Nhiên liệu kim loại cho lò phản ứng hạt nhân. Nhiên liệu hạt nhân: các loại và cách xử lý

Vòng đời của nhiên liệu hạt nhân dựa trên uranium hoặc plutonium bắt đầu tại các doanh nghiệp khai thác mỏ, nhà máy hóa chất, trong máy ly tâm khí và không kết thúc tại thời điểm cụm nhiên liệu được dỡ ra khỏi lò phản ứng, vì mỗi cụm nhiên liệu phải trải qua một chặng đường dài thải bỏ và sau đó tái xử lý.

Khai thác nguyên liệu thô cho nhiên liệu hạt nhân

Uranium là kim loại nặng nhất trên trái đất. Khoảng 99,4% uranium của trái đất là uranium-238 và chỉ 0,6% là uranium-235. Báo cáo Sách đỏ của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế cho thấy sản xuất và nhu cầu uranium đang tăng lên bất chấp vụ tai nạn hạt nhân Fukushima, khiến nhiều người băn khoăn về triển vọng của năng lượng hạt nhân. Chỉ trong vài năm qua, trữ lượng uranium đã được chứng minh đã tăng 7%, liên quan đến việc phát hiện các mỏ mới. Các nhà sản xuất lớn nhất vẫn là Kazakhstan, Canada và Australia; họ khai thác tới 63% lượng uranium của thế giới. Ngoài ra, dự trữ kim loại còn có ở Úc, Brazil, Trung Quốc, Malawi, Nga, Niger, Mỹ, Ukraine, Trung Quốc và các quốc gia khác. Trước đó, Pronedra viết rằng năm 2016, 7,9 nghìn tấn uranium đã được khai thác ở Liên bang Nga.

Ngày nay, uranium được khai thác theo ba cách khác nhau. Phương pháp mở không mất đi sự liên quan của nó. Nó được sử dụng trong trường hợp tiền gửi gần bề mặt trái đất. Với phương pháp mở, máy ủi tạo ra mỏ đá, sau đó quặng có lẫn tạp chất được chất lên xe ben để vận chuyển về khu liên hợp chế biến.

Thân quặng thường nằm ở độ sâu lớn, trong trường hợp đó phương pháp khai thác hầm lò được sử dụng. Một mỏ được đào sâu tới hai km, đá được khai thác bằng cách khoan theo phương ngang và vận chuyển lên trên bằng thang máy chở hàng.

Hỗn hợp được vận chuyển lên trên theo cách này có nhiều thành phần. Đá phải được nghiền nát, pha loãng với nước và loại bỏ phần thừa. Tiếp theo, axit sulfuric được thêm vào hỗn hợp để thực hiện quá trình lọc. Trong phản ứng này, các nhà hóa học thu được kết tủa màu vàng của muối uranium. Cuối cùng, uranium có tạp chất được tinh chế trong cơ sở tinh chế. Chỉ sau đó, oxit uranium mới được sản xuất và được giao dịch trên thị trường chứng khoán.

Có một phương pháp an toàn hơn, thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí hơn nhiều được gọi là phương pháp lọc lỗ khoan tại chỗ (ISL).

Với phương pháp khai thác này, lãnh thổ vẫn an toàn cho nhân sự và phông bức xạ tương ứng với phông nền ở các thành phố lớn. Để khai thác uranium bằng phương pháp lọc, bạn cần khoan 6 lỗ ở các góc của hình lục giác. Thông qua các giếng này, axit sulfuric được bơm vào các mỏ uranium và trộn với muối của nó. Dung dịch này được chiết ra, cụ thể là bơm qua giếng ở trung tâm của hình lục giác. Để đạt được nồng độ muối uranium cần thiết, hỗn hợp này được đưa qua cột hấp phụ nhiều lần.

Sản xuất nhiên liệu hạt nhân

Không thể tưởng tượng được việc sản xuất nhiên liệu hạt nhân mà không có máy ly tâm khí được sử dụng để sản xuất uranium đã làm giàu. Sau khi đạt đến nồng độ cần thiết, uranium dioxide được ép thành dạng viên. Chúng được tạo ra bằng cách sử dụng chất bôi trơn được loại bỏ trong quá trình nung trong lò nung. Nhiệt độ nung đạt tới 1000 độ. Sau đó, các máy tính bảng được kiểm tra để đảm bảo chúng đáp ứng các yêu cầu đã nêu. Chất lượng bề mặt, độ ẩm và tỷ lệ oxy và uranium rất quan trọng.

Đồng thời, vỏ dạng ống cho các bộ phận nhiên liệu đang được chuẩn bị ở một xưởng khác. Các quá trình trên, bao gồm cả việc định lượng và đóng gói viên nén trong ống vỏ, niêm phong, khử nhiễm, được gọi là chế tạo nhiên liệu. Ở Nga, việc tạo ra các tổ hợp nhiên liệu (FA) được thực hiện bởi Mashinostroitelny Zavod ở khu vực Moscow, Nhà máy cô đặc hóa chất Novosibirsk ở Novosibirsk, Nhà máy Polymetals Moscow và các nhà máy khác.

Mỗi lô nhiên liệu được tạo ra cho một loại lò phản ứng cụ thể. Các cụm nhiên liệu của châu Âu được chế tạo theo hình vuông, trong khi các cụm nhiên liệu của Nga có mặt cắt ngang hình lục giác. Lò phản ứng loại VVER-440 và VVER-1000 được sử dụng rộng rãi ở Liên bang Nga. Các bộ phận nhiên liệu đầu tiên cho VVER-440 bắt đầu được phát triển vào năm 1963 và cho VVER-1000 - vào năm 1978. Mặc dù thực tế là các lò phản ứng mới với công nghệ an toàn hậu Fukushima đang được tích cực giới thiệu ở Nga, nhưng có nhiều cơ sở hạt nhân kiểu cũ đang hoạt động trong và ngoài nước, vì vậy các cụm nhiên liệu cho các loại lò phản ứng khác nhau vẫn có liên quan như nhau.

Ví dụ, để cung cấp các cụm nhiên liệu cho một lõi của lò phản ứng RBMK-1000, cần có hơn 200 nghìn bộ phận làm từ hợp kim zirconium, cũng như 14 triệu viên uranium dioxide thiêu kết. Đôi khi chi phí sản xuất cụm nhiên liệu có thể vượt quá chi phí nhiên liệu chứa trong các bộ phận, đó là lý do tại sao việc đảm bảo hiệu suất năng lượng cao trên mỗi kg uranium là rất quan trọng.

Chi phí của quá trình sản xuất tính bằng %

Riêng biệt, điều đáng nói là các tổ hợp nhiên liệu cho lò phản ứng nghiên cứu. Chúng được thiết kế theo cách giúp cho việc quan sát và nghiên cứu quá trình tạo neutron trở nên thoải mái nhất có thể. Những thanh nhiên liệu như vậy dùng cho các thí nghiệm trong lĩnh vực vật lý hạt nhân, sản xuất đồng vị và y học phóng xạ được sản xuất tại Nhà máy Cô đặc Hóa chất Novosibirsk ở Nga. FA được tạo ra trên cơ sở các nguyên tố liền mạch với uranium và nhôm.

Việc sản xuất nhiên liệu hạt nhân ở Liên bang Nga được thực hiện bởi công ty nhiên liệu TVEL (một bộ phận của Rosatom). Công ty hoạt động trong lĩnh vực làm giàu nguyên liệu thô, lắp ráp các thành phần nhiên liệu và cung cấp dịch vụ cấp phép nhiên liệu. Nhà máy cơ khí Kovrov ở vùng Vladimir và Nhà máy ly tâm khí Ural ở vùng Sverdlovsk sản xuất thiết bị cho các tổ hợp nhiên liệu của Nga.

Đặc điểm vận chuyển thanh nhiên liệu

Uranium tự nhiên được đặc trưng bởi mức độ phóng xạ thấp, tuy nhiên, trước khi sản xuất các tổ hợp nhiên liệu, kim loại phải trải qua quy trình làm giàu. Hàm lượng uranium-235 trong quặng tự nhiên không vượt quá 0,7% và độ phóng xạ là 25 becquerel trên 1 miligam uranium.

Các viên uranium, được đặt trong các cụm nhiên liệu, chứa uranium với nồng độ uranium-235 là 5%. Các cụm nhiên liệu thành phẩm bằng nhiên liệu hạt nhân được vận chuyển trong các thùng chứa kim loại có độ bền cao đặc biệt. Đối với giao thông vận tải, đường sắt, đường bộ, đường biển và thậm chí cả đường hàng không được sử dụng. Mỗi thùng chứa hai cụm. Việc vận chuyển nhiên liệu không chiếu xạ (tươi) không gây nguy hiểm về bức xạ, vì bức xạ không vượt ra ngoài các ống zirconium nơi đặt các viên uranium ép.

Một tuyến đường đặc biệt được phát triển để vận chuyển nhiên liệu; hàng hóa được vận chuyển cùng với nhân viên an ninh từ nhà sản xuất hoặc khách hàng (thường xuyên hơn), chủ yếu là do chi phí thiết bị cao. Trong toàn bộ lịch sử sản xuất nhiên liệu hạt nhân, chưa có một vụ tai nạn vận chuyển nào liên quan đến cụm nhiên liệu được ghi nhận có thể ảnh hưởng đến phông bức xạ của môi trường hoặc dẫn đến thương vong.

Nhiên liệu trong lõi lò phản ứng

Một đơn vị nhiên liệu hạt nhân - TVEL - có khả năng giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ trong thời gian dài. Cả than và khí đốt đều không thể so sánh được với khối lượng như vậy. Vòng đời của nhiên liệu tại bất kỳ nhà máy điện hạt nhân nào đều bắt đầu bằng việc dỡ hàng, loại bỏ và lưu trữ nhiên liệu mới trong kho lắp ráp nhiên liệu. Khi mẻ nhiên liệu trước đó trong lò phản ứng cháy hết, nhân viên lắp ráp các cụm nhiên liệu để nạp vào lõi (khu vực làm việc của lò phản ứng nơi xảy ra phản ứng phân hủy). Theo quy định, nhiên liệu được nạp lại một phần.

Nhiên liệu đầy đủ chỉ được thêm vào lõi tại thời điểm khởi động lò phản ứng lần đầu tiên. Điều này là do các thanh nhiên liệu trong lò phản ứng đốt cháy không đều, vì dòng neutron có cường độ thay đổi ở các vùng khác nhau của lò phản ứng. Nhờ các thiết bị đo lường, nhân viên trạm có cơ hội theo dõi mức độ cạn kiệt của từng đơn vị nhiên liệu trong thời gian thực và thực hiện thay thế. Đôi khi, thay vì nạp các cụm nhiên liệu mới, các cụm nhiên liệu lại được di chuyển giữa chúng. Ở trung tâm vùng hoạt động, tình trạng kiệt sức xảy ra mạnh mẽ nhất.

FA sau nhà máy điện hạt nhân

Uranium đã được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân được gọi là đã được chiếu xạ hoặc bị đốt cháy. Và các cụm nhiên liệu như vậy được sử dụng làm nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. SNF được đặt tách biệt với chất thải phóng xạ, vì nó có ít nhất 2 thành phần hữu ích - uranium chưa cháy hết (độ sâu đốt cháy của kim loại không bao giờ đạt tới 100%) và các hạt nhân phóng xạ transuranium.

Gần đây, các nhà vật lý đã bắt đầu sử dụng các đồng vị phóng xạ tích lũy trong nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng trong công nghiệp và y học. Sau khi nhiên liệu đã hoàn thành chiến dịch của nó (thời gian tổ hợp ở trong lõi lò phản ứng ở điều kiện vận hành ở công suất định mức), nó được đưa đến bể làm mát, sau đó được lưu trữ trực tiếp trong ngăn lò phản ứng và sau đó để tái xử lý hoặc thải bỏ. Bể làm mát được thiết kế để loại bỏ nhiệt và bảo vệ chống lại bức xạ ion hóa, vì cụm nhiên liệu vẫn còn nguy hiểm sau khi lấy ra khỏi lò phản ứng.

Ở Mỹ, Canada hoặc Thụy Điển, nhiên liệu đã qua sử dụng không được gửi đi tái xử lý. Các quốc gia khác, bao gồm cả Nga, đang nghiên cứu chu trình nhiên liệu khép kín. Nó cho phép bạn giảm đáng kể chi phí sản xuất nhiên liệu hạt nhân, vì một phần nhiên liệu đã qua sử dụng được tái sử dụng.

Các thanh nhiên liệu được hòa tan trong axit, sau đó các nhà nghiên cứu tách plutonium và uranium chưa sử dụng ra khỏi chất thải. Khoảng 3% nguyên liệu thô không thể tái sử dụng; đây là những chất thải cấp độ cao trải qua quá trình bitum hóa hoặc thủy tinh hóa.

1% plutonium có thể được thu hồi từ nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. Kim loại này không cần phải làm giàu, Nga sử dụng nó trong quá trình sản xuất nhiên liệu MOX cải tiến. Chu trình nhiên liệu khép kín giúp sản xuất một cụm nhiên liệu rẻ hơn khoảng 3%, nhưng công nghệ này đòi hỏi đầu tư lớn vào việc xây dựng các cơ sở công nghiệp nên vẫn chưa phổ biến trên thế giới. Tuy nhiên, công ty nhiên liệu Rosatom không ngừng nghiên cứu theo hướng này. Pronedra gần đây đã viết rằng Liên bang Nga đang nghiên cứu một loại nhiên liệu có khả năng tái chế các đồng vị của Mỹ, curium và neptunium trong lõi lò phản ứng, những chất có trong cùng 3% chất thải có tính phóng xạ cao.

Các nhà sản xuất nhiên liệu hạt nhân: đánh giá

1. Công ty Areva của Pháp cho đến gần đây đã cung cấp 31% thị trường cụm nhiên liệu toàn cầu. Công ty sản xuất nhiên liệu hạt nhân và lắp ráp linh kiện cho các nhà máy điện hạt nhân. Năm 2017, Areva trải qua quá trình đổi mới về chất, các nhà đầu tư mới đến với công ty, khoản lỗ khổng lồ của năm 2015 đã giảm đi 3 lần.
2. Westinghouse là chi nhánh tại Mỹ của công ty Toshiba của Nhật Bản. Công ty đang tích cực phát triển thị trường ở Đông Âu, cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy điện hạt nhân của Ukraine. Cùng với Toshiba, công ty này cung cấp 26% thị trường sản xuất nhiên liệu hạt nhân toàn cầu.
3. Công ty nhiên liệu TVEL của tập đoàn nhà nước Rosatom (Nga) đứng ở vị trí thứ ba. TVEL cung cấp 17% thị trường toàn cầu, có danh mục hợp đồng 10 năm trị giá 30 tỷ USD và cung cấp nhiên liệu cho hơn 70 lò phản ứng. TVEL phát triển các tổ hợp nhiên liệu cho lò phản ứng VVER, đồng thời tham gia vào thị trường các nhà máy hạt nhân theo thiết kế của phương Tây.
4. Theo số liệu mới nhất, Japan Nuclear Fuel Limited, cung cấp 16% thị trường thế giới và cung cấp các bộ nhiên liệu cho hầu hết các lò phản ứng hạt nhân ở chính Nhật Bản.
5. Mitsubishi Heavy Industries là một gã khổng lồ của Nhật Bản chuyên sản xuất tua-bin, tàu chở dầu, máy điều hòa không khí và gần đây là nhiên liệu hạt nhân cho các lò phản ứng kiểu phương Tây. Mitsubishi Heavy Industries (một bộ phận của công ty mẹ) đang tham gia xây dựng các lò phản ứng hạt nhân APWR và các hoạt động nghiên cứu cùng với Areva. Công ty này được chính phủ Nhật Bản lựa chọn để phát triển các lò phản ứng mới.

Giai đoạn trung tâm của chu trình nhiên liệu hạt nhân là việc sử dụng nhiên liệu hạt nhân trong lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân để sản xuất năng lượng nhiệt. Là một thiết bị năng lượng, lò phản ứng hạt nhân là một máy tạo năng lượng nhiệt có các thông số nhất định, thu được thông qua quá trình phân hạch hạt nhân uranium và nguyên tố nhiên liệu thứ cấp plutonium được hình thành trong lò phản ứng (Hình 6.22). Hiệu suất chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện được xác định bởi sự hoàn thiện của các mạch nhiệt thủy và điện của nhà máy điện hạt nhân.

Đặc điểm quá trình đốt cháy nhiên liệu hạt nhân trong lõi lò phản ứng, gắn liền với sự xuất hiện của các phản ứng hạt nhân khác nhau với các nguyên tố nhiên liệu, xác định đặc thù của điện hạt nhân, điều kiện vận hành của nhà máy điện hạt nhân, các chỉ tiêu kinh tế, tác động đến môi trường, hậu quả kinh tế xã hội .

Hiệu quả của việc sử dụng nhiên liệu hạt nhân tại các nhà máy điện hạt nhân có lò phản ứng neutron nhiệt được đặc trưng bởi sản lượng năng lượng trung bình hàng năm trên 1 tấn (hoặc 1 kg) nhiên liệu được nạp và sử dụng trong lò phản ứng - mức đốt cháy trung bình của nó (kích thước của nó là MW ngày/t ). Trong quá trình đốt cháy nhiên liệu uranium do phản ứng hạt nhân, xảy ra sự thay đổi đáng kể trong thành phần hạt nhân của nó.Hình 6.23 cho thấy biểu đồ điển hình của quá trình này liên quan đến các điều kiện thiết kế của lõi lò phản ứng VVER-1000 với độ làm giàu ban đầu x = 4,4% (44 kg/t) và mức đốt cháy nhiên liệu thiết kế trung bình B = 40 10 3 MW ngày/t (hoặc α = 42 kg/t), và trong Hình 6.24 - biểu đồ tính toán về sự thay đổi thành phần hạt nhân của nhiên liệu ở mức x = 2% và B = 20 10 3 MW ngày/t trong lõi lò phản ứng RBMK-1000. Có thể thấy rằng khi 235 U cháy hết, là kết quả của sự bắt giữ bức xạ neutron của hạt nhân 238 U, các đồng vị phân hạch của plutonium 239 Pu, 241 Pu và các đồng vị không phân hạch 240 Pu, 242 Pu, cũng như 236 U xuất hiện Ngoài ra, quá trình hình thành xảy ra trong nhiên liệu và sự phân rã của các nguyên tố transuranium và transplutonium khác (Hình 6.25), lượng của chúng tương đối nhỏ và không được tính đến trong tính toán kinh tế.

Hình 6.26 cho thấy sự phụ thuộc của sự thay đổi thành phần hạt nhân trong nhiên liệu uranium của lò phản ứng PWR, có mức làm giàu ban đầu là 3,44%, vào lưu lượng neutron. Sự đóng góp được tính toán của các đồng vị plutonium phân hạch (239 Pu và 241 Pu) vào tổng sản lượng năng lượng của lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 là hơn 33%. Quá trình này cũng xảy ra ở các lò phản ứng neutron nhiệt khác. Sự đóng góp của plutonium vào quá trình phân hạch và sản xuất năng lượng càng lớn, hệ số sinh sản (BR) của plutonium càng cao và mức đốt cháy nhiên liệu trung bình càng lớn.

Lượng tích lũy đồng vị plutonium trong nhiên liệu đã qua sử dụng có tầm quan trọng đặc biệt đối với các tính toán và đánh giá kinh tế và kỹ thuật trong năng lượng hạt nhân. Sau khi được chiết xuất từ ​​nhiên liệu đã qua sử dụng trong quá trình tái xử lý hóa học, chúng còn là sản phẩm thương mại của các nhà máy điện hạt nhân.

Tỷ số giữa khối lượng z* của tất cả hoặc chỉ z đồng vị của plutonium tích lũy trong nhiên liệu đã qua sử dụng được phân hạch bởi neutron nhiệt với khối lượng α của hạt nhân phân hạch chứa trong 1 tấn nhiên liệu đã qua sử dụng thường được gọi là hệ số tích lũy plutonium (CN):

КН=z/ α ; KH*=z*/ α ,

trong đó z* là khối lượng tất cả các đồng vị của plutonium tích lũy trong nhiên liệu đã qua sử dụng (bao gồm cả sự thất thoát 235U do chuyển hóa thành 236U mà không phân hạch). Để tính toán gần đúng CN, bạn có thể sử dụng biểu đồ thay đổi thành phần hạt nhân của nhiên liệu (xem Hình 6.23 và 6.24), được xây dựng trên cơ sở tính toán vật lý hạt nhân. Sự gia tăng mức đốt cháy trung bình B đi kèm với (Bảng 6.13) là sự giảm lượng plutonium trong nhiên liệu đã qua sử dụng, nhưng lại làm tăng tỷ trọng của nó trong tổng sản lượng năng lượng của lò phản ứng. Tỷ lệ này càng cao thì giá trị tích phân CF (tỷ lệ giữa số hạt nhân phân hạch được hình thành trên số hạt nhân phân hạch được hình thành) càng lớn.

