Лекция 15. Воздействие топливного цикла аэс на окружающую среду

Можно выделить условно три основных составляющих:

• ядерный топливный цикл и снижение его воздействия на окружающею среду (ОС);

• повышение безопасности при эксплуатации, снижение риска для населения, персонала и ОС;

• прекращение эксплуатации и демонтаж с минимизацией воздействия на ОС.

Безопасность при эксплуатации во многом закладывается в проекте, например, более безопасным считается иногда заглубленное размещение АЭС с ВВЭР (PWR) (рис. 15.1). Это не очевидный путь.

а)

б)

в)

Рис. 15.1. Расположение АЭС с ВВЭР:

а – обычное наземное; б – заглубленное на 30 м; в – на 40 м.

Этому несколько причин:

• удорожание одного 1 кВт·ч с ростом глубины заложения. Проектные изыскания по АЭС "Candia" (США) показали удорожание при различной глубине залегания АЭС: неглубокое – 14–25%, 31 м – 27%, 40 м – 46%;

• удорожание, в основном, наблюдается из-за требований обеспечения антисейсмичности в условиях размещения тяжелых элементов СПОТ (системы пассивного отвода тепла) на повышенных относительно реактора отметках.

• при разносе высот между центрами активной зоны и парогенератора ~9,3 м удается (как в типовом проекте) отводить тепло самоциркуляцией при мощности до 1000 МВт (тепловых); при 25–30м – до 2000 МВт. Полностью безнасосную (без ГЦН) схему циркуляции теплоносителя в I-м контуре даже при очень значительных заглублениях АЭС добиться вряд ли удастся. Кроме того, в существующих ВАБ АЭС (вероятностных анализах безопасности) показано, что ГЦН (главные циркуляционные насосы) вносят лишь относительно невысокую долю в общую аварийность. Проблемы, связанные с локализацией больших и средних течей и др. остаются, а их решение с заглублением АЭС, возможно, даже усложнится.

• заглубленная оболочка должна быть герметична до давлений 15–20 кг/см² вместо 8 кг/см² (в типовом проекте). Проблемы с безопасностью остаются (миграция радионуклидов в почву и грунтовые воды), затруднены локализации аварий в стесненных пространствах при подземной компоновке.

В варианте наземных АЭС необходим двойной защитный контейнмент с вентилируемым зазором между внутренней и внешней оболочкой, а возможно, ловушка расплава активной зоны (кориума). Это также удорожает стоимость АЭС в заглубленном проекте.

Топливный цикл

Содержание ⁵U в естественной смеси изотопов ⁵U и ⁸U составляет: 0,7 – в расчетах в России; 0,71 – в США.

Источниками искусственного горючего для АЭС являются цепочки: "уран – плутониевая" и "торий – урановая":

;

.

Уран добывают из уранитов () а торий – из монацитов (), содержащихся в земной коре (табл. 15.1).

Получение концентратов чистых соединений и преобразование урана

Применяются различные методы извлечения урана:

• выщелачивание (извлечение) – химический метод (кислотные, щелочные реактивы);

• измельчение, дробление – физический метод;

• электростатический метод;

• флотационный метод (с обжигом для улучшения растворимости).

Руда из рудников измельчается до состояния мелкого песка (мокрого). Суспензию направляют в контур вышелачивания, туда же – кислоту, часто – окислитель, чтобы перевести U в шестивалентное состояние, соединения которого имеют высокую растворимость.

После выщелачивания – разделение жидкой и твердой фаз.

Уран извлекают из раствора методом селективной экстракции.

Селективная экстракция – способность органических растворителей (керосиновый раствор трибутил-фосфата) образовывать с солями урана нерастворимые комплексы.

Таблица 15.1

Месторождения урана и тория

Страна	Форма	Процентное содержание
Чехия, Словакия, Южная Африка, Канада (Северо-Запад), Австралия	U3O8уранит, Минералы, Протерозойское залегание	до 1% U3O8
США, Габон, Нигер	Песчаники	0,04–0,25%U3O8
Намибия, Гренландия, Аляска, Бразилия	Скальные породы, гранит, базальт	0,13%
Индия, Бразилия, США, Египет	Монацит ThSiO4	до 4,6%–7% поTh

Реэкстракция – растворение в избытке растворителя и получение концентрированного раствора урана, затем следующие стадии: осаждение урана, обезвоживание, сушка, упаковка, отправка на металлургический завод.

Очистка от примесей, особенно с высоким сечением поглощения нейтронов – ¹⁰B, Cd – до нескольких сотых миллионных долей – промилле (ppm) или десятков миллиардных долей пробилле (ppb).

Урановые концентраты растворяют в азотной кислоте – перевод в уранилнитрат. Затем экстракция вновь в керосиновых растворах трибутилфосфата для получения UO₂, UO₃ или U₃O₈ высоких концентрации.