Metaalbrandstof voor kernreactoren. Kernbrandstof: soorten en verwerking

De levenscyclus van splijtstof op basis van uranium of plutonium begint bij mijnbouwbedrijven, chemische fabrieken, in gascentrifuges en eindigt niet op het moment dat de brandstofassemblage uit de reactor wordt gelost, aangezien elke brandstofassemblage een lang traject moet doorlopen. verwijdering en vervolgens herverwerking.

Winning van grondstoffen voor nucleaire brandstof

Uranium is het zwaarste metaal op aarde. Ongeveer 99,4% van het uranium op aarde is uranium-238, en slechts 0,6% is uranium-235. Uit het Red Book-rapport van de Internationale Organisatie voor Atoomenergie blijkt dat de productie en de vraag naar uranium stijgen ondanks het kernongeval in Fukushima, waardoor velen zich afvragen wat de vooruitzichten voor kernenergie zijn. Alleen al de afgelopen jaren zijn de bewezen uraniumreserves met 7% toegenomen, wat verband houdt met de ontdekking van nieuwe afzettingen. De grootste producenten blijven Kazachstan, Canada en Australië; zij winnen tot 63% van het uranium in de wereld. Daarnaast zijn er metaalreserves beschikbaar in Australië, Brazilië, China, Malawi, Rusland, Niger, de VS, Oekraïne, China en andere landen. Eerder schreef Pronedra dat in 2016 7,9 duizend ton uranium werd gedolven in de Russische Federatie.

Tegenwoordig wordt uranium op drie verschillende manieren gewonnen. De open methode verliest zijn relevantie niet. Het wordt gebruikt in gevallen waarin afzettingen zich dicht bij het aardoppervlak bevinden. Bij de open methode creëren bulldozers een steengroeve, waarna het erts met onzuiverheden in dumptrucks wordt geladen voor transport naar verwerkingscomplexen.

Vaak ligt het ertslichaam op grote diepte, in welk geval gebruik wordt gemaakt van de ondergrondse mijnbouwmethode. Er wordt een mijn tot twee kilometer diep gegraven, het gesteente wordt gewonnen door in horizontale driften te boren en in goederenliften naar boven getransporteerd.

Het mengsel dat op deze manier naar boven wordt getransporteerd, kent vele componenten. Het gesteente moet worden verpletterd, verdund met water en het overtollige materiaal moet worden verwijderd. Vervolgens wordt zwavelzuur aan het mengsel toegevoegd om het uitloogproces uit te voeren. Tijdens deze reactie verkrijgen scheikundigen een geel neerslag van uraniumzouten. Ten slotte wordt uranium met onzuiverheden gezuiverd in een raffinaderij. Pas daarna wordt uraniumoxide geproduceerd, dat op de beurs wordt verhandeld.

Er is een veel veiligere, milieuvriendelijke en kosteneffectieve methode, genaamd 'borehole in situ uitloging' (ISL).

Met deze mijnbouwmethode blijft het gebied veilig voor personeel en komt de stralingsachtergrond overeen met de achtergrond in grote steden. Om uranium te winnen met behulp van uitloging, moet je 6 gaten boren op de hoeken van de zeshoek. Via deze putten wordt zwavelzuur in uraniumafzettingen gepompt en gemengd met de zouten ervan. Deze oplossing wordt geëxtraheerd, namelijk door een put in het midden van de zeshoek gepompt. Om de vereiste concentratie uraniumzouten te bereiken, wordt het mengsel meerdere malen door sorptiekolommen geleid.

Productie van nucleaire brandstof

Het is onmogelijk om de productie van kernbrandstof voor te stellen zonder gascentrifuges, die worden gebruikt om verrijkt uranium te produceren. Nadat de gewenste concentratie is bereikt, wordt het uraniumdioxide tot zogenaamde tabletten geperst. Ze worden gemaakt met smeermiddelen die tijdens het bakken in ovens worden verwijderd. De baktemperatuur bereikt 1000 graden. Hierna worden de tablets gecontroleerd of ze aan de gestelde eisen voldoen. Oppervlaktekwaliteit, vochtgehalte en de verhouding zuurstof en uranium zijn belangrijk.

Tegelijkertijd worden in een andere werkplaats buisvormige schalen voor splijtstofelementen voorbereid. De bovengenoemde processen, inclusief het daaropvolgend doseren en verpakken van tabletten in schaalbuizen, het afdichten en decontaminatie, worden brandstoffabricage genoemd. In Rusland wordt de creatie van brandstofassemblages (FA) uitgevoerd door de Mashinostroitelny Zavod in de regio Moskou, de Novosibirsk Chemical Concentrates Plant in Novosibirsk, de Moskou Polymetals Plant en anderen.

Elke batch splijtstofelementen wordt gemaakt voor een specifiek type reactor. Europese brandstofassemblages zijn gemaakt in de vorm van een vierkant, terwijl Russische een zeshoekige doorsnede hebben. Reactoren van het type VVER-440 en VVER-1000 worden veel gebruikt in de Russische Federatie. De eerste brandstofelementen voor VVER-440 werden in 1963 ontwikkeld en voor VVER-1000 in 1978. Ondanks het feit dat nieuwe reactoren met post-Fukushima-veiligheidstechnologieën actief worden geïntroduceerd in Rusland, zijn er in het hele land en in het buitenland veel ouderwetse kerninstallaties actief, dus splijtstofassemblages voor verschillende soorten reactoren blijven even relevant.

Om bijvoorbeeld brandstofassemblages voor één kern van de RBMK-1000-reactor te leveren, zijn meer dan 200.000 componenten gemaakt van zirkoniumlegeringen, evenals 14 miljoen gesinterde uraniumdioxidepellets, nodig. Soms kunnen de productiekosten van een brandstofsamenstel hoger zijn dan de kosten van de brandstof die in de elementen zit. Daarom is het zo belangrijk om een ​​hoge energie-efficiëntie per kilogram uranium te garanderen.

Kosten van productieprocessen in %

Afzonderlijk is het de moeite waard om splijtstofassemblages voor onderzoeksreactoren te vermelden. Ze zijn zo ontworpen dat observatie en studie van het proces van neutronengeneratie zo comfortabel mogelijk wordt gemaakt. Dergelijke brandstofstaven voor experimenten op het gebied van kernfysica, isotopenproductie en stralingsgeneeskunde worden in Rusland geproduceerd door de Novosibirsk Chemical Concentrates Plant. FA’s worden gemaakt op basis van naadloze elementen met uranium en aluminium.

De productie van splijtstof in de Russische Federatie wordt uitgevoerd door het brandstofbedrijf TVEL (een divisie van Rosatom). Het bedrijf werkt aan het verrijken van grondstoffen, het assembleren van brandstofelementen en levert ook brandstoflicentiediensten. De mechanische fabriek van Kovrov in de regio Vladimir en de Ural-gascentrifugefabriek in de regio Sverdlovsk creëren apparatuur voor Russische brandstofassemblages.

Kenmerken van het transport van brandstofstaven

Natuurlijk uranium wordt gekenmerkt door een laag radioactiviteitsniveau, maar vóór de productie van splijtstofelementen ondergaat het metaal een verrijkingsprocedure. Het gehalte aan uranium-235 in natuurlijk erts bedraagt ​​niet meer dan 0,7% en de radioactiviteit bedraagt ​​25 becquerel per 1 milligram uranium.

Uraniumpellets, die in splijtstofelementen worden geplaatst, bevatten uranium met een uranium-235-concentratie van 5%. Afgewerkte splijtstofassemblages met splijtstof worden vervoerd in speciale, zeer sterke metalen containers. Voor transport worden spoor-, weg-, zee- en zelfs luchtvervoer gebruikt. Elke container bevat twee assemblages. Het transport van niet-bestraalde (verse) brandstof levert geen stralingsgevaar op, aangezien de straling niet verder reikt dan de zirkoniumbuizen waarin de geperste uraniumpellets worden geplaatst.

Voor de brandstofverzending wordt een speciale route ontwikkeld; de lading wordt (vaker) begeleid door beveiligingspersoneel van de fabrikant of de klant vervoerd, wat vooral te maken heeft met de hoge kosten van het materieel. In de hele geschiedenis van de productie van splijtstof is er geen enkel transportongeval met splijtstofelementen geregistreerd dat de stralingsachtergrond van het milieu zou hebben beïnvloed of tot slachtoffers zou hebben geleid.

Brandstof in de reactorkern

Een eenheid kernbrandstof – een TVEL – kan gedurende een lange periode enorme hoeveelheden energie vrijgeven. Noch kolen, noch gas kunnen met zulke volumes vergeleken worden. De levenscyclus van de brandstof bij elke kerncentrale begint met het lossen, verwijderen en opslaan van verse brandstof in het brandstofassemblagemagazijn. Wanneer de vorige partij brandstof in de reactor opbrandt, assembleert het personeel de brandstofassemblages om in de kern te laden (het werkgebied van de reactor waar de vervalreactie plaatsvindt). In de regel wordt de brandstof gedeeltelijk herladen.

Pas bij de eerste opstart van de reactor wordt volledige brandstof aan de kern toegevoegd. Dit komt door het feit dat de brandstofstaven in de reactor ongelijkmatig uitbranden, omdat de neutronenflux in intensiteit varieert in verschillende zones van de reactor. Dankzij meetapparatuur heeft het stationpersoneel de mogelijkheid om de mate van burn-out van elke eenheid brandstof in realtime te volgen en vervangingen uit te voeren. Soms worden, in plaats van nieuwe brandstofassemblages te laden, de assemblages onderling verplaatst. In het centrum van de actieve zone treedt burn-out het meest intens op.

FA na een kerncentrale

Uranium dat in een kernreactor is verbruikt, wordt bestraald of verbrand genoemd. En dergelijke splijtstofassemblages worden gebruikt als verbruikte splijtstof. SNF wordt gescheiden van radioactief afval gepositioneerd, omdat het ten minste twee nuttige componenten bevat: onverbrand uranium (de opbranddiepte van het metaal bereikt nooit 100%) en transuraniumradionucliden.

Onlangs zijn natuurkundigen begonnen met het gebruik van radioactieve isotopen die zijn verzameld in verbruikte splijtstof in de industrie en de geneeskunde. Nadat de brandstof zijn campagne heeft voltooid (de tijd dat het geheel zich in de reactorkern bevindt onder bedrijfsomstandigheden en op nominaal vermogen), wordt het naar het koelbad gestuurd, vervolgens naar opslag direct in het reactorcompartiment, en daarna voor herverwerking of verwijdering. Het koelbad is ontworpen om warmte af te voeren en te beschermen tegen ioniserende straling, aangezien het brandstofsamenstel gevaarlijk blijft na verwijdering uit de reactor.

In de VS, Canada en Zweden wordt verbruikte splijtstof niet voor opwerking verzonden. Andere landen, waaronder Rusland, werken aan een gesloten brandstofcyclus. Hiermee kunt u de productiekosten voor kernbrandstof aanzienlijk verlagen, omdat een deel van de verbruikte splijtstof wordt hergebruikt.

De brandstofstaven worden opgelost in zuur, waarna onderzoekers het plutonium en ongebruikt uranium scheiden van het afval. Ongeveer 3% van de grondstoffen kan niet worden hergebruikt; dit zijn hoogactieve afvalstoffen die bituminisatie- of verglazingsprocedures ondergaan.

Uit verbruikte splijtstof kan 1% plutonium worden teruggewonnen. Dit metaal hoeft niet verrijkt te worden; Rusland gebruikt het bij de productie van innovatieve MOX-brandstof. Een gesloten brandstofcyclus maakt het mogelijk om één brandstofsamenstel ongeveer 3% goedkoper te maken, maar deze technologie vergt grote investeringen in de bouw van industriële eenheden en is daarom nog niet wijdverbreid in de wereld. Het brandstofbedrijf Rosatom stopt het onderzoek in deze richting echter niet. Pronedra schreef onlangs dat de Russische Federatie werkt aan een brandstof die isotopen van americium, curium en neptunium in de reactorkern kan recyclen, die tot dezelfde 3% van het hoogradioactief afval behoren.

Producenten van kernbrandstoffen: beoordeling

1. Het Franse bedrijf Areva verzorgde tot voor kort 31% van de wereldmarkt voor brandstofassemblages. Het bedrijf produceert splijtstof en assembleert onderdelen voor kerncentrales. In 2017 onderging Areva een kwalitatieve renovatie, nieuwe investeerders kwamen naar het bedrijf en het kolossale verlies van 2015 werd met 3 keer verminderd.
2. Westinghouse is de Amerikaanse divisie van het Japanse bedrijf Toshiba. Het bedrijf ontwikkelt actief de markt in Oost-Europa en levert splijtstofelementen aan Oekraïense kerncentrales. Samen met Toshiba levert het 26% van de mondiale markt voor de productie van kernbrandstoffen.
3. Het brandstofbedrijf TVEL van het staatsbedrijf Rosatom (Rusland) staat op de derde plaats. TVEL bedient 17% van de wereldmarkt, heeft een tienjarige contractportfolio ter waarde van $30 miljard en levert brandstof aan meer dan 70 reactoren. TVEL ontwikkelt splijtstofassemblages voor VVER-reactoren en betreedt ook de markt van kerncentrales van westers ontwerp.
4. Volgens de laatste gegevens levert Japan Nuclear Fuel Limited 16% van de wereldmarkt en levert het brandstofassemblages aan de meeste kernreactoren in Japan zelf.
5. Mitsubishi Heavy Industries is een Japanse gigant die turbines, tankers, airconditioners en, meer recentelijk, kernbrandstof voor westerse reactoren produceert. Mitsubishi Heavy Industries (een divisie van het moederbedrijf) houdt zich samen met Areva bezig met de bouw van APWR-kernreactoren en onderzoeksactiviteiten. Dit bedrijf werd door de Japanse overheid uitgekozen om nieuwe reactoren te ontwikkelen.

De centrale fase van de splijtstofcyclus is het gebruik van splijtstof in de reactor van een kerncentrale om thermische energie te produceren. Als energieapparaat is een kernreactor een generator van thermische energie met bepaalde parameters, verkregen door de splijting van uraniumkernen en het secundaire plutoniumsplijtstofelement gevormd in de reactor (Fig. 6.22). De efficiëntie van het omzetten van thermische energie in elektrische energie wordt bepaald door de perfectie van de thermohydraulische en elektrische circuits van de kerncentrale.

Kenmerken van de verbranding van splijtstof in de reactorkern, geassocieerd met het optreden van verschillende kernreacties met splijtstofelementen, bepalen de specifieke kenmerken van kernenergie, bedrijfsomstandigheden van kerncentrales, economische indicatoren, impact op het milieu, sociale en economische gevolgen .

De efficiëntie van het gebruik van kernbrandstof in kerncentrales met thermische neutronenreactoren wordt gekenmerkt door de gemiddelde jaarlijkse energieproductie per 1 ton (of 1 kg) brandstof die in de reactor wordt geladen en verbruikt - de gemiddelde verbranding ervan (de afmeting is MW dag/t ). Tijdens het proces van het verbranden van uraniumbrandstof als gevolg van kernreacties treedt er een significante verandering op in de nuclidensamenstelling. Figuur 6.23 toont een typische grafiek van dit proces in relatie tot de ontwerpomstandigheden van de VVER-1000-reactorkern met initiële verrijking x = 4,4% (44 kg/t) en het gemiddelde ontwerpbrandstofverbruik B = 40 10 3 MW dag/t (of α = 42 kg/t), en in figuur 6.24 - de berekende grafiek van veranderingen in de nuclidensamenstelling van de brandstof bij x = 2% en B = 20 10 3 MW dag/t in de kern van de RBMK-1000 reactor. Het is duidelijk dat als 235 U opbrandt, als gevolg van de stralingsvangst van neutronen door 238 U-kernen, er splijtbare isotopen van plutonium 239 Pu, 241 Pu en niet-splijtbare isotopen 240 Pu, 242 Pu en 236 U verschijnen. Bovendien vinden vormingsprocessen plaats in de brandstof en het verval van andere transuranium- en transplutoniumelementen (Fig. 6.25), waarvan de hoeveelheid relatief klein is en waarmee in economische berekeningen geen rekening wordt gehouden.

Figuur 6.26 toont de afhankelijkheid van de verandering in de nuclidensamenstelling in de uraniumbrandstof van een PWR-reactor, die een initiële verrijking van 3,44% heeft, van de neutronenfluentie. De berekende bijdrage van splijtbare plutoniumisotopen (239 Pu en 241 Pu) aan de totale energieproductie van de VVER-1000 kernreactor bedraagt ​​ruim 33%. Dit proces vindt ook plaats in andere thermische neutronenreactoren. De bijdrage van plutonium aan splijting en energieproductie is groter naarmate de kweekfactor (BR) van plutonium hoger is en hoe groter de gemiddelde brandstofverbranding.

De hoeveelheid accumulatie van plutoniumisotopen in verbruikte splijtstof is van groot belang voor technische en economische berekeningen en beoordelingen op het gebied van kernenergie. Nadat ze tijdens chemische opwerking uit verbruikte splijtstof zijn gewonnen, zijn het ook commerciële producten van kerncentrales.

De verhouding van de massa z* van alle of alleen z-isotopen van plutonium geaccumuleerd in verbruikte splijtstof die is gespleten door thermische neutronen, en de massa α van splijtbare kernen in 1 ton verbruikte splijtstof, wordt gewoonlijk de plutoniumaccumulatiecoëfficiënt (CN) genoemd:

КН=z/ α ; KH*=z*/ α ,

waarbij z* de massa is van alle isotopen van plutonium die zijn geaccumuleerd in verbruikte splijtstof (inclusief het verlies van 235U als gevolg van transformatie in 236U zonder splijting). Voor een benaderende berekening van de CN kunt u grafieken gebruiken van veranderingen in de nuclidensamenstelling van de brandstof (zie Fig. 6.23 en 6.24), opgebouwd op basis van kernfysische berekeningen. Een toename van de gemiddelde verbranding B gaat gepaard (Tabel 6.13) met een afname van de hoeveelheid plutonium in verbruikte splijtstof, maar met een toename van het aandeel ervan in de totale energieproductie van de reactor. Dit aandeel is hoger naarmate de waarde van de integraal CF (de verhouding tussen het aantal gevormde splijtbare nucliden en het aantal splijtbare nucliden) groter is.