Bảng 6.13 Sự đốt cháy nhiên liệu và tích lũy plutonium trong lò phản ứng neutron nhiệt

Khi phân tích cân bằng vật chất 235 U trong nhiên liệu hạt nhân, cần tính đến những tổn thất không thể khắc phục của nó trong lõi lò phản ứng do đồng vị 235 U bắt giữ neutron mà không phân hạch 235 U+n → 236 U + γ.

Một phần đáng kể của 235 U không phân hạch mà biến thành đồng vị phóng xạ không phân hạch nhân tạo 236 U. Xác suất hình thành 236 U từ 235 U bằng tỷ số tiết diện để bắt neutron bức xạ của 235 Đồng vị U (σ n γ = 98,36 đối với E n = 0,0253 eV) bằng tổng tiết diện bắt bức xạ và phân hạch (σ ~ 580 Barn). Do đó, trong số dư 235 U nạp vào lõi lò phản ứng, cần phải tính đến không chỉ mức tiêu thụ của hạt nhân 235 U trong quá trình phân hạch của nó mà còn phải tính đến sự mất mát (~15%) của hạt nhân 235 U bị mất đi không thể phục hồi do sự hình thành 236 U

Hình 6.27 cho thấy mức độ tích lũy 236 U trong lò phản ứng nước điều áp của nhà máy điện hạt nhân hiện đại với mức độ làm giàu nhiên liệu ban đầu khác nhau tùy thuộc vào độ sâu đốt cháy của nó.

Ngược lại, sự hình thành 236 U dẫn đến tiêu hao nó trong quá trình hình thành các nguyên tố mới 237 Np và 238 Pu (xem Hình 6.22). Các mối quan hệ trong Hình 6.27 có tính đến quá trình này. Ở độ sâu đốt cháy 30·10 3 MW·ngày/t trong lò phản ứng neutron nhiệt, 0,35–0,40% 236 U được hình thành khi làm giàu nhiên liệu ~ 3,4% 235 U.

Khi lõi VWR chứa 0,12% 236 U, tổn thất đốt cháy có thể đạt được sẽ là 10,3 MW ngày/t, ở mức 0,4% 236 U – 2,5 10 3 MW ngày/t, ở mức 1% 236 U – 5·10 3 MW· ngày/t. Trong các lò phản ứng nước nhẹ hiện có, để bù đắp tác động tiêu cực của 236 U và đạt được các đặc tính năng lượng mong muốn, cần tăng cường làm giàu nhiên liệu ban đầu bằng 235 U, điều này làm tăng chi phí của chu trình nhiên liệu hạt nhân.

Việc sử dụng nhiên liệu hạt nhân trong các lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân bao gồm các hoạt động chính sau:

• bốc dỡ, nghiệm thu và bảo quản tại kho tập kết nhiên liệu nhiên liệu tươi nhận từ nhà máy cung cấp;
• lắp ráp các cụm nhiên liệu để nạp vào lò phản ứng cùng với các thanh điều khiển;
• nạp các cụm nhiên liệu vào lõi lò phản ứng (ban đầu hoặc theo thứ tự nạp lại định kỳ và một phần); sử dụng hiệu quả nhiên liệu trong lõi lò phản ứng (đạt được năng lượng nhiệt nhất định trong lò phản ứng).

Nhiên liệu hạt nhân sử dụng trong lò phản ứng được chuyển đến bể làm mát đặt trong sảnh lò phản ứng và tồn tại ở đó trong vài năm. Việc tiếp xúc lâu dài như vậy có thể làm giảm đáng kể độ phóng xạ ban đầu và sự giải phóng nhiệt dư của các cụm nhiên liệu, loại bỏ các cụm và thanh nhiên liệu bị rò rỉ nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho nhiệm vụ vận chuyển nhiên liệu đã qua sử dụng khỏi lãnh thổ của nhà máy điện hạt nhân (Bảng 6.14) .

Từ các bể làm mát, nhiên liệu đã qua sử dụng được chuyển vào các thùng vận chuyển được lắp đặt trên các sân ga đặc biệt hoặc các phương tiện khác. Hoạt động này kết thúc giai đoạn dài nhất - trung tâm - của chu trình nhiên liệu hạt nhân tại nhà máy điện hạt nhân. Một số nhà máy điện hạt nhân có kho đệm dài hạn dành cho nhiên liệu đã qua sử dụng hoặc có thể chứa các cụm nhiên liệu đã qua sử dụng trong các thùng chứa đặc biệt thích hợp cho việc lưu trữ khô lâu dài.

Các loại chu trình nhiên liệu Có một số loại chu trình nhiên liệu tùy thuộc vào loại lò phản ứng được nạp và điều gì xảy ra với nhiên liệu đã qua sử dụng thải ra từ lò phản ứng. Hình 6.28 thể hiện sơ đồ chu trình nhiên liệu hở (mở).

Nhiên liệu đã qua sử dụng được lưu trữ vô thời hạn trong bể chứa nước trên lãnh thổ của nhà máy điện hạt nhân. Về vấn đề này, cần đảm bảo an toàn khi làm việc, đóng gói và chuyển nhiên liệu đã qua sử dụng đến địa điểm lưu trữ cố định khi sử dụng các kho lưu trữ của chính phủ. Chu trình này không liên quan đến quá trình thu hồi hoặc làm giàu vật liệu phân hạch có trong nhiên liệu cháy. Hình 6.29 cho thấy một chu trình trong đó nhiên liệu đã qua sử dụng được xử lý để chỉ thu hồi uranium. Các nguyên tố plutonium và transuranium được coi là chất thải cấp độ cao (HLW) trong chu trình này.

Uranium được đưa trở lại nhà máy làm giàu để tăng tỷ lệ làm giàu từ 0,8 lên 3%, đủ để tái sử dụng làm nhiên liệu cho WWR. “Rác thải” đòi hỏi phải xử lý, đóng gói và vận chuyển thích hợp đến địa điểm lưu trữ cố định. Một chu trình nhiên liệu hoàn chỉnh hơn được thể hiện trong Hình 6.30. Tại đây, ngoài uranium, plutonium còn được chiết xuất. Vì plutonium là vật liệu phân hạch nên nó có thể được sử dụng làm nhiên liệu. Ôxit plutoni trộn với ôxit urani có thể được tái sử dụng trong chu trình VWR. Hỗn hợp nhiên liệu này, được sử dụng trong các tổ hợp thí điểm ở một số lò phản ứng thương mại, đã chứng tỏ khả năng sử dụng thành công làm nhiên liệu cho VWR.

Bảng 6.14 Thay đổi hoạt độ riêng và tỏa nhiệt trên 1 tấn nhiên liệu đã qua sử dụng được dỡ ra từ VVER ở mức đốt trung bình 33 10 3 MW ngày/t

Tuy nhiên, việc tái chế plutonium chưa đạt được ứng dụng thương mại do có một số trở ngại và hạn chế. Nhật Bản và Đức đã thể hiện sự quan tâm lớn đến việc tái chế plutonium. Ở Nhật Bản, động cơ chính là đảm bảo sự độc lập trong việc cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy điện hạt nhân. Ở Đức, họ muốn tận dụng điều này để đơn giản hóa đáng kể việc xử lý chất thải cấp độ cao.

Cũng có thể kết hợp VWR và lò phản ứng nhanh, dựa trên phiên bản thứ ba của chu trình nhiên liệu. Plutonium thu hồi từ nhiên liệu đã qua sử dụng có thể được sử dụng làm nhiên liệu nạp đầu tiên cho lò phản ứng nhanh.

Đây là cách sử dụng plutonium hiệu quả nhất vì chất lượng tốt nhất của nó xuất hiện ở phần nhanh của phổ neutron. Hướng này được sử dụng ở Pháp.

Plutonium được sản xuất tại các nhà máy tái chế của Pháp được dự trữ để sử dụng sau này trong chương trình phát triển lò phản ứng nhanh. Một lò phản ứng neutron nhanh đòi hỏi chu trình nhiên liệu riêng, với những đặc điểm và tính năng riêng. Tính đặc hiệu này được xác định bởi sự đốt cháy nhiên liệu sâu trong máy tạo giống (lớn hơn 3 lần so với VVR). Một chu trình khác dựa trên việc sử dụng thori, chất này, mặc dù không phải là vật liệu phân hạch, được chuyển đổi thành 23 U trong lò phản ứng. Thorium được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân trình diễn với lò phản ứng WWR (Indian Point 1 và Shippingport), nhưng thori chu kỳ không nhận được sự phát triển công nghiệp. Chu trình thorium được sử dụng trong các lò phản ứng khí nhiệt độ cao (trong đó nhiên liệu được đặt trong một nền than chì).

Hiện nay, do việc tăng cường cải tiến các lò phản ứng và nhà máy điện hạt nhân nói chung, quan điểm của nhiều quốc gia về việc lựa chọn loại chu trình nhiên liệu hạt nhân đang thay đổi. Ngày càng có nhiều nhà phát triển có xu hướng lựa chọn chu trình nhiên liệu khép kín (đóng). Mặt khác, một trong những báo cáo tại hội nghị IAEA tổ chức vào tháng 9 năm 2004, trong đó phân tích tình hình lựa chọn loại chu trình nhiên liệu hạt nhân có tính đến nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, nói rằng nhiên liệu mở hoặc phun một lần. chu trình này có những lợi thế đáng kể so với chu trình khép kín về chi phí sản xuất, các vấn đề không phổ biến vũ khí hạt nhân và an toàn vận hành chu trình nhiên liệu. Theo báo cáo, lượng quặng uranium tự nhiên trên thế giới có đủ để hỗ trợ vận hành 1.000 lò phản ứng mới trong vòng 50 năm tới. Phương pháp sử dụng nhiên liệu hạt nhân "một lần" sẽ vẫn tương đối rẻ và an toàn cho đến khi trữ lượng quặng uranium cạn kiệt và các cường quốc hạt nhân bắt đầu xử lý nhiên liệu đã qua sử dụng tích lũy để sản xuất plutonium, một sản phẩm phụ không có trong tự nhiên, do con người tạo ra sau quá trình đốt cháy. urani. Đồng thời, tình hình chi phí hoạt động xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng và chất thải phóng xạ không được phân tích. Tuy nhiên, khi trữ lượng quặng uranium cạn kiệt, chi phí vận hành chu trình nhiên liệu mở, ngược lại với chu trình khép kín, có thể tăng lên. Tuy nhiên, để tránh những rủi ro chưa kể liên quan đến việc sử dụng chu trình khép kín, các chuyên gia khuyến nghị chính phủ và các nhà lãnh đạo ngành công nghiệp hạt nhân của các cường quốc hạt nhân tiếp tục vận hành chu trình mở thay vì chu trình kín do chi phí nhiên liệu đã qua sử dụng cao. quá trình tái xử lý và sự phát triển trong lĩnh vực lò phản ứng nhiệt hạch mới hoặc neutron nhanh. Các tác giả của báo cáo khuyến cáo mạnh mẽ rằng việc nghiên cứu và phát triển chu trình nhiên liệu phải hướng tới việc phát triển các công nghệ mà trong hoạt động bình thường, tức là hoạt động năng lượng hạt nhân vì mục đích hòa bình, sẽ không dẫn đến việc sản xuất các vật liệu có thể sử dụng làm vũ khí bao gồm uranium, vật liệu phân hạch ( chẳng hạn như plutonium) và các loại Actinide nhỏ. Báo cáo cho biết, các biện pháp thực hiện chu trình nhiên liệu khép kín hiện đang được thực hiện ở Tây Âu và Nhật Bản không đáp ứng được tiêu chí này. Do đó, các tác giả của nó cho biết, việc phân tích, nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm chu trình nhiên liệu phải bao gồm đánh giá rõ ràng về nguy cơ phổ biến vật liệu hạt nhân có thể xảy ra và các biện pháp cần thiết để giảm thiểu rủi ro này. Tuy nhiên, nếu dự báo có khả năng xảy ra nhất cho tương lai của năng lượng hạt nhân là sự tăng trưởng toàn cầu của ngành công nghiệp hạt nhân dựa trên chu trình nhiên liệu mở, thì theo các tác giả của báo cáo, các hiệp định quốc tế về lưu trữ nhiên liệu đã qua sử dụng sẽ được đưa ra trong vòng 10 năm tới. năm, điều này sẽ làm giảm đáng kể nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân.

Trong tương lai, việc sản xuất điện hạt nhân quy mô lớn sử dụng neutron nhanh trong vùng phản ứng hạt nhân, không chỉ tiến hành phân hạch Actinide mà còn sản xuất đồng vị plutonium từ nhiên liệu hạt nhân thô uranium-238 - một loại nhiên liệu hạt nhân tuyệt vời . Khi hệ số sinh sản cao hơn 1, lượng plutonium có thể thu được trong nhiên liệu hạt nhân không nạp vào nhiều hơn lượng plutonium được đốt cháy. Nhiên liệu hạt nhân chưa được nạp từ các lò phản ứng hạt nhân nhanh phải được chuyển đến nhà máy hóa phóng xạ, nơi nó sẽ loại bỏ các sản phẩm phân hạch hấp thụ neutron. Sau đó, nhiên liệu bao gồm uranium238 và Actinide (Pu, Np, Cm, Am), đủ để thực hiện phản ứng dây chuyền hạt nhân, cùng với chất phụ gia là uranium nghèo, lại được nạp vào lõi của nhà máy điện hạt nhân. Trong lò phản ứng hạt nhân neutron nhanh, hầu hết uranium-238 có thể bị đốt cháy trong quá trình xử lý phóng xạ.

Theo các tác giả của báo cáo, các lò phản ứng hạt nhân neutron nhanh sẽ thống trị năng lượng hạt nhân quy mô lớn. Nhiên liệu thải ra từ các lò phản ứng này chứa một lượng lớn đồng vị Actinide (Pu, Np, Cm, Am), nó có đặc điểm là độ cháy lớn, nghĩa là sẽ có nhiều sản phẩm phân hạch hơn trên một đơn vị khối lượng nhiên liệu hạt nhân.

Công nghệ hóa phóng xạ vẫn chưa được tạo ra để cung cấp:

• an toàn hạt nhân có tính đến số lượng lớn hơn đáng kể các Actinide nhỏ có khối lượng tới hạn của chính chúng;
• làm sạch sâu các sản phẩm phân hạch từ Actinide, để không gây khó khăn trong quá trình lưu trữ, chôn cất và biến đổi chúng;
• giảm tối đa khối lượng chất thải quá trình;
• quá trình tinh chế tiên tiến hơn các loại khí phát sinh trong quá trình xử lý hóa phóng xạ từ iốt, tritium, krypton, sol khí phóng xạ;
• an toàn bức xạ của người vận hành;
• thu được các nguyên tố hóa học cần thiết cho nền kinh tế quốc dân, ví dụ, nguồn α tinh khiết;
• khả năng tái sử dụng các vật liệu nằm trong vùng phản ứng hạt nhân và bao gồm các kim loại có giá trị (Ni, Cr, Nb, Mo. Ti, W, V), đã thu được hoạt động cảm ứng;
• xử lý phóng xạ có tính khả thi về mặt kinh tế, có tính cạnh tranh so với việc khai thác uranium tự nhiên để lấy năng lượng trong tương lai.

Hiện tại, nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng từ 4 nhà máy điện hạt nhân của Nga (Novo-Voronezh, Balakovo, Kalinin, Rostov), ​​ba nhà máy Ukraine (Nam-Ukrainian, Khmelnitsky, Rivne) và Kozloduy NPP (Bulgaria) được lưu trữ trong kho “ướt” của nhà máy. cơ sở lưu trữ RT-2 để tái tạo SNF trên lãnh thổ của Tổ hợp hóa chất và khai thác doanh nghiệp thống nhất nhà nước liên bang ở Zheleznogorsk (Nga). Theo dự án, cơ sở lưu trữ được thiết kế có sức chứa 6.000 tấn, dự kiến ​​sẽ được nén chặt để có khả năng chứa 8.600 tấn nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. Các cụm nhiên liệu được chiếu xạ (SFA) được lưu trữ dưới một lớp nước cao hơn cụm ít nhất 2,5 mét, đảm bảo sự bảo vệ đáng tin cậy cho nhân viên khỏi mọi loại phơi nhiễm phóng xạ. Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng sau khi được lưu giữ tại kho chứa ướt sẽ được đưa vào kho chứa nhiên liệu đã qua sử dụng khô (KhOT-2) với tổng sức chứa 38.000 tấn (trong đó 27.000 tấn dùng để lưu giữ các cụm nhiên liệu đã qua sử dụng của RBMK). -1000 lò phản ứng, 11.000 tấn dành cho các cụm nhiên liệu đã qua sử dụng của lò phản ứng VVER-1000), hiện nay nhà máy đang trong giai đoạn hoàn thiện và giai đoạn đầu tiên sẽ được đưa vào vận hành vào tháng 12 năm 2009. Tổ hợp lưu trữ KhoOT-2 sẽ cung cấp nơi lưu trữ lâu dài an toàn nhiên liệu đã qua sử dụng từ các lò phản ứng RBMK-1000 và VVER-1000 và sau đó chuyển chúng đi xử lý hóa phóng xạ hoặc cách ly dưới lòng đất. KHOT-2 sẽ được trang bị hệ thống giám sát an toàn bức xạ và hạt nhân hiện đại.

Tại sao lại có uranium?

Nhân loại đã tự trói tay chân mình bằng dây điện. Thiết bị gia dụng, thiết bị công nghiệp, đèn đường, xe điện, tàu điện ngầm, tàu điện - tất cả những lợi ích của nền văn minh này đều vận hành từ mạng lưới điện; chúng trở thành những “mảnh sắt” vô nghĩa nếu dòng điện bị mất vì một lý do nào đó. Tuy nhiên, mọi người đã quá quen với việc cung cấp điện liên tục nên bất kỳ sự cố mất điện nào cũng gây ra sự không hài lòng và thậm chí là khó chịu. Và thực sự, một người nên làm gì nếu tất cả các thiết bị của anh ta đều tắt cùng một lúc, bao gồm cả những thiết bị yêu thích nhất của anh ta - TV, máy tính và tủ lạnh? Đặc biệt khó có thể chịu đựng được “sự chia ly” vào buổi tối, khi sau giờ làm việc hoặc học tập, bạn thực sự muốn, như người ta nói, kéo dài thời gian ban ngày. Liệu máy tính bảng hay điện thoại có cứu được bạn không, nhưng thời gian sạc của chúng không kéo dài mãi mãi. Còn tệ hơn nữa khi thấy mình đang ở trong một “phòng giam”, nơi mà khi mất điện, có thể biến thành toa thang máy hoặc toa tàu điện ngầm.

Tại sao lại nói chuyện này? Và thực tế là nhân loại “điện khí hóa” cần những nguồn năng lượng ổn định và mạnh mẽ - trước hết là điện. Nếu thiếu nó, tình trạng mất mạng sẽ trở nên thường xuyên khó chịu và mức sống sẽ giảm sút. Để ngăn kịch bản khó chịu này trở thành hiện thực, cần phải xây dựng ngày càng nhiều nhà máy điện: mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu ngày càng tăng và các tổ máy điện hiện có đang dần già đi.

Nhưng năng lượng hiện đại, chủ yếu đốt than và khí đốt, có thể giải quyết được vấn đề gì? Tất nhiên, những công trình lắp đặt khí đốt mới sẽ phá hủy các nguyên liệu hóa học thô có giá trị hoặc những khối than bốc khói tận trời. Nhân tiện, khí thải từ các nhà máy nhiệt điện là một vấn đề môi trường được nhiều người biết đến, nhưng các doanh nghiệp sản xuất nhiên liệu hóa thạch cũng gây hại cho môi trường. Nhưng mức tiêu thụ của nó là rất lớn. Ví dụ, để đảm bảo hoạt động của một chiếc tủ lạnh thông thường trong năm, bạn sẽ phải đốt khoảng trăm kg than hoặc hàng trăm mét khối khí đốt tự nhiên. Và đây chỉ là một thiết bị gia dụng, trong đó có rất nhiều thiết bị.

