Kovové palivo pre jadrové reaktory. Jadrové palivo: druhy a spracovanie

Životný cyklus jadrového paliva na báze uránu alebo plutónia sa začína v banských podnikoch, chemických závodoch, v plynových odstredivkách a nekončí v momente, keď je palivový súbor vyložený z reaktora, pretože každý palivový súbor musí prejsť dlhou cestou. likvidácie a následného spracovania.

Ťažba surovín pre jadrové palivo

Urán je najťažší kov na Zemi. Asi 99,4 % zemského uránu tvorí urán 238 a len 0,6 % urán 235. Správa Červenej knihy Medzinárodnej agentúry pre atómovú energiu ukazuje, že produkcia a dopyt po uráne stúpajú aj napriek jadrovej havárii vo Fukušime, ktorá mnohých nechala uvažovať o perspektívach jadrovej energie. Len za posledných pár rokov sa overené zásoby uránu zvýšili o 7 %, čo súvisí s objavovaním nových ložísk. Najväčšími producentmi zostávajú Kazachstan, Kanada a Austrália, ťažia až 63 % svetového uránu. Okrem toho sú zásoby kovov k dispozícii v Austrálii, Brazílii, Číne, Malawi, Rusku, Nigeri, USA, Ukrajine, Číne a ďalších krajinách. Predtým Pronedra napísal, že v roku 2016 sa v Ruskej federácii vyťažilo 7,9 tisíc ton uránu.

Dnes sa urán ťaží tromi rôznymi spôsobmi. Otvorená metóda nestráca svoj význam. Používa sa v prípadoch, keď sú ložiská blízko povrchu zeme. Pri otvorenej metóde vytvárajú buldozéry lom, potom sa ruda s nečistotami nakladá do sklápačov na prepravu do spracovateľských komplexov.

Rudné teleso často leží vo veľkej hĺbke, v tomto prípade sa používa metóda podzemnej ťažby. Baňa je vykopaná až do hĺbky dvoch kilometrov, hornina sa ťaží vŕtaním v horizontálnych štôlňach a prepravuje sa nahor v nákladných výťahoch.

Zmes, ktorá sa týmto spôsobom prepravuje nahor, má veľa zložiek. Hornina sa musí rozdrviť, zriediť vodou a prebytok odstrániť. Potom sa do zmesi pridá kyselina sírová, aby sa uskutočnil proces lúhovania. Počas tejto reakcie chemici získajú žltú zrazeninu uránových solí. Nakoniec sa urán s nečistotami čistí v rafinérii. Až potom vzniká oxid uránový, s ktorým sa obchoduje na burze.

Existuje oveľa bezpečnejšia, šetrnejšia k životnému prostrediu a nákladovo efektívna metóda nazývaná lúhovanie in situ (ISL).

Pri tomto spôsobe ťažby zostáva územie pre personál bezpečné a radiačné pozadie zodpovedá pozadiu vo veľkých mestách. Na ťažbu uránu pomocou lúhovania je potrebné vyvŕtať 6 otvorov v rohoch šesťuholníka. Prostredníctvom týchto vrtov sa kyselina sírová čerpá do uránových ložísk a mieša sa s jeho soľami. Tento roztok sa extrahuje, konkrétne sa čerpá cez studňu v strede šesťuholníka. Na dosiahnutie potrebnej koncentrácie uránových solí zmes niekoľkokrát prechádza cez sorpčné kolóny.

Výroba jadrového paliva

Výrobu jadrového paliva si nemožno predstaviť bez plynových centrifúg, ktoré sa používajú na výrobu obohateného uránu. Po dosiahnutí požadovanej koncentrácie sa oxid uraničitý lisuje do takzvaných tabliet. Vytvárajú sa pomocou mazív, ktoré sa odstraňujú počas vypaľovania v peciach. Teplota vypaľovania dosahuje 1000 stupňov. Potom sa tablety skontrolujú, či spĺňajú uvedené požiadavky. Dôležitá je kvalita povrchu, vlhkosť a pomer kyslíka a uránu.

Zároveň sa v ďalšej dielni pripravujú rúrkové plášte pre palivové články. Vyššie uvedené procesy, vrátane následného dávkovania a balenia tabliet do obalových skúmaviek, tesnenia, dekontaminácie, sa nazývajú výroba paliva. V Rusku vytváranie palivových kaziet (FA) vykonáva Mashinostroitelny Zavod v Moskovskej oblasti, Novosibirský závod na chemické koncentráty v Novosibirsku, Moskovský závod na výrobu polymérov a ďalšie.

Každá dávka palivových kaziet je vytvorená pre konkrétny typ reaktora. Európske palivové súbory sú vyrobené v tvare štvorca, zatiaľ čo ruské majú šesťhranný prierez. Reaktory typu VVER-440 a VVER-1000 sú v Ruskej federácii široko používané. Prvé palivové články pre VVER-440 sa začali vyvíjať v roku 1963 a pre VVER-1000 - v roku 1978. Napriek tomu, že v Rusku sa aktívne zavádzajú nové reaktory s bezpečnostnými technológiami po Fukušime, v krajine aj v zahraničí funguje veľa starých jadrových zariadení, takže palivové kazety pre rôzne typy reaktorov zostávajú rovnako dôležité.

Napríklad na zabezpečenie palivových kaziet pre jednu aktívnu zónu reaktora RBMK-1000 je potrebných viac ako 200 tisíc komponentov vyrobených zo zliatin zirkónia, ako aj 14 miliónov spekaných peliet oxidu uranového. Niekedy môžu náklady na výrobu palivovej zostavy prevýšiť náklady na palivo obsiahnuté v prvkoch, a preto je také dôležité zabezpečiť vysokú energetickú účinnosť na kilogram uránu.

Náklady na výrobné procesy v %

Samostatne stojí za zmienku palivové kazety pre výskumné reaktory. Sú navrhnuté tak, aby bolo pozorovanie a štúdium procesu generovania neutrónov čo najpohodlnejšie. Takéto palivové tyče na experimenty v oblasti jadrovej fyziky, výroby izotopov a radiačnej medicíny vyrába v Rusku závod na chemické koncentráty v Novosibirsku. FA sú vytvorené na báze bezšvíkových prvkov s uránom a hliníkom.

Výrobu jadrového paliva v Ruskej federácii zabezpečuje palivová spoločnosť TVEL (divízia Rosatomu). Spoločnosť pracuje na obohacovaní surovín, montáži palivových článkov a poskytuje aj služby udeľovania licencií na pohonné hmoty. Mechanický závod Kovrov vo Vladimirskej oblasti a závod na plynové odstredivky Ural v regióne Sverdlovsk vytvárajú zariadenia pre ruské palivové kazety.

Vlastnosti prepravy palivových tyčí

Prírodný urán sa vyznačuje nízkou úrovňou rádioaktivity, avšak pred výrobou palivových kaziet sa kov podrobuje procesu obohacovania. Obsah uránu-235 v prírodnej rude nepresahuje 0,7% a rádioaktivita je 25 becquerelov na 1 miligram uránu.

Uránové pelety, ktoré sú umiestnené v palivových kazetách, obsahujú urán s koncentráciou uránu-235 5 %. Hotové palivové kazety s jadrovým palivom sa prepravujú v špeciálnych vysokopevnostných kovových kontajneroch. Na prepravu sa používa železničná, cestná, námorná a dokonca aj letecká doprava. Každá nádoba obsahuje dve zostavy. Preprava neožiareného (čerstvého) paliva nepredstavuje radiačné nebezpečenstvo, keďže žiarenie nepresahuje zirkónové trubice, do ktorých sú umiestnené lisované uránové pelety.

Pre prepravu paliva je vyvinutá špeciálna trasa, náklad je prepravovaný v sprievode bezpečnostného personálu od výrobcu alebo zákazníka (častejšie), čo je spôsobené predovšetkým vysokou cenou zariadenia. V celej histórii výroby jadrového paliva nebola zaznamenaná ani jedna dopravná nehoda palivových kaziet, ktorá by ovplyvnila radiačné pozadie prostredia alebo viedla k obetiam na životoch.

Palivo v aktívnej zóne reaktora

Jednotka jadrového paliva - TVEL - je schopná uvoľniť obrovské množstvo energie počas dlhého časového obdobia. Uhlie ani plyn sa s takýmito objemami nemôžu porovnávať. Životný cyklus paliva v akejkoľvek jadrovej elektrárni začína vyložením, vyskladnením a uskladnením čerstvého paliva v sklade palivových súborov. Keď predchádzajúca dávka paliva v reaktore dohorí, personál zostaví palivové kazety na naloženie do aktívnej zóny (pracovný priestor reaktora, kde dochádza k rozpadovej reakcii). Palivo sa spravidla čiastočne dopĺňa.

Plné palivo sa pridáva do aktívnej zóny až v čase prvého spustenia reaktora. Je to spôsobené tým, že palivové tyče v reaktore horia nerovnomerne, pretože tok neutrónov má v rôznych zónach reaktora rôznu intenzitu. Vďaka meracím zariadeniam má personál stanice možnosť v reálnom čase sledovať stupeň vyhorenia každej jednotky paliva a vykonávať výmenu. Niekedy sa namiesto nakladania nových palivových kaziet presúvajú medzi sebou. V strede aktívnej zóny dochádza k vyhoreniu najintenzívnejšie.

FA po jadrovej elektrárni

Urán, ktorý sa minul v jadrovom reaktore, sa nazýva ožiarený alebo spálený. A takéto palivové kazety sa používajú ako vyhorené jadrové palivo. VJP sa umiestňuje oddelene od rádioaktívneho odpadu, pretože má minimálne 2 užitočné zložky – nespálený urán (hĺbka vyhorenia kovu nikdy nedosiahne 100 %) a rádionuklidy transuránu.

Nedávno fyzici začali využívať rádioaktívne izotopy nahromadené vo vyhoretom jadrovom palive v priemysle a medicíne. Po ukončení kampane (čas, kedy je zostava v aktívnej zóne reaktora v prevádzkových podmienkach pri menovitom výkone) sa palivo posiela do chladiaceho bazéna, následne do skladu priamo v reaktorovom priestore a následne na prepracovanie alebo likvidáciu. Chladiaci bazén je navrhnutý tak, aby odvádzal teplo a chránil pred ionizujúcim žiarením, keďže palivový súbor zostáva nebezpečný aj po vybratí z reaktora.

V USA, Kanade alebo Švédsku sa vyhorené palivo neposiela na prepracovanie. Ostatné krajiny vrátane Ruska pracujú na uzavretom palivovom cykle. Umožňuje vám výrazne znížiť náklady na výrobu jadrového paliva, pretože časť vyhoreného paliva sa opätovne používa.

Palivové tyče sa rozpustia v kyseline, potom výskumníci oddelia plutónium a nevyužitý urán od odpadu. Asi 3 % surovín nemožno opätovne použiť, ide o vysokoaktívne odpady, ktoré prechádzajú bitúmenačnými alebo vitrifikačnými postupmi.

Z vyhoreného jadrového paliva možno získať 1 % plutónia. Tento kov nie je potrebné obohacovať, Rusko ho používa v procese výroby inovatívneho paliva MOX. Uzavretý palivový cyklus umožňuje zlacniť jednu palivovú kazetu približne o 3 %, táto technológia si však vyžaduje veľké investície do výstavby priemyselných celkov, preto sa vo svete zatiaľ nerozšírila. Palivová spoločnosť Rosatom však výskum v tomto smere nezastavuje. Pronedra nedávno napísal, že Ruská federácia pracuje na palive schopnom recyklovať izotopy amerícia, kúria a neptúnia v aktívnej zóne reaktora, ktoré sú súčasťou rovnakých 3 % vysoko rádioaktívneho odpadu.

Výrobcovia jadrového paliva: hodnotenie

1. Francúzska spoločnosť Areva donedávna zabezpečovala 31 % celosvetového trhu s palivovými kazetami. Spoločnosť vyrába jadrové palivo a montuje komponenty pre jadrové elektrárne. V roku 2017 prešla Areva kvalitatívnou rekonštrukciou, do spoločnosti prišli noví investori a kolosálna strata z roku 2015 sa znížila 3-krát.
2. Westinghouse je americká divízia japonskej spoločnosti Toshiba. Aktívne rozvíja trh vo východnej Európe a dodáva palivové súbory do ukrajinských jadrových elektrární. Spolu s Toshibou zabezpečuje 26 % celosvetového trhu výroby jadrového paliva.
3. Na treťom mieste je palivová spoločnosť TVEL štátnej korporácie Rosatom (Rusko). TVEL zabezpečuje 17 % globálneho trhu, má portfólio desaťročných zmlúv v hodnote 30 miliárd USD a dodáva palivo do viac ako 70 reaktorov. TVEL vyvíja palivové kazety pre reaktory VVER a tiež vstupuje na trh jadrových elektrární západného dizajnu.
4. Japan Nuclear Fuel Limited podľa najnovších údajov zabezpečuje 16 % svetového trhu a dodáva palivové kazety do väčšiny jadrových reaktorov v samotnom Japonsku.
5. Mitsubishi Heavy Industries je japonský gigant, ktorý vyrába turbíny, tankery, klimatizácie a najnovšie aj jadrové palivo pre reaktory západného typu. Mitsubishi Heavy Industries (divízia materskej spoločnosti) sa spolu s Arevou zaoberá výstavbou jadrových reaktorov APWR a výskumnými aktivitami. Túto spoločnosť si japonská vláda vybrala na vývoj nových reaktorov.

Ústrednou fázou jadrového palivového cyklu je využitie jadrového paliva v reaktore jadrovej elektrárne na výrobu tepelnej energie. Jadrový reaktor je ako energetické zariadenie generátorom tepelnej energie určitých parametrov, získanej štiepením jadier uránu a sekundárneho palivového prvku plutónia vytvoreného v reaktore (obr. 6.22). Účinnosť premeny tepelnej energie na elektrickú je daná dokonalosťou termohydraulických a elektrických obvodov jadrovej elektrárne.

Vlastnosti spaľovania jadrového paliva v aktívnej zóne reaktora spojené s výskytom rôznych jadrových reakcií s palivovými článkami určujú špecifiká jadrovej energetiky, prevádzkové podmienky jadrových elektrární, ekonomické ukazovatele, vplyv na životné prostredie, sociálne a ekonomické dôsledky. .

Efektívnosť využitia jadrového paliva v jadrových elektrárňach s tepelnými neutrónovými reaktormi je charakterizovaná priemernou ročnou produkciou energie na 1 tonu (resp. 1 kg) paliva naloženého a spotrebovaného v reaktore - jeho priemerné vyhorenie (jeho rozmer je MW deň/t ). V procese vyhorenia uránového paliva v dôsledku jadrových reakcií dochádza k výraznej zmene jeho nuklidového zloženia Obrázok 6.23 ukazuje typický graf tohto procesu vo vzťahu k projektovým podmienkam aktívnej zóny reaktora VVER-1000 s počiatočným obohatením x = 4,4 % (44 kg/t) a priemerné projektované vyhorenie paliva B = 40 10 3 MW deň/t (alebo α = 42 kg/t) a na obrázku 6.24 je vypočítaný graf zmien v zložení nuklidov paliva pri x = 2 % a B = 20 10 3 MW deň/t v aktívnej zóne reaktora RBMK-1000. Je vidieť, že ako 235 U vyhorí, v dôsledku radiačného záchytu neutrónov jadrami 238 U sa objavia štiepne izotopy plutónia 239 Pu, 241 Pu a neštiepne izotopy 240 Pu, 242 Pu, ako aj 236 U. a hromadia sa.Okrem toho dochádza v palive k procesom tvorby a rozpadu ďalších prvkov transuránu a transplutónia (obr. 6.25), ktorých množstvo je relatívne malé a v ekonomických výpočtoch sa nezohľadňuje.

Obrázok 6.26 ukazuje závislosť zmeny zloženia nuklidov v uránovom palive reaktora PWR, ktorý má počiatočné obohatenie 3,44 %, od toku neutrónov. Vypočítaný príspevok izotopov štiepneho plutónia (239 Pu a 241 Pu) k celkovému energetickému výkonu jadrového reaktora VVER-1000 je viac ako 33 %. Tento proces prebieha aj v iných tepelných neutrónových reaktoroch. Príspevok plutónia k štiepeniu a produkcii energie je väčší, čím vyšší je reprodukčný faktor (BR) plutónia a tým väčšie je priemerné spaľovanie paliva.

Množstvo akumulovaných izotopov plutónia vo vyhoretom palive má veľký význam pre technicko-ekonomické výpočty a hodnotenia v jadrovej energetike. Po vyťažení z vyhoreného paliva pri chemickom prepracovaní sú aj komerčnými produktmi jadrových elektrární.

Pomer hmotnosti z* všetkých alebo iba z izotopov plutónia nahromadeného vo vyhoretom palive štiepenom tepelnými neutrónmi k hmotnosti α štiepnych jadier obsiahnutých v 1 tone vyhoreného paliva sa zvyčajne nazýva koeficient akumulácie plutónia (CN):

КН=z/ α ; KH*=z*/ α ,

kde z* je hmotnosť všetkých izotopov plutónia nahromadených vo vyhoretom palive (vrátane straty 235U v dôsledku premeny na 236U bez štiepenia). Na približný výpočet CN môžete použiť grafy zmien nuklidového zloženia paliva (pozri obr. 6.23 a 6.24), zostavené na základe jadrových fyzikálnych výpočtov. Nárast priemerného vyhorenia B je sprevádzaný (tab. 6.13) poklesom množstva plutónia vo vyhoretom palive, ale zvýšením jeho podielu na celkovom energetickom výkone reaktora. Tento podiel je tým vyšší, čím väčšia je hodnota integrálu CF (pomer počtu vytvorených štiepnych nuklidov k počtu štiepnych nuklidov).

