6.5. Классификации ядерных топливных циклов

Ядерный топливный цикл (ЯТЦ) описывает путь, по которому топливо попадает в ядерный реактор, и по которому его покидает. Это включает в себя производство топлива для ядерных реакторов, подготовка к его использованию, облучение в активной зоне, хранение и утилизация отработанного топлива вместе взятые.

Классификации ЯТЦ могут быть сделаны по типу делящихся элементов, которые можно использовать для получения ядерной энергии в реакторах: ЯТЦ на уране-233; ЯТЦ на уране-235; ЯТЦ на плутонии-239.

Реально можно выделить следующие типы топливных циклов:

- на природном уране;

- на обогащенном уране;

- плутоний – урановый;

- торий – урановый, в котором происходит наработка делящегося изотопа урана-233.

Основу современной ядерной энергетики составляют топливные циклы на обогащенном уране. Использования ЯТЦ на основе природного урана имело место на первых этапах создания атомной энергетики. Сейчас от этого в настоящее время повсеместно отказались в виду малой экономичности данного цикла. Лишь реакторы типа CANDU (CANadian Deuterium Uranium) работают на природном уране.

Существуют открытый ЯТЦ и несколько разновидностей замкнутых ядерных циклов. В настоящее время наиболее распространенным является открытый ядерный топливный цикл. В таком цикле происходит однократное использование урана. После облучения в реакторе и выдержки, отработанное топливо направляется на хранение или захоронение. На рис.6.8 показаны основные элементы топливного цикла.

Рис.6.8. Схема открытого ядерного топливного цикла

В замкнутом топливном цикле происходит переработка облученного ядерного топлива. В этом случае неиспользованные делящиеся материалы отделяются от продуктов деления и перерабатываются в реакторное топливо (рис. 6.9). Безусловно, это более совершенный тип ядерного топливного цикла, уже используемый в ряде стран, прежде всего во Франции. Особенностью этого цикла является выделение из отработанного топлива плутония, из которого затем можно изготовить смешанное уран - плутониевое топливо и снова поместить в реактор для повторного использования. В некоторых странах существуют разные элементы замкнутого топливного цикла.

Рис.6.9. Схема замкнутого ЯТЦ с реакторами на тепловых нейтронах.

Замкнутый топливный цикл наиболее эффективен с использованием реакторов на быстрых нейтронах. В этом случае нет необходимости полного разделения делящихся элементов для повторного использования топлива. При переработке топлива для быстрых реакторов нет также необходимости отделения от смеси урана и плутония актинидов (америция, кюрия), которые являются делящимися и при облучении в спектре быстрых нейтронов, более ускоренно осуществляют переход в стабильное состояние (рис.6.10)

Рис .6.10. Схема замкнутого ЯТЦ с реактором на быстрых нейтронах

Это наиболее перспективный топливный цикл, который может обеспечить ядерную энергетику неисчерпаемыми ресурсами топлива на основе регенерации наработанного топлива, прежде всего плутония. В такой цикл необходимо добавлять только природный или обедненный уран.

Можно выделить наиболее общие этапы ЯТЦ, характерные для всех классификаций:

1. Добыча и переработка урановой руды;

2. Производство гексофторида урана;

3. Обогащение по урану-235;

4. Производство оксида урана;

5. Изготовление таблеток, твэлов и ТВС;

6. Облучение ТВС в реакторе (выработка электроэнергии);

7. Выгрузка из реактора и хранение ОЯТ;

При развитии замкнутого ЯТЦ появляются дополнительные этапы:

8. Переработка ОЯТ, извлечение невыгоревшего урана и наработанного плутония;

9. Изготовление новых ТВС и кондиционирование РАО;

10. Хранение (изоляция) РАО.