Nhân tiện, cần bao nhiêu nhiên liệu hạt nhân để chiếc tủ lạnh nói trên có thể hoạt động trong cả năm? Thật khó tin, nhưng... chỉ một gam thôi!

Cường độ năng lượng khổng lồ của nhiên liệu hạt nhân được làm từ uranium đã làm giàu khiến nó trở thành đối thủ cạnh tranh xứng đáng với than và khí đốt. Trên thực tế, nhà máy điện hạt nhân tiêu thụ nhiên liệu ít hơn một trăm nghìn lần so với nhà máy nhiệt điện. Điều này có nghĩa là việc khai thác uranium ở quy mô nhỏ hơn nhiều, điều này rất quan trọng đối với môi trường. Thêm vào đó - không có khí thải nhà kính và khí độc.

Tổ máy điện của nhà máy điện hạt nhân có công suất một nghìn MW sẽ chỉ tiêu thụ ba chục tấn nhiên liệu hạt nhân mỗi năm, còn một nhà máy nhiệt điện có cùng công suất sẽ cần khoảng ba triệu tấn than hoặc ba tỷ mét khối khí đốt. . Nói cách khác, để có được cùng một lượng điện, bạn sẽ cần vài toa tàu chạy bằng nhiên liệu hạt nhân mỗi năm hoặc vài chuyến tàu chạy bằng than... mỗi ngày.

Còn các nguồn năng lượng tái tạo thì sao? Tất nhiên là tốt nhưng vẫn cần cải thiện. Lấy ví dụ về khu vực mà nhà ga chiếm giữ. Trong trường hợp máy phát điện gió và tấm pin mặt trời, nó cao hơn hai bậc so với các nhà máy điện thông thường. Ví dụ: nếu một nhà máy điện hạt nhân (NPP) có diện tích vài km vuông, thì một trang trại gió hoặc cánh đồng năng lượng mặt trời có cùng công suất sẽ chiếm vài trăm km vuông. Nói một cách đơn giản, tỷ lệ diện tích giống như một ngôi làng nhỏ và một thành phố rất lớn. Ở sa mạc, chỉ số này có thể không quan trọng nhưng ở khu vực nông nghiệp, lâm nghiệp thì có thể như vậy.

Cần phải nhắc lại rằng nhiên liệu hạt nhân luôn sẵn sàng hoạt động, bất kể thời gian trong năm, ngày hay thời tiết thất thường, trong khi mặt trời về cơ bản không chiếu sáng vào ban đêm và gió thổi khi nào muốn. Hơn nữa, ở một số khu vực, năng lượng tái tạo sẽ không mang lại lợi nhuận do dòng năng lượng mặt trời thấp hoặc tốc độ gió trung bình thấp. Đối với các nhà máy điện hạt nhân, những vấn đề như vậy đơn giản là không tồn tại.

Những lợi thế này của năng lượng hạt nhân đã xác định vai trò nổi bật của uranium - với tư cách là nhiên liệu hạt nhân - đối với nền văn minh hiện đại.

Ai đã nhận được bao nhiêu?

Trong một bộ phim hoạt hình cũ của Liên Xô, các con vật đang giải một bài toán quan trọng - chia một quả cam. Kết quả là tất cả mọi người ngoại trừ con sói đều được thưởng một miếng ngon ngọt; con màu xám phải hài lòng với lớp vỏ. Nói cách khác, anh ta đã không nhận được một nguồn tài nguyên có giá trị. Từ quan điểm này, thật thú vị khi biết mọi thứ diễn ra như thế nào với uranium: liệu tất cả các quốc gia trên thế giới đều có trữ lượng uranium hay có những quốc gia bị thiếu hụt?

Trên thực tế, có rất nhiều uranium trên Trái đất và kim loại này có thể được tìm thấy ở hầu hết mọi nơi: trong lớp vỏ hành tinh của chúng ta, trong Đại dương Thế giới, thậm chí trong cơ thể con người. Vấn đề nằm ở sự “phân tán”, “lan rộng” của nó trên các tảng đá trên trái đất, dẫn đến nồng độ uranium thấp, thường không đủ để tổ chức sản xuất công nghiệp mang lại lợi nhuận kinh tế. Tuy nhiên, ở một số nơi có những cụm có hàm lượng uranium cao. Chúng được phân bố không đồng đều và do đó, trữ lượng uranium khác nhau giữa các quốc gia. Hầu hết các khoản tiền gửi của nguyên tố này “trôi đi” cùng với Úc; Ngoài ra, Kazakhstan, Nga, Canada và các nước Nam Phi đã gặp may mắn. Tuy nhiên, bức tranh này không bị đóng băng, tình hình liên tục thay đổi do việc thăm dò các mỏ mới và sự cạn kiệt của các mỏ cũ.

Phân bổ trữ lượng uranium đã được chứng minh theo quốc gia (đối với trữ lượng có chi phí khai thác< $130/кг)

Một lượng lớn uranium được hòa tan trong vùng biển của Đại dương Thế giới: hơn bốn tỷ tấn. Nó có vẻ giống như một “khoản tiền gửi” lý tưởng - tôi không muốn khai thác nó. Các nhà khoa học đã phát triển chất hấp thụ đặc biệt để chiết xuất uranium từ nước biển vào những năm 80 của thế kỷ trước. Tại sao phương pháp tuyệt vời này không được sử dụng ở mọi nơi? Vấn đề là nồng độ của kim loại quá thấp: chỉ có thể chiết xuất được khoảng ba miligam từ một tấn nước! Rõ ràng là uranium như vậy sẽ quá đắt. Người ta ước tính rằng một kg sẽ có giá vài nghìn đô la, đắt hơn đáng kể so với “đất” của nó. Nhưng các nhà khoa học không hề khó chịu và ngày càng phát minh ra nhiều chất hấp thụ hiệu quả hơn. Vì vậy, có lẽ phương pháp khai thác này sẽ sớm trở nên cạnh tranh.

Cho đến nay, tổng số trữ lượng uranium đã được chứng minh với chi phí sản xuất dưới 130 USD/kg đã vượt quá 5,9 triệu tấn. Điều này có quá nhiều không? Khá đủ: nếu tổng công suất của các nhà máy điện hạt nhân vẫn ở mức hiện tại thì uranium sẽ tồn tại được cả trăm năm. Để so sánh, trữ lượng dầu khí đã được chứng minh có thể cạn kiệt chỉ sau 30 đến 60 năm.

Mười quốc gia đứng đầu về trữ lượng uranium trên lãnh thổ của họ (dành cho trữ lượng có chi phí sản xuất< $130/кг)

Tuy nhiên, chúng ta không nên quên rằng theo dự báo, năng lượng hạt nhân sẽ phát triển, vì vậy bây giờ cần phải suy nghĩ về cách mở rộng cơ sở tài nguyên của nó.

Một trong những cách giải quyết vấn đề này là tìm kiếm và phát triển kịp thời các khoản tiền gửi mới. Đánh giá theo thông tin có sẵn, sẽ không có vấn đề gì với điều này: chỉ trong vài năm gần đây, các khoản tiền gửi mới mới được tìm thấy ở một số quốc gia ở Châu Phi, Nam Mỹ, cũng như ở Thụy Điển. Đúng vậy, không thể nói chắc chắn việc khai thác trữ lượng được phát hiện sẽ mang lại lợi nhuận như thế nào. Có thể xảy ra trường hợp do hàm lượng uranium trong quặng thấp và khó phát triển các mỏ, một số trong số chúng sẽ phải để lại “để sau”. Thực tế là giá kim loại này hiện nay khá thấp. Từ quan điểm kinh tế, không có gì đáng ngạc nhiên ở đây. Thứ nhất, trên thế giới vẫn còn những mỏ uranium tương đối dễ khai thác và do đó có giá rẻ - nó được tung ra thị trường và “hạ giá”. Thứ hai, sau vụ tai nạn Fukushima, một số quốc gia đã điều chỉnh kế hoạch xây dựng các tổ máy điện hạt nhân mới và Nhật Bản đã đóng cửa hoàn toàn tất cả các nhà máy điện hạt nhân của mình - nhu cầu giảm, khiến giá uranium càng giảm. Nhưng nó sẽ không kéo dài lâu. Trung Quốc và Ấn Độ đã bước vào cuộc chơi, lên kế hoạch xây dựng các nhà máy điện hạt nhân quy mô lớn trên lãnh thổ của họ. Các nước châu Á khác, cũng như các nước ở châu Phi và Nam Mỹ, cũng có những dự án ít tham vọng hơn. Rõ ràng, ngay cả Nhật Bản cũng sẽ không thể từ bỏ năng lượng hạt nhân của mình. Do đó, nhu cầu sẽ dần phục hồi và cùng với sự cạn kiệt của các nguồn tiền gửi rẻ tiền, điều này sẽ dẫn đến giá uranium tăng. Các nhà phân tích tin rằng thời gian chờ đợi rất ngắn, chỉ vài năm. Sau đó, bạn có thể nghĩ đến việc phát triển các khoản tiền gửi còn lại “cho sau này”.

Điều thú vị là danh sách các quốc gia có trữ lượng uranium lớn nhất và các quốc gia có năng lượng hạt nhân phát triển nhất trên thực tế không trùng khớp. Ở sâu trong nước Úc, có một phần ba "của cải" uranium của thế giới, nhưng không có một nhà máy điện hạt nhân nào trên lục địa xanh. Kazakhstan, nước dẫn đầu thế giới về sản xuất kim loại này, vẫn đang chuẩn bị xây dựng một số tổ máy điện hạt nhân. Vì lý do kinh tế và các lý do khác, các nước châu Phi còn lâu mới gia nhập được gia đình “hạt nhân” toàn cầu. Nhà máy điện hạt nhân duy nhất trên lục địa này được đặt tại Cộng hòa Nam Phi, quốc gia gần đây đã tuyên bố mong muốn phát triển hơn nữa năng lượng hạt nhân. Tuy nhiên, hiện tại ngay cả Nam Phi cũng đã phải tạm dừng.

Những gã khổng lồ về “hạt nhân” - Mỹ, Pháp, Nhật Bản - cũng như Trung Quốc và Ấn Độ, những nước đang theo gót họ, có thể làm gì nếu nhu cầu của họ rất lớn và nguồn dự trữ của họ cạn kiệt? Tất nhiên, hãy cố gắng giành quyền kiểm soát các mỏ uranium và doanh nghiệp ở các quốc gia khác. Nhiệm vụ này có tính chất chiến lược và để giải quyết nó, các quốc gia sẽ bước vào những trận chiến khó khăn. Các công ty lớn bị mua lại, các hoạt động chính trị được thực hiện, các kế hoạch ngầm được thực hiện bằng việc hối lộ đúng người hoặc các cuộc chiến pháp lý. Ở Châu Phi, cuộc đấu tranh này có thể và thực sự dẫn đến các cuộc nội chiến và cách mạng, được hỗ trợ một cách ngấm ngầm bởi các quốc gia hàng đầu đang tìm cách phân chia lại các vùng ảnh hưởng.

Về vấn đề này, Nga thật may mắn: các nhà máy điện hạt nhân của chúng tôi có trữ lượng uranium khá tốt, được khai thác ở Lãnh thổ xuyên Baikal, Vùng Kurgan và Cộng hòa Buryatia. Ngoài ra, công tác thăm dò địa chất tích cực đang được tổ chức. Người ta cho rằng trữ lượng ở vùng Transbaikal, Tây Siberia, Cộng hòa Karelia, Cộng hòa Kalmykia và vùng Rostov có tiềm năng rất lớn.

Ngoài ra, Rosatom còn sở hữu tài sản nước ngoài - cổ phần lớn tại các doanh nghiệp khai thác uranium ở Kazakhstan, Mỹ, Australia và cũng đang triển khai các dự án đầy triển vọng ở miền nam châu Phi. Nhờ đó, trong số các công ty sản xuất uranium hàng đầu thế giới, Rosatom tự tin giữ vị trí thứ 3 sau Kazatomprom (Kazakhstan) và Cameco (Canada).

Bằng cách nghiên cứu thành phần hóa học của thiên thạch, một số có nguồn gốc từ sao Hỏa, các nhà khoa học đã phát hiện ra uranium. Đúng vậy, hàm lượng của nó hóa ra thấp hơn đáng kể so với đá trên trái đất. Vâng, giờ thì đã rõ tại sao người sao Hỏa thường đến thăm chúng ta trên đĩa bay của họ.

Nhưng nghiêm túc mà nói, người ta tin rằng uranium có mặt trong tất cả các vật thể trong hệ mặt trời. Ví dụ, năm 2009 nó được phát hiện ở đất mặt trăng. Những ý tưởng tuyệt vời ngay lập tức nảy sinh, chẳng hạn như khai thác uranium trên vệ tinh và sau đó gửi nó đến Trái đất. Một lựa chọn khác là “cung cấp năng lượng” cho các lò phản ứng của các thuộc địa mặt trăng nằm gần các mỏ. Tuy nhiên, các khoản tiền gửi vẫn chưa được tìm kiếm; và từ góc độ kinh tế, việc sản xuất như vậy dường như vẫn chưa thể thực hiện được. Nhưng trong tương lai - ai biết được...

Nếu bạn đau khổ trong một thời gian dài, bạn sẽ có được nhiên liệu

Sự sẵn có của trữ lượng quặng uranium chỉ là một thành phần của sự thành công. Không giống như củi hoặc than, không cần phải chuẩn bị đặc biệt phức tạp trước khi vào lò, quặng không thể đơn giản được cắt thành từng miếng và ném vào lò phản ứng. Để giải thích tại sao, cần phải kể đến một số đặc điểm vốn có của uranium.

Theo quan điểm hóa học, nguyên tố này có hoạt tính cao, nói cách khác, nó có xu hướng hình thành nhiều hợp chất khác nhau; do đó, việc tìm kiếm cốm của nó trong tự nhiên như vàng là hoàn toàn vô vọng. Vậy cái gì được gọi là quặng uranium? Một loại đá chứa một lượng rất nhỏ khoáng chất urani. Họ thường nói thêm: nhỏ, nhưng đủ để sản xuất công nghiệp được các nhà kinh tế chấp thuận. Ví dụ, ngày nay người ta cho rằng nên khai thác quặng, một tấn quặng chỉ chứa vài kg hoặc thậm chí hàng trăm gam uranium. Phần còn lại là đá rỗng, không cần thiết, từ đó khoáng chất uranium phải được tách riêng. Nhưng ngay cả chúng cũng chưa thể được đưa vào lò phản ứng hạt nhân. Thực tế là những khoáng chất này thường đại diện cho các oxit hoặc muối không hòa tan của uranium cùng với các nguyên tố khác. Một số trong số chúng có thể có giá trị cho ngành công nghiệp và việc tổ chức sản xuất liên quan đến chúng có thể cải thiện hiệu quả kinh tế. Nhưng ngay cả khi không có nhu cầu như vậy, uranium vẫn phải được làm sạch khỏi tạp chất. Nếu không, nhiên liệu hạt nhân làm từ uranium “bẩn” có thể gây ra sự cố cho lò phản ứng hoặc thậm chí gây ra tai nạn.

Tuy nhiên, uranium tinh khiết cũng không thể được gọi là nhiên liệu hạt nhân một cách hoàn toàn chắc chắn. Điều đáng chú ý là thành phần đồng vị của nó: trên một nghìn nguyên tử uranium trong tự nhiên chỉ có bảy nguyên tử uranium-235, cần thiết cho phản ứng phân hạch chuỗi xảy ra. Phần còn lại là uranium-238, thực tế không phân hạch và thậm chí hấp thụ neutron. Tuy nhiên, hoàn toàn có thể khởi động một lò phản ứng sử dụng uranium tự nhiên, với điều kiện sử dụng chất điều tiết rất hiệu quả, chẳng hạn như nước nặng đắt tiền hoặc than chì nguyên chất. Chỉ có điều chúng mới cho phép các neutron hình thành trong quá trình phân hạch của hạt nhân uranium-235 chậm lại nhanh đến mức chúng có thời gian chạm vào các hạt nhân uranium-235 khác và gây ra sự phân hạch của chúng, chứ không bị uranium-238 bắt giữ một cách khéo léo. Nhưng vì nhiều lý do, đại đa số các lò phản ứng trên thế giới sử dụng một cách tiếp cận khác: uranium tự nhiên được làm giàu bằng đồng vị phân hạch. Nói cách khác, hàm lượng nguyên tử uranium-235 được tăng lên một cách giả tạo từ bảy lên vài chục phần nghìn. Nhờ đó, các neutron có nhiều khả năng gặp phải chúng hơn và có thể sử dụng các chất điều tiết rẻ hơn, mặc dù kém hiệu quả hơn, chẳng hạn như nước thông thường.

Uranium được làm giàu có phải là sản phẩm cuối cùng không? Một lần nữa, không, vì các lò phản ứng điện cung cấp khả năng truyền nhiệt “hạt nhân” sang chất làm mát để rửa nhiên liệu – thường là nước. Do sự tích tụ các sản phẩm phân hạch, nhiên liệu trở nên có tính phóng xạ cao khi vẫn còn trong lò phản ứng đang hoạt động. Trong mọi trường hợp không được phép hòa tan trong nước. Để làm được điều này, uranium được chuyển sang trạng thái kháng hóa chất và cũng được cách ly khỏi chất làm mát, được bao phủ bởi một lớp vỏ kim loại. Kết quả là tạo ra một thiết bị kỹ thuật phức tạp chứa các hợp chất uranium được làm giàu, có thể tự tin gọi là nhiên liệu hạt nhân.

Các hoạt động được đề cập - khai thác uranium, tinh chế và làm giàu uranium, cũng như sản xuất nhiên liệu hạt nhân - là những giai đoạn đầu của cái gọi là chu trình nhiên liệu hạt nhân. Bạn cần phải tìm hiểu từng người trong số họ một cách chi tiết hơn.

Chu kỳ bán rã của uranium-238 là 4,5 tỷ năm và uranium-235 chỉ là 700 triệu năm. Hóa ra đồng vị phân hạch phân rã nhanh hơn nhiều lần so với đồng vị chính. Nếu bạn nghĩ về nó, điều này có nghĩa là trước đây hàm lượng uranium-235 trong hỗn hợp đồng vị tự nhiên lớn hơn bây giờ. Ví dụ, một tỷ năm trước, trong số một nghìn nguyên tử uranium, có mười sáu nguyên tử có hạt nhân với 235 nucleon, hai tỷ năm trước con số của chúng là ba mươi bảy, và ba tỷ năm trước ngày nay – con số này lên tới tám mươi! Trên thực tế, quặng ở thời xa xưa đó có chứa uranium, chất mà ngày nay chúng ta gọi là đã được làm giàu. Và rất có thể xảy ra trường hợp ở một nơi nào đó, một lò phản ứng hạt nhân tự nhiên sẽ tự bắt đầu hoạt động!

Các nhà khoa học tin chắc rằng đây chính xác là những gì đã xảy ra với một số mỏ uranium siêu giàu tại mỏ Oklo, nằm ở Gabon hiện đại. 1,8 tỷ năm trước, một phản ứng dây chuyền hạt nhân tự phát bắt đầu trong họ. Nó được bắt đầu bởi các neutron được tạo ra trong quá trình phân hạch tự phát, sau đó nồng độ uranium-235 cao và sự hiện diện của nước trong quặng, chất điều tiết neutron, được kích hoạt. Nói một cách dễ hiểu, phản ứng trở nên tự duy trì và tiếp tục, lúc mạnh lên, lúc mờ nhạt, trong vài trăm nghìn năm. Sau đó, các lò phản ứng “ngừng hoạt động”, rõ ràng là do chế độ nước thay đổi.

Ngày nay nó là lò phản ứng hạt nhân tự nhiên duy nhất được biết đến. Hơn nữa, hiện tại, những quá trình như vậy chưa thể bắt đầu ở bất kỳ lĩnh vực nào. Lý do khá rõ ràng - còn lại quá ít uranium-235.

Cố gắng đào nó lên

Quặng uranium hiếm khi nổi lên bề mặt. Thông thường chúng nằm ở độ sâu từ năm mươi mét đến hai km.

