Metallipolttoaine ydinreaktoreihin. Ydinpolttoaine: tyypit ja käsittely

Uraaniin tai plutoniumiin perustuvan ydinpolttoaineen elinkaari alkaa kaivosyrityksissä, kemian laitoksissa, kaasusentrifugeissa, eikä pääty siihen hetkeen, kun polttoainenippu puretaan reaktorista, koska jokaisella polttoainenipulla on vielä pitkä matka. hävittäminen ja sitten uudelleenkäsittely.

Raaka-aineiden louhinta ydinpolttoainetta varten

Uraani on raskain metalli maan päällä. Noin 99,4 % maapallon uraanista on uraani-238:aa ja vain 0,6 % on uraani-235:tä. Kansainvälisen atomienergiajärjestön "Punainen kirja" -raportti osoittaa uraanin tuotannon ja kysynnän kasvun Fukushima-1-onnettomuudesta huolimatta, mikä on saanut monet pohtimaan ydinvoiman näkymiä. Pelkästään muutaman viime vuoden aikana tutkitut uraanivarat ovat kasvaneet 7 %, mikä liittyy uusien esiintymien löytämiseen. Kazakstan, Kanada ja Australia ovat edelleen suurimmat tuottajat, jotka tuottavat jopa 63 prosenttia maailman uraanista. Lisäksi metallivaroja on Australiassa, Brasiliassa, Kiinassa, Malawissa, Venäjällä, Nigerissä, Yhdysvalloissa, Ukrainassa, Kiinassa ja muissa maissa. Aiemmin Pronedra kirjoitti, että vuonna 2016 Venäjän federaatiossa louhittiin 7,9 tuhatta tonnia uraania.

Nykyään uraania louhitaan kolmella eri tavalla. Avoin menetelmä ei menetä merkitystään. Sitä käytetään tapauksissa, joissa kerrostumat ovat lähellä maan pintaa. Avokaivosmenetelmässä puskutraktorit luovat louhoksen, jonka jälkeen epäpuhtaudet sisältävä malmi lastataan kippiautoihin kuljetettavaksi käsittelykomplekseihin.

Usein malmikappale sijaitsee suurissa syvyyksissä, jolloin käytetään maanalaista louhintamenetelmää. Kaivos puhkeaa jopa kahden kilometrin syvyyteen, kallio louhitaan poraamalla vaakasuorassa kulmassa ja kuljetetaan ylös tavarahisseissä.

Seoksessa, joka näin ollen viedään ylös, on monia komponentteja. Kivi on murskattava, laimennettava vedellä ja poistettava ylimääräinen. Seuraavaksi seokseen lisätään rikkihappoa liuotusprosessin suorittamiseksi. Tämän reaktion aikana kemistit saavat keltaisen uraanisuolojen sakan. Lopuksi uraani, jossa on epäpuhtauksia, puhdistetaan jalostamossa. Vasta tämän jälkeen saadaan uraanioksidia, jolla käydään kauppaa pörssissä.

On olemassa paljon turvallisempi, ympäristöystävällisempi ja kustannustehokkaampi tapa, jota kutsutaan poraukseksi in situ -liuotukseksi (SIL).

Tällä kenttäkehitysmenetelmällä alue säilyy turvallisena henkilökunnalle ja säteilytausta vastaa suurten kaupunkien taustaa. Uraanin louhimiseksi liuotuksella sinun on porattava 6 reikää kuusikulmion kulmiin. Näiden kaivojen kautta rikkihappoa pumpataan uraaniesiintymiin, se sekoittuu suoloihinsa. Tämä liuos uutetaan, eli se pumpataan ulos kuusikulmion keskellä olevan kaivon kautta. Uraanisuolojen halutun pitoisuuden saavuttamiseksi seos johdetaan useita kertoja sorptiokolonnien läpi.

Ydinpolttoaineen tuotanto

Ydinpolttoaineen tuotantoa ei voida kuvitella ilman kaasusentrifugeja, joita käytetään rikastetun uraanin valmistukseen. Kun vaadittu pitoisuus on saavutettu, uraanidioksidista puristetaan niin sanottuja tabletteja. Ne luodaan voiteluaineilla, jotka poistetaan uuneissa poltettaessa. Polttolämpötila saavuttaa 1000 astetta. Tämän jälkeen tabletit tarkastetaan, että ne ovat ilmoitettujen vaatimusten mukaisia. Pinnan laatu, kosteus, happi- ja uraaniaineen suhde.

Samaan aikaan polttoaine-elementtien putkimaisia ​​kuoria valmistellaan toisessa konepajassa. Yllä olevia prosesseja, mukaan lukien tablettien myöhempi annostelu ja pakkaaminen kuoriputkiin, sulkeminen, dekontaminaatio, kutsutaan polttoainevalmistukseksi. Venäjällä polttoainenippujen (FA) luomisen toteuttavat yritykset "koneenrakennustehdas" Moskovan alueella, "Novosibirskin kemiallisten rikasteiden tehdas" Novosibirskissa, "Moskovan polymetallitehdas" ja muut.

Jokainen polttoainenippujen erä luodaan tietyntyyppistä reaktoria varten. Eurooppalaiset polttoaineniput valmistetaan neliön muodossa ja venäläiset - kuusikulmaisella osalla. Venäjän federaatiossa VVER-440- ja VVER-1000-tyyppisiä reaktoreita käytetään laajalti. Ensimmäiset polttoaine-elementit VVER-440:lle aloitettiin vuonna 1963 ja VVER-1000:lle vuonna 1978. Huolimatta siitä, että Venäjällä otetaan aktiivisesti käyttöön uusia Fukushiman jälkeisiä turvallisuusteknologioita käyttäviä reaktoreita, koko maassa ja ulkomailla on toiminnassa monia vanhanaikaisia ​​ydinlaitoksia, joten erityyppisten reaktorien polttoaineniput ovat yhtä tärkeitä.

Esimerkiksi RBMK-1000-reaktorin yhden aktiivisen vyöhykkeen polttoainenippujen toimittamiseen tarvitaan yli 200 tuhatta zirkoniumseoksista valmistettua komponenttia sekä 14 miljoonaa sintrattua uraanidioksidipellettiä. Joskus polttoainenippujen valmistuskustannukset voivat ylittää kennoissa olevan polttoaineen hinnan, minkä vuoksi on niin tärkeää varmistaa korkea energiatuotto jokaisesta uraanikilosta.

Tuotantoprosessikustannukset %

Erikseen on sanottava tutkimusreaktorien polttoainenippuista. Ne on suunniteltu siten, että neutronien muodostumisprosessin tarkkailu ja tutkiminen on mahdollisimman mukavaa. Tällaisia ​​polttoainesauvoja kokeisiin ydinfysiikan, isotooppien tuotannon ja säteilylääketieteen aloilla Venäjällä tuottaa Novosibirskin kemiallisten rikasteiden tehdas. TVS on tehty saumattomien uraanin ja alumiinin elementtien pohjalta.

Venäjän federaatiossa ydinpolttoaineen tuotannosta vastaa polttoaineyhtiö TVEL (Rosatomin divisioona). Yritys työskentelee raaka-aineiden rikastamisen, polttoaine-elementtien kokoonpanon parissa ja tarjoaa myös polttoaineen lupapalveluita. Kovrovin mekaaninen tehdas Vladimirin alueella ja Uralin kaasusentrifugitehdas Sverdlovskin alueella luovat laitteita venäläisille polttoainenippuille.

Polttoainesauvojen kuljetuksen ominaisuudet

Luonnonuraanille on ominaista alhainen radioaktiivisuus, mutta ennen polttoainenippujen valmistusta metallille tehdään rikastusprosessi. Uraani-235:n pitoisuus luonnonmalmissa ei ylitä 0,7 % ja radioaktiivisuus on 25 becquereliä 1 milligrammassa uraania.

Polttoainenippuihin sijoitetut uraanipelletit sisältävät uraania, jonka uraani-235-pitoisuus on 5 %. Valmiit ydinpolttoainetta sisältävät polttoaineniput kuljetetaan erityisissä lujissa metallikonteissa. Kuljetuksiin käytetään rautatie-, maantie-, meri- ja jopa lentoliikennettä. Jokainen säiliö sisältää kaksi kokoonpanoa. Säteilyttämättömän (tuoreen) polttoaineen kuljettaminen ei aiheuta säteilyvaaraa, koska säteily ei mene zirkoniumputkien ulkopuolelle, joihin puristetut uraanipelletit laitetaan.

Polttoaineerälle kehitetään erityinen reitti, rahti kuljetetaan valmistajan tai asiakkaan turvahenkilöstön mukana (useammin), mikä johtuu ensisijaisesti kaluston korkeista kustannuksista. Ydinpolttoaineen tuotannon koko historian aikana ei ole todettu yhtään polttoainenippujen kuljetusonnettomuutta, joka vaikuttaisi ympäristön säteilytaustaan ​​tai johtaisi ihmishenkiin.

Polttoaine reaktorin sydämessä

Ydinpolttoaineyksikkö - TVEL - pystyy vapauttamaan valtavan määrän energiaa pitkäksi aikaa. Hiiltä tai kaasua ei voi verrata tällaisiin määriin. Polttoaineen elinkaari missä tahansa ydinvoimalaitoksessa alkaa tuoreen polttoaineen purkamisesta, poistamisesta ja varastoinnista polttoainenippuvarastoon. Kun reaktorissa edellinen polttoaine-erä palaa loppuun, henkilöstö viimeistelee polttoainenippuja ladattavaksi sydämeen (reaktorin työalue, jossa hajoamisreaktio tapahtuu). Yleensä polttoainetta ladataan osittain uudelleen.

Polttoaine ladataan täyteen sydämeen vasta reaktorin ensimmäisen käynnistyksen yhteydessä. Tämä johtuu siitä, että reaktorin polttoaine-elementit palavat epätasaisesti, koska neutronivuon voimakkuus vaihtelee reaktorin eri vyöhykkeillä. Kirjanpitolaitteiden ansiosta aseman henkilökunnalla on mahdollisuus seurata kunkin polttoaineyksikön palamisastetta reaaliajassa ja vaihtaa se. Joskus uusien polttoainenippujen lataamisen sijaan nippuja siirretään keskenään. Aktiivisen alueen keskellä burnout esiintyy voimakkaimmin.

TVS ydinvoimalan jälkeen

Ydinreaktorissa toiminutta uraania kutsutaan säteilytetyksi tai palaneeksi. Ja sellaiset polttoaineniput - käytetty ydinpolttoaine. SNF sijoitetaan erilleen radioaktiivisesta jätteestä, koska siinä on vähintään 2 hyödyllistä komponenttia - palamaton uraani (metallin palaminen ei koskaan saavuta 100 %) ja transuraaniradionuklidit.

Viime aikoina fyysikot ovat alkaneet käyttää SNF:ään kertyneitä radioaktiivisia isotooppeja teollisuudessa ja lääketieteessä. Kun polttoaine on suorittanut kampanjansa (aika, jolloin kokoonpano on reaktorisydämässä nimellisteholla käyttöolosuhteissa), se lähetetään käytetyn polttoaineen altaaseen, sitten varastoon suoraan reaktoriosastoon ja sen jälkeen - käsittelyä tai hävittämistä. Jäähdytysallas on suunniteltu poistamaan lämpöä ja suojaamaan ionisoivaa säteilyä vastaan, koska polttoaineniput jäävät vaarallisiksi reaktorista poistamisen jälkeen.

Yhdysvalloissa, Kanadassa tai Ruotsissa SNF:tä ei lähetetä uudelleenkäsittelyyn. Muut maat, mukaan lukien Venäjä, työskentelevät suljettua polttoainekiertoa varten. Sen avulla voidaan merkittävästi alentaa ydinpolttoaineen tuotannon kustannuksia, koska osa SNF:stä käytetään uudelleen.

Polttoainesauvat liuotetaan happoon, minkä jälkeen tutkijat erottavat jätteestä plutoniumin ja käyttämättömän uraanin. Noin 3 % raaka-aineista ei voida käyttää uudelleen, ne ovat korkea-aktiivisia jätteitä, joille tehdään bituminointi tai lasitus.

Käytetystä ydinpolttoaineesta voidaan saada 1 % plutoniumia. Tätä metallia ei tarvitse rikastaa, Venäjä käyttää sitä innovatiivisen MOX-polttoaineen tuotantoprosessissa. Suljetulla polttoainekierrolla voidaan tehdä yksi polttoainenippu halvemmaksi noin 3 %, mutta tämä tekniikka vaatii suuria investointeja teollisuusyksiköiden rakentamiseen, joten se ei ole vielä yleistynyt maailmassa. Rosatom-polttoaineyhtiö ei kuitenkaan lopeta tutkimusta tähän suuntaan. Pronedra kirjoitti äskettäin, että Venäjän federaatio kehittää polttoainetta, joka pystyy hyödyntämään reaktorisydämen americium-, curium- ja neptunium-isotooppeja, jotka sisältyvät hyvin radioaktiiviseen jätteeseen.

Ydinpolttoaineen tuottajat: luokitus

1. Viime aikoihin asti ranskalainen Areva tarjosi 31 prosenttia polttoainenippujen maailmanmarkkinoista. Yhtiön toimialana on ydinpolttoaineen tuotanto ja ydinvoimalaitosten komponenttien kokoonpano. Vuonna 2017 Areva koki laadullisen päivityksen, yritykseen tuli uusia sijoittajia ja vuoden 2015 valtava tappio pieneni 3-kertaiseksi.
2. Westinghouse on japanilaisen Toshiban amerikkalainen osasto. Se kehittää aktiivisesti markkinoita Itä-Euroopassa, toimittaa polttoainenippuja Ukrainan ydinvoimalaitoksille. Yhdessä Toshiban kanssa se tarjoaa 26 prosenttia ydinpolttoaineen tuotannon maailmanmarkkinoista.
3. Kolmannella sijalla on valtionyhtiö Rosatomin (Venäjä) polttoaineyhtiö TVEL. TVEL tarjoaa 17 % maailmanmarkkinoista, sillä on kymmenen vuoden sopimusportfolio arvoltaan 30 miljardia dollaria ja se toimittaa polttoainetta yli 70 reaktoriin. TVEL kehittää polttoainenippuja VVER-reaktoreihin ja tulee myös länsimaisten ydinlaitosten markkinoille.
4. Japan Nuclear Fuel Limited tarjoaa viimeisimpien tietojen mukaan 16% maailmanmarkkinoista ja toimittaa polttoainenippuja useimpiin ydinreaktoreihin itse Japanissa.
5. Mitsubishi Heavy Industries on japanilainen jättiläinen, joka valmistaa turbiineja, säiliöaluksia, ilmastointilaitteita ja viime aikoina ydinpolttoainetta länsimaisiin reaktoreihin. Mitsubishi Heavy Industries (emoyhtiön divisioona) harjoittaa APWR-ydinreaktorien rakentamista, tutkimustoimintaa yhdessä Arevan kanssa. Japanin hallitus valitsi tämän yrityksen kehittämään uusia reaktoreita.

NFC:n keskeinen vaihe on ydinpolttoaineen käyttö ydinvoimalaitoksen reaktorissa lämpöenergian tuotantoon. Ydinreaktori on energialaitteistona tietyn parametrin omaavan lämpöenergian generaattori, joka saadaan fissoimalla uraaniytimiä ja reaktorissa muodostunutta plutoniumia (kuva 6.22). Lämpöenergian sähköenergiaksi muuntamisen tehokkuuden määrää ydinvoimalaitosten lämpöhydraulisten ja sähköisten piirien täydellisyys.

Ydinpolttoaineen palamisen ominaisuudet reaktorin sydämessä, jotka liittyvät erilaisten ydinreaktioiden esiintymiseen polttoaine-elementtien kanssa, määrittävät ydinenergian erityispiirteet, ydinvoimalan käyttöolosuhteet, taloudelliset indikaattorit, ympäristövaikutukset, sosiaaliset ja taloudelliset seuraukset.

Ydinpolttoaineen käytön tehokkuudelle lämpöneutronireaktoreilla varustetuissa ydinvoimalaitoksissa on tunnusomaista keskimääräinen vuotuinen energiantuotanto 1 tonnia (tai 1 kg) reaktoriin ladattua ja käytettyä polttoainetta kohti - sen keskimääräinen palamissyvyys (sen mitta on MW päivä / tonnia). Ydinreaktioiden seurauksena tapahtuvassa uraanipolttoaineen palamisessa tapahtuu merkittävä muutos sen nuklidikoostumuksessa Kuvassa 6.23 on tyypillinen kaavio tästä prosessista suhteessa VVER-1000 reaktorisydämen suunnitteluolosuhteisiin alkurikastuksella x = 4,4 % (44 kg/t) ja polttoaineen palamisen keskimääräinen mitoitussyvyys В=40 10 3 MW vrk/t (tai α =42 kg/t), ja kuvassa 6.24 on laskettu käyrä polttoaineen nuklidikoostumuksen muutoksista. polttoaine x = 2 % ja В=20 10 3 MW vrk/t RBMK-1000 reaktorisydämessä. Voidaan nähdä, että 235 U:n palaessa 238 U:n ytimien neutronien säteilysieppauksen seurauksena syntyy plutoniumin halkeavia isotooppeja 239 Pu, 241 Pu ja halkeamattomia isotooppeja 240 Pu, 242 Pu ja myös 236 U. ja muiden transuraani- ja transplutonium-alkuaineiden hajoaminen (kuva 6.25), joiden lukumäärä on suhteellisen pieni ja jota ei oteta huomioon taloudellisissa laskelmissa.

Kuvassa 6.26 on esitetty PWR-reaktorin uraanipolttoaineen, jonka alkurikastus on 3,44 %, nuklidikoostumuksen muutoksen riippuvuus neutronivirrasta. Plutoniumin halkeavien isotooppien (239 Pu ja 241 Pu) osuus VVER-1000-ydinreaktorin kokonaistehosta on yli 33 %. Tämä prosessi tapahtuu myös muissa lämpöneutronireaktoreissa. Plutoniumin osuus fissio- ja energiantuotannossa on sitä suurempi, mitä suurempi on plutoniumin lisääntymissuhde (BR) ja sitä suurempi on polttoaineen keskimääräinen palaminen.

Käytettyyn polttoaineeseen kertyvien plutonium-isotooppien määrä on olennainen ydinvoimateollisuuden teknisten ja taloudellisten laskelmien ja arvioiden kannalta. Kemiallisen käsittelyn aikana käytetystä polttoaineesta erotettuna ne ovat myös ydinvoimalaitosten kaupallisia tuotteita.

Käytettyyn polttoaineeseen kertyneen plutoniumin kaikkien tai vain halkeavien termisten neutronien z isotooppien massan z* 1 tonnin käytettyyn polttoaineeseen sisältyvien fissioituvien ytimien massaan α kutsutaan yleisesti plutoniumin kertymäkertoimeksi (KN):

КН=z/α; KH*=z*/α ,

jossa z* on kaikkien käytettyyn polttoaineeseen kertyneen plutonium-isotooppien massa (mukaan lukien 235U:n häviö, joka johtuu muuntamisesta 236U:ksi ilman fissiota). CV:n likimääräiseen laskemiseen voidaan käyttää ydinfysikaalisten laskelmien perusteella rakennettuja polttoaineen nuklidikoostumuksen muutosten käyriä (ks. kuva 6.23 ja 6.24). Keskimääräisen palamissyvyyden B kasvuun liittyy (taulukko 6.13) käytetyn polttoaineen plutoniumin määrän väheneminen, mutta sen osuuden kasvu reaktorin kokonaistehosta. Tämä osuus on mitä suurempi, sitä suurempi on integraalin CV:n arvo (muodostuneiden halkeavien nuklidien lukumäärän suhde erottuneiden nuklidien lukumäärään).

