Metal fuel para sa mga nuclear reactor. Nuclear fuel: mga uri at pagproseso

Ang siklo ng buhay ng nuclear fuel batay sa uranium o plutonium ay nagsisimula sa mga negosyo sa pagmimina, mga kemikal na halaman, sa mga gas centrifuges, at hindi nagtatapos sa sandaling ang pagpupulong ng gasolina ay ibinaba mula sa reaktor, dahil ang bawat pagpupulong ng gasolina ay kailangang dumaan sa isang mahabang landas ng pagtatapon at pagkatapos ay muling iproseso.

Pagkuha ng mga hilaw na materyales para sa nuclear fuel

Ang uranium ay ang pinakamabigat na metal sa mundo. Humigit-kumulang 99.4% ng uranium ng daigdig ay uranium-238, at 0.6% lamang ang uranium-235. Ang ulat ng Red Book ng International Atomic Energy Agency ay nagpapakita na ang produksyon at demand ng uranium ay tumataas sa kabila ng aksidenteng nuklear sa Fukushima, na nag-iwan sa marami na nagtataka tungkol sa mga prospect para sa nuclear power. Sa nakalipas na ilang taon lamang, ang mga napatunayang reserbang uranium ay tumaas ng 7%, na nauugnay sa pagtuklas ng mga bagong deposito. Ang pinakamalaking producer ay nananatiling Kazakhstan, Canada at Australia; sila ay nagmimina ng hanggang 63% ng uranium sa mundo. Bilang karagdagan, ang mga reserbang metal ay magagamit sa Australia, Brazil, China, Malawi, Russia, Niger, USA, Ukraine, China at iba pang mga bansa. Noong nakaraan, isinulat ni Pronedra na noong 2016, 7.9 libong tonelada ng uranium ang minahan sa Russian Federation.

Ngayon, ang uranium ay mina sa tatlong magkakaibang paraan. Ang bukas na pamamaraan ay hindi nawawala ang kaugnayan nito. Ginagamit ito sa mga kaso kung saan ang mga deposito ay malapit sa ibabaw ng lupa. Gamit ang bukas na pamamaraan, ang mga bulldozer ay lumikha ng isang quarry, pagkatapos ang mineral na may mga impurities ay ikinarga sa mga dump truck para sa transportasyon sa mga complex sa pagproseso.

Kadalasan ang katawan ng mineral ay namamalagi sa napakalalim, kung saan ang paraan ng pagmimina sa ilalim ng lupa ay ginagamit. Ang isang minahan ay hinuhukay ng hanggang dalawang kilometro ang lalim, ang bato ay nakuha sa pamamagitan ng pagbabarena sa pahalang na mga drift, at dinadala paitaas sa mga elevator ng kargamento.

Ang halo na dinadala paitaas sa ganitong paraan ay may maraming bahagi. Ang bato ay dapat durog, diluted sa tubig at ang labis na alisin. Susunod, ang sulfuric acid ay idinagdag sa pinaghalong upang isagawa ang proseso ng leaching. Sa panahon ng reaksyong ito, ang mga chemist ay nakakakuha ng dilaw na precipitate ng uranium salts. Sa wakas, ang uranium na may mga impurities ay dinadalisay sa isang pasilidad sa pagdadalisay. Pagkatapos lamang nito ay ginawa ang uranium oxide, na ipinagpalit sa stock exchange.

Mayroong mas ligtas, environment friendly at cost-effective na paraan na tinatawag na borehole in situ leaching (ISL).

Sa ganitong paraan ng pagmimina, ang teritoryo ay nananatiling ligtas para sa mga tauhan, at ang background ng radiation ay tumutugma sa background sa malalaking lungsod. Upang magmina ng uranium gamit ang leaching, kailangan mong mag-drill ng 6 na butas sa mga sulok ng hexagon. Sa pamamagitan ng mga balon na ito, ang sulfuric acid ay ibinubomba sa mga deposito ng uranium at inihalo sa mga asin nito. Ang solusyon na ito ay nakuha, ibig sabihin, pumped sa pamamagitan ng isang balon sa gitna ng hexagon. Upang makamit ang kinakailangang konsentrasyon ng mga uranium salts, ang halo ay dumaan sa mga haligi ng sorption nang maraming beses.

Produksyon ng nuclear fuel

Imposibleng isipin ang paggawa ng nuclear fuel na walang gas centrifuges, na ginagamit upang makabuo ng enriched uranium. Matapos maabot ang kinakailangang konsentrasyon, ang uranium dioxide ay pinindot sa tinatawag na mga tablet. Nilikha ang mga ito gamit ang mga lubricant na inalis sa panahon ng pagpapaputok sa mga tapahan. Ang temperatura ng pagpapaputok ay umabot sa 1000 degrees. Pagkatapos nito, ang mga tablet ay sinusuri upang matiyak na natutugunan nila ang mga nakasaad na kinakailangan. Ang kalidad ng ibabaw, moisture content, at ang ratio ng oxygen at uranium ay mahalaga.

Kasabay nito, ang mga tubular shell para sa mga elemento ng gasolina ay inihahanda sa isa pang workshop. Ang mga proseso sa itaas, kabilang ang kasunod na dosing at packaging ng mga tablet sa shell tubes, sealing, decontamination, ay tinatawag na fuel fabrication. Sa Russia, ang paglikha ng mga fuel assemblies (FA) ay isinasagawa ng Mashinostroitelny Zavod sa rehiyon ng Moscow, ang Novosibirsk Chemical Concentrates Plant sa Novosibirsk, ang Moscow Polymetals Plant at iba pa.

Ang bawat batch ng fuel assemblies ay nilikha para sa isang partikular na uri ng reactor. Ang mga European fuel assemblies ay ginawa sa hugis ng isang parisukat, habang ang mga Russian ay may hexagonal cross-section. Ang mga reaktor ng mga uri ng VVER-440 at VVER-1000 ay malawakang ginagamit sa Russian Federation. Ang unang mga elemento ng gasolina para sa VVER-440 ay nagsimulang mabuo noong 1963, at para sa VVER-1000 - noong 1978. Sa kabila ng katotohanan na ang mga bagong reactor na may mga teknolohiyang pangkaligtasan pagkatapos ng Fukushima ay aktibong ipinakilala sa Russia, maraming mga lumang-istilong nuclear installation na tumatakbo sa buong bansa at sa ibang bansa, kaya ang mga fuel assemblies para sa iba't ibang uri ng mga reactor ay nananatiling pantay na nauugnay.

Halimbawa, upang magbigay ng mga fuel assemblies para sa isang core ng RBMK-1000 reactor, higit sa 200 libong mga bahagi na gawa sa zirconium alloys, pati na rin ang 14 milyong sintered uranium dioxide pellets, ay kinakailangan. Minsan ang halaga ng pagmamanupaktura ng pagpupulong ng gasolina ay maaaring lumampas sa halaga ng gasolina na nakapaloob sa mga elemento, kaya naman napakahalaga na tiyakin ang mataas na kahusayan ng enerhiya sa bawat kilo ng uranium.

Mga gastos sa mga proseso ng produksyon sa %

Hiwalay, ito ay nagkakahalaga ng pagbanggit ng mga pagtitipon ng gasolina para sa mga reaktor ng pananaliksik. Idinisenyo ang mga ito sa paraang gawing komportable ang pagmamasid at pag-aaral ng proseso ng pagbuo ng neutron hangga't maaari. Ang nasabing mga fuel rod para sa mga eksperimento sa larangan ng nuclear physics, isotope production, at radiation medicine ay ginawa sa Russia ng Novosibirsk Chemical Concentrates Plant. Ang mga FA ay nilikha batay sa mga seamless na elemento na may uranium at aluminyo.

Ang paggawa ng nuclear fuel sa Russian Federation ay isinasagawa ng kumpanya ng gasolina na TVEL (isang dibisyon ng Rosatom). Gumagana ang kumpanya sa pagpapayaman ng mga hilaw na materyales, pag-assemble ng mga elemento ng gasolina, at nagbibigay din ng mga serbisyo sa paglilisensya ng gasolina. Ang Kovrov Mechanical Plant sa Vladimir Region at ang Ural Gas Centrifuge Plant sa Sverdlovsk Region ay lumikha ng mga kagamitan para sa Russian fuel assemblies.

Mga tampok ng transportasyon ng mga rod ng gasolina

Ang natural na uranium ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang mababang antas ng radyaktibidad, gayunpaman, bago ang paggawa ng mga pagtitipon ng gasolina, ang metal ay sumasailalim sa isang pamamaraan ng pagpapayaman. Ang nilalaman ng uranium-235 sa natural na ore ay hindi lalampas sa 0.7%, at ang radyaktibidad ay 25 becquerels bawat 1 milligram ng uranium.

Ang mga uranium pellets, na inilalagay sa mga fuel assemblies, ay naglalaman ng uranium na may uranium-235 na konsentrasyon na 5%. Ang mga natapos na fuel assemblies na may nuclear fuel ay dinadala sa mga espesyal na lalagyan ng metal na may mataas na lakas. Para sa transportasyon, ginagamit ang riles, kalsada, dagat at maging ang sasakyang panghimpapawid. Ang bawat lalagyan ay naglalaman ng dalawang pagtitipon. Ang transportasyon ng non-irradiated (sariwang) na gasolina ay hindi nagdudulot ng panganib sa radiation, dahil ang radiation ay hindi lumalampas sa mga zirconium tubes kung saan inilalagay ang mga pinindot na uranium pellets.

Ang isang espesyal na ruta ay binuo para sa pagpapadala ng gasolina; ang kargamento ay dinadala na sinamahan ng mga tauhan ng seguridad mula sa tagagawa o ng customer (mas madalas), na higit sa lahat ay dahil sa mataas na halaga ng kagamitan. Sa buong kasaysayan ng produksyon ng nuclear fuel, walang isang aksidente sa transportasyon na kinasasangkutan ng mga fuel assemblies ang naitala na makakaapekto sa radiation background ng kapaligiran o humantong sa mga kaswalti.

Fuel sa reactor core

Ang isang yunit ng nuclear fuel - isang TVEL - ay may kakayahang maglabas ng napakalaking halaga ng enerhiya sa loob ng mahabang panahon. Hindi maihahambing ang alinman sa karbon o gas sa gayong mga dami. Ang ikot ng buhay ng gasolina sa anumang planta ng nuclear power ay nagsisimula sa pagbabawas, pag-alis at pag-imbak ng sariwang gasolina sa bodega ng pagpupulong ng gasolina. Kapag ang nakaraang batch ng gasolina sa reactor ay nasunog, ang mga tauhan ay nag-iipon ng mga fuel assemblies para sa pag-load sa core (ang nagtatrabaho na lugar ng reaktor kung saan nangyayari ang pagkabulok na reaksyon). Bilang isang patakaran, ang gasolina ay bahagyang na-reload.

Ang buong gasolina ay idinagdag sa core lamang sa oras ng unang pagsisimula ng reaktor. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang mga fuel rod sa reactor ay nasusunog nang hindi pantay, dahil ang neutron flux ay nag-iiba sa intensity sa iba't ibang mga zone ng reaktor. Salamat sa mga aparato sa pagsukat, ang mga tauhan ng istasyon ay may pagkakataon na subaybayan ang antas ng pagkasunog ng bawat yunit ng gasolina sa real time at gumawa ng mga kapalit. Minsan, sa halip na mag-load ng mga bagong fuel assemblies, ang mga assemblies ay inililipat sa kanilang mga sarili. Sa gitna ng aktibong zone, ang burnout ay nangyayari nang mas matindi.

FA pagkatapos ng isang nuclear power plant

Ang uranium na ginugol sa isang nuclear reactor ay tinatawag na irradiated o nasunog. At ang mga naturang fuel assemblies ay ginagamit bilang ginastos na nuclear fuel. Ang SNF ay nakaposisyon nang hiwalay mula sa radioactive na basura, dahil mayroon itong hindi bababa sa 2 kapaki-pakinabang na bahagi - hindi nasusunog na uranium (ang lalim ng pagkasunog ng metal ay hindi umabot sa 100%) at transuranium radionuclides.

Kamakailan, sinimulan ng mga physicist na gumamit ng radioactive isotopes na naipon sa ginastos na nuclear fuel sa industriya at medisina. Matapos makumpleto ng gasolina ang kampanya nito (ang oras na ang pagpupulong ay nasa reactor core sa ilalim ng mga kondisyon ng pagpapatakbo sa rate na kapangyarihan), ito ay ipinadala sa cooling pool, pagkatapos ay direktang iimbak sa reactor compartment, at pagkatapos nito para sa muling pagproseso o pagtatapon. Ang cooling pool ay idinisenyo upang alisin ang init at protektahan laban sa ionizing radiation, dahil ang fuel assembly ay nananatiling mapanganib pagkatapos alisin mula sa reactor.

Sa USA, Canada o Sweden, ang ginastos na gasolina ay hindi ipinadala para sa muling pagproseso. Ang ibang mga bansa, kabilang ang Russia, ay nagtatrabaho sa isang closed fuel cycle. Pinapayagan ka nitong makabuluhang bawasan ang gastos ng paggawa ng nuclear fuel, dahil ang bahagi ng ginastos na gasolina ay muling ginagamit.

Ang mga fuel rod ay natunaw sa acid, pagkatapos ay pinaghihiwalay ng mga mananaliksik ang plutonium at hindi nagamit na uranium mula sa basura. Humigit-kumulang 3% ng mga hilaw na materyales ang hindi maaaring magamit muli; ito ay mga high-level na basura na sumasailalim sa bituminization o vitrification procedures.

Ang 1% plutonium ay maaaring makuha mula sa ginastos na nuclear fuel. Ang metal na ito ay hindi kailangang pagyamanin; ginagamit ito ng Russia sa proseso ng paggawa ng makabagong MOX fuel. Ang isang closed fuel cycle ay ginagawang posible na gumawa ng isang fuel assembly na humigit-kumulang 3% na mas mura, ngunit ang teknolohiyang ito ay nangangailangan ng malalaking pamumuhunan sa pagtatayo ng mga pang-industriyang yunit, kaya hindi pa ito naging laganap sa mundo. Gayunpaman, ang kumpanya ng gasolina ng Rosatom ay hindi huminto sa pananaliksik sa direksyon na ito. Isinulat kamakailan ni Pronedra na ang Russian Federation ay nagtatrabaho sa isang gasolina na may kakayahang mag-recycle ng mga isotopes ng americium, curium at neptunium sa reactor core, na kasama sa parehong 3% ng highly radioactive waste.

Mga producer ng nuclear fuel: rating

1. Ang kumpanyang Pranses na Areva hanggang kamakailan ay nagbigay ng 31% ng pandaigdigang merkado para sa mga pagtitipon ng gasolina. Gumagawa ang kumpanya ng nuclear fuel at nagtitipon ng mga bahagi para sa mga nuclear power plant. Noong 2017, sumailalim si Areva sa isang qualitative renovation, ang mga bagong mamumuhunan ay dumating sa kumpanya, at ang malaking pagkawala ng 2015 ay nabawasan ng 3 beses.
2. Ang Westinghouse ay ang American division ng Japanese company na Toshiba. Ito ay aktibong nagpapaunlad ng merkado sa Silangang Europa, na nagbibigay ng mga pagtitipon ng gasolina sa mga halaman ng nuclear power ng Ukrainian. Kasama ang Toshiba, nagbibigay ito ng 26% ng pandaigdigang nuclear fuel production market.
3. Ang kumpanya ng gasolina na TVEL ng korporasyon ng estado na Rosatom (Russia) ay nasa ikatlong lugar. Nagbibigay ang TVEL ng 17% ng pandaigdigang merkado, mayroong sampung taong portfolio ng kontrata na nagkakahalaga ng $30 bilyon at nagbibigay ng gasolina sa higit sa 70 reaktor. Bumubuo ang TVEL ng mga fuel assemblies para sa mga VVER reactor, at pumapasok din sa merkado ng mga nuclear plant na may disenyong Kanluranin.
4. Ang Japan Nuclear Fuel Limited, ayon sa pinakabagong data, ay nagbibigay ng 16% ng pandaigdigang merkado at nagsu-supply ng mga fuel assemblies sa karamihan ng mga nuclear reactor sa Japan mismo.
5. Ang Mitsubishi Heavy Industries ay isang higanteng Hapones na gumagawa ng mga turbine, tanker, air conditioner, at, kamakailan lamang, nuclear fuel para sa Western-style reactors. Ang Mitsubishi Heavy Industries (isang dibisyon ng pangunahing kumpanya) ay nakikibahagi sa pagtatayo ng mga APWR nuclear reactor at mga aktibidad sa pananaliksik kasama ng Areva. Ang kumpanyang ito ay pinili ng gobyerno ng Japan upang bumuo ng mga bagong reactor.

Ang sentral na yugto ng nuclear fuel cycle ay ang paggamit ng nuclear fuel sa isang nuclear power plant reactor upang makabuo ng thermal energy. Bilang isang aparato ng enerhiya, ang isang nuclear reactor ay isang generator ng thermal energy ng ilang mga parameter, na nakuha sa pamamagitan ng fission ng uranium nuclei at ang plutonium secondary fuel element na nabuo sa reactor (Fig. 6.22). Ang kahusayan ng pag-convert ng thermal energy sa electrical energy ay tinutukoy ng pagiging perpekto ng thermohydraulic at electrical circuits ng nuclear power plant.

Ang mga tampok ng pagkasunog ng nuclear fuel sa reactor core, na nauugnay sa paglitaw ng iba't ibang mga reaksyong nuklear na may mga elemento ng gasolina, matukoy ang mga detalye ng nuclear power, mga kondisyon ng pagpapatakbo ng mga nuclear power plant, mga tagapagpahiwatig ng ekonomiya, epekto sa kapaligiran, panlipunan at pang-ekonomiyang kahihinatnan .

Ang kahusayan ng paggamit ng nuclear fuel sa mga nuclear power plant na may thermal neutron reactors ay nailalarawan sa pamamagitan ng average na taunang produksyon ng enerhiya sa bawat 1 tonelada (o 1 kg) ng gasolina na na-load at ginugol sa reactor - ang average na pagkasunog nito (ang dimensyon nito ay MW araw/t ). Sa proseso ng pagsunog ng uranium fuel bilang resulta ng mga reaksyong nuklear, nangyayari ang isang makabuluhang pagbabago sa komposisyon ng nuclide nito. Ang Figure 6.23 ay nagpapakita ng isang tipikal na graph ng prosesong ito na may kaugnayan sa mga kondisyon ng disenyo ng VVER-1000 reactor core na may paunang pagpapayaman x = 4.4% (44 kg/t) at ang average na disenyo ng fuel burnup B = 40 10 3 MW day/t (o α = 42 kg/t), at sa Figure 6.24 - ang kinakalkulang graph ng mga pagbabago sa komposisyon ng nuclide ng gasolina sa x = 2% at B = 20 10 3 MW araw/t sa core ng RBMK-1000 reactor. Makikita na habang nasusunog ang 235 U, bilang resulta ng radiative capture ng mga neutron sa pamamagitan ng 238 U nuclei, lumilitaw ang fissile isotopes ng plutonium 239 Pu, 241 Pu at non-fissile isotopes 240 Pu, 242 Pu, pati na rin ang 236 U. Bilang karagdagan, ang mga proseso ng pagbuo ay nangyayari sa gasolina at ang pagkabulok ng iba pang mga elemento ng transuranium at transplutonium (Larawan 6.25), ang halaga nito ay medyo maliit at hindi isinasaalang-alang sa mga kalkulasyon ng ekonomiya.

Ipinapakita ng Figure 6.26 ang pag-asa ng pagbabago sa komposisyon ng nuclide sa uranium fuel ng isang PWR reactor, na may paunang pagpapayaman na 3.44%, sa neutron fluence. Ang kinakalkula na kontribusyon ng fissile plutonium isotopes (239 Pu at 241 Pu) sa kabuuang output ng enerhiya ng VVER-1000 nuclear reactor ay higit sa 33%. Ang prosesong ito ay nangyayari rin sa iba pang mga thermal neutron reactor. Ang kontribusyon ng plutonium sa fission at produksyon ng enerhiya ay mas malaki, mas mataas ang breeding factor (BR) ng plutonium at mas malaki ang average na fuel burnup.

Ang dami ng akumulasyon ng plutonium isotopes sa ginastos na gasolina ay may malaking kahalagahan para sa teknikal at pang-ekonomiyang mga kalkulasyon at pagtatasa sa nuclear energy. Matapos makuha mula sa ginastos na gasolina sa panahon ng chemical reprocessing, ang mga ito ay mga komersyal na produkto din ng mga nuclear power plant.

Ang ratio ng mass z* ng lahat o tanging z isotopes ng plutonium na naipon sa ginastos na gasolina na na-fission ng mga thermal neutron sa mass na α ng fissile nuclei na nasa 1 tonelada ng ginastos na gasolina ay karaniwang tinatawag na plutonium accumulation coefficient (CN):

КН=z/ α ; KH*=z*/ α ,

kung saan ang z* ay ang masa ng lahat ng isotopes ng plutonium na naipon sa ginastos na gasolina (kabilang ang pagkawala ng 235U dahil sa pagbabagong-anyo sa 236U nang walang fission). Para sa isang tinatayang pagkalkula ng CN, maaari mong gamitin ang mga graph ng mga pagbabago sa komposisyon ng nuclide ng gasolina (tingnan ang Fig. 6.23 at 6.24), na binuo batay sa mga pisikal na kalkulasyon ng nuklear. Ang pagtaas sa average na burnup B ay sinamahan (Talahanayan 6.13) ng pagbaba sa halaga ng plutonium sa ginastos na gasolina, ngunit sa pamamagitan ng pagtaas ng bahagi nito sa kabuuang output ng enerhiya ng reaktor. Mas mataas ang proporsyon na ito, mas malaki ang halaga ng integral CF (ang ratio ng bilang ng mga fissile nuclides na nabuo sa bilang ng mga fissile nuclides).

