Ядерное топливо уран: Производство урана для ядерных реакторов

Производство урана для ядерных реакторов

Ответственное управление циклом производства урана включает ряд аспектов: разведка, открытие и оценка запасов, добыча и переработка; выбор и тестирование технологии; подготовка предварительных и основных технико-экономических обоснований; сооружение и эксплуатация предприятий по добыче и переработке; надлежащее закрытие объектов уранового производства после истощения запасов. На всех указанных выше этапах необходимо применять наилучшие практики, стремиться минимизировать негативное воздействие на окружающую среду и человека и принести пользу обществу и экономике как на местном, так и на национальном уровне.

МАГАТЭ оказывает поддержку государствам-членам по всем аспектам цикла производства урана, предоставляя доступ к базам данных и публикациям об урановых месторождениях, организуя силами Департамента ядерной энергии и при поддержке Департамента технического сотрудничества технические совещания и семинары-практикумы для соответствующих государств-членов и проводя технические консультации по различным аспектам цикла производства урана.

В частности, МАГАТЭ распространяет актуальную информацию о состоянии мировых запасов урана и его производстве. При помощи базы данных «Размещение урановых месторождений в мире» (UDEPO) и ее публикаций (к примеру, издания «World Distribution of Uranium Deposits» и других сопутствующих документов), а также «Красной книги» об урановых ресурсах, производстве урана и спросе на него, Агентство распространяет информацию об урановых месторождениях в мире, ведет классификацию месторождений и предоставляет относящиеся к ним технические и геологические данные. Оно занимается прогнозированием потребностей в уране и распространяет информацию о разведке урановых месторождений и важности ответственного подхода к добыче и переработке, при этом уделяя внимание не только собственно урановым месторождениям, но и месторождениям полезных ископаемых, из которых уран добывается в качестве побочного продукта.

МАГАТЭ также оказывает помощь государствам-членам, ведущим разведку урановых ресурсов или заинтересованным в разработке открытых месторождений. Поскольку эти государства-члены могут пока не располагать надлежащей технологической инфраструктурой и испытывать нехватку квалифицированных сотрудников, Агентство может помочь им в подготовке кадров, накоплении знаний и применении наилучших доступных практик с учетом конкретных обстоятельств.

Также государства-члены могут направить запрос о предоставлении услуг по оценке, в частности со стороны Группы по оценке предприятий по производству урана (УПСАТ), которая занимается проведением соответствующих миссий. Данные услуги способствуют распространению передового опыта и совершенствованию системы безопасности в цикле производства урана и адаптируются под потребности конкретного государства-члена.

Некоторые государства-члены проявляют особый интерес к ториевому топливному циклу, который может открыть путь к устойчивому наращиванию ядерно-энергетических мощностей. Основные стимулы для использования тория — его распространенность в природе, инертность и лучшие теплофизические свойства в сравнении с ураном, более высокая степень выгорания, пригодность к использованию в топливных циклах с высоким коэффициентом конверсии и изначальная устойчивость к распространению. Некоторые страны ведут НИОКР, направленные на то, чтобы в будущем использовать торий в дополнение к урану как главному источнику топлива или вместо него.

Ядерное топливо — Атомэнергомаш

Ядерное топливо — Атомэнергомаш

Изотоп урана U — 235 — это природное ядерное топливо, способное делить нейтроны и поддерживать цепные реакции, поэтому его можно считать ядерным топливом, которым будет питаться ядерный реактор. В природном уране содержание изотопа U — 235 составляет всего лишь 0,7%, остальное изотоп U-238 — 99,3%. Поэтому для начала его обогащают, прессуют и спекают в таблетки, добавляя необходимые компоненты и получая ТВЭЛы, из которых собирают ТВС (тепловыделяющие сборки).

Для перевоза ТВС с завода-изготовителя на атомную электростанцию разработаны специальные транспортные контейнеры. Конструктора контейнеров предусмотрели все возможные варианты аварий, которые могут произойти при транспортировке.

Свежее топливо в ТВС имеет достаточно низкую естественную радиоактивность, облучение людей и загрязнение местности даже при авариях не установлено. Если активная зона реактора загружена полностью, то общая масса топлива будет составлять 80 тонн.

Для транспортировки и хранения топлива на АЭС действует специальная система безопасности. Все операции проводятся в специальном корпусе. Чтобы доставить ТВС в реакторное отделение, его запаковывают в чехлы и размещают на специальных платформах.