Tabel 6.13 Brandstofverbranding en plutoniumaccumulatie in thermische neutronenreactoren

Bij het analyseren van de materiaalbalans van 235 U in splijtstof moet rekening worden gehouden met de onomkeerbare verliezen in de reactorkern veroorzaakt door de invanging van neutronen door de 235 U isotoop zonder splijting 235 U+n → 236 U + γ.

Een aanzienlijk deel van 235 U splijt niet, maar verandert in een kunstmatige niet-splijtbare radioactieve isotoop 236 U. De waarschijnlijkheid van de vorming van 236 U uit 235 U is gelijk aan de verhouding van de doorsnede voor stralingsneutronenvangst door de 235 U-isotoop (σ n γ = 98,36 voor E n = 0,0253 eV) tot de som van de doorsneden voor stralingsvangst en splijting (σ ~ 580 schuur). Bij de balans van 235 U die in de reactorkern wordt geladen, is het dus noodzakelijk om niet alleen rekening te houden met het verbruik van 235 U-kernen tijdens het splijtingsproces, maar ook met het verlies (~ 15%) van 235 U-kernen die onomkeerbaar verloren zijn gegaan. de vorming van 236 U.

Figuur 6.27 toont het accumulatieniveau van 236 U in een drukwaterreactor van een moderne kerncentrale met verschillende initiële brandstofverrijking, afhankelijk van de verbrandingsdiepte.

Op zijn beurt leidt de vorming van 236 U tot het verbruik ervan tijdens het vormingsproces van nieuwe elementen 237 Np en 238 Pu (zie figuur 6.22). De relaties in figuur 6.27 houden rekening met dit proces. Bij een opbranddiepte van 30,10 3 MW·dag/t in thermische neutronenreactoren wordt 0,35–0,40% 236 U gevormd met een brandstofverrijking van ~3,4% 235 U.

Wanneer de VWR-kern 0,12% 236 U bevat, zal het verlies aan haalbare opbranding 10 3 MW dag/ton bedragen, bij 0,4% 236 U – 2,5 10 3 MW dag/ton, bij 1% 236 U – 5,10 3 MW· dag/t. Om de negatieve impact van 236 U te compenseren en de gewenste energiekarakteristieken te verkrijgen, is het in bestaande lichtwaterreactoren noodzakelijk om de initiële verrijking van de brandstof met 235 U te verhogen, wat de kosten van de splijtstofcyclus verhoogt.

Het gebruik van splijtstof in reactoren van kerncentrales omvat de volgende hoofdactiviteiten:

• het lossen, accepteren en opslaan in het brandstofassemblagemagazijn van verse brandstof ontvangen van de fabriek van de leverancier;
• assemblage van brandstofassemblages om samen met regelstaven in de reactor te laden;
• het laden van splijtstofelementen in de reactorkern (initieel of in de volgorde van periodiek en gedeeltelijk herladen); efficiënt gebruik van brandstof in de reactorkern (het verkrijgen van een bepaalde thermische energieopbrengst in de reactor).

De splijtstof die in de reactor wordt verbruikt, wordt overgebracht naar een koelbad in de reactorhal en blijft daar enkele jaren staan. Een dergelijke lange blootstelling maakt het mogelijk om de initiële radioactiviteit en de restwarmte die vrijkomt uit splijtstofelementen aanzienlijk te verminderen, lekkende assemblages en splijtstofstaven te verwerpen om de taak van het transporteren van verbruikte splijtstof van het grondgebied van de kerncentrale te vergemakkelijken (Tabel 6.14). .

Vanuit de koelbassins wordt de verbruikte splijtstof overgebracht naar transportcontainers die op speciale spoorwegplatforms of andere voertuigen zijn geïnstalleerd. Met deze operatie wordt de langste – centrale – fase van de splijtstofcyclus bij de kerncentrale beëindigd. Sommige kerncentrales beschikken over langetermijnbufferopslag voor verbruikte splijtstof of kunnen verbruikte splijtstofelementen opslaan in speciale containers die zijn aangepast voor droge langetermijnopslag.

Soorten brandstofcyclus. Er zijn een aantal soorten splijtstofcycli, afhankelijk van het type reactor dat wordt geladen en wat er gebeurt met de verbruikte splijtstof die uit de reactor wordt geloosd. Figuur 6.28 toont een diagram van een open (open) brandstofcyclus.

Verbruikte splijtstof wordt voor onbepaalde tijd opgeslagen in een wateropslagbassin op het grondgebied van de kerncentrale. In dit opzicht is het noodzakelijk om de veiligheid te garanderen bij het werken ermee, het verpakken en het overbrengen van verbruikte splijtstof naar een permanente opslaglocatie bij gebruik van overheidsopslagfaciliteiten. Deze cyclus omvat niet het proces van terugwinning of verrijking van splijtstoffen in verbrande brandstof. Figuur 6.29 toont een cyclus waarin verbruikte splijtstof wordt verwerkt om alleen het uranium terug te winnen. Plutonium- en transuraniumelementen worden in deze cyclus als hoogactief afval (HLW) beschouwd.

Het uranium wordt teruggeleverd aan de verrijkingsfabriek om het verrijkingspercentage te verhogen van 0,8 naar 3%, wat voldoende is om te worden hergebruikt als brandstof voor WWR. “Afval” vereist een juiste behandeling, verpakking en transport naar een permanente opslaglocatie. Een completere brandstofcyclus wordt weergegeven in Figuur 6.30. Hier wordt naast uranium ook plutonium gewonnen. Omdat plutonium een ​​splijtbaar materiaal is, kan het als brandstof worden gebruikt. Plutoniumoxide vermengd met uraniumoxide kan worden hergebruikt in de VWR-cyclus. Dit brandstofmengsel, dat wordt gebruikt in proefassemblages in een aantal commerciële reactoren, heeft zijn succesvolle gebruik als brandstof voor VWR aangetoond.

Tabel 6.14 Verandering in specifieke activiteit en warmteafgifte per 1 ton verbruikte splijtstof die uit VVER wordt gelost bij een gemiddelde opbranding van 33 10 3 MW dag/ton

Vanwege een aantal interferenties en beperkingen heeft plutoniumrecycling echter geen commerciële toepassing bereikt. Japan en Duitsland hebben grote belangstelling getoond voor plutoniumrecycling. In Japan was het belangrijkste motief het verzekeren van de onafhankelijkheid bij het verkrijgen van brandstof voor kerncentrales. In Duitsland wilden ze hiervan profiteren om de verwijdering van hoogactief afval aanzienlijk te vereenvoudigen.

Ook is het mogelijk om VWR en snelle reactoren te combineren, gebaseerd op de derde versie van de splijtstofcyclus. Plutonium dat uit verbruikte splijtstof wordt teruggewonnen, kan worden gebruikt als eerste splijtstoflading voor een snelle reactor.

Dit is het meest effectieve gebruik van plutonium, omdat de beste eigenschappen ervan in het snelle deel van het neutronenspectrum voorkomen. Deze richting wordt gebruikt in Frankrijk.

Plutonium dat in Franse opwerkingsfabrieken wordt geproduceerd, wordt opgeslagen voor later gebruik in het ontwikkelingsprogramma voor snelle reactoren. Een snelle neutronenreactor heeft een eigen splijtstofcyclus nodig, met zijn eigen specifieke kenmerken en kenmerken. Deze specificiteit wordt bepaald door de diepe burn-out van brandstof bij de fokker (3 keer of meer groter dan bij VVR). Een andere cyclus is gebaseerd op het gebruik van thorium, dat weliswaar geen splijtstof is, maar in de reactor wordt omgezet in 23 U. Thorium werd gebruikt in demonstratiekerncentrales met de WWR-reactor (Indian Point 1 en Shippingport), maar het thorium cyclus kreeg geen industriële ontwikkeling. De thoriumcyclus wordt gebruikt in gasreactoren op hoge temperatuur (waarin de brandstof is ingesloten in een grafietmatrix).

Momenteel zijn, als gevolg van de intensivering van de werkzaamheden om reactoren en kerncentrales in het algemeen te verbeteren, de standpunten van veel landen met betrekking tot de keuze van het type splijtstofcyclus aan het veranderen. Steeds meer ontwikkelaars zijn geneigd te kiezen voor een gesloten (gesloten) brandstofcyclus. Aan de andere kant stelt een van de rapporten op de IAEA-conferentie van september 2004, waarin de situatie werd geanalyseerd bij de keuze van het type splijtstofcyclus, rekening houdend met de groeiende vraag naar energie, dat de open, of single-shot, brandstofcyclus cyclus heeft aanzienlijke voordelen ten opzichte van de gesloten cyclus wat betreft productiekosten, non-proliferatiekwesties en operationele veiligheid van de brandstofcyclus. Volgens het rapport is er in de wereld voldoende natuurlijk uraniumerts om de komende vijftig jaar de inbedrijfstelling van duizend nieuwe reactoren te ondersteunen. De ‘one-shot’-methode voor het gebruik van kernbrandstof zal relatief goedkoop en veilig blijven totdat de uraniumertsvoorraden zijn uitgeput en kerncentrales de verzamelde verbruikte splijtstof gaan verwerken om plutonium te produceren, een niet-natuurlijk voorkomend, door de mens gemaakt bijproduct van de verbranding. uranium. Tegelijkertijd wordt de situatie met de kosten van operaties voor de opslag van verbruikte splijtstof en radioactief afval niet geanalyseerd. Naarmate de uraniumertsreserves echter opraken, kunnen de kosten van het exploiteren van een open brandstofcyclus, het tegenovergestelde van een gesloten cyclus, stijgen. Om de onnoemelijke risico's die gepaard gaan met het gebruik van een gesloten cyclus te vermijden, bevelen deskundigen echter aan dat regeringen en leiders van de kernenergiesector in de nucleaire industrie een open cyclus blijven hanteren in plaats van een gesloten cyclus, vanwege de hoge kosten van de verbruikte splijtstof. opwerkingsproces en ontwikkelingen op het gebied van nieuwe thermonucleaire of snelle neutronenreactoren. De auteurs van het rapport adviseren met klem dat het onderzoek en de ontwikkeling van de brandstofcyclus zich richten op de ontwikkeling van technologieën die bij een normale operatie, dat wil zeggen een vreedzame kernenergieoperatie, niet zouden resulteren in de productie van voor wapens bruikbare materialen, waaronder uranium en splijtbare materialen. zoals plutonium) en kleine actiniden. De gesloten splijtstofcycluspraktijken die momenteel in West-Europa en Japan worden toegepast, voldoen niet aan dit criterium, aldus het rapport. Daarom, zo zeggen de auteurs, moeten splijtstofcyclusanalyse, onderzoek, ontwikkeling en testen een duidelijke beoordeling omvatten van het mogelijke risico op proliferatie van nucleair materiaal en de maatregelen die nodig zijn om dit risico te minimaliseren. Als echter de meest waarschijnlijke voorspelling voor de toekomst van kernenergie de mondiale groei van de kernenergie-industrie is, gebaseerd op een open splijtstofcyclus, dan moeten er volgens de auteurs van het rapport binnen de komende tien jaar internationale overeenkomsten over de opslag van verbruikte splijtstof worden ingevoerd. jaren, wat het potentiële risico op nucleaire proliferatie aanzienlijk zou moeten verminderen.

In de toekomstige grootschalige opwekking van kernenergie met behulp van snelle neutronen in de zone van kernreacties zou niet alleen de splijting van actiniden moeten worden uitgevoerd, maar ook de productie van plutoniumisotopen uit de ruwe splijtstof uranium-238 – een uitstekende splijtstof. . Wanneer de fokfactor hoger is dan 1, kan er meer plutonium in de ongeladen splijtstof worden verkregen dan er wordt verbrand. De geloosde splijtstof uit snelle kernreactoren moet naar een radiochemische fabriek, waar het ontdaan wordt van splijtingsproducten die neutronen absorberen. Vervolgens wordt de brandstof, bestaande uit uranium238 en actiniden (Pu, Np, Cm, Am), voldoende om een ​​nucleaire kettingreactie uit te voeren, samen met een additief van verarmd uranium, opnieuw in de kern van de kerncentrale geladen. In een snelle neutronenkernreactor kan tijdens radiochemische verwerking vrijwel al het uranium-238 worden verbrand.

Volgens de auteurs van het rapport zullen snelle neutronenkernreactoren de grootschalige kernenergie domineren. De brandstof die uit deze reactoren wordt geloosd, bevat een groot aantal actinide-isotopen (Pu, Np, Cm, Am) en wordt gekenmerkt door een grote opbranding, wat betekent dat er meer splijtingsproducten per massa-eenheid splijtstof zullen zijn.

Er moeten nog radiochemische technologieën worden gecreëerd die zorgen voor:

• nucleaire veiligheid waarbij rekening wordt gehouden met een aanzienlijk groter aantal kleine actiniden met hun eigen kritische massa;
• diepe zuivering van splijtingsproducten van actiniden, om geen problemen te veroorzaken tijdens hun opslag, begrafenis en transmutatie;
• maximale vermindering van de massa procesafval;
• meer geavanceerde zuivering van gassen die vrijkomen tijdens radiochemische verwerking uit jodium, tritium, krypton en radioactieve aërosolen;
• stralingsveiligheid van bedienend personeel;
• het verkrijgen van chemische elementen die nodig zijn voor de nationale economie, bijvoorbeeld een zuivere α-bron;
• de mogelijkheid om materialen te hergebruiken die zich in de zone van kernreacties bevinden en die bestaan ​​uit waardevolle metalen (Ni, Cr, Nb, Mo. Ti, W, V), die geïnduceerde activiteit hebben verkregen;
• economisch haalbare radiochemische verwerking, concurrerend in vergelijking met de winning van natuurlijk uranium voor toekomstige energie.

Momenteel wordt verbruikte splijtstof van vier Russische kerncentrales (Novo-Voronezh, Balakovo, Kalinin, Rostov), ​​drie Oekraïense (Zuid-Oekraïense, Khmelnitsky, Rivne) en Kozloduy NPP (Bulgarije) opgeslagen in de "natte" centrale van de centrale. opslagfaciliteit RT-2 voor SNF-regeneratie op het grondgebied van de Federal State Unitary Enterprise Mining and Chemical Combine in Zheleznogorsk (Rusland). Volgens het project is de opslagfaciliteit ontworpen voor 6.000 ton; er wordt verwacht dat deze zal worden gecomprimeerd met de mogelijkheid om 8.600 ton verbruikte splijtstof te huisvesten. Bestraalde splijtstofassemblages (SFA's) worden opgeslagen onder een laag water op minimaal 2,5 meter boven de assemblage, wat een betrouwbare bescherming van personeel tegen alle soorten radioactieve blootstelling garandeert. Nadat de verbruikte splijtstof in een natte opslagfaciliteit is bewaard, zal deze worden geplaatst in een droge opslagfaciliteit voor verbruikte splijtstof (KhOT-2) met een totale capaciteit van 38.000 ton (waarvan 27.000 ton bestemd is voor de opslag van verbruikte splijtstofelementen van RBMK). -1000 reactoren, waarvan 11.000 ton voor verbruikte splijtstofassemblages van VVER-1000-reactoren), die nu in volle gang zijn in de centrale en de eerste fase in december 2009 in gebruik zal worden genomen. Het KhOT-2-opslagcomplex zal zorgen voor een veilige langetermijnopslag van verbruikte splijtstof van de RBMK-1000- en VVER-1000-reactoren en de daaropvolgende overdracht ervan voor radiochemische verwerking of ondergrondse isolatie. KHOT-2 zal worden uitgerust met moderne systemen voor stralings- en nucleaire veiligheidsmonitoring.

Waarom uranium?

De mensheid heeft zichzelf aan handen en voeten vastgebonden met elektrische draden. Huishoudelijke apparaten, industriële apparatuur, straatverlichting, trolleybussen, metro, elektrische treinen - al deze voordelen van de beschaving werken via het elektriciteitsnetwerk; het worden betekenisloze "stukken ijzer" als de stroom om de een of andere reden wegvalt. Mensen zijn echter al zo gewend aan een constante stroomvoorziening dat elke storing ontevredenheid en zelfs ongemak veroorzaakt. En echt, wat moet een mens doen als al zijn apparaten in één keer zijn uitgeschakeld, inclusief zijn meest favoriete apparaten: de tv, de computer en de koelkast? Het is vooral moeilijk om 's avonds een 'scheiding' te verdragen, wanneer je na het werk of de studie echt, zoals ze zeggen, de daglichturen wilt verlengen. Zal een tablet of een telefoon u redden, maar hun lading duurt niet eeuwig. Het is nog erger om in een ‘gevangeniscel’ te belanden, die, als er een stroomstoring optreedt, kan veranderen in een liftkooi of een metro.

Waarom al dit gepraat? En aan het feit dat de “geëlektrificeerde” mensheid stabiele en krachtige energiebronnen nodig heeft – in de eerste plaats elektriciteit. Als er een tekort aan is, zullen netwerkstoringen hinderlijk frequent worden en zal de levensstandaard afnemen. Om te voorkomen dat dit onaangename scenario werkelijkheid wordt, is het noodzakelijk om steeds meer energiecentrales te bouwen: het mondiale energieverbruik groeit en de bestaande energiecentrales verouderen geleidelijk.

Maar wat kan moderne energie, waarbij vooral steenkool en gas worden verbrand, het probleem oplossen? Natuurlijk nieuwe gasinstallaties die waardevolle chemische grondstoffen vernietigen, of kolenblokken die de lucht in rook doen opgaan. Overigens is de uitstoot van thermische energiecentrales een bekend milieuprobleem, maar bedrijven die fossiele brandstoffen produceren veroorzaken ook schade aan het milieu. Maar het verbruik is enorm. Om de werking van een conventionele koelkast gedurende het jaar te garanderen, moet u bijvoorbeeld ongeveer honderd kilo steenkool of honderden kubieke meter aardgas verbranden. En dit is slechts één huishoudelijk apparaat, waarvan er veel zijn.

Hoeveel kernbrandstof is er trouwens nodig om de genoemde koelkast een heel jaar te laten werken? Het is moeilijk te geloven, maar... slechts één gram!

