Metallbrensel for atomreaktorer. Kjernebrensel: typer og prosessering

Livssyklusen til kjernebrensel basert på uran eller plutonium begynner ved gruvebedrifter, kjemiske anlegg, i gassentrifuger, og slutter ikke i det øyeblikket brenselelementet losses fra reaktoren, siden hver brenselsamling har en lang vei å gå gjennom. avhending og deretter reprosessering.

Utvinning av råstoff til kjernebrensel

Uran er det tyngste metallet på jorden. Omtrent 99,4 % av jordens uran er uran-238, og bare 0,6 % er uran-235. En rapport fra Det internasjonale atomenergibyrået kalt «Red Book» inneholder data om veksten i produksjonen og etterspørselen etter uran, til tross for ulykken ved atomkraftverket Fukushima-1, som fikk mange til å tenke på utsiktene for atomenergi. Bare de siste årene har reserver av utforsket uran økt med 7 %, noe som er assosiert med oppdagelsen av nye forekomster. Kasakhstan, Canada og Australia er fortsatt de største produsentene, og produserer opptil 63 % av verdens uran. I tillegg er det metallreserver i Australia, Brasil, Kina, Malawi, Russland, Niger, USA, Ukraina, Kina og andre land. Tidligere skrev Pronedra at i 2016 ble 7,9 tusen tonn uran utvunnet i den russiske føderasjonen.

I dag utvinnes uran på tre forskjellige måter. Den åpne metoden mister ikke sin relevans. Det brukes i tilfeller der avsetningene er nær jordoverflaten. I dagbruddsmetoden lager bulldosere et steinbrudd, deretter blir malmen med urenheter lastet inn i dumpere for transport til prosesskomplekser.

Ofte ligger malmlegemet på store dyp, i så fall brukes en underjordisk gruvemetode. En gruve bryter ut opptil to kilometer dypt, fjellet, ved boring, utvinnes i horisontale drifter, transportert oppover i godsheiser.

Blandingen, som dermed tas ut til toppen, har mange komponenter. Bergarten må knuses, fortynnes med vann og fjernes overskudd. Deretter tilsettes svovelsyre til blandingen for å utføre utlutningsprosessen. Under denne reaksjonen får kjemikere et gult bunnfall av uransalter. Til slutt raffineres uran med urenheter på raffineriet. Først etter dette oppnås uranoksid som omsettes på børsen.

Det finnes en mye sikrere, miljøvennlig og kostnadseffektiv måte, som kalles borehole in-situ leaching (SIL).

Med denne metoden for feltutvikling forblir territoriet trygt for personell, og strålingsbakgrunnen tilsvarer bakgrunnen i store byer. For å utvinne uran ved utlekking, må du bore 6 hull i hjørnene av sekskanten. Svovelsyre pumpes inn i uranforekomstene gjennom disse brønnene, den blandes med sine salter. Denne løsningen ekstraheres, nemlig den pumpes ut gjennom en brønn i midten av sekskanten. For å oppnå ønsket konsentrasjon av uransalter føres blandingen flere ganger gjennom sorpsjonskolonner.

Kjernebrenselproduksjon

Produksjonen av kjernebrensel er utenkelig uten gassentrifuger, som brukes til å produsere anriket uran. Etter å ha oppnådd den nødvendige konsentrasjonen, presses såkalte tabletter fra urandioksid. De lages ved hjelp av smøremidler som fjernes under fyring i ovner. Brenntemperaturen når 1000 grader. Deretter sjekkes tablettene for samsvar med de oppgitte kravene. Kvaliteten på overflaten, fuktighetsinnholdet, forholdet mellom oksygen og uranstoff.

Samtidig forberedes rørskall for brenselelementer i et annet verksted. De ovennevnte prosessene, inkludert påfølgende dosering og pakking av tabletter i skallrør, forsegling, dekontaminering, kalles drivstofffabrikasjon. I Russland utføres etableringen av drivstoffsamlinger (FA) av foretakene "Machine-Building Plant" i Moskva-regionen, "Novosibirsk Plant of Chemical Concentrates" i Novosibirsk, "Moscow Plant of Polymetals" og andre.

Hvert parti med brenselelementer er laget for en bestemt type reaktor. Europeiske drivstoffenheter er laget i form av en firkant, og russisk - med en sekskantet seksjon. I den russiske føderasjonen er reaktorer av typene VVER-440 og VVER-1000 mye brukt. De første drivstoffelementene for VVER-440 begynte å bli utviklet i 1963, og for VVER-1000 - i 1978. Til tross for at nye reaktorer med sikkerhetsteknologier etter Fukushima aktivt introduseres i Russland, er det mange atomanlegg i gammel stil som opererer over hele landet og i utlandet, så brenselsammensetninger for forskjellige typer reaktorer forblir like relevante.

For eksempel, for å skaffe brenselsamlinger for en aktiv sone i RBMK-1000-reaktoren, er det nødvendig med mer enn 200 tusen komponenter laget av zirkoniumlegeringer, samt 14 millioner sintrede pellets av urandioksid. Noen ganger kan kostnadene ved å produsere en drivstoffsamling overstige kostnadene for drivstoffet som finnes i cellene, og det er derfor det er så viktig å sikre en høy energiavkastning fra hvert kilo uran.

Produksjonsprosesskostnader i %

Separat skal det sies om brenselelementer for forskningsreaktorer. De er utformet på en slik måte at de gjør observasjonen og studien av nøytrongenereringsprosessen så komfortabel som mulig. Slike brenselsstaver for eksperimenter innen kjernefysikk, produksjon av isotoper, strålingsmedisin i Russland produseres av Novosibirsk Plant of Chemical Concentrates. TV-er er laget på grunnlag av sømløse elementer med uran og aluminium.

Produksjonen av kjernebrensel i den russiske føderasjonen utføres av drivstoffselskapet TVEL (en avdeling av Rosatom). Bedriften jobber med berikelse av råvarer, montering av drivstoffelementer, og tilbyr også drivstofflisenstjenester. Det mekaniske anlegget i Kovrov i Vladimir-regionen og Ural-gassentrifugeanlegget i Sverdlovsk-regionen lager utstyr for russiske drivstoffelementer.

Funksjoner ved transport av drivstoffstaver

Naturlig uran er preget av et lavt nivå av radioaktivitet, men før produksjonen av brenselelementer gjennomgår metallet en anrikningsprosedyre. Innholdet av uran-235 i naturlig malm overstiger ikke 0,7 %, og radioaktiviteten er 25 becquerel per 1 milligram uran.

Uranpelletene plassert i brenselelementene inneholder uran med en uran-235-konsentrasjon på 5 %. Ferdige brenselelementer med kjernebrensel transporteres i spesielle høyfaste metallbeholdere. For transport brukes jernbane, vei, sjø og til og med lufttransport. Hver beholder inneholder to sammenstillinger. Transport av ikke-bestrålt (fersk) brensel utgjør ingen strålingsfare, siden strålingen ikke går utover zirkoniumrørene som presset uranpellets er plassert i.

En spesiell rute er utviklet for et parti drivstoff, lasten transporteres ledsaget av sikkerhetspersonellet til produsenten eller kunden (oftere), noe som først og fremst skyldes de høye kostnadene for utstyr. I hele historien til produksjon av kjernebrensel er det ikke registrert en eneste transportulykke som involverer brenselelementer som vil påvirke strålingsbakgrunnen til miljøet eller føre til skader.

Drivstoff i reaktorkjernen

En enhet kjernebrensel - TVEL - er i stand til å frigjøre en enorm mengde energi i lang tid. Verken kull eller gass kan måle seg med slike volumer. Livssyklusen til drivstoff ved ethvert kjernekraftverk begynner med lossing, fjerning og lagring av ferskt drivstoff i drivstofflageret. Når den forrige batchen med brensel i reaktoren brenner ut, fullfører personellet brenselsammenstillingene for lasting inn i kjernen (reaktorens arbeidssone, hvor nedbrytningsreaksjonen finner sted). Som regel blir drivstoffet delvis omlastet.

Drivstoffet er fullt lastet inn i kjernen kun ved første start av reaktoren. Dette skyldes det faktum at brenselelementene i reaktoren brenner ut ujevnt, siden nøytronfluksen varierer i intensitet i forskjellige soner i reaktoren. Takket være regnskapsenheter har stasjonspersonalet muligheten til å overvåke graden av forbrenning av hver drivstoffenhet i sanntid og erstatte den. Noen ganger, i stedet for å laste nye drivstoffelementer, flyttes sammenstillingene seg imellom. I midten av den aktive sonen oppstår utbrenthet mest intensivt.

TVS etter kjernekraftverk

Uran som har fungert i en atomreaktor kalles bestrålt eller utbrent. Og slike brenselelementer - brukt kjernebrensel. SNF er plassert separat fra radioaktivt avfall, siden det har minst 2 nyttige komponenter - uforbrent uran (metallutbrenthet når aldri 100%) og transuranradionuklider.

Nylig har fysikere begynt å bruke radioaktive isotoper akkumulert i SNF i industri og medisin. Etter at brenselet har utarbeidet kampanjen sin (tiden brukt av forsamlingen i reaktorkjernen under driftsforhold ved nominell effekt), sendes det til bassenget for brukt brensel, deretter til lagring direkte i reaktorrommet, og etter det - for behandling eller avhending. Kjølebassenget er designet for å fjerne varme og beskytte mot ioniserende stråling, siden brenselelementene forblir farlige etter å ha blitt fjernet fra reaktoren.

I USA, Canada eller Sverige sendes ikke SNF til reprosessering. Andre land, inkludert Russland, jobber med en lukket drivstoffsyklus. Det gjør det mulig å redusere kostnadene ved produksjon av kjernebrensel betydelig, siden en del av SNF blir gjenbrukt.

Drivstoffstavene løses opp i syre, hvoretter forskerne skiller plutonium og ubrukt uran fra avfallet. Omtrent 3 % av råvarene kan ikke gjenbrukes; dette er høynivåavfall som gjennomgår bituminisering eller forglasning.

Fra brukt kjernebrensel kan man få 1 % plutonium. Dette metallet trenger ikke å berikes, Russland bruker det i prosessen med å produsere innovativt MOX-drivstoff. En lukket drivstoffsyklus gjør det mulig å gjøre én brenselsamling billigere med omtrent 3 %, men denne teknologien krever store investeringer i bygging av industrielle enheter, så den har ennå ikke blitt utbredt i verden. Likevel stopper ikke drivstoffselskapet Rosatom forskning i denne retningen. Nylig skrev Pronedra at den russiske føderasjonen jobber med et drivstoff som er i stand til å utnytte americium-, curium- og neptuniumisotoper i reaktorkjernen, som inngår i de svært 3 % av høyradioaktivt avfall.

Kjernebrenselprodusenter: vurdering

1. Inntil nylig ga det franske selskapet Areva 31 % av verdensmarkedet for drivstoffelementer. Selskapet driver med produksjon av kjernebrensel og montering av komponenter til kjernekraftverk. I 2017 opplevde Areva en kvalitativ oppgradering, nye investorer kom til selskapet, og det kolossale tapet i 2015 ble redusert med 3 ganger.
2. Westinghouse er den amerikanske avdelingen av det japanske selskapet Toshiba. Det utvikler aktivt markedet i Øst-Europa, leverer drivstoffelementer til ukrainske atomkraftverk. Sammen med Toshiba gir den 26 % av verdensmarkedet for produksjon av kjernebrensel.
3. Drivstoffselskapet TVEL fra det statlige selskapet Rosatom (Russland) er på tredjeplass. TVEL står for 17 % av verdensmarkedet, har en tiårig kontraktsportefølje verdt 30 milliarder dollar og leverer drivstoff til mer enn 70 reaktorer. TVEL utvikler brenselelementer for VVER-reaktorer, og går også inn på markedet for atominstallasjoner av vestlig design.
4. Japan Nuclear Fuel Limited, ifølge de siste dataene, står for 16% av verdensmarkedet, og leverer brenselelementer til de fleste atomreaktorene i Japan selv.
5. Mitsubishi Heavy Industries er en japansk gigant som produserer turbiner, tankbiler, klimaanlegg og, mer nylig, kjernebrensel for reaktorer i vestlig stil. Mitsubishi Heavy Industries (en avdeling av morselskapet) er engasjert i bygging av APWR-atomreaktorer, forskningsaktiviteter sammen med Areva. Det er dette selskapet som ble valgt av den japanske regjeringen til å utvikle nye reaktorer.

Den sentrale fasen av NFC er bruken av kjernebrensel i en kjernekraftverksreaktor for produksjon av termisk energi. Som et energiapparat er en atomreaktor en generator av termisk energi av visse parametere, oppnådd ved fisjon av urankjerner og plutonium, et sekundært brenselelement dannet i reaktoren (fig. 6.22). Effektiviteten til å konvertere termisk energi til elektrisk energi bestemmes av perfeksjonen til de termisk-hydrauliske og elektriske kretsene til kjernekraftverk.

Funksjoner ved forbrenning av kjernebrensel i reaktorkjernen, assosiert med forekomsten av ulike kjernefysiske reaksjoner med brenselelementer, bestemmer spesifikasjonene til kjernekraft, NPP-driftsforhold, økonomiske indikatorer, miljøpåvirkning, sosiale og økonomiske konsekvenser.

Effektiviteten ved bruk av kjernebrensel ved NPP med termiske nøytronreaktorer er preget av den gjennomsnittlige årlige energiproduksjonen per 1 tonn (eller 1 kg) drivstoff lastet og brukt i reaktoren - den gjennomsnittlige dybden av utbrenningen (dimensjonen er MW dag / tonn). I prosessen med utbrenning av uranbrensel som følge av kjernefysiske reaksjoner skjer det en betydelig endring i nuklidsammensetningen Figur 6.23 viser en typisk graf av denne prosessen i forhold til designbetingelsene til VVER-1000 reaktorkjernen med initial anrikning x = 4,4 % (44 kg / t) og den gjennomsnittlige designdybden av drivstoffutbrenning В=40 10 3 MW dag/t (eller α =42 kg/t), og i figur 6.24 - den beregnede grafen for endringen i nuklidsammensetningen av brenselet ved x = 2 % og В=20 10 3 MW dag/t i RBMK-1000 reaktorkjernen. Det kan sees at når 235 U brenner opp, som et resultat av strålingsfangst av nøytroner av 238 U-kjerner, oppstår og akkumuleres spaltbare isotoper av plutonium 239 Pu, 241 Pu og ikke-fissile isotoper 240 Pu, 242 Pu og 236 U og forfallet av andre transuran- og transplutoniumelementer (fig. 6.25), hvor antallet er relativt lite og ikke tas med i økonomiske beregninger.

Figur 6.26 viser avhengigheten av endringen i nuklidsammensetningen i uranbrenselet til PWR-reaktoren, som har en initial anrikning på 3,44 %, av nøytronfluensen. Det estimerte bidraget fra spaltbare isotoper av plutonium (239 Pu og 241 Pu) til den totale kraftproduksjonen til VVER-1000 atomreaktoren er mer enn 33 %. Denne prosessen foregår også i andre termiske nøytronreaktorer. Bidraget fra plutonium til fisjon og energiproduksjon er jo større, jo høyere avlsforhold (BR) av plutonium og jo større gjennomsnittlig brenselforbrenning.

Mengden akkumulering av plutoniumisotoper i brukt brensel er avgjørende for tekniske og økonomiske beregninger og vurderinger i kjernekraftindustrien. Etter å ha blitt utvunnet fra brukt brensel under kjemisk prosessering, er de også kommersielle produkter fra kjernekraftverk.

Forholdet mellom massen z* av alle eller bare spaltbare termiske nøytroner z isotoper av plutonium akkumulert i brukt brensel og massen α av spaltbare kjerner inneholdt i 1 tonn brukt brensel kalles vanligvis plutoniumakkumuleringsfaktoren (KN):

КН=z/ α ; KH*=z*/α ,

hvor z* er massen av alle plutoniumisotoper som er akkumulert i det brukte brenselet (inkludert tapet av 235U på grunn av konvertering til 236U uten fisjon). For en omtrentlig beregning av CV kan man bruke grafene over endringer i nuklidsammensetningen til brenselet (se fig. 6.23 og 6.24), bygget på grunnlag av kjernefysiske beregninger. En økning i gjennomsnittlig utbrenningsdybde B er ledsaget (tabell 6.13) av en reduksjon i mengden plutonium i det brukte brenselet, men av en økning i dets andel av reaktorens totale effekt. Denne andelen er jo høyere, jo større er verdien av den integrerte CV (forholdet mellom antall dannede spaltbare nuklider og antall separerte).