Tabuľka 6.13 Vyhorenie paliva a akumulácia plutónia v tepelných neutrónových reaktoroch

Pri analýze materiálovej bilancie 235 U v jadrovom palive je potrebné brať do úvahy jeho nevratné straty v aktívnej zóne reaktora spôsobené záchytom neutrónov izotopom 235 U bez štiepenia 235 U+n → 236 U + γ.

Značná časť 235 U sa neštiepi, ale mení sa na umelý neštiepny rádioaktívny izotop 236 U. Pravdepodobnosť vzniku 236 U z 235 U sa rovná pomeru prierezu pre záchyt radiačných neutrónov 235-kou. Izotop U (σ n γ = 98,36 pre E n = 0,0253 eV) k súčtu prierezov radiačného záchytu a štiepenia (σ ~ 580 barn). V bilancii 235 U naložených do aktívnej zóny reaktora je teda potrebné brať do úvahy nielen spotrebu jadier 235 U pri jeho štiepnom procese, ale aj stratu (~ 15 %) jadier 235 U nenávratne stratených do vznik 236 U.

Obrázok 6.27 znázorňuje úroveň akumulácie 236 U v tlakovodnom reaktore modernej jadrovej elektrárne s rôznym počiatočným obohatením paliva v závislosti od hĺbky jeho vyhorenia.

Vznik 236 U zase vedie k jeho spotrebe v procese tvorby nových prvkov 237 Np a 238 Pu (pozri obr. 6.22). Vzťahy na obrázku 6.27 zohľadňujú tento proces. Pri hĺbke vyhorenia 30·10 3 MW·deň/t v tepelných neutrónových reaktoroch vzniká 0,35–0,40 % 236 U s obohatením paliva ~ 3,4 % 235 U.

Keď jadro VWR obsahuje 0,12 % 236 U, strata dosiahnuteľného vyhorenia bude 10 3 MW deň/t, pri 0,4 % 236 U – 2,5 10 3 MW deň/t, pri 1 % 236 U – 5·10 3 MW· deň/t. V existujúcich ľahkovodných reaktoroch je na kompenzáciu negatívneho vplyvu 236 U a získanie požadovaných energetických charakteristík potrebné zvýšiť počiatočné obohatenie paliva o 235 U, čo zvyšuje náklady na cyklus jadrového paliva.

Používanie jadrového paliva v reaktoroch jadrových elektrární zahŕňa tieto hlavné operácie:

• vykládka, príjem a skladovanie čerstvého paliva prijatého z dodávateľského závodu na sklade palivových súborov;
• montáž palivových kaziet na nakladanie do reaktora spolu s regulačnými tyčami;
• nakladanie palivových kaziet do aktívnej zóny reaktora (počiatočné alebo v poradí periodickej a čiastočnej prekládky); efektívne využitie paliva v aktívnej zóne reaktora (získanie daného výkonu tepelnej energie v reaktore).

Jadrové palivo vyhorené v reaktore sa presúva do chladiaceho bazéna umiestneného v reaktorovej hale a zostáva tam niekoľko rokov. Takáto dlhá expozícia umožňuje výrazne znížiť počiatočnú rádioaktivitu a uvoľňovanie zvyškového tepla palivových kaziet, vyradiť netesné kazety a palivové tyče, aby sa uľahčila úloha prepravy vyhoretého paliva z územia jadrovej elektrárne (tabuľka 6.14). .

Z chladiacich bazénov sa vyhoreté palivo prekladá do prepravných kontajnerov inštalovaných na špeciálnych železničných plošinách alebo iných vozidlách. Touto operáciou sa končí najdlhšia – centrálna – etapa jadrového palivového cyklu v jadrovej elektrárni. Niektoré jadrové elektrárne majú dlhodobé vyrovnávacie skladovanie vyhoreného paliva alebo môžu obsahovať kazety vyhoreného paliva v špeciálnych kontajneroch prispôsobených na suché dlhodobé skladovanie.

Typy palivového cyklu. Existuje množstvo typov palivového cyklu v závislosti od typu reaktora, ktorý je zaťažovaný, a od toho, čo sa stane s vyhoreným palivom vypusteným z reaktora. Obrázok 6.28 znázorňuje schému otvoreného (otvoreného) palivového cyklu.

Vyhoreté palivo je skladované na dobu neurčitú v bazéne skladovania vody na území jadrovej elektrárne. V tejto súvislosti je potrebné zabezpečiť bezpečnosť pri práci s ním, balení a prevoze vyhoretého paliva na miesto trvalého uskladnenia pri využívaní štátnych skladov. Tento cyklus nezahŕňa proces regenerácie alebo obohacovania štiepnych materiálov obsiahnutých v spálenom palive. Obrázok 6.29 znázorňuje cyklus, v ktorom sa vyhorené palivo spracováva tak, aby sa získal iba urán. Prvky plutónia a transuránu sa v tomto cykle považujú za vysokoaktívny odpad (HLW).

Urán sa dodáva späť do obohacovacieho zariadenia, aby sa zvýšilo percento obohatenia z 0,8 na 3 %, čo je dostatočné na opätovné použitie ako palivo pre WWR. „Odpad“ vyžaduje správnu manipuláciu, balenie a prepravu na miesto trvalého uskladnenia. Kompletnejší palivový cyklus je znázornený na obrázku 6.30. Tu sa okrem uránu ťaží aj plutónium. Keďže plutónium je štiepny materiál, možno ho použiť ako palivo. Oxid plutónia zmiešaný s oxidom uránu sa môže opätovne použiť v cykle VWR. Táto palivová zmes, používaná v pilotných zostavách v mnohých komerčných reaktoroch, preukázala svoje úspešné využitie ako palivo pre VWR.

Tabuľka 6.14 Zmena mernej aktivity a uvoľňovania tepla na 1 tonu vyhoreného paliva vyloženého z VVER pri priemernom vyhorení 33 10 3 MW deň/t

Recyklácia plutónia však nedosiahla komerčné využitie v dôsledku množstva interferencií a obmedzení. Japonsko a Nemecko prejavili veľký záujem o recykláciu plutónia. V Japonsku bolo hlavným motívom zabezpečenie nezávislosti pri získavaní paliva pre jadrové elektrárne. V Nemecku to chceli využiť na výrazné zjednodušenie likvidácie vysokoaktívneho odpadu.

Je tiež možné kombinovať VWR a rýchle reaktory na základe tretej verzie palivového cyklu. Plutónium získané z vyhoreného paliva sa môže použiť ako prvá palivová náplň pre rýchly reaktor.

Toto je najefektívnejšie využitie plutónia, pretože jeho najlepšie vlastnosti sa objavujú v rýchlej časti neutrónového spektra. Tento smer sa používa vo Francúzsku.

Plutónium vyrobené vo francúzskych prepracovateľských závodoch sa skladuje na neskoršie použitie v programe vývoja rýchlych reaktorov. Rýchly neutrónový reaktor vyžaduje vlastný palivový cyklus s vlastnými špecifikami a vlastnosťami. Táto špecifickosť je určená hlbokým vyhorením paliva v chovateľskom zariadení (3-krát a viackrát väčším ako pri VVR). Ďalší cyklus je založený na použití tória, ktoré síce nie je štiepnym materiálom, ale v reaktore sa premieňa na 23 U. Tórium sa využívalo v demonštračných jadrových elektrárňach s reaktorom WWR (Indian Point 1 a Shippingport), ale tórium cyklus nedostal priemyselný rozvoj. Cyklus tória sa používa vo vysokoteplotných plynových reaktoroch (v ktorých je palivo uzavreté v grafitovej matrici).

V súčasnosti sa v dôsledku zintenzívnenia prác na zdokonaľovaní reaktorov a jadrových elektrární všeobecne mení postoj mnohých krajín k voľbe typu jadrového palivového cyklu. Čoraz viac vývojárov sa prikláňa k voľbe uzavretého (uzavretého) palivového cyklu. Na druhej strane jedna zo správ na konferencii MAAE v septembri 2004, ktorá analyzovala situáciu s výberom typu jadrového palivového cyklu s prihliadnutím na rastúci dopyt po energii, uvádza, že otvorené, čiže jednorazové palivo cyklus má významné výhody v porovnaní s uzavretým cyklom, pokiaľ ide o výrobné náklady, problémy s nešírením jadrových zbraní a prevádzkovú bezpečnosť palivového cyklu. Podľa správy je na svete dostatok prírodnej uránovej rudy na podporu spustenia 1000 nových reaktorov v priebehu nasledujúcich päťdesiatich rokov. „Jednorazová“ metóda využívania jadrového paliva zostane relatívne lacná a bezpečná, kým sa nevyčerpajú ložiská uránovej rudy a kým jadrové mocnosti nezačnú spracovávať nahromadené vyhorené palivo na plutónium, ktoré je vedľajším produktom spaľovania, ktorý sa nevyskytuje v prírode. urán. Zároveň nie je analyzovaná situácia s nákladmi na operácie ukladania vyhoretého jadrového paliva a rádioaktívnych odpadov. S vyčerpaním zásob uránovej rudy sa však môžu zvýšiť náklady na prevádzku otvoreného palivového cyklu, ktorý je opakom uzavretého cyklu. Aby sa však predišlo nevýslovným rizikám spojeným s používaním uzavretého cyklu, odborníci odporúčajú, aby vlády a vedúci predstavitelia jadrového priemyslu jadrových veľmocí naďalej prevádzkovali otvorený cyklus pred uzavretým cyklom kvôli vysokým nákladom na vyhorené palivo. proces prepracovania a vývoj v oblasti nových termonukleárnych alebo rýchlych neutrónových reaktorov. Autori správy dôrazne odporúčajú, aby výskum a vývoj palivového cyklu smerovali k vývoju technológií, ktoré by pri normálnej prevádzke, t. ako je plutónium) a malé aktinidy. V správe sa uvádza, že praktiky uzavretého palivového cyklu, ktoré sa v súčasnosti zavádzajú v západnej Európe a Japonsku, nespĺňajú toto kritérium. Jeho autori preto tvrdia, že analýza palivového cyklu, výskum, vývoj a testovanie musia zahŕňať jasné posúdenie možného rizika šírenia jadrových materiálov a opatrení potrebných na minimalizáciu tohto rizika. Ak je však najpravdepodobnejšou prognózou budúcnosti jadrovej energetiky celosvetový rast jadrového priemyslu založený na otvorenom palivovom cykle, potom by podľa autorov správy mali byť medzinárodné dohody o skladovaní vyhoreného paliva zavedené do desiatich rokov. rokov, čo by malo výrazne znížiť potenciálne riziko šírenia jadrových zbraní.

V budúcej rozsiahlej výrobe jadrovej energie pomocou rýchlych neutrónov v zóne jadrových reakcií by sa malo realizovať nielen štiepenie aktinoidov, ale aj výroba izotopov plutónia zo surového jadrového paliva urán-238 - vynikajúce jadrové palivo. . Keď je faktor rozmnožovania vyšší ako 1, môže sa vo vyloženom jadrovom palive získať viac plutónia, ako bolo spálené. Vyložené jadrové palivo z rýchlych jadrových reaktorov musí ísť do rádiochemického závodu, kde sa zbaví produktov štiepenia, ktoré pohlcujú neutróny. Potom sa palivo skladajúce sa z uránu 238 a aktinoidov (Pu, Np, Cm, Am), dostatočné na uskutočnenie reťazovej jadrovej reakcie, spolu s prísadou ochudobneného uránu opäť naváža do aktívnej zóny jadrovej elektrárne. V rýchlom neutrónovom jadrovom reaktore možno takmer všetok urán-238 spáliť počas rádiochemického spracovania.

Podľa autorov správy budú vo veľkej jadrovej energetike dominovať rýchle neutrónové jadrové reaktory. Palivo vypúšťané z týchto reaktorov obsahuje veľké množstvo izotopov aktinidov (Pu, Np, Cm, Am), vyznačuje sa veľkým vyhorením, čo znamená, že na jednotku hmotnosti jadrového paliva bude viac štiepnych produktov.

Ešte je potrebné vytvoriť rádiochemické technológie, ktoré poskytujú:

• jadrová bezpečnosť zohľadňujúca výrazne väčší počet malých aktinoidov s vlastnými kritickými hmotnosťami;
• hlboké čistenie štiepnych produktov od aktinoidov, aby nevznikali ťažkosti pri ich skladovaní, pochovávaní a transmutácii;
• maximálne zníženie množstva procesného odpadu;
• pokročilejšie čistenie plynov vznikajúcich pri rádiochemickom spracovaní z jódu, trícia, kryptónu, rádioaktívnych aerosólov;
• radiačná bezpečnosť prevádzkového personálu;
• získanie chemických prvkov potrebných pre národné hospodárstvo, napríklad čistého α-zdroja;
• možnosť opätovného využitia materiálov nachádzajúcich sa v zóne jadrových reakcií a pozostávajúcich z cenných kovov (Ni, Cr, Nb, Mo. Ti, W, V), ktoré získali indukovanú aktivitu;
• ekonomicky realizovateľné rádiochemické spracovanie, konkurencieschopné v porovnaní s ťažbou prírodného uránu pre budúcu energiu.

V súčasnosti je v „mokrej“ elektrárni skladované vyhorené jadrové palivo zo štyroch ruských jadrových elektrární (Novo-Voronež, Balakovo, Kalinin, Rostov), ​​troch ukrajinských (juhoukrajinská, Chmelnicka, Rivne) a JE Kozloduj (Bulharsko). sklad RT-2 na regeneráciu VJP na území Federálneho štátneho jednotného podnikového banského a chemického kombinátu v Železnogorsku (Rusko). Sklad je podľa projektu navrhnutý na 6000 ton, predpokladá sa jeho zhutnenie s kapacitou 8600 ton vyhoreného jadrového paliva. Ožiarené palivové kazety (SFA) sú uložené pod vrstvou vody minimálne 2,5 metra nad kazetou, čo zabezpečuje spoľahlivú ochranu personálu pred všetkými druhmi rádioaktívneho ožiarenia. Vyhoreté jadrové palivo bude po uskladnení v mokrom sklade umiestnené do suchého skladu vyhoreného paliva (KhOT-2) s celkovou kapacitou 38 000 ton (z toho 27 000 ton na skladovanie vyhoretých palivových kaziet RBMK -1000 reaktorov, 11000 ton je na vyhoreté palivové kazety reaktorov VVER-1000), výstavba, ktorá je v súčasnosti v elektrárni v plnom prúde a prvá etapa bude uvedená do prevádzky v decembri 2009. Skladový komplex KhOT-2 zabezpečí bezpečné dlhodobé skladovanie vyhoretého paliva z reaktorov RBMK-1000 a VVER-1000 a jeho následný presun na rádiochemické spracovanie alebo podzemnú izoláciu. KHOT-2 bude vybavený modernými systémami monitorovania radiácie a jadrovej bezpečnosti.

Prečo práve urán?

Ľudstvo si zviazalo ruky a nohy elektrickými drôtmi. Domáce spotrebiče, priemyselné zariadenia, pouličné osvetlenie, trolejbusy, metro, elektrické vlaky - všetky tieto výhody civilizácie fungujú z elektrickej siete; stávajú sa bezvýznamnými „kusmi železa“, ak sa prúd z nejakého dôvodu stratí. Ľudia sú však už natoľko zvyknutí na neustále napájanie, že akýkoľvek výpadok spôsobuje nespokojnosť až nepohodlie. A naozaj, čo má človek robiť, ak sa mu naraz vypli všetky spotrebiče, vrátane tých najobľúbenejších – televízora, počítača a chladničky? Je obzvlášť ťažké vydržať „odlúčenie“ večer, keď po práci alebo štúdiu naozaj chcete, ako sa hovorí, predĺžiť denné svetlo. Zachráni vás tablet alebo telefón, no ich nabitie netrvá večne. Ešte horšie je ocitnúť sa vo „väzenskej cele“, ktorá sa v prípade výpadku prúdu môže zmeniť na kabínu výťahu alebo kabínu metra.

Prečo všetky tieto reči? A k tomu, že „elektrifikované“ ľudstvo potrebuje stabilné a výkonné zdroje energie - predovšetkým elektrinu. Ak je jej nedostatok, výpadky siete budú nepríjemne časté a životná úroveň sa zníži. Aby sa tento nepríjemný scenár nestal skutočnosťou, je potrebné stavať ďalšie a ďalšie elektrárne: globálna spotreba energie rastie a existujúce energetické jednotky postupne starnú.

Čo však môže moderná energetika, prevažne spaľujúca uhlie a plyn, ponúknuť na vyriešenie problému? Samozrejme, nové plynové inštalácie, ktoré ničia cenné chemické suroviny, či uhoľné bloky, ktoré dymia oblohu. Mimochodom, emisie z tepelných elektrární sú dobre známym environmentálnym problémom, ale podniky vyrábajúce fosílne palivá tiež poškodzujú životné prostredie. Jeho spotreba je ale enormná. Napríklad na zabezpečenie chodu klasickej chladničky počas roka budete musieť spáliť asi sto kilogramov uhlia alebo stovky metrov kubických zemného plynu. A to je len jeden domáci spotrebič, ktorých je veľa.

Mimochodom, koľko jadrového paliva bude treba na to, aby spomínaná chladnička fungovala celý rok? Je ťažké uveriť, ale... len jeden gram!

Kolosálna energetická náročnosť jadrového paliva vyrobeného z obohateného uránu z neho robí dôstojného konkurenta uhliu a plynu. V skutočnosti jadrová elektráreň spotrebuje stotisíckrát menej paliva ako tepelná elektráreň. To znamená, že ťažba na ťažbu uránu je v oveľa menšom rozsahu, čo je dôležité pre životné prostredie. Navyše – nevznikajú žiadne emisie skleníkových a toxických plynov.

