Tuumareaktorite metallkütus. Tuumakütus: liigid ja töötlemine

Uraanil või plutooniumil põhineva tuumkütuse elutsükkel algab kaevandusettevõtetes, keemiatehastes, gaasitsentrifuugides ega lõpe hetkel, mil kütuseagregaat reaktorist maha laaditakse, kuna iga kütuseagregaat peab läbima pika tee. kõrvaldamine ja seejärel ümbertöötlemine.

Tuumakütuse tooraine kaevandamine

Uraan on maakera raskeim metall. Umbes 99,4% maakera uraanist on uraan-238 ja ainult 0,6% uraan-235. Rahvusvahelise Aatomienergiaagentuuri "Punase raamatu" aruanne näitab uraani tootmise ja nõudluse kasvu vaatamata Fukushima-1 õnnetusele, mis pani paljusid mõtlema tuumaenergia väljavaadete üle. Ainuüksi viimase paari aasta jooksul on uuritud uraanivarud kasvanud 7%, mis on seotud uute maardlate avastamisega. Suurimateks tootjateks on jätkuvalt Kasahstan, Kanada ja Austraalia, kes toodavad kuni 63% maailma uraanist. Lisaks on metallivarusid Austraalias, Brasiilias, Hiinas, Malawis, Venemaal, Nigeris, USA-s, Ukrainas, Hiinas ja teistes riikides. Varem on Pronedra kirjutanud, et 2016. aastal kaevandati Vene Föderatsioonis 7,9 tuhat tonni uraani.

Tänapäeval kaevandatakse uraani kolmel erineval viisil. Avatud meetod ei kaota oma tähtsust. Seda kasutatakse juhtudel, kui hoiused on maapinna lähedal. Avatud kaevu meetodil loovad buldooserid karjääri, seejärel laaditakse lisanditega maak kallurautodesse, et transportida töötlemiskompleksidesse.

Sageli asub maagikeha suurtes sügavustes, sel juhul kasutatakse allmaakaevandamise meetodit. Kaevandus murrab välja kuni kahe kilomeetri sügavuselt, kivim kaevandatakse puurimise teel horisontaalsetes triivides, mis transporditakse kaubaliftides ülespoole.

Segu, mis niimoodi välja viiakse, sisaldab palju komponente. Kivi tuleb purustada, lahjendada veega ja eemaldada liigne. Järgmisena lisatakse segule leostumisprotsessi läbiviimiseks väävelhapet. Selle reaktsiooni käigus saavad keemikud uraanisoolade kollase sademe. Lõpuks rafineeritakse rafineerimistehases uraan koos lisanditega. Alles pärast seda saadakse uraanoksiid, millega kaubeldakse börsil.

On olemas palju turvalisem, keskkonnasõbralikum ja kulutõhusam viis, mida nimetatakse puuraugu in situ leotuseks (SIL).

Selle väljaarendusmeetodiga jääb territoorium personalile ohutuks ja kiirgusfoon vastab suurlinnade foonile. Uraani kaevandamiseks leostumise teel tuleb kuusnurga nurkadesse puurida 6 auku. Väävelhape pumbatakse nende kaevude kaudu uraanimaardlatesse, see seguneb oma sooladega. See lahus ekstraheeritakse, nimelt pumbatakse see välja kuusnurga keskel oleva kaevu kaudu. Uraanisoolade soovitud kontsentratsiooni saavutamiseks lastakse segu mitu korda läbi sorptsioonikolonnide.

Tuumakütuse tootmine

Tuumakütuse tootmine on mõeldamatu ilma gaasitsentrifuugideta, mida kasutatakse rikastatud uraani tootmiseks. Pärast vajaliku kontsentratsiooni saavutamist pressitakse uraandioksiidist nn tabletid. Nende loomisel kasutatakse määrdeaineid, mis eemaldatakse ahjudes põletamise ajal. Põletustemperatuur ulatub 1000 kraadini. Pärast seda kontrollitakse tablettide vastavust märgitud nõuetele. Pinna kvaliteet, niiskusesisaldus, hapniku ja uraani aine suhe.

Samal ajal valmistatakse teises töökojas kütuseelementide torukujulisi kestasid. Ülaltoodud protsesse, sealhulgas tablettide järgnevat doseerimist ja pakkimist korpusega torudesse, sulgemist, saastest puhastamist, nimetatakse kütuse valmistamiseks. Venemaal tegelevad kütusesõlmede (FA) loomisega Moskva piirkonna masinaehitustehas, Novosibirskis asuv Novosibirski keemiliste kontsentraatide tehas, Moskva polümetallitehas ja teised.

Iga kütusekomplektide partii luuakse kindlat tüüpi reaktori jaoks. Euroopa kütusesõlmed on valmistatud ruudu kujul ja venekeelsed - kuusnurkse sektsiooniga. Vene Föderatsioonis kasutatakse laialdaselt VVER-440 ja VVER-1000 tüüpi reaktoreid. Esimesi kütuseelemente VVER-440 jaoks hakati välja töötama 1963. aastal ja VVER-1000 jaoks 1978. aastal. Hoolimata asjaolust, et Venemaal võetakse aktiivselt kasutusele uusi Fukushima järgsete ohutustehnoloogiatega reaktoreid, töötab nii riigis kui ka välismaal palju vanaaegseid tuumarajatisi, mistõttu on erinevat tüüpi reaktorite kütusesõlmed endiselt aktuaalsed.

Näiteks RBMK-1000 reaktori ühe aktiivse tsooni kütusesõlmede varustamiseks on vaja rohkem kui 200 tuhat tsirkooniumisulamitest valmistatud komponenti ja 14 miljonit uraandioksiidi paagutatud graanulit. Mõnikord võib kütusesõlme valmistamise maksumus ületada elementides sisalduva kütuse maksumust, mistõttu on nii oluline tagada iga uraanikilogrammi kõrge energiatagastus.

Tootmisprotsessi kulud %

Eraldi tuleks öelda uurimisreaktorite kütusesõlmede kohta. Need on konstrueeritud nii, et neutronite tekkeprotsessi jälgimine ja uurimine oleks võimalikult mugav. Selliseid kütusevardaid katseteks tuumafüüsika, isotoopide tootmise ja kiirgusmeditsiini valdkondades Venemaal toodab Novosibirski keemiakontsentraatide tehas. TVS on loodud õmblusteta elementide baasil uraani ja alumiiniumiga.

Tuumakütuse tootmisega tegeleb Venemaa Föderatsioonis kütusefirma TVEL (Rosatomi osakond). Ettevõte tegeleb tooraine rikastamise, kütuseelementide montaaži kallal ning pakub ka kütuselitsentsimisteenust. Kovrovi mehaanikatehas Vladimiri oblastis ja Uurali gaasitsentrifuugitehas Sverdlovski oblastis loovad seadmeid Venemaa kütusesõlmede jaoks.

Kütusevardade transportimise omadused

Looduslikku uraani iseloomustab madal radioaktiivsus, kuid enne kütusesõlmede tootmist läbib metall rikastamisprotseduuri. Uraan-235 sisaldus looduslikus maagis ei ületa 0,7% ja radioaktiivsus on 25 bekerelli 1 milligrammi uraani kohta.

Kütusesõlmedesse paigutatud uraanigraanulid sisaldavad uraani uraan-235 kontsentratsiooniga 5%. Tuumakütusega valmiskütuse komplekte transporditakse spetsiaalsetes kõrgtugevast metallist konteinerites. Transpordiks kasutatakse raudtee-, maantee-, mere- ja isegi õhutransporti. Iga konteiner sisaldab kahte komplekti. Kiiritamata (värske) kütuse transportimine ei kujuta endast kiirgusohtu, kuna kiirgus ei ulatu kaugemale tsirkooniumtorudest, millesse surutud uraanigraanulid asetatakse.

Kütusepartii jaoks töötatakse välja spetsiaalne marsruut, lasti transporditakse tootja või tellija turvatöötajate saatel (sagedamini), mis on eelkõige tingitud seadmete kõrgest hinnast. Kogu tuumkütuse tootmise ajaloo jooksul ei ole registreeritud ühtegi kütusesõlmedega transpordiõnnetust, mis mõjutaks keskkonna kiirgusfooni või tooks kaasa inimohvreid.

Kütus reaktori südamikus

Tuumakütuse ühik - TVEL - on võimeline eraldama pikka aega tohutul hulgal energiat. Selliste mahtudega ei saa võrrelda ei kivisütt ega gaasi. Kütuse elutsükkel igas tuumaelektrijaamas algab värske kütuse mahalaadimisest, eemaldamisest ja ladustamisest kütusekomplektide laos. Kui eelmine kütusepartii reaktoris läbi põleb, komplekteerivad töötajad südamikusse (reaktori töötsooni, kus toimub lagunemisreaktsioon) laadimiseks kütusesõlmed. Reeglina laaditakse kütus osaliselt ümber.

Kütus laaditakse täielikult südamikku alles reaktori esmakordsel käivitamisel. Selle põhjuseks on asjaolu, et kütuseelemendid reaktoris põlevad läbi ebaühtlaselt, kuna neutronivoo intensiivsus on reaktori erinevates tsoonides erinev. Tänu arvestusseadmetele on jaama personalil võimalus jälgida reaalajas iga kütuseühiku põlemisastet ja seda asendada. Mõnikord teisaldatakse uute kütusesõlmede laadimise asemel komplekte omavahel. Aktiivse tsooni keskel toimub läbipõlemine kõige intensiivsemalt.

TVS pärast tuumaelektrijaama

Tuumareaktoris välja töötanud uraani nimetatakse kiiritatud või läbipõlenud. Ja sellised kütusesõlmed - kasutatud tuumakütus. SNF on paigutatud radioaktiivsetest jäätmetest eraldi, kuna sellel on vähemalt 2 kasulikku komponenti - põletamata uraan (metalli läbipõlemine ei ulatu kunagi 100%) ja transuraani radionukliidid.

Viimasel ajal on füüsikud hakanud SNF-i kogunenud radioaktiivseid isotoope kasutama tööstuses ja meditsiinis. Kui kütus on oma kampaania läbi teinud (aeg, mil sõlme on reaktori südamikus nimivõimsusel töötamise tingimustes), suunatakse see kasutatud tuumkütuse basseini, sealt otse reaktoriruumi hoidlasse ja pärast seda - töötlemine või kõrvaldamine. Jahutusbassein on mõeldud soojuse eemaldamiseks ja kaitseks ioniseeriva kiirguse eest, kuna kütusesõlmed jäävad pärast reaktorist eemaldamist ohtlikuks.

USA-s, Kanadas ega Rootsis SNF-i ümbertöötlemiseks ei saadeta. Teised riigid, sealhulgas Venemaa, töötavad suletud kütusetsükli kallal. See võimaldab oluliselt vähendada tuumkütuse tootmise omahinda, kuna osa SNF-ist taaskasutatakse.

Kütusevardad lahustatakse happes, misjärel eraldavad teadlased jäätmetest plutooniumi ja kasutamata uraani. Ligikaudu 3% toorainest ei ole taaskasutatav, need on kõrge radioaktiivsusega jäätmed, mis läbivad bituumenimis- või klaasistamisprotseduurid.

Kasutatud tuumkütusest saab 1% plutooniumi. Seda metalli ei ole vaja rikastada, Venemaa kasutab seda uuendusliku MOX-kütuse tootmisel. Suletud kütusetsükkel võimaldab muuta ühe kütusesõlme ligikaudu 3% odavamaks, kuid see tehnoloogia nõuab suuri investeeringuid tööstusplokkide ehitusse, mistõttu pole see maailmas veel levinud. Sellest hoolimata ei lõpeta Rosatomi kütusefirma sellesuunalisi uuringuid. Pronedra kirjutas hiljuti, et Venemaa Föderatsioon töötab kütuse kallal, mis suudaks kasutada reaktori südamikus ameriitsiumi, kuuriumi ja neptuuniumi isotoope, mis sisalduvad väga radioaktiivsete jäätmete hulgas.

Tuumakütuse tootjad: hinnang

1. Prantsuse ettevõte Areva andis kuni viimase ajani 31% maailma kütusekomplektide turust. Ettevõte tegeleb tuumakütuse tootmise ja tuumaelektrijaamade komponentide komplekteerimisega. 2017. aastal toimus Arevas kvalitatiivne uuendus, ettevõttesse tulid uued investorid ning 2015. aasta kolossaalne kahjum vähenes 3 korda.
2. Westinghouse on Jaapani ettevõtte Toshiba Ameerika divisjon. Ta arendab aktiivselt turgu Ida-Euroopas, tarnib Ukraina tuumaelektrijaamadele kütusekomplekte. Koos Toshibaga annab see 26% maailma tuumakütuse tootmise turust.
3. Kolmandal kohal on riikliku korporatsiooni Rosatom (Venemaa) kütusefirma TVEL. TVEL annab 17% maailmaturust, tal on kümneaastane lepinguportfell väärtusega 30 miljardit dollarit ja ta varustab kütusega enam kui 70 reaktorit. TVEL arendab VVER reaktorite kütuseagregaate ning siseneb ka lääne disainiga tuumaseadmete turule.
4. Japan Nuclear Fuel Limited annab viimastel andmetel 16% maailmaturust, tarnib enamikku Jaapani tuumareaktoritest kütusekomplekte.
5. Mitsubishi Heavy Industries on Jaapani hiiglane, mis toodab turbiine, tankereid, kliimaseadmeid ja viimasel ajal ka tuumakütust lääne tüüpi reaktorite jaoks. Mitsubishi Heavy Industries (emaettevõtte divisjon) tegeleb APWR tuumareaktorite ehitamisega, teadustegevusega koos Arevaga. Just selle ettevõtte valis Jaapani valitsus uute reaktorite väljatöötamiseks.

NFC keskne etapp on tuumakütuse kasutamine tuumajaama reaktoris soojusenergia tootmiseks. Energiaaparaadina on tuumareaktor teatud parameetritega soojusenergia generaator, mis saadakse uraani tuumade ja reaktoris tekkinud plutooniumi lõhustumisel (joonis 6.22). Soojusenergia elektrienergiaks muundamise efektiivsuse määrab tuumaelektrijaamade termohüdrauliliste ja elektriliste ahelate täiuslikkus.

Tuumakütuse põlemise tunnused reaktori südamikus, mis on seotud erinevate tuumareaktsioonide esinemisega kütuseelementidega, määravad tuumaenergia eripära, TEJ töötingimused, majandusnäitajad, keskkonnamõju, sotsiaalsed ja majanduslikud tagajärjed.

Tuumakütuse kasutamise efektiivsust termiliste neutronreaktoritega tuumaelektrijaamades iseloomustab keskmine aastane energiatoodang 1 tonni (või 1 kg) reaktorisse laaditud ja kulutatud kütuse kohta - selle keskmine põlemissügavus (selle mõõde on MW päev / tonn). Uraanikütuse läbipõlemise protsessis tuumareaktsioonide tagajärjel toimub selle nukliidide koostise oluline muutus Joonis 6.23 näitab selle protsessi tüüpilist graafikut VVER-1000 reaktori südamiku projekteerimistingimuste suhtes esialgse rikastusega x = 4,4% (44 kg / t) ja keskmine arvutuslik kütusekulu В=40 10 3 MW ööpäevas/t (ehk α =42 kg/t) ning joonisel 6.24 on toodud kütuse nukliidse koostise muutuste arvutuslik graafik kl. x = 2% ja В=20 10 3 MW päev/t RBMK-1000 reaktori südamikus. On näha, et 235 U põlemisel tekivad neutronite kiirgusliku püüdmise tulemusena 238 U tuumade poolt plutooniumi lõhustuvad isotoobid 239 Pu, 241 Pu ja mittelõhustuvad isotoobid 240 Pu, 242 Pu ja ka 236 U ning akumuleeruvad.ja teiste transuraani ja transplutooniumi elementide lagunemine (joonis 6.25), mille arv on suhteliselt väike ja mida majanduslikes arvutustes arvesse ei võeta.

Joonisel 6.26 on kujutatud PWR-reaktori uraanikütuses, mille algrikastus on 3,44%, nukliidide koostise muutuse sõltuvus neutronite voogust. Plutooniumi lõhustuvate isotoopide (239 Pu ja 241 Pu) hinnanguline panus VVER-1000 tuumareaktori koguvõimsusesse on üle 33%. See protsess toimub ka teistes termilistes neutronreaktorites. Plutooniumi panus lõhustumisesse ja energiatootmisse on seda suurem, mida suurem on plutooniumi paljunemissuhe (BR) ja seda suurem on keskmine kütusekulu.

Plutooniumi isotoopide kogus kasutatud tuumkütuses on tuumaenergiatööstuse tehniliste ja majanduslike arvutuste ja hinnangute jaoks hädavajalik. Pärast keemilise töötlemise käigus kasutatud tuumkütusest eraldamist on need ka tuumaelektrijaamade kaubanduslikud tooted.

Kasutatud tuumkütusesse kogunenud kõigi või ainult lõhustuvate termiliste neutronite z plutooniumi isotoopide massi z* ja ​​1 tonnis kasutatud tuumkütuses sisalduvate lõhustuvate tuumade massi α nimetatakse tavaliselt plutooniumi akumulatsiooniteguriks (KN):

КН=z/ α ; KH*=z*/α,

kus z* on kõigi kasutatud tuumkütusesse kogunenud plutooniumi isotoopide mass (kaasa arvatud 235U kaotus, mis tuleneb lõhustumiseta 236U-ks muundamisest). CV ligikaudseks arvutamiseks võib kasutada tuumafüüsikaliste arvutuste põhjal koostatud kütuse nukliidse koostise muutuste graafikuid (vt joonis 6.23 ja 6.24). Keskmise põlemissügavuse B suurenemisega kaasneb (tabel 6.13) plutooniumi koguse vähenemine kasutatud tuumkütuses, kuid selle osatähtsuse suurenemine reaktori koguvõimsuses. See osakaal on seda suurem, mida suurem on integraal-CV väärtus (moodustunud lõhustuvate nukliidide arvu ja eraldatud nukliidide arvu suhe).