De kolossale energie-intensiteit van kernbrandstof gemaakt uit verrijkt uranium maakt het een waardige concurrent van steenkool en gas. In feite verbruikt een kerncentrale honderdduizend keer minder brandstof dan een thermische centrale. Dit betekent dat de mijnbouw voor uraniumwinning op veel kleinere schaal plaatsvindt, wat belangrijk is voor het milieu. Bovendien is er geen uitstoot van broeikasgassen en giftige gassen.

De krachtbron van een kerncentrale met een capaciteit van duizend megawatt zal slechts drie dozijn ton nucleaire brandstof per jaar verbruiken, en een thermische centrale met dezelfde capaciteit zal ongeveer drie miljoen ton steenkool of drie miljard kubieke meter gas nodig hebben. . Met andere woorden: om dezelfde hoeveelheid elektriciteit te verkrijgen, heb je per jaar meerdere treinwagons met kernbrandstof nodig, of meerdere treinen met steenkool... per dag.

Hoe zit het met hernieuwbare energiebronnen? Ze zijn uiteraard goed, maar moeten nog worden verbeterd. Neem bijvoorbeeld het gebied dat door het station wordt ingenomen. In het geval van windgeneratoren en zonnepanelen is dit twee ordes van grootte hoger dan die van conventionele energiecentrales. Als een kerncentrale (NPP) bijvoorbeeld in een gebied van een paar vierkante kilometer past, zal een windpark of zonneveld met hetzelfde vermogen enkele honderden vierkante kilometers in beslag nemen. Simpel gezegd is de verhouding tussen gebieden vergelijkbaar met die van een klein dorp en een hele grote stad. In de woestijn is deze indicator misschien niet belangrijk, maar in een gebied van landbouw of bosbouw kan dit wel het geval zijn.

Er moet worden vermeld dat kernbrandstof altijd klaar is om te werken, ongeacht de tijd van het jaar, de dag of de weersomstandigheden, terwijl de zon 's nachts in principe niet schijnt en de wind waait wanneer hij wil. Bovendien zal hernieuwbare energie in sommige gebieden helemaal niet rendabel zijn vanwege de lage zonne-energiestroom of de lage gemiddelde windsnelheid. Voor kerncentrales bestaan ​​dergelijke problemen eenvoudigweg niet.

Deze voordelen van kernenergie bepaalden de opmerkelijke rol van uranium – als nucleaire brandstof – voor de moderne beschaving.

Wie heeft hoeveel?

In een oude Sovjet-cartoon losten de dieren een belangrijk probleem op: het verdelen van een sinaasappel. Als resultaat kreeg iedereen behalve de wolf een lekker sappig stukje; de grijze moest tevreden zijn met de schil. Met andere woorden, hij kreeg geen waardevolle hulpbron. Vanuit dit gezichtspunt is het interessant om te weten hoe de zaken er voor staan ​​met uranium: hebben alle landen van de wereld hun reserves, of zijn er beroofde landen?

In feite is er veel uranium op aarde, en dit metaal is bijna overal te vinden: in de korst van onze planeet, in de Wereldoceaan, zelfs in het menselijk lichaam. Het probleem ligt in de ‘verspreiding’ ervan, ‘verspreiding’ over de rotsen van de aarde, wat resulteert in een lage concentratie uranium, die meestal onvoldoende is om economisch winstgevende industriële productie te organiseren. Op sommige plaatsen zijn er echter clusters met een hoog gehalte aan uraniumafzettingen. Ze zijn ongelijk verdeeld en dienovereenkomstig variëren de uraniumreserves van land tot land. De meeste afzettingen van dit element “zweefden weg” samen met Australië; Bovendien hadden Kazachstan, Rusland, Canada en de landen van Zuid-Afrika geluk. Dit beeld is echter niet bevroren; de situatie verandert voortdurend als gevolg van de exploratie van nieuwe afzettingen en de uitputting van oude.

Verdeling van bewezen uraniumreserves per land (voor reserves met mijnbouwkosten< $130/кг)

In de wateren van de Wereldoceaan is een enorme hoeveelheid uranium opgelost: ruim vier miljard ton. Het lijkt een ideale “aanbetaling” - ik wil het niet minen. Wetenschappers ontwikkelden in de jaren tachtig van de vorige eeuw speciale sorptiemiddelen voor het winnen van uranium uit zeewater. Waarom wordt deze uitstekende methode niet overal toegepast? Het probleem is dat de concentratie van het metaal te laag is: uit een ton water kan slechts ongeveer drie milligram worden gehaald! Het is duidelijk dat dergelijk uranium te duur zal zijn. Er wordt geschat dat een kilogram een ​​paar duizend dollar zal kosten, wat aanzienlijk duurder is dan zijn 'land'-tegenhanger. Maar wetenschappers zijn niet boos en bedenken steeds effectievere sorptiemiddelen. Dus misschien zal deze mijnbouwmethode binnenkort concurrerend worden.

Tot op heden bedraagt ​​het totale aantal bewezen uraniumreserves met productiekosten van minder dan $130 per kilogram meer dan 5,9 miljoen ton. Is dit teveel? Het is voldoende: als het totale vermogen van kerncentrales op het huidige niveau blijft, gaat het uranium honderd jaar mee. Ter vergelijking: bewezen olie- en gasvoorraden kunnen in slechts dertig tot zestig jaar uitgeput zijn.

De top tien van landen qua uraniumreserves op hun grondgebied (voor reserves met productiekosten< $130/кг)

We mogen echter niet vergeten dat kernenergie zich volgens de voorspellingen zal ontwikkelen, dus nu is het de moeite waard om na te denken over hoe we de hulpbronnen ervan kunnen uitbreiden.

Een van de manieren om dit probleem op te lossen is het zoeken naar en tijdig ontwikkelen van nieuwe afzettingen. Afgaande op de beschikbare informatie zouden hier geen problemen mee moeten zijn: pas de laatste paar jaar zijn er nieuwe afzettingen gevonden in sommige landen in Afrika, Zuid-Amerika en ook in Zweden. Het is waar dat het onmogelijk is om met zekerheid te zeggen hoe winstgevend de winning van de ontdekte reserves zal zijn. Het kan gebeuren dat vanwege het lage uraniumgehalte in het erts en de moeilijkheid om afzettingen te ontwikkelen, een deel ervan “voor later” zal moeten worden achtergelaten. Feit is dat de prijzen voor dit metaal nu vrij laag zijn. Vanuit economisch oogpunt is er niets verrassends. Ten eerste zijn er nog steeds afzettingen van relatief gemakkelijk te winnen en dus goedkoop uranium in de wereld; het komt op de markt en “brengt” de prijs omlaag. Ten tweede hebben sommige landen na het ongeval in Fukushima de plannen voor de bouw van nieuwe kerncentrales aangepast en heeft Japan al zijn kerncentrales volledig gesloten - er was een daling van de vraag, waardoor de prijs van uranium verder daalde. Maar het zal niet lang duren. China en India zijn al aan het spel begonnen en plannen een grootschalige bouw van kerncentrales op hun grondgebied. Ook andere Aziatische landen, maar ook landen in Afrika en Zuid-Amerika, hebben minder ambitieuze projecten. Zelfs Japan zal blijkbaar geen afstand kunnen doen van zijn kernenergie. Daarom zal de vraag zich geleidelijk herstellen, en in combinatie met de uitputting van goedkope voorraden zal dit leiden tot een stijging van de uraniumprijzen. Analisten zijn van mening dat het wachten kort is, slechts een paar jaar. Dan zal het mogelijk zijn om na te denken over het ontwikkelen van de deposito's die 'voor later' zijn overgebleven.

Het is interessant dat de lijsten van landen met de grootste uraniumvoorraden en staten met de meest ontwikkelde kernenergie praktisch niet samenvallen. In de diepten van Australië bevindt zich een derde van de uraniumrijkdom in de wereld, maar er is geen enkele kerncentrale op het groene continent. Kazachstan, de wereldleider in de productie van dit metaal, bereidt zich nog steeds voor op de bouw van verschillende kerncentrales. Om economische en andere redenen zijn Afrikaanse landen nog lang niet toegetreden tot de mondiale ‘nucleaire’ familie. De enige kerncentrale op dit continent bevindt zich in de Republiek Zuid-Afrika, die onlangs de wens heeft uitgesproken om kernenergie verder te ontwikkelen. Maar voorlopig heeft zelfs Zuid-Afrika een time-out genomen.

Wat kunnen de ‘nucleaire’ reuzen – de VS, Frankrijk, Japan – en China en India, die hen op de hielen volgen, doen als hun behoeften groot zijn en hun eigen reserves uitgeput zijn? Probeer natuurlijk controle te krijgen over uraniumvoorraden en ondernemingen in andere landen. Deze taak is van strategische aard, en bij het oplossen ervan gaan staten een zware strijd aan. Grote bedrijven worden opgekocht, politieke manoeuvres worden ondernomen, ondergrondse plannen worden uitgevoerd met omkoping van de juiste mensen of juridische oorlogen. In Afrika kan en zal deze strijd resulteren in burgeroorlogen en revoluties, heimelijk gesteund door leidende staten die proberen invloedszones te herverdelen.

In dit opzicht heeft Rusland geluk: onze kerncentrales beschikken over behoorlijk behoorlijke eigen uraniumreserves, die worden gewonnen in het Trans-Baikal-gebied, de Koergan-regio en de Republiek Boerjatië. Daarnaast worden er actieve geologische exploratiewerkzaamheden georganiseerd. Aangenomen wordt dat afzettingen in de regio Transbaikal, West-Siberië, de Republiek Karelië, de Republiek Kalmukkië en de regio Rostov een groot potentieel hebben.

Daarnaast bezit Rosatom ook buitenlandse activa - grote belangen in uraniummijnbouwbedrijven in Kazachstan, de VS en Australië, en werkt het ook aan veelbelovende projecten in zuidelijk Afrika. Als gevolg hiervan bekleedt Rosatom, onder de leidende bedrijven ter wereld die zich bezighouden met de productie van uranium, met vertrouwen de derde plaats na Kazatomprom (Kazachstan) en Cameco (Canada).

Door de chemische samenstelling van meteorieten, waarvan sommige van Mars afkomstig zijn, te bestuderen, ontdekten wetenschappers uranium. Toegegeven, de inhoud ervan bleek aanzienlijk lager te zijn dan in aardse rotsen. Ja, nu is het duidelijk waarom de marsmannetjes ons vaak bezoeken in hun vliegende schotels.

Maar serieus, er wordt aangenomen dat uranium aanwezig is in alle objecten van het zonnestelsel. In 2009 werd het bijvoorbeeld ontdekt in maangrond. Er ontstonden meteen fantastische ideeën, zoals het delven van uranium op een satelliet en het vervolgens naar de aarde sturen. Een andere optie is om de reactoren van maankolonies die zich in de buurt van de afzettingen bevinden, van stroom te voorzien. Er is echter nog niet naar de afzettingen gezocht; en vanuit economisch oogpunt lijkt een dergelijke productie nog steeds niet realiseerbaar. Maar in de toekomst - wie weet...

Als je lang last hebt, krijg je brandstof

De beschikbaarheid van uraniumertsreserves is slechts één onderdeel van succes. In tegenstelling tot brandhout of steenkool, waarvoor geen bijzonder complexe voorbereiding nodig is voordat het de oven in gaat, kan erts niet zomaar in stukken worden gesneden en in de reactor worden gegooid. Om uit te leggen waarom, is het noodzakelijk een aantal kenmerken te noemen die inherent zijn aan uranium.

Vanuit chemisch oogpunt is dit element zeer actief, met andere woorden, het heeft de neiging verschillende verbindingen te vormen; daarom is het zoeken naar goudklompjes in de natuur, zoals goud, volkomen hopeloos. Wat wordt dan uraniumerts genoemd? Een gesteente dat zeer kleine hoeveelheden uraniummineralen bevat. Ze voegen er vaak aan toe: klein, maar genoeg om de industriële productie door economen te laten goedkeuren. Tegenwoordig wordt het bijvoorbeeld raadzaam geacht erts te winnen, waarvan een ton slechts enkele kilo's of zelfs honderden grammen uranium bevat. De rest is leeg, onnodig gesteente, waaruit uraniummineralen moeten worden geïsoleerd. Maar zelfs zij kunnen nog niet in een kernreactor worden geladen. Feit is dat deze mineralen meestal oxiden of onoplosbare uraniumzouten vertegenwoordigen in gezelschap van andere elementen. Sommige ervan kunnen waardevol zijn voor de industrie, en de organisatie van de daarmee samenhangende productie kan de economische prestaties verbeteren. Maar zelfs als een dergelijke noodzaak niet bestaat, moet uranium toch worden gezuiverd van onzuiverheden. Anders zou splijtstof gemaakt van ‘vuil’ uranium problemen met de reactor of zelfs een ongeluk kunnen veroorzaken.

Gezuiverd uranium kan echter ook niet met volledig vertrouwen kernbrandstof worden genoemd. Het addertje onder het gras is de isotopensamenstelling: per duizend uraniumatomen in de natuur zijn er slechts zeven atomen uranium-235, wat nodig is om de splijtingskettingreactie te laten plaatsvinden. De rest is uranium-238, dat praktisch niet splijt en zelfs neutronen absorbeert. Het is echter heel goed mogelijk om een ​​reactor te lanceren met natuurlijk uranium, op voorwaarde dat er een zeer effectieve moderator wordt gebruikt, zoals duur zwaar water of puur grafiet. Alleen zij zorgen ervoor dat de neutronen die worden gevormd tijdens de splijting van de uranium-235-kern zo snel vertragen dat ze tijd hebben om andere uranium-235-kernen te raken en hun splijting te veroorzaken, en niet op roemloze wijze worden opgevangen door uranium-238. Maar om verschillende redenen gebruikt de overgrote meerderheid van de reactoren in de wereld een andere aanpak: natuurlijk uranium is verrijkt met een splijtbare isotoop. Met andere woorden: het gehalte aan uranium-235-atomen wordt kunstmatig verhoogd van zeven naar enkele tientallen per duizend. Hierdoor is de kans groter dat neutronen ze tegenkomen en wordt het mogelijk om goedkopere, hoewel minder effectieve moderatoren te gebruiken, bijvoorbeeld gewoon water.

Is verrijkt uranium het eindproduct? Nogmaals, nee, aangezien energiereactoren zorgen voor de overdracht van “nucleaire” warmte naar een koelmiddel dat de brandstof wast – meestal water. Door de ophoping van splijtingsproducten wordt de brandstof zeer radioactief terwijl deze in een werkende reactor blijft. In geen geval mag het in water oplossen. Om dit te doen, wordt uranium overgebracht naar een chemisch resistente staat en wordt het ook geïsoleerd van de koelvloeistof, bedekt met een metalen omhulsel. Het resultaat is een complex technisch apparaat dat verrijkte uraniumverbindingen bevat, die met vertrouwen nucleaire brandstof kunnen worden genoemd.

De genoemde operaties – uraniumwinning, de zuivering en verrijking ervan, evenals de productie van splijtstof – zijn de eerste fasen van de zogenaamde splijtstofcyclus. Je moet ze allemaal in meer detail leren kennen.

De halfwaardetijd van uranium-238 is 4,5 miljard jaar, en uranium-235 slechts 700 miljoen jaar. Het blijkt dat de splijtbare isotoop verschillende keren sneller vervalt dan de belangrijkste. Als je erover nadenkt, betekent dit dat in het verleden het gehalte aan uranium-235 in het natuurlijke mengsel van isotopen groter was dan nu. Een miljard jaar geleden hadden zestien van de duizend uraniumatomen bijvoorbeeld een kern met 235 nucleonen, twee miljard jaar geleden was hun aantal zevenendertig, en drie miljard jaar eerder – maar liefst tachtig! In feite bevatte het erts in die verre tijden uranium, dat we tegenwoordig verrijkt noemen. En het zou heel goed kunnen gebeuren dat in een bepaalde afzetting een natuurlijke kernreactor uit zichzelf zou gaan werken!

Wetenschappers zijn ervan overtuigd dat dit precies is wat er is gebeurd met verschillende superrijke uraniumafzettingen in de Oklo-afzetting, gelegen in het moderne Gabon. 1,8 miljard jaar geleden begon daar spontaan een nucleaire kettingreactie. Het werd geïnitieerd door neutronen die werden geproduceerd tijdens spontane splijting, en vervolgens werden de hoge concentratie uranium-235 en de aanwezigheid van water in het erts, een neutronenmoderator, geactiveerd. Kortom, de reactie hield zichzelf in stand en duurde enkele honderdduizenden jaren, nu eens intenser, dan weer vervagend. Toen gingen de reactoren “uit”, blijkbaar als gevolg van een verandering in het waterregime.

Tegenwoordig is het de enige bekende natuurlijke kernreactor. Bovendien kunnen dergelijke processen momenteel op geen enkel gebied van start gaan. De reden is heel duidelijk: er is te weinig uranium-235 over.

Probeer het op te graven

Uraniumertsen komen zelden aan de oppervlakte. Meestal liggen ze op een diepte van vijftig meter tot twee kilometer.

Ondiepe afzettingen worden ontwikkeld door dagbouw of, zoals het ook wel dagbouw wordt genoemd. Het harde gesteente wordt geboord en gestraald, vervolgens met vorkheftrucks in dumptrucks geladen en uit de steengroeve verwijderd. Losse stenen worden gewonnen en in mijndumpers geladen met behulp van conventionele of roterende graafmachines, en bulldozers worden veel gebruikt. De kracht en omvang van deze apparatuur verbaast de verbeelding: de reeds genoemde dumptrucks hebben bijvoorbeeld een laadvermogen van honderd of meer ton! Helaas is de schaal van de steengroeve zelf ook groot, met een diepte van driehonderd meter. Na voltooiing van de werkzaamheden gaapt het als een enorm gat in het aardoppervlak, en daarnaast rijzen de stapels rotsen op die de uraniumafzettingen bedekten. In principe kan de groeve worden gevuld met deze stortplaatsen, waarbij er gras en bomen op worden geplant; maar het zal onbetaalbaar zijn. Daarom worden de putten geleidelijk gevuld met water en vormen zich meren die niet economisch kunnen worden gebruikt vanwege het verhoogde uraniumgehalte in het water. Er kunnen zich ook problemen met grondwaterverontreiniging voordoen, dus uraniumgroeven vereisen speciale aandacht.