Tabell 6.13 Brennstoffutbrenning og plutoniumakkumulering i termiske reaktorer

Når man analyserer materialbalansen til 235 U i kjernebrensel, er det nødvendig å ta hensyn til dets irreversible tap i reaktorkjernen forårsaket av fangst av nøytroner av 235 U isotopen uten fisjon 235 U+n → 236 U + γ .

En betydelig del av 235 U deler seg ikke, men blir til en kunstig ikke-fissil radioaktiv isotop 236 U. Sannsynligheten for dannelse av 236 U fra 235 U er lik forholdet mellom tverrsnittet for strålingsfangsten av et nøytron ved 235 U isotopen (σ n γ \u003d 98,36 for E n \u003d 0,0253 eV) til summen av tverrsnittene for strålingsfangst og fisjon (σ ~ 580 barn). Således, i balansen av 235 U lastet inn i reaktorkjernen, er det nødvendig å ta hensyn til ikke bare forbruket av 235 U-kjerner under fisjon, men også reduksjonen (~ 15%) av 235 U-kjernene som går irreversibelt tapt til dannelsen av 236 U.

Figur 6.27 viser nivået av akkumulering av 236 U i en trykkvannsreaktor i et moderne kjernekraftverk med forskjellig innledende brenselanrikning avhengig av utbrenningsdybden.

I sin tur fører dannelsen av 236 U til forbruket i prosessen med dannelse av nye elementer 237 Np og 238 Pu (se fig. 6.22). Avhengighetene i figur 6.27 tar hensyn til denne prosessen. Ved en utbrenningsdybde på 30 10 3 MW dag/t dannes 0,35–0,40 % 236 U i termiske nøytronreaktorer med brenselanrikning på ~ 3,4 % 235 U.

Med et innhold på 0,12 % 236 U i VVR-kjernen vil tapet av oppnåelig utbrenningsdybde være 10 3 MW dag/t, ved 0,4 % 236 U - 2,5 10 3 MW dag/t, ved 1 % 236 U – 5 10 3 MW dag/t. I eksisterende lettvannsreaktorer, for å kompensere for den negative effekten av 236 U og oppnå de ønskede energikarakteristikkene, er det nødvendig å øke den første anrikningen av 235 U drivstoff, noe som øker kostnadene for kjernebrenselsyklusen.

Bruken av kjernebrensel i kjernekraftverksreaktorer inkluderer følgende hovedoperasjoner:

• lossing, mottak og lagring på FA-lageret av ferskt drivstoff mottatt fra leverandøranlegget;
• montering av brenseldeler for lasting i reaktoren sammen med kontrollstenger;
• lasting av brenselelementer i reaktorkjernen (innledende eller i rekkefølgen periodisk og delvis påfylling); effektiv bruk av brensel i reaktorkjernen (oppnå en gitt generasjon av termisk energi i reaktoren).

Kjernebrenselet som brukes i reaktoren, lastes om i bassenget for brukt brensel som ligger i reaktorhallen og blir der i flere år. En så lang eksponering gjør det mulig å redusere den innledende radioaktiviteten og råtnelsesvarmen til brenselelementer betydelig, å avvise utette sammenstillinger og brenselstaver for å lette oppgaven med å transportere brukt brensel fra NPP-området (tabell 6.14).

Fra bruktbrenselbassengene lastes det brukte brenselet om i transportcontainere installert på spesielle jernbaneplattformer eller på andre kjøretøy. Denne operasjonen ender ved kjernekraftverket det lengste - det sentrale - stadiet i kjernefysisk brenselssyklus. Noen kjernekraftverk har langtidsbufferlagring for brukt brensel eller kan lagre brukte brenselelementer i spesielle fat tilpasset for langsiktig tørrlagring.

Typer drivstoffsyklus. Det er en rekke brenselssykluser avhengig av typen reaktor som lastes og hva som skjer med det brukte brenselet som fjernes fra reaktoren. Figur 6.28 viser et diagram over en åpen (åpen) drivstoffsyklus.

Brukt brensel lagres i uendelig lang tid i bruktbrenselbassenget ved kjernekraftverket. I denne forbindelse er det nødvendig å sikre sikkerheten ved håndtering, pakking og overføring av brukt brensel til et permanent lagringssted ved bruk av offentlige lagringsanlegg. I denne syklusen utføres ikke prosessen med utvinning eller anrikning av spaltbare materialer i det brente drivstoffet. Figur 6.29 viser en syklus der brukt brensel behandles på en slik måte at det kun gjenvinnes uran. Plutonium- og transuranelementer behandles som høyaktivt avfall (HLW) i denne syklusen.

Uranet føres tilbake til anrikningsanlegget for å øke prosentandelen av anrikning fra 0,8 til 3 %, noe som er nok til å gjenbruke det som drivstoff for VVR. "Avfall" krever forsvarlig håndtering, pakking og transport til et permanent lagringssted. En mer fullstendig drivstoffsyklus er vist i figur 6.30. Her utvinnes i tillegg til uran også plutonium. Fordi plutonium er et spaltbart materiale, kan det brukes som drivstoff. Plutoniumoksid blandet med uranoksid kan gjenbrukes i WWR-syklusen. Denne drivstoffblandingen, brukt i pilotsammenstillinger i en rekke kommersielle reaktorer, har vist sin vellykkede bruk som drivstoff for WWR.

Tabell 6.14 Endring i spesifikk aktivitet og varmeutslipp i 1 tonn brukt brensel losset fra VVER ved en gjennomsnittlig utbrenning på 33 10 3 MW dag/t

Imidlertid har plutoniumresirkulering ikke fått kommersiell aksept på grunn av en rekke hindringer og begrensninger. Det ble vist stor interesse for plutoniumgjenvinning i Japan og Tyskland. I Japan var hovedmotivet å sikre uavhengigheten til å skaffe brensel til atomkraftverk. I Tyskland ønsket de å utnytte dette til å forenkle deponeringen av høyaktivt avfall kraftig.

Det er også mulig å kombinere VVR og raske reaktorer basert på den tredje versjonen av drivstoffsyklusen. Plutonium hentet fra brukt brensel kan brukes som den første drivstofflasten til en hurtigreaktor.

Dette er den mest effektive bruken av plutonium, da dets beste egenskaper finnes i den raske delen av nøytronspekteret. Denne retningen brukes i Frankrike.

Plutonium produsert i franske raffinerier lagres for senere bruk i det raske reaktorutviklingsprogrammet. En rask nøytronreaktor krever sin egen brenselssyklus, med sine egne spesifikasjoner og funksjoner. Denne spesifisiteten skyldes den dype utbrenningen av drivstoffet i oppdretteren (3 ganger eller mer større enn i VVR). En annen syklus er basert på bruk av thorium, som, selv om det ikke er et spaltbart materiale, omdannes til 23 U i reaktoren. Thoriumsyklusen brukes i høytemperaturgassreaktorer (hvor brenselet er innkapslet i en matrise av grafitt).

For tiden, i forbindelse med intensiveringen av arbeidet med å forbedre reaktorer og atomkraftverk som helhet, endrer mange lands posisjoner seg når det gjelder valg av type kjernefysisk brenselssyklus. Flere og flere utviklere har en tendens til å velge en lukket (lukket) drivstoffsyklus. På den annen side sier en av rapportene på IAEA-konferansen som ble holdt i september 2004, som analyserte situasjonen med valget av type NFC, tatt i betraktning det økende energibehovet, at den åpne eller enkle drivstoffsyklusen har betydelige fordeler sammenlignet med den lukkede syklusen med hensyn til produksjonskostnader, ikke-spredningsproblemer og sikkerheten ved drift av drivstoffsyklusen. Ifølge rapporten er det nok naturlig uranmalm i verden til å sikre igangsetting av 1000 nye reaktorer i løpet av de neste femti årene. "One-shot"-metoden for å bruke kjernebrensel vil forbli relativt billig og sikker inntil uranmalmforekomstene er oppbrukt og atommaktene begynner å behandle det akkumulerte brukte kjernebrenselet for å produsere plutonium, et ikke-naturlig, kunstig biprodukt av brenne uran. Samtidig analyseres ikke situasjonen med kostnadene for SNF- og RW-deponeringsoperasjoner. Men ettersom uranmalmreservene tømmes, kan kostnadene ved å drive en åpen drivstoffsyklus, det motsatte av en lukket syklus, øke. Ikke desto mindre, for å unngå de uberegnelige risikoene forbundet med bruken av en lukket syklus, anbefaler eksperter at regjeringer og ledere av kjernefysisk industri fortsetter å drive en åpen syklus fremfor en lukket syklus på grunn av de høye kostnadene ved SNF-reprosesseringsprosess og utvikling innen nye termonukleære, eller raske nøytronreaktorer. Forfatterne av rapporten anbefaler på det sterkeste å rette brenselssyklusforskningen og -utviklingen mot utvikling av teknologier som ikke, i en normal operasjon, dvs. fredelig bruk av atomenergidrift, vil føre til produksjon av våpenbrukbare materialer, inkludert uran, spaltbart materiale. materialer (som plutonium) og små aktinider. Praksis for lukket drivstoffsyklus som for tiden implementeres i Vest-Europa og Japan, oppfyller ikke dette kriteriet, heter det i rapporten. Derfor, sier forfatterne, bør drivstoffsyklusanalyse, forskning, utvikling og testing inkludere en klar vurdering av den mulige risikoen for atomspredning og tiltakene som er nødvendige for å minimere denne risikoen. Hvis imidlertid den mest sannsynlige prognosen for kjernekraftens fremtid er den globale veksten av kjernekraftindustrien basert på en åpen brenselssyklus, så, sier forfatterne av rapporten, bør internasjonale avtaler om lagring av brukt brensel settes inn i effekt innen de neste ti årene, noe som bør redusere potensiell risiko for atomspredning betydelig.

I fremtidens storskala kjernekraftindustri på raske nøytroner i sonen for kjernefysiske reaksjoner, bør ikke bare fisjon av aktinider utføres, men også produksjon av plutoniumisotoper, et utmerket kjernebrensel, fra det rå kjernebrenselet uran- 238. Med et avlsforhold over 1 kan det fås mer plutonium i det utskrevne atombrenselet enn det brant ned. Det lossede kjernebrenselet fra raske atomreaktorer må gå til et radiokjemisk anlegg, hvor det skal fjernes fra fisjonsprodukter som absorberer nøytroner. Deretter blir drivstoffet, bestående av uran238 og aktinider (Pu, Np, Cm, Am), tilstrekkelig til å utføre en kjernefysisk kjedereaksjon, sammen med et tilsetningsstoff av utarmet uran, igjen lastet inn i kjernen av et kjernekraftverk. I en rask nøytronkjernereaktor kan radiokjemisk prosessering brenne nesten alt av uran-238.

Etter forfatterne av rapporten vil kjernefysiske reaktorer med raske nøytroner råde i storskala kjernekraftteknikk. Drivstoffet som losses fra disse reaktorene inneholder en stor mengde aktinidisotoper (Pu, Np, Cm, Am), det er preget av stor utbrenningsdybde, noe som betyr at det blir flere fisjonsprodukter per masseenhet kjernebrensel.

Det er fortsatt behov for å lage radiokjemiske teknologier som gir:

• kjernefysisk sikkerhet, tatt i betraktning et mye større antall små aktinider med sine egne kritiske masser;
• dyp rensing av fisjonsprodukter fra aktinider, for ikke å skape problemer med lagring, begravelse og transmutasjon;
• maksimal reduksjon i massen av teknologisk avfall;
• bedre rensing av gasser som oppstår fra radiokjemisk prosessering fra jod, tritium, krypton, radioaktive aerosoler;
• strålingssikkerhet for driftspersonell;
• skaffe kjemiske elementer som trengs av den nasjonale økonomien, for eksempel en ren a-kilde;
• muligheten for flere bruk av materialer som ligger i sonen for kjernefysiske reaksjoner og består av verdifulle metaller (Ni, Cr, Nb, Mo. Ti, W, V), som har oppnådd indusert aktivitet;
• økonomisk levedyktig radiokjemisk prosessering, konkurransedyktig i forhold til utvinning av naturlig uran for fremtidig energi.

For tiden lagres brukt atombrensel fra fire russiske atomkraftverk (Novo-Voronezh, Balakovo, Kalinin, Rostov), ​​tre ukrainske (sør-ukrainske, Khmelnitsky, Rovno) og Kozloduy NPP (Bulgaria) i anleggets "våte" " lagringsanlegg RT-2 for regenerering av brukt brensel på territoriet til Federal State Unitary Enterprise GCC, Zheleznogorsk (Russland). I følge prosjektet er depotet designet for 6000 tonn, det skal komprimeres med mulighet for å plassere 8600 tonn SNF. Bestrålte brenselelementer (SFAer) lagres under et vannlag på minst 2,5 meter over forsamlingen, noe som sikrer pålitelig beskyttelse av personell mot alle typer radioaktiv eksponering. Etter at det brukte kjernebrenselet har vært oppbevart i et våtlager, vil det bli plassert i et tørt SNF-lager (KhOT-2) med en total kapasitet på 38.000 tonn (hvorav 27.000 tonn er for lagring av SFA fra RBMK-1000 reaktorer , 11 000 tonn er for SFA-er fra VVER-1000-reaktorer), bygging som nå er i full gang ved anlegget og første trinn skal settes i drift i desember 2009. XOT-2 lagringskomplekset vil sikre sikker langtidslagring av brukt kjernebrensel fra RBMK-1000 og VVER-1000 reaktorene og dets videre overføring for radiokjemisk prosessering eller underjordisk isolasjon. XOT-2 vil være utstyrt med moderne kontrollsystemer for stråling og atomsikkerhet.

Hvorfor uran?

Menneskeheten har bundet seg til hender og føtter med elektriske ledninger. Husholdningsapparater, industrielt utstyr, gatebelysning, trolleybusser, t-bane, elektriske tog - alle disse fordelene med sivilisasjonen drives av det elektriske nettverket; de blir meningsløse "jernbiter" hvis strømmen svikter av en eller annen grunn. Imidlertid er folk allerede så vant til konstanten til strømforsyningen at enhver nedleggelse forårsaker misnøye og til og med ubehag. Og egentlig, hva skal en person gjøre hvis alle apparatene gikk ut på en gang, inkludert de mest elskede - en TV, en datamaskin og et kjøleskap? Det er spesielt vanskelig å tåle "separasjon" om kvelden, når man så ønsker etter jobb eller studier, som man sier, for å utvide dagslyset. Vil et nettbrett spare eller en telefon, men de har tross alt også en ladning som ikke er evig. Enda verre er det å havne i en «fengselscelle», som en heishytte eller en t-banevogn kan svinge inn i på befaling av en blackout.

Hvorfor all denne praten? Og til det faktum at den «elektrifiserte» menneskeheten trenger stabile og kraftige energikilder – først og fremst elektrisitet. Med sin mangel vil blackouts bli irriterende hyppige, og levestandarden vil synke. For å forhindre at et ubehagelig scenario blir en realitet, er det nødvendig å bygge flere og flere kraftverk: det globale energiforbruket vokser, og eksisterende kraftenheter eldes gradvis.

Men hva kan moderne energi, som hovedsakelig brenner kull og gass, tilby for å løse problemet? Selvfølgelig nye gassinstallasjoner som ødelegger verdifulle kjemiske råvarer, eller kullblokker som ryker himmelen. For øvrig er utslipp fra termiske kraftverk et velkjent miljøproblem, men gruvevirksomheter med fossilt brensel forårsaker også skade på miljøet. Men forbruket er enormt. For eksempel, for å sikre driften av et konvensjonelt kjøleskap i løpet av året, vil det være nødvendig å brenne rundt hundre kilo kull eller hundrevis av kubikkmeter naturgass. Og dette er bare ett husholdningsapparat, som det er mange av.

Hvor mye kjernebrensel skal forresten til for at nevnte kjøleskap skal fungere i et helt år? Det er vanskelig å tro, men ... bare ett gram!