Tabel 6.13 Kütuse põlemine ja plutooniumi akumuleerumine termilistes reaktorites

Tuumkütuses sisalduva 235 U materjalibilansi analüüsimisel tuleb arvesse võtta selle pöördumatuid kadusid reaktori südamikus, mis on põhjustatud neutronite kinnipüüdmisest 235 U isotoobiga ilma lõhustumiseta 235 U+n → 236 U + γ .

Märkimisväärne osa 235 U-st ei jagune, vaid muutub kunstlikuks mittelõhustuvaks radioaktiivseks isotoobiks 236 U. 236 U tekke tõenäosus 235 U-st võrdub neutroni kiirgusliku püüdmise ristlõike suhtega. 235 U isotoop (σ n γ \u003d 98,36 E n \u003d 0,0253 eV) kiirguse püüdmise ja lõhustumise ristlõigete summaks (σ ~ 580 barn). Seega tuleb reaktori südamikusse laaditud 235 U bilansis arvestada mitte ainult 235 U tuumade tarbimisega selle lõhustumise ajal, vaid ka 235 U tuumade vähenemisega (~ 15%), mis pöördumatult kaotsi lähevad. 236 U moodustamine.

Joonisel 6.27 on kujutatud 236 U akumulatsiooni tase kaasaegse tuumaelektrijaama surveveereaktoris, mille kütuse algrikastus on erinev sõltuvalt selle põlemissügavusest.

236 U moodustumine toob omakorda kaasa selle tarbimise uute elementide 237 Np ja 238 Pu moodustumisel (vt joonis 6.22). Joonisel 6.27 olevad sõltuvused võtavad seda protsessi arvesse. Põlemissügavusel 30 10 3 MW ööpäevas/t tekib termilistes neutronreaktorites, mille kütuse rikastus on ~ 3,4% 235 U, 0,35–0,40% 236 U.

Kui VVR südamikus on 0,12% 236 U sisaldusega, on saavutatava põlemissügavuse kadu 10 3 MW päev/t, 0,4% 236 U - 2,5 10 3 MW päev/t, 1% 236 U - 5 10 3 MW päev/t. Olemasolevates kergveereaktorites on 236 U negatiivse mõju kompenseerimiseks ja soovitud energiaomaduste saamiseks vaja suurendada 235 U kütuse esialgset rikastamist, mis tõstab tuumkütuse tsükli maksumust.

Tuumakütuse kasutamine tuumaelektrijaama reaktorites hõlmab järgmisi põhitoiminguid:

• tarnijatehasest saadud värske kütuse mahalaadimine, vastuvõtmine ja ladustamine FA laos;
• kütusesõlmede komplekteerimine reaktorisse laadimiseks koos juhtvarrastega;
• kütusesõlmede laadimine reaktori südamikusse (esialgne või perioodilise ja osalise tankimise järjekorras); kütuse tõhus kasutamine reaktori südamikus (teatud generatsiooni soojusenergia saamine reaktoris).

Reaktoris kulunud tuumkütus laaditakse ümber reaktorisaalis asuvasse kasutatud tuumkütuse basseini ja jääb sinna mitmeks aastaks. Nii pikk kokkupuude võimaldab oluliselt vähendada kütusesõlmede esialgset radioaktiivsust ja lagunemissoojust, tõrjuda lekkivaid sõlmesid ja kütusevardaid, et hõlbustada kasutatud tuumkütuse transportimist TEJ territooriumilt (tabel 6.14).

Kasutatud tuumkütuse basseinidest laaditakse kasutatud kütus ümber spetsiaalsetele raudteeplatvormidele või muudele sõidukitele paigaldatud transpordikonteineritesse. See toiming lõpeb tuumaelektrijaamas tuumakütusetsükli pikima – keskse – etapiga. Mõnedel tuumaelektrijaamadel on pikaajaline kasutatud tuumkütuse puhverhoidla või need võivad sisaldada kasutatud tuumkütuse komplekte spetsiaalsetes konteinerites, mis on kohandatud pikaajaliseks kuivhoiustamiseks.

Kütusetsükli tüübid. Sõltuvalt laaditava reaktori tüübist ja sellest, mis juhtub reaktorist väljutatava kasutatud tuumkütusega, on mitmeid kütusetsükleid. Joonis 6.28 näitab avatud (avatud) kütusetsükli diagrammi.

Kasutatud tuumkütust hoitakse määramata pika aja jooksul tuumajaama kasutatud tuumkütuse basseinis. Sellega seoses on vaja tagada kasutatud tuumkütuse käitlemise, pakendamise ja alalisse ladustamiskohta üleandmise ohutus, kasutades avalikke hoidlaid. Selles tsüklis ei toimu põletatud kütuses sisalduvate lõhustuvate materjalide taaskasutamise või rikastamise protsessi. Joonisel 6.29 on kujutatud tsükkel, mille käigus kasutatud tuumkütust töödeldakse nii, et saadakse ainult uraan. Plutooniumi ja transuraani elemente käsitletakse selles tsüklis kõrgetasemeliste jäätmetena (HLW).

Uraan tuuakse tagasi rikastustehasesse, et tõsta rikastusprotsenti 0,8-lt 3%-le, millest piisab selle taaskasutamiseks VVR-i kütusena. "Jäätmed" nõuavad nõuetekohast käitlemist, pakkimist ja transporti püsivasse ladustamiskohta. Täielikum kütusetsükkel on näidatud joonisel 6.30. Siin ekstraheeritakse lisaks uraanile ka plutooniumi. Kuna plutoonium on lõhustuv materjal, saab seda kasutada kütusena. Uraanoksiidiga segatud plutooniumoksiidi saab WWR tsüklis uuesti kasutada. See kütusesegu, mida kasutatakse mitmete kaubanduslike reaktorite pilootsõlmedes, on näidanud selle edukat kasutamist WWR-i kütusena.

Tabel 6.14 Eriaktiivsuse ja soojuseralduse muutus 1 tonni VVER-ist maha laaditud kasutatud tuumkütuses keskmise põlemisega 33 10 3 MW ööpäevas/t

Plutooniumi ringlussevõtt ei ole aga mitmete takistuste ja piirangute tõttu saanud kaubanduslikku tunnustust. Suur huvi plutooniumi ringlussevõtu vastu oli Jaapanis ja Saksamaal. Jaapanis oli peamiseks motiiviks tuumajaamade kütuse hankimise sõltumatuse tagamine. Saksamaal taheti seda ära kasutada, et kõrgaktiivsete jäätmete kõrvaldamist oluliselt lihtsustada.

Samuti on võimalik kombineerida VVR-i ja kiireid reaktoreid kütusetsükli kolmanda versiooni alusel. Kasutatud kütusest saadavat plutooniumi saab kasutada kiirreaktori esimese kütusekoormusena.

See on plutooniumi kõige tõhusam kasutusviis, kuna selle parimad omadused on leitud neutronite spektri kiires osas. Seda suunda kasutatakse Prantsusmaal.

Prantsusmaa rafineerimistehastes toodetud plutooniumi varutakse hilisemaks kasutamiseks kiirreaktori arendusprogrammis. Kiire neutronreaktor nõuab oma kütusetsüklit, millel on oma eripärad ja omadused. See eripära on tingitud kütuse sügavast läbipõlemisest kasvatajas (3 korda või rohkem kui VVR-is). Teine tsükkel põhineb tooriumi kasutamisel, mis, kuigi mitte lõhustuv materjal, muundatakse reaktoris 23 U. Tooriumi kasutati näidistuumajaamades VVR reaktoriga (India Point 1 ja Shippingport), kuid tooriumtsükkel. ei saanud tööstuslikku arengut. Tooriumitsüklit kasutatakse kõrge temperatuuriga gaasireaktorites (milles kütus on kapseldatud grafiidimaatriksisse).

Praegu on seoses reaktorite ja tuumaelektrijaamade kui terviku täiustamise töö tihenemisega muutumas paljude riikide seisukohad tuumkütusetsükli tüübi valiku osas. Üha enam arendajaid kipub valima suletud (suletud) kütusetsükli. Seevastu 2004. aasta septembris toimunud IAEA konverentsi ühes ettekandes, mis analüüsis olukorda NFC tüübi valikul, võttes arvesse kasvavat energianõudlust, märgitakse, et avatud ehk üksik kütusetsükkel. Sellel on suletud tsükliga võrreldes märkimisväärsed eelised tootmiskulude, tuumarelva leviku tõkestamise ja kütusetsükli töö ohutuse osas. Raporti kohaselt on maailmas piisavalt looduslikku uraanimaaki, et tagada järgmise viiekümne aasta jooksul 1000 uue reaktori käivitamine. "Ühekordne" tuumkütuse kasutamise meetod jääb suhteliselt odavaks ja ohutuks seni, kuni uraanimaagi leiukohad ammenduvad ja tuumariigid hakkavad kogunenud kasutatud tuumkütust ümber töötlema, et toota plutooniumi, mis on põletamise mittelooduslik kunstlik kõrvalsaadus. uraan. Samas ei analüüsita olukorda SNF ja jäätmekäitlustööde maksumusega. Kuna aga uraanimaagi varud on ammendunud, võivad avatud kütusetsükli toimimise kulud, vastupidiselt suletud tsüklile, tõusta. Sellegipoolest soovitavad eksperdid suletud tsükli kasutamisega seotud ettearvamatute riskide vältimiseks valitsustel ja tuumaenergiatööstuse juhtidel jätkata avatud tsükli kasutamist suletud tsükli asemel suletud tsükli kõrge hinna tõttu. SNF ümbertöötlemise protsess ja arendused uute termotuuma- ehk kiirneutronreaktorite vallas. Aruande autorid soovitavad tungivalt suunata kütusetsükli uurimis- ja arendustegevust selliste tehnoloogiate väljatöötamisele, mis tavatöös, st tuumaenergia rahumeelse kasutamise korral ei tooks kaasa relvade jaoks kasutatavate materjalide, sealhulgas uraani, lõhustuvate materjalide tootmist. materjalid (nt plutoonium) ja väikesed aktiniidid. Praegu Lääne-Euroopas ja Jaapanis rakendatavad suletud kütusetsükli tavad sellele kriteeriumile ei vasta, öeldakse raportis. Seetõttu peaksid selle autorid ütlema, et kütusetsükli analüüs, teadusuuringud, arendus ja katsetamine peaksid sisaldama selget hinnangut võimaliku tuumarelva leviku ohu kohta ja selle riski minimeerimiseks vajalikke meetmeid. Kui aga kõige tõenäolisem tuumaenergeetika tulevikuprognoos on avatud kütusetsüklil põhineva tuumatööstuse globaalne kasv, siis tuleks raporti koostajate sõnul sõlmida kasutatud tuumkütuse ladustamise rahvusvahelised lepingud. järgmise kümne aasta jooksul, mis peaks oluliselt vähendama potentsiaalset tuumarelva leviku ohtu.

Tulevases suuremahulises tuumaenergiatööstuses tuumareaktsioonide tsooni kiiretel neutronitel ei peaks toimuma mitte ainult aktiniidide lõhustumine, vaid ka toores tuumkütusest uraan-238 tootma plutooniumi isotoope, mis on suurepärane tuumakütus. välja. Kui paljunemiskordaja on üle 1, võib väljasaadetavast tuumkütusest saada rohkem plutooniumi, kui see ära põles. Kiiretest tuumareaktoritest mahalaaditud tuumakütus peab minema radiokeemiatehasesse, kus see eemaldatakse neutroneid neelavatest lõhustumisproduktidest. Seejärel laaditakse kütus, mis koosneb uraanist238 ja aktiniididest (Pu, Np, Cm, Am), millest piisab tuumaahelreaktsiooni läbiviimiseks, koos vaesestatud uraani lisandiga uuesti tuumaelektrijaama südamikku. Kiirneutronite tuumareaktoris võib radiokeemiline töötlemine põletada peaaegu kogu uraan-238.

Raporti koostajate hinnangul hakkavad suuremahulises tuumaenergeetikas domineerima kiirneutronite tuumareaktorid. Nendest reaktoritest mahalaaditav kütus sisaldab suures koguses aktiniidi isotoope (Pu, Np, Cm, Am), seda iseloomustab suur põlemissügavus, mis tähendab, et tuumakütuse massiühiku kohta tekib rohkem lõhustumisprodukte.

Endiselt on vaja luua radiokeemilisi tehnoloogiaid, mis tagavad:

• tuumaohutus, võttes arvesse palju suuremat hulka väikeseid aktiniidid, millel on oma kriitiline mass;
• lõhustumisproduktide sügavpuhastus aktiniididest, et mitte tekitada raskusi nende ladustamisel, matmisel ja transmutatsioonil;
• tehnoloogiliste jäätmete massi maksimaalne vähendamine;
• joodi, triitiumi, krüptoni, radioaktiivsete aerosoolide radiokeemilisel töötlemisel tekkivate gaaside parem puhastamine;
• käitava personali kiirgusohutus;
• rahvamajandusele vajalike keemiliste elementide, näiteks puhta α-allika saamine;
• tuumareaktsioonide tsoonis paiknevate väärtuslikest metallidest (Ni, Cr, Nb, Mo. Ti, W, V) koosnevate materjalide mitmekordse kasutamise võimalus, mis on omandanud indutseeritud aktiivsuse;
• majanduslikult elujõuline radiokeemiline töötlemine, mis on konkurentsivõimeline võrreldes loodusliku uraani kaevandamisega tulevikuenergia saamiseks.

Praegu hoitakse jaama "märjas" nelja Venemaa tuumaelektrijaama (Novo-Voronež, Balakovo, Kalinin, Rostov), ​​kolme Ukraina (Lõuna-Ukraina, Hmelnitski, Rovno) ja Kozloduy tuumaelektrijaama (Bulgaaria) kasutatud tuumkütust. Kasutatud tuumkütuse regenereerimiseks mõeldud hoidla RT-2 Föderaalse Riigi Ühtse Ettevõtte GCC territooriumil, Zheleznogorsk (Venemaa). Hoidla on projekti kohaselt projekteeritud 6000 tonnile, see on ette nähtud tihendamiseks võimalusega paigutada 8600 tonni PST. Kiiritatud kütusesõlmed (SFA) hoitakse sõlme kohal vähemalt 2,5 meetri kõrguse veekihi all, mis tagab töötajate usaldusväärse kaitse igasuguse radioaktiivse kokkupuute eest. Pärast kasutatud tuumkütuse hoidmist märghoidlas paigutatakse see kuiva SNF hoidlasse (KhOT-2) kogumahuga 38 000 tonni (millest 27 000 tonni on RBMK-1000 kasutatud tuumkütuse hoidmiseks reaktorites, 11 000 tonni on VVER-1000 reaktorite kasutatud tuumkütuse jaoks), ehitus, mis on jaamas praegu täies hoos ja esimene etapp läheb käiku 2009. aasta detsembris. Hoidlakompleks KhOT-2 tagab reaktorite RBMK-1000 ja VVER-1000 kasutatud tuumkütuse ohutu pikaajalise ladustamise ning selle edasise üleandmise radiokeemiliseks töötlemiseks või maa-aluseks isoleerimiseks. XOT-2 varustatakse kaasaegsete kiirgus- ja tuumaohutuse juhtimissüsteemidega.

Miks uraan?

Inimkond on end kätest ja jalgadest elektrijuhtmetega sidunud. Kodumasinad, tööstusseadmed, tänavavalgustus, trollibussid, metrood, elektrirongid – kõik need tsivilisatsiooni eelised saavad toite elektrivõrgust; need muutuvad mõttetuks "rauatükkideks", kui vool mingil põhjusel ebaõnnestub. Inimesed on aga juba nii harjunud toiteallika püsivusega, et igasugune väljalülitamine tekitab rahulolematust ja isegi ebamugavust. Ja tõesti, mida peaks inimene tegema, kui korraga kustusid kõik seadmed, ka kõige armsamad - teler, arvuti ja külmkapp? Eriti raske on "lahutust" taluda õhtuti, kui nii väga tahad pärast tööd või õppimist, nagu öeldakse, päevavalgust pikendada. Kas päästab tahvelarvuti või telefon, aga lõppude lõpuks on neil ka laeng, mis pole igavene. Veelgi hullem on sattuda "vangikongi", kuhu võib elektrikatkestuse käsul sisse keerata liftikabiin või metroovagun.

Milleks kogu see jutt? Ja sellele, et "elektrifitseeritud" inimkond vajab stabiilseid ja võimsaid energiaallikaid – ennekõike elektrit. Selle nappuse tõttu muutuvad elektrikatkestused tüütult sagedaseks ja elatustase langeb. Ebameeldiva stsenaariumi reaalsuseks muutumise vältimiseks on vaja ehitada üha uusi elektrijaamu: globaalne energiatarbimine kasvab ja olemasolevad jõuallikad vananevad järk-järgult.

Mida saab aga probleemi lahendamiseks pakkuda kaasaegne energia, mis põletab peamiselt kivisütt ja gaasi? Muidugi uued gaasipaigaldised, mis hävitavad väärtuslikku keemilise tooraine või söeplokke, mis suitsevad taevast. Muide, soojuselektrijaamade heitkogused on üldtuntud keskkonnaprobleem, kuid ka fossiilkütuseid kaevandavad ettevõtted kahjustavad keskkonda. Kuid selle tarbimine on tohutu. Näiteks tavalise külmiku töö tagamiseks aasta jooksul on vaja põletada umbes sada kilogrammi kivisütt või sadu kuupmeetreid maagaasi. Ja see on vaid üks kodumasin, mida on palju.

Muide, kui palju on vaja tuumakütust, et nimetatud külmik terve aasta töötaks? Raske uskuda, aga ... ainult üks gramm!

