АЭС: как это работает? Как работает АЭС? Как транспортируют уран для электростанции
Атомная электростанция (АЭС) - комплекс технических сооружений , предназначенных для выработки электрической энергии путем использования энергии, выделяемой при контролируемой ядерной реакции.
В качестве распространенного топлива для атомных электростанций применяется уран. Реакция деления осуществляется в основном блоке атомной электростанции - ядерном реакторе.
Реактор смонтирован в стальном корпусе, рассчитанном на высокое давление - до 1,6 х 107 Па, или 160 атмосфер.
Основными частями ВВЭР-1000 являются:
1. Активная зона, где находится ядерное топливо, протекает цепная реакция деления ядер и выделяется энергия.
2. Отражатель нейтронов, окружающий активную зону.
3. Теплоноситель.
4. Система управления защиты (СУЗ).
5. Радиационная защита.
Теплота в реакторе выделяется за счет цепной реакции деления ядерного топлива под действием тепловых нейтронов. При этом образуются продукты деления ядер, среди которых есть и твердые вещества, и газы - ксенон, криптон. Продукты деления обладают очень высокой радиоактивностью, поэтому топливо (таблетки двуокиси урана) помещают в герметичные циркониевые трубки - ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы). Эти трубки объединяются по несколько штук рядом в единую тепловыделяющую сборку. Для управления и защиты ядерного реактора используются регулирующие стержни, которые можно перемещать по всей высоте активной зоны. Стержни изготавливаются из веществ, сильно поглощающих нейтроны - например, из бора или кадмия. При глубоком введении стержней цепная реакция становится невозможной, поскольку нейтроны сильно поглощаются и выводятся из зоны реакции. Перемещение стержней производится дистанционно с пульта управления. При небольшом перемещении стержней цепной процесс будет либо развиваться, либо затухать. Таким способом регулируется мощность реактора.
Схема станции - двухконтурная. Первый, радиоактивный, контур состоит из одного реактора ВВЭР 1000 и четырех циркуляционных петель охлаждения. Второй контур, нерадиоактивный, включает в себя парогенераторную и водопитательную установки и один турбоагрегат мощностью 1030 МВт. Теплоносителем первого контура является некипящая вода высокой чистоты под давлением в 16 МПа с добавлением раствора борной кислоты - сильного поглотителя нейтронов, что используется для регулирования мощности реактора.
1. Главными циркуляционными насосами вода прокачивается через активную зону реактора, где она нагревается до температуры 320 градусов за счет тепла, выделяемого при ядерной реакции.
2. Нагретый теплоноситель отдает свою теплоту воде второго контура (рабочему телу), испаряя ее в парогенераторе.
3. Охлажденный теплоноситель вновь поступает в реактор.
4. Парогенератор выдает насыщенный пар под давлением 6,4 МПа, который подается к паровой турбине.
5. Турбина приводит в движение ротор электрогенератора.
6. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе и вновь подается в парогенератор конденсатным насосом. Для поддержания постоянного давления в контуре установлен паровой компенсатор объема.
7. Теплота конденсации пара отводится из конденсатора циркуляционной водой, которая подается питательным насосом из пруда охладителя.
8. И первый, и второй контур реактора герметичны. Это обеспечивает безопасность работы реактора для персонала и населения.
В случае невозможности использования большого количества воды для конденсации пара, вместо использования водохранилища, вода может охлаждаться в специальных охладительных башнях (градирнях).
Безопасность и экологичность работы реактора обеспечиваются жестким выполнением регламента (правил эксплуатации) и большим количеством контрольного оборудования. Все оно предназначено для продуманного и эффективного управления реактором.
Аварийная защита ядерного реактора - совокупность устройств, предназначенная для быстрого прекращения цепной ядерной реакции в активной зоне реактора.
Активная аварийная защита автоматически срабатывает при достижении одним из параметров ядерного реактора значения, которое может привести к аварии. В качестве таких параметров могут выступать: температура, давление и расход теплоносителя, уровень и скорость увеличения мощности.
Исполнительными элементами аварийной защиты являются, в большинстве случаев, стержни с веществом, хорошо поглощающим нейтроны (бором или кадмием). Иногда для остановки реактора жидкий поглотитель впрыскивают в контур теплоносителя.
Дополнительно к активной защите, многие современные проекты включают также элементы пассивной защиты . Например, современные варианты реакторов ВВЭР включают "Систему аварийного охлаждения активной зоны" (САОЗ) - специальные баки с борной кислотой, находящиеся над реактором. В случае максимальной проектной аварии (разрыва первого контура охлаждения реактора), содержимое этих баков самотеком оказываются внутри активной зоны реактора и цепная ядерная реакция гасится большим количеством борсодержащего вещества, хорошо поглощающего нейтроны.
Согласно "Правилам ядерной безопасности реакторных установок атомных станций", по крайней мере одна из предусмотренных систем остановки реактора должна выполнять функцию аварийной защиты (АЗ). Аварийная защита должна иметь не менее двух независимых групп рабочих органов. По сигналу АЗ рабочие органы АЗ должны приводиться в действие из любых рабочих или промежуточных положений.
Аппаратура АЗ должна состоять минимум из двух независимых комплектов.
Каждый комплект аппаратуры АЗ должен быть спроектирован таким образом, чтобы в диапазоне изменения плотности нейтронного потока от 7% до 120% номинального обеспечивалась защита:
1. По плотности нейтронного потока - не менее чем тремя независимыми каналами;
2. По скорости нарастания плотности нейтронного потока - не менее чем тремя независимыми каналами.
Каждый комплект аппаратуры АЗ должен быть спроектирован таким образом, чтобы во всем диапазоне изменения технологических параметров, установленном в проекте реакторной установки (РУ), обеспечивалась аварийная защита не менее чем тремя независимыми каналами по каждому технологическому параметру, по которому необходимо осуществлять защиту.
Управляющие команды каждого комплекта для исполнительных механизмов АЗ должны передаваться минимум по двум каналам. При выводе из работы одного канала в одном из комплектов аппаратуры АЗ без вывода данного комплекта из работы для этого канала должен автоматически формироваться аварийный сигнал.
Срабатывание аварийной защиты должно происходить как минимум в следующих случаях:
1. При достижении уставки АЗ по плотности нейтронного потока.
2. При достижении уставки АЗ по скорости нарастания плотности нейтронного потока.
3. При исчезновении напряжения в любом не выведенном из работы комплекте аппаратуры АЗ и шинах электропитания СУЗ.
4. При отказе любых двух из трех каналов защиты по плотности нейтронного потока или по скорости нарастания нейтронного потока в любом не выведенном из работы комплекте аппаратуры АЗ.
5. При достижении уставок АЗ технологическими параметрами, по которым необходимо осуществлять защиту.
6. При инициировании срабатывания АЗ от ключа с блочного пункта управления (БПУ) или резервного пункта управления (РПУ).
Материал подготовлен интернет-редакцией www.rian.ru на основе информации РИА Новости и открытых источников
(ЯДЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ)Первичное ядерное топливо
(ЯДЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ)Керамическое ядерное топливо.
В настоящее время в большинстве энергетических реакторов применяется керамическое топливо на основе диоксида урана U02, которое впервые было получено в 1950 г. Это вещество обладает высокой жаропрочностью, позволяющей работать при больших температурах ядерного топлива (/Г1Л = 28500 С), химически устойчиво...(ЯДЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ)
Первичное ядерное топливо
Уран - главный элемент атомной энергетики, используется как ядерное топливо, сырье для получения плутония и в ядерном оружии. Содержание урана в земной коре составляет 2,5-10-4 %, а суммарное количество в слое литосферы толщиной 20 км доходит до 1,3-1014 т. Минералы урана есть практически везде. Однако...(ЯДЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ)
З. Вторичные ресурсы. Отработавшее ядерное топливо
В результате работы атомной энергетики, как и при любой другой индустриальной деятельности, образуются продукты, которые не являются целью данного производства (производство электроэнергии из ядерного топлива, используемого в ядерных реакторах). Однако отработавшее ядерное топливо, которое экологи пытаются...(ЯДЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ)
Выборка из книги: "Атомная энергетика. Спрашивали? Отвечаем!"
Акатов А. А., Коряковский Ю. С. 2012 г.
"Зачем России нужна ядерная отрасль?
Исторически основной причиной зарождения ядерной отрасли в нашей стране было создание ядерного оружия. Была ли в этом существенная необходимость? В 1945 году, сбросив ядерные боезаряды на Хиросиму и Нагасаки, Соединенные Штаты ясно дали понять, кто «главный» на мировой арене. Города СССР вполне могли разделить участь японских, хотя сейчас это может и показаться преувеличением. В кратчайшие сроки наши ученые смог-ли создать собственное ядерное оружие и восстановить равновесие сил, но практически параллельно с ядерной оборонной сферой начала развиваться ядерная энергетика, стали строиться АЭС, предназначенные для выработки электричества за счет цепной реакции деления. Постепенно «мирный» атом вытеснил «военный», и в настоящий момент у нашей страны нет необходимости нарабатывать ядерные заряды для оружия. Поэтому сейчас важнейшей задачей отрасли является обеспечение российских потребителей электроэнергией в условиях растущего энергетического дефицита.
Когда дала промышленный ток первая в истории человечества АЭС?
В области мирного использования атомной энергии мы опередили американцев: первая атомная электростанция дала промышленный ток 27 июня 1954 года. Это событие про-изошло недалеко от Москвы - в городе Обнинск, на территории Физико-энергетического института им. А.И. Лейпунского. Первая АЭС, «старушка», как ее стали называть в последние годы эксплуатации, благополучно проработала 48 лет, и была остановлена относительно не-давно, в 2002 году. Физико-энергетический институт существует по сей день, являясь одним из крупнейших научных центров нашей страны.
Ядерное топливо - это просто уран?
Конечно, нет. Практически во всем мире используется ядерное топливо на основе урана, обогащенного по так называемому делящемуся изотопу - урану-235. Содержание урана-235 в уране, из которого изготавливают топливо, составляет 3-5 %, а остальные 95-97 % приходятся на неделящийся уран-238. Но в реакторы не загружают металлический уран, его переводят в форму диоксида (UO2), из которого штампуют таблетки. Таблетки помещают в металлические трубки, которые называют тепловыделяющими элементами, или твэлами. Твэлы соединяют в тепловыделяющие сборки (ТВС). Тепловыделяющие сборки и являются теми модулями, которые загружают в реактор или выгружают из него при замене топлива.
Что такое «ядерный топливный цикл»?
В данном случае речь идет не о математическом или физическом понятии цикла. В промышленности циклом принято называть группу предприятий, тесно связанных друг с другом. Например, так: продукт, выпускаемый одним из предприятий, является сырьем для другого. В ядерной отрасли сформировалась группа производств, которая решает за-дачи, связанные с изготовлением и применением ядерного топлива. Работа предприятий ядерного топливного цикла организована следующим образом. Сначала урановую руду извлекают из недр, очищают уран от ненужных примесей, обогащают его по нужному изотопу (урану-235) и переводят в форму, подходящую для «сжигания» в ядерном реакторе - в форму ядерного топлива. Несколько лет топливо «работает» в реакторе, благодаря чему на атомной электростанции вырабатывается электроэнергия, атомные ледоколы и подводные лодки ходят по морям и океанам, а ученые делают новые открытия. После пребывания в ре-акторе топливо (теперь его называют отработавшим ядерным топливом) обладает высокой радиоактивностью и содержит ценные компоненты, которые образовались в ходе ядерной реакции. Его необходимо безопасно переработать, выделить ценные материалы, а образовавшиеся радиоактивные отходы перевести в без-опасную форму и захоронить. Эти задачи также решают предприятия, входящие в ядерный топливный цикл.В Российской Федерации соответствующие производства объединены в составе холдинга "Атомэнерго".
Зачем обогащаются люди, мы знаем. А зачем обогащается уран?
В ядерном реакторе протекает самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция деления. Происходит это так: в ядро урана-235 попадает нейтрон, оно делится на две части и испускает 2-3 нейтрона, которые попадают в соседние ядра урана-235, они тоже делятся - и реакция поддерживает себя сама. Но если поблизости мало таких ядер, то нейтроны могут в них и не попасть - и реакция не пойдет. Таким образом, работоспособность ядерного реактора определяется концентрацией ядер урана-235 в активной зоне. В природном уране 99,3 % неделящегося урана-238 и всего лишь 0,7 % делящегося урана-235. И если загрузить в реактор топливо из природного урана, то ядерная реакция протекать не будет. Поэтому природный уран обогащают, доводят содержание урана-235 до 3–5 %. (Сам уран, конечно, обогащаться не может, нужна помощь специалистов).Ради справедливости нужно сказать, что существуют реакторы, работающие на топливе с природным содержанием урана-235. Но в них используется тяжелая вода, получение которой также требует определенных затрат.
