Az atomenergia a villamosenergia-termelés korszerű és gyorsan fejlődő módja. Tudja, hogyan vannak elrendezve az atomerőművek? Mi az atomerőmű működési elve? Milyen típusú atomreaktorok léteznek ma? Megpróbáljuk részletesen megvizsgálni az atomerőmű működési sémáját, elmélyülni az atomreaktor szerkezetében, és megtudni, mennyire biztonságos az atomenergia-termelési módszer.
Bármely állomás a lakott területtől távol eső zárt terület. Területén több épület található. A legfontosabb épület a reaktorépület, mellette a turbinacsarnok, ahonnan a reaktort vezérlik, valamint a biztonsági épület.
A terv atomreaktor nélkül lehetetlen. Az atomreaktor az atomerőmű olyan eszköze, amely a neutronhasadás láncreakcióját hivatott megszervezni az energia kötelező felszabadításával ebben a folyamatban. De mi az atomerőmű működési elve?
A teljes reaktortelep a reaktor épületében van elhelyezve, egy nagy betontoronyban, amely elrejti a reaktort, és baleset esetén tartalmazza a nukleáris reakció összes termékét. Ezt a nagy tornyot konténmentnek, hermetikus héjnak vagy elszigetelésnek nevezik.
Az új reaktorokban a konténment zóna 2 vastag betonfallal - héjjal rendelkezik.
80 cm vastag külső héj védi a konténment területét a külső hatásoktól.
Az 1 méter 20 cm vastag belső héj készülékében speciális acélkábelek találhatók, amelyek közel háromszorosára növelik a beton szilárdságát, és nem engedik, hogy a szerkezet összeomoljon. Belül vékony speciális acéllemezzel van bélelve, amely a konténment kiegészítő védelmét szolgálja, és baleset esetén megakadályozza, hogy a reaktor tartalma a konténmenten kívülre kerüljön.
Az atomerőmű ilyen eszköze ellenáll egy 200 tonnáig terjedő repülőgép lezuhanásának, egy 8-as erősségű földrengésnek, tornádónak és szökőárnak.
Az első túlnyomásos burkolatot a Connecticut Yankee amerikai atomerőműben építették 1968-ban.
A konténment teljes magassága 50-60 méter.
Miből készül az atomreaktor?
Ahhoz, hogy megértsük az atomreaktor működési elvét, és így az atomerőmű működési elvét, meg kell értened a reaktor alkatrészeit. 
- aktív zóna. Ez az a terület, ahol a nukleáris üzemanyag (hőleadó) és a moderátor található. Az üzemanyag atomjai (leggyakrabban az urán az üzemanyag) hasadási láncreakciót hajtanak végre. A moderátor a hasadási folyamat vezérlésére szolgál, és lehetővé teszi a szükséges reakció végrehajtását a sebesség és az erő tekintetében.
- Neutron reflektor. A reflektor körülveszi az aktív zónát. Ugyanabból az anyagból áll, mint a moderátor. Valójában ez egy doboz, amelynek fő célja, hogy megakadályozza a neutronok elhagyását a magból és a környezetbe jutását.
- Hűtőfolyadék. A hűtőfolyadéknak fel kell vennie az üzemanyag atomok hasadása során felszabaduló hőt, és át kell adnia más anyagoknak. A hűtőközeg nagymértékben meghatározza az atomerőmű tervezését. Ma a legnépszerűbb hűtőfolyadék a víz.
Reaktorvezérlő rendszer. Érzékelők és mechanizmusok, amelyek működésbe hozzák az atomerőművi reaktort.
Üzemanyag atomerőművekhez
Mit csinál egy atomerőmű? Az atomerőművek üzemanyaga radioaktív tulajdonságokkal rendelkező kémiai elemek. Az urán minden atomerőműben ilyen elem.
Az állomások kialakítása azt jelenti, hogy az atomerőművek összetett kompozit tüzelőanyaggal működnek, nem pedig tiszta kémiai elemmel. És ahhoz, hogy az atomreaktorba betöltött természetes uránból uránüzemanyagot vonjunk ki, sok manipulációt kell végrehajtania.
Dúsított urán
Az urán két izotópból áll, azaz különböző tömegű magokat tartalmaz. A protonok és neutronok száma alapján nevezték el őket: -235 és 238 izotóp. A 20. század kutatói az urán 235-öt kezdték kivonni az ércből, mert. könnyebb volt lebontani és átalakítani. Kiderült, hogy ilyen uránnak csak 0,7%-a van a természetben (a maradék százalék a 238. izotóphoz ment). 
Mi a teendő ebben az esetben? Úgy döntöttek, hogy dúsítják az uránt. Az urándúsítás olyan folyamat, amikor sok szükséges 235x izotóp és kevés szükségtelen 238x izotóp marad benne. Az urándúsítók feladata, hogy 0,7%-ból közel 100%-os urán-235-öt állítsanak elő.
Az uránt két technológiával lehet dúsítani - gázdiffúzióval vagy gázcentrifugával. Felhasználásukhoz az ércből kinyert uránt gázhalmazállapotúvá alakítják. Gáz formájában dúsítja.
uránpor
A dúsított urángáz szilárd halmazállapotúvá - urán-dioxiddá alakul. Ez a tiszta szilárd urán 235 úgy néz ki, mint nagy fehér kristályok, amelyeket később uránporrá zúznak.
Urán tabletta
Az uránpellet tömör fém alátét, néhány centiméter hosszú. Az ilyen tabletták uránporból való formázásához összekeverik egy anyaggal - lágyítószerrel, amely javítja a tablettapréselés minőségét.
A préselt alátéteket 1200 Celsius fokos hőmérsékleten sütik több mint egy napig, hogy a tabletták különleges szilárdságot és magas hőmérséklettel szembeni ellenálló képességet kapjanak. Az atomerőmű működése közvetlenül attól függ, hogy az uránt milyen jól sűrítik és sütik ki. 
A tablettákat molibdéndobozban sütik, mert. csak ez a fém képes nem olvadni másfél ezer fok feletti "pokoli" hőmérsékleten. Ezt követően az atomerőművek urán üzemanyagát késznek tekintik.
Mi az a TVEL és TVS?
A reaktormag úgy néz ki, mint egy hatalmas korong vagy cső lyukakkal a falakon (a reaktor típusától függően), 5-ször nagyobb, mint egy emberi test. Ezek a lyukak urán üzemanyagot tartalmaznak, amelynek atomjai végrehajtják a kívánt reakciót.
Lehetetlen egyszerűen üzemanyagot önteni egy reaktorba, hát, ha nem akarja, hogy az egész állomás felrobbanjon, és baleset következzen be néhány közeli államra nézve. Ezért az urán üzemanyagot fűtőelem-rudakba helyezik, majd fűtőelem-kazettákba gyűjtik. Mit jelentenek ezek a rövidítések?