Den kolossale energiintensiteten til kjernebrensel laget av anriket uran gjør det til en verdig konkurrent til kull og gass. Faktisk bruker et atomkraftverk hundre tusen ganger mindre drivstoff enn et termisk kraftverk. Dette betyr at gruvedrift for uranutvinning er i mye mindre skala, noe som er viktig for miljøet. I tillegg er det ingen drivhus- og giftgassutslipp.

Kraftenheten til et kjernekraftverk med en kapasitet på tusen megawatt vil bruke opp bare tre dusin tonn kjernebrensel per år, og et termisk anlegg med samme kapasitet vil trenge rundt tre millioner tonn kull eller tre milliarder kubikkmeter gass. Med andre ord, for å få samme mengde strøm trenger du enten flere vogner med atombrensel per år, eller flere tog med kull ... per dag.

Hva med fornybare energikilder? De er selvfølgelig gode, men må fortsatt forbedres. Ta for eksempel området som er okkupert av stasjonen. Når det gjelder vindturbiner og solcellepaneler, er det to størrelsesordener høyere enn for konvensjonelle kraftverk. For eksempel, hvis et kjernekraftverk (NPP) passer inn i et område på et par kvadratkilometer, vil en vindpark eller et solfelt med samme kapasitet okkupere flere hundre kvadratkilometer. Enkelt sagt er arealforholdet som for en liten landsby og en veldig stor by. I ørkenen er denne indikatoren kanskje ikke viktig, men i sonen for jordbruk eller skogbruk - til og med hvordan.

Det skal nevnes at kjernebrensel alltid er klar til å fungere, uavhengig av årstid, dag eller værvariasjoner, mens solen ikke skinner om natten, og vinden blåser når den vil. Dessuten vil fornybar energi i enkelte områder ikke være lønnsomt i det hele tatt på grunn av lav solenergifluks eller lav gjennomsnittlig vindhastighet. For kjernekraftverk eksisterer rett og slett ikke slike problemer.

Disse fordelene med kjernekraft avgjorde den enestående rollen til uran - som kjernebrensel - for moderne sivilisasjon.

Hvem fikk hvor mye?

I en gammel sovjetisk tegneserie løste dyrene en viktig oppgave - de delte en appelsin. Som et resultat fikk alle, bortsett fra ulven, en velsmakende saftig skive; den grå måtte nøye seg med skallet. Han fikk med andre ord ikke en verdifull ressurs. Fra dette synspunktet er det interessant å vite hvordan det er med uran: har alle land i verden sine reserver, eller er det fratatt?

Faktisk er det mye uran på jorden, og dette metallet kan finnes nesten overalt: i jordskorpen på planeten vår, i havene, til og med i menneskekroppen. Problemet ligger i dens "spredning", "smøring" over jordens bergarter, noe som resulterer i en lav konsentrasjon av uran, oftest utilstrekkelig for å organisere økonomisk lønnsom industriproduksjon. Noen steder er det imidlertid ansamlinger med høyt innhold av uran-forekomster. De er henholdsvis ujevnt fordelt, og uranreservene varierer fra land til land. De fleste av forekomstene av dette elementet "fløt bort" med Australia; i tillegg var Kasakhstan, Russland, Canada og landene i Sør-Afrika heldige. Dette bildet er imidlertid ikke frosset, tingenes tilstand er i stadig endring på grunn av utforskning av nye forekomster og uttømming av gamle.

Fordeling av utforskede uranreserver etter land (for reserver med produksjonskostnader< $130/кг)

En enorm mengde uran er oppløst i vannet i verdenshavet: over fire milliarder tonn. Det ser ut til at den ideelle "innskudd" - Jeg ønsker ikke å mine. Forskere har utviklet spesielle sorbenter for utvinning av uran fra sjøvann tilbake på 1980-tallet. Hvorfor brukes ikke denne utmerkede metoden universelt? Problemet er at metallkonsentrasjonen er for lav: bare rundt tre milligram kan utvinnes fra et tonn vann! Det er klart at slikt uran vil bli for dyrt. Ifølge estimater vil en kilo koste et par tusen dollar, noe som er mye dyrere enn "land"-motstykket. Men forskere er ikke opprørt og finner opp flere og mer effektive sorbenter. Så kanskje i nær fremtid vil denne utvinningsmetoden bli konkurransedyktig.

Til dags dato overstiger det totale antallet utforskede uranreserver med en produksjonskostnad på mindre enn $130 per kilo 5,9 millioner tonn. Er det mye? Ganske nok: Hvis den totale kapasiteten til atomkraftverk forblir på dagens nivå, vil uran vare i hundre år. Til sammenligning kan de påviste reservene av olje og gass være oppbrukt på bare tretti til seksti år.

De ti beste landene når det gjelder uranreserver på deres territorium (for reserver med kostnadene ved utvinning< $130/кг)

Vi bør imidlertid ikke glemme at atomkraftindustrien ifølge prognoser vil utvikle seg, så nå er det verdt å tenke på hvordan vi kan utvide ressursgrunnlaget.

En av måtene å løse problemet på er å finne og utvikle nye forekomster i tide. Etter den tilgjengelige informasjonen å dømme, burde dette ikke være et problem: Bare de siste årene har det blitt funnet nye forekomster i enkelte land i Afrika, Sør-Amerika og også i Sverige. Det er riktignok umulig å si med sikkerhet hvor lønnsomt utvinningen av oppdagede reserver vil være. Det kan skje at på grunn av det lave innholdet av uran i malmen og vanskelighetene med å utvikle forekomster, vil noen av dem måtte stå "til senere". Faktum er at prisene på dette metallet nå er ganske lave. Fra et økonomisk synspunkt er det ikke noe overraskende. For det første er det fortsatt forekomster av relativt lett å utvinne, og derfor billig uran i verden - det kommer inn på markedet og "slår ned" prisen. For det andre, etter Fukushima-ulykken, justerte noen land planene sine for bygging av nye atomkraftenheter, og Japan stoppet alle sine atomkraftverk helt - det var et fall i etterspørselen, noe som ytterligere reduserte kostnadene for uran. Men dette er ikke lenge. Kina og India har allerede gått inn i spillet, og planlegger en storstilt bygging av atomkraftverk på deres territorium. Andre asiatiske land, samt afrikanske og søramerikanske land, har mindre ambisiøse prosjekter. Selv Japan vil tilsynelatende ikke være i stand til å skille seg fra sin kjernekraftindustri. Derfor vil etterspørselen gradvis ta seg opp igjen, og kombinert med utarming av rimelige forekomster vil dette føre til en økning i uranprisen. Analytikere mener at ventetiden ikke er lang, bare noen få år. Da vil det være mulig å tenke på utviklingen av forekomster igjen "til senere".

Det er interessant at listene over land med de største reservene av uran og de med den mest utviklede kjernekraftindustrien praktisk talt ikke er sammenfallende. En tredjedel av verdens uran «rikdom» er i tarmene i Australia, men det er ikke et eneste atomkraftverk på det grønne kontinentet. Kasakhstan, verdensledende innen produksjon av dette metallet, gjør seg akkurat klar til å bygge flere kjernekraftenheter. Landene i Afrika, av økonomiske og andre årsaker, er langt fra å slutte seg til verdens "kjernefysiske" familie. Det eneste atomkraftverket på dette kontinentet ligger i Republikken Sør-Afrika, som nylig annonserte sitt ønske om å videreutvikle kjernekraft. Men så langt har selv Sør-Afrika tatt en timeout.

Hva gjenstår å gjøre av de "atomiske" gigantene - USA, Frankrike, Japan - og Kina og India, som går videre i hælene, hvis behovene deres er store, og katten har grått for sine egne reserver? Prøv selvfølgelig å få kontroll over forekomster og uranutvinningsbedrifter i andre land. Denne oppgaven er av strategisk karakter, og ved å løse den går statene inn i tøffe kamper. Store selskaper kjøpes opp, politiske manøvrer gjennomføres, undergrunnsordninger iverksettes med bestikkelser av de rette personene eller rettslige kriger. I Afrika kan denne kampen til og med eskalere – og eskalerer allerede – til borgerkriger og revolusjoner, skjult støttet av de ledende statene som søker å omfordele innflytelsessoner.

I denne forbindelse er Russland heldig: Kjernekraftverkene våre har sine egne ganske anstendige uranreserver, som utvinnes i Trans-Baikal-territoriet, Kurgan-regionen og republikken Buryatia. I tillegg organiseres det aktivt letearbeid. Det antas at forekomster i Transbaikal-regionen, Vest-Sibir, Republikken Karelen, Republikken Kalmykia og Rostov-regionen har et stort potensial.

I tillegg eier Rosatom også utenlandske eiendeler - store aksjeblokker i urangruvebedrifter i Kasakhstan, USA, Australia, og jobber også med lovende prosjekter i det sørlige Afrika. Som et resultat, blant verdens ledende selskaper engasjert i produksjon av uran, har Rosatom selvsikker tredjeplassen etter Kazatomprom (Kasakhstan) og Cameco (Canada).

Ved å studere den kjemiske sammensetningen til meteoritter, hvorav noen er av marsopprinnelse, har forskere oppdaget uran. Riktignok viste det seg at innholdet var betydelig lavere enn i terrestriske bergarter. Ja, nå er det klart hvorfor marsboerne besøkte oss på sine flygende tallerkener.

Men seriøst, det antas at uran er tilstede i alle objekter i solsystemet. For eksempel, i 2009 ble det oppdaget i månejorden. Umiddelbart oppsto fantastiske ideer, som å utvinne uran på en satellitt og deretter sende det til jorden. Et annet alternativ er å "mate" reaktorene til månekoloniene, sammenkrøpet tett inntil forekomstene. Forekomstene er imidlertid ennå ikke søkt etter; og fra et økonomisk synspunkt virker slik produksjon fortsatt urealiserbar. Men hvem vet i fremtiden...

Hvis du lider i lang tid, vil drivstoffet vise seg

Tilstedeværelsen av uranmalmreserver er bare en del av suksessen. I motsetning til ved eller kull, som ikke krever spesielt komplisert forberedelse før den kommer inn i ovnen, kan malm ikke bare kuttes i biter og kastes inn i reaktoren. For å forklare hvorfor, er det nødvendig å nevne en rekke egenskaper som er iboende i uran.

Fra et kjemisk synspunkt er dette elementet svært aktivt, med andre ord har det en tendens til å danne ulike forbindelser; Derfor er det å lete etter gullkornene i naturen, som gull, en helt håpløs virksomhet. Hva kalles da uranmalm? Bergart som inneholder svært små mengder uranmineraler. Ofte lagt til: liten, men nok til at kommersiell produksjon kan godkjennes av økonomer. For eksempel anses det i dag som hensiktsmessig å utvikle malm, hvorav et tonn inneholder bare noen få kilo eller til og med hundrevis av gram uran. Resten er tom, unødvendig stein, som uranmineraler skal isoleres fra. Men selv de kan ennå ikke lastes inn i en atomreaktor. Faktum er at disse mineralene oftest er oksider eller uløselige salter av uran i selskap med andre elementer. Noen av dem kan være av verdi for industrien, og organiseringen av den tilhørende produksjonen kan forbedre den økonomiske ytelsen. Men selv om det ikke er et slikt behov, må uran fortsatt renses fra urenheter. Ellers kan kjernebrensel laget av "skittent" uran forårsake reaktorfeil eller til og med en ulykke.

Imidlertid kan renset uran heller ikke kalles kjernebrensel med full sikkerhet. Fangsten ligger i dens isotopsammensetning: For tusen atomer uran i naturen er det bare syv atomer uran-235, som er nødvendig for at fisjonskjedereaksjonen skal skje. Resten er uran-238, som praktisk talt ikke spalter seg, og til og med absorberer nøytroner. En naturlig uranreaktor er imidlertid fullt mulig å starte – forutsatt at det brukes en svært effektiv moderator, som for eksempel dyrt tungtvann eller den reneste grafitten. Bare de lar nøytronene som dannes under fisjon av uran-235-kjernen bremse ned så raskt for å ha tid til å komme inn i andre uran-235-kjerner og forårsake fisjon, og ikke bli fanget opp av uran-238. Men av en rekke grunner bruker det overveldende flertallet av verdens reaktorer en annen tilnærming: naturlig uran er anriket i spaltbare isotoper. Med andre ord økes innholdet av uran-235-atomer kunstig fra syv til flere dusin promille. På grunn av dette støter nøytroner inn i dem oftere, og det blir mulig å bruke billigere, om enn mindre effektive, moderatorer, for eksempel vanlig vann.

Er anriket uran allerede et sluttprodukt? Igjen, nei, siden kraftreaktorer sørger for overføring av "kjernefysisk" varme til en kjølevæske som bader drivstoffet - oftest vann. På grunn av opphopning av fisjonsprodukter blir brenselet – slik det er i driftsreaktoren – høyradioaktivt. Det skal ikke under noen omstendigheter tillates å løse seg opp i vann. For å gjøre dette overføres uran til en kjemisk stabil tilstand, og isoleres også fra kjølevæsken, og dekker det med et metallskall. Resultatet er en kompleks teknisk enhet som inneholder anrikede uranforbindelser, som kan kalles kjernebrensel med full tillit.

De nevnte operasjonene - uranutvinning, rensing og anrikning av det, samt produksjon av kjernebrensel - er de innledende stadiene av den såkalte kjernebrenselssyklusen. Det er nødvendig å bli kjent med hver av dem mer detaljert.

Halveringstiden for uran-238 er 4,5 milliarder år, mens den for uran-235 bare er 700 millioner år. Det viser seg at den fissile isotopen forfaller flere ganger raskere enn den viktigste. Hvis du tenker deg om, betyr dette at tidligere var innholdet av uran-235 i den naturlige blandingen av isotoper større enn nå. For eksempel, for én milliard år siden, av tusen uranatomer, hadde seksten en kjerne med 235 nukleoner, for to milliarder år siden var antallet trettisju, og tre milliarder år før i dag – så mange som åtti! Faktisk inneholdt malmen i disse fjerne tider uran, som vi i dag kaller anriket. Og det kunne godt skje at en naturlig atomreaktor på et eller annet felt ville begynne å fungere av seg selv!

Forskere tror at dette er nøyaktig hva som skjedde med flere superrike uranforekomster av Oklo-forekomsten, som ligger på territoriet til moderne Gabon. For 1,8 milliarder år siden startet en kjernefysisk kjedereaksjon spontant i dem. Det ble initiert av nøytroner produsert under spontan fisjon, og da fungerte en høy konsentrasjon av uran-235 og tilstedeværelsen av vann i malmen, en nøytronmoderator. Med et ord, reaksjonen ble selvopprettholdende og fortsatte, nå aktivering, nå falmer, i flere hundre tusen år. Så sluknet reaktorene, tilsynelatende på grunn av en endring i vannregimet.

Til dags dato er det den eneste kjente naturlige atomreaktoren. Dessuten kan slike prosesser for tiden ikke starte på noe felt. Årsaken er ganske forståelig - det er for lite uran-235 igjen.

Prøv å grave

Uranmalm kommer sjelden til overflaten. Oftest ligger de på en dybde på femti meter til to kilometer.

Grunne avsetninger utvikles av et dagbrudd eller, som det også kalles, en steinbruddsmetode. Harde steiner bores og sprenges, og deretter, ved hjelp av lastere, legges de i dumpere og tas ut av steinbruddet. Løse steiner utvikles og lastes inn i gruvebiler ved hjelp av konvensjonelle eller roterende gravemaskiner, bulldosere er mye brukt. Kraften og størrelsen på denne teknikken er fantastisk: for eksempel har de allerede nevnte dumpere en bærekapasitet på hundre eller flere tonn! Dessverre er omfanget av selve steinbruddet også stort, hvis dybde kan nå tre hundre meter. Etter at arbeidet er fullført, gaper det som et enormt hull i jordoverflaten, og ved siden av stiger steinhauger som dekket uranforekomstene. I prinsippet kan et steinbrudd dekkes med disse dumpene, plante gress og trær på toppen; men det vil være uoverkommelig dyrt. Derfor fylles gropene gradvis med vann, og det dannes innsjøer som ikke er gjenstand for økonomisk bruk på grunn av økt innhold av uran i vannet. Det kan også være problemer knyttet til grunnvannsforurensning, så uranbrudd krever spesiell oppmerksomhet.