De uraniumwinning in open mijnen begint echter om een ​​volkomen banale reden geleidelijk tot het verleden te behoren: de afzettingen dicht bij het oppervlak zijn praktisch geëindigd. Nu hebben we te maken met diep verborgen ertsen. Traditioneel worden ze ontwikkeld volgens de ondergrondse (mijn)methode. Stel je maar eens voor dat strenge, bebaarde mannen met pikhouwelen door de fabrieken kruipen en erts hakken. Nu is het werk van mijnwerkers grotendeels gemechaniseerd. In gesteente dat uranium bevat, worden gaten geboord - speciale diepe gaten waarin explosieven worden geplaatst. Na de explosie wordt het gemalen erts opgeschept door een laad- en bezorgvoertuig en loopt het langs kronkelende smalle galerijen naar de karren. Een kleine elektrische locomotief brengt de gevulde karren naar de verticale schacht van de mijn en vervolgens wordt het erts met behulp van een kooi, een soort lift, naar de oppervlakte getild.

Ondergrondse mijnbouw heeft een aantal kenmerken. Ten eerste kan het alleen rendabel zijn als het gaat om ertsen van hoge kwaliteit met een hoog uraniumgehalte, die zich niet dieper dan twee kilometer bevinden. Anders zullen de kosten van mijnbouw, winning en verdere verwerking van erts uranium praktisch “gouden” maken. Ten tweede is het ondergrondse koninkrijk van uraniummijnen een gesloten ruimte waarin radioactief stof en niet minder radioactief radongas zweven. Daarom kunnen mijnwerkers niet zonder krachtige ventilatie en speciale beschermingsmiddelen zoals ademhalingstoestellen.

Zowel bij de steengroeve- als bij de schachtmijnbouw wordt het erts in de vorm van vrij grote stukken gewonnen. Bij het opscheppen met een graafmachine of LHD weet de machinist niet of hij erts opraapt dat rijk is aan uraniummineralen of afvalgesteente, of iets daartussenin. De afzetting is immers niet erg homogeen van samenstelling en het gebruik van krachtige machines maakt delicaat en elegant werk niet mogelijk. Maar het opsturen van stukken die vrijwel geen uranium bevatten voor verdere verwerking is op zijn zachtst gezegd onredelijk! Daarom wordt het erts gesorteerd met behulp van de belangrijkste eigenschap van uranium, waardoor het niet moeilijk te detecteren is: radioactiviteit. Speciale ioniserende stralingssensoren maken het mogelijk om, zowel tijdens het laden als al in de transporttank, het erts in verschillende klassen te verdelen op basis van de intensiteit van de straling die het afgeeft. Afvalgesteente wordt naar stortplaatsen gestuurd. Rijk erts - voor de hydrometallurgische fabriek. Maar erts met een kleine maar merkbare hoeveelheid uranium wordt opnieuw en zorgvuldiger gesorteerd. Eerst wordt het vermalen, op grootte verdeeld, waarna de stukken op een bewegende transportband worden gedumpt. Erboven is een ioniserende stralingssensor geïnstalleerd, waarvan het signaal naar het geautomatiseerde controlesysteem voor de dempers aan het uiteinde van de riem wordt gestuurd. De sensor is geconfigureerd om te reageren op een radioactief stuk erts dat uraniummineralen bevat dat eronder doorgaat. Vervolgens draait de klep en valt het erts in een speciale ertshopper, vanwaar het naar de hydrometallurgische fabriek wordt getransporteerd. Op zijn beurt "verstoort" het afvalgesteente de sensor en de demper op geen enkele manier en valt het in een andere doos - in de stortplaats.

Vereenvoudigd diagram van radiometrische ertssortering (moderne complexen zijn veel complexer)

Het beschreven schema is bij benadering en fundamenteel: niets verhindert het sorteren van erts bij bedrijven met andere bekende methoden. De praktijk leert echter dat ze slecht geschikt zijn voor uraniumertsen. Daarom werd radiometrisch sorteren – met stralingsdetectoren – geleidelijk een basistechnologie.

In werkelijkheid wordt bij het sorteren van erts ook een bepaalde middencategorie onderscheiden, die op basis van het uraniumgehalte niet kan worden geclassificeerd als rijk erts of afvalgesteente. Met andere woorden: het naar een hydrometallurgische fabriek sturen is duur (een verspilling van tijd en reagentia), en het is zonde om het naar stortplaatsen te sturen. Dergelijk erts van lage kwaliteit wordt in grote hopen opgestapeld en in de open lucht met zwavelzuur overgoten, waardoor het uranium geleidelijk oplost. De resulterende oplossing wordt gepompt voor verdere verwerking.

In de hydrometallurgische fabriek wordt het rijke erts verder vermalen, bijna tot stof, en vervolgens opgelost.

Erts wordt verpletterd in verschillende molens, bijvoorbeeld trommelkogelmolens: het gebroken materiaal en metalen kogels zoals kanonskogels worden in een roterende holle trommel gegoten. Tijdens het draaien raken de ballen stukjes erts, waardoor ze worden vermalen en tot poeder worden vermalen.

Het gemalen erts wordt ‘geopend’, dat wil zeggen gedeeltelijk opgelost, door behandeling met zwavelzuur of salpeterzuur, of een mengsel van beide. Het resultaat is een uraniumoplossing die veel onzuiverheden bevat. Soms, als het uraniumerts veel natuurlijke carbonaten bevat, wordt er geen zuur gebruikt. Anders zal er een reactie optreden die doet denken aan blussoda met azijn - met een intense afgifte van kooldioxide, en zal het reagens verloren gaan. Hoe te zijn? Het blijkt dat dergelijke mineralen kunnen worden "geopend" met behulp van een frisdrankoplossing. Als gevolg hiervan krijgt u ook een oplossing van uranium, die zal worden gebruikt voor verdere verwerking.

Maar de overblijfselen van onopgelost erts moeten naar speciale stortplaatsen voor residuen worden gestuurd - niet de meest milieuvriendelijke faciliteiten. Het is de moeite waard om het tijdens het sorteerproces gescheiden afvalgesteente terug te roepen: het wordt op stortplaatsen geplaatst. Zowel residuen als stortplaatsen bevatten kleine hoeveelheden uranium, waardoor ze potentieel gevaarlijk zijn. In dit verband rijst de vraag: is het mogelijk om de productie zo te organiseren dat er minimale schade aan de natuur wordt toegebracht en de veiligheid van werknemers wordt gewaarborgd?

Het is mogelijk en het wordt al heel lang beoefend. De betreffende extractiemethode wordt in-situ uitloging genoemd. De essentie ervan is dat het veld met veel putten wordt "doorboord". Sommigen van hen, injectiekamers genoemd, zijn gevuld met zwavelzuur, dat naar de diepte afdaalt, door het erts gaat en het uranium oplost. Vervolgens wordt de oplossing van waardevol metaal via andere pompputten uit de ondergrond gehaald.

Wat gebeurt er: geen stortplaatsen, geen residuen, geen stof, geen gaten of onverwachte gaten in de grond, maar uiteindelijk dezelfde uraniumoplossing? Ja. Bovendien worden door gebruik te maken van de methode van ondergrondse uitloging van boorgaten zeer slechte ertsen ontwikkeld, die economisch onrendabel zijn om te worden gewonnen door dagbouw of ondergrondse mijnbouw. Maar met zo'n reeks voordelen moeten er ook nadelen zijn! In de eerste plaats is het boren van putten dieper dan achthonderd meter vanuit kostenoogpunt irrationeel. Ten tweede werkt de methode niet in dichte, niet-poreuze ertsen. Ten derde verstoort zwavelzuur nog steeds de samenstelling en het gedrag van het grondwater in het veld, hoewel deze verstoringen in de loop van de tijd vanzelf ‘oplossen’. Veel gevaarlijker is het als de oplossing over het oppervlak terechtkomt of via een omweg – langs scheuren en breuken – in het grondwater terechtkomt. Daarom wordt het proces nauwlettend gevolgd door het boren van peilputten.

In-situ uitloging van boorgaten

Om de genoemde problemen te voorkomen, werd een 'mijn'-versie van ondergrondse uitloging uitgevonden: ertsblokken in de fabrieken worden verpletterd door explosies en vervolgens met een uitloogoplossing (zwavelzuur) er bovenop gegoten, waarbij de uraniumoplossing van onderaf wordt genomen - door de drainagesysteem.

In ieder geval is in-situ uitloging tegenwoordig de meest milieuvriendelijke methode voor uraniumwinning. Dit is een van de redenen voor de explosieve groei van zijn populariteit. Terwijl in 2000 slechts vijftien procent van het uranium werd gewonnen door middel van ondergrondse uitloging, ligt dit cijfer nu bijna vijftig procent!

In-situ uitloging wordt de leidende technologie voor uraniumwinning

Meestal wordt naar uraniumafzettingen gezocht met behulp van ioniserende stralingssensoren; preciezer: gammastraling. Eerst vliegt een vliegtuig uitgerust met dergelijke sensoren over het gebied. Hij kan alleen een stralingsafwijking detecteren: een iets verhoogde achtergrond boven het veld. Vervolgens wordt een helikopter gelanceerd, die langzamer en nauwkeuriger de grenzen van het kansrijke gebied ‘afbakent’. Uiteindelijk komen goudzoekers naar dit gebied met meetinstrumenten en boren. Op basis van de resultaten van hun werk zal een kaart van het voorkomen van uraniumertsen worden opgesteld en zullen de productiekosten worden berekend.

Uraniumertsafzettingen kunnen zichzelf echter op andere manieren signaleren. Door bijvoorbeeld het uiterlijk van de planten die erboven groeien te veranderen: de bloemblaadjes van wilgenroosje, meestal roze, worden wit; Bosbessenvruchten worden groen of wit. De diepe wortels van de jeneverbes die boven de afzetting groeit, absorberen uranium goed en hopen zich op in de takken en naalden. Door er as van te maken en het uraniumgehalte te testen, kun je begrijpen of het belangrijkste metaal van kernenergie de moeite waard is om in dit gebied te winnen.

Reinheid is de sleutel tot gezondheid (kernreactor)

De uraniumoplossing die wordt verkregen door het erts te “openen” of tijdens het ondergronds uitlogen, is niet bijzonder zuiver. Met andere woorden: naast uranium bevat het een aantal chemische elementen die in de aardkorst voorkomen: natrium en kalium, calcium en magnesium, ijzer, nikkel en koper - en vele andere. Je moet niet verbaasd zijn over de vorming van zo'n dikke "compote", omdat zwavelzuur zeer chemisch actief is en veel natuurlijke stoffen oplost; Het is goed dat het niet al het erts is. Maar om kernbrandstof te maken heb je het zuiverst mogelijke uranium nodig. Als zich tussen de uraniumatomen hier en daar onzuiverheidsatomen bevinden, kan het zijn dat de reactor niet start of, erger nog, kapot gaat. De redenen voor dergelijke problemen zullen zeer binnenkort worden besproken, maar voor nu kunnen we de taak stellen: het uranium opruimen. En het is ook wenselijk om het in vaste vorm te ontvangen, handig voor transport. Oplossingen zijn inderdaad niet geschikt voor transport: ze ‘houden ervan’ om te veel te morsen of door lekken te sijpelen.

In de industrie wordt dit probleem op verschillende manieren opgelost. Eerst wordt de oplossing geconcentreerd door deze door speciale materialen te leiden die uranium-sorbentia verzamelen. De eerste mogelijkheid tot reinigen doet zich voor: sorptiemiddelen worden zo geselecteerd dat andere elementen er nauwelijks op "zitten" en in oplossing blijven. Vervolgens wordt het uranium uit het sorptiemiddel afgewassen, bijvoorbeeld met hetzelfde zwavelzuur. Deze procedure lijkt misschien zinloos als niet wordt uitgelegd dat er veel minder zuur nodig is voor het “doorspoelen” vergeleken met het volume van de oorspronkelijke oplossing. Zo slaan ze twee vliegen in één klap: ze verhogen de concentratie uranium en verwijderen deels onnodige onzuiverheden.

De tweede zuiveringsfase houdt verband met de productie van vaste uraniumverbindingen. Ze worden uit een geconcentreerde oplossing neergeslagen door bekende 'medische' reagentia toe te voegen: ammoniak, waterstofperoxide, maar ook alkaliën of carbonaten. Opgemerkt moet worden dat uranium niet als metaal neerslaat; het is over het algemeen niet gemakkelijk in metallische vorm te verkrijgen vanwege de hoge chemische reactiviteit - dit is al vermeld. Onder invloed van genoemde regenten zinken diverse slecht oplosbare uraniumverbindingen naar de bodem van het apparaat. Gedroogd en gemalen vormen ze een geel poeder, dat vanwege de zichtbare gelijkenis met cake vaak ‘gele cake’ wordt genoemd. Nadat ze het bij hoge temperatuur hebben gecalcineerd, krijgen ze een minder mooi mengsel van uraniumoxiden - vuilgroen of zelfs zwart.

Gele cake kan naar uraniumverrijkingsfabrieken worden gestuurd

Yellowcake of een mengsel van uraniumoxiden is vanuit stralingsoogpunt vrijwel veilig. Daarom worden ze voor transport in metalen vaten van tweehonderd liter of speciale containers geladen. Op één meter afstand van zo’n container zijn is niet half zo ‘schadelijk’ als vliegen in een vliegtuig, blootgesteld aan kosmische straling. Maar de meeste mensen zijn niet bang om te vliegen! Er is dus geen reden om bang te zijn voor vaten met gele cake.

Bij het neerslaan van uraniumverbindingen proberen ze het proces zo uit te voeren dat de meeste onzuiverheden in oplossing blijven. Maar sommigen van hen slagen er nog steeds in ‘door te breken’. Het is vooral slecht als de producten elementen bevatten die neutronen sterk absorberen - boor, cadmium, zeldzame aardmetalen. Zelfs in microconcentraties kunnen ze voorkomen dat de splijtingskettingreactie optreedt. Nu we brandstof hebben gemaakt uit verontreinigd uranium, kunnen we ons lange tijd afvragen waarom de reactor niet normaal wil functioneren.

Bovendien omvatten ongewenste onzuiverheden elementen die de plasticiteit van splijtstof verminderen en ervoor zorgen dat deze bij toenemende temperatuur opzwelt en uitzet. Deze omvatten het algemeen voorkomende natuurlijk voorkomende silicium en fosfor, evenals wolfraam en molybdeen. Plasticiteit wordt overigens meestal het vermogen van een materiaal genoemd om van vorm en grootte te veranderen zonder in te storten. Dit is erg belangrijk voor brandstof, die zichzelf van binnenuit verwarmt door de daarin optredende nucleaire kettingreactie en daardoor temperatuurvervormingen ondervindt. Hoge temperaturen mogen niet leiden tot overmatige uitzetting van uraniumbrandstof, anders zal de beschermende schaal scheuren en in contact komen met de koelvloeistof. Het gevolg van een dergelijke “communicatie” kan het oplossen zijn van radioactieve splijtingsproducten van uranium in een heet koelmiddel (meestal water) met hun daaropvolgende distributie door alle pijpleidingen en apparaten. Het is waarschijnlijk niet nodig om uit te leggen dat dit de stralingssituatie bij de krachtcentrale dreigt te verslechteren: de doses die het onderhoudspersoneel ontvangt, zullen aanzienlijk toenemen.

Zoals ze zeggen: het is beter om het zekere voor het onzekere te nemen. Daarom is ook een derde – laatste – zuiveringsfase, raffinage genaamd, vereist. Uraniumverbindingen die in vaten of containers worden geleverd, worden opgelost in zuur, nu salpeterzuur. De resulterende oplossing wordt in contact gebracht met een extractiemiddel - een vloeibare organische stof die uranium absorbeert, maar geen onzuiverheden. De ongewenste elementen blijven dus in oplossing en het uranium gaat naar “organische stoffen”. Als resultaat van een reeks opeenvolgende bewerkingen wordt het opnieuw in de vorm van oxiden gebracht die al de noodzakelijke ‘reactorzuiverheid’ hebben.

Nu is alles in orde en kun je doorgaan naar de volgende fase: het kunstmatig verhogen van de concentratie uranium-235.

Geheimen om rijk te worden

Aan het begin van dit hoofdstuk werd al vermeld dat er in het natuurlijke mengsel van uraniumisotopen heel weinig splijtbaar uranium-235 zit en te veel ‘lui’ uranium-238: voor elke zeven atomen van eerstgenoemde zijn er ongeveer negenhonderd en drieënnegentig atomen van de laatste. Dit is niet geschikt voor de meeste reactoren die momenteel in bedrijf zijn. Ze hebben brandstof nodig waarin, van de duizend atomen uranium, enkele tientallen atomen tot de isotoop-235 behoren, en niet slechts een paar, zoals in natuurlijk uranium. En om een ​​bom te maken is vrijwel zuiver uranium-235 absoluut noodzakelijk.

Het oplossen van het probleem van de uraniumverrijking, dat wil zeggen het verhogen van het gehalte aan splijtbare isotoop, is erg moeilijk. Het lijkt erop, hoe zo? De chemie beschikt immers over een breed scala aan technieken om stoffen uit mengsels te isoleren. Het is mogelijk om uit een ton erts slechts een paar honderd gram uranium te ‘halen’! Is het echt onmogelijk om hetzelfde te doen met isotopen: de één op de een of andere manier van elkaar scheiden? Het probleem is dat de chemische eigenschappen van alle isotopen van een bepaald element hetzelfde zijn, omdat ze worden bepaald door het aantal elektronen, en niet door de samenstelling van de kern. Met andere woorden: het is onmogelijk een reactie uit te voeren waarbij bijvoorbeeld uranium-235 in oplossing blijft en uranium-238 neerslaat. Bij elke manipulatie zullen ze zich allebei op dezelfde manier gedragen. Op dezelfde manier zal het niet mogelijk zijn om isotopen van koolstof of kalium, in het algemeen, van welk element dan ook, chemisch te scheiden.

Er is zo'n parameter: de mate van verrijking, die het aandeel (in procent) uranium-235 in de totale massa uranium vertegenwoordigt. De mate van verrijking van natuurlijk uranium, waarin er zeven splijtbare atomen op elke duizend zitten, is bijvoorbeeld 0,7%. In het geval van splijtstof uit kerncentrales moet dit cijfer worden verhoogd naar 3 à 5%, en voor de productie van de vulling van een atoombom naar 90% en hoger.