- TVEL - üzemanyag elem (nem tévesztendő össze ugyanazzal a névvel orosz cég amely előállítja őket). Valójában ez egy vékony és hosszú, cirkóniumötvözetekből készült cirkóniumcső, amelybe uránpelleteket helyeznek. Az uránatomok az üzemanyagrudakban kezdenek kölcsönhatásba lépni egymással, és a reakció során hőt bocsátanak ki.
A cirkóniumot tűzállósága és korróziógátló tulajdonságai miatt választották tüzelőanyag-rudak gyártásához.
A fűtőelemek típusa a reaktor típusától és szerkezetétől függ. Az üzemanyagrudak szerkezete és célja általában nem változik, a cső hossza és szélessége eltérő lehet. 
A gép több mint 200 uránpelletet tölt be egy cirkóniumcsőbe. Összesen körülbelül 10 millió uránpellet dolgozik egyidejűleg a reaktorban.
FA - üzemanyag kazetta. Az atomerőmű dolgozói az üzemanyag-kazettákat kötegeknek nevezik.
Valójában ez több TVEL egymáshoz rögzítve. Az üzemanyag-kazetták kész nukleáris fűtőanyag, amivel egy atomerőmű működik. Az atomreaktorba fűtőelem-kazettákat töltenek be. Egy reaktorban körülbelül 150-400 fűtőelem-kazettát helyeznek el.
Attól függően, hogy az üzemanyag-kazetta melyik reaktorban fog működni, különböző formájúak. A kötegeket néha köbösre, néha hengeresre, néha hatszögletűre hajtogatják.
Egy tüzelőanyag-kazetta 4 éves működésre ugyanannyi energiát termel, mint 670 vagon szén, 730 földgáztartály vagy 900 olajjal megrakott tartály elégetésekor.
Ma az üzemanyag-kazettákat főként oroszországi, franciaországi, amerikai és japán gyárakban gyártják.
Az atomerőművek üzemanyagának más országokba történő szállítása érdekében az üzemanyag-kazettákat hosszú és széles fémcsövekbe zárják, a csövekből levegőt szivattyúznak ki, és speciális gépekkel szállítják a teherszállító repülőgépek fedélzetére.
Az atomerőművek nukleáris fűtőanyaga mérhetetlenül sokat nyom, tk. Az urán az egyik legnehezebb fém a bolygón. Övé fajsúly 2,5-szer több, mint az acél.
Atomerőmű: működési elv
Mi az atomerőmű működési elve? Az atomerőművek működési elve egy radioaktív anyag - urán - atomjainak hasadásának láncreakcióján alapul. Ez a reakció egy atomreaktor zónájában játszódik le.
FONTOS TUDNI:
Ha nem megy bele az atomfizika bonyodalmaiba, az atomerőmű működési elve így néz ki:
Az atomreaktor beindítása után elnyelő rudakat távolítanak el az üzemanyagrudakról, amelyek megakadályozzák az urán reakcióját.
Amint a rudakat eltávolítják, az uránneutronok kölcsönhatásba kezdenek egymással.
A neutronok ütközésekor atomi szinten minirobbanás következik be, energia szabadul fel és új neutronok születnek, láncreakció indul el. Ez a folyamat hőt bocsát ki.
A hő átadódik a hűtőfolyadéknak. A hűtőfolyadék típusától függően gőzzé vagy gázzá alakul, ami forgatja a turbinát.
A turbina elektromos generátort hajt meg. Valójában ő termeli az áramot.
Ha nem követi a folyamatot, az uránneutronok ütközhetnek egymással mindaddig, amíg a reaktort fel nem robbantják, és az egész atomerőművet szét nem robbantják. A folyamatot számítógépes érzékelők irányítják. Érzékelik a hőmérséklet növekedését vagy a nyomás változását a reaktorban, és automatikusan leállíthatják a reakciókat.
Mi a különbség az atomerőművek és a hőerőművek (hőerőművek) működési elve között?
A munkában tapasztalható különbségek csak az első szakaszokban vannak. Az atomerőművekben a hűtőközeg az urán üzemanyag atomjainak hasadásából, a hőerőművekben a szerves tüzelőanyag (szén, gáz vagy olaj) égéséből kap hőt. Miután az urán atomjai vagy a szénnel együtt lévő gáz hőt bocsátanak ki, az atomerőművek és a hőerőművek működési sémája megegyezik.
Az atomreaktorok típusai
Egy atomerőmű működése attól függ, hogyan működik az atomreaktor. Ma a reaktoroknak két fő típusa van, amelyeket a neuronok spektruma szerint osztályoznak:
Lassú neutronreaktor, más néven termikus reaktor.
Működéséhez 235 uránt használnak, amely átmegy a dúsítás, az urántabletták előállításának szakaszain stb. Ma a lassú neutronos reaktorok vannak túlnyomó többségben.
Gyors neutron reaktor.
Ezek a reaktorok jelentik a jövőt, mert urán-238-on dolgoznak, ami egy tucat fillér, és nem szükséges ezt az elemet dúsítani. Az ilyen reaktorok hátránya csak a nagyon magas tervezési, építési és indítási költségek. Ma már csak Oroszországban működnek gyorsneutronreaktorok.
A gyorsneutronos reaktorokban a hűtőközeg higany, gáz, nátrium vagy ólom. 
A lassú neutronos reaktorok, amelyeket ma a világ összes atomerőműve használ, szintén többféle típusban léteznek.
A NAÜ szervezete (Nemzetközi Atomenergia Ügynökség) létrehozta saját osztályozását, amelyet leggyakrabban a világ nukleáris iparában használnak. Mivel az atomerőmű működési elve nagymértékben függ a hűtőközeg és a moderátor megválasztásától, a NAÜ ezekre az eltérésekre alapozta besorolását.
Kémiai szempontból a deutérium-oxid ideális moderátor és hűtőfolyadék, mert atomjai más anyagokhoz képest a leghatékonyabban lépnek kölcsönhatásba az urán neutronjaival. Egyszerűen fogalmazva, a nehézvíz minimális veszteséggel és maximális eredménnyel látja el feladatát. Előállítása azonban pénzbe kerül, miközben sokkal egyszerűbb a nálunk megszokott „könnyű” és megszokott víz használata.
Néhány tény az atomreaktorokról...
Érdekes, hogy egy atomerőművi reaktort legalább 3 évig építenek!
A reaktor építéséhez olyan berendezésekre van szükség, amelyek működnek elektromos áram 210 kiló amper, ami milliószorosa az embert megölő áramerősségnek.
Az atomreaktor egyik héja (szerkezeti eleme) 150 tonnát nyom. Egy reaktorban 6 ilyen elem van.