Den åpne utvinningen av uran er imidlertid gradvis i ferd med å bli en saga blott av en helt banal grunn – forekomster nær overflaten er nesten over. Nå må vi håndtere dypt skjulte malmer. Tradisjonelt er de utviklet etter underjordisk (gruve) metode. Bare ikke forestill deg strenge skjeggete menn med hakker som kryper gjennom arbeidsplassen og hugger malm. Nå er arbeidet til gruvearbeidere i stor grad mekanisert. Det bores hull i berg som inneholder uran - spesielle dype hull som sprengstoff plasseres i. Etter eksplosjonen blir den knuste malmen tatt med en bøtte av en laste- og halemaskin og løper langs svingete trange gallerier til trallene. De fylte trallene bæres til den vertikale sjakten av gruven av et lite elektrisk lokomotiv, og deretter ved hjelp av et bur – en slags heis – heves malmen til overflaten.

Underjordisk gruvedrift har en rekke funksjoner. For det første kan det bare være gunstig når det gjelder malmer av høy kvalitet med høyt uraninnhold, som ikke forekommer dypere enn to kilometer. Ellers vil kostnadene ved gruvedrift, gruvedrift og videreforedling av malm gjøre uran til praktisk talt «gull». For det andre er det underjordiske riket av urangruver et lukket rom der radioaktivt støv og ikke mindre radioaktiv radongass svever. Derfor kan gruvearbeidere ikke klare seg uten kraftig ventilasjon og spesielt verneutstyr som åndedrettsvern.

Både i dagbrudd og gruvedrift utvinnes malm i form av ganske store stykker. Når han øser dem opp med skuffen til en gravemaskin eller en laste-og-dump-maskin, vet ikke operatøren om han velger malm som er rik på uranmineraler, gråberg eller noe i mellom. Tross alt er innskuddet ikke veldig homogent i sammensetningen, og bruken av kraftige maskiner tillater ikke å jobbe fint og grasiøst. Men å sende for videre bearbeiding av biter som nesten ikke inneholder uran er i det minste urimelig! Derfor sorteres malmen ved å bruke hovedegenskapen til uran, som det ikke er vanskelig å oppdage - radioaktivitet. Spesielle sensorer for ioniserende stråling gjør det mulig, både under lasting og allerede i transporttanken, å dele malmen i flere grader i henhold til intensiteten til strålingen som sendes ut av den. Avfallsstein sendes til deponier. Rik malm - til det hydrometallurgiske anlegget. Men malm med en liten, men merkbar mengde uran sorteres igjen, mer nøye. Først knuses den, delt etter størrelse, hvoretter bitene dumpes på et bevegelig transportbånd. En ioniserende strålingssensor er installert over den, hvorfra signalet kommer inn i det automatiserte kontrollsystemet for skodder plassert på enden av båndet. Sensoren er satt opp slik at den reagerer på et radioaktivt stykke malm som passerer under den som inneholder uranmineraler. Deretter snur lukkeren og malmen faller ned i en spesiell malmbunker, hvorfra den transporteres til det hydrometallurgiske anlegget. I sin tur "forstyrrer" gråberget på ingen måte sensoren og spjeldet, og faller ned i en annen boks - i søppelfyllingen.

Forenklet opplegg for radiometrisk sortering av malm (moderne komplekser er mye mer kompliserte)

Det beskrevne opplegget er omtrentlig, grunnleggende: ingenting hindrer sortering av malm ved bedrifter med andre kjente metoder. Praksis har imidlertid vist at de er dårlig egnet for uranmalm. Derfor ble radiometrisk sortering – med strålingsdetektorer – etter hvert mainstream-teknologien.

I realiteten skilles det også ved sortering av malm en viss mellomkategori, som med tanke på uraninnhold ikke kan tilskrives verken rik malm eller gråberg. Med andre ord er det dyrt å sende det til et hydrometallurgisk anlegg (sløsing med tid og reagenser), og det er synd å sende det til søppelfyllinger. Så dårlig malm stables i store hauger og helles med svovelsyre i friluft, og løser gradvis opp uranet. Den resulterende løsningen pumpes for videre behandling.

Ved det hydrometallurgiske anlegget vil rik malm måtte knuses ytterligere, nesten til støvtilstand, og deretter løses opp.

Malm knuses i ulike møller - for eksempel trommelkulemøller: knust materiale og metallkuler som kanonkuler helles i en roterende hul trommel. Under rotasjon treffer kulene malmbitene, maler dem og maler dem til pulver.

Den knuste malmen "åpnes", det vil si delvis oppløst ved behandling med svovelsyre eller salpetersyre, eller en blanding derav. Resultatet er en uranløsning som inneholder mange urenheter. Noen ganger, hvis uranmalmen inneholder mye naturlige karbonater, brukes ikke syre. Ellers vil det oppstå en reaksjon som ligner slukkebrus med eddik - med intens utslipp av karbondioksid, og reagenset vil gå til spille. Hvordan være? Det viser seg at slike mineraler kan "åpnes" med en brusløsning. Som et resultat vil det også oppnås en løsning av uran, som vil gå til videre behandling.

Men restene av uoppløst malm må sendes til spesielle avgangsmasser - ikke de mest "vennlige" gjenstandene i forhold til miljøet. Det er verdt å minne om gråberget som ble separert under sorteringsprosessen: det legges på søppelfyllinger. Både avgangsmasser og dumper inneholder små mengder uran, noe som gjør dem potensielt farlige. I denne forbindelse oppstår spørsmålet: er det mulig å organisere gruvedrift på en slik måte at det forårsaker minimal skade på naturen og sikrer arbeidernes sikkerhet?

Det er mulig, og det har vært praktisert lenge. Den aktuelle gruvemetoden kalles nedihulls in-situ utlekking. Essensen er at forekomsten "gjennombores" av mange brønner. Noen av dem, kalt pumping, mates med svovelsyre, som går ned til et dyp, passerer gjennom malmen og løser opp uranet. Deretter hentes den verdifulle metallløsningen fra dypet gjennom andre pumpebrønner.

Hva skjer: ingen dumping, ingen avgang, ingen støv, ingen hull eller uventede synkehull i bakken, men til slutt - den samme uranløsningen? Ja. Videre utvikler metoden for nedihulls underjordisk utluting svært dårlige malmer, som er økonomisk ulønnsomme å utvinnes ved en dagbrudds- eller gruvemetode. Men med et slikt sett med fordeler må det være ulemper! Vel, for det første er det irrasjonelt å bore brønner dypere enn åtte hundre meter fra et kostnadssynspunkt. For det andre fungerer ikke metoden i tette, ikke-porøse malmer. For det tredje forstyrrer svovelsyre fortsatt sammensetningen og oppførselen til grunnvannet i forekomsten, selv om disse forstyrrelsene "løses" av seg selv over tid. Det er mye farligere hvis løsningen renner over overflaten eller trenger i rundkjøring – langs sprekker og forkastninger – ned i grunnvannet. Derfor følges prosessen nøye ved å bore kontrollbrønner.

Borehull in-situ utlekking

For å unngå de nevnte problemene ble en "gruve" versjon av underjordisk utvasking oppfunnet: malmblokker i anlegget knuses av eksplosjoner, og deretter helles de ovenfra med en utlutningsløsning (svovelsyre), og tar uranløsningen fra under - gjennom avløpssystemet.

Uansett er underjordisk utvasking i dag den mest miljøvennlige måten å utvinne uran på. Dette er en av grunnene til den eksplosive veksten av populariteten. Hvis i 2000 bare femten prosent av uran ble utvunnet ved underjordisk utvasking, så er dette tallet i dag nesten femti prosent!

In-situ utlekking blir den ledende uranutvinningsteknologien

Vanligvis søkes det etter uranforekomster ved hjelp av sensorer for ioniserende stråling; mer spesifikt gammastråling. Først flyr et fly utstyrt med slike sensorer over området. Det er bare i hans makt å fikse strålingsanomalien - en litt økt bakgrunn over feltet. Deretter lanseres et helikopter inn i virksomheten, som saktere og mer nøyaktig "skisserer" grensene for det lovende området. Til slutt kommer prospektører med måleinstrumenter og øvelser til dette territoriet. Basert på resultatene av deres arbeid vil det bygges et kart over forekomsten av uranmalm og kostnadene for utvinningen beregnes.

Forekomster av uranmalm kan imidlertid signalisere seg selv på andre måter også. For eksempel, ved å endre utseendet til plantene som vokser over dem: pil-urtblader, vanligvis rosa, blir hvite; blåbær blir grønne eller hvite. De dype røttene til einer som vokser over forekomsten absorberer uran godt, og det samler seg i grener og nåler. Ved å gjøre dem om til aske og sjekke for uraninnhold, kan man forstå om det er verdt å utvinne hovedmetallet i atomenergi i dette området.

Renslighet er nøkkelen til helse (atomreaktor)

Uranløsningen som oppnås ved å "åpne" malmen eller i ferd med underjordisk utvasking er ikke særlig ren. Med andre ord, i tillegg til uran inneholder den en haug med kjemiske grunnstoffer som finnes i jordskorpen: natrium og kalium, kalsium og magnesium, jern, nikkel og kobber – og mange andre. Ikke bli overrasket over dannelsen av en så tykk "kompott", fordi svovelsyre er svært reaktiv og løser opp mange naturlige stoffer; det er bra at ikke all malmen er hel. Men for fremstilling av kjernebrensel trengs det reneste uran. Hvis det blant uranatomene er atomer av urenheter her og der, kan det hende at reaktoren ikke starter eller, enda verre, brytes ned. Årsakene til slike problemer vil bli diskutert veldig snart, men foreløpig kan du sette oppgaven: å rense uran. Og det er også ønskelig å få det i en solid form, praktisk for transport. Faktisk er løsninger ikke egnet for transport: de "liker" å søle eller sive gjennom lekkasjer for mye.

I industrien løses dette problemet i flere trinn. Først konsentreres løsningen ved å passere gjennom spesielle materialer som samler uran på seg selv - sorbenter. Den første muligheten for rensing dukker opp: sorbentene er valgt på en slik måte at andre elementer nesten ikke "setter seg" på dem, forblir i løsning. Deretter vaskes uranet av sorbenten, for eksempel med den samme svovelsyren. Denne prosedyren kan virke meningsløs, hvis du ikke forklarer at mye mindre syre er nødvendig for "spylingen" sammenlignet med volumet til den opprinnelige løsningen. Slik slår de to fluer i en smekk: de øker konsentrasjonen av uran og fjerner delvis unødvendige urenheter.

Det andre rensetrinnet er assosiert med produksjon av faste uranforbindelser. De utfelles fra en konsentrert løsning ved å tilsette velkjente "medisinske" reagenser: ammoniakk, hydrogenperoksid, samt alkalier eller karbonater. Det skal bemerkes at uran ikke utfelles som et metall; det er generelt ikke lett å få tak i i metallisk form på grunn av dets høye kjemiske aktivitet - dette er allerede nevnt. Under påvirkning av de nevnte regentene synker ulike tungtløselige uranforbindelser til bunnen av apparatet. Tørket og knust, de er et gult pulver, som på grunn av sin tilsynelatende likhet med en kake, ofte kalles "gul kake". Etter å ha kalsinert det ved høy temperatur, oppnås en mindre vakker blanding av uranoksider - en skitten grønn eller til og med svart farge.

Gul kake kan sendes til urananrikningsbedrifter

Gul kake eller en blanding av uranoksider er praktisk talt trygt fra et strålingssynspunkt. Derfor, for transport, blir de lastet i 200-liters metallfat eller spesielle beholdere. Å være i en avstand på én meter fra en slik beholder er ikke halvparten så "skadelig" som å fly i et fly, bli utsatt for kosmisk stråling. Men folk flest er ikke redde for å fly! Så det er ingen grunn til å være redd for fat med gul kake.

Ved utfelling av uranforbindelser prøver de å gjennomføre prosessen på en slik måte at det meste av urenhetene forblir i løsning. Men noen av dem klarer likevel å «slå igjennom». Spesielt ille er det hvis grunnstoffer som sterkt absorberer nøytroner - bor, kadmium, sjeldne jordmetaller - kommer inn i produktet. Selv i mikrokonsentrasjoner er de i stand til å forstyrre kjedereaksjonen av fisjon. Etter å ha laget brensel av forurenset uran, vil man lenge kunne lure på hvorfor reaktoren ikke vil fungere normalt.

I tillegg inkluderer uønskede urenheter elementer som reduserer plastisiteten til kjernebrensel og får det til å svelle og utvide seg med økende temperatur. Disse inkluderer naturlig forekommende silisium og fosfor, samt wolfram og molybden. Forresten, plastisitet kalles vanligvis et materiales evne til å endre form og størrelse uten å kollapse. Dette er veldig viktig for drivstoff, som varmer seg opp fra innsiden på grunn av den kjernefysiske kjedereaksjonen som finner sted i det, og derfor opplever temperaturdeformasjoner. Den høye temperaturen bør ikke føre til overdreven utvidelse av uranbrenselet, ellers vil det bryte inneslutningen og komme i kontakt med kjølevæsken. Konsekvensen av slik "kommunikasjon" kan være oppløsning av radioaktive uran fisjonsprodukter i en varm kjølevæske (oftest vann) med påfølgende spredning gjennom alle rørledninger og apparater. Sannsynligvis er det ikke nødvendig å forklare at dette truer med å forverre strålingssituasjonen ved kraftenheten: dosene som mottas av driftspersonellet vil øke betydelig.

Som det sies, det er bedre å være overkledd enn underkledd. Derfor kreves det også et tredje - siste - trinn av rensing, kalt raffinering. Uranforbindelser som leveres i fat eller beholdere er løst i syre, nå i salpetersyre. Den resulterende løsningen bringes i kontakt med et ekstraksjonsmiddel - et flytende organisk stoff som absorberer uran, men ikke urenheter. Så uønskede elementer forblir i løsning, og uran går inn i det "organiske". Som et resultat av en rekke påfølgende operasjoner bringes det igjen i form av oksider som allerede har den nødvendige "reaktor"-renheten.

Nå er alt bra, og du kan gå videre til neste trinn - en kunstig økning i konsentrasjonen av uran-235.

Anrikningens hemmeligheter

I begynnelsen av kapittelet ble det allerede nevnt at i en naturlig blanding av uranisotoper er det svært lite spaltbart uran-235 og for mye "lat" uran-238: for syv atomer av de første er det omtrent ni hundre og nitti -tre atomer av den andre. For de fleste reaktorer i drift er dette ikke egnet. De trenger brensel der, av tusen uranatomer, flere dusin stykker tilhører isotopen-235, og ikke bare noen få, som i naturlig uran. Og for å lage en bombe er nesten ren uran-235 helt nødvendig.

Å løse problemet med urananrikning, det vil si å øke innholdet av en spaltbar isotop, er veldig vanskelig. Det ser ut til, hvordan? Tross alt har kjemi det bredeste spekteret av teknikker for å isolere stoffer fra blandinger. Det er mulig å "plukke ut" bare noen få hundre gram uran fra et tonn malm! Er det virkelig umulig å gjøre det samme med isotoper: skille den ene fra den andre? Problemet er at de kjemiske egenskapene til alle isotoper til et bestemt grunnstoff er de samme, fordi de bestemmes av antall elektroner, ikke sammensetningen av kjernen. Det er med andre ord umulig å gjennomføre en slik reaksjon der for eksempel uran-235 ville forbli i løsning, og uran-238 ville felle ut. Med enhver manipulasjon oppfører de seg begge på samme måte. På samme måte vil det ikke være mulig å kjemisk separere isotopene av karbon eller kalium - generelt sett hvilket som helst grunnstoff.

Det er en slik parameter - graden av anrikning, som er prosentandelen (i prosent) av uran-235 i den totale massen av uran. For eksempel er anrikningsgraden av naturlig uran, der det er syv spaltbare atomer for hver tusende atom, 0,7 %. Når det gjelder kjernebrensel fra atomkraftverk, må dette tallet heves til 3-5 %, og for produksjon av fyllingen av en atombombe - opptil 90 % og høyere.

