Изготовление топлива
Обогащённый уран служит исходным сырьём для изготовления топлива ядерных реакторов. Ядерное топливо применяется в реакторах в виде металлов, сплавов, оксидов, карбидов, нитридов и других топливных композиций, которым придаётся определённая конструкционная форма. Конструкционной основой ядерного топлива в реакторе является тепловыделяющий элемент – твэл, состоящий из сердечника (топлива) и оболочки (покрытия). В каждом из реакторов ВВЭР и РБМК содержится около 50 000 твэлов, заполненных таблетками из диоксидов урана. Определенное количество твэлов собирают вместе в единую конструкцию – тепловыделяющую сборку (ТВС). Основные предприятия, которые заняты в производстве ТВС – это машиностроительный завод «Элемаш» (г. Электросталь), Новосибирский завод химконцентратов, Чепецкий механический завод.
Готовые ТВС доставляют на АЭС в специальных контейнерах железнодорожным, автомобильным или морским транспортом. В отдельных случаях используют воздушный транспорт.
Современные предприятия, производящие реакторное топливо, представляют собой промышленные комплексы, технологический цикл которых включает следующие этапы:
- получение порошка диоксида урана из UF6;
- изготовление спеченных таблеток;
- подготовку трубчатых оболочек твэлов и концевых деталей;
- упаковку топливных таблеток в оболочки;
- установку концевых деталей, герметизацию (сваркой);
- подготовку и комплектование деталей для ТВС;
- изготовление ТВС;
- разборку забракованных твэлов и ТВС и переработку отходов.
Товарной продукцией на данной стадии топливного цикла является ядерное топливо в виде, пригодном для непосредственного использования в реакторе.
Рассмотренные до сих пор производства составляют начальную стадию ядерного топливного цикла. Затем топливо поступает в ядерный реактор и обеспечивает производство заданного количества электроэнергии. Процессы, происходящие в ядерном реакторе, сопровождаются выгоранием ядер урана, накоплением продуктов деления (новые химические элементы), воспроизводством плутония. Но на этом топливный цикл на АЭС не заканчивается: отработавшие ТВС необходимо выгрузить из реактора, поместить в бассейн выдержки для уменьшения остаточного тепловыделения и снижения радиоактивности, а затем либо надёжно и безопасно хранить (открытый топливный цикл), либо переработать (замкнутый топливный цикл).
Мировая потребность топлива в перерасчете на природный уран для работы более четырехсот блоков АЭС возросла к 2000 году до 64,2 тыс. тонн. С учетом энергетических установок флотов, военных и исследовательских реакторов эта цифра значительно выше. По оценкам экспертов Уранового института (Международная ассоциация по ядерной энергии), ресурсов урана более чем достаточно, чтобы удовлетворить потребности развития ядерной энергетики до 2020 года. Исходя из потребности в 60-80 тыс. т урана в год в ближайшие 20 лет мировые ресурсы порядка 3 млн т урана по цене извлечения ниже 80 долларов США за килограмм урана могут обеспечить 30-40 лет потребления. Согласно данным Международного Энергетического Агенства рентабельной считается цена извлечения до 130 долларов за килограмм. Таких запасов урана по оценкам более 15 млн тонн. Сегодняшнее мировое производство (около 36 тыс. т) лишь на 60% покрывает потребности рынка. Баланс достигается за счет вторичных источников урана: запасы в хранилищах оцениваются в 215 тыс. т, военный уран (от 7 до10 тыс.т), обедненный (отвальные «урановые» хвосты) и регенерированный уран. Значительная доля этих вторичных запасов относится к России. Огромные перспективы отводятся использованию МОХ-топлива.
С распадом СССР разведанных урановых запасов на территории России оказалось 27%, а относительно дешевого урана (стоимость до 40 долл/кг) менее 6%. Основная часть запасов осталась в Казахстане, Узбекистане и на Украине, а более 60% всех установленных мощностей АЭС сосредоточены в России. Из восьми горнодобывающих предприятий бывшего СССР в России остался единственный – Приаргунское производственное горно-химическое объединение, производственная мощность которого 2,5-3 тыс.т в год. Пуск в строй предприятий подземного скважинного выщелачивания на Долматовском и Хиагдинском месторождениях позволит суммарно получать до 4,5 тыс.т в год.