Taulukko 6.13 Polttoaineen palaminen ja plutoniumin kerääntyminen lämpöreaktoreihin

Ydinpolttoaineen 235 U:n materiaalitasetta analysoitaessa on otettava huomioon sen peruuttamattomat häviöt reaktorin sydämessä, jotka aiheutuvat neutronien sieppaamisesta 235 U:n isotoopin toimesta ilman fissiota 235 U+n → 236 U + γ .

Merkittävä osa 235 U:sta ei hajoa, vaan muuttuu keinotekoiseksi halkeamattomaksi radioaktiiviseksi isotoopiksi 236 U. Todennäköisyys, että 236 U muodostuu 235 U:sta, on yhtä suuri kuin poikkileikkauksen suhde neutronin säteilyn sieppaamiseen 235 U-isotooppi (σ n γ \u003d 98,36 E n \u003d 0,0253 eV) poikkileikkausten summaksi säteilyn sieppaamiseksi ja fissioksi (σ ~ 580 barn). Siten reaktorisydämeen ladatun 235 U:n saldossa on otettava huomioon paitsi 235 U:n ytimien kuluminen sen fission aikana, vaan myös peruuttamattomasti menetettyjen 235 U:n ytimien väheneminen (~ 15 %). 236 U:n muodostuminen.

Kuvassa 6.27 on esitetty 236 U:n kertymistaso nykyaikaisen ydinvoimalaitoksen painevesireaktorissa, jossa on erilainen polttoaineen alkurikastus riippuen sen palamissyvyydestä.

236 U:n muodostuminen puolestaan ​​johtaa sen kulutukseen uusien alkuaineiden 237 Np ja 238 Pu muodostumisprosessissa (katso kuva 6.22). Kuvan 6.27 riippuvuudet ottavat tämän prosessin huomioon. Palamissyvyydellä 30 10 3 MW vrk/t 0,35–0,40 % 236 U muodostuu lämpöneutronireaktoreissa, joiden polttoaineen rikastus on ~ 3,4 % 235 U.

Kun VVR-ytimen pitoisuus on 0,12 % 236 U, saavutettavissa olevan palamissyvyyden menetys on 10 3 MW vrk/t, 0,4 % 236 U - 2,5 10 3 MW vrk/t, 1 % 236 U - 5 10 3 MW päivä/t. Olemassa olevissa kevytvesireaktoreissa 236 U:n negatiivisen vaikutuksen kompensoimiseksi ja haluttujen energiaominaisuuksien saavuttamiseksi on tarpeen lisätä 235 U:n polttoaineen alkurikastusta, mikä nostaa ydinpolttoainekierron kustannuksia.

Ydinpolttoaineen käyttö ydinvoimalaitosreaktoreissa sisältää seuraavat päätoiminnot:

• toimittajalaitokselta saadun tuoreen polttoaineen purkaminen, vastaanotto ja varastointi FA-varastoon;
• polttoainenippujen kokoonpano reaktoriin lastaamista varten yhdessä ohjaussauvojen kanssa;
• polttoainenippujen lataaminen reaktorin sydämeen (alkuvaiheessa tai jaksoittaisen ja osittaisen tankkausjärjestyksessä); polttoaineen tehokas käyttö reaktorin sydämessä (määrätyn lämpöenergian tuottaminen reaktorissa).

Reaktorissa käytetty ydinpolttoaine ladataan uudelleen reaktorihallissa sijaitsevaan käytetyn polttoainealtaaseen ja pysyy siellä useita vuosia. Näin pitkä altistuminen mahdollistaa polttoainenippujen alkuradioaktiivisuuden ja jälkilämpöä merkittävästi vähentävän, vuotavien nippujen ja polttoainesauvojen hylkäämisen helpottaen käytetyn polttoaineen kuljetusta ydinvoimalaitoksen alueelta (taulukko 6.14).

Käytetyn polttoaineen altaista käytetty polttoaine uudelleen lastataan erityisille rautatien laitureille tai muihin ajoneuvoihin asennettuihin kuljetuskontteihin. Tämä toiminta päättyy ydinvoimalaitoksella ydinpolttoainekierron pisimpään - keskeiseen - vaiheeseen. Joissakin ydinvoimalaitoksissa on pitkäaikainen käytetyn polttoaineen puskurivarasto tai ne voivat sisältää käytettyjä polttoainenippuja erityisissä säiliöissä, jotka on mukautettu pitkäaikaiseen kuivavarastointiin.

Polttoainejaksotyypit. Polttoainejaksoja on useita riippuen ladattavan reaktorin tyypistä ja siitä, mitä tapahtuu reaktorista poistetulle käytetylle polttoaineelle. Kuva 6.28 esittää kaavion avoimesta (avoin) polttoainekierrosta.

Käytettyä polttoainetta varastoidaan määräämättömän pitkän ajan ydinvoimalaitoksen käytetyn polttoaineen altaassa. Tältä osin on tarpeen varmistaa käytetyn polttoaineen käsittelyn, pakkaamisen ja siirtämisen turvallisuus pysyvään varastointipaikkaan käyttämällä julkisia varastoja. Tässä syklissä poltetun polttoaineen halkeamiskelpoisten aineiden talteenotto- tai rikastusprosessia ei suoriteta. Kuvassa 6.29 on esitetty sykli, jossa käytettyä polttoainetta käsitellään siten, että talteen saadaan vain uraani. Plutonium- ja transuraanielementit käsitellään tässä syklissä korkea-aktiivisena jätteenä (HLW).

Uraani tuodaan takaisin rikastuslaitokseen rikastusprosentin nostamiseksi 0,8 prosentista 3 prosenttiin, mikä riittää sen uudelleenkäyttöön VVR:n polttoaineena. "Jäte" vaatii asianmukaista käsittelyä, pakkaamista ja kuljetusta pysyvään varastointipaikkaan. Täydellisempi polttoainekierto on esitetty kuvassa 6.30. Täällä uutetaan uraanin lisäksi myös plutoniumia. Koska plutonium on halkeavaa materiaalia, sitä voidaan käyttää polttoaineena. Uraanioksidin kanssa sekoitettua plutoniumoksidia voidaan käyttää uudelleen WWR-syklissä. Tämä polttoaineseos, jota käytetään pilottikokoonpanoissa useissa kaupallisissa reaktoreissa, on osoittanut menestyksekkään käytön WWR:n polttoaineena.

Taulukko 6.14 Muutos ominaisaktiivisuudessa ja lämmön vapautumisessa 1 tonnissa käytettyä polttoainetta, joka puretaan VVER:stä keskimääräisellä palamalla 33 10 3 MW vrk/t

Plutoniumin kierrätys ei kuitenkaan ole saanut kaupallista hyväksyntää useiden esteiden ja rajoitusten vuoksi. Japanissa ja Saksassa osoitettiin suurta kiinnostusta plutoniumin kierrätykseen. Japanissa pääasiallisena motiivina oli varmistaa ydinvoimaloiden polttoaineen hankinnan riippumattomuus. Saksassa he halusivat hyödyntää tätä yksinkertaistaakseen huomattavasti korkea-aktiivisen jätteen hävittämistä.

On myös mahdollista yhdistää VVR ja nopeat reaktorit perustuen polttoainekierron kolmanteen versioon. Käytetystä polttoaineesta saatua plutoniumia voidaan käyttää nopean reaktorin ensimmäisenä polttoainekuormana.

Tämä on plutoniumin tehokkain käyttötapa, sillä sen parhaat ominaisuudet löytyvät neutronispektrin nopeasta osasta. Tätä suuntaa käytetään Ranskassa.

Ranskan jalostamoissa tuotettu plutonium on varastoitu myöhempää käyttöä varten nopean reaktorin kehitysohjelmassa. Nopea neutronireaktori vaatii oman polttoainekiertonsa, jolla on omat erityispiirteensä ja ominaisuudet. Tämä spesifisyys johtuu polttoaineen syvästä palamisesta kasvattajassa (3 kertaa tai enemmän kuin VVR:ssä). Toinen sykli perustuu toriumin käyttöön, joka, vaikkakaan ei ole halkeamiskelpoista materiaalia, muunnetaan reaktorissa 23 U. Toriumia käytettiin dVVR-reaktorilla (Indian Point 1 ja Shippingport), mutta toriumsykli ei saanut teollista kehitystä. Toriumsykliä käytetään korkean lämpötilan kaasureaktoreissa (joissa polttoaine on kapseloitu grafiittimatriisiin).

Tällä hetkellä reaktorien ja koko ydinvoimalaitosten parannustyön tehostumisen yhteydessä monien maiden kannat ydinpolttoainekiertotyypin valinnassa ovat muuttumassa. Yhä useammat kehittäjät valitsevat suljetun (suljetun) polttoainekierron. Toisaalta eräässä syyskuussa 2004 pidetyn IAEA:n konferenssin raporteissa, joissa analysoitiin tilannetta NFC-tyypin valinnassa, ottaen huomioon kasvava energian kysyntä, todetaan, että avoin eli yksittäinen polttoainekierto. on merkittäviä etuja suljettuun kiertoon verrattuna tuotantokustannusten, ydinsulkuongelmien ja polttoainekierron toiminnan turvallisuuden suhteen. Raportin mukaan maailmassa on riittävästi luonnonuraanimalmia, jotta 1000 uuden reaktorin käyttöönotto voidaan varmistaa seuraavan viidenkymmenen vuoden aikana. Ydinpolttoaineen "kertaluonteinen" käyttötapa säilyy suhteellisen halvana ja turvallisena, kunnes uraanimalmiesiintymät loppuvat ja ydinvoimat alkavat jälleenkäsitellä kertynyttä käytettyä ydinpolttoainetta plutoniumin, ei-luonnollisen, keinotekoisen palamisen sivutuotteen, tuottamiseksi. uraani. Samaan aikaan SNF:n ja jätevesien loppusijoitustoiminnan kustannustilannetta ei analysoida. Uraanimalmivarantojen ehtyessä kuitenkin avoimen polttoainekierron käyttökustannukset, päinvastoin kuin suljetun syklin, voivat nousta. Suljetun syklin käyttöön liittyvien arvaamattomien riskien välttämiseksi asiantuntijat suosittelevat kuitenkin, että hallitukset ja ydinvoimateollisuuden johtajat jatkavat avoimen syklin käyttöä suljetun syklin sijaan, koska ydinvoimat ovat kalliita. SNF:n jälleenkäsittelyprosessi ja kehitys uusien lämpöydin- eli nopean neutronien reaktorien alalla. Raportin laatijat suosittelevat vahvasti polttoainekiertotutkimuksen ja -kehityksen suuntaamista sellaisten teknologioiden kehittämiseen, jotka eivät normaalissa toiminnassa, eli ydinenergian rauhanomaisessa käytössä johtaisi asekäyttöön soveltuvien materiaalien, mukaan lukien uraanin, halkeamiskelpoisten materiaalien tuotantoon. materiaalit (kuten plutonium) ja pienet aktinidit. Länsi-Euroopassa ja Japanissa tällä hetkellä käytössä olevat suljetun polttoainekierron käytännöt eivät täytä tätä kriteeriä, raportin mukaan. Siksi sen laatijat sanovat, että polttoainekiertoanalyysiin, tutkimukseen, kehitykseen ja testaukseen tulisi sisältyä selkeä arvio ydinaseiden leviämisen mahdollisesta riskistä ja tämän riskin minimoimiseksi tarvittavista toimenpiteistä. Jos kuitenkin ydinvoiman tulevaisuuden todennäköisin ennuste on avoimeen polttoainekiertoon perustuvan ydinteollisuuden globaali kasvu, niin raportin tekijöiden mukaan kansainväliset sopimukset käytetyn polttoaineen varastoinnista tulisi tehdä. seuraavien kymmenen vuoden aikana, minkä pitäisi vähentää merkittävästi mahdollista ydinaseiden leviämisen riskiä.

Tulevaisuudessa laajamittaisessa ydinvoimateollisuudessa nopeilla neutroneilla ydinreaktioiden vyöhykkeellä, ei vain aktinidien fissio, vaan myös plutonium-isotooppien tuotanto, erinomainen ydinpolttoaine, raakaydinpolttoaineesta uraani-238 ulos. Yli 1:n lisääntymissuhteella voidaan päästää enemmän plutoniumia poistetusta ydinpolttoaineesta kuin se palaa. Nopeista ydinreaktoreista purettu ydinpolttoaine on mentävä radiokemialliseen laitokseen, jossa se poistetaan neutroneja absorboivista fissiotuotteista. Sitten ydinketjureaktion suorittamiseen riittävä uraani238:sta ja aktinideista (Pu, Np, Cm, Am) koostuva polttoaine yhdessä köyhdytetyn uraanin lisäaineen kanssa ladataan jälleen ydinvoimalaitoksen ytimeen. Nopeiden neutronien ydinreaktorissa radiokemiallinen käsittely voi polttaa lähes kaiken uraani-238:n.

Raportin tekijöiden mielestä nopeat neutronireaktorit tulevat vallitsemaan laajamittaisessa ydinvoimatekniikassa. Näistä reaktoreista purettu polttoaine sisältää suuren määrän aktinidisotooppeja (Pu, Np, Cm, Am), sille on ominaista suuri palamissyvyys, mikä tarkoittaa, että ydinpolttoaineen massayksikköä kohti tulee enemmän fissiotuotteita.

On edelleen tarpeen luoda radiokemiallisia teknologioita, jotka tarjoavat:

• ydinturvallisuus, kun otetaan huomioon paljon suurempi määrä pieniä aktinideja, joilla on omat kriittiset massansa;
• fissiotuotteiden syväpuhdistus aktinideista, jotta ei aiheudu vaikeuksia niiden varastoinnissa, hautaamisessa ja transmutaatiossa;
• teknologisen jätteen massan maksimaalinen vähentäminen;
• jodin, tritiumin, kryptonin ja radioaktiivisten aerosolien radiokemiallisessa käsittelyssä syntyvien kaasujen parempi puhdistus;
• käyttöhenkilöstön säteilyturvallisuus;
• kansantalouden tarvitsemien kemiallisten alkuaineiden, esimerkiksi puhtaan α-lähteen, saaminen;
• mahdollisuus käyttää useita ydinreaktiovyöhykkeellä sijaitsevia materiaaleja, jotka koostuvat arvometalleista (Ni, Cr, Nb, Mo. Ti, W, V), jotka ovat saaneet indusoituneen aktiivisuuden;
• taloudellisesti kannattavaa radiokemiallista käsittelyä, joka on kilpailukykyinen verrattuna luonnonuraanin louhintaan tulevaisuuden energiaa varten.

Tällä hetkellä neljän venäläisen ydinvoimalaitoksen (Novo-Voronezh, Balakovo, Kalinin, Rostov), ​​kolmen ukrainalaisen (Etelä-Ukrainan, Hmelnitski, Rovno) ja Kozloduyn (Bulgaria) ydinvoimalan käytettyä ydinpolttoainetta varastoidaan laitoksen "märässä" RT-2 käytetyn polttoaineen regenerointia varten liittovaltion yhtenäisen yrityksen GCC:n alueella Zheleznogorskissa (Venäjä). Hankkeen mukaan loppusijoitustila on suunniteltu 6000 tonnille, se on tarkoitus tiivistää siten, että siihen on mahdollista sijoittaa 8600 tonnia SNF:ää. Säteilytetyt polttoaineniput (SFA) varastoidaan vähintään 2,5 metrin vesikerroksen alle kokoonpanon yläpuolelle, mikä varmistaa henkilöstön luotettavan suojan kaikenlaiselta radioaktiiviselta altistumiselta. Sen jälkeen, kun käytetty ydinpolttoaine on säilytetty märkävarastossa, se sijoitetaan SNF:n kuivavarastoon (KhOT-2), jonka kokonaiskapasiteetti on 38 000 tonnia (josta 27 000 tonnia on käytetty RBMK-polttoaineen varastointiin) 1000 reaktoria, 11 000 tonnia VVER-1000 reaktoreiden käytetylle polttoaineelle), rakentaminen on nyt täydessä vauhdissa laitoksella ja ensimmäinen vaihe otetaan käyttöön joulukuussa 2009. XOT-2-varastokompleksi varmistaa käytetyn ydinpolttoaineen turvallisen pitkäaikaisen varastoinnin RBMK-1000- ja VVER-1000-reaktoreista ja sen siirron edelleen radiokemialliseen käsittelyyn tai maanalaiseen eristykseen. XOT-2 varustetaan nykyaikaisilla säteily- ja ydinturvallisuuden valvontajärjestelmillä.

Miksi uraani?

Ihmiskunta on sitonut kätensä ja jalkansa sähköjohtoilla. Kodinkoneet, teollisuuslaitteet, katuvalaistus, johdinautot, metrot, sähköjunat - kaikki nämä sivilisaation edut saavat virtansa sähköverkosta; niistä tulee merkityksettömiä "raudankappaleita", jos virta jostain syystä katkeaa. Ihmiset ovat kuitenkin jo niin tottuneet virransyötön pysyvyyteen, että kaikki sammutukset aiheuttavat tyytymättömyyttä ja jopa epämukavuutta. Ja todella, mitä ihmisen pitäisi tehdä, jos kaikki laitteet sammuivat kerralla, mukaan lukien rakkaimmat - televisio, tietokone ja jääkaappi? Erityisen vaikeaa on sietää "eroamista" illalla, kun niin haluaa töiden tai opiskelun jälkeen, kuten sanotaan, pidentää päivänvaloa. Pelastaako tabletti vai puhelin, mutta loppujen lopuksi niissä on myös lataus, joka ei ole ikuinen. Vielä pahempaa on päätyä "vankilaselliin", johon sähkökatkon pyynnöstä voi kääntyä hissihytti tai metrovaunu.

Miksi kaikki tämä puhe? Ja siihen tosiasiaan, että "sähköistetty" ihmiskunta tarvitsee vakaita ja tehokkaita energialähteitä - ennen kaikkea sähköä. Sen puutteen myötä sähkökatkot tulevat ärsyttävän yleisiksi ja elintaso laskee. Jotta epämiellyttävä skenaario ei toteutuisi, on tarpeen rakentaa yhä enemmän voimalaitoksia: globaali energiankulutus kasvaa ja olemassa olevat voimayksiköt vanhenevat vähitellen.

Mutta mitä moderni energia, joka polttaa pääasiassa hiiltä ja kaasua, voi tarjota ongelman ratkaisemiseksi? Tietenkin uudet kaasulaitokset, jotka tuhoavat arvokkaita kemiallisia raaka-aineita, tai taivasta savuttavat hiililohkot. Lämpövoimalaitosten päästöt ovat muuten tunnettu ympäristöongelma, mutta myös fossiilisten polttoaineiden kaivosyritykset aiheuttavat haittaa ympäristölle. Mutta sen kulutus on valtava. Esimerkiksi perinteisen jääkaapin toiminnan varmistamiseksi vuoden aikana tulee polttaa noin sata kiloa hiiltä tai satoja kuutiometrejä maakaasua. Ja tämä on vain yksi kodinkone, jota on monia.

Muuten, kuinka paljon ydinpolttoainetta tarvitaan, jotta mainittu jääkaappi toimisi koko vuoden? On vaikea uskoa, mutta ... vain yksi gramma!