Nyomás alatti vizes reaktor
Azt már megtudtuk, hogyan működik általánosságban az atomerőmű, a „rendezés érdekében” nézzük meg, hogyan működik a legnépszerűbb túlnyomásos atomreaktor.
Napjainkban világszerte 3+ generációs túlnyomásos vizes reaktorokat használnak. A legmegbízhatóbbnak és biztonságosabbnak tartják őket.
A világ összes nyomottvizes reaktora működési éveiben összesen már több mint 1000 év problémamentes működést sikerült elérnie, és soha nem mutatott komoly eltéréseket. 
A nyomottvizes reaktorokra épülő atomerőművek felépítése azt jelenti, hogy a fűtőelemek között desztillált víz kering, 320 fokra felmelegítve. Annak megakadályozására, hogy gőzállapotba kerüljön, 160 atmoszféra nyomás alatt tartják. Az atomerőmű rendszere primer víznek nevezi.
A felmelegített víz belép a gőzfejlesztőbe, és leadja hőjét a szekunder kör vizének, majd ismét „visszatér” a reaktorba. Kívülről úgy tűnik, hogy az elsődleges vízkör csövei érintkeznek más csövekkel - a második kör vizével, hőt adnak át egymásnak, de a vizek nem érintkeznek. A csövek érintkeznek.
Így kizárt annak lehetősége, hogy sugárzás kerüljön a szekunder kör vizébe, amely a továbbiakban részt vesz a villamosenergia-termelés folyamatában.
Atomerőmű biztonsága
Az atomerőművek működési elvének megismerése után meg kell értenünk a biztonság elrendezését. Az atomerőművek tervezése ma fokozott figyelmet igényel a biztonsági szabályokra.
Az atomerőmű biztonságának költsége mintegy 40%-a magának az erőműnek a teljes költségének. 
Az atomerőmű 4 fizikai akadályt tartalmaz, amelyek megakadályozzák a radioaktív anyagok kibocsátását. Mit kell tenni ezeknek az akadályoknak? Legyen képes a megfelelő időben leállítani a nukleáris reakciót, biztosítani az állandó hőelvonást a zónából és magából a reaktorból, valamint megakadályozni a radionuklidok kijutását a konténmentből (konténment zónából).
- Az első akadály az uránpelletek szilárdsága. Fontos, hogy az atomreaktorban magas hőmérséklet hatására ne essenek össze. Az atomerőmű működése sok tekintetben attól függ, hogy a gyártás kezdeti szakaszában hogyan „sütötték ki” az uránpelleteket. Ha az urán tüzelőanyag-pelleteket nem megfelelően sütik ki, az uránatomok reakciói a reaktorban kiszámíthatatlanok lesznek.
- A második akadály az üzemanyagrudak tömítettsége. A cirkónium csöveket szorosan le kell zárni, ha a tömítettség megszakad, akkor legjobb esetben a reaktor megsérül és leáll a munka, legrosszabb esetben minden a levegőbe repül.
- A harmadik akadály egy erős acél reaktortartály a, (ugyanaz a nagy torony - konténment terület), amely magában "tartja" az összes radioaktív folyamatot. A hajótest megsérült - sugárzás kerül a légkörbe.
- A negyedik akadály a vészvédelmi rudak. Az aktív zóna felett moderátorral ellátott rudak vannak felfüggesztve a mágneseken, amelyek 2 másodperc alatt képesek elnyelni az összes neutront és leállítják a láncreakciót.
Ha a sok fokú védettségű atomerőmű építése ellenére nem sikerül a reaktormagot kellő időben lehűteni, és a tüzelőanyag hőmérséklete 2600 fokra emelkedik, akkor a biztonsági rendszer utolsó reménye lép életbe. - az úgynevezett olvadékcsapda.
A helyzet az, hogy ilyen hőmérsékleten a reaktortartály alja megolvad, és a nukleáris üzemanyag és az olvadt szerkezetek összes maradványa a reaktormag felett felfüggesztett speciális „üvegbe” áramlik.
Az olvadékcsapda hűtött és tűzálló. Fel van töltve úgynevezett „áldozati anyaggal”, amely fokozatosan leállítja a hasadási láncreakciót.
Így az atomerőmű-rendszer több fokú védelmet foglal magában, amelyek szinte teljesen kizárják a baleset lehetőségét.
Miért az urán?
Az emberiség elektromos vezetékekkel kötözte össze kezét-lábát. Készülékek, ipari berendezések, közvilágítás, trolibuszok, metrók, elektromos vonatok – a civilizáció mindezen előnyeit az elektromos hálózat táplálja; értelmetlen "vasdarabokká" válnak, ha az áram valamiért meghibásodik. Az emberek azonban már annyira hozzászoktak az áramellátás állandóságához, hogy minden leállás elégedetlenséget, sőt kényelmetlenséget okoz. És tényleg, mit tegyen az ember, ha az összes készülék egyszerre kialudt, beleértve a legkedveltebbeket is - egy TV, egy számítógép és egy hűtőszekrény? Különösen nehéz elviselni az "elszakadást" az esti órákban, amikor munka vagy tanulás után úgy akarod, ahogy mondani szokás, meghosszabbítani a nappali órákat. Megment egy tablet vagy egy telefon, de végülis azoknak is van töltése, ami nem örök. Még rosszabb, ha egy „börtöncellában” köt ki, amelybe egy áramszünet parancsára egy liftkabin vagy egy metrókocsi is befordulhat.
Miért ez a sok beszéd? És arra a tényre, hogy az "elektromos" emberiségnek szüksége van stabil és erőteljes energiaforrásokra - mindenekelőtt az elektromosságra. Hiányával bosszantóan gyakoriak lesznek az áramszünet, csökken az életszínvonal. Ahhoz, hogy egy kellemetlen forgatókönyv ne váljon valósággá, egyre több erőművet kell építeni: a globális energiafogyasztás nő, a meglévő erőművek fokozatosan elöregednek.
De mit tud a probléma megoldására kínálni a főként szenet és gázt égető modern energia? Természetesen az értékes vegyi nyersanyagokat elpusztító új gáztelepek, vagy az eget füstölő széntömbök. A hőerőművek kibocsátása egyébként jól ismert ökológiai probléma, de a fosszilis tüzelőanyag-ipar is károsítja a környezetet. De a fogyasztása óriási. Például egy hagyományos hűtőszekrény év közbeni működésének biztosításához körülbelül száz kilogramm szenet vagy több száz köbméter földgázt kell elégetni. És ez csak egy Háztartási készülék, amiből sok van.
Egyébként mennyi nukleáris tüzelőanyagra lesz szükség ahhoz, hogy az említett hűtőszekrény egy teljes évig működjön? Nehéz elhinni, de ... csak egy gramm!