Talahanayan 6.13 Pagsunog ng gasolina at akumulasyon ng plutonium sa mga thermal neutron reactor

Kapag sinusuri ang materyal na balanse ng 235 U sa nuclear fuel, kinakailangang isaalang-alang ang hindi maibabalik na pagkalugi nito sa reactor core na dulot ng pagkuha ng mga neutron ng 235 U isotope nang walang fission 235 U+n → 236 U + γ.

Ang isang makabuluhang bahagi ng 235 U ay hindi fission, ngunit nagiging isang artipisyal na non-fissile radioactive isotope 236 U. Ang posibilidad ng pagbuo ng 236 U mula sa 235 U ay katumbas ng ratio ng cross section para sa radiative neutron capture ng 235 U isotope (σ n γ = 98.36 para sa E n = 0.0253 eV) sa kabuuan ng radiative capture at fission cross section (σ ~ 580 barn). Kaya, sa balanse ng 235 U na na-load sa reactor core, kinakailangang isaalang-alang hindi lamang ang pagkonsumo ng 235 U nuclei sa panahon ng proseso ng fission nito, kundi pati na rin ang pagkawala (~ 15%) ng 235 U nuclei na hindi maibabalik na nawala sa ang pagbuo ng 236 U.

Ipinapakita ng Figure 6.27 ang antas ng akumulasyon ng 236 U sa isang pressurized water reactor ng isang modernong nuclear power plant na may iba't ibang paunang pagpapayaman ng gasolina depende sa lalim ng pagkasunog nito.

Sa turn, ang pagbuo ng 236 U ay humahantong sa pagkonsumo nito sa proseso ng pagbuo ng mga bagong elemento 237 Np at 238 Pu (tingnan ang Fig. 6.22). Ang mga relasyon sa Figure 6.27 ay isinasaalang-alang ang prosesong ito. Sa lalim ng pagkasunog na 30·10 3 MW·day/t sa mga thermal neutron reactor, 0.35–0.40% 236 U ang nabuo na may fuel enrichment na ~ 3.4% 235 U.

Kapag ang VWR core ay naglalaman ng 0.12% 236 U, ang pagkawala ng maaabot na burnup ay magiging 10 3 MW araw/t, sa 0.4% 236 U – 2.5 10 3 MW araw/t, sa 1% 236 U – 5·10 3 MW· araw/t. Sa umiiral na mga light water reactor, upang mabayaran ang negatibong epekto ng 236 U at makuha ang nais na mga katangian ng enerhiya, kinakailangan upang madagdagan ang paunang pagpapayaman ng gasolina na may 235 U, na nagpapataas ng gastos ng nuclear fuel cycle.

Ang paggamit ng nuclear fuel sa mga nuclear power plant reactors ay kinabibilangan ng mga sumusunod na pangunahing operasyon:

• pagbabawas, pagtanggap at pag-iimbak sa fuel assembly warehouse ng sariwang gasolina na natanggap mula sa planta ng supplier;
• pagpupulong ng mga pagtitipon ng gasolina para sa paglo-load sa reaktor kasama ang mga control rod;
• pag-load ng mga fuel assemblies sa reactor core (paunang o sa pagkakasunud-sunod ng pana-panahon at bahagyang pag-reload); mahusay na paggamit ng gasolina sa reactor core (pagkuha ng ibinigay na thermal energy output sa reactor).

Ang nuclear fuel na ginugol sa reactor ay inililipat sa isang cooling pool na matatagpuan sa reactor hall at nananatili doon sa loob ng ilang taon. Ang ganitong mahabang pagkakalantad ay ginagawang posible na makabuluhang bawasan ang paunang radyaktibidad at natitirang paglabas ng init ng mga pagtitipon ng gasolina, upang tanggihan ang mga tumutulo na asembliya at mga baras ng gasolina upang mapadali ang gawain ng pagdadala ng ginastos na gasolina mula sa teritoryo ng planta ng nuclear power (Talahanayan 6.14) .

Mula sa mga cooling pool, ang ginastos na gasolina ay inililipat sa mga lalagyan ng transportasyon na naka-install sa mga espesyal na platform ng tren o iba pang mga sasakyan. Ang operasyong ito ay nagtatapos sa pinakamahabang - sentral na yugto ng nuclear fuel cycle sa nuclear power plant. Ang ilang mga nuclear power plant ay may pangmatagalang imbakan ng buffer para sa ginastos na gasolina o maaaring naglalaman ng mga ginugol na fuel assemblies sa mga espesyal na lalagyan na inangkop para sa tuyo na pangmatagalang imbakan.

Mga uri ng ikot ng gasolina. Mayroong ilang mga uri ng fuel cycle depende sa uri ng reactor na nilo-load at kung ano ang mangyayari sa ginastos na gasolina na inilabas mula sa reactor. Ang Figure 6.28 ay nagpapakita ng isang diagram ng isang bukas (bukas) na ikot ng gasolina.

Ang ginastos na gasolina ay nakaimbak nang walang hanggan sa isang water storage pool sa teritoryo ng nuclear power plant. Kaugnay nito, kinakailangan upang matiyak ang kaligtasan kapag nagtatrabaho kasama nito, pag-iimpake at paglilipat ng ginastos na gasolina sa isang permanenteng lokasyon ng imbakan kapag gumagamit ng mga pasilidad ng imbakan ng gobyerno. Ang cycle na ito ay hindi kasama ang proseso ng pagbawi o pagpapayaman ng mga fissile na materyales na nakapaloob sa sinunog na gasolina. Ipinapakita ng Figure 6.29 ang isang cycle kung saan pinoproseso ang ginastos na gasolina upang mabawi lamang ang uranium. Ang mga elemento ng plutonium at transuranium ay itinuturing na high-level waste (HLW) sa cycle na ito.

Ang uranium ay ibinalik sa planta ng pagpapayaman upang mapataas ang porsyento ng pagpapayaman mula 0.8 hanggang 3%, na sapat na upang magamit muli bilang panggatong para sa WWR. Ang "basura" ay nangangailangan ng wastong paghawak, pag-iimpake at transportasyon sa isang permanenteng lokasyon ng imbakan. Ang isang mas kumpletong ikot ng gasolina ay ipinapakita sa Figure 6.30. Dito, bilang karagdagan sa uranium, ang plutonium ay nakuha din. Dahil ang plutonium ay isang fissile material, maaari itong magamit bilang panggatong. Ang plutonium oxide na may halong uranium oxide ay maaaring magamit muli sa VWR cycle. Ang pinaghalong gasolina na ito, na ginagamit sa mga pilot assemblies sa isang bilang ng mga komersyal na reactor, ay nagpakita ng matagumpay na paggamit nito bilang gasolina para sa VWR.

Talahanayan 6.14 Pagbabago sa partikular na aktibidad at paglabas ng init bawat 1 tonelada ng ginastos na gasolina na ibinaba mula sa VVER sa average na burnup na 33 10 3 MW araw/t

Gayunpaman, ang pag-recycle ng plutonium ay hindi nakamit ang komersyal na aplikasyon dahil sa ilang mga interferences at limitasyon. Ang Japan at Germany ay nagpakita ng malaking interes sa pag-recycle ng plutonium. Sa Japan, ang pangunahing motibo ay upang matiyak ang kalayaan sa pagkuha ng gasolina para sa mga nuclear power plant. Sa Germany, nais nilang samantalahin ito upang makabuluhang gawing simple ang pagtatapon ng mataas na antas ng basura.

Posible rin na pagsamahin ang VWR at mabilis na mga reaktor, batay sa ikatlong bersyon ng ikot ng gasolina. Ang plutonium na nakuhang muli mula sa ginastos na gasolina ay maaaring gamitin bilang unang pagkarga ng gasolina para sa isang mabilis na reaktor.

Ito ang pinakamabisang paggamit ng plutonium, dahil ang mga pinakamahusay na katangian nito ay lumilitaw sa mabilis na bahagi ng neutron spectrum. Ang direksyon na ito ay ginagamit sa France.

Ang plutonium na ginawa sa French reprocessing plant ay iniipon para magamit sa ibang pagkakataon sa mabilis na programa sa pagpapaunlad ng reaktor. Ang isang mabilis na neutron reactor ay nangangailangan ng sarili nitong fuel cycle, na may sariling mga detalye at tampok. Ang pagtitiyak na ito ay tinutukoy ng malalim na pagkasunog ng gasolina sa breeder (3 beses o higit pa kaysa sa VVR). Ang isa pang cycle ay batay sa paggamit ng thorium, na, bagama't hindi isang fissile na materyal, ay na-convert sa 23 U sa reactor. Ginamit ang Thorium sa demonstration nuclear power plants na may WWR reactor (Indian Point 1 at Shippingport), ngunit ang thorium cycle ay hindi nakatanggap ng pag-unlad ng industriya. Ang thorium cycle ay ginagamit sa mataas na temperatura na mga gas reactor (kung saan ang gasolina ay nakapaloob sa isang graphite matrix).

Sa kasalukuyan, dahil sa pagtindi ng trabaho upang mapabuti ang mga reactor at nuclear power plant sa pangkalahatan, ang mga posisyon ng maraming mga bansa tungkol sa pagpili ng uri ng nuclear fuel cycle ay nagbabago. Parami nang parami ang mga developer ang hilig na pumili ng saradong (sarado) na ikot ng gasolina. Sa kabilang banda, isa sa mga ulat sa kumperensya ng IAEA na ginanap noong Setyembre 2004, na sinuri ang sitwasyon sa pagpili ng uri ng nuclear fuel cycle na isinasaalang-alang ang lumalaking demand para sa enerhiya, ay nagsasaad na ang open, o single-shot, fuel cycle ay may malaking pakinabang kumpara sa saradong cycle patungkol sa mga gastos sa produksyon, mga isyu sa hindi paglaganap at kaligtasan sa pagpapatakbo ng fuel cycle. Ayon sa ulat, mayroong sapat na natural na uranium ore sa mundo upang suportahan ang pag-commissioning ng 1,000 bagong reactor sa susunod na limampung taon. Ang "one-shot" na paraan ng paggamit ng nuclear fuel ay mananatiling mura at ligtas hanggang sa maubos ang mga deposito ng uranium ore at simulan ng mga nuclear powers ang pagproseso ng naipon na ginastos na gasolina upang makagawa ng plutonium, isang hindi natural na nagaganap, gawa ng tao na by-product ng pagkasunog. uranium. Kasabay nito, ang sitwasyon sa gastos ng mga operasyon para sa pagtatapon ng ginastos na nuclear fuel at radioactive na basura ay hindi nasuri. Gayunpaman, habang ang mga reserbang uranium ore ay naubos, ang halaga ng pagpapatakbo ng bukas na ikot ng gasolina, ang kabaligtaran ng isang saradong siklo, ay maaaring tumaas. Gayunpaman, upang maiwasan ang hindi masasabing mga panganib na nauugnay sa paggamit ng isang closed cycle, inirerekomenda ng mga eksperto na ang mga gobyerno at mga pinuno ng industriya ng nuklear ng mga nuclear power ay patuloy na magpatakbo ng isang bukas na cycle kaysa sa isang closed cycle dahil sa mataas na halaga ng ginastos na gasolina. proseso ng muling pagpoproseso at mga pag-unlad sa larangan ng bagong thermonuclear, o mabilis na neutron, mga reaktor. Mahigpit na ipinapayo ng mga may-akda ng ulat na ang pagsasaliksik at pag-unlad ng fuel cycle ay nakadirekta sa pagbuo ng mga teknolohiya na hindi, sa isang normal na operasyon, ibig sabihin, isang mapayapang operasyon ng enerhiyang nuklear, ay magreresulta sa paggawa ng mga materyales na magagamit ng mga sandata kabilang ang uranium, fissile na materyales ( tulad ng plutonium) at maliliit na actinides. Ang mga closed fuel cycle na kasanayan na kasalukuyang ipinapatupad sa Kanlurang Europa at Japan ay hindi nakakatugon sa pamantayang ito, ang sabi ng ulat. Samakatuwid, sinasabi ng mga may-akda nito, ang pagsusuri sa ikot ng gasolina, pananaliksik, pag-unlad at pagsubok ay dapat magsama ng isang malinaw na pagtatasa ng posibleng panganib ng paglaganap ng mga nukleyar na materyales at ang mga hakbang na kinakailangan upang mabawasan ang panganib na ito. Kung, gayunpaman, ang pinaka-malamang na forecast para sa hinaharap ng nuclear energy ay ang pandaigdigang paglago ng nuclear industry batay sa isang bukas na fuel cycle, kung gayon, sabi ng mga may-akda ng ulat, ang mga internasyonal na kasunduan sa ginugol na pag-iimbak ng gasolina ay dapat na ipakilala sa loob ng susunod na sampung taon, na dapat makabuluhang bawasan ang potensyal na panganib ng paglaganap ng nuklear.

Sa hinaharap na malakihang pagbuo ng nuclear power gamit ang mabilis na mga neutron sa zone ng nuclear reactions, hindi lamang ang fission ng actinides ang dapat isagawa, kundi pati na rin ang paggawa ng plutonium isotopes mula sa raw nuclear fuel uranium-238 - isang mahusay na nuclear fuel . Kapag ang breeding factor ay mas mataas sa 1, mas maraming plutonium ang maaaring makuha sa unloaded nuclear fuel kaysa sa nasunog. Ang na-disload na nuclear fuel mula sa mabilis na mga nuclear reactor ay dapat pumunta sa isang radiochemical plant, kung saan aalisin nito ang mga produktong fission na sumisipsip ng mga neutron. Pagkatapos ang gasolina, na binubuo ng uranium238 at actinides (Pu, Np, Cm, Am), sapat na upang magsagawa ng nuclear chain reaction, kasama ang isang additive ng naubos na uranium, ay muling na-load sa core ng nuclear power plant. Sa isang mabilis na neutron nuclear reactor, halos lahat ng uranium-238 ay maaaring masunog sa panahon ng pagproseso ng radiochemical.

Ayon sa mga may-akda ng ulat, ang mabilis na neutron nuclear reactors ay mangingibabaw sa malakihang nuclear power. Ang gasolina na pinalabas mula sa mga reactor na ito ay naglalaman ng isang malaking bilang ng mga actinide isotopes (Pu, Np, Cm, Am), ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang malaking pagkasunog, na nangangahulugang magkakaroon ng higit pang mga produkto ng fission sa bawat yunit ng masa ng nuclear fuel.

Ang mga teknolohiyang radiochemical ay hindi pa nagagawa na nagbibigay ng:

• kaligtasan ng nuklear na isinasaalang-alang ang isang makabuluhang mas malaking bilang ng mga maliliit na actinides na may sariling kritikal na masa;
• malalim na paglilinis ng mga produkto ng fission mula sa actinides, upang hindi lumikha ng mga paghihirap sa panahon ng kanilang imbakan, libing at transmutation;
• maximum na pagbawas sa masa ng proseso ng basura;
• mas advanced na paglilinis ng mga gas na nagmumula sa panahon ng pagproseso ng radiochemical mula sa yodo, tritium, krypton, radioactive aerosol;
• kaligtasan ng radiation ng mga tauhan ng operating;
• pagkuha ng mga kemikal na elemento na kailangan ng pambansang ekonomiya, halimbawa, isang purong α-source;
• ang posibilidad ng muling paggamit ng mga materyales na matatagpuan sa zone ng mga reaksyong nuklear at binubuo ng mga mahahalagang metal (Ni, Cr, Nb, Mo. Ti, W, V), na nakakuha ng sapilitan na aktibidad;
• matipid na magagawa sa pagproseso ng radiochemical, mapagkumpitensya kung ihahambing sa pagkuha ng natural na uranium para sa hinaharap na enerhiya.

Sa kasalukuyan, ang ginastos na nuclear fuel mula sa apat na Russian nuclear power plant (Novo-Voronezh, Balakovo, Kalinin, Rostov), ​​​​3 Ukrainian (South-Ukrainian, Khmelnitsky, Rivne) at Kozloduy NPP (Bulgaria) ay naka-imbak sa "basa" ng halaman. pasilidad ng imbakan na RT-2 para sa pagbabagong-buhay ng SNF sa teritoryo ng Federal State Unitary Enterprise Mining at Chemical Combine sa Zheleznogorsk (Russia). Ayon sa proyekto, ang pasilidad ng imbakan ay idinisenyo para sa 6,000 tonelada; ito ay inaasahang siksik na may kakayahang tumanggap ng 8,600 tonelada ng ginastos na nuclear fuel. Ang mga iradiated fuel assemblies (SFAs) ay iniimbak sa ilalim ng isang layer ng tubig na hindi bababa sa 2.5 metro sa itaas ng assembly, na nagsisiguro ng maaasahang proteksyon ng mga tauhan mula sa lahat ng uri ng radioactive exposure. Matapos maitago ang ginastos na nuclear fuel sa isang wet storage facility, ilalagay ito sa isang dry spent fuel storage facility (KhOT-2) na may kabuuang kapasidad na 38,000 tonelada (kung saan 27,000 tonelada ay para sa pag-iimbak ng mga ginastos na fuel assemblies ng RBMK -1000 reactors, 11,000 tons ay para sa mga ginastos na fuel assemblies ng VVER-1000 reactors), ang konstruksiyon na ngayon ay puspusan na sa planta at ang unang yugto ay isasagawa sa Disyembre 2009. Ang KhOT-2 storage complex ay magbibigay ng ligtas na pangmatagalang imbakan ng ginastos na gasolina mula sa RBMK-1000 at VVER-1000 reactors at ang kasunod na paglipat nito para sa radiochemical processing o underground isolation. Ang KHOT-2 ay magkakaroon ng modernong radiation at nuclear safety monitoring system.

Bakit uranium?

Itinali ng sangkatauhan ang sarili nitong kamay at paa gamit ang mga kable ng kuryente. Mga gamit sa sambahayan, kagamitang pang-industriya, ilaw sa kalye, mga trolleybus, metro, mga de-koryenteng tren - lahat ng mga benepisyong ito ng sibilisasyon ay tumatakbo mula sa elektrikal na network; sila ay nagiging walang kahulugan na "mga piraso ng bakal" kung ang agos ay nawala sa ilang kadahilanan. Gayunpaman, ang mga tao ay nakasanayan na sa patuloy na supply ng kuryente na ang anumang pagkawala ay nagdudulot ng kawalang-kasiyahan at kahit na kakulangan sa ginhawa. At talaga, ano ang dapat gawin ng isang tao kung ang lahat ng kanyang mga kagamitan ay nakapatay nang sabay-sabay, kabilang ang kanyang mga pinakapaborito - ang TV, computer at refrigerator? Ito ay lalong mahirap na tiisin ang "paghihiwalay" sa gabi, kapag pagkatapos ng trabaho o pag-aaral ay talagang gusto mo, tulad ng sinasabi nila, pahabain ang mga oras ng liwanag ng araw. Makakatipid ba sa iyo ang isang tablet o telepono, ngunit ang kanilang pagsingil ay hindi magtatagal magpakailanman. Mas masahol pa na makita ang iyong sarili sa isang "selda ng kulungan", na, sa kalooban ng isang blackout, ay maaaring maging isang elevator car o isang subway na kotse.

Bakit lahat ng usapan na ito? At sa katotohanan na ang "nakuryente" na sangkatauhan ay nangangailangan ng matatag at malakas na mapagkukunan ng enerhiya - una sa lahat, kuryente. Kung may kakulangan nito, ang network outages ay magiging nakakainis na madalas, at ang antas ng pamumuhay ay bababa. Upang maiwasan ang hindi kasiya-siyang senaryo na ito na maging isang katotohanan, kinakailangan na magtayo ng higit pa at higit pang mga planta ng kuryente: lumalaki ang pagkonsumo ng enerhiya sa buong mundo, at ang mga kasalukuyang yunit ng kuryente ay unti-unting tumatanda.

Ngunit ano ang maiaalok ng modernong enerhiya, na nakararami sa pagsusunog ng karbon at gas, upang malutas ang problema? Siyempre, ang mga bagong pag-install ng gas na sumisira sa mahahalagang kemikal na hilaw na materyales, o mga bloke ng karbon na umuusok sa kalangitan. Sa pamamagitan ng paraan, ang mga emisyon mula sa mga thermal power plant ay isang kilalang problema sa kapaligiran, ngunit ang mga negosyo sa paggawa ng fossil fuel ay nagdudulot din ng pinsala sa kapaligiran. Ngunit ang pagkonsumo nito ay napakalaki. Halimbawa, upang matiyak ang pagpapatakbo ng isang maginoo na refrigerator sa buong taon, kakailanganin mong magsunog ng humigit-kumulang isang daang kilo ng karbon o daan-daang cubic meters ng natural gas. At ito ay isa lamang gamit sa bahay, kung saan marami.

Nga pala, gaano karaming nuclear fuel ang kakailanganin para gumana ang nabanggit na refrigerator sa isang buong taon? Mahirap paniwalaan, pero... isang gramo lang!