Так как отработанное топливо радиоактивно, его перемещение выполняется под слоем воды на перегрузочной машине, а хранят в бассейнах, под защитным слоем воды с раствором борной кислоты. Потом оно в специальном эшелоне попадает на предприятие по регенерации топлива, а после его переработки будет вновь использовано.

Вывоз топлива производится специальным эшелоном, в состав которого входят несколько вагон-агрегатов с транспортными контейнерами.
Отработанное топливо представляет собой ценное сырье, в результате переработки которого подавляющая часть выделенных элементов будет вновь использовано, а объем радиоактивных отходов значительно уменьшится. Конечно, для соблюдения норм безопасности все операции с выгоревшими ТВС, включая и загрузку транспортных контейнеров, производятся только под защитным слоем воды в бассейне выдержки.

Атомная энергетика

Тепловая энергетика

Газнефтехимия

Судостроение

Научная деятельность

Водоподготовка

Сервисные услуги

Этот сайт использует cookies. Продолжая работу с сайтом, Вы выражаете своё согласие на обработку Ваших персональных данных с использованием интернет-сервиса Яндекс Метрика. Отключить cookies Вы можете в настройках своего браузера. Подробнее

СОГЛАСЕН

Как уран превращается в ядерное топливо

Уран является основным топливом для ядерных реакторов, и его можно найти во многих местах по всему миру. Для производства топлива уран добывается и проходит очистку и обогащение перед загрузкой в ​​ядерный реактор.

Таблетки ядерного топлива, каждая таблетка размером не больше кусочка сахара содержит столько же энергии, сколько тонна угля (Изображение: Казатомпром)

Добыча урана

Уран содержится в небольших количествах в большинстве горных пород и даже в морской воде. Урановые рудники работают во многих странах, но более 85% урана производится в шести странах: Казахстане, Канаде, Австралии, Намибии, Нигере и России.

Исторически сложилось так, что обычные рудники (например, открытые или подземные) были основным источником урана. После добычи руда измельчается в мельнице, куда добавляется вода для получения суспензии мелких частиц руды и других материалов. Шлам выщелачивают серной кислотой или щелочным раствором для растворения урана, оставляя оставшуюся породу и другие минералы нерастворенными.

Однако более половины мировых урановых рудников в настоящее время используют метод, называемый выщелачиванием на месте, при котором добыча осуществляется без какого-либо серьезного нарушения грунта. Вода, нагнетаемая кислородом (или щелочью, кислотой или другим окисляющим раствором), циркулирует через урановую руду, извлекая уран. Затем раствор урана закачивается на поверхность.

Урановый раствор из рудников затем отделяют, фильтруют и сушат для получения концентрата оксида урана, часто называемого «желтым кеком».

«Желтый пирог» — один из первых шагов к производству ядерного топлива (Изображение: Казатомпром)

Обогащение

Подавляющее большинство ядерных энергетических реакторов используют в качестве топлива изотоп урана-235; однако он составляет всего 0,7% добытого природного урана, и поэтому его необходимо увеличивать с помощью процесса, называемого обогащением. Это увеличивает концентрацию урана-235 с 0,7% до 3-5%, что является уровнем, используемым в большинстве реакторов.

Небольшое количество реакторов, прежде всего реакторы CANDU в Канаде, работают на природном уране, который не нужно обогащать.

Процесс обогащения требует, чтобы уран находился в газообразном состоянии. Это достигается с помощью процесса, называемого конверсией, при котором оксид урана превращается в другое соединение (гексафторид урана), которое представляет собой газ при относительно низких температурах.

Гексафторид урана подается в центрифуги с тысячами быстро вращающихся вертикальных труб, которые отделяют уран-235 от чуть более тяжелого изотопа урана-238. Центрифуги разделяют уран на два потока: один поток обогащается ураном-235; другой состоит из «хвостов», содержащих более низкую концентрацию урана-235 и известных как обедненный уран (DU).

Группа центрифуг на обогатительном заводе (Изображение: Urenco)

Производство ядерного топлива

Обогащенный уран транспортируется на завод по производству топлива, где он превращается в порошок диоксида урана. Затем этот порошок прессуют, чтобы сформировать небольшие топливные гранулы, и нагревают, чтобы получить твердый керамический материал. Таблетки впоследствии вставляются в тонкие трубки, известные как топливные стержни, которые затем группируются вместе, образуя топливные сборки. Количество топливных стержней, используемых для изготовления каждой ТВС, колеблется от примерно 9от 0 до более 200, в зависимости от типа реактора. После загрузки топливо обычно остается в активной зоне реактора в течение нескольких лет.

