostninger ved det brugte brændsel oparbejdningsproces og udvikling inden for nye termonukleare eller hurtige neutronreaktorer. Rapportens forfattere anbefaler kraftigt, at forskning og udvikling i brændselskredsløbet rettes mod udviklingen af ​​teknologier, der ikke i en normal operation, dvs. en fredelig atomenergioperation, ville resultere i produktion af våbenanvendelige materialer, herunder uran, fissile materialer ( såsom plutonium) og små actinider. Lukket brændstofkredsløbspraksis, der i øjeblikket implementeres i Vesteuropa og Japan, opfylder ikke dette kriterium, hedder det i rapporten. Derfor siger forfatterne, at brændselscyklusanalyse, forskning, udvikling og test skal omfatte en klar vurdering af den mulige risiko for spredning af nukleare materialer og de nødvendige foranstaltninger for at minimere denne risiko. Men hvis den mest sandsynlige prognose for atomenergiens fremtid er global vækst i atomindustrien baseret på et åbent brændselskredsløb, så, siger forfatterne til rapporten, bør internationale aftaler om lagring af brugt brændsel indføres inden for de næste ti år, hvilket skulle reducere den potentielle risiko for nuklear spredning markant.

I den fremtidige storskala atomkraftproduktion ved hjælp af hurtige neutroner i atomreaktionszonen bør ikke kun spaltningen af ​​aktinider udføres, men også produktionen af ​​plutoniumisotoper fra det rå atombrændsel uran-238 - et fremragende atombrændsel . Når avlsfaktoren er højere end 1, kan der opnås mere plutonium i det lossede nukleare brændsel, end der blev brændt. Det lossede atombrændsel fra hurtige atomreaktorer skal til et radiokemisk anlæg, hvor det bliver af med fissionsprodukter, der absorberer neutroner. Derefter fyldes brændstoffet, bestående af uran238 og actinider (Pu, Np, Cm, Am), tilstrækkeligt til at udføre en nuklear kædereaktion, sammen med et tilsætningsstof af forarmet uran, igen i kernen af ​​atomkraftværket. I en hurtig neutronatomreaktor kan næsten alt uran-238 afbrændes under radiokemisk behandling.

Ifølge rapportens forfattere vil hurtige neutron-atomreaktorer dominere atomkraft i stor skala. Brændstoffet, der udledes fra disse reaktorer, indeholder et stort antal aktinidisotoper (Pu, Np, Cm, Am), det er karakteriseret ved en stor udbrænding, hvilket betyder, at der vil være flere fissionsprodukter pr. masseenhed nukleart brændsel.

Der mangler endnu at blive skabt radiokemiske teknologier, der giver:

• nuklear sikkerhed under hensyntagen til et betydeligt større antal små aktinider med deres egne kritiske masser;
• dyb rensning af fissionsprodukter fra aktinider for ikke at skabe vanskeligheder under deres opbevaring, begravelse og transmutation;
• maksimal reduktion i massen af ​​procesaffald;
• mere avanceret rensning af gasser, der opstår under radiokemisk behandling fra jod, tritium, krypton, radioaktive aerosoler;
• strålingssikkerhed for driftspersonale;
• opnåelse af kemiske grundstoffer, der er nødvendige for den nationale økonomi, for eksempel en ren a-kilde;
• muligheden for at genbruge materialer, der befinder sig i atomreaktionszonen, og som består af værdifulde metaller (Ni, Cr, Nb, Mo. Ti, W, V), som har opnået induceret aktivitet;
• økonomisk gennemførlig radiokemisk behandling, konkurrencedygtig i forhold til udvinding af naturligt uran til fremtidig energi.

I øjeblikket opbevares brugt atombrændsel fra fire russiske atomkraftværker (Novo-Voronezh, Balakovo, Kalinin, Rostov), ​​tre ukrainske (sydukrainske, Khmelnitsky, Rivne) og Kozloduy NPP (Bulgarien) i anlæggets "våde" lagerfacilitet RT-2 til SNF-regenerering på territoriet af Federal State Unitary Enterprise Mining and Chemical Combine i Zheleznogorsk (Rusland). Ifølge projektet er lagerfaciliteten designet til 6.000 tons, og det forventes at blive komprimeret med mulighed for at rumme 8.600 tons brugt nukleart brændsel. Bestrålede brændstofsamlinger (SFA'er) opbevares under et lag vand mindst 2,5 meter over samlingen, hvilket sikrer pålidelig beskyttelse af personalet mod alle typer radioaktiv eksponering. Efter at det brugte nukleare brændsel er blevet opbevaret i et vådt lager, vil det blive placeret i et tørt brugt brændselslager (KhOT-2) med en samlet kapacitet på 38.000 tons (hvoraf 27.000 tons er til opbevaring af brugte brændselselementer fra RBMK -1000 reaktorer, 11.000 tons er til brugte brændselselementer af VVER-1000 reaktorer), byggeri som nu er i fuld gang på anlægget og første etape vil blive sat i drift i december 2009. KhOT-2 lagerkomplekset vil give sikker langtidsopbevaring af brugt brændsel fra RBMK-1000 og VVER-1000 reaktorer og dets efterfølgende overførsel til radiokemisk behandling eller underjordisk isolering. KHOT-2 vil blive udstyret med moderne strålings- og nuklear sikkerhedsovervågningssystemer.

Hvorfor uran?

Menneskeheden har bundet sig selv på hænder og fødder med elektriske ledninger. Husholdningsapparater, industrielt udstyr, gadebelysning, trolleybusser, metro, elektriske tog - alle disse fordele ved civilisationen opererer fra det elektriske netværk; de bliver meningsløse "jernstykker", hvis strømmen af ​​en eller anden grund går tabt. Men folk er allerede så vant til en konstant strømforsyning, at ethvert udfald forårsager utilfredshed og endda ubehag. Og hvad skal en person egentlig gøre, hvis alle hans apparater er slukket på én gang, inklusive hans mest foretrukne - tv'et, computeren og køleskabet? Det er især svært at udholde "adskillelse" om aftenen, når man efter arbejde eller studier virkelig gerne vil, som man siger, forlænge dagslyset. Vil en tablet eller en telefon redde dig, men deres opladning varer ikke evigt. Det er endnu værre at befinde sig i en "fængselscelle", som efter et blackouts vilje kan blive til en elevator eller en metrovogn.

Hvorfor al den snak? Og til det faktum, at den "elektrificerede" menneskehed har brug for stabile og kraftfulde energikilder - først og fremmest elektricitet. Hvis der er mangel på det, vil netværksudfald blive irriterende hyppige, og levestandarden vil falde. For at forhindre dette ubehagelige scenarie i at blive en realitet, er det nødvendigt at bygge flere og flere kraftværker: det globale energiforbrug vokser, og eksisterende kraftenheder ældes gradvist.

Men hvad kan moderne energi, der overvejende brænder kul og gas, tilbyde for at løse problemet? Naturligvis nye gasinstallationer, der ødelægger værdifulde kemiske råstoffer, eller kulblokke, der ryger himlen. I øvrigt er emissioner fra termiske kraftværker et velkendt miljøproblem, men virksomheder, der producerer fossile brændstoffer, forårsager også skade på miljøet. Men dens forbrug er enormt. For eksempel, for at sikre driften af ​​et konventionelt køleskab i løbet af året, skal du brænde omkring hundrede kilo kul eller hundredvis af kubikmeter naturgas. Og dette er kun et husholdningsapparat, som der er mange af.

Hvor meget atombrændsel skal der i øvrigt til, for at det nævnte køleskab kan fungere i et helt år? Det er svært at tro, men... bare et gram!

Den kolossale energiintensitet af nukleart brændsel fremstillet af beriget uran gør det til en værdig konkurrent til kul og gas. Faktisk bruger et atomkraftværk hundrede tusinde gange mindre brændstof end et termisk kraftværk. Det betyder, at minedrift til uranudvinding er i meget mindre skala, hvilket er vigtigt for miljøet. Plus - der er ingen emissioner af drivhusgasser og giftige gasser.

Kraftenheden til et atomkraftværk med en kapacitet på tusind megawatt vil kun forbruge tre dusin tons nukleart brændsel om året, og en termisk station med samme kapacitet vil kræve omkring tre millioner tons kul eller tre milliarder kubikmeter gas . Med andre ord, for at opnå den samme mængde elektricitet, skal du enten have flere togvogne med atombrændsel om året eller flere tog med kul... om dagen.

Hvad med vedvarende energikilder? De er selvfølgelig gode, men skal stadig forbedres. Tag for eksempel det område, som stationen optager. For vindgeneratorer og solpaneler er det to størrelsesordener højere end for konventionelle kraftværker. For eksempel, hvis et atomkraftværk (NPP) passer ind i et område på et par kvadratkilometer, så vil en vindmøllepark eller et solfelt med samme kraft optage flere hundrede kvadratkilometer. Kort sagt er forholdet mellem områder som for en lille landsby og en meget stor by. I ørkenen er denne indikator muligvis ikke vigtig, men i et område med landbrug eller skovbrug kan det være sådan.

Det skal nævnes, at atombrændsel altid er klar til at virke, uanset årstiden, dagen eller vejrets luner, mens solen stort set ikke skinner om natten, og vinden blæser, når det lyster. Desuden vil vedvarende energi i nogle områder slet ikke være rentabel på grund af lavt solenergiflow eller lav gennemsnitlig vindhastighed. For atomkraftværker eksisterer sådanne problemer simpelthen ikke.

Disse fordele ved atomenergi afgjorde urans enestående rolle - som nukleart brændsel - for den moderne civilisation.

Hvem fik hvor meget?

I en gammel sovjetisk tegneserie løste dyrene et vigtigt problem - at dele en appelsin. Som et resultat fik alle undtagen ulven en velsmagende saftig skive; den grå måtte nøjes med skrællen. Han fik med andre ord ikke en værdifuld ressource. Ud fra dette synspunkt er det interessant at vide, hvordan det står til med uran: Har alle verdens lande sine reserver, eller er der berøvede?

Faktisk er der meget uran på Jorden, og dette metal kan findes næsten overalt: i skorpen på vores planet, i verdenshavet, selv i den menneskelige krop. Problemet ligger i dens "spredning", "spredning" over jordens klipper, hvilket resulterer i en lav koncentration af uran, som oftest er utilstrækkelig til at organisere økonomisk rentabel industriproduktion. Nogle steder er der dog klynger med et højt indhold af uran - aflejringer. De er ujævnt fordelt, og derfor varierer uranreserverne fra land til land. De fleste af aflejringerne af dette grundstof "flød væk" sammen med Australien; Derudover var Kasakhstan, Rusland, Canada og landene i Sydafrika heldige. Dette billede er dog ikke fastfrosset; situationen ændrer sig konstant på grund af udforskningen af ​​nye forekomster og udtømningen af ​​gamle.

Fordeling af påviste uranreserver efter land (for reserver med mineomkostninger< $130/кг)

En enorm mængde uran er opløst i verdenshavets farvande: over fire milliarder tons. Det virker som et ideelt "indskud" - jeg vil ikke bruge det. Forskere udviklede specielle sorbenter til udvinding af uran fra havvand tilbage i firserne af forrige århundrede. Hvorfor bliver denne fremragende metode ikke brugt alle steder? Problemet er, at koncentrationen af ​​metallet er for lav: Kun omkring tre milligram kan udvindes af et ton vand! Det er klart, at sådan uran vil være for dyrt. Det anslås, at et kilogram vil koste et par tusinde dollars, hvilket er betydeligt dyrere end dets "land"-modstykke. Men videnskabsmænd er ikke kede af det og opfinder flere og mere effektive sorbenter. Så måske vil denne minemetode snart blive konkurrencedygtig.

Til dato overstiger det samlede antal påviste uranreserver med en produktionsomkostning på mindre end $130 pr. kilo 5,9 millioner tons. Er det for meget? Det er ganske nok: Hvis den samlede kraft af atomkraftværker forbliver på det nuværende niveau, vil uranet holde i hundrede år. Til sammenligning kan påviste olie- og gasreserver være opbrugt på blot tredive til tres år.

Top ti lande med hensyn til uranreserver på deres territorium (for reserver med produktionsomkostninger< $130/кг)

Vi skal dog ikke glemme, at ifølge prognoser vil atomenergi udvikle sig, så nu er det værd at tænke på, hvordan man udvider sin ressourcebase.

En af måderne at løse dette problem på er at søge efter og rettidigt udvikle nye indskud. At dømme efter de tilgængelige oplysninger burde der ikke være problemer med dette: kun i de sidste par år er der fundet nye forekomster i nogle lande i Afrika, Sydamerika samt i Sverige. Det er ganske vist umuligt at sige med sikkerhed, hvor rentabel udvindingen af ​​de opdagede reserver vil være. Det kan ske, at på grund af det lave uranindhold i malmen og vanskeligheden ved at udvikle aflejringer, vil nogle af dem blive nødt til at efterlades "til senere." Faktum er, at priserne for dette metal nu er ret lave. Fra et økonomisk synspunkt er der ikke noget overraskende her. For det første er der stadig forekomster af relativt let udvundet og dermed billigt uran i verden - det kommer på markedet og "sænker" prisen. For det andet, efter Fukushima-ulykken, justerede nogle lande planerne for opførelse af nye atomkraftenheder, og Japan lukkede fuldstændigt alle sine atomkraftværker - der var et fald i efterspørgslen, hvilket yderligere reducerede prisen på uran. Men det varer ikke længe. Kina og Indien er allerede gået ind i spillet og planlægger en storstilet konstruktion af atomkraftværker på deres territorium. Andre asiatiske lande samt lande i Afrika og Sydamerika har også mindre ambitiøse projekter. Selv Japan vil tilsyneladende ikke være i stand til at skille sig af med sin atomenergi. Derfor vil efterspørgslen gradvist komme sig, og sammen med udtømningen af ​​billige forekomster vil dette føre til en stigning i uranpriserne. Analytikere mener, at ventetiden er kort, blot et par år. Så vil det være muligt at tænke på at udvikle de indskud, der er tilbage "til senere".

