Глава 5. Ядерный топливный цикл

• Как добывают урановую руду?

• Как ее обогащают?

• Чем рискует шахтер на урановом руднике?

• Как изготавливают топливо для ядерных реакторов?

• Что делают с отработанным ядерным топливом?

• Какими бывают ядерные «отходы»?

• Как их перерабатывают и хранят?

В отличие от угля, урановую руду нельзя подавать непосредственно на электростанцию. Сначала ее надо очистить от посторонних примесей, повысить содержание изотопа U-235 (провести обогащение) и поместить в специальные топливные стержни. На АЭС топливо попадает уже в виде конструкционных узлов, готовых к установке в активную зону реактора. Таким образом, прежде, чем добываемый из руды уран попадает в реактор, он должен пройти целый ряд технологических процессов, называемых топливным циклом.

Топливный цикл описывает путь, по которому топливо попадает в ядерный реактор, и по которому его покидает. Он включает в себя этапы:

• производство топлива,

• подготовку его к использованию,

• утилизацию отработанного топлива.

В зависимости от вида ядерного топлива и конкретных условий ядерные топливные циклы могут различаться в деталях, но общая их принципиальная схема сохраняется.

Уже сам термин "топливный цикл" говорит о том, что отработанное ядерной топливо (ОЯТ) может повторно использоваться на ядерных установках в свежих тепловыделяющих элементах после специальной обработки.

Добыча руды

Начальная стадия ядерного топливного цикла – урановый рудник, где добывается урановая руда. Наиболее существенным риском в уранодобывающей промышленности является облучение шахтеров газом радон с последующей вероятностью возникновения рака легкого. Такое облучение практически исключено за последние более чем тридцать лет. Присутствие некоторого количества радона и продуктов радиоактивного распада в районах размещения предприятий уранодобывающей промышленности несет в себе повышенную, хотя и небольшую опасность, сходную с вдыханием пыли в угольной шахте. В обоих случаях, использование современных технологий снижает уровень опасности для здоровья персонала до минимума, и риски от этих факторов намного меньше, чем от техногенных инцидентов.

После очистки руды получается концентрат окиси урана U₃ O₈ (порошок зеленого цвета), который отправляется на дальнейшую переработку. Его изотопный состав такой же, как и у руды, в которой содержание U-235 не превышает 0,7%. Остальная часть - это более тяжелый изотоп урана U-238 с небольшим содержанием U-234. Большинство реакторов не могут работать на таком топливе. Содержание изотопа U-235 должно быть увеличено, приблизительно, до 3,5%. На необогащенном уране могут работать канадские реакторы типа CANDU.

Обогащение руды

Обогащение - это процесс, использующий высокие технологии, для которых необходимо, чтобы уран был в газообразной форме. Самый простой способ достичь этого – преобразовать окись урана в гексафторид урана (UF₆), который при температуре немного выше комнатной находится в газообразном состоянии. Следовательно, окись урана должна вначале попасть на завод, где произойдет ее преобразование в гексафторид урана.

После этого на обогатительном заводе происходит увеличение концентрации расщепляющегося изотопа U-235 в UF₆. При этом приблизительно 85% естественного уранового топлива как "обедненный уран" или "отходы" (главным образом, U-238), закладываются на длительное хранение. Таким образом, после обогащения приблизительно 15% от первоначального количества UF₆ представляет собой обогащенный уран, содержащий приблизительно 3,5% изотопа U-235.

Методы обогащения основаны на использовании разности в массах атомов U-235 и U-238. Большинство существующих установок используют процесс газовой диффузии, где UF₆ пропускается через длинный ряд мембранных барьеров, которые молекулы, содержащие U-235, преодолевают быстрее, чем молекулы, содержащие U-238. Для той же цели можно используют высокооборотные центрифуги.

Изготовление тепловыделяющих элементов

Обогащенный уран поступает на завод по изготовлению тепловыделяющих элементов.

Здесь UF₆ преобразовывается в двуокись урана (керамический материал), из которого формируются цилиндрические таблетки, приблизительно 2 см высотой и 1,5 см диаметром. Таблетки помещаются в специальные трубки из нержавеющей стали (или из сплава циркония) длиной приблизительно 4 метра, называемые тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). Трубки собирают в связки площадью приблизительно 30 см², которые образуют реакторные топливные сборки . Такие топливные сборки применяют практически во всех легко-водных реакторах. В реактор мощностью в 1000 МВт погружают около 75 тонн топлива в таких сборках.