Сколько ядерных энергоблоков в России и в мире?
В нашей стране 10 атомных станций, на которых работает 33 ядерных энергоблока. Доля электроэнергии, вырабатываемой на российских АЭС, составляет около 17 % от обще-го количества, и почти совпадает со среднемировым показателем - 15 %. Все наши АЭС, за исключением Билибинской, расположены в европейской части страны. Реакторы самых ранних АЭС периодически модернизируют, чтобы привести их в соответствие с непрерывно ужесточающимися требованиями безопасности.В июле 2012 года в мире эксплуатировалось 433 ядерных энергоблока.
На российских АЭС установлены одинаковые реакторы, или нет?
Ядерная энергетика нашей страны, в основном, представлена тремя типами реакторов:
РБМК (реактор большой мощности канальный)
ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор)
БН (реактор на быстрых нейтронах)Реакторы типа РБМК установлены на одноконтурных АЭС с водным теплоносителем. В качестве замедлителя нейтронов в них используется графит, поэтому данные реакторы еще называют уран-графитовыми. На Билибинской АЭС работают младшие братья РБМК - реакторы ЭГП с аналогичным принципом действия.Реакторы типа ВВЭР работают на двухконтурных АЭС; и в первом, и во втором контуре циркулирует вода. Эти реакторы называют водо-водяными, поскольку вода является одно-временно и теплоносителем, и замедлителем нейтронов. На вновь строящихся блоках будут устанавливать реакторы ВВЭР следующего поколения, более мощные и безопасные.А реактор БН у нас пока только один, хотя в ближайшие годы будет запущен второй крупный реактор на быстрых нейтронах. Но за этим типом реакторов будущее, поскольку они позволяют более полно использовать запасы урана.
Как долго ядерное топливо «работает» в реакторе?
Загружаемое в реактор урановое горючее работает 3-4 года. Для годовой ра-боты крупного ядерного энергоблока требуется всего лишь несколько десятков тонн низкообогащенного урана. Для сравнения, станция на угле, вырабатывающая эквивалентное количество электроэнергии, потребляет пять железнодорожных составов угля, но не в год, а… в сутки.
Почему бы не заменить АЭС «ветряками»?
Энергия ветра слишком рассеяна, и собрать ее сложно. Имеет смысл устанавливать «ветряки» в тех регионах, где дуют устойчивые сильные ветры. Это пустыни, морские побережья, а у нас они занимают всего лишь 10 % от площади страны. И речь идет, как правило, об удаленных территориях, откуда до ближайшего потребителя электроэнергии очень далеко. Конечно, этот вид энергетики не является «запрещенным». На карте России есть местности, где действительно целесообразно устанавливать ветряные электростанции. Но решить проблему энергоснабжения в масштабах всей страны, а особенно в масштабах крупных мегаполисов, они пока не в состоянии.
Давайте остановим все АЭС!
После Чернобыльской аварии и не-давней аварии на АЭС «Фукусима-I» в Японии в обществе циркулировало мне-ние, что если заглушить реакторы на всех АЭС, это существенно снизит риски. Одна-ко люди, считающие так, забывают о важной роли АЭС в энергоснабжении крупных регионов. Например, Ленинградская АЭС производит треть электроэнергии, потребляемой в Северо-Западном федеральном округе. Чем ее заменить? Еще увеличить сжигание газа, мазута, угля? Это повлечет дополнительные экологические, экономические и транспортные риски. И еще: остановив все атомные станции, мы не снизим, а, наоборот, увеличим радиационные риски. Проблема отработавшего ядерного топлива и накопленных радиоактивных отходов никуда не исчезнет, а только разрастется, поскольку заглушенный ядерный энергоблок нельзя предоставить судьбе. Потребуется одновременно запустить не-сколько сложных и затратных программ по выводу из эксплуатации ядерных энергоблоков, включающих очистку объектов от радиоактивного загрязнения и демонтаж оборудования, являющегося мощным источником радиации. И образующиеся при этом радиоактивные от-ходы на свалку не выбросишь - вопрос, где их разместить, также потребует решения.
Сколько специалистов управляют работой энергоблока?
Если сравнивать ядерный энергоблок и человека, то сердцем можно назвать реактор, а мозгом - блочный щит управления (БЩУ). Отсюда операторы - профессионалы высокого класса - контролируют процессы, протекающие в реакторе, работу паровой турбины и энергоблока в целом. Их трое, и каждый сидит за своим пультом. Кроме того, в БЩУ находится начальник смены блока или его заместитель, но они не принимают непосредственного участия в управлении, выполняя, скорее, функцию наблюдателей с правом вмешательства, например, при обнаружении ошибки в действиях оператора. Всего 4-5 человек. Кажется, что этого недостаточно для такой ответственной задачи? Но на западных АЭС аналогичные функции выполняют всего двое сотрудников, при этом ряд задач перекладывается на автоматику.
Как быстро можно остановить ядерный реактор?
Буквально за две секунды. В конструкции любого реактора присутствуют так называемые аварийные стержни. При нормальной работе они выведены из активной зоны реактора и подвешены над ней. Когда приходит аварийный сигнал, стержни буквально падают вниз под действием собственного веса, моментально останавливая цепную реакцию в ядерном топливе. К слову сказать, на момент Чернобыльской аварии система срабатывала на порядок медленнее. Для останова реактора в 1986 году требовалось 14 секунд, что стало одной из причин, из-за которых не удалось предотвратить аварию. Из полученного урока были сделаны выводы, и проведена внушительная работа по совершенствованию аварийной защиты, чтобы избежать повторения подобной ситуации в будущем.
Правда ли, что после эксплуатации в реакторе ядерное топливо светится?
Да, это завораживающее зрелище можно наблюдать, если отработавшее топливо находится в воде. Внешне это выглядит как голубой ореол, окружающий топливные сборки, вертикально установленные под слоем темной воды на глубине нескольких метров. Кажет-ся, что топливо освещено прожекторами, но на самом деле это не так. Испускаемые ядерным топливом быстрые электроны движутся со скоростью, превышающей скорость света в воде, и излучают в синей области спектра. Подобное явление называют излучением Черенкова-Вавилова, и оно возникает даже в твердых прозрачных средах. В воздухе ядерное топливо не светится.
Много ли отходов образуется на АЭС?
Не очень: за год работы крупного энергоблока мы получаем 100-200 кубометров твердых радиоактивных отходов (ТРО) и примерно столько же жидких (ЖРО). Источники твердых отходов - загрязненные детали и материалы, отработавшее оборудование реакторного контура, загрязненная одежда, инструменты, ветошь, используемая для протирания и прочее.Источник жидких отходов - небольшие протечки радиоактивной воды, используемой в качестве теплоносителя, а также водные растворы, применяемые для отмывки радиоактивно загрязненного оборудования, сточные воды спецпрачечных и так далее. Причем первичный объем жидких отходов довольно высок - порядка 10000 кубометров в год. По-этому их упаривают, в результате чего исходное количество сокращается в десятки и даже в сотни раз.
А как обстоит дело с отходами на других предприятиях ядерного топливного цикла?
Наибольшее количество радиоактивных отходов образуется в процессе добычи урана. Они представляют собой отвалы пустой породы и отходы радиометрической сортиров-ки. Урана в них почти нет. И хотя количество таких отходов велико - более пятидесяти тысяч кубометров при обеспечении годовой работы одного реактора мощностью тысяча мегаватт - не следует забывать, что эти отходы относятся к низкоактивным, то есть они практически безопасны. Если их хранение организовать правильно, то угрозы для населения и окружающей среды такие хвостохранилища не представляют. Кроме того, в нашей стране они есть только в Краснокаменске (Забайкальский край).
На какой стадии ядерного топливного цикла образуются самые опасные отходы?
На стадии переработки отработавшего ядерного топлива. Надо отметить, что свежее топливо не представляет радиационной угрозы: таблетки уранового горючего можно держать в руках. Но когда уран делится в реакторе, происходит образование продуктов деления, и многие из них представляют серьезную радиационную угрозу. Однако исходящая от них опасность значительно снижает-ся с течением времени. Так, через 40 лет после из-влечения из реактора количество радиоактивных продуктов уменьшается в тысячу раз по сравнению с исходным. К тому же, объем высокоактивных от-ходов, образующихся при переработке отработавшего топлива, составляет очень незначительную долю (менее 1 %) от суммарного количества радиоактивных отходов, образующихся на всех стадиях ядерного топливного цикла. Если же учесть и хвостохранилища, то доля высокоактивных отходов не превысит 0,01 %. Высокоактивные отходы остекловывают, причем их объем за всю историю переработки отработавшего ядерного топлива в России в расчете на одного жителя нашей страны сравним с объемом мячика для гольфа.
Как обращаются с отходами атомных электростанций?
Первая стадия - их строгий учет и сбор. Учет необходим для обеспечения безопасности, учитывая недопустимость попадания радиоактивных веществ в окружающую среду, да и в руки террористов. Поэтому система учета и контроля радиоактивных веществ и радиоактивных отходов в России выведена на национальный уровень.Вторая стадия - компактификация, максимальное снижение объема отходов. Жидкие отходы выпаривают, твердые - прессуют и сжигают. Это позволяет снизить расходы на их хранение и окончательную изоляцию.Третья стадия - кондиционирование, на ней отходы переводят в химически стойкое, экологически безопасное состояние. Отходы с небольшой радиоактивностью допускается хранить в бочках и контейнерах, для более опасных материалов предусмотрены более надежные матрицы: блоки из цемента, битума или стекла. Финальная стадия - отправка радиоактивных отходов в специализированные храни-лища, а затем - на объект окончательной изоляции.
Стоит ли опасаться ввоза радиоактивных отходов в нашу страну из других государств?
В соответствии с существующими законами ввоз радиоактивных отходов на территорию нашей страны запрещен. В Россию допускается ввозить только отработавшие источники ионизирующего излучения и отработавшее ядерное топливо, произведенные в нашей стране и возвращаемые по межправительственному соглашению. Но отработавшее топливо неправильно называть отходами по одной простой причине: отходы - это те материалы, которые полностью исчерпали свой полезный ресурс, в которых нет ничего ценного. К от-работавшему топливу, в котором содержится несгоревший уран, плутоний, набор прочих изотопов, которые можно использовать в геологии, медицине, сельском хозяйстве, космосе и т.д., это не относится. Оно является источником ценных продуктов и может быть использовано повторно.
Чем опасны радиоактивные вещества?
Радионуклиды (радиоактивные ядра), как природные, так и техногенные, отличаются от стабильных ядер тем, что они могут самопроизвольно превращаться в ядра других эле-ментов. При этом ядро испускает радиацию, или, как ее называют специалисты, ионизирующее излучение. Радиация наносит определенный вред клеткам, вызывая отклонения в их работе. Правда, клетки успешно борются с этим воздействием, если дозы радиации невелики. Более того, в отсутствие обычного радиационного фона организм угнетается, снижается иммунитет. А вот в случае, если поток радиации мощный, клетки гибнут, что приводит к нарушению функций органов и тканей. Следует отметить, что в нашей обычной жизни вероятность попасть под такое сильное радиационное воздействие, чтобы это отразилось на здоровье, крайне мала. В обычной жизни средний россиянин получает от всех источников дозу радиации в 25-50 раз ниже, чем минимальная доза, для которой отмечаются хотя бы не-значительные вредные последствия.
Расскажите об условиях работы на урановых шахтах. Это опасно?
Сначала приведем исторический пример, относящийся к эпохе до открытия явления радиоактивности. Средневековые шахтеры из южной Саксонии часто болели и рано умирали от патологии легких, однако реже страдали болезнями суставов, потому что пили воду шахтного происхождения, содержащую уран. Конечно, об этом никто не знал. Поэтому неудивительно, что раньше работа на урановых шахтах была опасным делом, и уровень заболеваемости на урановых шахтах был довольно высок. Начали разбираться, в чем дело, и пришли к выводу: причина в высокой концентрации природного радиоактивного газа - радона, который является непременным спутником урановых месторождений. Поняв проблему, выписали «рецепт» - обеспечить хорошую вентиляцию шахт. Это возымело положительное действие, и сейчас по статистическим данным смертность рабочих при добыче урана не выше, чем на горнодобывающих предприятиях в других отраслях.
Облучаются только работники ядерной отрасли? Или нет?
И в других отраслях работники могут получить повышенную дозу радиации. В наибольшей степени здесь «отличился» нефтегазовый комплекс. Суть проблемы в том, что вместе с нефтью и газом из-под земли извлекаются природные радиоактивные вещества, на-пример, радий. Эти изотопы оседают на внутренних поверхностях трубопроводов, насосов, емкостей и приводят к существенному повышению радиационного фона. Когда этой проблемой занялись вплотную, выяснили, что дозы, получаемые сотрудниками нефтедобывающих предприятий, местами превышают предельные дозы для персонала АЭС, а миллионы тонн нефтешламов в соответствии с отечественными нормами должны рассматриваться как радиоактивные отходы.
