Ядерное топливо

Из всех источников энергии, используемой человечеством, ядерные материалы являются самыми совершенными, опасными и эффективными. В связи с этим на этот вид топлива накладывается ряд ограничений, обязательных при добыче, переработке, перевозке и непосредственному использованию в реакторах. Для работы с таким сырьем необходимы специальные условия, соблюдение которых обеспечивает безопасность человека и окружающей среды. Ядерное топливо характеризуется узким спектром областей применения. В основном это атомная промышленность, оборонный сектор, гражданская энергетика. Проведение разработок для повсеместного внедрения в жизнедеятельность человека не находит массового отклика в научной среде.

Добыча сырья для ядерного топлива

В качестве исходного материала для последующего извлечения энергии чаще всего используется уран. Это вещество считается самым тяжелым металлом. Больше всего в ресурсах планеты урана-238, 99.4%. Встречается более редкий элемент с массой 235, его количество в процентном соотношении 0.6%. Несмотря на печальную статистику аварий на атомных электростанциях, потребность в исходном сырье остается достаточно высокой. Крупные разработки урана сегодня ведутся в таких странах как Казахстан, Австралия, Китай, Бразилия и Россия.

Добыча топлива для ядерных реакторов осуществляется тремя основными способами:

1. Открытая разработка. Применяется в случае, если залежи ископаемого залегают недалеко от поверхности земли. Урановая руда вместе с грунтом забирается для последующей транспортировки на перерабатывающие комбинаты.
2. Бывает и так, что будущее ядерное топливо для АЭС (атомных электростанций) залегает на большой глубине. В этом случае применяется шахтный тип разработки. Глубоко под землей требуется труд человека для работы на оборудовании. Смешанная руда вырывается сверлением, затем направляется грузовыми лифтами для транспортировки.
3. Самый совершенный и безопасный для экологии способ добычи уранового топлива – скважинное выщелачивание. Этот химический процесс проводится под землей при помощи доставляемых реактивов, является экономически самым выгодным из ассортимента промышленных методов.

Выбор способа, которым будет добываться радиоактивные виды топлива, зависит от самого месторождения, глубины залегания и дальности транспортировки сырья для последующего обогащения. В чистом виде ископаемые, как правило, не используются.

Уран

Этот элемент в чистом виде является опасным для человека. Исходный состав добываемой руды включает три изотопа с разными атомными массами (234, 235 и 238 соответственно). Полученное сырье подлежит дальнейшей переработке, что необходимо для эффективного и продуктивного использования непосредственно в реакторах. По сути, для получения обогащенного ядерного топлива урана происходит повышение концентрации именно элемента с атомной массой 235.

Сам процесс приведения сырья в рабочее состояние достаточно сложный и продолжительный. Все зависит от сферы применения урана. Из производства ядерного топлива выходят вещества с различной степенью концентрации:

• На уровне 3%. Для реакторов РБМК (реактор большой мощности канальный). Примеры: Чернобыльская, Обнинская, Ленинградская станции;
• На уровне 5%. Водо-водяные энергетические реакторы, самые мощные в мире, пример в Нововоронеже;
• На уровне 20% — походные (суда и корабли);
• На уровне до 90% — для исследовательских центров.

На выходе из производства получаются специальные таблетки, которые используются непосредственно в тепловыделяющих установках. При этом уран не является единственным видом топлива для реактора.

Плутоний

В естественном виде в природе существует в виде диоксида. Для добычи его остается ничтожно мало. По этой причине этот вид топлива для ядерного реактора получается искусственно из того же урана. Плутоний считается самым дорогим и перспективным материалом в линейке атомных продуктов. Для удешевления производства применяется технология получения из отработанного сырья.

По основной классификации этот вид атомного топлива делится на оружейный и реакторный. Известно применение готового вещества для поддержания работоспособности и функционирования космической техники. Наибольшую популярность плутоний получил в качестве исходного материала для производства ядерного оружия (речь идет об изотопе 239, концентрация которого составляет не менее 93 процентов). Вещество обладает сильной активностью, высоким периодом полураспада.

Торий

В продолжение того, как называется ядерное топливо, нельзя не упомянуть про этот элемент периодической таблицы. В естественном виде торий может содержаться в земной коре и воде, а также в некоторых природных ископаемых, в составе гранита. В промышленном производстве выделяется из группы 12 минералов путем выщелачивания. В настоящее время используется в мирных целях (фактически не является ядерным топливом) то есть в гражданской энергетике, отличаясь от более радиоактивных аналогов умеренными опасными свойствами. Известно использование в металлургии, медицине, производстве светотехнический изделий. Этот металл участвует в процессах жизнедеятельности живых организмов, накапливается естественным образом и также выводится. Создает нормальный фон облучения.

Производство ядерного топлива

Изготовление альтернативного энергоносителя в Российской Федерации находится в ведении государственной корпорации «Росатом». Отечественная компания ТВЭЛ выпускает известные виды ядерного топлива, разрабатывает и создает тепловыделяющие сборки, включая комплектующие, обслуживает действующие реакторы. Для сравнения продуктивности урана для энергетики можно привести простой пример: 630 граммов урана равнозначны по выдаче 70 тоннам угля или 140 тоннам дров. При этом соотношение отходов после отработки вторичных реакций составляет соответственно 126 граммов с равнозначными 74 тоннами золы и газов или 1.5 тонны золы, остающейся при сжигании древесины.