Rikastatud uraanist valmistatud tuumkütuse kolossaalne energiamahukus teeb sellest söe ja gaasi väärilise konkurendi. Tegelikult tarbib tuumaelektrijaam sada tuhat korda vähem kütust kui soojuselektrijaam. See tähendab, et uraani kaevandamine toimub palju väiksemas mahus, mis on keskkonna seisukohalt oluline. Lisaks puuduvad kasvuhoonegaaside ja mürgiste gaaside heitkogused.

Tuhande megavatise võimsusega tuumajaama jõuplokk kulutab aastas vaid kolmkümmend tonni tuumakütust ja sama võimsusega soojusjaam vajab umbes kolm miljonit tonni kivisütt ehk kolm miljardit kuupmeetrit tuumakütust. gaas. Teisisõnu, sama koguse elektri saamiseks vajate kas mitut vagunit tuumakütusega aastas või mitut kivisöega rongi ... päevas.

Kuidas on lood taastuvate energiaallikatega? Need on muidugi head, aga vajavad veel täiustamist. Võtke näiteks jaama poolt hõivatud ala. Tuulikute ja päikesepaneelide puhul on see kaks suurusjärku suurem kui tavalistel elektrijaamadel. Näiteks kui tuumaelektrijaam (TEJ) mahub paari ruutkilomeetri suurusele alale, siis sama võimsusega tuulepark või päikeseväli võtab enda alla mitusada ruutkilomeetrit. Lihtsamalt öeldes on pindalade suhe nagu väikese küla ja väga suure linna oma. Kõrbes ei pruugi see näitaja olla oluline, aga põllumajanduse või metsanduse tsoonis – kasvõi kuidas.

Olgu mainitud, et tuumkütus on alati töövalmis, olenemata aastaajast, päevast või ilmakaadritest, samas kui päike öösel ei paista ja tuul puhub siis, kui tahab. Veelgi enam, mõnes piirkonnas ei ole taastuvenergia vähese päikeseenergia voo või madala keskmise tuulekiiruse tõttu üldse tulus. Tuumaelektrijaamade puhul selliseid probleeme lihtsalt ei ole.

Need tuumaenergia eelised määrasid uraani kui tuumakütuse silmapaistva rolli tänapäeva tsivilisatsioonis.

Kes kui palju sai?

Ühes vanas nõukogude multikas lahendasid loomad tähtsa ülesande – nad jagasid apelsini. Selle tulemusena anti kõigile, välja arvatud hunt, maitsev mahlane viil; hall pidi koorega rahul olema. Teisisõnu, ta ei saanud väärtuslikku ressurssi. Sellest vaatenurgast on huvitav teada, kuidas on lood uraaniga: kas kõigil maailma riikidel on oma varud või on need ilma jäänud?

Tegelikult on Maal palju uraani ja seda metalli võib leida peaaegu kõikjal: meie planeedi maakoores, ookeanides, isegi inimkehas. Probleem seisneb selle "hajutamises", "määrdumises" üle maa kivimite, mille tulemuseks on madal uraani kontsentratsioon, mis on enamasti ebapiisav majanduslikult tasuva tööstusliku tootmise korraldamiseks. Mõnes kohas leidub aga suure uraanisisaldusega akumuleeruvaid ladestusi. Need on vastavalt jaotunud ebaühtlaselt ja uraanivarud on riigiti erinevad. Enamik selle elemendi maardlaid "ujusid minema" koos Austraaliaga; lisaks vedas Kasahstan, Venemaa, Kanada ja Lõuna-Aafrika riigid. See pilt ei ole aga külmunud, asjade seis muutub pidevalt seoses uute maardlate uurimisega ja vanade ammendumisega.

Uuritud uraanivarude jaotus riikide kaupa (varude puhul koos tootmiskuludega< $130/кг)

Maailma ookeani vetes on lahustunud tohutul hulgal uraani: üle nelja miljardi tonni. Tundub, et ideaalne "deposiit" - ma ei taha kaevandada. Teadlased on 1980. aastatel välja töötanud spetsiaalsed sorbendid uraani ekstraheerimiseks mereveest. Miks seda suurepärast meetodit üldiselt ei rakendata? Probleem on selles, et metalli kontsentratsioon on liiga madal: tonnist veest saab eraldada vaid umbes kolm milligrammi! On selge, et selline uraan läheb liiga kalliks. Hinnanguliselt maksab kilogramm paar tuhat dollarit, mis on palju kallim kui "maa" vaste. Kuid teadlased ei ärritu ja leiutavad üha tõhusamaid sorbente. Nii et võib-olla muutub see ekstraheerimismeetod lähitulevikus konkurentsivõimeliseks.

Praeguseks on uuritud uraanivarude koguarv, mille tootmismaksumus jääb alla 130 dollari kilogrammi kohta, üle 5,9 miljoni tonni. Kas seda on palju? Täiesti piisav: kui tuumajaamade koguvõimsus jääb praegusele tasemele, siis uraani jätkub sajaks aastaks. Võrdluseks – tõestatud nafta- ja gaasivarud võivad ammenduda vaid kolmekümne kuni kuuekümne aastaga.

Kümme riiki oma territooriumil olevate uraanivarude poolest (kaevandamise maksumusega varude osas< $130/кг)

Siiski ei tasu unustada, et prognooside kohaselt tuumaenergiatööstus areneb, mistõttu tasub nüüd mõelda, kuidas oma ressursibaasi laiendada.

Üks probleemi lahendamise viise on uute maardlate õigeaegne leidmine ja arendamine. Olemasoleva teabe põhjal ei tohiks see probleem olla: alles viimastel aastatel on leitud uusi maardlaid mõnest Aafrika, Lõuna-Ameerika ja ka Rootsi riigist. Tõsi, on võimatu kindlalt öelda, kui tulus on avastatud varude kaevandamine. Võib juhtuda, et maagi madala uraanisisalduse ja maardlate arendamise keerukuse tõttu tuleb osa neist jätta "hiljemaks". Fakt on see, et selle metalli hinnad on praegu üsna madalad. Majanduslikust seisukohast pole midagi üllatavat. Esiteks on maailmas endiselt suhteliselt hõlpsasti kaevandatava ja seega ka odava uraani maardlaid - see siseneb turule ja lööb hinna alla. Teiseks korrigeerisid mõned riigid pärast Fukushima õnnetust oma plaane uute tuumaelektrijaamade ehitamiseks ning Jaapan peatas üldse kõik oma tuumajaamad – nõudlus langes, vähendades uraani hinda veelgi. Kuid see pole kauaks. Hiina ja India on juba mängu astunud, kavandades oma territooriumile suuremahulist tuumaelektrijaamade ehitamist. Teistel Aasia riikidel, aga ka Aafrika ja Lõuna-Ameerika riikidel on vähem ambitsioonikad projektid. Ilmselt ei saa isegi Jaapan oma tuumaenergiatööstusest lahku minna. Seetõttu taastub nõudlus järk-järgult ja koos odavate maardlate ammendumisega toob see kaasa uraani hinna tõusu. Analüütikud usuvad, et ootamine pole pikk, vaid paar aastat. Siis saab mõelda "hiljemaks" jäetud hoiuste arengule.

Huvitav on see, et suurima uraanivaru ja kõige arenenuma tuumaenergiatööstusega riikide nimekirjad praktiliselt ei lange kokku. Kolmandik maailma uraani "rikkusest" asub Austraalia sisikonnas, kuid rohelisel mandril pole ühtegi tuumaelektrijaama. Selle metalli tootmises maailmas juhtiv Kasahstan valmistub just mitme tuumaelektrijaama ehitamiseks. Aafrika riigid ei ole majanduslikel ja muudel põhjustel kaugel ühinemisest maailma "tuumaperekonnaga". Selle kontinendi ainus tuumajaam asub Lõuna-Aafrika Vabariigis, mis teatas hiljuti oma soovist tuumaenergiat edasi arendada. Seni on aga isegi Lõuna-Aafrika Vabariik aja maha võtnud.

Mida jäävad tegema kannul edenevad "aatomi" hiiglased - USA, Prantsusmaa, Jaapan - ning Hiina ja India, kui nende vajadused on suured ja kass on nutnud oma varude pärast? Muidugi proovige saada kontrolli teiste riikide maardlate ja uraanikaevandusettevõtete üle. See ülesanne on strateegilist laadi ja selle lahendamisel astuvad riigid rasketesse lahingutesse. Ostetakse üles suuri ettevõtteid, tehakse poliitilisi manöövreid, viiakse ellu põrandaaluseid skeeme õigete inimeste altkäemaksu või kohtusõdadega. Aafrikas võib see võitlus isegi eskaleeruda – ja juba eskaleerudes – kodusõdadeks ja revolutsioonideks, mida varjatult toetavad juhtivad riigid, kes püüavad mõjutsoone ümber jaotada.

Selles osas on Venemaal vedanud: meie tuumaelektrijaamadel on oma üsna korralikud uraanivarud, mida kaevandatakse Trans-Baikali territooriumil, Kurgani oblastis ja Burjaatia Vabariigis. Lisaks korraldatakse aktiivset uurimistööd. Eeldatakse, et Transbaikali piirkonna, Lääne-Siberi, Karjala Vabariigi, Kalmõkkia Vabariigi ja Rostovi oblasti maardlate potentsiaal on suur.

Lisaks omab Rosatomit ka välisvarasid - suuri aktsiaplokke uraanikaevandusettevõtetes Kasahstanis, USA-s, Austraalias ning töötab ka paljutõotavate projektidega Lõuna-Aafrikas. Selle tulemusel hoiab Rosatom maailma juhtivate uraani tootmisega tegelevate ettevõtete seas Kazatompromi (Kasahstan) ja Cameco (Kanada) järel kindlalt kolmandat kohta.

Uurides meteoriitide keemilist koostist, millest osa on Marsi päritolu, on teadlased avastanud uraani. Tõsi, selle sisaldus osutus oluliselt väiksemaks kui maapealsetes kivimites. Jah, nüüd on selge, miks marslased meid oma lendavate taldrikutega külastasid.

Aga kui tõsiselt rääkida, siis arvatakse, et uraani leidub kõigis päikesesüsteemi objektides. Näiteks 2009. aastal avastati see Kuu pinnasest. Kohe tekkisid fantastilised ideed, nagu uraani kaevandamine satelliidil ja seejärel Maale saatmine. Teine võimalus on "toita" Kuu kolooniate reaktoreid, mis asuvad maardlate lähedal. Maardlaid pole aga veel otsitud; ja majanduslikust vaatenurgast tundub selline tootmine endiselt realiseerimata. Aga edaspidi, kes teab...

Kui kannatate pikka aega, läheb kütus välja

Uraanimaagi varude olemasolu on vaid üks edu komponent. Erinevalt puidust või kivisöest, mis ei vaja enne ahju sisenemist eriti keerukat ettevalmistust, ei saa maaki lihtsalt tükkideks lõigata ja reaktorisse visata. Selgitamaks, miks, on vaja mainida mitmeid uraanile omaseid omadusi.

Keemilisest seisukohast on see element väga aktiivne ehk teisisõnu kaldub moodustama erinevaid ühendeid; seetõttu on selle tükikeste otsimine loodusest nagu kulda täiesti lootusetu äri. Mida siis nimetatakse uraanimaagiks? Kivim, mis sisaldab väga väikeses koguses uraani mineraale. Tihti lisatakse: väike, kuid piisav, et kommertstoodang saaks majandusteadlaste heakskiidu. Näiteks tänapäeval peetakse otstarbekaks arendada maaki, mille tonn sisaldab vaid paar kilogrammi või isegi sadu gramme uraani. Ülejäänud on tühi, mittevajalik kivim, millest kavatsetakse eraldada uraani mineraalid. Kuid isegi neid ei saa veel tuumareaktorisse laadida. Fakt on see, et need mineraalid on enamasti uraani oksiidid või lahustumatud soolad teiste elementide seltsis. Mõned neist võivad olla tööstusele väärtuslikud ja nendega seotud tootmise korraldamine võib parandada majandustulemusi. Kuid isegi kui sellist vajadust pole, tuleb uraan ikkagi lisanditest puhastada. Vastasel juhul võib "määrdunud" uraanist valmistatud tuumkütus põhjustada reaktori talitlushäireid või isegi õnnetuse.

Puhastatud uraani ei saa aga täie kindlusega nimetada tuumakütuseks. Konks peitub selle isotoopkoostises: tuhande uraani aatomi kohta looduses on ainult seitse uraan-235 aatomit, mis on vajalik lõhustumise ahelreaktsiooni toimumiseks. Ülejäänud on uraan-238, mis praktiliselt ei lõhustu ja neelab isegi neutroneid. Loodusliku uraani reaktorit on aga täiesti võimalik käivitada – eeldusel, et kasutatakse väga tõhusat moderaatorit, näiteks kallist rasket vett või puhtaimat grafiiti. Ainult need lasevad uraan-235 tuuma lõhustumisel tekkinud neutronitel nii kiiresti aeglustada, et neil oleks aega sattuda teistesse uraan-235 tuumadesse ja põhjustada nende lõhustumist ning mitte jääda uraan-238 poolt ebatavaliselt kinni. Kuid mitmel põhjusel kasutab valdav enamus maailma reaktoreid teistsugust lähenemist: looduslik uraan on rikastatud lõhustuvate isotoopidega. Teisisõnu suurendatakse uraan-235 aatomite sisaldust kunstlikult seitsmelt kuni mitmekümneni tuhandeni. Seetõttu põrkuvad neutronid neisse sagedamini ja on võimalik kasutada odavamaid, ehkki vähem tõhusaid aeglustajaid, näiteks tavalist vett.

Kas rikastatud uraan on juba lõpptoode? Jällegi ei, kuna jõureaktorid võimaldavad "tuuma" soojuse ülekandmist jahutusvedelikule, mis vannib kütust - enamasti vett. Lõhustumisproduktide kuhjumise tõttu muutub kütus – nagu see on töötavas reaktoris – väga radioaktiivseks. Mitte mingil juhul ei tohi sellel vees lahustuda. Selleks viiakse uraan keemiliselt stabiilsesse olekusse ja isoleeritakse ka jahutusvedelikust, kattes selle metallkestaga. Tulemuseks on rikastatud uraaniühendeid sisaldav keerukas tehniline seade, mida võib täie kindlusega nimetada tuumakütuseks.

Mainitud toimingud – uraani kaevandamine, selle puhastamine ja rikastamine, aga ka tuumkütuse valmistamine – on nn tuumkütuse tsükli algusfaasid. Igaühega neist on vaja lähemalt tutvuda.

Uraan-238 poolestusaeg on 4,5 miljardit aastat, uraan-235 oma aga vaid 700 miljonit aastat. Selgub, et lõhustuv isotoop laguneb mitu korda kiiremini kui peamine. Kui järele mõelda, tähendab see, et varem oli uraan-235 sisaldus looduslikus isotoopide segus suurem kui praegu. Näiteks miljard aastat tagasi oli tuhandest uraani aatomist kuueteistkümnel 235 nukleoniga tuum, kaks miljardit aastat tagasi oli nende arv kolmkümmend seitse ja kolm miljardit aastat enne tänast koguni kaheksakümmend! Tegelikult sisaldas maak neil kaugetel aegadel uraani, mida tänapäeval nimetame rikastatuks. Ja võib juhtuda, et mõnes valdkonnas hakkab looduslik tuumareaktor iseenesest tööle!

Teadlased usuvad, et just nii juhtus mitme Oklo maardla ülirikka uraani leiukohaga, mis asuvad tänapäeva Gaboni territooriumil. 1,8 miljardit aastat tagasi algas neis spontaanselt tuumaahelreaktsioon. Selle käivitasid iseenesliku lõhustumise käigus tekkinud neutronid ja seejärel töötas uraan-235 kõrge kontsentratsioon ja maagis sisalduv vesi, neutronite aeglusti. Ühesõnaga, reaktsioon muutus isemajandavaks ja kestis, nüüd aktiveerudes, nüüd vaibudes, mitusada tuhat aastat. Seejärel kustusid reaktorid ilmselt veerežiimi muutumise tõttu.

Praeguseks on see ainus teadaolev looduslik tuumareaktor. Pealegi ei saa praegu ühestki valdkonnast sellised protsessid alata. Põhjus on täiesti arusaadav – uraan-235 on alles liiga vähe.

Proovige kaevata

Uraanimaagid tulevad pinnale harva. Enamasti asuvad nad viiekümne meetri kuni kahe kilomeetri sügavusel.

Madalad maardlad tekivad lahtise kaevandiga või, nagu seda nimetatakse ka, karjäärimeetodil. Kõvad kivimid puuritakse ja lõhkatakse ning seejärel laadurite abil paigutatakse need kallurautodesse ja viiakse karjäärist välja. Lahtised kivimid töötatakse välja ja laaditakse kaevandusautodesse tavaliste või rootorekskavaatorite abil, laialdaselt kasutatakse buldoosereid. Selle tehnika võimsus ja suurus on hämmastav: näiteks juba mainitud kallurautode kandevõime on sada ja enam tonni! Paraku on suur ka karjääri enda mastaap, mille sügavus võib ulatuda kolmesaja meetrini. Pärast töö lõpetamist haigutab see maapinnas tohutu auguna ja selle kõrval kõrguvad uraanimaardlaid katnud kivihunnikud. Põhimõtteliselt saab nende puistangutega katta karjääri, istutades peale muru ja puid; aga see läheb meeletult kalliks. Seetõttu täituvad süvendid järk-järgult veega, tekivad järved, mida ei saa vees suurenenud uraanisisalduse tõttu majanduslikult kasutada. Probleeme võib olla ka põhjavee reostusega, mistõttu vajavad uraanikarjäärid erilist tähelepanu.