Какой вклад вносит АЭС в мою годовую дозу?
Специалисты внимательно изучили этот вопрос и были удивлены. Вклад всех предприятий ядерной отрасли, последствий радиационных аварий и испытаний ядерного оружия в дозу среднего россиянина составляет около 0,3 %. Причем эта цифра остается справедливой для регионов, где расположены АЭС. Остальное - это природные источники и медицинские исследования. Исключение составляют области, загрязненные в результате радиационных аварий, но и там «атомный» вклад оказывается ниже медицинской составляющей.
Вероятность аварии на АЭС маленькая, но, все же, не нулевая. Как ее «обнулить»?
Вероятность аварии на любом крупном промышленном объекте никогда не будет равна нулю - это знают все, кто знаком с предметом математической статистики. В соответствии с канонами этой дисциплины, любое событие может произойти с той или иной вероятностью: существует даже вероятность (правда, очень малая) гибели от метеорита. Иными словами, «обнулить» возможность аварии не в нашей власти, зато в мы можем сделать ее пренебрежимо малой. На строящихся АЭС вероятность крупной радиационной аварии составляет 10–7 на реактор в год. Это сопоставимо с вероятностью падения на наш дом пусть не метеорита, но самолета. Вы же не боитесь жить в собственном доме?АЭС современных проектов безопасны еще и потому, что на них внедряются инновационные технические решения, позволяющие не допустить выброса радиоактивных веществ за пределы станции даже в случае тяжелой аварии.
Как вести себя в случае радиационной аварии?
Во-первых, неплохо бы удостовериться, что авария с выбросом радиации действительно произошла, а информация о ней не является «уткой», поскольку подобные провокации имели место неоднократно. Их число резко снизилось после открытия Интернет-сайта russianatom.ru, на котором в режиме он-лайн выводится информация с датчиков системы контроля радиационной обстановки предприятий Росатома. Если авария все же произошла, полагается тщательно закрыть окна и двери, сделать запас воды, надеть респираторы или марлевые повязки для защиты от радиоактивных аэрозолей, слушать радио, в соответствии с указаниями принимать йодсодержащие препараты и дожидаться отбоя тревоги или, при неблагоприятном развитии ситуации, эвакуации.
Зачем нужна «йодная профилактика»?
Одним из опасных радиоактивных изотопов, образующихся при работе ядерного реактора, является йод-131. Он способен избирательно накапливаться в щитовидной железе - органе, отвечающем за выработку двух важных гормонов, а нарушение работы щитовидной железы сказывается на работе организма в целом.Йодная профилактика заключается в следующем: люди, попавшие в зону радиоактивного загрязнения, принимают обычный йод: стабильный изотоп, содержащийся в препарате, вытесняет радиоактивный йод из щитовидной железы, и ее облучение значительно снижается. Можно принимать аптечный спиртовой раствор йода, разводя несколько капель в воде или молоке, но лучше пользоваться йодсодержащими препаратами. Например, табле-тированным йодидом калия.К счастью, угроза от йода-131 не является долгосрочной. Период полураспада этого изотопа составляет около 8 суток, значит, через несколько десятков дней после выброса его концентрация снижается до безопасных значений.Напоследок, совет. В случае провокации не пейте йод! Зафиксированы случаи, когда люди в результате беспочвенных слухов об аварии на АЭС выпивали столько спиртового раствора йода, что возникала необходимость в медицинской помощи.
Слышал, что спирт выводит радиоактивные вещества из организма. Так ли это?
Это популярное мнение давно можно было бы искоренить, но, к сожалению, оно активно поддерживается самими атомщиками. Однако за этим скрывается не более чем удобный повод для того, чтобы «сообразить на троих». Точно так же некоторые люди с надеждой заглядывают в календарь, чтобы посмотреть, нет ли сегодня какого-нибудь праздника? История о пользе спирта основана на реальных фактах: спирт реально взаимодействует со свободными радикалами - опасными соединениями, которые образуются в клетках при воздействии радиации и попадании в организм радиоактивных веществ. Проблема в том, что для достижения более-менее значимого эффекта по их нейтрализации необходимо вы-пить столько спирта, что это приведет к тяжелейшему отравлению организма. Нельзя за-бывать, что спирт - это яд. Для снижения последствий облучения и выведения радиоактивных веществ из организма разработаны специальные препараты - радиопротекторы. Не доставляя такого удовольствия, как распитие спиртных напитков, они, тем не менее, обладают куда более сильным эффектом.
Расскажите про «рыжий лес». Он до сих пор рыжий?
При аварии на Чернобыльской АЭС облако радиоактивных веществ накрыло близлежащий лесной массив. Особенно по-страдали хвойные деревья. Лиственные по-роды ежегодно сбрасывают листву и таким образом очищаются от радионуклидов, а для елей и сосен эта «опция» недоступна. В результате деревья погибли, а хвоя окрасилась в рыжий цвет. Фотографии «рыжего леса» активно используются в качестве аргумента, свидетельствующего об опасности ядерной энергетики. Но сопоставим факты: из-за наиболее серьезной радиационной аварии в истории человечества погибло 560 гектаров леса, в то время как «нормальная» работа Норильского комбината при-вела к уничтожению деревьев на тысяче-кратно большей площади - 600000 гектар! К слову, сейчас на месте «рыжего леса» зеленеет рощица, и поют птицы, хотя радиационный фон там значительно повышен."
Новосибирский завод химконцентратов - один из ведущих мировых производителей ядерного топлива для АЭС и исследовательских реакторов России и зарубежных стран. Единственный российский производитель металлического лития и его солей. Входит в состав Топливной компании "ТВЭЛ" Госкорпорации "Росатом".
Внимание, комментарии под фото!
Несмотря на то, что в 2011 году НЗХК произвел и реализовал 70 % мирового потребления изотопа лития-7, основным видом деятельности завода является выпуск ядерного топлива для энергетических и исследовательских реакторов.
Этому виду и посвящен текущий фоторепортаж.
Крыша здания основного производственного комплекса
Цех производства твэл и ТВС для исследовательских реакторов
Участок изготовления порошка диоксида урана методом высокотемпературного пирогидролиза
Загрузка контейнеров с гексафторидом урана
Комната операторов
Отсюда идет управление процессом производства порошка диоксида урана, из которого затем изготавливают топливные таблетки.
Участок изготовления урановых таблеток
На переднем плане видны биконусы, где хранится порошок диоксида урана.
В них происходит перемешивание порошка и пластификатора, который позволяет таблетке лучше спрессоваться.
Таблетки ядерного керамического топлива
Далее они отправления в печь на отжиг.
Факел (дожигания водорода) на печи спекания таблеток
Таблетки отжигаются в печах при температуре не менее 1750 градусов в водородной восстановительной среде в течение 20 с лишним часов.
Производственно-технический контроль таблеток ядерного керамического топлива
Одна таблетка весом 4,5 г по энерговыделению эквивалентна 400 кг каменного угля, 360 куб. м газа или 350 кг нефти.
Все работы ведутся в боксах через специальные перчатки.
Разгрузка тарных мест с таблетками
Цех производства твэл и ТВС для АЭС
Автоматизированная линия изготовления твэл
Здесь происходит заполнение циркониевых трубок таблетками диоксида урана.
В итоге получаются готовые твэлы около 4 м в длину — тепловыделяющие элементы.
Из твэлов уже собирают ТВС, иначе говоря, ядерное топливо.
Перемещение готовых твэл в транспортных контейнерах
Бахилы даже на колесах.
Участок сборки ТВС
Установка нанесения лакового покрытия на твэлы
Закрепление твэлов в механизме загрузки
Изготовление каркаса - сварка каналов и дистанционирующих решёток
В этот каркас затем установят 312 твэлов.
Технический контроль каркаса
Каналы и дистанционирующие решётки
Автоматизированные стенды снаряжения пучка твэлов
Сборка пучка
Технический контроль ТВС
Твэлы с штрих-кодовой маркировкой по которой можно проследить, буквально, весь путь производства изделия.
Стенды контроля и упаковки готовых ТВС
Контроль готовых ТВС
Проверяют, чтобы расстояние между твэлами было одинаковое.
Готовая ТВС
Двухтрубные контейнеры для транспортировки ТВС
Топливо для атомных станций, произведенное в НЗХК, используется на российских АЭС, а также поставляется в Украину, в Болгарию, Китай, Индию и Иран.
Почему уран?
Человечество связало себя по рукам и ногам электрическими проводами. Бытовая техника, промышленное оборудование, уличное освещение, троллейбусы, метро, электрички – все эти блага цивилизации работают от электрической сети; они становятся бессмысленными «кусками железа», если ток по какой-то причине пропадает. Впрочем, люди уже настолько привыкли к постоянству электропитания, что любое отключение вызывает недовольство и даже дискомфорт. И правда, чем заняться человеку, у которого разом вырубились все приборы, включая самые любимые – телевизор, компьютер и холодильник? Особенно тяжело переносить «разлуку» вечером, когда так хочется после работы или учебы, что называется, продлить световой день. Разве планшет спасет или телефон, но ведь и у них заряд не вечный. Еще хуже оказаться в «тюремной камере», в которую по воле блэкаута может превратиться кабина лифта или вагон метро.
К чему весь этот разговор? А к тому, что «электрифицированное» человечество нуждается в стабильных и мощных источниках энергии, – в первую очередь, электроэнергии. При ее нехватке раздражающе частыми станут отключения от сети, да и уровень жизни снизится. Чтобы неприятный сценарий не стал реальностью, необходимо строить все новые и новые электростанции: глобальное потребление энергии растет, а действующие энергоблоки постепенно стареют.
Но что может предложить для решения проблемы современная энергетика, преимущественно сжигающая уголь и газ? Конечно же, новые газовые установки, уничтожающие ценное химическое сырье, или угольные блоки, коптящие небо. К слову, выбросы тепловых электростанций – известная экологическая проблема, но вред окружающей среде наносят еще и предприятия по добыче ископаемого топлива. А ведь его потребление огромно. Например, для обеспечения работы обычного холодильника в течение года придется сжечь около сотни килограммов угля или сотни кубометров природного газа. И это только один бытовой прибор, коих множество.
Кстати, а сколько ядерного топлива понадобится, чтобы упомянутый холодильник отработал целый год? Трудно поверить, но… всего один грамм!
Колоссальная энергоемкость ядерного топлива, изготавливаемого из обогащенного урана, делает его достойным конкурентом углю и газу. В самом деле, атомная станция потребляет в сто тысяч раз меньше топлива, чем тепловая. Значит, и горные разработки для добычи урана имеют значительно меньший масштаб, что важно для окружающей среды. Плюс – отсутствуют выбросы парниковых и токсичных газов.
Энергоблок атомной станции мощностью тысяча мегаватт за год израсходует всего три десятка тонн ядерного топлива, а тепловой станции такой же мощности потребуется около трех миллионов тонн угля или трех миллиардов кубометров газа. Иными словами, для получения одного и того же количества электроэнергии потребуется либо несколько вагонов с ядерным топливом в год, либо несколько составов с углем… в день.
А возобновляемые источники энергии? Они, конечно, хороши, но все же пока нуждаются в совершенствовании. Взять, хотя бы, занимаемую станцией площадь. В случае ветрогенераторов и солнечных панелей она на два порядка выше, чем у обычных электростанций. К примеру, если атомная электростанция (АЭС) уместится на территории в пару квадратных километров, то ветропарк или солнечное поле такой же мощности займут уже несколько сотен квадратных километров. Проще говоря, соотношение площадей как у небольшой деревеньки и очень крупного города. В пустыне этот показатель может быть и не важен, а в зоне ведения сельского или лесного хозяйства – еще как.
Следует упомянуть, что ядерное топливо готово работать всегда, невзирая на время года, суток или погодные капризы, тогда как солнце принципиально не светит ночью, а ветер дует, когда ему вздумается. Более того, в некоторых местностях возобновляемая энергетика вообще не будет рентабельной из-за низкого потока солнечной энергии или малой средней скорости ветра. Для АЭС подобных проблем просто не существует.
Эти преимущества атомной энергетики и определили выдающуюся роль урана – как ядерного топлива – для современной цивилизации.
Кому сколько досталось?
В одном старом советском мультике зверята решали важную задачу – делили апельсин. В результате каждому, кроме волка, выдали по вкусной сочной дольке; серому же пришлось довольствоваться кожурой. Иными словами, ценный ресурс ему не достался. С этой точки зрения интересно узнать, как обстоят дела с ураном: все ли страны мира обладают его запасами, или есть обделенные?