Ang napakalaking intensity ng enerhiya ng nuclear fuel na ginawa mula sa enriched uranium ay ginagawa itong isang karapat-dapat na katunggali sa karbon at gas. Sa katunayan, ang isang nuclear power plant ay kumonsumo ng isang daang libong beses na mas kaunting gasolina kaysa sa isang thermal power plant. Nangangahulugan ito na ang pagmimina para sa uranium extraction ay nasa mas maliit na sukat, na mahalaga para sa kapaligiran. Dagdag pa - walang mga emisyon ng greenhouse at nakakalason na gas.

Ang power unit ng isang nuclear power plant na may kapasidad na isang libong megawatt ay kumonsumo lamang ng tatlong dosenang tonelada ng nuclear fuel bawat taon, at ang isang thermal station na may parehong kapasidad ay mangangailangan ng humigit-kumulang tatlong milyong tonelada ng karbon o tatlong bilyong metro kubiko ng gas . Sa madaling salita, upang makakuha ng parehong dami ng kuryente, kakailanganin mo ang alinman sa ilang mga tren na kotse na may nuclear fuel bawat taon, o ilang mga tren na may karbon... bawat araw.

Paano naman ang renewable energy sources? Siyempre, magaling sila, ngunit kailangan pa rin ng pagpapabuti. Kunin, halimbawa, ang lugar na inookupahan ng istasyon. Sa kaso ng wind generators at solar panels, ito ay dalawang order ng magnitude na mas mataas kaysa sa conventional power plants. Halimbawa, kung ang isang nuclear power plant (NPP) ay umaangkop sa isang lugar na isang pares ng square kilometers, kung gayon ang isang wind farm o solar field ng parehong kapangyarihan ay sasakupin ng ilang daang kilometro kuwadrado. Sa madaling salita, ang ratio ng mga lugar ay tulad ng sa isang maliit na nayon at isang napakalaking lungsod. Sa disyerto, ang tagapagpahiwatig na ito ay maaaring hindi mahalaga, ngunit sa isang lugar ng agrikultura o kagubatan, maaaring ganoon.

Dapat itong banggitin na ang nukleyar na gasolina ay laging handa na magtrabaho, anuman ang oras ng taon, araw o mga pag-aalinlangan ng panahon, habang ang araw ay karaniwang hindi sumisikat sa gabi, at ang hangin ay umiihip kapag gusto nito. Bukod dito, sa ilang mga lugar, ang nababagong enerhiya ay hindi kumikita dahil sa mababang daloy ng solar energy o mababang average na bilis ng hangin. Para sa mga nuclear power plant, ang gayong mga problema ay hindi umiiral.

Ang mga pakinabang na ito ng enerhiyang nuklear ay nagpasiya sa natitirang papel ng uranium - bilang nuclear fuel - para sa modernong sibilisasyon.

Sino ang nakakuha ng magkano?

Sa isang lumang cartoon ng Sobyet, nilulutas ng mga hayop ang isang mahalagang problema - ang paghahati ng isang orange. Bilang resulta, lahat maliban sa lobo ay binigyan ng masarap na makatas na hiwa; ang kulay abo ay kailangang makuntento sa balat. Sa madaling salita, hindi siya nakakuha ng isang mahalagang mapagkukunan. Mula sa puntong ito, kagiliw-giliw na malaman kung paano nakatayo ang mga bagay sa uranium: lahat ba ng mga bansa sa mundo ay may mga reserba nito, o mayroon bang mga pinagkaitan?

Sa katunayan, mayroong maraming uranium sa Earth, at ang metal na ito ay matatagpuan halos lahat ng dako: sa crust ng ating planeta, sa World Ocean, kahit na sa katawan ng tao. Ang problema ay nakasalalay sa "pagpapakalat" nito, "pagkalat" sa ibabaw ng mga bato ng lupa, na nagreresulta sa isang mababang konsentrasyon ng uranium, kadalasang hindi sapat para sa pag-aayos ng pang-ekonomiyang pang-industriyang produksyon. Gayunpaman, sa ilang mga lugar mayroong mga kumpol na may mataas na nilalaman ng uranium - mga deposito. Ang mga ito ay ibinahagi nang hindi pantay, at ayon dito, ang mga reserbang uranium ay nag-iiba-iba sa mga bansa. Karamihan sa mga deposito ng elementong ito ay "lumulutang" kasama ng Australia; Bilang karagdagan, masuwerte ang Kazakhstan, Russia, Canada at mga bansa sa South Africa. Gayunpaman, ang larawang ito ay hindi nagyelo; ang sitwasyon ay patuloy na nagbabago dahil sa paggalugad ng mga bagong deposito at pag-ubos ng mga luma.

Pamamahagi ng mga napatunayang reserbang uranium ayon sa bansa (para sa mga reserbang may gastos sa pagmimina< $130/кг)

Ang isang malaking halaga ng uranium ay natunaw sa tubig ng World Ocean: higit sa apat na bilyong tonelada. Ito ay tila isang perpektong "deposito" - ayaw kong minahan ito. Ang mga siyentipiko ay nakabuo ng mga espesyal na sorbent para sa pagkuha ng uranium mula sa tubig ng dagat noong dekada otsenta ng huling siglo. Bakit hindi ginagamit ang mahusay na pamamaraang ito sa lahat ng dako? Ang problema ay ang konsentrasyon ng metal ay masyadong mababa: mga tatlong milligrams lamang ang maaaring makuha mula sa isang toneladang tubig! Malinaw na magiging masyadong mahal ang naturang uranium. Tinatantya na ang isang kilo ay nagkakahalaga ng ilang libong dolyar, na higit na mas mahal kaysa sa "lupa" na katapat nito. Ngunit ang mga siyentipiko ay hindi nagagalit at nag-imbento ng higit at mas epektibong mga sorbent. Kaya, marahil ang pamamaraang ito ng pagmimina ay malapit nang maging mapagkumpitensya.

Sa ngayon, ang kabuuang bilang ng mga napatunayang reserbang uranium na may gastos sa produksyon na mas mababa sa $130 kada kilo ay lumampas sa 5.9 milyong tonelada. Sobra na ba ito? Ito ay sapat na: kung ang kabuuang kapangyarihan ng mga nuclear power plant ay nananatili sa kasalukuyang antas, kung gayon ang uranium ay tatagal ng isang daang taon. Sa paghahambing, ang mga napatunayang reserbang langis at gas ay maaaring maubos sa loob lamang ng tatlumpu hanggang animnapung taon.

Ang nangungunang sampung bansa sa mga tuntunin ng mga reserbang uranium sa kanilang teritoryo (para sa mga reserbang may mga gastos sa produksyon< $130/кг)

Gayunpaman, hindi natin dapat kalimutan na ayon sa mga pagtataya, ang nuclear energy ay bubuo, kaya ngayon ay nagkakahalaga ng pag-iisip kung paano palawakin ang mapagkukunang base nito.

Ang isa sa mga paraan upang malutas ang problemang ito ay ang paghahanap at napapanahong pagbuo ng mga bagong deposito. Sa paghusga sa magagamit na impormasyon, hindi dapat magkaroon ng mga problema dito: sa mga nakaraang taon lamang natagpuan ang mga bagong deposito sa ilang mga bansa sa Africa, South America, gayundin sa Sweden. Totoo, imposibleng sabihin nang may katiyakan kung gaano kapaki-pakinabang ang pagkuha ng mga natuklasang reserba. Maaaring mangyari na dahil sa mababang nilalaman ng uranium sa mineral at ang kahirapan sa pagbuo ng mga deposito, ang ilan sa mga ito ay kailangang iwan "para sa ibang pagkakataon." Ang katotohanan ay ang mga presyo para sa metal na ito ay medyo mababa na ngayon. Mula sa isang pang-ekonomiyang pananaw, walang nakakagulat dito. Una, mayroon pa ring mga deposito ng medyo madaling makuha at, samakatuwid, murang uranium sa mundo - dumarating ito sa merkado at "ibinababa" ang presyo. Pangalawa, pagkatapos ng aksidente sa Fukushima, inayos ng ilang bansa ang mga plano para sa pagtatayo ng mga bagong yunit ng nuclear power, at ganap na isinara ng Japan ang lahat ng mga nuclear power plant nito - nagkaroon ng pagbaba ng demand, na lalong nagpababa sa presyo ng uranium. Ngunit hindi ito magtatagal. Ang China at India ay pumasok na sa laro, na nagpaplano ng malakihang pagtatayo ng mga nuclear power plant sa kanilang teritoryo. Ang ibang mga bansa sa Asya, gayundin ang mga bansa sa Africa at South America, ay mayroon ding hindi gaanong ambisyosong mga proyekto. Kahit na ang Japan, tila, ay hindi magagawang humiwalay sa nuclear energy nito. Samakatuwid, unti-unting mababawi ang demand, at kaakibat ng pagkaubos ng mga murang deposito, hahantong ito sa pagtaas ng presyo ng uranium. Naniniwala ang mga analyst na ang paghihintay ay maikli, ilang taon lamang. Pagkatapos ay posible na mag-isip tungkol sa pagbuo ng mga deposito na natitira "para sa ibang pagkakataon".

Ito ay kagiliw-giliw na ang mga listahan ng mga bansa na may pinakamalaking reserbang uranium at mga estado na may pinakamaunlad na enerhiyang nuklear ay halos hindi nag-tutugma. Sa kailaliman ng Australia mayroong isang ikatlong bahagi ng "yaman" ng uranium sa mundo, ngunit walang kahit isang nuclear power plant sa berdeng kontinente. Ang Kazakhstan, ang pinuno ng mundo sa paggawa ng metal na ito, ay naghahanda pa rin para sa pagtatayo ng ilang mga yunit ng nuclear power. Para sa pang-ekonomiya at iba pang mga kadahilanan, ang mga bansa sa Africa ay malayo sa pagsali sa pandaigdigang "nuclear" na pamilya. Ang nag-iisang nuclear power plant sa kontinenteng ito ay matatagpuan sa Republic of South Africa, na kamakailan ay nagpahayag ng pagnanais na higit pang bumuo ng nuclear energy. Gayunpaman, sa ngayon kahit na ang South Africa ay nag-time out.

Ano ang magagawa ng mga higanteng "nuklear" - ang USA, France, Japan - at China at India, na sumusunod sa kanilang mga takong, kung ang kanilang mga pangangailangan ay malaki at ang kanilang sariling mga reserba ay naubos? Siyempre, subukang makakuha ng kontrol sa mga deposito ng uranium at mga negosyo sa ibang mga bansa. Ang gawaing ito ay isang estratehikong kalikasan, at sa paglutas nito, ang mga estado ay pumapasok sa mahihirap na labanan. Ang mga malalaking kumpanya ay binili, ang mga pampulitikang maniobra ay isinasagawa, ang mga pakana sa ilalim ng lupa ay ipinatutupad sa panunuhol sa mga tamang tao o mga ligal na digmaan. Sa Africa, ang pakikibaka na ito ay maaaring at nagreresulta sa mga digmaang sibil at mga rebolusyon, na lihim na sinusuportahan ng mga nangungunang estado na naghahangad na muling ipamahagi ang mga sona ng impluwensya.

Sa pagsasaalang-alang na ito, ang Russia ay mapalad: ang aming mga nuclear power plant ay may medyo disenteng sariling reserba ng uranium, na mina sa Trans-Baikal Territory, ang Kurgan Region at ang Republika ng Buryatia. Bilang karagdagan, ang aktibong gawaing paggalugad ng geological ay inaayos. Ipinapalagay na ang mga deposito sa rehiyon ng Transbaikal, Kanlurang Siberia, Republika ng Karelia, Republika ng Kalmykia at rehiyon ng Rostov ay may malaking potensyal.

Bilang karagdagan, ang Rosatom ay nagmamay-ari din ng mga dayuhang pag-aari - malalaking stake sa mga negosyo sa pagmimina ng uranium sa Kazakhstan, USA, Australia, at nagtatrabaho din sa mga magagandang proyekto sa timog Africa. Bilang resulta, kabilang sa mga nangungunang kumpanya sa mundo na nakikibahagi sa paggawa ng uranium, ang Rosatom ay may kumpiyansa na humahawak sa ikatlong puwesto pagkatapos ng Kazatomprom (Kazakhstan) at Cameco (Canada).

Sa pamamagitan ng pag-aaral ng kemikal na komposisyon ng mga meteorite, ang ilan sa mga ito ay mula sa Martian, natuklasan ng mga siyentipiko ang uranium. Totoo, ang nilalaman nito ay naging makabuluhang mas mababa kaysa sa mga makalupang bato. Oo, malinaw na ngayon kung bakit madalas kaming binibisita ng mga Martian sa kanilang mga flying saucer.

Ngunit seryoso, pinaniniwalaan na ang uranium ay naroroon sa lahat ng mga bagay ng solar system. Halimbawa, noong 2009 ito ay natuklasan sa lunar na lupa. Agad na lumitaw ang mga kamangha-manghang ideya, tulad ng pagmimina ng uranium sa isang satellite at pagkatapos ay ipinadala ito sa Earth. Ang isa pang pagpipilian ay ang "paganahin" ang mga reaktor ng mga kolonya ng buwan na nakasiksik malapit sa mga deposito. Ang mga deposito, gayunpaman, ay hindi pa hinahanap; at mula sa isang pang-ekonomiyang pananaw, ang naturang produksyon ay tila hindi pa rin maisasakatuparan. Ngunit sa hinaharap - sino ang nakakaalam ...

Kung magdusa ka ng mahabang panahon, makakakuha ka ng gasolina

Ang pagkakaroon ng uranium ore reserves ay isa lamang bahagi ng tagumpay. Hindi tulad ng kahoy na panggatong o karbon, na hindi nangangailangan ng partikular na kumplikadong paghahanda bago pumasok sa pugon, ang mineral ay hindi maaaring basta-basta maputol at itatapon sa reaktor. Upang ipaliwanag kung bakit, kinakailangang banggitin ang isang bilang ng mga tampok na likas sa uranium.

Mula sa isang kemikal na pananaw, ang elementong ito ay lubos na aktibo, sa madaling salita, ito ay may posibilidad na bumuo ng iba't ibang mga compound; samakatuwid, ang paghahanap ng mga nuggets nito sa kalikasan, tulad ng ginto, ay ganap na walang pag-asa. Ano ang tinatawag na uranium ore? Isang bato na naglalaman ng napakaliit na halaga ng uranium mineral. Madalas nilang idagdag: maliit, ngunit sapat para sa pang-industriyang produksyon na maaprubahan ng mga ekonomista. Halimbawa, ngayon ay itinuturing na ipinapayong magmina ng mineral, isang tonelada nito ay naglalaman lamang ng ilang kilo o kahit na daan-daang gramo ng uranium. Ang natitira ay walang laman, hindi kinakailangang bato, kung saan ang mga mineral ng uranium ay kailangang ihiwalay. Ngunit kahit na hindi pa sila mai-load sa isang nuclear reactor. Ang katotohanan ay ang mga mineral na ito ay kadalasang kumakatawan sa mga oxide o hindi matutunaw na mga asing-gamot ng uranium sa kumpanya ng iba pang mga elemento. Ang ilan sa mga ito ay maaaring mahalaga para sa industriya, at ang organisasyon ng kanilang nauugnay na produksyon ay maaaring mapabuti ang pagganap ng ekonomiya. Ngunit kahit na walang ganoong pangangailangan, ang uranium ay dapat pa ring linisin mula sa mga impurities. Kung hindi, ang nuclear fuel na ginawa mula sa "marumi" na uranium ay maaaring magdulot ng mga problema sa reaktor o kahit isang aksidente.

Gayunpaman, ang purified uranium ay hindi rin matatawag na nuclear fuel na may kumpletong kumpiyansa. Ang catch ay ang isotopic na komposisyon nito: bawat libong uranium atoms sa kalikasan mayroon lamang pitong atoms ng uranium-235, na kinakailangan para mangyari ang fission chain reaction. Ang natitira ay uranium-238, na halos hindi nag-fission, at kahit na sumisipsip ng mga neutron. Gayunpaman, ito ay lubos na posible upang simulan ang isang reactor gamit ang natural na uranium, sa kondisyon na ang isang napaka-epektibong moderator ay ginagamit, tulad ng mamahaling mabigat na tubig o purong grapayt. Pinapayagan lamang nila ang mga neutron na nabuo sa panahon ng fission ng uranium-235 nucleus na bumagal nang napakabilis na mayroon silang oras na tamaan ang iba pang uranium-235 nuclei at maging sanhi ng kanilang fission, at hindi mahuli ng uranium-238. Ngunit para sa iba't ibang mga kadahilanan, ang karamihan sa mga reactor sa mundo ay gumagamit ng ibang diskarte: ang natural na uranium ay pinayaman sa isang fissile isotope. Sa madaling salita, ang nilalaman ng uranium-235 atoms ay artipisyal na nadagdagan mula pito hanggang ilang sampu bawat libo. Dahil dito, ang mga neutron ay mas malamang na makatagpo sa kanila, at nagiging posible na gumamit ng mas mura, kahit na hindi gaanong epektibong mga moderator, halimbawa, ordinaryong tubig.

Ang pinayamang uranium ba ang huling produkto? Muli, hindi, dahil ang mga power reactor ay nagbibigay para sa paglipat ng "nuclear" na init sa isang coolant na naghuhugas ng gasolina - kadalasang tubig. Dahil sa akumulasyon ng mga produktong fission, ang gasolina ay nagiging mataas na radioactive habang ito ay nananatili sa isang operating reactor. Sa anumang pagkakataon dapat itong pahintulutan na matunaw sa tubig. Upang gawin ito, ang uranium ay inilipat sa isang estado na lumalaban sa kemikal at nakahiwalay din sa coolant, na natatakpan ng isang metal na shell. Ang resulta ay isang kumplikadong teknikal na aparato na naglalaman ng mga enriched uranium compound, na maaaring kumpiyansa na tinatawag na nuclear fuel.

Ang mga operasyong nabanggit - ang pagmimina ng uranium, ang pagdalisay at pagpapayaman nito, gayundin ang paggawa ng nuclear fuel - ay ang mga unang yugto ng tinatawag na nuclear fuel cycle. Kailangan mong kilalanin ang bawat isa sa kanila nang mas detalyado.

Ang kalahating buhay ng uranium-238 ay 4.5 bilyong taon, at ang uranium-235 ay 700 milyong taon lamang. Lumalabas na ang fissile isotope ay nabubulok nang maraming beses nang mas mabilis kaysa sa pangunahing isa. Kung iisipin mo, nangangahulugan ito na sa nakaraan ang nilalaman ng uranium-235 sa natural na pinaghalong isotopes ay mas malaki kaysa sa ngayon. Halimbawa, isang bilyong taon na ang nakalilipas, mula sa isang libong uranium atoms, labing-anim ang nagkaroon ng nucleus na may 235 nucleon, dalawang bilyong taon na ang nakalilipas ang kanilang bilang ay tatlumpu't pito, at tatlong bilyong taon bago ngayon - kasing dami ng walumpu! Sa katunayan, ang mineral noong mga panahong iyon ay naglalaman ng uranium, na tinatawag nating enriched. At maaaring mangyari na sa ilang deposito ang isang natural na nuclear reactor ay magsisimulang gumana nang mag-isa!

Kumpiyansa ang mga siyentipiko na ito mismo ang nangyari sa ilang napakayaman na deposito ng uranium sa Oklo deposit, na matatagpuan sa modernong Gabon. 1.8 bilyong taon na ang nakalilipas, isang nuclear chain reaction ang kusang nagsimula sa kanila. Ito ay pinasimulan ng mga neutron na ginawa sa panahon ng kusang fission, at pagkatapos ay ang mataas na konsentrasyon ng uranium-235 at ang pagkakaroon ng tubig sa ore, isang neutron moderator, ay na-trigger. Sa isang salita, ang reaksyon ay naging self-sustaining at nagpatuloy, ngayon ay tumitindi, ngayon ay kumukupas, sa loob ng ilang daang libong taon. Pagkatapos ay "lumabas" ang mga reaktor, tila dahil sa pagbabago sa rehimen ng tubig.

Ngayon ito ang tanging kilalang natural na nuclear reactor. Bukod dito, sa kasalukuyan, ang mga naturang proseso ay hindi maaaring magsimula sa anumang larangan. Ang dahilan ay medyo malinaw - mayroong masyadong maliit na uranium-235 na natitira.

Subukan mong hukayin ito

Ang mga uranium ores ay bihirang lumabas sa ibabaw. Kadalasan ay nakahiga sila sa lalim na limampung metro hanggang dalawang kilometro.

Ang mababaw na deposito ay binuo sa pamamagitan ng open-pit o, kung tawagin din, open-pit mining. Ang matigas na bato ay binabarena at sinasabog, pagkatapos ay ikinakarga sa mga dump truck gamit ang mga forklift at inalis mula sa quarry. Ang mga maluwag na bato ay minahan at ikinakarga sa mga dump truck sa pagmimina gamit ang mga conventional o rotary excavator, at ang mga bulldozer ay malawakang ginagamit. Ang lakas at laki ng kagamitang ito ay humanga sa imahinasyon: halimbawa, ang nabanggit na mga dump truck ay may kapasidad na magdala ng isang daan o higit pang tonelada! Sa kasamaang palad, ang sukat ng quarry mismo ay malaki din, ang lalim nito ay maaaring umabot sa tatlong daang metro. Matapos ang gawain, ito ay nakanganga na parang isang malaking butas sa ibabaw ng lupa, at sa tabi nito ay tumataas ang mga tambak ng bato na tumatakip sa mga deposito ng uranium. Sa prinsipyo, ang quarry ay maaaring punuin ng mga dump na ito, pagtatanim ng damo at mga puno sa itaas; ngunit ito ay magiging napakamahal. Samakatuwid, ang mga hukay ay unti-unting napupuno ng tubig, at ang mga lawa ay nabuo na hindi magagamit sa ekonomiya dahil sa tumaas na nilalaman ng uranium sa tubig. Ang mga problema sa kontaminasyon ng tubig sa lupa ay maaari ring lumitaw, kaya ang mga quarry ng uranium ay nangangailangan ng espesyal na atensyon.