В современных условиях обогащение того, что содержит ядерное топливо, начинается в непосредственной близости от шахты. Первичная обработка представляет собой сортировку сырья, отделение нерудных компонентов, выделение максимально чистого вещества. Непосредственно технологический процесс основывается на том, что частицы урана достаточно инертны. По этой причине приведение в активное движение исходного состава для ядерного топлива способствует структурированию и выделение вещества в отдельную субстанцию. В зависимости от производства и качества сырья выделяют электромагнитный, аэродинамический методы производства. Долгое время в промышленности используется газовое центрифугование как самый передовой и эффективный метод обогащения урана. Кроме того, этот способ остается одним из самых экономически выгодных. В числе перспективных технологий получения чистого химического элемента для АЭС разделение изотопов при помощи лазера.

Мощности производств в мире (по состоянию на 2020 год, в EPP):

• ТВЭЛ – Россия, свыше 28000;
• URENCO – совместный проект Англии, Голландии и Германии – свыше 14000;
• Китай и Франция – свыше 7000;
• США лишь на 5 месте, свыше 4000.

Регенерация

Из школьного курса химии известно о продолжительном периоде полураспада урана и других радиоактивных веществ. Даже после использования активного сырья в производстве, вещество остается пригодным для вторичного применения. После переработки уран возвращается в топливный цикл. Для этого сырье может быть обогащено или смешано с готовыми концентратами топлива непосредственно в ядерном реакторе. Что касается России, она и здесь на первом месте, поскольку все запасы регенерации сразу же уходят в производственный цикл.

Ход цепной реакции

Основной целью использования подготовленного ядерного топлива является получение (выделение) большого количества энергии. Цепной реакцией является последовательное вступление элементов полураспада в реакцию с продуктами предыдущего процесса. Катализаторами каждой реакции, соответственно, являются выделенные на прошлом этапе нейтроны. При этом происходит обильное или чрезмерное выделение энергии. Для запуска цепной реакции необходимы специальные химические элементы, которые тоже по сути являются топливом для АЭС.

Цепные реакции бывают неразветвленными и разветвленными. В первом случае, выделяется только по одному связующему нейтрону, при этом не образуется энергия в больших масштабах. Во втором случае при правильном контроле процесса цепной реакции получается обильный выход энергии.

Особенности транспортировки ТВЭЛов

В момент добычи уран еще не обладает губительным радиоактивным излучением. Он набирает силу и энергию только когда превращается в обогащенное ядерное топливо. На место выработки подаются готовые станции. После этого с загруженным сырьем установки обеспечивают хранение сырья и его последующую выработку в промышленных целях. Транспортировка ТВЭЛ осуществляется всеми видами сообщений, для них разрабатывается специальный маршрут, обеспечивается надежное охранение. Внутри находятся пока еще не опасные прессованные таблетки из урана.

Преимущества и недостатки ядерного топлива

В числе достоинств энергоносителя следующие:

• Высокая концентрация активного вещества, компактность по сравнению с другими видами топлива;
• Минимальное количество выбросов;
• Значимый энергетический ресурс;
• Возможность обеспечивать ресурсами подвижные аппараты, где необходим внушительный запас хода;
• Решает проблему генерации ресурсов в месте установки реакторов (атомных станций).

Недостатки:

• Не возобновляемый источник энергии;
• Очень осторожное обращение;
• Негативное отношение общественности. ввиду того, что каждый знает, из чего состоит ядерное топливо и практику аварий на АЭС.

Принцип работы АЭС

Основным продуктом на выходе из электростанций, работающим на ядерных видах топлива, является электроэнергия. Следуя концепции безопасности и последовательности получения необходимого ресурса, генеральный процесс включает три этапа преобразования:

• Цепная ядерная реакция с обильным выделением тепла;
• Тепловая энергия преобразуется в механическую;
• Механическая генерирует электрическую.

При цепной реакции происходит сильный разогрев ближайшего теплоносителя – воды, которая на время откачивается от стенок реактора (из первого контура во второй) для получения пара. Последний вид энергии под давлением и за счет разности давлений начинает активно вращать турбину, которая находится в жесткой сцепке с электрическим генератором. Существует проблематика охлаждения воды в контурах реактора, для этого применяется система градирен или используются ближайшие водоемы.

Учитывая негативную практику аварий, в настоящее время на современных АЭС большое внимание уделяется функционированию защитных систем: локальных, обеспечивающих и управляющих. Генеральная концепция состоит в строго дозированной подаче ядерного топлива внутрь реактора.

Топливо в активной зоне реактора

В центральной части реактора непосредственно применяется ядерное топливо на атомных электростанциях. Здесь осуществляется управление взаимодействием изотопов или делением атомов. Обычно такие установки работают на смеси веществ с массами U-235 и U-238. Ведущей характеристикой загрузки является исходная концентрация урана, которая напрямую зависит от типа используемой установки.

Непосредственно внутри реактора активные вещества находятся в виде топливных композиций, заключаются в надежную герметичную оболочку, образуют ТВЭЛ.

ТВС после атомной станции

Тепловыделяющие сборки по завершению жизненного цикла или выгорания подлежат извлечению. После этого облученный уран уходит на выдержку, затем на переработку или захоронение.

В России и ряде других стран соблюдается концепция замкнутого топливного цикла. При таком подходе ядерное топливо продолжает существовать в природе, образуя вокруг себя умеренный радиационный фон. Например, из отработанного урана можно получать плутоний, который используется в дальнейшем для производства инновационных видов топлива.