Rikastetusta uraanista valmistetun ydinpolttoaineen valtava energiaintensiteetti tekee siitä arvokkaan kilpailijan hiilelle ja kaasulle. Itse asiassa ydinvoimalaitos kuluttaa satatuhatta kertaa vähemmän polttoainetta kuin lämpövoimalaitos. Tämä tarkoittaa, että uraanin louhinta on paljon pienemmässä mittakaavassa, mikä on ympäristön kannalta tärkeää. Lisäksi ei ole kasvihuone- ja myrkyllisiä kaasuja.

Tuhannen megawatin ydinvoimalaitoksen voimayksikkö kuluttaa vain kolmekymmentä tonnia ydinpolttoainetta vuodessa ja vastaavan kapasiteetin lämpölaitos tarvitsee noin kolme miljoonaa tonnia hiiltä tai kolme miljardia kuutiometriä kaasua. Toisin sanoen saman sähkömäärän saamiseksi tarvitset joko useita ydinpolttoainetta käyttäviä vaunuja vuodessa tai useita hiilen junia ... päivässä.

Entä uusiutuvat energialähteet? Ne ovat tietysti hyviä, mutta niitä on vielä parannettava. Otetaan esimerkiksi aseman alue. Tuuliturbiinien ja aurinkopaneelien osalta se on kaksi suuruusluokkaa suurempi kuin perinteisissä voimalaitoksissa. Esimerkiksi jos ydinvoimalaitos (NPP) mahtuu muutaman neliökilometrin alueelle, niin saman kapasiteetin tuulipuisto tai aurinkokenttä vie useita satoja neliökilometrejä. Yksinkertaisesti sanottuna pinta-alasuhde on kuin pienessä kylässä ja erittäin suuressa kaupungissa. Aavikolla tämä indikaattori ei ehkä ole tärkeä, mutta maa- tai metsätalouden vyöhykkeellä - jopa miten.

On syytä mainita, että ydinpolttoaine on aina käyttövalmis vuodenajasta, päivästä tai sääoloista riippumatta, kun aurinko ei paista yöllä ja tuuli puhaltaa milloin haluaa. Lisäksi joillakin alueilla uusiutuva energia ei ole lainkaan kannattavaa alhaisen aurinkoenergiavirran tai alhaisen keskimääräisen tuulen nopeuden vuoksi. Ydinvoimaloissa tällaisia ​​ongelmia ei yksinkertaisesti ole.

Nämä ydinenergian edut määrittelivät uraanin - ydinpolttoaineena - erinomaisen roolin nykyaikaisessa sivilisaatiossa.

Kuka sai kuinka paljon?

Eräässä vanhassa Neuvostoliiton sarjakuvassa eläimet ratkaisivat tärkeän tehtävän - he jakoivat appelsiinin. Tämän seurauksena kaikille, paitsi susi, annettiin maukas mehukas siivu; Harmaan täytyi tyytyä kuoreen. Toisin sanoen hän ei saanut arvokasta resurssia. Tästä näkökulmasta on mielenkiintoista tietää, miten uraanin tilanne on: onko kaikilla maailman mailla sen varantoja vai onko niistä pulaa?

Itse asiassa maapallolla on paljon uraania, ja tätä metallia löytyy melkein kaikkialta: planeettamme kuoresta, valtameristä, jopa ihmiskehosta. Ongelmana on sen "hajoaminen", "tahraaminen" maan kivien päälle, mikä johtaa alhaiseen uraanin pitoisuuteen, joka ei useimmiten riitä taloudellisesti kannattavan teollisuustuotannon järjestämiseen. Joissain paikoissa on kuitenkin kertymiä, joissa on korkea uraaniesiintymä. Ne ovat jakautuneet epätasaisesti, ja uraanivarannot vaihtelevat maittain. Suurin osa tämän elementin talletuksista "kellui pois" Australian kanssa; lisäksi Kazakstan, Venäjä, Kanada ja Etelä-Afrikan maat olivat onnekkaita. Tämä kuva ei kuitenkaan ole jäätynyt, tilanne muuttuu jatkuvasti uusien esiintymien etsimisen ja vanhojen ehtymisen vuoksi.

Tutkittujen uraanivarojen jakautuminen maittain (varannot tuotantokustannuksineen< $130/кг)

Maailman valtameren vesiin liukenee valtava määrä uraania: yli neljä miljardia tonnia. Vaikuttaa siltä, ​​että ihanteellinen "talletus" - en halua minun. Tiedemiehet ovat kehittäneet erityisiä sorbentteja uraanin uuttamiseen merivedestä jo 1980-luvulla. Miksi tätä erinomaista menetelmää ei sovelleta yleisesti? Ongelmana on, että metallipitoisuus on liian alhainen: vain noin kolme milligrammaa voidaan saada pois tonnista vettä! On selvää, että tällainen uraani tulee olemaan liian kallista. Arvioiden mukaan kilo maksaa pari tuhatta dollaria, mikä on paljon kalliimpaa kuin "maa" -vastine. Mutta tutkijat eivät ole järkyttyneitä ja keksivät yhä tehokkaampia sorbentteja. Joten ehkä lähitulevaisuudessa tästä uuttomenetelmästä tulee kilpailukykyinen.

Tähän mennessä tutkittujen uraanivarantojen kokonaismäärä, joiden tuotantokustannukset ovat alle 130 dollaria kilogrammalta, on yli 5,9 miljoonaa tonnia. Onko se paljon? Ihan tarpeeksi: jos ydinvoimaloiden kokonaiskapasiteetti pysyy nykyisellä tasolla, niin uraani kestää sata vuotta. Vertailun vuoksi todetut öljy- ja kaasuvarat voidaan käyttää loppuun vain 30–60 vuodessa.

Kymmenen parasta maata alueellaan olevien uraanivarantojen mukaan (varannot, joiden louhintakustannukset ovat< $130/кг)

Ei kuitenkaan pidä unohtaa, että ennusteiden mukaan ydinvoimateollisuus kehittyy, joten nyt kannattaa miettiä resurssipohjan laajentamista.

Yksi tapa ratkaista ongelma on löytää ja kehittää uusia talletuksia oikea-aikaisesti. Käytettävissä olevien tietojen perusteella tämän ei pitäisi olla ongelma: vasta viime vuosina uusia esiintymiä on löydetty joistakin Afrikan, Etelä-Amerikan ja myös Ruotsin maista. On totta, että on mahdotonta sanoa varmasti, kuinka kannattavaa löydettyjen luonnonvarojen louhinta on. Saattaa käydä niin, että malmin alhaisen uraanipitoisuuden ja esiintymien kehittymisen vaikeuden vuoksi osa niistä on jätettävä "myöhemmäksi". Tosiasia on, että tämän metallin hinnat ovat nyt melko alhaiset. Taloudellisesta näkökulmasta ei ole mitään yllättävää. Ensinnäkin, maailmassa on edelleen suhteellisen helposti louhittavan ja siten halvan uraanin esiintymiä - se tulee markkinoille ja "pyökkää" hinnan. Toiseksi Fukushiman onnettomuuden jälkeen jotkut maat tarkensivat suunnitelmiaan uusien ydinvoimayksiköiden rakentamiseksi, ja Japani pysäytti kaikki ydinvoimalansa kokonaan - kysyntä laski, mikä alensi uraanin kustannuksia entisestään. Mutta tämä ei ole pitkä. Kiina ja Intia ovat jo osallistuneet peliin suunnittelemalla laajamittaista ydinvoimaloiden rakentamista alueelleen. Muissa Aasian maissa sekä Afrikan ja Etelä-Amerikan maissa on vähemmän kunnianhimoisia hankkeita. Edes Japani ei ilmeisesti pysty luopumaan ydinvoimateollisuudestaan. Siksi kysyntä elpyy vähitellen, ja yhdessä edullisien esiintymien ehtymisen kanssa tämä johtaa uraanin hintojen nousuun. Analyytikot uskovat, että odotus ei ole pitkä, vain muutama vuosi. Sitten on mahdollista ajatella "myöhemmin" jätettyjen talletusten kehitystä.

On mielenkiintoista, että luettelot maista, joilla on suurimmat uraanivarannot ja niistä, joilla on kehittynein ydinvoimateollisuus, eivät käytännössä täsmää. Kolmannes maailman uraanin "varallisuudesta" on Australian suolistossa, mutta vihreällä mantereella ei ole yhtään ydinvoimalaa. Kazakstan, maailman johtava tämän metallin valmistaja, valmistautuu juuri rakentamaan useita ydinvoimayksiköitä. Afrikan maat ovat taloudellisista ja muista syistä kaukana liittymisestä maailman "ydinperheeseen". Tämän mantereen ainoa ydinvoimala sijaitsee Etelä-Afrikan tasavallassa, joka ilmoitti hiljattain haluavansa kehittää ydinenergiaa edelleen. Kuitenkin toistaiseksi jopa Etelä-Afrikka on ottanut aikalisän.

Mitä "atomi" jättiläisille - USA:lle, Ranskalle, Japanille - sekä Kiinalle ja Intialle on vielä tehtävä, jos heidän tarpeensa ovat suuret ja kissa on itkenyt omia varojaan? Yritä tietysti saada hallintaansa muiden maiden esiintymät ja uraanikaivosyritykset. Tämä tehtävä on luonteeltaan strateginen, ja sen ratkaisemiseksi valtiot käyvät kovia taisteluita. Suuria yrityksiä ostetaan, poliittisia liikkeitä toteutetaan, maanalaisia ​​suunnitelmia toteutetaan oikeiden ihmisten lahjonnalla tai oikeussodilla. Afrikassa tämä taistelu voi jopa kärjistyä - ja on jo kärjistymässä - sisällissodiksi ja vallankumouksiksi, joita johtavat valtiot piakkoin tukevat vaikutusalueiden uudelleenjakamista.

Tässä suhteessa Venäjä on onnekas: ydinvoimaloillamme on omat varsin kunnolliset uraanivarannot, joita louhitaan Trans-Baikal-alueella, Kurganin alueella ja Burjatian tasavallassa. Lisäksi järjestetään aktiivista etsintätyötä. Esiintymillä Transbaikalin alueella, Länsi-Siperiassa, Karjalan tasavallassa, Kalmykian tasavallassa ja Rostovin alueella oletetaan olevan suuria mahdollisuuksia.

Lisäksi Rosatom omistaa myös ulkomaisia ​​omaisuuseriä - suuria osakkeita uraanikaivosyrityksissä Kazakstanissa, Yhdysvalloissa, Australiassa ja työskentelee myös lupaavissa projekteissa Etelä-Afrikassa. Tämän seurauksena Rosatom on maailman johtavien uraanin tuotantoyhtiöiden joukossa kolmannella sijalla Kazatompromin (Kazakstan) ja Camecon (Kanada) jälkeen.

Tutkimalla meteoriittien kemiallista koostumusta, joista osa on Marsin alkuperää, tutkijat ovat löytäneet uraanin. Totta, sen pitoisuus osoittautui huomattavasti alhaisemmaksi kuin maanpäällisissä kivissä. Joo, nyt on selvää, miksi marsilaiset kävivät meillä lentävällä lautasella.

Mutta vakavasti, uskotaan, että uraania on läsnä kaikissa aurinkokunnan kohteissa. Esimerkiksi vuonna 2009 se löydettiin kuun maaperästä. Välittömästi syntyi fantastisia ideoita, kuten uraanin louhinta satelliitista ja sen lähettäminen Maahan. Toinen vaihtoehto on "ruokkia" Kuun siirtokuntien reaktoreita, jotka ovat tiiviisti lähellä esiintymiä. Talletuksia ei kuitenkaan ole vielä etsitty; ja taloudellisesta näkökulmasta tällainen tuotanto näyttää edelleen mahdottomalta toteuttaa. Mutta tulevaisuudessa, kuka tietää...

Jos kärsit pitkään, polttoaine loppuu

Uraanimalmivarantojen olemassaolo on vain yksi osa menestystä. Toisin kuin puu tai kivihiili, jotka eivät vaadi erityisen monimutkaista valmistelua ennen uuniin menemistä, malmia ei voida yksinkertaisesti leikata paloiksi ja heittää reaktoriin. Selittääksemme miksi, on tarpeen mainita useita uraanille ominaisia ​​ominaisuuksia.

Kemiallisesti tämä alkuaine on erittäin aktiivinen, toisin sanoen sillä on taipumus muodostaa erilaisia ​​yhdisteitä; siksi sen kimpaiden, kuten kullan, etsiminen luonnosta on täysin toivotonta liiketoimintaa. Mitä sitten kutsutaan uraanimalmiksi? Kivi, joka sisältää hyvin pieniä määriä uraanimineraaleja. Usein lisätty: pieni, mutta tarpeeksi kaupalliseen tuotantoon ekonomistien hyväksynnän. Esimerkiksi nykyään katsotaan tarkoituksenmukaiseksi kehittää malmia, jota tonni sisältää vain muutaman kilon tai jopa satoja grammoja uraania. Loput on tyhjää, tarpeetonta kiveä, josta uraanimineraaleja on tarkoitus eristää. Mutta niitäkään ei voida vielä ladata ydinreaktoriin. Tosiasia on, että nämä mineraalit ovat useimmiten uraanin oksideja tai liukenemattomia suoloja muiden alkuaineiden seurassa. Jotkut niistä voivat olla arvokkaita teollisuudelle, ja niihin liittyvän tuotannon organisointi voi parantaa taloudellista suorituskykyä. Mutta vaikka tällaista tarvetta ei olisi, uraani on silti puhdistettava epäpuhtauksista. Muuten "likaisesta" uraanista valmistettu ydinpolttoaine voi aiheuttaa reaktorihäiriöitä tai jopa onnettomuuden.

Puhdistettua uraania ei kuitenkaan voida täysin varmuudella kutsua ydinpolttoaineeksi. Saalis piilee sen isotooppisessa koostumuksessa: tuhatta luonnossa olevaa uraaniatomia kohden on vain seitsemän uraani-235-atomia, mikä on välttämätöntä fissioketjureaktion tapahtumiseksi. Loput on uraani-238, joka ei käytännössä halkea ja jopa absorboi neutroneja. Luonnonuraanireaktori on kuitenkin täysin mahdollista käynnistää - edellyttäen, että käytetään erittäin tehokasta hidastajaa, kuten kallista raskasta vettä tai puhtainta grafiittia. Ainoastaan ​​ne antavat uraani-235-ytimen fission aikana muodostuneiden neutronien hidastua niin nopeasti, jotta ehtii päästä muihin uraani-235-ytimiin ja aiheuttaa niiden fission, eivätkä uraani-238 joutuisi häpeällisesti vangiksi. Mutta useista syistä suurin osa maailman reaktoreista käyttää erilaista lähestymistapaa: luonnonuraani on rikastettu halkeamiskelpoisilla isotoopeilla. Toisin sanoen uraani-235-atomien pitoisuutta nostetaan keinotekoisesti seitsemästä useisiin kymmeniin promilleen. Tämän vuoksi neutronit törmäävät niihin useammin, ja on mahdollista käyttää halvempia, vaikkakin vähemmän tehokkaita hidasteita, kuten tavallista vettä.

Onko rikastettu uraani jo lopputuote? Jälleen, ei, koska voimareaktorit mahdollistavat "ydin" lämmön siirtämisen jäähdytysnesteeseen, joka kylpee polttoainetta - useimmiten vettä. Fissiotuotteiden kertymisen seurauksena polttoaine - sellaisenaan kuin se on toimivassa reaktorissa - muuttuu erittäin radioaktiiviseksi. Sen ei saa missään tapauksessa antaa liueta veteen. Tätä varten uraani siirretään kemiallisesti stabiiliin tilaan ja eristetään myös jäähdytysnesteestä peittämällä se metallikuorella. Tuloksena on monimutkainen tekninen laite, joka sisältää rikastettuja uraaniyhdisteitä, jota voidaan täysin luottavaisesti kutsua ydinpolttoaineeksi.

Mainitut toiminnot - uraanin louhinta, sen puhdistus ja rikastaminen sekä ydinpolttoaineen valmistus - ovat ns. ydinpolttoainekierron alkuvaiheita. Jokaiseen niistä on tutustuttava tarkemmin.

Uraani-238:n puoliintumisaika on 4,5 miljardia vuotta, kun taas uraani-235:n puoliintumisaika on vain 700 miljoonaa vuotta. Osoittautuu, että halkeava isotooppi hajoaa useita kertoja nopeammin kuin pääisotooppi. Jos ajattelee sitä, tämä tarkoittaa, että aiemmin uraani-235:n pitoisuus isotooppien luonnollisessa seoksessa oli suurempi kuin nyt. Esimerkiksi miljardi vuotta sitten tuhannesta uraaniatomista kuudessatoista oli 235 nukleonin ydin, kaksi miljardia vuotta sitten niiden lukumäärä oli kolmekymmentäseitsemän ja kolme miljardia vuotta ennen tätä päivää - jopa kahdeksankymmentä! Itse asiassa malmi noiden kaukaisten aikojen aikana sisälsi uraania, jota kutsumme nykyään rikastetuksi. Ja voi hyvinkin käydä niin, että jollain alalla luonnollinen ydinreaktori alkaisi toimia itsestään!

Tutkijat uskovat, että juuri näin tapahtui useille Oklo-esiintymän superrikkaille uraaniesiintymille, jotka sijaitsevat nykyaikaisen Gabonin alueella. 1,8 miljardia vuotta sitten heissä alkoi spontaanisti ydinketjureaktio. Sen käynnistivät spontaanin fission aikana syntyneet neutronit, ja sitten korkea uraani-235-pitoisuus ja malmissa oleva vesi, neutronien hidastaja, toimi. Sanalla sanoen, reaktiosta tuli itseään ylläpitävä ja jatkui, nyt aktivoituen, nyt hiipumassa, useita satoja tuhansia vuosia. Sitten reaktorit sammuivat, ilmeisesti vesijärjestelmän muutoksen vuoksi.

Toistaiseksi se on ainoa tunnettu luonnollinen ydinreaktori. Lisäksi tällä hetkellä tällaiset prosessit eivät voi käynnistyä millään alalla. Syy on täysin ymmärrettävä - uraani-235:tä on jäljellä liian vähän.

Yritä kaivaa

Uraanimalmeja tulee pintaan harvoin. Useimmiten ne sijaitsevat 50 metrin - kahden kilometrin syvyydessä.

Matalia esiintymiä kehitetään avolouhoksella tai, kuten sitä myös kutsutaan, louhosmenetelmällä. Kovat kivet porataan ja räjäytetään, minkä jälkeen ne sijoitetaan kuormaimella kippiautoihin ja viedään pois louhoksesta. Irrallisia kiviä kehitetään ja lastataan kaivosautoihin käyttämällä tavanomaisia ​​tai pyöriviä kaivinkoneita, puskutraktoreita käytetään laajalti. Tämän tekniikan teho ja koko ovat hämmästyttäviä: esimerkiksi jo mainittujen kippiautojen kantavuus on sata tonnia tai enemmän! Valitettavasti itse louhoksen mittakaava on myös suuri, ja sen syvyys voi olla kolmesataa metriä. Työn valmistuttua se halkeaa kuin valtava reikä maan pinnassa, ja sen vieressä kohoaa uraaniesiintymiä peittäneet kivikasat. Periaatteessa louhos voidaan peittää näillä kaatopaikoilla istuttamalla ruohoa ja puita päälle; mutta tulee kohtuuttoman kalliiksi. Siksi kaivot täyttyvät vähitellen vedellä, muodostuu järviä, jotka eivät ole taloudellisen käytön kohteena veden lisääntyneen uraanipitoisuuden vuoksi. Myös pohjaveden saastumiseen voi liittyä ongelmia, joten uraanikaivokset vaativat erityistä huomiota.