Gayunpaman, ang open-pit na pagmimina ng uranium ay unti-unting nagiging isang bagay ng nakaraan para sa isang ganap na karaniwang dahilan - ang mga deposito na malapit sa ibabaw ay halos natapos na. Ngayon kailangan nating harapin ang malalim na nakatagong mga ores. Ayon sa kaugalian, ang mga ito ay binuo gamit ang underground (mine) na pamamaraan. Huwag isipin ang mga mabagsik na may balbas na mga lalaki na may mga piko na gumagapang sa mga trabaho at nagpuputol ng mineral. Ngayon ang gawain ng mga minero ay higit na mekanisado. Sa bato na naglalaman ng uranium, ang mga butas ay nabubutas - mga espesyal na malalim na butas kung saan inilalagay ang mga pampasabog. Pagkatapos ng pagsabog, ang durog na ore ay sinasaklaw ng isang loading at delivery vehicle at tumatakbo sa paikot-ikot na makitid na mga gallery hanggang sa mga troli. Ang isang maliit na de-koryenteng lokomotibo ay nagdadala ng mga punong troli sa patayong baras ng minahan, at pagkatapos, gamit ang isang hawla - isang uri ng elevator - ang mineral ay itinaas sa ibabaw.

Ang underground mining ay may ilang mga tampok. Una, maaari lamang itong kumita sa kaso ng mga de-kalidad na ores na may mataas na nilalaman ng uranium, na matatagpuan nang hindi hihigit sa dalawang kilometro. Kung hindi, ang mga gastos sa pagmimina, pagkuha at karagdagang pagproseso ng mineral ay gagawing halos "ginintuang" ang uranium. Pangalawa, ang underground na kaharian ng mga minahan ng uranium ay isang saradong espasyo kung saan ang radioactive dust at walang gaanong radioactive na radon gas ang lumilipad. Samakatuwid, ang mga minero ay hindi magagawa nang walang malakas na bentilasyon at mga espesyal na kagamitan sa proteksyon tulad ng mga respirator.

Sa parehong quarry at shaft mining, ang ore ay nakuha sa anyo ng medyo malalaking piraso. Kapag sinasaklaw ang mga ito gamit ang isang excavator o LHD, hindi alam ng operator kung kumukuha siya ng ore na mayaman sa uranium mineral o waste rock, o kung ano sa pagitan. Pagkatapos ng lahat, ang deposito ay hindi masyadong homogenous sa komposisyon nito, at ang paggamit ng mga makapangyarihang makina ay hindi nagpapahintulot para sa maselan at eleganteng trabaho. Ngunit ang pagpapadala ng mga piraso na halos walang uranium para sa karagdagang pagproseso ay, sa pinakamababa, hindi makatwiran! Samakatuwid, ang mineral ay pinagsunod-sunod gamit ang pangunahing pag-aari ng uranium, kung saan hindi mahirap makita - radioactivity. Ginagawang posible ng mga espesyal na ionizing radiation sensor, kapwa sa panahon ng paglo-load at nasa transport tank na, na hatiin ang mineral sa ilang mga grado batay sa intensity ng radiation na ibinubuga nito. Ang basurang bato ay ipinapadala sa mga tambakan. Rich ore - sa hydrometallurgical plant. Ngunit ang mineral na may maliit ngunit kapansin-pansing dami ng uranium ay pinagsunod-sunod muli, nang mas maingat. Una, ito ay durog, hinati sa laki, pagkatapos nito ay itatapon ang mga piraso sa isang gumagalaw na conveyor belt. Ang isang ionizing radiation sensor ay naka-install sa itaas nito, ang signal mula sa kung saan ay ipinadala sa automated control system para sa mga damper na matatagpuan sa dulo ng sinturon. Ang sensor ay naka-configure upang tumugon sa isang radioactive na piraso ng ore na naglalaman ng uranium mineral na dumadaan sa ilalim nito. Pagkatapos ang balbula ay lumiliko at ang ore ay bumagsak sa isang espesyal na ore hopper, mula sa kung saan ito dinadala sa hydrometallurgical plant. Sa turn, ang basurang bato ay hindi "naiistorbo" ang sensor at ang damper sa anumang paraan, at nahulog sa isa pang kahon - sa dump.

Pinasimpleng diagram ng radiometric ore sorting (mas kumplikado ang mga modernong complex)

Ang inilarawan na pamamaraan ay tinatayang, pangunahing: walang pumipigil sa pag-uuri ng mineral sa mga negosyo sa pamamagitan ng iba pang kilalang pamamaraan. Gayunpaman, ipinakita ng pagsasanay na ang mga ito ay hindi angkop para sa uranium ores. Samakatuwid, ang radiometric sorting - na may mga radiation detector - ay unti-unting naging pangunahing teknolohiya.

Sa katotohanan, kapag nag-uuri ng mineral, ang isang tiyak na gitnang kategorya ay nakikilala din, na, batay sa nilalaman ng uranium nito, ay hindi maaaring mauri bilang alinman sa mayaman na ore o basurang bato. Sa madaling salita, ang pagpapadala nito sa isang hydrometallurgical plant ay mahal (isang pag-aaksaya ng oras at reagents), at nakakalungkot na ipadala ito sa mga tambakan. Ang nasabing mababang uri ng mineral ay nakatambak sa malalaking tambak at binuhusan ng sulfuric acid sa bukas na hangin, na unti-unting natutunaw ang uranium. Ang resultang solusyon ay pumped para sa karagdagang pagproseso.

Sa planta ng hydrometallurgical, ang mayamang mineral ay higit na madudurog, halos sa estado ng alikabok, at pagkatapos ay matutunaw.

Ang ore ay dinudurog sa iba't ibang mill - halimbawa, drum-ball mill: ang durog na materyal at mga metal na bola tulad ng mga cannonball ay ibinubuhos sa loob ng umiikot na guwang na drum. Sa panahon ng pag-ikot, ang mga bola ay tumama sa mga piraso ng mineral, ginigiling ang mga ito at giniling ang mga ito sa pulbos.

Ang dinurog na ore ay "binuksan," iyon ay, bahagyang natunaw, sa pamamagitan ng paggamot sa sulfuric o nitric acid, o isang halo ng pareho. Ang resulta ay isang uranium solution na naglalaman ng maraming impurities. Minsan, kung ang uranium ore ay naglalaman ng maraming natural na carbonates, hindi ginagamit ang acid. Kung hindi man, ang isang reaksyon ay magaganap na nakapagpapaalaala sa pag-aalis ng soda na may suka - na may matinding paglabas ng carbon dioxide, at ang reagent ay masasayang. Paano maging? Ito ay lumalabas na ang mga naturang mineral ay maaaring "mabuksan" gamit ang isang solusyon sa soda. Bilang resulta, makakakuha ka rin ng solusyon ng uranium, na gagamitin para sa karagdagang pagproseso.

Ngunit ang mga labi ng undissolved ore ay kailangang ipadala sa mga espesyal na tailing dump - hindi ang pinaka-friendly na kapaligiran na mga pasilidad. Ito ay nagkakahalaga ng pag-alala sa basurang bato na pinaghiwalay sa panahon ng proseso ng pag-uuri: ito ay inilalagay sa mga dump. Ang parehong mga tailing at dump ay naglalaman ng maliit na halaga ng uranium, na ginagawa itong potensyal na mapanganib. Kaugnay nito, ang tanong ay lumitaw: posible bang ayusin ang produksyon sa paraang magdulot ng kaunting pinsala sa kalikasan at matiyak ang kaligtasan ng mga manggagawa?

Ito ay posible, at ito ay isinasagawa sa loob ng mahabang panahon. Ang pinag-uusapang paraan ng pagkuha ay tinatawag na in-situ leaching. Ang kakanyahan nito ay ang patlang ay "butas" ng maraming mga balon. Ang ilan sa mga ito, na tinatawag na mga silid ng iniksyon, ay puno ng sulfuric acid, na bumababa sa lalim, dumadaan sa ore at natutunaw ang uranium. Pagkatapos ang solusyon ng mahalagang metal ay kinuha mula sa ilalim ng lupa sa pamamagitan ng iba pang mga pumping well.

Ano ang mangyayari: walang dumps, walang tailings, walang alikabok, walang butas o hindi inaasahang butas sa lupa, ngunit sa huli - ang parehong uranium solution? Oo. Bukod dito, gamit ang paraan ng pagbuburda sa ilalim ng lupa leaching, napakahirap na ores ay binuo, na kung saan ay ekonomikong hindi kapaki-pakinabang na minahan sa pamamagitan ng open pit o underground mining. Ngunit sa gayong hanay ng mga pakinabang, dapat may mga disadvantages! Buweno, una sa lahat, ang pagbabarena ng mga balon na mas malalim sa walong daang metro ay hindi makatwiran mula sa isang punto ng view ng gastos. Pangalawa, ang pamamaraan ay hindi gumagana sa siksik, hindi porous na mga ores. Pangatlo, ang sulfuric acid ay nakakagambala pa rin sa komposisyon at pag-uugali ng tubig sa lupa sa bukid, kahit na ang mga kaguluhang ito ay "nalutas" sa kanilang sarili sa paglipas ng panahon. Ito ay mas mapanganib kung ang solusyon ay tumalsik sa ibabaw o tumagos sa isang paikot-ikot na paraan - kasama ang mga bitak at mga pagkakamali - sa tubig sa lupa. Samakatuwid, ang proseso ay malapit na sinusubaybayan ng pagbabarena sa pagsubaybay sa mga balon.

Borehole in-situ leaching

Upang maiwasan ang mga nabanggit na problema, ang isang "mina" na bersyon ng underground leaching ay naimbento: ang mga bloke ng ore sa trabaho ay dinurog ng mga pagsabog, at pagkatapos ay ibinuhos sa itaas na may solusyon sa leaching (sulfuric acid), na kumukuha ng uranium solution mula sa ibaba - sa pamamagitan ng sistema ng paagusan.

Sa anumang kaso, ang in-situ leaching ay ang pinaka-friendly na paraan ng pagmimina ng uranium ngayon. Ito ay isa sa mga dahilan para sa paputok na paglago ng katanyagan nito. Kung noong 2000 labinlimang porsyento lamang ng uranium ang mina sa pamamagitan ng underground leaching, ngayon ang bilang na ito ay halos malapit sa limampung porsyento!

Ang in-situ leaching ay nagiging nangungunang teknolohiya sa pagmimina ng uranium

Karaniwan, ang mga deposito ng uranium ay hinahanap para sa paggamit ng mga ionizing radiation sensor; mas tiyak, gamma radiation. Una, ang isang sasakyang panghimpapawid na nilagyan ng gayong mga sensor ay lumilipad sa lugar. Maaari lamang niyang makita ang isang anomalya ng radiation - isang bahagyang nakataas na background sa itaas ng field. Pagkatapos ay inilunsad ang isang helicopter, na mas mabagal at mas tumpak na "binabalangkas" ang mga hangganan ng promising site. Sa kalaunan, dumarating ang mga prospector sa teritoryong ito na may mga instrumento sa pagsukat at mga drill. Batay sa mga resulta ng kanilang trabaho, ang isang mapa ng paglitaw ng mga uranium ores ay gagawin at ang halaga ng produksyon ay kakalkulahin.

Gayunpaman, ang mga deposito ng uranium ore ay maaaring magsenyas sa kanilang sarili sa ibang mga paraan. Halimbawa, sa pamamagitan ng pagbabago ng hitsura ng mga halaman na lumalaki sa itaas ng mga ito: ang mga petals ng fireweed, kadalasang kulay rosas, ay nagiging puti; Ang mga bunga ng blueberry ay nagiging berde o puti. Ang malalim na mga ugat ng juniper na lumalaki sa itaas ng deposito ay sumisipsip ng uranium nang maayos, at ito ay naipon sa mga sanga at karayom. Sa pamamagitan ng paggawa ng mga ito sa abo at pagsubok para sa nilalaman ng uranium, maaari mong maunawaan kung ang pangunahing metal ng nuclear energy ay nagkakahalaga ng pagmimina sa lugar na ito.

Ang kalinisan ay ang susi sa kalusugan (nuclear reactor)

Ang solusyon sa uranium na nakuha sa pamamagitan ng "pagbubukas" ng mineral o sa proseso ng underground leaching ay hindi partikular na dalisay. Sa madaling salita, bilang karagdagan sa uranium, naglalaman ito ng isang grupo ng mga elemento ng kemikal na matatagpuan sa crust ng lupa: sodium at potassium, calcium at magnesium, iron, nickel at copper - at marami pang iba. Hindi ka dapat magulat sa pagbuo ng tulad ng isang makapal na "compote", dahil ang sulfuric acid ay lubos na aktibo sa kemikal at natutunaw ang maraming natural na sangkap; Mabuti na hindi lahat ng mineral. Ngunit para makagawa ng nuclear fuel, kailangan mo ng purest possible uranium. Kung sa mga atomo ng uranium ay mayroong mga atomo ng karumihan dito at doon, maaaring hindi magsimula ang reaktor o, mas masahol pa, masira. Ang mga dahilan para sa gayong mga problema ay tatalakayin sa lalong madaling panahon, ngunit sa ngayon maaari nating itakda ang gawain: upang linisin ang uranium. At kanais-nais din na matanggap ito sa solidong anyo, maginhawa para sa transportasyon. Sa katunayan, ang mga solusyon ay hindi angkop para sa transportasyon: "gusto" nilang magbuhos ng labis o tumagos sa mga pagtagas.

Sa industriya, ang problemang ito ay nalutas sa maraming paraan. Una, ang solusyon ay puro sa pamamagitan ng pagpasa nito sa pamamagitan ng mga espesyal na materyales na nangongolekta ng uranium - sorbents. Ang unang pagkakataon para sa paglilinis ay lilitaw: ang mga sorbents ay pinili sa paraang ang ibang mga elemento ay halos hindi "umupo" sa kanila at manatili sa solusyon. Pagkatapos ang uranium ay hugasan mula sa sorbent, halimbawa, na may parehong sulfuric acid. Ang pamamaraang ito ay maaaring mukhang walang kabuluhan kung hindi ipinaliwanag na mas kaunting acid ang kailangan para sa "pag-flush" kumpara sa dami ng orihinal na solusyon. Ito ay kung paano nila pinapatay ang dalawang ibon gamit ang isang bato: pinapataas nila ang konsentrasyon ng uranium at bahagyang nag-aalis ng mga hindi kinakailangang impurities.

Ang ikalawang yugto ng paglilinis ay nauugnay sa paggawa ng mga solidong uranium compound. Ang mga ito ay na-precipitated mula sa isang puro solusyon sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga kilalang "medikal" na reagents: ammonia, hydrogen peroxide, pati na rin ang alkalis o carbonates. Dapat pansinin na ang uranium ay hindi namuo bilang isang metal; sa pangkalahatan ay hindi madaling makuha sa anyong metal dahil sa mataas na reaktibiti ng kemikal nito - nabanggit na ito. Sa ilalim ng impluwensya ng mga nabanggit na mga regent, iba't ibang mga matipid na natutunaw na uranium compounds ay lumulubog sa ilalim ng apparatus. Natuyo at dinurog, ang mga ito ay isang dilaw na pulbos, na, dahil sa nakikitang pagkakahawig nito sa cake, ay madalas na tinatawag na "dilaw na cake." Ang pagkakaroon ng calcined ito sa isang mataas na temperatura, nakakakuha sila ng hindi gaanong magandang halo ng uranium oxides - maruming berde o kahit itim.

Maaaring ipadala ang dilaw na cake sa mga halamang nagpapayaman sa uranium

Ang yellowcake o pinaghalong uranium oxide ay halos ligtas mula sa radiation point of view. Samakatuwid, para sa transportasyon sila ay ikinarga sa dalawang-daang-litro na mga bariles ng metal o mga espesyal na lalagyan. Ang pagiging nasa layo na isang metro mula sa naturang lalagyan ay hindi kalahati ng "nakakapinsala" tulad ng paglipad sa isang eroplano, na nakalantad sa cosmic radiation. Ngunit karamihan sa mga tao ay hindi natatakot na lumipad! Kaya, walang dahilan upang matakot sa mga bariles ng yellowcake.

Kapag nagpapalabas ng mga uranium compound, sinusubukan nilang isagawa ang proseso upang ang karamihan sa mga impurities ay manatili sa solusyon. Ngunit ang ilan sa kanila ay nagagawa pa ring "makalusot." Ito ay lalong masama kung ang mga produkto ay naglalaman ng mga elemento na malakas na sumisipsip ng mga neutron - boron, cadmium, rare earth metals. Kahit na sa microconcentrations maaari nilang pigilan ang fission chain reaction na mangyari. Ang pagkakaroon ng paggawa ng gasolina mula sa kontaminadong uranium, ang isang tao ay maaaring magtaka sa mahabang panahon kung bakit ang reactor ay hindi nais na gumana nang normal.

Bilang karagdagan, ang mga hindi kanais-nais na impurities ay kinabibilangan ng mga elemento na nagpapababa sa plasticity ng nuclear fuel at nagiging sanhi ng paglaki at pagpapalawak nito sa pagtaas ng temperatura. Kabilang dito ang karaniwang nagaganap na natural na silicon at phosphorus, pati na rin ang tungsten at molibdenum. Sa pamamagitan ng paraan, ang plasticity ay karaniwang tinatawag na kakayahan ng isang materyal na baguhin ang hugis at sukat nito nang hindi gumuho. Ito ay napakahalaga para sa gasolina, na nagpapainit sa sarili mula sa loob dahil sa nuclear chain reaction na nagaganap dito, at samakatuwid ay nakakaranas ng mga deformation ng temperatura. Ang mataas na temperatura ay hindi dapat humantong sa labis na pagpapalawak ng uranium fuel, kung hindi man ay mapupunit nito ang proteksiyon na shell at makipag-ugnayan sa coolant. Ang kinahinatnan ng naturang "komunikasyon" ay maaaring ang paglusaw ng mga radioactive fission na produkto ng uranium sa isang mainit na coolant (madalas na tubig) kasama ang kanilang kasunod na pamamahagi sa lahat ng pipelines at apparatus. Marahil ay hindi na kailangang ipaliwanag na ito ay nagbabanta na lumala ang sitwasyon ng radiation sa power unit: ang mga dosis na natatanggap ng mga tauhan ng pagpapanatili ay tataas nang malaki.

Sabi nga nila, mas mabuting maging ligtas kaysa magsisi. Samakatuwid, ang pangatlo - pangwakas - yugto ng paglilinis, na tinatawag na pagpino, ay kinakailangan din. Ang mga compound ng uranium na inihatid sa mga barrel o lalagyan ay natunaw sa acid, ngayon ay nitric acid. Ang nagresultang solusyon ay dinadala sa pakikipag-ugnay sa isang extractant - isang likidong organikong sangkap na sumisipsip ng uranium, ngunit hindi mga impurities. Kaya, ang mga hindi gustong elemento ay nananatili sa solusyon, at ang uranium ay napupunta sa "organics". Bilang resulta ng isang serye ng mga kasunod na operasyon, muli itong dinadala sa anyo ng mga oxide na mayroon nang kinakailangang kadalisayan ng "reaktor".

Ngayon ang lahat ay maayos, at maaari kang magpatuloy sa susunod na yugto - artipisyal na pagtaas ng konsentrasyon ng uranium-235.

Mga sikreto ng pagyaman

Sa simula ng kabanata, nabanggit na na sa natural na pinaghalong uranium isotopes mayroong napakakaunting fissile uranium-235 at napakaraming "tamad" na uranium-238: para sa bawat pitong atomo ng dating mayroong humigit-kumulang siyam na raan at siyamnapu't tatlong atomo ng huli. Hindi ito angkop para sa karamihan ng mga reactor na kasalukuyang gumagana. Kailangan nila ng gasolina kung saan, mula sa isang libong uranium atoms, ang isotope-235 ay naglalaman ng ilang dosenang mga atomo, at hindi lamang iilan, tulad ng sa natural na uranium. At upang lumikha ng isang bomba, halos purong uranium-235 ay ganap na kinakailangan.

Ang paglutas ng problema ng uranium enrichment, iyon ay, ang pagtaas ng nilalaman ng fissile isotope, ay napakahirap. Mukhang, paano kaya? Pagkatapos ng lahat, ang kimika ay may malawak na hanay ng mga pamamaraan para sa paghihiwalay ng mga sangkap mula sa mga pinaghalong. Posibleng "pumili" lamang ng ilang daang gramo ng uranium mula sa isang toneladang ore! Imposible ba talagang gawin ang parehong sa mga isotopes: kahit papaano ay paghiwalayin ang isa sa isa? Ang problema ay ang mga kemikal na katangian ng lahat ng isotopes ng isang tiyak na elemento ay pareho, dahil ang mga ito ay tinutukoy ng bilang ng mga electron, at hindi ng komposisyon ng nucleus. Sa madaling salita, imposibleng magsagawa ng isang reaksyon kung saan ang uranium-235, halimbawa, ay mananatili sa solusyon, at ang uranium-238 ay namuo. Sa anumang pagmamanipula, pareho silang kumilos sa parehong paraan. Sa parehong paraan, hindi posible na paghiwalayin ng kemikal ang mga isotopes ng carbon o potassium - sa pangkalahatan, ng anumang elemento.