Ядерное топливо в виде порошка и таблеток (Изображение: Urenco)

Около 27 тонн урана – около 18 миллионов топливных таблеток, размещенных в более чем 50 000 топливных стержней – ежегодно требуется для реактора с водой под давлением мощностью 1000 МВт. . Напротив, угольной электростанции эквивалентного размера требуется более двух с половиной миллионов тонн угля для производства такого же количества электроэнергии.

Тепловыделяющая сборка длиной обычно несколько метров может годами находиться в реакторе, производя огромное количество электроэнергии с низким содержанием углерода (Изображение: Framatome)

Экологические аспекты добычи урана

Производство топлива

Космическое происхождение урана

Обогащение урана

Мировая добыча урана

---

Вас также может заинтересовать

Россия: ядерный топливный цикл

Иран

Ядерные энергетические реакторы

Ядерный топливный цикл — Управление энергетической информации США (EIA)

Ядерный топливный цикл состоит из начальных этапов, этапов подготовки урана для использования в ядерных реакторах и конечных этапов безопасного управления, подготовки и утилизации. использованного — или отработанных — но все еще высокорадиоактивного отработавшего ядерного топлива.

Уран является наиболее широко используемым топливом на атомных электростанциях для ядерного деления. Атомные электростанции используют в качестве топлива определенный тип урана — U-235, потому что его атомы легко расщепляются. Хотя уран встречается примерно в 100 раз чаще, чем серебро, U-235 относительно редок и составляет немногим более 0,7% природного урана. Урановый концентрат выделяют из урановой руды на урановых фабриках или из шлама на установках подземного выщелачивания. Затем он перерабатывается на предприятиях по конверсии и обогащению, что повышает уровень урана-235 до 3–5% для коммерческих ядерных реакторов, и перерабатывается в топливные таблетки для реакторов и топливные стержни на заводах по изготовлению реакторного топлива.

Ядерное топливо загружается в реакторы и используется до тех пор, пока топливные сборки не станут высокорадиоактивными и не должны быть удалены для временного хранения и последующего захоронения. Химическая обработка отработавшего топливного материала для извлечения любого оставшегося продукта, который может снова подвергнуться делению в новой тепловыделяющей сборке, технически осуществима, но не разрешена в Соединенных Штатах.

Источник: Центр радиационной науки и инженерии Пенсильванского государственного университета (общественное достояние)

Начальная стадия ядерного топливного цикла

Разведка

Ядерный топливный цикл начинается с разведки урана и разработки шахт для добычи урановой руды. Для обнаружения урана используются различные методы, такие как радиометрические исследования с воздуха, химический отбор проб подземных вод и почв и разведочное бурение для понимания лежащей в основе геологии. После обнаружения месторождений урановой руды разработчик рудника обычно проводит более близко расположенные засыпку, или эксплуатационное бурение, чтобы определить, сколько урана доступно и сколько может стоить его извлечение.

Добыча урана

• Подземная добыча
• Открытая добыча полезных ископаемых
• добыча раствором на месте (на месте)
• кучное выщелачивание

До 1980 года большая часть урана в США добывалась открытым и подземным способом. Сегодня большая часть урана в США добывается с использованием метода добычи раствором, обычно называемого выщелачиванием на месте (ISL) или извлечением на месте (ISR). В ходе этого процесса извлекается уран, который покрывает частицы песка и гравия в резервуарах с подземными водами. Частицы песка и гравия подвергаются воздействию раствора с немного повышенным pH за счет использования кислорода, двуокиси углерода или каустической соды. Уран растворяется в грунтовых водах, которые откачиваются из резервуара и перерабатываются на урановом заводе. Кучное выщелачивание включает распыление кислого жидкого раствора на груды измельченной урановой руды. Раствор стекает через измельченную руду и выщелачивает уран из породы, который извлекается из-под отвала. Кучное выщелачивание больше не используется в Соединенных Штатах.

Источник: Комиссия по ядерному регулированию США (общественное достояние)

знаете ли вы

?

В 2021 году около 44,4 миллиона фунтов урана (эквивалент U ₃ O ₈ ) было загружено в коммерческие ядерные энергетические реакторы США.

Измельчение урана

После извлечения урановой руды из карьера или подземного рудника она перерабатывается в урановый концентрат на урановом заводе. Руда дробится, измельчается и измельчается в мелкий порошок. Химикаты добавляются к тонкому порошку, что вызывает реакцию, которая отделяет уран от других минералов. Подземные воды, образующиеся при добыче раствором, циркулируют через слой смолы для извлечения и концентрирования урана.