Energetický blok jadrovej elektrárne s výkonom tisíc megawattov spotrebuje len tri desiatky ton jadrového paliva ročne a tepelná stanica s rovnakou kapacitou si vyžiada asi tri milióny ton uhlia alebo tri miliardy metrov kubických plynu. . Inými slovami, na získanie rovnakého množstva elektriny budete potrebovať buď niekoľko vlakových vozňov s jadrovým palivom za rok, alebo niekoľko vlakov s uhlím... denne.

A čo obnoviteľné zdroje energie? Sú, samozrejme, dobré, ale stále potrebujú zlepšenie. Vezmime si napríklad oblasť, ktorú zaberá stanica. V prípade veterných generátorov a solárnych panelov je o dva rády vyššia ako u bežných elektrární. Napríklad, ak sa jadrová elektráreň (JE) zmestí do oblasti niekoľkých kilometrov štvorcových, potom veterná farma alebo solárne pole rovnakej sily zaberie niekoľko stoviek kilometrov štvorcových. Jednoducho povedané, pomer plôch je ako pomer malej dediny a veľmi veľkého mesta. V púšti tento ukazovateľ nemusí byť dôležitý, ale v oblasti poľnohospodárstva alebo lesníctva to tak môže byť.

Treba spomenúť, že jadrové palivo je vždy pripravené na prácu, bez ohľadu na ročné, denné či poveternostné výkyvy, pričom slnko v noci v podstate nesvieti a vietor fúka, kedy sa mu zachce. Navyše v niektorých oblastiach nebude obnoviteľná energia vôbec zisková kvôli nízkemu toku slnečnej energie alebo nízkej priemernej rýchlosti vetra. Pre jadrové elektrárne takéto problémy jednoducho neexistujú.

Tieto výhody jadrovej energie predurčili významnú úlohu uránu – ako jadrového paliva – pre modernú civilizáciu.

Kto koľko dostal?

V jednej starej sovietskej karikatúre zvieratá riešili dôležitý problém - delenie pomaranča. Výsledkom bolo, že každý okrem vlka dostal chutný šťavnatý plátok; sivá sa musela uspokojiť so šupkou. Inými slovami, nezískal cenný zdroj. Z tohto hľadiska je zaujímavé vedieť, ako je to s uránom: majú všetky krajiny sveta jeho zásoby, alebo sú tam chudobné?

V skutočnosti je na Zemi veľa uránu a tento kov možno nájsť takmer všade: v kôre našej planéty, vo Svetovom oceáne, dokonca aj v ľudskom tele. Problém spočíva v jeho „rozptyľovaní“, „šírení“ po zemských horninách, čo má za následok nízku koncentráciu uránu, najčastejšie nepostačujúcu na organizovanie ekonomicky rentabilnej priemyselnej výroby. Miestami sa však nachádzajú zhluky s vysokým obsahom uránu – ložiská. Sú rozdelené nerovnomerne, a preto sa zásoby uránu v jednotlivých krajinách líšia. Väčšina ložísk tohto prvku „odplávala“ spolu s Austráliou; Okrem toho mali šťastie Kazachstan, Rusko, Kanada a krajiny Južnej Afriky. Tento obraz však nezamrzol, situácia sa neustále mení v dôsledku prieskumu nových ložísk a vyčerpávania starých.

Rozdelenie overených zásob uránu podľa krajín (pre zásoby s nákladmi na ťažbu< $130/кг)

Vo vodách Svetového oceánu je rozpustené obrovské množstvo uránu: viac ako štyri miliardy ton. Vyzeralo by to ako ideálny „vklad“ – nechcem ho ťažiť. Špeciálne sorbenty na extrakciu uránu z morskej vody vyvinuli vedci už v osemdesiatych rokoch minulého storočia. Prečo sa táto vynikajúca metóda nepoužíva všade? Problém je v tom, že koncentrácia kovu je príliš nízka: z tony vody sa dajú extrahovať len asi tri miligramy! Je jasné, že takýto urán bude príliš drahý. Odhaduje sa, že kilogram bude stáť niekoľko tisíc dolárov, čo je výrazne drahšie ako jeho „pozemný“ náprotivok. Vedci však nie sú naštvaní a vymýšľajú stále účinnejšie sorbenty. Možno sa teda táto metóda ťažby čoskoro stane konkurencieschopnou.

K dnešnému dňu celkový počet preukázaných zásob uránu s výrobnými nákladmi nižšími ako 130 dolárov za kilogram presahuje 5,9 milióna ton. Je toto priveľa? Úplne stačí: ak celkový výkon jadrových elektrární zostane na súčasnej úrovni, potom urán vydrží sto rokov. Pre porovnanie, overené zásoby ropy a plynu sa môžu vyčerpať už za tridsať až šesťdesiat rokov.

Prvých desať krajín z hľadiska zásob uránu na ich území (pre zásoby s výrobnými nákladmi< $130/кг)

Nemali by sme však zabúdať, že podľa prognóz sa jadrová energetika bude rozvíjať, takže teraz stojí za to premýšľať o tom, ako rozšíriť svoju zdrojovú základňu.

Jedným zo spôsobov riešenia tohto problému je vyhľadávanie a včasný vývoj nových ložísk. Podľa dostupných informácií by s tým nemali byť žiadne problémy: len v posledných rokoch sa našli nové ložiská v niektorých krajinách Afriky, Južnej Ameriky, ako aj vo Švédsku. Pravda, nedá sa s istotou povedať, aká rentabilná bude ťažba objavených zásob. Môže sa stať, že kvôli nízkemu obsahu uránu v rude a obtiažnosti získavania ložísk budú musieť niektoré z nich ponechať „na neskôr“. Faktom je, že ceny tohto kovu sú teraz dosť nízke. Z ekonomického hľadiska tu nie je nič prekvapivé. Po prvé, na svete sú stále ložiská pomerne ľahko ťažiteľného, ​​a teda lacného uránu - prichádza na trh a „zráža“ cenu. Po druhé, po havárii vo Fukušime niektoré krajiny upravili plány na výstavbu nových jadrových blokov a Japonsko úplne odstavilo všetky svoje jadrové elektrárne – došlo k poklesu dopytu, čo ešte viac znížilo cenu uránu. Ale nebude to trvať dlho. Do hry už vstúpili Čína a India, ktoré na svojom území plánujú rozsiahlu výstavbu jadrových elektrární. Menej ambiciózne projekty majú aj ďalšie ázijské krajiny, ako aj krajiny Afriky a Južnej Ameriky. Dokonca ani Japonsko sa zjavne nebude môcť rozlúčiť so svojou jadrovou energiou. Dopyt sa preto postupne obnoví a spolu s vyčerpaním lacných ložísk to povedie k zvýšeniu cien uránu. Analytici sa domnievajú, že čakanie je krátke, len niekoľko rokov. Potom bude možné uvažovať o rozvoji ložísk ponechaných „na neskôr“.

Zaujímavosťou je, že zoznamy krajín s najväčšími zásobami uránu a štátov s najrozvinutejšou jadrovou energetikou sa prakticky nezhodujú. V hlbinách Austrálie sa nachádza tretina svetového uránového „bohatstva“, no na zelenom kontinente nie je ani jedna jadrová elektráreň. Kazachstan, svetový líder vo výrobe tohto kovu, sa stále pripravuje na výstavbu niekoľkých jadrových blokov. Z ekonomických a iných dôvodov sa africké krajiny ani zďaleka nepripájajú ku globálnej „nukleárnej“ rodine. Jediná jadrová elektráreň na tomto kontinente sa nachádza v Juhoafrickej republike, ktorá nedávno oznámila želanie ďalej rozvíjať jadrovú energetiku. Zatiaľ si však aj Južná Afrika vzala oddychový čas.

Čo môžu robiť „jadrové“ giganty – USA, Francúzsko, Japonsko – a Čína a India, ktoré im idú na päty, ak sú ich potreby veľké a ich vlastné zásoby vyčerpané? Samozrejme, pokúsiť sa získať kontrolu nad uránovými ložiskami a podnikmi v iných krajinách. Táto úloha má strategický charakter a pri jej riešení vstupujú štáty do tvrdých bojov. Skupujú sa veľké spoločnosti, podnikajú sa politické manévre, realizujú sa podzemné plány s podplácaním tých správnych ľudí alebo právnymi vojnami. V Afrike môže tento boj vyústiť do občianskych vojen a revolúcií, skryto podporovaných poprednými štátmi, ktoré sa snažia prerozdeliť zóny vplyvu, a aj to vedie.

V tomto ohľade má Rusko šťastie: naše jadrové elektrárne majú celkom slušné vlastné zásoby uránu, ktorý sa ťaží na Transbajkalskom území, v regióne Kurgan a v Burjatskej republike. Okrem toho sa organizujú aktívne geologické prieskumné práce. Predpokladá sa, že ložiská v Transbaikalskej oblasti, Západnej Sibíri, Karélskej republike, Kalmyckej republike a Rostovskej oblasti majú veľký potenciál.

Okrem toho Rosatom vlastní aj zahraničné aktíva – veľké podiely v podnikoch na ťažbu uránu v Kazachstane, USA, Austrálii a pracuje aj na sľubných projektoch v južnej Afrike. Výsledkom je, že medzi poprednými svetovými spoločnosťami zaoberajúcimi sa výrobou uránu Rosatom suverénne drží tretie miesto za Kazatomprom (Kazachstan) a Cameco (Kanada).

Štúdiom chemického zloženia meteoritov, z ktorých niektoré sú marťanského pôvodu, vedci objavili urán. Je pravda, že jeho obsah sa ukázal byť výrazne nižší ako v zemských horninách. Áno, teraz je jasné, prečo nás Marťania často navštevujú vo svojich lietajúcich tanieroch.

Ale vážne sa verí, že urán je prítomný vo všetkých objektoch slnečnej sústavy. Napríklad v roku 2009 bol objavený v mesačnej pôde. Okamžite vznikli fantastické nápady, ako napríklad ťažba uránu na satelite a jeho následné odoslanie na Zem. Ďalšou možnosťou je „poháňať“ reaktory mesačných kolónií schúlených v blízkosti ložísk. Nánosy sa však ešte nehľadali; a z ekonomického hľadiska sa takáto výroba stále javí ako nerealizovateľná. Ale v budúcnosti - kto vie...

Ak budete dlho trpieť, dostanete palivo

Dostupnosť zásob uránovej rudy je len jednou zložkou úspechu. Na rozdiel od palivového dreva alebo uhlia, ktoré si pred vstupom do pece nevyžadujú obzvlášť zložitú prípravu, rudu nie je možné jednoducho rozrezať na kusy a hodiť do reaktora. Aby sme vysvetlili prečo, je potrebné spomenúť množstvo vlastností, ktoré sú vlastné uránu.

Z chemického hľadiska je tento prvok vysoko aktívny, inými slovami, má tendenciu vytvárať rôzne zlúčeniny; preto je hľadanie jeho nugetov v prírode, ako je zlato, úplne beznádejné. Čo sa potom nazýva uránová ruda? Hornina obsahujúca veľmi malé množstvo uránových minerálov. Často dodávajú: malý, ale stačí na to, aby priemyselnú výrobu schválili ekonómovia. Napríklad dnes sa považuje za vhodné ťažiť rudu, ktorej tona obsahuje len niekoľko kilogramov alebo dokonca stovky gramov uránu. Zvyšok je prázdna, nepotrebná hornina, z ktorej treba izolovať uránové minerály. Ale ani tie sa zatiaľ nedajú naložiť do jadrového reaktora. Faktom je, že tieto minerály najčastejšie predstavujú oxidy alebo nerozpustné soli uránu v spoločnosti ďalších prvkov. Niektoré z nich môžu byť cenné pre priemysel a organizácia ich pridruženej výroby môže zlepšiť ekonomickú výkonnosť. Ale aj keď to nie je potrebné, urán sa musí stále čistiť od nečistôt. V opačnom prípade by jadrové palivo vyrobené zo „špinavého“ uránu mohlo spôsobiť problémy s reaktorom alebo dokonca haváriu.

Avšak ani vyčistený urán nemožno s úplnou istotou nazvať jadrovým palivom. Háčikom je jeho izotopové zloženie: na tisíc atómov uránu v prírode pripadá iba sedem atómov uránu-235, ktorý je nevyhnutný na to, aby prebehla reťazová štiepna reakcia. Zvyšok tvorí urán-238, ktorý sa prakticky neštiepi a dokonca pohlcuje neutróny. Je však celkom možné spustiť reaktor využívajúci prírodný urán za predpokladu, že sa použije veľmi účinný moderátor, ako je drahá ťažká voda alebo čistý grafit. Len tie umožňujú neutróny vznikajúce pri štiepení jadra uránu-235 tak rýchlo spomaliť, že stihnú zasiahnuť ostatné jadrá uránu-235 a spôsobiť ich štiepenie a nebudú neslávne zachytené uránom-238. Z rôznych dôvodov však veľká väčšina svetových reaktorov používa iný prístup: prírodný urán je obohatený o štiepny izotop. Inými slovami, obsah atómov uránu-235 sa umelo zvyšuje zo siedmich na niekoľko desiatok promile. Vďaka tomu sa s nimi častejšie stretávajú neutróny a je možné použiť lacnejšie, aj keď menej účinné moderátory, napríklad obyčajnú vodu.

Je obohatený urán konečným produktom? Opäť nie, pretože energetické reaktory zabezpečujú prenos „jadrového“ tepla do chladiacej kvapaliny, ktorá premýva palivo – najčastejšie vodu. V dôsledku akumulácie produktov štiepenia sa palivo stáva vysoko rádioaktívnym, pretože zostáva v prevádzkovanom reaktore. Za žiadnych okolností sa nesmie nechať rozpustiť vo vode. Za týmto účelom sa urán prenesie do chemicky odolného stavu a je tiež izolovaný od chladiacej kvapaliny, pokrytý kovovým plášťom. Výsledkom je zložité technické zariadenie obsahujúce obohatené zlúčeniny uránu, ktoré možno s istotou nazvať jadrové palivo.

Spomínané operácie – ťažba uránu, jeho čistenie a obohacovanie, ako aj výroba jadrového paliva – sú počiatočnými fázami takzvaného jadrového palivového cyklu. S každým z nich sa musíte bližšie zoznámiť.

Polčas rozpadu uránu-238 je 4,5 miliardy rokov a uránu-235 iba 700 miliónov rokov. Ukazuje sa, že štiepny izotop sa rozkladá niekoľkokrát rýchlejšie ako hlavný. Ak sa nad tým zamyslíte, znamená to, že v minulosti bol obsah uránu-235 v prírodnej zmesi izotopov väčší ako teraz. Napríklad pred miliardou rokov malo z tisícky atómov uránu šestnásť jadro s 235 nukleónmi, pred dvomi miliardami rokov bol ich počet tridsaťsedem a pred tromi miliardami rokov dnes – až osemdesiat! V skutočnosti ruda v tých vzdialených časoch obsahovala urán, ktorý dnes nazývame obohatený. A pokojne by sa mohlo stať, že v niektorom ložisku by prírodný jadrový reaktor začal pracovať sám od seba!

Vedci sú presvedčení, že presne to sa stalo niekoľkým superbohatým ložiskám uránu v ložisku Oklo, ktoré sa nachádza v modernom Gabone. Pred 1,8 miliardami rokov sa v nich spontánne spustila jadrová reťazová reakcia. Iniciovali ho neutróny vznikajúce pri samovoľnom štiepení a následne sa spustila vysoká koncentrácia uránu-235 a prítomnosť vody v rude, neutrónového moderátora. Jedným slovom, reakcia sa stala samonosnou a pokračovala, teraz sa zintenzívnila, teraz mizne, niekoľko stoviek tisíc rokov. Potom reaktory „zhasli“, zrejme v dôsledku zmeny vodného režimu.

Dnes je to jediný známy prírodný jadrový reaktor. Navyše v súčasnosti takéto procesy nemôžu začať v žiadnej oblasti. Dôvod je celkom jasný – zostáva príliš málo uránu-235.

Skúste to vykopať

Uránové rudy sa na povrch dostávajú len zriedka. Najčastejšie ležia v hĺbke päťdesiat metrov až dva kilometre.

Plytké ložiská vznikajú povrchovou alebo, ako sa tiež nazýva, povrchovou ťažbou. Tvrdá hornina je vyvŕtaná a odstrelená, potom naložená do sklápačov pomocou vysokozdvižných vozíkov a odvezená z lomu. Voľné horniny sa ťažia a nakladajú do banských sklápačov pomocou konvenčných alebo rotačných rýpadiel a široko používané sú buldozéry. Výkon a veľkosť tohto zariadenia udivuje predstavivosť: napríklad už spomínané sklápače majú nosnosť sto a viac ton! Veľký je bohužiaľ aj samotný lom, ktorého hĺbka môže dosiahnuť tristo metrov. Po dokončení prác vyčnieva ako obrovská diera v zemskom povrchu a vedľa nej sa týčia hromady skál, ktoré zakrývali ložiská uránu. V zásade môže byť lom naplnený týmito skládkami, pričom sa na vrchu vysadí tráva a stromy; ale bude to neúmerne drahé. Preto sa jamy postupne napĺňajú vodou a vznikajú jazerá, ktoré sa pre zvýšený obsah uránu vo vode nedajú ekonomicky využiť. Môžu sa vyskytnúť aj problémy s kontamináciou podzemných vôd, preto si uránové lomy vyžadujú osobitnú pozornosť.