Các mỏ nông được phát triển bằng phương pháp khai thác lộ thiên hoặc còn được gọi là khai thác lộ thiên. Đá cứng được khoan và nổ, sau đó được chất lên xe ben bằng xe nâng và đưa ra khỏi mỏ. Đá rời được khai thác và chất lên xe ben khai thác bằng máy xúc thông thường hoặc máy xúc quay, và máy ủi được sử dụng rộng rãi. Sức mạnh và kích thước của thiết bị này khiến trí tưởng tượng phải kinh ngạc: ví dụ, những chiếc xe ben đã đề cập ở trên có sức chở từ một trăm tấn trở lên! Thật không may, quy mô của mỏ đá cũng lớn, độ sâu có thể lên tới ba trăm mét. Sau khi hoàn thành công trình, nó há hốc như một cái lỗ khổng lồ trên bề mặt trái đất, bên cạnh là những đống đá bao phủ các mỏ uranium. Về nguyên tắc, mỏ đá có thể được lấp đầy bằng các bãi chứa này, trồng cỏ và cây xanh bên trên; nhưng nó sẽ rất tốn kém. Vì vậy, các hố dần dần bị lấp đầy nước và hình thành các hồ không thể sử dụng tiết kiệm do hàm lượng uranium trong nước tăng lên. Các vấn đề về ô nhiễm nước ngầm cũng có thể phát sinh, vì vậy việc khai thác uranium cần được đặc biệt chú ý.

Tuy nhiên, việc khai thác uranium lộ thiên đang dần trở thành quá khứ vì một lý do hoàn toàn tầm thường - các mỏ gần bề mặt trên thực tế đã chấm dứt. Bây giờ chúng ta phải đối phó với những quặng ẩn sâu. Theo truyền thống, chúng được phát triển bằng phương pháp ngầm (mỏ). Đừng tưởng tượng những người đàn ông có râu nghiêm nghị cầm cuốc bò qua khu vực làm việc và chặt quặng. Hiện nay công việc của thợ mỏ phần lớn đã được cơ giới hóa. Trong đá chứa uranium, người ta khoan các lỗ - những lỗ sâu đặc biệt để đặt chất nổ vào. Sau vụ nổ, quặng nghiền được xúc lên bằng phương tiện bốc xếp và vận chuyển rồi chạy dọc theo các hành lang hẹp quanh co đến xe đẩy. Một đầu máy điện nhỏ chở các xe chở đầy đến trục thẳng đứng của mỏ, sau đó dùng lồng - một loại thang máy - quặng được nâng lên bề mặt.

Khai thác ngầm có một số tính năng. Thứ nhất, nó chỉ có thể mang lại lợi nhuận trong trường hợp quặng chất lượng cao có hàm lượng uranium cao, nằm không sâu hơn hai km. Nếu không, chi phí khai thác, khai thác và chế biến thêm quặng sẽ khiến uranium gần như trở thành “vàng”. Thứ hai, vương quốc ngầm của các mỏ uranium là một không gian khép kín, trong đó bụi phóng xạ và không ít khí radon phóng xạ bay lơ lửng. Do đó, thợ mỏ không thể làm gì nếu không có hệ thống thông gió mạnh mẽ và các thiết bị bảo vệ đặc biệt như mặt nạ phòng độc.

Trong cả khai thác mỏ và khai thác trục, quặng được khai thác ở dạng mảnh khá lớn. Khi xúc chúng bằng máy xúc hoặc LHD, người vận hành không biết liệu mình đang nhặt quặng giàu khoáng chất uranium hay đá thải hay thứ gì đó ở giữa. Xét cho cùng, lớp cặn không đồng nhất về thành phần và việc sử dụng các máy móc mạnh mẽ không cho phép thực hiện công việc tinh tế và trang nhã. Nhưng ít nhất có thể nói rằng việc gửi những mảnh hầu như không chứa uranium để xử lý thêm là điều không hợp lý! Do đó, quặng được phân loại bằng tính chất chính của uranium, không khó để phát hiện - tính phóng xạ. Các cảm biến bức xạ ion hóa đặc biệt có thể giúp phân chia quặng thành nhiều loại, cả trong quá trình chất hàng và trong thùng vận chuyển, dựa trên cường độ bức xạ mà nó phát ra. Đá thải được đưa tới bãi chứa. Quặng giàu - cho nhà máy thủy luyện. Nhưng quặng có lượng uranium nhỏ nhưng đáng chú ý sẽ được phân loại lại, cẩn thận hơn. Đầu tiên, nó được nghiền nhỏ, chia theo kích thước, sau đó các mảnh được đổ lên băng tải chuyển động. Một cảm biến bức xạ ion hóa được lắp đặt phía trên nó, tín hiệu từ đó được gửi đến hệ thống điều khiển tự động cho các bộ giảm chấn nằm ở cuối băng tải. Cảm biến được cấu hình để phản ứng với một mảnh quặng phóng xạ có chứa khoáng chất uranium đi qua bên dưới nó. Sau đó van quay và quặng rơi vào một phễu quặng đặc biệt, từ đó nó được vận chuyển đến nhà máy thủy luyện. Đổi lại, đá thải không “làm phiền” cảm biến và van điều tiết theo bất kỳ cách nào mà rơi vào một hộp khác - vào bãi rác.

Sơ đồ đơn giản hóa việc phân loại quặng bằng phép đo phóng xạ (các tổ hợp hiện đại phức tạp hơn nhiều)

Sơ đồ được mô tả là gần đúng, cơ bản: không có gì ngăn cản việc phân loại quặng tại các doanh nghiệp bằng các phương pháp đã biết khác. Tuy nhiên, thực tế đã chỉ ra rằng chúng không phù hợp với quặng uranium. Vì vậy, việc phân loại bằng phép đo phóng xạ - bằng máy dò bức xạ - dần trở thành một công nghệ cơ bản.

Trên thực tế, khi phân loại quặng, một loại trung bình nhất định cũng được phân biệt, dựa trên hàm lượng uranium của nó, không thể phân loại thành quặng giàu hay đá thải. Nói cách khác, việc gửi nó đến một nhà máy thủy luyện kim rất tốn kém (lãng phí thời gian và thuốc thử), và thật đáng tiếc khi gửi nó đến bãi rác. Quặng cấp thấp như vậy được chất thành từng đống lớn và được tẩm axit sulfuric ngoài trời, làm hòa tan dần uranium. Dung dịch thu được sẽ được bơm để xử lý tiếp.

Tại nhà máy thủy luyện, quặng giàu sẽ được nghiền tiếp, gần như ở trạng thái bụi rồi hòa tan.

Quặng được nghiền trong nhiều loại máy nghiền khác nhau - ví dụ như máy nghiền bi tròn: vật liệu nghiền và các viên bi kim loại như đạn đại bác được đổ vào bên trong một chiếc trống rỗng đang quay. Trong quá trình quay, các viên bi đập vào các mảnh quặng, nghiền nát và nghiền thành bột.

Quặng nghiền được “mở”, nghĩa là hòa tan một phần bằng cách xử lý bằng axit sulfuric hoặc axit nitric hoặc hỗn hợp cả hai. Kết quả là tạo ra dung dịch uranium chứa nhiều tạp chất. Đôi khi, nếu quặng uranium chứa nhiều cacbonat tự nhiên thì axit không được sử dụng. Nếu không, một phản ứng sẽ xảy ra giống như việc dập tắt soda bằng giấm - giải phóng mạnh carbon dioxide và thuốc thử sẽ bị lãng phí. Làm sao để? Hóa ra những khoáng chất như vậy có thể được “mở” bằng dung dịch soda. Kết quả là, bạn cũng sẽ nhận được dung dịch uranium, dung dịch này sẽ được sử dụng để xử lý tiếp.

Nhưng phần còn lại của quặng không hòa tan phải được gửi đến các bãi chứa chất thải đặc biệt - không phải là cơ sở thân thiện với môi trường nhất. Điều đáng nhắc lại là đá thải được tách ra trong quá trình phân loại: nó được đưa vào bãi chứa. Cả chất thải và bãi chứa đều chứa một lượng nhỏ uranium, khiến chúng có khả năng gây nguy hiểm. Về vấn đề này, câu hỏi được đặt ra: liệu có thể tổ chức sản xuất sao cho ít gây hại cho thiên nhiên và đảm bảo an toàn cho người lao động?

Điều đó là có thể, và nó đã được thực hành từ lâu. Phương pháp chiết xuất được đề cập được gọi là lọc tại chỗ. Bản chất của nó là ruộng bị “xuyên thủng” nhiều giếng. Một số trong số chúng, được gọi là buồng phun, được cung cấp axit sulfuric, đi xuống độ sâu, đi qua quặng và hòa tan uranium. Sau đó dung dịch kim loại có giá trị được lấy từ lòng đất qua các giếng bơm khác.

Điều gì xảy ra: không có bãi rác, không có chất thải, không có bụi, không có lỗ hoặc lỗ hổng bất ngờ trên mặt đất, nhưng cuối cùng - cùng một giải pháp uranium? Đúng. Hơn nữa, bằng phương pháp lọc qua lỗ khoan, quặng rất kém được phát triển, không có lợi về mặt kinh tế khi khai thác bằng phương pháp khai thác lộ thiên hoặc khai thác hầm lò. Nhưng với một bộ ưu điểm như vậy thì cũng phải có nhược điểm! Chà, trước hết, việc khoan giếng sâu hơn tám trăm mét là không hợp lý xét về mặt chi phí. Thứ hai, phương pháp này không hiệu quả với quặng đặc, không xốp. Thứ ba, axit sulfuric vẫn phá vỡ thành phần và hoạt động của nước ngầm trên thực địa, mặc dù những xáo trộn này sẽ tự “giải quyết” theo thời gian. Sẽ nguy hiểm hơn nhiều nếu dung dịch tràn ra bề mặt hoặc thấm theo đường vòng - dọc theo các vết nứt và đứt gãy - vào nước ngầm. Vì vậy, quá trình này được giám sát chặt chẽ bằng việc khoan giếng giám sát.

Lọc tại chỗ lỗ khoan

Để tránh những vấn đề nêu trên, một phiên bản “mỏ” của phương pháp lọc dưới lòng đất đã được phát minh: các khối quặng trong quá trình hoạt động được nghiền nát bằng vụ nổ, sau đó đổ dung dịch lọc (axit sunfuric) lên trên, lấy dung dịch uranium từ bên dưới - qua hệ thông thoat nươc.

Trong mọi trường hợp, lọc tại chỗ là phương pháp khai thác uranium thân thiện với môi trường nhất hiện nay. Đây là một trong những lý do cho sự phát triển bùng nổ về mức độ phổ biến của nó. Nếu vào năm 2000, chỉ có 15% uranium được khai thác bằng phương pháp lọc dưới lòng đất thì ngày nay con số này gần như đã đạt gần 50%!

Lọc tại chỗ trở thành công nghệ khai thác uranium hàng đầu

Thông thường, các mỏ uranium được tìm kiếm bằng cách sử dụng cảm biến bức xạ ion hóa; chính xác hơn là bức xạ gamma. Đầu tiên, một chiếc máy bay được trang bị cảm biến như vậy bay qua khu vực. Anh ta chỉ có thể phát hiện ra sự bất thường về bức xạ - nền hơi cao phía trên trường. Sau đó, một chiếc trực thăng sẽ được phóng đi, nó sẽ “vạch ra” ranh giới của địa điểm đầy hứa hẹn một cách chậm rãi và chính xác hơn. Cuối cùng, những người thăm dò đến lãnh thổ này với các dụng cụ đo lường và máy khoan. Dựa trên kết quả công việc của họ, bản đồ về sự xuất hiện của quặng uranium sẽ được xây dựng và chi phí sản xuất sẽ được tính toán.

Tuy nhiên, các mỏ quặng uranium có thể tự phát tín hiệu theo những cách khác. Ví dụ, bằng cách thay đổi diện mạo của những cây mọc phía trên chúng: cánh hoa cỏ lửa, thường có màu hồng, trở thành màu trắng; Quả việt quất chuyển sang màu xanh hoặc trắng. Rễ sâu của cây bách xù mọc phía trên lớp trầm tích hấp thụ uranium tốt và tích tụ trong cành và lá kim. Bằng cách biến chúng thành tro và kiểm tra hàm lượng uranium, bạn có thể biết liệu kim loại chính của năng lượng hạt nhân có đáng khai thác ở khu vực này hay không.

Sạch sẽ là chìa khóa cho sức khỏe (lò phản ứng hạt nhân)

Dung dịch uranium thu được bằng cách “mở” quặng hoặc trong quá trình lọc dưới lòng đất không đặc biệt tinh khiết. Nói cách khác, ngoài uranium, nó còn chứa một loạt nguyên tố hóa học được tìm thấy trong vỏ trái đất: natri và kali, canxi và magie, sắt, niken và đồng - và nhiều nguyên tố khác. Bạn không nên ngạc nhiên về sự hình thành của một loại compote dày như vậy, bởi vì axit sulfuric có hoạt tính hóa học cao và hòa tan nhiều chất tự nhiên; Thật tốt là không phải tất cả đều là quặng. Nhưng để tạo ra nhiên liệu hạt nhân, bạn cần uranium tinh khiết nhất có thể. Nếu trong số các nguyên tử uranium có các nguyên tử tạp chất ở đây và ở đó, lò phản ứng có thể không khởi động hoặc thậm chí tệ hơn là bị hỏng. Nguyên nhân của những vấn đề như vậy sẽ sớm được thảo luận, nhưng hiện tại chúng ta có thể đặt ra nhiệm vụ: làm sạch uranium. Và cũng mong muốn nhận được nó ở dạng rắn, thuận tiện cho việc vận chuyển. Quả thực, các giải pháp này không phù hợp cho việc vận chuyển: chúng “thích” đổ quá nhiều hoặc thấm qua các chỗ rò rỉ.

Trong công nghiệp, vấn đề này được giải quyết bằng nhiều cách. Đầu tiên, dung dịch được cô đặc bằng cách cho nó đi qua các vật liệu đặc biệt thu thập chất hấp thụ uranium. Cơ hội đầu tiên để làm sạch xuất hiện: chất hấp thụ được chọn sao cho các nguyên tố khác khó có thể “ngồi” trên chúng và tồn tại trong dung dịch. Sau đó, uranium được rửa sạch khỏi chất hấp thụ, ví dụ, bằng cùng loại axit sulfuric. Quy trình này có vẻ vô nghĩa nếu người ta không giải thích rằng cần ít axit hơn để “xả” so với thể tích của dung dịch ban đầu. Đây là cách họ giết hai con chim bằng một viên đá: chúng làm tăng nồng độ uranium và loại bỏ một phần tạp chất không cần thiết.

Giai đoạn tinh chế thứ hai gắn liền với việc sản xuất các hợp chất uranium rắn. Chúng được kết tủa từ dung dịch đậm đặc bằng cách thêm các thuốc thử “y tế” nổi tiếng: amoniac, hydro peroxide, cũng như kiềm hoặc cacbonat. Cần lưu ý rằng uranium không kết tủa dưới dạng kim loại; nói chung không dễ thu được nó ở dạng kim loại do khả năng phản ứng hóa học cao - điều này đã được đề cập. Dưới ảnh hưởng của các nhiếp chính được đề cập, các hợp chất uranium ít hòa tan khác nhau sẽ chìm xuống đáy bộ máy. Được sấy khô và nghiền nát, chúng có dạng bột màu vàng, do trông giống bánh ngọt nên thường được gọi là “bánh màu vàng”. Sau khi nung nó ở nhiệt độ cao, họ thu được hỗn hợp oxit uranium kém đẹp hơn - màu xanh lá cây bẩn hoặc thậm chí là màu đen.

Bánh vàng có thể được gửi đến các nhà máy làm giàu uranium

Bánh vàng hoặc hỗn hợp oxit uranium thực tế an toàn xét theo quan điểm bức xạ. Vì vậy, để vận chuyển, chúng được chất vào thùng kim loại hai trăm lít hoặc thùng chứa đặc biệt. Ở khoảng cách một mét với một thùng chứa như vậy không “có hại” bằng một nửa so với việc bay trên máy bay, tiếp xúc với bức xạ vũ trụ. Nhưng hầu hết mọi người đều không sợ bay! Vì vậy, không có lý do gì để sợ những thùng bánh vàng.

Khi kết tủa các hợp chất uranium, họ cố gắng tiến hành quá trình sao cho hầu hết các tạp chất vẫn còn trong dung dịch. Nhưng một số người trong số họ vẫn cố gắng “vượt qua”. Điều này đặc biệt tệ nếu sản phẩm có chứa các nguyên tố hấp thụ mạnh neutron - boron, cadmium, kim loại đất hiếm. Ngay cả ở nồng độ vi mô, chúng có thể ngăn chặn phản ứng phân hạch chuỗi xảy ra. Sau khi tạo ra nhiên liệu từ uranium bị ô nhiễm, người ta có thể thắc mắc từ lâu tại sao lò phản ứng không muốn hoạt động bình thường.

Ngoài ra, các tạp chất không mong muốn bao gồm các yếu tố làm giảm độ dẻo của nhiên liệu hạt nhân và khiến nó phồng lên và giãn nở khi nhiệt độ ngày càng tăng. Chúng bao gồm silicon và phốt pho thường xuất hiện trong tự nhiên, cũng như vonfram và molypden. Nhân tiện, độ dẻo thường được gọi là khả năng của vật liệu thay đổi hình dạng và kích thước mà không bị co lại. Điều này rất quan trọng đối với nhiên liệu, nhiên liệu tự nóng lên từ bên trong do phản ứng dây chuyền hạt nhân xảy ra bên trong và do đó bị biến dạng nhiệt độ. Nhiệt độ cao không được dẫn đến sự giãn nở quá mức của nhiên liệu uranium, nếu không nó sẽ làm vỡ lớp vỏ bảo vệ và tiếp xúc với chất làm mát. Hậu quả của việc “giao tiếp” như vậy có thể là sự hòa tan các sản phẩm phân hạch phóng xạ của uranium trong chất làm mát nóng (thường là nước) và sau đó chúng phân bố khắp tất cả các đường ống và thiết bị. Có lẽ không cần phải giải thích rằng điều này có nguy cơ làm trầm trọng thêm tình trạng bức xạ ở tổ máy điện: liều lượng mà nhân viên bảo trì nhận được sẽ tăng lên đáng kể.

Như họ nói, thà an toàn còn hơn xin lỗi. Do đó, giai đoạn tinh chế thứ ba - cuối cùng, được gọi là tinh chế, cũng cần thiết. Các hợp chất uranium được giao trong thùng hoặc thùng chứa được hòa tan trong axit, bây giờ là axit nitric. Dung dịch thu được được tiếp xúc với chất chiết - một chất hữu cơ lỏng hấp thụ uranium nhưng không hấp thụ tạp chất. Vì vậy, các nguyên tố không mong muốn vẫn ở dạng dung dịch và uranium sẽ chuyển thành “chất hữu cơ”. Là kết quả của một loạt các hoạt động tiếp theo, nó lại được đưa về dạng oxit đã có độ tinh khiết cần thiết cho “lò phản ứng”.

Bây giờ mọi thứ đều ổn và bạn có thể chuyển sang giai đoạn tiếp theo - tăng nồng độ uranium-235 một cách giả tạo.

Bí quyết làm giàu

Ở đầu chương, người ta đã đề cập rằng trong hỗn hợp tự nhiên của các đồng vị uranium có rất ít uranium-235 có thể phân hạch và có quá nhiều uranium-238 “lười biếng”: cứ bảy nguyên tử trước đây có khoảng chín trăm và chín mươi ba nguyên tử sau này. Điều này không phù hợp với hầu hết các lò phản ứng hiện đang hoạt động. Họ cần nhiên liệu trong đó, trong số một nghìn nguyên tử uranium, đồng vị-235 chứa vài chục nguyên tử chứ không chỉ một số nguyên tử như trong uranium tự nhiên. Và để tạo ra một quả bom thì uranium-235 gần như nguyên chất là hoàn toàn cần thiết.

Giải quyết vấn đề làm giàu uranium, tức là tăng hàm lượng đồng vị phân hạch, là rất khó khăn. Có vẻ như, làm sao vậy? Xét cho cùng, hóa học có rất nhiều kỹ thuật để tách các chất ra khỏi hỗn hợp. Chỉ có thể “nhặt” được vài trăm gam uranium từ một tấn quặng! Có thực sự không thể làm điều tương tự với các đồng vị: bằng cách nào đó tách cái này ra khỏi cái kia? Vấn đề là tính chất hóa học của tất cả các đồng vị của một nguyên tố nhất định là như nhau, bởi vì chúng được xác định bởi số lượng electron chứ không phải bởi thành phần của hạt nhân. Nói cách khác, không thể thực hiện một phản ứng trong đó uranium-235 chẳng hạn vẫn tồn tại trong dung dịch và uranium-238 sẽ kết tủa. Với bất kỳ thao tác nào, cả hai sẽ hành xử giống nhau. Theo cách tương tự, sẽ không thể tách các đồng vị của cacbon hoặc kali về mặt hóa học - nói chung là của bất kỳ nguyên tố nào.

