Ядерний паливний цикл - Атомна енергетика в Україні

Атомна енергетика

Ядерний паливний цикл

Ядерний паливний цикл – це дуже складний комплекс операцій на підприємствах ядерної енергетики, таких як видобування і переробка руди, збагачення урану, приготування ядерного палива, фабрикація паливних елементів і збірок, переробка, зберігання і захоронення вигорілого палива, захоронення радіоактивних відходів.

Атомна електростанція (АЕС) – тільки невелика частина складного багатостадійного і надзвичайно розгалуженого паливо – енергетичного комплексу (ПЕК) найрізноманітніших виробництв. На АЕС паливо поступає вже у вигляді конструкційних вузлів – тепловиділяючі збірки (ТВЗ), готових до монтажу в активній зоні реактора. Проте видобутий з руди уран, перед тим як потрапить в реактор, повинен послідовно пройти цілий ряд технологічних процесів на підприємствах, що входять до складу ПЕК. До них відносяться, наприклад, підприємства по видобутку урану, його переробку, транспортування і так далі.

Ядерний паливний цикл – це вся послідовність виробничих процесів, що повторюються, починаючи від вибодування палива і кінчаючи позбавленням від радіоактивних відходів. Залежно від виду ядерного палива і конкретних умов ядерні паливні цикли можуть розрізнятися в деталях, але їх загальна принципова схема зберігається.


Видобування руди. Початкова стадія паливного циклу – гірничодобувне виробництво, тобто уранова копальня, де добувається уранова руда. Середній вміст урану в земній корі досить великий і розцінюється як 2,5•10-4% по масі . Урану приблизно в 1000 разів більше, ніж золото і в 30 разів більш ніж срібло. Уранові руди відрізняються винятковою різноманітністю складу. В більшості випадків уран в рудах представлений не одним, а декількома мінеральними утвореннямі. Відомо близько 200 уранових і урановмісних мінералів.

Добування уранової руди, також як і інших корисних копалини, здійснюється в основному або шахтним, або кар’єрним способом залежно від глибини залягання пластів. Останніми роками почали застосовуватися методи підземного вилуговування, що дозволяють виключити виїмку руди на поверхню і проводити витягання урану з руд прямо на місці їх залягання.

Переробка. Уранова руда, що добувається з землі, містить рудні мінерали і пусту породу. Подальше завдання полягає в тому, щоб руду переробити – відокремити корисні мінерали від пустої породи і отримати хімічні концентрати урану. Обов’язкові стадії при отриманні уранових хімічних концентратів – подрібнення початкової руди, вилуговування (переведення урану з руди в розчин). Дуже часто перед вилуговуванням руду збагачують – різними фізичними методами збільшують зміст урану.

Аффінаж. На всіх етапах переробки уранових руд відбувається певне очищення урану від супутніх йому домішок. Проте повного очищення досягти не вдається. Деякі концентрати містять всього 60 – 80%, інші 95 – 96% оксиду урану, а решта – різні домішки. Такий уран не придатний як ядерне паливо. Наступна обов’язкова стадія ядерного паливного циклу – аффінаж, на якому завершується очищення сполук урану від домішок і особливо від елементів, що володіють великим перетином захоплення нейтронів (гафній, бор, кадмій і так далі).

Збагачення урану. Сучасна ядерна енергетика з реакторами на теплових нейтронах базуються на низькозбагаченому (2 – 5%) урановому паливі. У реакторі на швидких нейтронах використовується уран з значно більшим змістом урану-235 (до 93%). Отже перш ніж виготовляти паливо природний уран, що містить тільки 0,72% урану-235, необхідно збагатити отриманий концентрат, тобто розділити ізотопи урану-235 і урану-238. Хімічні реакції дуже малочутливі до атомної маси реагуючих елементів. Тому вони не можуть бути використані для збагачення урану; необхідні фізичні методи розділення ізотопів. Основним промисловим методом виробництва збагаченого урану є газодифузійний. Також існує відцентровий метод, заснований на використанні високошвидкісних газових центрофуг.

Виготовлення палива. Збагачений уран служить початковою сировиною для виготовлення палива ядерних реакторів. Ядерне паливо застосовується в реакторах у вигляді металів, сплавів оксидів карбідів, нітриду і інших паливних композицій, яким додається певна конструкційна форма. Конструкційною основою ядерного палива в реакторі є тепловиділяючий елемент – ТВЕЛ, що складається з пал