Uraani avakaevandamine on aga järk-järgult minevikku saamas täiesti banaalsel põhjusel – maapinnalähedased maardlad on peaaegu lõppemas. Nüüd peame tegelema sügavalt peidetud maakidega. Traditsiooniliselt töötatakse need välja maa-aluse (kaevanduse) meetodil. Ärge lihtsalt kujutage ette, et kirkadega karmid habemega mehed roomavad läbi töökohtade ja hakivad maaki. Nüüd on kaevurite töö suures osas mehhaniseeritud. Uraani sisaldavasse kivimisse puuritakse augud – spetsiaalsed sügavad augud, millesse asetatakse lõhkeained. Pärast plahvatust viiakse purustatud maak vahukulbiga laadimis- ja veomasinasse ning jookseb mööda käänulisi kitsaid galeriisid kärudele. Täidetud kärud viiakse väikese elektriveduriga kaevanduse vertikaalsesse šahti ja seejärel tõstetakse puuri - omamoodi lifti - abil maak pinnale.

Allmaakaevandamisel on mitmeid funktsioone. Esiteks võib see olla kasulik ainult kõrgekvaliteediliste ja kõrge uraanisisaldusega maakide puhul, mida ei leidu sügavamal kui kaks kilomeetrit. Vastasel juhul muudavad maagi kaevandamise, kaevandamise ja edasise töötlemise kulud uraani praktiliselt kullaks. Teiseks on uraanikaevanduste maa-alune valdkond suletud ruum, kus hõljub radioaktiivne tolm ja mitte vähem radioaktiivne radoonigaas. Seetõttu ei saa kaevurid hakkama ilma võimsa ventilatsioonita ja spetsiaalsete kaitsevahenditeta, nagu respiraatorid.

Nii avakaevandamisel kui ka kaevanduses kaevandatakse maaki üsna suurte tükkidena. Ekskavaatori kopa või laadimismasinaga neid üles kühveldades ei tea operaator, kas ta valib uraani mineraalide rikka maagi või aheraine või midagi vahepealset. Lõppude lõpuks ei ole hoius oma koostiselt väga homogeenne ning võimsate masinate kasutamine ei võimalda peenelt ja graatsiliselt töötada. Kuid uraani peaaegu mitte sisaldavate tükkide saatmine edasiseks töötlemiseks on vähemalt ebamõistlik! Seetõttu sorteeritakse maak, kasutades uraani peamist omadust, mille abil seda pole raske tuvastada - radioaktiivsust. Spetsiaalsed ioniseeriva kiirguse andurid võimaldavad nii laadimise ajal kui ka juba transpordipaagis maaki jagada mitmeks klassiks vastavalt sellest eralduva kiirguse intensiivsusele. Jäätmed suunatakse prügimäele. Rikkalik maak - hüdrometallurgiatehasesse. Kuid väikese, kuid märgatava uraanikogusega maak sorteeritakse uuesti, hoolikamalt. Esiteks purustatakse, jagatakse suuruse järgi, misjärel tükid visatakse liikuvale konveierilindile. Selle kohale on paigaldatud ioniseeriva kiirguse andur, mille signaal siseneb lindi lõpus asuvate aknaluukide automaatjuhtimissüsteemi. Andur on seadistatud nii, et see reageerib selle alt läbitavale radioaktiivsele maagitükile, mis sisaldab uraani mineraale. Seejärel pöördub katik ja maak kukub spetsiaalsesse maagipunkrisse, kust see veetakse hüdrometallurgiatehasesse. Jääkkivi omakorda ei "häiri" kuidagi andurit ja siibrit ning kukub teise kasti - prügimäele.

Maagi radiomeetrilise sorteerimise lihtsustatud skeem (kaasaegsed kompleksid on palju keerulisemad)

Kirjeldatud skeem on ligikaudne, põhimõtteline: miski ei takista ettevõtetes maagi sorteerimist muude tuntud meetoditega. Praktika on aga näidanud, et uraanimaakide jaoks sobivad need halvasti. Seetõttu sai radiomeetriline sorteerimine – kiirgusdetektoritega – järk-järgult peavoolutehnoloogiaks.

Tegelikkuses eristatakse maagi sorteerimisel ka teatud keskmist kategooriat, mida uraanisisalduse poolest ei saa omistada ei rikkale maagile ega aherainele. Ehk siis hüdrometallurgia tehasesse saatmine on kallis (aja ja reaktiivide raiskamine) ning kahju on prügimäele saata. Selline kehv maak kuhjatakse suurtesse hunnikutesse ja valatakse vabas õhus väävelhappega, lahustades järk-järgult uraani. Saadud lahus pumbatakse edasiseks töötlemiseks.

Hüdrometallurgiatehases tuleb rikkalikku maaki veelgi purustada, peaaegu tolmuseks, ja seejärel lahustada.

Maaki purustatakse erinevates veskites – näiteks trummelkuulveskites: purustatud materjal ja metallkuulid, näiteks kahurikuule, valatakse pöörlevasse õõnsasse trumlisse. Pöörlemise ajal tabavad pallid maagi tükke, neid jahvatades ja pulbriks jahvatades.

Purustatud maak "avatakse", st osaliselt lahustatakse väävel- või lämmastikhappega või nende seguga töötlemisel. Tulemuseks on palju lisandeid sisaldav uraanilahus. Mõnikord, kui uraanimaagis on palju looduslikke karbonaate, hapet ei kasutata. Vastasel juhul tekib reaktsioon, mis meenutab äädika abil kustutamist - süsinikdioksiidi intensiivse vabanemisega ja reaktiiv läheb raisku. Kuidas olla? Selgub, et selliseid mineraale saab "avada" soodalahusega. Selle tulemusena saadakse ka uraani lahus, mis läheb edasiseks töötlemiseks.

Kuid lahustumata maagi jäänused tuleb saata spetsiaalsetesse rikastusjäätmetesse - mitte kõige "sõbralikumatesse" objektidesse keskkonna suhtes. Sorteerimisel eraldatud aheraine tasub meelde tuletada: see pannakse prügimäele. Nii jäätmed kui ka puistangud sisaldavad väikeses koguses uraani, mis muudab need potentsiaalselt ohtlikuks. Sellega seoses tekib küsimus: kas kaevandamist on võimalik korraldada nii, et see kahjustaks loodust minimaalselt ja tagaks töötajate ohutuse?

See on võimalik ja seda on juba pikka aega praktiseeritud. Kõnealust kaevandamismeetodit nimetatakse kaevu kohapealseks leostamiseks. Selle olemus seisneb selles, et maardla on paljude kaevude poolt läbistatud. Mõned neist, mida nimetatakse pumpamiseks, toidetakse väävelhappega, mis laskub sügavusele, läbib maagi ja lahustab uraani. Seejärel võetakse väärtuslik metallilahus sügavusest teiste pumpamiskaevude kaudu.

Mis juhtub: ei prügimägesid, aherainet, tolmu, auke ega ootamatuid vajutusi maasse, aga lõpuks – seesama uraanilahus? Jah. Veelgi enam, puuraukude allmaaleostumise meetodil tekivad väga kehvad maagid, mida on majanduslikult kahjumlik kaevandada lahtise või kaevandusmeetodiga. Kuid sellise eeliste komplekti puhul peab olema ka puudusi! No esiteks, üle kaheksasaja meetri sügavamate kaevude puurimine on kulude seisukohalt irratsionaalne. Teiseks ei tööta meetod tihedate, mittepoorsete maakide puhul. Kolmandaks häirib väävelhape endiselt põhjavee koostist ja käitumist maardlas, kuigi need häired "lahenevad" aja jooksul iseenesest. Palju ohtlikum on see, kui lahus valgub üle pinna või tungib ringteel - mööda pragusid ja pragusid - põhjavette. Seetõttu jälgitakse protsessi hoolikalt kontrollkaevude puurimisega.

Puurkaevu kohapealne leostumine

Nimetatud probleemide vältimiseks leiutati maa-aluse leostumise “kaevanduslik” versioon: tehases olevad maakiviplokid purustatakse plahvatustega ja valatakse seejärel ülevalt leostuslahusega (väävelhape), võttes uraanilahuse altpoolt - drenaažisüsteemi kaudu.

Igal juhul on tänapäeval maa-alune leostumine kõige keskkonnasõbralikum viis uraani eraldamiseks. See on üks selle populaarsuse plahvatusliku kasvu põhjusi. Kui 2000. aastal kaevandati ainult viisteist protsenti uraanist maa-aluse leostumise teel, siis tänapäeval on see näitaja peaaegu viiskümmend protsenti!

In situ leostumisest saab juhtiv uraani kaevandamise tehnoloogia

Tavaliselt otsitakse uraanimaardlaid ioniseeriva kiirguse andurite abil; täpsemalt gammakiirgus. Esiteks lendab piirkonna kohal selliste anduritega varustatud lennuk. Tema võimuses on fikseerida kiirgusanomaalia – veidi suurenenud foon välja kohal. Seejärel käivitatakse ärisse helikopter, mis aeglasemalt ja täpsemalt „joonistab“ perspektiivse piirkonna piire. Lõpuks tulevad sellele territooriumile maaotsijad mõõteriistade ja puuridega. Nende töö tulemuste põhjal koostatakse uraanimaakide esinemise kaart ja arvutatakse välja kaevandamise maksumus.

Uraanimaagi maardlad võivad aga endast märku anda ka muul viisil. Näiteks nende kohal kasvavate taimede välimust muutes: pajuürdi kroonlehed, tavaliselt roosad, muutuvad valgeks; mustikad muutuvad roheliseks või valgeks. Maardla kohal kasvava kadaka sügavad juured imavad uraani hästi ning see koguneb okstesse ja okastesse. Neid tuhaks muutes ja uraanisisaldust kontrollides saab aru, kas selles piirkonnas tasub kaevandada tuumaenergia põhimetalli.

Puhtus on tervise võti (tuumareaktor)

Maagi "avamisel" või maa-aluse leostumise käigus saadud uraanilahus ei ole kuigi puhas. Teisisõnu sisaldab see lisaks uraanile hunnikut maapõues leiduvaid keemilisi elemente: naatriumi ja kaaliumi, kaltsiumi ja magneesiumi, rauda, ​​niklit ja vaske – ja paljusid teisi. Ärge imestage sellise paksu "kompoti" moodustumisega, sest väävelhape on väga reaktsioonivõimeline ja lahustab paljusid looduslikke aineid; hea, et kogu maak ei ole terve. Kuid tuumkütuse tootmiseks on vaja puhtaimat uraani. Kui uraani aatomite hulgas on siin-seal lisandite aatomeid, ei pruugi reaktor käivituda või, mis veelgi hullem, laguneda. Selliste probleemide põhjusi arutatakse peagi, kuid praegu saate määrata ülesande: uraani puhastamine. Ja see on soovitav saada ka kindlal kujul, mis on mugav transportida. Tõepoolest, lahendused ei sobi transportimiseks: neile “meeldib” liiga palju lekkida või läbi imbuda.

Tööstuses lahendatakse see probleem mitmel viisil. Esiteks kontsentreeritakse lahus spetsiaalsete materjalide, mis koguvad enda peale uraani - sorbente, läbimise teel. Ilmub esimene puhastusvõimalus: sorbendid valitakse nii, et muud elemendid peaaegu ei "istuks" neile, vaid jääksid lahusesse. Seejärel pestakse uraan sorbendist maha näiteks sama väävelhappega. See protseduur võib tunduda mõttetu, kui te ei selgita, et "loputamiseks" on vaja palju vähem hapet võrreldes esialgse lahuse mahuga. Nii tapavad nad kaks kärbest ühe hoobiga: suurendavad uraani kontsentratsiooni ja eemaldavad osaliselt ebavajalikud lisandid.

Teine puhastamise etapp on seotud tahkete uraaniühendite tootmisega. Need sadestatakse kontsentreeritud lahusest, lisades tuntud "meditsiinilisi" reaktiive: ammoniaaki, vesinikperoksiidi, aga ka leeliseid või karbonaate. Tuleb märkida, et uraan ei sadestu metallina; metallilisel kujul ei ole seda üldiselt kerge saada selle kõrge keemilise aktiivsuse tõttu – sellest on juba juttu olnud. Nimetatud regentide toimel vajuvad aparaadi põhja mitmesugused halvasti lahustuvad uraaniühendid. Kuivatatud ja purustatud kujul on tegemist kollase pulbriga, mida oma näilise koogiga sarnasuse tõttu nimetatakse sageli "kollaseks koogiks". Pärast selle kõrgel temperatuuril kaltsineerimist saadakse vähem ilus uraanoksiidide segu - määrdunudroheline või isegi must värv.

Kollast kooki võib saata uraani rikastamisettevõtetele

Kollane kook või uraanoksiidide segu on kiirguse seisukohast praktiliselt ohutu. Seetõttu laaditakse need transportimiseks 200-liitristesse metalltünnidesse või spetsiaalsetesse konteineritesse. Sellisest konteinerist ühe meetri kaugusel viibimine pole pooltki nii “kahjulik” kui lennukiga lendamine, olles kokku puutunud kosmilise kiirgusega. Kuid enamik inimesi ei karda lennata! Nii et kollase koogiga tünne pole põhjust karta.

Uraaniühendite sadestamisel püütakse protsessi läbi viia nii, et suurem osa lisanditest jääks lahusesse. Kuid mõnel õnnestub siiski "läbi murda". Eriti halb on see, kui tootesse satuvad elemendid, mis neelavad tugevalt neutroneid – boor, kaadmium, haruldased muldmetallid. Isegi mikrokontsentratsioonides on nad võimelised segama lõhustumise ahelreaktsiooni. Olles saastunud uraanist kütuse valmistanud, võib kaua imestada, miks reaktor normaalselt töötada ei taha.

Lisaks sisaldavad soovimatud lisandid elemente, mis vähendavad tuumkütuse plastilisust ning põhjustavad selle paisumist ja paisumist temperatuuri tõustes. Nende hulka kuuluvad looduslikult esinev räni ja fosfor, aga ka volfram ja molübdeen. Muide, plastilisust nimetatakse tavaliselt materjali võimeks muuta oma kuju ja suurust ilma kokku kukkumata. See on väga oluline kütuse jaoks, mis selles toimuva tuuma ahelreaktsiooni tõttu seestpoolt kuumeneb ja kogeb seetõttu temperatuurideformatsioone. Kõrge temperatuur ei tohiks põhjustada uraanikütuse liigset paisumist, vastasel juhul lõhub see isolatsiooni ja puutub kokku jahutusvedelikuga. Sellise "suhtluse" tagajärjeks võib olla radioaktiivsete uraani lõhustumisproduktide lahustumine kuumas jahutusvedelikus (enamasti vees) koos nende edasise levimisega läbi kõigi torustike ja aparatuuri. Ilmselt pole vaja seletada, et see ähvardab halvendada kiirgusolukorda jõuplokil: operatiivpersonalile saadavad doosid suurenevad oluliselt.

Nagu öeldakse, on parem olla üleriietatud kui alariietatud. Seetõttu on vajalik ka kolmas – viimane – puhastamise etapp, mida nimetatakse rafineerimiseks. Tünnides või konteinerites tarnitud uraaniühendid lahustatakse happes, nüüd lämmastikhappes. Saadud lahus viiakse kokku ekstraktandiga – vedela orgaanilise ainega, mis neelab uraani, kuid mitte lisandeid. Seega jäävad soovimatud elemendid lahusesse ja uraan läheb "orgaaniliseks". Rea järgnevate toimingute tulemusena viiakse see uuesti oksiididena, millel on juba nõutav "reaktori" puhtus.

Nüüd on kõik korras ja võite jätkata järgmise etapiga - uraan-235 kontsentratsiooni kunstliku suurendamisega.

Rikastumise saladused

Peatüki alguses mainiti juba, et uraani isotoopide looduslikus segus on väga vähe lõhustuvat uraani-235 ja liiga palju "laiska" uraan-238: esimese seitsme aatomi kohta on umbes üheksasada üheksakümmend- kolm aatomit teisest. Enamiku praegu töötavate reaktorite jaoks see ei sobi. Nad vajavad kütust, milles tuhandest uraani aatomist kuulub isotoobi-235 hulka mitukümmend tükki, mitte ainult paar tükki, nagu looduslikus uraanis. Ja pommi loomiseks on peaaegu puhas uraan-235 hädavajalik.

Uraani rikastamise ehk lõhustuva isotoobi sisalduse suurendamise probleemi lahendamine on väga keeruline. Näib, kuidas nii? Lõppude lõpuks on keemias kõige laiem tehnikate kogum ainete eraldamiseks segudest. Tonnist maagist on võimalik "välja noppida" vaid paarsada grammi uraani! Kas tõesti on võimatu teha sama isotoopidega: kuidagi eraldada üks teisest? Probleem on selles, et teatud elemendi kõikide isotoopide keemilised omadused on ühesugused, sest need on määratud elektronide arvuga, mitte tuuma koostisega. Teisisõnu on võimatu läbi viia sellist reaktsiooni, kus näiteks uraan-235 jääks lahusesse ja uraan-238 sadestuks. Mis tahes manipuleerimise korral käituvad nad mõlemad sarnaselt. Samamoodi ei ole võimalik keemiliselt eraldada süsiniku või kaaliumi isotoope - üldiselt ühtegi elementi.

On olemas selline parameeter - rikastusaste, mis on uraan-235 protsent (protsentides) uraani kogumassist. Näiteks loodusliku uraani rikastusaste, milles iga tuhande aatomi kohta on seitse lõhustuvat aatomit, on 0,7%. Tuumaelektrijaamade tuumkütuse puhul tuleb seda näitajat tõsta 3-5%-ni ja aatomipommi täidise tootmisel kuni 90%-ni ja kõrgemale.