Có một tham số như vậy - mức độ làm giàu, biểu thị tỷ lệ (tính bằng phần trăm) của uranium-235 trong tổng khối lượng uranium. Ví dụ, mức độ làm giàu uranium tự nhiên, trong đó cứ một nghìn thì có bảy nguyên tử phân hạch, là 0,7%. Trong trường hợp nhiên liệu hạt nhân từ các nhà máy điện hạt nhân, con số này phải tăng lên 3–5% và để sản xuất nhiên liệu làm đầy bom nguyên tử – lên 90% và cao hơn.

Làm sao để? Cần phải tìm ra các tính chất trong đó các đồng vị - ít nhất là ở mức tối thiểu - sẽ khác nhau. Điều đầu tiên bạn nghĩ đến là khối lượng của một nguyên tử. Thật vậy, hạt nhân của uranium-238 có nhiều hơn uranium-235 ba neutron; Điều này có nghĩa là đồng vị lười nặng hơn một chút. Và vì khối lượng là thước đo quán tính và nó biểu hiện ở chuyển động, nên các phương pháp làm giàu uranium chính có liên quan đến sự khác biệt trong chuyển động của các đồng vị của nó trong những điều kiện được tạo ra đặc biệt.

Trong lịch sử, công nghệ làm giàu đầu tiên là tách đồng vị điện từ. Ngay từ cái tên, rõ ràng điện trường và từ trường có liên quan gì đó đến quá trình này. Thật vậy, trong phương pháp này, các ion uranium thu được trước đó được gia tốc bằng điện trường và phóng vào từ trường. Vì các ion có điện tích nên chúng bắt đầu được “mang” trong một từ trường, xoắn theo một vòng cung có bán kính nhất định. Ví dụ, chúng ta có thể nhớ lại sự phân chia tia uranium trong từ trường thành ba dòng - một hiệu ứng được Rutherford phát hiện. Các hạt alpha và beta, có điện tích, lệch khỏi đường thẳng, nhưng bức xạ gamma thì không. Trong trường hợp này, bán kính của cung mà hạt tích điện chuyển động trong từ trường phụ thuộc vào khối lượng của nó: nó càng nặng thì nó quay càng chậm. Điều này có thể được so sánh với việc cố gắng lao vào một khúc cua gấp của hai người lái xe liều lĩnh, một người đang lái ô tô, một người đang lái xe tải. Rõ ràng là xe khách di chuyển dễ dàng hơn nhiều, trong khi xe tải lại có thể bị trượt. Điều gì đó tương tự cũng xảy ra trong từ trường có các ion uranium-235 và uranium-238 chuyển động nhanh. Loại thứ hai nặng hơn một chút, có quán tính lớn hơn và bán kính quay của chúng cao hơn một chút: do đó, dòng ion uranium được chia thành hai. Nói một cách hình tượng, bạn có thể đặt hai hộp, trong một hộp bạn có thể thu thập đồng vị phân hạch, uranium-235, và hộp thứ hai - uranium-238 “không cần thiết”.

Trong từ trường, quỹ đạo của các hạt tích điện bị bẻ cong, hạt càng nhẹ thì càng mạnh.

Nguyên lý của phương pháp tách đồng vị điện từ: các ion urani-235 nhẹ hơn chuyển động trong từ trường theo quỹ đạo có bán kính nhỏ hơn so với các ion urani-238

Phương pháp tách điện từ tốt ở hầu hết các khía cạnh, ngoại trừ năng suất, như thường lệ, hạn chế ứng dụng công nghiệp của nó. Trên thực tế, đây là lý do tại sao nhà máy Y-12 của Mỹ ở Oak Ridge, nơi sản xuất uranium được làm giàu cho quả bom “Little Boy” được thả xuống Hiroshima bằng công nghệ tách điện từ, đã đóng cửa vào năm 1946. Cần phải làm rõ rằng uranium Y-12, trước đây được làm giàu bằng các phương pháp khác, hiệu quả hơn, đã được nâng lên mức độ làm giàu cao. Sự cải tiến của họ chính xác là điều đã đẩy chiếc đinh cuối cùng vào quan tài của công nghệ tách đồng vị điện từ - nó không còn được sử dụng trong công nghiệp nữa.

Điều thú vị là việc tách điện từ là một phương pháp phổ biến cho phép người ta tách một lượng nhỏ bất kỳ đồng vị nào ở dạng nguyên chất. Do đó, nhà máy tương tự Y-12 của chúng tôi - nhà máy 418, hiện được gọi là Nhà máy Elektrokhimpribor (vùng Lesnoy, Sverdlovsk), có công nghệ sản xuất hơn hai trăm đồng vị của bốn mươi bảy nguyên tố hóa học từ lithium đến chì. Đây không chỉ là những con số ấn tượng - các sản phẩm của nhà máy thực sự cần thiết bởi các nhà khoa học, bác sĩ, nhà công nghiệp... Nhân tiện, chúng được sản xuất tại cơ sở SU-20, cũng chính là cơ sở sản xuất uranium cấp độ vũ khí với mức độ làm giàu gần bằng tới 90% vào đầu những năm 1950.

Những thập kỷ đầu tiên sau chiến tranh trở thành thời kỳ tích cực tích lũy kho vũ khí hạt nhân. Việc giải quyết vấn đề này được đặt lên hàng đầu nên chi phí không được tính đến - điều quan trọng là phải tiến hành làm giàu uranium hàng loạt. Trọng tâm được đặt vào sự khuếch tán khí - một công nghệ làm giàu cực kỳ tốn năng lượng nhưng đồng thời mang lại hiệu quả. Nguồn gốc của nó nằm trong lĩnh vực lý thuyết khí, trong đó phát biểu rằng ở một nhiệt độ nhất định, tốc độ trung bình của một phân tử khí tỷ lệ nghịch với khối lượng của nó: nó càng nặng thì chuyển động càng chậm. Sự khác biệt này đặc biệt đáng chú ý khi di chuyển dọc theo các “ống” mỏng, đường kính của nó tương đương với kích thước của phân tử. Một ví dụ rõ ràng, mặc dù không chính xác, là việc hạ thủy thuyền giấy trong một dòng suối: một chiếc thuyền nhỏ, bị dòng nước cuốn đi, sẽ di chuyển nhanh chóng; nhưng nếu bạn làm một con tàu lớn bằng giấy có kích thước bằng lòng suối, nó sẽ di chuyển chậm hơn, liên tục chạm vào bờ. Quay trở lại với uranium, chúng ta có thể nói rằng đồng vị mục tiêu có 235 nucleon trong hạt nhân sẽ di chuyển dọc theo “ống” nhanh hơn uranium-238. Đầu ra từ nó sẽ là một loại khí được làm giàu bằng đồng vị phân hạch. Câu hỏi duy nhất là làm thế nào để biến uranium thành khí và lấy đâu ra một “ống” mỏng như vậy.

“Khí hóa” uranium là yêu cầu bắt buộc của công nghệ dựa trên lý thuyết về chất khí. Bạn không thể làm gì về nó. Nhưng tất cả các hợp chất uranium đều là chất rắn khó tan chảy chứ đừng nói đến việc bay hơi. Mặc dù, nếu bạn nghĩ về nó, có một hợp chất rất thành công - uranium hexafluoride, trong đó uranium được bao quanh bởi sáu nguyên tử flo. Nó dễ dàng biến thành khí ở nhiệt độ 56 o C, bỏ qua trạng thái lỏng. Trong vật lý, quá trình như vậy thường được gọi là thăng hoa hoặc thăng hoa. Hiện tượng này đã được biết đến từ lâu và không có gì đáng ngạc nhiên về nó. Ví dụ, thăng hoa được sử dụng bởi các bà nội trợ trong làng để phơi quần áo trong giá lạnh - băng bay hơi trong không khí khô, chỉ để trạng thái lỏng đi qua.

Đây là cách bạn có thể hình dung ra một phân tử uranium hexafluoride

Hóa ra uranium hexafluoride rất tiện lợi từ quan điểm công nghệ. Ở nhiệt độ bình thường nó ở dạng rắn và có thể vận chuyển trong các thùng chứa đặc biệt. Nó biến thành khí ở nhiệt độ thấp. Chà, dưới một áp suất nhất định, hexafluoride nóng lên sẽ trở thành chất lỏng có thể được bơm qua đường ống.

Một trường hợp may mắn khác là flo tự nhiên chỉ bao gồm một đồng vị - flo-19. Điều này có nghĩa là sự khác biệt về khối lượng của các phân tử uranium-235 hexafluoride và uranium-238 hexafluoride chỉ được xác định bởi các đồng vị uranium. Nếu không thì việc phân tách sẽ rất khó hoặc thậm chí là không thể, vì flo sẽ có ảnh hưởng quá mức đến khối lượng của các phân tử.

Việc sản xuất uranium hexafluoride ở Nga được thực hiện bằng cách chuyển đổi - fluoride hóa các hợp chất uranium khác nhau, ví dụ như bánh màu vàng hoặc hỗn hợp oxit nhận được từ các doanh nghiệp khai thác uranium. Flo phân tử cho những mục đích này được lấy từ khoáng chất fluorit tự nhiên. Nó được xử lý bằng axit sulfuric để tạo thành axit hydrofluoric, quá trình điện phân tạo ra flo.

Điều thú vị là fluoride hóa cũng là giai đoạn thứ tư của quá trình tinh chế uranium, vì fluoride của hầu hết các tạp chất có hại không dễ bay hơi: uranium ở dạng hexafluoride “bay đi” từ chúng vào pha khí.

Uranium hexafluoride có một nhược điểm lớn: nó là một chất mạnh và độc hại. Đầu tiên, khi tiếp xúc với nước hoặc hơi ẩm trong không khí sẽ giải phóng axit flohydric độc hại. Thứ hai, bản thân uranium là một chất độc tế bào nói chung ảnh hưởng đến tất cả các cơ quan. (Điều thú vị là độc tính của nó có tính chất hóa học và thực tế không liên quan đến phóng xạ). Do đó, uranium hexafluoride, kết hợp hai mối nguy hiểm cùng một lúc, phải được vận chuyển và bảo quản trong các thùng kim loại đặc biệt và dưới sự giám sát chặt chẽ. Đồng thời, đảm bảo an toàn cho người dân và môi trường.

Vì vậy, có khí đốt; còn những “ống” mỏng thì sao? Một giải pháp phù hợp hóa ra là các vách ngăn xốp - các tấm bị xuyên qua bởi nhiều lỗ rất nhỏ. Đường kính của cái sau phải ở mức mười nanomet để các phân tử gần như lần lượt đi qua chúng. Nhu cầu sản xuất các vách ngăn có lỗ chân lông có kích thước nhỏ như vậy đã gây ra một số khó khăn nhất định, tuy nhiên, vấn đề đã được giải quyết bằng các phương pháp đặc biệt - thiêu kết niken hoặc hòa tan có chọn lọc một trong các kim loại tạo nên hợp kim lưỡng kim.

Nếu bạn làm một chiếc hộp có vách ngăn xốp như vậy và bơm uranium hexafluoride vào đó, các phân tử có đồng vị nhẹ sẽ đi qua vách ngăn nhanh hơn một chút. Nói cách khác, đằng sau nó, uranium hexafluoride sẽ được làm giàu một chút trong đồng vị phân hạch. Nếu bạn gửi khí sang hộp tương tự tiếp theo, mức độ làm giàu sẽ lớn hơn, v.v. Đúng vậy, để đạt được mức độ làm giàu cao, cần có hàng nghìn (!) hộp được lắp đặt lần lượt, được gọi là các bước. Làm thế nào để làm cho uranium thực hiện được các bước này? Chỉ bằng cách bơm nó với sự trợ giúp của nhiều máy nén. Do đó, nhược điểm của phương pháp: chi phí năng lượng lớn, nhu cầu xây dựng không gian sản xuất hàng triệu mét vuông - chiều dài của xưởng có thể lên tới một km - và sử dụng vật liệu đắt tiền. Đúng, tất cả điều này được bao phủ bởi hiệu suất thực sự cao. Đó là lý do tại sao công nghệ làm giàu khí khuếch tán từ lâu vẫn là công nghệ chính của các cường quốc hạt nhân khổng lồ như Mỹ, Pháp và Trung Quốc, những nước sau này đã gia nhập cùng họ. Chỉ trong những năm gần đây, họ mới bắt đầu tích cực chuyển đổi sang công nghệ ly tâm khí tiết kiệm hơn.

Sơ đồ hoạt động của giai đoạn khuếch tán khí

Vào những năm 1960, Nhà máy hóa chất điện phân Angarsk (vùng Irkutsk, Nga), nơi tham gia làm giàu uranium bằng công nghệ khuếch tán khí, đã tiêu thụ khoảng một phần trăm (!) tổng lượng điện được sản xuất ở Liên Xô. Năng lượng được cung cấp cho nó bởi các nhà máy thủy điện Bratsk và Irkutsk. Trên thực tế, đây là nơi tiêu thụ điện lớn nhất ở Liên Xô.

Nhìn chung, trải nghiệm đầu tiên cho thấy khuếch tán khí có thể giải quyết được vấn đề nhưng với chi phí quá lớn. Liên Xô, đang bị lôi kéo vào một cuộc chạy đua vũ trang, cần công nghệ làm giàu uranium hiệu quả hơn và ít tốn năng lượng hơn. Không dễ để một quốc gia bị suy yếu do chiến tranh có thể theo kịp Hoa Kỳ với tiềm năng kinh tế và năng lượng hùng mạnh của mình. Điều này là do, cùng với những nguyên nhân khác, do thiếu năng lực sản xuất điện ở khu vực châu Âu của đất nước: đó là lý do tại sao các nhà máy làm giàu được xây dựng ở Siberia, nơi chúng có thể được cung cấp năng lượng từ các nhà máy thủy điện lớn. Tuy nhiên, các nhà máy khuếch tán khí tiêu thụ quá nhiều năng lượng, khiến việc tăng cường sản xuất uranium được làm giàu là không thể. Vì vậy, Liên Xô phải trở thành nước tiên phong trong ứng dụng công nghiệp công nghệ thay thế - máy ly tâm khí.

Quá trình ly tâm khí bao gồm việc quay một thùng chứa đầy khí uranium hexafluoride ở tốc độ cao. Dưới tác dụng của lực ly tâm, uranium-238 hexafluoride nặng hơn bị “ép” về phía thành trống, và uranium-235 hexafluoride, một hợp chất nhẹ hơn, vẫn ở nguyên trục của nó. Sử dụng các ống đặc biệt, bạn có thể thu được uranium đã được làm giàu một chút từ trung tâm trống và uranium đã cạn kiệt một chút từ ngoại vi.

Sơ đồ vận hành máy ly tâm khí

Từ góc độ kỹ thuật, trống vừa được thảo luận là bộ phận quay (rotor) của máy ly tâm khí. Nó quay không ngừng trong vỏ chân không và kim nằm trên ổ đỡ lực đẩy làm bằng vật liệu rất bền - corundum. Việc lựa chọn vật liệu không có gì đáng ngạc nhiên vì tốc độ cánh quạt có thể vượt quá 1.500 vòng quay mỗi giây - nhanh hơn hàng trăm lần so với trống máy giặt. Một chất dễ vỡ sẽ không chịu được sự tiếp xúc như vậy. Ngoài ra, để ổ đỡ lực đẩy không bị mòn hoặc xẹp xuống, rôto được treo trong từ trường sao cho kim của nó hầu như không ấn vào corundum. Kỹ thuật này, cũng như độ chính xác cao trong quá trình sản xuất các bộ phận máy ly tâm, cho phép nó quay nhanh nhưng gần như im lặng.

Như trong trường hợp khuếch tán khí, một máy ly tâm không phải là chiến binh trên chiến trường. Để đạt được mức độ làm giàu và năng suất cần thiết, chúng được kết hợp thành các tầng khổng lồ bao gồm hàng chục nghìn (!) máy móc. Nói một cách đơn giản, mỗi máy ly tâm được kết nối với hai “hàng xóm” của nó. Uranium hexafluoride có hàm lượng uranium-235 giảm, được chọn từ thành trên đỉnh rôto, được đưa đến máy ly tâm trước đó; và khí được làm giàu một chút uranium-235, được lấy từ trục quay ở dưới cùng của rôto, đi đến máy tiếp theo. Do đó, ngày càng nhiều uranium được làm giàu được cung cấp cho từng giai đoạn tiếp theo cho đến khi thu được sản phẩm đạt chất lượng yêu cầu.

Dòng máy ly tâm khí trải dài về phía xa

Ngày nay, tách ly tâm là phương pháp làm giàu uranium chính vì công nghệ này đòi hỏi lượng điện năng ít hơn khoảng 50 lần so với khuếch tán khí. Ngoài ra, máy ly tâm ít cồng kềnh hơn máy khuếch tán, giúp tăng khối lượng sản xuất dễ dàng hơn. Phương pháp ly tâm được sử dụng ở Nga, Anh, Đức, Hà Lan, Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ, Pakistan, Iran; Quá trình chuyển đổi sang công nghệ máy ly tâm khí ở Pháp và Mỹ gần như đã hoàn tất. Nói cách khác, không còn chỗ cho sự khuếch tán khí.

Nhờ lịch sử sử dụng và cải tiến lâu dài, máy ly tâm khí đốt của Nga là loại máy ly tâm tốt nhất trên thế giới. Trong suốt nửa thế kỷ, đã có chín thế hệ ô tô tốc độ cao, dần dần trở nên mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn. Nhờ đó, Liên Xô đã chống đỡ thành công “cuộc chạy đua hạt nhân” với Mỹ và khi nhiệm vụ quan trọng nhất được giải quyết, năng lực tự do đã xuất hiện. Kết quả là, nước ta đã trở thành nước dẫn đầu thế giới không chỉ trong việc phát triển và sản xuất máy ly tâm khí mà còn cung cấp các dịch vụ làm giàu uranium thương mại.

Máy ly tâm khí của chúng tôi:

Theo truyền thống, chúng có chiều cao từ nửa mét đến một mét, đường kính từ mười đến hai mươi cm;

Chúng được đặt chồng lên nhau theo ba đến bảy tầng để tiết kiệm không gian;

Họ có thể làm việc không ngừng nghỉ tới ba mươi năm, kỷ lục là ba mươi hai năm.

Tốc độ quay của rôto máy ly tâm khí sao cho sau khi cắt nguồn điện, nó sẽ quay theo quán tính trong khoảng hai tháng!

Sự bùng nổ của công nghệ ly tâm khí gắn liền với sự phát triển tích cực của năng lượng hạt nhân. Các nhà máy hạt nhân là những doanh nghiệp thương mại hướng tới lợi nhuận và do đó đòi hỏi nhiên liệu rẻ và do đó đòi hỏi công nghệ làm giàu uranium rẻ. Yêu cầu này dần dần chôn vùi khí khuếch tán.

Nhưng việc ly tâm khí không nên ngủ quên trên vòng nguyệt quế của nó. Gần đây, người ta ngày càng nghe nhiều về làm giàu bằng laser, một phương pháp đã được biết đến hơn bốn mươi năm. Hóa ra, với sự trợ giúp của tia laser được điều chỉnh chính xác, có thể ion hóa có chọn lọc, nghĩa là biến đổi thành các hạt tích điện, hợp chất uranium-235. Trong trường hợp này, các hợp chất uranium-238 không bị ion hóa và không tích điện. Các ion thu được có thể dễ dàng được tách ra khỏi các phân tử trung tính bằng các phương tiện hóa học hoặc vật lý, chẳng hạn như bằng cách hút chúng bằng nam châm hoặc tấm tích điện (bộ thu).

Sơ đồ vận hành có thể có của nhà máy làm giàu laser uranium

Rõ ràng, làm giàu bằng laser là một công nghệ rất hiệu quả, nhưng các chỉ số kinh tế của nó vẫn còn là một ẩn số. Tất cả những nỗ lực trước đây để chuyển từ phiên bản phòng thí nghiệm sang sử dụng công nghiệp đều “bị phá vỡ” do không đủ năng suất và tuổi thọ của thiết bị ngắn. Hiện tại, một nỗ lực mới nhằm tạo ra sản phẩm như vậy đang được thực hiện ở Hoa Kỳ. Nhưng ngay cả khi thành công thì câu hỏi về hiệu quả kinh tế vẫn sẽ tồn tại. Thị trường dịch vụ làm giàu sẽ chỉ chấp nhận công nghệ mới nếu nó rẻ hơn đáng kể so với công nghệ hiện có. Nhưng máy ly tâm khí vẫn chưa đạt đến mức tối đa khả năng của chúng. Vì vậy, triển vọng trước mắt cho việc làm giàu bằng laser vẫn còn rất mơ hồ.