На самом деле, урана на Земле много, и этот металл можно обнаружить практически везде: в коре нашей планеты, в Мировом океане, даже в организме человека. Проблема заключается в его «распыленности», «размазанности» по земным породам, следствием которой является низкая концентрация урана, чаще всего недостаточная для организации экономически выгодной промышленной добычи. Впрочем, кое-где встречаются скопления с высоким содержанием урана – месторождения. Они распределены неравномерно, соответственно, и запасы урана по странам различаются. Большая часть залежей этого элемента «уплыла» вместе с Австралией; кроме того, повезло Казахстану, России, Канаде и странам Южной Африки. Однако эта картина не является застывшей, положение дел постоянно меняется благодаря разведке новых месторождений и исчерпанию старых.
Распределение разведанных запасов урана по странам (для запасов со стоимостью добычи < $130/кг)
В водах Мирового океана растворено огромное количество урана: свыше четырех миллиардов тонн. Казалось бы, идеальное «месторождение» – добывай не хочу. Ученые разработали специальные сорбенты для извлечения урана из морской воды еще в восьмидесятых годах прошлого века. Почему же этот отличный метод не применяется повсеместно? Проблема в слишком низкой концентрации металла: из тонны воды удастся извлечь лишь около трех миллиграммов! Понятно, что такой уран окажется слишком дорогим. По оценкам, килограмм будет стоить пару тысяч долларов, что значительно дороже «сухопутного» аналога. Но ученые не расстраиваются и изобретают все более эффективные сорбенты. Так что, возможно, в скором времени этот способ добычи станет конкурентоспособным.
На сегодняшний день общее количество разведанных запасов урана со стоимостью добычи менее $130 за килограмм превышает 5,9 миллионов тонн. Много ли это? Вполне достаточно: если суммарная мощность атомных станций останется на нынешнем уровне, то урана хватит лет на сто. Для сравнения, разведанные запасы нефти и газа могут быть исчерпаны всего через тридцать-шестьдесят лет.
Первая десятка стран по запасам урана на своей территории (для запасов со стоимостью добычи < $130/кг)
Однако не следует забывать, что согласно прогнозам атомная энергетика будет развиваться, поэтому уже сейчас стоит задуматься над тем, как бы расширить ее ресурсную базу.
Один из способов решения поставленной задачи заключается в поиске и своевременной разработке новых месторождений. Судя по имеющейся информации, проблем с этим не должно быть: только за последние несколько лет были найдены новые залежи в некоторых странах Африки, Южной Америки, а также в Швеции. Правда, нельзя с уверенностью сказать, насколько рентабельной окажется добыча обнаруженных запасов. Может случиться так, что из-за малого содержания урана в руде и трудности разработки месторождений некоторые из них придется оставить «на потом». Дело в том, что цены на этот металл сейчас довольно низкие. С экономической точки зрения тут нет ничего удивительного. Во-первых, в мире все еще встречаются залежи сравнительно легко извлекаемого, и, следовательно, дешевого урана – он поступает на рынок и «сбивает» цену. Во-вторых, после фукусимской аварии некоторые страны скорректировали планы по сооружению новых ядерных энергоблоков, а Япония вообще остановила все свои атомные станции – произошло падение спроса, дополнительно удешевившее уран. Но это ненадолго. В игру уже вступили Китай и Индия, запланировавшие масштабное сооружение АЭС на своей территории. Менее амбициозные проекты есть и у других стран Азии, а также государств Африки и Южной Америки. Даже Япония, по-видимому, не сможет расстаться со своей атомной энергетикой. Поэтому спрос будет постепенно восстанавливаться, а вкупе с исчерпанием недорогих залежей это приведет к росту цен на уран. Аналитики считают, что ждать осталось недолго, – всего несколько лет. Вот тогда можно будет подумать и о разработке оставленных «на потом» месторождений.
Интересно, что списки стран-обладателей крупнейших запасов урана и государств с наиболее развитой атомной энергетикой практически не совпадают. В недрах Австралии находится треть мирового уранового «богатства», но на зеленом континенте нет ни одной атомной станции. Казахстан – мировой лидер по производству этого металла – только еще готовится к строительству нескольких ядерных энергоблоков. Страны Африки по экономическим и иным причинам далеки от присоединения к мировой «атомной» семье. Единственная АЭС на этом континенте находится в Южно-Африканской Республике, недавно заявившей о желании в дальнейшем развивать атомную энергетику. Впрочем, пока что даже ЮАР взяла тайм-аут.
Что же остается делать «атомным» гигантам – США, Франции, Японии – и наступающим им на пятки Китаю и Индии, если их потребности велики, а собственных запасов – кот наплакал? Конечно же, попытаться заполучить контроль над месторождениями и предприятиями по добыче урана в других странах. Эта задача имеет стратегический характер, и, решая ее, государства вступают в жесткие схватки. Перекупаются крупные компании, предпринимаются политические маневры, реализуются подпольные схемы с подкупом нужных людей или судебными войнами. В Африке эта борьба и вовсе может вылиться – и уже выливается – в гражданские войны и революции, скрыто поддерживаемые ведущими государствами, стремящимися к переделу зон влияния.
В этом плане России повезло: к услугам наших атомных станций – вполне приличные собственные запасы урана, добыча которого ведется в Забайкальском крае, Курганской области и Республике Бурятия. Вдобавок организуется активная геологоразведочная работа. Предполагается, что большим потенциалом обладают месторождения в Трансбайкальском регионе, Западной Сибири, Республике Карелия, Республике Калмыкия и Ростовской области.
Кроме того, Росатом владеет еще и зарубежными активами – крупными пакетами акций уранодобывающих предприятий в Казахстане, США, Австралии, а также работает над перспективными проектами на юге Африки. В результате среди ведущих компаний мира, занимающихся производством урана, Росатом уверенно держится на третьем месте после Казатомпрома (Казахстан) и Cameco (Канада).
Изучая химический состав метеоритов, некоторые из которых имеют марсианское происхождение, ученые обнаружили уран. Правда, его содержание оказалось значительно ниже, чем в земных породах. Ага, теперь понятно, почему марсиане зачастили к нам на своих летающих тарелках.
А если серьезно, то считается, что уран присутствует во всех объектах Солнечной системы. Например, в 2009 году его обнаружили в лунном грунте. Тут же возникли фантастические идеи типа добычи урана на спутнике с последующей отправкой на Землю. Другой вариант – «питание» реакторов лунных колоний, ютящихся поблизости от месторождений. Залежи, правда, еще не искали; да и с экономической точки зрения такая добыча пока кажется нереализуемой. Но в будущем – кто его знает…
Если долго мучаться, топливо получится
Наличие запасов урановой руды – это лишь одна составляющая успеха. В отличие от дров или угля, не требующих особо сложной подготовки перед тем, как попасть в топку, руду нельзя просто порезать на куски и закинуть в реактор. Чтобы объяснить почему, необходимо упомянуть о ряде особенностей, присущих урану.
С химической точки зрения этот элемент отличается высокой активностью, иными словами, он стремится к образованию различных соединений; поэтому искать в природе его самородки, наподобие золотых, – дело совершенно безнадежное. Что же тогда называют урановой рудой? Горную породу, содержащую очень небольшое количество минералов урана. Часто добавляют: небольшое, но достаточное для того, чтобы промышленная добыча была одобрена экономистами. К примеру, сегодня целесообразной считается разработка руды, в тонне которой содержится лишь несколько килограммов или даже сотен граммов урана. Остальное – пустая, ненужная порода, из которой предстоит выделить минералы урана. Но даже их еще нельзя загружать в ядерный реактор. Дело в том, что данные минералы чаще всего представляют собой оксиды или нерастворимые соли урана в компании других элементов. Некоторые из них могут представлять ценность для промышленности, и организация их попутной добычи способна улучшить экономические показатели. Но даже если такой потребности нет, уран все равно должен быть очищен от примесей. В противном случае ядерное топливо, изготовленное из «грязного» урана, может стать причиной неполадок в работе реактора или даже аварии.
Впрочем, очищенный уран тоже нельзя с полной уверенностью назвать ядерным топливом. Загвоздка состоит в его изотопном составе: на тысячу атомов урана в природе приходится лишь семь атомов урана-235, необходимого для протекания цепной реакции деления. Остальные – уран-238, который практически не делится, да еще и поглощает нейтроны. Впрочем, реактор на природном уране вполне можно запустить – при условии использования очень эффективного замедлителя типа дорогостоящей тяжелой воды или чистейшего графита. Только они позволяют нейтронам, образовавшимся при делении ядра урана-235, настолько быстро сбросить скорость, чтобы успеть попасть в другие ядра урана-235 и вызвать их деление, а не быть бесславно захваченными ураном-238. Но по целому ряду соображений в подавляющем большинстве реакторов мира используется другой подход: природный уран обогащают по делящемуся изотопу. Иными словами, содержание атомов урана-235 искусственно повышают с семи до нескольких десятков штук на тысячу. Благодаря этому нейтроны чаще на них натыкаются, и появляется возможность использовать более дешевые, хотя и менее эффективные замедлители, например, обычную воду.
А обогащенный уран – это уже конечный продукт? Снова нет, поскольку в энергетических реакторах предусмотрена передача «ядерного» тепла теплоносителю, омывающему топливо – чаще всего воде. Из-за накопления продуктов деления топливо – по мере нахождения в работающем реакторе – становится высокорадиоактивным. Ни в коем случае нельзя допустить, чтобы оно растворялось в воде. Для этого уран переводят в химически стойкое состояние, а также изолируют от теплоносителя, закрывая металлической оболочкой. В результате получается сложное техническое устройство, содержащее внутри себя соединения обогащенного урана, которые можно с полной уверенностью назвать ядерным топливом.
Упомянутые операции – добыча урана, его очистка и обогащение, а также изготовление ядерного топлива – это начальные стадии так называемого ядерного топливного цикла. С каждой из них необходимо познакомиться подробнее.
Период полураспада урана-238 – 4,5 миллиарда лет, а урана-235 – всего 700 миллионов лет. Получается, делящийся изотоп распадается в несколько раз быстрее основного. Если подумать, это означает, что в прошлом содержание урана-235 в природной смеси изотопов было больше, чем сейчас. К примеру, один миллиард лет назад из тысячи атомов урана шестнадцать имели ядро с 235 нуклонами, два миллиарда лет назад их число составляло тридцать семь, а за три миллиарда лет до сегодняшнего дня – целых восемьдесят! По сути, руда в те далекие времена содержала уран, который мы сегодня называем обогащенным. И вполне могло случиться так, что в каком-нибудь месторождении сам собой заработал бы природный ядерный реактор!
Ученые уверены, что именно это произошло с несколькими сверхбогатыми ураном залежами месторождения Окло, расположенного на территории современного Габона. 1,8 миллиарда лет назад в них самопроизвольно запустилась цепная ядерная реакция. Ее инициировали нейтроны, образующиеся при спонтанном делении, а дальше сработала высокая концентрация урана-235 и наличие в руде воды – замедлителя нейтронов. Словом, реакция стала самоподдерживающейся и протекала, то активизируясь, то затухая, в течение нескольких сотен тысяч лет. Потом реакторы «погасли», – видимо, из-за изменения водного режима.
На сегодняшний день это единственный известный природный ядерный реактор. Более того, в настоящее время ни в одном месторождении подобные процессы запуститься не могут. Причина вполне понятна – слишком мало осталось урана-235.
Попробуй откопай
Урановые руды крайне редко выходят на поверхность. Чаще всего они залегают на глубине от пятидесяти метров до двух километров.
Неглубокие месторождения разрабатывают открытым или, как его еще называют, карьерным способом. Твердые породы бурят и взрывают, а затем с помощью погрузчиков укладывают в самосвалы и вывозят из карьера. Рыхлые породы разрабатывают и загружают в карьерные самосвалы с помощью обычных или роторных экскаваторов, широко используют бульдозеры. Мощь и размеры этой техники поражают воображение: к примеру, уже упомянутые самосвалы обладают грузоподъемностью в сотню и более тонн! К сожалению, велик масштаб и самого карьера, глубина которого может достигать трехсот метров. После завершения работ он зияет огромной ямой в земной поверхности, а рядом с ним высятся отвалы породы, покрывавшей залежи урана. В принципе, карьер можно засыпать этими отвалами, высадив сверху траву и деревья; но обойдется это непомерно дорого. Поэтому ямы постепенно заполняются водой, образуются озера, не подлежащие хозяйственному использованию из-за повышенного содержания урана в воде. Могут также возникнуть проблемы, связанные с загрязнением грунтовых вод, поэтому урановые карьеры требуют особого внимания.