Согласно аналитическим исследованиям, проведенным институтом «ЦНИИатоминформ», удорожание ядерного топлива происходит в основном за счет роста стоимости его производства, в основном, за счет удорожания передельных затрат в топливном цикле.
В результате работы атомной энергетики, как и при любой индустриальной деятельности, образуются продукты, которые не являются целью данного производства. Отработавшее ядерное топливо, которое экологи пытаются отнести к радиоактивным отходам, содержит очень много ценных элементов, которые после соответствующей переработки могут повторно использоваться в реакторах или для других целей.
Химико-металлургический передел ядерного топлива включает в себя конверсию гексафторида урана, экстракционную очистку урансодержащих смесей от примесей, получение закиси-окиси урана (U3O8), двуокиси урана (UO2), металлического урана (U) и его сплавов (UX). Действующие на ОАО «НЗХК» (Новосибирский завод химконцентратов) химические технологии позволяют получать варьируемое обогащение и контролировать химический состав примесей выпускаемых урановых продуктов.
Помимо гексафторида урана, производственный цикл изготовления исследовательского ядерного топлива может начинаться с растворения урансодержащих оборотов, образующихся в процессе производства твэлов, что позволяет возвращать технологические отходы в качестве одного из компонентов исходного сырья. Это делает технологию производства твэлов с диоксидным топливом практически безотходной.
НОМЕНКЛАТУРА ВЫПУСКАЕМЫХ СОЕДИНЕНИЙ УРАНА
Характеристика продукции UO2
Диоксид урана U3O8
Закись-окись урана U
Уран металлический UX
Сплавы урана
Обогащение урана по изотопу U235, % от 1 до 91 от 0,7 до 91
Содержание урана (U), % 87,4 min 84,4 min 100 По заказу потребителей
Содержание примесей, микрограмм примеси / г U
Бор (B) 0,3 0.2
Кадмий (Cd) 0,6
Литий (Li) 2 1
Углерод (C) 200 550
Железо (Fe) 200
Марганец (Mn) 20 10
Медь (Cu) 50 20
Кремний (Si) 100
Риск и проблемы
Любое производство – будь то текстильная фабрика с её машинами и шумами, металлургический комбинат с повышенной загазованностью воздуха, трактор на пашне приносит человеку определённую пользу и определённый вред. Если теплоэлектростанция вынуждает нас вдыхать двуокись серы, оксиды азота, углекислый газ, аэрозоли и так далее, то на атомной станции вред может приносить облучение, которым сопровождается процесс деления ядер, и некоторые продукты деления, образование которых связано с работой установки.
В каждой отрасли промышленности защите человека от вредного воздействия шумов, газов и т.д. уделяется серьёзное внимание. Отводится огромная роль профилактике по предупреждению возможных тяжёлых заболеваний и травм. В атомной энергетике защите от вредных воздействий по сравнению с другими производствами уделяется просто громадное внимание. Тем не менее, к атомной энергетике у многих людей особенно настороженное отношение.
Вот примерный перечень тех опасений и тревог, которые связывают с топливным циклом работающих атомных станций:
1 – тепловое загрязнение окружающей среды;
2 – разработка месторождений урана, повышенная радиоактивность в этих районах;
3 – обычная утечка радиоактивности в одной из цепочек цикла;
4 – переработка и ликвидация радиоактивных отходов;
5 – транспортировка РАО от станции к месту захоронения;
6 – изготовление террористами атомной бомбы;
7 – аварии реакторов;
8 – распространение ядерных технологий.