Kuidas olla? Tuleb leida sellised omadused, mille poolest isotoobid – vähemalt minimaalselt – üksteisest erineksid. Esimene asi, mis meelde tuleb, on aatomi mass. Tõepoolest, uraan-238 tuumas on kolm neutronit rohkem kui uraan-235 tuumas; nii et "laisk" isotoop kaalub veidi rohkem. Ja kuna mass on inertsi mõõt ja see avaldub liikumises, on uraani rikastamise peamised viisid seotud selle isotoopide liikumise erinevustega spetsiaalselt loodud tingimustes.

Ajalooliselt oli esimene rikastamise tehnoloogia elektromagnetiliste isotoopide eraldamine. Nime järgi on selge, et elektri- ja magnetväljad on mingil moel protsessi kaasatud. Tõepoolest, selle meetodi puhul hajutatakse varem saadud uraaniioonid elektrivälja abil ja suunatakse magnetvälja. Kuna ioonidel on laeng, hakkavad nad magnetväljas "kandma", väänlema teatud raadiusega kaares. Näiteks võime meenutada uraanikiirte jagunemist magnetväljas kolmeks vooluks – efekti avastas Rutherford. Alfa- ja beetaosakesed, millel on elektrilaeng, kalduvad sirgelt teelt kõrvale, gammakiirgus aga mitte. Sel juhul sõltub kaare raadius, mida mööda laetud osake magnetväljas liigub, selle massist: mida rohkem ta kaalub, seda aeglasemalt see pöörleb. Seda võib võrrelda kahe hoolimatu juhi järsu kurvi sisse mahtumisega, kellest üks juhib sõiduautot, teine ​​aga veoautot. Selge on see, et sõiduautol on palju lihtsam manööverdada, samas kui veok võib hästi libiseda. Midagi sarnast juhtub kiiresti liikuvate uraan-235 ja uraan-238 ioonidega magnetväljas. Viimased on veidi raskemad, suurema inertsiga ja nende pöörderaadius on veidi suurem: tänu sellele jaguneb uraaniioonide voog kaheks. Piltlikult öeldes võite panna kaks kasti, millest ühte kogutakse lõhustuv isotoop uraan-235 ja teise - "mittevajalik" uraan-238.

Magnetväljas on laetud osakeste trajektoor kõver ja mida tugevam, seda kergem on osake

Elektromagnetilise isotoopide eraldamise meetodi põhimõte: kergemad uraan-235 ioonid liiguvad magnetväljas piki uraan-238 ioonidega võrreldes väiksema raadiusega trajektoori

Elektromagnetilise eraldamise meetod on hea peaaegu kõigis aspektides, välja arvatud tootlikkus, mis, nagu tavaliselt, piirab selle tööstuslikku rakendamist. Tegelikult suleti seepärast Ameerika tehas Y-12 Oak Ridge'is, mis tootis elektromagnetilise eraldustehnoloogia abil Hiroshimale lastud pommi "Kid" jaoks rikastatud uraani. Tuleks selgitada, et Y-12 viis uraani kõrge rikastamise astmeni, mida varem oli rikastatud muul, produktiivsemal viisil. Nende täiustamine lõi just viimase naela elektromagnetiliste isotoopide eraldamise tehnoloogia kirstu – tööstuses seda enam ei kasutata.

Huvitav on see, et elektromagnetiline eraldamine on universaalne meetod, mis võimaldab eraldada väikeses koguses mis tahes isotoope puhtal kujul. Seetõttu on meie Y-12 analoogil - Plant 418, nüüd tuntud kui Elektrokhimpribori tehas (Lesnoy, Sverdlovski piirkond) - tehnoloogiad neljakümne seitsme keemilise elemendi enam kui kahesaja isotoobi tootmiseks liitiumist pliini. Need pole lihtsalt muljetavaldavad numbrid - tehase tooteid vajavad tõesti teadlased, arstid, töösturid ... Muide, neid toodetakse SU-20 rajatises, samas, kus toodeti rikastamisega relvade kvaliteediga uraani. 1950. aastate alguses ligi 90%.

Esimesed sõjajärgsed aastakümned muutusid tuumarelvade arsenali aktiivse kogumise ajaks. Selle probleemi lahendamisel oli kõrgeim prioriteet, seetõttu ei arvestanud nad eriti kuludega - oluline oli uraani massilise rikastamise käivitamine. Rõhk pandi gaasilisele difusioonile, äärmiselt energiamahukale, kuid samas tootlikule rikastamistehnoloogiale. Selle juured peituvad gaasiteooria valdkonnas, mis väidab, et teatud temperatuuril on gaasimolekuli keskmine kiirus pöördvõrdeline selle massiga: mida raskem see on, seda aeglasemalt see liigub. See erinevus on eriti märgatav liikudes mööda õhukesi "torusid", mille läbimõõt on võrreldav molekuli suurusega. Selge, kuigi mitte täpne näide on paberpaatide vettelaskmine ojas: väike paat, mida veejoas kaasa kannab, liigub kiiresti; aga kui voldid kokku suure ojasängi suuruse paberinõu, siis läheb see aeglasemalt, puudutades pidevalt kaldaid. Tulles tagasi uraani juurde, võib öelda, et 235 nukleoniga tuumas olev sihtisotoop liigub mööda “toru” kiiremini kui uraan-238. Sellest väljumisel saadakse lõhustuva isotoobiga rikastatud gaas. Küsimus on vaid selles, kuidas uraan gaasiks muuta ja kust nii peenikest "toru" saada.

Uraani "gaasistamine" on gaasiteoorial põhineva tehnoloogia kohustuslik nõue. Sa ei saa siia midagi kirjutada. Kuid lõppude lõpuks on kõik uraaniühendid tahked ained, mida on raske sulatada, rääkimata aurustumisest. Kuigi, kui mõelda, siis on üks väga edukas ühend – uraanheksafluoriid, milles uraani ümbritseb kuus fluoriaatomit. See muutub kergesti gaasiks juba 56 ° C juures ja möödub vedelast olekust. Füüsikas nimetatakse sellist protsessi tavaliselt sublimatsiooniks või sublimatsiooniks. See nähtus on juba ammu teada ja selles pole midagi üllatavat. Sublimatsiooni kasutavad näiteks külaperenaised, kes kuivatavad riideid külma käes – jää aurustub kuivas õhus, jättes lihtsalt vedela oleku.

Nii et võite ette kujutada uraanheksafluoriidi molekuli

Selgub, et uraanheksafluoriid on tehnoloogilisest seisukohast väga mugav. Tavalisel temperatuuril on see tahke ja seda saab transportida spetsiaalsetes konteinerites. Madalal temperatuuril muutub see gaasiks. Noh, teatud rõhu all muutub kuumutatud heksafluoriid vedelikuks, mida saab torustike kaudu pumbata.

Veel üks õnnelik asjaolu on see, et looduslik fluor koosneb ainult ühest isotoobist – fluor-19-st. See tähendab, et uraan-235 heksafluoriidi ja uraan-238 heksafluoriidi molekulide masside erinevuse määravad eranditult uraani isotoobid. Vastasel juhul oleks eraldamine liiga raske või isegi võimatu, kuna fluor avaldaks liigset mõju molekulide massile.

Uraanheksafluoriidi tootmine Venemaal toimub muundamise teel - mitmesuguste uraaniühendite, näiteks kollase koogi või uraanikaevandusettevõtetelt saadud oksiidide segu fluorimisega. Molekulaarne fluor saadakse selleks otstarbeks looduslikust fluoriidist. Seda töödeldakse väävelhappega, moodustades vesinikfluoriidhappe (vesinikfluoriidhape), mille elektrolüüsil saadakse fluor.

Huvitav on see, et fluorimine on samaaegselt uraani puhastamise neljas etapp, kuna enamiku kahjulike lisandite fluoriidid ei ole väga lenduvad: uraan heksafluoriidi kujul "lendab" nendest gaasifaasi.

Uraanheksafluoriidil on üks suur puudus: see on agressiivne ja mürgine aine. Esiteks, kui see puutub kokku vee või õhuniiskusega, vabaneb mürgine vesinikfluoriidhape. Teiseks on uraan ise üldine rakuline mürk, mis mõjutab kõiki elundeid. (Huvitaval kombel on selle toksilisus oma olemuselt keemiline ega ole radioaktiivsusega praktiliselt seotud). Seetõttu tuleks uraanheksafluoriidi, mis ühendab korraga kaks ohtu, transportida ja hoida spetsiaalsetes metallkonteinerites ning valvsa järelevalve all. See tagab elanikkonna ja keskkonna turvalisuse.

Niisiis, seal on gaas; Aga kuidas on õhukeste torudega? Sobivaks lahenduseks osutusid poorsed vaheseinad – paljude väga väikeste pooridega läbistatud plaadid. Viimaste läbimõõt peab olema suurusjärgus kümme nanomeetrit, nii et molekulid läbiksid neid peaaegu ükshaaval. Vajadus valmistada nii väikese suurusega pooridega vaheseinu tekitas teatud raskusi, kuid sellegipoolest lahendati probleem spetsiaalsete lähenemisviiside abil - nikli paagutamine või ühe bimetallisulamit moodustava metalli selektiivne lahustamine.

Kui teeme sellise poorse vaheseinaga kasti ja pumpame sinna uraanheksafluoriidi, läbivad kerge isotoobiga molekulid vaheseinast veidi kiiremini. Teisisõnu, pärast seda rikastatakse uraanheksafluoriid veidi lõhustuva isotoobiga. Kui saadate gaasi järgmisesse samasse kasti, muutub rikastusaste suuremaks jne. Tõsi, kõrge rikastusastme saavutamiseks on vaja üksteise järel paigaldatud tuhandete (!) kastide kaskaade, mida nimetatakse astmeteks. Aga kuidas panna uraan neid samme üles tõusma? Ainult seda paljude kompressoritega pumbates. Siit ka meetodi miinused: tohutud energiakulud, vajadus rajada miljoneid ruutmeetreid tootmispinda – töökoja pikkus võib ulatuda ühe kilomeetrini – ja kallite materjalide kasutamine. Tõsi, seda kõike katab tõeliselt kõrge jõudlus. Seetõttu on gaasidifusiooniga rikastamise tehnoloogia pikka aega jäänud peamiseks sellistele tuumahiiglastele nagu USA, Prantsusmaa ja Hiina, mis nendega hiljem ühinesid. Alles viimastel aastatel on nad alustanud aktiivset üleminekut säästlikumale gaasitsentrifuugimise tehnoloogiale.

Gaasi difusioonietapi tööskeem

1960. aastatel tarbis Angarski elektrolüüsi keemiatehas (Irkutski oblast, Venemaa), mis tegeles gaasidifusioonitehnoloogia abil uraani rikastamisega, umbes ühe protsendi (!) kogu Nõukogude Liidus toodetud elektrist. Seda varustasid energiaga Bratski ja Irkutski hüdroelektrijaamad. Tegelikult oli see NSV Liidu suurim elektritarbija.

Üldiselt näitas esimene kogemus, et gaasi difusioon võib probleemi lahendada, kuid liiga kõrge hinnaga. Võidurelvastumisse sattunud Nõukogude Liit vajas uraani rikastamiseks tootlikumat ja vähem energiat tarbivat tehnoloogiat. Sõjast nõrgenenud riigil ei olnud nii lihtne sammu pidada võimsa majandusliku ja energeetilise potentsiaaliga USA-ga. Selle põhjuseks oli muuhulgas elektritootmisvõimsuste nappus riigi Euroopa osas: seepärast ehitati rikastusjaamad Siberisse, kus neid saaks toita suured hüdroelektrijaamad. Kuid ikkagi tarbisid gaasidifusioonijaamad liiga palju energiat, mis ei võimaldanud suurendada rikastatud uraani tootmist. Seetõttu pidi NSV Liit saama teerajajaks alternatiivse tehnoloogia – gaasitsentrifuugi – tööstuslikul rakendamisel.

Gaasi tsentrifuugimine seisneb gaasilise uraanheksafluoriidiga täidetud trumli suurel kiirusel pöörlemises. Tsentrifugaaljõu toimel "pressitakse" raskem uraan-238 heksafluoriid trumli seinale välja ja uraan-235 heksafluoriid, kergem ühend, jääb selle telje lähedale. Spetsiaalsete torude abil saate trumli keskelt korjata kergelt rikastatud uraani ja perifeeriast kergelt vaesestatud uraani.

Gaasitsentrifuugi tööskeem

Tehnilisest küljest on äsja käsitletud trummel gaasitsentrifuugi pöörlev osa (rootor). See pöörleb lakkamatult evakueeritud korpuses ja toetub nõelaga väga vastupidavast materjalist - korundist - valmistatud tõukelaagrile. Materjali valik pole üllatav, kuna rootori kiirus võib ületada 1500 pööret sekundis - sada korda kiiremini kui pesumasina trummel. Habras aine ei pea sellisele löögile vastu. Lisaks, et tõukelaager ei kuluks ja kokku ei kukuks, riputatakse rootor magnetväljas nii, et see vajutab vaevu nõelaga korundile. See tehnika ja tsentrifuugi osade valmistamise kõrge täpsus võimaldavad sellel kiiresti, kuid peaaegu vaikselt pöörata.

Nagu gaasilise difusiooni puhul, ei ole üks tsentrifuug selles valdkonnas sõdalane. Nõutava rikastusastme ja tootlikkuse saavutamiseks ühendatakse need tohututeks kaskaadideks, mis koosnevad kümnetest tuhandetest (!) masinatest. Lihtsustatult on iga tsentrifuug ühendatud kahe oma "naabriga". Rootori ülemise osa seinast võetud vähendatud uraan-235 sisaldusega uraanheksafluoriid suunatakse eelmisse tsentrifuugi; ja uraan-235-ga veidi rikastatud gaas, mis on võetud rootori põhjas olevalt pöörlemisteljelt, läheb järgmisse masinasse. Seega tarnitakse igasse järgnevasse etappi aina rohkem rikastatud uraani, kuni saadakse nõutava kvaliteediga toode.

Taanduv gaasitsentrifuugide kauguskaskaadidesse

Tänapäeval on tsentrifuugeraldus peamine uraani rikastamise meetod, kuna see tehnoloogia nõuab umbes viiskümmend korda vähem elektrit kui gaasi difusioon. Lisaks on tsentrifuugid vähem mahukad kui difusioonimasinad, mistõttu on lihtsam tootmist suurendada. Tsentrifuugimismeetodit kasutatakse Venemaal, Suurbritannias, Saksamaal, Hollandis, Jaapanis, Hiinas, Indias, Pakistanis, Iraanis; üleminek gaasitsentrifuugitehnoloogiale Prantsusmaal ja USA-s on peaaegu lõpule viidud. Teisisõnu ei jää ruumi gaasilisele difusioonile.

Tänu pikale kasutus- ja täiustamisajaloole on Venemaa gaasitsentrifuugid maailma parimad. Poole sajandi jooksul on vahetunud juba üheksa põlvkonda kiirautosid, mis muutusid järk-järgult võimsamaks ja töökindlamaks. Tänu sellele pidas NSV Liit edukalt vastu "tuumavõistlusele" USA-ga ja kui tähtsaim ülesanne oli täidetud, tekkisid vabad võimsused. Selle tulemusel on meie riigist saanud maailma liider mitte ainult gaasitsentrifuugide arendamisel ja tootmisel, vaid ka uraani rikastamise kommertsteenuste osutamisel.

Meie gaasitsentrifuugid:

Traditsiooniliselt on nende kõrgus pool meetrit kuni üks meeter, läbimõõt kümme kuni kakskümmend sentimeetrit;

Need asuvad ruumi säästmiseks üksteise kohal kolmes kuni seitsmes astmes;

Nad võivad vahetpidamata töötada kuni kolmkümmend aastat, rekord on kolmkümmend kaks aastat.

Gaasitsentrifuugi rootori pöörlemiskiirus on selline, et pärast elektrikatkestust pöörleb see inertsist umbes kaks kuud!

Gaastsentrifuugitehnoloogia buum on seotud tuumaenergia aktiivse arenguga. Tuumajaamad on kasumile orienteeritud äriettevõtted ja vajavad seetõttu odavat kütust ja seega ka odavaid rikastamistehnoloogiaid. See nõue mattis järk-järgult gaasilise difusiooni.

Kuid ka gaasitsentrifuugimine ei tohiks loorberitele puhkama jääda. Viimasel ajal võib üha sagedamini kuulda laserrikastamisest – meetodist, mis on tuntud juba üle neljakümne aasta. Selgub, et peenhäälestatud laseri abil on võimalik valikuliselt ioniseerida ehk muuta uraan-235 ühendeid laetud osakesteks. Sel juhul uraan-238 ühendid ei ioniseerita, vaid jäävad laenguta. Tekkivaid ioone saab kergesti eraldada neutraalsetest molekulidest keemiliste või füüsikaliste vahenditega, näiteks magneti või laetud plaadiga (kollektoriga) ligi tõmmates.

Uraani laserrikastamise rajatise võimalik tööskeem

Ilmselt on laserrikastamine väga tõhus tehnoloogia, kuid selle majanduslik jõudlus jääb saladuseks. Kõik varasemad katsed liikuda laborist tööstuslikule kasutusele on purustatud ebapiisava jõudluse ja lühikese seadmete eluea tõttu. Praegu tehakse USA-s uut katset sellist lavastust luua. Kuid isegi kui see õnnestub, jääb tasuvuse küsimus alles. Rikastamisteenuste turg aktsepteerib uut tehnoloogiat vaid juhul, kui see on olemasolevast oluliselt odavam. Kuid gaasitsentrifuugid pole veel oma võimekuse laeni jõudnud. Seetõttu on laseri rikastamise lähimad väljavaated väga ebamäärased.

Uraani rikastamiseks on veel mitmeid meetodeid: termiline difusioon, aerodünaamiline eraldamine, ioonprotsess, kuid neid praktiliselt ei kasutata.