Впрочем, открытая разработка урана постепенно уходит в прошлое по вполне банальной причине – близкие к поверхности месторождения практически закончились. Теперь приходится иметь дело с глубоко запрятанными рудами. Традиционно их разрабатывают подземным (шахтным) способом. Только не стоит представлять себе суровых бородатых мужчин с кирками, ползающих по выработкам и рубящих руду. Теперь работа горняков в значительной степени механизирована. В горной породе, содержащей уран, сверлят шпуры – специальные глубокие отверстия, в которые закладывают взрывчатку. После взрыва измельченную руду ковшом забирает погрузочно-доставочная машина и по извилистым узким галереям бежит к вагонеткам. Заполненные вагонетки к вертикальному стволу шахты везет небольшой электровоз, а затем с помощью клети – своеобразного лифта – руду поднимают на поверхность.
Подземная добыча обладает рядом особенностей. Во-первых, она может быть выгодной только в случае высококачественных руд с большим содержанием урана, залегающих не глубже двух километров. Иначе расходы на горные работы, добычу и дальнейшую переработку руды сделают уран практически «золотым». Во-вторых, подземное царство урановых рудников – это замкнутое пространство, в котором витает радиоактивная пыль и не менее радиоактивный газ радон. Поэтому без мощной вентиляции и специальных средств защиты типа респираторов горнякам не обойтись.
И при карьерной, и при шахтной добыче руда извлекается в виде довольно больших кусков. Зачерпывая их ковшом экскаватора или погрузочно-доставочной машины, оператор не знает, отбирает ли он руду, богатую минералами урана, или же пустую породу, или что что-то среднее. Ведь месторождение не слишком однородно по своему составу, а использование мощных машин не позволяет работать тонко и изящно. Но отправлять на дальнейшую переработку куски, в которых почти нет урана, по меньшей мере, неразумно! Поэтому руду сортируют, пользуясь главным свойством урана, по которому его нетрудно обнаружить, – радиоактивностью. Специальные датчики ионизирующего излучения позволяют и при погрузке, и уже в транспортной емкости разделить руду по интенсивности испускаемой ей радиации на несколько сортов. Пустую породу направляют в отвалы. Богатую руду – на гидрометаллургический завод. А вот руду с небольшим, но заметным количеством урана сортируют повторно, более тщательно. Сначала ее измельчают, разделяют по размерам, после чего кусочки вываливают на движущуюся ленту транспортера. Над ней установлен датчик ионизирующего излучения, сигнал с которого поступает в автоматизированную систему управления заслонками, расположенными в конце ленты. Датчик настроен так, что реагирует на проезжающий под ним радиоактивный кусочек руды, содержащий минералы урана. Тогда заслонка поворачивается, и руда падает в специальный рудный бункер, откуда ее транспортируют на гидрометаллургический завод. В свою очередь, пустая порода никоим образом не «тревожит» датчик и заслонку, и падает в другой ящик – в отвал.
Упрощенная схема радиометрической сортировки руды (современные комплексы устроены гораздо сложнее)
Описанная схема является приблизительной, принципиальной: ничто не мешает сортировать руду на предприятиях другими известными способами. Однако практика показала, что они плохо подходят для урановых руд. Поэтому радиометрическая сортировка – с детекторами излучения – постепенно стала базовой технологией.
В реальности при сортировке руды выделяют и некую среднюю категорию, которую по содержанию урана нельзя отнести ни к богатой руде, ни к пустой породе. Иными словами, направлять ее на гидрометаллургический завод накладно (пустая трата времени и реагентов), а в отвалы – жалко. Такую бедную руду складывают в большие кучи и поливают серной кислотой на открытом воздухе, постепенно растворяя уран. Полученный раствор перекачивают на дальнейшую переработку.
На гидрометаллургическом заводе богатой руде предстоит еще большее измельчение, почти до состояния пыли, а затем – растворение.
Дробят руду на различных мельницах – например, барабанно-шаровых: внутрь вращающегося полого барабана засыпают измельчаемый материал и металлические шары типа пушечных ядер. Во время вращения шары бьют по кусочкам руды, размалывая их и истирая в порошок.
Измельченную руду «вскрывают», то есть частично растворяют, обрабатывая серной или азотной кислотой, или их смесью. В результате получают раствор урана, содержащий множество примесей. Иногда, если урановая руда содержит много природных карбонатов, кислотой не пользуются. В противном случае произойдет реакция, напоминающая гашение соды уксусом – с интенсивным выделением углекислого газа, и реагент будет потрачен впустую. Как же быть? Оказывается, подобные минералы можно «вскрыть» с помощью раствора соды. В итоге тоже получится раствор урана, который и пойдет на дальнейшую переработку.
А вот остатки нерастворившейся руды приходится направлять в специальные хвостохранилища – не самые «дружелюбные» по отношению к окружающей среде объекты. Стоит напомнить и о пустой породе, отделенной в процессе сортировки: ее складывают в отвалы. И хвосты, и отвалы содержат небольшие количества урана, что делает их потенциально опасными. В связи с этим возникает вопрос: можно ли организовать добычу так, чтобы наносить минимальный вред природе и обеспечить безопасность работников?
Можно, и это давно практикуют. Метод добычи, о котором идет речь, называют скважинным подземным выщелачиванием. Суть его в том, что месторождение «пронзают» множеством скважин. В некоторые из них, называемые закачными, подают серную кислоту, которая спускается на глубину, проходит сквозь руду и растворяет уран. Затем раствор ценного металла забирают из недр уже через другие – откачные – скважины.
Что же получается: ни отвалов, ни хвостохранилищ, ни пыли, ни ям или неожиданных провалов в земле, а в итоге – тот же самый раствор урана? Да. Более того, способом скважинного подземного выщелачивания разрабатывают очень бедные руды, которые экономически невыгодно добывать открытым или шахтным способом. Но при таком наборе достоинств обязательно должны быть недостатки! Что ж, во-первых, бурить скважины глубже восьмисот метров нерационально с точки зрения затрат. Во-вторых, метод не работает в плотных, непористых рудах. В-третьих, серная кислота все же нарушает состав и поведение подземных вод в месторождении, хотя эти нарушения со временем «рассасываются» сами собой. Гораздо опаснее, если раствор разольется по поверхности или проникнет окольными путями – по трещинам и разломам – в грунтовые воды. Поэтому за процессом пристально следят, пробуривая контрольные скважины.
Скважинное подземное выщелачивание
Во избежание упомянутых проблем был придуман «шахтный» вариант подземного выщелачивания: блоки руды в выработках дробят взрывами, а затем поливают сверху выщелачивающим раствором (серной кислотой), забирая раствор урана снизу – через дренажную систему.
В любом случае на сегодняшний день подземное выщелачивание является самым безопасным для окружающей среды способом добычи урана. Это одна из причин прямо-таки взрывного роста его популярности. Если в 2000 году всего пятнадцать процентов урана добывали подземным выщелачиванием, то на сегодняшний день эта цифра практически приблизилась к пятидесяти процентам!
Поземное выщелачивание становится лидирующей технологией добычи урана
Обычно месторождения урана ищут при помощи датчиков ионизирующего излучения; если точнее, то гамма-излучения. Сначала над местностью пролетает самолет, оборудованный такими датчиками. В его силах лишь зафиксировать радиационную аномалию – слегка повышенный фон над месторождением. Потом в дело запускают вертолет, который медленнее и точнее «обрисовывает» границы перспективного участка. В конце концов, на эту территорию приходят геологоразведчики с измерительными приборами и бурами. По результатам их работы будет построена карта залегания урановых руд и рассчитана стоимость добычи.
Однако месторождения урановых руд могут сигнализировать о себе и иными способами. Например, изменяя внешний вид произрастающих над ними растений: лепестки иван-чая, обычно розовые, становятся белыми; зеленеют или белеют синие плоды голубики. Глубокие корни можжевельника, растущего над залежью, хорошо всасывают уран, и он накапливается в ветвях и иглах. Превратив их в золу и проверив на содержание урана, можно понять, стоит ли добывать в этой местности главный металл атомной энергетики.
Чистота - залог здоровья (ядерного реактора)
Раствор урана, полученный при «вскрытии» руды или в процессе подземного выщелачивания, не отличается особой чистотой. Иными словами, кроме урана, в нем содержится куча химических элементов, встречающихся в земной коре: натрий и калий, кальций и магний, железо, никель и медь – и множество других. Не стоит удивляться образованию такого густого «компота», ведь серная кислота отличается высокой химической активностью и растворяет многие природные вещества; хорошо еще, что не всю руду целиком. Но для изготовления ядерного топлива нужен максимально чистый уран. Если же среди атомов урана будут то тут, то там встречаться атомы примесей, реактор может не запуститься или, что еще хуже, сломаться. О причинах подобных проблем будет сказано совсем скоро, а пока можно поставить задачу: очистить уран. И еще желательно получить его в твердом виде, удобном для перевозки. Действительно, растворы для транспортировки не годятся: слишком уж «любят» разливаться или просачиваться сквозь неплотности.
В промышленности эту задачу решают в несколько приемов. Сначала раствор концентрируют, пропуская сквозь специальные материалы, собирающие на себе уран, – сорбенты. Появляется первая возможность для очистки: сорбенты подбирают таким образом, чтобы другие элементы на них почти не «садились», оставались в растворе. Затем уран с сорбента смывают, к примеру, той же серной кислотой. Эта процедура может показаться бессмысленной, если не пояснить, что кислоты для «смыва» нужно гораздо меньше по сравнению с объемом исходного раствора. Так убивают двух зайцев: увеличивают концентрацию урана и частично убирают ненужные примеси.
Вторая стадия очистки связана с получением твердых соединений урана. Их осаждают из концентрированного раствора, добавляя известные «медицинские» реагенты: нашатырный спирт, перекись водорода, а также щелочи или карбонаты. Нужно обратить внимание, что уран не выпадает в осадок в виде металла; его вообще нелегко получить в металлической форме из-за высокой химической активности – об этом уже упоминалось. Под действием упомянутых регентов на дно аппаратов опускаются разнообразные труднорастворимые соединения урана. Подсушенные и измельченные, они представляют собой желтый порошок, который из-за видимого сходства с пирожным (англ. cake) часто называют «желтый кек». Прокалив его при высокой температуре, получают уже менее красивую смесь оксидов урана – грязно-зеленого или даже черного цвета.
Желтый кек можно направлять на предприятия по обогащению урана
Желтый кек или смесь оксидов урана практически безопасны с радиационной точки зрения. Поэтому для перевозки их загружают в двухсотлитровые металлические бочки или специальные контейнеры. Находиться на расстоянии одного метра от подобной емкости и вполовину не так «вредно», как лететь в самолете, подвергаясь действию космической радиации. Но ведь летать большинство людей не боится! Так что, нет повода опасаться и бочек с желтым кеком.
Осаждая соединения урана, процесс стараются вести так, чтобы большинство примесей осталось в растворе. Но кое-кому из них все же удается «прорваться». Особенно плохо, если в продукцию попадают элементы, сильно поглощающие нейтроны – бор, кадмий, редкоземельные металлы. Даже в микроконцентрациях они способны помешать протеканию цепной реакции деления. Изготовив топливо из загрязненного урана, можно будет долго гадать, почему реактор не желает нормально работать.
Кроме того, к нежелательным примесям относят элементы, снижающие пластичность ядерного топлива и заставляющие его распухать, расширяться с ростом температуры. В их число входят часто встречающиеся в природе кремний и фосфор, а также вольфрам и молибден. К слову, пластичностью принято называть способность материала изменять свою форму и размер, не разрушаясь. Это очень важно для топлива, которое подогревает себя изнутри за счет протекающей в нем цепной ядерной реакции, и, значит, испытывает температурные деформации. Высокая температура не должна приводить и к избыточному расширению уранового топлива, иначе оно разорвет защитную оболочку и вступит в контакт с теплоносителем. Последствием такого «общения» может стать растворение радиоактивных продуктов деления урана в горячем теплоносителе (чаще всего – воде) с их последующим разносом по всем трубопроводам и аппаратам. Наверное, не нужно объяснять, что это грозит ухудшением радиационной обстановки на энергоблоке: дозы, получаемые обслуживающим персоналом, значительно вырастут.
Как говорится, лучше перебдеть, чем недобдеть. Поэтому требуется еще и третья – завершающая – стадия очистки, называемая аффинажем. Доставленные в бочках или контейнерах соединения урана растворяют в кислоте, теперь уже в азотной. Полученный раствор приводят в контакт с экстрагентом – жидким органическим веществом, вбирающим в себя уран, но не примеси. Итак, нежелательные элементы остаются в растворе, а уран уходит в «органику». В результате ряда последующих операций его снова приводят в форму оксидов, имеющих уже необходимую «реакторную» чистоту.
Теперь все хорошо, и можно переходить к следующему этапу – искусственному подъему концентрации урана-235.