Mayroong tulad ng isang parameter - ang antas ng pagpapayaman, na kumakatawan sa proporsyon (sa porsyento) ng uranium-235 sa kabuuang masa ng uranium. Halimbawa, ang antas ng pagpapayaman ng natural na uranium, kung saan mayroong pitong fissile atoms para sa bawat libo, ay 0.7%. Sa kaso ng nuclear fuel mula sa nuclear power plant, ang bilang na ito ay kailangang itaas sa 3-5%, at para sa produksyon ng pagpuno ng isang atomic bomb - sa 90% at mas mataas.

Paano maging? Ito ay kinakailangan upang mahanap ang mga katangian kung saan ang mga isotopes - hindi bababa sa minimally - ay magkakaiba sa bawat isa. Ang unang bagay na nasa isip ay ang masa ng isang atom. Sa katunayan, ang nucleus ng uranium-238 ay may tatlong higit pang mga neutron kaysa sa uranium-235; Nangangahulugan ito na ang tamad na isotope ay tumitimbang ng kaunti pa. At dahil ang masa ay isang sukatan ng pagkawalang-galaw, at ito ay nagpapakita ng sarili sa paggalaw, ang mga pangunahing pamamaraan ng uranium enrichment ay nauugnay sa mga pagkakaiba sa paggalaw ng mga isotopes nito sa ilalim ng mga espesyal na nilikhang kondisyon.

Sa kasaysayan, ang unang teknolohiya sa pagpapayaman ay electromagnetic isotope separation. Mula sa pangalan ay malinaw na ang mga electric at magnetic field ay kahit papaano ay kasangkot sa proseso. Sa katunayan, sa pamamaraang ito, ang mga dating nakuha na uranium ions ay pinabilis ng isang electric field at inilunsad sa isang magnetic field. Dahil ang mga ion ay may singil, nagsisimula silang "dalhin" sa isang magnetic field, na pinaikot sa isang arko ng isang tiyak na radius. Halimbawa, maaalala natin ang paghahati ng uranium ray sa isang magnetic field sa tatlong stream - isang epekto na natuklasan ni Rutherford. Ang mga particle ng alpha at beta, na may singil sa kuryente, ay lumilihis mula sa isang tuwid na landas, ngunit ang gamma radiation ay hindi. Sa kasong ito, ang radius ng arko kung saan gumagalaw ang isang sisingilin na particle sa isang magnetic field ay nakasalalay sa masa nito: kung mas tumitimbang ito, mas mabagal ang pag-ikot nito. Maihahambing ito sa pagsisikap na umangkop sa isang matalim na pagliko ng dalawang walang ingat na drayber, ang isa ay nagmamaneho ng kotse, at ang isa naman ay nagmamaneho ng trak. Malinaw na mas madali para sa isang pampasaherong sasakyan na gumawa ng isang maniobra, habang ang isang trak ay maaaring madulas. May katulad na nangyayari sa isang magnetic field na may mabilis na paglipat ng uranium-235 at uranium-238 ions. Ang huli ay bahagyang mas mabigat, may mas malaking pagkawalang-galaw, at ang kanilang radius ng pagliko ay bahagyang mas mataas: dahil dito, ang daloy ng mga uranium ions ay nahahati sa dalawa. Sa makasagisag na pagsasalita, maaari kang maglagay ng dalawang kahon, kung saan maaari mong kolektahin ang fissile isotope, uranium-235, at sa pangalawa - "hindi kinakailangang" uranium-238.

Sa isang magnetic field, ang tilapon ng mga sisingilin na particle ay baluktot, at ang mas magaan ang particle, mas lumalakas ito.

Ang prinsipyo ng paraan ng paghihiwalay ng electromagnetic isotope: ang mas magaan na uranium-235 ions ay gumagalaw sa isang magnetic field kasama ang isang tilapon ng mas maliit na radius kumpara sa uranium-238 ions

Ang paraan ng paghihiwalay ng electromagnetic ay mabuti sa halos lahat ng aspeto, maliban sa pagiging produktibo, na, gaya ng dati, ay naglilimita sa pang-industriyang aplikasyon nito. Sa totoo lang, ito ang dahilan kung bakit ang planta ng American Y-12 sa Oak Ridge, na gumawa ng enriched uranium para sa "Little Boy" na bomba ay ibinagsak sa Hiroshima gamit ang electromagnetic separation technology, sarado noong 1946. Dapat itong linawin na sa Y-12 uranium, na dati nang pinayaman ng iba, mas produktibong pamamaraan, ay dinala sa isang mataas na antas ng pagpapayaman. Ang kanilang pagpapabuti ay tiyak kung ano ang nagtulak sa huling pako sa kabaong ng teknolohiya ng paghihiwalay ng electromagnetic isotope - hindi na ito ginagamit sa industriya.

Kapansin-pansin, ang electromagnetic separation ay isang unibersal na pamamaraan na nagpapahintulot sa isa na ihiwalay ang maliliit na halaga ng anumang isotopes sa kanilang purong anyo. Samakatuwid, ang aming analogue ng Y-12 - planta 418, na kilala ngayon bilang Elektrokhimpribor Plant (Lesnoy, Sverdlovsk region), ay may mga teknolohiya para sa paggawa ng higit sa dalawang daang isotopes ng apatnapu't pitong elemento ng kemikal mula sa lithium na humantong. Ang mga ito ay hindi lamang kahanga-hangang mga numero - ang mga produkto ng halaman ay talagang kailangan ng mga siyentipiko, mga doktor, mga industriyalista... Sa pamamagitan ng paraan, sila ay ginawa sa pag-install ng SU-20, ang parehong isa na gumawa ng armas-grade uranium na may malapit na antas ng pagpapayaman. hanggang 90% noong unang bahagi ng 1950s.

Ang unang mga dekada pagkatapos ng digmaan ay naging panahon ng aktibong akumulasyon ng mga arsenal ng sandatang nuklear. Ang paglutas ng problemang ito ay may pinakamataas na priyoridad, kaya hindi isinasaalang-alang ang mga gastos - mahalaga na ilunsad ang mass enrichment ng uranium. Ang diin ay inilagay sa gaseous diffusion - isang labis na enerhiya-intensive, ngunit sa parehong oras produktibong teknolohiya sa pagpapayaman. Ang mga ugat nito ay nasa larangan ng teorya ng gas, na nagsasaad na sa isang tiyak na temperatura ang average na bilis ng isang molekula ng gas ay inversely proportional sa masa nito: kung mas mabigat ito, mas mabagal ang paggalaw nito. Ang pagkakaiba na ito ay lalong kapansin-pansin kapag gumagalaw sa manipis na "tubules", ang diameter nito ay maihahambing sa laki ng molekula. Ang isang malinaw, bagama't hindi eksakto, halimbawa ay ang paglulunsad ng mga bangkang papel sa isang batis: isang maliit na bangka, na dinadala ng agos ng tubig, ay mabilis na gagalaw; ngunit kung gagawa ka ng isang malaking barko mula sa papel na kasing laki ng isang stream bed, mas mabagal itong kikilos, na patuloy na humahampas sa mga pampang. Pagbabalik sa uranium, maaari nating sabihin na ang target na isotope na may 235 nucleon sa nucleus ay lilipat sa kahabaan ng "tube" nang mas mabilis kaysa sa uranium-238. Ang output mula dito ay isang gas na pinayaman ng fissile isotope. Ang tanging tanong ay kung paano gawing gas ang uranium at kung saan makakakuha ng ganoong manipis na "tubo".

Ang "gasification" ng uranium ay isang ipinag-uutos na kinakailangan ng teknolohiya batay sa teorya ng mga gas. Wala kang magagawa tungkol dito. Ngunit ang lahat ng uranium compound ay solid substance na mahirap matunaw, lalo na ang sumingaw. Bagaman, kung iisipin mo ito, mayroong isang matagumpay na tambalan - uranium hexafluoride, kung saan ang uranium ay napapalibutan ng anim na fluorine atoms. Ito ay kaagad na nagiging gas na nasa 56 o C, na lumalampas sa likidong estado. Sa pisika, ang ganitong proseso ay karaniwang tinatawag na sublimation o sublimation. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay matagal nang kilala, at walang nakakagulat tungkol dito. Ang sublimation, halimbawa, ay ginagamit ng mga maybahay sa nayon na nagpapatuyo ng mga damit sa lamig - ang yelo ay sumingaw sa tuyong hangin, na hinahayaan lamang ang likidong estado na dumaan.

Ito ay kung paano mo maiisip ang isang uranium hexafluoride molecule

Ito ay lumalabas na ang uranium hexafluoride ay napaka-maginhawa mula sa isang teknolohikal na punto ng view. Sa normal na temperatura ito ay solid at maaaring dalhin sa mga espesyal na lalagyan. Ito ay nagiging gas sa mababang temperatura. Well, sa ilalim ng isang tiyak na presyon, ang pinainit na hexafluoride ay nagiging isang likido na maaaring pumped sa pamamagitan ng pipelines.

Ang isa pang mapalad na pangyayari ay ang natural na fluorine ay binubuo lamang ng isang isotope - fluorine-19. Nangangahulugan ito na ang pagkakaiba sa masa ng mga molekula ng uranium-235 hexafluoride at uranium-238 hexafluoride ay tinutukoy lamang ng uranium isotopes. Kung hindi, ang paghihiwalay ay magiging napakahirap o kahit imposible, dahil ang fluorine ay magkakaroon ng hindi nararapat na impluwensya sa masa ng mga molekula.

Ang paggawa ng uranium hexafluoride sa Russia ay isinasagawa sa pamamagitan ng conversion - fluorination ng iba't ibang mga uranium compound, halimbawa, dilaw na cake o isang halo ng mga oxide na natanggap mula sa mga negosyo sa pagmimina ng uranium. Ang molecular fluorine para sa mga layuning ito ay nakuha mula sa natural na mineral na fluorite. Ito ay ginagamot ng sulfuric acid upang bumuo ng hydrofluoric acid, ang electrolysis na gumagawa ng fluorine.

Ito ay kagiliw-giliw na ang fluoridation ay ang ika-apat na yugto ng pagdalisay ng uranium, dahil ang mga fluoride ng karamihan sa mga nakakapinsalang impurities ay hindi masyadong pabagu-bago: ang uranium sa anyo ng hexafluoride ay "lumilipad" mula sa kanila patungo sa gas phase.

Ang uranium hexafluoride ay may isang malaking sagabal: ito ay isang agresibo at nakakalason na sangkap. Una, kapag ito ay nakipag-ugnayan sa tubig o kahalumigmigan sa hangin, ang nakakalason na hydrofluoric acid ay inilalabas. Pangalawa, ang uranium mismo ay isang pangkalahatang cellular poison na nakakaapekto sa lahat ng mga organo. (Nakakatuwa na ang toxicity nito ay may likas na kemikal at halos hindi nauugnay sa radyaktibidad). Samakatuwid, ang uranium hexafluoride, na pinagsasama ang dalawang panganib nang sabay-sabay, ay dapat dalhin at itago sa mga espesyal na lalagyan ng metal at sa ilalim ng malapit na pangangasiwa. Kasabay nito, sinisiguro ang kaligtasan ng populasyon at kapaligiran.

Kaya, mayroong gas; paano naman ang manipis na "mga tubo"? Ang isang angkop na solusyon ay naging mga porous na partisyon - mga plato na tinusok ng maraming napakaliit na mga pores. Ang diameter ng huli ay dapat na nasa pagkakasunud-sunod ng sampung nanometer upang ang mga molekula ay dumaan sa kanila halos isa-isa. Ang pangangailangan na gumawa ng mga partisyon na may mga pores na tulad ng isang maliit na sukat ay nagdulot ng ilang mga paghihirap, ngunit gayunpaman ang problema ay nalutas gamit ang mga espesyal na diskarte - nickel sintering o pumipili na paglusaw ng isa sa mga metal na bumubuo sa bimetallic alloy.

Kung gumawa ka ng isang kahon na may tulad na porous na partisyon at mag-pump ng uranium hexafluoride dito, ang mga molekula na may magaan na isotope ay dadaan sa partisyon nang mas mabilis. Sa madaling salita, sa likod nito, ang uranium hexafluoride ay bahagyang payayamanin sa fissile isotope. Kung magpapadala ka ng gas sa susunod na katulad na kahon, ang antas ng pagpapayaman ay magiging mas malaki, at iba pa. Totoo, upang makakuha ng isang mataas na antas ng pagpapayaman, ang libu-libong (!) na mga kahon na naka-install nang sunud-sunod, na tinatawag na mga hakbang, ay kailangan. Paano gawin ang uranium sa mga hakbang na ito? Sa pamamagitan lamang ng pumping nito sa tulong ng maraming compressor. Kaya ang mga disadvantages ng pamamaraan: malaking gastos sa enerhiya, ang pangangailangan na bumuo ng milyun-milyong metro kuwadrado ng puwang ng produksyon - ang haba ng pagawaan ay maaaring umabot sa isang kilometro - at ang paggamit ng mga mamahaling materyales. Totoo, ang lahat ng ito ay sakop ng talagang mataas na pagganap. Iyon ang dahilan kung bakit ang teknolohiya ng pagpapayaman ng gaseous diffusion ay matagal nang nananatiling pangunahing isa para sa mga higanteng nuklear tulad ng USA, France at China, na kalaunan ay sumali sa kanila. Sa mga nagdaang taon lamang nagsimula sila ng isang aktibong paglipat sa mas matipid na teknolohiya ng centrifugation ng gas.

Scheme ng pagpapatakbo ng yugto ng pagsasabog ng gas

Noong 1960s, ang Angarsk Electrolysis Chemical Plant (rehiyon ng Irkutsk, Russia), na nakikibahagi sa pagpapayaman ng uranium gamit ang teknolohiya ng pagsasabog ng gas, ay kumonsumo ng halos isang porsyento (!) ng lahat ng kuryente na ginawa sa Unyong Sobyet. Ang enerhiya ay ibinibigay dito ng Bratsk at Irkutsk hydroelectric power stations. Sa katunayan, ito ang pinakamalaking consumer ng kuryente sa USSR.

Sa pangkalahatan, ang unang karanasan ay nagpakita na ang gaseous diffusion ay maaaring malutas ang problema, ngunit sa masyadong malaking halaga. Ang Unyong Sobyet, na nasangkot sa isang karera ng armas, ay nangangailangan ng mas produktibo at hindi gaanong enerhiya-intensive uranium enrichment technology. Hindi naging madali para sa isang estadong humina sa digmaan na makipagsabayan sa Estados Unidos sa malakas nitong potensyal sa ekonomiya at enerhiya. Ito ay dahil, bukod sa iba pang mga bagay, sa kakulangan ng kapasidad sa produksyon ng kuryente sa European na bahagi ng bansa: kaya naman itinayo ang mga enrichment plant sa Siberia, kung saan maaari silang paandarin ng malalaking hydroelectric power plant. Ngunit gayon pa man, ang mga gaseous diffusion na halaman ay kumonsumo ng labis na enerhiya, na ginagawang imposibleng madagdagan ang produksyon ng enriched uranium. Samakatuwid, ang USSR ay kailangang maging isang pioneer sa pang-industriya na aplikasyon ng alternatibong teknolohiya - gas centrifuge.

Kasama sa gas centrifugation ang pag-ikot ng drum na puno ng gaseous uranium hexafluoride sa mataas na bilis. Sa ilalim ng impluwensya ng centrifugal force, ang mas mabibigat na uranium-238 hexafluoride ay "pinipindot" patungo sa drum wall, at ang uranium-235 hexafluoride, isang mas magaan na compound, ay nananatili sa axis nito. Gamit ang mga espesyal na tubo, maaari mong kunin ang bahagyang pinayaman na uranium mula sa gitna ng drum, at bahagyang naubos ang uranium mula sa paligid.

Diagram ng pagpapatakbo ng gas centrifuge

Mula sa teknikal na pananaw, ang tambol na tinalakay ay ang umiikot na bahagi (rotor) ng isang gas centrifuge. Ito ay umiikot nang walang tigil sa isang vacuum casing at ang karayom ​​ay nakasalalay sa isang thrust bearing na gawa sa isang napakatibay na materyal - corundum. Ang pagpili ng materyal ay hindi nakakagulat, dahil ang bilis ng rotor ay maaaring lumampas sa 1,500 revolutions bawat segundo - isang daang beses na mas mabilis kaysa sa isang washing machine drum. Ang isang marupok na sangkap ay hindi makatiis sa gayong pagkakalantad. Bukod pa rito, upang ang thrust bearing ay hindi masira o bumagsak, ang rotor ay sinuspinde sa isang magnetic field upang halos hindi ito pinindot sa corundum gamit ang karayom ​​nito. Ang pamamaraan na ito, pati na rin ang mataas na katumpakan ng pagmamanupaktura ng mga bahagi ng centrifuge, ay nagbibigay-daan sa mabilis na pag-ikot, ngunit halos tahimik.

Tulad ng kaso ng gaseous diffusion, ang isang centrifuge ay hindi isang mandirigma sa larangan. Upang makamit ang kinakailangang antas ng pagpapayaman at pagiging produktibo, pinagsama ang mga ito sa malalaking kaskad na binubuo ng sampu-sampung libong (!) ng mga makina. Sa madaling salita, ang bawat centrifuge ay konektado sa dalawang "kapitbahay" nito. Ang uranium hexafluoride na may pinababang nilalaman ng uranium-235, na pinili mula sa dingding sa tuktok ng rotor, ay ipinadala sa nakaraang centrifuge; at ang gas na bahagyang pinayaman sa uranium-235, na kinuha mula sa axis ng pag-ikot sa ilalim ng rotor, ay napupunta sa susunod na makina. Kaya, parami nang parami ang pinayaman na uranium ay ibinibigay sa bawat kasunod na yugto hanggang sa makuha ang isang produkto ng kinakailangang kalidad.

Mga kaskad ng gas centrifuges na umaabot sa malayo

Ngayon, ang centrifugal separation ay ang pangunahing paraan ng pagpapayaman ng uranium, dahil ang teknolohiyang ito ay nangangailangan ng humigit-kumulang limampung beses na mas kaunting kuryente kumpara sa gaseous diffusion. Bilang karagdagan, ang mga centrifuges ay hindi gaanong malaki kaysa sa mga makina ng pagsasabog, na ginagawang mas madali ang pagtaas ng mga volume ng produksyon. Ang paraan ng centrifugation ay ginagamit sa Russia, Great Britain, Germany, Netherlands, Japan, China, India, Pakistan, Iran; Ang paglipat sa teknolohiya ng gas centrifuge sa France at USA ay halos kumpleto na. Sa madaling salita, wala nang puwang para sa gaseous diffusion.

Salamat sa mahabang kasaysayan ng paggamit at pagpapabuti, ang mga gas centrifuges ng Russia ay ang pinakamahusay sa mundo. Sa paglipas ng kalahating siglo, mayroon nang siyam na henerasyon ng mga high-speed na kotse, na unti-unting naging mas malakas at maaasahan. Salamat dito, matagumpay na napaglabanan ng USSR ang "lahi ng nukleyar" sa USA, at nang malutas ang pinakamahalagang gawain, lumitaw ang libreng kapasidad. Bilang isang resulta, ang ating bansa ay naging isang pinuno sa mundo hindi lamang sa pagbuo at paggawa ng mga gas centrifuges, kundi pati na rin sa pagkakaloob ng mga komersyal na serbisyo sa pagpapayaman ng uranium.

Ang aming mga gas centrifuges:

Ayon sa kaugalian, mayroon silang taas na kalahating metro hanggang isang metro, diameter na sampu hanggang dalawampung sentimetro;

Ang mga ito ay matatagpuan isa sa itaas ng isa sa tatlo hanggang pitong tier upang makatipid ng espasyo;

Maaari silang magtrabaho nang walang tigil hanggang sa tatlumpung taon, ang rekord ay tatlumpu't dalawang taon.

Ang bilis ng pag-ikot ng gas centrifuge rotor ay tulad na pagkatapos maputol ang power supply, ito ay iikot sa pamamagitan ng inertia sa loob ng halos dalawang buwan!

Ang boom sa gas centrifuge na teknolohiya ay nauugnay sa aktibong pag-unlad ng nuclear energy. Ang mga plantang nuklear ay mga komersyal na negosyo na nakatuon sa kita at samakatuwid ay nangangailangan ng murang gasolina at samakatuwid ay murang mga teknolohiya sa pagpapayaman. Ang pangangailangang ito ay unti-unting nagbaon ng gaseous diffusion.

Ngunit ang gas centrifugation ay hindi dapat magpahinga sa mga tagumpay nito. Kamakailan, ang isa ay maaaring lalong marinig ang tungkol sa laser enrichment, isang paraan na kilala para sa higit sa apatnapung taon. Ito ay lumiliko na sa tulong ng isang tumpak na nakatutok na laser posible na piliing ionize, iyon ay, ibahin ang anyo sa mga sisingilin na particle, uranium-235 compound. Sa kasong ito, ang mga compound ng uranium-238 ay hindi nag-ionize, na nananatiling hindi sinisingil. Ang mga resultang ion ay madaling mahihiwalay mula sa mga neutral na molekula sa pamamagitan ng kemikal o pisikal na paraan, halimbawa, sa pamamagitan ng pag-akit sa kanila gamit ang isang magnet o isang sisingilin na plato (kolektor).