Uraani rikastamise tehnoloogiate puhul tuleb meeles pidada, et need avavad tee mitte ainult tuumakütusele, vaid ka pommile. Üha tõhusamate ja kompaktsemate tööstusharude loomine toob endaga kaasa tuumarelva leviku ohu. Põhimõtteliselt võib tehnoloogia areng viia olukorrani, kus pommi hakkavad tootma pehmelt öeldes ebastabiilse režiimiga riigid või isegi suured terroriorganisatsioonid. Ja kui gaasi difusiooni- või gaasitsentrifuugitehase ehitamine on märkamatult keeruline ja nende käivitamine nõuab suurtes kogustes iseloomulike materjalide ja seadmete importi, siis laserrikastamine tagab praktiliselt saladuse. Üldiselt risk olemasolevale haprale maailmale suureneb.

Uraani rikastamistehased toodavad rikastatud uraani toodet (EUP) – vajaliku rikastusastmega uraanheksafluoriidi. See asetatakse spetsiaalsetesse konteineritesse ja saadetakse tuumkütuse tootmisettevõtetesse. Kuid samal ajal toodavad rikastamisettevõtted ka vaesestatud uraani heksafluoriidi (DUHF), mille rikastusaste on 0,3%, mis on madalam kui looduslikul uraanil. Teisisõnu, see on praktiliselt puhas uraan-238. Kust see tuleb? Sisuliselt meenutab rikastamisprotsess väärtuslike mineraalide eraldamist aherainest. DUHF on omamoodi aheraine, millest uraan-235 eemaldati, kuigi mitte täielikult. (Lõhustuva isotoobi sajaprotsendiline eraldamine uraan-238-st on majanduslikust seisukohast kahjumlik). Kui palju vaesestatud uraanheksafluoriidi toodetakse? See sõltub vajalikust uraani rikastamise astmest. Näiteks kui see on 4,3%, nagu VVVER reaktorite kütuses, siis kümme kilogrammi uraanheksafluoriidi, mis on loodusliku isotoopkoostisega (0,7% uraan-235), toodab ainult ühe kilogrammi OUP-i ja üheksa kilogrammi DUHF-i. Ühesõnaga päris palju. Kogu rikastusrajatiste tööperioodi jooksul on spetsiaalsetesse konteineritesse kogunenud üle 1,5 miljoni tonni DUHF-i, millest umbes 700 000 tonni on Venemaal. Maailmas suhtutakse sellesse ainesse erinevalt, kuid DUHF-i kui väärtusliku strateegilise tooraine kohta on ülekaalus arvamus (vt ptk 7).

Valmistama – selle sõna parimas tähenduses

Tuumakütuse tootmine (tootmine) algab rikastatud uraani produkti keemiliseks muundamiseks uraandioksiidiks. Seda protsessi saab läbi viia kahel põhilisel viisil. Esimest neist nimetatakse "märjaks" tehnoloogiaks ja see seisneb heksafluoriidi lahustamises vees, vähelahustuvate ühendite sadestamises leelise toimel ja nende kaltsineerimises vesiniku atmosfääris. Teine tehnoloogia - "kuiv" - on eelistatavam, kuna see ei tekita vedelaid radioaktiivseid jäätmeid: uraanheksafluoriid põletatakse vesiniku leegis.

Mõlemal juhul saadakse uraandioksiidi pulber, mis pressitakse väikesteks tablettideks ja paagutatakse ahjudes temperatuuril umbes 1750 ° C, et anda neile tugevus - lõppude lõpuks peavad tabletid "töötama" kõrge temperatuuri ja temperatuuri tingimustes. kiirgust. Seejärel töödeldakse tablette teemanttööriistadega lihvmasinatel. See samm on vajalik, kuna tahvelarvuti mõõtmeid ja selle pinna kvaliteeti tuleb hoida väga täpselt. Eraldi pelleti valmistamisel tekkivad vead võivad põhjustada reaktoris oleva kütuse kahjustumist selle soojuspaisumisel ja selle tulemusena tuumaelektrijaama kiirgusolukorra halvenemist. Seetõttu kontrollitakse kõiki uraandioksiidi graanuleid hoolikalt ja pärast seda satuvad need spetsiaalsesse kasti, kus masin asetab need väikese nioobiumilisandiga tsirkooniumi torudesse.

Pelletiga täidetud toru nimetatakse kütuseelemendiks või lühidalt kütusevardaks. Seejärel eemaldatakse söövitavate gaaside eemaldamiseks kütusevarras, see tähendab, et torust "imetakse välja" õhk, täidetakse inertgaasiga - puhtaima heeliumiga - ja pruulitakse. Tuumakütuse valmistamise protsessi viimane etapp on kütusevarraste kokkupanek kütusesõlmeks (FA), kasutades vahevõrke. Neid on vaja selleks, et konstruktsioon oleks tugev ja kütusevardad ei puutuks üksteisega kokku. Vastasel juhul võib kest kokkupuutepunktis läbi põleda, samal ajal kui kütus puutub kokku ja puutub kokku veega, mis on täiesti ebasoovitav.

Toimingute jada tuumkütuse tootmisel

Vahetükkide võred

Niisiis on kütusesõlmed tsirkooniumi kütuseelementide "kimp", mille sees on tuumakütus - lõhustuva isotoobiga rikastatud uraandioksiid. Seda materjalide valikut on vaja selgitada. Tuumareaktoris on kütusesõlm kõrge temperatuuri ja võimsa ioniseeriva kiirguse voolu tingimustes ning seda pestakse ka väljast väga kuuma surveveega. Seetõttu peavad tuumakütuse elemendid olema kemikaali- ja kiirguskindlusega, soojust hästi juhtima ja kuumutamisel väga vähe paisuma, vastasel juhul võib kütusekattes tekkida pragu. Uraandioksiid ja tsirkoonium vastavad neile nõuetele. Siiski tuleb veel kord meelde tuletada, et uraandioksiidi pelletid on kütuseelementide sees ja puutuvad veega kokku ainult läbi kütuseelemendi katte, kuid mitte otse. Otsene koostoime jahutusvedelikuga on äärmiselt ebasoovitav ja tekib ainult siis, kui tsirkooniumkestad on hävinud, näiteks kui neisse tekivad praod. Sel juhul hakkavad tuumakütuses sisalduvad uraani radioaktiivsed lõhustumisproduktid vees lahustuma, mis toob kaasa selle radioaktiivsuse suurenemise ja kiirgusolukorra halvenemise tuumaelektrijaamas. Sel põhjusel on tuumkütuse valmistamine keeruline ja ülitäpne töö, mis nõuab täpsust ja pidevat kontrolli.

Kiirguse seisukohalt tuumkütuse tootmine erilist ohtu ei kujuta. Oht on isegi väiksem kui maagi kaevandamisel, kuna puhastusprotsess eemaldab uraanist kõik kaasnevad radioaktiivsed ained.

Küll aga võib rikastatud uraaniga töötades koguneda kriitiline mass ja selle tulemusena võib tekkida isemajandav ahelreaktsioon, millest oli juttu juba peatükis 2. See võib juhtuda tõrke, uraani rikkumise tagajärjel. tööreeglite järgi või isegi juhuslikult. Kokku on maailmas registreeritud kuuskümmend sellist õnnetust, neist kolmkümmend kolm USA-s ja üheksateist NSV Liidus/Venemaal. Siin on kaks näidet kodustest juhtumitest.

14. juuli 1961, Siberi keemiakombinaat (rikastamine). Kriitilise massi moodustumine kõrge rikastusastmega (22,6%) uraanheksafluoriidi akumuleerumise tulemusena õlis vaakumpumba paisupaagis. Tekkinud ahelreaktsiooniga kaasnenud kiirguspuhangu tagajärjel sai operaator märkimisväärse kiirgusdoosi ja tal tekkis kiiritushaigus, kuigi see oli suhteliselt kerge.

15. mai 1997. Novosibirski keemiliste kontsentraatide tehas (tuumakütuse tootmine). Kriitilise massi moodustumine kõrgelt rikastatud (90%) uraani sademe kogunemise tagajärjel kahe kõrvuti asetseva mahuti põhjas lahuste kogumiseks nende deformatsiooni tõttu. Õnneks olid kiirgusdoosid tühised.

Mis on järeldus? Rikastatud uraani tuleb käsitseda äärmise ettevaatusega, järgides kõiki ohutusnõudeid ja, nagu öeldakse, "kaasa arvatud pea", see tähendab, et arvutada ette võimalikud riskid.

Kokkuvõtteks saame anda VVER-1000 reaktoriga Venemaa tuumaelektrijaamades kasutatavate kütusesõlmede ligikaudsed parameetrid.

Kütusegraanul on 9–12 mm kõrgune ja 7,6 mm läbimõõduga silinder. See koosneb uraandioksiidist, mille rikastusaste on vahemikus 3,3–5,0%.

Pelletid asetatakse umbes nelja meetri pikkusesse ja 9,1 mm läbimõõduga tsirkooniumist valmistatud kütusevardasse, mis sisaldab 1% nioobiumi. Kütuseelemendi seinapaksus on vaid 0,65 mm, seetõttu nõuab see sellise pikkusega äärmiselt ettevaatlikku käsitsemist. Kütuseelement ei ole täielikult pelletitega täidetud: graanulite kihi kõrgus on umbes 3,5 meetrit ja nende kogukaal on umbes 1,6 kilogrammi, uraan-235 hõivab 62 grammi.

Kütuseagregaat (FA) on kokku pandud 312 kütusevardast, kasutades 12–15 vaheresti. TVS-i kõrgus ulatub peaaegu 4,6 meetrini ja selle mass on 760 kg. Samal ajal on uraandioksiidi mass umbes pool tonni, ülejäänu langeb tsirkooniumile ja teistele metallidele. Ülevalt vaadatuna kujutab see koost kuusnurka, mille näo suurus on 235 millimeetrit. Igal koostul on 19 kanalit reaktori juhtvarraste jaoks, mis sisaldavad boorkarbiidi – elementi, mis neelab hästi neutroneid.

Reaktorisse on paigutatud 163 kütusesõlme, mis vastab 80 tonnile uraandioksiidile, millest piisab 4-aastaseks reaktori tööks.

Kütusesõlmed erinevat tüüpi reaktoritele

Võimalikud valikud

Niisiis on tuumaelektrijaamade kõige levinum kütus granuleeritud uraandioksiid, milles uraan on rikastatud lõhustuva isotoobiga (uraan-235). Siiski on ka teist tüüpi tuumkütust.

Pärast uraandioksiidi on kõige levinum segatud oksiidkütus, mida nimetatakse MOX-kütuseks. Praegu toodetakse peamiselt MOX-kütust, mis on uraani ja plutoonium-239 oksiidide segu. See kütus võimaldab kasutada "tuumavõistluse" käigus kogunenud liigset relvaklassi plutoonium-239 elektri tootmiseks.

Uraani metalli saab kasutada ka tuumakütusena. Selle eelisteks on kõrge soojusjuhtivus ja lõhustuvate tuumade maksimaalne kontsentratsioon – muid elemente kütuses lihtsalt pole. Samal ajal on uraanil metallina halvem kiirgus-, keemiline ja kuumakindlus kui dioksiidil, mistõttu kasutatakse seda puhtal kujul harva. Metallikütuse parameetrite parandamiseks lisatakse uraanile veidi molübdeeni, alumiiniumi, räni ja tsirkooniumi. Tänapäeval kasutatakse metallilist uraani ja selle sulameid ainult uurimisreaktorites.

Uraandioksiidi asemel on võimalik kasutada uraannitriidi ehk selle kombinatsiooni lämmastikuga. Nitriidkütusel on kõrgem soojusjuhtivus võrreldes dioksiidiga ja võrreldav sulamistemperatuur (2855 o C). Uraannitriidi peetakse uusimate reaktorite jaoks paljulubavaks kütuseks. Meie riigis pööratakse enim tähelepanu nitriidkütusele, mida plaanitakse kasutusele võtta järgmise põlvkonna kiirneutronreaktorites.

Uraan on võimeline moodustama ühendeid süsinik-karbiididega. Karbiidide kasutamise võimalust reaktorite kütusena uuriti intensiivselt 1960.–1970. aastatel. Viimasel perioodil on aga taas tärganud huvi seda tüüpi kütuse vastu, mis on seotud plaatkütuseelementide ja mikrokütuseelementide väljatöötamisega. Karbiidide positiivseteks omadusteks on hea soojusjuhtivus, kõrge sulamistemperatuur, kõrge kõvadus, keemiline ja termiline stabiilsus ning ühilduvus keraamiliste katetega, mis on eriti oluline mikrokütuste puhul. Uraankarbiidi kütus võib olla parim valik teatud tüüpi järgmise põlvkonna reaktorite jaoks, eriti gaasjahutusega kiirreaktorite jaoks.

Kuid siiski töötab valdav enamus Maa reaktoreid endiselt uraandioksiidist valmistatud tuumakütusel. Nii-öelda traditsiooni jõud.

Vene kütusetsükkel

Nüüd, olles end kurssi viinud mäe- ja töötleva tööstuse toimimise iseärasustega, tasub heita kiirpilk meie kodumaise kütusetsükli ajalukku ja hetkeseisu. Loomulikult peate alustama uraani kaevandamisest.

Algul pakkusid uraanimaagid kodumaistele teadlastele huvi ainult raadiumiallikana. 1900. aastal andis professor I.A. Antipov tegi Peterburi Mineraloogia Seltsi koosolekul ettekande uraani mineraali leidmisest Ferganast Tjuja-Muyuni mäeahelikust toodud proovides. Hiljem nimetati seda mineraali tjuyamuniidiks. 1904. aastal algasid selles maardlas uuringud, 1908. aastal ehitati Peterburi uraanimaagi töötlemise katsetehas ja 1913. aastal asutati rahvusvaheline aktsiaselts Tuyamuyuni raadiumi kaevandamiseks.

Kui algas Esimene maailmasõda, siis töö kaevanduses praktiliselt lakkas ja alles 1922. aastal saadeti kaheksast spetsialistist koosnev ekspeditsioon Tyuya-Muyuni. Samal 1922. aastal õnnestus keerulistes revolutsioonijärgsetes tingimustes, ümbritsetuna Basmachi vöönditest, taastada tööstuslik maagi kaevandamine. See jätkus kuni 1936. aastani, mil kahesaja meetri sügavusel asuv rikkalik põhjavesi katkestas maardla arengu. Kuid see probleem ei muutunud kriitiliseks, kuna raadiumi kaevandamine asutati Ukhta jõe "veetööstuses" - radioaktiivne metall kaevandati maa-alusest soolasest veest. Uraan ise ei pakkunud neil aastatel kellelegi suurt huvi, kuna seda tööstuses praktiliselt ei kasutatud.

Uus huvi uraanimaardlate vastu tekkis 1940. aastate alguses, kui NSV Liit seisis silmitsi vajadusega reageerida USA-st lähtuvale tuumaohule ehk siis, kui tekkis vajadus luua kodumaised tuumarelvad.

Esimese Nõukogude aatomipommi uraani koguti sõna otseses mõttes vähehaaval kogu riigis ja kaugemalgi. 1943. aastal alustati uraani kaevandamist tänapäevaste standardite järgi pisikeses Taboshari kaevanduses Tadžikistanis, mille võimsus on vaid 4 tonni uraanisoolasid aastas. Veelgi enam, P.Ya memuaaride kohaselt. NSV Liidu esimene geoloogiaminister Antropov “veeti uraanimaaki töötlemiseks mööda Pamiiri mägiradu kottides eeslite ja kaamelitega. Siis polnud teid ega korralikku varustust.

Aastatel 1944–1945, kui Euroopa natside käest vabanes, sai NSVL juurdepääsu uraanimaagile Goteni leiukohast Bulgaarias, Tšehhoslovakkia Yachimovi kaevandustest ja Saksa Saksimaa kaevandustest. Lisaks käivitati 1946. aastal uuesti Tyuya-Muyunsky kaevandus, kuid see ei andnud erilist panust ühisesse asja.

1950. aastatel alustas Lermontov Almazi tootmisühing uraani kaevandamist Beshtau ja Byki mägedes (Stavropoli territoorium) asuvates kaevandustes. Samal ajal hakkasid nad arendama maardlaid Lõuna-Kasahstanis ja Kesk-Aasias.

Pärast 1991. aastat jõudis suurem osa arendatud valdkondi väljapoole Venemaad, iseseisvatesse riikidesse. Sellest hetkest alates toimub peamine uraani kaevandamine kaevandusmeetodil Priargunsky tootmise kaevandamise ja keemia assotsiatsioonis (Transbaikali territoorium). Lisaks koguvad järk-järgult jõudu kaks puurkaevu kohapealse leostumise tehnoloogiat kasutavat ettevõtet - Khiagda (Burjaatia Vabariik) ja Dalur (Kurgani piirkond). Tootmisrajatised projekteeritakse Jakuutias. Tootmiseks on ka paljutõotavaid piirkondi - Transbaikal, Lääne-Siber, Põhja-Euroopa ...

Uuritud uraanivarude poolest on Venemaa maailmas kolmandal kohal.

Venemaa uraanikaevandusettevõtteid juhib Rosatomile kuuluv ARMZ Uranium Holding (www.armz.ru), kuid riigikorporatsioonil on ka välisvarasid, mida kontrollib rahvusvaheline ettevõte Uranium One Inc. (www.uranium1.com). Tänu nende kahe organisatsiooni tegevusele on Rosatom saavutanud uraaniühendite tootmises maailmas kolmanda koha.

Olukord loodusliku uraani tootmise maailmaturul (2014)

Kaevandusettevõtete teatepulga võtab üle terve uraani rafineerimise, muundamise ja rikastamise ning tuumakütuse tootmise tootmiste kompleks. Enamik neist on pärit eelmise sajandi perioodist ja viiekümnendatest – tuumarelvade aktiivse akumuleerimise ajast. Täna töötavad nad puhtalt rahumeelse tööstuse – tuumaenergia – heaks ja pakuvad oma teenuseid välismaistele ettevõtetele.