Hvordan være? Det er nødvendig å finne slike egenskaper der isotopene - i det minste minimalt - vil avvike fra hverandre. Det første du tenker på er massen til et atom. Faktisk er det tre flere nøytroner i uran-238-kjernen enn i uran-235; så den "late" isotopen veier litt mer. Og siden masse er et mål på treghet, og den manifesterer seg i bevegelse, er de viktigste måtene å anrike uran på forbundet med forskjeller i bevegelsen til isotoper under spesielt skapte forhold.

Historisk sett var den første berikelsesteknologien elektromagnetisk isotopseparasjon. Fra navnet er det klart at elektriske og magnetiske felt på en eller annen måte er involvert i prosessen. Faktisk, i denne metoden blir tidligere oppnådde uranioner spredt av et elektrisk felt og sendt inn i et magnetisk. Siden ionene har en ladning, begynner de i et magnetfelt å "bære", vri seg i en bue med en viss radius. For eksempel kan vi huske delingen av uranstråler i et magnetfelt i tre strømmer - en effekt oppdaget av Rutherford. Alfa- og beta-partikler, som har en elektrisk ladning, avviker fra en rett bane, men gammastråling gjør det ikke. I dette tilfellet avhenger radiusen til buen som en ladet partikkel beveger seg i et magnetfelt av massen: jo mer den veier, jo langsommere snur den. Dette kan sammenlignes med å prøve å passe inn i en skarp sving av to hensynsløse sjåfører, hvorav den ene kjører bil, og den andre er en lastebil. Det er tydelig at det er mye lettere for en personbil å manøvrere, mens en lastebil godt kan skli. Noe lignende skjer i et magnetfelt med raskt bevegelige uran-235- og uran-238-ioner. De sistnevnte er litt tyngre, har mer treghet, og deres svingradius er litt større: på grunn av dette er strømmen av uranioner delt i to. Figurativt sett kan du sette to bokser, i den ene for å samle den spaltbare isotopen, uran-235, og i den andre - "unødvendig" uran-238.

I et magnetfelt er banen til ladede partikler buet, og jo sterkere, jo lettere er partikkelen

Prinsippet for den elektromagnetiske isotopseparasjonsmetoden: lettere uran-235-ioner beveger seg i et magnetfelt langs en bane med en mindre radius sammenlignet med uran-238-ioner

Den elektromagnetiske separasjonsmetoden er god i nesten alle henseender, bortsett fra produktiviteten, som som vanlig begrenser dens industrielle anvendelse. Det er faktisk derfor det amerikanske anlegget Y-12 i Oak Ridge, som produserte anriket uran til bomben "Kid" som ble sluppet på Hiroshima ved hjelp av elektromagnetisk separasjonsteknologi, stengte tilbake i 1946. Det bør presiseres at Y-12 brakte til en høy grad av anrikning av uran, tidligere anriket på andre, mer produktive måter. Forbedringen deres satte akkurat den siste spikeren i kisten til elektromagnetisk isotopseparasjonsteknologi - den brukes ikke lenger i industrien.

Interessant nok er elektromagnetisk separasjon en universell metode som lar deg isolere små mengder av alle isotoper i ren form. Derfor har vår analog av Y-12 - anlegg 418, nå kjent som Elektrokhimpribor-anlegget (Lesnoy, Sverdlovsk-regionen), teknologier for å produsere mer enn to hundre isotoper av førtisju kjemiske elementer fra litium til bly. Dette er ikke bare imponerende tall - produktene til anlegget trengs virkelig av forskere, leger, industrimenn ... Forresten, de produseres ved SU-20-anlegget, det samme som produserte uran av våpenkvalitet med en anrikning nivå nær 90 % på begynnelsen av 1950-tallet.

De første tiårene etter krigen ble en tid med aktiv akkumulering av arsenaler av atomvåpen. Løsningen av dette problemet hadde høyeste prioritet, derfor tok de ikke spesielt hensyn til kostnadene - det var viktig å starte masseanrikningen av uran. Det ble lagt vekt på gassdiffusjon, en ekstremt energikrevende, men samtidig produktiv anrikningsteknologi. Dens røtter ligger i feltet gassteori, som sier at ved en viss temperatur er gjennomsnittshastigheten til et gassmolekyl omvendt proporsjonal med massen: jo tyngre det er, jo saktere beveger det seg. Denne forskjellen er spesielt merkbar når du beveger deg langs tynne "rør", hvis diameter er sammenlignbar med størrelsen på molekylet. Et tydelig, men ikke nøyaktig, eksempel er utsetting av papirbåter i en bekk: en liten båt, båret bort av en vannstrøm, vil bevege seg raskt; men hvis du bretter et stort kar med papir på størrelse med en bekk, vil det gå saktere og stadig berøre bredden. Tilbake til uran kan vi si at målisotopen med 235 nukleoner i kjernen vil bevege seg langs "røret" raskere enn uran-238. Ved utgangen fra den vil en gass beriket med en spaltbar isotop bli oppnådd. Spørsmålet er bare hvordan man gjør uran om til gass og hvor man får tak i et så tynt "rør".

«Gassifisering» av uran er et obligatorisk krav for teknologi basert på teorien om gasser. Du kan ikke skrive noe her. Men tross alt er alle uranforbindelser faste stoffer, som er vanskelige å smelte, enn si fordampe. Selv om, hvis du tenker på det, er det en veldig vellykket forbindelse - uranheksafluorid, der uran er omgitt av seks fluoratomer. Den blir lett til en gass allerede ved 56 ° C, og omgår den flytende tilstanden. I fysikk kalles en slik prosess vanligvis sublimering eller sublimering. Dette fenomenet har lenge vært kjent, og det er ikke noe overraskende i det. Sublimering, for eksempel, brukes av landsbyens husmødre som tørker klær i kulde - is fordamper i tørr luft, bare passerer flytende tilstand.

Så du kan forestille deg uranheksafluoridmolekylet

Det viser seg at uranheksafluorid er veldig praktisk fra et teknologisk synspunkt. Ved vanlige temperaturer er den solid og kan transporteres i spesielle beholdere. Det blir til en gass ved lav temperatur. Vel, under et visst trykk blir oppvarmet heksafluorid til en væske som kan pumpes gjennom rørledninger.

En annen heldig omstendighet er at naturlig fluor består av kun én isotop - fluor-19. Dette betyr at forskjellen mellom massene til molekylene av uran-235 heksafluorid og uran-238 heksafluorid utelukkende bestemmes av uranisotoper. Ellers ville separasjon være for vanskelig eller til og med umulig, siden fluor ville ha en overdreven effekt på massen til molekylene.

Produksjonen av uranheksafluorid i Russland utføres ved konvertering - fluorering av forskjellige uranforbindelser, for eksempel gul kake eller en blanding av oksider mottatt fra urangruvebedrifter. Molekylær fluor for disse formålene er oppnådd fra det naturlige mineralet fluoritt. Den behandles med svovelsyre for å danne flussyre (fluorsyre), elektrolyse som gir fluor.

Interessant nok er fluorering samtidig det fjerde trinnet i uranrensing, siden fluoridene til de fleste skadelige urenheter ikke er svært flyktige: uran i form av heksafluorid "flyr bort" fra dem inn i gassfasen.

Uranheksafluorid har en stor ulempe: det er et aggressivt og giftig stoff. For det første, når det kommer i kontakt med vann eller fuktighet i luften, frigjøres giftig flussyre. For det andre er uran i seg selv en generell cellulær gift som påvirker alle organer. (Interessant nok er toksisiteten kjemisk i naturen, og praktisk talt ikke relatert til radioaktivitet). Derfor bør uranheksafluorid, som kombinerer to farer samtidig, transporteres og lagres i spesielle metallbeholdere og under årvåkent tilsyn. Dette sikrer sikkerheten til befolkningen og miljøet.

Så det er gass; Men hva med tynne rør? En passende løsning viste seg å være porøse skillevegger - plater gjennomboret av mange svært små porer. Diameteren til sistnevnte må være i størrelsesorden ti nanometer, slik at molekylene passerer gjennom dem nesten én etter én. Behovet for å produsere skillevegger med porer av så liten størrelse forårsaket visse vanskeligheter, men likevel ble problemet løst ved hjelp av spesielle tilnærminger - nikkelsintring eller selektiv oppløsning av et av metallene som utgjør den bimetalliske legeringen.

Hvis vi lager en boks med en så porøs skillevegg og pumper uranheksafluorid inn i den, vil molekyler med en lett isotop passere gjennom skilleveggen litt raskere. Med andre ord, etter det vil uranheksafluorid bli anriket litt i den spaltbare isotopen. Sender du gass til neste samme boks vil anrikningsgraden bli større, og så videre. Riktignok trengs det kaskader av tusenvis (!) av bokser installert etter hverandre, kalt trinn, for å oppnå en høy grad av berikelse. Men hvordan få uran til å gå opp disse trinnene? Bare ved å pumpe den med mange kompressorer. Derav ulempene med metoden: enorme energikostnader, behovet for å bygge millioner av kvadratmeter produksjonsareal - lengden på verkstedet kan nå en kilometer - og bruk av dyre materialer. Riktignok er alt dette dekket av en virkelig høy ytelse. Det er grunnen til at anrikningsteknologien for gassdiffusjon lenge har vært den viktigste for slike atomgiganter som USA, Frankrike og Kina, som senere ble med dem. Først de siste årene har de begynt en aktiv overgang til mer økonomisk gasssentrifugeringsteknologi.

Driftsskjema for gassdiffusjonstrinnet

På 1960-tallet forbrukte det kjemiske anlegget for elektrolyse i Angarsk (Irkutsk-regionen, Russland), som var engasjert i urananrikning ved bruk av gassdiffusjonsteknologi, omtrent én prosent (!) av all elektrisitet produsert i Sovjetunionen. Energi ble levert til den av vannkraftverkene Bratsk og Irkutsk. Faktisk var det den største forbrukeren av elektrisitet i USSR.

Generelt viste den første erfaringen at gassdiffusjon kan løse problemet, men til en for høy pris. Sovjetunionen, trukket inn i våpenkappløpet, trengte en mer produktiv og mindre energikrevende teknologi for anrikning av uran. Det var ikke så lett for en krigssvekket stat å holde tritt med USA med sitt kraftige økonomiske og energipotensiale. Dette skyldtes blant annet mangel på kraftproduksjonskapasitet i den europeiske delen av landet: det var derfor anrikningsanleggene ble bygget i Sibir, hvor de kunne drives av store vannkraftverk. Men fortsatt forbrukte gassformige diffusjonsanlegg for mye energi, noe som ikke tillot å øke produksjonen av anriket uran. Derfor måtte USSR bli en pioner innen industriell anvendelse av en alternativ teknologi - gassentrifuge.

Gassentrifugering består i å spinne en trommel fylt med gassformig uranheksafluorid med høy hastighet. Under påvirkning av sentrifugalkraft blir det tyngre uran-238 heksafluoridet "klemt ut" til trommelveggen, og uran-235 heksafluorid, en lettere forbindelse, forblir nær sin akse. Ved hjelp av spesielle rør kan du plukke opp lett anriket uran fra midten av trommelen, og lett utarmet uran fra periferien.

Driftsskjema for en gassentrifuge

Fra et teknisk synspunkt er trommelen som nettopp er omtalt, den roterende delen (rotoren) av en gassentrifuge. Den snurrer ustanselig i et evakuert hus og hviler med en nål på et trykklager laget av et meget slitesterkt materiale - korund. Valget av materiale er ikke overraskende, siden rotorhastigheten kan overstige 1500 omdreininger per sekund - hundre ganger raskere enn trommelen til en vaskemaskin. Et skjørt stoff vil ikke tåle en slik påvirkning. I tillegg, slik at aksiallageret ikke slites ut og ikke kollapser, er rotoren opphengt i et magnetfelt slik at den så vidt trykker på korunden med nålen. Denne teknikken, så vel som den høye presisjonen til å produsere deler av sentrifugen, gjør at den kan rotere raskt, men nesten lydløst.

Som ved gassdiffusjon er ikke én sentrifuge en kriger i felten. For å oppnå den nødvendige graden av berikelse og produktivitet, kombineres de til enorme kaskader bestående av titusenvis (!) maskiner. Forenklet er hver sentrifuge koblet til to av sine "naboer". Uranheksafluorid med redusert innhold av uran-235, tatt fra veggen i den øvre delen av rotoren, sendes til forrige sentrifuge; og gassen som er lett anriket på uran-235, som tas fra rotasjonsaksen i bunnen av rotoren, går til neste maskin. Dermed tilføres mer og mer anriket uran til hvert påfølgende trinn inntil et produkt av ønsket kvalitet er oppnådd.

Viker inn i avstandskaskadene til gassentrifuger

I dag er sentrifugeseparering hovedmetoden for urananrikning, siden denne teknologien krever omtrent femti ganger mindre elektrisitet enn gassdiffusjon. I tillegg er sentrifuger mindre voluminøse enn diffusjonsmaskiner, noe som gjør det lettere å skalere opp produksjonen. Sentrifugeringsmetoden brukes i Russland, Storbritannia, Tyskland, Nederland, Japan, Kina, India, Pakistan, Iran; overgangen til gassentrifugeteknologi i Frankrike og USA er nesten fullført. Det er med andre ord ikke plass til gassdiffusjon.

Takket være en lang historie med bruk og forbedring, er russiske gasssentrifuger verdens beste. I et halvt århundre har ni generasjoner høyhastighetsbiler allerede endret seg, som gradvis ble kraftigere og mer pålitelige. Takket være dette motsto USSR "atomkappløpet" med USA, og da den viktigste oppgaven var fullført, dukket det opp gratis kapasiteter. Som et resultat har landet vårt blitt verdensledende, ikke bare innen utvikling og produksjon av gassentrifuger, men også innen levering av kommersielle tjenester for anrikning av uran.

Våre gasssentrifuger:

Tradisjonelt har de en høyde på en halv meter til en meter, en diameter på ti til tjue centimeter;

De er plassert over hverandre i tre til syv nivåer for å spare plass;

De kan jobbe non-stop i opptil tretti år, rekorden er trettito år.

Rotasjonshastigheten til rotoren til en gassentrifuge er slik at etter et strømbrudd vil den rotere med treghet i omtrent to måneder!

Bommen i gassentrifugeteknologi er assosiert med aktiv utvikling av kjernekraft. Kjernekraftverk er profittorienterte kommersielle virksomheter og trenger derfor billig drivstoff og derfor billige anrikningsteknologier. Dette kravet begravde gradvis gassformig diffusjon.

Men gasssentrifugering bør heller ikke hvile på laurbærene. I det siste kan man stadig oftere høre om laserberikelse – en metode som har vært kjent i mer enn førti år. Det viser seg at ved hjelp av en finjustert laser er det mulig å selektivt ionisere, det vil si å gjøre uran-235-forbindelser om til ladede partikler. I dette tilfellet ioniseres ikke uran-238-forbindelser, de forblir uladede. De resulterende ionene kan enkelt skilles fra nøytrale molekyler ved kjemiske eller fysiske midler, for eksempel ved å tiltrekke dem med en magnet eller en ladet plate (samler).

Mulig driftsplan for anrikningsanlegget for laseruran

Tilsynelatende er laserberikelse en veldig effektiv teknologi, men dens økonomiske ytelse forblir et mysterium. Alle tidligere forsøk på å gå fra laboratorie- til industriell bruk har blitt knust av utilstrekkelig ytelse og kort levetid på utstyret. For tiden gjøres et nytt forsøk på å lage en slik produksjon i USA. Men selv om det er vellykket, gjenstår spørsmålet om kostnadseffektivitet. Markedet for berikelsestjenester vil bare akseptere ny teknologi hvis den er vesentlig billigere enn den eksisterende. Men gassentrifuger har ennå ikke nådd taket av sine evner. Derfor er de umiddelbare utsiktene for laserberikelse fortsatt svært vage.

Det finnes en rekke andre metoder for urananrikning: termisk diffusjon, aerodynamisk separasjon, ionisk prosess, men de brukes praktisk talt ikke.

Når det gjelder urananrikningsteknologier, må det huskes at de åpner veien ikke bare for atombrensel, men også for bomben. Opprettelsen av stadig mer effektive og kompakte industrier innebærer trusselen om atomspredning. I prinsippet kan teknologiutviklingen føre til en situasjon der bomben vil bli produsert av stater med mildt sagt ustabile regimer, eller til og med store terrororganisasjoner. Og hvis et gassdiffusjons- eller gassentrifugeanlegg er vanskelig å bygge ubemerket, og lanseringen av dem vil kreve import av store mengder karakteristiske materialer og utstyr, garanterer laseranrikning praktisk talt hemmelighold. Generelt øker risikoen for den eksisterende skjøre verdenen.