Uraanin avolouhinta on kuitenkin vähitellen jäämässä menneisyyteen täysin banaalista syystä - maan pinnan lähellä olevat esiintymät ovat melkein ohi. Nyt meidän on käsiteltävä syvälle piilossa olevia malmeja. Perinteisesti ne on kehitetty maanalaisella (kaivoksen) menetelmällä. Älä vain kuvittele ankarien parrakkaiden miesten hakkuiden ryömivän töissä ja pilkkovan malmia. Nyt kaivostyöläisten työ on pitkälti koneistettua. Uraania sisältävään kiveen porataan reikiä - erityisiä syviä reikiä, joihin laitetaan räjähteitä. Räjähdyksen jälkeen murskattu malmi viedään kauhalla lastaus- ja kuljetuskoneeseen ja kulkee kapeita kulkuväyliä pitkin vaunuille. Täytetyt vaunut kuljetetaan pienellä sähköveturilla kaivoksen pystyakselille ja sitten häkin - eräänlaisen hissin - avulla malmi nostetaan pintaan.

Maanalaisessa kaivostoiminnassa on useita ominaisuuksia. Ensinnäkin siitä voi olla hyötyä vain korkealaatuisille malmeille, joissa on korkea uraanipitoisuus ja joita esiintyy korkeintaan kahden kilometrin syvyydessä. Muuten malmin louhinnan, louhinnan ja jatkojalostuksen kustannukset tekevät uraanista käytännössä "kultaa". Toiseksi uraanikaivosten maanalainen alue on suljettu tila, jossa leijuu radioaktiivista pölyä ja yhtä radioaktiivista radonkaasua. Siksi kaivostyöläiset eivät voi tehdä ilman tehokasta ilmanvaihtoa ja erityisiä suojavarusteita, kuten hengityssuojaimia.

Sekä avolouhoksessa että kaivoksessa malmia louhitaan melko suurina kappaleina. Kaavittaessa niitä kaivinkoneen kauhalla tai lastaus- ja pudotuskoneella kuljettaja ei tiedä, valitseeko hän uraanimineraaleja sisältävää malmia vai jätekiviä vai jotain siltä väliltä. Loppujen lopuksi kerros ei ole koostumukseltaan kovin homogeeninen, ja tehokkaiden koneiden käyttö ei salli työskentelyä hienosti ja sulavasti. Mutta lähes lainkaan uraania sisältävien kappaleiden lähettäminen jatkokäsittelyyn on ainakin kohtuutonta! Siksi malmi lajitellaan käyttämällä uraanin pääominaisuutta, jolla sen havaitseminen ei ole vaikeaa - radioaktiivisuutta. Erityiset ionisoivan säteilyn anturit mahdollistavat sekä lastauksen aikana että jo kuljetussäiliössä malmin jakamisen useisiin laatuihin sen lähettämän säteilyn voimakkuuden mukaan. Jätekivi lähetetään kaatopaikoille. Rikas malmi - hydrometallurgiselle tehtaalle. Mutta malmi, jossa on pieni, mutta huomattava määrä uraania, lajitellaan uudelleen, huolellisemmin. Ensin se murskataan, jaetaan koolla, minkä jälkeen palat kaadetaan liikkuvalle kuljetushihnalle. Sen yläpuolelle on asennettu ionisoivan säteilyn anturi, jonka signaali tulee nauhan päässä olevien ikkunaluukkujen automaattiseen ohjausjärjestelmään. Anturi on asennettu siten, että se reagoi sen alta kulkevaan radioaktiiviseen uraanimineraaleja sisältävään malmipalaan. Sitten suljin kääntyy ja malmi putoaa erityiseen malmibunkkeriin, josta se kuljetetaan hydrometallurgiselle laitokselle. Jätekivi ei puolestaan ​​millään tavalla "häiritse" anturia ja peltiä, vaan putoaa toiseen laatikkoon - kaatopaikalle.

Yksinkertaistettu malmin radiometrinen lajittelukaavio (nykyaikaiset kompleksit ovat paljon monimutkaisempia)

Kuvattu kaavio on likimääräinen, perustavanlaatuinen: mikään ei estä malmin lajittelua yrityksissä muilla tunnetuilla menetelmillä. Käytäntö on kuitenkin osoittanut, että ne soveltuvat huonosti uraanimalmeille. Siksi radiometrisestä lajittelusta - säteilyilmaisimilla - tuli vähitellen valtavirtatekniikkaa.

Todellisuudessa malmia lajitettaessa erotetaan myös tietty keskiluokka, jota ei uraanipitoisuudeltaan voida katsoa rikkaan malmin tai jätekiven ansioksi. Toisin sanoen sen lähettäminen hydrometallurgiseen laitokseen on kallista (ajan ja reagenssien hukkaa), ja on sääli lähettää se kaatopaikalle. Tällainen huono malmi kasataan suuriin kasoihin ja kaadetaan rikkihapolla ulkoilmaan liuottaen vähitellen uraania. Saatu liuos pumpataan jatkokäsittelyä varten.

Hydrometallurgisessa tehtaassa rikas malmi on murskattava edelleen, lähes pölyiseen tilaan, ja sitten liuotettava.

Malmia murskataan erilaisissa myllyissä - esimerkiksi rumpukuulamyllyissä: murskattua materiaalia ja metallikuulia, kuten kanuunankuulat, kaadetaan pyörivään onttoon rumpuun. Pyörimisen aikana pallot osuvat malminpaloihin, jauhavat ne ja jauhavat ne jauheeksi.

Murskattu malmi "avataan", eli liuotetaan osittain käsittelemällä rikki- tai typpihapolla tai niiden seoksella. Tuloksena on uraaniliuos, joka sisältää monia epäpuhtauksia. Joskus, jos uraanimalmi sisältää paljon luonnollisia karbonaatteja, happoa ei käytetä. Muuten tapahtuu reaktio, joka muistuttaa sammutussoodaa etikalla - jolloin hiilidioksidia vapautuu voimakkaasti, ja reagenssi menee hukkaan. Kuinka olla? Osoittautuu, että tällaiset mineraalit voidaan "avata" soodaliuoksella. Tuloksena saadaan myös uraaniliuos, joka menee jatkokäsittelyyn.

Mutta liukenemattoman malmin jäännökset on lähetettävä erityisiin rikastushiekkaisiin - ei "ystävällisimpiin" esineisiin suhteessa ympäristöön. Lajittelussa erotettu jätekivi kannattaa muistaa: se laitetaan kaatopaikoille. Sekä jäte- että kaatopaikat sisältävät pieniä määriä uraania, mikä tekee niistä mahdollisesti vaarallisia. Tältä osin herää kysymys: onko mahdollista järjestää kaivostoiminta siten, että siitä aiheutuu mahdollisimman vähän haittaa luonnolle ja varmistetaan työntekijöiden turvallisuus?

Se on mahdollista, ja sitä on harjoitettu pitkään. Kyseistä louhintamenetelmää kutsutaan pohjareikien in situ -liuotukseksi. Sen ydin on, että esiintymä on "lävistetty" monilla kaivoilla. Jotkut niistä, joita kutsutaan pumppauksiksi, syötetään rikkihapolla, joka laskeutuu syvälle, kulkee malmin läpi ja liuottaa uraanin. Sitten arvokas metalliliuos otetaan syvyydestä muiden pumppauskaivojen kautta.

Mitä tapahtuu: ei kaatopaikkoja, ei rikastusjätettä, ei pölyä, ei reikiä tai odottamattomia nieluja maassa, mutta lopulta - sama uraaniliuos? Joo. Lisäksi maanalaisen kaivon liuotusmenetelmällä kehitetään erittäin huonoja malmeja, joiden louhinta avolouhoksella tai kaivosmenetelmällä on taloudellisesti kannattamatonta. Mutta sellaisilla eduilla on oltava haittoja! Ensinnäkin yli kahdeksansataa metriä syvien kaivojen poraus on järjetöntä kustannusten kannalta. Toiseksi menetelmä ei toimi tiheissä, ei-huokoisissa malmeissa. Kolmanneksi rikkihappo häiritsee edelleen esiintymän pohjaveden koostumusta ja käyttäytymistä, vaikka nämä häiriöt "paranevat" itsestään ajan myötä. Paljon vaarallisempaa on, jos liuosta roiskuu pinnan yli tai tunkeutuu kiertotie - halkeamia ja vaurioita pitkin - pohjaveteen. Siksi prosessia seurataan tarkasti poraamalla säätökaivoja.

Porausreiän paikan päällä tapahtuva liuotus

Mainittujen ongelmien välttämiseksi keksittiin maanalaisen liuottamisen "kaivosversio": tehtaalla olevat malmilohkot murskataan räjähdyksellä ja kaadetaan sitten ylhäältä liuotusliuoksella (rikkihapolla) ottamalla uraaniliuos alhaalta - viemärijärjestelmän läpi.

Joka tapauksessa maanalainen liuotus on nykyään ympäristöystävällisin tapa louhia uraania. Tämä on yksi syy sen suosion räjähdysmäiseen kasvuun. Jos vuonna 2000 vain viisitoista prosenttia uraanista louhittiin maanalaisella liuotuksella, niin nykyään luku on lähes viisikymmentä prosenttia!

In situ -liuotuksesta tulee johtava uraanin louhintatekniikka

Yleensä uraaniesiintymiä etsitään ionisoivan säteilyn antureilla; tarkemmin sanottuna gammasäteily. Ensinnäkin tällaisilla antureilla varustettu lentokone lentää alueen yli. Hänen vallassaan on vain korjata säteilypoikkeama - hieman kohonnut tausta kentän päällä. Sitten yritykseen laukaistaan ​​helikopteri, joka hitaammin ja tarkemmin "hahmottelee" lupaavan alueen rajoja. Loppujen lopuksi tälle alueelle saapuu kaivajia, joilla on mittalaitteet ja porat. Heidän työnsä tulosten perusteella rakennetaan kartta uraanimalmien esiintymisestä ja lasketaan louhintakustannukset.

Uraanimalmiesiintymät voivat kuitenkin ilmoittaa itsestään myös muilla tavoilla. Esimerkiksi muuttamalla niiden yläpuolella kasvavien kasvien ulkonäköä: pajuyrtin terälehdet, yleensä vaaleanpunaiset, muuttuvat valkoisiksi; mustikat muuttuvat vihreiksi tai valkoisiksi. Esiintymän yläpuolella kasvavan katajan syvät juuret imevät uraania hyvin, ja se kerääntyy oksiin ja neulasiin. Muuttamalla ne tuhkaksi ja tarkistamalla uraanipitoisuuden voidaan ymmärtää, kannattaako ydinenergian päämetallin louhinta tällä alueella.

Puhtaus on avain terveyteen (ydinreaktori)

"Avaamalla" malmia tai maanalaisessa liuotusprosessissa saatu uraaniliuos ei ole kovin puhdasta. Toisin sanoen se sisältää uraanin lisäksi joukon kemiallisia alkuaineita, joita löytyy maankuoresta: natriumia ja kaliumia, kalsiumia ja magnesiumia, rautaa, nikkeliä ja kuparia - ja monia muita. Älä ole yllättynyt tällaisen paksun "kompotin" muodostumisesta, koska rikkihappo on erittäin reaktiivinen ja liuottaa monia luonnollisia aineita; on hyvä, että kaikki malmi ei ole kokonaista. Mutta ydinpolttoaineen valmistukseen tarvitaan puhtainta uraania. Jos uraanin atomien joukossa on epäpuhtausatomeja siellä täällä, reaktori ei välttämättä käynnisty tai, mikä vielä pahempaa, hajoaa. Tällaisten ongelmien syistä keskustellaan pian, mutta toistaiseksi voit asettaa tehtävän: puhdistaa uraani. Ja on myös toivottavaa saada se kiinteässä muodossa, kätevä kuljetusta varten. Ratkaisut eivät todellakaan sovellu kuljetukseen: ne "tykkäävät" läikkyä tai tihkua vuotojen läpi liikaa.

Teollisuudessa tämä ongelma ratkaistaan ​​useissa vaiheissa. Ensin liuos väkevöidään johtamalla erityisten materiaalien läpi, jotka keräävät uraania itseensä - sorbentteja. Ensimmäinen mahdollisuus puhdistamiseen ilmestyy: sorbentit valitaan siten, että muut elementit eivät melkein "istu" niiden päälle, jäävät liuokseen. Sitten uraani pestään pois sorbentista esimerkiksi samalla rikkihapolla. Tämä menettely saattaa tuntua merkityksettömältä, jos et selitä, että "huuhtelu" vaatii paljon vähemmän happoa verrattuna alkuperäisen liuoksen tilavuuteen. Näin ne tappavat kaksi kärpästä yhdellä iskulla: ne lisäävät uraanin pitoisuutta ja poistavat osittain tarpeettomia epäpuhtauksia.

Toinen puhdistusvaihe liittyy kiinteiden uraaniyhdisteiden tuotantoon. Ne saostetaan väkevästä liuoksesta lisäämällä tunnettuja "lääketieteellisiä" reagensseja: ammoniakkia, vetyperoksidia sekä alkaleja tai karbonaatteja. On huomattava, että uraani ei saostu metallina; sitä ei yleensä ole helppo saada metallisessa muodossa sen korkean kemiallisen aktiivisuuden vuoksi - tämä on jo mainittu. Mainittujen regenttien vaikutuksesta laitteiston pohjalle uppoaa erilaisia ​​niukkaliukoisia uraaniyhdisteitä. Kuivattuna ja murskattuna ne ovat keltaista jauhetta, jota sen näennäisen kakkukaltaisuuden vuoksi kutsutaan usein "keltaiseksi kakuksi". Kun se on kalsinoitu korkeassa lämpötilassa, saadaan vähemmän kaunis uraanioksidien seos - likaisen vihreä tai jopa musta väri.

Keltainen kakku voidaan lähettää uraanin rikastusyrityksille

Keltainen kakku tai uraanioksidien seos on käytännössä turvallista säteilyn kannalta. Siksi kuljetusta varten ne ladataan 200 litran metallitynnyreihin tai erikoissäiliöihin. Metrin etäisyydellä tällaisesta kontista oleminen ei ole puoliksikaan niin "haitallista" kuin lentokoneessa lentäminen altistuessaan kosmiselle säteilylle. Mutta useimmat ihmiset eivät pelkää lentämistä! Joten ei ole syytä pelätä tynnyreitä keltaisella kakulla.

Uraaniyhdisteitä saostaessaan ne yrittävät suorittaa prosessin siten, että suurin osa epäpuhtauksista jää liuokseen. Mutta jotkut heistä onnistuvat silti "murtamaan läpi". Erityisen huonoa on, jos tuotteeseen pääsee elementtejä, jotka absorboivat voimakkaasti neutroneja - boori, kadmium, harvinaiset maametallit. Jopa mikropitoisuuksissa ne voivat häiritä fission ketjureaktiota. Saastuneesta uraanista valmistettua polttoainetta voidaan vielä pitkään ihmetellä, miksi reaktori ei halua toimia normaalisti.

Lisäksi ei-toivotut epäpuhtaudet sisältävät elementtejä, jotka vähentävät ydinpolttoaineen plastisuutta ja saavat sen turpoamaan ja laajenemaan lämpötilan noustessa. Näitä ovat luonnossa esiintyvä pii ja fosfori sekä volframi ja molybdeeni. Muuten, plastisuutta kutsutaan yleensä materiaalin kyvyksi muuttaa muotoaan ja kokoaan romahtamatta. Tämä on erittäin tärkeää polttoaineelle, joka lämmittää itseään sisältäpäin siinä tapahtuvan ydinketjureaktion vuoksi ja kokee siksi lämpötilan muodonmuutoksia. Korkea lämpötila ei saa johtaa uraanipolttoaineen liialliseen paisumiseen, muuten se rikkoo suojarakennuksen ja joutuu kosketuksiin jäähdytysnesteen kanssa. Seurauksena tällaisesta "viestinnästä" voi olla radioaktiivisten uraanin fissiotuotteiden liukeneminen kuumaan jäähdytysnesteeseen (useimmiten veteen), minkä jälkeen ne leviävät kaikkien putkistojen ja laitteiden läpi. Ei varmaankaan tarvitse selittää, että tämä uhkaa pahentaa voimayksikön säteilytilannetta: käyttöhenkilöstön saamat annokset kasvavat merkittävästi.

Kuten sanonta kuuluu, on parempi olla ylipukeutunut kuin alipukeutunut. Siksi tarvitaan myös kolmas - viimeinen - puhdistusvaihe, jota kutsutaan jalostukseksi. Tynnyreissä tai säiliöissä toimitetut uraaniyhdisteet liuotetaan happoon, nyt typpihappoon. Saatu liuos saatetaan kosketukseen uuttoaineen kanssa - nestemäisen orgaanisen aineen kanssa, joka imee uraania, mutta ei epäpuhtauksia. Joten ei-toivotut alkuaineet jäävät liuokseen, ja uraani menee "orgaaniseen". Seuraavien toimintojen sarjan tuloksena se saatetaan jälleen oksidien muotoon, jolla on jo vaadittu "reaktorin" puhtaus.

Nyt kaikki on kunnossa, ja voit siirtyä seuraavaan vaiheeseen - uraani-235-pitoisuuden keinotekoiseen lisäämiseen.

Rikastumisen salaisuudet

Luvun alussa mainittiin jo, että uraani-isotooppien luonnollisessa seoksessa on hyvin vähän halkeavaa uraani-235:tä ja liian paljon "laiska" uraani-238:a: ensimmäisen seitsemää atomia kohti on noin yhdeksänsataayhdeksänkymmentä- toisesta kolme atomia. Useimpiin tällä hetkellä toimiviin reaktoreihin tämä ei sovellu. He tarvitsevat polttoainetta, jossa tuhannesta uraaniatomista useita kymmeniä kappaleita kuuluu isotooppiin 235, eikä vain muutama, kuten luonnonuraanissa. Ja pommin luomiseksi lähes puhdas uraani-235 on ehdottoman välttämätöntä.

Uraanin rikastamisen ongelman ratkaiseminen eli fissioituvan isotoopin pitoisuuden lisääminen on erittäin vaikeaa. Näyttäisi, miten niin? Loppujen lopuksi kemialla on laajin valikoima tekniikoita aineiden eristämiseksi seoksista. Tonnista malmia on mahdollista "poimia" vain muutama sata grammaa uraania! Onko todella mahdotonta tehdä samaa isotooppien kanssa: jotenkin erottaa toinen toisistaan? Ongelmana on, että tietyn alkuaineen kaikkien isotooppien kemialliset ominaisuudet ovat samat, koska ne määräytyvät elektronien lukumäärän, ei ytimen koostumuksen perusteella. Toisin sanoen on mahdotonta suorittaa sellaista reaktiota, jossa esimerkiksi uraani-235 jäisi liuokseen ja uraani-238 saostuisi. Kaikilla manipuloinneilla he molemmat käyttäytyvät samalla tavalla. Samalla tavalla ei ole mahdollista erottaa kemiallisesti hiilen tai kaliumin isotooppeja - yleensä mitään alkuainetta.

On olemassa sellainen parametri - rikastusaste, joka on uraani-235:n prosenttiosuus (prosentteina) uraanin kokonaismassasta. Esimerkiksi luonnonuraanin, jossa on seitsemän halkeamiskykyistä atomia tuhatta atomia kohden, rikastusaste on 0,7 %. Ydinvoimalaitosten ydinpolttoaineen osalta tämä luku on nostettava 3-5 prosenttiin ja atomipommin täytön valmistukseen - jopa 90 prosenttiin tai korkeammalle.