A dúsított uránból készült nukleáris üzemanyag kolosszális energiaintenzitása méltó versenytársává teszi a szén és a gáz számára. Valójában egy atomerőmű százezerszer kevesebb üzemanyagot fogyaszt, mint egy hőerőmű. Ez azt jelenti, hogy az uránbányászat sokkal kisebb léptékű bányászat folyik, ami a környezet szempontjából fontos. Ráadásul nincs üvegházhatású és mérgező gázok kibocsátása.
Egy ezer megawatt teljesítményű atomerőmű erőművi blokkja mindössze három tucat tonna nukleáris fűtőanyagot használ fel évente, egy azonos teljesítményű hőerőműhöz pedig körülbelül hárommillió tonna szénre vagy hárommilliárd köbméterre lesz szüksége. gáz. Más szóval, azonos mennyiségű villamos energia előállításához évente több vagonra van szükség nukleáris üzemanyaggal, vagy több szenes vonatra ... naponta.
Mi a helyzet a megújuló energiaforrásokkal? Természetesen jók, de még javítani kell. Vegyük például az állomás által elfoglalt területet. A szélturbinák és a napelemek esetében két nagyságrenddel magasabb, mint a hagyományos erőműveké. Például, ha egy atomerőmű (Atomerőmű) elfér egy pár négyzetkilométeres területen, akkor egy szélerőmű vagy egy azonos kapacitású napenergia-mező több száz négyzetkilométert foglal el. Egyszerűen fogalmazva, a területarány olyan, mint egy kis falu és egy nagyon nagy városé. A sivatagban ez a mutató nem biztos, hogy fontos, de a mezőgazdasági vagy erdőgazdálkodási övezetben - akár hogyan.
Meg kell említeni, hogy a nukleáris üzemanyag évszaktól, nappaltól és időjárási szeszélyektől függetlenül mindig készen áll a munkára, miközben a nap nem süt éjszaka, a szél pedig akkor fúj, amikor akar. Ráadásul egyes területeken a megújuló energia az alacsony napenergia-áram vagy az alacsony átlagos szélsebesség miatt egyáltalán nem lesz jövedelmező. Az atomerőművek esetében ilyen problémák egyszerűen nem léteznek.
Az atomenergia ezen előnyei határozták meg az urán – mint nukleáris üzemanyag – kiemelkedő szerepét a modern civilizációban.
Ki mennyit kapott?
Az egyik régi szovjet rajzfilmben az állatok fontos feladatot oldottak meg - megosztottak egy narancsot. Ennek eredményeként a farkas kivételével mindenki kapott egy ízletes, szaftos szeletet; a szürkének meg kellett elégednie a héjjal. Más szóval, nem kapott értékes forrást. Ebből a szempontból érdekes tudni, hogy állnak a dolgok az uránnal: a világ minden országának vannak tartalékai, vagy hiányoznak?
Valójában nagyon sok urán található a Földön, és ez a fém szinte mindenhol megtalálható: bolygónk kérgében, az óceánokban, még az emberi testben is. A probléma a "szétszóródásban", a földi kőzeteken való "elkenődésben" rejlik, ami alacsony koncentrációjú uránt eredményez, ami legtöbbször nem elegendő a gazdaságilag jövedelmező ipari termelés megszervezéséhez. Egyes helyeken azonban magas urántartalmú lerakódások találhatók. Egyenetlenül oszlanak el, és az urántartalékok országonként eltérőek. Ennek az elemnek a legtöbb lelőhelye "elúszott" Ausztráliával; ezen kívül Kazahsztánnak, Oroszországnak, Kanadának és Dél-Afrika országainak volt szerencséje. Ez a kép azonban nem dermedt meg, a dolgok állása az új lelőhelyek feltárása, a régiek kimerülése miatt folyamatosan változik.
A feltárt uránkészletek országonkénti megoszlása (a termelési költségekkel járó készleteknél< $130/кг)
Hatalmas mennyiségű uránt oldanak fel a Világóceán vizeiben: több mint négymilliárd tonna. Úgy tűnik, hogy az ideális "letét" - nem akarom az enyémet. A tudósok az 1980-as években speciális szorbenseket fejlesztettek ki az urán tengervízből történő kinyerésére. Miért nem alkalmazzák általánosan ezt a kiváló módszert? A probléma az, hogy túl alacsony a fémkoncentráció: egy tonna vízből mindössze körülbelül három milligrammot lehet kinyerni! Nyilvánvaló, hogy az ilyen urán túl drága lesz. Becslések szerint egy kilogramm néhány ezer dollárba kerül, ami sokkal drágább, mint a "földi" megfelelője. De a tudósok nem idegeskednek, és egyre hatékonyabb szorbenseket találnak ki. Így talán a közeljövőben ez a kitermelési módszer versenyképessé válik.
A 130 dollár/kg alatti termelési költségű feltárt uránkészletek száma a mai napig meghaladja az 5,9 millió tonnát. Ez sok? Eléggé: ha az atomerőművek összkapacitása a jelenlegi szinten marad, akkor az urán száz évig kitart. Összehasonlításképpen, a bizonyított olaj- és gázkészletek alig harminc-hatvan év alatt kimeríthetők.
Az első tíz ország a területükön lévő uránkészletek tekintetében (a kitermelés költségével járó készletek tekintetében< $130/кг)
Nem szabad azonban megfeledkezni arról, hogy az előrejelzések szerint az atomenergia-ipar fejlődni fog, ezért most érdemes elgondolkodni azon, hogyan lehetne bővíteni erőforrásbázisát.
A probléma megoldásának egyik módja az új lelőhelyek időben történő felkutatása és fejlesztése. A rendelkezésre álló információk alapján ez nem jelenthet gondot: csak az elmúlt években találtak újabb lelőhelyeket Afrika, Dél-Amerika és Svédország egyes országaiban. Igaz, nem lehet biztosan megmondani, mennyire lesz jövedelmező a feltárt készletek kitermelése. Előfordulhat, hogy az érc alacsony urántartalma és a lelőhelyek kialakításának nehézségei miatt ezek egy részét „későbbre” kell hagyni. A tény az, hogy ennek a fémnek az árai most meglehetősen alacsonyak. Gazdasági szempontból nincs semmi meglepő. Először is, még mindig vannak viszonylag könnyen kinyerhető, tehát olcsó urán lelőhelyek a világon – ez belép a piacra és „leüti” az árat. Másodszor, a fukusimai baleset után egyes országok módosították az új atomerőművi blokkok építésére vonatkozó terveit, Japán pedig teljesen leállította az összes atomerőművét – visszaesett a kereslet, tovább csökkentve az urán költségét. De ez nem sokáig. Kína és India már beszállt a játékba, területükön nagyszabású atomerőművek építését tervezik. Más ázsiai országoknak, valamint afrikai és dél-amerikai országoknak vannak kevésbé ambiciózus projektjei. A jelek szerint még Japán sem tud majd megválni atomenergia-iparától. Ezért a kereslet fokozatosan helyreáll, és az olcsó lelőhelyek kimerülésével együtt ez az urán árának emelkedéséhez vezet. Az elemzők úgy vélik, hogy nem sokáig kell várni, csak néhány év. Ekkor lehet majd a „későbbre” hagyott betétek alakulásán gondolkodni.