Povrchová ťažba uránu sa však postupne stáva minulosťou z úplne banálneho dôvodu – ložiská blízko povrchu prakticky skončili. Teraz sa musíme vysporiadať s hlboko skrytými rudami. Tradične sa vyvíjajú podzemnou (baňou) metódou. Len si nepredstavujte prísnych bradatých mužov s krompáčmi, ktorí sa plazia po dielňach a sekajú rudu. Teraz je práca baníkov z veľkej časti mechanizovaná. V hornine obsahujúcej urán sa vyvŕtajú diery – špeciálne hlboké diery, do ktorých sa umiestňujú výbušniny. Po výbuchu je rozdrvená ruda naberaná nakladacím a dodávacím vozidlom a prechádza po kľukatých úzkych chodbách k vozíkom. Malá elektrická lokomotíva vynáša naplnené vozíky do zvislej šachty bane a potom pomocou klietky – akéhosi výťahu – sa ruda vyťahuje na povrch.

Podzemná ťažba má množstvo funkcií. Po prvé, môže byť ziskové iba v prípade vysokokvalitných rúd s vysokým obsahom uránu, ktoré sa nenachádzajú hlbšie ako dva kilometre. V opačnom prípade náklady na ťažbu, ťažbu a ďalšie spracovanie rudy urobia urán prakticky „zlatým“. Po druhé, podzemné kráľovstvo uránových baní je uzavretý priestor, v ktorom sa vznáša rádioaktívny prach a nemenej rádioaktívny radónový plyn. Baníci sa preto nezaobídu bez výkonnej ventilácie a špeciálnych ochranných pomôcok, ako sú respirátory.

V lome aj v šachtovej ťažbe sa ruda ťaží vo forme pomerne veľkých kusov. Pri ich naberaní bagrom alebo LHD operátor nevie, či vyberá rudu bohatú na uránové minerály alebo odpadovú horninu, alebo niečo medzi tým. Koniec koncov, nános nie je príliš homogénny vo svojom zložení a použitie výkonných strojov neumožňuje jemnú a elegantnú prácu. Ale posielať kusy, ktoré neobsahujú takmer žiadny urán, na ďalšie spracovanie je prinajmenšom nerozumné! Preto sa ruda triedi pomocou hlavnej vlastnosti uránu, podľa ktorej nie je ťažké ju odhaliť - rádioaktivity. Špeciálne senzory ionizujúceho žiarenia umožňujú počas nakládky aj už v prepravnej nádrži rozdeliť rudu do niekoľkých tried podľa intenzity žiarenia, ktoré vyžaruje. Odpad sa posiela na skládky. Bohatá ruda - do hydrometalurgického závodu. Ale ruda s malým, ale viditeľným množstvom uránu sa triedi znova, opatrnejšie. Najprv sa rozdrví, rozdelí podľa veľkosti, a potom sa kusy vysypú na pohyblivý dopravný pás. Nad ním je inštalovaný snímač ionizujúceho žiarenia, z ktorého je signál odosielaný do automatizovaného riadiaceho systému pre tlmiče umiestnené na konci pásu. Senzor je nakonfigurovaný tak, aby reagoval na rádioaktívny kus rudy s obsahom uránových minerálov, ktorý prechádza pod ním. Potom sa ventil otočí a ruda padá do špeciálnej násypky rudy, odkiaľ je transportovaná do hydrometalurgického závodu. Odpadová hornina zase žiadnym spôsobom „neruší“ snímač a klapku a padá do inej krabice - na skládku.

Zjednodušená schéma rádiometrického triedenia rúd (moderné komplexy sú oveľa zložitejšie)

Opísaná schéma je približná, zásadná: nič nebráni triedeniu rudy v podnikoch inými známymi metódami. Prax však ukázala, že na uránové rudy sa nehodia. Preto sa rádiometrické triedenie – s detektormi žiarenia – postupne stalo základnou technológiou.

Reálne sa pri triedení rudy rozlišuje aj určitá stredná kategória, ktorú na základe obsahu uránu nemožno zaradiť ani medzi bohatú rudu, ani medzi odpadové horniny. Inými slovami, poslať ho do hydrometalurgického závodu je drahé (strata času a reagencií) a je škoda posielať ho na skládky. Takáto ruda nízkej kvality sa hromadí vo veľkých haldách a na čerstvom vzduchu sa polieva kyselinou sírovou, čím sa urán postupne rozpúšťa. Výsledný roztok sa čerpá na ďalšie spracovanie.

V hydrometalurgickom závode sa bohatá ruda ďalej drví takmer na prach a potom sa rozpúšťa.

Ruda sa drví v rôznych mlynoch - napríklad bubnových guľových mlynoch: drvený materiál a kovové gule ako delové gule sa sypú do rotujúceho dutého bubna. Keď sa gule otáčajú, narážajú na kusy rudy, melú ich a melú na prášok.

Rozdrvená ruda sa „otvorí“, to znamená, že sa čiastočne rozpustí pôsobením kyseliny sírovej alebo dusičnej alebo ich zmesou. Výsledkom je roztok uránu obsahujúci veľa nečistôt. Niekedy, ak uránová ruda obsahuje veľa prírodných uhličitanov, kyselina sa nepoužíva. V opačnom prípade dôjde k reakcii pripomínajúcej hasenie sódy octom - s intenzívnym uvoľňovaním oxidu uhličitého a činidlo sa stratí. Ako byť? Ukazuje sa, že takéto minerály možno „otvoriť“ pomocou roztoku sódy. Vďaka tomu získate aj roztok uránu, ktorý sa použije na ďalšie spracovanie.

Zvyšky nerozpustenej rudy sa však musia posielať na špeciálne skládky hlušiny, ktoré nie sú najekologickejšie. Stojí za to pripomenúť odpadovú horninu separovanú počas procesu triedenia: ukladá sa na skládky. Hlušina aj skládky obsahujú malé množstvo uránu, čo ich robí potenciálne nebezpečnými. V tejto súvislosti vyvstáva otázka: je možné organizovať výrobu tak, aby spôsobila minimálne škody prírode a zabezpečila bezpečnosť pracovníkov?

Je to možné a praktizuje sa to už dlho. Dotknutá metóda extrakcie sa nazýva lúhovanie in situ. Jeho podstatou je, že pole je „prepichnuté“ mnohými studňami. Niektoré z nich, nazývané vstrekovacie komory, sú naplnené kyselinou sírovou, ktorá klesá do hĺbky, prechádza rudou a rozpúšťa urán. Potom sa roztok cenného kovu odoberá z podložia cez ďalšie čerpacie studne.

Čo sa stane: žiadne skládky, žiadna hlušina, žiadny prach, žiadne diery alebo neočakávané diery v zemi, ale nakoniec - rovnaký uránový roztok? Áno. Okrem toho sa metódou vrtného podzemného lúhovania vyvíjajú veľmi chudobné rudy, ktorých ťažba povrchovou alebo podzemnou ťažbou je ekonomicky nerentabilná. Ale s takým súborom výhod musia existovať nevýhody! No po prvé, vŕtať studne hlbšie ako osemsto metrov je z hľadiska nákladov iracionálne. Po druhé, metóda nefunguje v hustých neporéznych rudách. Po tretie, kyselina sírová stále narúša zloženie a správanie podzemnej vody v teréne, hoci tieto poruchy sa časom „vyriešia“ samé. Oveľa nebezpečnejšie je, ak sa roztok rozleje po povrchu alebo prenikne kruhovým objazdom – pozdĺž trhlín a zlomov – do podzemných vôd. Preto je proces dôkladne monitorovaný vŕtaním monitorovacích vrtov.

Vrty in-situ lúhovanie

Aby sa predišlo uvedeným problémom, bola vynájdená „baňa“ verzia podzemného lúhovania: bloky rudy v dielňach sa rozdrvia výbuchmi a potom sa nalejú na vrch lúhovacím roztokom (kyselina sírová), pričom sa roztok uránu odoberá zdola - cez drenážny systém.

Každopádne, in-situ lúhovanie je dnes najšetrnejší spôsob ťažby uránu. To je jeden z dôvodov prudkého rastu jeho popularity. Ak sa v roku 2000 podzemným lúhovaním ťažilo len pätnásť percent uránu, dnes sa toto číslo blíži takmer k päťdesiatim percentám!

In-situ lúhovanie sa stáva vedúcou technológiou ťažby uránu

Typicky sa ložiská uránu vyhľadávajú pomocou senzorov ionizujúceho žiarenia; presnejšie gama žiarenie. Najprv nad oblasťou preletí lietadlo vybavené takýmito senzormi. Dokáže odhaliť len radiačnú anomáliu – mierne zvýšené pozadie nad poľom. Potom sa spustí helikoptéra, ktorá pomalšie a presnejšie „obkresľuje“ hranice sľubnej lokality. Nakoniec na toto územie prichádzajú hľadači s meracími prístrojmi a vrtákmi. Na základe výsledkov ich práce sa zostrojí mapa výskytu uránových rúd a vypočíta sa cena výroby.

Ložiská uránovej rudy sa však môžu signalizovať aj inak. Napríklad zmenou vzhľadu rastlín rastúcich nad nimi: okvetné lístky ohnivej rastliny, zvyčajne ružové, sa stávajú bielymi; Plody čučoriedok sa sfarbujú do zelena alebo bielej. Hlboké korene borievky rastúce nad ložiskom dobre absorbujú urán, ktorý sa hromadí v konároch a ihličí. Ich premenou na popol a testovaním obsahu uránu môžete pochopiť, či sa hlavný kov jadrovej energie oplatí ťažiť v tejto oblasti.

Čistota je kľúčom k zdraviu (jadrový reaktor)

Roztok uránu získaný „otváraním“ rudy alebo v procese podzemného lúhovania nie je obzvlášť čistý. Inými slovami, okrem uránu obsahuje množstvo chemických prvkov nachádzajúcich sa v zemskej kôre: sodík a draslík, vápnik a horčík, železo, nikel a meď – a mnoho ďalších. Nemali by ste sa čudovať vzniku takého hustého „kompótu“, pretože kyselina sírová je vysoko chemicky aktívna a rozpúšťa mnohé prírodné látky; Je dobré, že to nie je celá ruda. Ale na výrobu jadrového paliva potrebujete čo najčistejší urán. Ak sa medzi atómami uránu sem-tam nachádzajú atómy nečistôt, reaktor sa nemusí spustiť alebo, čo je ešte horšie, sa môže pokaziť. O dôvodoch takýchto problémov sa bude diskutovať veľmi skoro, ale zatiaľ si môžeme stanoviť úlohu: vyčistiť urán. A je tiež žiaduce prijať ho v pevnej forme, vhodnej na prepravu. Riešenia v skutočnosti nie sú vhodné na prepravu: „rádi“ sa príliš rozlievajú alebo presakujú cez netesnosti.

V priemysle sa tento problém rieši niekoľkými spôsobmi. Najprv sa roztok zahustí prechodom cez špeciálne materiály, ktoré zbierajú urán – sorbenty. Objaví sa prvá príležitosť na čistenie: sorbenty sa vyberajú tak, že ostatné prvky na nich takmer „sedia“ a zostávajú v roztoku. Potom sa urán vymyje zo sorbentu napríklad tou istou kyselinou sírovou. Tento postup sa môže zdať nezmyselný, ak nie je vysvetlené, že na „preplachovanie“ je potrebné oveľa menej kyseliny v porovnaní s objemom pôvodného roztoku. Takto zabijú dve muchy jednou ranou: zvýšia koncentráciu uránu a čiastočne odstránia zbytočné nečistoty.

Druhý stupeň čistenia je spojený s výrobou pevných zlúčenín uránu. Z koncentrovaného roztoku sa vyzrážajú pridaním dobre známych „medicínskych“ činidiel: amoniaku, peroxidu vodíka, ako aj zásad alebo uhličitanov. Treba poznamenať, že urán sa nezráža ako kov; vo všeobecnosti nie je ľahké získať ho v kovovej forme kvôli jeho vysokej chemickej reaktivite - to už bolo spomenuté. Pod vplyvom spomínaných regentov klesajú na dno prístroja rôzne ťažko rozpustné zlúčeniny uránu. Sušené a rozdrvené sú žltým práškom, ktorý sa pre svoju viditeľnú podobnosť s koláčom často nazýva „žltý koláč“. Po kalcinácii pri vysokej teplote získajú menej krásnu zmes oxidov uránu - špinavo zelenú alebo dokonca čiernu.

Žltý koláč možno poslať do závodov na obohacovanie uránu

Yellowcake alebo zmes oxidov uránu je z radiačného hľadiska prakticky bezpečná. Preto sa na prepravu nakladajú do dvestolitrových kovových sudov alebo špeciálnych kontajnerov. Byť vo vzdialenosti jeden meter od takéhoto kontajnera nie je ani z polovice tak „škodlivé“ ako lietanie v lietadle vystavenom kozmickému žiareniu. Ale väčšina ľudí sa nebojí lietať! Nie je teda dôvod báť sa sudov so žltým koláčom.

Pri zrážaní zlúčenín uránu sa snažia viesť proces tak, aby väčšina nečistôt zostala v roztoku. Niektorým z nich sa však stále darí „preraziť“. Je obzvlášť zlé, ak výrobky obsahujú prvky, ktoré silne absorbujú neutróny - bór, kadmium, kovy vzácnych zemín. Dokonca aj v mikrokoncentráciách môžu zabrániť vzniku reťazovej štiepnej reakcie. Po výrobe paliva z kontaminovaného uránu sa možno dlho čudovať, prečo reaktor nechce normálne fungovať.

Okrem toho medzi nežiaduce nečistoty patria prvky, ktoré znižujú plasticitu jadrového paliva a spôsobujú jeho napučiavanie a expanziu so zvyšujúcou sa teplotou. Patria sem bežne sa vyskytujúci prirodzene sa vyskytujúci kremík a fosfor, ako aj volfrám a molybdén. Mimochodom, plasticita sa zvyčajne nazýva schopnosť materiálu zmeniť svoj tvar a veľkosť bez toho, aby sa zrútil. To je veľmi dôležité pre palivo, ktoré sa zvnútra zahrieva v dôsledku jadrovej reťazovej reakcie, ktorá v ňom prebieha, a preto dochádza k teplotným deformáciám. Vysoká teplota by nemala viesť k nadmernej expanzii uránového paliva, inak dôjde k pretrhnutiu ochranného obalu a kontaktu s chladiacou kvapalinou. Dôsledkom takejto „komunikácie“ môže byť rozpustenie rádioaktívnych produktov štiepenia uránu v horúcom chladive (najčastejšie vode) s ich následnou distribúciou do všetkých potrubí a zariadení. Asi netreba vysvetľovať, že to hrozí zhoršením radiačnej situácie na elektrárni: dávky, ktoré dostáva personál údržby, sa výrazne zvýši.

Ako sa hovorí, je lepšie byť v bezpečí, ako ľutovať. Preto je potrebný aj tretí – konečný – stupeň čistenia, nazývaný rafinácia. Zlúčeniny uránu dodávané v sudoch alebo kontajneroch sú rozpustené v kyseline, teraz v kyseline dusičnej. Výsledný roztok sa privedie do kontaktu s extrakčným činidlom - kvapalnou organickou látkou, ktorá absorbuje urán, ale nie nečistoty. Nežiaduce prvky teda zostávajú v roztoku a urán prechádza do „organických látok“. V dôsledku série následných operácií sa opäť dostáva do formy oxidov, ktoré už majú potrebnú „reaktorovú“ čistotu.

Teraz je všetko v poriadku a môžete prejsť na ďalšiu fázu - umelé zvýšenie koncentrácie uránu-235.

Tajomstvá zbohatnutia

Už na začiatku kapitoly bolo spomenuté, že v prírodnej zmesi izotopov uránu je veľmi málo štiepneho uránu-235 a príliš veľa „lenivého“ uránu-238: na každých sedem atómov izotopov uránu pripadá približne deväťsto deväťdesiattri atómov toho druhého. Toto nie je vhodné pre väčšinu reaktorov, ktoré sú v súčasnosti v prevádzke. Potrebujú palivo, v ktorom z tisícky atómov uránu obsahuje izotop-235 niekoľko desiatok atómov, a nie len pár, ako v prírodnom uráne. A na vytvorenie bomby je absolútne nevyhnutný takmer čistý urán-235.

Riešenie problému obohacovania uránu, teda zvyšovania obsahu štiepneho izotopu, je veľmi náročné. Zdalo by sa, ako to? Koniec koncov, chémia má širokú škálu techník na izoláciu látok zo zmesí. Z tony rudy je možné „vybrať“ len niekoľko stoviek gramov uránu! Je naozaj nemožné urobiť to isté s izotopmi: nejako oddeliť jeden od druhého? Problém je v tom, že chemické vlastnosti všetkých izotopov určitého prvku sú rovnaké, pretože sú určené počtom elektrónov, a nie zložením jadra. Inými slovami, nie je možné uskutočniť reakciu, pri ktorej by napríklad urán-235 zostal v roztoku a urán-238 by sa vyzrážal. Pri akejkoľvek manipulácii sa obaja budú správať rovnako. Rovnakým spôsobom nebude možné chemicky oddeliť izotopy uhlíka alebo draslíka - vo všeobecnosti akéhokoľvek prvku.

Existuje taký parameter - stupeň obohatenia, ktorý predstavuje podiel (v percentách) uránu-235 v celkovej hmotnosti uránu. Napríklad stupeň obohatenia prírodného uránu, v ktorom na tisíc pripadá sedem štiepnych atómov, je 0,7 %. V prípade jadrového paliva z jadrových elektrární treba toto číslo zvýšiť na 3–5 % a pri výrobe náplne atómovej bomby na 90 % a viac.