Anrikningsanlegg for uran produserer anriket uranprodukt (EUP) - uranheksafluorid med den nødvendige anrikningsgraden. Den legges i spesielle beholdere og sendes til produksjonsanlegg for kjernebrensel. Men samtidig produserer anrikningsbedrifter også utarmet uranheksafluorid (DUHF) med en anrikningsgrad på 0,3 %, som er lavere enn naturlig uran. Det er med andre ord praktisk talt rent uran-238. Hvor kommer det fra? I hovedsak ligner fornyelsesprosessen separering av verdifulle mineraler fra gråberg. DUHF er en slags gråberg hvor uran-235 ble trukket ut, men ikke helt. (100 prosent separasjon av den spaltbare isotopen fra uran-238 er ulønnsomt fra et økonomisk synspunkt). Hvor mye utarmet uranheksafluorid produseres? Det avhenger av nødvendig grad av urananrikning. For eksempel, hvis det er 4,3 %, som i drivstoffet til VVVER-reaktorer, produserer ti kilo uranheksafluorid, som har en naturlig isotopsammensetning (0,7 % uran-235), bare ett kilo OUP og ni kilo DUHF. I et ord, ganske mye. Over 1,5 millioner tonn DUHF har blitt akkumulert på deres anlegg i spesielle containere over hele driftsperioden for anrikningsanleggene, hvorav omtrent 700 000 tonn er i Russland. Det er ulike holdninger til dette stoffet i verden, men oppfatningen om DUHF som et verdifullt strategisk råstoff råder (se kapittel 7).

Fabricate - i ordets beste betydning

Produksjonen (fremstillingen) av kjernebrensel begynner med den kjemiske transformasjonen av det anrikede uranproduktet til urandioksid. Denne prosessen kan utføres på to hovedmåter. Den første av dem kalles "våt" teknologi og består i å løse opp heksafluorid i vann, utfelling av tungtløselige forbindelser under påvirkning av alkali og deres kalsinering i en hydrogenatmosfære. Den andre teknologien - "tørr" - er mer å foretrekke, siden den ikke produserer flytende radioaktivt avfall: uranheksafluorid brennes i en hydrogenflamme.

I begge tilfeller oppnås urandioksydpulver, som presses til små tabletter og sintres i ovner ved en temperatur på ca. 1750 °C for å gi dem styrke - tross alt vil tablettene måtte "arbeide" under forhold med høy temperatur og stråling. Tablettene behandles deretter på slipemaskiner med diamantverktøy. Dette trinnet er nødvendig fordi dimensjonene til nettbrettet og kvaliteten på overflaten må opprettholdes svært nøyaktig. Feil ved fremstilling av en separat pellet kan føre til skade på brenselet i reaktoren under dens termiske ekspansjon og som et resultat til en forverring av strålingssituasjonen ved et kjernekraftverk. Derfor blir alle urandioksidpellets nøye kontrollert og etter det kommer de inn i en spesiell boks, hvor maskinen plasserer dem i rør laget av zirkonium med en liten innblanding av niob.

Et rør lastet med pellets kalles et brenselelement eller kort sagt en drivstoffstang. Deretter, for å fjerne etsende gasser, evakueres drivstoffstangen, det vil si at luft "suges ut" fra røret, fylt med en inert gass - det reneste helium - og brygget. Det siste trinnet i produksjonsprosessen for kjernefysisk brensel er sammenstillingen av brenselstaver til en brenselsammenstilling (FA) ved bruk av avstandsgitter. De er nødvendige slik at strukturen er sterk, og drivstoffstavene ikke berører hverandre. Ellers, ved kontaktpunktet, kan skallet brenne ut, mens drivstoffet vil bli eksponert og komme i kontakt med vann, noe som er helt uønsket.

Sekvens av operasjoner i produksjon av kjernebrensel

Avstandsgitter

Så, drivstoffsamlinger er en "bunt" av zirkonium brenselelementer, inne i hvilke det er kjernebrensel - urandioksid anriket i en spaltbar isotop. Det er nødvendig å forklare dette valget av materialer. I en atomreaktor er brenselelementet under forhold med høy temperatur og en kraftig strøm av ioniserende stråling, og vaskes også fra utsiden med veldig varmt trykkvann. Derfor må kjernefysiske brenselelementer ha kjemisk motstandsdyktighet og strålingsmotstand, lede varme godt og utvide seg svært lite ved oppvarming, ellers kan det oppstå en sprekk i brenselbekledningen. Urandioksyd og zirkonium oppfyller disse kravene. Det skal imidlertid minnes nok en gang at urandioksidpelletene er inne i brenselelementene og kommer i kontakt med vann bare gjennom brenselelementets kledning, men ikke direkte. Direkte interaksjon med kjølevæsken er ekstremt uønsket og oppstår bare når zirkoniumskallene blir ødelagt, for eksempel når det oppstår sprekker i dem. I dette tilfellet begynner de radioaktive fisjonsproduktene av uran som finnes i kjernebrensel å løse seg opp i vann, noe som fører til en økning i radioaktiviteten og en forverring av strålingssituasjonen ved et kjernekraftverk. Av denne grunn er fabrikasjon av kjernebrensel et komplekst og svært presist arbeid som krever nøyaktighet og konstant kontroll.

Fra et strålingssynspunkt utgjør ikke produksjonen av kjernebrensel noen særlig fare. Risikoen er enda mindre enn ved malmdrift, siden renseprosessen fjerner alle medfølgende radioaktive stoffer fra uran.

Men når man arbeider med anriket uran kan det akkumuleres en kritisk masse og som et resultat kan det oppstå den selvopprettholdende kjedereaksjonen, som allerede ble diskutert i kapittel 2. Dette kan skje som følge av feil, brudd på arbeidsreglene, eller til og med ved et uhell. Totalt er det registrert seksti slike ulykker i verden, hvorav trettitre i USA, nitten i USSR/Russland. Her er to eksempler på hendelser i hjemmet.

14. juli 1961, Siberian Chemical Combine (anriking). Dannelsen av en kritisk masse som et resultat av akkumulering av uranheksafluorid med høy grad av anrikning (22,6%) i oljen i ekspansjonstanken til vakuumpumpen. Som et resultat av et utbrudd av stråling som fulgte med den resulterende kjedereaksjonen, mottok operatøren en betydelig dose stråling og fikk strålingssyke, selv om det var i en relativt mild form.

15. mai 1997. Novosibirsk-anlegg av kjemiske konsentrater (produksjon av kjernebrensel). Dannelsen av en kritisk masse som et resultat av akkumulering av et bunnfall av høyt anriket (90%) uran i bunnen av to tilstøtende beholdere for oppsamling av løsninger på grunn av deres deformasjon. Heldigvis var stråledosene ubetydelige.

Hva er konklusjonen? Anriket uran må håndteres med ekstrem forsiktighet, overholde alle sikkerhetskrav og, som de sier, "inkludert hodet", det vil si å beregne mulige risikoer på forhånd.

Avslutningsvis kan vi gi omtrentlige parametere for brenselsammensetninger som brukes ved russiske NPPs med VVER-1000-reaktorer.

Drivstoffpelleten er en sylinder 9 til 12 mm høy og 7,6 mm i diameter. Den består av urandioksid, hvis anrikningsgrad er i området fra 3,3 til 5,0 %.

Pellets er plassert i en brenselstav laget av zirkonium som inneholder 1 % niob, ca. fire meter lang og 9,1 mm i diameter. Veggtykkelsen til brenselelementet er bare 0,65 mm, derfor krever det ekstremt forsiktig håndtering med en slik lengde. Drivstoffelementet er ikke helt fylt med pellets: høyden på laget av pellets er omtrent 3,5 meter, og deres totale vekt er omtrent 1,6 kilogram, med 62 gram okkupert av uran-235.

Drivstoffsamlingen (FA) er satt sammen av 312 drivstoffstaver ved bruk av 12-15 avstandsgitter. Høyden på TVS når nesten 4,6 meter, og massen er 760 kg. Samtidig er massen av urandioksid omtrent et halvt tonn, resten faller på zirkonium og andre metaller. Sett ovenfra er sammenstillingen en sekskant med en flatestørrelse på 235 millimeter. Hver enhet har 19 kanaler for reaktorkontrollstaver som inneholder borkarbid, et element som absorberer nøytroner godt.

163 brenselelementer er plassert i reaktoren, som tilsvarer 80 tonn urandioksid, som er nok til 4 års reaktordrift.

Brenselelementer for reaktorer av ulike typer

Mulige alternativer

Så det vanligste drivstoffet for kjernekraftverk er pelletert urandioksid, hvor uran er anriket i den spaltbare isotopen (uran-235). Det finnes imidlertid andre typer kjernebrensel.

Etter urandioksid er det vanligste blandet oksiddrivstoff, kjent som MOX-drivstoff. Nå produseres hovedsakelig MOX-drivstoff, som er en blanding av oksider av uran og plutonium-239. Dette drivstoffet gjør det mulig å bruke overflødig mengde plutonium-239 av våpenkvalitet, akkumulert under "atomkappløpet", for å generere elektrisitet.

Uranmetall kan også brukes som kjernebrensel. Dens fordeler er høy termisk ledningsevne og maksimal konsentrasjon av spaltbare kjerner - det er rett og slett ingen andre elementer i drivstoffet. Samtidig har uran, som et metall, dårligere strålings-, kjemisk- og varmebestandighet enn dioksid, så det brukes sjelden i sin rene form. For å forbedre parametrene til metallisk brensel tilsettes noe molybden, aluminium, silisium og zirkonium til uran. I dag brukes metallisk uran og dets legeringer kun i forskningsreaktorer.

I stedet for urandioksid er det mulig å bruke uraniumnitrid, det vil si kombinasjonen med nitrogen. Nitriddrivstoff har en høyere varmeledningsevne sammenlignet med dioksid, og et sammenlignbart smeltepunkt (2855 o C). Urannitrid regnes som et lovende drivstoff for de nyeste reaktorene. I vårt land er det nitriddrivstoff som vies størst oppmerksomhet, da det er planlagt brukt i neste generasjon raske nøytronreaktorer.

Uran er i stand til å danne forbindelser med karbon - karbider. Muligheten for å bruke karbider som brensel for reaktorer ble intensivt studert på 1960- og 1970-tallet. Men i den siste perioden har interessen for denne typen drivstoff dukket opp igjen, knyttet til utviklingen av platebrenselelementer og mikrofuelelementer. De positive egenskapene til karbider er god varmeledningsevne, høyt smeltepunkt, høy hardhet, kjemisk og termisk stabilitet og kompatibilitet med keramiske belegg, som er spesielt viktig for mikrodrivstoff. Urankarbidbrensel kan være det beste alternativet for visse typer neste generasjons reaktorer, spesielt for gasskjølte hurtigreaktorer.

Men fortsatt opererer det store flertallet av reaktorene på jorden på kjernebrensel laget av urandioksid. Tradisjonens kraft, for å si det sånn.

Russisk drivstoffsyklus

Nå, etter å ha gjort oss kjent med særegenhetene ved driften av gruve- og prosessindustrien, er det verdt å ta en rask titt på historien og den nåværende tilstanden til vår innenlandske drivstoffsyklus. Du må selvfølgelig starte med utvinning av uran.

Til å begynne med var uranmalm av interesse for innenlandske forskere bare som en kilde til radium. I 1900 ble professor I.A. Antipov laget en rapport på et møte i St. Petersburg Mineralogical Society om oppdagelsen av uranmineralet i prøver hentet fra Fergana, fra Tyuya-Muyun-fjellkjeden. Senere ble dette mineralet kalt tyuyamunite. I 1904 startet letearbeidet ved denne forekomsten, i 1908 ble det bygget et prøveanlegg for bearbeiding av uranmalm i St. Petersburg, og i 1913 ble det etablert et internasjonalt aksjeselskap for utvinning av Tuyamuyun-radium.

Da første verdenskrig begynte, opphørte arbeidet ved gruven praktisk talt, og først i 1922 ble en ekspedisjon bestående av åtte spesialister sendt til Tyuya-Muyun. I samme 1922, under vanskelige post-revolusjonære forhold, omgitt av band av Basmachi, var det mulig å reetablere industriell malmgruvedrift. Det fortsatte til 1936, da rikelig grunnvann på to hundre meters dyp avbrøt utviklingen av forekomsten. Dette problemet ble imidlertid ikke kritisk, siden utvinningen av radium ble etablert ved "Vannindustrien" ved Ukhta-elven - det radioaktive metallet ble utvunnet fra underjordisk saltvann. Uran i seg selv i disse årene var av liten interesse for noen, siden det praktisk talt ikke ble brukt i industrien.

En ny bølge av interesse for uranforekomster skjedde på begynnelsen av 1940-tallet, da Sovjetunionen sto overfor behovet for å svare på atomtrusselen som kom fra USA, det vil si når behovet oppsto for å lage innenlandske atomvåpen.

Uran til den første sovjetiske atombomben ble bokstavelig talt samlet inn bit for bit over hele landet og utover. I 1943 begynte uranutvinning ved den lille, etter moderne standarder, Taboshar-gruven i Tadsjikistan, med en kapasitet på bare 4 tonn uransalter per år. Dessuten, ifølge memoarene til P.Ya. Antropov, den første ministeren for geologi i USSR, "uranmalm ble transportert for prosessering langs fjellstiene til Pamirs i sekker på esler og kameler. Det var verken veier eller skikkelig utstyr da.

I 1944-1945, da Europa ble frigjort fra nazistene, fikk Sovjetunionen tilgang til uranmalm fra Goten-forekomsten i Bulgaria, Yachimov-gruvene i Tsjekkoslovakia og gruvene i Tysk-Sachsen. I tillegg, i 1946, ble Tyuya-Muyunsky-gruven relansert, men den ga ikke noe spesielt bidrag til fellessaken.

På 1950-tallet begynte Lermontov Almaz Production Association å utvinne uran ved gruver i Beshtau- og Byk-fjellene (Stavropol-territoriet). Samtidig begynte de å utvikle forekomster i Sør-Kasakhstan og Sentral-Asia.

Etter 1991 havnet de fleste utbygde feltene utenfor Russland, i uavhengige stater. Fra det øyeblikket utføres den viktigste uranutvinningen ved gruvemetoden ved Priargunsky Production Mining and Chemical Association (Transbaikal-territoriet). I tillegg får to foretak som bruker teknologien for borehull in-situ utlekking gradvis styrke - Khiagda (republikken Buryatia) og Dalur (Kurgan-regionen). Produksjonsanlegg blir designet i Yakutia. Det er også lovende regioner for produksjon - Transbaikal, vestsibirsk, nordeuropeisk ...

Når det gjelder utforskede uranreserver, er Russland på tredjeplass i verden.

Russiske urangruvebedrifter administreres av ARMZ Uranium Holding (www.armz.ru), eid av Rosatom, men State Corporation har også utenlandske eiendeler kontrollert av det internasjonale selskapet Uranium One Inc. (www.uranium1.com). Takket være aktivitetene til disse to organisasjonene har Rosatom nådd tredjeplassen i verden innen produksjon av uranforbindelser.

Situasjonen i verdensmarkedet for produksjon av naturlig uran (2014)

Stafettpinnen fra gruvebedrifter overtas av et helt kompleks av produksjoner for raffinering, konvertering og anrikning av uran, samt for fabrikasjon av kjernebrensel. De fleste av dem kommer fra perioden og femtitallet av forrige århundre - tiden for aktiv akkumulering av atomvåpen. I dag jobber de for en rent fredelig industri – atomenergi, og leverer sine tjenester til utenlandske selskaper.

Det er fire anrikningsanlegg i Russland, noen av dem utfører også operasjoner for endelig rensing (raffinering) og fluorering (konvertering) av uranforbindelser.

Det første gassdiffusjonsanlegget for urananrikning D-1 i Sverdlovsk-44 startet driften i november 1949. Til å begynne med måtte produktene berikes ytterligere ved SU-20-enheten til det fremtidige Elektrokhimpribor-anlegget i Sverdlovsk-45 (Lesnoy), men etter et par år begynte D-1 å klare seg på egen hånd og begynte å vokse. Og siden 1967 begynte utskiftingen av diffusjonskaskader med kaskader av sentrifuger. I dag, på stedet for den demonterte D-1, er det verdens største urananrikningsbedrift - Ural Electrochemical Plant (Novouralsk, Sverdlovsk-regionen).