Có một số cách khác để làm giàu uranium: khuếch tán nhiệt, tách khí động học, xử lý ion, nhưng thực tế chúng không được sử dụng.

Khi nói đến công nghệ làm giàu uranium, cần phải nhớ rằng chúng mở đường không chỉ cho nhiên liệu hạt nhân mà còn cả bom. Việc tạo ra các cơ sở sản xuất nhỏ gọn và hiệu quả ngày càng kéo theo mối đe dọa phổ biến vũ khí hạt nhân. Về nguyên tắc, sự phát triển của công nghệ có thể dẫn đến tình trạng bom sẽ được sản xuất bởi các quốc gia, nói một cách nhẹ nhàng, là những chế độ không ổn định hoặc thậm chí là các tổ chức khủng bố lớn. Và nếu việc xây dựng một nhà máy khuếch tán khí hoặc máy ly tâm khí khó được chú ý và việc khởi động chúng sẽ yêu cầu nhập khẩu khối lượng lớn vật liệu và thiết bị cụ thể, thì việc làm giàu bằng laser trên thực tế đảm bảo tính bí mật. Nhìn chung, rủi ro đối với thế giới mong manh hiện tại đang gia tăng.

Các nhà máy làm giàu uranium tạo ra sản phẩm uranium được làm giàu (EUP) - uranium hexafluoride với mức độ làm giàu cần thiết. Nó được đặt trong các thùng chứa đặc biệt và gửi đến các nhà máy sản xuất nhiên liệu hạt nhân. Nhưng đồng thời, các nhà máy làm giàu cũng sản xuất uranium nghèo hexafluoride (DUHF) với mức độ làm giàu 0,3% - thấp hơn so với uranium tự nhiên. Nói cách khác, đây thực tế là uranium-238 nguyên chất. Nó đến từ đâu? Về bản chất, quá trình tuyển quặng cũng tương tự như việc tách các khoáng sản có giá trị ra khỏi đá thải. DUHF là một loại đá thải đã được loại bỏ uranium-235, mặc dù không hoàn toàn. (Việc tách một trăm phần trăm đồng vị phân hạch khỏi uranium-238 là không có lợi từ quan điểm kinh tế). Bao nhiêu uranium hexafluoride đã cạn kiệt được tạo ra? Điều này phụ thuộc vào mức độ làm giàu uranium cần thiết. Ví dụ: nếu nó là 4,3%, như trong nhiên liệu của lò phản ứng VVER, thì từ 10 kg uranium hexafluoride, có thành phần đồng vị tự nhiên (0,7% uranium-235), chỉ có một kg OUP và chín kg DUHF là thu được. Trong một từ, khá nhiều. Trong toàn bộ thời gian vận hành các nhà máy làm giàu, hơn một triệu rưỡi tấn DUHF đã được tích lũy tại địa điểm của họ trong các thùng chứa đặc biệt, trong đó có khoảng bảy trăm nghìn tấn ở Nga. Thế giới có những quan điểm khác nhau đối với chất này, nhưng quan điểm phổ biến là DUHF là một nguyên liệu thô chiến lược có giá trị (xem Chương 7).

Chế tạo - theo nghĩa tốt của từ này

Việc sản xuất (chế tạo) nhiên liệu hạt nhân bắt đầu bằng việc chuyển đổi hóa học sản phẩm uranium đã làm giàu thành uranium dioxide. Quá trình này có thể được thực hiện theo hai cách chính. Đầu tiên trong số đó được gọi là công nghệ "ướt" và bao gồm hòa tan hexafluoride trong nước, kết tủa các hợp chất ít tan dưới tác dụng của kiềm và nung chúng trong môi trường hydro. Công nghệ thứ hai – “khô” – được ưa chuộng hơn vì nó không tạo ra chất thải phóng xạ dạng lỏng: uranium hexafluoride được đốt trong ngọn lửa hydro.

Trong cả hai trường hợp, người ta thu được bột uranium dioxide, được ép thành những viên nhỏ và nung trong lò ở nhiệt độ khoảng 1750 o C để tạo độ bền cho chúng - xét cho cùng, những viên này sẽ phải “làm việc” trong điều kiện nhiệt độ cao và sự bức xạ. Các viên thuốc sau đó được xử lý trên máy mài bằng công cụ kim cương. Giai đoạn này là cần thiết vì kích thước của máy tính bảng và chất lượng bề mặt của nó phải được duy trì rất chính xác. Những sai sót trong quá trình sản xuất viên riêng biệt có thể dẫn đến hư hỏng nhiên liệu trong lò phản ứng trong quá trình giãn nở nhiệt và do đó làm suy giảm tình trạng bức xạ tại nhà máy điện hạt nhân. Do đó, tất cả các viên uranium dioxide đều được kiểm soát cẩn thận và sau đó được đưa vào một chiếc hộp đặc biệt, nơi máy đặt chúng vào các ống làm bằng zirconium với một lượng nhỏ niobi.

Một ống chứa đầy các viên được gọi là phần tử nhiên liệu hay gọi tắt là phần tử nhiên liệu. Sau đó, để loại bỏ khí ăn mòn, thanh nhiên liệu được sơ tán, tức là không khí được “hút” ra khỏi ống, chứa đầy khí trơ - heli nguyên chất - và được hàn. Giai đoạn cuối cùng của quá trình chế tạo nhiên liệu hạt nhân là lắp ráp các thanh nhiên liệu thành cụm nhiên liệu (FA) bằng cách sử dụng lưới đệm. Chúng cần thiết để đảm bảo cấu trúc chắc chắn và các thanh nhiên liệu không chạm vào nhau. Nếu không, vỏ có thể cháy ở điểm tiếp xúc, nhiên liệu sẽ lộ ra ngoài và tiếp xúc với nước, điều này hoàn toàn không mong muốn.

Trình tự các hoạt động sản xuất nhiên liệu hạt nhân

Lưới đệm

Vì vậy, tổ hợp nhiên liệu là một “bó” các thanh nhiên liệu zirconi, bên trong chứa nhiên liệu hạt nhân - uranium dioxide được làm giàu bằng đồng vị phân hạch. Cần phải giải thích sự lựa chọn vật liệu này. Trong lò phản ứng hạt nhân, cụm nhiên liệu tiếp xúc với nhiệt độ cao và dòng bức xạ ion hóa mạnh, đồng thời cũng được rửa từ bên ngoài bằng nước rất nóng dưới áp suất. Vì vậy, các phần tử nhiên liệu hạt nhân phải có khả năng kháng hóa chất và bức xạ, dẫn nhiệt tốt và nở ra rất ít khi đun nóng, nếu không có thể xảy ra vết nứt trên lớp bọc phần tử nhiên liệu. Uranium dioxide và zirconium đáp ứng các yêu cầu này. Tuy nhiên, cần nhắc lại một lần nữa rằng các viên uranium dioxide được đặt bên trong các thanh nhiên liệu và chỉ tiếp xúc với nước qua lớp bọc thanh nhiên liệu chứ không phải trực tiếp. Tương tác trực tiếp với chất làm mát là cực kỳ không mong muốn và chỉ xảy ra khi lớp vỏ zirconi bị phá hủy - chẳng hạn như khi các vết nứt xuất hiện trên chúng. Trong trường hợp này, các sản phẩm phân hạch phóng xạ của uranium có trong nhiên liệu hạt nhân bắt đầu hòa tan trong nước, dẫn đến sự gia tăng độ phóng xạ của nó và tình trạng bức xạ tại nhà máy điện hạt nhân xấu đi. Vì lý do này, việc chế tạo nhiên liệu hạt nhân là một công việc phức tạp và có độ chính xác cao, đòi hỏi độ chính xác và giám sát liên tục.

Từ quan điểm bức xạ, việc sản xuất nhiên liệu hạt nhân không gây ra bất kỳ mối nguy hiểm cụ thể nào. Rủi ro thậm chí còn thấp hơn so với khai thác quặng vì quá trình tinh chế sẽ loại bỏ tất cả các chất phóng xạ liên quan khỏi uranium.

Tuy nhiên, khi làm việc với uranium đã được làm giàu, một khối lượng tới hạn có thể tích tụ và kết quả là có thể xảy ra phản ứng dây chuyền tự duy trì, điều này đã được thảo luận ở Chương 2. Điều này có thể xảy ra do sai sót, vi phạm quy tắc làm việc. , hoặc thậm chí là tình cờ. Tổng cộng có 60 vụ tai nạn như vậy đã được ghi nhận trên thế giới, trong đó có 33 vụ ở Mỹ và 19 vụ ở Liên Xô/Nga. Dưới đây là hai ví dụ về sự cố trong nước.

Ngày 14 tháng 7 năm 1961, Nhà máy hóa chất Siberia (sản xuất làm giàu). Sự hình thành khối lượng tới hạn do sự tích tụ uranium hexafluoride với mức độ làm giàu cao (22,6%) trong dầu nằm trong bể giãn nở của bơm chân không. Do vụ nổ bức xạ đi kèm với phản ứng dây chuyền phát sinh, người vận hành đã nhận được một lượng bức xạ đáng kể và bị bệnh phóng xạ, mặc dù ở dạng tương đối nhẹ.

Ngày 15 tháng 5 năm 1997. Nhà máy cô đặc hóa chất Novosibirsk (sản xuất nhiên liệu hạt nhân). Sự hình thành khối lượng tới hạn là kết quả của sự tích tụ trầm tích uranium được làm giàu cao (90%) ở đáy của hai thùng chứa liền kề để thu thập các dung dịch do biến dạng của chúng. May mắn thay, liều lượng phóng xạ không đáng kể.

Kết luận là gì? Uranium đã làm giàu phải được xử lý hết sức thận trọng, tuân thủ tất cả các yêu cầu an toàn và như người ta nói, "bao gồm cả đầu của bạn", tức là tính toán trước những rủi ro có thể xảy ra.

Tóm lại, chúng ta có thể đưa ra các thông số gần đúng của cụm nhiên liệu được sử dụng tại các nhà máy điện hạt nhân của Nga có lò phản ứng VVER-1000.

Viên nhiên liệu là một hình trụ có chiều cao từ 9 đến 12 mm và đường kính 7,6 mm. Nó bao gồm uranium dioxide, mức độ làm giàu dao động từ 3,3 đến 5,0%.

Các viên này được đặt trong một thanh nhiên liệu làm bằng zirconium chứa 1% niobi, dài khoảng 4 mét và đường kính 9,1 mm. Độ dày thành của phần tử nhiên liệu chỉ 0,65 mm, vì vậy ở độ dài này cần phải xử lý cực kỳ cẩn thận. Thành phần nhiên liệu không được lấp đầy hoàn toàn bằng các viên: chiều cao của lớp viên là khoảng 3,5 mét và tổng khối lượng của chúng xấp xỉ 1,6 kg, trong đó urani-235 chiếm 62 gam.

Cụm nhiên liệu (FA) được lắp ráp từ 312 thanh nhiên liệu sử dụng lưới 12-15 miếng đệm. Chiều cao của cụm nhiên liệu đạt gần 4,6 mét và trọng lượng là 760 kg. Đồng thời, khối lượng uranium dioxide khoảng nửa tấn, phần còn lại là zirconi và các kim loại khác. Khi nhìn từ trên xuống, tổ hợp này là một hình lục giác có kích thước mặt 235 mm. Mỗi tổ hợp có 19 kênh cho các thanh điều khiển lò phản ứng chứa boron cacbua, một nguyên tố hấp thụ neutron tốt.

Lò phản ứng chứa 163 cụm nhiên liệu, tương ứng với 80 tấn uranium dioxide, đủ cho 4 năm hoạt động của lò phản ứng.

Tùy chọn cụm nhiên liệu cho các loại lò phản ứng khác nhau

Tùy chọn có thể

Vì vậy, nhiên liệu phổ biến nhất cho các nhà máy điện hạt nhân là uranium dioxide dạng viên, trong đó uranium được làm giàu ở dạng đồng vị phân hạch (uranium-235). Tuy nhiên, có những loại nhiên liệu hạt nhân khác.

Sau uranium dioxide, loại phổ biến nhất là nhiên liệu oxit hỗn hợp, được gọi là nhiên liệu MOX. Hiện nay, nhiên liệu MOX chủ yếu được sản xuất là hỗn hợp oxit uranium và plutonium-239. Nhiên liệu này cho phép sử dụng lượng plutonium-239 cấp độ vũ khí dư thừa được tích lũy trong “cuộc chạy đua hạt nhân” để tạo ra điện.

Kim loại uranium cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu hạt nhân. Ưu điểm của nó là độ dẫn nhiệt cao và nồng độ hạt nhân phân hạch tối đa - đơn giản là không có nguyên tố nào khác trong nhiên liệu. Đồng thời, uranium là kim loại có khả năng chống bức xạ, hóa học và nhiệt kém hơn so với dioxide, vì vậy nó cực kỳ hiếm khi được sử dụng ở dạng nguyên chất. Để cải thiện các thông số của nhiên liệu kim loại, một ít molypden, nhôm, silicon và zirconium được thêm vào uranium. Ngày nay, kim loại uranium và hợp kim của nó chỉ được sử dụng trong các lò phản ứng nghiên cứu.

Thay vì uranium dioxide, có thể sử dụng uranium nitride, nghĩa là hợp chất của nó với nitơ. Nhiên liệu nitrit có độ dẫn nhiệt cao hơn so với nhiên liệu điôxit và có điểm nóng chảy tương đương (2855 o C). Uranium nitride được coi là nhiên liệu đầy hứa hẹn cho các lò phản ứng mới nhất. Ở nước ta, nhiên liệu nitrit được quan tâm nhiều nhất vì nó được lên kế hoạch sử dụng trong thế hệ lò phản ứng neutron nhanh tiếp theo.

Uranium có khả năng tạo thành các hợp chất với carbon - cacbua. Khả năng sử dụng cacbua làm nhiên liệu cho lò phản ứng đã được nghiên cứu kỹ lưỡng vào những năm sáu mươi và bảy mươi của thế kỷ trước. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, mối quan tâm đến loại nhiên liệu này lại nổi lên do sự phát triển của các thành phần nhiên liệu dạng tấm và các thành phần nhiên liệu vi mô. Các đặc tính tích cực của cacbua là tính dẫn nhiệt tốt, điểm nóng chảy cao, độ cứng cao, tính ổn định hóa học và nhiệt, cũng như khả năng tương thích với lớp phủ gốm, đặc biệt quan trọng đối với các nguyên tố vi nhiên liệu. Nhiên liệu cacbua uranium có thể là lựa chọn tối ưu cho một số loại lò phản ứng thế hệ tiếp theo, đặc biệt là các lò phản ứng nhanh làm mát bằng khí.

Tuy nhiên, số lượng lớn các lò phản ứng trên Trái đất vẫn hoạt động bằng nhiên liệu hạt nhân làm từ uranium dioxide. Có thể nói, sức mạnh của truyền thống.

Chu trình nhiên liệu của Nga

Bây giờ, khi đã làm quen với đặc thù hoạt động của các ngành công nghiệp khai thác và chế biến, cần xem nhanh lịch sử và hiện trạng của chu trình nhiên liệu trong nước của chúng ta. Tất nhiên, chúng ta cần bắt đầu với việc khai thác uranium.

Lúc đầu, quặng uranium chỉ được các nhà khoa học trong nước quan tâm vì là nguồn cung cấp radium. Năm 1900, Giáo sư I.A. Antipov đã đưa ra báo cáo tại cuộc họp của Hiệp hội Khoáng vật học St. Petersburg về việc phát hiện khoáng chất uranium trong các mẫu được mang về từ Fergana, từ dãy núi Tyuya-Muyun. Khoáng vật này sau này được đặt tên là tyuyamunite. Năm 1904, công việc thăm dò bắt đầu tại mỏ này, năm 1908, một nhà máy thí điểm chế biến quặng uranium được xây dựng ở St. Petersburg, và năm 1913, một công ty cổ phần quốc tế khai thác radium Tyuyamuyun được thành lập.

Khi Chiến tranh thế giới thứ nhất bắt đầu, công việc tại mỏ gần như dừng lại và chỉ đến năm 1922, một đoàn thám hiểm gồm 8 chuyên gia mới được cử đến Tyuya-Muyun. Cũng trong năm 1922, trong điều kiện khó khăn sau cách mạng, bị bao vây bởi các băng đảng Basmachi, người ta đã có thể tái lập hoạt động khai thác quặng công nghiệp. Việc này tiếp tục cho đến năm 1936, khi lượng nước ngầm dồi dào ở độ sâu 200 mét làm gián đoạn quá trình phát triển mỏ. Tuy nhiên, vấn đề này không trở nên nghiêm trọng vì việc sản xuất radium đã được thành lập tại “Ngư nghiệp nước” trên sông Ukhta - kim loại phóng xạ được chiết xuất từ ​​​​nước mặn dưới lòng đất. Bản thân uranium trong những năm đó ít được mọi người quan tâm vì nó thực tế không được sử dụng trong công nghiệp.

Một làn sóng quan tâm mới đến các mỏ uranium xảy ra vào đầu những năm 1940, khi Liên Xô phải đối mặt với nhu cầu ứng phó với mối đe dọa hạt nhân do Hoa Kỳ gây ra - tức là khi nảy sinh nhu cầu chế tạo vũ khí hạt nhân trong nước.

Uranium dùng cho quả bom nguyên tử đầu tiên của Liên Xô được thu thập từng chút một trên khắp đất nước và hơn thế nữa. Năm 1943, việc khai thác uranium bắt đầu ở mỏ Taboshar nhỏ bé, theo tiêu chuẩn hiện đại, ở Tajikistan, với năng suất chỉ 4 tấn muối uranium mỗi năm. Hơn nữa, theo hồi ký của P.Ya. Antropov, bộ trưởng địa chất đầu tiên của Liên Xô, “quặng uranium để chế biến dọc theo các con đường núi của Pamirs được vận chuyển trong các túi trên lừa và lạc đà. Lúc đó không có đường sá hay thiết bị phù hợp.”

Vào những năm 1944-1945, khi châu Âu được giải phóng khỏi Đức Quốc xã, Liên Xô đã tiếp cận được quặng uranium từ mỏ Goten ở Bulgaria, các mỏ Jachimov ở Tiệp Khắc và các mỏ ở Saxony thuộc Đức. Ngoài ra, vào năm 1946, mỏ Tyuya-Muyunsky đã được khai thác trở lại nhưng nó không đóng góp gì đặc biệt cho sự nghiệp chung.

Vào những năm 1950, hiệp hội sản xuất Lermontov Almaz bắt đầu khai thác uranium tại các mỏ ở vùng núi Beshtau và Byk (Lãnh thổ Stavropol). Đồng thời, họ bắt đầu phát triển các mỏ ở Nam Kazakhstan và Trung Á.

Sau năm 1991, hầu hết các mỏ đã phát triển đều nằm ngoài biên giới Nga, ở các quốc gia độc lập. Kể từ thời điểm này, việc khai thác uranium chính được thực hiện bằng phương pháp trục tại Hiệp hội hóa chất và khai thác công nghiệp Priargunsky (Lãnh thổ xuyên Baikal). Ngoài ra, hai doanh nghiệp sử dụng công nghệ lọc tại chỗ giếng khoan đang dần có thế mạnh là Khiagda (Cộng hòa Buryatia) và Dalur (Vùng Kurgan). Cơ sở sản xuất đang được thiết kế ở Yakutia. Ngoài ra còn có các khu vực đầy hứa hẹn để khai thác - Transbaikal, Tây Siberia, Bắc Âu...

Nga đứng thứ ba trên thế giới về trữ lượng uranium đã được chứng minh.

Các doanh nghiệp khai thác uranium của Nga được quản lý bởi ARMZ Uranium Holding (www.armz.ru), thuộc sở hữu của Rosatom, nhưng Tổng công ty Nhà nước cũng có tài sản ở nước ngoài do công ty quốc tế Uranium One Inc (www.uranium1.com) kiểm soát. Nhờ hoạt động của hai tổ chức này, Rosatom đã đứng thứ ba trên thế giới về sản xuất hợp chất uranium.

Tình hình thị trường sản xuất uranium tự nhiên toàn cầu (2014)

Sự chỉ đạo từ các doanh nghiệp khai thác mỏ được sử dụng bởi nhiều ngành công nghiệp để tinh chế, chuyển đổi và làm giàu uranium, cũng như chế tạo nhiên liệu hạt nhân. Hầu hết chúng đều đến từ những năm 1950 và 1950, thời kỳ tích cực tích lũy vũ khí hạt nhân. Ngày nay, họ làm việc cho một ngành công nghiệp hoàn toàn hòa bình - năng lượng hạt nhân và cung cấp dịch vụ của mình cho các công ty nước ngoài.