Det er interessant, at listerne over lande med de største uranreserver og stater med den mest udviklede atomenergi praktisk talt ikke er sammenfaldende. I dybet af Australien er der en tredjedel af verdens uran-"rigdom", men der er ikke et eneste atomkraftværk på det grønne kontinent. Kasakhstan, verdens førende inden for produktion af dette metal, forbereder sig stadig på opførelsen af ​​flere atomkraftenheder. Af økonomiske og andre årsager er afrikanske lande langt fra at tilslutte sig den globale "kernefamilie". Det eneste atomkraftværk på dette kontinent ligger i Republikken Sydafrika, som for nylig annoncerede sit ønske om at videreudvikle atomenergi. Men indtil videre har selv Sydafrika taget en timeout.

Hvad kan de "atomare" giganter - USA, Frankrig, Japan - og Kina og Indien, der følger i hælene på dem, gøre, hvis deres behov er stort og deres egne reserver er opbrugt? Forsøg selvfølgelig at få kontrol over uranforekomster og virksomheder i andre lande. Denne opgave er af strategisk karakter, og ved at løse den indgår stater i hårde kampe. Store virksomheder bliver købt ud, politiske manøvrer foretages, undergrundsordninger gennemføres med bestikkelse af de rigtige personer eller juridiske krige. I Afrika kan og resulterer denne kamp i borgerkrige og revolutioner, skjult støttet af førende stater, der søger at omfordele indflydelseszoner.

I denne henseende er Rusland heldige: Vores atomkraftværker har ganske anstændige egne reserver af uran, som udvindes i Trans-Baikal-territoriet, Kurgan-regionen og Republikken Buryatia. Derudover tilrettelægges et aktivt geologisk efterforskningsarbejde. Det antages, at aflejringer i Transbaikal-regionen, Vestsibirien, Republikken Karelen, Republikken Kalmykia og Rostov-regionen har et stort potentiale.

Derudover ejer Rosatom også udenlandske aktiver - store ejerandele i uranminevirksomheder i Kasakhstan, USA, Australien, og arbejder også på lovende projekter i det sydlige Afrika. Som et resultat, blandt verdens førende virksomheder, der beskæftiger sig med uranproduktion, besidder Rosatom selvsikkert tredjepladsen efter Kazatomprom (Kasakhstan) og Cameco (Canada).

Ved at studere den kemiske sammensætning af meteoritter, hvoraf nogle er af Mars-oprindelse, opdagede forskerne uran. Sandt nok viste dets indhold at være betydeligt lavere end i jordiske klipper. Ja, nu er det klart, hvorfor marsboerne ofte besøger os i deres flyvende tallerkener.

Men seriøst, det menes, at uran er til stede i alle objekter i solsystemet. For eksempel blev det i 2009 opdaget i månens jord. Der opstod straks fantastiske ideer, såsom at udvinde uran på en satellit og derefter sende det til Jorden. En anden mulighed er at "power" reaktorerne i månekolonier, der er samlet tæt på aflejringerne. Aflejringerne er dog endnu ikke blevet ledt efter; og fra et økonomisk synspunkt synes en sådan produktion stadig urealiserbar. Men i fremtiden - hvem ved...

Hvis du lider i længere tid, får du brændstof

Tilgængeligheden af ​​uranmalmreserver er kun én komponent af succes. I modsætning til brænde eller kul, som ikke kræver særlig kompliceret forberedelse, før de kommer ind i ovnen, kan malm ikke blot skæres i stykker og smides ind i reaktoren. For at forklare hvorfor, er det nødvendigt at nævne en række egenskaber, der er iboende i uran.

Fra et kemisk synspunkt er dette grundstof meget aktivt, med andre ord har det en tendens til at danne forskellige forbindelser; derfor er det fuldstændig håbløst at lede efter sine guldkorn i naturen, ligesom guld. Hvad kaldes så uranmalm? En sten, der indeholder meget små mængder uranmineraler. De tilføjer ofte: lille, men nok til, at industriproduktionen kan godkendes af økonomer. For eksempel anses det i dag for at være tilrådeligt at udvinde malm, hvoraf et ton kun indeholder nogle få kilogram eller endda hundredvis af gram uran. Resten er tom, unødvendig sten, hvorfra uranmineraler skal isoleres. Men selv de kan endnu ikke lades ind i en atomreaktor. Faktum er, at disse mineraler oftest repræsenterer oxider eller uopløselige salte af uran i selskab med andre grundstoffer. Nogle af dem kan være værdifulde for industrien, og organiseringen af ​​deres tilknyttede produktion kan forbedre den økonomiske præstation. Men selvom der ikke er et sådant behov, skal uran stadig renses for urenheder. Ellers kan nukleart brændsel lavet af "beskidt" uran forårsage problemer med reaktoren eller endda en ulykke.

Men renset uran kan heller ikke kaldes nukleart brændsel med fuld tillid. Fangsten er dens isotopsammensætning: pr. tusinde uranatomer i naturen er der kun syv atomer af uran-235, hvilket er nødvendigt for at fissionskædereaktionen kan opstå. Resten er uran-238, som praktisk talt ikke spalter, og endda absorberer neutroner. Det er dog sagtens muligt at opstarte en reaktor med naturligt uran, forudsat at der bruges en meget effektiv moderator, såsom dyrt tungt vand eller ren grafit. Kun de tillader de neutroner, der dannes under fissionen af ​​uran-235-kernen, at bremse så hurtigt, at de når at ramme andre uran-235-kerner og forårsage deres fission, og ikke blive vanæret fanget af uran-238. Men af ​​en række årsager bruger langt de fleste af verdens reaktorer en anden tilgang: naturligt uran beriges i en fissilt isotop. Med andre ord øges indholdet af uran-235-atomer kunstigt fra syv til flere tiere promille. Takket være dette er neutroner mere tilbøjelige til at støde på dem, og det bliver muligt at bruge billigere, men mindre effektive moderatorer, for eksempel almindeligt vand.

Er beriget uran det endelige produkt? Igen nej, da kraftreaktorer sørger for overførsel af "nuklear" varme til et kølemiddel, der vasker brændstoffet - oftest vand. På grund af ophobning af fissionsprodukter bliver brændslet meget radioaktivt, da det forbliver i en driftsreaktor. Det må under ingen omstændigheder have lov til at opløses i vand. For at gøre dette overføres uran til en kemisk resistent tilstand og er også isoleret fra kølevæsken, dækket af en metalskal. Resultatet er en kompleks teknisk enhed, der indeholder berigede uranforbindelser, som med sikkerhed kan kaldes nukleart brændsel.

De nævnte operationer - uranudvinding, rensning og berigelse heraf samt produktion af nukleart brændsel - er de indledende faser af det såkaldte nukleare brændselskredsløb. Du skal lære hver af dem mere detaljeret at kende.

Halveringstiden for uran-238 er 4,5 milliarder år, og uran-235 er kun 700 millioner år. Det viser sig, at den fissile isotop henfalder flere gange hurtigere end den vigtigste. Hvis man tænker over det, betyder det, at tidligere var indholdet af uran-235 i den naturlige blanding af isotoper større, end det er nu. For eksempel, for en milliard år siden, ud af tusind uranatomer, havde seksten en kerne med 235 nukleoner, for to milliarder år siden var deres antal syvogtredive og tre milliarder år før i dag – så mange som firs! Faktisk indeholdt malmen i de fjerne tider uran, som vi i dag kalder beriget. Og det kunne godt ske, at en naturlig atomreaktor i en eller anden forekomst ville begynde at fungere af sig selv!

Forskere er sikre på, at det er præcis, hvad der skete med flere superrige uranforekomster ved Oklo-forekomsten, der ligger i det moderne Gabon. For 1,8 milliarder år siden startede en nuklear kædereaktion spontant i dem. Det blev initieret af neutroner produceret under spontan fission, og derefter blev den høje koncentration af uranium-235 og tilstedeværelsen af ​​vand i malmen, en neutronmoderator, udløst. Kort sagt, reaktionen blev selvbærende og fortsatte, nu intensiveret, nu aftagende, i flere hundrede tusinde år. Derefter "slukkede" reaktorerne, tilsyneladende på grund af en ændring i vandregimet.

I dag er det den eneste kendte naturlige atomreaktor. Desuden kan sådanne processer på nuværende tidspunkt ikke starte på noget område. Årsagen er helt klar - der er for lidt uran-235 tilbage.

Prøv at grave det op

Uranmalm kommer sjældent til overfladen. Oftest ligger de i en dybde på halvtreds meter til to kilometer.

Lavvandede aflejringer er udviklet ved åben brud eller, som det også kaldes, åben grube minedrift. Den hårde sten bores og sprænges, læsses derefter i dumpere ved hjælp af gaffeltrucks og fjernes fra stenbruddet. Løse sten udvindes og læsses i minedumpervogne ved hjælp af konventionelle eller roterende gravemaskiner, og bulldozere er meget udbredt. Kraften og størrelsen af ​​dette udstyr overrasker fantasien: for eksempel har de allerede nævnte dumpere en bæreevne på hundrede eller flere tons! Desværre er omfanget af selve stenbruddet også stort, hvis dybde kan nå tre hundrede meter. Efter arbejdets afslutning gaber det som et enormt hul i jordens overflade, og ved siden af ​​rejser sig stenbunkerne, der dækkede uranforekomsterne. I princippet kan stenbruddet fyldes med disse lossepladser, plante græs og træer på toppen; men det vil være uoverkommeligt dyrt. Derfor fyldes gruberne gradvist med vand, og der dannes søer, som ikke kan udnyttes økonomisk på grund af det øgede uranindhold i vandet. Der kan også opstå problemer med grundvandsforurening, så uranbrud kræver særlig opmærksomhed.

Udvinding af uran i dagbrud er dog efterhånden ved at være fortid af en helt banal grund – aflejringer tæt på overfladen er praktisk talt ophørt. Nu skal vi håndtere dybt skjulte malme. Traditionelt udvikles de ved hjælp af den underjordiske (mine) metode. Forestil dig bare ikke strenge skæggede mænd med hakker, der kravler gennem værket og hugger malm. Nu er minearbejdernes arbejde stort set mekaniseret. I sten indeholdende uran bores huller - specielle dybe huller, hvori der anbringes sprængstoffer. Efter eksplosionen øses den knuste malm op af et læsse- og leveringskøretøj og løber langs snoede smalle gallerier til vognene. Et lille elektrisk lokomotiv fører de fyldte vogne til minens lodrette skakt, og derefter løftes malmen ved hjælp af et bur - en slags elevator - op til overfladen.

Underjordisk minedrift har en række funktioner. For det første kan det kun være rentabelt, hvis der er tale om malme af høj kvalitet med et højt uranindhold, der ikke er dybere end to kilometer. Ellers vil omkostningerne til minedrift, udvinding og videreforarbejdning af malm gøre uran praktisk talt "gyldent". For det andet er det underjordiske rige af uranminer et lukket rum, hvor radioaktivt støv og ikke mindre radioaktiv radongas svæver. Derfor kan minearbejdere ikke undvære kraftig ventilation og særligt beskyttelsesudstyr såsom åndedrætsværn.

Ved både stenbrud og skaktudvinding udvindes malmen i form af ret store stykker. Når operatøren øser dem op med en gravemaskine eller LHD, ved operatøren ikke, om han samler op malm rig på uranmineraler eller gråsten eller noget derimellem. Deponeringen er trods alt ikke særlig homogen i sin sammensætning, og brugen af ​​kraftfulde maskiner tillader ikke delikat og elegant arbejde. Men at sende stykker, der næsten ikke indeholder uran, til videre bearbejdning er mildest talt urimeligt! Derfor sorteres malmen ved hjælp af urans hovedegenskab, som det ikke er svært at opdage - radioaktivitet. Særlige ioniserende strålingssensorer gør det muligt, både under lastning og allerede i transporttanken, at opdele malmen i flere kvaliteter baseret på intensiteten af ​​den stråling, den udsender. Affaldssten sendes til lossepladser. Rig malm - til det hydrometallurgiske anlæg. Men malm med en lille, men mærkbar mængde uran sorteres igen, mere omhyggeligt. Først knuses det, opdelt efter størrelse, hvorefter stykkerne dumpes på et bevægeligt transportbånd. En ioniserende strålingssensor er installeret over den, hvorfra signalet sendes til det automatiserede kontrolsystem for spjældene placeret for enden af ​​bæltet. Sensoren er konfigureret til at reagere på et radioaktivt stykke malm indeholdende uranmineraler, der passerer nedenunder det. Så drejer ventilen, og malmen falder ned i en speciel malmbeholder, hvorfra den transporteres til det hydrometallurgiske anlæg. Til gengæld "forstyrrer" affaldsstenen ikke sensoren og spjældet på nogen måde og falder ned i en anden kasse - i lossepladsen.