Hoe te zijn? Het is noodzakelijk om eigenschappen te vinden waarin isotopen – althans minimaal – van elkaar zouden verschillen. Het eerste dat in je opkomt is de massa van een atoom. De kern van uranium-238 heeft inderdaad drie neutronen meer dan uranium-235; Dit betekent dat de luie isotoop iets meer weegt. En aangezien massa een maatstaf voor traagheid is en zich manifesteert in beweging, worden de belangrijkste methoden voor uraniumverrijking geassocieerd met verschillen in de beweging van zijn isotopen onder speciaal gecreëerde omstandigheden.

Historisch gezien was de eerste verrijkingstechnologie de scheiding van elektromagnetische isotopen. Uit de naam blijkt duidelijk dat elektrische en magnetische velden op de een of andere manier bij het proces betrokken zijn. Bij deze methode worden eerder verkregen uraniumionen versneld door een elektrisch veld en in een magnetisch veld gelanceerd. Omdat de ionen een lading hebben, beginnen ze te worden "gedragen" in een magnetisch veld, gedraaid in een boog met een bepaalde straal. We kunnen ons bijvoorbeeld de verdeling van uraniumstralen in een magnetisch veld in drie stromen herinneren - een effect ontdekt door Rutherford. Alfa- en bètadeeltjes, die een elektrische lading hebben, wijken af ​​van een recht pad, maar gammastraling niet. In dit geval hangt de straal van de boog waarlangs een geladen deeltje in een magnetisch veld beweegt af van zijn massa: hoe meer het weegt, hoe langzamer het draait. Dit kan worden vergeleken met het proberen in te passen in een scherpe bocht van twee roekeloze chauffeurs, van wie er één een auto bestuurt en de ander een vrachtwagen bestuurt. Het is duidelijk dat het voor een personenauto veel gemakkelijker is om te manoeuvreren, terwijl een vrachtwagen wel eens kan gaan slippen. Iets soortgelijks gebeurt in een magnetisch veld met snel bewegende uranium-235- en uranium-238-ionen. Deze laatste zijn iets zwaarder, hebben een grotere traagheid en hun draaicirkel is iets groter: hierdoor wordt de stroom uraniumionen in tweeën gedeeld. Figuurlijk gesproken kun je twee dozen plaatsen, in de ene kun je de splijtbare isotoop uranium-235 verzamelen, en in de tweede - "onnodig" uranium-238.

In een magnetisch veld wordt het traject van geladen deeltjes gebogen, en hoe lichter het deeltje, hoe sterker het wordt

Het principe van de elektromagnetische isotopenscheidingsmethode: lichtere uranium-235-ionen bewegen in een magnetisch veld langs een traject met een kleinere straal vergeleken met uranium-238-ionen

De elektromagnetische scheidingsmethode is in bijna alle opzichten goed, behalve de productiviteit, die, zoals gebruikelijk, de industriële toepassing ervan beperkt. Dit is eigenlijk de reden waarom de Amerikaanse Y-12-fabriek in Oak Ridge, die verrijkt uranium produceerde voor de ‘Little Boy’-bom die met behulp van elektromagnetische scheidingstechnologie op Hiroshima was gevallen, in 1946 werd gesloten. Er moet worden verduidelijkt dat uranium, dat eerder was verrijkt met andere, productievere methoden, op Y-12 tot een hoge mate van verrijking werd gebracht. Hun verbetering was precies wat de laatste nagel aan de doodskist van de elektromagnetische isotopenscheidingstechnologie dreef; deze wordt niet langer in de industrie gebruikt.

Interessant genoeg is elektromagnetische scheiding een universele methode waarmee je kleine hoeveelheden van alle isotopen in hun pure vorm kunt isoleren. Daarom beschikt onze analoog van Y-12 - fabriek 418, nu bekend als de Elektrokhimpribor-fabriek (Lesnoy, regio Sverdlovsk), over technologieën voor de productie van meer dan tweehonderd isotopen van zevenenveertig chemische elementen, van lithium tot lood. Dit zijn niet alleen indrukwekkende cijfers - de producten van de fabriek zijn echt nodig voor wetenschappers, artsen, industriëlen... Ze worden trouwens geproduceerd in de SU-20-installatie, dezelfde die uranium van wapenkwaliteit produceerde met een verrijkingsgraad dichtbij. tot 90% begin jaren vijftig.

De eerste naoorlogse decennia werden een tijd van actieve accumulatie van kernwapenarsenalen. Het oplossen van dit probleem had de hoogste prioriteit, dus er werd geen rekening gehouden met de kosten; het was belangrijk om massale verrijking van uranium op gang te brengen. De nadruk werd gelegd op gasdiffusie - een extreem energie-intensieve, maar tegelijkertijd productieve verrijkingstechnologie. De wortels liggen in het veld van de gastheorie, die stelt dat bij een bepaalde temperatuur de gemiddelde snelheid van een gasmolecuul omgekeerd evenredig is met zijn massa: hoe zwaarder het is, hoe langzamer het beweegt. Dit verschil is vooral merkbaar bij het bewegen langs dunne "tubuli", waarvan de diameter vergelijkbaar is met de grootte van het molecuul. Een duidelijk, maar niet exact voorbeeld is het te water laten van papieren boten in een stroom: een kleine boot, meegevoerd door de waterstroom, zal zich snel voortbewegen; maar als je van papier een groot schip maakt ter grootte van een stroombedding, zal het langzamer varen en voortdurend tegen de oevers aan botsen. Terugkomend op uranium kunnen we zeggen dat de doelisotoop met 235 nucleonen in de kern sneller door de “buis” zal bewegen dan uranium-238. De output ervan zal een gas zijn dat verrijkt is met een splijtbare isotoop. De enige vraag is hoe je uranium in gas kunt veranderen en waar je zo'n dunne "buis" kunt krijgen.

“Vergassing” van uranium is een verplichte vereiste van technologie gebaseerd op de theorie van gassen. Je kunt er niets aan doen. Maar alle uraniumverbindingen zijn vaste stoffen die moeilijk te smelten zijn, laat staan ​​verdampen. Hoewel er, als je erover nadenkt, één zeer succesvolle verbinding bestaat: uraniumhexafluoride, waarin uranium is omgeven door zes fluoratomen. Het verandert al bij 56 o C gemakkelijk in gas, waarbij de vloeibare toestand wordt omzeild. In de natuurkunde wordt een dergelijk proces meestal sublimatie of sublimatie genoemd. Dit fenomeen is al lang bekend en er is niets verrassends aan. Sublimatie wordt bijvoorbeeld gebruikt door dorpshuisvrouwen die kleding in de kou drogen - het ijs verdampt in droge lucht en laat de vloeibare toestand eenvoudigweg door.

Zo kun je je een uraniumhexafluoridemolecuul voorstellen

Het blijkt dat uraniumhexafluoride vanuit technologisch oogpunt erg handig is. Bij normale temperaturen is het vast en kan het in speciale containers worden vervoerd. Bij lage temperaturen wordt het gas. Welnu, onder een bepaalde druk wordt verwarmd hexafluoride een vloeistof die door pijpleidingen kan worden gepompt.

Een andere gelukkige omstandigheid is dat natuurlijk fluor uit slechts één isotoop bestaat: fluor-19. Dit betekent dat het verschil in massa van de moleculen uranium-235-hexafluoride en uranium-238-hexafluoride uitsluitend wordt bepaald door uraniumisotopen. Anders zou de scheiding te moeilijk of zelfs onmogelijk zijn, omdat fluor een overmatige invloed zou hebben op de massa van de moleculen.

De productie van uraniumhexafluoride in Rusland wordt uitgevoerd door conversie - fluorering van verschillende uraniumverbindingen, bijvoorbeeld gele cake of een mengsel van oxiden afkomstig van uraniummijnbouwbedrijven. Moleculair fluor wordt voor deze doeleinden verkregen uit het natuurlijke mineraal fluoriet. Het wordt behandeld met zwavelzuur om fluorwaterstofzuur te vormen, waarvan de elektrolyse fluor produceert.

Het is interessant dat fluoridering ook de vierde fase van de uraniumzuivering is, omdat de fluoriden van de meest schadelijke onzuiverheden niet erg vluchtig zijn: uranium in de vorm van hexafluoride ‘vliegt ervan weg’ in de gasfase.

Uraniumhexafluoride heeft één groot nadeel: het is een agressieve en giftige stof. Ten eerste komt er bij contact met water of vocht in de lucht giftig fluorwaterstofzuur vrij. Ten tweede is uranium zelf een algemeen cellulair gif dat alle organen aantast. (Het is interessant dat de toxiciteit ervan van chemische aard is en praktisch geen verband houdt met radioactiviteit). Daarom moet uraniumhexafluoride, dat twee gevaren tegelijk combineert, worden vervoerd en opgeslagen in speciale metalen containers en onder streng toezicht. Tegelijkertijd wordt de veiligheid van de bevolking en het milieu gewaarborgd.

Er is dus gas; hoe zit het met de dunne "buisjes"? Een geschikte oplossing bleken poreuze scheidingswanden te zijn - platen met veel zeer kleine poriën. De diameter van deze laatste moet in de orde van tien nanometer liggen, zodat de moleculen er bijna één voor één doorheen gaan. De noodzaak om scheidingswanden met poriën van zo'n kleine omvang te vervaardigen veroorzaakte bepaalde problemen, maar toch werd het probleem opgelost met behulp van speciale benaderingen: nikkelsintering of selectieve oplossing van een van de metalen waaruit de bimetaallegering bestaat.

Als je een doos maakt met zo’n poreus tussenschot en er uraniumhexafluoride in pompt, gaan moleculen met een lichte isotoop iets sneller door het tussenschot. Met andere woorden, daarachter zal uraniumhexafluoride enigszins verrijkt zijn in de splijtbare isotoop. Als je gas naar de volgende vergelijkbare box stuurt, wordt de mate van verrijking groter, enzovoort. Het is waar dat voor het verkrijgen van een hoge mate van verrijking cascades van duizenden (!) achter elkaar geïnstalleerde dozen nodig zijn, de zogenaamde stappen. Hoe kan uranium deze stappen volgen? Alleen door het op te pompen met behulp van vele compressoren. Vandaar de nadelen van de methode: enorme energiekosten, de noodzaak om miljoenen vierkante meters productieruimte te bouwen – de lengte van de werkplaats kan oplopen tot een kilometer – en het gebruik van dure materialen. Toegegeven, dit alles wordt gedekt door echt hoge prestaties. Dat is de reden waarom glange tijd de belangrijkste technologie is gebleven voor nucleaire giganten als de VS, Frankrijk en China, die zich later bij hen hebben aangesloten. Pas de laatste jaren zijn ze begonnen met een actieve transitie naar zuinigere gascentrifugetechnologie.

Werkingsschema van de gasdiffusiefase

In de jaren zestig verbruikte de chemische fabriek voor elektrolyse in Angarsk (regio Irkoetsk, Rusland), die zich bezighield met de verrijking van uranium met behulp van gasdiffusietechnologie, ongeveer één procent (!) van alle elektriciteit die in de Sovjet-Unie werd geproduceerd. Energie werd geleverd door de waterkrachtcentrales van Bratsk en Irkoetsk. In feite was het de grootste elektriciteitsverbruiker in de USSR.

Over het algemeen bleek uit de eerste ervaringen dat gasdiffusie het probleem kan oplossen, maar tegen te hoge kosten. De Sovjet-Unie, verwikkeld in een wapenwedloop, had productievere en minder energie-intensieve uraniumverrijkingstechnologie nodig. Het was niet zo gemakkelijk voor een door oorlog verzwakte staat om gelijke tred te houden met de Verenigde Staten met zijn krachtige economische en energiepotentieel. Dit was onder meer te wijten aan het gebrek aan ein het Europese deel van het land: daarom werden in Siberië verrijkingsinstallaties gebouwd, waar ze konden worden aangedreven door grote waterkrachtcentrales. Maar toch verbruikten gasdiffusie-installaties te veel energie, waardoor het onmogelijk werd de productie van verrijkt uranium te verhogen. Daarom moest de USSR een pionier worden in de industriële toepassing van alternatieve technologie: gascentrifuge.

Bij gascentrifugeren wordt een trommel gevuld met gasvormig uraniumhexafluoride met hoge snelheid rondgedraaid. Onder invloed van de middelpuntvliedende kracht wordt het zwaardere uranium-238-hexafluoride tegen de trommelwand “gedrukt” en blijft uranium-235-hexafluoride, een lichtere verbinding, op zijn as achter. Met behulp van speciale buizen kun je licht verrijkt uranium uit het midden van de trommel oppakken, en licht verarmd uranium uit de periferie.

Werkingsschema van de gascentrifuge

Vanuit technisch oogpunt is de zojuist besproken trommel het roterende deel (rotor) van een gascentrifuge. Hij draait non-stop in een vacuümbehuizing en de naald rust op een druklager gemaakt van een zeer duurzaam materiaal: korund. De materiaalkeuze is niet verrassend, aangezien de rotorsnelheid meer dan 1.500 omwentelingen per seconde kan bedragen - honderd keer sneller dan een wasmachinetrommel. Een kwetsbare stof is niet bestand tegen een dergelijke blootstelling. Om te voorkomen dat het druklager verslijt of bezwijkt, wordt de rotor bovendien in een magnetisch veld opgehangen, zodat deze met zijn naald nauwelijks op het korund drukt. Deze techniek, evenals de hoge precisie bij de vervaardiging van de centrifugeonderdelen, zorgen ervoor dat deze snel, maar vrijwel geruisloos kan roteren.

Net als in het geval van gasdiffusie is één centrifuge geen strijder in het veld. Om de vereiste mate van verrijking en productiviteit te bereiken, worden ze gecombineerd tot enorme cascades bestaande uit tienduizenden (!) machines. Simpel gezegd is elke centrifuge verbonden met zijn twee “buren”. Uraniumhexafluoride met een verlaagd gehalte aan uranium-235, gekozen uit de wand bovenaan de rotor, wordt naar de vorige centrifuge gestuurd; en het licht verrijkte gas aan uranium-235, dat uit de rotatieas aan de onderkant van de rotor wordt gehaald, gaat naar de volgende machine. Zo wordt er in elke volgende fase steeds meer verrijkt uranium aangevoerd totdat een product van de vereiste kwaliteit wordt verkregen.

Cascades van gascentrifuges die zich in de verte uitstrekken

Tegenwoordig is centrifugale scheiding de belangrijkste methode voor uraniumverrijking, aangezien deze technologie ongeveer vijftig keer minder elektriciteit vereist in vergelijking met gasdiffusie. Bovendien zijn centrifuges minder omvangrijk dan diffusiemachines, wat het gemakkelijker maakt om de productievolumes te vergroten. De centrifugatiemethode wordt gebruikt in Rusland, Groot-Brittannië, Duitsland, Nederland, Japan, China, India, Pakistan, Iran; De transitie naar gascentrifugetechnologie in Frankrijk en de VS is bijna voltooid. Met andere woorden: er is geen ruimte meer voor gasdiffusie.

Dankzij een lange geschiedenis van gebruik en verbetering zijn Russische gascentrifuges de beste ter wereld. In de loop van een halve eeuw zijn er al negen generaties hogesnelheidsauto's geweest, die geleidelijk krachtiger en betrouwbaarder zijn geworden. Dankzij dit heeft de USSR met succes de ‘nucleaire race’ met de VS doorstaan, en toen de belangrijkste taak was opgelost, verscheen er vrije capaciteit. Als gevolg hiervan is ons land niet alleen een wereldleider geworden in de ontwikkeling en productie van gascentrifuges, maar ook in het aanbieden van commerciële uraniumverrijkingsdiensten.

Onze gascentrifuges:

Traditioneel hebben ze een hoogte van een halve meter tot een meter, een diameter van tien tot twintig centimeter;

Ze bevinden zich boven elkaar in drie tot zeven lagen om ruimte te besparen;

Ze kunnen tot dertig jaar ononderbroken doorwerken, het record is tweeëndertig jaar.

De rotatiesnelheid van de gascentrifugerotor is zodanig dat deze na het uitschakelen van de stroomvoorziening nog ongeveer twee maanden door traagheid zal roteren!

De opkomst van de gascentrifugetechnologie houdt verband met de actieve ontwikkeling van kernenergie. Kerncentrales zijn op winst gerichte commerciële ondernemingen en vereisen daarom goedkope brandstof en dus goedkope verrijkingstechnologieën. Deze eis verdoezelde geleidelijk de gasdiffusie.

Maar gascentrifugeren mag niet op zijn lauweren rusten. De laatste tijd hoor je steeds vaker over laserverrijking, een methode die al ruim veertig jaar bekend is. Het blijkt dat het met behulp van een nauwkeurig afgestemde laser mogelijk is om uranium-235-verbindingen selectief te ioniseren, dat wil zeggen om te zetten in geladen deeltjes. In dit geval ioniseren de uranium-238-verbindingen niet en blijven ze ongeladen. De resulterende ionen kunnen gemakkelijk op chemische of fysische wijze van neutrale moleculen worden gescheiden, bijvoorbeeld door ze aan te trekken met een magneet of een geladen plaat (collector).

Mogelijk werkschema van een uraniumlaserverrijkingsfabriek

Blijkbaar is laserverrijking een zeer effectieve technologie, maar de economische indicatoren ervan blijven nog steeds een mysterie. Alle eerdere pogingen om van de laboratoriumversie naar industrieel gebruik over te stappen, liepen op niets uit vanwege onvoldoende productiviteit en een korte levensduur van de apparatuur. Momenteel wordt in de VS een nieuwe poging ondernomen om een ​​dergelijke productie te creëren. Maar zelfs als het succesvol is, zal de kwestie van de economische efficiëntie blijven bestaan. De markt voor verrijkingsdiensten zal nieuwe technologie alleen accepteren als deze aanzienlijk goedkoper is dan de bestaande. Maar gascentrifuges hebben het plafond van hun mogelijkheden nog niet bereikt. Daarom blijven de directe vooruitzichten voor laserverrijking erg vaag.

Er zijn een aantal andere manieren om uranium te verrijken: thermische diffusie, aerodynamische scheiding, ionenproces, maar deze worden praktisch niet gebruikt.