Posibleng operating diagram ng isang uranium laser enrichment plant

Tila, ang pagpapayaman ng laser ay isang napaka-epektibong teknolohiya, ngunit ang mga tagapagpahiwatig ng ekonomiya nito ay nananatiling isang misteryo. Ang lahat ng mga nakaraang pagtatangka upang lumipat mula sa bersyon ng laboratoryo sa pang-industriya na paggamit ay "nasira sa mga bato" ng hindi sapat na produktibo at maikling buhay ng serbisyo ng kagamitan. Sa kasalukuyan, ang isang bagong pagtatangka upang lumikha ng naturang produksyon ay isinasagawa sa USA. Ngunit kahit na ito ay matagumpay, ang tanong ng kahusayan sa ekonomiya ay mananatili. Ang merkado para sa mga serbisyo sa pagpapayaman ay tatanggap lamang ng bagong teknolohiya kung ito ay makabuluhang mas mura kaysa sa umiiral na isa. Ngunit ang mga gas centrifuges ay hindi pa umabot sa kisame ng kanilang mga kakayahan. Samakatuwid, ang mga agarang prospect para sa pagpapayaman ng laser ay nananatiling napakalabo.

Mayroong ilang iba pang mga paraan upang pagyamanin ang uranium: thermal diffusion, aerodynamic separation, proseso ng ion, ngunit halos hindi ginagamit ang mga ito.

Pagdating sa uranium enrichment technologies, kailangang tandaan na nagbubukas sila ng daan hindi lamang sa nuclear fuel, kundi pati na rin sa bomba. Ang paglikha ng lalong episyente at compact na mga pasilidad ng produksyon ay nagsasangkot ng banta ng paglaganap ng mga sandatang nuklear. Sa prinsipyo, ang pag-unlad ng teknolohiya ay maaaring humantong sa isang sitwasyon kung saan ang isang bomba ay gagawa ng mga estado na may, sa madaling salita, hindi matatag na mga rehimen o kahit na malalaking organisasyong terorista. At kung ang isang gas diffusion o gas centrifuge plant ay mahirap itayo nang hindi napapansin, at ang kanilang paglulunsad ay mangangailangan ng pag-import ng malalaking volume ng mga partikular na materyales at kagamitan, kung gayon ang laser enrichment ay halos ginagarantiyahan ang pagiging lihim. Sa pangkalahatan, ang panganib sa umiiral na marupok na mundo ay tumataas.

Ang mga halamang nagpapayaman sa uranium ay gumagawa ng pinayamang produkto ng uranium (EUP) - uranium hexafluoride na may kinakailangang antas ng pagpapayaman. Ito ay inilalagay sa mga espesyal na lalagyan at ipinadala sa mga nuclear fuel production plant. Ngunit kasabay nito, ang mga halamang nagpapayaman ay gumagawa din ng depleted uranium hexafluoride (DUHF) na may antas ng pagpapayaman na 0.3% - mas mababa kaysa sa natural na uranium. Sa madaling salita, ito ay halos purong uranium-238. Saan ito nanggaling? Sa esensya, ang proseso ng benepisyasyon ay katulad ng paghihiwalay ng mahahalagang mineral mula sa basurang bato. Ang DUHF ay isang uri ng basurang bato kung saan inalis ang uranium-235, bagaman hindi ganap. (Ang isang daang porsyento na paghihiwalay ng fissile isotope mula sa uranium-238 ay hindi kumikita mula sa isang pang-ekonomiyang punto ng view). Gaano karaming maubos na uranium hexafluoride ang nagagawa? Depende ito sa kinakailangang antas ng pagpapayaman ng uranium. Halimbawa, kung ito ay 4.3%, tulad ng sa gasolina ng mga VVER reactor, pagkatapos ay mula sa sampung kilo ng uranium hexafluoride, na may natural na isotopic na komposisyon (0.7% uranium-235), isang kilo lamang ng OUP at siyam na kilo ng DUHF ang nakuha. Sa isang salita, medyo marami. Sa buong panahon ng pagpapatakbo ng mga halaman ng pagpapayaman, higit sa isa at kalahating milyong tonelada ng DUHF ang naipon sa kanilang mga site sa mga espesyal na lalagyan, kung saan humigit-kumulang pitong daang libong tonelada ang nasa Russia. Ang mundo ay may iba't ibang mga saloobin sa sangkap na ito, ngunit ang umiiral na opinyon ay ang DUHF ay isang mahalagang estratehikong hilaw na materyal (tingnan ang Kabanata 7).

Gumawa - sa mabuting kahulugan ng salita

Ang produksyon (fabrication) ng nuclear fuel ay nagsisimula sa chemical conversion ng enriched uranium product sa uranium dioxide. Ang prosesong ito ay maaaring isagawa sa dalawang pangunahing paraan. Ang una sa kanila ay tinatawag na "basa" na teknolohiya at binubuo ng dissolving hexafluoride sa tubig, precipitating sparingly natutunaw compounds sa ilalim ng impluwensiya ng alkali at calcining ang mga ito sa isang hydrogen na kapaligiran. Ang pangalawang teknolohiya - "tuyo" - ay mas pinipili dahil hindi ito gumagawa ng likidong radioactive na basura: ang uranium hexafluoride ay sinusunog sa isang apoy ng hydrogen.

Sa parehong mga kaso, ang uranium dioxide powder ay nakuha, na pinindot sa maliliit na tableta at sintered sa mga hurno sa temperatura na humigit-kumulang 1750 o C upang bigyan sila ng lakas - pagkatapos ng lahat, ang mga tablet ay kailangang "gumana" sa ilalim ng mga kondisyon ng mataas na temperatura at radiation. Ang mga tablet ay pagkatapos ay pinoproseso sa grinding machine gamit ang mga tool na brilyante. Ang yugtong ito ay kinakailangan dahil ang mga sukat ng tablet at ang kalidad ng ibabaw nito ay dapat na mapanatili nang tumpak. Ang mga kapintasan sa paggawa ng isang hiwalay na pellet ay maaaring humantong sa pinsala sa gasolina sa reaktor sa panahon ng thermal expansion nito at, bilang isang resulta, sa isang pagkasira sa sitwasyon ng radiation sa nuclear power plant. Samakatuwid, ang lahat ng uranium dioxide tablet ay sumasailalim sa maingat na kontrol at pagkatapos ay napupunta sa isang espesyal na kahon, kung saan inilalagay ng makina ang mga ito sa mga tubo na gawa sa zirconium na may maliit na admixture ng niobium.

Ang isang tubo na puno ng mga pellets ay tinatawag na elemento ng gasolina o, sa madaling salita, isang elemento ng gasolina. Pagkatapos, upang alisin ang mga kinakaing unti-unti na gas, ang fuel rod ay inilikas, iyon ay, ang hangin ay "sinipsip" sa labas ng tubo, na puno ng isang inert gas - purong helium - at hinangin. Ang huling yugto ng proseso ng nuclear fuel fabrication ay ang pagpupulong ng mga fuel rods sa isang fuel assembly (FA) gamit ang spacer grids. Ang mga ito ay kinakailangan upang matiyak na ang istraktura ay malakas at ang mga fuel rod ay hindi magkadikit. Kung hindi man, ang shell ay maaaring masunog sa punto ng contact, at ang gasolina ay malantad at makipag-ugnay sa tubig, na kung saan ay ganap na hindi kanais-nais.

Pagkakasunud-sunod ng mga operasyon sa paggawa ng nuclear fuel

Spacer grids

Kaya, ang isang fuel assembly ay isang "bundle" ng zirconium fuel rods, sa loob kung saan mayroong nuclear fuel - uranium dioxide na pinayaman sa isang fissile isotope. Kinakailangang ipaliwanag ang pagpili ng mga materyales na ito. Sa isang nuclear reactor, ang fuel assembly ay nakalantad sa mataas na temperatura at isang malakas na daloy ng ionizing radiation, at hinuhugasan din mula sa labas ng napakainit na tubig sa ilalim ng presyon. Samakatuwid, ang mga elemento ng nuclear fuel ay dapat na may chemical at radiation resistance, nagsasagawa ng init ng mabuti, at lumawak nang kaunti kapag pinainit, kung hindi ay maaaring magkaroon ng crack sa cladding ng elemento ng gasolina. Ang uranium dioxide at zirconium ay nakakatugon sa mga kinakailangang ito. Gayunpaman, dapat itong alalahanin muli na ang uranium dioxide na mga tablet ay matatagpuan sa loob ng mga fuel rod at nakikipag-ugnayan lamang sa tubig sa pamamagitan ng fuel rod cladding, ngunit hindi direkta. Ang direktang pakikipag-ugnayan sa coolant ay lubhang hindi kanais-nais at nangyayari lamang kapag ang mga zirconium shell ay nawasak - halimbawa, kapag ang mga bitak ay lumitaw sa kanila. Sa kasong ito, ang mga radioactive fission na produkto ng uranium na nakapaloob sa nuclear fuel ay nagsisimulang matunaw sa tubig, na humahantong sa isang pagtaas sa radioactivity nito at isang pagkasira sa sitwasyon ng radiation sa nuclear power plant. Para sa kadahilanang ito, ang paggawa ng nuclear fuel ay isang kumplikado at lubos na tumpak na trabaho na nangangailangan ng katumpakan at patuloy na pagsubaybay.

Mula sa pananaw ng radiation, ang paggawa ng nuclear fuel ay hindi naglalagay ng anumang partikular na panganib. Ang panganib ay mas mababa pa kaysa sa pagmimina ng ore, dahil ang proseso ng paglilinis ay nag-aalis ng lahat ng nauugnay na radioactive substance mula sa uranium.

Gayunpaman, kapag nagtatrabaho sa enriched uranium, ang isang kritikal na masa ay maaaring maipon at, bilang isang resulta, ang isang self-sustaining chain reaction ay maaaring mangyari, na tinalakay na sa Kabanata 2. Ito ay maaaring mangyari bilang isang resulta ng isang error, paglabag sa mga patakaran sa trabaho , o kahit hindi sinasadya. Sa kabuuan, animnapung ganoong aksidente ang nairehistro sa mundo, kung saan tatlumpu't tatlo sa USA at labinsiyam sa USSR/Russia. Narito ang dalawang halimbawa ng mga insidente sa tahanan.

Hulyo 14, 1961, Siberian Chemical Plant (produksyon ng pagpapayaman). Ang pagbuo ng isang kritikal na masa bilang isang resulta ng akumulasyon ng uranium hexafluoride na may mataas na antas ng pagpapayaman (22.6%) sa langis na matatagpuan sa tangke ng pagpapalawak ng vacuum pump. Bilang resulta ng pagsabog ng radiation na sinamahan ng chain reaction na lumitaw, ang operator ay nakatanggap ng malaking dosis ng radiation at dumanas ng radiation sickness, bagaman sa medyo banayad na anyo.

Mayo 15, 1997. Novosibirsk Chemical Concentrates Plant (produksyon ng nuclear fuel). Ang pagbuo ng isang kritikal na masa bilang isang resulta ng akumulasyon ng isang sediment ng mataas na enriched (90%) uranium sa ilalim ng dalawang katabing lalagyan para sa pagkolekta ng mga solusyon dahil sa kanilang pagpapapangit. Sa kabutihang palad, ang mga dosis ng radiation ay bale-wala.

Ano ang konklusyon? Ang pinayaman na uranium ay dapat hawakan nang may matinding pag-iingat, na sinusunod ang lahat ng mga kinakailangan sa kaligtasan at, gaya ng sinasabi nila, "kabilang ang iyong ulo," iyon ay, pagkalkula ng mga posibleng panganib nang maaga.

Sa konklusyon, maaari kaming magbigay ng tinatayang mga parameter ng mga pagtitipon ng gasolina na ginagamit sa mga halaman ng nuclear power ng Russia na may mga reaktor ng VVER-1000.

Ang fuel pellet ay isang silindro na may taas na 9 hanggang 12 millimeters at diameter na 7.6 millimeters. Binubuo ito ng uranium dioxide, ang antas ng pagpapayaman na umaabot sa 3.3 hanggang 5.0%.

Ang mga pellets ay inilalagay sa isang fuel rod na gawa sa zirconium na naglalaman ng 1% niobium, mga apat na metro ang haba at 9.1 mm ang lapad. Ang kapal ng pader ng elemento ng gasolina ay 0.65 mm lamang, kaya sa haba na ito ay nangangailangan ng lubos na maingat na paghawak. Ang elemento ng gasolina ay hindi ganap na napuno ng mga pellets: ang taas ng layer ng mga pellets ay mga 3.5 metro, at ang kanilang kabuuang masa ay humigit-kumulang 1.6 kilo, na may 62 gramo na inookupahan ng uranium-235.

Ang fuel assembly (FA) ay binuo mula sa 312 fuel rods gamit ang 12-15 spacer grids. Ang taas ng pagpupulong ng gasolina ay umabot sa halos 4.6 metro, at ang timbang nito ay 760 kg. Kasabay nito, ang masa ng uranium dioxide ay halos kalahating tonelada, ang natitira ay zirconium at iba pang mga metal. Kung titingnan mula sa itaas, ang pagpupulong ay isang heksagono na may sukat ng mukha na 235 milimetro. Ang bawat pagpupulong ay may 19 na channel para sa reactor control rods na naglalaman ng boron carbide, isang elemento na sumisipsip ng mga neutron nang maayos.

Ang reaktor ay naglalaman ng 163 fuel assemblies, na tumutugma sa 80 tonelada ng uranium dioxide, na sapat para sa 4 na taon ng operasyon ng reaktor.

Mga opsyon para sa mga pagtitipon ng gasolina para sa iba't ibang uri ng mga reaktor

Mga posibleng opsyon

Kaya, ang pinakakaraniwang gasolina para sa mga nuclear power plant ay pelletized uranium dioxide, kung saan ang uranium ay pinayaman sa isang fissile isotope (uranium-235). Gayunpaman, may iba pang mga uri ng nuclear fuel.

Pagkatapos ng uranium dioxide, ang pinakakaraniwan ay mixed oxide fuel, na kilala bilang MOX fuel. Sa kasalukuyan, pangunahing ginawa ang MOX fuel, na pinaghalong mga oxide ng uranium at plutonium-239. Ang panggatong na ito ay nagbibigay-daan sa labis na dami ng plutonium-239 na may grade-sa-sangkap na naipon sa panahon ng "nuclear race" na magamit upang makabuo ng kuryente.

Ang uranium metal ay maaari ding gamitin bilang nuclear fuel. Ang mga bentahe nito ay mataas na thermal conductivity at maximum na konsentrasyon ng fissile nuclei - walang iba pang mga elemento sa gasolina. Kasabay nito, ang uranium bilang isang metal ay may mas masahol na radiation, chemical at heat resistance kumpara sa dioxide, kaya ito ay napakabihirang ginagamit sa dalisay nitong anyo. Upang mapabuti ang mga parameter ng metal fuel, isang maliit na molibdenum, aluminyo, silikon, at zirconium ay idinagdag sa uranium. Ngayon, ang uranium metal at ang mga haluang metal nito ay ginagamit lamang sa mga reaktor ng pananaliksik.

Sa halip na uranium dioxide, posible na gumamit ng uranium nitride, iyon ay, ang tambalan nito na may nitrogen. Ang nitride fuel ay may mas mataas na thermal conductivity kumpara sa dioxide fuel at isang maihahambing na melting point (2855 o C). Ang uranium nitride ay itinuturing na isang promising fuel para sa pinakabagong mga reactor. Sa ating bansa, ang nitride fuel ay binibigyan ng pinakamalapit na pansin, dahil ito ay pinlano na gamitin sa susunod na henerasyon ng mga mabilis na neutron reactor.

Ang uranium ay may kakayahang bumuo ng mga compound na may carbon - carbide. Ang posibilidad ng paggamit ng mga carbide bilang gasolina para sa mga reactor ay masinsinang pinag-aralan noong mga ikaanimnapung taon at pitumpu ng huling siglo. Gayunpaman, sa mga nakaraang taon, ang interes sa ganitong uri ng gasolina ay muling lumitaw dahil sa pag-unlad ng mga elemento ng plate fuel at microfuel elements. Ang mga positibong katangian ng carbide ay mahusay na thermal conductivity, mataas na punto ng pagkatunaw, mataas na katigasan, kemikal at thermal stability, pati na rin ang pagiging tugma sa mga ceramic coatings, na kung saan ay lalong mahalaga para sa mga elemento ng microfuel. Ang uranium carbide fuel ay maaaring isang pinakamainam na opsyon para sa ilang uri ng mga susunod na henerasyong reactor, partikular na ang mga gas-cooled na mabilis na reactor.

Gayunpaman, ang napakaraming bilang ng mga reactor sa Earth ay nagpapatakbo sa nuclear fuel na gawa sa uranium dioxide. Ang kapangyarihan ng tradisyon, kumbaga.

Ikot ng gasolina ng Russia

Ngayon, na naging pamilyar sa mga kakaibang katangian ng pagpapatakbo ng mga industriya ng pagmimina at pagproseso, sulit na tingnan ang kasaysayan at kasalukuyang estado ng ating domestic fuel cycle. Kailangan nating magsimula, siyempre, sa pagmimina ng uranium.

Sa una, ang uranium ores ay interesado lamang sa mga domestic scientist bilang pinagmumulan ng radium. Noong 1900, si Propesor I.A. Gumawa ng ulat si Antipov sa isang pulong ng St. Petersburg Mineralogical Society tungkol sa pagtuklas ng uranium mineral sa mga sample na dinala mula sa Fergana, mula sa saklaw ng bundok ng Tyuya-Muyun. Ang mineral na ito ay pinangalanang tyuyamunite. Noong 1904, nagsimula ang paggalugad sa deposito na ito, noong 1908 isang pilot plant para sa pagproseso ng uranium ore ay itinayo sa St. Petersburg, at noong 1913 isang internasyonal na kumpanya ng joint-stock para sa pagkuha ng Tyuyamuyun radium ay itinatag.

Nang magsimula ang Unang Digmaang Pandaigdig, ang trabaho sa minahan ay halos tumigil, at noong 1922 lamang isang ekspedisyon ng walong mga espesyalista ang ipinadala sa Tyuya-Muyun. Gayundin noong 1922, sa mahirap na mga kondisyon pagkatapos ng rebolusyonaryo, na napapalibutan ng mga gang ng Basmachi, posible na muling itatag ang industriyal na pagmimina ng mineral. Nagpatuloy ito hanggang 1936, nang ang masaganang tubig sa ilalim ng lupa sa lalim na dalawang daang metro ay nagambala sa pag-unlad ng bukid. Gayunpaman, ang problemang ito ay hindi naging kritikal, dahil ang produksyon ng radium ay itinatag sa "Water Fishery" sa Ukhta River - ang radioactive metal ay nakuha mula sa ilalim ng lupa na maalat na tubig. Ang uranium mismo ay hindi gaanong interesado sa sinuman sa mga taong iyon, dahil halos hindi ito ginagamit sa industriya.

Ang isang bagong pag-akyat ng interes sa mga deposito ng uranium ay naganap noong unang bahagi ng 1940s, nang ang USSR ay nahaharap sa pangangailangang tumugon sa banta ng nukleyar na dulot ng Estados Unidos - iyon ay, kapag ang pangangailangan ay lumitaw upang lumikha ng mga domestic nuclear weapons.

Ang uranium para sa unang bombang atomic ng Sobyet ay literal na nakolekta nang paunti-unti sa buong bansa at higit pa. Noong 1943, nagsimula ang pagmimina ng uranium sa maliit, ayon sa makabagong pamantayan, ang minahan ng Taboshar sa Tajikistan, na may produktibidad na 4 na tonelada lamang ng uranium salt bawat taon. Bukod dito, ayon sa mga memoir ng P.Ya. Si Antropov, ang unang ministro ng geology ng USSR, "ang uranium ore para sa pagproseso sa mga landas ng bundok ng Pamirs ay dinala sa mga bag sa mga asno at kamelyo. Walang mga kalsada o maayos na kagamitan noon.”

Noong 1944-1945, habang ang Europa ay napalaya mula sa mga Nazi, ang USSR ay nakakuha ng access sa uranium ore mula sa deposito ng Goten sa Bulgaria, ang mga minahan ng Jachimov ng Czechoslovakia, at ang mga minahan ng German Saxony. Bilang karagdagan, noong 1946 ang minahan ng Tyuya-Muyunsky ay muling inilunsad, ngunit hindi ito gumawa ng isang espesyal na kontribusyon sa karaniwang layunin.

Noong 1950s, ang Lermontov production association Almaz ay nagsimulang magmina ng uranium sa mga minahan sa Beshtau at Byk mountains (Stavropol Territory). Kasabay nito, sinimulan nilang paunlarin ang mga larangan ng Southern Kazakhstan at Central Asia.

Pagkatapos ng 1991, karamihan sa mga binuo na larangan ay natapos sa labas ng mga hangganan ng Russia, sa mga independiyenteng estado. Mula sa sandaling ito, ang pangunahing pagmimina ng uranium ay isinasagawa gamit ang paraan ng baras sa Priargunsky Industrial Mining and Chemical Association (Trans-Baikal Territory). Bilang karagdagan, ang dalawang negosyo na gumagamit ng borehole in-situ leaching technology ay unti-unting lumalakas - Khiagda (Republic of Buryatia) at Dalur (Kurgan Region). Ang mga pasilidad ng produksyon ay idinisenyo sa Yakutia. Mayroon ding mga promising na rehiyon para sa pagmimina - Transbaikal, West Siberian, North European...