Érdekes, hogy a legnagyobb urántartalékkal rendelkező és a legfejlettebb atomenergia-iparral rendelkező országok listája gyakorlatilag nem esik egybe. A világ urán "vagyonának" harmada Ausztrália gyomrában van, de a zöld kontinensen egyetlen atomerőmű sincs. Kazahsztán, a világelső ennek a fémnek a gyártásában, éppen több atomerőművi blokk építésére készül. Afrika országai gazdasági és egyéb okok miatt még messze vannak attól, hogy csatlakozzanak a világ "nukleáris" családjához. A kontinens egyetlen atomerőműve a Dél-afrikai Köztársaságban található, amely nemrégiben jelentette be, hogy tovább kívánja fejleszteni az atomenergiát. Eddig azonban még Dél-Afrika is időt vett igénybe.
Mit kell még tenniük az „atom” óriásoknak – az USA-nak, Franciaországnak, Japánnak –, valamint Kínának és Indiának, amelyek a nyomukban haladnak előre, ha nagyok a szükségleteik, és a macska saját tartalékaik miatt sírt? Természetesen próbálja meg megszerezni az ellenőrzést más országok lelőhelyei és uránbányászati vállalkozásai felett. Ez a feladat stratégiai jellegű, megoldása során az államok kemény harcokba bocsátkoznak. Nagy cégeket vásárolnak fel, politikai manővereket hajtanak végre, földalatti vesztegetési rendszereket hajtanak végre a megfelelő embereket vagy jogi csaták. Afrikában ez a küzdelem akár polgárháborúkká és forradalmakká is fajulhat – és már most is eszkalálódik –, amelyet a befolyási övezetek újraelosztására törekvő vezető államok rejtetten támogatnak.
Ebben a tekintetben Oroszországnak szerencséje van: atomerőműveink saját, meglehetősen tisztességes uránkészletekkel rendelkeznek, amelyeket a Bajkál-túli területen, a Kurgan régióban és a Burját Köztársaságban bányásznak. Emellett aktív feltáró munka is szervezés alatt áll. Feltételezhető, hogy a Transbajkal régióban, Nyugat-Szibériában, a Karéliai Köztársaságban, a Kalmük Köztársaságban és a Rosztovi régióban található lelőhelyek nagy potenciállal rendelkeznek.
Ezenkívül a Roszatom külföldi eszközökkel is rendelkezik - nagy részvénycsomagokkal uránbányászati vállalkozásokban Kazahsztánban, az Egyesült Államokban és Ausztráliában, valamint ígéretes projekteken dolgozik Dél-Afrikában. Ennek eredményeként a világ vezető urángyártással foglalkozó vállalatai között a Rosatom magabiztosan tartja a harmadik helyet a Kazatomprom (Kazahsztán) és a Cameco (Kanada) után.
A tudósok a meteoritok kémiai összetételének tanulmányozásával, amelyek egy része marsi eredetű, uránt fedeztek fel. Igaz, tartalma lényegesen alacsonyabbnak bizonyult, mint a szárazföldi kőzetekben. Igen, most már világos, hogy a marslakók miért jártak hozzánk a repülő csészealjakon.
De komolyra fordítva a szót, úgy gondolják, hogy az urán a Naprendszer minden objektumában jelen van. Például 2009-ben fedezték fel a Hold talajában. Azonnal fantasztikus ötletek születtek, például uránt bányásznak egy műholdon, majd küldjék a Földre. Egy másik lehetőség a holdkolóniák reaktorainak "táplálása" a lelőhelyek közelében. A lerakódásokat azonban még nem kutatták fel; és gazdasági szempontból az ilyen termelés továbbra is megvalósíthatatlannak tűnik. De a jövőben ki tudja...
Ha sokáig szenved, az üzemanyag kifolyik
Az uránérc készletek jelenléte csak az egyik összetevője a sikernek. Ellentétben a fával vagy a szénnel, amelyek nem igényelnek különösebben bonyolult előkészítést, mielőtt belépnek a kemencébe, az ércet nem lehet egyszerűen darabokra vágni és a reaktorba dobni. Hogy megmagyarázzuk, miért, meg kell említeni néhány, az uránban rejlő tulajdonságot.
Kémiai szempontból ez az elem rendkívül aktív, más szóval hajlamos különféle vegyületek képzésére; ezért az aranyhoz hasonlóan rögöseit a természetben keresni teljesen reménytelen üzlet. Mit nevezünk uránércnek? Nagyon kis mennyiségű urán ásványt tartalmazó kőzet. Gyakran hozzáteszik: kicsi, de elegendő a kereskedelmi termeléshez, hogy a közgazdászok jóváhagyják. Ma például célszerűnek tartják olyan érc kifejlesztését, amelynek egy tonnája mindössze néhány kilogramm vagy akár több száz gramm uránt tartalmaz. A többi üres, szükségtelen kőzet, amelyből urán ásványokat kell izolálni. De még ezeket sem lehet atomreaktorba tölteni. A helyzet az, hogy ezek az ásványok leggyakrabban az urán oxidjai vagy oldhatatlan sói más elemek társaságában. Némelyikük értéket jelenthet az ipar számára, és a hozzájuk kapcsolódó termelés megszervezése is javulhat gazdasági mutatók. De még ha nincs is erre szükség, az uránt akkor is meg kell tisztítani a szennyeződésektől. Ellenkező esetben a „piszkos” uránból készült nukleáris üzemanyag a reaktor meghibásodását vagy akár balesetet is okozhat.