Als het gaat om technologieën voor de verrijking van uranium, moeten we niet vergeten dat deze niet alleen de weg vrijmaken voor kernbrandstof, maar ook voor de bom. De creatie van steeds efficiëntere en compactere productiefaciliteiten brengt de dreiging van de proliferatie van kernwapens met zich mee. In principe kan de ontwikkeling van technologie leiden tot een situatie waarin een bom wordt vervaardigd door staten met, op zijn zachtst gezegd, onstabiele regimes of zelfs grote terroristische organisaties. En als het moeilijk is om een ​​gasdiffusie- of gascentrifugefabriek onopgemerkt te bouwen, en de lancering ervan de import van grote hoeveelheden specifieke materialen en apparatuur vereist, dan garandeert laserverrijking praktisch geheimhouding. Over het geheel genomen neemt het risico voor de bestaande fragiele wereld toe.

Uraniumverrijkingsinstallaties produceren verrijkt uraniumproduct (EUP) - uraniumhexafluoride met de vereiste verrijkingsgraad. Het wordt in speciale containers geplaatst en naar fabrieken voor de productie van kernbrandstof gestuurd. Maar tegelijkertijd produceren verrijkingsfabrieken ook verarmd uraniumhexafluoride (DUHF) met een verrijkingsgraad van 0,3% – lager dan die van natuurlijk uranium. Met andere woorden: dit is vrijwel zuiver uranium-238. Waar komt het vandaan? In wezen is het verrijkingsproces vergelijkbaar met het scheiden van waardevolle mineralen uit afvalgesteente. DUHF is een soort afvalgesteente waaruit uranium-235 is verwijderd, zij het niet volledig. (Honderd procent scheiding van de splijtbare isotoop van uranium-238 is vanuit economisch oogpunt niet rendabel). Hoeveel verarmd uraniumhexafluoride wordt geproduceerd? Dit is afhankelijk van de benodigde mate van uraniumverrijking. Als het bijvoorbeeld 4,3% is, zoals in de brandstof van VVER-reactoren, dan wordt van tien kilogram uraniumhexafluoride, dat een natuurlijke isotopensamenstelling heeft (0,7% uranium-235), slechts één kilogram OUP en negen kilogram DUHF geproduceerd. verkregen. In één woord: heel veel. Gedurende de gehele exploitatieperiode van de verrijkingsfabrieken is op hun locaties meer dan anderhalf miljoen ton DUHF verzameld in speciale containers, waarvan ongeveer zevenhonderdduizend ton zich in Rusland bevindt. De wereld heeft verschillende opvattingen over deze stof, maar de heersende mening is dat DUHF een waardevolle strategische grondstof is (zie hoofdstuk 7).

Verzinnen – in de goede zin van het woord

De productie (fabricage) van splijtstof begint met de chemische omzetting van het verrijkte uraniumproduct in uraniumdioxide. Dit proces kan op twee manieren worden uitgevoerd. De eerste ervan wordt "natte" technologie genoemd en bestaat uit het oplossen van hexafluoride in water, het neerslaan van slecht oplosbare verbindingen onder invloed van alkali en het calcineren ervan in een waterstofatmosfeer. De tweede technologie – ‘droog’ – verdient meer de voorkeur omdat deze geen vloeibaar radioactief afval produceert: uraniumhexafluoride wordt verbrand in een waterstofvlam.

In beide gevallen wordt uraniumdioxidepoeder verkregen, dat tot kleine tabletten wordt geperst en in ovens bij een temperatuur van ongeveer 1750 o C wordt gesinterd om ze kracht te geven - de tabletten zullen immers moeten "werken" onder omstandigheden van hoge temperatuur en straling. Vervolgens worden de tabletten verwerkt op slijpmachines met behulp van diamantgereedschappen. Deze fase is nodig omdat de afmetingen van de tablet en de kwaliteit van het oppervlak zeer nauwkeurig moeten worden gehandhaafd. Gebreken bij de vervaardiging van een afzonderlijke pellet kunnen leiden tot schade aan de brandstof in de reactor tijdens de thermische uitzetting ervan en als gevolg daarvan tot een verslechtering van de stralingssituatie in de kerncentrale. Daarom ondergaan alle uraniumdioxidetabletten een zorgvuldige controle en komen vervolgens in een speciale doos terecht, waar de machine ze in buisjes van zirkonium met een klein mengsel van niobium plaatst.

Een buis gevuld met pellets wordt een brandstofelement of kortweg een brandstofelement genoemd. Om corrosieve gassen te verwijderen, wordt vervolgens de brandstofstaaf geëvacueerd, dat wil zeggen dat de lucht uit de buis wordt "gezogen", gevuld met een inert gas - puur helium - en gelast. De laatste fase van het fabricageproces van splijtstof is de assemblage van brandstofstaven tot een brandstofsamenstel (FA) met behulp van afstandsroosters. Ze zijn nodig om ervoor te zorgen dat de constructie sterk is en dat de brandstofstaven elkaar niet raken. Anders kan de schaal op het contactpunt doorbranden en zal de brandstof worden blootgesteld en in contact komen met water, wat volkomen ongewenst is.

Volgorde van operaties bij de productie van nucleaire brandstof

Afstandsroosters

Een brandstofsamenstel is dus een "bundel" van zirkoniumbrandstofstaven, waarbinnen zich nucleaire brandstof bevindt - uraniumdioxide verrijkt met een splijtbare isotoop. Het is noodzakelijk om deze materiaalkeuze uit te leggen. In een kernreactor wordt het brandstofsamenstel blootgesteld aan hoge temperaturen en een krachtige stroom ioniserende straling, en wordt het ook van buitenaf gewassen met zeer heet water onder druk. Daarom moeten splijtstofelementen bestand zijn tegen chemicaliën en straling, de warmte goed geleiden en bij verhitting zeer weinig uitzetten, anders kan er een scheur in de bekleding van het splijtstofelement ontstaan. Uraniumdioxide en zirkonium voldoen aan deze eisen. Er moet echter nogmaals aan worden herinnerd dat uraniumdioxidetabletten zich in brandstofstaven bevinden en alleen via de bekleding van de brandstofstaven in contact komen met water, maar niet rechtstreeks. Directe interactie met het koelmiddel is uiterst ongewenst en treedt alleen op als de zirkoniumschalen worden vernietigd, bijvoorbeeld als er scheuren in verschijnen. In dit geval beginnen de radioactieve splijtingsproducten van uranium in de kernbrandstof op te lossen in water, wat leidt tot een toename van de radioactiviteit en een verslechtering van de stralingssituatie in de kerncentrale. Om deze reden is de fabricage van splijtstof een complexe en zeer nauwkeurige klus die nauwkeurigheid en constante monitoring vereist.

Vanuit stralingsoogpunt levert de productie van splijtstof geen bijzonder gevaar op. Het risico is zelfs kleiner dan bij ertswinning, omdat het zuiveringsproces alle bijbehorende radioactieve stoffen uit het uranium verwijdert.

Bij het werken met verrijkt uranium kan zich echter een kritische massa ophopen en als gevolg daarvan kan een zichzelf in stand houdende kettingreactie optreden, die al in hoofdstuk 2 is besproken. Dit kan gebeuren als gevolg van een fout, overtreding van arbeidsregels , of zelfs per ongeluk. Er zijn wereldwijd in totaal zestig van dergelijke ongevallen geregistreerd, waarvan drieëndertig in de VS en negentien in de USSR/Rusland. Hier zijn twee voorbeelden van huiselijke incidenten.

14 juli 1961, Siberische chemische fabriek (verrijkingsproductie). Vorming van een kritische massa als gevolg van de ophoping van uraniumhexafluoride met een hoge verrijkingsgraad (22,6%) in de olie die zich in het expansievat van de vacuümpomp bevindt. Als gevolg van de stralingsuitbarsting die gepaard ging met de ontstane kettingreactie, kreeg de operator een aanzienlijke dosis straling en kreeg hij last van stralingsziekte, zij het in een relatief milde vorm.

15 mei 1997. Novosibirsk Chemical Concentrates Plant (productie van nucleaire brandstof). Vorming van een kritische massa als gevolg van de ophoping van een sediment van hoogverrijkt (90%) uranium op de bodem van twee aangrenzende containers voor het verzamelen van oplossingen vanwege hun vervorming. Gelukkig waren de stralingsdoses verwaarloosbaar.

Wat is de conclusie? Verrijkt uranium moet met uiterste voorzichtigheid worden behandeld, waarbij alle veiligheidseisen in acht moeten worden genomen en, zoals ze zeggen, ‘inclusief je hoofd’, dat wil zeggen vooraf mogelijke risico’s moeten worden berekend.

Concluderend kunnen we geschatte parameters geven van brandstofassemblages die worden gebruikt in Russische kerncentrales met VVER-1000-reactoren.

De brandstofpellet is een cilinder met een hoogte van 9 tot 12 millimeter en een diameter van 7,6 millimeter. Het bestaat uit uraniumdioxide, waarvan de verrijkingsgraad varieert van 3,3 tot 5,0%.

De pellets worden in een brandstofstaaf van zirkonium met 1% niobium geplaatst, ongeveer vier meter lang en 9,1 mm in diameter. De wanddikte van het splijtstofelement bedraagt ​​slechts 0,65 mm, dus bij deze lengte is een uiterst voorzichtige omgang vereist. De brandstofstaaf is niet volledig gevuld met pellets: de hoogte van de laag pellets is ongeveer 3,5 meter en hun totale massa is ongeveer 1,6 kilogram, met 62 gram uranium-235.

Het brandstofsamenstel (FA) is samengesteld uit 312 brandstofstaven met behulp van 12-15 afstandsroosters. De hoogte van het brandstofsamenstel bereikt bijna 4,6 meter en het gewicht is 760 kg. Tegelijkertijd is de massa uraniumdioxide ongeveer een halve ton, de rest is zirkonium en andere metalen. Van bovenaf gezien is het geheel een zeshoek met een gezichtsgrootte van 235 millimeter. Elk samenstel heeft 19 kanalen voor reactorregelstaven die boorcarbide bevatten, een element dat neutronen goed absorbeert.

De reactor bevat 163 splijtstofelementen, wat overeenkomt met 80 ton uraniumdioxide, wat voldoende is voor vier jaar reactorbedrijf.

Opties voor splijtstofassemblages voor verschillende typen reactoren

Mogelijke opties

De meest voorkomende brandstof voor kerncentrales is dus gepelletiseerd uraniumdioxide, waarin uranium verrijkt is met een splijtbare isotoop (uranium-235). Er zijn echter nog andere soorten kernbrandstof.

Na uraniumdioxide is de meest voorkomende brandstof gemengde oxide, bekend als MOX-brandstof. Momenteel wordt voornamelijk MOX-brandstof geproduceerd, een mengsel van oxiden van uranium en plutonium-239. Deze brandstof zorgt ervoor dat de overtollige hoeveelheid plutonium-239 van wapenkwaliteit die tijdens de ‘nucleaire race’ is verzameld, kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken.

Uraniummetaal kan ook als nucleaire brandstof worden gebruikt. De voordelen zijn een hoge thermische geleidbaarheid en een maximale concentratie van splijtbare kernen - er zitten simpelweg geen andere elementen in de brandstof. Tegelijkertijd heeft uranium als metaal een slechtere stralings-, chemische en hittebestendigheid dan dioxyde, waardoor het uiterst zelden in zuivere vorm wordt gebruikt. Om de parameters van metaalbrandstof te verbeteren, worden een beetje molybdeen, aluminium, silicium en zirkonium aan uranium toegevoegd. Tegenwoordig worden uraniummetaal en zijn legeringen alleen in onderzoeksreactoren gebruikt.

In plaats van uraniumdioxide is het mogelijk uraniumnitride te gebruiken, dat wil zeggen de verbinding ervan met stikstof. Nitridebrandstof heeft een hogere thermische geleidbaarheid vergeleken met kooldioxidebrandstof en een vergelijkbaar smeltpunt (2855 o C). Uraniumnitride wordt beschouwd als een veelbelovende brandstof voor de nieuwste reactoren. In ons land krijgt nitridebrandstof de grootste aandacht, omdat deze zal worden gebruikt in de volgende generatie snelle neutronenreactoren.

Uranium kan verbindingen vormen met koolstofcarbiden. De mogelijkheid om carbiden als brandstof voor reactoren te gebruiken werd in de jaren zestig en zeventig van de vorige eeuw intensief bestudeerd. De laatste jaren is er echter weer belangstelling voor dit type brandstof ontstaan ​​door de ontwikkeling van plaatbrandstofelementen en microbrandstofelementen. De positieve eigenschappen van carbiden zijn goede thermische geleidbaarheid, hoog smeltpunt, hoge hardheid, chemische en thermische stabiliteit, evenals compatibiliteit met keramische coatings, wat vooral belangrijk is voor microbrandstofelementen. Uraniumcarbidebrandstof kan een optimale optie zijn voor bepaalde typen reactoren van de volgende generatie, met name gasgekoelde snelle reactoren.

Maar toch werkt het overweldigende aantal reactoren op aarde op splijtstof gemaakt uit uraniumdioxide. De kracht van traditie, om zo te zeggen.

Russische brandstofcyclus

Nu we vertrouwd zijn geraakt met de eigenaardigheden van de werking van de mijnbouw- en verwerkingsindustrieën, is het de moeite waard om snel een blik te werpen op de geschiedenis en de huidige staat van onze binnenlandse brandstofcyclus. We moeten natuurlijk beginnen met de uraniumwinning.

Aanvankelijk waren uraniumertsen voor binnenlandse wetenschappers alleen interessant als bron van radium. In 1900 besloot professor I.A. Antipov maakte op een bijeenkomst van de St. Petersburg Mineralogical Society een rapport over de ontdekking van het uraniummineraal in monsters afkomstig uit Fergana, uit het Tyuya-Muyun-gebergte. Dit mineraal werd later tyuyamunite genoemd. In 1904 begonnen de exploratiewerkzaamheden op deze afzetting, in 1908 werd in Sint-Petersburg een proeffabriek voor de verwerking van uraniumerts gebouwd en in 1913 werd een internationale naamloze vennootschap voor de winning van Tyuyamuyun-radium opgericht.

Toen de Eerste Wereldoorlog begon, stopte het werk in de mijn praktisch en pas in 1922 werd een expeditie van acht specialisten naar Tyuya-Muyun gestuurd. Ook in 1922 was het onder moeilijke postrevolutionaire omstandigheden, omringd door Basmachi-bendes, mogelijk om de industriële ertsmijnbouw te herstellen. Het duurde tot 1936, toen overvloedig ondergronds water op een diepte van tweehonderd meter de ontwikkeling van het veld onderbrak. Dit probleem werd echter niet kritisch, aangezien de productie van radium plaatsvond bij de "Watervisserij" aan de rivier de Ukhta - het radioactieve metaal werd gewonnen uit ondergrondse zoute wateren. Uranium zelf was in die jaren voor niemand interessant, omdat het praktisch niet in de industrie werd gebruikt.

Een nieuwe golf van belangstelling voor uraniumafzettingen deed zich voor in het begin van de jaren veertig, toen de USSR geconfronteerd werd met de noodzaak om te reageren op de nucleaire dreiging die uitging van de Verenigde Staten – dat wil zeggen, toen de noodzaak ontstond om binnenlandse kernwapens te creëren.

Uranium voor de eerste Sovjet-atoombom werd letterlijk stukje bij beetje door het hele land en daarbuiten verzameld. In 1943 begon de uraniumwinning in de naar moderne maatstaven kleine Taboshar-mijn in Tadzjikistan, met een productiviteit van slechts 4 ton uraniumzouten per jaar. Bovendien, volgens de memoires van P.Ya. Antropov, de eerste minister van geologie van de USSR, “werd uraniumerts voor verwerking langs de bergpaden van de Pamirs in zakken op ezels en kamelen vervoerd. Er waren toen nog geen wegen of goede uitrusting.”

In 1944-1945, toen Europa werd bevrijd van de nazi's, kreeg de USSR toegang tot uraniumerts uit de Goten-afzetting in Bulgarije, de Jachimov-mijnen in Tsjechoslowakije en de mijnen in Duits Saksen. Bovendien werd in 1946 de Tyuya-Muyunsky-mijn opnieuw gelanceerd, maar deze leverde geen speciale bijdrage aan de gemeenschappelijke zaak.

In de jaren vijftig begon de productievereniging Almaz uit Lermontov met de winning van uranium in mijnen in de bergen Beshtau en Byk (Stavropol-gebied). Tegelijkertijd begonnen ze de velden van Zuid-Kazachstan en Centraal-Azië te ontwikkelen.

Na 1991 kwamen de meeste ontwikkelde velden buiten de grenzen van Rusland terecht, in onafhankelijke staten. Vanaf dit moment wordt de belangrijkste uraniumwinning uitgevoerd met behulp van de schachtmethode bij de Priargunsky Industrial Mining and Chemical Association (Trans-Baikal Territory). Bovendien winnen twee ondernemingen die in-situ uitlogingstechnologie in boorgaten gebruiken geleidelijk aan kracht: Khiagda (Republiek Boerjatië) en Dalur (regio Koergan). In Yakutia worden productiefaciliteiten ontworpen. Er zijn ook veelbelovende regio's voor mijnbouw - Transbaikal, West-Siberië, Noord-Europa...

Rusland staat op de derde plaats in de wereld wat betreft bewezen uraniumreserves.

Russische uraniummijnbouwbedrijven worden beheerd door de ARMZ Uranium Holding (www.armz.ru), eigendom van Rosatom, maar de staatscorporatie heeft ook buitenlandse activa onder controle van het internationale bedrijf Uranium One Inc (www.uranium1.com). Dankzij de activiteiten van deze twee organisaties is Rosatom derde geworden in de wereld in de productie van uraniumverbindingen.

De situatie op de wereldmarkt voor de productie van natuurlijk uranium (2014)

Het stokje van mijnbouwbedrijven wordt overgenomen door een hele reeks industrieën voor de raffinage, omzetting en verrijking van uranium, evenals voor de fabricage van nucleaire brandstof. De meeste daarvan komen uit de jaren vijftig en vijftig, een tijd van actieve accumulatie van kernwapens. Tegenwoordig werken ze voor een puur vreedzame industrie: kernenergie, en verlenen ze hun diensten aan buitenlandse bedrijven.