Có bốn nhà máy làm giàu uranium ở Nga, một số trong đó còn thực hiện các hoạt động tinh chế (tinh chế) cuối cùng và fluoride hóa (chuyển đổi) các hợp chất uranium.

Nhà máy khuếch tán khí đầu tiên để làm giàu uranium D-1 ở Sverdlovsk-44 bắt đầu hoạt động vào tháng 11 năm 1949. Lúc đầu, các sản phẩm của nó phải được làm phong phú hơn nữa khi lắp đặt SU-20 tại nhà máy Elektrokhimpribor tương lai ở Sverdlovsk-45 (Lesnoy), nhưng sau một vài năm, D-1 bắt đầu tự đương đầu và bắt đầu phát triển. Và kể từ năm 1967, việc thay thế tầng khuếch tán bằng tầng ly tâm bắt đầu. Ngày nay, trên địa điểm D-1 bị tháo dỡ có doanh nghiệp làm giàu uranium lớn nhất thế giới - Nhà máy điện hóa Ural (Novouralsk, Vùng Sverdlovsk).

Năm 1953, Nhà máy hóa chất Siberia tương lai (Seversk, Vùng Tomsk) bắt đầu hoạt động ở Tomsk-7, từ năm 1973 bắt đầu chuyển dần sang công nghệ ly tâm khí. Uranium được làm giàu đầu tiên từ Nhà máy hóa chất điện phân Angarsk (Angarsk, Vùng Irkutsk) được sản xuất vào năm 1957, và việc thay thế các thiết bị khuếch tán bằng máy ly tâm bắt đầu vào năm 1985. Cuối cùng, năm 1962 là năm Nhà máy Điện hóa được khởi công tại Krasnoyarsk-45 (nay là Zelenogorsk, Lãnh thổ Krasnoyarsk). Vài năm sau, những máy ly tâm đầu tiên được lắp đặt ở đó.

Tất nhiên, bản tóm tắt ngắn gọn này không phản ánh thực tế của thời kỳ khó khăn đó. Mặc dù từ những cái tên bí mật, được “đánh số” của các thành phố khép kín và từ những cái tên mơ hồ của các loài thực vật, người ta có thể hiểu rằng Liên Xô đã cẩn thận giữ bí mật làm giàu của mình. Tuy nhiên, vị trí của các cơ sở sản xuất chính đã được tình báo Mỹ biết đến. Nhưng như người ta nói, cô ấy đã bỏ lỡ quá trình chuyển đổi tích cực sang công nghệ máy ly tâm khí. Có lẽ điều này đã trở thành lý do khiến các đối thủ cạnh tranh của chúng tôi tỏ ra tự mãn: không biết rằng một công nghệ năng suất và hiệu quả hơn đang được giới thiệu ở Liên Xô, các Quốc gia đã mắc kẹt với phương pháp đã chọn ban đầu - khuếch tán khí. Rõ ràng, tình hình hiện tại có lợi cho Liên Xô và giúp Liên Xô có thể nhanh chóng đạt được sự ngang bằng về hạt nhân. Đồng thời, sự phát triển tiên phong của các nhà khoa học và kỹ sư Liên Xô nhằm tạo ra máy ly tâm khí hiệu suất cao đã không vô ích, đưa Nga lên vị trí dẫn đầu trên thị trường thế giới về làm giàu uranium và sản xuất máy ly tâm.

Sản phẩm uranium được làm giàu từ bốn nhà máy sẽ được chuyển đến Nhà máy chế tạo máy (khu vực Elektrostal, Moscow) và Nhà máy cô đặc hóa chất Novosibirsk (khu vực cùng tên ở Novosibirsk), nơi thực hiện toàn bộ chu trình sản xuất nhiên liệu hạt nhân. Zirconium làm thanh nhiên liệu và các vật liệu kết cấu khác cho cụm nhiên liệu được cung cấp bởi Nhà máy cơ khí Chepetsk (Glazov, Cộng hòa Udmurt) - doanh nghiệp duy nhất ở Nga và thứ ba trên thế giới sản xuất các sản phẩm zirconium.

Các tổ hợp nhiên liệu đã sản xuất được cung cấp cho các nhà máy điện hạt nhân của Nga và nước ngoài, đồng thời cũng được sử dụng trong các lò phản ứng cho các mục đích khác.

Các doanh nghiệp tinh chế, chuyển đổi và làm giàu uranium, chế tạo nhiên liệu hạt nhân, sản xuất máy ly tâm khí cũng như các tổ chức thiết kế và nghiên cứu được hợp nhất trong Công ty Nhiên liệu TVEL của Rosatom (www.tvel.ru).

Là kết quả của nhiều năm hoạt động thành công của công ty này và các doanh nghiệp thành viên, Rosatom tự tin đứng đầu danh sách các nhà cung cấp dịch vụ lớn nhất trong lĩnh vực làm giàu uranium (36% thị trường thế giới).

Có một ngân hàng nhiên liệu hạt nhân ở Angarsk - một nguồn dự trữ đảm bảo có thể được mua bởi một quốc gia vì lý do nào đó không có cơ hội mua uranium trên thị trường tự do. Từ nguồn dự trữ này, nó sẽ có thể sản xuất nhiên liệu hạt nhân mới và đảm bảo hoạt động liên tục của ngành điện hạt nhân.

Thị phần của Rosatom trên thị trường nhiên liệu hạt nhân toàn cầu là 17%, nhờ đó mọi lò phản ứng điện thứ sáu trên Trái đất đều được nạp nhiên liệu loại TVEL. Việc giao hàng đến Hungary, Slovakia, Cộng hòa Séc, Bulgaria, Ukraine, Armenia, Phần Lan, Ấn Độ và Trung Quốc.

Thị trường làm giàu uranium hàng đầu thế giới (2015), thị trường chế tạo nhiên liệu đáy thế giới (2015)

Mở hay đóng?

Có thể lưu ý rằng chương này không thảo luận về việc sản xuất nhiên liệu hạt nhân cho các lò phản ứng nghiên cứu, cũng như các lò phản ứng được lắp đặt trên tàu ngầm hạt nhân và tàu phá băng. Toàn bộ cuộc thảo luận được dành cho nhiên liệu hạt nhân được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân. Tuy nhiên, điều này không được thực hiện một cách tình cờ. Thực tế là đơn giản là không có sự khác biệt cơ bản nào giữa trình tự sản xuất nhiên liệu cho các nhà máy điện hạt nhân và các tàu ngầm hạt nhân chẳng hạn. Tất nhiên, có thể có những sai lệch về công nghệ liên quan đến đặc tính của tàu và lò phản ứng nghiên cứu. Ví dụ, chiếc trước đây phải có kích thước nhỏ, đồng thời, khá mạnh mẽ - đây là yêu cầu hoàn toàn tự nhiên đối với một tàu phá băng và hơn nữa là một tàu ngầm hạt nhân cơ động. Các chỉ số cần thiết có thể đạt được bằng cách tăng cường làm giàu uranium, nghĩa là bằng cách tăng nồng độ hạt nhân phân hạch - khi đó sẽ cần ít nhiên liệu hơn. Đây chính xác là những gì họ làm: mức độ làm giàu uranium được sử dụng làm nhiên liệu cho các lò phản ứng trên tàu là khoảng 40% (tùy thuộc vào dự án, nó có thể dao động từ 20 đến 90%). Trong các lò phản ứng nghiên cứu, yêu cầu chung là đạt được sản lượng neutron tối đa và số lượng neutron trong lò phản ứng cũng liên quan trực tiếp đến số lượng hạt nhân phân hạch. Do đó, trong các cơ sở lắp đặt dành cho nghiên cứu khoa học, uranium được làm giàu ở mức độ cao đôi khi được sử dụng với hàm lượng uranium-235 cao hơn nhiều so với nhiên liệu của các lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân. Nhưng điều này không làm thay đổi công nghệ làm giàu.

Thiết kế của lò phản ứng có thể xác định thành phần hóa học của nhiên liệu và vật liệu chế tạo thanh nhiên liệu. Hiện nay, dạng hóa học chính của nhiên liệu là uranium dioxide. Đối với các thanh nhiên liệu, chúng chủ yếu là zirconium, nhưng, ví dụ, đối với lò phản ứng neutron nhanh BN-600, các thanh nhiên liệu được làm từ thép không gỉ. Điều này là do việc sử dụng natri lỏng làm chất làm mát trong lò phản ứng BN, trong đó zirconium phân hủy (ăn mòn) nhanh hơn thép không gỉ. Tuy nhiên, bản chất của quá trình chế tạo nhiên liệu hạt nhân vẫn giữ nguyên - bột uranium dioxide được tổng hợp từ một sản phẩm uranium đã được làm giàu, được ép thành viên và thiêu kết, các viên này được đặt trong thanh nhiên liệu và thanh nhiên liệu được lắp ráp thành nhiên liệu. hội đồng (FA).

Hơn nữa, nếu chúng ta xem xét chu trình nhiên liệu hạt nhân của các quốc gia khác nhau, thì chẳng hạn, ở Nga, các hợp chất uranium trong quá trình chuyển đổi được flo hóa trực tiếp bằng flo phân tử, và ở nước ngoài, trước tiên chúng được xử lý bằng axit flohydric và chỉ sau đó bằng flo. Sự khác biệt có thể được tìm thấy trong thành phần hóa học của các dung dịch quặng “mở”, chất hấp thụ và chất chiết; Các thông số của các quá trình có thể khác nhau... Nhưng điều này không làm thay đổi sơ đồ của chu trình nhiên liệu hạt nhân. Sự khác biệt cơ bản chỉ nằm giữa phiên bản mở (mở) và đóng (đóng): trong trường hợp đầu tiên, nhiên liệu sau khi “làm việc” tại nhà máy điện hạt nhân chỉ được cách ly với môi trường trong một kho chứa sâu, còn trong trường hợp sau, nó được xử lý để trích xuất các thành phần có giá trị (xem chương 7). Nga là một trong số ít quốc gia thực hiện chu trình khép kín.

Một ví dụ về chu trình nhiên liệu khép kín thể hiện vai trò của Công ty Nhiên liệu TVEL của Rosatom

FA (lắp nhiên liệu)

Nhiên liệu hạt nhân- vật liệu được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân để thực hiện phản ứng phân hạch dây chuyền có kiểm soát. Nhiên liệu hạt nhân về cơ bản khác với các loại nhiên liệu khác được nhân loại sử dụng; nó cực kỳ tiêu tốn năng lượng nhưng cũng rất nguy hiểm đối với con người, do đó đặt ra nhiều hạn chế trong việc sử dụng vì lý do an toàn. Vì lý do này và nhiều lý do khác, nhiên liệu hạt nhân khó sử dụng hơn nhiều so với bất kỳ loại nhiên liệu hữu cơ nào và đòi hỏi nhiều biện pháp tổ chức và kỹ thuật đặc biệt khi sử dụng cũng như nhân sự có trình độ cao xử lý vấn đề này.

thông tin chung

Phản ứng dây chuyền hạt nhân là sự phân chia hạt nhân thành hai phần gọi là mảnh phân hạch, với sự giải phóng đồng thời một số (2-3) neutron, do đó, có thể gây ra sự phân hạch của các hạt nhân tiếp theo. Sự phân hạch này xảy ra khi một neutron chạm vào hạt nhân của một nguyên tử của chất ban đầu. Các mảnh phân hạch hình thành trong quá trình phân hạch hạt nhân có động năng cao. Sự ức chế các mảnh phân hạch trong vật chất đi kèm với việc giải phóng một lượng nhiệt lớn. Các mảnh phân hạch là hạt nhân được hình thành trực tiếp do quá trình phân hạch. Các mảnh phân hạch và sản phẩm phân rã phóng xạ của chúng thường được gọi là sản phẩm phân hạch. Hạt nhân bị phân hạch bởi neutron có năng lượng bất kỳ được gọi là nhiên liệu hạt nhân (theo quy luật, đây là những chất có số nguyên tử lẻ). Có những hạt nhân chỉ được phân hạch bởi các neutron có năng lượng trên một giá trị ngưỡng nhất định (theo quy luật, đây là những nguyên tố có số nguyên tử chẵn). Những hạt nhân như vậy được gọi là nguyên liệu thô, vì khi neutron bị hạt nhân ngưỡng bắt giữ, hạt nhân nhiên liệu hạt nhân sẽ được hình thành. Sự kết hợp giữa nhiên liệu hạt nhân và nguyên liệu thô được gọi là nhiên liệu hạt nhân. Dưới đây là sự phân bố năng lượng phân hạch của hạt nhân 235 U giữa các sản phẩm phân hạch khác nhau (tính bằng MeV):

Vì năng lượng neutrino bị mang đi không thể thu hồi nên chỉ có 188 MeV/nguyên tử = 30 pJ/nguyên tử = 18 TJ/mol = 76,6 TJ/kg có sẵn để sử dụng (theo dữ liệu khác (xem liên kết) 205,2 - 8,6 = 196 ,6 MeV /nguyên tử).

Uranium tự nhiên bao gồm ba đồng vị: 238 U (99,282%), 235 U (0,712%) và 234 U (0,006%). Nó không phải lúc nào cũng thích hợp làm nhiên liệu hạt nhân, đặc biệt nếu vật liệu kết cấu và chất điều tiết hấp thụ mạnh neutron. Trong trường hợp này, nhiên liệu hạt nhân được làm từ uranium đã được làm giàu. Các lò phản ứng năng lượng neutron nhiệt sử dụng uranium với độ làm giàu dưới 6%, trong khi các lò phản ứng neutron nhanh và trung bình sử dụng uranium làm giàu trên 20%. Uranium đã làm giàu được sản xuất tại các nhà máy làm giàu đặc biệt.

Phân loại

Nhiên liệu hạt nhân được chia thành hai loại:

• Uranium tự nhiên chứa hạt nhân phân hạch 235 U, cũng như nguyên liệu thô 238 U, có khả năng tạo thành plutonium 239 Pu khi bắt neutron;
• Nhiên liệu thứ cấp không có trong tự nhiên, bao gồm 239 Pu, thu được từ loại nhiên liệu thứ nhất, cũng như các đồng vị 233 U được hình thành khi neutron bị hạt nhân 232 Th thorium bắt giữ.

Theo thành phần hóa học, nhiên liệu hạt nhân có thể là:

• Kim loại, kể cả hợp kim;
• Oxit (ví dụ UO 2);
• Cacbua (ví dụ: PuC 1-x)
• Hỗn hợp (PuO2 + UO2)

Các khía cạnh lý thuyết của ứng dụng

Nhiên liệu hạt nhân được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân ở dạng viên có kích thước vài cm, thường nằm trong các phần tử nhiên liệu được hàn kín (các phần tử nhiên liệu), sau đó, để dễ sử dụng, chúng được kết hợp thành vài trăm thành cụm nhiên liệu ( FA).

Nhiên liệu hạt nhân có yêu cầu cao về khả năng tương thích hóa học với vỏ bọc thanh nhiên liệu; nó phải có đủ nhiệt độ nóng chảy và bay hơi, tính dẫn nhiệt tốt, thể tích tăng nhẹ trong quá trình chiếu xạ neutron và khả năng sản xuất.

Việc sử dụng kim loại urani, đặc biệt ở nhiệt độ trên 500°C, gặp khó khăn do tính trương nở của nó. Sau quá trình phân hạch hạt nhân, hai mảnh phân hạch được hình thành, tổng thể tích của chúng lớn hơn thể tích của một nguyên tử uranium (plutonium). Một số nguyên tử của mảnh phân hạch là nguyên tử khí (krypton, xenon, v.v.). Các nguyên tử khí tích tụ trong các lỗ của uranium và tạo ra áp suất bên trong, áp suất này tăng khi nhiệt độ tăng. Do sự thay đổi thể tích của các nguyên tử trong quá trình phân hạch và sự gia tăng áp suất bên trong của chất khí, uranium và các nhiên liệu hạt nhân khác bắt đầu phồng lên. Sự sưng tấy đề cập đến sự thay đổi tương đối về thể tích nhiên liệu hạt nhân liên quan đến phản ứng phân hạch hạt nhân.

Độ trương nở phụ thuộc vào quá trình đốt cháy và nhiệt độ của thanh nhiên liệu. Số lượng các mảnh phân hạch tăng lên khi độ đốt cháy tăng lên và áp suất khí bên trong tăng lên khi độ đốt cháy và nhiệt độ tăng lên. Sự trương nở của nhiên liệu hạt nhân có thể dẫn đến phá hủy lớp bọc thanh nhiên liệu. Nhiên liệu hạt nhân ít bị trương nở nếu có tính chất cơ học cao. Kim loại uranium không phải là một trong những vật liệu này. Do đó, việc sử dụng kim loại uranium làm nhiên liệu hạt nhân sẽ hạn chế độ sâu đốt cháy, đây là một trong những đặc điểm chính của nhiên liệu hạt nhân.

Khả năng chống bức xạ và tính chất cơ học của nhiên liệu được cải thiện sau khi hợp kim hóa uranium, một quá trình trong đó một lượng nhỏ molypden, nhôm và các kim loại khác được thêm vào uranium. Các chất phụ gia hợp kim làm giảm số lượng neutron phân hạch trên mỗi neutron được nhiên liệu hạt nhân thu giữ. Vì vậy, họ có xu hướng lựa chọn các chất phụ gia tạo hợp kim cho uranium từ những vật liệu có khả năng hấp thụ neutron yếu.

Nhiên liệu hạt nhân tốt bao gồm một số hợp chất uranium chịu lửa: oxit, cacbua và hợp chất liên kim loại. Loại gốm được sử dụng rộng rãi nhất là uranium dioxide UO 2. Điểm nóng chảy của nó là 2800 ° C, mật độ 10,2 g/cm³. Uranium dioxide không có sự chuyển pha và ít bị trương nở hơn hợp kim uranium. Điều này cho phép bạn tăng mức độ kiệt sức lên vài phần trăm. Uranium dioxide không phản ứng với zirconium, niobium, thép không gỉ và các vật liệu khác ở nhiệt độ cao. Nhược điểm chính của gốm là độ dẫn nhiệt thấp - 4,5 kJ/(m K), làm hạn chế công suất riêng của lò phản ứng về nhiệt độ nóng chảy. Như vậy, mật độ dòng nhiệt tối đa trong lò phản ứng VVER sử dụng uranium dioxide không vượt quá 1,4⋅10 3 kW/m2, trong khi nhiệt độ tối đa trong các thanh nhiên liệu đạt tới 2200°C. Ngoài ra, gốm nóng rất giòn và có thể nứt.

Công dụng thực tế

Biên lai

Nhiên liệu uranium

Nhiên liệu hạt nhân uranium thu được bằng cách xử lý quặng. Quá trình xảy ra trong một số giai đoạn:

• Đối với ruộng nghèo: Trong ngành công nghiệp hiện đại, do thiếu quặng urani giàu (ngoại trừ các mỏ ở Canada và Úc như không phù hợp, trong đó nồng độ urani đạt tới 3%) nên phương pháp lọc quặng dưới lòng đất được sử dụng. Điều này giúp loại bỏ việc khai thác quặng tốn kém. Chuẩn bị sơ bộ diễn ra trực tiếp dưới lòng đất. Bởi vì giếng phun axit sulfuric được bơm dưới lòng đất phía trên mỏ, đôi khi có thêm muối sắt (để oxy hóa uranium U(IV) thành U(VI)), mặc dù quặng thường chứa sắt và pyrolusite, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình oxy hóa. Bởi vì giếng bơm Sử dụng máy bơm đặc biệt, dung dịch axit sulfuric với uranium nổi lên bề mặt. Sau đó, nó trực tiếp đi đến quá trình hấp phụ, khai thác thủy luyện và đồng thời làm giàu uranium.
• Đối với các mỏ quặng: sử dụng làm giàu quặng và làm giàu quặng phóng xạ.
• Xử lý thủy luyện - nghiền, lọc, hấp phụ hoặc chiết xuất uranium để tạo ra oxit uranium tinh khiết (U 3 O 8), natri diuranate (Na 2 U 2 O 7) hoặc amoni diuranate ((NH 4) 2 U 2 O 7).
• Chuyển đổi uranium từ oxit thành tetraflorua UF 4, hoặc từ oxit trực tiếp để tạo ra hexafluoride UF 6, được sử dụng để làm giàu uranium bằng đồng vị 235.
• Làm giàu bằng cách khuếch tán nhiệt khí hoặc ly tâm.
• UF 6 được làm giàu bằng đồng vị 235 được chuyển thành UO 2 dioxide, từ đó tạo ra các “viên” nguyên tố nhiên liệu hoặc các hợp chất uranium khác cho mục đích tương tự.