A tisztított urán azonban nem nevezhető teljes bizonyossággal nukleáris üzemanyagnak. A fogás az izotópos összetételében rejlik: a természetben található ezer uránatomhoz mindössze hét atomnyi urán-235 van, ami szükséges a hasadási láncreakció létrejöttéhez. A többi urán-238, amely gyakorlatilag nem hasad, sőt elnyeli a neutronokat. A természetes urán reaktort azonban teljesen be lehet indítani – feltéve, hogy nagyon hatékony moderátort használnak, például drága nehézvizet vagy a legtisztább grafitot. Csak ezek teszik lehetővé, hogy az urán-235 maghasadása során keletkező neutronok olyan gyorsan lelassuljanak, hogy legyen idejük bejutni más urán-235 atommagokba és előidézni azok hasadását, és ne dicstelenül befogja őket az urán-238. De számos okból kifolyólag a világ reaktorainak túlnyomó többsége más megközelítést alkalmaz: a természetes uránt hasadó izotópokban dúsítják. Más szóval, az urán-235 atomok tartalmát mesterségesen hétről több tucat ezrelékre emelik. Emiatt a neutronok gyakrabban ütköznek beléjük, és lehetővé válik az olcsóbb, bár kevésbé hatékony moderátorok, például a közönséges víz használata.
A dúsított urán már végtermék? Ismét nem, mivel az erőművi reaktorok biztosítják az "nukleáris" hő átvitelét egy hűtőfolyadékhoz, amely fürdeti az üzemanyagot - leggyakrabban víz. A hasadási termékek felhalmozódása miatt a tüzelőanyag - ahogyan az üzemelő reaktorban van - erősen radioaktívvá válik. Semmi esetre sem szabad vízben feloldódni. Ehhez az uránt kémiailag stabil állapotba helyezik, és a hűtőközegtől is elkülönítik, fémhéjjal lefedve. Az eredmény egy összetett, dúsított uránvegyületeket tartalmazó műszaki berendezés, amelyet teljes bizalommal nukleáris üzemanyagnak nevezhetünk.
Az említett műveletek - az uránbányászat, annak tisztítása és dúsítása, valamint a nukleáris üzemanyag gyártása - az úgynevezett nukleáris üzemanyag-ciklus kezdeti szakaszai. Mindegyikkel részletesebben meg kell ismerkedni.
Az urán-238 felezési ideje 4,5 milliárd év, míg az urán-235-é mindössze 700 millió év. Kiderült, hogy a hasadó izotóp többször gyorsabban bomlik, mint a fő. Ha jobban belegondolunk, ez azt jelenti, hogy korábban az urán-235 tartalma a természetes izotópkeverékben nagyobb volt, mint most. Például egymilliárd évvel ezelőtt ezer uránatomból tizenhatnak volt 235 nukleonos magja, kétmilliárd éve még harminchét, hárommilliárd évvel ezelőtt pedig még nyolcvan! Valójában azokban a távoli időkben az érc uránt tartalmazott, amelyet ma dúsítottnak nevezünk. És könnyen megtörténhet, hogy valamilyen területen egy természetes atomreaktor magától beindul!
A tudósok úgy vélik, hogy pontosan ez történt a modern Gabon területén található Oklo lelőhely több szupergazdag urán-lelőhelyével. 1,8 milliárd évvel ezelőtt spontán nukleáris láncreakció indult be bennük. A spontán hasadás során keletkező neutronok indították el, majd a magas koncentrációjú urán-235 és az ércben lévő víz jelenléte, egy neutronmoderátor működött. Egyszóval a reakció önfenntartóvá vált, és több százezer éven át folytatódott, most aktiválódik, most elhalványul. Aztán a reaktorok kialudtak, nyilván a vízrendszer változása miatt.
A mai napig ez az egyetlen ismert természetes atomreaktor. Ráadásul jelenleg egyetlen területen sem indulhatnak el ilyen folyamatok. Az ok teljesen érthető - túl kevés urán-235 maradt.
Próbálj meg ásni
Az uránércek ritkán kerülnek a felszínre. Leggyakrabban ötven méter és két kilométer közötti mélységben fekszenek.
A sekély lerakódásokat külszínben, vagy más néven karrier út. A kemény kőzeteket fúrják és robbantják, majd rakodógépekkel billenőkocsikba rakják és kiviszik a kőbányából. A laza kőzeteket hagyományos vagy rotációs kotrógépekkel bányászati teherautókba fejlesztik és rakják be, a buldózereket széles körben használják. Elképesztő ennek a technikának az ereje és mérete: például a már említett billenőkocsik teherbírása száz vagy több tonna! Sajnos maga a kőbánya léptéke is nagy, mélysége elérheti a háromszáz métert is. A munka befejezése után hatalmas lyukként tátong a föld felszínén, mellette pedig az uránlelőhelyeket borító kőhalmok emelkednek. Ezekkel a szeméttelepekkel elvileg egy kőbánya lefedhető, füvet és fákat ültetve a tetejére; de megfizethetetlenül drága lesz. Ezért a gödrök fokozatosan megtelnek vízzel, és tavak képződnek, amelyek a víz megnövekedett urántartalma miatt nem tartoznak a gazdaságos felhasználáshoz. A felszín alatti vizek szennyezésével is felléphetnek problémák, ezért az uránbányák különös figyelmet igényelnek.
Az urán nyíltszíni bányászata azonban fokozatosan a múlté válik egy teljesen banális okból – a felszínhez közeli lelőhelyeknek már majdnem vége. Most a mélyen elrejtett ércekkel kell megküzdenünk. Hagyományosan földalatti (bányászati) módszerrel fejlesztik. Csak ne képzelje el, hogy szigorú, csákányos, szakállas férfiak mászkálnak a munkálatokon és ércet aprítanak. Most a bányászok munkája nagyrészt gépesített. V szikla uránt tartalmazó lyukak - speciális mély lyukak, amelyekbe robbanóanyagokat helyeznek. A robbanás után a zúzott ércet egy rakodó- és vontatógép vödörrel veszi, és kanyargós szűk galériákon fut a kocsikhoz. A megtöltött kocsikat kis villanymozdony viszi a bánya függőleges aknájába, majd egy ketrec - egyfajta lift - segítségével a felszínre emelik az ércet.
A földalatti bányászatnak számos funkciója van. Először is, csak a jó minőségű, magas urántartalmú ércek esetében lehet előnyös, amelyek legfeljebb két kilométer mélyen fordulnak elő. Ellenkező esetben a bányászat, a bányászat és az érc további feldolgozása miatt az urán gyakorlatilag „arany” lesz. Másodszor, az uránbányák föld alatti birodalma egy zárt tér, amelyben radioaktív por és nem kevésbé radioaktív radon gáz lebeg. Ezért erőteljes szellőzés nélkül és speciális eszközök az olyan védelem, mint a légzőkészülék, nélkülözhetetlen a bányászok számára.