В процессе изучения литературы по вопросам добычи, изготовления и переработки ядерного топлива, в беседах со специалистами-атомщиками многие опасения показались мне во многом надуманными и завышенными. Из собственного опыта известно, насколько в последние годы становится опасной добыча угля. Ростовская область находится рядом с Донбассом, в нашем регионе имеются угольные шахты. Закрытые подземные разработки в ограниченном пространстве сопровождаются выделением и скоплением метана, который при возникающих нарушениях техники безопасности приводит к взрывам и гибели шахтеров. Проблемы, связанные с добычей угля из ослабленных пластов, настолько серьезны, риск получить увечья или профессиональные заболевания настолько велик, что на фоне безденежья они перерастают в политические.
Конечно, опасность возникновения перечисленных выше событий имеется, но, по моему мнению, эти вопросы должны быть решены на межгосударственном уровне, чтобы они не становились предметом политического шантажа. Например, Северная Корея заявила о том, что стала ядерной державой. Но ведь техническую мысль нельзя заставить двигаться в направлении, указанном кем-то. Если их ученые сумели найти решения, то долго скрывать эти факты они не могли.
Наиболее важной проблемой в настоящее время является консервация блоков, которые отработали свой срок. Тот факт, что увеличивают срок эксплуатации реакторов, говорит о том, что стране экономически не выгодно выводить из строя энергетические мощности.
Крупные аварии на ядерных реакторах, происходившие в Англии, Америке и России, трудности с утилизацией накапливающихся отходов при работе АЭС и радиохимических производств во всем мире сделали атомную энергетику, по мнению общественности во всем мире, экологически небезопасной. В сознание человечества внедряется утверждение о безысходности с обезвреживанием облученного ядерного топлива и радиоактивных отходов, о неизбежности загрязнения радиоактивными изотопами поверхности Земного шара с неизбежностью миграции радионуклидов по биологическим цепочкам, включающим организм человека.
Ядерный джин выпущен, планете Земля с ним жить, пока существует человечество. Ясно одно, что каждый человек, занятый в производстве атомной энергии, должен понимать свою ответственность за качество и безопасность работ на доверенном ему участке.
Заключение
Будущее человечества неотделимо от ядерной энергии. Можно совершенно серьезно сказать, что уровень жизни страны прямо зависит от количества потребляемой ею энергии. Любой источник энергии, ядерный или обычный, создает опасность для человека и угрожает окружающей среде. Практически все направления деятельности человека, даже в обществе с высокоразвитой технологий производства, всегда связаны с каким-нибудь риском. Этот процесс объясняется увеличением потребности в энергии для обеспечения повышающегося уровня жизни. Общество должно определить тот уровень жизни, который оно хотело бы иметь, и решать, будет ли он совместим с сохранением качества окружающей среды. Практическое применение должны получить новые, разнообразные источники энергии и методы её преобразования. Для удовлетворения растущих энергетических потребностей требуется дальновидный подход к использованию ядерной энергии, учитывающий как связанные с ней опасности, так и большие потенциальные возможности.
Пять прошедших десятилетий атомной энергетики не оказались такими, как предсказывалось. Атомная энергетика была долгое время связана с ощущением тревоги и беспокойства относительно безопасности производства энергии и хранения ядерных отходов. Это заметно по влиянию, которое оказывает восприятие общественности, включая восприятие риска, на выбор энергетической стратегии страны. Открытым остается вопрос по продолжению строительства завода по переработке отработавшего топлива. Но запасы ОЯТ продолжают расти повсеместно. Уже более 50 стран сейчас имеют отработавшее ядерное топливо, включая топливо исследовательских реакторов, которое хранится во временных хранилищах в ожидании захоронения или переработки. Всего в мире хранится около 180 тыс. тонн и около 88 тыс. тонн перерабатывается. Объем нового ОЯТ, ежегодно накапливающегося в результате производства электроэнергии и прочей деятельности, составляет примерно 11 тыс. тонн. Российские поставщики ядерного топлива должны на рынке вторичных ресурсов упрочить свои позиции.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Э.Дж. Холл. Радиация и жизнь
2 О.Л. Ташлыков. Организация и технология ядерной энергетики
3 Л.А.Булдаков, В.С. Калистратова. Радиоактивное излучение и здоровье
4 Документы Cniiatom/dor.