I 1953 begynte det fremtidige sibirske kjemiske anlegget (Seversk, Tomsk-regionen) å jobbe i Tomsk-7, som siden 1973 gradvis begynte å gå over til gassentrifugeteknologi. Det første anrikede uranet fra det kjemiske anlegget for elektrolyse i Angarsk (Angarsk, Irkutsk-regionen) ble oppnådd i 1957, og utskiftingen av diffusjonsapparater med sentrifuger startet i 1985. Til slutt ble 1962 året for lansering av det elektrokjemiske anlegget i Krasnoyarsk-45 (nå Zelenogorsk, Krasnoyarsk-territoriet). Et par år senere ble de første sentrifugene installert der.

Denne korte referansen gjenspeiler selvfølgelig ikke realitetene i den vanskelige epoken. Selv om man ved hjelp av de hemmelige, "nummererte" navnene på lukkede byer og de vage navnene på planter, kan forstå at Sovjetunionen nøye holdt sine berikelseshemmeligheter. Imidlertid ble plasseringene til de viktigste produksjonsanleggene kjent for amerikansk etterretning. Men den aktive overgangen til gassentrifugeteknologi, hun, som de sier, savnet den. Kanskje dette var grunnen til en viss selvtilfredshet hos våre konkurrenter: uten å vite at en mer produktiv og effektiv teknologi ble introdusert i USSR, holdt statene seg til den opprinnelig valgte metoden - gassformig diffusjon. Åpenbart spilte den nåværende situasjonen i hendene på Sovjetunionen og gjorde det mulig å raskt oppnå atomparitet. Samtidig gikk den banebrytende utviklingen til sovjetiske forskere og ingeniører for å lage høyytelses gassentrifuger ikke til spille, noe som førte Russland til en ledende posisjon på verdensmarkedet for urananrikning og sentrifugeproduksjon.

Det anrikede uranproduktet fra fire skurtreskere leveres til maskinbyggeanlegget (Elektrostal, Moskva-regionen) og Novosibirsk Chemical Concentrates Plant (Novosibirsk, samme navngitte region), hvor en full syklus med produksjon av kjernebrensel utføres. Zirkonium for brenselstaver og andre strukturelle materialer for brenseldeler leveres av Chepetsky Mechanical Plant (Glazov, Udmurt Republic), den eneste bedriften i Russland og den tredje i verden som produserer produkter fra zirkonium.

De produserte brenselelementene leveres til russiske og utenlandske atomkraftverk, og brukes også i reaktorer til andre formål.

Bedrifter for raffinering, konvertering og anrikning av uran, fabrikasjon av kjernebrensel, produksjon av gassentrifuger, samt design- og forskningsorganisasjoner er forent som en del av TVEL Fuel Company of Rosatom (www.tvel.ru).

Som et resultat av mange års vellykket arbeid av dette selskapet og dets virksomheter, topper Rosatom selvsikkert listen over de største tjenesteleverandørene innen urananriking (36% av verdensmarkedet).

Det er en atombrenselbank i Angarsk - en garantert reserve som kan kjøpes av et land som av en eller annen grunn er fratatt muligheten til å kjøpe uran på det frie markedet. Fra denne bestanden vil den kunne produsere ferskt kjernebrensel og sikre uavbrutt drift av kjernekraftindustrien.

Rosatoms andel i det globale markedet for kjernebrensel er 17 %, på grunn av dette er hver sjette kraftreaktor på jorden lastet med drivstoff av TVEL-merket. Leveransene går til Ungarn, Slovakia, Tsjekkia, Bulgaria, Ukraina, Armenia, Finland, India og Kina.

Over - verdensmarkedet for urananrikning (2015), under - verdensmarkedet for drivstoffproduksjon (2015)

Åpen eller lukket?

Det kan bemerkes at dette kapittelet ikke dekket produksjon av atombrensel til forskningsreaktorer, samt reaktorer installert på atomubåter og isbrytere. Hele diskusjonen ble viet atombrensel brukt i atomkraftverk. Dette ble imidlertid ikke gjort ved et uhell. Faktum er at det rett og slett ikke er noen grunnleggende forskjeller mellom rekkefølgen av drivstoffproduksjon for atomkraftverk og for eksempel atomubåter. Selvfølgelig kan det være avvik i teknologi knyttet til spesifikasjonene til skip og forskningsreaktorer. For eksempel skal førstnevnte være liten i størrelse og samtidig ganske kraftig - dette er et helt naturlig krav for en isbryter og dessuten en manøvrerbar atomubåt. De nødvendige indikatorene kan oppnås ved å øke anrikningen av uran, det vil si ved å øke konsentrasjonen av spaltbare kjerner - da vil det være behov for mindre drivstoff. Dette er nøyaktig hva de gjør: Anrikningsgraden av uran brukt som brensel for skipsreaktorer er i området 40 % (avhengig av prosjektet kan den variere fra 20 til 90 %). I forskningsreaktorer er det vanlige kravet å oppnå maksimal nøytronfluks, og antall nøytroner i reaktoren er også direkte relatert til antall spaltbare kjerner. Derfor, i installasjoner beregnet for vitenskapelig forskning, brukes noen ganger høyt anriket uran med mye høyere innhold av uran-235 enn i drivstoffet til kjernekraftreaktorer. Men berikelsesteknologien endrer seg ikke fra dette.

Utformingen av reaktoren kan bestemme den kjemiske sammensetningen av drivstoffet og materialet som drivstoffstangen er laget av. For tiden er den viktigste kjemiske formen for drivstoff urandioksid. Når det gjelder brenselelementene, er de hovedsakelig zirkonium, men for eksempel produseres brennstoffelementer i rustfritt stål for BN-600 hurtignøytronreaktoren. Dette skyldes bruken av flytende natrium som kjølevæske i BN-reaktorer, hvor zirkonium ødelegges (korroderes) raskere enn rustfritt stål. Likevel forblir essensen av kjeden samme - urandioksydpulver syntetiseres fra det anrikede uranproduktet, som presses til pellets og sintres, pellets plasseres i brenselsstaver, og brenselstavene settes sammen til brenselelementer. (FA).

Dessuten, hvis vi vurderer kjernefysiske brenselssykluser i forskjellige land, viser det seg for eksempel at i Russland blir uranforbindelser direkte fluorert med molekylært fluor under konvertering, mens de i utlandet først behandles med flussyre og først deretter med fluor. Forskjellen kan finnes i den kjemiske sammensetningen av løsninger for å "åpne" malmen, sorbenter og ekstraksjonsmidler; parametrene til prosessene kan variere ... Men skjemaet for kjernefysisk brenselsyklus endres ikke fra dette. Den grunnleggende forskjellen ligger bare mellom dens åpne (åpne) og lukkede (lukkede) versjoner: i det første tilfellet, etter å ha "arbeidet" ved et atomkraftverk, blir drivstoffet ganske enkelt isolert fra miljøet i en dyp gravplass, og i sistnevnte behandles med utvinning av verdifulle komponenter (se kapittel 7). Russland er et av få land som implementerer en lukket syklus.

Et eksempel på en lukket drivstoffsyklus med en indikasjon på rollen til TVEL Fuel Company of Rosatom

TVS (drivstoffsamling)

Kjernebrensel- materialer som brukes i atomreaktorer for å utføre en kontrollert kjernefysisk kjedereaksjon. Kjernebrensel er fundamentalt forskjellig fra andre typer drivstoff som brukes av menneskeheten, det er ekstremt energikrevende, men også veldig farlig for mennesker, noe som pålegger mange restriksjoner på bruken av sikkerhetsgrunner. Av denne og mange andre grunner er kjernebrensel mye vanskeligere å bruke enn alle typer fossilt brensel, og krever mange spesielle tekniske og organisatoriske tiltak for bruken, samt høyt kvalifisert personell som håndterer det.

generell informasjon

En kjernefysisk kjedereaksjon er fisjon av en kjerne i to deler, kalt fisjonsfragmenter, med samtidig frigjøring av flere (2-3) nøytroner, som igjen kan forårsake fisjon av følgende kjerner. Slik fisjon oppstår når et nøytron kommer inn i kjernen til et atom av det opprinnelige stoffet. Fisjonsfragmentene som dannes under kjernefysisk fisjon har en stor kinetisk energi. Retardasjonen av fisjonsfragmenter i materie er ledsaget av frigjøring av en stor mengde varme. Fisjonsfragmenter er kjerner dannet direkte som et resultat av fisjon. Fisjonsfragmenter og deres radioaktive nedbrytningsprodukter blir ofte referert til som fisjonsprodukter. Kjerner som fisjon med nøytroner av enhver energi kalles kjernebrensel (som regel er disse stoffer med et oddetall). Det er kjerner som fisjons bare av nøytroner med energier over en viss terskelverdi (som regel er disse elementer med et jevnt atomnummer). Slike kjerner kalles råvarer, siden når et nøytron fanges opp av en terskelkjerne, dannes kjerner av kjernebrensel. Kombinasjonen av kjernebrensel og råstoff kalles kjernebrensel. Nedenfor er fordelingen av fisjonsenergien til 235 U-kjernen mellom forskjellige fisjonsprodukter (i MeV):

Siden nøytrinoenergien føres bort ugjenkallelig, er kun 188 MeV/atom = 30 pJ/atom = 18 TJ/mol = 76,6 TJ/kg tilgjengelig for bruk (ifølge andre data (se lenke) 205,2 - 8,6 = 196,6 MeV /atom).

Naturlig uran består av tre isotoper: 238U (99,282%), 235U (0,712%) og 234U (0,006%). Det er ikke alltid egnet som kjernebrensel, spesielt hvis konstruksjonsmaterialene og moderatoren absorberer nøytroner i stor grad. I dette tilfellet er kjernebrensel laget på grunnlag av anriket uran. I termiske reaktorer brukes uran med en anrikning på mindre enn 6 %, og i hurtige og mellomliggende nøytronreaktorer overstiger urananrikningen 20 %. Anriket uran fås ved spesielle anrikningsanlegg.

Klassifisering

Kjernebrensel er delt inn i to typer:

• Naturlig uran, som inneholder spaltbare kjerner 235 U, samt råmaterialer 238 U, som er i stand til å danne plutonium 239 Pu når det fanger et nøytron;
• Sekundært drivstoff som ikke forekommer i naturen, inkludert 239 Pu hentet fra drivstoff av den første typen, samt 233 U isotoper dannet under fangst av nøytroner av 232 Th thoriumkjerner.

I henhold til den kjemiske sammensetningen kan kjernebrensel være:

• Metalliske, inkludert legeringer;
• Oksyd (for eksempel UO 2);
• Karbid (f.eks. PuC 1-x)
• Blandet (PuO 2 + UO 2)

Teoretiske aspekter ved anvendelse

Kjernebrensel brukes i atomreaktorer i form av pellets som er noen få centimeter store, hvor det vanligvis er plassert i hermetisk forseglede brenselelementer (TVEL), som igjen, for å lette bruken, kombineres til flere hundre til brenselelementer ( FAer).

Kjernebrensel er underlagt høye krav til kjemisk kompatibilitet med brenselstavkledning, det må ha tilstrekkelig smelte- og fordampningstemperatur, god termisk ledningsevne, en liten økning i volum under nøytronbestråling og produksjonsevne.

Bruken av metallisk uran, spesielt ved temperaturer over 500 °C, er vanskelig på grunn av svellingen. Etter kjernefysisk fisjon dannes to fisjonsfragmenter, hvis totale volum er større enn volumet til et uran (plutonium) atom. En del av atomene - fisjonsfragmenter er atomer av gasser (krypton, xenon, etc.). Gassatomer akkumuleres i porene til uran og skaper et indre trykk som øker med økende temperatur. På grunn av en endring i volumet av atomer i prosessen med fisjon og en økning i det indre trykket til gasser, begynner uran og andre kjernefysiske brensler å svelle. Hevelse forstås som den relative endringen i volumet av kjernebrensel assosiert med kjernefysisk fisjon.

Hevelse avhenger av forbrenning og temperatur på brenselelementet. Antall fisjonsfragmenter øker med utbrenning, og det indre trykket i gassen øker med utbrenning og temperatur. Svellingen av kjernebrensel kan føre til ødeleggelse av brenselelementets kledning. Kjernebrensel er mindre utsatt for hevelse hvis det har høye mekaniske egenskaper. Metallisk uran gjelder bare ikke for slike materialer. Derfor begrenser bruken av metallisk uran som kjernebrensel forbrenningsdybden, som er en av hovedkarakteristikkene til kjernebrensel.

Strålingsmotstanden og de mekaniske egenskapene til drivstoffet forbedres etter uranlegering, hvor små mengder molybden, aluminium og andre metaller tilsettes uran. Dopingtilsetningsstoffer reduserer antall fisjonsnøytroner per nøytronfangst av kjernebrensel. Derfor har legeringstilsetninger til uran en tendens til å bli valgt fra materialer som absorberer nøytroner svakt.

Godt kjernebrensel inkluderer noen av de ildfaste forbindelsene av uran: oksider, karbider og intermetalliske forbindelser. Den mest brukte keramikken - urandioksyd UO 2 . Smeltepunktet er 2800 °C, tettheten er 10,2 g/cm³. Urandioksid har ingen faseoverganger og er mindre utsatt for svelling enn uranlegeringer. Dette lar deg øke utbrenthet opp til flere prosent. Urandioksid interagerer ikke med zirkonium, niob, rustfritt stål og andre materialer ved høye temperaturer. Den største ulempen med keramikk er lav varmeledningsevne - 4,5 kJ/(m·K), som begrenser reaktorens spesifikke kraft når det gjelder smeltetemperatur. Dermed overstiger ikke maksimal varmeflukstetthet i VVER-reaktorer for urandioksid 1,4⋅10 3 kW/m², mens maksimal temperatur i brenselstaver når 2200 °C. I tillegg er varm keramikk svært sprø og kan sprekke.

Praktisk bruk

Kvittering

uran drivstoff

Uran kjernebrensel oppnås ved å behandle malm. Prosessen foregår i flere stadier:

• For dårlige innskudd: I moderne industri, på grunn av mangelen på rike uranmalmer (unntak er kanadiske og australske forekomster av uoverensstemmelsestypen, hvor konsentrasjonen av uran når 3%), brukes metoden for underjordisk utvasking av malm. Dette eliminerer kostbar malmutvinning. Foreløpig forberedelse går rett under jorden. Gjennom injeksjonsbrønner svovelsyre pumpes under jorden over forekomsten, noen ganger med tilsetning av jernsalter (for å oksidere uran U (IV) til U (VI)), selv om malmer ofte inneholder jern og pyrolusitt, som letter oksidasjon. Gjennom utvinningsbrønner en løsning av svovelsyre med uran stiger til overflaten med spesielle pumper. Deretter går det direkte til sorpsjon, hydrometallurgisk utvinning og samtidig anrikning av uran.
• For malmforekomster: bruk malmkonsentrasjon og radiometrisk malmkonsentrasjon.
• Hydrometallurgisk prosessering - knusing, utluting, sorpsjon eller ekstraksjonsekstraksjon av uran for å oppnå renset uranoksid (U 3 O 8), natriumdiuranat (Na 2 U 2 O 7) eller ammoniumdiuranat ((NH 4) 2 U 2 O 7) .
• Overføring av uran fra oksid til UF 4 tetrafluorid, eller fra oksider direkte for å oppnå UF 6 heksafluorid, som brukes til å anrike uran i 235 isotopen.
• Anrikning ved gass termisk diffusjon eller sentrifugering.
• UF 6 anriket i 235-isotopen omdannes til UO 2-dioksid, hvorfra det lages "piller" av drivstoffstaver eller andre uranforbindelser til samme formål.

Atomenergi brukes i termisk kraftteknikk, når energi hentes fra kjernebrensel i reaktorer i form av varme. Den brukes til å generere strøm i kjernekraftverk (NPP), for kraftverk av store sjøfartøy, for avsalting av sjøvann.