Тайны обогащения
В начале главы уже упоминалось о том, что в природной смеси изотопов урана очень мало делящегося урана-235 и слишком много «ленивого» урана-238: на семь атомов первого приходится примерно девятьсот девяносто три атома второго. Для большинства реакторов, работающих в настоящее время, это не подходит. Им нужно топливо, в котором из тысячи атомов урана к изотопу-235 принадлежат несколько десятков штук, а не единицы, как в природном уране. А для создания бомбы так и вовсе необходим практически чистый уран-235.
Решить задачу обогащения урана, то есть повышения содержания делящегося изотопа, весьма сложно. Казалось бы, как так? Ведь химия обладает широчайшим набором приемов выделения веществ из смесей. Удается же «выковыривать» всего несколько сотен граммов урана из тонны руды! Неужели нельзя провернуть то же самое с изотопами: как-нибудь отделить один от другого? Проблема в том, что химические свойства всех изотопов определенного элемента одинаковы, ведь они определяются числом электронов, а не составом ядра. Иными словами, нельзя провести такую реакцию, в которой уран-235, например, остался бы в растворе, а уран-238 – выпал в осадок. При любых манипуляциях они оба поведут себя аналогичным образом. Точно так же не удастся химически разделить изотопы углерода или калия – в общем, любого элемента.
Есть такой параметр – степень обогащения, который представляет собой долю (в процентах) урана-235 в общей массе урана. К примеру, степень обогащения природного урана, в котором на каждую тысячу атомов приходится семь делящихся, равна 0,7 %. В случае ядерного топлива АЭС этот показатель приходится поднимать до 3–5 %, а для производства начинки атомной бомбы – до 90 % и выше.
Как же быть? Нужно найти такие свойства, по которым изотопы – хотя бы минимально – отличались бы друг от друга. Первое, что приходит в голову, – масса атома. Действительно, в ядре урана-238 на три нейтрона больше, чем у урана-235; значит, «ленивый» изотоп весит чуть больше. А поскольку масса – это мера инерции, и она проявляет себя в движении, то основные способы обогащения урана связаны с различиями в перемещении его изотопов в специально созданных условиях.
Исторически первой технологией обогащения стало электромагнитное разделение изотопов. Из названия понятно, что в процессе каким-то образом задействованы электрические и магнитные поля. Действительно, в этом способе предварительно полученные ионы урана разгоняют электрическим полем и запускают в магнитное. Поскольку ионы имеют заряд, в магнитном поле их начинает «заносить», закручивать по дуге определенного радиуса. Для примера можно вспомнить разделение урановых лучей в магнитном поле на три потока – эффект, обнаруженный Резерфордом. Альфа- и бета-частицы, обладающие электрическим зарядом, отклоняются от прямолинейного пути, а гамма-излучение – нет. При этом радиус дуги, по которой движется заряженная частица в магнитном поле, зависит от ее массы: чем больше она весит, тем медленнее поворачивает. Это можно сравнить с попыткой вписаться в крутой поворот двух лихачей, один из которых ведет легковую машину, а другой – грузовик. Понятно, что легковушке гораздо проще совершить маневр, тогда как грузовой автомобиль вполне может занести. Что-то подобное происходит в магнитном поле с быстро движущимися ионами урана-235 и урана-238. Последние – чуть тяжелее, обладают большей инерцией, и радиус их поворота слегка выше: благодаря этому поток ионов урана разделяется на два. Образно выражаясь, можно поставить два ящичка, в один из которых собирать делящийся изотоп, уран-235, а во второй – «ненужный» уран-238.
В магнитном поле траектория заряженных частиц искривляется, и тем сильней, чем легче частица
Принцип метода электромагнитного разделения изотопов: более легкие ионы урана-235 движутся в магнитном поле по траектории меньшего радиуса по сравнению с ионами урана-238
Метод электромагнитного разделения хорош почти по всем параметрам, кроме производительности, которая, как водится, и ограничивает его промышленное применение. Собственно, поэтому американский завод Y-12 в Ок-Ридже, изготовивший по технологии электромагнитного разделения обогащенный уран для бомбы «Малыш», сброшенной на Хиросиму, закрылся еще в 1946 году. Нужно уточнить, что на Y-12 доводили до высокой степени обогащения уран, предварительно обогащенный другими, более производительными способами. Их совершенствование как раз и вбило последний гвоздь в крышку гроба технологии электромагнитного разделения изотопов – в промышленности она больше не используется.
Интересно, что электромагнитное разделение – это универсальный метод, позволяющий выделять в чистом виде небольшие количества любых изотопов. Поэтому наш аналог Y-12 – завод 418, ныне известный как «Комбинат «Электрохимприбор» (г. Лесной Свердловской области), – обладает технологиями получения более чем двухсот изотопов сорока семи химических элементов от лития до свинца. Это не просто внушительные числа – продукция комбината действительно нужна ученым, врачам, промышленникам… Кстати, ее выпускают на установке СУ-20, той самой, на которой в начале 1950-х получали оружейный уран со степенью обогащения, близкой к 90 %.
Первые послевоенные десятилетия стали временем активного накопления арсеналов ядерного оружия. Решение этой задачи имело высочайший приоритет, поэтому с расходами особо не считались – важно было запустить массовое обогащение урана. Упор был сделан на газовую диффузию – чрезвычайно энергоемкую, но одновременно и производительную технологию обогащения. Ее корни лежат в области теории газов, заявляющей, что при определенной температуре средняя скорость движения молекулы газа обратно пропорциональна массе: чем она тяжелее, тем медленнее перемещается. Особенно это различие заметно при движении по тонким «трубочкам», диаметр которых сопоставим с размером молекулы. Наглядным, хотя и не точным примером может служить запуск бумажных корабликов в ручейке: маленький кораблик, увлекаемый потоком воды, будет перемещаться быстро; но если сложить из бумаги большое судно размером с русло ручейка, то оно пойдет медленнее, постоянно задевая берега. Возвращаясь к урану, можно сказать, что целевой изотоп с 235 нуклонами в ядре будет продвигаться по «трубочке» быстрее урана-238. На выходе из нее получится газ, обогащенный делящимся изотопом. Вопрос лишь в том, как превратить уран в газ и где взять столь тонкую «трубочку».
«Газификация» урана – обязательное требование технологии, основанной на теории газов. Тут уж ничего не попишешь. Но ведь все соединения урана представляют собой твердые вещества, которые и расплавить-то сложно, не то что испарить. Хотя, если подумать, имеется одно весьма удачное соединение – гексафторид урана, в котором уран окружен шестью атомами фтора. Оно с готовностью превращается в газ уже при 56 о С, причем минуя жидкое состояние. В физике такой процесс принято называть сублимацией или возгонкой. Это явление давно известно, и ничего удивительного в нем нет. Сублимацией, к примеру, пользуются деревенские хозяйки, сушащие белье на морозе – лед испаряется в сухом воздухе, попросту пропуская жидкое состояние.
Так можно представить себе молекулу гексафторида урана
Получается, что гексафторид урана очень удобен с технологической точки зрения. При обычной температуре он – твердый, и допускает перевозку в специальных контейнерах. В газ переходит при невысокой температуре. Ну а под определенным давлением нагретый гексафторид становится жидкостью, которую можно перекачивать по трубопроводам.
Еще одно удачное обстоятельство заключается в том, что природный фтор состоит всего из одного изотопа – фтора-19. Это означает, что разница масс молекул гексафторида урана-235 и гексафторида урана-238 определяется исключительно изотопами урана. В противном случае разделение оказалось бы слишком трудным или даже невозможным делом, поскольку фтор оказывал бы чрезмерное влияние на массу молекул.
Производство гексафторида урана в России осуществляется путем конверсии – фторирования различных соединений урана, например, желтого кека или смеси оксидов, поступивших с уранодобывающих предприятий. Молекулярный фтор для этих целей получают из природного минерала флюорита. Его обрабатывают серной кислотой с образованием плавиковой (фтороводородной) кислоты, электролиз которой и дает фтор.
Интересно, что фторирование одновременно является четвертой стадией очистки урана, поскольку фториды большинства вредных примесей не отличаются высокой летучестью: уран в форме гексафторида «улетает» от них в газовую фазу.
У гексафторида урана есть один большой недостаток: это агрессивное и токсичное вещество. Во-первых, при его контакте с водой или влагой, витающей в воздухе, выделяется ядовитая плавиковая кислота. Во-вторых, уран сам по себе является общеклеточным ядом, действующим на все органы. (Интересно, что его токсичность имеет химическую природу, и практически не связана с радиоактивностью). Поэтому гексафторид урана, объединяющий в себе сразу две опасности, следует перевозить и хранить в специальных металлических емкостях и под неусыпным наблюдением. При этом обеспечивается безопасность населения и окружающей среды.
Итак, газ есть; а что с тонкими «трубочками»? Подходящим решением оказались пористые перегородки – пластинки, пронзенные множеством очень маленьких пор. Диаметр последних должен быть порядка десяти нанометров, чтобы молекулы проходили сквозь них почти поодиночке. Необходимость изготовления перегородок с порами столь малого размера вызвала определенные сложности, но все же задача была решена при помощи специальных подходов – спекания никеля или же избирательного растворения одного из металлов, входящих в состав биметаллического сплава.
Если изготовить ящик c такой пористой перегородкой и закачать в него гексафторид урана, молекулы с легким изотопом будут проходить сквозь перегородку чуть быстрее. Иными словами, за ней гексафторид урана окажется слегка обогащенным по делящемуся изотопу. Если направить газ в следующий такой же ящик, степень обогащения станет больше, и так далее. Правда, для получения высокой степени обогащения нужны каскады из тысяч (!) установленных друг за другом ящиков, называемых ступенями. А как заставить уран идти по этим ступеням? Только перекачивая его с помощью множества компрессоров. Отсюда и минусы метода: огромные энергозатраты, необходимость строительства миллионов квадратных метров производственных площадей – длина цеха может достигнуть одного километра – и использование дорогостоящих материалов. Правда, все это покрывается действительно высокой производительностью. Вот почему газодиффузионная технология обогащения долгое время оставалась основной для таких атомных гигантов, как США, Франция и позднее присоединившийся к ним Китай. Лишь в последние годы они начали активный переход к более экономичной технологии газового центрифугирования.
Схема работы газодиффузионной ступени
В 1960-х годах Ангарский электролизный химический комбинат (Иркутская область, Россия), занимавшийся обогащением урана по газодиффузионной технологии потреблял около одного процента (!) всей электроэнергии, производимой в Советском Союзе. Энергию на него поставляли Братская и Иркутская ГЭС. По сути, это был крупнейший потребитель электроэнергии в СССР.
В общем, первый опыт показал, что газовая диффузия способна решить проблему, но уж слишком большой ценой. Советский Союз, втянутый в гонку вооружений, нуждался в более производительной и менее энергозатратной технологии обогащения урана. Угнаться за США с их мощным экономическим и энергетическим потенциалом ослабленному войной государству было не так-то просто. Сказывался, среди прочего, недостаток мощностей по производству электроэнергии в европейской части страны: вот почему обогатительные производства были построены в Сибири, где они могли получать питание с крупных гидроэлектростанций. Но все же газодиффузионные установки потребляли слишком много энергии, не позволяя увеличить производство обогащенного урана. Поэтому СССР пришлось стать пионером промышленного применения альтернативной технологии – газоцентрифужной.
Газовое центрифугирование заключается в раскрутке c огромной скоростью барабана, заполненного газообразным гексафторидом урана. Под действием центробежной силы более тяжелый гексафторид урана-238 «отжимается» к стенке барабана, а у его оси остается гексафторид урана-235 – более легкое соединение. С помощью специальных трубок можно забрать слегка обогащенный уран из центра барабана, а чуть обедненный – с периферии.
Схема работы газовой центрифуги
С технической точки зрения барабан, о котором только что шла речь, – это вращающаяся часть (ротор) газовой центрифуги. Он безостановочно крутится в вакуумированном кожухе и иглой опирается на подпятник, изготовленный из очень прочного материала – корунда. Выбор материала неудивителен, поскольку скорость вращения ротора может превышать 1500 оборотов в секунду – в сто раз быстрее барабана стиральной машины. Непрочное вещество такого воздействия не выдержит. Дополнительно, чтобы подпятник не истирался и не разрушался, ротор подвешивают в магнитном поле так, что он едва давит на корунд своей иглой. Этот прием, равно как и высокая точность изготовления деталей центрифуги, позволяет ей вращаться быстро, но практически бесшумно.
Как и в случае газовой диффузии, одна центрифуга – в поле не воин. Чтобы достичь необходимой степени обогащения и производительности, их объединяют в огромные каскады, состоящие из десятков тысяч (!) машин. Упрощенно каждая центрифуга соединена с двумя своими «соседками». Гексафторид урана с пониженным содержанием урана-235, отобранный у стенки в верхней части ротора, направляется в предыдущую центрифугу; а слегка обогащенный по урану-235 газ, который отбирается у оси вращения в нижней части ротора, идет в следующую машину. Таким образом, на каждую последующую ступень подается все более обогащенный уран, пока не получится продукт необходимого качества.