Er zijn vier verrijkingsfabrieken in Rusland, waarvan sommige ook activiteiten uitvoeren voor de eindzuivering (raffinage) en fluorering (conversie) van uraniumverbindingen.

De eerste gasdiffusiefabriek voor uraniumverrijking D-1 in Sverdlovsk-44 werd in november 1949 in gebruik genomen. In eerste instantie moesten de producten verder worden verrijkt in de SU-20-installatie van de toekomstige Elektrokhimpribor-fabriek in Sverdlovsk-45 (Lesnoy), maar na een paar jaar begon D-1 het zelfstandig aan te kunnen en begon te groeien. En sinds 1967 begon de vervanging van diffusiecascades door centrifugecascades. Tegenwoordig bevindt zich op de plaats van de ontmantelde D-1 's werelds grootste uraniumverrijkingsbedrijf: de Ural-elektrochemische fabriek (Novouralsk, regio Sverdlovsk).

In 1953 begon de toekomstige Siberische chemische fabriek (Seversk, regio Tomsk) in Tomsk-7, die vanaf 1973 geleidelijk begon over te schakelen op gascentrifugetechnologie. Het eerste verrijkte uranium uit de Angarsk Electrolysis Chemical Plant (Angarsk, regio Irkoetsk) werd verkregen in 1957 en de vervanging van diffusieapparatuur door centrifuges begon in 1985. Ten slotte was 1962 het jaar waarin de elektrochemische fabriek werd gelanceerd in Krasnojarsk-45 (nu Zelenogorsk, Krasnojarsk-gebied). Een paar jaar later werden daar de eerste centrifuges geïnstalleerd.

Deze korte samenvatting weerspiegelt uiteraard niet de realiteit van dat moeilijke tijdperk. Hoewel je uit de geheime, ‘genummerde’ namen van gesloten steden en uit de vage namen van fabrieken kunt opmaken dat de Sovjet-Unie haar geheimen van verrijking zorgvuldig bewaarde. De locaties van de belangrijkste productiefaciliteiten werden echter bekend bij de Amerikaanse inlichtingendienst. Maar zij miste, zoals ze zeggen, de actieve overgang naar gascentrifugetechnologie. Misschien werd dit de reden voor enige zelfgenoegzaamheid van onze concurrenten: niet wetende dat er een productievere en efficiëntere technologie in de USSR werd geïntroduceerd, hielden de staten vast aan de aanvankelijk gekozen methode: gasdiffusie. Het is duidelijk dat de huidige situatie de Sovjet-Unie in de kaart heeft gespeeld en het mogelijk heeft gemaakt om snel nucleaire pariteit te bereiken. Tegelijkertijd zijn de baanbrekende ontwikkelingen van Sovjetwetenschappers en ingenieurs om hoogwaardige gascentrifuges te creëren niet voor niets geweest, waardoor Rusland een leidende positie heeft verworven op de wereldmarkt voor uraniumverrijking en centrifugeproductie.

Het verrijkte uraniumproduct van vier fabrieken gaat naar de machinebouwfabriek (Elektrostal, regio Moskou) en de Novosibirsk Chemical Concentrates Plant (gelijknamige regio Novosibirsk), waar de volledige cyclus van de productie van nucleaire brandstof wordt uitgevoerd. Zirkonium voor splijtstofstaven en andere structurele materialen voor splijtstofassemblages worden geleverd door de Chepetsk Mechanical Plant (Glazov, Udmurt Republic) - de enige onderneming in Rusland en de derde ter wereld die zirkoniumproducten produceert.

De vervaardigde splijtstofelementen worden geleverd aan Russische en buitenlandse kerncentrales en worden ook voor andere doeleinden in reactoren gebruikt.

Bedrijven voor de raffinage, omzetting en verrijking van uranium, de fabricage van splijtstof, de productie van gascentrifuges, evenals ontwerp- en onderzoeksorganisaties zijn verenigd in de TVEL Fuel Company van Rosatom (www.tvel.ru).

Als resultaat van vele jaren succesvol werk van dit bedrijf en de aangesloten ondernemingen, staat Rosatom vol vertrouwen bovenaan de lijst van grootste dienstverleners op het gebied van uraniumverrijking (36% van de wereldmarkt).

Er is een kernbrandstofbank in Angarsk - een garantiereserve die kan worden gekocht door een land dat om de een of andere reden de mogelijkheid heeft ontzegd om uranium op de vrije markt te kopen. Uit deze reserve zal het land nieuwe splijtstof kunnen produceren en de ononderbroken werking van zijn kernenergie-industrie kunnen garanderen.

Het aandeel van Rosatom op de mondiale markt voor kernbrandstoffen bedraagt ​​17%, waardoor elke zesde energiereactor op aarde wordt geladen met brandstof van TVEL-kwaliteit. Leveringen gaan naar Hongarije, Slowakije, Tsjechië, Bulgarije, Oekraïne, Armenië, Finland, India en China.

Bovenste - wereldmarkt voor uraniumverrijking (2015), onderste - wereldmarkt voor brandstofproductie (2015)

Open of gesloten?

Opgemerkt kan worden dat dit hoofdstuk niet inging op de productie van splijtstof voor onderzoeksreactoren, noch op reactoren geïnstalleerd op kernonderzeeërs en ijsbrekers. De hele discussie ging over de splijtstof die in kerncentrales wordt gebruikt. Dit gebeurde echter niet zomaar. Feit is dat er eenvoudigweg geen fundamentele verschillen zijn tussen de volgorde van de brandstofproductie voor kerncentrales en bijvoorbeeld kernonderzeeërs. Uiteraard kunnen er technologische afwijkingen optreden die verband houden met de specifieke kenmerken van scheeps- en onderzoeksreactoren. De eerste moet bijvoorbeeld klein van formaat zijn en tegelijkertijd behoorlijk krachtig - dit is een volkomen natuurlijke vereiste voor een ijsbreker en bovendien een manoeuvreerbare kernonderzeeër. De vereiste indicatoren kunnen worden bereikt door de uraniumverrijking te vergroten, dat wil zeggen door de concentratie van splijtbare kernen te verhogen - dan zal er minder brandstof nodig zijn. Dit is precies wat ze doen: de mate van verrijking van uranium dat als brandstof voor scheepsreactoren wordt gebruikt, bedraagt ​​ongeveer 40% (afhankelijk van het project kan dit variëren van 20 tot 90%). In onderzoeksreactoren is het een algemene eis om een ​​maximale neutronenproductie te bereiken, en het aantal neutronen in de reactor houdt ook rechtstreeks verband met het aantal splijtbare kernen. Daarom wordt in installaties bestemd voor wetenschappelijk onderzoek soms hoogverrijkt uranium gebruikt met een veel hoger gehalte aan uranium-235 dan in de brandstof van kernreactoren. Maar dit verandert niets aan de verrijkingstechnologie.

Het ontwerp van de reactor kan de chemische samenstelling van de brandstof en het materiaal waaruit de brandstofstaaf is gemaakt bepalen. Momenteel is uraniumdioxide de belangrijkste chemische vorm van brandstof. Wat de brandstofstaven betreft, deze zijn voornamelijk van zirkonium, maar voor de snelle neutronenreactor BN-600 zijn de brandstofstaven bijvoorbeeld gemaakt van roestvrij staal. Dit komt door het gebruik van vloeibaar natrium als koelmiddel in BN-reactoren, waarin zirkonium sneller afbreekt (corrodeert) dan roestvrij staal. De essentie van het proces van de productie van splijtstof blijft echter hetzelfde: uraniumdioxidepoeder wordt gesynthetiseerd uit een verrijkt uraniumproduct, dat tot tabletten wordt geperst en gesinterd, de tabletten worden in splijtstofstaven geplaatst en de splijtstofstaven worden samengevoegd tot brandstof. assemblages (FA).

Als we bovendien de splijtstofcycli van verschillende landen in ogenschouw nemen, blijkt bijvoorbeeld dat uraniumverbindingen in Rusland tijdens de conversie rechtstreeks worden gefluoreerd met moleculair fluor, en in het buitenland eerst worden behandeld met fluorwaterstofzuur en pas daarna met fluor. Het verschil zit in de chemische samenstelling van oplossingen voor het “openen” van erts, sorptiemiddelen en extractiemiddelen; De parameters van de processen kunnen verschillen... Maar dit verandert niets aan het schema van de splijtstofcyclus. Het fundamentele verschil ligt alleen tussen de open (open) en gesloten (gesloten) versies: in het eerste geval wordt de brandstof na “werken” in een kerncentrale eenvoudigweg geïsoleerd van de omgeving in een diepe opslagplaats, en in het laatste geval wordt deze wordt verwerkt om waardevolle componenten te extraheren (zie hoofdstuk 7). Rusland is een van de weinige landen die een gesloten cyclus hanteert.

Een voorbeeld van een gesloten brandstofcyclus die de rol van de TVEL Fuel Company uit Rosatom aangeeft

FA (brandstofassemblage)

Nucleaire brandstof- materialen die in kernreactoren worden gebruikt om een ​​gecontroleerde kernsplijtingskettingreactie uit te voeren. Kernbrandstof verschilt fundamenteel van andere soorten brandstof die door de mensheid worden gebruikt; het is extreem energie-intensief, maar ook zeer gevaarlijk voor de mens, wat om veiligheidsredenen veel beperkingen oplegt aan het gebruik ervan. Om deze en vele andere redenen is kernbrandstof veel moeilijker te gebruiken dan welk type organische brandstof dan ook, en vereist het veel speciale technische en organisatorische maatregelen bij het gebruik ervan, evenals hooggekwalificeerd personeel dat ermee omgaat.

algemene informatie

Een nucleaire kettingreactie omvat de verdeling van een kern in twee delen, de zogenaamde splijtingsfragmenten, met de gelijktijdige vrijlating van verschillende (2-3) neutronen, die op hun beurt de splijting van volgende kernen kunnen veroorzaken. Deze splijting vindt plaats wanneer een neutron de kern van een atoom van de oorspronkelijke substantie raakt. De splijtingsfragmenten die tijdens kernsplijting worden gevormd, hebben een hoge kinetische energie. De remming van splijtingsfragmenten in materie gaat gepaard met het vrijkomen van een grote hoeveelheid warmte. Splijtingsfragmenten zijn kernen die direct als gevolg van splijting worden gevormd. Splijtingsfragmenten en hun radioactieve vervalproducten worden meestal genoemd splijtingsproducten. Kernen die worden gespleten door neutronen van welke energie dan ook, worden nucleaire brandstof genoemd (in de regel zijn dit stoffen met een oneven atoomnummer). Er zijn kernen die alleen worden gespleten door neutronen met energieën boven een bepaalde drempelwaarde (in de regel zijn dit elementen met een even atoomnummer). Dergelijke kernen worden grondstoffen genoemd, omdat wanneer een neutron wordt opgevangen door een drempelkern, er splijtstofkernen worden gevormd. De combinatie van splijtstof en grondstof wordt splijtstof genoemd. Hieronder ziet u de verdeling van de splijtingsenergie van de 235 U-kern over de verschillende splijtingsproducten (in MeV):

Omdat de neutrino-energie onherroepelijk wordt afgevoerd, is er slechts 188 MeV/atoom = 30 pJ/atoom = 18 TJ/mol = 76,6 TJ/kg beschikbaar voor gebruik (volgens andere gegevens (zie link) 205,2 - 8,6 = 196,6 MeV /atoom).

Natuurlijk uranium bestaat uit drie isotopen: 238 U (99,282%), 235 U (0,712%) en 234 U (0,006%). Het is niet altijd geschikt als nucleaire brandstof, vooral als de structurele materialen en de moderator neutronen intensief absorberen. In dit geval wordt kernbrandstof gemaakt van verrijkt uranium. Thermische neutronenkrachtreactoren gebruiken uranium met een verrijking van minder dan 6%, terwijl snelle en middelmatige neutronenreactoren een uraniumverrijking van meer dan 20% gebruiken. Verrijkt uranium wordt geproduceerd in speciale verrijkingsfabrieken.

Classificatie

Kernbrandstof is verdeeld in twee soorten:

• Natuurlijk uranium dat splijtbare kernen 235 U bevat, evenals grondstoffen 238 U, die plutonium 239 Pu kunnen vormen bij het vangen van neutronen;
• Secundaire brandstoffen die niet in de natuur voorkomen, waaronder 239 Pu, verkregen uit het eerste type brandstof, evenals 233 U-isotopen die worden gevormd wanneer neutronen worden opgevangen door 232 Th-thoriumkernen.

Volgens de chemische samenstelling kan nucleaire brandstof zijn:

• Metaal, inclusief legeringen;
• Oxide (bijvoorbeeld UO 2);
• Hardmetaal (bijvoorbeeld PuC 1-x)
• Gemengd (PuO 2 + UO 2)

Theoretische aspecten van toepassing

Kernbrandstof wordt in kernreactoren gebruikt in de vorm van tabletten van enkele centimeters groot, waar het zich meestal bevindt in hermetisch afgesloten splijtstofelementen (splijtstofelementen), die op hun beurt, voor gebruiksgemak, in honderden worden gecombineerd tot splijtstofassemblages ( FA).

Kernbrandstof is onderworpen aan hoge eisen wat betreft chemische compatibiliteit met bekledingen van splijtstofstaven; het moet voldoende smelt- en verdampingstemperaturen, een goede thermische geleidbaarheid, een lichte toename van het volume tijdens de bestraling met neutronen en een maakbaarheid hebben.

Het gebruik van uraniummetaal is, vooral bij temperaturen boven de 500 °C, lastig vanwege de zwelling ervan. Na kernsplijting worden twee splijtingsfragmenten gevormd, waarvan het totale volume groter is dan het volume van een uraniumatoom (plutonium). Sommige atomen van de splijtingsfragmenten zijn gasatomen (krypton, xenon, enz.). Gasatomen hopen zich op in de poriën van uranium en creëren een interne druk, die toeneemt bij toenemende temperatuur. Als gevolg van veranderingen in het volume van atomen tijdens splijting en een toename van de interne druk van gassen, beginnen uranium en andere nucleaire brandstoffen te zwellen. Zwelling verwijst naar de relatieve verandering in het volume kernbrandstof dat gepaard gaat met kernsplijting.

Zwelling hangt af van de burn-out en de temperatuur van de brandstofstaven. Het aantal splijtingsfragmenten neemt toe met toenemende verbranding, en de interne gasdruk neemt toe met toenemende verbranding en temperatuur. Het opzwellen van splijtstof kan leiden tot vernietiging van de bekleding van de splijtstofstaven. Kernbrandstof is minder gevoelig voor zwelling als deze hoge mechanische eigenschappen heeft. Uraniummetaal behoort niet tot deze materialen. Daarom beperkt het gebruik van uraniummetaal als splijtstof de opbranddiepte, wat een van de belangrijkste kenmerken van splijtstof is.

De stralingsweerstand en mechanische eigenschappen van de brandstof worden verbeterd na het legeren van het uranium, een proces waarbij kleine hoeveelheden molybdeen, aluminium en andere metalen aan het uranium worden toegevoegd. Legeringsadditieven verminderen het aantal splijtingsneutronen per neutron dat door splijtstof wordt opgevangen. Daarom hebben ze de neiging legeringsadditieven voor uranium te selecteren uit materialen die neutronen zwak absorberen.

Goede nucleaire brandstoffen omvatten enkele vuurvaste uraniumverbindingen: oxiden, carbiden en intermetaalverbindingen. Het meest gebruikte keramiek is uraniumdioxide UO 2. Het smeltpunt is 2800 °C en de dichtheid is 10,2 g/cm³. Uraniumdioxide heeft geen faseovergangen en is minder gevoelig voor zwelling dan uraniumlegeringen. Hiermee kun je de burn-out tot enkele procenten verhogen. Uraniumdioxide reageert bij hoge temperaturen niet met zirkonium, niobium, roestvrij staal en andere materialen. Het belangrijkste nadeel van keramiek is de lage thermische geleidbaarheid - 4,5 kJ/(m·K), wat het specifieke vermogen van de reactor beperkt in termen van smelttemperatuur. De maximale warmtefluxdichtheid in VVER-reactoren die uraniumdioxide gebruiken, bedraagt ​​dus niet meer dan 1,4⋅10,3 kW/m², terwijl de maximale temperatuur in splijtstofstaven 2200 °C bereikt. Bovendien is heet keramiek zeer bros en kan het barsten.

Praktisch gebruik

Ontvangst

Uraniumbrandstof

Uranium-splijtstof wordt verkregen door ertsen te verwerken. Het proces verloopt in verschillende fasen:

• Voor arme velden: In de moderne industrie wordt, vanwege het gebrek aan rijke uraniumertsen (uitzonderingen zijn Canadese en Australische afzettingen zoals disharmonie, waarbij de uraniumconcentratie 3% bereikt), de methode van ondergrondse uitloging van ertsen gebruikt. Dit elimineert kostbare ertswinning. De voorbereidende voorbereiding vindt direct ondergronds plaats. Door injectie putten zwavelzuur wordt ondergronds boven de afzetting gepompt, soms met toegevoegde ijzerzouten (om uranium U(IV) tot U(VI) te oxideren), hoewel de ertsen vaak ijzer en pyrolusiet bevatten, wat de oxidatie vergemakkelijkt. Door putten pompen Met behulp van speciale pompen stijgt een oplossing van zwavelzuur met uranium naar de oppervlakte. Dan gaat het rechtstreeks naar sorptie, hydrometallurgische extractie en gelijktijdige verrijking van uranium.
• Voor ertsafzettingen: gebruik van ertsverrijking en radiometrische ertsverrijking.
• Hydrometallurgische verwerking - vermalen, uitlogen, sorptie of extractie van uranium om gezuiverd uraniumoxide (U 3 O 8), natriumdiuranaat (Na 2 U 2 O 7) of ammoniumdiuranaat ((NH 4) 2 U 2 O 7) te produceren.
• Omzetting van uranium van oxide in UF 4-tetrafluoride, of rechtstreeks van oxiden om UF 6-hexafluoride te produceren, dat wordt gebruikt om uranium te verrijken met behulp van de 235-isotoop.
• Verrijking door thermische gasdiffusie of centrifugatie.
• UF 6 verrijkt in de isotoop 235 wordt omgezet in UO 2-dioxide, waaruit voor hetzelfde doel “pellets” van splijtstofelementen worden gemaakt of andere uraniumverbindingen worden verkregen.