Kuinka olla? On tarpeen löytää sellaisia ​​ominaisuuksia, joissa isotoopit - ainakin minimaalisesti - eroaisivat toisistaan. Ensimmäinen asia, joka tulee mieleen, on atomin massa. Itse asiassa uraani-238-ytimessä on kolme neutronia enemmän kuin uraani-235:ssä; joten "laiska" isotooppi painaa hieman enemmän. Ja koska massa on inertian mitta ja se ilmenee liikkeessä, uraanin rikastamisen päätavat liittyvät eroihin sen isotooppien liikkeessä erityisesti luoduissa olosuhteissa.

Historiallisesti ensimmäinen rikastustekniikka oli sähkömagneettinen isotooppierotus. Nimestä käy selväksi, että sähkö- ja magneettikentät ovat jollain tavalla mukana prosessissa. Itse asiassa tässä menetelmässä aiemmin saadut uraani-ionit hajotetaan sähkökentällä ja laukaistaan ​​magneettiseen. Koska ioneilla on varaus, ne alkavat magneettikentässä "kultaa", kiertyä tietyn säteen kaaressa. Voimme esimerkiksi muistaa uraanisäteiden jakautumisen magneettikentässä kolmeen virtaan - Rutherfordin löytämän vaikutuksen. Alfa- ja beetahiukkaset, joilla on sähkövaraus, poikkeavat suoralta tieltä, mutta gammasäteily ei. Tässä tapauksessa kaaren säde, jota pitkin varattu hiukkanen liikkuu magneettikentässä, riippuu sen massasta: mitä enemmän se painaa, sitä hitaammin se kääntyy. Tätä voidaan verrata yrittämiseen mahtua kahden holtittoman kuljettajan jyrkäseen käännökseen, joista toinen ajaa henkilöautoa ja toinen kuorma-autoa. On selvää, että henkilöauton on paljon helpompi ohjata, kun taas kuorma-auto voi hyvinkin luistaa. Jotain vastaavaa tapahtuu magneettikentässä nopeasti liikkuvien uraani-235- ja uraani-238-ionien kanssa. Jälkimmäiset ovat hieman raskaampia, niillä on enemmän inertiaa ja niiden kääntösäde on hieman suurempi: tästä johtuen uraani-ionien virta on jaettu kahteen osaan. Kuvannollisesti sanottuna voit laittaa kaksi laatikkoa, joista toiseen kerätään halkeamiskelpoinen isotooppi, uraani-235, ja toiseen - "tarpeeton" uraani-238.

Magneettikentässä varautuneiden hiukkasten liikerata on kaareva, ja mitä vahvempi, sitä kevyempi hiukkanen

Sähkömagneettisen isotooppierotusmenetelmän periaate: kevyemmät uraani-235-ionit liikkuvat magneettikentässä pienemmän säteen liikeradalla verrattuna uraani-238-ioneihin

Sähkömagneettinen erotusmenetelmä on hyvä lähes kaikilta osin, paitsi tuottavuuden kannalta, joka tuttuun tapaan rajoittaa sen teollista käyttöä. Itse asiassa siksi amerikkalainen Y-12-tehdas Oak Ridgessä, joka tuotti rikastettua uraania Hiroshimaan sähkömagneettista erotustekniikkaa käyttäen pudotettua pommia varten "Kid", suljettiin vuonna 1946. On syytä selventää, että Y-12 rikasti uraania, joka oli aiemmin rikastettu muilla, tuottavammilla tavoilla. Niiden parantaminen löi juuri viimeisen naulan sähkömagneettisen isotooppierotusteknologian arkkuun – sitä ei enää käytetä teollisuudessa.

Mielenkiintoista on, että sähkömagneettinen erotus on yleinen menetelmä, jonka avulla voit eristää pieniä määriä mitä tahansa isotooppeja puhtaassa muodossa. Siksi analogissamme Y-12 - Plant 418, joka tunnetaan nyt nimellä Elektrokhimpribor Plant (Lesnoy, Sverdlovskin alue), on tekniikoita, joilla voidaan tuottaa yli kaksisataa 47 kemiallisen alkuaineen isotooppia litiumista lyijyyn. Nämä eivät ole vain vaikuttavia lukuja - tiedemiehet, lääkärit, teollisuusmiehet todella tarvitsevat tehtaan tuotteita ... Muuten, ne tuotetaan SU-20-laitoksessa, samassa, joka tuotti aselaatuista uraania rikastettuna. lähes 90 % 1950-luvun alussa.

Ensimmäiset sodan jälkeiset vuosikymmenet tulivat ydinasearsenaalien aktiivisen keräämisen aikaa. Tämän ongelman ratkaisulla oli korkein prioriteetti, joten he eivät erityisesti huomioineet kustannuksia - oli tärkeää käynnistää uraanin massarikastus. Painopisteenä oli kaasudiffuusio, erittäin energiaintensiivinen, mutta samalla tuottava rikastustekniikka. Sen juuret ovat kaasuteorian alueella, jonka mukaan kaasumolekyylin keskinopeus on tietyssä lämpötilassa kääntäen verrannollinen sen massaan: mitä painavampi se on, sitä hitaammin se liikkuu. Tämä ero on erityisen havaittavissa liikuttaessa ohuita "putkia", joiden halkaisija on verrattavissa molekyylin kokoon. Selkeä, vaikkakaan ei tarkka esimerkki on paperiveneiden vesillelasku purossa: vesivirran kuljettama pieni vene liikkuu nopeasti; mutta jos taitat suuren paperiastian virran uoman kokoiseksi, se kulkee hitaammin koskettaen jatkuvasti rantoja. Palaten uraaniin, voidaan sanoa, että kohdeisotooppi, jonka ytimessä on 235 nukleonia, liikkuu "putkea" pitkin nopeammin kuin uraani-238. Sen ulostulossa saadaan halkeavalla isotoopilla rikastettua kaasua. Ainoa kysymys on, kuinka uraani muutetaan kaasuksi ja mistä saada näin ohut "putki".

Uraanin "kaasutus" on pakollinen vaatimus kaasuteoriaan perustuvalle teknologialle. Et voi kirjoittaa tänne mitään. Mutta loppujen lopuksi kaikki uraaniyhdisteet ovat kiinteitä aineita, joita on vaikea sulattaa, saati sitten haihtua. Vaikka, jos ajattelee sitä, on yksi erittäin onnistunut yhdiste - uraaniheksafluoridi, jossa uraania ympäröi kuusi fluoriatomia. Se muuttuu helposti kaasuksi jo 56 °C:ssa ja ohittaa nestemäisen tilan. Fysiikassa tällaista prosessia kutsutaan yleensä sublimaatioksi tai sublimaatioksi. Tämä ilmiö on tunnettu pitkään, eikä siinä ole mitään yllättävää. Sublimaatiota käyttävät esimerkiksi kylän kotiäidit, jotka kuivaavat vaatteita kylmässä - jää haihtuu kuivassa ilmassa ohittaen yksinkertaisesti nestemäisen tilan.

Joten voit kuvitella uraaniheksafluoridimolekyylin

Osoittautuu, että uraaniheksafluoridi on erittäin kätevä teknologisesta näkökulmasta. Tavallisissa lämpötiloissa se on kiinteä ja sitä voidaan kuljettaa erikoissäiliöissä. Se muuttuu kaasuksi alhaisessa lämpötilassa. Tietyssä paineessa lämmitetty heksafluoridi muuttuu nesteeksi, joka voidaan pumpata putkistojen läpi.

Toinen onnekas seikka on, että luonnollinen fluori koostuu vain yhdestä isotoopista - fluori-19:stä. Tämä tarkoittaa, että uraani-235-heksafluoridin ja uraani-238-heksafluoridin molekyylien massojen välisen eron määräävät yksinomaan uraanin isotoopit. Muuten erottaminen olisi liian vaikeaa tai jopa mahdotonta, koska fluorilla olisi liiallinen vaikutus molekyylien massaan.

Uraaniheksafluoridin tuotanto Venäjällä tapahtuu muuntamalla - fluoraamalla erilaisia ​​uraaniyhdisteitä, esimerkiksi keltakakkua tai uraanikaivosyrityksiltä saatua oksidiseosta. Molekyylifluori näihin tarkoituksiin saadaan luonnollisesta fluoriitista. Sitä käsitellään rikkihapolla, jolloin muodostuu fluorivetyhappoa (fluorivetyhappoa), jonka elektrolyysissä saadaan fluoria.

Mielenkiintoista on, että fluoraus on samanaikaisesti uraanin puhdistuksen neljäs vaihe, koska useimpien haitallisten epäpuhtauksien fluoridit eivät ole kovin haihtuvia: uraani heksafluoridina "lentää pois" niistä kaasufaasiin.

Uraaniheksafluoridilla on yksi suuri haittapuoli: se on aggressiivinen ja myrkyllinen aine. Ensinnäkin, kun se joutuu kosketuksiin veden tai ilman kosteuden kanssa, vapautuu myrkyllistä fluorivetyhappoa. Toiseksi, uraani itsessään on yleinen solumyrkky, joka vaikuttaa kaikkiin elimiin. (Mielenkiintoista on, että sen myrkyllisyys on luonteeltaan kemiallista, eikä se käytännössä liity radioaktiivisuuteen). Siksi uraaniheksafluoridi, joka yhdistää kaksi vaaraa kerralla, tulee kuljettaa ja varastoida erityisissä metallisäiliöissä ja valppaana. Näin varmistetaan väestön ja ympäristön turvallisuus.

Joten kaasua on; Mutta entä ohuet putket? Sopivaksi ratkaisuksi osoittautuivat huokoiset väliseinät - levyt, joissa oli monia hyvin pieniä huokosia. Jälkimmäisten halkaisijan tulee olla kymmenen nanometrin luokkaa, jotta molekyylit kulkevat niiden läpi lähes yksitellen. Tarve valmistaa väliseiniä niin pienikokoisilla huokosilla aiheutti tiettyjä vaikeuksia, mutta siitä huolimatta ongelma ratkaistiin erityisillä lähestymistavoilla - nikkelin sintrauksella tai yhden bimetalliseoksen muodostavan metallin valikoivalla liukenemisella.

Jos teemme laatikon, jossa on tällainen huokoinen väliseinä ja pumppaamme siihen uraaniheksafluoridia, molekyylit, joissa on kevyt isotooppi, kulkevat osion läpi hieman nopeammin. Toisin sanoen sen jälkeen uraaniheksafluoridi rikastuu hieman halkeavan isotoopin suhteen. Jos lähetät kaasua seuraavaan samaan laatikkoon, rikastusaste kasvaa ja niin edelleen. Totta, korkean rikastusasteen saavuttamiseksi tarvitaan tuhansia (!) peräkkäin asennettuja laatikoita, joita kutsutaan askeliksi. Mutta kuinka saada uraani nousemaan näitä vaiheita? Vain pumppaamalla sitä useilla kompressoreilla. Tästä johtuvat menetelmän haitat: valtavat energiakustannukset, miljoonien neliömetrien tuotantotilan rakentaminen - työpajan pituus voi olla jopa kilometri - ja kalliiden materiaalien käyttö. Totta, kaikki tämä on peitetty todella korkealla suorituskyvyllä. Siksi kaasudiffuusiorikastustekniikka on pitkään pysynyt pääteknologiana sellaisille ydinjättiläisille kuin USA, Ranska ja Kiina, jotka myöhemmin liittyivät niihin. Vasta viime vuosina he ovat alkaneet aktiivisesti siirtyä edullisempaan kaasusentrifugointitekniikkaan.

Kaasun diffuusiovaiheen toimintakaavio

1960-luvulla Angarskin elektrolyysikemian tehdas (Irkutskin alue, Venäjä), joka harjoitti uraanin rikastamista kaasudiffuusioteknologialla, kulutti noin prosentin (!) kaikesta Neuvostoliitossa tuotetusta sähköstä. Energiaa sille toimittivat Bratskin ja Irkutskin vesivoimalat. Itse asiassa se oli Neuvostoliiton suurin sähkönkuluttaja.

Yleensä ensimmäinen kokemus osoitti, että kaasudiffuusio voi ratkaista ongelman, mutta liian korkealla hinnalla. Kilpavarusteluun vedetty Neuvostoliitto tarvitsi tuottavamman ja vähemmän energiaa kuluttavan teknologian uraanin rikastamiseen. Sodan heikentämän valtion ei ollut niin helppoa pysyä Yhdysvaltojen perässä sen voimakkaan taloudellisen ja energiapotentiaalin kanssa. Tämä johtui muun muassa sähköntuotantokapasiteetin puutteesta maan eurooppalaisessa osassa: siksi rikastuslaitokset rakennettiin Siperiaan, jossa ne saivat voimansa suurista vesivoimalaitoksista. Mutta silti kaasudiffuusiolaitokset kuluttivat liikaa energiaa, mikä ei mahdollistanut rikastetun uraanin tuotannon lisäämistä. Siksi Neuvostoliiton oli tultava edelläkävijä vaihtoehtoisen teknologian - kaasusentrifugin - teollisessa soveltamisessa.

Kaasusentrifugointi koostuu kaasumaisella uraaniheksafluoridilla täytetyn rummun pyörittämisestä suurella nopeudella. Keskipakovoiman vaikutuksesta raskaampi uraani-238-heksafluoridi "puristuu" rummun seinämään, ja uraani-235-heksafluoridi, kevyempi yhdiste, jää lähelle sen akselia. Erikoisputkien avulla voit poimia hieman rikastettua uraania rummun keskeltä ja hieman köyhdytettyä uraania reunalta.

Kaasusentrifugin toimintakaavio

Teknisestä näkökulmasta juuri keskusteltu rumpu on kaasusentrifugin pyörivä osa (roottori). Se pyörii taukoamatta tyhjennetyssä kotelossa ja lepää neulan avulla painelaakerissa, joka on valmistettu erittäin kestävästä materiaalista - korundista. Materiaalivalinta ei ole yllättävää, koska roottorin nopeus voi ylittää 1500 kierrosta sekunnissa - sata kertaa nopeammin kuin pesukoneen rumpu. Herkkä aine ei kestä tällaista iskua. Lisäksi, jotta painelaakeri ei kuluisi eikä romahda, roottori ripustetaan magneettikenttään niin, että se tuskin painaa neulallaan korundia. Tämä tekniikka sekä sentrifugin osien valmistustarkkuus mahdollistavat sen pyörimisen nopeasti, mutta lähes äänettömästi.

Kuten kaasudiffuusiossa, yksi sentrifugi ei ole soturi kentällä. Vaaditun rikastusasteen ja tuottavuuden saavuttamiseksi ne yhdistetään valtaviin kaskadeihin, jotka koostuvat kymmenistä tuhansista (!) koneista. Yksinkertaistettuna jokainen sentrifugi on kytketty kahteen "naapuriinsa". Uraaniheksafluoridi, jonka uraani-235-pitoisuus on alennettu, joka on otettu roottorin yläosan seinämästä, lähetetään edelliseen sentrifugiin; ja uraani-235:llä hieman rikastettu kaasu, joka on otettu roottorin pohjalta pyörimisakselilta, menee seuraavaan koneeseen. Siten jokaiseen seuraavaan vaiheeseen syötetään yhä enemmän rikastettua uraania, kunnes saadaan vaadittu laatuinen tuote.

Vetäytymässä kaukaisiin kaasusentrifugien kaskadeihin

Nykyään sentrifugierotus on tärkein uraanin rikastusmenetelmä, sillä tämä tekniikka vaatii noin viisikymmentä kertaa vähemmän sähköä kuin kaasudiffuusio. Lisäksi sentrifugit ovat vähemmän tilaa vieviä kuin diffuusiokoneet, mikä helpottaa tuotannon lisäämistä. Sentrifugointimenetelmää käytetään Venäjällä, Isossa-Britanniassa, Saksassa, Alankomaissa, Japanissa, Kiinassa, Intiassa, Pakistanissa, Iranissa; Siirtyminen kaasusentrifugiteknologiaan Ranskassa ja USA:ssa on lähes valmis. Toisin sanoen kaasudiffuusiolle ei jää tilaa.

Pitkän käyttö- ja parannushistoriansa ansiosta venäläiset kaasusentrifugit ovat maailman parhaita. Puolen vuosisadan ajan nopeiden autojen yhdeksän sukupolvea on jo muuttunut, ja niistä on vähitellen tullut tehokkaampia ja luotettavampia. Tämän ansiosta Neuvostoliitto kesti menestyksekkäästi "ydinkilpailun" Yhdysvaltojen kanssa, ja kun tärkein tehtävä oli suoritettu, ilmaantui vapaita kapasiteettia. Tämän seurauksena maastamme on tullut maailman johtava kaasusentrifugien kehittämisen ja tuotannon lisäksi myös uraanin rikastamisen kaupallisten palvelujen tarjoamisessa.

Kaasusentrifugimme:

Perinteisesti niiden korkeus on puoli metriä - yksi metri, halkaisija 10 - 20 senttimetriä;

Ne sijaitsevat päällekkäin kolmesta seitsemään kerrokseen tilan säästämiseksi;

He voivat työskennellä keskeytyksettä jopa kolmekymmentä vuotta, ennätys on kolmekymmentäkaksi vuotta.

Kaasusentrifugin roottorin pyörimisnopeus on sellainen, että sähkökatkon jälkeen se pyörii hitaudella noin kaksi kuukautta!

Kaasusentrifugitekniikan nousukausi liittyy ydinenergian aktiiviseen kehittämiseen. Ydinvoimalat ovat voittoa tavoittelevia kaupallisia yrityksiä ja tarvitsevat siksi halpaa polttoainetta ja siten halpoja rikastustekniikoita. Tämä vaatimus hautasi vähitellen kaasudiffuusiota.

Mutta kaasusentrifugoinnin ei myöskään pitäisi levätä laakereillaan. Viime aikoina yhä useammin voit kuulla laserrikastamisesta - menetelmästä, joka on tunnettu yli neljäkymmentä vuotta. Osoittautuu, että hienosäädetyn laserin avulla on mahdollista selektiivisesti ionisoida, eli muuttaa uraani-235-yhdisteitä varautuneiksi hiukkasiksi. Tässä tapauksessa uraani-238-yhdisteet eivät ionisoidu vaan jäävät varautumattomiksi. Syntyvät ionit voidaan helposti erottaa neutraaleista molekyyleistä kemiallisin tai fysikaalisin keinoin, esimerkiksi houkuttelemalla niitä magneetilla tai varatulla levyllä (keräimellä).

Uraanin laserrikastuslaitoksen mahdollinen toimintasuunnitelma

Ilmeisesti laserrikastus on erittäin tehokas tekniikka, mutta sen taloudellinen suorituskyky on edelleen mysteeri. Kaikki aiemmat yritykset siirtyä laboratoriokäyttöön teollisuuskäyttöön ovat romahtaneet riittämättömän suorituskyvyn ja laitteiden lyhyen käyttöiän takia. Tällä hetkellä Yhdysvalloissa tehdään uusi yritys luoda tällainen tuotanto. Mutta vaikka se onnistuisikin, kysymys kustannustehokkuudesta säilyy. Rikastuspalvelumarkkinat hyväksyvät uuden teknologian vain, jos se on huomattavasti halvempaa kuin nykyinen. Mutta kaasusentrifugit eivät ole vielä saavuttaneet kykyjensä kattoa. Siksi laserrikastamisen välittömät näkymät ovat edelleen hyvin epämääräiset.