Mind a külszíni, mind a bányászati bányászat során az ércet meglehetősen nagy darabok formájában nyerik ki. Amikor egy kotrógép vagy egy rakodó-lerakó gép kanalával felkanalazza őket, a kezelő nem tudja, hogy uránásványokban gazdag ércet, vagy hulladékkőzetet, vagy valamit a kettő között választ ki. Végül is a lerakódás nem túl homogén összetételében, és az erős gépek használata nem teszi lehetővé a finom és kecses munkavégzést. De a szinte uránt nem tartalmazó darabok további feldolgozásra küldése legalábbis ésszerűtlen! Ezért az ércet az urán fő tulajdonságának felhasználásával osztályozzák, amellyel nem nehéz kimutatni - a radioaktivitást. Speciális ionizáló sugárzás érzékelők lehetővé teszik, hogy mind a rakodás során, mind már a szállítótartályban az érc több fokozatra osztható az általa kibocsátott sugárzás intenzitása szerint. A hulladék kőzetet lerakóba küldik. Gazdag érc - a hidrometallurgiai üzembe. De a kis, de észrevehető mennyiségű uránt tartalmazó ércet újra, óvatosabban válogatják. Először összetörik, méretre osztják, majd a darabokat egy mozgó szállítószalagra dobják. Fölötte egy ionizáló sugárzás érzékelő van felszerelve, amelyből a jel a szalag végén található redőnyök automatizált vezérlőrendszerébe kerül. Az érzékelőt úgy állítják be, hogy reagáljon az alatta elhaladó, urán ásványokat tartalmazó radioaktív ércdarabra. Ezután a redőny elfordul és az érc egy speciális ércbunkerbe esik, ahonnan a hidrometallurgiai üzembe szállítják. Viszont a hulladékkő semmilyen módon nem "zavarja" az érzékelőt és a csappantyút, és egy másik dobozba esik - a szemétlerakóba.
Az érc radiometrikus válogatásának egyszerűsített sémája (a modern komplexek sokkal bonyolultabbak)
A leírt séma hozzávetőleges, alapvető: semmi sem akadályozza meg a vállalkozásoknál az ércek más ismert módszerekkel történő válogatását. A gyakorlat azonban azt mutatta, hogy nem alkalmasak uránércekre. Emiatt a radiometrikus válogatás - sugárzásdetektorokkal - fokozatosan a mainstream technológia lett.
A valóságban az ércválogatásnál egy bizonyos középkategóriát is megkülönböztetnek, amely urántartalom szempontjából nem köthető sem a gazdag érchez, sem a hulladékkőzethez. Vagyis hidrometallurgiai üzembe küldeni drága (idő- és reagenspocsékolás), kár lerakóba küldeni. Az ilyen szegény ércet nagy kupacokba halmozzák, és a szabad levegőn kénsawal öntik, fokozatosan feloldva az uránt. A kapott oldatot szivattyúzzuk további feldolgozásra.
A hidrometallurgiai üzemben a gazdag ércet tovább kell zúzni, szinte poros állapotig, majd fel kell oldani.
Az ércet különféle malmokban – például dobgolyós malmokban – aprítják: a zúzott anyagot és a fémgolyókat, például az ágyúgolyókat egy forgó üreges dobba öntik. A forgás során a golyók az ércdarabokat ütik, megőrlik és porrá őrlik.
A zúzott ércet "felnyitják", azaz kénsavval vagy salétromsavval vagy ezek keverékével történő kezeléssel részben feloldják. Az eredmény egy sok szennyeződést tartalmazó uránoldat. Néha, ha az uránérc sok természetes karbonátot tartalmaz, nem használnak savat. Ellenkező esetben olyan reakció lép fel, amely hasonlít a szóda ecettel történő oltására - intenzív szén-dioxid-kibocsátással, és a reagens elpazarol. Hogyan legyen? Kiderült, hogy az ilyen ásványok szódaoldattal "nyithatók". Ennek eredményeként urán oldatot is kapnak, amely további feldolgozásra kerül.
De a fel nem oldott érc maradványait speciális zagyba kell küldeni - a környezet szempontjából nem a legbarátságosabb objektumokba. A válogatás során leválasztott meddőkőzetet érdemes felidézni: lerakóba rakják. Mind a zagy, mind a szemétlerakók kis mennyiségű uránt tartalmaznak, ami potenciálisan veszélyessé teszi őket. Ezzel kapcsolatban felmerül a kérdés: meg lehet-e szervezni a bányászatot úgy, hogy az minimális károkat okozzon a természetben és biztosítva legyen a dolgozók biztonsága?
Lehetséges, és már régóta gyakorolják. A szóban forgó bányászati módszert fúrólyuk in situ kimosódásnak nevezik. Lényege, hogy a lelőhelyet sok kút „átszúrja”. Ezek egy részét, úgynevezett szivattyúzásnak nevezik, kénsavval táplálják, amely mélyre ereszkedik, áthalad az ércen, és feloldja az uránt. Ezután az értékes fémoldatot a mélyből más szivattyúzó kutakon keresztül viszik el.
Mi történik: nincs szemétlerakás, nincs zagy, nincs por, nincsenek lyukak vagy váratlan víznyelők a talajban, de végül ugyanaz az uránoldat? Igen. Sőt, a fúrásos földalatti kilúgozás módszerével nagyon gyenge ércek keletkeznek, amelyeket gazdaságilag nem kifizetődő külszíni vagy bányászati módszerrel bányászni. De az előnyök ilyen halmazának vannak hátrányai is! Nos, először is, a nyolcszáz méternél mélyebb kutak fúrása a költségek szempontjából irracionális. Másodszor, a módszer nem működik sűrű, nem porózus ércekben. Harmadszor, a kénsav továbbra is megzavarja a talajvíz összetételét és viselkedését a lelőhelyben, bár ezek a zavarok idővel maguktól „megoldódnak”. Sokkal veszélyesebb, ha az oldat a felszínre ömlik, vagy körkörösen - repedések, törések mentén - behatol a talajvízbe. Ezért a folyamatot szigorúan ellenőrző kutak fúrásával ellenőrzik.
Fúrás helyszíni kilúgozás
Az említett problémák elkerülésére kitalálták a földalatti kilúgozás „bányászati” változatát: a gyárban lévő érctömböket robbantással összetörik, majd felülről kioldóoldattal (kénsav) öntik ki, alulról szedve az uránoldatot. a vízelvezető rendszeren keresztül.
Mindenesetre ma a földalatti kilúgozás a legkörnyezetbarátabb módja az urán kinyerésének. Ez az egyik oka a népszerűsége robbanásszerű növekedésének. Ha 2000-ben az uránnak még csak tizenöt százalékát bányászták földalatti kilúgozással, akkor ma ez a szám közel ötven százalék!
Az in situ kilúgozás a vezető uránbányászati technológiává válik
Az uránlerakódásokat általában ionizáló sugárzás érzékelőkkel keresik; pontosabban a gammasugárzás. Először egy ilyen érzékelőkkel felszerelt repülőgép repül át a terület felett. Csak az ő hatalmában áll kijavítani a sugárzási anomáliát - a mező felett kissé megnövekedett hátteret. Ezután egy helikoptert indítanak az üzletbe, amely lassabban és pontosabban „vázolja” az ígéretes terület határait. A végén mérőműszerekkel és fúrókkal rendelkező kutatók érkeznek erre a területre. Munkájuk eredménye alapján elkészítik az uránércek előfordulási térképét és kiszámítják a kitermelés költségeit.