Kernenergie wordt gebruikt in de thermische energietechniek, waarbij energie wordt verkregen uit kernbrandstof in reactoren in de vorm van warmte. Het wordt gebruikt om elektrische energie op te wekken kerncentrales (NPP), voor energiecentrales van grote zeeschepen, voor de ontzilting van zeewater.

Kernenergie dankt zijn verschijning in de eerste plaats aan de aard van het neutron, ontdekt in 1932. Neutronen maken deel uit van alle atoomkernen behalve de waterstofkern. Gebonden neutronen in de kern bestaan ​​voor onbepaalde tijd. In hun vrije vorm zijn ze van korte duur, omdat ze óf vervallen met een halfwaardetijd van 11,7 minuten, veranderen in een proton en een elektron en een neutrino uitzenden, óf snel worden opgevangen door de atoomkernen.

Moderne kernenergie is gebaseerd op het gebruik van energie die vrijkomt bij de splijting van een natuurlijke isotoop uranium-235. Bij kerncentrales wordt een gecontroleerde kernsplijtingsreactie uitgevoerd kernreactor. Volgens de energie van neutronen die kernsplijting veroorzaken, onderscheid maken tussen thermische en snelle neutronenreactoren.

De hoofdeenheid van een kerncentrale is een kernreactor, waarvan het diagram wordt getoond in Fig. 1. Ze halen energie uit kernbrandstof, en vervolgens wordt deze in de vorm van warmte overgebracht naar een andere werkvloeistof (water, metaal of organische vloeistof, gas); vervolgens wordt het omgezet in elektriciteit volgens hetzelfde schema als bij conventionele schema's.

Ze controleren het proces, onderhouden de reactie, stabiliseren de energie, starten en stoppen de reactor met behulp van speciale bewegingen controle staven 6 En 7 uit materialen die thermische neutronen intensief absorberen. Ze worden aangedreven door een besturingssysteem 5 . Acties controle staven manifesteren zich in een verandering in de kracht van de neutronenflux in de kern. Via kanalen 10 water circuleert en koelt het biologische beschermingsbeton af

Regelstaven zijn gemaakt van boor of cadmium, die thermisch, stralings- en corrosiebestendig, mechanisch sterk zijn en goede warmteoverdrachtseigenschappen hebben.

Binnenin een massieve stalen kast 3 er is een mandje 8 met brandstofelementen 9 . Het koelmiddel komt via de pijpleiding binnen 2 , passeert de kern, wast alle brandstofelementen, warmt op en gaat door de pijpleiding 4 komt in de stoomgenerator.

Rijst. 1. Kernreactor

De reactor is gehuisvest in een dikke betonnen biologische insluitingsinrichting 1 , die de omringende ruimte beschermt tegen de stroom van neutronen, alfa-, bèta- en gammastraling.

Brandstofelementen (brandstofstaven)- het grootste deel van de reactor. Er vindt direct een kernreactie plaats en er komt warmte vrij; alle andere delen dienen om warmte te isoleren, te beheersen en af ​​te voeren. Structureel kunnen splijtstofelementen gemaakt zijn van staaf, plaat, buisvormig, bolvormig, enz. Meestal zijn het staafjes, tot 1 meter lang en 10 mm in diameter. Ze worden meestal samengesteld uit uraniumpellets of uit korte buizen en platen. Aan de buitenkant zijn de brandstofelementen bedekt met een corrosiebestendige, dunne metalen schaal. Voor de schaal worden zirkonium, aluminium, magnesiumlegeringen en gelegeerd roestvrij staal gebruikt.

De overdracht van warmte die vrijkomt tijdens een kernreactie in de reactorkern naar het werklichaam van de motor (turbine) van energiecentrales wordt uitgevoerd volgens schema's met één circuit, dubbel circuit en drie circuits (Fig. 2).

Rijst. 2. Kerncentrale
a – volgens een schema met één circuit; b – volgens een dubbelcircuitschema; c – volgens een driecircuitschema
1 – reactor; 2, 3 – biologische bescherming; 4 – drukregelaar; 5 – turbine; 6 – elektrische generator; 7 – condensator; 8 – pomp; 9 – reservecapaciteit; 10 – regeneratieve verwarming; 11 – stoomgenerator; 12 – pomp; 13 – tussenliggende warmtewisselaar

Elk circuit is een gesloten systeem. Reactor 1 (in alle thermische circuits) die zich in de primaire circuits bevinden 2 en secundair 3 biologische bescherming. Als de kerncentrale is gebouwd volgens een thermisch circuit met één circuit, stoom uit de reactor via de drukregelaar 4 komt de turbine binnen 5 . De turbine-as is verbonden met de elektrische generatoras 6 , waarin elektrische stroom wordt opgewekt. De uitlaatstoom komt de condensor binnen, waar deze wordt gekoeld en volledig gecondenseerd. Pomp 8 leidt condensaat naar de regeneratieve verwarmer 10 , en dan komt het de reactor binnen.

In een dubbelcircuitschema komt het in de reactor verwarmde koelmiddel de stoomgenerator binnen 11 , waar warmte wordt overgedragen door oppervlakteverwarming naar het koelmiddel van de werkvloeistof (voedingswater van het secundaire circuit). In watergekoelde reactoren wordt het koelmiddel in de stoomgenerator gekoeld met ongeveer 15...40 o C en vervolgens door een circulatiepomp 12 wordt teruggestuurd naar de reactor.

Bij een ontwerp met drie circuits wordt het koelmiddel (meestal vloeibaar natrium) uit de reactor naar een tussenwarmtewisselaar geleid 13 en van daaruit met een circulatiepomp 12 keert terug naar de reactor. De koelvloeistof in het tweede circuit is eveneens vloeibaar natrium. Dit circuit wordt niet bestraald en is dus niet radioactief. Natrium in het secundaire circuit komt de stoomgenerator binnen 11 , geeft warmte af aan de werkvloeistof en wordt vervolgens door de circulatiepomp teruggestuurd naar de tussenwarmtewisselaar.

Het aantal circulatiecircuits bepaalt het type reactor, het gebruikte koelmiddel, de nucleaire fysische eigenschappen en de mate van radioactiviteit. Het circuit met enkele lus kan worden gebruikt in kookreactoren en in reactoren met gaskoelmiddel. De meest voorkomende dubbelcircuitcircuit bij gebruik van water, gas en organische vloeistoffen als koelvloeistof. Het driecircuitschema wordt gebruikt bij kerncentrales met snelle neutronenreactoren die gebruik maken van vloeibare metaalkoelmiddelen (natrium-, kalium-, natrium-kaliumlegeringen).

Kernbrandstof kan dat wel zijn uranium-235, uranium-233 en plutonium-232. Grondstoffen voor het verkrijgen van kernbrandstof - natuurlijk uranium en thorium. Bij een kernreactie van één gram splijtbaar materiaal (uranium-235) komt energie vrij die overeenkomt met 22×103 kW×h (19×106 cal). Om deze hoeveelheid energie te verkrijgen is het nodig om 1900 kg olie te verbranden.

Uranium-235 is gemakkelijk verkrijgbaar en de energiereserves ervan zijn ongeveer dezelfde als die van fossiele brandstoffen. Als kernbrandstof echter met zo'n laag rendement wordt gebruikt als momenteel beschikbaar is, zullen de beschikbare uraniumbronnen binnen 50 tot 100 jaar uitgeput zijn. Tegelijkertijd zijn de “voorraden” van kernbrandstof vrijwel onuitputtelijk: dit is uranium opgelost in zeewater. Er bevindt zich honderden keren meer ervan in de oceaan dan op het land. De kosten voor het verkrijgen van één kilogram uraniumdioxide uit zeewater bedragen ongeveer $60 tot $80, en in de toekomst zullen deze dalen tot $30, en de kosten van uraniumdioxide dat wordt gewonnen in de rijkste afzettingen op land bedragen $10 tot $20. Daarom zullen na verloop van tijd de kosten op land en “op zeewater” van dezelfde orde worden.

De kosten van kernbrandstof zijn ongeveer twee keer lager dan die van fossiele steenkool. Bij kolencentrales daalt het aandeel brandstof met 50-70% van de elektriciteitskosten, en bij kerncentrales met 15-30%. Een moderne thermische energiecentrale met een capaciteit van 2,3 miljoen kW (bijvoorbeeld de Samara State District Power Plant) verbruikt elke dag ongeveer 18 ton steenkool (6 treinen) of 12.000 ton stookolie (4 treinen). Kernenergie, met hetzelfde vermogen, verbruikt slechts 11 kg kernbrandstof per dag, en 4 ton gedurende het jaar. Een kerncentrale is echter duurder dan een thermische centrale in termen van constructie, exploitatie en reparatie. De bouw van een kerncentrale met een vermogen van 2 - 4 miljoen kW kost bijvoorbeeld ongeveer 50-100% meer dan een thermische centrale.

Het is mogelijk om de kapitaalkosten voor de bouw van kerncentrales te verlagen als gevolg van:

1. standaardisatie en unificatie van apparatuur;
2. ontwikkeling van compacte reactorontwerpen;
3. het verbeteren van management- en regelgevingssystemen;
4. het verkorten van de duur van de sluiting van de reactor voor het bijtanken van brandstof.

Een belangrijk kenmerk van kerncentrales (kernreactoren) is de efficiëntie van de splijtstofcyclus. Om de efficiëntie van de brandstofcyclus te verbeteren, moet u:

• de verbranding van kernbrandstof vergroten;
• de plutoniumfoksnelheid verhogen.

Bij elke splijting van de uranium-235-kern komen 2-3 neutronen vrij. Hiervan wordt er slechts één gebruikt voor verdere reactie, de rest gaat verloren. Het is echter mogelijk om ze te gebruiken om kernbrandstof te reproduceren, waardoor snelle neutronenreactoren ontstaan. Bij het exploiteren van een snelle neutronenreactor is het mogelijk om gelijktijdig ongeveer 1,7 kg plutonium-239 per 1 kg verbrand uranium-235 te verkrijgen. Op deze manier kan het lage thermische rendement van kerncentrales worden afgedekt.

Snelle neutronenreactoren zijn tientallen keren efficiënter (in termen van het gebruik van nucleaire brandstof) dan brandstofneutronenreactoren. Ze bevatten geen moderator en gebruiken hoogverrijkte splijtstof. Neutronen die uit de kern ontsnappen, worden niet geabsorbeerd door structurele materialen, maar door uranium-238 of thorium-232 dat zich eromheen bevindt.

In de toekomst zullen de belangrijkste splijtstoffen voor kerncentrales plutonium-239 en uranium-233 zijn, respectievelijk verkregen uit uranium-238 en thorium-232 in snelle neutronenreactoren. Het omzetten van uranium-238 in plutonium-239 in reactoren zal de nucleaire brandstofvoorraden met ongeveer 100 keer vergroten, en thorium-232 in uranium-233 met 200 keer.

In afb. Figuur 3 toont een schema van een kerncentrale die gebruik maakt van snelle neutronen.

Onderscheidende kenmerken van een snelle neutronenkerncentrale zijn:

1. het veranderen van de kritikaliteit van een kernreactor wordt uitgevoerd door een deel van de splijtingsneutronen van splijtstof van de periferie terug naar de kern te reflecteren met behulp van reflectoren 3 ;
2. reflectoren 3 kan roteren, waardoor de neutronenlekkage en daarmee de intensiteit van splijtingsreacties verandert;
3. kernbrandstof wordt gereproduceerd;
4. Overtollige thermische energie wordt uit de reactor verwijderd met behulp van een radiatorkoelkast 6 .

Rijst. 3. Schema van een kerncentrale die gebruik maakt van snelle neutronen:
1 – brandstofelementen; 2 – reproduceerbare splijtstof; 3 – snelle neutronenreflectoren; 4 – kernreactor; 5 – elektriciteitsverbruiker; 6 – koelkast-emitter; 7 – omzetter van thermische energie in elektrische energie; 8 – stralingsbescherming.

Omzetters van thermische energie in elektrische energie

Gebaseerd op het principe van het gebruik van thermische energie gegenereerd door een kerncentrale, kunnen converters in 2 klassen worden verdeeld:

1. machine (dynamisch);
2. machineloos (directe converters).

Bij machineconverters wordt gewoonlijk een gasturbine-eenheid op de reactor aangesloten, waarbij de werkvloeistof waterstof, helium of een helium-xenonmengsel kan zijn. Het rendement van het omzetten van warmte die rechtstreeks aan de turbogenerator wordt geleverd in elektriciteit is vrij hoog: het rendement van de omvormer η = 0,7-0,75.

Het diagram van een kerncentrale met een dynamische gasturbine (machine) omzetter wordt getoond in Fig. 4.

Een ander type machineconvertor is een magnetogasdynamische of magnetohydrodynamische generator (MGDG). Het diagram van een dergelijke generator wordt getoond in Fig. 5. De generator is een rechthoekig kanaal, waarvan twee wanden zijn gemaakt van diëlektricum en twee van elektrisch geleidend materiaal. Een elektrisch geleidende werkvloeistof – vloeibaar of gasvormig – beweegt door de kanalen en wordt doordrongen van een magnetisch veld. Zoals bekend ontstaat er, wanneer een geleider in een magnetisch veld beweegt, een emf over de elektroden 2 overgedragen aan de elektriciteitsverbruiker 3 . De energiebron voor de werkende warmtestroom is de warmte die vrijkomt in een kernreactor. Deze thermische energie wordt besteed aan het verplaatsen van ladingen in een magnetisch veld, d.w.z. wordt omgezet in kinetische energie van een stroomgeleidende straal, en kinetische energie in elektrische energie.

Rijst. 4. Schema van een kerncentrale met gasturbine-omzetter:
1 – reactor; 2 – circuit met vloeibaar metaalkoelmiddel; 3 – warmtewisselaar voor het leveren van warmte aan het gas; 4 – turbine; 5 – elektrische generator; 6 – compressor; 7 – koelkast-emitter; 8 – warmteafvoercircuit; 9 – circulatiepomp; 10 – warmtewisselaar voor warmteafvoer; 11 – warmtewisselaar-regenerator; 12 – circuit met de werkvloeistof van de gasturbineconvertor.

Directe omzetters (machineloos) van thermische energie in elektrische energie zijn onderverdeeld in:

1. thermo-elektrisch;
2. thermionisch;
3. elektrochemisch.

Thermo-elektrische generatoren (TEG's) zijn gebaseerd op het Seebeck-principe, dat erin bestaat dat in een gesloten circuit bestaande uit ongelijksoortige materialen een thermo-emf optreedt als er een temperatuurverschil wordt gehandhaafd op de contactpunten van deze materialen (figuur 6). ). Voor het opwekken van elektriciteit is het raadzaam halfgeleider-TEG's te gebruiken die een hoger rendement hebben, terwijl de temperatuur van de hete junctie moet worden verhoogd tot 1400 K en hoger.

Thermionische omzetters (TEC) maken het mogelijk elektriciteit op te wekken als resultaat van de emissie van elektronen uit een kathode die tot hoge temperaturen wordt verwarmd (Fig. 7).

Rijst. 5. Magnetogasdynamische generator:
1 – magnetisch veld; 2 – elektroden; 3 – elektriciteitsverbruiker; 4 – diëlektricum; 5 – dirigent; 6 – werkvloeistof (gas).

Rijst. 6. Werkingsschema van een thermo-elektrische generator

Rijst. 7. Werkingsschema van de thermionische omzetter

Om de emissiestroom op peil te houden, wordt warmte aan de kathode toegevoerd Q 1. De door de kathode uitgezonden elektronen bereiken, nadat ze de vacuümspleet hebben overwonnen, de anode en worden erdoor geabsorbeerd. Wanneer elektronen aan de anode ‘condenseren’, komt er energie vrij die gelijk is aan de werkfunctie van elektronen met het tegengestelde teken. Als we zorgen voor een continue toevoer van warmte naar de kathode en deze van de anode verwijderen, dan door de belasting R gelijkstroom zal vloeien. Elektronenemissie vindt efficiënt plaats bij kathodetemperaturen boven 2200 K.

Veiligheid en betrouwbaarheid van kerncentrales

Een van de belangrijkste kwesties bij de ontwikkeling van kernenergie is het waarborgen van de betrouwbaarheid en veiligheid van kerncentrales.

De stralingsveiligheid wordt gewaarborgd door:

1. creatie van betrouwbare structuren en apparaten voor de biologische bescherming van personeel tegen straling;
2. zuivering van lucht en water dat het terrein van de kerncentrale verlaat;
3. extractie en betrouwbare lokalisatie van radioactieve besmetting;
4. dagelijkse stralingsmonitoring van het terrein van de kerncentrale en individuele stralingsmonitoring van personeel.

NPP-gebouwen zijn, afhankelijk van de bedrijfsmodus en de daarin geïnstalleerde apparatuur, onderverdeeld in 3 categorieën:

1. hoge veiligheidszone;
2. verboden gebied;
3. normale moduszone.

Het personeel bevindt zich permanent in kamers van de derde categorie; deze kamers op het station zijn stralingsveilig.

Tijdens de werking van kerncentrales ontstaat vast, vloeibaar en gasvormig radioactief afval. Ze moeten worden verwijderd op een manier die geen milieuvervuiling veroorzaakt.

Gassen die tijdens de ventilatie uit de ruimte worden verwijderd, kunnen radioactieve stoffen bevatten in de vorm van aërosolen, radioactief stof en radioactieve gassen. De ventilatie van het station is zo gebouwd dat luchtstromen van de meest “schone” naar de “vervuilde” stromen, en stromingen in de tegenovergestelde richting worden uitgesloten. In alle delen van het station wordt binnen maximaal een uur een volledige luchtverversing uitgevoerd.

Tijdens de exploitatie van kerncentrales doet zich het probleem van de berging en berging van radioactief afval voor. Splijtstofelementen die in reactoren worden gebruikt, worden een bepaalde tijd in waterplassen direct bij de kerncentrale bewaard totdat isotopen met korte halfwaardetijden zijn gestabiliseerd, waarna de splijtstofelementen voor regeneratie naar speciale radiochemische installaties worden gestuurd. Daar wordt nucleaire brandstof gewonnen uit brandstofstaven en wordt radioactief afval begraven.