Несмотря на название, концентрированный урановый продукт обычно представляет собой черное или коричневое вещество, называемое желтым кеком (U ₃ O ₈ ). Добытая урановая руда обычно дает от одного до четырех фунтов U ₃ O ₈ на тонну руды, или от 0,05% до 0,20% желтого кека. Твердые отходы карьерных и подземных горных работ называются хвостами обогащения . Обработанная вода после добычи раствором возвращается в резервуар подземных вод, где процесс добычи повторяется.

Конверсия урана

Следующим этапом ядерного топливного цикла является конверсия желтого кека в газообразный гексафторид урана (UF ₆ ) на конвертерной установке. В природе встречаются три формы (изотопы) урана: U-234, U-235 и U-238. Текущие конструкции ядерных реакторов США требуют более высокой концентрации (обогащения) изотопа U-235 для эффективной работы. Газообразный гексафторид урана, полученный на конвертерной установке, называется природным UF ₆ , поскольку исходные концентрации изотопов урана не изменились.

Обогащение урана

После конверсии газ UF ₆ направляется на завод по обогащению, где происходит разделение отдельных изотопов урана с получением обогащенного UF ₆ , который имеет концентрацию U-235 от 3% до 5%.

В Соединенных Штатах используются два типа процессов обогащения урана: газовая диффузия и газовая центрифуга. В настоящее время в Соединенных Штатах имеется одна действующая обогатительная фабрика, использующая процесс газовой центрифуги. Обогащенный UF ₆ запечатывают в канистры и дают ему остыть и затвердеть, прежде чем его транспортируют на завод по сборке топлива ядерного реактора поездом, грузовиком или баржей.

Лазерное разделение изотопов атомного пара (AVLIS) и молекулярное лазерное разделение изотопов (MLIS) являются новыми технологиями обогащения, которые в настоящее время находятся в стадии разработки. Эти лазерные процессы обогащения позволяют достичь более высоких коэффициентов начального обогащения (разделения изотопов), чем процессы диффузии или центрифуги, и могут производить обогащенный уран быстрее, чем другие методы.

Реконверсия урана и изготовление ядерного топлива

После обогащения урана его можно превратить в ядерное топливо. На заводе по производству ядерного топлива твердый UF ₆ нагревается до газообразного состояния, а затем газообразный UF ₆ подвергается химической обработке с образованием порошка диоксида урана (UO ₂ ). Затем порошок прессуется и превращается в небольшие керамические топливные гранулы. Таблетки укладываются и запечатываются в длинные металлические трубки диаметром около 1 сантиметра, образующие топливные стержни. Затем топливные стержни связываются вместе, образуя топливную сборку. В зависимости от типа реактора каждая ТВС имеет около 179до 264 твэлов. Типичная активная зона реактора содержит от 121 до 193 тепловыделяющих сборок.

На реакторе

После изготовления топливных сборок грузовики доставляют их на площадки реакторов. Топливные сборки хранятся на площадке в бункерах для хранения свежего топлива до тех пор, пока они не потребуются операторам реакторов. На этом этапе уран лишь слегка радиоактивный, и практически все излучение содержится внутри металлических трубок. Обычно операторы реакторов меняют примерно одну треть активной зоны реактора (от 40 до 90 ТВС) каждые 12–24 месяца.

Активная зона реактора представляет собой цилиндрическую конструкцию из пучков топлива диаметром около 12 футов и высотой 14 футов, заключенную в стальной сосуд высокого давления со стенками толщиной в несколько дюймов. Активная зона реактора практически не имеет движущихся частей, за исключением небольшого количества управляющих стержней, которые вставлены для регулирования реакции ядерного деления. Размещение тепловыделяющих сборок рядом друг с другом и добавление воды инициирует ядерную реакцию.

Сборка ядерного топлива

Источник: Комиссия по альтернативным источникам энергии и атомной энергии, Франция (общественное достояние)

Конечный этап ядерного топливного цикла

Промежуточное хранение и окончательное захоронение в США

После использования в реакторе , топливные сборки становятся высокорадиоактивными и должны быть удалены и храниться под водой на площадке реактора в бассейне выдержки в течение нескольких лет. Несмотря на то, что реакция деления остановилась, отработавшее топливо продолжает выделять тепло от распада радиоактивных элементов, образовавшихся при расщеплении атомов урана. Вода в бассейне служит как для охлаждения топлива, так и для блокировки выброса радиации.