Năng lượng hạt nhân được sử dụng trong kỹ thuật nhiệt điện, khi năng lượng được lấy từ nhiên liệu hạt nhân trong các lò phản ứng dưới dạng nhiệt. Nó được sử dụng để tạo ra năng lượng điện trong nhà máy điện hạt nhân (NPP), cho các nhà máy điện của tàu biển lớn, để khử muối trong nước biển.

Năng lượng hạt nhân có vẻ ngoài trước hết là do bản chất của neutron, được phát hiện vào năm 1932. Neutron là một phần của tất cả các hạt nhân nguyên tử ngoại trừ hạt nhân hydro. Các neutron liên kết trong hạt nhân tồn tại vô thời hạn. Ở dạng tự do, chúng tồn tại trong thời gian ngắn vì chúng phân rã với chu kỳ bán rã 11,7 phút, biến thành proton và phát ra electron và neutrino, hoặc nhanh chóng bị hạt nhân nguyên tử bắt giữ.

Năng lượng hạt nhân hiện đại dựa trên việc sử dụng năng lượng được giải phóng trong quá trình phân hạch của đồng vị tự nhiên uranium-235. Tại các nhà máy điện hạt nhân, phản ứng phân hạch hạt nhân có kiểm soát được thực hiện trong lò phản ứng hạt nhân. Theo năng lượng của neutron tạo ra phản ứng phân hạch hạt nhân, phân biệt lò phản ứng neutron nhiệt và lò phản ứng neutron nhanh.

Đơn vị chính của nhà máy điện hạt nhân là lò phản ứng hạt nhân, sơ đồ được thể hiện trong hình. 1. Chúng lấy năng lượng từ nhiên liệu hạt nhân, sau đó truyền năng lượng này sang chất lỏng hoạt động khác (nước, kim loại hoặc chất lỏng hữu cơ, khí) dưới dạng nhiệt; sau đó nó được chuyển đổi thành điện năng theo sơ đồ tương tự như sơ đồ thông thường.

Họ điều khiển quá trình, duy trì phản ứng, ổn định công suất, khởi động và dừng lò phản ứng bằng chuyển động đặc biệt. thanh điều khiển 6 Và 7 từ các vật liệu hấp thụ mạnh neutron nhiệt. Chúng được điều khiển bởi một hệ thống điều khiển 5 . hành động thanh điều khiển biểu hiện ở sự thay đổi sức mạnh của dòng neutron trong lõi. Theo kênh 10 nước tuần hoàn, làm mát bê tông bảo vệ sinh học

Thanh điều khiển được làm bằng boron hoặc cadmium, có khả năng chịu nhiệt, chống bức xạ và ăn mòn, bền về mặt cơ học và có đặc tính truyền nhiệt tốt.

Bên trong một thùng thép khổng lồ 3 có một cái giỏ 8 với các phần tử nhiên liệu 9 . Chất làm mát đi qua đường ống 2 , đi qua lõi, rửa sạch tất cả các phần tử nhiên liệu, làm nóng và đi qua đường ống 4 đi vào máy tạo hơi nước.

Cơm. 1. Lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng được đặt bên trong thiết bị ngăn chặn sinh học bằng bê tông dày 1 , giúp bảo vệ không gian xung quanh khỏi dòng bức xạ neutron, alpha, beta, gamma.

Các phần tử nhiên liệu (thanh nhiên liệu)- phần chính của lò phản ứng. Một phản ứng hạt nhân trực tiếp xảy ra bên trong chúng và nhiệt được giải phóng; tất cả các bộ phận khác có tác dụng cách nhiệt, kiểm soát và loại bỏ nhiệt. Về mặt cấu trúc, các phần tử nhiên liệu có thể được làm bằng thanh, tấm, hình ống, hình cầu, v.v. Thông thường chúng có dạng thanh, dài tới 1 mét, đường kính 10 mm. Chúng thường được lắp ráp từ các viên uranium hoặc từ các ống và tấm ngắn. Ở bên ngoài, các bộ phận nhiên liệu được bao phủ bởi lớp vỏ kim loại mỏng, chống ăn mòn. Zirconium, nhôm, hợp kim magiê, cũng như thép không gỉ hợp kim được sử dụng cho vỏ.

Việc truyền nhiệt tỏa ra trong phản ứng hạt nhân trong lõi lò phản ứng đến bộ phận làm việc của động cơ (tua bin) của các nhà máy điện được thực hiện theo sơ đồ một mạch, hai mạch và ba mạch (Hình 2).

Cơm. 2. Nhà máy điện hạt nhân
a – theo sơ đồ mạch đơn; b – theo sơ đồ mạch kép; c – theo sơ đồ ba mạch
1 – lò phản ứng; 2, 3 – bảo vệ sinh học; 4 – bộ điều chỉnh áp suất; 5 – tuabin; 6 – máy phát điện; 7 – tụ điện; 8 – máy bơm; 9 – công suất dự trữ; 10 – lò sưởi tái sinh; 11 – máy tạo hơi nước; 12 – máy bơm; 13 – bộ trao đổi nhiệt trung gian

Mỗi mạch là một hệ thống khép kín. lò phản ứng 1 (trong tất cả các mạch nhiệt) nằm bên trong mạch sơ cấp 2 và thứ cấp 3 bảo vệ sinh học. Nếu nhà máy điện hạt nhân được xây dựng theo mạch nhiệt một mạch, hơi nước từ lò phản ứng qua bộ điều áp 4 đi vào tuabin 5 . Trục tuabin được nối với trục máy phát điện 6 , trong đó dòng điện được tạo ra. Hơi thải đi vào thiết bị ngưng tụ, tại đây nó được làm mát và ngưng tụ hoàn toàn. Bơm 8 dẫn nước ngưng tụ tới lò sưởi tái sinh 10 , sau đó nó đi vào lò phản ứng.

Trong sơ đồ mạch kép, chất làm mát được làm nóng trong lò phản ứng đi vào máy tạo hơi nước 11 , trong đó nhiệt được truyền bằng cách gia nhiệt bề mặt đến chất làm mát của chất lỏng làm việc (nước cấp vào mạch thứ cấp). Trong các lò phản ứng làm mát bằng nước, chất làm mát trong bộ tạo hơi nước được làm mát khoảng 15...40 o C và sau đó bằng bơm tuần hoàn. 12 được đưa trở lại lò phản ứng.

Trong thiết kế ba mạch, chất làm mát (thường là natri lỏng) từ lò phản ứng được dẫn đến bộ trao đổi nhiệt trung gian. 13 và từ đó với một máy bơm tuần hoàn 12 quay trở lại lò phản ứng. Chất làm mát ở mạch thứ hai cũng là natri lỏng. Mạch này không được chiếu xạ và do đó không có tính phóng xạ. Mạch thứ cấp natri đi vào máy tạo hơi nước 11 , tỏa nhiệt cho chất lỏng làm việc, sau đó được bơm tuần hoàn đưa trở lại bộ trao đổi nhiệt trung gian.

Số lượng mạch tuần hoàn quyết định loại lò phản ứng, chất làm mát được sử dụng, tính chất vật lý hạt nhân và mức độ phóng xạ. Mạch vòng đơn có thể được sử dụng trong lò phản ứng sôi và trong lò phản ứng có chất làm mát bằng khí. Phổ biến nhất mạch kép khi sử dụng nước, khí đốt và chất lỏng hữu cơ làm chất làm mát. Sơ đồ ba mạch được sử dụng tại các nhà máy điện hạt nhân có lò phản ứng neutron nhanh sử dụng chất làm mát kim loại lỏng (hợp kim natri, kali, natri-kali).

Nhiên liệu hạt nhân có thể uranium-235, uranium-233 và plutonium-232. Nguyên liệu thô để sản xuất nhiên liệu hạt nhân - uranium và thorium tự nhiên. Một phản ứng hạt nhân của một gam vật liệu phân hạch (uranium-235) giải phóng năng lượng tương đương với 22×10 3 kW × h (19×10 6 cal). Để có được lượng năng lượng này cần phải đốt cháy 1900 kg dầu.

Uranium-235 luôn sẵn có và trữ lượng năng lượng của nó gần bằng năng lượng của nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, nếu nhiên liệu hạt nhân được sử dụng với hiệu suất thấp như hiện nay thì nguồn uranium sẵn có sẽ cạn kiệt trong vòng 50-100 năm tới. Đồng thời, “khoản tiền gửi” nhiên liệu hạt nhân thực tế là vô tận - đây là uranium hòa tan trong nước biển. Ở đại dương nhiều hơn hàng trăm lần so với trên đất liền. Chi phí để thu được một kg uranium dioxide từ nước biển là khoảng 60-80 USD, trong tương lai nó sẽ giảm xuống còn 30 USD, và chi phí của uranium dioxide được khai thác ở những mỏ giàu nhất trên đất liền là 10-20 USD. Vì vậy, sau một thời gian, chi phí trên đất liền và “trên mặt nước biển” sẽ ngang nhau.

Giá nhiên liệu hạt nhân thấp hơn khoảng hai lần so với than hóa thạch. Tại các nhà máy điện đốt than, tỷ lệ nhiên liệu giảm 50-70% chi phí điện và tại các nhà máy điện hạt nhân - 15-30%. Một nhà máy nhiệt điện hiện đại có công suất 2,3 triệu kW (ví dụ Nhà máy điện quận Samara) tiêu thụ khoảng 18 tấn than (6 đoàn tàu) hoặc 12 nghìn tấn dầu đốt (4 đoàn tàu) mỗi ngày. Hạt nhân, cùng công suất, chỉ tiêu thụ 11 kg nhiên liệu hạt nhân mỗi ngày và 4 tấn trong năm. Tuy nhiên, nhà máy điện hạt nhân đắt hơn nhà máy nhiệt điện về mặt xây dựng, vận hành và sửa chữa. Ví dụ, việc xây dựng một nhà máy điện hạt nhân có công suất 2 - 4 triệu kW tốn kém hơn khoảng 50 - 100% so với nhà máy nhiệt điện.

Có thể giảm chi phí vốn cho việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân do:

1. tiêu chuẩn hóa và thống nhất thiết bị;
2. phát triển các thiết kế lò phản ứng nhỏ gọn;
3. cải thiện hệ thống quản lý và quy định;
4. giảm thời gian ngừng hoạt động của lò phản ứng để tiếp nhiên liệu.

Một đặc tính quan trọng của nhà máy điện hạt nhân (lò phản ứng hạt nhân) là hiệu suất của chu trình nhiên liệu. Để nâng cao hiệu suất chu trình nhiên liệu, bạn nên:

• tăng cường đốt cháy nhiên liệu hạt nhân;
• nâng cao tỷ lệ sản xuất plutonium.

Với mỗi lần phân hạch hạt nhân uranium-235, 2-3 neutron được giải phóng. Trong số này, chỉ có một chất được sử dụng cho phản ứng tiếp theo, số còn lại sẽ bị mất đi. Tuy nhiên, có thể sử dụng chúng để tái tạo nhiên liệu hạt nhân, tạo ra các lò phản ứng neutron nhanh. Khi vận hành lò phản ứng neutron nhanh, có thể đồng thời thu được khoảng 1,7 kg plutonium-239 trên 1 kg uranium-235 bị đốt cháy. Bằng cách này, hiệu suất nhiệt thấp của các nhà máy điện hạt nhân có thể được khắc phục.

Lò phản ứng neutron nhanh có hiệu suất cao hơn hàng chục lần (về việc sử dụng nhiên liệu hạt nhân) so với lò phản ứng neutron nhiên liệu. Chúng không chứa chất điều tiết và sử dụng nhiên liệu hạt nhân có độ giàu cao. Các neutron thoát ra khỏi lõi được hấp thụ không phải bởi các vật liệu cấu trúc mà bởi uranium-238 hoặc thorium-232 nằm xung quanh chúng.

Trong tương lai, vật liệu phân hạch chính cho các nhà máy điện hạt nhân sẽ là plutonium-239 và uranium-233, lần lượt thu được từ uranium-238 và thorium-232 trong các lò phản ứng neutron nhanh. Việc chuyển đổi uranium-238 thành plutonium-239 trong các lò phản ứng sẽ làm tăng nguồn nhiên liệu hạt nhân lên khoảng 100 lần và thorium-232 thành uranium-233 lên 200 lần.

Trong bộ lễ phục. Hình 3 thể hiện sơ đồ một nhà máy điện hạt nhân sử dụng neutron nhanh.

Đặc điểm nổi bật của nhà máy điện hạt nhân neutron nhanh là:

1. Việc thay đổi mức tới hạn của lò phản ứng hạt nhân được thực hiện bằng cách phản xạ một phần neutron phân hạch của nhiên liệu hạt nhân từ ngoại vi trở lại lõi bằng vật phản xạ 3 ;
2. phản xạ 3 có thể quay, làm thay đổi sự rò rỉ neutron và do đó làm thay đổi cường độ của các phản ứng phân hạch;
3. nhiên liệu hạt nhân được tái tạo;
4. Năng lượng nhiệt dư thừa được loại bỏ khỏi lò phản ứng bằng tủ lạnh tản nhiệt 6 .

Cơm. 3. Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân sử dụng neutron nhanh:
1 – phần tử nhiên liệu; 2 – nhiên liệu hạt nhân tái tạo; 3 – vật phản xạ neutron nhanh; 4 – lò phản ứng hạt nhân; 5 – người tiêu dùng điện; 6 – máy phát tủ lạnh; 7 – bộ chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng; 8 – bảo vệ bức xạ.

Bộ chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện

Dựa trên nguyên lý sử dụng năng lượng nhiệt do nhà máy điện hạt nhân tạo ra, các bộ chuyển đổi có thể được chia thành 2 loại:

1. máy (động);
2. không cần máy (bộ chuyển đổi trực tiếp).

Trong các bộ chuyển đổi máy, một bộ tuabin khí thường được nối với lò phản ứng, trong đó chất lỏng làm việc có thể là hydro, heli hoặc hỗn hợp helium-xenon. Hiệu suất chuyển đổi nhiệt cung cấp trực tiếp cho máy phát điện tua bin thành điện năng khá cao - hiệu suất chuyển đổi η = 0,7-0,75.

Sơ đồ của một nhà máy điện hạt nhân với bộ chuyển đổi (máy) tuabin khí động lực được thể hiện trên Hình 2. 4.

Một loại máy chuyển đổi khác là máy phát điện từ khí động hoặc từ thủy động lực (MGDG). Sơ đồ của một máy phát điện như vậy được hiển thị trong Hình. 5. Máy phát điện là một kênh hình chữ nhật, có hai thành làm bằng chất điện môi và hai thành bằng vật liệu dẫn điện. Một chất lỏng làm việc dẫn điện—lỏng hoặc khí—di chuyển qua các kênh và bị từ trường xuyên qua. Như đã biết, khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất hiện một lực điện động qua các điện cực. 2 chuyển tới người tiêu dùng điện 3 . Nguồn năng lượng cho dòng nhiệt hoạt động là nhiệt thoát ra trong lò phản ứng hạt nhân. Năng lượng nhiệt này được sử dụng cho các điện tích chuyển động trong từ trường, tức là được chuyển đổi thành động năng của tia dẫn dòng điện và động năng thành năng lượng điện.

Cơm. 4. Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân có bộ chuyển đổi tuabin khí:
1 – lò phản ứng; 2 – mạch làm mát bằng kim loại lỏng; 3 – bộ trao đổi nhiệt để cung cấp nhiệt cho khí; 4 – tuabin; 5 – máy phát điện; 6 – máy nén; 7 – máy phát tủ lạnh; 8 – mạch tản nhiệt; 9 – bơm tuần hoàn; 10 – bộ trao đổi nhiệt để loại bỏ nhiệt; 11 – thiết bị trao đổi nhiệt-tái sinh; 12 – mạch có chất lỏng làm việc của bộ chuyển đổi tuabin khí.

Bộ chuyển đổi trực tiếp (không dùng máy) năng lượng nhiệt thành năng lượng điện được chia thành:

1. nhiệt điện;
2. nhiệt điện;
3. điện hóa.

Máy phát nhiệt điện (TEG) dựa trên nguyên lý Seebeck, trong đó có thực tế là trong một mạch kín bao gồm các vật liệu khác nhau, hiện tượng nhiệt điện xảy ra nếu duy trì chênh lệch nhiệt độ tại các điểm tiếp xúc của các vật liệu này (Hình 6). ). Để tạo ra điện, nên sử dụng TEG bán dẫn có hiệu suất cao hơn, đồng thời nhiệt độ điểm nối nóng phải nâng lên 1400 K trở lên.

Bộ chuyển đổi nhiệt điện (TEC) có thể tạo ra điện nhờ sự phát xạ electron từ cực âm được nung nóng đến nhiệt độ cao (Hình 7).

Cơm. 5. Máy phát điện từ khí động lực:
1 – từ trường; 2 – điện cực; 3 – người tiêu dùng điện; 4 – chất điện môi; 5 – dây dẫn; 6 – chất lỏng làm việc (khí).

Cơm. 6. Sơ đồ hoạt động của máy phát nhiệt điện

Cơm. 7. Sơ đồ hoạt động của bộ chuyển đổi nhiệt điện

Để duy trì dòng điện phát ra, nhiệt được cung cấp cho cực âm Q 1 . Các electron phát ra từ cực âm sau khi vượt qua khe chân không sẽ đến cực dương và bị nó hấp thụ. Khi các electron “ngưng tụ” ở cực dương, năng lượng được giải phóng bằng công năng của các electron có dấu ngược lại. Nếu chúng ta cung cấp nhiệt liên tục cho cực âm và loại bỏ nó khỏi cực dương, thì thông qua tải R dòng điện một chiều sẽ chạy qua. Sự phát xạ điện tử xảy ra hiệu quả ở nhiệt độ catốt trên 2200 K.

An toàn và độ tin cậy của nhà máy điện hạt nhân

Một trong những vấn đề chính trong phát triển năng lượng hạt nhân là đảm bảo độ tin cậy và an toàn của các nhà máy điện hạt nhân.

An toàn bức xạ được đảm bảo bằng:

1. tạo ra các cấu trúc và thiết bị đáng tin cậy để bảo vệ sinh học cho nhân viên khỏi bức xạ;
2. lọc không khí và nước ra khỏi khuôn viên nhà máy điện hạt nhân;
3. khai thác và xác định vị trí đáng tin cậy của ô nhiễm phóng xạ;
4. giám sát bức xạ hàng ngày của cơ sở nhà máy điện hạt nhân và giám sát bức xạ cá nhân của nhân viên.

Cơ sở của NPP, tùy thuộc vào chế độ vận hành và thiết bị được lắp đặt trong đó, được chia thành 3 loại:

1. khu vực an ninh cao;
2. khu vực hạn chế;
3. vùng chế độ bình thường.

Nhân viên được bố trí cố định trong các phòng loại thứ ba; những phòng này tại nhà ga an toàn về bức xạ.

Trong quá trình vận hành các nhà máy điện hạt nhân, chất thải phóng xạ rắn, lỏng và khí được tạo ra. Chúng phải được xử lý theo cách không gây ô nhiễm môi trường.

Khí thoát ra khỏi cơ sở trong quá trình thông gió có thể chứa các chất phóng xạ ở dạng khí dung, bụi phóng xạ và khí phóng xạ. Hệ thống thông gió của nhà ga được xây dựng sao cho các luồng không khí đi từ nơi “sạch” nhất đến nơi “ô nhiễm” nhất và loại trừ các luồng không khí theo hướng ngược lại. Tại tất cả các khu vực của trạm, việc thay thế không khí hoàn toàn được thực hiện trong vòng không quá một giờ.

Trong quá trình vận hành các nhà máy điện hạt nhân, vấn đề xử lý và tiêu hủy chất thải phóng xạ phát sinh. Các nguyên tố nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng được giữ trong một thời gian nhất định trong bể nước trực tiếp tại nhà máy điện hạt nhân cho đến khi các đồng vị có chu kỳ bán rã ngắn được ổn định, sau đó các nguyên tố nhiên liệu được gửi đến các nhà máy hóa phóng xạ đặc biệt để tái sinh. Ở đó, nhiên liệu hạt nhân được chiết xuất từ ​​​​các thanh nhiên liệu và chất thải phóng xạ sẽ được chôn cất.