Ako byť? Je potrebné nájsť vlastnosti, v ktorých by sa izotopy – aspoň minimálne – navzájom líšili. Prvá vec, ktorá príde na myseľ, je hmotnosť atómu. Jadro uránu-238 má skutočne o tri neutróny viac ako urán-235; To znamená, že lenivý izotop váži o niečo viac. A keďže hmotnosť je mierou zotrvačnosti a prejavuje sa v pohybe, hlavné metódy obohacovania uránu sú spojené s rozdielmi v pohybe jeho izotopov za špeciálne vytvorených podmienok.

Historicky prvou technológiou obohacovania bola elektromagnetická separácia izotopov. Už z názvu je jasné, že do procesu sú nejakým spôsobom zapojené elektrické a magnetické polia. Pri tejto metóde sú skôr získané uránové ióny urýchľované elektrickým poľom a spúšťané do magnetického poľa. Keďže ióny majú náboj, začnú sa „niesť“ v magnetickom poli, skrútené do oblúka s určitým polomerom. Môžeme si napríklad pripomenúť rozdelenie uránových lúčov v magnetickom poli do troch prúdov – efekt, ktorý objavil Rutherford. Častice alfa a beta, ktoré majú elektrický náboj, sa odchyľujú od priamej dráhy, ale gama žiarenie nie. V tomto prípade polomer oblúka, pozdĺž ktorého sa nabitá častica pohybuje v magnetickom poli, závisí od jej hmotnosti: čím viac váži, tým pomalšie sa otáča. Dá sa to prirovnať k pokusu vtesnať sa do prudkej zákruty dvoch bezohľadných vodičov, z ktorých jeden riadi auto a druhý kamión. Je jasné, že pre osobné auto je oveľa jednoduchšie urobiť manéver, zatiaľ čo nákladné auto môže dostať šmyk. Niečo podobné sa deje v magnetickom poli s rýchlo sa pohybujúcimi iónmi uránu-235 a uránu-238. Tie sú o niečo ťažšie, majú väčšiu zotrvačnosť a ich polomer otáčania je o niečo väčší: v dôsledku toho je tok iónov uránu rozdelený na dva. Obrazne povedané, môžete vložiť dve krabice, z ktorých do jednej môžete zbierať štiepny izotop, urán-235, a do druhej - „zbytočný“ urán-238.

V magnetickom poli je trajektória nabitých častíc ohnutá a čím je častica ľahšia, tým silnejšia je.

Princíp metódy elektromagnetickej separácie izotopov: ľahšie ióny uránu-235 sa pohybujú v magnetickom poli po trajektórii s menším polomerom v porovnaní s iónmi uránu-238

Elektromagnetická separačná metóda je dobrá takmer vo všetkých ohľadoch, okrem produktivity, ktorá, ako obvykle, obmedzuje jej priemyselné využitie. V skutočnosti to je dôvod, prečo americký závod Y-12 v Oak Ridge, ktorý vyrábal obohatený urán pre bombu „Little Boy“ zhodenú na Hirošimu pomocou technológie elektromagnetickej separácie, bol v roku 1946 zatvorený. Malo by sa objasniť, že v Y-12 sa urán, predtým obohatený inými, produktívnejšími metódami, dostal do vysokého stupňa obohatenia. Ich vylepšenie bolo práve tým, čo zatĺclo posledný klinec do rakvy technológie elektromagnetickej separácie izotopov – v priemysle sa už nepoužíva.

Je zaujímavé, že elektromagnetická separácia je univerzálna metóda, ktorá umožňuje izolovať malé množstvá akýchkoľvek izotopov v ich čistej forme. Preto náš analóg Y-12 - závod 418, teraz známy ako závod Elektrokhimpribor (Lesnoy, Sverdlovsk región), má technológie na výrobu viac ako dvesto izotopov štyridsiatich siedmich chemických prvkov od lítia po olovo. Nie sú to len pôsobivé čísla – produkty závodu skutočne potrebujú vedci, lekári, priemyselníci... Mimochodom, vyrábajú sa v zariadení SU-20, rovnakom, v ktorom sa vyrábal zbrojný urán so stupňom obohatenia blízkym na 90 % začiatkom 50. rokov.

Prvé povojnové desaťročia sa stali časom aktívneho hromadenia arzenálov jadrových zbraní. Riešenie tohto problému malo najvyššiu prioritu, preto sa nepočítalo s nákladmi – dôležité bolo spustiť hromadné obohacovanie uránu. Dôraz sa kládol na difúziu plynov – energeticky mimoriadne náročnú, no zároveň produktívnu technológiu obohacovania. Jeho korene ležia v oblasti teórie plynov, ktorá tvrdí, že pri určitej teplote je priemerná rýchlosť molekuly plynu nepriamo úmerná jej hmotnosti: čím je ťažšia, tým pomalšie sa pohybuje. Tento rozdiel je obzvlášť viditeľný pri pohybe pozdĺž tenkých „tubulov“, ktorých priemer je porovnateľný s veľkosťou molekuly. Jasným, aj keď nie presným príkladom je spustenie papierových člnov v prúde: malý čln unášaný prúdom vody sa bude pohybovať rýchlo; ale ak z papiera urobíte veľkú loď veľkosti koryta potoka, bude sa pohybovať pomalšie a neustále sa opiera o brehy. Keď sa vrátime k uránu, môžeme povedať, že cieľový izotop s 235 nukleónmi v jadre sa bude pohybovať pozdĺž „rúrky“ rýchlejšie ako urán-238. Výstupom z neho bude plyn obohatený o štiepny izotop. Jedinou otázkou je, ako premeniť urán na plyn a kde získať takú tenkú „rúru“.

„Splyňovanie“ uránu je povinnou požiadavkou technológie založenej na teórii plynov. Nedá sa s tým nič robiť. Ale všetky zlúčeniny uránu sú pevné látky, ktoré sa ťažko roztavia, nieto ešte odparia. Aj keď, ak sa nad tým zamyslíte, existuje jedna veľmi úspešná zlúčenina – hexafluorid uránu, v ktorom je urán obklopený šiestimi atómami fluóru. Ľahko sa mení na plyn už pri 56 °C, pričom obchádza kvapalné skupenstvo. Vo fyzike sa takýto proces zvyčajne nazýva sublimácia alebo sublimácia. Tento jav je už dlho známy a nie je na ňom nič prekvapujúce. Sublimáciu využívajú napríklad dedinské gazdinky, ktoré sušia bielizeň v mraze – ľad sa v suchom vzduchu vyparí, pričom tekuté skupenstvo jednoducho prepustí.

Takto si môžete predstaviť molekulu hexafluoridu uránu

Ukazuje sa, že hexafluorid uránu je z technologického hľadiska veľmi výhodný. Pri bežných teplotách je pevný a možno ho prepravovať v špeciálnych kontajneroch. Pri nízkych teplotách sa mení na plyn. No a pod určitým tlakom sa zo zahriateho hexafluoridu stane kvapalina, ktorú možno čerpať potrubím.

Ďalšou šťastnou okolnosťou je, že prírodný fluór pozostáva len z jedného izotopu – fluóru-19. To znamená, že rozdiel v hmotnostiach molekúl hexafluoridu uránu-235 a hexafluoridu uránu-238 je určený výlučne izotopmi uránu. Inak by bola separácia príliš ťažká alebo dokonca nemožná, pretože fluór by mal neprimeraný vplyv na hmotnosť molekúl.

Výroba hexafluoridu uránu v Rusku sa vykonáva konverziou - fluoráciou rôznych zlúčenín uránu, napríklad žltého koláča alebo zmesi oxidov získaných z podnikov ťažby uránu. Molekulový fluór sa na tieto účely získava z prírodného minerálu fluoritu. Spracuje sa kyselinou sírovou za vzniku kyseliny fluorovodíkovej, ktorej elektrolýzou vzniká fluór.

Je zaujímavé, že fluoridácia je aj štvrtým stupňom čistenia uránu, keďže fluoridy väčšiny škodlivých nečistôt nie sú veľmi prchavé: urán vo forme hexafluoridu z nich „odlieta“ do plynnej fázy.

Hexafluorid uránu má jednu veľkú nevýhodu: je to agresívna a toxická látka. Po prvé, pri kontakte s vodou alebo vlhkosťou vo vzduchu sa uvoľňuje toxická kyselina fluorovodíková. Po druhé, urán samotný je všeobecný bunkový jed, ktorý postihuje všetky orgány. (Je zaujímavé, že jeho toxicita je chemickej povahy a prakticky nesúvisí s rádioaktivitou). Preto by sa hexafluorid uránu, ktorý v sebe spája dve nebezpečenstvá naraz, mal prepravovať a skladovať v špeciálnych kovových nádobách a pod prísnym dohľadom. Zároveň je zabezpečená bezpečnosť obyvateľstva a životného prostredia.

Takže je tu plyn; čo tenké "rúrky"? Vhodným riešením sa ukázali byť porézne priečky - platne prepichnuté mnohými veľmi malými pórmi. Priemer týchto musí byť rádovo desať nanometrov, aby nimi molekuly prešli takmer jedna po druhej. Potreba vyrábať priečky s pórmi takej malej veľkosti spôsobila určité ťažkosti, ale problém sa napriek tomu vyriešil pomocou špeciálnych prístupov - spekanie niklu alebo selektívne rozpúšťanie jedného z kovov, ktoré tvoria bimetalickú zliatinu.

Ak vyrobíte krabicu s takouto pórovitou prepážkou a napumpujete do nej hexafluorid uránu, molekuly s ľahkým izotopom prejdú cez prepážku o niečo rýchlejšie. Inými slovami, za ním bude hexafluorid uránu mierne obohatený o štiepny izotop. Ak pošlete plyn do ďalšej podobnej krabice, stupeň obohatenia sa zvýši atď. Je pravda, že na dosiahnutie vysokého stupňa obohatenia sú potrebné kaskády tisícov (!) škatúľ inštalovaných jeden po druhom, nazývaných kroky. Ako prinútiť urán ísť podľa týchto krokov? Len tak, že ho pumpujete pomocou mnohých kompresorov. Z toho vyplývajú nevýhody metódy: obrovské náklady na energiu, potreba vybudovať milióny štvorcových metrov výrobnej plochy – dĺžka dielne môže dosiahnuť jeden kilometer – a použitie drahých materiálov. Pravda, to všetko je zakryté naozaj vysokým výkonom. Preto technológia obohacovania plynnou difúziou zostala dlho hlavnou pre také jadrové giganty ako USA, Francúzsko a Čína, ktoré sa k nim neskôr pridali. Až v posledných rokoch začali s aktívnym prechodom k ekonomickejšej technológii odstreďovania plynov.

Schéma činnosti stupňa difúzie plynu

V 60. rokoch minulého storočia Angarský elektrolýzny chemický závod (Irkutská oblasť, Rusko), ktorý sa zaoberal obohacovaním uránu technológiou difúzie plynu, spotreboval asi jedno percento (!) všetkej elektriny vyrobenej v Sovietskom zväze. Energiu jej dodávali vodné elektrárne Bratsk a Irkutsk. V skutočnosti to bol najväčší spotrebiteľ elektriny v ZSSR.

Vo všeobecnosti prvé skúsenosti ukázali, že difúzia plynov môže vyriešiť problém, ale za príliš vysoké náklady. Sovietsky zväz, zapletený do pretekov v zbrojení, potreboval produktívnejšiu a energeticky menej náročnú technológiu obohacovania uránu. Pre vojnou oslabený štát nebolo také ľahké držať krok so Spojenými štátmi s ich silným ekonomickým a energetickým potenciálom. Bolo to spôsobené okrem iného nedostatkom výrobných kapacít elektriny v európskej časti krajiny: preto sa na Sibíri stavali obohacovacie zariadenia, kde ich mohli poháňať veľké vodné elektrárne. Ale napriek tomu zariadenia na difúziu plynov spotrebovali príliš veľa energie, čo znemožňovalo zvýšiť produkciu obohateného uránu. Preto sa ZSSR musel stať priekopníkom v priemyselnej aplikácii alternatívnej technológie – plynovej centrifúgy.

Odstreďovanie plynov zahŕňa otáčanie bubna naplneného plynným hexafluoridom uránu pri vysokej rýchlosti. Vplyvom odstredivej sily je ťažší hexafluorid uránu-238 „pritlačený“ k stene bubna a hexafluorid uránu-235, ľahšia zlúčenina, zostáva v jeho osi. Pomocou špeciálnych trubíc môžete odobrať mierne obohatený urán zo stredu bubna a mierne ochudobnený urán z okraja.

Prevádzková schéma plynovej odstredivky

Z technického hľadiska je práve diskutovaný bubon rotačná časť (rotor) plynovej odstredivky. Nepretržite sa točí vo vákuovom obale a ihla spočíva na axiálnom ložisku z veľmi odolného materiálu - korundu. Výber materiálu nie je prekvapivý, pretože rýchlosť rotora môže prekročiť 1 500 otáčok za sekundu - stokrát rýchlejšie ako bubon práčky. Krehká látka takéto vystavenie nevydrží. Okrem toho, aby sa axiálne ložisko neopotrebovalo alebo neskolabovalo, je rotor zavesený v magnetickom poli, takže ihlou sotva tlačí na korund. Táto technika, rovnako ako vysoká presnosť výroby častí odstredivky, umožňuje jej rýchle, ale takmer tiché otáčanie.

Rovnako ako v prípade plynovej difúzie, jedna odstredivka nie je bojovníkom v teréne. Na dosiahnutie požadovaného stupňa obohatenia a produktivity sú spojené do obrovských kaskád pozostávajúcich z desiatok tisíc (!) strojov. Jednoducho povedané, každá odstredivka je pripojená k svojim dvom „susedom“. Hexafluorid uránu so zníženým obsahom uránu-235, vybraný zo steny v hornej časti rotora, sa posiela do predchádzajúcej odstredivky; a plyn mierne obohatený o urán-235, ktorý sa odoberá z osi rotácie v spodnej časti rotora, ide do ďalšieho stroja. Do každého nasledujúceho stupňa sa teda dodáva stále viac obohateného uránu, kým sa nezíska produkt požadovanej kvality.

Do diaľky sa tiahnu kaskády plynových odstrediviek

Dnes je hlavnou metódou obohacovania uránu odstredivá separácia, keďže táto technológia vyžaduje približne päťdesiatkrát menej elektriny v porovnaní s plynnou difúziou. Okrem toho sú odstredivky menej objemné ako difúzne stroje, čo uľahčuje zvýšenie objemu výroby. Metóda odstreďovania sa používa v Rusku, Veľkej Británii, Nemecku, Holandsku, Japonsku, Číne, Indii, Pakistane, Iráne; Prechod na technológiu plynových centrifúg vo Francúzsku a USA je takmer dokončený. Inými slovami, už tu nie je priestor na difúziu plynov.

Vďaka dlhej histórii používania a zdokonaľovania sú ruské plynové centrifúgy najlepšie na svete. V priebehu polstoročia vzniklo už deväť generácií rýchlobežných áut, ktoré sa postupne stávali výkonnejšími a spoľahlivejšími. Vďaka tomu ZSSR úspešne odolal „jadrovým pretekom“ s USA a keď bola vyriešená najdôležitejšia úloha, objavila sa voľná kapacita. Vďaka tomu sa naša krajina stala svetovým lídrom nielen vo vývoji a výrobe plynových centrifúg, ale aj v poskytovaní komerčných služieb obohacovania uránu.

Naše plynové odstredivky:

Tradične majú výšku pol metra až jeden meter, priemer desať až dvadsať centimetrov;

Sú umiestnené nad sebou v troch až siedmich úrovniach, aby sa ušetrilo miesto;

Bez zastavenia môžu pracovať až tridsať rokov, rekord je tridsaťdva rokov.

Rýchlosť otáčania rotora plynovej odstredivky je taká, že po odpojení napájania sa bude otáčať zotrvačnosťou asi dva mesiace!

Rozmach technológie plynových centrifúg je spojený s aktívnym rozvojom jadrovej energetiky. Jadrové elektrárne sú ziskovo orientované komerčné podniky, a preto vyžadujú lacné palivo, a teda lacné technológie na obohacovanie. Táto požiadavka postupne pochovala difúziu plynov.

Odstreďovanie plynu by však nemalo zaspať na vavrínoch. V poslednej dobe je čoraz častejšie počuť o laserovom obohacovaní, metóde, ktorá je známa už viac ako štyridsať rokov. Ukazuje sa, že pomocou presne vyladeného lasera je možné selektívne ionizovať, teda transformovať na nabité častice, zlúčeniny uránu-235. V tomto prípade zlúčeniny uránu-238 neionizujú a zostávajú nenabité. Výsledné ióny možno ľahko oddeliť od neutrálnych molekúl chemickými alebo fyzikálnymi prostriedkami, napríklad ich pritiahnutím magnetom alebo nabitou doskou (kolektorom).

Možná prevádzková schéma zariadenia na obohacovanie uránu laserom

Obohacovanie laserom je podľa všetkého veľmi efektívna technológia, no jej ekonomické ukazovatele stále zostávajú záhadou. Všetky doterajšie pokusy o prechod z laboratórnej verzie na priemyselné využitie boli „rozbité“ nedostatočnou produktivitou a krátkou životnosťou zariadenia. V súčasnosti prebieha nový pokus o vytvorenie takejto výroby v USA. Ale aj keď bude úspešný, otázka ekonomickej efektívnosti zostane. Trh so službami obohacovania prijme novú technológiu iba vtedy, ak bude výrazne lacnejšia ako tá existujúca. Plynové centrifúgy ale ešte nedosiahli strop svojich možností. Preto bezprostredné vyhliadky na laserové obohatenie zostávajú veľmi nejasné.