On olemassa useita muita uraanin rikastusmenetelmiä: lämpödiffuusio, aerodynaaminen erotus, ioniprosessi, mutta niitä ei käytännössä käytetä.

Mitä tulee uraanin rikastustekniikoihin, on muistettava, että ne avaa tien ydinpolttoaineen lisäksi myös pommille. Yhä tehokkaampien ja kompaktimpien teollisuudenalojen luomiseen liittyy ydinaseiden leviämisen uhka. Periaatteessa tekniikan kehitys voi johtaa tilanteeseen, jossa pommin valmistavat valtiot, joissa hallinto on epävakaa, lievästi sanottuna, tai jopa suuret terroristijärjestöt. Ja jos kaasudiffuusio- tai kaasusentrifugilaitoksen rakentaminen huomaamatta on vaikeaa ja niiden käynnistäminen vaatii suuria määriä ominaisten materiaalien ja laitteiden maahantuontia, niin laserrikastus käytännössä takaa salaisuuden. Yleisesti ottaen nykyisen hauraan maailman riski kasvaa.

Uraanin rikastuslaitokset tuottavat rikastettua uraanituotetta (EUP) - uraaniheksafluoridia vaaditulla rikastusasteella. Se sijoitetaan erityisiin säiliöihin ja lähetetään ydinpolttoaineen tuotantolaitoksiin. Mutta samaan aikaan rikastusyritykset tuottavat myös köyhdytettyä uraaniheksafluoridia (DUHF), jonka rikastusaste on 0,3 %, mikä on alhaisempi kuin luonnonuraanin. Toisin sanoen se on käytännössä puhdasta uraani-238:aa. Mistä se tulee? Pohjimmiltaan rikastusprosessi muistuttaa arvokkaiden mineraalien erottamista jätekivestä. DUHF on eräänlainen jätekivi, josta uraani-235 poistettiin, vaikkakaan ei kokonaan. (Fissioituvan isotoopin sataprosenttinen erottaminen uraani-238:sta on taloudellisesti kannattamatonta). Kuinka paljon köyhdytettyä uraaniheksafluoridia tuotetaan? Se riippuu vaadittavasta uraanin rikastusasteesta. Jos se on esimerkiksi 4,3 %, kuten VVVER-reaktorien polttoaineessa, niin kymmenen kilogrammaa uraaniheksafluoridia, jolla on luonnollinen isotooppikoostumus (0,7 % uraani-235), tuottaa vain yhden kilogramman OUP:ta ja yhdeksän kilogrammaa DUHF:a. Sanalla sanoen aika paljon. DUHF:a on kerätty erikoiskontteihin rikastuslaitosten koko toiminta-ajalta yli 1,5 miljoonaa tonnia, josta noin 700 000 tonnia on Venäjällä. Maailmassa on erilaisia ​​asenteita tätä ainetta kohtaan, mutta mielipide DUHF:stä arvokkaana strategisena raaka-aineena vallitsee (katso luku 7).

Valmista - sanan parhaassa merkityksessä

Ydinpolttoaineen valmistus (valmistus) alkaa rikastetun uraanituotteen kemiallisesta muuntamisesta uraanidioksidiksi. Tämä prosessi voidaan suorittaa kahdella päätavalla. Ensimmäistä niistä kutsutaan "märkä"-tekniikaksi, ja se koostuu heksafluoridin liuottamisesta veteen, niukkaliukoisten yhdisteiden saostamisesta alkalin vaikutuksesta ja niiden kalsinoinnista vetyilmakehässä. Toinen tekniikka - "kuiva" - on edullisempi, koska se ei tuota nestemäistä radioaktiivista jätettä: uraaniheksafluoridia poltetaan vetyliekissä.

Molemmissa tapauksissa saadaan uraanidioksidijauhetta, joka puristetaan pieniksi tableteiksi ja sintrataan uuneissa noin 1750 °C:n lämpötilassa, jotta niille saadaan lujuutta - loppujen lopuksi tablettien on "toimittava" korkeissa lämpötiloissa ja olosuhteissa. säteilyä. Tabletit käsitellään sitten hiomakoneilla timanttityökaluilla. Tämä vaihe on välttämätön, koska tabletin mitat ja sen pinnan laatu on säilytettävä erittäin tarkasti. Virheet erillisen pelletin valmistuksessa voivat johtaa reaktorissa olevan polttoaineen vaurioitumiseen sen lämpölaajenemisen aikana ja sen seurauksena ydinvoimalaitoksen säteilytilanteen heikkenemiseen. Siksi kaikkia uraanidioksidipellettejä valvotaan tarkasti ja sen jälkeen ne joutuvat erityiseen laatikkoon, jossa kone sijoittaa ne zirkoniumia, johon on lisätty pientä niobiumia, tehtyihin putkiin.

Pelleteillä ladattua putkea kutsutaan polttoaine-elementiksi tai lyhyesti polttoainesauvaksi. Sitten syövyttävien kaasujen poistamiseksi polttoainesauva tyhjennetään, eli ilma "imutaan" putkesta, täytetään inertillä kaasulla - puhtaimmalla heliumilla - ja haudutetaan. Ydinpolttoaineen valmistusprosessin viimeinen vaihe on polttoainesauvojen kokoaminen polttoainenippuun (FA) käyttämällä välilevyjä. Niitä tarvitaan, jotta rakenne on vahva ja polttoainesauvat eivät kosketa toisiaan. Muuten kuori saattaa palaa kosketuskohdassa, kun taas polttoaine paljastuu ja joutuu kosketuksiin veden kanssa, mikä on täysin ei-toivottavaa.

Toimenpidejärjestys ydinpolttoaineen tuotannossa

Välilevyt

Joten polttoaineniput ovat "nippu" zirkoniumpolttoaine-elementtejä, joiden sisällä on ydinpolttoainetta - halkeavalla isotoopilla rikastettua uraanidioksidia. Tämä materiaalivalinta on tarpeen selittää. Ydinreaktorissa polttoainenippu on korkeassa lämpötilassa ja voimakkaassa ionisoivan säteilyn virtauksessa, ja se pestään myös ulkopuolelta erittäin kuumalla painevedellä. Siksi ydinpolttoaine-elementeillä on oltava kemikaalien ja säteilyn kestävyys, ne johtavat hyvin lämpöä ja laajenevat hyvin vähän kuumennettaessa, muuten polttoaineen suojakuoressa voi syntyä halkeama. Uraanidioksidi ja zirkonium täyttävät nämä vaatimukset. On kuitenkin muistettava vielä kerran, että uraanidioksidipelletit ovat polttoaine-elementtien sisällä ja joutuvat kosketuksiin veden kanssa vain polttoaine-elementin kuoren kautta, mutta eivät suoraan. Suora vuorovaikutus jäähdytysnesteen kanssa on äärimmäisen ei-toivottavaa ja tapahtuu vain silloin, kun zirkoniumkuoret tuhoutuvat, esimerkiksi kun niihin ilmaantuu halkeamia. Tällöin ydinpolttoaineen sisältämät uraanin radioaktiiviset fissiotuotteet alkavat liueta veteen, mikä johtaa sen radioaktiivisuuden lisääntymiseen ja ydinvoimalaitoksen säteilytilanteen heikkenemiseen. Tästä syystä ydinpolttoaineen valmistus on monimutkaista ja erittäin tarkkaa työtä, joka vaatii tarkkuutta ja jatkuvaa valvontaa.

Säteilyn kannalta ydinpolttoaineen tuotanto ei aiheuta erityistä vaaraa. Riski on vielä pienempi kuin malmin louhinnassa, koska puhdistusprosessi poistaa uraanista kaikki mukana olevat radioaktiiviset aineet.

Rikastetun uraanin kanssa työskennellessä voi kuitenkin kertyä kriittinen massa ja seurauksena voi tapahtua itseään ylläpitävä ketjureaktio, jota käsiteltiin jo luvussa 2. Tämä voi tapahtua virheen, uraanin rikkomisen seurauksena. työsääntöjen mukaan tai jopa vahingossa. Yhteensä maailmassa on rekisteröity kuusikymmentä tällaista onnettomuutta, joista 33 Yhdysvalloissa ja 19 Neuvostoliitossa/Venäjällä. Tässä on kaksi esimerkkiä kotimaisista tapahtumista.

14. heinäkuuta 1961, Siberian Chemical Combine (rikastus). Kriittisen massan muodostuminen korkean rikastusasteen (22,6 %) uraaniheksafluoridin kerääntymisen seurauksena tyhjiöpumpun paisuntasäiliössä olevaan öljyyn. Syntyyn ketjureaktioon liittyneen säteilypurkauksen seurauksena operaattori sai merkittävän säteilyannoksen ja sai säteilysairauden, vaikkakin suhteellisen lievässä muodossa.

15. toukokuuta 1997. Novosibirskin kemiallisten rikasteiden tehdas (ydinpolttoaineen tuotanto). Kriittisen massan muodostuminen erittäin rikastetun (90 %) uraanin sakan kerääntymisen seurauksena kahden vierekkäisen säiliön pohjalle liuosten keräämiseksi niiden muodonmuutosten vuoksi. Onneksi säteilyannokset olivat mitättömiä.

Mikä on johtopäätös? Rikastettua uraania tulee käsitellä äärimmäisen varovasti, kaikkia turvallisuusvaatimuksia noudattaen ja, kuten sanotaan, ”pää mukaan lukien”, eli laskemalla mahdolliset riskit etukäteen.

Lopuksi voimme antaa likimääräiset parametrit venäläisillä VVER-1000-reaktoreilla varustetuissa ydinvoimaloissa käytettävistä polttoainenippuista.

Polttoainepelletti on 9-12 mm korkea ja halkaisijaltaan 7,6 mm sylinteri. Se koostuu uraanidioksidista, jonka rikastusaste on välillä 3,3 - 5,0 %.

Pelletit laitetaan 1 % niobiumia sisältävään zirkoniumiin valmistettuun polttoainesauvaan, joka on noin neljä metriä pitkä ja halkaisijaltaan 9,1 mm. Polttoaine-elementin seinämän paksuus on vain 0,65 mm, joten tällaisella pituudella se vaatii erittäin varovaista käsittelyä. Polttoaine-elementti ei ole täysin täytetty pelleteillä: pellettikerroksen korkeus on noin 3,5 metriä ja niiden kokonaispaino noin 1,6 kiloa, joista 62 grammaa on uraani-235:llä.

Polttoainenippu (FA) on koottu 312 polttoainesauvasta käyttäen 12-15 välilevyä. TVS:n korkeus on lähes 4,6 metriä ja sen massa on 760 kg. Samaan aikaan uraanidioksidin massa on noin puoli tonnia, loput putoavat zirkoniumiin ja muihin metalleihin. Ylhäältä katsottuna kokoonpano on kuusikulmio, jonka pintakoko on 235 millimetriä. Jokaisessa kokoonpanossa on 19 kanavaa reaktorin säätösauvoja varten, jotka sisältävät boorikarbidia, elementtiä, joka absorboi hyvin neutroneja.

Reaktoriin sijoitetaan 163 polttoainenippua, mikä vastaa 80 tonnia uraanidioksidia, mikä riittää 4 vuoden reaktorin toimintaan.

Polttoainekokoonpanot erityyppisiin reaktoreihin

Mahdolliset vaihtoehdot

Ydinvoimalaitosten yleisin polttoaine on siis pelletoitu uraanidioksidi, jossa uraani on rikastettu halkeamiskelpoiseen isotooppiin (uraani-235). On kuitenkin muitakin ydinpolttoainetyyppejä.

Uraanidioksidin jälkeen yleisin on sekaoksidipolttoaine, joka tunnetaan nimellä MOX-polttoaine. Nyt valmistetaan pääasiassa MOX-polttoainetta, joka on uraanin ja plutonium-239:n oksidien seos. Tämä polttoaine mahdollistaa "ydinkilpailun aikana" kertyneen ylimääräisen aselaatuisen plutonium-239:n käytön sähkön tuottamiseen.

Uraanimetallia voidaan käyttää myös ydinpolttoaineena. Sen etuja ovat korkea lämmönjohtavuus ja halkeavien ytimien suurin pitoisuus - polttoaineessa ei yksinkertaisesti ole muita elementtejä. Samaan aikaan uraanilla metallina on heikompi säteilyn, kemikaalien ja lämmönkestävyys kuin dioksidilla, joten sitä käytetään harvoin puhtaassa muodossaan. Metallisen polttoaineen parametrien parantamiseksi uraaniin lisätään jonkin verran molybdeeniä, alumiinia, piitä ja zirkoniumia. Nykyään metallista uraania ja sen seoksia käytetään vain tutkimusreaktoreissa.

Uraanidioksidin sijasta on mahdollista käyttää uraaninitridiä eli sen yhdistelmää typen kanssa. Nitridipolttoaineella on korkeampi lämmönjohtavuus kuin dioksidilla ja vertailukelpoinen sulamispiste (2855 o C). Uraaninitridiä pidetään lupaavana polttoaineena uusimpiin reaktoreihin. Maassamme eniten huomiota kiinnitetään nitridipolttoaineeseen, sillä sitä on tarkoitus käyttää seuraavan sukupolven nopeiden neutronien reaktoreissa.

Uraani pystyy muodostamaan yhdisteitä hiilikarbidien kanssa. Mahdollisuutta käyttää karbideja reaktorien polttoaineena tutkittiin intensiivisesti viime vuosisadan 60- ja 70-luvuilla. Viime aikoina kiinnostus tämäntyyppisiä polttoaineita kohtaan on kuitenkin herännyt uudelleen, mikä liittyy levypolttoaine-elementtien ja mikropolttoaineelementtien kehittämiseen. Karbidien positiivisia ominaisuuksia ovat hyvä lämmönjohtavuus, korkea sulamispiste, korkea kovuus, kemiallinen ja lämpöstabiilisuus sekä yhteensopivuus keraamisten pinnoitteiden kanssa, mikä on erityisen tärkeää mikropolttoaineille. Uraanikarbidipolttoaine voi olla paras vaihtoehto tietyntyyppisille seuraavan sukupolven reaktoreille, erityisesti kaasujäähdytteisille nopeille reaktoreille.

Silti suurin osa maapallon reaktoreista toimii edelleen uraanidioksidista valmistetulla ydinpolttoaineella. Perinteen voima, niin sanotusti.

Venäjän polttoainekierto

Nyt, kun olemme tutustuneet kaivos- ja jalostusteollisuuden toiminnan erityispiirteisiin, kannattaa vilkaista kotimaisen polttoainekierron historiaa ja nykytilaa. Sinun täytyy tietysti aloittaa uraanin louhinnasta.

Aluksi uraanimalmit kiinnostivat kotimaisia ​​tutkijoita vain radiumin lähteenä. Vuonna 1900 professori I.A. Antipov teki Pietarin Mineralogisen Seuran kokouksessa raportin uraanimineraalin löytymisestä Ferganasta, Tyuya-Muyunin vuoristosta tuoduista näytteistä. Myöhemmin tämä mineraali nimettiin tyuyamuniteiksi. Vuonna 1904 tällä esiintymällä aloitettiin malminetsintä, vuonna 1908 Pietariin rakennettiin uraanimalmin käsittelylaitos ja vuonna 1913 perustettiin kansainvälinen osakeyhtiö Tuyamuyun-radiumin louhintaan.

Ensimmäisen maailmansodan alkaessa kaivoksen työ käytännössä loppui, ja vasta vuonna 1922 Tyuya-Muyuniin lähetettiin kahdeksan asiantuntijan retkikunta. Samana vuonna 1922, vaikeissa vallankumouksen jälkeisissä olosuhteissa, Basmachin nauhojen ympäröimänä, oli mahdollista aloittaa teollinen malmin louhinta. Se jatkui vuoteen 1936, jolloin runsas pohjavesi kahdensadan metrin syvyydessä keskeytti esiintymän kehityksen. Tästä ongelmasta ei kuitenkaan tullut kriittistä, koska radiumin louhinta perustettiin Ukhta-joen "vesiteollisuudelle" - radioaktiivinen metalli uutettiin maanalaisesta suolavedestä. Uraani itsessään ei kiinnostanut ketään noina vuosina, koska sitä ei käytännössä käytetty teollisuudessa.

Uusi kiinnostus uraaniesiintymiä kohtaan tapahtui 1940-luvun alussa, kun Neuvostoliitto kohtasi tarpeen vastata Yhdysvalloista lähtevään ydinuhan, eli kun syntyi tarve luoda kotimaisia ​​ydinaseita.

Uraania ensimmäistä Neuvostoliiton atomipommia varten kerättiin kirjaimellisesti pala kerrallaan koko maassa ja sen ulkopuolella. Vuonna 1943 uraanin louhinta aloitettiin nykyaikaisten standardien mukaan pienessä Tabosharin kaivoksessa Tadžikistanissa, jonka kapasiteetti on vain 4 tonnia uraanisuoloja vuodessa. Lisäksi P.Yan muistelmien mukaan. Antropov, Neuvostoliiton ensimmäinen geologian ministeri, "uraanimalmia kuljetettiin prosessoitavaksi Pamirin vuoristopolkuja pitkin aaseissa ja kameleissa säkeissä. Silloin ei ollut teitä tai kunnollisia laitteita.

Vuosina 1944-1945, kun Eurooppa vapautettiin natseista, Neuvostoliitto sai käyttöönsä uraanimalmia Bulgarian Gotenskoje-esiintymästä, Tšekkoslovakian Yachimovin kaivoksista ja Saksan Saksin kaivoksista. Lisäksi vuonna 1946 Tyuya-Muyunsky-kaivos käynnistettiin uudelleen, mutta se ei antanut erityistä panosta yhteiseen tarkoitukseen.

1950-luvulla Lermontov Almaz -tuotantoyhdistys aloitti uraanin louhinnan Beshtaun ja Bykin vuoristossa (Stavropolin alue) sijaitsevissa kaivoksissa. Samaan aikaan he alkoivat kehittää talletuksia Etelä-Kazakstaniin ja Keski-Aasiaan.

Vuoden 1991 jälkeen suurin osa kehittyneistä aloista päätyi Venäjän ulkopuolelle, itsenäisiin valtioihin. Tästä hetkestä lähtien uraanin päälouhinta suoritetaan kaivosmenetelmällä Priargunsky Production Mining and Chemical Associationissa (Transbaikal Territory). Lisäksi kaksi porausreiän in situ -liuotuksen tekniikkaa käyttävää yritystä ovat vähitellen vahvistumassa - Khiagda (Burjatian tasavalta) ja Dalur (Kurganin alue). Tuotantotiloja suunnitellaan Jakutiaan. On myös lupaavia tuotantoalueita - Transbaikal, Länsi-Siperia, Pohjois-Eurooppa ...

Tutkituilla uraanivaroilla mitattuna Venäjä on kolmannella sijalla maailmassa.

Venäläisiä uraanikaivosyrityksiä hallinnoi Rosatomin omistama ARMZ Uranium Holding (www.armz.ru), mutta Valtioyhtiöllä on myös ulkomaista omaisuutta, joka on kansainvälisen Uranium One Inc:n (www.uranium1.com) määräysvallassa. Näiden kahden organisaation toiminnan ansiosta Rosatom on saavuttanut kolmannen sijan maailmassa uraaniyhdisteiden tuotannossa.

Tilanne luonnonuraanin tuotannon maailmanmarkkinoilla (2014)

Kaivosyritysten viestikapula siirtyy kokonaiseen uraanin jalostukseen, muuntamiseen ja rikastamiseen sekä ydinpolttoaineen valmistukseen tarkoitettuihin tuotantoihin. Suurin osa niistä on peräisin viime vuosisadan 50-luvulta - ydinaseiden aktiivisen kertymisen ajalta. Nykyään he työskentelevät puhtaasti rauhanomaisen teollisuuden - ydinenergian - hyväksi ja tarjoavat palvelujaan ulkomaisille yrityksille.