Уходящие вдаль каскады газовых центрифуг
Сегодня центрифужное разделение является основным методом обогащения урана, поскольку эта технология требует примерно в пятьдесят раз меньше электроэнергии по сравнению с газодиффузионной. Кроме того, центрифуги менее громоздки, нежели диффузионные аппараты, что позволяет легче наращивать объемы производства. Метод центрифугирования применяется в России, Великобритании, Германии, Нидерландах, Японии, Китае, Индии, Пакистане, Иране; практически завершился переход к газоцентрифужной технологии во Франции и США. Иными словами, газовой диффузии уже не осталось места.
Благодаря длительной истории использования и совершенствования российские газовые центрифуги являются лучшими в мире. За полвека сменилось уже девять поколений скоростных машин, которые постепенно становились все более мощными и надежными. Благодаря этому СССР успешно выдержал «ядерную гонку» с США, а когда важнейшая задача была решена – появились свободные мощности. В результате наша страна стала мировым лидером не только в области разработки и производства газовых центрифуг, но и в сфере предоставления коммерческих услуг по обогащению урана.
Наши газовые центрифуги:
Традиционно имеют высоту от полуметра до одного метра, диаметр – десять-двадцать сантиметров;
Располагаются друг над другом в три-семь ярусов с целью экономии места;
Могут работать без остановки до тридцати лет, рекорд – тридцать два года.
Скорость вращения ротора газовой центрифуги такова, что после прекращения подачи электроэнергии он будет вращаться по инерции около двух месяцев!
Бум газоцентрифужной технологии связан с активным развитием атомной энергетики. Атомные станции являются коммерческими предприятиями, ориентированными на прибыль, и поэтому нуждаются в дешевом топливе и, следовательно, в дешевых технологиях обогащения. Это требование постепенно похоронило газовую диффузию.
Но и газовому центрифугированию не стоит почивать на лаврах. В последнее время все чаще можно слышать о лазерном обогащении – способе, известном уже более сорока лет. Оказывается, при помощи точно настроенного лазера можно избирательно ионизировать, то есть превращать в заряженные частицы, соединения урана-235. При этом соединения урана-238 не ионизируются, оставаясь незаряженными. Получившиеся ионы нетрудно отделить от нейтральных молекул химическим или физическим способом, например, притянув их магнитом или заряженной пластинкой (коллектором).
Возможная схема работы установки лазерного обогащения урана
Судя по всему, лазерное обогащение – очень эффективная технология, но вот ее экономические показатели пока остаются загадкой. Все предыдущие попытки перейти от лабораторного варианта к промышленному использованию «разбились о камни» недостаточной производительности и малого срока службы оборудования. В настоящее время новая попытка создания такого производства предпринимается в США. Но даже если она окажется успешной, останется вопрос экономической эффективности. Рынок обогатительных услуг примет новую технологию, только если она будет значительно дешевле существующей. А ведь газовые центрифуги еще не достигли потолка своих возможностей. Поэтому ближайшие перспективы лазерного обогащения остаются весьма туманными.
Существует ряд других способов обогащения урана: термодиффузия, аэродинамическая сепарация, ионный процесс, но они практически не применяются.
Когда речь заходит о технологиях обогащения урана, нужно обязательно помнить, что они открывают путь не только к ядерному топливу, но и к бомбе. Создание все более эффективных и компактных производств влечет за собой угрозу распространения ядерного оружия. В принципе, развитие технологий может привести к ситуации, когда бомба будет изготовлена государствами с, мягко говоря, неустойчивыми режимами или даже крупными террористическими организациями. И если газодиффузионный или газоцентрифужный завод трудно построить незаметно, а для их запуска потребуется ввоз больших объемов характерных материалов и оборудования, то лазерное обогащение практически гарантирует скрытность. В общем, риск для существующего хрупкого мира увеличивается.
Комбинаты по обогащению урана выпускают обогащенный урановый продукт (ОУП) – гексафторид урана с необходимой степенью обогащения. Его помещают в специальные контейнеры и отправляют на заводы по производству ядерного топлива. Но вместе с тем на обогатительных предприятиях образуется и обедненный гексафторид урана (ОГФУ) со степенью обогащения 0,3 % – ниже, чем у природного урана. Иными словами, это – практически чистый уран-238. Откуда он берется? По сути, процесс обогащения напоминает отделение ценных минералов от пустой породы. ОГФУ и есть своеобразная пустая порода, из которой изъяли уран-235, хотя и не полностью. (Стопроцентное отделение делящегося изотопа от урана-238 невыгодно с экономической точки зрения). Сколько обедненного гексафторида урана образуется? Это зависит от необходимой степени обогащения урана. Например, если она составляет 4,3 %, как в топливе реакторов ВВВЭР, то из десяти килограммов гексафторида урана, имеющего природный изотопный состав (0,7% урана-235) получается всего лишь один килограмм ОУП и девять килограммов ОГФУ. Словом, довольно много. За все время работы обогатительных производств на их площадках в специальных контейнерах было накоплено более полутора миллионов тонн ОГФУ, из них в России – около семисот тысяч тонн. В мире сложилось различное отношение к этому веществу, но преобладает мнение об ОГФУ как о ценном стратегическом сырье (см. главу 7).
Сфабриковать - в хорошем смысле этого слова
Изготовление (фабрикация) ядерного топлива начинается с химического превращения обогащенного уранового продукта в диоксид урана. Этот процесс может осуществляться двумя основными способами. Первый из них носит название «мокрой» технологии и заключается в растворении гексафторида в воде, осаждении под действием щелочи труднорастворимых соединений и их прокаливании в атмосфере водорода. Вторая технология – «сухая» – является более предпочтительной, поскольку не дает жидких радиоактивных отходов: гексафторид урана сжигают в водородном пламени.
В обоих случаях получается порошок диоксида урана, который прессуют в небольшие таблетки и спекают в печах при температуре около 1750 о С для придания им прочности, – ведь таблеткам предстоит «работать» в условиях высокой температуры и радиации. Затем таблетки обрабатывают на шлифовальных станках с помощью алмазных инструментов. Эта стадия необходима, поскольку размеры таблетки и качество ее поверхности должны выдерживаться очень точно. Огрехи при изготовлении отдельной таблетки могут привести к повреждению топлива в реакторе при его термическом расширении и, как следствие, к ухудшению радиационной обстановки на атомной электростанции. Поэтому все таблетки диоксида урана проходят тщательный контроль и после него попадают в специальный бокс, где автомат помещает их в трубки, изготовленные из циркония с небольшой примесью ниобия.
Снаряженная таблетками трубка называется тепловыделяющим элементом или кратко – твэлом. Затем для удаления коррозионно-опасных газов твэл вакуумируют, то есть «высасывают» из трубки воздух, заполняют инертным газом – чистейшим гелием – и заваривают. Последней стадией процесса фабрикации ядерного топлива является сборка твэлов в тепловыделяющую сборку (ТВС) при помощи дистанционирующих решеток. Они нужны для того, чтобы конструкция была прочной, а твэлы не касались друг друга. В противном случае, в месте касания оболочка может прогореть, при этом топливо оголится и вступит в контакт с водой, что совсем нежелательно.
Последовательность операций при производстве ядерного топлива
Дистанционирующие решетки
Итак, ТВС представляет собой «пучок» твэлов из циркония, внутри которых находится ядерное топливо – диоксид урана, обогащенного по делящемуся изотопу. Необходимо пояснить подобный выбор материалов. В ядерном реакторе тепловыделяющая сборка находится в условиях высокой температуры и мощного потока ионизирующего излучения, а также омывается с внешней стороны очень горячей водой под давлением. Поэтому элементы ядерного топлива должны обладать химической и радиационной стойкостью, хорошо проводить тепло и очень слабо расширяться при нагревании, а иначе в оболочке твэла может возникнуть трещина. Диоксид урана и цирконий удовлетворяют этим требованиям. Однако следует еще раз напомнить, что таблетки диоксида урана находятся внутри твэлов и с водой контактируют лишь через оболочку твэла, но не напрямую. Прямое взаимодействие с теплоносителем крайне нежелательно и происходит лишь при разрушении циркониевых оболочек – например, при появлении в них трещин. В этом случае радиоактивные продукты деления урана, содержащиеся в ядерном топливе, начинают растворяться в воде, что приводит к повышению ее радиоактивности и ухудшению радиационной обстановки на атомной электростанции. По этой причине фабрикация ядерного топлива – сложная и высокоточная работа, требующая аккуратности и постоянного контроля.
С радиационной точки зрения производство ядерного топлива не представляет особой опасности. Риск даже меньше, чем при добыче руды, поскольку в процессе очистки из урана удаляют все сопутствующие радиоактивные вещества.
Однако при работе с обогащенным ураном возможно накопление критической массы и, как следствие, возникновение самоподдерживающейся цепной реакции, о которой уже шла речь в главе 2. Это может произойти в результате ошибки, нарушения правил проведения работ или даже случайно. Всего в мире зарегистрировано шестьдесят таких аварий, из них в США – тридцать три, в СССР/России – девятнадцать. Вот два примера отечественных происшествий.
14 июля 1961 года, Сибирский химический комбинат (обогатительное производство). Образование критической массы в результате накопления гексафторида урана с высокой степенью обогащения (22,6 %) в масле, находящемся в расширительном баке вакуумного насоса. В результате всплеска радиации, сопровождавшего возникшую цепную реакцию, оператор получил значительную дозу излучения и перенес лучевую болезнь, – правда, в сравнительно легкой форме.
15 мая 1997 года. Новосибирский завод химических концентратов (производство ядерного топлива). Образование критической массы в результате накопления осадка высокообогащенного (90 %) урана на дне двух соседних емкостей для сбора растворов из-за их деформации. К счастью, дозы облучения были незначительными.
Каков вывод? Обращаться с обогащенным ураном нужно крайне осторожно, соблюдая все требования безопасности и, что называется, «включая голову», то есть заранее просчитывая возможные риски.
В заключение можно привести примерные параметры тепловыделяющих сборок, используемых на российских АЭС с реакторами ВВЭР-1000.
Топливная таблетка представляет собой цилиндрик высотой от 9 до 12 миллиметров, диаметром 7,6 миллиметров. Она состоит из диоксида урана, степень обогащения которого находится в диапазоне от 3,3 до 5,0 %.
Таблетки помещены в твэл, изготовленный из циркония, содержащего 1% ниобия, длиной около четырех метров и диаметром 9,1 мм. Толщина стенки твэла всего 0,65 мм, поэтому при такой длине он требует крайне предупредительного обращения. Твэл заполнен таблетками не полностью: высота слоя таблеток около 3,5 метров, а их суммарная масса примерно 1,6 килограмма, причем 62 грамма занимает уран-235.
Тепловыделяющая сборка (ТВС) собирается из 312 твэлов при помощи 12-15 дистанционирующих решеток. Высота ТВС достигает почти 4,6 метра, а ее масса – 760 кг. При этом масса диоксида урана – около полутонны, остальное приходится на цирконий и другие металлы. При взгляде сверху сборка представляет собой шестигранник с размером по граням 235 миллиметров. В каждой сборке есть 19 каналов для стержней управления реактором, содержащих карбид бора – элемента, хорошо поглощающего нейтроны.
В реактор помещается 163 ТВС, что соответствует 80 тоннам диоксида урана, которых хватает на 4 года работы реактора.
Варианты ТВС для реакторов различного типа
Возможны варианты
Итак, самым распространенным топливом для ядерных энергетических установок является таблетированный диоксид урана, в котором уран обогащен по делящемуся изотопу (урану-235). Однако существуют и другие виды ядерного горючего.
После диоксидного уранового, наиболее распространенным является смешанное оксидное топливо, известное под названием МОХ-топливо. Сейчас в основном производится МОХ-топливо, представляющее собой смесь оксидов урана и плутония-239. Это топливо позволяет использовать избыточное количество оружейного плутония-239, накопленного в период «ядерной гонки», для выработки электроэнергии.
В качестве ядерного топлива также может быть использован металлический уран. Его преимуществами являются высокая теплопроводность и максимальная концентрация делящихся ядер – в топливе просто нет других элементов. В то же время уран как металл обладает худшей радиационной, химической и жаростойкостью по сравнению с диоксидом, поэтому его крайне редко используют в чистом виде. Для улучшения параметров металлического топлива в уран добавляют немного молибдена, алюминия, кремния, циркония. Сегодня металлический уран и его сплавы используют только в исследовательских реакторах.