Forenklet diagram over radiometrisk malmsortering (moderne komplekser er meget mere komplekse)

Den beskrevne ordning er omtrentlig, grundlæggende: intet forhindrer sortering af malm på virksomheder ved andre kendte metoder. Praksis har dog vist, at de er dårligt egnede til uranmalm. Derfor blev radiometrisk sortering - med strålingsdetektorer - efterhånden en grundlæggende teknologi.

I realiteten skelnes der også ved sortering af malm en vis mellemkategori, som ud fra sit uranindhold ikke kan klassificeres som hverken rig malm eller gråbjerg. Med andre ord er det dyrt at sende det til et hydrometallurgisk anlæg (spild af tid og reagenser), og det er en skam at sende det til lossepladser. Sådan lavkvalitetsmalm stables op i store dynger og overhældes med svovlsyre i det fri, hvorved uranet gradvist opløses. Den resulterende opløsning pumpes til yderligere behandling.

På det hydrometallurgiske anlæg vil den rige malm blive knust yderligere, næsten til støvtilstand, og derefter opløst.

Malm knuses i forskellige møller - for eksempel tromle-kuglemøller: det knuste materiale og metalkugler som kanonkugler hældes inde i en roterende hul tromle. Under rotation rammer kuglerne malmstykker, maler dem og maler dem til pulver.

Den knuste malm "åbnes", det vil sige delvist opløst, ved behandling med svovlsyre eller salpetersyre eller en blanding af begge. Resultatet er en uranopløsning, der indeholder mange urenheder. Nogle gange, hvis uranmalmen indeholder mange naturlige carbonater, bruges der ikke syre. Ellers vil der opstå en reaktion, der minder om slukning af sodavand med eddike - med intens frigivelse af kuldioxid, og reagenset vil gå til spilde. Hvordan skal man være? Det viser sig, at sådanne mineraler kan "åbnes" ved hjælp af en sodavandsopløsning. Som et resultat vil du også få en opløsning af uran, som skal bruges til videre forarbejdning.

Men resterne af uopløst malm skal sendes til særlige lossepladser - ikke de mest miljøvenlige anlæg. Det er værd at huske den affaldsklippe, der blev adskilt under sorteringsprocessen: den placeres i lossepladser. Både tailings og lossepladser indeholder små mængder uran, hvilket gør dem potentielt farlige. I denne forbindelse opstår spørgsmålet: er det muligt at organisere produktionen på en sådan måde, at den forårsager minimal skade på naturen og sikrer arbejdernes sikkerhed?

Det er muligt, og det har været praktiseret i lang tid. Den pågældende udvindingsmetode kaldes in-situ udvaskning. Dens essens er, at feltet er "gennemboret" med mange brønde. Nogle af dem, kaldet injektionskamre, er fyldt med svovlsyre, som falder ned i dybden, passerer gennem malmen og opløser uran. Derefter tages opløsningen af ​​værdifuldt metal fra undergrunden gennem andre pumpebrønde.

Hvad sker der: ingen lossepladser, ingen tailings, intet støv, ingen huller eller uventede huller i jorden, men i sidste ende - den samme uranopløsning? Ja. Ved at bruge metoden til udvaskning af borehuller udvikles der desuden meget dårlige malme, som er økonomisk urentable at udvinde ved åben grube eller underjordisk minedrift. Men med sådan et sæt fordele må der være ulemper! Nå, først og fremmest er det irrationelt at bore brønde dybere end otte hundrede meter ud fra et omkostningssynspunkt. For det andet virker metoden ikke i tætte, ikke-porøse malme. For det tredje forstyrrer svovlsyre stadig grundvandets sammensætning og adfærd i marken, selvom disse forstyrrelser "forsvinder" af sig selv over tid. Det er meget farligere, hvis opløsningen vælter ud over overfladen eller trænger i rundkørsel - langs revner og forkastninger - ned i grundvandet. Derfor overvåges processen tæt ved at bore overvågningsbrønde.

Borehul in-situ udvaskning

For at undgå de nævnte problemer blev en "mine" version af underjordisk udvaskning opfundet: malmblokke i værkerne knuses ved eksplosioner og hældes derefter ovenpå med en udvaskningsopløsning (svovlsyre), hvorved uranopløsningen tages nedefra - gennem drænsystem.

Under alle omstændigheder er in-situ udvaskning den mest miljøvenlige metode til uranudvinding i dag. Dette er en af ​​grundene til den eksplosive vækst i dens popularitet. Hvis i 2000 kun femten procent af uran blev udvundet ved underjordisk udvaskning, er dette tal i dag næsten tæt på halvtreds procent!

In-situ udvaskning bliver den førende uranmineteknologi

Typisk søges uranaflejringer ved hjælp af ioniserende strålingssensorer; mere præcist, gammastråling. Først flyver et fly udstyret med sådanne sensorer over området. Han kan kun opdage en strålingsanomali - en lidt forhøjet baggrund over feltet. Derefter opsendes en helikopter, som langsommere og mere præcist "skisserer" grænserne for det lovende område. Til sidst kommer prospektører til dette område med måleinstrumenter og øvelser. På baggrund af resultaterne af deres arbejde vil der blive konstrueret et kort over forekomsten af ​​uranmalm, og produktionsomkostningerne vil blive beregnet.

Forekomster af uranmalm kan dog signalere sig selv på andre måder. For eksempel ved at ændre udseendet af planter, der vokser over dem: ildløgsblade, normalt lyserøde, bliver hvide; Blåbærfrugter bliver grønne eller hvide. Enebærens dybe rødder, der vokser over aflejringen, absorberer uran godt, og det akkumuleres i grene og nåle. Ved at omdanne dem til aske og teste for uranindhold kan du forstå, om hovedmetallet i atomenergi er værd at udvinde i dette område.

Renlighed er nøglen til sundhed (atomreaktor)

Uranopløsningen opnået ved at "åbne" malmen eller i gang med underjordisk udvaskning er ikke særlig ren. Med andre ord, udover uran indeholder det en masse kemiske grundstoffer, der findes i jordskorpen: natrium og kalium, calcium og magnesium, jern, nikkel og kobber - og mange andre. Du bør ikke blive overrasket over dannelsen af ​​en så tyk "kompot", fordi svovlsyre er meget kemisk aktiv og opløser mange naturlige stoffer; Det er godt, at det ikke er hele malmen. Men for at lave atombrændsel har du brug for det renest mulige uran. Hvis der blandt uranatomerne er urenhedsatomer hist og her, kan reaktoren ikke starte eller, endnu værre, nedbrydes. Årsagerne til sådanne problemer vil blive diskuteret meget snart, men indtil videre kan vi sætte opgaven: at rense uran. Og det er også ønskeligt at modtage det i fast form, praktisk til transport. Løsninger er faktisk ikke egnede til transport: de "kan lide" at spilde for meget eller sive gennem lækager.

I industrien løses dette problem på flere måder. Først koncentreres opløsningen ved at føre den gennem specielle materialer, der opsamler uran - sorbenter. Den første mulighed for rengøring vises: sorbenter vælges på en sådan måde, at andre elementer næppe "sidder" på dem og forbliver i opløsning. Herefter vaskes uranen af ​​fra sorbenten, for eksempel med den samme svovlsyre. Denne procedure kan virke meningsløs, hvis det ikke forklares, at der kræves meget mindre syre til "skylning" sammenlignet med volumenet af den originale opløsning. Sådan slår de to fluer med ét smæk: De øger koncentrationen af ​​uran og fjerner delvist unødvendige urenheder.

Den anden fase af oprensning er forbundet med produktionen af ​​faste uranforbindelser. De udfældes fra en koncentreret opløsning ved tilsætning af velkendte "medicinske" reagenser: ammoniak, hydrogenperoxid samt alkalier eller carbonater. Det skal bemærkes, at uran ikke udfældes som et metal; det er generelt ikke let at opnå i metallisk form på grund af dets høje kemiske reaktivitet - dette er allerede blevet nævnt. Under påvirkning af de nævnte regenter synker forskellige tungtopløselige uranforbindelser til bunden af ​​apparatet. Tørrede og knuste er de et gult pulver, som på grund af dets synlige lighed med kage ofte kaldes "gul kage." Efter at have kalcineret det ved høj temperatur får de en mindre smuk blanding af uranoxider - snavset grøn eller endda sort.

Gul kage kan sendes til uranberigelsesanlæg

Yellowcake eller en blanding af uranoxider er praktisk talt sikker ud fra et strålingssynspunkt. Derfor bliver de til transport læsset i to hundrede liter metaltønder eller specielle beholdere. At være i en afstand af en meter fra en sådan beholder er ikke halvt så "skadeligt" som at flyve i et fly, udsat for kosmisk stråling. Men de fleste mennesker er ikke bange for at flyve! Så der er ingen grund til at frygte tønder med yellowcake.

Når de udfælder uranforbindelser, forsøger de at udføre processen, så de fleste af urenhederne forbliver i opløsning. Men nogle af dem formår stadig at "bryde igennem." Det er især slemt, hvis produkterne indeholder grundstoffer, der kraftigt absorberer neutroner - bor, cadmium, sjældne jordarters metaller. Selv i mikrokoncentrationer kan de forhindre fissionskædereaktionen i at forekomme. Efter at have lavet brændsel af forurenet uran, vil man længe undre sig over, hvorfor reaktoren ikke vil fungere normalt.

Derudover omfatter uønskede urenheder elementer, der reducerer plasticiteten af ​​nukleart brændsel og får det til at svulme og udvide sig med stigende temperatur. Disse omfatter det almindeligt forekommende naturligt forekommende silicium og fosfor, samt wolfram og molybdæn. Forresten kaldes plasticitet normalt for et materiales evne til at ændre sin form og størrelse uden at kollapse. Dette er meget vigtigt for brændstof, som opvarmer sig selv indefra på grund af den nukleare kædereaktion, der forekommer i det, og derfor oplever temperaturdeformationer. Høj temperatur bør ikke føre til overdreven ekspansion af uranbrændstof, ellers vil det sprænge den beskyttende skal og komme i kontakt med kølevæsken. Konsekvensen af ​​en sådan "kommunikation" kan være opløsningen af ​​radioaktive fissionsprodukter af uran i et varmt kølemiddel (oftest vand) med deres efterfølgende fordeling gennem alle rørledninger og apparater. Der er sandsynligvis ingen grund til at forklare, at dette truer med at forværre strålingssituationen ved kraftenheden: de doser, som vedligeholdelsespersonalet modtager, vil stige betydeligt.

Som de siger, er det bedre at være sikker end undskyld. Derfor kræves der også et tredje – sidste – oprensningstrin, kaldet raffinering. Uranforbindelser leveret i tønder eller beholdere opløses i syre, nu salpetersyre. Den resulterende opløsning bringes i kontakt med et ekstraktionsmiddel - et flydende organisk stof, der absorberer uran, men ikke urenheder. Så de uønskede grundstoffer forbliver i opløsning, og uranet går til "organiske stoffer". Som et resultat af en række efterfølgende operationer bringes det igen i form af oxider, der allerede har den nødvendige "reaktor"-renhed.

Nu er alt i orden, og du kan gå videre til næste fase - kunstigt at øge koncentrationen af ​​uran-235.

Hemmeligheder ved at blive rig

I begyndelsen af ​​kapitlet blev det allerede nævnt, at der i den naturlige blanding af uranisotoper er meget lidt spaltbart uran-235 og for meget "dovent" uran-238: for hver syv atomer af førstnævnte er der cirka ni hundrede og 93 atomer af sidstnævnte. Dette er ikke egnet til de fleste reaktorer i drift. De har brug for brændstof, hvori isotopen-235 ud af tusind uranatomer indeholder flere dusin atomer, og ikke kun nogle få, som i naturligt uran. Og for at skabe en bombe er næsten ren uran-235 absolut nødvendig.

At løse problemet med uranberigelse, det vil sige at øge indholdet af den fissile isotop, er meget vanskelig. Det ser ud til, hvordan så? Kemi har trods alt en lang række teknikker til at isolere stoffer fra blandinger. Det er muligt kun at "plukke" nogle få hundrede gram uran fra et ton malm! Er det virkelig umuligt at gøre det samme med isotoper: adskille den ene fra den anden? Problemet er, at de kemiske egenskaber for alle isotoper af et bestemt grundstof er de samme, fordi de er bestemt af antallet af elektroner, og ikke af kernens sammensætning. Det er med andre ord umuligt at udføre en reaktion, hvor uran-235 for eksempel ville forblive i opløsning, og uran-238 ville udfældes. Med enhver manipulation vil de begge opføre sig på samme måde. På samme måde vil det ikke være muligt kemisk at adskille isotoper af kulstof eller kalium - i almindelighed af noget grundstof.