Venäjällä on neljä rikastuslaitosta, joista osa suorittaa myös uraaniyhdisteiden loppupuhdistusta (jalostusta) ja fluorausta (konversio).

Ensimmäinen kaasudiffuusiolaitos uraanin rikastamista varten D-1 Sverdlovsk-44:ssä aloitti toimintansa marraskuussa 1949. Aluksi sen tuotteita oli rikastettava edelleen tulevan Elektrokhimpribor-tehtaan SU-20-yksikössä Sverdlovsk-45:ssä (Lesnoy), mutta muutaman vuoden kuluttua D-1 alkoi selviytyä itsestään ja alkoi kasvaa. Ja vuodesta 1967 lähtien diffuusiokaskadien korvaaminen sentrifugien kaskadeilla aloitettiin. Nykyään puretun D-1:n paikalla on maailman suurin uraanin rikastusyritys - Uralin sähkökemian tehdas (Novouralsk, Sverdlovskin alue).

Vuonna 1953 tuleva Siperian kemiantehdas (Seversk, Tomskin alue) aloitti työn Tomsk-7:ssä, joka vuodesta 1973 lähtien alkoi vähitellen siirtyä kaasusentrifugitekniikkaan. Ensimmäinen rikastettu uraani Angarskin elektrolyysikemian tehtaalta (Angarsk, Irkutskin alue) saatiin vuonna 1957, ja diffuusiolaitteiden korvaaminen sentrifugeilla aloitettiin vuonna 1985. Lopulta vuodesta 1962 tuli Krasnojarsk-45:n (nykyisin Zelenogorsk, Krasnojarskin alue) sähkökemiallisen tehtaan käynnistämisen vuosi. Pari vuotta myöhemmin sinne asennettiin ensimmäiset sentrifugit.

Tämä lyhyt viittaus ei tietenkään heijasta tuon vaikean aikakauden todellisuutta. Vaikka suljettujen kaupunkien salaisista, "numeroiduista" nimistä ja kasvien epämääräisistä nimistä voidaan ymmärtää, että Neuvostoliitto piti huolellisesti rikastumissalaisuutensa. Päätuotantolaitosten sijainnit tulivat kuitenkin amerikkalaisen tiedustelupalvelun tiedoksi. Mutta aktiivinen siirtyminen kaasusentrifugitekniikkaan, kuten he sanovat, kaipasi sitä. Ehkä tämä oli syynä kilpailijoiden omahyväisyyteen: tietämättä, että Neuvostoliitossa otettiin käyttöön tuottavampi ja tehokkaampi tekniikka, valtiot pitivät alun perin valittua menetelmää - kaasudiffuusiota. Ilmeisesti nykyinen tilanne pelasi Neuvostoliiton käsissä ja mahdollisti nopean ydinpariteetin saavuttamisen. Samaan aikaan Neuvostoliiton tutkijoiden ja insinöörien uraauurtava kehitys tehokkaiden kaasusentrifugien luomiseksi ei mennyt hukkaan, mikä toi Venäjälle johtavan aseman uraanin rikastamisen ja sentrifugituotannon maailmanmarkkinoilla.

Neljän puimurin rikastettu uraanituote toimitetaan koneenrakennustehtaalle (Elektrostal, Moskovan alue) ja Novosibirskin kemianrikastetehtaalle (Novosibirsk, samanniminen alue), joissa suoritetaan ydinpolttoaineen koko sykli. Polttoaineelementtien zirkoniumia ja muita polttoainenippujen rakennemateriaaleja toimittaa Chepetsky Mechanical Plant (Glazov, Udmurtin tasavalta), joka on Venäjän ainoa ja kolmas zirkoniumtuotteita valmistava yritys maailmassa.

Valmistetut polttoaineniput toimitetaan Venäjän ja ulkomaisille ydinvoimalaitoksille, ja niitä käytetään myös reaktoreissa muihin tarkoituksiin.

Uraanin jalostus-, muunnos- ja rikastusyritykset, ydinpolttoaineen valmistus, kaasusentrifugien tuotanto sekä suunnittelu- ja tutkimusorganisaatiot yhdistyvät osaksi Rosatomin TVEL-polttoaineyhtiötä (www.tvel.ru).

Tämän yrityksen ja sen tytäryhtiöiden monivuotisen menestyksekkään työn tuloksena Rosatom on itsevarmasti uraanin rikastusalan suurimpien palveluntarjoajien listan kärjessä (36 % maailmanmarkkinoista).

Angarskissa on ydinpolttoainepankki - taattu reservi, jonka voi ostaa maa, jolta jostain syystä ei ole mahdollista ostaa uraania vapailta markkinoilta. Tästä varastosta se pystyy tuottamaan tuoretta ydinpolttoainetta ja varmistamaan ydinvoimateollisuutensa häiriöttömän toiminnan.

Rosatomin osuus maailmanlaajuisista ydinpolttoainemarkkinoista on 17 %, minkä ansiosta joka kuudes maapallon voimareaktori on ladattu TVEL-merkkisellä polttoaineella. Toimitukset menevät Unkariin, Slovakiaan, Tšekkiin, Bulgariaan, Ukrainaan, Armeniaan, Suomeen, Intiaan ja Kiinaan.

Yllä - uraanin rikastamisen maailmanmarkkinat (2015), alla - polttoaineen valmistuksen maailmanmarkkinat (2015)

Avoin vai suljettu?

Huomattakoon, että tämä luku ei koskenut ydinpolttoaineen tuotantoa tutkimusreaktoreihin, samoin kuin ydinsukellusveneisiin ja jäänmurtajiin asennettuihin reaktoreihin. Koko keskustelu omistettiin ydinvoimaloissa käytettävälle ydinpolttoaineelle. Tämä ei kuitenkaan tapahtunut vahingossa. Tosiasia on, että ydinvoimaloiden ja esimerkiksi ydinsukellusveneiden polttoaineen tuotantojärjestyksen välillä ei yksinkertaisesti ole perustavanlaatuisia eroja. Tietysti laiva- ja tutkimusreaktoreiden erityispiirteisiin liittyviä poikkeamia tekniikassa voi olla. Esimerkiksi entisen tulisi olla pienikokoinen ja samalla melko voimakas - tämä on täysin luonnollinen vaatimus jäänmurtajalle ja lisäksi ohjattavalle ydinsukellusveneelle. Tarvittavat indikaattorit voidaan saavuttaa lisäämällä uraanin rikastamista eli lisäämällä halkeavien ytimien pitoisuutta - silloin tarvitaan vähemmän polttoainetta. Juuri näin he tekevät: laivareaktorien polttoaineena käytetyn uraanin rikastusaste on noin 40 % (projektista riippuen se voi vaihdella 20-90 %). Tutkimusreaktoreissa tavanomainen vaatimus on saavuttaa maksimaalinen neutronivuo, ja reaktorissa olevien neutronien määrä on myös suoraan verrannollinen halkeavien ytimien lukumäärään. Siksi tieteelliseen tutkimukseen tarkoitetuissa laitoksissa käytetään joskus korkearikastettua uraania, jossa on paljon korkeampi uraani-235-pitoisuus, kuin ydinvoimareaktorien polttoaineessa. Mutta rikastustekniikka ei muutu tästä.

Reaktorin suunnittelu voi määrittää polttoaineen kemiallisen koostumuksen ja materiaalin, josta polttoainesauva on valmistettu. Tällä hetkellä polttoaineen pääasiallinen kemiallinen muoto on uraanidioksidi. Polttoaine-elementit ovat pääosin zirkoniumia, mutta esimerkiksi ruostumattomasta teräksestä valmistetut polttoaine-elementit valmistetaan nopeaan neutronireaktoriin BN-600. Tämä johtuu nestemäisen natriumin käytöstä jäähdytysaineena BN-reaktoreissa, joissa zirkonium hajoaa (syöpyy) nopeammin kuin ruostumaton teräs. Siitä huolimatta ydinpolttoaineen valmistusprosessin olemus pysyy samana - rikastetusta uraanituotteesta syntetisoidaan uraanidioksidijauhetta, joka puristetaan pelleteiksi ja sintrataan, pelletit sijoitetaan polttoainesauvoihin ja polttoainesauvat kootaan polttoainenippuiksi. (FA).

Lisäksi, jos tarkastellaan eri maiden ydinpolttoainekiertoja, käy ilmi, että esimerkiksi Venäjällä uraaniyhdisteet fluorataan suoraan molekyylifluorilla muuntamisen aikana, kun taas ulkomailla ne käsitellään ensin fluorivetyhapolla ja vasta sitten fluorilla. Ero löytyy malmin "avaamiseen", sorbenttien ja uuttoaineiden kemiallisesta koostumuksesta; prosessien parametrit voivat vaihdella ... Mutta ydinpolttoainekierron kaavio ei muutu tästä. Olennainen ero on vain sen avoimen (avoin) ja suljetun (suljetun) version välillä: ensimmäisessä tapauksessa ydinvoimalaitoksella "työskentelyn" jälkeen polttoaine yksinkertaisesti eristetään ympäristöstä syvään hautausmaahan ja jälkimmäinen, se käsitellään uuttamalla arvokkaita komponentteja (katso luku 7). Venäjä on yksi harvoista maista, jotka toteuttavat suljettua sykliä.

Esimerkki suljetusta polttoainekierrosta, jossa viitataan Rosatomin TVEL-polttoaineyhtiön rooliin

TVS (polttoainekokoonpano)

Ydinpolttoaine- materiaalit, joita käytetään ydinreaktoreissa hallitun ydinfissioketjureaktion suorittamiseen. Ydinpolttoaine eroaa olennaisesti muista ihmiskunnan käyttämistä polttoaineista, se on erittäin energiaintensiivistä, mutta myös erittäin vaarallista ihmisille, mikä asettaa sen käytölle turvallisuussyistä monia rajoituksia. Tästä ja monista muista syistä ydinpolttoaine on paljon vaikeampi käyttää kuin minkään tyyppinen fossiilinen polttoaine, ja sen käyttö vaatii monia erityisiä teknisiä ja organisatorisia toimenpiteitä sekä sitä käsittelevää korkeasti koulutettua henkilöstöä.

yleistä tietoa

Ydinketjureaktio on ytimen fissoituminen kahteen osaan, ns fission palaset, jolloin vapautuu samanaikaisesti useita (2-3) neutronia, mikä puolestaan ​​voi aiheuttaa seuraavien ytimien fissiota. Tällainen fissio tapahtuu, kun neutroni tulee alkuperäisen aineen atomin ytimeen. Ydinfission aikana muodostuneilla fissiofragmenteilla on suuri liike-energia. Aineen fissiofragmenttien hidastumiseen liittyy suuri määrä lämpöä. Fissiofragmentit ovat ytimiä, jotka muodostuvat suoraan fission seurauksena. Fissiofragmentteja ja niiden radioaktiivisia hajoamistuotteita kutsutaan yleisesti nimellä fissiotuotteet. Ydintä, joka halkeaa minkä tahansa energian neutroneilla, kutsutaan ydinpolttoaineeksi (yleensä nämä ovat aineita, joiden atomiluku on pariton). On ytimiä, jotka halkeavat vain neutroneilla, joiden energia ylittää tietyn kynnysarvon (yleensä nämä ovat alkuaineita, joiden atomiluku on parillinen). Tällaisia ​​ytimiä kutsutaan raaka-aineiksi, koska kun kynnysydin vangitsee neutronin, muodostuu ydinpolttoaineen ytimiä. Ydinpolttoaineen ja raaka-aineen yhdistelmää kutsutaan ydinpolttoaineeksi. Alla on 235 U:n ytimen fissioenergian jakautuminen eri fissiotuotteiden välillä (MeV):

Koska neutrinoenergia kulkeutuu pois peruuttamattomasti, vain 188 MeV/atomi = 30 pJ/atomi = 18 TJ/mol = 76,6 TJ/kg (muiden tietojen mukaan (katso linkki) 205,2 - 8,6 = 196 ,6 MeV) /atomi).

Luonnonuraani koostuu kolmesta isotoopista: 238U (99.282%), 235U (0.712%) ja 234U (0.006%). Se ei aina sovellu ydinpolttoaineeksi, varsinkin jos rakennemateriaalit ja hidastin absorboivat runsaasti neutroneja. Tässä tapauksessa ydinpolttoaine valmistetaan rikastetun uraanin pohjalta. Lämpöreaktoreissa käytetään uraania, jonka rikastus on alle 6 %, ja nopeissa ja keskitason neutronireaktoreissa uraanin rikastus ylittää 20 %. Rikastettua uraania saadaan erikoisrikastuslaitoksissa.

Luokitus

Ydinpolttoaine on jaettu kahteen tyyppiin:

• Luonnonuraani, joka sisältää fissioituvia ytimiä 235 U, sekä raaka-aineita 238 U, jotka kykenevät muodostamaan plutoniumia 239 Pu neutronia vangitessaan;
• Toissijainen polttoaine, jota ei esiinny luonnossa, mukaan lukien 239 Pu, joka on saatu ensimmäisen tyypin polttoaineesta, sekä 233 U-isotooppia, jotka muodostuvat neutronien vangitsemisen aikana 232 Th toriumydin avulla.

Kemiallisen koostumuksen mukaan ydinpolttoaine voi olla:

• Metalli, mukaan lukien seokset;
• Oksidi (esimerkiksi UO 2);
• Karbidi (esim. PuC 1-x)
• Sekoitettu (PuO 2 + UO 2)

Sovelluksen teoreettiset näkökohdat

Ydinpolttoainetta käytetään ydinreaktoreissa muutaman senttimetrin kokoisina pelletteinä, joissa se yleensä sijaitsee hermeettisesti suljetuissa polttoaine-elementeissä (TVEL), jotka puolestaan ​​yhdistetään käytön helpottamiseksi useiksi sadoiksi polttoainenippuiksi (FA:t). ).

Ydinpolttoaineelle asetetaan korkeat kemialliset yhteensopivuusvaatimukset polttoainesauvan verhouksen kanssa, sillä tulee olla riittävä sulamis- ja haihtumislämpötila, hyvä lämmönjohtavuus, lievä tilavuuden kasvu neutronisäteilyn aikana sekä valmistettavuus.

Metallisen uraanin käyttö erityisesti yli 500 °C:n lämpötiloissa on vaikeaa sen turpoamisen vuoksi. Ydinfission jälkeen muodostuu kaksi fissiofragmenttia, joiden kokonaistilavuus on suurempi kuin uraani- (plutonium) atomin tilavuus. Osa atomeista - fissiofragmentit ovat kaasuatomeja (kryptoni, ksenoni jne.). Kaasuatomit kerääntyvät uraanin huokosiin ja muodostavat sisäisen paineen, joka kasvaa lämpötilan noustessa. Johtuen atomien tilavuuden muutoksesta fissioprosessissa ja kaasujen sisäisen paineen noususta, uraani ja muut ydinpolttoaineet alkavat turvota. Turvotuksella tarkoitetaan ydinfissioon liittyvää suhteellista muutosta ydinpolttoaineen tilavuudessa.

Turvotus riippuu palamisesta ja polttoaine-elementin lämpötilasta. Fissiofragmenttien määrä kasvaa palamisen myötä, ja kaasun sisäinen paine kasvaa palamisen ja lämpötilan myötä. Ydinpolttoaineen turpoaminen voi johtaa polttoaine-elementin suojakuoren tuhoutumiseen. Ydinpolttoaine on vähemmän altis turpoamiselle, jos sillä on korkeat mekaaniset ominaisuudet. Metallinen uraani ei yksinkertaisesti sovellu sellaisiin materiaaleihin. Siksi metallisen uraanin käyttö ydinpolttoaineena rajoittaa palamissyvyyttä, joka on yksi ydinpolttoaineen pääominaisuuksista.

Polttoaineen säteilynkestävyyttä ja mekaanisia ominaisuuksia parannetaan dopingottamalla uraania, jossa uraaniin lisätään pieniä määriä molybdeeniä, alumiinia ja muita metalleja. Dopinglisäaineet vähentävät fissioneutronien määrää ydinpolttoaineella siepattua neutronia kohti. Siksi uraanin seostavat lisäykset valitaan materiaaleista, jotka absorboivat heikosti neutroneja.

Hyviä ydinpolttoaineita ovat jotkin uraanin tulenkestävät yhdisteet: oksidit, karbidit ja metallien väliset yhdisteet. Yleisimmin käytetty keramiikka - uraanidioksidi UO 2 . Sen sulamispiste on 2800 °C, tiheys 10,2 g/cm³. Uraanidioksidilla ei ole faasimuutoksia, ja se on vähemmän altis turpoamiselle kuin uraanilejeeringit. Tämän avulla voit lisätä työuupumusta useisiin prosentteihin. Uraanidioksidi ei ole vuorovaikutuksessa zirkoniumin, niobiumin, ruostumattoman teräksen ja muiden materiaalien kanssa korkeissa lämpötiloissa. Keramiikan suurin haittapuoli on alhainen lämmönjohtavuus - 4,5 kJ/(m·K), mikä rajoittaa reaktorin ominaistehoa sulamislämpötilan suhteen. Näin ollen VVER-reaktoreissa uraanidioksidin suurin lämpövuon tiheys ei ylitä 1,4⋅10 3 kW/m², kun taas polttoainesauvojen maksimilämpötila on 2200 °C. Lisäksi kuuma keramiikka on erittäin hauras ja voi halkeilla.

Käytännöllinen käyttö

Kuitti

uraanipolttoaine

Uraaniydinpolttoainetta saadaan käsittelemällä malmeja. Prosessi tapahtuu useissa vaiheissa:

• Huonoille talletuksille: Nykyaikaisessa teollisuudessa rikkaiden uraanimalmien puutteen vuoksi (poikkeuksia ovat Kanadan ja Australian epäsopivuustyyppiset esiintymät, joissa uraanin pitoisuus saavuttaa 3 %), käytetään malmien maanalaista liuotusmenetelmää. Tämä eliminoi kalliin malmin louhinnan. Esivalmistelut menevät suoraan maan alle. Kautta injektiokaivoja rikkihappoa pumpataan maan alle esiintymän yli, joskus lisäämällä rautasuoloja (uraanin U(IV) hapettamiseksi U(VI)), vaikka malmit sisältävät usein rautaa ja pyrolusiittia, jotka helpottavat hapettumista. Kautta poistokaivot rikkihapon liuos uraanin kanssa nousee pintaan erityisillä pumpuilla. Sitten se menee suoraan sorptioon, hydrometallurgiseen uuttoon ja samanaikaiseen uraanin rikastamiseen.
• Malmiesiintymiä varten: käytä malmipitoisuutta ja radiometristä malmipitoisuutta .
• Hydrometallurginen käsittely - uraanin murskaus, liuotus, sorptio tai uuttaminen puhdistetun uraanioksidin (U 3 O 8), natriumdiuranaatin (Na 2 U 2 O 7) tai ammoniumdiuranaatin ((NH 4) 2 U 2 O 7) saamiseksi.
• Uraanin siirto oksidista UF 4 -tetrafluoridiksi tai oksideista suoraan UF 6 -heksafluoridin saamiseksi, jota käytetään uraanin rikastamiseen 235-isotoopissa.
• Rikastus kaasun lämpödiffuusiolla tai sentrifugoinnilla.
• 235-isotoopilla rikastettu UF 6 muunnetaan UO 2 -dioksidiksi, josta valmistetaan polttoainesauva ”pillereitä” tai saadaan muita uraaniyhdisteitä samaan tarkoitukseen.