Existuje množstvo ďalších spôsobov obohacovania uránu: tepelná difúzia, aerodynamická separácia, iónový proces, ale prakticky sa nepoužívajú.

Pokiaľ ide o technológie obohacovania uránu, je nevyhnutné mať na pamäti, že otvárajú cestu nielen k jadrovému palivu, ale aj k bombe. Vytváranie čoraz efektívnejších a kompaktnejších výrobných zariadení so sebou nesie hrozbu šírenia jadrových zbraní. Vývoj technológií môže v zásade viesť k situácii, že bombu budú vyrábať štáty s mierne povedané nestabilnými režimami či dokonca veľkými teroristickými organizáciami. A ak sa závod na difúziu plynu alebo plynovú odstredivku ťažko postaví bez povšimnutia a ich spustenie bude vyžadovať dovoz veľkých objemov špecifických materiálov a zariadení, potom laserové obohacovanie prakticky zaručuje utajenie. Celkovo sa riziko pre existujúci krehký svet zvyšuje.

Zariadenia na obohacovanie uránu produkujú produkt obohateného uránu (EUP) - hexafluorid uránu s požadovaným stupňom obohatenia. Umiestňuje sa do špeciálnych kontajnerov a posiela sa do závodov na výrobu jadrového paliva. Zároveň však obohacovacie zariadenia vyrábajú aj ochudobnený hexafluorid uránu (DUHF) so stupňom obohatenia 0,3 % – nižším ako má prírodný urán. Inými slovami, toto je prakticky čistý urán-238. Odkiaľ to pochádza? Proces obohacovania je v podstate podobný oddeľovaniu cenných nerastov z odpadovej horniny. DUHF je druh odpadovej horniny, z ktorej bol odstránený urán-235, aj keď nie úplne. (Stopercentné oddelenie štiepneho izotopu od uránu-238 je z ekonomického hľadiska nerentabilné). Koľko ochudobneného hexafluoridu uránu vzniká? To závisí od požadovaného stupňa obohatenia uránu. Napríklad, ak je to 4,3 %, ako v palive reaktorov VVER, tak z desiatich kilogramov hexafluoridu uránového, ktorý má prirodzené izotopové zloženie (0,7 % urán-235), je len jeden kilogram OUP a deväť kilogramov DUHF. získané. Jedným slovom, dosť veľa. Počas celého obdobia prevádzky zariadení na obohacovanie sa na ich miestach v špeciálnych kontajneroch nahromadilo viac ako jeden a pol milióna ton DUHF, z čoho asi sedemsto tisíc ton je v Rusku. Svet má k tejto látke rôzne postoje, no prevláda názor, že DUHF je cenná strategická surovina (pozri kapitolu 7).

Fabricate – v dobrom zmysle slova

Výroba (spracovanie) jadrového paliva začína chemickou premenou obohateného uránového produktu na oxid uraničitý. Tento proces možno uskutočniť dvoma hlavnými spôsobmi. Prvá z nich sa nazýva „mokrá“ technológia a pozostáva z rozpustenia hexafluoridu vo vode, vyzrážania ťažko rozpustných zlúčenín pod vplyvom alkálií a ich kalcinácie vo vodíkovej atmosfére. Druhá technológia – „suchá“ – je vhodnejšia, pretože neprodukuje kvapalný rádioaktívny odpad: hexafluorid uránu sa spaľuje vo vodíkovom plameni.

V oboch prípadoch sa získa prášok oxidu uraničitého, ktorý sa lisuje do malých tabliet a speká v peciach pri teplote asi 1750 o C, aby im dodal pevnosť – tablety totiž budú musieť „pracovať“ v podmienkach vysokej teploty a žiarenia. Tablety sa potom spracovávajú na brúskach pomocou diamantových nástrojov. Táto fáza je potrebná, pretože rozmery tablety a kvalita jej povrchu musia byť dodržané veľmi presne. Chyby pri výrobe samostatnej pelety môžu viesť k poškodeniu paliva v reaktore pri jeho tepelnej expanzii a v dôsledku toho k zhoršeniu radiačnej situácie v jadrovej elektrárni. Všetky tablety oxidu uraničitého preto prechádzajú starostlivou kontrolou a následne skončia v špeciálnom boxe, kde ich stroj umiestni do trubíc vyrobených zo zirkónu s malou prímesou nióbu.

Rúrka naplnená peletami sa nazýva palivový článok alebo skrátene palivový článok. Potom, aby sa odstránili korozívne plyny, sa palivová tyč evakuuje, to znamená, že vzduch sa „vysaje“ z trubice, naplní sa inertným plynom - čistým héliom - a zvarí sa. Poslednou fázou procesu výroby jadrového paliva je montáž palivových tyčí do palivovej zostavy (FA) pomocou dištančných mriežok. Sú potrebné na zabezpečenie toho, aby bola konštrukcia pevná a palivové tyče sa navzájom nedotýkali. V opačnom prípade môže dôjsť k vyhoreniu škrupiny v mieste dotyku a palivo sa obnaží a dostane sa do kontaktu s vodou, čo je úplne nežiaduce.

Postupnosť operácií pri výrobe jadrového paliva

Dištančné mriežky

Palivová zostava je teda „zväzok“ zirkónových palivových tyčí, vo vnútri ktorých je jadrové palivo - oxid uránový obohatený o štiepny izotop. Tento výber materiálov je potrebné vysvetliť. V jadrovom reaktore je palivový súbor vystavený vysokým teplotám a silnému prúdu ionizujúceho žiarenia a je tiež zvonku umývaný veľmi horúcou vodou pod tlakom. Preto musia mať články jadrového paliva odolnosť voči chemikáliám a žiareniu, musia dobre viesť teplo a pri zahrievaní sa veľmi málo rozťahujú, inak môže dôjsť k prasknutiu plášťa palivového článku. Oxid uraničitý a zirkónium spĺňajú tieto požiadavky. Treba však ešte raz pripomenúť, že tablety oxidu uraničitého sa nachádzajú vo vnútri palivových tyčí a do kontaktu s vodou prichádzajú len cez plášť palivovej tyče, nie však priamo. Priama interakcia s chladivom je mimoriadne nežiaduca a vyskytuje sa iba vtedy, keď sú zirkónové škrupiny zničené - napríklad keď sa v nich objavia praskliny. V tomto prípade sa rádioaktívne štiepne produkty uránu obsiahnuté v jadrovom palive začnú rozpúšťať vo vode, čo vedie k zvýšeniu jeho rádioaktivity a zhoršeniu radiačnej situácie v jadrovej elektrárni. Z tohto dôvodu je výroba jadrového paliva zložitá a vysoko presná práca, ktorá si vyžaduje presnosť a neustále monitorovanie.

Z radiačného hľadiska nepredstavuje výroba jadrového paliva žiadne zvláštne nebezpečenstvo. Riziko je ešte nižšie ako pri ťažbe rúd, pretože proces čistenia odstraňuje z uránu všetky súvisiace rádioaktívne látky.

Pri práci s obohateným uránom sa však môže nahromadiť kritické množstvo a v dôsledku toho môže dôjsť k samoudržiavacej reťazovej reakcii, o ktorej sme už hovorili v kapitole 2. Môže k tomu dôjsť v dôsledku chyby, porušenia pravidiel práce , alebo dokonca náhodou. Celkovo je vo svete zaregistrovaných šesťdesiat takýchto nehôd, z toho tridsaťtri v USA a devätnásť v ZSSR/Rusku. Tu sú dva príklady domácich incidentov.

14. júla 1961, Sibírsky chemický závod (výroba obohatenia). Vznik kritického množstva v dôsledku akumulácie hexafluoridu uránu s vysokým stupňom obohatenia (22,6 %) v oleji umiestnenom v expanznej nádrži vákuového čerpadla. V dôsledku výbuchu radiácie, ktorý sprevádzal reťazovú reakciu, ktorá vznikla, operátor dostal značnú dávku žiarenia a utrpel chorobu z ožiarenia, aj keď v relatívne miernej forme.

15. mája 1997. Závod chemických koncentrátov Novosibirsk (výroba jadrového paliva). Vznik kritického množstva ako výsledok akumulácie sedimentu vysoko obohateného (90 %) uránu na dne dvoch susedných nádob na zachytávanie roztokov v dôsledku ich deformácie. Našťastie dávky žiarenia boli zanedbateľné.

aký je záver? S obohateným uránom je potrebné narábať s mimoriadnou opatrnosťou, dodržiavať všetky bezpečnostné požiadavky a, ako sa hovorí, „vrátane hlavy“, teda vopred vypočítať možné riziká.

Na záver môžeme uviesť približné parametre palivových kaziet používaných v ruských jadrových elektrárňach s reaktormi VVER-1000.

Palivová peleta je valec s výškou 9 až 12 milimetrov a priemerom 7,6 milimetra. Pozostáva z oxidu uraničitého, ktorého stupeň obohatenia sa pohybuje od 3,3 do 5,0 %.

Pelety sú umiestnené v palivovej tyči vyrobenej zo zirkónu s obsahom 1 % nióbu, dlhej asi štyri metre a s priemerom 9,1 mm. Hrúbka steny palivového článku je len 0,65 mm, takže pri tejto dĺžke si vyžaduje mimoriadne opatrné zaobchádzanie. Palivová tyč nie je úplne naplnená peletami: výška vrstvy peliet je asi 3,5 metra a ich celková hmotnosť je približne 1,6 kilogramu so 62 gramami uránu-235.

Palivová zostava (FA) je zostavená z 312 palivových tyčí pomocou 12-15 dištančných mriežok. Výška palivovej kazety dosahuje takmer 4,6 metra a jej hmotnosť je 760 kg. Zároveň je hmotnosť oxidu uraničitého asi pol tony, zvyšok je zirkónium a iné kovy. Pri pohľade zhora je zostava šesťuholníka s veľkosťou čela 235 milimetrov. Každá zostava má 19 kanálov pre riadiace tyče reaktora obsahujúce karbid bóru, prvok, ktorý dobre absorbuje neutróny.

Reaktor obsahuje 163 palivových kaziet, čo zodpovedá 80 tonám oxidu uraničitého, čo vystačí na 4 roky prevádzky reaktora.

Možnosti palivových kaziet pre rôzne typy reaktorov

Možné možnosti

Najbežnejším palivom pre jadrové elektrárne je teda peletizovaný oxid uraničitý, v ktorom je urán obohatený o štiepny izotop (urán-235). Existujú však aj iné druhy jadrového paliva.

Po oxide uraničitom je najbežnejším palivom zmesové oxidy, známe ako palivo MOX. V súčasnosti sa vyrába hlavne palivo MOX, ktoré je zmesou oxidov uránu a plutónia-239. Toto palivo umožňuje využiť prebytočné množstvo plutónia-239 na výrobu zbraní nahromadeného počas „jadrových pretekov“ na výrobu elektriny.

Kovový urán možno použiť aj ako jadrové palivo. Jeho prednosťami je vysoká tepelná vodivosť a maximálna koncentrácia štiepnych jadier – iné prvky v palive jednoducho nie sú. Zároveň má urán ako kov horšiu radiačnú, chemickú a tepelnú odolnosť v porovnaní s oxidom, preto sa v čistej forme používa extrémne zriedkavo. Na zlepšenie parametrov kovového paliva sa do uránu pridáva trochu molybdénu, hliníka, kremíka a zirkónu. Kovový urán a jeho zliatiny sa dnes používajú iba vo výskumných reaktoroch.

Namiesto oxidu uraničitého je možné použiť nitrid uránu, teda jeho zlúčeninu s dusíkom. Nitridové palivo má vyššiu tepelnú vodivosť v porovnaní s oxidom uhličitým a porovnateľnú teplotu topenia (2855 o C). Nitrid uránu sa považuje za perspektívne palivo pre najnovšie reaktory. U nás je nitridovému palivu venovaná najväčšia pozornosť, keďže sa plánuje jeho využitie v ďalšej generácii rýchlych neutrónových reaktorov.

Urán je schopný vytvárať zlúčeniny s uhlíkom - karbidy. Možnosť využitia karbidov ako paliva pre reaktory sa intenzívne skúmala v šesťdesiatych a sedemdesiatych rokoch minulého storočia. V posledných rokoch však opäť vzrástol záujem o tento typ paliva v dôsledku vývoja doskových palivových článkov a mikropalivových článkov. Pozitívnymi vlastnosťami karbidov sú dobrá tepelná vodivosť, vysoký bod topenia, vysoká tvrdosť, chemická a tepelná stabilita, ako aj kompatibilita s keramickými povlakmi, čo je dôležité najmä pri mikropalivových prvkoch. Palivo z karbidu uránu môže byť optimálnou voľbou pre určité typy reaktorov novej generácie, najmä plynom chladené rýchle reaktory.

Napriek tomu drvivý počet reaktorov na Zemi funguje na jadrové palivo vyrobené z oxidu uraničitého. Sila tradície, takpovediac.

Ruský palivový cyklus

Teraz, keď sme sa oboznámili so zvláštnosťami fungovania ťažobného a spracovateľského priemyslu, stojí za to sa rýchlo pozrieť na históriu a súčasný stav nášho domáceho palivového cyklu. Musíme začať, samozrejme, s ťažbou uránu.

Uránové rudy domácich vedcov spočiatku zaujímali len ako zdroj rádia. V roku 1900 profesor I.A. Antipov podal na stretnutí petrohradskej mineralogickej spoločnosti správu o objave uránového minerálu vo vzorkách privezených z Fergany, z pohoria Ťuja-Muyun. Tento minerál bol neskôr pomenovaný tyuyamunit. V roku 1904 sa na tomto ložisku začali prieskumné práce, v roku 1908 bola postavená poloprevádzka na spracovanie uránovej rudy v Petrohrade a v roku 1913 bola založená medzinárodná akciová spoločnosť na ťažbu rádia Tyuyamuyun.

Keď sa začala prvá svetová vojna, práca v bani sa prakticky zastavila a až v roku 1922 bola do Tyuya-Muyun vyslaná expedícia ôsmich špecialistov. Aj v roku 1922, v ťažkých porevolučných podmienkach, v obkľúčení basmachiských gangov, sa podarilo obnoviť priemyselnú ťažbu rúd. Pokračovalo to až do roku 1936, kedy výdatná podzemná voda v hĺbke dvesto metrov prerušila rozvoj poľa. Tento problém sa však nestal kritickým, pretože výroba rádia bola založená vo „Vodnom rybolove“ na rieke Ukhta - rádioaktívny kov sa extrahoval z podzemných slaných vôd. Samotný urán v tých rokoch nikoho nezaujímal, pretože sa prakticky nepoužíval v priemysle.

Nový nárast záujmu o uránové ložiská nastal začiatkom 40. rokov 20. storočia, keď ZSSR čelil potrebe reagovať na jadrovú hrozbu zo strany Spojených štátov amerických – teda keď vznikla potreba vytvorenia domácich jadrových zbraní.

Urán na prvú sovietsku atómovú bombu sa doslova zbieral kúsok po kúsku v celej krajine aj mimo nej. V roku 1943 sa začala ťažba uránu v malej, podľa moderných štandardov, bani Taboshar v Tadžikistane s produktivitou iba 4 ton uránových solí ročne. Navyše, podľa spomienok P.Ya. Antropov, prvý minister geológie ZSSR, „uránová ruda na spracovanie pozdĺž horských chodníkov Pamíru bola prepravovaná vo vreciach na somároch a ťavách. Vtedy neboli cesty ani náležité vybavenie.“

V rokoch 1944-1945, keď bola Európa oslobodená od nacistov, ZSSR získal prístup k uránovej rude z ložiska Goten v Bulharsku, k baniam Jáchimov v Československu a k baniam nemeckého Saska. Okrem toho bola v roku 1946 znovu spustená baňa Tyuya-Muyunsky, ale nijako zvlášť neprispela k spoločnej veci.

V 50. rokoch minulého storočia začalo Lermontovské výrobné združenie Almaz ťažiť urán v baniach v pohorí Beshtau a Byk (územie Stavropol). Zároveň začali rozvíjať polia južného Kazachstanu a strednej Ázie.

Po roku 1991 väčšina rozvinutých odborov skončila mimo hraníc Ruska, v samostatných štátoch. Od tohto momentu sa hlavná ťažba uránu vykonáva šachtovou metódou v Priemyselnom banskom a chemickom zväze Priargunsky (Trans-Bajkalské územie). Okrem toho postupne naberajú na sile dva podniky využívajúce technológiu lúhovania vrtu in-situ – Khiagda (Burjatská republika) a Dalur (región Kurgan). V Jakutsku sa projektujú výrobné zariadenia. Existujú aj perspektívne regióny pre ťažbu - Transbaikal, Západosibír, Severná Európa...

Rusko je na treťom mieste na svete, pokiaľ ide o preukázané zásoby uránu.

Ruské podniky na ťažbu uránu spravuje ARMZ Uranium Holding (www.armz.ru), ktorý vlastní Rosatom, ale štátna korporácia má aj zahraničné aktíva kontrolované medzinárodnou spoločnosťou Uranium One Inc (www.uranium1.com). Vďaka aktivitám týchto dvoch organizácií sa Rosatom stal tretím miestom na svete vo výrobe zlúčenín uránu.

Situácia na svetovom trhu s produkciou prírodného uránu (2014)

Štafetu banských podnikov preberá celý rad priemyselných odvetví na rafináciu, konverziu a obohacovanie uránu, ako aj na výrobu jadrového paliva. Väčšina z nich pochádza z 50. a 50. rokov 20. storočia, z doby aktívneho hromadenia jadrových zbraní. Dnes pracujú pre čisto mierový priemysel – jadrovú energetiku a svoje služby poskytujú zahraničným firmám.