Вместо диоксида урана возможно применение нитрида урана, то есть его соединения с азотом. Нитридное топливо обладает более высокой теплопроводностью по сравнению с диоксидным, и сравнимой температурой плавления (2855 о С). Нитрид урана считается перспективным топливом для новейших реакторов. В нашей стране нитридному топливу уделяется самое пристальное внимание, так как его планируется использовать в следующем поколении реакторов на быстрых нейтронах.
Уран способен образовывать соединения с углеродом - карбиды. Возможность применения карбидов в качестве топлива для реакторов интенсивно изучалась в шестидесятые-семидесятые годы прошлого века. Однако в последний период к данному типу топлива вновь возник интерес, связанный с разработками пластинчатых твэлов и микротвэлов. Положительными чертами карбидов являются хорошая теплопроводность, высокая температура плавления, высокая твердость, химическая и термическая стабильность, а также совместимость с керамическими покрытиями, что особенно важно для микротвэлов. Топливо на основе карбида урана может оказаться оптимальным вариантом для определенных типов реакторов следующего поколения, в частности, для быстрых реакторов с газовым охлаждением.
Но все же до сих пор подавляющее число реакторов на Земле работает на ядерном топливе, изготовленном из диоксида урана. Сила традиций, так сказать.
Российский топливный цикл
Теперь, ознакомившись с особенностями работы добывающих и перерабатывающих производств, стоит бросить беглый взгляд на историю и современное состояние нашего, отечественного топливного цикла. Начать нужно, конечно же, с добычи урана.
Поначалу урановые руды интересовали отечественных ученых лишь в качестве источника радия. В 1900 году профессор И.А. Антипов сделал на заседании Петербургского минералогического общества сообщение об обнаружении минерала урана в образцах, привезенных из Ферганы, с горного массива Тюя-Муюн. Позднее данный минерал был назван тюямунитом. В 1904 году на этом месторождении начались разведочные работы, в 1908 году в Петербурге был построен пробный завод для переработки урановой руды, а в 1913 году было учреждено международное акционерное общество по добыче тюямуюнского радия.
Когда началась Первая мировая война, работы на руднике практически прекратились, и лишь в 1922 году на Тюя-Муюн была отправлена экспедиция в составе восьми специалистов. В том же 1922 году в тяжелых послереволюционных условиях, в окружении банд басмачей удалось заново наладить промышленную добычу руды. Она продолжалась до 1936 года, когда обильные подземные воды на глубине в две сотни метров прервали разработку месторождения. Впрочем, эта проблема не стала критической, поскольку добыча радия была налажена на «Водном промысле» на реке Ухте – радиоактивный металл извлекали из подземных соленых вод. Уран сам по себе в те годы мало кого интересовал, поскольку практически не использовался в промышленности.
Новый всплеск интереса к урановым месторождениям произошел в начале 1940-х годов, когда перед СССР встала необходимость ответа на исходящую от США ядерную угрозу, – то есть, когда возникла потребность в создании отечественного ядерного оружия.
Уран для первой советской атомной бомбы буквально по крупицам собирали по всей стране и за ее пределами. В 1943 году началась добыча урана на крохотном, по современным меркам, Табошарском руднике в Таджикистане, с производительностью всего 4 тонны урановых солей в год. Причем, по воспоминаниям П.Я. Антропова, первого министра геологии СССР, «урановую руду на переработку по горным тропам Памира возили в торбах на ишаках и верблюдах. Не было тогда ни дорог, ни должной техники».
В 1944-1945 годах, по мере освобождения Европы от фашистов, СССР получил доступ к урановой руде из Готенского месторождения в Болгарии, Яхимовских рудников Чехословакии, шахт немецкой Саксонии. Кроме того, в 1946 году был вновь запущен Тюя-Муюнский рудник, но особого вклада в общее дело он не дал.
В 1950-х годах силами Лермонтовского производственного объединения «Алмаз» была начата добыча урана на рудниках в горах Бештау и Бык (Ставропольский край). В это же время приступили к освоению месторождений Южного Казахстана и Средней Азии.
После 1991 года большинство разрабатываемых месторождений оказались за границами России, в независимых государствах. С этого момента основная добыча урана ведется шахтным способом на Приаргунском производственном горно-химическом объединении (Забайкальский край). Кроме того, постепенно набирают силу два предприятия, использующих технологию скважинного подземного выщелачивания – «Хиагда» (Республика Бурятия) и «Далур» (Курганская область). Проектируются производства в Якутии. Есть и перспективные для добычи регионы – Трансбайкальский, Западно-Сибирский, Северо-Европейский…
По разведанным запасам урана Россия занимает третье место в мире.
Российские уранодобывающие предприятия находятся под управлением Уранового холдинга «АРМЗ» (www.armz.ru), принадлежащего Росатому, но у Госкорпорации есть и зарубежные активы, контролируемые международной компанией «Юраниум Уан Инк» (www.uranium1.com). Благодаря деятельности этих двух организаций Росатом вышел на третье место в мире по производству соединений урана.
Ситуация на мировом рынке производства природного урана (2014)
Эстафету от добывающих предприятий принимает целый комплекс производств по аффинажу, конверсии и обогащению урана, а также по фабрикации ядерного топлива. Большинство из них родом из сроковых и пятидесятых годов прошлого века – времени активного накопления ядерного оружия. Сегодня они работают на сугубо мирную отрасль – атомную энергетику, и предоставляют свои услуги зарубежным компаниям.
Обогатительных производств в России – четыре, на некоторых из них также проводятся операции по окончательной очистке (аффинажу) и фторированию (конверсии) урановых соединений.
Первый газодиффузионный завод по обогащению урана Д-1 в Свердловске-44 заработал в ноябре 1949 года. Сначала его продукцию приходилось дополнительно обогащать на установке СУ-20 будущего завода «Электрохимприбор» в Свердловске-45 (Лесном), но спустя пару лет Д-1 стал справляться своими силами и начал разрастаться. А с 1967 года началась замена диффузионных каскадов на каскады центрифуг. Сегодня на месте демонтированного Д-1 находится крупнейшее в мире предприятие по обогащению урана – Уральский электрохимический комбинат (г. Новоуральск Свердловской области).
В 1953 году в Томске-7 начал работу будущий Сибирский химический комбинат (г. Северск Томской области), который c 1973 года стал постепенно переходить на газоцентрифужную технологию. Первый обогащенный уран с Ангарского электролизного химического комбината (г. Ангарск Иркутской области) был получен в 1957 году, а замена диффузионных аппаратов на центрифуги стартовала в 1985 году. Наконец, 1962-ой стал годом запуска Электрохимического завода в Красноярске-45 (ныне – г. Зеленогорск Красноярского края). Спустя пару лет и там были установлены первые центрифуги.
Эта краткая справка, конечно, не отражает реалии той нелегкой эпохи. Хотя по секретным, «номерным» названиям закрытых городов и по туманным наименованиям комбинатов можно понять, что Советский Союз тщательно хранил свои тайны обогащения. Тем не менее, места расположения основных производств стали известны американской разведке. А вот активный переход на газоцентрифужную технологию она, что называется, проморгала. Возможно, это стало причиной некоторой самоуспокоенности наших конкурентов: не зная, что в СССР внедряется более производительная и эффективная технология, Штаты придерживались изначально выбранного способа – газовой диффузии. Очевидно, что сложившаяся ситуация была на руку Советскому Союзу и позволила быстро достичь ядерного паритета. В то же время пионерские разработки советских ученых и инженеров по созданию высокопроизводительных газовых центрифуг не пропали втуне, выведя Россию на ведущие позиции на мировом рынке обогащения урана и производства центрифуг.
Обогащенный урановый продукт с четырех комбинатов поступает на Машиностроительный завод (г. Электросталь Московской области) и Новосибирский завод химконцентратов (г. Новосибирск одноименной области), где выполняется полный цикл производства ядерного топлива. Цирконий для твэлов и другие конструкционные материалы тепловыделяющих сборок поставляет Чепецкий механический завод (г. Глазов Удмуртской республики) – единственное в России и третье в мире предприятие по изготовлению изделий из циркония.
Изготовленные тепловыделяющие сборки поступают на российские и зарубежные атомные станции, а также используются в реакторах иного назначения.
Предприятия по аффинажу, конверсии и обогащению урана, фабрикации ядерного топлива, производству газовых центрифуг, а также конструкторские и научно-исследовательские организации объединены в составе Топливной компании Росатома «ТВЭЛ» (www.tvel.ru).
В результате многолетней успешной работы этой компании и входящих в нее предприятий Росатом уверенно возглавляет список крупнейших поставщиков услуг в сфере обогащения урана (36 % мирового рынка).
В Ангарске действует банк ядерного топлива – гарантийный запас, который сможет приобрести страна, лишенная по каким-либо причинам возможности покупки урана на свободном рынке. Из этого запаса она сможет изготовить свежее ядерное топливо и обеспечить бесперебойную работу своей ядерной энергетики.
Доля Росатома на мировом рынке ядерного топлива – 17 %, благодаря чему в каждый шестой энергетический реактор на Земле загружается топливо марки «ТВЭЛ». Поставки идут в Венгрию, Словакию, Чехию, Болгарию, Украину, Армению, Финляндию, Индию и Китай.
Сверху - мировой рынок обогащения урана (2015), снизу - мировой рынок фабрикации топлива (2015)
Открытый или закрытый?
Можно обратить внимание, что в этой главе не были рассмотрены вопросы производства ядерного топлива для исследовательских реакторов, а также реакторов, установленных на атомных подводных лодках и ледоколах. Все обсуждение было посвящено ядерному топливу, применяемому на атомных электростанциях. Однако это было сделано не случайно. Дело в том, что принципиальные отличия между последовательностью производства топлива для АЭС и, например, атомных подводных лодок просто отсутствуют. Конечно, могут быть отклонения в технологии, связанные со спецификой судовых и исследовательских реакторов. Например, первые должны быть небольшими по размеру и, одновременно, довольно мощными – это вполне естественное требование для ледокола и, тем более, маневренной атомной подводной лодки. Необходимых показателей можно достичь, увеличив обогащение урана, то есть, повысив концентрацию делящихся ядер, – тогда топлива понадобится меньше. Именно так и поступают: степень обогащения урана, используемого в качестве топлива судовых реакторов, находится в районе 40 % (в зависимости от проекта может колебаться от 20 до 90 %). В исследовательских реакторах обычным требованием является достижение максимальной мощности нейтронного потока, а число нейтронов в реакторе также напрямую связано с числом делящихся ядер. Поэтому в установках, предназначенных для научных изысканий, иногда применяют высокообогащенный уран с гораздо большим содержанием урана-235, нежели в топливе энергетических реакторов АЭС. Но вот технология обогащения от этого не меняется.
Конструкция реактора может определять химический состав топлива и материал, из которого изготавливается твэл. В настоящее время основная химическая форма топлива – это диоксид урана. Что касается твэлов, то они преимущественно циркониевые, но, например, для реактора на быстрых нейтронах БН-600 производят твэлы из нержавеющей стали. Это связано с использованием в реакторах БН жидкого натрия в качестве теплоносителя, в котором цирконий разрушается (корродирует) быстрее, чем нержавеющая сталь. Тем не менее, суть процесса фабрикации ядерного топлива остается прежней – из обогащенного уранового продукта синтезируют порошок диоксида урана, который прессуют в таблетки и спекают, таблетки помещают в твэлы, твэлы собирают в тепловыделяющие сборки (ТВС).
Более того, если рассматривать ядерные топливные циклы различных стран, то окажется, например, что в России соединения урана при конверсии фторируют молекулярным фтором напрямую, а за рубежом сначала обрабатывают плавиковой кислотой и только потом фтором. Разница может обнаружиться в химическом составе растворов для «вскрытия» руды, сорбентов и экстрагентов; могут различаться параметры проведения процессов… Но схема ядерного топливного цикла от этого не меняется. Принципиальное различие пролегает лишь между его открытой (разомкнутой) и закрытой (замкнутой) версиями: в первом случае топливо после «работы» на атомной станции просто изолируют от окружающей среды в глубоком могильнике, а в последнем – перерабатывают с извлечением ценных компонентов (см. главу 7). Россия – одна из немногих стран, реализующих замкнутый цикл.
Пример замкнутого топливного цикла с указанием роли Топливной компании Росатома «ТВЭЛ»
Рекомендуем также
Всё о гарантийном ремонте товара
Относительная величина выполнения плана
Защита прав работников в России: всё, что нужно знать руководителю и подчиненному
“Ошибочно” присланное письмо о переводе средств На майл пришло письмо о переводе денег
Увольнение сотрудника по болезни или состоянию здоровья – правила оформления и выплаты
Стив Шапиро. Проживая Америку. Стив Шапиро: Проживая Америку Проживая америку выставка фотографий стива шапиро
Loading...