Venemaal on neli rikastustehast, millest osad teostavad ka uraaniühendite lõpliku puhastamise (rafineerimise) ja fluorimise (muundamise) toiminguid.

Esimene uraani rikastamise D-1 gaasi difusioonijaam Sverdlovsk-44 alustas tööd 1949. aasta novembris. Algul tuli selle tooteid veelgi rikastada tulevase Elektrokhimpribori tehase SU-20 üksuses Sverdlovsk-45 (Lesnõi), kuid paari aasta pärast hakkas D-1 ise hakkama saama ja hakkas kasvama. Ja alates 1967. aastast algas difusioonikaskaadide asendamine tsentrifuugikaskaadidega. Tänapäeval asub demonteeritud D-1 kohas maailma suurim uraani rikastamise ettevõte - Uurali elektrokeemiatehas (Novouralsk, Sverdlovski oblast).

1953. aastal alustas Tomsk-7-s tööd tulevane Siberi keemiakombinaat (Seversk, Tomski oblast), mis alates 1973. aastast hakkas järk-järgult üle minema gaasitsentrifuugitehnoloogiale. Esimene rikastatud uraan Angarski elektrolüüsi keemiatehasest (Angarsk, Irkutski oblast) saadi 1957. aastal ja difusiooniaparaate asendamist tsentrifuugidega alustati 1985. aastal. Lõpuks sai 1962. aastast Krasnojarski-45 (praegu Zelenogorsk, Krasnojarski territoorium) elektrokeemiatehase käivitamise aasta. Paar aastat hiljem paigaldati sinna esimesed tsentrifuugid.

See lühike viide muidugi ei peegelda selle keerulise ajastu tegelikkust. Kuigi suletud linnade salajaste, "nummerdatud" nimede ja taimede ebamääraste nimede järgi võib mõista, et Nõukogude Liit hoidis hoolikalt oma rikastamise saladusi. Peamiste tootmishoonete asukohad said aga Ameerika luurele teatavaks. Kuid aktiivne üleminek gaasitsentrifuugitehnoloogiale jättis ta, nagu öeldakse, sellest ilma. Võib-olla oli see meie konkurentide mõningase rahulolu põhjuseks: teadmata, et NSV Liidus on kasutusele võetud produktiivsem ja tõhusam tehnoloogia, järgisid riigid algselt valitud meetodit - gaaside difusiooni. Ilmselgelt mängis praegune olukord Nõukogude Liidu kätte ja võimaldas kiiresti saavutada tuumapariteedi. Samal ajal ei läinud Nõukogude teadlaste ja inseneride teedrajavad arendused suure jõudlusega gaasitsentrifuugide loomisel raisku, viies Venemaa juhtivale positsioonile uraani rikastamise ja tsentrifuugi tootmise maailmaturul.

Neljast kombainist saadud rikastatud uraanitoode tarnitakse masinaehitustehasesse (Elektrostal, Moskva piirkond) ja Novosibirski keemiakontsentraatide tehasesse (Novosibirsk, samanimeline piirkond), kus viiakse läbi täistsükkel tuumakütuse tootmist. Kütuseelementide tsirkooniumi ja muid kütusesõlmede konstruktsioonimaterjale tarnib Chepetsky mehaanikatehas (Glazov, Udmurdi Vabariik), mis on ainus Venemaal ja kolmas ettevõte maailmas, mis toodab tsirkooniumist tooteid.

Valmistatud kütusesõlmed tarnitakse Venemaa ja välismaa tuumaelektrijaamadesse, samuti kasutatakse neid reaktorites muuks otstarbeks.

Uraani rafineerimise, muundamise ja rikastamise, tuumkütuse tootmise, gaasitsentrifuugide tootmise, samuti projekteerimis- ja uurimisorganisatsioonid on ühendatud Rosatomi kütuseettevõtte TVEL (www.tvel.ru) osaks.

Selle ettevõtte ja selle tütarettevõtete aastatepikkuse eduka töö tulemusena on Rosatom enesekindlalt uraani rikastamise valdkonna suurimate teenusepakkujate edetabeli eesotsas (36% maailmaturust).

Angarskis on tuumakütuse pank – garanteeritud reserv, mida saab osta riik, kes on mingil põhjusel ilma jäetud võimalusest vabaturult uraani osta. Sellest varudest suudab ta toota värsket tuumakütust ja tagada oma tuumaenergiatööstuse katkematu töö.

Rosatomi osa globaalsel tuumakütuse turul on 17%, tänu millele on iga kuues maakera elektrireaktor laetud TVEL kaubamärgi kütusega. Tarned lähevad Ungarisse, Slovakkiasse, Tšehhi Vabariiki, Bulgaariasse, Ukrainasse, Armeeniasse, Soome, Indiasse ja Hiinasse.

Ülal - uraani rikastamise maailmaturg (2015), all - kütusetootmise maailmaturg (2015)

Avatud või suletud?

Võib märkida, et see peatükk ei hõlmanud tuumakütuse tootmist uurimisreaktoritele, samuti tuumaallveelaevadele ja jäämurdjatele paigaldatud reaktoritele. Kogu arutelu oli pühendatud tuumaelektrijaamades kasutatavale tuumakütusele. Seda ei tehtud aga juhuslikult. Fakt on see, et tuumaelektrijaamade ja näiteks tuumaallveelaevade kütusetootmise järjestuse vahel lihtsalt pole põhimõttelisi erinevusi. Loomulikult võib tehnoloogias esineda kõrvalekaldeid, mis on seotud laevade ja uurimisreaktorite spetsiifikaga. Näiteks esimene peaks olema mõõtmetelt väike ja samas üsna võimas - see on jäämurdja ja pealegi manööverdatava tuumaallveelaeva jaoks täiesti loomulik nõue. Vajalikud näitajad on saavutatavad uraani rikastamise suurendamisega ehk lõhustuvate tuumade kontsentratsiooni suurendamisega – siis kulub vähem kütust. Täpselt seda nad teevadki: laevareaktorite kütusena kasutatava uraani rikastamise aste on 40% piires (olenevalt projektist võib see kõikuda 20-90%). Uurimisreaktorites on tavanõue saavutada maksimaalne neutronvoog ning neutronite arv reaktoris on samuti otseselt seotud lõhustuvate tuumade arvuga. Seetõttu kasutatakse teadusuuringuteks mõeldud rajatistes mõnikord palju suurema uraan-235 sisaldusega kõrgelt rikastatud uraani kui tuumareaktorite kütuses. Kuid rikastamise tehnoloogia sellest ei muutu.

Reaktori konstruktsioon võimaldab määrata kütuse keemilise koostise ja materjali, millest kütusevarras on valmistatud. Praegu on kütuse peamine keemiline vorm uraandioksiid. Kütuseelementide osas on need valdavalt tsirkoonium, kuid näiteks kiirneutronreaktori BN-600 jaoks toodetakse roostevabast terasest kütuseelemente. Selle põhjuseks on vedela naatriumi kasutamine jahutusvedelikuna BN-reaktorites, milles tsirkoonium hävib (korrodeerub) kiiremini kui roostevaba teras. Sellest hoolimata jääb tuumkütuse valmistamise protsessi olemus samaks - rikastatud uraaniproduktist sünteesitakse uraandioksiidi pulber, mis pressitakse graanuliteks ja paagutatakse, graanulid asetatakse kütusevarrastesse ning kütusevardad monteeritakse kütusesõlmedeks. (FA).

Veelgi enam, kui arvestada erinevate riikide tuumakütuse tsükleid, siis näiteks selgub, et Venemaal fluoritakse uraaniühendeid muundamisel vahetult molekulaarse fluoriga, välismaal töödeldakse neid esmalt vesinikfluoriidhappega ja alles seejärel fluoriga. Erinevus peitub maagi "avamise" lahuste, sorbentide ja ekstraheerivate ainete keemilises koostises; protsesside parameetrid võivad erineda ... Kuid tuumakütuse tsükli skeem sellest ei muutu. Põhimõtteline erinevus seisneb ainult selle avatud (avatud) ja suletud (suletud) versioonide vahel: esimesel juhul eraldatakse kütus pärast tuumajaamas "töötamist" lihtsalt keskkonnast sügavas matmispaigas ja viimasena töödeldakse seda väärtuslike komponentide eraldamisega (vt ptk 7). Venemaa on üks väheseid riike, kes rakendab suletud tsüklit.

Näide suletud kütusetsüklist koos Rosatomi TVEL Fuel Company rolliga

TVS (kütusekomplekt)

Tuumakütus– materjalid, mida kasutatakse tuumareaktorites kontrollitud tuuma lõhustumise ahelreaktsiooni läbiviimiseks. Tuumakütus erineb põhimõtteliselt teistest inimkonna poolt kasutatavatest kütuseliikidest, see on äärmiselt energiamahukas, kuid samas ka inimesele väga ohtlik, mis seab selle kasutamisele ohutuse huvides palju piiranguid. Sel ja paljudel muudel põhjustel on tuumkütust palju keerulisem kasutada kui mis tahes tüüpi fossiilkütust ning selle kasutamiseks on vaja palju tehnilisi ja organisatsioonilisi erimeetmeid ning sellega tegelevaid kõrgelt kvalifitseeritud töötajaid.

Üldine informatsioon

Tuuma ahelreaktsioon on tuuma lõhustumine kaheks osaks, nn lõhustumise killud, mitme (2-3) neutroni samaaegse vabanemisega, mis omakorda võib põhjustada järgmiste tuumade lõhustumist. Selline lõhustumine toimub siis, kui neutron siseneb algaine aatomi tuuma. Tuuma lõhustumise käigus tekkinud lõhustumisfragmentidel on suur kineetiline energia. Aine lõhustumise fragmentide aeglustumisega kaasneb suure hulga soojuse eraldumine. Lõhustumisfragmendid on tuumad, mis tekivad vahetult lõhustumise tulemusena. Lõhustumise fragmente ja nende radioaktiivseid lagunemissaadusi nimetatakse tavaliselt lõhustumisproduktid. Tuumasid, mis lõhustuvad mis tahes energiaga neutronitega, nimetatakse tuumakütuseks (reeglina on need paaritu aatomnumbriga ained). On tuumasid, mis lõhustuvad ainult neutronite abil, mille energia ületab teatud läviväärtuse (reeglina on need paarisaatomarvuga elemendid). Selliseid tuumasid nimetatakse toormaterjalideks, kuna kui lävituum haarab neutroni, moodustuvad tuumakütuse tuumad. Tuumakütuse ja tooraine kombinatsiooni nimetatakse tuumakütuseks. Allpool on toodud 235 U tuuma tuuma lõhustumisenergia jaotus erinevate lõhustumisproduktide vahel (MeV-des):

Kuna neutriino energia kandub ära pöördumatult, on kasutamiseks saadaval vaid 188 MeV/aatom = 30 pJ/aatom = 18 TJ/mol = 76,6 TJ/kg (teistel andmetel (vt link) 205,2 - 8,6 = 196 ,6 MeV /aatom) .

Looduslik uraan koosneb kolmest isotoobist: 238U (99,282%), 235U (0,712%) ja 234U (0,006%). See ei sobi alati tuumkütuseks, eriti kui konstruktsioonimaterjalid ja moderaator neelavad ulatuslikult neutroneid. Sel juhul valmistatakse tuumkütust rikastatud uraani baasil. Termoreaktorites kasutatakse uraani, mille rikastus on alla 6% ning kiir- ja vahepealsetes neutronreaktorites ületab uraani rikastamine 20%. Rikastatud uraani saadakse spetsiaalsetes rikastustehastes.

Klassifikatsioon

Tuumakütus jaguneb kahte tüüpi:

• Looduslik uraan, mis sisaldab 235 U lõhustuvaid tuumasid, samuti 238 U toorainet, mis on neutroni hõivamisel võimeline moodustama plutooniumi 239 Pu;
• Sekundaarne kütus, mida looduses ei esine, sealhulgas 239 Pu, mis on saadud esimest tüüpi kütusest, samuti 233 U isotoopi, mis on tekkinud neutronite püüdmisel 232 Th tooriumi tuumaga.

Vastavalt keemilisele koostisele võib tuumkütus olla:

• Metall, sh sulamid;
• oksiid (näiteks UO 2);
• Karbiid (nt PuC 1-x)
• Segatud (PuO 2 + UO 2)

Rakenduse teoreetilised aspektid

Tuumakütust kasutatakse tuumareaktorites mõne sentimeetri suuruste graanulite kujul, kus see tavaliselt paikneb hermeetiliselt suletud kütuseelementides (TVEL), mis omakorda on kasutusmugavuse huvides kombineeritud mitmesaja kütusesõlme (FA) kujul. ).

Tuumakütusele kehtivad kõrged nõuded keemilisele ühilduvusele kütusevarda kattekihiga, sellel peab olema piisav sulamis- ja aurustumistemperatuur, hea soojusjuhtivus, neutronkiirguse ajal kerge ruumala suurenemine ja valmistatavus.

Metallilise uraani kasutamine, eriti temperatuuril üle 500 °C, on selle paisumise tõttu keeruline. Pärast tuuma lõhustumist moodustub kaks lõhustumise fragmenti, mille kogumaht on suurem kui uraani (plutooniumi) aatomi maht. Osa aatomitest - lõhustumisfragmendid on gaaside (krüptoon, ksenoon jne) aatomid. Gaasi aatomid kogunevad uraani pooridesse ja tekitavad siserõhu, mis tõuseb temperatuuri tõustes. Aatomite mahu muutumise tõttu lõhustumise protsessis ja gaaside siserõhu suurenemise tõttu hakkavad uraan ja teised tuumakütused paisuma. Turse all mõistetakse tuuma lõhustumisega seotud tuumkütuse mahu suhtelist muutust.

Turse oleneb põlemisest ja kütuseelemendi temperatuurist. Lõhustumisfragmentide arv suureneb põlemisel ning gaasi siserõhk tõuseb põlemise ja temperatuuri tõustes. Tuumkütuse paisumine võib põhjustada kütuseelemendi katte hävimise. Tuumakütusel on kõrgete mehaaniliste omadustega paisumine väiksem. Metalliline uraan lihtsalt ei kehti selliste materjalide puhul. Seetõttu piirab metallilise uraani kasutamine tuumkütusena põlemissügavust, mis on tuumakütuse üks peamisi omadusi.

Kütuse kiirguskindlus ja mehaanilised omadused paranevad pärast uraani legeerimist, mille käigus lisatakse uraanile vähesel määral molübdeeni, alumiiniumi ja muid metalle. Dopingulisandid vähendavad lõhustumise neutronite arvu tuumakütusega neutronite püüdmise kohta. Seetõttu valitakse uraani legeerivad lisandid materjalide hulgast, mis neelavad nõrgalt neutroneid.

Heade tuumakütuste hulka kuuluvad mõned uraani tulekindlad ühendid: oksiidid, karbiidid ja metallidevahelised ühendid. Enim kasutatav keraamika - uraandioksiid UO 2 . Selle sulamistemperatuur on 2800 °C, tihedus 10,2 g/cm³. Uraandioksiidil ei ole faasisiirdeid ja see on vähem altid paisumisele kui uraanisulamid. See võimaldab suurendada läbipõlemist kuni mitme protsendini. Uraanidioksiid ei interakteeru kõrgel temperatuuril tsirkooniumi, nioobiumi, roostevaba terase ja muude materjalidega. Keraamika peamiseks puuduseks on madal soojusjuhtivus - 4,5 kJ/(m·K), mis piirab reaktori erivõimsust sulamistemperatuuri osas. Seega ei ületa uraandioksiidi maksimaalne soojusvoo tihedus VVER reaktorites 1,4⋅10 3 kW/m², samas kui maksimaalne temperatuur kütusevarrastes ulatub 2200 °C-ni. Lisaks on kuum keraamika väga rabe ja võib praguneda.

Praktiline kasutamine

Kviitung

uraani kütus

Uraani tuumakütust saadakse maakide töötlemisel. Protsess toimub mitmes etapis:

• Kehvade hoiuste jaoks: Kaasaegses tööstuses kasutatakse rikaste uraanimaakide puudumise tõttu (erandiks on Kanada ja Austraalia mittevastavustüüpi maardlad, milles uraani kontsentratsioon ulatub 3%) maakide maa-aluse leostumise meetodit. See välistab kuluka maagi kaevandamise. Esialgne ettevalmistus läheb otse maa alla. Üle süstimiskaevud väävelhapet pumbatakse maa alla maardla kohale, mõnikord lisades sellele raudsoolasid (uraani U (IV) oksüdeerimiseks U (VI)-ks), kuigi maagid sisaldavad sageli rauda ja pürolusiiti, mis hõlbustavad oksüdatsiooni. Üle kaevandamiskaevud väävelhappe lahus uraaniga tõuseb spetsiaalsete pumpadega pinnale. Seejärel läheb see otse sorptsioonile, hüdrometallurgilisele ekstraheerimisele ja samaaegsele uraani rikastamisele.
• Maagimaardlate jaoks: kasutage maagi kontsentratsiooni ja radiomeetrilist maagi kontsentratsiooni.
• Hüdrometallurgiline töötlemine - uraani purustamine, leostumine, sorptsioon või ekstraheerimine puhastatud uraanoksiidi (U 3 O 8), naatriumdiuranaadi (Na 2 U 2 O 7) või ammooniumdiuranaadi ((NH 4) 2 U 2 O 7) saamiseks.
• Uraani ülekandmine oksiidist UF 4 tetrafluoriidiks või oksiididest otse UF 6 heksafluoriidi saamiseks, mida kasutatakse uraani rikastamiseks isotoobis 235.
• Rikastamine gaasi termilise difusiooni või tsentrifuugimisega.
• 235 isotoobiga rikastatud UF 6 muundatakse UO 2 dioksiidiks, millest valmistatakse kütusevarraste “pillid” või saadakse samal eesmärgil muid uraaniühendeid.