Der er en sådan parameter - graden af ​​berigelse, som repræsenterer andelen (i procent) af uran-235 i den samlede masse af uran. For eksempel er berigelsesgraden af ​​naturligt uran, hvori der er syv fissile atomer for hver tusinde, 0,7 %. I tilfælde af atombrændsel fra atomkraftværker skal dette tal hæves til 3-5 %, og for fremstilling af påfyldning af en atombombe – til 90 % og højere.

Hvordan skal man være? Det er nødvendigt at finde egenskaber, hvor isotoper - i det mindste minimalt - ville adskille sig fra hinanden. Det første, der kommer til at tænke på, er massen af ​​et atom. Faktisk har kernen af ​​uran-238 tre flere neutroner end uran-235; Det betyder, at den dovne isotop vejer lidt mere. Og da masse er et mål for inerti, og den manifesterer sig i bevægelse, er de vigtigste metoder til uranberigelse forbundet med forskelle i bevægelsen af ​​dens isotoper under specielt skabte forhold.

Historisk set var den første berigelsesteknologi elektromagnetisk isotopadskillelse. Fra navnet er det klart, at elektriske og magnetiske felter på en eller anden måde er involveret i processen. I denne metode bliver tidligere opnåede uranioner faktisk accelereret af et elektrisk felt og sendt ind i et magnetfelt. Da ionerne har en ladning, begynder de at blive "båret" i et magnetfelt, snoet i en bue med en vis radius. For eksempel kan vi huske opdelingen af ​​uranstråler i et magnetfelt i tre strømme - en effekt opdaget af Rutherford. Alfa- og beta-partikler, som har en elektrisk ladning, afviger fra en lige vej, men det gør gammastråling ikke. I dette tilfælde afhænger radius af den bue, langs hvilken en ladet partikel bevæger sig i et magnetfelt, af dens masse: Jo mere den vejer, jo langsommere drejer den. Dette kan sammenlignes med at forsøge at passe ind i et skarpt sving af to hensynsløse chauffører, hvoraf den ene kører bil, og den anden kører lastbil. Det er klart, at det er meget nemmere for en personbil at lave en manøvre, mens en lastbil godt kan skride. Noget lignende sker i et magnetfelt med hurtigt bevægende uran-235 og uran-238 ioner. Sidstnævnte er lidt tungere, har større inerti, og deres venderadius er lidt højere: På grund af dette er strømmen af ​​uraniumioner opdelt i to. Billedligt talt kan du sætte to kasser, i den ene kan du samle den fissile isotop, uran-235, og i den anden - "unødvendigt" uran-238.

I et magnetfelt er ladede partiklers bane bøjet, og jo lettere partiklen er, jo stærkere bliver den

Princippet for den elektromagnetiske isotopadskillelsesmetode: lettere uran-235-ioner bevæger sig i et magnetfelt langs en bane med mindre radius sammenlignet med uran-238-ioner

Den elektromagnetiske separationsmetode er god i næsten alle henseender, undtagen produktivitet, der som sædvanligt begrænser dens industrielle anvendelse. Det er faktisk grunden til, at den amerikanske Y-12-fabrik i Oak Ridge, som producerede beriget uran til "Little Boy"-bomben faldt på Hiroshima ved hjælp af elektromagnetisk separationsteknologi, lukkede tilbage i 1946. Det bør præciseres, at ved Y-12 blev uran, der tidligere var beriget med andre, mere produktive metoder, bragt til en høj grad af berigelse. Deres forbedring var netop det, der drev det sidste søm i kisten for elektromagnetisk isotopseparationsteknologi - den bruges ikke længere i industrien.

Interessant nok er elektromagnetisk adskillelse en universel metode, der gør det muligt at isolere små mængder af alle isotoper i deres rene form. Derfor har vores analog af Y-12 - anlæg 418, nu kendt som Elektrokhimpribor-anlægget (Lesnoy, Sverdlovsk-regionen), teknologier til at producere mere end to hundrede isotoper af syvogfyrre kemiske grundstoffer fra lithium til bly. Det er ikke bare imponerende tal - fabrikkens produkter er virkelig brug for videnskabsmænd, læger, industrifolk... De er i øvrigt produceret på SU-20 installationen, den samme som producerede uran i våbenkvalitet med en berigelsesgrad tæt på til 90 % i begyndelsen af ​​1950'erne.

De første efterkrigsårtier blev en tid med aktiv ophobning af atomvåbenarsenaler. Løsningen af ​​dette problem havde højeste prioritet, så omkostningerne blev ikke taget i betragtning - det var vigtigt at iværksætte masseberigelse af uran. Der blev lagt vægt på gasdiffusion - en ekstremt energikrævende, men samtidig produktiv berigelsesteknologi. Dens rødder ligger inden for gasteorien, som siger, at ved en bestemt temperatur er gennemsnitshastigheden af ​​et gasmolekyle omvendt proportional med dets masse: Jo tungere det er, jo langsommere bevæger det sig. Denne forskel er især mærkbar, når man bevæger sig langs tynde "tubuli", hvis diameter er sammenlignelig med molekylets størrelse. Et klart, men ikke nøjagtigt, eksempel er søsætningen af ​​papirbåde i et vandløb: en lille båd, båret væk af vandstrømmen, vil bevæge sig hurtigt; men hvis man laver et stort skib af papir på størrelse med et vandløb, vil det bevæge sig langsommere og konstant støde mod bredderne. Når vi vender tilbage til uran, kan vi sige, at målisotopen med 235 nukleoner i kernen vil bevæge sig langs "røret" hurtigere end uran-238. Outputtet fra det vil være en gas beriget med en fissil isotop. Det eneste spørgsmål er, hvordan man forvandler uran til gas, og hvor man får sådan et tyndt "rør".

"Forgasning" af uran er et obligatorisk krav til teknologi baseret på teorien om gasser. Der er ikke noget, du kan gøre ved det. Men alle uranforbindelser er faste stoffer, som er svære at smelte, endsige at fordampe. Selvom der, hvis du tænker over det, er en meget vellykket forbindelse - uranhexafluorid, hvor uran er omgivet af seks fluoratomer. Det bliver let til gas allerede ved 56 o C og går uden om den flydende tilstand. I fysik kaldes en sådan proces normalt for sublimering eller sublimering. Dette fænomen har længe været kendt, og der er intet overraskende ved det. Sublimering bruges for eksempel af landsbyhusmødre, der tørrer tøj i kulden - isen fordamper i tør luft, og lader simpelthen den flydende tilstand passere igennem.

Sådan kan du forestille dig et uranhexafluorid-molekyle

Det viser sig, at uranhexafluorid er meget praktisk ud fra et teknologisk synspunkt. Ved normale temperaturer er det fast og kan transporteres i specielle beholdere. Det bliver til gas ved lave temperaturer. Nå, under et vist tryk bliver opvarmet hexafluorid til en væske, der kan pumpes gennem rørledninger.

En anden heldig omstændighed er, at naturlig fluor kun består af én isotop - fluor-19. Det betyder, at forskellen i masserne af molekylerne af uran-235 hexafluorid og uran-238 hexafluorid udelukkende bestemmes af uranium isotoper. Ellers ville adskillelse være for vanskelig eller endda umulig, da fluor ville have en unødig indflydelse på molekylernes masse.

Produktionen af ​​uranhexafluorid i Rusland udføres ved omdannelse - fluorering af forskellige uranforbindelser, for eksempel gul kage eller en blanding af oxider modtaget fra uranminevirksomheder. Molekylær fluor til disse formål opnås fra det naturlige mineral fluorit. Det behandles med svovlsyre for at danne flussyre, hvis elektrolyse producerer fluor.

Det er interessant, at fluorering også er det fjerde trin af uranrensning, da fluorider af de fleste skadelige urenheder ikke er meget flygtige: uran i form af hexafluorid "flyver væk" fra dem og ind i gasfasen.

Uranhexafluorid har en stor ulempe: det er et aggressivt og giftigt stof. For det første, når det kommer i kontakt med vand eller fugt i luften, frigives giftig flussyre. For det andet er uran i sig selv en generel cellulær gift, der påvirker alle organer. (Det er interessant, at dets toksicitet er af kemisk karakter og praktisk talt ikke er relateret til radioaktivitet). Derfor bør uranhexafluorid, som kombinerer to farer på én gang, transporteres og opbevares i specielle metalbeholdere og under nøje opsyn. Samtidig sikres befolkningens og miljøets sikkerhed.

Så der er gas; hvad med de tynde "rør"? En passende løsning viste sig at være porøse skillevægge - plader gennemboret af mange meget små porer. Diameteren af ​​sidstnævnte skal være i størrelsesordenen ti nanometer, så molekylerne passerer gennem dem næsten én efter én. Behovet for at fremstille skillevægge med porer af så lille en størrelse forårsagede visse vanskeligheder, men ikke desto mindre blev problemet løst ved hjælp af specielle tilgange - nikkelsintring eller selektiv opløsning af et af metallerne, der udgør den bimetalliske legering.

Hvis du laver en kasse med sådan en porøs skillevæg og pumper uranhexafluorid ind i den, vil molekyler med en let isotop passere gennem skillevæggen lidt hurtigere. Med andre ord, bagved vil uranhexafluorid blive en smule beriget i den fissile isotop. Sender man gas til næste lignende boks, bliver berigelsesgraden større, og så videre. Sandt nok, for at opnå en høj grad af berigelse, er det nødvendigt med kaskader af tusinder (!) af kasser installeret efter hinanden, kaldet trin. Hvordan får man uran til at gå langs disse trin? Kun ved at pumpe det ved hjælp af mange kompressorer. Derfor er ulemperne ved metoden: enorme energiomkostninger, behovet for at bygge millioner af kvadratmeter produktionsplads - længden af ​​værkstedet kan nå op på en kilometer - og brugen af ​​dyre materialer. Sandt nok er alt dette dækket af virkelig høj ydeevne. Det er grunden til, at længe har været den vigtigste for sådanne nukleare giganter som USA, Frankrig og Kina, som senere sluttede sig til dem. Først i de senere år er de begyndt en aktiv overgang til mere økonomisk gascentrifugeringsteknologi.

Skema for drift af gasdiffusionstrinnet

I 1960'erne forbrugte Angarsk Electrolysis Chemical Plant (Irkutsk-regionen, Rusland), som var engageret i uranberigelse ved hjælp af gasdiffusionsteknologi, omkring én procent (!) af al elektricitet produceret i Sovjetunionen. Energi blev leveret til det af Bratsk og Irkutsk vandkraftværker. Faktisk var det den største forbruger af elektricitet i USSR.

Generelt viste de første erfaringer, at gasdiffusion kan løse problemet, men med for store omkostninger. Sovjetunionen, der var involveret i et våbenkapløb, havde brug for mere produktiv og mindre energikrævende uranberigelsesteknologi. Det var ikke så let for en krigssvækket stat at holde trit med USA med dets magtfulde økonomiske og energimæssige potentiale. Det skyldtes blandt andet den manglende elproduktionskapacitet i den europæiske del af landet: Derfor blev der bygget berigelsesanlæg i Sibirien, hvor de kunne drives af store vandkraftværker. Men alligevel forbrugte gasdiffusionsanlæg for meget energi, hvilket gjorde det umuligt at øge produktionen af ​​beriget uran. Derfor måtte USSR blive en pioner inden for industriel anvendelse af alternativ teknologi - gascentrifuge.

Gascentrifugering involverer at dreje en tromle fyldt med gasformigt uranhexafluorid ved høj hastighed. Under påvirkning af centrifugalkraften "presses" det tungere uran-238-hexafluorid mod tromlevæggen, og uran-235-hexafluorid, en lettere forbindelse, forbliver ved sin akse. Ved hjælp af specielle rør kan du hente let beriget uran fra midten af ​​tromlen og let forarmet uran fra periferien.

Driftsdiagram for gascentrifuge

Fra et teknisk synspunkt er tromlen, der netop blev diskuteret, den roterende del (rotoren) af en gascentrifuge. Den snurrer non-stop i et vakuumhus, og nålen hviler på et trykleje lavet af et meget slidstærkt materiale - korund. Valget af materiale er ikke overraskende, da rotorhastigheden kan overstige 1.500 omdrejninger i sekundet - hundrede gange hurtigere end en vaskemaskinetromle. Et skrøbeligt stof vil ikke modstå en sådan eksponering. Derudover, for at tryklejet ikke slides eller falder sammen, er rotoren ophængt i et magnetfelt, så den knap trykker på korunden med sin nål. Denne teknik, såvel som den høje præcision af fremstillingen af ​​centrifugedelene, tillader den at rotere hurtigt, men næsten lydløst.

Som i tilfældet med gasdiffusion er én centrifuge ikke en kriger i felten. For at opnå den nødvendige grad af berigelse og produktivitet kombineres de i enorme kaskader bestående af titusindvis (!) af maskiner. Enkelt sagt er hver centrifuge forbundet til sine to "naboer". Uranhexafluorid med et reduceret indhold af uran-235, valgt fra væggen i toppen af ​​rotoren, sendes til den forrige centrifuge; og gassen let beriget med uran-235, som tages fra rotationsaksen i bunden af ​​rotoren, går til den næste maskine. Der tilføres således mere og mere beriget uran til hvert efterfølgende trin, indtil der opnås et produkt af den krævede kvalitet.