V Rusku sú štyri obohacovacie závody, z ktorých niektoré vykonávajú aj operácie na konečnú purifikáciu (rafináciu) a fluoráciu (konverziu) zlúčenín uránu.

Prvý závod na difúziu plynu na obohacovanie uránu D-1 v Sverdlovsku-44 začal fungovať v novembri 1949. Najprv museli byť jej produkty ďalej obohatené v inštalácii SU-20 budúceho závodu Elektrokhimpribor v Sverdlovsku-45 (Lesnoy), ale po niekoľkých rokoch si D-1 začal poradiť sám a začal rásť. A od roku 1967 sa začalo nahrádzať difúzne kaskády kaskádami centrifúg. Dnes sa na mieste demontovaného D-1 nachádza najväčší svetový podnik na obohacovanie uránu - Uralský elektrochemický závod (Novouralsk, Sverdlovská oblasť).

V roku 1953 začal v Tomsku-7 fungovať budúci Sibírsky chemický závod (Seversk, Tomská oblasť), ktorý od roku 1973 začal postupne prechádzať na technológiu plynových centrifúg. Prvý obohatený urán z Angarského elektrolýzneho chemického závodu (Angarsk, Irkutská oblasť) bol získaný v roku 1957 a v roku 1985 sa začalo s výmenou difúznych aparatúr za odstredivky. Napokon, rok 1962 bol rokom spustenia elektrochemického závodu v Krasnojarsku-45 (teraz Zelenogorsk, územie Krasnojarsk). O pár rokov neskôr tam boli nainštalované prvé odstredivky.

Toto krátke zhrnutie, samozrejme, neodráža realitu tej ťažkej doby. Aj keď z tajných „číslovaných“ názvov uzavretých miest a z nejasných názvov rastlín možno pochopiť, že Sovietsky zväz si svoje tajomstvá obohacovania starostlivo strážil. Umiestnenie hlavných výrobných zariadení sa však dostalo do povedomia americkej rozviedky. Ale, ako sa hovorí, zmeškala aktívny prechod na technológiu plynových centrifúg. Možno sa to stalo dôvodom určitej spokojnosti našich konkurentov: štáty nevedeli, že v ZSSR sa zavádza produktívnejšia a efektívnejšia technológia, držali sa pôvodne zvolenej metódy - plynovej difúzie. Súčasná situácia samozrejme hrala do karát Sovietskemu zväzu a umožnila rýchlo dosiahnuť jadrovú paritu. Zároveň priekopnícky vývoj sovietskych vedcov a inžinierov na vytvorenie vysokovýkonných plynových centrifúg nevyšiel nazmar, čím sa Rusko dostalo na popredné miesto na svetovom trhu obohacovania uránu a výroby centrifúg.

Obohatený uránový produkt zo štyroch závodov smeruje do Strojárenského závodu (Elektrostal, Moskovský región) a Závodu chemických koncentrátov v Novosibirsku (rovnomenný Novosibirský región), kde sa realizuje celý cyklus výroby jadrového paliva. Zirkónium pre palivové tyče a iné konštrukčné materiály pre palivové články dodáva Čepetský mechanický závod (Glazov, Udmurtská republika) - jediný podnik v Rusku a tretí na svete na výrobu zirkónových výrobkov.

Vyrobené palivové kazety sa dodávajú do ruských a zahraničných jadrových elektrární a používajú sa aj v reaktoroch na iné účely.

Podniky na rafináciu, konverziu a obohacovanie uránu, výrobu jadrového paliva, výrobu plynových centrifúg, ako aj dizajnérske a výskumné organizácie sú združené v rámci TVEL Fuel Company of Rosatom (www.tvel.ru).

Výsledkom dlhoročnej úspešnej práce tejto spoločnosti a jej členských podnikov je, že Rosatom suverénne vedie zoznam najväčších poskytovateľov služieb v oblasti obohacovania uránu (36 % svetového trhu).

V Angarsku je banka jadrového paliva – garančná rezerva, ktorú si môže kúpiť krajina, ktorá je z nejakého dôvodu zbavená možnosti nakupovať urán na voľnom trhu. Z tejto zásoby bude môcť vyrábať čerstvé jadrové palivo a zabezpečiť nepretržitú prevádzku svojho jadrového priemyslu.

Podiel Rosatomu na globálnom trhu s jadrovým palivom je 17 %, vďaka čomu je každý šiesty energetický reaktor na Zemi naložený palivom kvality TVEL. Dodávky smerujú do Maďarska, Slovenska, Českej republiky, Bulharska, Ukrajiny, Arménska, Fínska, Indie a Číny.

Hore – svetový trh s obohacovaním uránu (2015), spodný – svetový trh výroby palív (2015)

Otvorené alebo zatvorené?

Možno poznamenať, že táto kapitola sa nezaoberala výrobou jadrového paliva pre výskumné reaktory, ako aj reaktory inštalované na jadrových ponorkách a ľadoborcoch. Celá diskusia bola venovaná jadrovému palivu používanému v jadrových elektrárňach. Nebolo to však urobené náhodou. Faktom je, že medzi postupnosťou výroby paliva pre jadrové elektrárne a napríklad pre jadrové ponorky jednoducho neexistujú žiadne zásadné rozdiely. Samozrejme, môžu existovať odchýlky v technológii súvisiace so špecifikami lodných a výskumných reaktorov. Prvý z nich musí byť napríklad malý a zároveň dosť výkonný - to je úplne prirodzená požiadavka na ľadoborec a navyše ovládateľnú jadrovú ponorku. Požadované ukazovatele možno dosiahnuť zvýšením obohacovania uránu, to znamená zvýšením koncentrácie štiepnych jadier - potom bude potrebné menej paliva. Presne to robia: stupeň obohatenia uránu používaného ako palivo pre lodné reaktory je okolo 40 % (v závislosti od projektu sa môže pohybovať od 20 do 90 %). Vo výskumných reaktoroch je bežnou požiadavkou dosiahnutie maximálneho výkonu neutrónov a počet neutrónov v reaktore tiež priamo súvisí s počtom štiepnych jadier. Preto sa v zariadeniach určených na vedecký výskum niekedy používa vysoko obohatený urán s oveľa vyšším obsahom uránu-235 ako v palive reaktorov jadrových elektrární. To však nemení technológiu obohacovania.

Konštrukcia reaktora môže určiť chemické zloženie paliva a materiál, z ktorého je palivová tyč vyrobená. V súčasnosti je hlavnou chemickou formou paliva oxid uraničitý. Čo sa týka palivových tyčí, sú prevažne zirkónové, ale napríklad pre rýchly neutrónový reaktor BN-600 sú palivové tyče vyrobené z nehrdzavejúcej ocele. Je to spôsobené použitím kvapalného sodíka ako chladiva v reaktoroch BN, v ktorých sa zirkónium rozkladá (koroduje) rýchlejšie ako nehrdzavejúca oceľ. Podstata procesu výroby jadrového paliva však zostáva rovnaká - prášok oxidu uraničitého sa syntetizuje z obohateného uránového produktu, ktorý sa lisuje do tabliet a speká, tablety sa vkladajú do palivových tyčí a palivové tyče sa zostavujú do paliva. zostavy (FA).

Navyše, ak vezmeme do úvahy cykly jadrového paliva v rôznych krajinách, ukáže sa napríklad, že v Rusku sa zlúčeniny uránu počas konverzie fluorujú priamo molekulárnym fluórom av zahraničí sa najskôr upravujú kyselinou fluorovodíkovou a až potom fluórom. Rozdiel možno nájsť v chemickom zložení roztokov na „otváranie“ rudy, sorbentov a extraktantov; Parametre procesov sa môžu líšiť... Ale to nič nemení na schéme jadrového palivového cyklu. Zásadný rozdiel je len medzi jeho otvorenou (otvorenou) a uzavretou (uzavretou) verziou: v prvom prípade je palivo po „práci“ v jadrovej elektrárni jednoducho izolované od prostredia v hlbinnom úložisku a v druhom prípade sa spracováva na extrakciu cenných zložiek (pozri kapitolu 7). Rusko je jednou z mála krajín implementujúcich uzavretý cyklus.

Príklad uzavretého palivového cyklu naznačujúci úlohu TVEL Fuel Company of Rosatom

FA (palivová zostava)

Jadrové palivo- materiály, ktoré sa používajú v jadrových reaktoroch na uskutočnenie riadenej reťazovej reakcie jadrového štiepenia. Jadrové palivo sa zásadne líši od ostatných druhov palív používaných ľudstvom, je mimoriadne energeticky náročné, no pre človeka aj veľmi nebezpečné, čo z bezpečnostných dôvodov prináša mnohé obmedzenia na jeho používanie. Z tohto a mnohých ďalších dôvodov je jadrové palivo oveľa náročnejšie na použitie ako akýkoľvek druh organického paliva a vyžaduje si pri jeho používaní mnohé špeciálne technické a organizačné opatrenia, ako aj vysokokvalifikovaný personál, ktorý sa ním zaoberá.

všeobecné informácie

Jadrová reťazová reakcia zahŕňa rozdelenie jadra na dve časti, tzv štiepne fragmenty, so súčasným uvoľnením niekoľkých (2-3) neutrónov, ktoré naopak môžu spôsobiť štiepenie následných jadier. K tomuto štiepeniu dochádza, keď neutrón zasiahne jadro atómu pôvodnej látky. Fragmenty štiepenia vznikajúce počas jadrového štiepenia majú vysokú kinetickú energiu. Inhibícia štiepnych fragmentov v hmote je sprevádzaná uvoľňovaním veľkého množstva tepla. Fragmenty štiepenia sú jadrá, ktoré vznikajú priamo v dôsledku štiepenia. Zvyčajne sa nazývajú štiepne fragmenty a produkty ich rádioaktívneho rozpadu štiepnych produktov. Jadrá štiepené neutrónmi akejkoľvek energie sa nazývajú jadrové palivo (spravidla ide o látky s nepárnym atómovým číslom). Existujú jadrá, ktoré sú štiepené iba neutrónmi s energiami nad určitou prahovou hodnotou (spravidla ide o prvky s párnym atómovým číslom). Takéto jadrá sa nazývajú suroviny, pretože keď je neutrón zachytený prahovým jadrom, vytvárajú sa jadrá jadrového paliva. Kombinácia jadrového paliva a suroviny sa nazýva jadrové palivo. Nižšie je uvedené rozdelenie štiepnej energie jadra 235 U medzi rôzne štiepne produkty (v MeV):

Keďže energia neutrín je neodvolateľne odvádzaná, na použitie je k dispozícii iba 188 MeV/atóm = 30 pJ/atóm = 18 TJ/mol = 76,6 TJ/kg (podľa iných údajov (pozri odkaz) 205,2 - 8,6 = 196,6 MeV /atóm).

Prírodný urán pozostáva z troch izotopov: 238 U (99,282 %), 235 U (0,712 %) a 234 U (0,006 %). Nie vždy je vhodný ako jadrové palivo, najmä ak konštrukčné materiály a moderátor intenzívne pohlcujú neutróny. V tomto prípade sa jadrové palivo vyrába z obohateného uránu. Tepelné neutrónové energetické reaktory využívajú urán s obohatením nižším ako 6 %, zatiaľ čo rýchle a stredné neutrónové reaktory využívajú obohatenie uránom nad 20 %. Obohatený urán sa vyrába v špeciálnych obohacovacích závodoch.

Klasifikácia

Jadrové palivo je rozdelené do dvoch typov:

• Prírodný urán obsahujúci štiepne jadrá 235 U, ako aj suroviny 238 U, schopné vytvárať plutónium 239 Pu pri záchyte neutrónov;
• Sekundárne palivá, ktoré sa v prírode nevyskytujú, vrátane 239 Pu, získaného z prvého typu paliva, ako aj izotopy 233 U vznikajúce, keď sú neutróny zachytené jadrami tória 232 Th.

Podľa chemického zloženia môže byť jadrové palivo:

• Kov, vrátane zliatin;
• oxid (napríklad U02);
• Karbid (napríklad PuC 1-x)
• Zmiešané (PuO 2 + UO 2)

Teoretické aspekty aplikácie

Jadrové palivo sa používa v jadrových reaktoroch vo forme tabliet s veľkosťou niekoľkých centimetrov, kde sa zvyčajne nachádza v hermeticky uzavretých palivových článkoch (palivových článkoch), ktoré sa zase pre uľahčenie používania spájajú v niekoľkých stovkách do palivových kaziet ( FA).

Na jadrové palivo sú kladené vysoké požiadavky na chemickú kompatibilitu s plášťami palivových tyčí, musí mať dostatočnú teplotu topenia a vyparovania, dobrú tepelnú vodivosť, mierny nárast objemu pri ožarovaní neutrónmi a spracovateľnosť.

Použitie kovového uránu, najmä pri teplotách nad 500 °C, je náročné pre jeho napučiavanie. Po štiepení jadra vznikajú dva štiepne fragmenty, ktorých celkový objem je väčší ako objem atómu uránu (plutónia). Niektoré z atómov štiepnych fragmentov sú atómy plynu (kryptón, xenón atď.). Atómy plynu sa hromadia v póroch uránu a vytvárajú vnútorný tlak, ktorý sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. V dôsledku zmien objemu atómov počas štiepenia a zvýšenia vnútorného tlaku plynov sa urán a iné jadrové palivá začínajú napučiavať. Napučiavanie sa vzťahuje na relatívnu zmenu objemu jadrového paliva spojenú s jadrovým štiepením.

Napučiavanie závisí od vyhorenia a teploty palivových tyčí. Počet štiepnych fragmentov sa zvyšuje so zvyšujúcim sa vyhorením a vnútorný tlak plynu sa zvyšuje so zvyšujúcim sa vyhorením a teplotou. Napučiavanie jadrového paliva môže viesť k deštrukcii plášťa palivovej tyče. Jadrové palivo je menej náchylné na napučiavanie, ak má vysoké mechanické vlastnosti. Kovový urán nie je jedným z týchto materiálov. Preto použitie kovového uránu ako jadrového paliva obmedzuje hĺbku vyhorenia, ktorá je jednou z hlavných charakteristík jadrového paliva.

Odolnosť voči žiareniu a mechanické vlastnosti paliva sa zlepšujú po legovaní uránu, čo je proces, pri ktorom sa k uránu pridávajú malé množstvá molybdénu, hliníka a iných kovov. Legujúce prísady znižujú počet štiepnych neutrónov na neutrón zachytený jadrovým palivom. Preto majú tendenciu vyberať legovacie prísady pre urán z materiálov, ktoré slabo absorbujú neutróny.

Dobré jadrové palivá zahŕňajú niektoré žiaruvzdorné zlúčeniny uránu: oxidy, karbidy a intermetalické zlúčeniny. Najpoužívanejšou keramikou je oxid uraničitý UO2. Jeho teplota topenia je 2800 °C, hustota je 10,2 g/cm³. Oxid uraničitý nemá žiadne fázové prechody a je menej náchylný na napučiavanie ako zliatiny uránu. To vám umožní zvýšiť vyhorenie na niekoľko percent. Oxid uraničitý pri vysokých teplotách nereaguje so zirkónom, nióbom, nehrdzavejúcou oceľou a inými materiálmi. Hlavnou nevýhodou keramiky je nízka tepelná vodivosť - 4,5 kJ/(m K), čo obmedzuje merný výkon reaktora z hľadiska teploty tavenia. Maximálna hustota tepelného toku v reaktoroch VVER využívajúcich oxid uraničitý teda nepresahuje 1,4⋅10 3 kW/m², pričom maximálna teplota v palivových tyčiach dosahuje 2200 °C. Okrem toho je horúca keramika veľmi krehká a môže prasknúť.

Praktické využitie

Potvrdenie

Uránové palivo

Uránové jadrové palivo sa získava spracovaním rúd. Proces prebieha v niekoľkých fázach:

• Pre chudobné polia: V modernom priemysle sa pre nedostatok bohatých uránových rúd (výnimkou sú kanadské a austrálske ložiská ako napr. nekonformita, v ktorých koncentrácia uránu dosahuje 3 %), sa používa metóda podzemného lúhovania rúd. Odpadá tak nákladná ťažba rudy. Predbežná príprava prebieha priamo v podzemí. Cez injekčné jamky kyselina sírová sa čerpá pod zem nad ložiskom, niekedy s pridanými železitými soľami (na oxidáciu uránu U(IV) na U(VI)), hoci rudy často obsahujú železo a pyroluzit, ktoré uľahčujú oxidáciu. Cez čerpacie studne Pomocou špeciálnych čerpadiel vystupuje na povrch roztok kyseliny sírovej s uránom. Potom ide priamo do sorpcie, hydrometalurgickej ťažby a súčasného obohacovania uránu.
• Pre ložiská rudy: používať obohacovanie rudy a rádiometrické obohacovanie rudy.
• Hydrometalurgické spracovanie - drvenie, lúhovanie, sorpcia alebo extrakcia extrakcia uránu na výrobu vyčisteného oxidu uránu (U 3 O 8), diuranátu sodného (Na 2 U 2 O 7) alebo diuranátu amónneho ((NH 4) 2 U 2 O 7 .
• Premena uránu z oxidu na tetrafluorid UF 4 alebo priamo z oxidov na výrobu hexafluoridu UF 6, ktorý sa používa na obohatenie uránu pomocou izotopu 235.
• Obohatenie plynovou tepelnou difúziou alebo odstreďovaním.
• UF 6 obohatený izotopom 235 sa premieňa na oxid UO 2 , z ktorého sa vyrábajú „pelety“ palivových článkov alebo sa na rovnaký účel získavajú iné zlúčeniny uránu.