Tuumaenergiat kasutatakse soojusenergeetikas, kui energiat saadakse reaktorites olevast tuumakütusest soojusena. Seda kasutatakse elektri tootmiseks tuumaelektrijaamad (NPP), suurte merelaevade elektrijaamadele, merevee magestamise jaoks.

Tuumaenergia võlgneb oma välimuse ennekõike 1932. aastal avastatud neutroni olemusele. Neutronid on osa kõigist aatomituumadest, välja arvatud vesiniku tuum. Seotud neutronid eksisteerivad tuumas lõputult. Vabal kujul on nad lühiealised, kuna nad kas lagunevad poolväärtusajaga 11,7 minutit, muutudes prootoniks ja kiirgades elektroni ja neutriino, või püüavad nad kiiresti kinni aatomituumade poolt.

Kaasaegne tuumaenergia põhineb loodusliku isotoobi lõhustumisel vabaneva energia kasutamisel uraan-235. Tuumaelektrijaamades viiakse läbi kontrollitud tuuma lõhustumise reaktsioon tuumareaktor. Tuuma lõhustumist tekitavate neutronite energia järgi eristada termilisi ja kiireid neutronreaktoreid.

Tuumaelektrijaama põhiseade on tuumareaktor, mille skeem on näidatud joonisel fig. 1. Tuumkütusest saadakse energiat, mis seejärel viiakse soojusena üle teise töövedelikku (vesi, metalli- või orgaaniline vedelik, gaas); siis muudetakse see elektriks samamoodi nagu tavalistes.

Nad juhivad protsessi, säilitavad reaktsiooni, stabiliseerivad võimsust, käivitavad ja peatavad reaktori spetsiaalse mobiili abil kontrollvardad 6 ja 7 materjalidest, mis neelavad intensiivselt termilisi neutroneid. Neid juhib juhtimissüsteem 5 . Tegevused kontrollvardad avalduvad tuumas neutronvoo võimsuse muutumises. Kanalite järgi 10 vesi ringleb, jahutades bioloogilist kaitset betooni

Juhtvardad on valmistatud boorist või kaadmiumist, mis on termiliselt, kiirgus- ja korrosioonikindlad, mehaaniliselt tugevad ja heade soojusülekandeomadustega.

Massiivse terasest korpuse sees 3 on korv 8 kütuseelementidega 9 . Jahutusvedelik siseneb torujuhtme kaudu 2 , läbib südamikku, peseb kõik kütuseelemendid, soojeneb ja läbi torujuhtme 4 siseneb aurugeneraatorisse.

Riis. 1. Tuumareaktor

Reaktor asetatakse paksu betoonist bioloogilise isolatsiooniseadme sisse. 1 , mis kaitseb ümbritsevat ruumi neutronite, alfa-, beeta-, gammakiirguse voolu eest.

Kütuseelemendid (kütusevardad) on reaktori põhiosa. Neis toimub otse tuumareaktsioon ja soojus eraldub, kõik muud osad on soojuse isoleerimiseks, juhtimiseks ja eemaldamiseks. Struktuurselt võivad kütuseelemendid olla valmistatud vardast, plaadist, torukujulistest, sfäärilistest jne. Enamasti on need vardad, pikkusega kuni 1 meeter, läbimõõduga 10 mm. Tavaliselt on need kokku pandud uraanigraanulitest või lühikestest torudest ja plaatidest. Väljastpoolt on kütusevardad kaetud korrosioonikindla õhukese metallkestaga. Korpuse jaoks on kasutatud tsirkooniumi, alumiiniumi, magneesiumisulameid, aga ka legeeritud roostevaba terast.

Tuumareaktsiooni käigus reaktori südamikus eralduva soojuse ülekanne elektrijaamade mootori (turbiini) töövedelikule toimub üheahelalise, kaheahelalise ja kolmeahelalise skeemide järgi (joonis 2).

Riis. 2. Tuumaelektrijaam
a - üheahelalise skeemi järgi; b - vastavalt kaheahelalisele skeemile; c - vastavalt kolmeahelalisele skeemile
1 - reaktor; 2, 3 - bioloogiline kaitse; 4 - rõhuregulaator; 5 - turbiin; 6 - elektrigeneraator; 7 - kondensaator; 8 - pump; 9 - reservvõimsus; 10 – regeneratiivne kütteseade; 11 – aurugeneraator; 12 - pump; 13 - vahepealne soojusvaheti

Iga ahel on suletud süsteem. Reaktor 1 (kõigis soojusahelates), mis asetatakse primaarseadme sisse 2 ja teisejärguline 3 bioloogilised kaitsed. Kui tuumaelektrijaam on ehitatud üheahelalise soojusskeemi järgi, siis aur reaktorist läbi rõhuregulaatori 4 siseneb turbiini 5 . Turbiini võll on ühendatud generaatori võlliga 6 milles tekib elektrivool. Heitgaasi aur siseneb kondensaatorisse, kus see jahutatakse ja täielikult kondenseerub. Pump 8 suunab kondensaadi regeneratiivsesse küttekehasse 10 ja seejärel siseneb see reaktorisse.

Kaheahelalise skeemi korral siseneb reaktoris kuumutatud jahutusvedelik aurugeneraatorisse 11 , kus soojus kandub pinnaküttega üle töövedeliku jahutusvedelikule (sekundaarringi toitevesi). Surveveereaktorites jahutatakse aurugeneraatoris olevat jahutusvedelikku ligikaudu 15...40 °C ja seejärel tsirkulatsioonipumba abil. 12 tagasi reaktorisse.

Kolme ahelaga skeemi korral suunatakse reaktorist jahutusvedelik (tavaliselt vedel naatrium) vahesoojusvahetisse 13 ja sealt edasi tsirkulatsioonipumba poolt 12 naaseb reaktorisse. Sekundaarringi jahutusvedelik on samuti vedel naatrium. See vooluahel ei ole kiiritatud ega ole seetõttu radioaktiivne. Teise ahela naatrium siseneb aurugeneraatorisse 11 , annab soojust töövedelikule ja seejärel suunatakse tsirkulatsioonipump tagasi vahesoojusvahetisse.

Ringlusringide arv määrab reaktori tüübi, kasutatava jahutusvedeliku, selle tuumafüüsikalised omadused ja radioaktiivsuse astme. Üheahelalist skeemi saab kasutada keeva vee reaktorites ja gaasjahutusega reaktorites. Kõige levinum kahekordne vooluring kui seda kasutatakse vee, gaasi ja orgaaniliste vedelike soojuskandjana. Kolmeahelalist skeemi kasutatakse kiirneutronreaktoritega tuumaelektrijaamades, kus kasutatakse vedelaid metallijahutusvedelikke (naatrium, kaalium, naatrium-kaaliumsulamid).

Tuumakütus võib olla uraan-235, uraan-233 ja plutoonium-232. Tooraine tuumkütuse saamiseks - looduslik uraan ja toorium. Ühe grammi lõhustuva materjali (uraan-235) tuumareaktsiooni käigus vabaneb energiat 22×10 3 kWh (19×10 6 cal). Sellise energiahulga saamiseks on vaja põletada 1900 kg õli.

Uraan-235 on kergesti kättesaadav, selle energiavarud on ligikaudu samad kui fossiilkütustel. Nii madala efektiivsusega tuumkütust kasutades nagu praegu, ammenduvad aga olemasolevad uraaniallikad 50–100 aasta pärast. Samas on seal praktiliselt ammendamatud tuumakütuse "maardlad" – see on merevees lahustunud uraan. Seda leidub ookeanis sadu kordi rohkem kui maismaal. Ühe kilogrammi uraandioksiidi mereveest kättesaamise maksumus on umbes 60-80 dollarit ja tulevikus kahaneb see 30 dollarile ning maismaa rikkaimates maardlates toodetud uraandioksiidi maksumus on 10-20 dollarit. Seetõttu muutuvad mõne aja pärast kulud maismaal ja "mereveel" samas suurusjärgus.

Tuumakütuse hind on umbes poole väiksem kui fossiilse söe hind. Söeküttel töötavates elektrijaamades langeb kütuse osakaalule 50–70% elektrienergia maksumusest ja tuumaelektrijaamades 15–30%. Kaasaegne soojuselektrijaam võimsusega 2,3 miljonit kW (näiteks Samara GRES) tarbib päevas umbes 18 tonni kivisütt (6 rongi) või 12 tuhat tonni kütteõli (4 rongi). Sama võimsusega tuumakütus kulub ööpäeva jooksul vaid 11 kg ja aasta jooksul 4 tonni. Tuumaelektrijaam on aga ehituse, töötamise ja remondi poolest kallim kui soojusjaam. Näiteks 2–4 miljoni kW võimsusega tuumajaama ehitamine maksab ligikaudu 50–100% rohkem kui soojuselektrijaam.

Tuumaelektrijaama ehitamise kapitalikulusid on võimalik vähendada:

1. seadmete standardimine ja ühtlustamine;
2. kompaktsete reaktoriprojektide väljatöötamine;
3. juhtimis- ja reguleerimissüsteemide täiustamine;
4. reaktori tankimise ajaks seiskamise kestuse vähendamine.

Tuumaelektrijaamade (tuumareaktori) oluline omadus on kütusetsükli efektiivsus. Kütusetsükli ökonoomsuse parandamiseks peaksite:

• suurendada tuumkütuse põlemise sügavust;
• tõsta plutooniumi sigimise suhet.

Iga uraan-235 tuuma lõhustumisega eraldub 2-3 neutronit. Neist ainult ühte kasutatakse edasiseks reaktsiooniks, ülejäänud lähevad kaotsi. Küll aga on võimalik neid kasutada tuumkütuse taastootmiseks, luues kiirneutronreaktoreid. Kui reaktor töötab kiiretel neutronitel, on 1 kg põletatud uraan-235 kohta võimalik samaaegselt saada ligikaudu 1,7 kg plutoonium-239. Nii saab katta tuumajaamade madala soojusliku kasuteguri.

Kiirneutronreaktorid on (tuumkütuse kasutamise osas) kümme korda tõhusamad kui kütuseneutronreaktorid. Neil pole moderaatorit ja nad kasutavad kõrgelt rikastatud tuumakütust. Südamikust eralduvaid neutroneid neelavad mitte konstruktsioonimaterjalid, vaid nende ümber paiknevad uraan-238 või toorium-232.

Tulevikus on tuumaelektrijaamade peamised lõhustuvad materjalid plutoonium-239 ja uraan-233, mis saadakse vastavalt kiirneutronreaktorites uraan-238-st ja toorium-232-st. Reaktorites uraan-238 muundamine plutoonium-239-ks suurendab tuumakütuse ressursse umbes 100 korda ja toorium-232 uraan-233-ks 200 korda.

Joonisel fig. Joonisel 3 on kujutatud kiirneutronite tuumaelektrijaama diagramm.

Kiiretel neutronitel oleva tuumaelektrijaama iseloomulikud tunnused on:

1. tuumareaktori kriitilisuse muutmine toimub osa tuumakütuse lõhustumisneutronitest peegeldades perifeeriast tagasi tuumani, kasutades reflektoreid 3 ;
2. helkurid 3 suudab pöörata, muutes neutronite leket ja sellest tulenevalt ka lõhustumisreaktsioonide intensiivsust;
3. taastoodetakse tuumakütust;
4. üleliigse soojusenergia eemaldamine reaktorist toimub jahuti-radiaatori abil 6 .

Riis. 3. Kiiretel neutronitel tuumaelektrijaama skeem:
1 - kütuseelemendid; 2 – taastuv tuumkütus; 3 – kiirneutronreflektorid; 4 - tuumareaktor; 5 - elektrienergia tarbija; 6 - külmik-emitter; 7 - soojusenergia muundur elektrienergiaks; 8 - kiirguskaitse.

Soojusenergia muundurid elektrienergiaks

Tuumaelektrijaamas toodetud soojusenergia kasutamise põhimõtte kohaselt võib muundurid jagada kahte klassi:

1. masin (dünaamiline);
2. masinateta (otsemuundurid).

Masinamuundurites ühendatakse reaktoriga tavaliselt gaasiturbiinijaam, milles töövedelikuks võib olla vesinik, heelium, heelium-ksenooni segu. Otse turbogeneraatorisse tarnitava soojuse elektrienergiaks muundamise kasutegur on üsna kõrge - muunduri kasutegur η = 0,7-0,75.

Dünaamilise gaasiturbiini (masina) muunduriga tuumaelektrijaama skeem on näidatud joonisel fig. 4.

Teist tüüpi masinamuundurid on magnetogasdünaamiline või magnetohüdrodünaamiline generaator (MGDG). Sellise generaatori skeem on näidatud joonisel fig. 5. Generaator on ristkülikukujulise ristlõikega kanal, mille kaks seina on valmistatud dielektrikust ja kaks elektrit juhtivast materjalist. Läbi kanalite liigub elektrit juhtiv töövedelik – vedel või gaasiline, millesse tungib magnetväli. Nagu teate, tekib juhi liikumisel magnetväljas EMF, mis piki elektroode 2 üle elektritarbijale 3 . Töötava soojusvoo energiaallikaks on tuumareaktoris vabanev soojus. See soojusenergia kulub laengute liikumisele magnetväljas, s.o. muundatakse voolu juhtiva joa kineetiliseks energiaks ja kineetiline energia elektrienergiaks.

Riis. 4. Gaasiturbiini muunduriga tuumaelektrijaama skeem:
1 - reaktor; 2 – ahel vedela metalli jahutusvedelikuga; 3 – soojusvaheti gaasi soojuse varustamiseks; 4 - turbiin; 5 - elektrigeneraator; 6 - kompressor; 7 - radiaator-radiaator; 8 – soojuse eemaldamise ahel; 9 - tsirkulatsioonipump; 10 - soojusvaheti soojuse eemaldamiseks; 11 - soojusvaheti-regeneraator; 12 - ahel gaasiturbiini muunduri töövedelikuga.

Soojusenergia otsemuundurid (masinateta) elektrienergiaks jagunevad:

1. termoelektriline;
2. termiline;
3. elektrokeemiline.

Termoelektrilised generaatorid (TEG) põhinevad Seebecki põhimõttel, mis seisneb selles, et erinevatest materjalidest koosnevas suletud ahelas tekib termoelektriline võimsus, kui nende materjalide kokkupuutepunktides säilib temperatuuride erinevus (joonis 6). . Elektri tootmiseks on soovitav kasutada pooljuht-TEG-sid, millel on suurem kasutegur, kusjuures kuuma ristmiku temperatuur tuleb viia 1400 K-ni ja kõrgemale.

Termomuundurid (TEC) võimaldavad saada elektrit kõrge temperatuurini kuumutatud katoodist elektronide emissiooni tulemusena (joonis 7).

Riis. 5. Magnetogasdünaamiline generaator:
1 – magnetväli; 2 - elektroodid; 3 - elektrienergia tarbija; 4 - dielektriline; 5 - dirigent; 6 - töövedelik (gaas).

Riis. 6. Termoelektrilise generaatori töö skeem

Riis. 7. Termomuunduri tööskeem

Emissioonivoolu säilitamiseks antakse katoodile soojust Küks . Katoodi poolt emiteeritud elektronid, ületades vaakumpilu, jõuavad anoodini ja neelduvad selles. Elektronide "kondenseerumisel" anoodil vabaneb energia, mis võrdub vastupidise märgiga elektronide tööfunktsiooniga. Kui tagame pideva soojuse juurdevoolu katoodile ja selle eemaldamise anoodilt, siis läbi koormuse R hakkab voolama alalisvool. Elektronide emissioon toimub tõhusalt katoodide temperatuuril üle 2200 K.

TEJ töö ohutus ja töökindlus

Tuumaenergeetika arendamise üks põhiküsimusi on tuumajaamade töökindluse ja ohutuse tagamine.

Kiirgusohutuse tagavad:

1. töökindlate struktuuride ja seadmete loomine personali bioloogiliseks kaitseks kiirgusega kokkupuute eest;
2. TEJ ruumidest väljuva õhu ja vee puhastamine väljaspool selle piire;
3. radioaktiivse saaste eraldamine ja usaldusväärne lokaliseerimine;
4. TEJ ruumide igapäevane dosimeetriline kontroll ja personali individuaalne dosimeetriline kontroll.

Tuumaelektrijaama ruumid jagunevad sõltuvalt töörežiimist ja neisse paigaldatud seadmetest kolme kategooriasse:

1. range režiimiga tsoon;
2. piiranguvöönd;
3. tavarežiimi tsoon.

Kolmanda kategooria ruumides viibib pidevalt personal, need jaama ruumid on kiirguskindlad.

Tuumaelektrijaamades tekivad tahked, vedelad ja gaasilised radioaktiivsed jäätmed. Need tuleb utiliseerida nii, et ei tekiks keskkonnareostust.

Ventilatsiooni käigus ruumist eemaldatavad gaasid võivad sisaldada radioaktiivseid aineid aerosoolide, radioaktiivse tolmu ja radioaktiivsete gaaside kujul. Jaama ventilatsioon on ehitatud selliselt, et õhuvoolud liiguvad kõige “puhtamalt” “saastunuks” ning vastassuunalised ristvoolud on välistatud. Jaama kõigis ruumides toimub õhu täielik asendamine mitte rohkem kui ühe tunni jooksul.

Tuumaelektrijaamade töö käigus kerkib esile radioaktiivsete jäätmete äraveo ja kõrvaldamise probleem. Reaktorites kulutatud kütusevardad peavad vastu teatud aja veekogudes otse tuumaelektrijaamades, kuni toimub lühikese poolestusajaga isotoopide stabiliseerumine, misjärel kütusevardad saadetakse regenereerimiseks spetsiaalsetesse radiokeemilistesse tehastesse. Seal ammutatakse kütusevarrastest tuumkütust ja radioaktiivsed jäätmed maetakse.