Ang Russia ay nasa pangatlo sa mundo sa mga tuntunin ng napatunayang mga reserbang uranium.

Ang mga negosyo sa pagmimina ng uranium ng Russia ay pinamamahalaan ng ARMZ Uranium Holding (www.armz.ru), na pag-aari ng Rosatom, ngunit ang State Corporation ay mayroon ding mga dayuhang asset na kinokontrol ng internasyonal na kumpanya na Uranium One Inc (www.uranium1.com). Salamat sa mga aktibidad ng dalawang organisasyong ito, ang Rosatom ay naging pangatlo sa mundo sa paggawa ng mga uranium compound.

Ang sitwasyon sa pandaigdigang merkado para sa natural na produksyon ng uranium (2014)

Ang baton mula sa mga negosyo sa pagmimina ay kinuha ng isang buong hanay ng mga industriya para sa pagpino, conversion at pagpapayaman ng uranium, gayundin para sa paggawa ng nuclear fuel. Karamihan sa kanila ay nagmula noong 1950s at 1950s, isang panahon ng aktibong akumulasyon ng mga sandatang nuklear. Ngayon sila ay nagtatrabaho para sa isang purong mapayapang industriya - nuclear energy, at nagbibigay ng kanilang mga serbisyo sa mga dayuhang kumpanya.

Mayroong apat na halamang pagpapayaman sa Russia, ang ilan sa mga ito ay nagsasagawa rin ng mga operasyon para sa panghuling paglilinis (pagpino) at fluorination (pagbabago) ng mga uranium compound.

Ang unang planta ng pagsasabog ng gas para sa pagpapayaman ng uranium D-1 sa Sverdlovsk-44 ay nagsimulang gumana noong Nobyembre 1949. Sa una, ang mga produkto nito ay kailangang higit pang pagyamanin sa pag-install ng SU-20 ng hinaharap na halaman ng Elektrokhimpribor sa Sverdlovsk-45 (Lesnoy), ngunit pagkatapos ng ilang taon ang D-1 ay nagsimulang makayanan ang sarili at nagsimulang lumaki. At mula noong 1967, nagsimula ang pagpapalit ng mga diffusion cascade na may centrifuge cascade. Ngayon, sa site ng na-dismantling D-1, mayroong pinakamalaking negosyo sa pagpapayaman ng uranium sa mundo - ang Ural Electrochemical Plant (Novouralsk, Sverdlovsk Region).

Noong 1953, ang hinaharap na Siberian Chemical Plant (Seversk, Tomsk Region) ay nagsimulang gumana sa Tomsk-7, na mula 1973 ay nagsimulang unti-unting lumipat sa teknolohiya ng gas centrifuge. Ang unang enriched uranium mula sa Angarsk Electrolysis Chemical Plant (Angarsk, Irkutsk Region) ay nakuha noong 1957, at ang pagpapalit ng mga diffusion apparatus na may centrifuges ay nagsimula noong 1985. Sa wakas, 1962 ang taon na inilunsad ang Electrochemical Plant sa Krasnoyarsk-45 (ngayon Zelenogorsk, Krasnoyarsk Territory). Pagkalipas ng ilang taon, ang mga unang centrifuges ay na-install doon.

Ang maikling buod na ito, siyempre, ay hindi sumasalamin sa mga katotohanan ng mahirap na panahong iyon. Bagaman mula sa lihim, "numero" na mga pangalan ng mga saradong lungsod at mula sa hindi malinaw na mga pangalan ng mga halaman, mauunawaan ng isang tao na maingat na iningatan ng Unyong Sobyet ang mga lihim ng pagpapayaman nito. Gayunpaman, ang mga lokasyon ng mga pangunahing pasilidad ng produksyon ay naging kilala sa American intelligence. Ngunit siya, tulad ng sinasabi nila, napalampas ang aktibong paglipat sa teknolohiya ng gas centrifuge. Marahil ito ang naging dahilan ng ilang kasiyahan ng ating mga kakumpitensya: hindi alam na ang isang mas produktibo at mahusay na teknolohiya ay ipinakilala sa USSR, ang mga Estado ay nananatili sa unang napiling paraan - ang gaseous diffusion. Malinaw, ang kasalukuyang sitwasyon ay nilalaro sa mga kamay ng Unyong Sobyet at naging posible upang mabilis na makamit ang nuclear parity. Kasabay nito, ang pangunguna sa mga pag-unlad ng mga siyentipiko at inhinyero ng Sobyet upang lumikha ng mga high-performance na gas centrifuges ay hindi napunta sa walang kabuluhan, na nagdadala ng Russia sa isang nangungunang posisyon sa merkado ng mundo para sa pagpapayaman ng uranium at paggawa ng centrifuge.

Ang pinayaman na produkto ng uranium mula sa apat na halaman ay napupunta sa Machine-Building Plant (Elektrostal, Moscow region) at sa Novosibirsk Chemical Concentrates Plant (Novosibirsk region ng parehong pangalan), kung saan ang buong cycle ng nuclear fuel production ay isinasagawa. Ang Zirconium para sa mga rod ng gasolina at iba pang mga materyales sa istruktura para sa mga pagtitipon ng gasolina ay ibinibigay ng Chepetsk Mechanical Plant (Glazov, Udmurt Republic) - ang tanging negosyo sa Russia at ang pangatlo sa mundo na gumawa ng mga produktong zirconium.

Ang mga manufactured fuel assemblies ay ibinibigay sa mga Russian at dayuhang nuclear power plant, at ginagamit din sa mga reactor para sa iba pang mga layunin.

Ang mga negosyo para sa pagpino, pag-convert at pagpapayaman ng uranium, paggawa ng nuclear fuel, paggawa ng mga gas centrifuges, pati na rin ang mga organisasyong disenyo at pananaliksik ay nagkakaisa sa loob ng TVEL Fuel Company ng Rosatom (www.tvel.ru).

Bilang resulta ng maraming taon ng matagumpay na trabaho ng kumpanyang ito at ng mga miyembrong negosyo nito, kumpiyansa ang Rosatom na nangunguna sa listahan ng mga pinakamalaking service provider sa larangan ng uranium enrichment (36% ng world market).

Mayroong isang nuclear fuel bank sa Angarsk - isang reserbang garantiya na maaaring mabili ng isang bansa na, sa ilang kadahilanan, ay pinagkaitan ng pagkakataon na bumili ng uranium sa libreng merkado. Mula sa reserbang ito ay makakagawa ito ng sariwang nuclear fuel at masisiguro ang walang patid na operasyon ng industriya ng nuclear power nito.

Ang bahagi ng Rosatom sa pandaigdigang nuclear fuel market ay 17%, salamat sa bawat ikaanim na power reactor sa Earth ay puno ng TVEL grade fuel. Ang mga paghahatid ay papunta sa Hungary, Slovakia, Czech Republic, Bulgaria, Ukraine, Armenia, Finland, India at China.

Top - world uranium enrichment market (2015), bottom - world fuel fabrication market (2015)

Bukas o sarado?

Mapapansing hindi tinalakay ng kabanatang ito ang paggawa ng nuclear fuel para sa mga research reactor, gayundin ang mga reactor na naka-install sa mga nuclear submarine at icebreaker. Ang buong talakayan ay nakatuon sa nuclear fuel na ginagamit sa mga nuclear power plant. Gayunpaman, ito ay hindi aksidenteng ginawa. Ang katotohanan ay walang mga pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng pagkakasunud-sunod ng paggawa ng gasolina para sa mga nuclear power plant at, halimbawa, mga nuclear submarine. Siyempre, maaaring may mga paglihis sa teknolohiya na nauugnay sa mga detalye ng mga reaktor ng barko at pananaliksik. Halimbawa, ang dating ay dapat maliit sa sukat at, sa parehong oras, medyo malakas - ito ay isang ganap na natural na kinakailangan para sa isang icebreaker at, bukod dito, isang maneuverable nuclear submarine. Ang mga kinakailangang tagapagpahiwatig ay maaaring makamit sa pamamagitan ng pagtaas ng uranium enrichment, iyon ay, sa pamamagitan ng pagtaas ng konsentrasyon ng fissile nuclei - kung gayon mas kaunting gasolina ang kakailanganin. Ito ay eksakto kung ano ang ginagawa nila: ang antas ng pagpapayaman ng uranium na ginagamit bilang gasolina para sa mga reaktor ng barko ay nasa paligid ng 40% (depende sa proyekto, maaari itong saklaw mula 20 hanggang 90%). Sa mga reaktor ng pananaliksik, ang isang karaniwang kinakailangan ay upang makamit ang pinakamataas na output ng neutron, at ang bilang ng mga neutron sa reaktor ay direktang nauugnay din sa bilang ng mga fissile nuclei. Samakatuwid, sa mga pag-install na inilaan para sa siyentipikong pananaliksik, ang mataas na pinayaman na uranium ay minsan ginagamit na may mas mataas na nilalaman ng uranium-235 kaysa sa gasolina ng mga nuclear power plant reactor. Ngunit hindi nito binabago ang teknolohiya ng pagpapayaman.

Ang disenyo ng reactor ay maaaring matukoy ang kemikal na komposisyon ng gasolina at ang materyal na kung saan ginawa ang fuel rod. Sa kasalukuyan, ang pangunahing kemikal na anyo ng gasolina ay uranium dioxide. Tulad ng para sa mga fuel rod, ang mga ito ay nakararami sa zirconium, ngunit, halimbawa, para sa BN-600 fast neutron reactor, ang mga fuel rod ay ginawa mula sa hindi kinakalawang na asero. Ito ay dahil sa paggamit ng likidong sodium bilang isang coolant sa mga reaktor ng BN, kung saan ang zirconium ay nasisira (nakakaagnas) nang mas mabilis kaysa sa hindi kinakalawang na asero. Gayunpaman, ang kakanyahan ng proseso ng paggawa ng nuclear fuel ay nananatiling pareho - ang uranium dioxide powder ay na-synthesize mula sa isang enriched na produkto ng uranium, na pinindot sa mga tablet at sintered, ang mga tablet ay inilalagay sa mga fuel rod, at ang mga fuel rod ay pinagsama sa gasolina. mga pagtitipon (FA).

Bukod dito, kung isasaalang-alang natin ang mga nuclear fuel cycle ng iba't ibang mga bansa, lumalabas, halimbawa, na sa Russia ang mga uranium compound sa panahon ng conversion ay direktang fluorinated sa molecular fluorine, at sa ibang bansa sila ay unang ginagamot ng hydrofluoric acid at pagkatapos ay may fluorine. Ang pagkakaiba ay matatagpuan sa kemikal na komposisyon ng mga solusyon para sa "pagbubukas" ng ore, sorbents at extractants; Maaaring magkakaiba ang mga parameter ng mga proseso... Ngunit hindi nito binabago ang scheme ng nuclear fuel cycle. Ang pangunahing pagkakaiba ay namamalagi lamang sa pagitan ng bukas (bukas) at sarado (sarado) na mga bersyon nito: sa unang kaso, ang gasolina pagkatapos "gumana" sa isang nuclear power plant ay nakahiwalay lamang mula sa kapaligiran sa isang malalim na imbakan, at sa huli ito. ay pinoproseso upang kunin ang mahahalagang bahagi (tingnan ang kabanata 7). Ang Russia ay isa sa ilang mga bansa na nagpapatupad ng closed cycle.

Isang halimbawa ng isang closed fuel cycle na nagsasaad ng papel ng TVEL Fuel Company ng Rosatom

FA (fuel assembly)

Nuclear fuel- mga materyales na ginagamit sa mga nuclear reactor para magsagawa ng kinokontrol na nuclear fission chain reaction. Ang nuclear fuel ay sa panimula ay naiiba mula sa iba pang mga uri ng gasolina na ginagamit ng sangkatauhan; ito ay lubhang masinsinang enerhiya, ngunit lubhang mapanganib din para sa mga tao, na nagpapataw ng maraming mga paghihigpit sa paggamit nito para sa mga kadahilanang pangkaligtasan. Para dito at sa maraming iba pang mga kadahilanan, ang nuclear fuel ay mas mahirap gamitin kaysa sa anumang uri ng organikong gasolina, at nangangailangan ng maraming espesyal na teknikal at pang-organisasyon na mga hakbang kapag ginagamit ito, pati na rin ang mga highly qualified na tauhan na nakikitungo dito.

Pangkalahatang Impormasyon

Ang isang nuclear chain reaction ay nagsasangkot ng paghahati ng isang nucleus sa dalawang bahagi, na tinatawag na mga fragment ng fission, na may sabay-sabay na pagpapalabas ng ilang (2-3) neutron, na, sa turn, ay maaaring maging sanhi ng fission ng kasunod na nuclei. Ang fission na ito ay nangyayari kapag ang isang neutron ay tumama sa nucleus ng isang atom ng orihinal na sangkap. Ang mga fragment ng fission na nabuo sa panahon ng nuclear fission ay may mataas na kinetic energy. Ang pagsugpo ng mga fragment ng fission sa bagay ay sinamahan ng pagpapalabas ng isang malaking halaga ng init. Ang mga fragment ng fission ay mga nuclei na direktang nabuo bilang resulta ng fission. Karaniwang tinatawag ang mga fission fragment at ang kanilang mga radioactive decay na produkto mga produktong fission. Ang nuclei na na-fission ng mga neutron ng anumang enerhiya ay tinatawag na nuclear fuel (bilang panuntunan, ito ay mga sangkap na may kakaibang atomic number). May mga nuclei na na-fission lamang ng mga neutron na may mga enerhiya na higit sa isang tiyak na halaga ng threshold (bilang panuntunan, ito ay mga elemento na may pantay na atomic number). Ang nasabing nuclei ay tinatawag na hilaw na materyales, dahil kapag ang isang neutron ay nakuha ng isang threshold nucleus, ang nuclear fuel nuclei ay nabuo. Ang kumbinasyon ng nuclear fuel at raw material ay tinatawag na nuclear fuel. Nasa ibaba ang pamamahagi ng enerhiya ng fission ng 235 U nucleus sa pagitan ng iba't ibang produkto ng fission (sa MeV):

Dahil ang neutrino energy ay dinadala nang hindi mababawi, tanging 188 MeV/atom = 30 pJ/atom = 18 TJ/mol = 76.6 TJ/kg ang magagamit para sa paggamit (ayon sa ibang data (tingnan ang link) 205.2 - 8.6 = 196 .6 MeV /atom) .

Ang natural na uranium ay binubuo ng tatlong isotopes: 238 U (99.282%), 235 U (0.712%) at 234 U (0.006%). Ito ay hindi palaging angkop bilang nuclear fuel, lalo na kung ang mga materyales sa istruktura at moderator ay masinsinang sumisipsip ng mga neutron. Sa kasong ito, ang nuclear fuel ay ginawa mula sa enriched uranium. Ang mga thermal neutron power reactor ay gumagamit ng uranium na may pagpapayaman na mas mababa sa 6%, habang ang mabilis at intermediate na neutron reactor ay gumagamit ng uranium enrichment na higit sa 20%. Ang enriched uranium ay ginawa sa mga espesyal na halamang nagpapayaman.

Pag-uuri

Ang nuclear fuel ay nahahati sa dalawang uri:

• Ang natural na uranium na naglalaman ng fissile nuclei 235 U, pati na rin ang mga hilaw na materyales 238 U, na may kakayahang bumuo ng plutonium 239 Pu sa pagkuha ng neutron;
• Mga pangalawang fuel na hindi nangyayari sa kalikasan, kabilang ang 239 Pu, na nakuha mula sa unang uri ng gasolina, pati na rin ang 233 U isotopes na nabuo kapag ang mga neutron ay nakuha ng 232 Th thorium nuclei.

Ayon sa komposisyon ng kemikal, ang nuclear fuel ay maaaring:

• Metal, kabilang ang mga haluang metal;
• Oxide (halimbawa, UO 2);
• Carbide (halimbawa, PuC 1-x)
• Mixed (PuO 2 + UO 2)

Teoretikal na aspeto ng aplikasyon

Ang nuclear fuel ay ginagamit sa mga nuclear reactor sa anyo ng mga tablet na ilang sentimetro ang laki, kung saan ito ay karaniwang matatagpuan sa hermetically selyadong mga elemento ng gasolina (mga elemento ng gasolina), na kung saan, para sa kadalian ng paggamit, ay pinagsama sa ilang daang sa mga pagtitipon ng gasolina ( FA).

Ang nuclear fuel ay napapailalim sa mataas na mga kinakailangan para sa chemical compatibility sa fuel rod claddings; dapat itong magkaroon ng sapat na temperatura ng pagkatunaw at pagsingaw, magandang thermal conductivity, bahagyang pagtaas ng volume sa panahon ng neutron irradiation, at paggawa.

Ang paggamit ng uranium metal, lalo na sa temperaturang higit sa 500 °C, ay mahirap dahil sa pamamaga nito. Pagkatapos ng nuclear fission, dalawang fission fragment ang nabuo, ang kabuuang dami nito ay mas malaki kaysa sa volume ng uranium (plutonium) atom. Ang ilan sa mga atom ng fission fragment ay mga atomo ng gas (krypton, xenon, atbp.). Ang mga atom ng gas ay naipon sa mga pores ng uranium at lumilikha ng panloob na presyon, na tumataas sa pagtaas ng temperatura. Dahil sa mga pagbabago sa dami ng mga atom sa panahon ng fission at isang pagtaas sa panloob na presyon ng mga gas, ang uranium at iba pang mga nuclear fuel ay nagsisimulang bumukol. Ang pamamaga ay tumutukoy sa relatibong pagbabago sa dami ng nuclear fuel na nauugnay sa nuclear fission.

Ang pamamaga ay nakasalalay sa pagkasunog at temperatura ng mga baras ng gasolina. Ang bilang ng mga fragment ng fission ay tumataas sa pagtaas ng burnup, at ang panloob na presyon ng gas ay tumataas sa pagtaas ng burnup at temperatura. Ang pamamaga ng nuclear fuel ay maaaring humantong sa pagkasira ng fuel rod cladding. Ang nuclear fuel ay hindi gaanong madaling kapitan ng pamamaga kung ito ay may mataas na mekanikal na katangian. Ang uranium metal ay hindi isa sa mga materyales na ito. Samakatuwid, ang paggamit ng uranium metal bilang nuclear fuel ay nililimitahan ang burnup depth, na isa sa mga pangunahing katangian ng nuclear fuel.

Ang paglaban sa radiation at mekanikal na mga katangian ng gasolina ay pinabuting pagkatapos ng alloying ng uranium, isang proseso kung saan ang maliit na halaga ng molibdenum, aluminyo at iba pang mga metal ay idinagdag sa uranium. Binabawasan ng mga pinaghalo na additives ang bilang ng mga fission neutron sa bawat neutron na nakuha ng nuclear fuel. Samakatuwid, may posibilidad silang pumili ng mga alloying additives para sa uranium mula sa mga materyales na mahinang sumisipsip ng mga neutron.

Ang magagandang nuclear fuel ay kinabibilangan ng ilang refractory uranium compounds: oxides, carbide at intermetallic compounds. Ang pinakamalawak na ginagamit na ceramic ay uranium dioxide UO 2. Ang punto ng pagkatunaw nito ay 2800 °C, ang density ay 10.2 g/cm³. Ang uranium dioxide ay walang mga phase transition at hindi gaanong madaling kapitan ng pamamaga kaysa sa uranium alloys. Ito ay nagpapahintulot sa iyo na taasan ang burnout sa ilang porsyento. Ang uranium dioxide ay hindi tumutugon sa zirconium, niobium, hindi kinakalawang na asero at iba pang mga materyales sa mataas na temperatura. Ang pangunahing kawalan ng mga keramika ay mababa ang thermal conductivity - 4.5 kJ/(m K), na naglilimita sa tiyak na kapangyarihan ng reaktor sa mga tuntunin ng temperatura ng pagkatunaw. Kaya, ang maximum na density ng heat flux sa mga VVER reactor na gumagamit ng uranium dioxide ay hindi lalampas sa 1.4⋅10 3 kW/m², habang ang maximum na temperatura sa mga fuel rod ay umaabot sa 2200 °C. Bilang karagdagan, ang mainit na ceramic ay masyadong malutong at maaaring pumutok.

Praktikal na paggamit

Resibo

Uranium fuel

Ang uranium nuclear fuel ay nakuha sa pamamagitan ng pagproseso ng mga ores. Ang proseso ay nangyayari sa maraming yugto:

• Para sa mahihirap na bukid: Sa modernong industriya, dahil sa kakulangan ng mga rich uranium ores (exceptions ang Canadian at Australian deposits tulad ng unconformity, kung saan ang konsentrasyon ng uranium ay umabot sa 3%), ang paraan ng underground leaching ng ores ay ginagamit. Tinatanggal nito ang magastos na pagmimina ng ore. Ang paunang paghahanda ay nagaganap nang direkta sa ilalim ng lupa. Sa pamamagitan ng mga balon ng iniksyon Ang sulfuric acid ay ibinobomba sa ilalim ng lupa sa itaas ng deposito, kung minsan ay may idinagdag na ferric salts (upang i-oxidize ang uranium U(IV) sa U(VI)), bagaman ang mga ores ay kadalasang naglalaman ng iron at pyrolusite, na nagpapadali sa oksihenasyon. Sa pamamagitan ng pumping well Gamit ang mga espesyal na bomba, ang isang solusyon ng sulfuric acid na may uranium ay tumataas sa ibabaw. Pagkatapos ay direktang napupunta ito sa sorption, hydrometallurgical extraction at sabay-sabay na pagpapayaman ng uranium.
• Para sa mga deposito ng mineral: gumamit ng ore enrichment at radiometric ore enrichment.
• Hydrometallurgical processing - pagdurog, leaching, sorption o extraction extraction ng uranium upang makagawa ng purified uranium oxide (U 3 O 8), sodium diuranate (Na 2 U 2 O 7) o ammonium diuranate ((NH 4) 2 U 2 O 7) .
• Pag-convert ng uranium mula sa oxide patungo sa UF 4 tetrafluoride, o mula sa mga oxide nang direkta upang makagawa ng UF 6 hexafluoride, na ginagamit upang pagyamanin ang uranium gamit ang 235 isotope.
• Pagpapayaman sa pamamagitan ng gas thermal diffusion o centrifugation.
• Ang UF 6 na pinayaman sa 235 isotope ay na-convert sa UO 2 dioxide, kung saan ang "mga pellets" ng mga elemento ng gasolina ay ginawa o ang iba pang mga uranium compound ay nakuha para sa parehong layunin.