Kaskader af gascentrifuger, der strækker sig ud i det fjerne

I dag er centrifugalseparation den vigtigste metode til uranberigelse, da denne teknologi kræver cirka halvtreds gange mindre elektricitet sammenlignet med gasdiffusion. Derudover er centrifuger mindre omfangsrige end diffusionsmaskiner, hvilket gør det lettere at øge produktionsmængderne. Centrifugeringsmetoden bruges i Rusland, Storbritannien, Tyskland, Holland, Japan, Kina, Indien, Pakistan, Iran; Overgangen til gascentrifugeteknologi i Frankrig og USA er næsten afsluttet. Der er med andre ord ikke længere plads til gasdiffusion.

Takket være en lang historie med brug og forbedringer er russiske gascentrifuger de bedste i verden. I løbet af et halvt århundrede har der allerede været ni generationer af højhastighedsbiler, som gradvist blev mere kraftfulde og pålidelige. Takket være dette modstod USSR med succes "atomkapløbet" med USA, og da den vigtigste opgave var løst, dukkede fri kapacitet op. Som et resultat er vores land blevet verdensledende ikke kun inden for udvikling og produktion af gascentrifuger, men også inden for levering af kommercielle uranberigelsestjenester.

Vores gascentrifuger:

Traditionelt har de en højde på en halv meter til en meter, en diameter på ti til tyve centimeter;

De er placeret over hinanden i tre til syv etager for at spare plads;

De kan arbejde uden stop i op til tredive år, rekorden er toogtredive år.

Gascentrifugerotorens rotationshastighed er sådan, at efter at strømforsyningen er afbrudt, vil den rotere ved inerti i omkring to måneder!

Bommen inden for gascentrifugeteknologi er forbundet med den aktive udvikling af atomenergi. Atomkraftværker er profitorienterede kommercielle virksomheder og kræver derfor billigt brændstof og derfor billige berigelsesteknologier. Dette krav begravede gradvist gasdiffusion.

Men gascentrifugering bør ikke hvile på laurbærrene. På det seneste kan man i stigende grad høre om laserberigelse, en metode der har været kendt i mere end fyrre år. Det viser sig, at det ved hjælp af en præcist indstillet laser er muligt at selektivt ionisere, det vil sige omdanne til ladede partikler, uran-235-forbindelser. I dette tilfælde ioniserer uran-238-forbindelser ikke og forbliver uladede. De resulterende ioner kan let adskilles fra neutrale molekyler ved kemiske eller fysiske midler, for eksempel ved at tiltrække dem med en magnet eller en ladet plade (kollektor).

Muligt driftsdiagram af et uranlaserberigelsesanlæg

Tilsyneladende er laserberigelse en meget effektiv teknologi, men dens økonomiske indikatorer er stadig et mysterium. Alle tidligere forsøg på at flytte fra laboratorieversionen til industriel brug blev "brudt på klipperne" af utilstrækkelig produktivitet og kort levetid for udstyret. I øjeblikket udføres et nyt forsøg på at skabe en sådan produktion i USA. Men selv om det lykkes, vil spørgsmålet om økonomisk effektivitet forblive. Markedet for berigelsestjenester vil kun acceptere ny teknologi, hvis den er væsentligt billigere end den eksisterende. Men gascentrifuger har endnu ikke nået loftet over deres kapacitet. Derfor forbliver de umiddelbare udsigter for laserberigelse meget vage.

Der er en række andre måder at berige uran på: termisk diffusion, aerodynamisk adskillelse, ionproces, men de bruges praktisk talt ikke.

Når det kommer til uranberigelsesteknologier, er det bydende nødvendigt at huske, at de åbner vejen ikke kun for atombrændsel, men også for bomben. Skabelsen af ​​stadig mere effektive og kompakte produktionsfaciliteter indebærer truslen om spredning af atomvåben. I princippet kan teknologiudviklingen føre til en situation, hvor en bombe vil blive fremstillet af stater med mildt sagt ustabile regimer eller endda store terrororganisationer. Og hvis et gasdiffusions- eller gascentrifugeanlæg er svært at bygge ubemærket, og deres lancering vil kræve import af store mængder specifikke materialer og udstyr, garanterer laserberigelse praktisk talt hemmeligholdelse. Generelt er risikoen for den eksisterende skrøbelige verden stigende.

Uranberigelsesanlæg producerer beriget uranprodukt (EUP) - uranhexafluorid med den nødvendige berigelsesgrad. Det anbringes i specielle beholdere og sendes til atombrændselsproduktionsanlæg. Men samtidig producerer berigningsanlæg også forarmet uranhexafluorid (DUHF) med en berigelsesgrad på 0,3 % - lavere end for naturligt uran. Dette er med andre ord praktisk talt rent uran-238. Hvor kommer det fra? I det væsentlige ligner fordelingsprocessen det at adskille værdifulde mineraler fra gråbjergarter. DUHF er en slags gråbjerg, hvorfra uran-235 blev fjernet, dog ikke helt. (100 procent adskillelse af den fissile isotop fra uran-238 er urentabel ud fra et økonomisk synspunkt). Hvor meget forarmet uranhexafluorid produceres? Dette afhænger af den nødvendige grad af uranberigelse. For eksempel, hvis det er 4,3%, som i brændstoffet i VVER-reaktorer, så er der kun et kilogram OUP og ni kilogram DUHF fra ti kilo uranhexafluorid, som har en naturlig isotopsammensætning (0,7% uran-235). opnået. Kort sagt en hel del. I løbet af hele den periode, hvor berigelsesanlæggene er i drift, er mere end halvanden million tons DUHF blevet samlet på deres steder i specielle containere, hvoraf omkring syv hundrede tusinde tons er i Rusland. Verden har forskellige holdninger til dette stof, men den fremherskende opfattelse er, at DUHF er et værdifuldt strategisk råstof (se kapitel 7).

Fabricate - i ordets gode betydning

Produktionen (fremstillingen) af nukleart brændsel begynder med den kemiske omdannelse af det berigede uranprodukt til urandioxid. Denne proces kan udføres på to hovedmåder. Den første af dem kaldes "våd" teknologi og består i at opløse hexafluorid i vand, udfælde tungtopløselige forbindelser under påvirkning af alkali og kalcinere dem i en brintatmosfære. Den anden teknologi - "tør" - er mere at foretrække, fordi den ikke producerer flydende radioaktivt affald: uranhexafluorid brændes i en brintflamme.

I begge tilfælde opnås urandioxidpulver, som presses til små tabletter og sintres i ovne ved en temperatur på omkring 1750 o C for at give dem styrke - tabletterne skal trods alt "arbejde" under forhold med høj temperatur og stråling. Tabletterne bearbejdes derefter på slibemaskiner ved hjælp af diamantværktøj. Denne fase er nødvendig, fordi dimensionerne af tabletten og kvaliteten af ​​dens overflade skal opretholdes meget præcist. Fejl i fremstillingen af ​​en separat pellet kan føre til beskadigelse af brændstoffet i reaktoren under dens termiske udvidelse og som følge heraf til en forringelse af strålingssituationen på atomkraftværket. Derfor gennemgår alle urandioxidtabletter nøje kontrol og ender derefter i en speciel æske, hvor maskinen placerer dem i rør lavet af zirconium med en lille indblanding af niobium.

Et rør fyldt med piller kaldes et brændstofelement eller kort sagt et brændstofelement. Derefter, for at fjerne ætsende gasser, evakueres brændstofstangen, det vil sige, at luften "suges" ud af røret, fyldes med en inert gas - ren helium - og svejses. Det sidste trin i fremstillingsprocessen for nukleart brændsel er samlingen af ​​brændselsstave til en brændstofsamling (FA) ved hjælp af afstandsgitre. De er nødvendige for at sikre, at strukturen er stærk, og at brændstofstængerne ikke rører hinanden. Ellers kan skallen brænde ud ved kontaktpunktet, og brændstoffet vil blive blottet og komme i kontakt med vand, hvilket er helt uønsket.

Rækkefølge af operationer i produktionen af ​​nukleart brændsel

Afstandsgitre

Så en brændstofsamling er et "bundt" af zirconiumbrændstofstænger, inden i hvilket der er nukleart brændsel - urandioxid beriget i en fissil isotop. Det er nødvendigt at forklare dette valg af materialer. I en atomreaktor udsættes brændselssamlingen for høje temperaturer og en kraftig strøm af ioniserende stråling og vaskes desuden udefra med meget varmt vand under tryk. Derfor skal nukleare brændselselementer have kemisk resistens og strålingsbestandighed, lede varme godt og udvide sig meget lidt, når de opvarmes, ellers kan der opstå en revne i brændselselementets beklædning. Urandioxid og zirconium opfylder disse krav. Det skal dog endnu en gang erindres, at urandioxidtabletter er placeret inde i brændstofstave og kun kommer i kontakt med vand gennem brændstofstavens beklædning, men ikke direkte. Direkte interaktion med kølevæsken er ekstremt uønsket og opstår kun, når zirconiumskallerne ødelægges - for eksempel når der opstår revner i dem. I dette tilfælde begynder de radioaktive fissionsprodukter af uran indeholdt i nukleart brændsel at opløses i vand, hvilket fører til en stigning i dets radioaktivitet og en forringelse af strålingssituationen på atomkraftværket. Af denne grund er fremstillingen af ​​nukleart brændsel et komplekst og meget præcist job, der kræver nøjagtighed og konstant overvågning.

Ud fra et strålingssynspunkt udgør produktionen af ​​nukleart brændsel ikke nogen særlig fare. Risikoen er endnu lavere end ved malmudvinding, da rensningsprocessen fjerner alle tilknyttede radioaktive stoffer fra uranet.

Men når der arbejdes med beriget uran, kan der ophobes en kritisk masse, og som følge heraf kan der opstå en selvopretholdende kædereaktion, som allerede blev diskuteret i kapitel 2. Dette kan opstå som følge af en fejl, overtrædelse af arbejdsregler eller endda ved et uheld. I alt er der registreret 60 sådanne ulykker i verden, heraf 33 i USA og nitten i USSR/Rusland. Her er to eksempler på hændelser i hjemmet.

14. juli 1961, Siberian Chemical Plant (berigelsesproduktion). Dannelse af en kritisk masse som følge af akkumulering af uranhexafluorid med en høj grad af berigelse (22,6%) i olien placeret i vakuumpumpens ekspansionsbeholder. Som et resultat af det strålingsudbrud, der fulgte med den kædereaktion, der opstod, modtog operatøren en betydelig dosis stråling og blev ramt af strålingssyge, dog i en relativt mild form.

15. maj 1997. Novosibirsk Chemical Concentrates Plant (produktion af nukleart brændsel). Dannelse af en kritisk masse som følge af akkumulering af et sediment af højt beriget (90%) uran i bunden af ​​to tilstødende beholdere til opsamling af opløsninger på grund af deres deformation. Heldigvis var stråledoserne ubetydelige.

Hvad er konklusionen? Beriget uran skal håndteres med ekstrem forsigtighed, overholdelse af alle sikkerhedskrav og, som de siger, "inklusive dit hoved", det vil sige at beregne mulige risici på forhånd.

Som konklusion kan vi give omtrentlige parametre for brændselssamlinger, der bruges på russiske atomkraftværker med VVER-1000-reaktorer.

Brændstofpillen er en cylinder med en højde på 9 til 12 millimeter og en diameter på 7,6 millimeter. Den består af urandioxid, hvis berigelsesgrad varierer fra 3,3 til 5,0 %.

Pellets placeres i en brændstofstav lavet af zirconium indeholdende 1 % niobium, cirka fire meter lang og 9,1 mm i diameter. Brændselselementets vægtykkelse er kun 0,65 mm, så i denne længde kræver det yderst forsigtig håndtering. Brændselselementet er ikke helt fyldt med pellets: Højden af ​​laget af pellets er omkring 3,5 meter, og deres samlede masse er cirka 1,6 kg, med 62 gram optaget af uran-235.

Brændstofsamlingen (FA) er samlet af 312 brændstofstænger ved hjælp af 12-15 afstandsgitre. Højden af ​​brændstofsamlingen når næsten 4,6 meter, og dens vægt er 760 kg. Samtidig er massen af ​​urandioxid omkring et halvt ton, resten er zirconium og andre metaller. Set fra oven er samlingen en sekskant med en overfladestørrelse på 235 millimeter. Hver enhed har 19 kanaler til reaktorkontrolstave, der indeholder borcarbid, et element, der absorberer neutroner godt.

Reaktoren indeholder 163 brændselselementer, hvilket svarer til 80 tons urandioxid, hvilket rækker til 4 års reaktordrift.

Muligheder for brændselssamlinger til forskellige typer reaktorer

Mulige muligheder

Så det mest almindelige brændstof til atomkraftværker er pelletiseret urandioxid, hvor uran er beriget i en fissilt isotop (uran-235). Der er dog andre typer nukleart brændsel.

Efter urandioxid er det mest almindelige blandet oxidbrændstof, kendt som MOX-brændstof. I øjeblikket produceres hovedsageligt MOX-brændstof, som er en blanding af oxider af uran og plutonium-239. Dette brændstof gør det muligt at bruge den overskydende mængde plutonium-239 af våbenkvalitet, der er akkumuleret under "atomkapløbet", til at generere elektricitet.