Atomenergi skylder først og fremst utseendet til nøytronet som ble oppdaget i 1932. Nøytroner er en del av alle atomkjerner, bortsett fra hydrogenkjernen. Bundne nøytroner i kjernen eksisterer på ubestemt tid. I sin frie form er de kortvarige, siden de enten forfaller med en halveringstid på 11,7 minutter, blir til et proton og sender ut et elektron og et nøytrino, eller blir raskt fanget opp av atomkjernene.

Moderne kjernekraft er basert på bruk av energi som frigjøres under fisjon av en naturlig isotop uran-235. Ved kjernekraftverk utføres en kontrollert kjernefysisk fisjonsreaksjon i kjernereaktor. I henhold til energien til nøytroner som produserer kjernefysisk fisjon, skille mellom termiske og raske nøytronreaktorer.

Hovedenheten til et kjernekraftverk er en atomreaktor, hvis diagram er vist i fig. 1. Energi hentes fra kjernebrensel, og deretter overføres den til en annen arbeidsvæske (vann, metallisk eller organisk væske, gass) i form av varme; så omdannes den til elektrisitet på samme måte som i konvensjonelle.

De kontrollerer prosessen, opprettholder reaksjonen, stabiliserer kraften, starter og stopper reaktoren ved hjelp av spesiell mobil kontrollstenger 6 og 7 fra materialer som intensivt absorberer termiske nøytroner. De drives av et kontrollsystem 5 . Handlinger kontrollstenger manifesteres i en endring i kraften til nøytronfluksen i kjernen. Etter kanaler 10 vann sirkulerer og kjøler ned den biologiske beskyttelsesbetongen

Kontrollstengene er laget av bor eller kadmium, som er termisk, strålings- og korrosjonsbestandige, mekanisk sterke og har gode varmeoverføringsegenskaper.

Inne i en massiv stålkasse 3 det er en kurv 8 med drivstoffelementer 9 . Kjølevæsken kommer inn gjennom rørledningen 2 , passerer gjennom kjernen, vasker alle brenselelementer, varmes opp og gjennom rørledningen 4 kommer inn i dampgeneratoren.

Ris. 1. Atomreaktor

Reaktoren er plassert inne i en biologisk inneslutningsanordning av tykk betong. 1 , som beskytter det omkringliggende rommet mot strømmen av nøytroner, alfa-, beta-, gammastråling.

Drivstoffelementer (drivstoffstaver) er hoveddelen av reaktoren. En kjernefysisk reaksjon finner sted direkte i dem og varme frigjøres, alle andre deler tjener til å isolere, kontrollere og fjerne varme. Strukturelt kan brenselelementer være laget av stav, plate, rørformet, sfærisk, etc. Oftest er de stav, opptil 1 meter lang, 10 mm i diameter. De er vanligvis satt sammen av uranpellets eller fra korte rør og plater. Utvendig er drivstoffstavene dekket med en korrosjonsbestandig, tynn metallkappe. Zirkonium, aluminium, magnesiumlegeringer, samt legert rustfritt stål brukes til skallet.

Overføringen av varme som frigjøres under en kjernefysisk reaksjon i reaktorkjernen til arbeidsvæsken til motoren (turbinen) til kraftverk utføres i henhold til enkeltsløyfe-, dobbeltsløyfe- og tresløyfeskjemaer (fig. 2).

Ris. 2. Kjernekraftverk
a - i henhold til et enkeltkretsskjema; b - i henhold til to-kretsskjemaet; c - i henhold til trekretsordningen
1 - reaktor; 2, 3 - biologisk beskyttelse; 4 - trykkregulator; 5 - turbin; 6 - elektrisk generator; 7 - kondensator; 8 - pumpe; 9 - reservekapasitet; 10 - regenerativ varmeapparat; 11 - dampgenerator; 12 - pumpe; 13 - mellomliggende varmeveksler

Hver krets er et lukket system. Reaktor 1 (i alle termiske kretser) plassert inne i primæren 2 og sekundær 3 biologiske forsvar. Hvis kjernekraftverket er bygget i henhold til en enkeltkrets termisk ordning, vil dampen fra reaktoren gjennom trykkregulatoren 4 går inn i turbinen 5 . Turbinakselen er koblet til generatorakselen 6 der det genereres elektrisk strøm. Eksosdampen kommer inn i kondensatoren, hvor den blir avkjølt og fullstendig kondensert. Pumpe 8 leder kondensat til en regenerativ varmeovn 10 , og så går den inn i reaktoren.

Med et to-kretsskjema kommer kjølevæsken oppvarmet i reaktoren inn i dampgeneratoren 11 , hvor varme overføres ved overflateoppvarming til kjølevæsken til arbeidsfluidet (matevann i sekundærkretsen). I trykkvannsreaktorer avkjøles kjølevæsken i dampgeneratoren med omtrent 15 ... 40 ° C og deretter av en sirkulasjonspumpe 12 tilbake til reaktoren.

Med et tre-sløyfeskjema sendes kjølevæsken (vanligvis flytende natrium) fra reaktoren til en mellomvarmeveksler 13 og derfra ved sirkulasjonspumpen 12 går tilbake til reaktoren. Kjølevæsken i sekundærkretsen er også flytende natrium. Denne kretsen er ikke bestrålt og derfor ikke radioaktiv. Natrium i den andre kretsen kommer inn i dampgeneratoren 11 , avgir varme til arbeidsvæsken, og deretter sendes sirkulasjonspumpen tilbake til mellomvarmeveksleren.

Antall sirkulasjonskretser bestemmer typen reaktor, kjølevæsken som brukes, dens kjernefysiske egenskaper og graden av radioaktivitet. Enkeltsløyfeordningen kan brukes i kokende vannreaktorer og i gasskjølte reaktorer. Den mest utbredte dobbel krets når det brukes som varmebærer av vann, gass og organiske væsker. Tre-kretsordningen brukes på kjernekraftverk med raske nøytronreaktorer som bruker flytende metallkjølevæsker (natrium, kalium, natrium-kalium-legeringer).

Atombrensel kan være uran-235, uran-233 og plutonium-232. Råvarer for å skaffe kjernebrensel - naturlig uran og thorium. Under kjernefysisk reaksjon av ett gram spaltbart materiale (uran-235) frigjøres energi tilsvarende 22×10 3 kWh (19×10 6 cal). For å få denne energimengden er det nødvendig å brenne 1900 kg olje.

Uran-235 er lett tilgjengelig, energireservene er omtrent det samme som fossilt brensel. Men ved å bruke kjernebrensel med så lav virkningsgrad som det er nå, vil de tilgjengelige urankildene være utarmet om 50-100 år. Samtidig er det praktisk talt uuttømmelige "forekomster" av kjernebrensel - dette er uran oppløst i sjøvann. Det er hundrevis av ganger mer rikelig i havet enn på land. Kostnaden for å skaffe ett kilo urandioksid fra sjøvann er rundt 60-80 dollar, og i fremtiden vil den falle til 30 dollar, mens kostnaden for urandioksid produsert i de rikeste forekomstene på land er 10-20 dollar. Derfor vil kostnadene på land og "på sjøvann" etter en tid bli av samme størrelsesorden.

Kostnaden for kjernebrensel er omtrent halvparten av kostnadene for fossilt kull. Ved kullkraftverk faller 50-70% av kostnadene for elektrisitet til andelen drivstoff, og ved kjernekraftverk - 15-30%. Et moderne termisk kraftverk med en kapasitet på 2,3 millioner kW (for eksempel Samara GRES) bruker omtrent 18 tonn kull (6 tog) eller 12 tusen tonn fyringsolje (4 tog) daglig. Den atomkraftige, med samme kraft, bruker bare 11 kg atombrensel i løpet av dagen, og 4 tonn i løpet av året. Imidlertid er et kjernekraftverk dyrere enn et termisk kraftverk når det gjelder konstruksjon, drift og reparasjon. For eksempel koster bygging av et kjernekraftverk med en kapasitet på 2–4 millioner kW omtrent 50–100 % mer enn et termisk.

Det er mulig å redusere kapitalkostnadene for NPP-bygging ved å:

1. standardisering og forening av utstyr;
2. utvikling av kompakte reaktordesign;
3. forbedring av styrings- og reguleringssystemer;
4. redusere varigheten av stansen av reaktoren for tanking.

Et viktig kjennetegn ved kjernekraftverk (atomreaktor) er effektiviteten til brenselssyklusen. For å forbedre økonomien i drivstoffsyklusen bør du:

• å øke dybden av kjernebrenselforbrenning;
• øke avlsforholdet til plutonium.

Ved hver fisjon av uran-235-kjernen frigjøres 2-3 nøytroner. Av disse brukes kun én til videre reaksjon, resten går tapt. Det er imidlertid mulig å bruke dem til reproduksjon av kjernebrensel ved å lage raske nøytronreaktorer. Når reaktoren opererer på raske nøytroner, er det mulig å oppnå omtrent 1,7 kg plutonium-239 samtidig for 1 kg brent uran-235. På denne måten kan den lave termiske virkningsgraden til kjernekraftverk dekkes.

Raske nøytronreaktorer er ti ganger mer effektive (når det gjelder bruk av kjernebrensel) enn brenselnøytronreaktorer. De har ingen moderator og bruker høyt anriket kjernebrensel. Nøytroner som sendes ut fra kjernen absorberes ikke av strukturelle materialer, men av uran-238 eller thorium-232 som ligger rundt.

I fremtiden vil de viktigste spaltbare materialene for kjernekraftverk være plutonium-239 og uran-233, hentet fra henholdsvis uran-238 og thorium-232 i raske nøytronreaktorer. Omdannelsen av uran-238 til plutonium-239 i reaktorer vil øke ressursene til kjernebrensel med omtrent 100 ganger, og thorium-232 til uran-233 med 200 ganger.

På fig. Figur 3 viser et diagram av et kjernekraftverk med raske nøytroner.

Karakteristiske trekk ved et kjernekraftverk på raske nøytroner er:

1. Endringen i kritikaliteten til en atomreaktor utføres ved å reflektere deler av fisjonsnøytronene til kjernebrensel fra periferien tilbake til kjernen ved hjelp av reflektorer 3 ;
2. reflekser 3 kan rotere, endre lekkasjen av nøytroner og følgelig intensiteten av fisjonsreaksjoner;
3. kjernebrensel reproduseres;
4. fjerning av overflødig termisk energi fra reaktoren utføres ved bruk av en kjøler-radiator 6 .

Ris. 3. Opplegg for et kjernekraftverk på raske nøytroner:
1 - brenselelementer; 2 – fornybart kjernebrensel; 3 - raske nøytronreflektorer; 4 - atomreaktor; 5 - forbruker av elektrisitet; 6 - kjøleskap-emitter; 7 - omformer av termisk energi til elektrisk energi; 8 - strålevern.

Omformere av termisk energi til elektrisk energi

I henhold til prinsippet om å bruke termisk energi generert av et kjernekraftverk, kan omformere deles inn i 2 klasser:

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

I maskinomformere er et gassturbinanlegg vanligvis koblet til reaktoren, der arbeidsfluidet kan være hydrogen, helium, helium-xenon-blanding. Effektiviteten til å konvertere varme levert direkte til turbogeneratoren til elektrisitet er ganske høy - effektiviteten til omformeren η = 0,7-0,75.

Et diagram over et kjernekraftverk med en dynamisk gassturbin (maskin) omformer er vist i fig. fire.

En annen type maskinomformer er en magnetogasdynamisk eller magnetohydrodynamisk generator (MGDG). Et diagram av en slik generator er vist i fig. 5. Generatoren er en kanal med rektangulært tverrsnitt, hvor to vegger er laget av et dielektrikum, og to av disse er laget av et elektrisk ledende materiale. Et elektrisk ledende arbeidsfluid beveger seg gjennom kanalene - flytende eller gassformet, som penetreres av et magnetfelt. Som du vet, når en leder beveger seg i et magnetfelt, oppstår det en EMF, som langs elektrodene 2 overføres til forbrukeren av strøm 3 . Energikilden til den arbeidende varmestrømmen er varmen som frigjøres i atomreaktoren. Denne termiske energien brukes på bevegelse av ladninger i et magnetfelt, dvs. omdannes til den kinetiske energien til den strømførende strålen, og den kinetiske energien omdannes til elektrisk energi.

Ris. 4. Opplegg for et kjernekraftverk med en gassturbinomformer:
1 - reaktor; 2 - krets med flytende metallkjølevæske; 3 - varmeveksler for varmeforsyning til gass; 4 - turbin; 5 - elektrisk generator; 6 - kompressor; 7 - radiator-radiator; 8 - varmefjerningskrets; 9 - sirkulasjonspumpe; 10 - varmeveksler for varmefjerning; 11 - varmeveksler-regenerator; 12 - krets med arbeidsvæsken til gassturbinomformeren.

Direkte omformere (maskinløse) av termisk energi til elektrisk energi er delt inn i:

1. termoelektriske;
2. termionisk;
3. elektrokjemisk.

Termoelektriske generatorer (TEGs) er basert på Seebeck-prinsippet, som betyr at i en lukket krets bestående av ulike materialer, oppstår det en termoelektrisk effekt dersom det opprettholdes en temperaturforskjell i kontaktpunktene til disse materialene (fig. 6). For å generere elektrisitet er det tilrådelig å bruke halvleder-TEG-er, som har høyere effektivitet, mens temperaturen på det varme krysset må bringes opp til 1400 K og høyere.

Termionomformere (TEC) gjør det mulig å få elektrisitet som følge av emisjon av elektroner fra en katode oppvarmet til høye temperaturer (fig. 7).

Ris. 5. Magnetogasdynamisk generator:
1 - magnetisk felt; 2 - elektroder; 3 - forbruker av elektrisitet; 4 - dielektrisk; 5 - leder; 6 - arbeidsvæske (gass).

Ris. 6. Opplegg for termoelektrisk generatordrift

Ris. 7. Driftsskjema for den termioniske omformeren

For å opprettholde emisjonsstrømmen tilføres varme til katoden Q en . Elektronene som sendes ut av katoden, etter å ha overvunnet vakuumgapet, når anoden og absorberes av den. Under "kondensering" av elektroner ved anoden frigjøres energi lik arbeidsfunksjonen til elektroner med motsatt fortegn. Hvis vi sikrer en kontinuerlig tilførsel av varme til katoden og dens fjerning fra anoden, så gjennom belastningen R likestrøm vil flyte. Elektronutslipp fortsetter effektivt ved katodetemperaturer over 2200 K.

Sikkerhet og pålitelighet av NPP-drift

Et av hovedproblemene i utviklingen av kjernekraft er å sikre påliteligheten og sikkerheten til kjernekraftverk.

Strålingssikkerheten ivaretas av:

1. opprettelse av pålitelige strukturer og enheter for biologisk beskyttelse av personell mot eksponering for stråling;
2. rensing av luft og vann som forlater NPP-lokalene utenfor grensene;
3. utvinning og pålitelig lokalisering av radioaktiv forurensning;
4. daglig dosimetrisk kontroll av NPP-lokaler og individuell dosimetrisk kontroll av personell.

NPP-lokaler, avhengig av driftsmåten og utstyret som er installert i dem, er delt inn i 3 kategorier:

1. streng regime sone;
2. begrenset sone;
3. normal modus sone.

Personell er konstant i rommene i den tredje kategorien; disse rommene på stasjonen er strålingssikre.

Kjernekraftverk genererer fast, flytende og gassformig radioaktivt avfall. De skal deponeres på en slik måte at det ikke skapes forurensning av miljøet.

Gassene som fjernes fra rommet under ventilasjon kan inneholde radioaktive stoffer i form av aerosoler, radioaktivt støv og radioaktive gasser. Ventilasjonen til stasjonen er bygget på en slik måte at luftstrømmer går fra de mest "rene" til "forurenset", og tverrstrømmer i motsatt retning er utelukket. I alle rom på stasjonen utføres en fullstendig utskifting av luft innen ikke mer enn en time.

Under driften av kjernekraftverk oppstår problemet med fjerning og deponering av radioaktivt avfall. Brenselelementer brukt i reaktorer tåler en viss tid i vannbassenger direkte ved kjernekraftverk inntil stabilisering av isotoper med kort halveringstid skjer, hvoretter brenselelementene sendes til spesielle radiokjemiske anlegg for regenerering. Der utvinnes kjernebrensel fra brenselstavene, og radioaktivt avfall graves ned.