Ang enerhiyang nuklear ay ginagamit sa thermal power engineering, kapag ang enerhiya ay nakuha mula sa nuclear fuel sa mga reactor sa anyo ng init. Ito ay ginagamit upang makabuo ng elektrikal na enerhiya sa nuclear power plants (NPP), para sa mga power plant ng malalaking sasakyang-dagat, para sa desalination ng tubig dagat.

Ang enerhiya ng nuklear ay may utang sa hitsura nito, una sa lahat, sa likas na katangian ng neutron, na natuklasan noong 1932. Ang mga neutron ay bahagi ng lahat ng atomic nuclei maliban sa hydrogen nucleus. Ang mga nakatali na neutron sa nucleus ay umiiral nang walang katiyakan. Sa kanilang libreng anyo, sila ay maikli ang buhay, dahil sila ay nabubulok na may kalahating buhay na 11.7 minuto, nagiging isang proton at naglalabas ng isang electron at isang neutrino, o mabilis na nakuha ng nuclei ng mga atomo.

Ang modernong enerhiyang nuklear ay batay sa paggamit ng enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ng isang natural na isotope uranium-235. Sa mga nuclear power plant, ang isang kinokontrol na nuclear fission reaction ay isinasagawa sa nuclear reactor. Ayon sa enerhiya ng mga neutron na gumagawa ng nuclear fission, makilala sa pagitan ng thermal at fast neutron reactors.

Ang pangunahing yunit ng isang nuclear power plant ay isang nuclear reactor, ang diagram kung saan ay ipinapakita sa Fig. 1. Nakakakuha sila ng enerhiya mula sa nuclear fuel, at pagkatapos ay inililipat ito sa isa pang gumaganang likido (tubig, metal o organikong likido, gas) sa anyo ng init; pagkatapos ito ay na-convert sa kuryente ayon sa parehong pamamaraan tulad ng sa mga maginoo.

Kinokontrol nila ang proseso, pinapanatili ang reaksyon, pinapatatag ang kapangyarihan, simulan at itigil ang reaktor gamit ang espesyal na paggalaw control rods 6 At 7 mula sa mga materyales na masinsinang sumisipsip ng mga thermal neutron. Ang mga ito ay hinihimok ng isang control system 5 . Mga aksyon control rods ipakita ang kanilang mga sarili sa isang pagbabago sa kapangyarihan ng neutron flux sa core. Sa pamamagitan ng mga channel 10 tubig circulates, paglamig ng biological proteksyon kongkreto

Ang mga control rod ay gawa sa boron o cadmium, na thermally, radiation at corrosion resistant, mechanically strong, at may magandang heat transfer properties.

Sa loob ng isang napakalaking kaso ng bakal 3 may basket 8 na may mga elemento ng gasolina 9 . Ang coolant ay pumapasok sa pamamagitan ng pipeline 2 , dumadaan sa core, naghuhugas ng lahat ng mga elemento ng gasolina, nagpapainit at sa pamamagitan ng pipeline 4 pumapasok sa steam generator.

kanin. 1. Nuclear reactor

Ang reactor ay nakalagay sa loob ng isang makapal na konkretong biological containment device 1 , na nagpoprotekta sa nakapalibot na espasyo mula sa daloy ng mga neutron, alpha, beta, gamma radiation.

Mga elemento ng panggatong (fuel rods)- ang pangunahing bahagi ng reaktor. Ang isang reaksyong nuklear ay direktang nangyayari sa kanila at ang init ay inilabas; lahat ng iba pang bahagi ay nagsisilbing insulate, kontrolin at alisin ang init. Sa istruktura, ang mga elemento ng gasolina ay maaaring gawin ng baras, plato, tubular, spherical, atbp. Kadalasan ang mga ito ay baras, hanggang 1 metro ang haba, 10 mm ang lapad. Ang mga ito ay karaniwang binuo mula sa uranium pellets o mula sa mga maiikling tubo at plato. Sa labas, ang mga elemento ng gasolina ay natatakpan ng isang corrosion-resistant, manipis na shell ng metal. Ang zirconium, aluminum, magnesium alloys, pati na rin ang alloyed stainless steel ay ginagamit para sa shell.

Ang paglipat ng init na inilabas sa panahon ng isang nuclear reaction sa reactor core sa working body ng engine (turbine) ng mga power plant ay isinasagawa ayon sa single-circuit, double-circuit at three-circuit schemes (Fig. 2).

kanin. 2. Nuclear power plant
a – ayon sa isang single-circuit scheme; b - ayon sa isang double-circuit scheme; c – ayon sa isang three-circuit scheme
1 – reaktor; 2, 3 - biological na proteksyon; 4 - regulator ng presyon; 5 - turbina; 6 – electric generator; 7 - kapasitor; 8 – bomba; 9 - kapasidad ng reserba; 10 - regenerative heater; 11 – generator ng singaw; 12 – bomba; 13 – intermediate heat exchanger

Ang bawat circuit ay isang closed system. Reaktor 1 (sa lahat ng thermal circuit) na matatagpuan sa loob ng pangunahing 2 at pangalawa 3 biyolohikal na proteksyon. Kung ang planta ng nuclear power ay binuo ayon sa isang single-circuit thermal circuit, singaw mula sa reactor sa pamamagitan ng pressure regulator 4 pumapasok sa turbine 5 . Ang turbine shaft ay konektado sa electric generator shaft 6 , kung saan nabuo ang electric current. Ang singaw ng tambutso ay pumapasok sa condenser, kung saan ito ay pinalamig at ganap na na-condensed. Pump 8 nagdidirekta ng condensate sa regenerative heater 10 , at pagkatapos ay pumasok ito sa reaktor.

Sa isang dual-circuit scheme, ang coolant na pinainit sa reactor ay pumapasok sa steam generator 11 , kung saan ang init ay inililipat sa pamamagitan ng pag-init sa ibabaw sa coolant ng working fluid (secondary circuit feedwater). Sa mga water-cooled na reactor, ang coolant sa steam generator ay pinalamig ng humigit-kumulang 15...40 o C at pagkatapos ay sa pamamagitan ng isang circulation pump 12 ay ipinadala pabalik sa reactor.

Sa isang three-circuit na disenyo, ang coolant (karaniwang likidong sodium) mula sa reactor ay nakadirekta sa isang intermediate heat exchanger. 13 at mula doon na may circulation pump 12 babalik sa reactor. Ang coolant sa pangalawang circuit ay likidong sodium din. Ang circuit na ito ay hindi irradiated at samakatuwid ay hindi radioactive. Ang pangalawang circuit na sodium ay pumapasok sa steam generator 11 , nagbibigay ng init sa gumaganang likido, at pagkatapos ay ibabalik sa intermediate heat exchanger ng circulation pump.

Tinutukoy ng bilang ng mga circulation circuit ang uri ng reactor, ang coolant na ginamit, ang nuclear physical properties nito, at ang antas ng radioactivity. Maaaring gamitin ang single-loop circuit sa mga boiling reactor at sa mga reactor na may gas coolant. Ang pinakalaganap double-circuit circuit kapag gumagamit ng tubig, gas at mga organikong likido bilang isang coolant. Ang three-circuit scheme ay ginagamit sa mga nuclear power plant na may mabilis na neutron reactors gamit ang mga likidong metal coolant (sodium, potassium, sodium-potassium alloys).

Ang nuclear fuel ay maaaring uranium-235, uranium-233 at plutonium-232. Mga hilaw na materyales para sa pagkuha ng nuclear fuel - natural na uranium at thorium. Ang nuclear reaction ng isang gramo ng fissile material (uranium-235) ay naglalabas ng enerhiya na katumbas ng 22×10 3 kW × h (19×10 6 cal). Upang makuha ang halagang ito ng enerhiya, kinakailangang magsunog ng 1900 kg ng langis.

Ang Uranium-235 ay madaling makuha at ang mga reserbang enerhiya nito ay halos pareho sa mga fossil fuel. Gayunpaman, kung ang nuclear fuel ay ginagamit sa mababang kahusayan tulad ng kasalukuyang magagamit, ang magagamit na mga mapagkukunan ng uranium ay mauubos sa loob ng 50-100 taon. Kasabay nito, ang mga "deposito" ng nuclear fuel ay halos hindi mauubos - ito ay uranium na natunaw sa tubig ng dagat. Mayroong daan-daang beses na mas marami nito sa karagatan kaysa sa lupa. Ang halaga ng pagkuha ng isang kilo ng uranium dioxide mula sa tubig-dagat ay humigit-kumulang $60-80, at sa hinaharap ay bababa ito sa $30, at ang halaga ng uranium dioxide na mina sa pinakamayamang deposito sa lupa ay $10-20. Samakatuwid, pagkaraan ng ilang oras, ang mga gastos sa lupa at "sa tubig sa dagat" ay magiging magkaparehong pagkakasunud-sunod.

Ang halaga ng nuclear fuel ay humigit-kumulang dalawang beses na mas mababa kaysa sa fossil coal. Sa coal-fired power plant, ang bahagi ng gasolina ay bumaba 50-70% ng halaga ng kuryente, at sa nuclear power plant - 15-30%. Ang isang modernong thermal power plant na may kapasidad na 2.3 milyong kW (halimbawa, Samara State District Power Plant) ay kumokonsumo ng humigit-kumulang 18 tonelada ng karbon (6 na tren) o 12 libong tonelada ng langis ng gasolina (4 na tren) araw-araw. Nuclear, ng parehong kapangyarihan, kumonsumo lamang ng 11 kg ng nuclear fuel bawat araw, at 4 na tonelada sa panahon ng taon. Gayunpaman, ang isang nuclear power plant ay mas mahal kaysa sa isang thermal power plant sa mga tuntunin ng konstruksiyon, operasyon, at pagkumpuni. Halimbawa, ang pagtatayo ng isang nuclear power plant na may kapasidad na 2 - 4 milyong kW ay nagkakahalaga ng humigit-kumulang 50-100% higit pa kaysa sa isang thermal.

Posibleng bawasan ang mga gastos sa kapital para sa pagtatayo ng mga nuclear power plant dahil sa:

1. standardisasyon at pag-iisa ng mga kagamitan;
2. pagbuo ng mga compact na disenyo ng reaktor;
3. pagpapabuti ng mga sistema ng pamamahala at regulasyon;
4. binabawasan ang tagal ng reactor shutdown para sa fuel refueling.

Ang isang mahalagang katangian ng mga nuclear power plant (nuclear reactors) ay ang kahusayan ng fuel cycle. Upang mapabuti ang kahusayan ng ikot ng gasolina, dapat mong:

• dagdagan ang pagkasunog ng nuclear fuel;
• taasan ang plutonium breeding rate.

Sa bawat fission ng uranium-235 nucleus, 2-3 neutron ang pinakawalan. Sa mga ito, isa lamang ang ginagamit para sa karagdagang reaksyon, ang iba ay nawala. Gayunpaman, posible na gamitin ang mga ito upang magparami ng nuclear fuel, na lumilikha ng mabilis na neutron reactor. Kapag nagpapatakbo ng isang mabilis na neutron reactor, posible na sabay na makakuha ng humigit-kumulang 1.7 kg ng plutonium-239 bawat 1 kg ng sinunog na uranium-235. Sa ganitong paraan, maaaring masakop ang mababang thermal efficiency ng mga nuclear power plant.

Ang mga fast neutron reactor ay sampu-sampung beses na mas mahusay (sa mga tuntunin ng paggamit ng nuclear fuel) kaysa sa fuel neutron reactors. Ang mga ito ay hindi naglalaman ng isang moderator at gumagamit ng mataas na enriched nuclear fuel. Ang mga neutron na tumatakas mula sa core ay hinihigop hindi ng mga materyales sa istruktura, ngunit sa pamamagitan ng uranium-238 o thorium-232 na matatagpuan sa kanilang paligid.

Sa hinaharap, ang pangunahing fissile na materyales para sa mga nuclear power plant ay ang plutonium-239 at uranium-233, na nakuha ayon sa pagkakabanggit mula sa uranium-238 at thorium-232 sa mga fast neutron reactor. Ang pag-convert ng uranium-238 sa plutonium-239 sa mga reactor ay tataas ang mga mapagkukunan ng nuclear fuel ng humigit-kumulang 100 beses, at ang thorium-232 sa uranium-233 ng 200 beses.

Sa Fig. Ang Figure 3 ay nagpapakita ng diagram ng isang nuclear power plant na gumagamit ng mga fast neutron.

Ang mga natatanging katangian ng isang fast neutron nuclear power plant ay:

1. Ang pagbabago ng pagiging kritikal ng isang nuclear reactor ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagpapakita ng bahagi ng fission neutrons ng nuclear fuel mula sa periphery pabalik sa core gamit ang mga reflector. 3 ;
2. mga reflector 3 maaaring paikutin, binabago ang pagtagas ng neutron at, samakatuwid, ang intensity ng mga reaksyon ng fission;
3. ang nuclear fuel ay muling ginawa;
4. Ang sobrang thermal energy ay tinanggal mula sa reactor gamit ang radiator refrigerator 6 .

kanin. 3. Diagram ng isang nuclear power plant gamit ang fast neutrons:
1 - mga elemento ng gasolina; 2 – maaaring kopyahin ang nuclear fuel; 3 - mabilis na mga reflector ng neutron; 4 – nuclear reactor; 5 – mamimili ng kuryente; 6 – refrigerator-emitter; 7 – converter ng thermal energy sa electrical energy; 8 – proteksyon sa radiation.

Mga nagko-convert ng thermal energy sa electrical energy

Batay sa prinsipyo ng paggamit ng thermal energy na nabuo ng isang nuclear power plant, ang mga converter ay maaaring nahahati sa 2 klase:

1. makina (dynamic);
2. walang makina (direct converters).

Sa mga machine converter, ang isang gas turbine unit ay karaniwang konektado sa reactor, kung saan ang gumaganang fluid ay maaaring hydrogen, helium, o isang helium-xenon mixture. Ang kahusayan ng pag-convert ng init na direktang ibinibigay sa turbogenerator sa kuryente ay medyo mataas - kahusayan ng converter η = 0,7-0,75.

Ang diagram ng isang nuclear power plant na may dynamic na gas turbine (machine) converter ay ipinapakita sa Fig. 4.

Ang isa pang uri ng machine converter ay isang magnetogasdynamic o magnetohydrodynamic generator (MGDG). Ang diagram ng naturang generator ay ipinapakita sa Fig. 5. Ang generator ay isang hugis-parihaba na channel, dalawang pader nito ay gawa sa dielectric, at dalawa sa electrically conductive material. Ang isang electrically conductive working fluid—likido o gas—ay gumagalaw sa mga channel at pinapasok ng magnetic field. Tulad ng nalalaman, kapag ang isang konduktor ay gumagalaw sa isang magnetic field, isang emf ang lumitaw, na sa kabuuan ng mga electrodes 2 inilipat sa consumer ng kuryente 3 . Ang pinagmumulan ng enerhiya para sa gumaganang daloy ng init ay ang init na inilabas sa isang nuclear reactor. Ang thermal energy na ito ay ginugugol sa paglipat ng mga singil sa isang magnetic field, i.e. ay na-convert sa kinetic energy ng current-conducting jet, at kinetic energy sa electrical energy.

kanin. 4. Diagram ng isang nuclear power plant na may gas turbine converter:
1 – reaktor; 2 - circuit na may likidong metal coolant; 3 – heat exchanger para sa pagbibigay ng init sa gas; 4 – turbina; 5 – electric generator; 6 - tagapiga; 7 – refrigerator-emitter; 8 - circuit ng pag-alis ng init; 9 - sirkulasyon ng bomba; 10 - heat exchanger para sa pag-alis ng init; 11 – heat exchanger-regenerator; 12 – circuit na may gumaganang likido ng gas turbine converter.

Ang mga direktang nagko-convert (walang makina) ng thermal energy sa electrical energy ay nahahati sa:

1. thermoelectric;
2. thermionic;
3. electrochemical.

Ang mga Thermoelectric generators (TEGs) ay batay sa prinsipyo ng Seebeck, na binubuo sa katotohanan na sa isang closed circuit na binubuo ng hindi magkatulad na mga materyales, ang isang thermo-emf ay nangyayari kung ang isang pagkakaiba sa temperatura ay pinananatili sa mga punto ng contact ng mga materyales na ito (Larawan 6). ). Upang makabuo ng kuryente, ipinapayong gumamit ng mga semiconductor na TEG na may mas mataas na kahusayan, habang ang temperatura ng mainit na kantong ay dapat na itaas sa 1400 K at mas mataas.

Ginagawang posible ng mga Thermionic converter (TEC) na makabuo ng kuryente bilang resulta ng paglabas ng mga electron mula sa isang katod na pinainit hanggang sa mataas na temperatura (Larawan 7).

kanin. 5. Magnetogasdynamic generator:
1 – magnetic field; 2 - mga electrodes; 3 – mamimili ng kuryente; 4 – dielectric; 5 – konduktor; 6 - gumaganang likido (gas).

kanin. 6. Scheme ng pagpapatakbo ng isang thermoelectric generator

kanin. 7. Scheme ng pagpapatakbo ng thermionic converter

Upang mapanatili ang kasalukuyang paglabas, ang init ay ibinibigay sa katod Q 1 . Ang mga electron na ibinubuga ng katod, na nagtagumpay sa vacuum gap, ay umaabot sa anode at nasisipsip nito. Kapag ang mga electron ay "condense" sa anode, ang enerhiya ay inilabas na katumbas ng work function ng mga electron na may kabaligtaran na sign. Kung nagbibigay kami ng tuluy-tuloy na supply ng init sa katod at alisin ito mula sa anode, pagkatapos ay sa pamamagitan ng pagkarga R direktang agos ang dadaloy. Ang paglabas ng elektron ay mahusay na nagaganap sa mga temperatura ng cathode na higit sa 2200 K.

Kaligtasan at pagiging maaasahan ng mga nuclear power plant

Isa sa mga pangunahing isyu sa pagbuo ng nuclear energy ay ang pagtiyak sa pagiging maaasahan at kaligtasan ng mga nuclear power plant.

Ang kaligtasan ng radiation ay sinisiguro ng:

1. paglikha ng mga maaasahang istruktura at aparato para sa biological na proteksyon ng mga tauhan mula sa radiation;
2. paglilinis ng hangin at tubig na umaalis sa lugar ng nuclear power plant;
3. pagkuha at maaasahang lokalisasyon ng radioactive contamination;
4. araw-araw na radiation monitoring ng nuclear power plant premises at indibidwal na radiation monitoring ng mga tauhan.

Ang mga lugar ng NPP, depende sa operating mode at ang kagamitan na naka-install sa kanila, ay nahahati sa 3 kategorya:

1. mataas na zone ng seguridad;
2. ipinagbabawal na lugar;
3. normal na mode zone.

Ang mga tauhan ay permanenteng matatagpuan sa mga silid ng ikatlong kategorya; ang mga silid na ito sa istasyon ay ligtas sa radiation.

Sa panahon ng pagpapatakbo ng mga nuclear power plant, nabubuo ang solid, liquid at gaseous radioactive waste. Dapat itong itapon sa paraang hindi lumilikha ng polusyon sa kapaligiran.

Ang mga gas na inalis mula sa lugar sa panahon ng bentilasyon ay maaaring maglaman ng mga radioactive substance sa anyo ng mga aerosol, radioactive dust at radioactive gas. Ang bentilasyon ng istasyon ay itinayo sa paraang ang mga daloy ng hangin ay dumaan mula sa pinaka "malinis" hanggang sa "marumi", at ang mga daloy sa kabilang direksyon ay hindi kasama. Sa lahat ng mga lugar ng istasyon, ang kumpletong pagpapalit ng hangin ay isinasagawa sa loob ng hindi hihigit sa isang oras.

Sa panahon ng pagpapatakbo ng mga nuclear power plant, ang problema sa pagtatapon at pagtatapon ng radioactive na basura ay lumitaw. Ang mga elemento ng gasolina na ginugol sa mga reactor ay pinananatili sa isang tiyak na oras sa mga pool ng tubig nang direkta sa nuclear power plant hanggang sa ang mga isotopes na may maikling kalahating buhay ay nagpapatatag, pagkatapos nito ang mga elemento ng gasolina ay ipinadala sa mga espesyal na radiochemical plant para sa pagbabagong-buhay. Doon, ang nuclear fuel ay kinukuha mula sa fuel rods, at ang radioactive waste ay napapailalim sa libing.