Uranmetal kan også bruges som nukleart brændsel. Dens fordele er høj varmeledningsevne og maksimal koncentration af fissile kerner - der er simpelthen ingen andre elementer i brændstoffet. Samtidig har uran som metal dårligere strålings-, kemikalie- og varmebestandighed sammenlignet med dioxid, så det bruges yderst sjældent i sin rene form. For at forbedre parametrene for metalbrændstof tilsættes lidt molybdæn, aluminium, silicium og zirconium til uran. I dag bruges uranmetal og dets legeringer kun i forskningsreaktorer.

I stedet for urandioxid er det muligt at bruge uraniumnitrid, det vil sige dets forbindelse med nitrogen. Nitridbrændstof har en højere termisk ledningsevne sammenlignet med dioxidbrændstof og et sammenligneligt smeltepunkt (2855 o C). Urannitrid betragtes som et lovende brændstof til de nyeste reaktorer. I vores land er nitridbrændstof givet den tætteste opmærksomhed, da det er planlagt til at blive brugt i den næste generation af hurtige neutronreaktorer.

Uran er i stand til at danne forbindelser med carbon - carbider. Muligheden for at bruge karbider som brændstof til reaktorer blev intensivt undersøgt i tresserne og halvfjerdserne af det forrige århundrede. Men i de senere år er interessen for denne type brændstof igen opstået på grund af udviklingen af ​​pladebrændstofelementer og mikrobrændstofelementer. Karbidernes positive egenskaber er god termisk ledningsevne, højt smeltepunkt, høj hårdhed, kemisk og termisk stabilitet samt kompatibilitet med keramiske belægninger, hvilket er særligt vigtigt for mikrobrændstofelementer. Urancarbidbrændstof kan være en optimal mulighed for visse typer af næste generations reaktorer, især gaskølede hurtige reaktorer.

Men alligevel opererer det overvældende antal reaktorer på Jorden på nukleart brændsel lavet af urandioxid. Traditionens magt, så at sige.

Russisk brændstofkredsløb

Nu, efter at være blevet bekendt med de særlige forhold ved driften af ​​minedrift og forarbejdningsindustrier, er det værd at tage et hurtigt kig på historien og den nuværende tilstand af vores indenlandske brændselscyklus. Vi skal selvfølgelig starte med uranudvinding.

Til at begynde med var uranmalm kun af interesse for indenlandske videnskabsmænd som en kilde til radium. I 1900 blev professor I.A. Antipov lavede en rapport på et møde i St. Petersburg Mineralogical Society om opdagelsen af ​​uranmineralet i prøver bragt fra Fergana, fra Tyuya-Muyun bjergkæden. Dette mineral blev senere navngivet tyuyamunite. I 1904 begyndte efterforskningsarbejdet ved denne forekomst, i 1908 blev der bygget et pilotanlæg til forarbejdning af uranmalm i St. Petersborg, og i 1913 blev der etableret et internationalt aktieselskab til udvinding af Tyuyamuyun-radium.

Da Første Verdenskrig begyndte, stoppede arbejdet ved minen praktisk talt, og først i 1922 blev en ekspedition på otte specialister sendt til Tyuya-Muyun. Også i 1922, under vanskelige postrevolutionære forhold, omgivet af Basmachi-bander, var det muligt at genetablere industriel malmudvinding. Det fortsatte indtil 1936, hvor rigeligt underjordisk vand i en dybde af to hundrede meter afbrød udviklingen af ​​feltet. Dette problem blev dog ikke kritisk, da radiumproduktion blev etableret ved "Water Fishery" ved Ukhta-floden - det radioaktive metal blev udvundet fra underjordisk saltvand. Uran i sig selv var af ringe interesse for nogen i disse år, da det praktisk talt ikke blev brugt i industrien.

En ny stigning i interessen for uranforekomster opstod i begyndelsen af ​​1940'erne, da USSR stod over for behovet for at reagere på den nukleare trussel fra USA - altså når behovet opstod for at skabe indenlandske atomvåben.

Uran til den første sovjetiske atombombe blev bogstaveligt talt indsamlet lidt efter lidt i hele landet og videre. I 1943 begyndte uranudvinding ved den lille, efter moderne standarder, Taboshar-mine i Tadsjikistan, med en produktivitet på kun 4 tons uransalte om året. Desuden, ifølge erindringerne fra P.Ya. Antropov, den første minister for geologi i USSR, "uranmalm til forarbejdning langs Pamirs bjergstier blev transporteret i poser på æsler og kameler. Der var ingen veje eller ordentligt udstyr dengang.”

I 1944-1945, da Europa blev befriet fra nazisterne, fik USSR adgang til uranmalm fra Goten-forekomsten i Bulgarien, Jachimov-minerne i Tjekkoslovakiet og minerne i Tysk Sachsen. Derudover blev Tyuya-Muyunsky-minen relanceret i 1946, men den ydede ikke et særligt bidrag til den fælles sag.

I 1950'erne begyndte Lermontov-produktionsforeningen Almaz at udvinde uran ved miner i Beshtau- og Byk-bjergene (Stavropol-territoriet). Samtidig begyndte de at udvikle områderne i det sydlige Kasakhstan og Centralasien.

Efter 1991 endte de fleste af de udviklede marker uden for Ruslands grænser, i uafhængige stater. Fra dette øjeblik udføres den primære uranudvinding ved hjælp af akselmetoden hos Priargunsky Industrial Mining and Chemical Association (Trans-Baikal Territory). Derudover er to virksomheder, der anvender borehuls-in-situ-udvaskningsteknologi, gradvist ved at blive styrket - Khiagda (Republikken Buryatia) og Dalur (Kurgan-regionen). Produktionsfaciliteter bliver designet i Yakutia. Der er også lovende regioner for minedrift - Transbaikal, Vestsibirien, Nordeuropæisk...

Rusland ligger på tredjepladsen i verden med hensyn til påviste uranreserver.

Russiske uranminevirksomheder ledes af ARMZ Uranium Holding (www.armz.ru), der ejes af Rosatom, men State Corporation har også udenlandske aktiver kontrolleret af det internationale selskab Uranium One Inc (www.uranium1.com). Takket være disse to organisationers aktiviteter er Rosatom blevet tredje i verden inden for produktion af uranforbindelser.

Situationen på det globale marked for produktion af naturligt uran (2014)

Stafetten fra minevirksomheder optages af en lang række industrier til raffinering, konvertering og berigelse af uran samt til fremstilling af nukleart brændsel. De fleste af dem kommer fra 1950'erne og 1950'erne, en tid med aktiv ophobning af atomvåben. I dag arbejder de for en rent fredelig industri - atomenergi, og leverer deres tjenester til udenlandske virksomheder.

Der er fire berigelsesanlæg i Rusland, hvoraf nogle også udfører operationer til slutrensning (raffinering) og fluorering (konvertering) af uranforbindelser.

Det første gasdiffusionsanlæg til uranberigelse D-1 i Sverdlovsk-44 begyndte at fungere i november 1949. Først skulle dets produkter beriges yderligere ved SU-20-installationen af ​​den fremtidige Elektrokhimpribor-fabrik i Sverdlovsk-45 (Lesnoy), men efter et par år begyndte D-1 at klare sig selv og begyndte at vokse. Og siden 1967 begyndte udskiftningen af ​​diffusionskaskader med centrifugekaskader. I dag, på stedet for den demonterede D-1, er der verdens største uranberigelsesvirksomhed - Ural Elektrokemiske Plant (Novouralsk, Sverdlovsk-regionen).

I 1953 begyndte det fremtidige sibiriske kemiske anlæg (Seversk, Tomsk-regionen) at operere i Tomsk-7, som fra 1973 begyndte gradvist at skifte til gascentrifugeteknologi. Det første berigede uran fra Angarsk Electrolysis Chemical Plant (Angarsk, Irkutsk Region) blev opnået i 1957, og udskiftningen af ​​diffusionsapparater med centrifuger begyndte i 1985. Endelig var 1962 året, hvor det elektrokemiske anlæg blev lanceret i Krasnoyarsk-45 (nu Zelenogorsk, Krasnoyarsk-territoriet). Et par år senere blev de første centrifuger installeret der.

Dette korte resumé afspejler naturligvis ikke realiteterne i den vanskelige æra. Selvom man ud fra de hemmelige, "nummererede" navne på lukkede byer og fra de vage navne på planter kan forstå, at Sovjetunionen omhyggeligt holdt sine berigelseshemmeligheder. Placeringen af ​​de vigtigste produktionsfaciliteter blev imidlertid kendt af den amerikanske efterretningstjeneste. Men hun savnede, som de siger, den aktive overgang til gascentrifugeteknologi. Måske blev dette årsagen til en vis selvtilfredshed hos vores konkurrenter: uden at vide, at en mere produktiv og effektiv teknologi blev introduceret i USSR, holdt staterne sig til den oprindeligt valgte metode - gasdiffusion. Det er klart, at den nuværende situation spillede i hænderne på Sovjetunionen og gjorde det muligt hurtigt at opnå nuklear paritet. Samtidig gik den banebrydende udvikling af sovjetiske videnskabsmænd og ingeniører til at skabe højtydende gascentrifuger ikke forgæves, hvilket bragte Rusland til en førende position på verdensmarkedet for uranberigelse og centrifugeproduktion.

Det berigede uranprodukt fra fire fabrikker går til maskinbygningsanlægget (Elektrostal, Moskva-regionen) og Novosibirsk Chemical Concentrates Plant (Novosibirsk-regionen af ​​samme navn), hvor hele cyklussen af ​​atombrændselproduktion udføres. Zirconium til brændstofstænger og andre strukturelle materialer til brændstofsamlinger leveres af Chepetsk Mechanical Plant (Glazov, Udmurt Republic) - den eneste virksomhed i Rusland og den tredje i verden, der fremstiller zirconiumprodukter.

De fremstillede brændselselementer leveres til russiske og udenlandske atomkraftværker og bruges også i reaktorer til andre formål.

Virksomheder til raffinering, konvertering og berigelse af uran, fremstilling af nukleart brændsel, produktion af gascentrifuger samt design- og forskningsorganisationer er forenet i TVEL Fuel Company of Rosatom (www.tvel.ru).

Som et resultat af mange års succesfuldt arbejde i denne virksomhed og dens medlemsvirksomheder, topper Rosatom trygt listen over største tjenesteudbydere inden for uranberigelse (36% af verdensmarkedet).

Der er en atombrændselsbank i Angarsk - en garantireserve, som kan købes af et land, der af en eller anden grund er frataget muligheden for at købe uran på det frie marked. Fra denne reserve vil den være i stand til at producere frisk nukleart brændsel og sikre en uafbrudt drift af sin atomkraftindustri.

Rosatoms andel af det globale marked for nukleart brændsel er 17%, takket være hvilket hver sjette kraftreaktor på Jorden er fyldt med TVEL-brændstof. Leveringerne går til Ungarn, Slovakiet, Tjekkiet, Bulgarien, Ukraine, Armenien, Finland, Indien og Kina.

Top - verdensmarked for uranberigelse (2015), nederst - verdensmarked for brændstoffremstilling (2015)

Åben eller lukket?

Det kan bemærkes, at dette kapitel ikke diskuterede produktionen af ​​nukleart brændsel til forskningsreaktorer samt reaktorer installeret på atomubåde og isbrydere. Hele diskussionen var viet til atombrændsel brugt i atomkraftværker. Dette skete dog ikke tilfældigt. Faktum er, at der simpelthen ikke er nogen grundlæggende forskelle mellem rækkefølgen af ​​brændstofproduktion til atomkraftværker og for eksempel atomubåde. Naturligvis kan der være afvigelser i teknologien relateret til de særlige forhold ved skibs- og forskningsreaktorer. For eksempel skal førstnævnte være lille i størrelse og samtidig ret kraftig - det er et helt naturligt krav til en isbryder og desuden en manøvredygtig atomubåd. De nødvendige indikatorer kan opnås ved at øge uranberigelsen, det vil sige ved at øge koncentrationen af ​​fissile kerner - så vil der være brug for mindre brændstof. Det er præcis, hvad de gør: graden af ​​berigelse af uran, der bruges som brændsel til skibsreaktorer, er omkring 40 % (afhængigt af projektet kan den variere fra 20 til 90 %). I forskningsreaktorer er et almindeligt krav at opnå maksimal neutronproduktion, og antallet af neutroner i reaktoren er også direkte relateret til antallet af fissile kerner. I anlæg beregnet til videnskabelig forskning anvendes der derfor nogle gange højt beriget uran med et meget højere indhold af uran-235 end i brændstoffet i atomkraftværksreaktorer. Men dette ændrer ikke på berigelsesteknologien.

Reaktorens design kan bestemme den kemiske sammensætning af brændstoffet og det materiale, som brændselsstangen er lavet af. I øjeblikket er den vigtigste kemiske form for brændstof urandioxid. Hvad angår brændselsstave, er de overvejende zirconium, men for eksempel til BN-600 hurtige neutronreaktoren er brændstofstave lavet af rustfrit stål. Dette skyldes brugen af ​​flydende natrium som kølemiddel i BN-reaktorer, hvor zirconium nedbrydes (korroderer) hurtigere end rustfrit stål. Essensen af ​​processen med fremstilling af nukleart brændsel forbliver den samme - urandioxidpulver syntetiseres fra et beriget uranprodukt, som presses til tabletter og sintres, tabletterne anbringes i brændselsstave, og brændstofstavene samles til brændstof. forsamlinger (FA).