Jadrová energia sa využíva v tepelnej energetike, kedy sa energia získava z jadrového paliva v reaktoroch vo forme tepla. Používa sa na výrobu elektrickej energie v jadrové elektrárne (JE), pre elektrárne veľkých námorných plavidiel, na odsoľovanie morskej vody.

Jadrová energia vďačí za svoj vzhľad predovšetkým povahe neutrónu, ktorý bol objavený v roku 1932. Neutróny sú súčasťou všetkých atómových jadier okrem jadra vodíka. Viazané neutróny v jadre existujú neobmedzene dlho. Vo svojej voľnej forme sú krátkodobé, pretože sa buď rozpadajú s polčasom rozpadu 11,7 minúty, menia sa na protón a emitujú elektrón a neutríno, alebo sú rýchlo zachytené jadrami atómov.

Moderná jadrová energia je založená na využití energie uvoľnenej pri štiepení prírodného izotopu urán-235. V jadrových elektrárňach prebieha riadená jadrová štiepna reakcia nukleárny reaktor. Podľa energie neutrónov produkujúcich jadrové štiepenie, rozlišovať medzi tepelnými a rýchlymi neutrónovými reaktormi.

Hlavnou jednotkou jadrovej elektrárne je jadrový reaktor, ktorého schéma je znázornená na obr. 1. Energiu získavajú z jadrového paliva a tá sa potom prenáša do inej pracovnej tekutiny (voda, kov alebo organická kvapalina, plyn) vo forme tepla; potom sa premení na elektrickú energiu podľa rovnakej schémy ako v konvenčných.

Riadia proces, udržiavajú reakciu, stabilizujú výkon, spúšťajú a zastavujú reaktor pomocou špeciálneho pohybu ovládacie tyče 6 A 7 z materiálov, ktoré intenzívne absorbujú tepelné neutróny. Sú poháňané riadiacim systémom 5 . Akcie ovládacie tyče sa prejavujú v zmene sily toku neutrónov v jadre. Podľa kanálov 10 voda cirkuluje a ochladzuje betón biologickej ochrany

Regulačné tyče sú vyrobené z bóru alebo kadmia, ktoré sú odolné voči teplu, žiareniu a korózii, mechanicky pevné a majú dobré vlastnosti prenosu tepla.

Vo vnútri masívne oceľové puzdro 3 je tam košík 8 s palivovými článkami 9 . Chladivo vstupuje cez potrubie 2 , prechádza aktívnou zónou, umýva všetky palivové články, ohrieva sa a prechádza potrubím 4 vstupuje do generátora pary.

Ryža. 1. Jadrový reaktor

Reaktor je umiestnený vo vnútri hrubého betónového biologického ochranného zariadenia 1 , ktorý chráni okolitý priestor pred prúdením neutrónov, alfa, beta, gama žiarenia.

Palivové prvky (palivové tyče)- hlavná časť reaktora. Priamo v nich prebieha jadrová reakcia a uvoľňuje sa teplo, všetky ostatné časti slúžia na izoláciu, riadenie a odvod tepla. Konštrukčne môžu byť palivové články tyčové, doskové, rúrkové, guľové atď. Najčastejšie sú to tyčové, do 1 metra dlhé, s priemerom 10 mm. Zvyčajne sú zostavené z uránových peliet alebo z krátkych rúrok a dosiek. Na vonkajšej strane sú palivové články pokryté tenkým kovovým plášťom odolným voči korózii. Na plášť je použitý zirkón, hliník, zliatiny horčíka, ako aj legovaná nehrdzavejúca oceľ.

Prenos tepla uvoľneného pri jadrovej reakcii v aktívnej zóne reaktora do pracovného telesa motora (turbíny) elektrární sa uskutočňuje podľa jednookruhových, dvojokruhových a trojokruhových schém (obr. 2).

Ryža. 2. Jadrová elektráreň
a – podľa jednookruhovej schémy; b – podľa dvojokruhovej schémy; c – podľa trojokruhovej schémy
1 – reaktor; 2, 3 – biologická ochrana; 4 – regulátor tlaku; 5 – turbína; 6 – elektrický generátor; 7 – kondenzátor; 8 – čerpadlo; 9 – rezervná kapacita; 10 – regeneračný ohrievač; 11 – vyvíjač pary; 12 – čerpadlo; 13 – medzivýmenník tepla

Každý okruh je uzavretý systém. Reaktor 1 (vo všetkých tepelných okruhoch) umiestnených vo vnútri primárneho okruhu 2 a sekundárne 3 biologická ochrana. Ak je jadrová elektráreň postavená podľa jednookruhového tepelného okruhu, para z reaktora cez regulátor tlaku 4 vstupuje do turbíny 5 . Hriadeľ turbíny je spojený s hriadeľom elektrického generátora 6 , v ktorej vzniká elektrický prúd. Odpadová para vstupuje do kondenzátora, kde sa ochladí a úplne skondenzuje. Pumpa 8 smeruje kondenzát do regeneračného ohrievača 10 a potom vstupuje do reaktora.

V dvojokruhovej schéme chladivo ohriate v reaktore vstupuje do generátora pary 11 , kde sa teplo odovzdáva povrchovým ohrevom chladiacej kvapaline pracovnej tekutiny (napájacia voda sekundárneho okruhu). Vo vodou chladených reaktoroch je chladivo v parogenerátore ochladzované približne o 15...40 o C a následne obehovým čerpadlom 12 sa posiela späť do reaktora.

V trojokruhovej konštrukcii je chladivo (zvyčajne tekutý sodík) z reaktora nasmerované do medziľahlého výmenníka tepla 13 a odtiaľ obehovým čerpadlom 12 sa vracia do reaktora. Chladivom v druhom okruhu je tiež tekutý sodík. Tento okruh nie je ožiarený, a preto nie je rádioaktívny. Sodík sekundárneho okruhu vstupuje do generátora pary 11 , odovzdáva teplo pracovnej kvapaline a potom je cirkulačným čerpadlom odoslaný späť do medziľahlého výmenníka tepla.

Počet cirkulačných okruhov určuje typ reaktora, použité chladivo, jeho jadrové fyzikálne vlastnosti a stupeň rádioaktivity. Jednoslučkový okruh je možné použiť vo varných reaktoroch a v reaktoroch s chladiacim plynom. Najrozšírenejšie dvojokruhový obvod pri použití vody, plynu a organických kvapalín ako chladiacej kvapaliny. Trojokruhová schéma sa používa v jadrových elektrárňach s reaktormi s rýchlymi neutrónmi využívajúcimi chladivá tekutých kovov (sodík, draslík, zliatiny sodíka a draslíka).

Jadrové palivo môže byť urán-235, urán-233 a plutónium-232. Suroviny na získanie jadrového paliva - prírodný urán a tórium. Jadrová reakcia jedného gramu štiepneho materiálu (urán-235) uvoľní energiu ekvivalentnú 22 × 10 3 kW × h (19 × 10 6 cal). Na získanie tohto množstva energie je potrebné spáliť 1900 kg ropy.

Urán-235 je ľahko dostupný a jeho energetické zásoby sú približne rovnaké ako zásoby fosílnych palív. Ak sa však jadrové palivo bude využívať s takou nízkou účinnosťou, aká je v súčasnosti dostupná, dostupné zdroje uránu sa vyčerpajú do 50 – 100 rokov. Zároveň sú „ložiská“ jadrového paliva prakticky nevyčerpateľné – ide o urán rozpustený v morskej vode. V oceáne je ho stokrát viac ako na súši. Náklady na získanie jedného kilogramu oxidu uraničitého z morskej vody sú približne 60 – 80 USD a v budúcnosti klesnú na 30 USD a náklady na oxid uraničitý ťažený v najbohatších ložiskách na súši sú 10 – 20 USD. Preto po určitom čase budú náklady na súši a „na morskej vode“ rovnaké.

Cena jadrového paliva je približne dvakrát nižšia ako cena fosílneho uhlia. V uhoľných elektrárňach podiel paliva klesá o 50 – 70 % nákladov na elektrinu a v jadrových elektrárňach o 15 – 30 %. Moderná tepelná elektráreň s výkonom 2,3 milióna kW (napríklad elektráreň Samara State District Power Plant) spotrebuje každý deň okolo 18 ton uhlia (6 vlakov) alebo 12 tisíc ton vykurovacieho oleja (4 vlaky). Jadrový, s rovnakým výkonom, spotrebuje len 11 kg jadrového paliva denne a 4 tony počas roka. Jadrová elektráreň je však nákladnejšia ako tepelná elektráreň z hľadiska výstavby, prevádzky, opravy. Napríklad výstavba jadrovej elektrárne s výkonom 2 – 4 milióny kW stojí približne o 50 – 100 % viac ako tepelnej.

Investičné náklady na výstavbu jadrových elektrární je možné znížiť vďaka:

1. štandardizácia a zjednotenie zariadení;
2. vývoj kompaktných návrhov reaktorov;
3. zlepšenie systémov riadenia a regulácie;
4. skrátenie doby odstávky reaktora na doplnenie paliva.

Dôležitou charakteristikou jadrových elektrární (jadrových reaktorov) je účinnosť palivového cyklu. Na zlepšenie účinnosti palivového cyklu by ste mali:

• zvýšiť spaľovanie jadrového paliva;
• zvýšiť mieru rozmnožovania plutónia.

Pri každom štiepení jadra uránu-235 sa uvoľnia 2-3 neutróny. Z nich sa na ďalšiu reakciu použije iba jeden, zvyšok sa stratí. Je však možné ich použiť na reprodukciu jadrového paliva, čím vznikajú rýchle neutrónové reaktory. Pri prevádzke rýchleho neutrónového reaktora je možné súčasne získať približne 1,7 kg plutónia-239 na 1 kg spáleného uránu-235. Týmto spôsobom možno pokryť nízku tepelnú účinnosť jadrových elektrární.

Rýchle neutrónové reaktory sú desaťkrát efektívnejšie (z hľadiska využitia jadrového paliva) ako palivové neutrónové reaktory. Neobsahujú moderátor a používajú vysoko obohatené jadrové palivo. Neutróny unikajúce z jadra nie sú absorbované konštrukčnými materiálmi, ale uránom-238 alebo tóriom-232, ktoré sa nachádzajú okolo nich.

V budúcnosti budú hlavnými štiepnymi materiálmi pre jadrové elektrárne plutónium-239 a urán-233, získané z uránu-238 a tória-232 v reaktoroch s rýchlymi neutrónmi. Premena uránu-238 na plutónium-239 v reaktoroch zvýši zdroje jadrového paliva približne 100-krát a tórium-232 na urán-233 200-krát.

Na obr. Obrázok 3 znázorňuje schému jadrovej elektrárne využívajúcu rýchle neutróny.

Charakteristické črty rýchlej neutrónovej jadrovej elektrárne sú:

1. zmena kritickosti jadrového reaktora sa uskutočňuje odrazom časti štiepnych neutrónov jadrového paliva z periférie späť do aktívnej zóny pomocou reflektorov 3 ;
2. reflektory 3 môže sa otáčať, meniť únik neutrónov a tým aj intenzitu štiepnych reakcií;
3. jadrové palivo sa reprodukuje;
4. Prebytočná tepelná energia sa z reaktora odvádza pomocou chladiča chladiča 6 .

Ryža. 3. Schéma jadrovej elektrárne využívajúca rýchle neutróny:
1 – palivové články; 2 – reprodukovateľné jadrové palivo; 3 – reflektory rýchlych neutrónov; 4 – jadrový reaktor; 5 – odberateľ elektriny; 6 – chladnička-emitor; 7 – menič tepelnej energie na elektrickú energiu; 8 – radiačná ochrana.

Meniče tepelnej energie na elektrickú energiu

Na základe princípu využitia tepelnej energie generovanej jadrovou elektrárňou možno meniče rozdeliť do 2 tried:

1. stroj (dynamický);
2. bezstrojové (priame meniče).

V strojových konvertoroch je obvykle k reaktoru pripojená jednotka plynovej turbíny, v ktorej pracovnou tekutinou môže byť vodík, hélium alebo zmes hélia a xenónu. Účinnosť premeny tepla dodávaného priamo do turbogenerátora na elektrickú energiu je pomerne vysoká - účinnosť meniča η = 0,7-0,75.

Schéma jadrovej elektrárne s dynamickým meničom plynovej turbíny (stroja) je na obr. 4.

Ďalším typom strojového meniča je magnetogasdynamický alebo magnetohydrodynamický generátor (MGDG). Schéma takéhoto generátora je znázornená na obr. 5. Generátor je pravouhlý kanál, ktorého dve steny sú vyrobené z dielektrika a dve z elektricky vodivého materiálu. Elektricky vodivá pracovná tekutina - kvapalina alebo plyn - sa pohybuje cez kanály a je preniknutá magnetickým poľom. Ako je známe, keď sa vodič pohybuje v magnetickom poli, vzniká emf, ktorý prechádza cez elektródy 2 prevedené na odberateľa elektriny 3 . Zdrojom energie pre pracovný tepelný tok je teplo uvoľnené v jadrovom reaktore. Táto tepelná energia sa vynakladá na pohyb nábojov v magnetickom poli, t.j. sa premieňa na kinetickú energiu prúdu vodivého prúdu a kinetickú energiu na elektrickú energiu.

Ryža. 4. Schéma jadrovej elektrárne s konvertorom plynovej turbíny:
1 – reaktor; 2 – okruh s chladiacou kvapalinou tekutého kovu; 3 – výmenník tepla na dodávku tepla do plynu; 4 – turbína; 5 – elektrický generátor; 6 – kompresor; 7 – chladnička-emitor; 8 – okruh odvodu tepla; 9 – obehové čerpadlo; 10 – výmenník tepla na odvod tepla; 11 – výmenník-regenerátor; 12 – okruh s pracovnou kvapalinou meniča plynovej turbíny.

Priame meniče (bezstrojové) tepelnej energie na elektrickú energiu sa delia na:

1. termoelektrické;
2. termionické;
3. elektrochemické.

Termoelektrické generátory (TEG) sú založené na Seebeckovom princípe, ktorý spočíva v tom, že v uzavretom okruhu pozostávajúcom z odlišných materiálov dochádza k termoemf, ak sa v miestach dotyku týchto materiálov udržiava teplotný rozdiel (obr. 6). ). Na výrobu elektriny je vhodné použiť polovodičové TEG, ktoré majú vyššiu účinnosť, pričom teplota horúceho spoja musí byť zvýšená na 1400 K a vyššie.

Termionické konvertory (TEC) umožňujú vyrábať elektrickú energiu ako výsledok emisie elektrónov z katódy zahriatej na vysoké teploty (obr. 7).

Ryža. 5. Magnetogasdynamický generátor:
1 – magnetické pole; 2 – elektródy; 3 – odberateľ elektriny; 4 – dielektrikum; 5 – vodič; 6 – pracovná kvapalina (plyn).

Ryža. 6. Schéma činnosti termoelektrického generátora

Ryža. 7. Schéma činnosti termionického meniča

Na udržanie emisného prúdu sa katóde dodáva teplo Q 1. Elektróny emitované katódou po prekonaní vákuovej medzery dosiahnu anódu a sú ňou absorbované. Keď elektróny „kondenzujú“ na anóde, uvoľňuje sa energia rovnajúca sa pracovnej funkcii elektrónov s opačným znamienkom. Ak zabezpečíme nepretržitý prívod tepla katóde a odoberieme ju z anódy, tak cez záťaž R potečie jednosmerný prúd. Emisia elektrónov sa vyskytuje efektívne pri teplotách katódy nad 2200 K.

Bezpečnosť a spoľahlivosť jadrových elektrární

Jednou z hlavných otázok rozvoja jadrovej energetiky je zabezpečenie spoľahlivosti a bezpečnosti jadrových elektrární.

Radiačná bezpečnosť je zabezpečená:

1. vytvorenie spoľahlivých štruktúr a zariadení na biologickú ochranu personálu pred žiarením;
2. čistenie vzduchu a vody opúšťajúce priestory jadrovej elektrárne;
3. extrakcia a spoľahlivá lokalizácia rádioaktívnej kontaminácie;
4. denný radiačný monitoring priestorov jadrovej elektrárne a individuálny radiačný monitoring personálu.

Priestory JE sú v závislosti od prevádzkového režimu a zariadení v nich inštalovaných rozdelené do 3 kategórií:

1. zóna vysokej bezpečnosti;
2. zakázaná oblasť;
3. zóna normálneho režimu.

Personál je trvalo umiestnený v miestnostiach tretej kategórie, tieto miestnosti na stanici sú radiačne bezpečné.

Pri prevádzke jadrových elektrární vzniká pevný, kvapalný a plynný rádioaktívny odpad. Musia byť zlikvidované spôsobom, ktorý nezaťažuje životné prostredie.

Plyny odvádzané z priestorov počas vetrania môžu obsahovať rádioaktívne látky vo forme aerosólov, rádioaktívneho prachu a rádioaktívnych plynov. Vetranie stanice je vybudované tak, že prúdenie vzduchu prechádza od „najčistejšieho“ k „znečistenému“ a prúdenie v opačnom smere je vylúčené. Vo všetkých priestoroch stanice je úplná výmena vzduchu vykonaná maximálne do jednej hodiny.

Pri prevádzke jadrových elektrární vzniká problém likvidácie a likvidácie rádioaktívneho odpadu. Palivové prvky spotrebované v reaktoroch sa určitý čas uchovávajú v bazénoch vody priamo v jadrovej elektrárni, kým sa nestabilizujú izotopy s krátkym polčasom rozpadu, a potom sa palivové prvky posielajú na regeneráciu do špeciálnych rádiochemických závodov. Tam sa jadrové palivo získava z palivových tyčí a rádioaktívny odpad sa zakopáva.