Ydinenergiaa käytetään lämpövoimatekniikassa, kun reaktoreissa olevasta ydinpolttoaineesta saadaan energiaa lämmön muodossa. Sitä käytetään sähkön tuottamiseen ydinvoimalat (NPP), suurten merialusten voimalaitoksiin, meriveden suolanpoistoon.

Ydinenergia johtuu ennen kaikkea vuonna 1932 löydetyn neutronin luonteesta. Neutronit ovat osa kaikkia atomiytimiä, paitsi vetyydin. Sitoutuneita neutroneja on ytimessä rajattoman ajan. Vapaassa muodossaan ne ovat lyhytikäisiä, koska ne joko hajoavat puoliintumisajalla 11,7 minuuttia, muuttuen protoniksi ja lähettävät elektronin ja neutrinon, tai ne vangitaan nopeasti atomiytimiin.

Nykyaikainen ydinvoima perustuu luonnollisen isotoopin fission aikana vapautuvan energian käyttöön uraani-235. Ydinvoimalaitoksilla suoritetaan hallittu ydinfissioreaktio ydinreaktori. Ydinfissiota tuottavien neutronien energian mukaan erottaa termiset ja nopeat neutronireaktorit.

Ydinvoimalaitoksen pääyksikkö on ydinreaktori, jonka kaavio on esitetty kuvassa. 1. Energiaa saadaan ydinpolttoaineesta ja se siirretään sitten lämmön muodossa toiseen käyttönesteeseen (veteen, metalliseen tai orgaaniseen nesteeseen, kaasuun); sitten se muunnetaan sähköksi samalla tavalla kuin tavanomaisissa.

He ohjaavat prosessia, ylläpitävät reaktiota, stabiloivat tehoa, käynnistävät ja pysäyttävät reaktorin erityisellä mobiililaitteella ohjaussauvat 6 ja 7 materiaaleista, jotka absorboivat intensiivisesti lämpöneutroneja. Niitä ohjaa ohjausjärjestelmä 5 . Toiminnot ohjaussauvat Ne ilmenevät ytimessä olevan neutronivuon tehon muutoksena. Kanavien mukaan 10 vesi kiertää jäähdyttäen biologista suojabetonia

Säätösauvat on valmistettu boorista tai kadmiumista, jotka ovat lämpö-, säteily- ja korroosionkestäviä, mekaanisesti vahvoja ja niillä on hyvät lämmönsiirto-ominaisuudet.

Massiivisen teräskotelon sisällä 3 siellä on kori 8 polttoaine-elementeillä 9 . Jäähdytysneste tulee putkilinjan kautta 2 , kulkee sydämen läpi, pesee kaikki polttoaine-elementit, lämpenee ja putkilinjan läpi 4 tulee höyrygeneraattoriin.

Riisi. 1. Ydinreaktori

Reaktori sijoitetaan paksubetoniseen biologiseen suojarakennukseen. 1 , joka suojaa ympäröivää tilaa neutronien, alfa-, beeta- ja gammasäteilyvirroilta.

Polttoaineelementit (polttoainesauvat) on reaktorin pääosa. Niissä tapahtuu suoraan ydinreaktio ja lämpöä vapautuu, kaikki muut osat eristävät, ohjaavat ja poistavat lämpöä. Rakenteellisesti polttoaine-elementit voidaan valmistaa sauvasta, levystä, putkimaisesta, pallomaisesta jne. Useimmiten ne ovat tankoja, korkeintaan 1 metri pitkiä, 10 mm halkaisijaltaan. Ne kootaan yleensä uraanipelleteistä tai lyhyistä putkista ja levyistä. Ulkopuolelta polttoainesauvat on peitetty korroosionkestävällä, ohuella metallivaipalla. Kuoressa käytetään zirkoniumia, alumiinia, magnesiumseoksia sekä seostettua ruostumatonta terästä.

Ydinreaktion aikana reaktorin sydämessä vapautuvan lämmön siirto voimalaitosten moottorin (turbiinin) työnesteeseen tapahtuu yksisilmukka-, kaksois- ja kolmisilmukkakaavioiden mukaisesti (kuva 2).

Riisi. 2. Ydinvoimala
a - yksipiirikaavion mukaan; b - kaksipiirikaavion mukaan; c - kolmipiirikaavion mukaan
1 - reaktori; 2, 3 - biologinen suoja; 4 - paineensäädin; 5 - turbiini; 6 - sähkögeneraattori; 7 - kondensaattori; 8 - pumppu; 9 - varakapasiteetti; 10 – regeneratiivinen lämmitin; 11 – höyrynkehitin; 12 - pumppu; 13 - välilämmönvaihdin

Jokainen piiri on suljettu järjestelmä. Reaktori 1 (kaikissa lämpöpiireissä), jotka on sijoitettu ensisijaisen sisään 2 ja toissijainen 3 biologiset puolustukset. Jos ydinvoimalaitos rakennetaan yksipiirisen lämpökaavan mukaan, höyry reaktorista paineensäätimen kautta 4 tulee turbiiniin 5 . Turbiinin akseli on kytketty generaattorin akseliin 6 jossa sähkövirtaa syntyy. Poistohöyry tulee lauhduttimeen, jossa se jäähtyy ja kondensoituu kokonaan. Pumppu 8 ohjaa lauhteen regeneratiiviseen lämmittimeen 10 ja sitten se menee reaktoriin.

Kaksipiirisellä järjestelmällä reaktorissa kuumennettu jäähdytysneste tulee höyrygeneraattoriin 11 , jossa lämpö siirtyy pintalämmityksellä käyttönesteen jäähdytysnesteeseen (toisiopiirin syöttövesi). Painevesireaktoreissa höyrystimen jäähdytysnestettä jäähdytetään noin 15 ... 40 °C ja sitten kiertovesipumpulla. 12 takaisin reaktoriin.

Kolmen silmukan järjestelmässä jäähdytysneste (yleensä nestemäinen natrium) reaktorista lähetetään välilämmönvaihtimeen 13 ja sieltä kiertovesipumpulla 12 palaa reaktoriin. Toisiopiirin jäähdytysneste on myös nestemäistä natriumia. Tämä piiri ei ole säteilytetty, joten se ei ole radioaktiivinen. Toisen piirin natrium tulee höyrygeneraattoriin 11 , luovuttaa lämpöä käyttönesteelle ja sitten kiertovesipumppu lähetetään takaisin välilämmönvaihtimeen.

Kiertopiirien lukumäärä määrää reaktorin tyypin, käytetyn jäähdytysaineen, sen ydinfysikaaliset ominaisuudet ja radioaktiivisuusasteen. Yksisilmukkajärjestelmää voidaan käyttää kiehutusvesireaktoreissa ja kaasujäähdytteisissä reaktoreissa. Yleisin kaksoispiiri kun sitä käytetään veden, kaasun ja orgaanisten nesteiden lämmönsiirtoaineena. Kolmipiiristä järjestelmää käytetään ydinvoimalaitoksissa, joissa on nopeat neutronireaktorit, joissa käytetään nestemäisiä metallijäähdytysaineita (natrium, kalium, natrium-kaliumlejeeringit).

Ydinpolttoaine voi olla uraani-235, uraani-233 ja plutonium-232. Raaka-aineet ydinpolttoaineen saamiseksi - luonnonuraani ja torium. Yhden gramman halkeamiskelpoista materiaalia (uraani-235) ydinreaktion aikana vapautuu energiaa, joka vastaa 22 × 10 3 kWh (19 × 10 6 cal). Tämän energiamäärän saamiseksi on poltettava 1900 kg öljyä.

Uraani-235 on helposti saatavilla, sen energiavarat ovat suunnilleen samat kuin fossiilisten polttoaineiden. Kuitenkin käytettäessä ydinpolttoainetta niin alhaisella hyötysuhteella kuin nyt, käytettävissä olevat uraanilähteet ehtyvät 50-100 vuodessa. Samaan aikaan on käytännössä ehtymättömiä ydinpolttoaineen "esiintymiä" - tämä on meriveteen liuotettua uraania. Sitä on meressä satoja kertoja runsaammin kuin maalla. Yhden kilon uraanidioksidin saaminen merivedestä maksaa noin 60-80 dollaria, ja tulevaisuudessa se laskee 30 dollariin, ja maalla rikkaimmissa esiintymissä tuotetun uraanidioksidin hinta on 10-20 dollaria. Siksi jonkin ajan kuluttua kustannukset maalla ja "merivedessä" ovat samaa suuruusluokkaa.

Ydinpolttoaineen hinta on noin puolet fossiilisen hiilen hinnasta. Hiilivoimaloissa 50-70% sähkön hinnasta laskee polttoaineen osuuteen ja ydinvoimalaitoksissa - 15-30%. Nykyaikainen lämpövoimalaitos, jonka teho on 2,3 miljoonaa kW (esimerkiksi Samara GRES), kuluttaa päivittäin noin 18 tonnia hiiltä (6 junaa) tai 12 tuhatta tonnia polttoöljyä (4 junaa). Samatehoinen ydinpolttoaine kuluttaa vuorokauden aikana vain 11 kg ja vuoden aikana 4 tonnia. Ydinvoimalaitos on kuitenkin rakentamisen, käytön ja korjauksen osalta lämpövoimalaitosta kalliimpi. Esimerkiksi 2–4 miljoonan kW:n ydinvoimalaitoksen rakentaminen maksaa noin 50–100 % enemmän kuin lämpövoimalaitoksen.

Ydinvoimalaitoksen rakentamisen pääomakustannuksia voidaan vähentää seuraavilla tavoilla:

1. laitteiden standardointi ja yhtenäistäminen;
2. kompaktien reaktorisuunnitelmien kehittäminen;
3. hallinto- ja sääntelyjärjestelmien parantaminen;
4. lyhentämällä reaktorin seisokin kestoa tankkausta varten.

Ydinvoimalaitosten (ydinreaktorin) tärkeä ominaisuus on polttoainekierron hyötysuhde. Parantaaksesi polttoainekierron taloudellisuutta sinun tulee:

• lisätä ydinpolttoaineen palamissyvyyttä;
• nostaa plutoniumin lisääntymissuhdetta.

Jokaisella uraani-235-ytimen fissiolla vapautuu 2-3 neutronia. Näistä vain yhtä käytetään jatkoreaktioon, loput menetetään. Niitä on kuitenkin mahdollista käyttää ydinpolttoaineen tuotantoon luomalla nopeita neutronireaktoreita. Kun reaktori toimii nopeilla neutroneilla, on mahdollista saada samanaikaisesti noin 1,7 kg plutonium-239:ää 1 kg poltettua uraani-235:tä kohden. Tällä tavalla voidaan kattaa ydinvoimalaitosten alhainen lämpöhyötysuhde.

Nopeat neutronireaktorit ovat kymmenen kertaa tehokkaampia (ydinpolttoaineen käytön suhteen) kuin polttoaineneutronireaktorit. Heillä ei ole moderaattoria ja ne käyttävät erittäin rikastettua ydinpolttoainetta. Ytimestä lähteviä neutroneja ei absorboi rakennemateriaalit, vaan niiden ympärillä oleva uraani-238 tai torium-232.

Tulevaisuudessa ydinvoimaloiden tärkeimmät halkeamiskelpoiset materiaalit ovat plutonium-239 ja uraani-233, jotka saadaan vastaavasti uraani-238:sta ja torium-232:sta nopeissa neutronireaktoreissa. Uraani-238:n muuntaminen plutonium-239:ksi reaktoreissa lisää ydinpolttoaineen resursseja noin 100-kertaiseksi ja torium-232:n uraani-233:ksi 200-kertaiseksi.

Kuvassa Kuvassa 3 on kaavio nopeiden neutronien ydinvoimalaitoksesta.

Nopeilla neutroneilla olevan ydinvoimalaitoksen tunnusmerkit ovat:

1. ydinreaktorin kriittisyyden muutos toteutetaan heijastamalla osa ydinpolttoaineen fissioneutroneista kehältä takaisin ytimeen heijastimien avulla 3 ;
2. heijastimet 3 voi pyöriä, mikä muuttaa neutronien vuotoa ja siten fissioreaktioiden voimakkuutta;
3. ydinpolttoainetta tuotetaan uudelleen;
4. ylimääräisen lämpöenergian poistaminen reaktorista suoritetaan jäähdytin-patterin avulla 6 .

Riisi. 3. Nopeilla neutroneilla olevan ydinvoimalaitoksen kaavio:
1 - polttoaine-elementit; 2 – uusiutuva ydinpolttoaine; 3 – nopeat neutroniheijastimet; 4 - ydinreaktori; 5 - sähkön kuluttaja; 6 - jääkaappi-lähetin; 7 - lämpöenergian muuntaja sähköenergiaksi; 8 - säteilysuojaus.

Lämpöenergian muuntimet sähköenergiaksi

Ydinvoimalaitoksen tuottaman lämpöenergian käyttöperiaatteen mukaan muuntimet voidaan jakaa kahteen luokkaan:

1. kone (dynaaminen);
2. koneettomia (suoramuuntimet).

Konemuuntimissa reaktoriin liitetään yleensä kaasuturbiinilaitos, jossa käyttönesteenä voi olla vety, helium, helium-ksenon-seos. Suoraan turbogeneraattoriin syötetyn lämmön muuntamisen tehokkuus sähköksi on melko korkea - muuntimen hyötysuhde η = 0,7-0,75.

Kuvassa on kaavio ydinvoimalaitoksesta, jossa on dynaaminen kaasuturbiini (kone) -muunnin. neljä.

Toinen konemuuntimen tyyppi on magnetokaasudynaaminen tai magnetohydrodynaaminen generaattori (MGDG). Kaavio tällaisesta generaattorista on esitetty kuvassa. 5. Generaattori on poikkileikkaukseltaan suorakaiteen muotoinen kanava, jonka kaksi seinämää on valmistettu eristeestä ja joista kaksi on valmistettu sähköä johtavasta materiaalista. Sähköä johtava työneste liikkuu kanavien läpi - nestemäinen tai kaasumainen, jonka magneettikenttä läpäisee. Kuten tiedät, kun johdin liikkuu magneettikentässä, syntyy EMF, joka elektrodeja pitkin 2 siirretään sähkön kuluttajalle 3 . Työlämpövirran energialähde on ydinreaktorissa vapautuva lämpö. Tämä lämpöenergia kuluu varausten liikkumiseen magneettikentässä, ts. muunnetaan virtaa kuljettavan suihkun kineettiseksi energiaksi ja liike-energia muunnetaan sähköenergiaksi.

Riisi. 4. Kaavio kaasuturbiinimuuntimella varustetusta ydinvoimalaitoksesta:
1 - reaktori; 2 – piiri nestemäisellä metallijäähdytysnesteellä; 3 – lämmönvaihdin lämmön syöttämiseen kaasuun; 4 - turbiini; 5 - sähkögeneraattori; 6 - kompressori; 7 - jäähdytin-jäähdytin; 8 – lämmönpoistopiiri; 9 - kiertovesipumppu; 10 - lämmönvaihdin lämmönpoistoon; 11 - lämmönvaihdin-regeneraattori; 12 - piiri kaasuturbiinimuuntimen käyttönesteellä.

Lämpöenergian suorat (koneettomat) muuntimet sähköenergiaksi jaetaan:

1. lämpösähköinen;
2. terminen;
3. sähkökemiallinen.

Lämpösähköiset generaattorit (TEG) perustuvat Seebeck-periaatteeseen, joka koostuu siitä, että suljetussa piirissä, joka koostuu erilaisista materiaaleista, syntyy lämpösähkötehoa, jos lämpötilaero säilyy näiden materiaalien kosketuspisteissä (kuva 6). . Sähkön tuottamiseen on suositeltavaa käyttää puolijohde-TEG:itä, joiden hyötysuhde on korkeampi, kun taas kuumaliitoksen lämpötila on nostettava 1400 K:iin tai korkeammalle.

Termionimuuntimet (TEC) mahdollistavat sähkön saamisen elektronien emission seurauksena korkeisiin lämpötiloihin kuumennetusta katodista (kuva 7).

Riisi. 5. Magnetogasdynaaminen generaattori:
1 – magneettikenttä; 2 - elektrodit; 3 - sähkön kuluttaja; 4 - dielektrinen; 5 - johdin; 6 - käyttöneste (kaasu).

Riisi. 6. Lämpösähköisen generaattorin toimintakaavio

Riisi. 7. Termionimuuntimen toimintakaavio

Emissiovirran ylläpitämiseksi katodille syötetään lämpöä K yksi . Katodin emittoimat elektronit, voitettuaan tyhjiöraon, saavuttavat anodin ja absorboivat sen. Elektronien "kondensoitumisen" aikana anodilla vapautuu energiaa, joka vastaa vastakkaisen merkin elektronien työfunktiota. Jos varmistamme jatkuvan lämmönsyötön katodille ja sen poistamisen anodista, niin kuorman kautta R tasavirta tulee kulkemaan. Elektronien emissio etenee tehokkaasti katodin lämpötiloissa yli 2200 K.

Ydinvoimalaitoksen toiminnan turvallisuus ja luotettavuus

Yksi ydinenergian kehittämisen pääkysymyksistä on ydinvoimalaitosten luotettavuuden ja turvallisuuden varmistaminen.

Säteilyturvallisuus varmistetaan:

1. luotettavien rakenteiden ja laitteiden luominen henkilöstön biologiseen suojaamiseen säteilyaltistumiselta;
2. ydinvoimalan tiloista poistuvan ilman ja veden puhdistaminen sen rajojen ulkopuolella;
3. radioaktiivisen saastumisen poistaminen ja luotettava paikantaminen;
4. Ydinvoimalaitoksen tilojen päivittäinen annosvalvonta ja henkilöstön yksilöllinen annosvalvonta.

Ydinvoimalaitoksen tilat, riippuen toimintatavasta ja niihin asennetuista laitteista, jaetaan kolmeen luokkaan:

1. tiukan järjestelmän vyöhyke;
2. rajoitettu vyöhyke;
3. normaalitilan vyöhyke.

Henkilökuntaa on jatkuvasti kolmannen luokan huoneissa, nämä aseman huoneet ovat säteilyturvallisia.

Ydinvoimaloissa syntyy kiinteää, nestemäistä ja kaasumaista radioaktiivista jätettä. Ne on hävitettävä siten, ettei ympäristö saastuta.

Ilmastoinnin aikana huoneesta poistuvat kaasut voivat sisältää radioaktiivisia aineita aerosolien, radioaktiivisen pölyn ja radioaktiivisten kaasujen muodossa. Aseman ilmanvaihto on rakennettu siten, että ilmavirtaukset kulkevat "puhtaimmasta" "saastuneeseen" ja poikkivirrat vastakkaiseen suuntaan on suljettu pois. Kaikissa aseman huoneissa ilman täydellinen vaihto suoritetaan enintään tunnin kuluessa.

Ydinvoimalaitosten käytön aikana syntyy ongelma radioaktiivisen jätteen poistamisesta ja loppusijoituksesta. Reaktoreissa käytetyt polttoainesauvat kestävät tietyn ajan vesialtaissa suoraan ydinvoimalaitoksilla, kunnes lyhyen puoliintumisajan omaavat isotoopit stabiloituvat, minkä jälkeen polttoainesauvat lähetetään erityisiin radiokemiallisiin laitoksiin regeneroitavaksi. Siellä polttoainesauvoista otetaan ydinpolttoainetta ja radioaktiivinen jäte haudataan.