Desuden, hvis vi betragter de nukleare brændselscyklusser i forskellige lande, viser det sig for eksempel, at i Rusland fluoreres uranforbindelser under omdannelse direkte med molekylært fluor, og i udlandet behandles de først med flussyre og først derefter med fluor. Forskellen kan findes i den kemiske sammensætning af opløsninger til "åbning" af malm, sorbenter og ekstraktionsmidler; Parametrene for processerne kan være forskellige... Men dette ændrer ikke skemaet for det nukleare brændselskredsløb. Den grundlæggende forskel ligger kun mellem dens åbne (åbne) og lukkede (lukkede) versioner: i det første tilfælde er brændstoffet efter at have "arbejdet" på et atomkraftværk simpelthen isoleret fra miljøet i et dybt depot, og i det sidste tilfælde behandles for at udvinde værdifulde komponenter (se kapitel 7). Rusland er et af de få lande, der implementerer en lukket cyklus.

Et eksempel på en lukket brændselscyklus, der angiver rollen som TVEL Fuel Company of Rosatom

FA (brændstofsamling)

Atombrændsel- materialer, der anvendes i atomreaktorer til at udføre en kontrolleret kernefissionskædereaktion. Atombrændsel er fundamentalt forskelligt fra andre typer brændstof, der bruges af menneskeheden; det er ekstremt energikrævende, men også meget farligt for mennesker, hvilket pålægger mange restriktioner for dets brug af sikkerhedsmæssige årsager. Af denne og mange andre grunde er nukleart brændsel meget sværere at bruge end nogen form for organisk brændsel, og det kræver mange særlige tekniske og organisatoriske foranstaltninger, når det bruges, samt højt kvalificeret personale, der beskæftiger sig med det.

generel information

En nuklear kædereaktion involverer opdelingen af ​​en kerne i to dele, kaldet fissionsfragmenter, med samtidig frigivelse af flere (2-3) neutroner, som igen kan forårsage fission af efterfølgende kerner. Denne fission opstår, når en neutron rammer kernen af ​​et atom af det oprindelige stof. Spaltningsfragmenterne dannet under nuklear fission har høj kinetisk energi. Hæmningen af ​​fissionsfragmenter i stof er ledsaget af frigivelse af en stor mængde varme. Fissionsfragmenter er kerner dannet direkte som et resultat af fission. Spaltningsfragmenter og deres radioaktive henfaldsprodukter kaldes normalt fissionsprodukter. Kerner spaltet af neutroner af enhver energi kaldes nukleart brændsel (som regel er disse stoffer med et ulige atomnummer). Der er kerner, der kun spaltes af neutroner med energier over en vis tærskelværdi (som regel er disse elementer med et lige atomnummer). Sådanne kerner kaldes råmaterialer, da når en neutron fanges af en tærskelkerne, dannes der nukleare brændselskerner. Kombinationen af ​​nukleart brændsel og råmateriale kaldes nukleart brændsel. Nedenfor er fordelingen af ​​fissionsenergien af ​​235 U-kernen mellem de forskellige fissionsprodukter (i MeV):

Da neutrinoenergien føres bort uigenkaldeligt, er kun 188 MeV/atom = 30 pJ/atom = 18 TJ/mol = 76,6 TJ/kg tilgængelig til brug (ifølge andre data (se link) 205,2 - 8,6 = 196,6 MeV /atom).

Naturligt uran består af tre isotoper: 238 U (99,282%), 235 U (0,712%) og 234 U (0,006%). Det er ikke altid egnet som atombrændsel, især hvis de strukturelle materialer og moderator intensivt absorberer neutroner. I dette tilfælde er nukleart brændsel lavet af beriget uran. Termiske neutronkraftreaktorer bruger uran med en berigelse på mindre end 6 %, mens hurtige og mellemliggende neutronreaktorer anvender uranberigelse på over 20 %. Beriget uran produceres på særlige berigelsesanlæg.

Klassifikation

Nukleart brændsel er opdelt i to typer:

• Naturligt uran indeholdende fissile kerner 235 U, samt råmaterialer 238 U, der er i stand til at danne plutonium 239 Pu ved neutronfangst;
• Sekundære brændstoffer, der ikke forekommer i naturen, herunder 239 Pu, opnået fra den første type brændstof, samt 233 U isotoper dannet, når neutroner fanges af 232 Th thoriumkerner.

Ifølge den kemiske sammensætning kan nukleart brændsel være:

• Metal, inklusive legeringer;
• Oxid (for eksempel UO 2);
• Carbid (f.eks. PuC 1-x)
• Blandet (PuO 2 + UO 2)

Teoretiske aspekter af anvendelse

Kernebrændsel bruges i atomreaktorer i form af flere centimeter store tabletter, hvor det sædvanligvis er placeret i hermetisk lukkede brændselselementer (brændselselementer), som igen, for at lette brugen, kombineres i flere hundrede til brændselselementer ( FA).

Kernebrændsel er underlagt høje krav til kemisk kompatibilitet med brændselsstavbeklædninger; det skal have tilstrækkelige smelte- og fordampningstemperaturer, god termisk ledningsevne, en lille stigning i volumen under neutronbestråling og fremstillingsevne.

Brugen af ​​uranmetal, især ved temperaturer over 500 °C, er vanskelig på grund af dets hævelse. Efter nuklear fission dannes to fissionsfragmenter, hvis samlede volumen er større end volumenet af et uran (plutonium) atom. Nogle af fissionsfragmentatomerne er gasatomer (krypton, xenon osv.). Gasatomer akkumuleres i porerne i uran og skaber indre tryk, som stiger med stigende temperatur. På grund af ændringer i volumen af ​​atomer under fission og en stigning i det indre tryk af gasser, begynder uran og andre nukleare brændstoffer at svulme. Hævelse refererer til den relative ændring i mængden af ​​nukleart brændsel forbundet med nuklear fission.

Hævelse afhænger af udbrændthed og temperatur på brændstofstave. Antallet af fissionsfragmenter stiger med stigende forbrænding, og det indre gastryk stiger med stigende forbrænding og temperatur. Hævelse af nukleart brændsel kan føre til ødelæggelse af brændselsstavens beklædning. Kernebrændsel er mindre modtageligt for hævelse, hvis det har høje mekaniske egenskaber. Uranmetal er ikke et af disse materialer. Derfor begrænser brugen af ​​uraniummetal som atombrændsel forbrændingsdybden, som er en af ​​de vigtigste egenskaber ved atombrændsel.

Brændstoffets strålingsmodstand og mekaniske egenskaber forbedres efter legering af uran, en proces, hvor små mængder molybdæn, aluminium og andre metaller tilsættes uran. Legeringsadditiver reducerer antallet af fissionsneutroner pr. neutron opfanget af nukleart brændsel. Derfor har de en tendens til at vælge legeringsadditiver til uran fra materialer, der svagt absorberer neutroner.

Godt nukleart brændsel omfatter nogle ildfaste uranforbindelser: oxider, carbider og intermetalliske forbindelser. Den mest udbredte keramik er urandioxid UO 2. Dens smeltepunkt er 2800 °C, massefylde er 10,2 g/cm³. Urandioxid har ingen faseovergange og er mindre modtagelig for hævelse end uranlegeringer. Dette giver dig mulighed for at øge udbrændtheden til flere procent. Urandioxid reagerer ikke med zirconium, niobium, rustfrit stål og andre materialer ved høje temperaturer. Den største ulempe ved keramik er lav varmeledningsevne - 4,5 kJ/(m K), hvilket begrænser reaktorens specifikke effekt med hensyn til smeltetemperatur. Den maksimale varmefluxtæthed i VVER-reaktorer, der anvender urandioxid, overstiger således ikke 1,4⋅10 3 kW/m², mens den maksimale temperatur i brændselsstave når 2200 °C. Derudover er varm keramik meget skør og kan revne.

Praktisk brug

Kvittering

Uran brændstof

Urankernebrændsel opnås ved forarbejdning af malme. Processen foregår i flere faser:

• Til fattige marker: I moderne industri, på grund af manglen på rige uranmalme (undtagelser er canadiske og australske aflejringer såsom uoverensstemmelse, hvor koncentrationen af ​​uran når 3%), anvendes metoden til underjordisk udvaskning af malme. Dette eliminerer kostbar malmudvinding. Den indledende forberedelse foregår direkte under jorden. igennem injektionsbrønde svovlsyre pumpes under jorden over aflejringen, nogle gange tilsat jernsalte (for at oxidere uran U(IV) til U(VI)), selvom malmene ofte indeholder jern og pyrolusit, som letter oxidation. igennem pumpebrønde Ved hjælp af specielle pumper stiger en opløsning af svovlsyre med uran til overfladen. Derefter går det direkte til sorption, hydrometallurgisk udvinding og samtidig berigelse af uran.
• Til malmforekomster: brug malmberigelse og radiometrisk malmberigelse.
• Hydrometallurgisk forarbejdning - knusning, udvaskning, sorption eller ekstraktion ekstraktion af uran til fremstilling af renset uraniumoxid (U 3 O 8), natriumdiuranat (Na 2 U 2 O 7) eller ammoniumdiuranat ((NH 4) 2 U 2 O 7).
• Omdannelse af uran fra oxid til UF 4-tetrafluorid, eller fra oxider direkte til fremstilling af UF 6-hexafluorid, som bruges til at berige uran ved hjælp af 235-isotopen.
• Berigelse ved gastermisk diffusion eller centrifugering.
• UF 6 beriget i 235-isotopen omdannes til UO 2-dioxid, hvoraf der fremstilles "pellets" af brændselselementer eller opnås andre uranforbindelser til samme formål.

Atomenergi bruges i termisk kraftteknik, når energi udvindes fra atombrændsel i reaktorer i form af varme. Det bruges til at generere elektrisk energi i atomkraftværker (NPP), til kraftværker af store søfartøjer, til afsaltning af havvand.

Atomenergi skylder først og fremmest sin udseende neutronens natur, opdaget i 1932. Neutroner er en del af alle atomkerner undtagen brintkernen. Bundne neutroner i kernen eksisterer på ubestemt tid. I deres frie form er de kortlivede, da de enten henfalder med en halveringstid på 11,7 minutter, bliver til en proton og udsender en elektron og en neutrino, eller de bliver hurtigt fanget af atomkerner.

Moderne kerneenergi er baseret på brugen af ​​energi frigivet under fissionen af ​​en naturlig isotop uran-235. På atomkraftværker udføres en kontrolleret kernefissionsreaktion i atomreaktor. Ifølge energien fra neutroner, der producerer nuklear fission, skelne mellem termiske og hurtige neutronreaktorer.

Hovedenheden i et atomkraftværk er en atomreaktor, hvis diagram er vist i fig. 1. De får energi fra nukleart brændsel, og derefter overføres det til en anden arbejdsvæske (vand, metal eller organisk væske, gas) i form af varme; så omdannes den til elektricitet efter samme ordning som i konventionelle.

De styrer processen, opretholder reaktionen, stabiliserer kraften, starter og stopper reaktoren ved hjælp af speciel bevægelse styrestænger 6 Og 7 fra materialer, der intensivt absorberer termiske neutroner. De er drevet af et kontrolsystem 5 . Handlinger styrestænger manifestere sig i en ændring i kraften af ​​neutronfluxen i kernen. Efter kanaler 10 vand cirkulerer og afkøler den biologiske beskyttelsesbeton

Kontrolstænger er lavet af bor eller cadmium, som er termisk, strålings- og korrosionsbestandige, mekanisk stærke og har gode varmeoverførselsegenskaber.

Inde i en massiv stålkasse 3 der er en kurv 8 med brændselselementer 9 . Kølevæsken kommer ind gennem rørledningen 2 , passerer gennem kernen, vasker alle brændstofelementerne, opvarmes og gennem rørledningen 4 kommer ind i dampgeneratoren.

Ris. 1. Atomreaktor

Reaktoren er anbragt inde i en biologisk indeslutningsanordning af tyk beton 1 , som beskytter det omgivende rum mod strømmen af ​​neutroner, alfa-, beta-, gammastråling.

Brændstofelementer (brændstofstænger)- hoveddelen af ​​reaktoren. En nuklear reaktion sker direkte i dem, og varme frigives; alle andre dele tjener til at isolere, kontrollere og fjerne varme. Strukturelt kan brændselselementer være lavet af stang, plade, rørformet, sfærisk osv. Oftest er de stang, op til 1 meter lang, 10 mm i diameter. De er normalt samlet af uran pellets eller fra korte rør og plader. På ydersiden er brændselselementerne dækket af en korrosionsbestandig, tynd metalskal. Der anvendes zirconium, aluminium, magnesiumlegeringer samt legeret rustfrit stål til skallen.

Overførslen af ​​varme frigivet under en nuklear reaktion i reaktorkernen til arbejdslegemet af motoren (turbinen) af kraftværker udføres i henhold til enkeltkredsløb, dobbeltkredsløb og tredobbeltkredsløbsskemaer (fig. 2).

