Технология производства неорганических веществ (Раздел «Технология урана»)

Ядерный топливный цикл

Ядерный топливный цикл — это вся последовательность повторяющихся производственных процессов, начиная от добычи топлива (включая производство электроэнергии) и заканчивая удалением радиоактивных отходов.

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

Основным ядерным топливом для современных реакторов является уран. Поэтому все стадии и процессы ядерного топливного цикла определяются физико-химическими свойствами этого элемента.

Для атомной энергетики различают два вида ЯТЦ

• открытый (разомкнутый)

• закрытый (замкнутый).

Схема открытого ядерного топливного цикла представлена на рисунке 1 и включает в себя следующие этапы

• добыча природного урана

• изготовление топлива на основе урана - 235

• сброс урана 238 в отвал

• заправка топливом реакторов на тепловых нейтронах

• сбор отработанного ядерного топлива (ОЯТ)

• направление ОЯТ на хранение

В разомкнутом (открытом) ЯТЦ отработанное ядерное топливо считается высокоактивными радиоактивными отходами и вместе с остаточными делящимися изотопами исключается из дальнейшего использования - поступает на хранение или захоронение.

Поэтому разомкнутый ЯТЦ характеризуется низкой эффективностью использования природного урана (до 1 %).

Широкое применение открытого типа ЯТЦ обусловлено достаточно невысокими ценами на уран.

Преимущества

1. Отсутствует основной источник загрязнения окружающей среды радионуклидами - радиохимический завод, то есть отсутствует наиболее радиационно опасное производство.

2. Радиоактивные вещества постоянно находятся в твёрдом состоянии в герметичной упаковке, не происходит их «размазывание» по огромным площадям в виде растворов, газов при «штатных» и нештатных выбросах и т. д.

3. Исчезают все проблемы, связанные со строительством и будущим выводом из эксплуатации радиохимического завода: финансовые и материальные затраты на строительство и эксплуатацию завода, в том числе на зарплату, электро-, тепло-, водоснабжение, на огромное количество защитного оборудования и техники, химических реагентов, агрессивных, ядовитых, горючих и взрывоопасных веществ.

Недостатки

1. Большая стоимость долговременных хранилищ и полигонов для захоронения.

2. Возникают трудности обеспечения долговременной изоляции ТВС от биосферы (существует реальная опасность освобождения радионуклидов в случае разрушения ТВЭЛов при их длительном хранении).

3. Необходимость постоянной вооруженной охраны захоронений (возможность хищения делящихся нуклидов из захоронений террористами также представляется реальной).

4. Неэкономичность по сравнению с ЗЯТЦ и неполное использование потенциала ЯТ.

В замкнутом ЯТЦ на радиохимических предприятиях осуществляется переработка отработанного ядерного топлива (ОЯТ) с целью возврата в цикл невыгоревшего урана - 235, почти всей массы урана - 238, а также изотопов энергетического плутония, образовавшихся при работе ядерного реактора.

Из ядерного топлива выделяют ценные компоненты, которые используют для изготовления нового ядерного горючего.

При этом активность отходов, подлежащих окончательному захоронению, минимизируется.

Замкнутый ЯТЦ второго типа предполагает утилизацию энергетического и оружейного плутония посредством развития производства смешанного уран - плутониевого топлива (МОКС - топлива) из диоксидов урана и плутония (UO₂, PuO₂) для реакторов на быстрых и тепловых нейтронах.

Повышение эффективности использования ядерного топлива и возможность вовлечения в ЯТЦ плутония как ценного энергоносителя являются основными аргументами в пользу замкнутого цикла.

В замкнутом топливном цикле ядерное топливо урановых реакторов рассматривается как важнейший элемент сырьевой базы отрасли.

Обосновывается это тем, что ОЯТ содержит значительное количество делящихся изотопов, возвращение которых в ЯТЦ после переработки расширит сырьевую базу ядерной энергетики.

После удаления топлива из реактора, топливные стержни проходят обработку на перерабатывающих заводах, где они дробятся и растворяются в кислоте.

После специальной химической обработки из отработанного топлива выделяют два ценных продукта: плутоний и неиспользованный уран.

Примерно 3 % топлива при этом остается в качестве высокоактивных отходов.

После битумирования (или остекловывания) эти высокорадиоактивные материалы подлежат длительному захоронению.

96 % урана, который используется в реакторе, остается в исчерпанном топливе (в реакторе расходуется не более 1 % U - 235).

Оставшаяся часть топлива преобразуется в теплоту и радиоактивные продукты распада, а некоторая часть в плутоний и другие актиноиды.

Схема замкнутого ядерного топливного цикла представлена на рисунке 2

• добыча урановой руды

• гидрометаллургическая переработка урановой руды с получением диоксида урана

• обогащение урана нуклидом U - 235 на разделительных заводах после превращения диоксида урана в гексафторид

• изготовление тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) и их сборок (ТВС)

• сжигание ядерного топлива в реакторах АЭС с получением тепловой энергии

• выдержка отработанного топлива в хранилище

• переработка отработавшего ядерного топлива на радиохимических заводах: выделение урана и плутония, кондиционирование жидких радиоактивных отходов и отверждение их методами остекловывания и цементирования.

Извлеченные из облученного топлива уран и плутоний направляются на изготовление новых ТВЭЛов.

Преимущества

Переработка отработанного ядерного топлива может иметь некоторые экономические выгоды при восстановлении неиспользованного урана и плутония, который был произведен в реакторе.

1. Переработка топлива уменьшает объём высокорадиоактивных и опасных отходов, которые необходимо надлежащим образом хранить, что также имеет определенную экономическую целесообразность.

2. В отработанном ядерном топливе содержится примерно 1 % плутония.

Это очень хорошее ядерное топливо, которое не нуждается ни в каком процессе обогащения, оно может быть смешано с обедненным ураном (так называемое смешанное оксидное топливо или MOX - топливо) и поставляться в виде свежих топливных сборок для загрузки в реакторы.

Его можно использовать для загрузки в будущие реакторы - размножители.

1. Восстановленный уран может возвращаться на дополнительное обогащение, или поставляться в виде свежего топлива для действующих реакторов.

2. Закрытый топливный цикл является эффективной системой максимального использования урана без его дополнительной добычи на рудниках
   (в энергетических единицах экономия составляет, примерно 30 %) и именно поэтому промышленность сразу одобрила такой подход.

Недостатки

1. Происходит загрязнение окружающей среды радионуклидами.

2. Требует гораздо больших финансовых затрат, в отличие от открытого ЯТЦ.

Рисунок 1 Схемы открытого и закрытого топливных циклов

Рисунок 2 Схема замкнутого ядерного цикла

3