Ris. 2. Atomkraftværk
a – i henhold til et enkeltkredsløbsskema; b - i henhold til en dobbeltkredsløbsordning; c – efter en tre-kredsløbsordning
1 - reaktor; 2, 3 – biologisk beskyttelse; 4 - trykregulator; 5 - turbine; 6 - elektrisk generator; 7 - kondensator; 8 - pumpe; 9 – reservekapacitet; 10 - regenerativ varmelegeme; 11 - dampgenerator; 12 - pumpe; 13 – mellemvarmeveksler

Hvert kredsløb er et lukket system. Reaktor 1 (i alle termiske kredsløb) placeret inde i den primære 2 og sekundær 3 biologisk beskyttelse. Hvis atomkraftværket er bygget i henhold til et termisk kredsløb med én kreds, damp fra reaktoren gennem trykregulatoren 4 kommer ind i turbinen 5 . Turbineakslen er forbundet med den elektriske generatoraksel 6 , hvori der genereres elektrisk strøm. Udstødningsdampen kommer ind i kondensatoren, hvor den afkøles og kondenseres fuldstændigt. Pumpe 8 leder kondensat til den regenerative varmelegeme 10 , og så kommer den ind i reaktoren.

I et dobbeltkredsløb kommer kølevæsken opvarmet i reaktoren ind i dampgeneratoren 11 , hvor varme overføres ved overfladeopvarmning til kølevæsken af ​​arbejdsfluidet (sekundært kredsløbs fødevand). I vandkølede reaktorer afkøles kølevæsken i dampgeneratoren med ca. 15...40 o C og derefter af en cirkulationspumpe 12 sendes tilbage til reaktoren.

I et tre-kredsløbsdesign ledes kølevæsken (normalt flydende natrium) fra reaktoren til en mellemvarmeveksler 13 og derfra med en cirkulationspumpe 12 vender tilbage til reaktoren. Kølevæsken i det andet kredsløb er også flydende natrium. Dette kredsløb er ikke bestrålet og er derfor ikke-radioaktivt. Sekundært kredsløb natrium kommer ind i dampgeneratoren 11 , afgiver varme til arbejdsvæsken og sendes derefter tilbage til den mellemliggende varmeveksler af cirkulationspumpen.

Antallet af cirkulationskredsløb bestemmer typen af ​​reaktor, det anvendte kølemiddel, dets nukleare fysiske egenskaber og graden af ​​radioaktivitet. Enkeltsløjfekredsløbet kan bruges i kogende reaktorer og i reaktorer med gaskølevæske. Den mest udbredte dobbeltkredsløb ved brug af vand, gas og organiske væsker som kølemiddel. Tre-kredsløbsordningen bruges på atomkraftværker med hurtige neutronreaktorer, der bruger flydende metalkølemidler (natrium, kalium, natrium-kalium-legeringer).

Atombrændsel kan være uran-235, uranium-233 og plutonium-232. Råmaterialer til at opnå nukleart brændsel - naturligt uran og thorium. En nuklear reaktion af et gram fissilt materiale (uranium-235) frigiver energi svarende til 22×10 3 kW × h (19×10 6 cal). For at opnå denne mængde energi er det nødvendigt at forbrænde 1900 kg olie.

Uran-235 er let tilgængelig, og dets energireserver er omtrent de samme som fossile brændstoffer. Men hvis nukleart brændsel anvendes med så lav effektivitet, som det i øjeblikket er tilgængeligt, vil de tilgængelige urankilder være opbrugt inden for 50-100 år. Samtidig er "aflejringer" af nukleart brændsel praktisk talt uudtømmelige - dette er uran opløst i havvand. Der er hundredvis af gange mere af det i havet end på land. Omkostningerne ved at få et kilogram urandioxid fra havvand er omkring $60-80, og i fremtiden vil det falde til $30, og prisen for urandioxid udvundet i de rigeste forekomster på land er $10-20. Derfor vil omkostningerne på land og "på havvand" efter nogen tid blive af samme størrelsesorden.

Omkostningerne ved nukleart brændsel er cirka to gange lavere end for fossilt kul. På kulfyrede kraftværker falder andelen af ​​brændsel 50-70% af prisen på elektricitet, og på atomkraftværker - 15-30%. Et moderne termisk kraftværk med en kapacitet på 2,3 millioner kW (for eksempel Samara State District Power Plant) forbruger omkring 18 tons kul (6 tog) eller 12 tusinde tons brændselsolie (4 tog) hver dag. Nuklear, af samme kraft, bruger kun 11 kg nukleart brændsel om dagen og 4 tons i løbet af året. Et atomkraftværk er dog dyrere end et termisk kraftværk med hensyn til konstruktion, drift og reparation. For eksempel koster opførelsen af ​​et atomkraftværk med en kapacitet på 2 - 4 millioner kW cirka 50-100 % mere end et termisk.

Det er muligt at reducere kapitalomkostningerne til opførelse af atomkraftværker på grund af:

1. standardisering og forening af udstyr;
2. udvikling af kompakte reaktordesigns;
3. forbedring af styrings- og reguleringssystemer;
4. reduktion af varigheden af ​​reaktornedlukning for brændstofpåfyldning.

Et vigtigt kendetegn ved atomkraftværker (atomreaktorer) er effektiviteten af ​​brændselskredsløbet. For at forbedre brændstofkredsløbseffektiviteten bør du:

• øge udbrændingen af ​​nukleart brændsel;
• øge plutoniumforædlingshastigheden.

Ved hver fission af uran-235-kernen frigives 2-3 neutroner. Af disse bruges kun én til yderligere reaktion, resten går tabt. Det er dog muligt at bruge dem til at reproducere nukleart brændsel, hvilket skaber hurtige neutronreaktorer. Ved drift af en hurtig neutronreaktor er det muligt samtidigt at opnå cirka 1,7 kg plutonium-239 pr. 1 kg forbrændt uranium-235. På denne måde kan den lave termiske effektivitet af atomkraftværker dækkes.

Hurtige neutronreaktorer er titusinder mere effektive (med hensyn til at bruge nukleart brændsel) end brændselsneutronreaktorer. De indeholder ikke en moderator og bruger stærkt beriget nukleart brændsel. Neutroner, der undslipper kernen, absorberes ikke af strukturelle materialer, men af ​​uran-238 eller thorium-232 placeret omkring dem.

I fremtiden vil de vigtigste fissile materialer til atomkraftværker være plutonium-239 og uran-233, opnået fra henholdsvis uran-238 og thorium-232 i hurtige neutronreaktorer. Konvertering af uranium-238 til plutonium-239 i reaktorer vil øge nukleare brændselsressourcer med cirka 100 gange, og thorium-232 til uran-233 med 200 gange.

I fig. Figur 3 viser et diagram over et atomkraftværk, der anvender hurtige neutroner.

Karakteristiske træk ved et hurtigt neutron atomkraftværk er:

1. ændring af kritikaliteten af ​​en atomreaktor udføres ved at reflektere en del af fissionsneutronerne i atombrændsel fra periferien tilbage til kernen ved hjælp af reflektorer 3 ;
2. reflekser 3 kan rotere, ændre neutronlækagen og derfor intensiteten af ​​fissionsreaktioner;
3. nukleart brændsel reproduceres;
4. Overskydende termisk energi fjernes fra reaktoren ved hjælp af et radiatorkøleskab 6 .

Ris. 3. Diagram over et atomkraftværk, der bruger hurtige neutroner:
1 - brændselselementer; 2 – reproducerbart nukleart brændsel; 3 - hurtige neutronreflektorer; 4 – atomreaktor; 5 – elforbruger; 6 - køleskab-emitter; 7 – omformer af termisk energi til elektrisk energi; 8 – strålebeskyttelse.

Omdannere af termisk energi til elektrisk energi

Baseret på princippet om at bruge termisk energi genereret af et atomkraftværk kan konvertere opdeles i 2 klasser:

1. maskine (dynamisk);
2. maskinløse (direkte omformere).

I maskinkonvertere er en gasturbinenhed normalt forbundet til reaktoren, hvor arbejdsfluidet kan være brint, helium eller en helium-xenon-blanding. Effektiviteten af ​​at konvertere varme leveret direkte til turbogeneratoren til elektricitet er ret høj - konvertereffektivitet η = 0,7-0,75.

Diagrammet af et atomkraftværk med en dynamisk gasturbine (maskine) konverter er vist i fig. 4.

En anden type maskinkonverter er en magnetogasdynamisk eller magnetohydrodynamisk generator (MGDG). Diagrammet for en sådan generator er vist i fig. 5. Generatoren er en rektangulær kanal, hvoraf to vægge er lavet af dielektrisk, og to af elektrisk ledende materiale. En elektrisk ledende arbejdsvæske - flydende eller gasformig - bevæger sig gennem kanalerne og gennemtrænges af et magnetfelt. Når en leder bevæger sig i et magnetfelt, opstår der som bekendt en emk, som hen over elektroderne 2 overføres til elforbrugeren 3 . Energikilden til den arbejdende varmestrøm er den varme, der frigives i en atomreaktor. Denne termiske energi bruges på at flytte ladninger i et magnetfelt, dvs. omdannes til kinetisk energi af en strømledende stråle og kinetisk energi til elektrisk energi.

Ris. 4. Diagram over et atomkraftværk med en gasturbinekonverter:
1 - reaktor; 2 - kredsløb med flydende metalkølevæske; 3 - varmeveksler til at levere varme til gassen; 4 - turbine; 5 - elektrisk generator; 6 - kompressor; 7 - køleskab-emitter; 8 - varmefjernelseskredsløb; 9 - cirkulationspumpe; 10 - varmeveksler til varmefjernelse; 11 - varmeveksler-regenerator; 12 – kredsløb med gasturbinekonverterens arbejdsvæske.

Direkte omformere (maskinløse) af termisk energi til elektrisk energi er opdelt i:

1. termoelektriske;
2. termionisk;
3. elektrokemisk.

Termoelektriske generatorer (TEG'er) er baseret på Seebeck-princippet, som består i, at der i et lukket kredsløb bestående af uens materialer opstår en termo-emf, hvis der opretholdes en temperaturforskel ved disse materialers kontaktpunkter (fig. 6) ). For at generere elektricitet er det tilrådeligt at bruge halvleder-TEG'er, der har en højere virkningsgrad, mens temperaturen i det varme kryds skal hæves til 1400 K og højere.

Termionomformere (TEC) gør det muligt at generere elektricitet som følge af emission af elektroner fra en katode opvarmet til høje temperaturer (fig. 7).

Ris. 5. Magnetogasdynamisk generator:
1 - magnetisk felt; 2 - elektroder; 3 – elforbruger; 4 - dielektrisk; 5 – dirigent; 6 – arbejdsvæske (gas).

Ris. 6. Ordning for drift af en termoelektrisk generator

Ris. 7. Driftsskema for termionomformeren

For at opretholde emissionsstrømmen tilføres varme til katoden Q 1 . Elektronerne, der udsendes af katoden, når de har overvundet vakuumgabet, når anoden og absorberes af den. Når elektroner "kondenserer" ved anoden, frigives energi svarende til arbejdsfunktionen af ​​elektroner med modsat fortegn. Hvis vi giver en kontinuerlig tilførsel af varme til katoden og fjerner den fra anoden, så gennem belastningen R jævnstrøm vil løbe. Elektronemission sker effektivt ved katodetemperaturer over 2200 K.

Sikkerhed og pålidelighed af atomkraftværker

Et af hovedspørgsmålene i udviklingen af ​​atomenergi er at sikre pålideligheden og sikkerheden af ​​atomkraftværker.

Strålingssikkerheden sikres ved:

1. skabelse af pålidelige strukturer og anordninger til biologisk beskyttelse af personale mod stråling;
2. rensning af luft og vand, der forlader atomkraftværkets lokaler;
3. udvinding og pålidelig lokalisering af radioaktiv forurening;
4. daglig strålingsovervågning af atomkraftværkets lokaler og individuel strålingsovervågning af personale.

NPP-lokaler, afhængigt af driftstilstanden og udstyret installeret i dem, er opdelt i 3 kategorier:

1. høj sikkerhedszone;
2. Forbudt område;
3. normal tilstand zone.

Personale er permanent placeret i lokaler af tredje kategori; disse lokaler på stationen er strålingssikre.

Under driften af ​​atomkraftværker genereres fast, flydende og gasformigt radioaktivt affald. De skal bortskaffes på en måde, der ikke skaber miljøforurening.

Gasser, der fjernes fra lokalerne under ventilation, kan indeholde radioaktive stoffer i form af aerosoler, radioaktivt støv og radioaktive gasser. Stationens ventilation er opbygget således, at luftstrømme går fra de mest "rene" til de "forurenede", og strømninger i modsat retning udelukkes. I alle områder af stationen udføres fuldstændig luftudskiftning inden for højst en time.

Under driften af ​​atomkraftværker opstår problemet med bortskaffelse og bortskaffelse af radioaktivt affald. Brændselselementer brugt i reaktorer opbevares i en vis tid i vandbassiner direkte ved atomkraftværket, indtil isotoper med kort halveringstid er stabiliseret, hvorefter brændselselementerne sendes til særlige radiokemiske anlæg til regenerering. Der udvindes atombrændsel fra brændselsstave, og radioaktivt affald nedgraves.