Az uránérc lelőhelyek azonban más módon is jelezhetik magukat. Például megváltoztatni kinézet felettük növekvő növények: fűzfa-tea szirmok, általában rózsaszínűek, kifehérednek; az áfonya kizöldül vagy kifehéredik. A lelőhely felett növekvő boróka mély gyökerei jól felszívják az uránt, ágakban, tűlevelekben halmozódik fel. Hamuvá alakítva és az urántartalom ellenőrzésével megérthető, hogy érdemes-e ezen a területen kitermelni az atomenergia fő fémét.
A tisztaság az egészség kulcsa (atomreaktor)
Az érc "felnyitásával" vagy a föld alatti kilúgozás során nyert uránoldat nem túl tiszta. Más szóval, az uránon kívül egy rakás kémiai elemet is tartalmaz, amelyek a földkéregben találhatók: nátriumot és káliumot, kalciumot és magnéziumot, vasat, nikkelt és rezet – és még sok mást. Ne lepődj meg egy ilyen vastag "kompót" képződésén, mert a kénsav nagyon reaktív és sok természetes anyagot felold; még jó, hogy nem minden érc egész. De a nukleáris üzemanyag gyártásához a legtisztább uránra van szükség. Ha az urán atomjai között itt-ott szennyező atomok találhatók, akkor előfordulhat, hogy a reaktor nem indul be, vagy ami még rosszabb, elromlik. Az ilyen problémák okairól hamarosan szó lesz, de egyelőre kitűzheti a feladatot: az urán tisztítását. És az is kívánatos, hogy szilárd formában, kényelmesen szállítható legyen. Valójában az oldatok nem alkalmasak szállításra: túlságosan „szeretnek” kifolyni vagy átszivárogni a szivárgásokon.
Az iparban ezt a problémát több lépésben oldják meg. Először is, az oldatot speciális anyagokon - szorbenseken - keresztül koncentrálják, amelyek magukra gyűjtik az uránt. Megjelenik az első lehetőség a tisztításra: a szorbenseket úgy választják ki, hogy más elemek szinte ne „üljenek le” rájuk, oldatban maradjanak. Ezután az uránt lemossák a szorbensről, például ugyanazzal a kénsavval. Ez az eljárás értelmetlennek tűnhet, ha nem magyarázza el, hogy az "öblítéshez" sokkal kevesebb sav szükséges az eredeti oldat térfogatához képest. Így ölnek meg két legyet egy csapásra: növelik az uránkoncentrációt, és részben eltávolítják a felesleges szennyeződéseket.
A második tisztítási szakasz a szilárd uránvegyületek előállításához kapcsolódik. Tömény oldatból csapják ki jól ismert "orvosi" reagensek: ammónia, hidrogén-peroxid, valamint lúgok vagy karbonátok hozzáadásával. Megjegyzendő, hogy az urán nem csapódik ki fémként; nagy kémiai aktivitása miatt általában nem könnyű fémes formában beszerezni – erről már volt szó. Az említett regensek hatására különféle gyengén oldódó uránvegyületek süllyednek a berendezés aljára. Szárítva és összetörve sárga por, amelyet a süteményhez való látszólagos hasonlósága miatt gyakran "sárga tortának" neveznek. Magas hőmérsékleten történő kalcinálás után az urán-oxidok kevésbé szép keverékét kapjuk - piszkos zöld vagy akár fekete színű.
A sárga pogácsát urándúsító vállalkozásoknak lehet küldeni
A sárga pogácsa vagy urán-oxidok keveréke sugárzási szempontból gyakorlatilag biztonságos. Ezért szállításhoz 200 literes fémhordókba vagy speciális konténerekbe töltik. Egy ilyen konténertől egy méter távolságra lenni feleannyira sem „ártalmas”, mint repülőgépen repülni, kozmikus sugárzásnak kitéve. De a legtöbb ember nem fél a repüléstől! A sárga tortás hordóktól tehát semmi ok.
Az uránvegyületek kicsapásakor igyekeznek úgy lefolytatni a folyamatot, hogy a szennyeződések nagy része oldatban maradjon. De néhányuknak mégis sikerül "áttörni". Különösen rossz, ha a neutronokat erősen elnyelő elemek - bór, kadmium, ritkaföldfémek - kerülnek a termékbe. Még mikrokoncentrációban is képesek megzavarni a hasadás láncreakcióját. Miután szennyezett uránból üzemanyagot készítettek, sokáig el lehet gondolkodni azon, hogy a reaktor miért nem akar normálisan működni.
Ezenkívül a nemkívánatos szennyeződések közé tartoznak az olyan elemek, amelyek csökkentik a nukleáris üzemanyag plaszticitását, és a hőmérséklet emelkedésével megduzzadnak és kitágulnak. Ide tartozik a természetben előforduló szilícium és foszfor, valamint a volfrám és a molibdén. Egyébként plaszticitásnak szokták nevezni az anyag azon képességét, hogy összeomlás nélkül változtatja alakját és méretét. Ez nagyon fontos az üzemanyag esetében, amely a benne lezajló nukleáris láncreakció miatt belülről felmelegíti magát, és ezért hőmérsékleti deformációkat tapasztal. A magas hőmérséklet nem vezethet az urán tüzelőanyag túlzott kitágulásához, különben feltöri a konténmentet és érintkezésbe kerül a hűtőközeggel. Az ilyen „kommunikáció” következménye lehet a radioaktív uránhasadási termékek feloldódása forró hűtőközegben (leggyakrabban vízben), majd szétterjedése az összes csővezetéken és berendezésen keresztül. Valószínűleg nem kell magyarázni, hogy ez az erőmű sugárzási helyzetének romlásával fenyeget: a kezelőszemélyzet által kapott dózisok jelentősen megnőnek.
Ahogy a mondás tartja, jobb túlöltözöttnek lenni, mint alulöltözöttnek. Ezért egy harmadik - utolsó - tisztítási szakaszra, az úgynevezett finomításra is szükség van. A hordókban vagy tartályokban szállított uránvegyületeket savban, most salétromsavban oldják. A kapott oldatot extrahálószerrel hozzuk érintkezésbe - egy folyékony szerves anyaggal, amely felszívja az uránt, de nem a szennyeződéseket. Tehát a nemkívánatos elemek az oldatban maradnak, és az urán a "szervesbe" kerül. Egy sor ezt követő művelet eredményeként ismét oxidokká hozzuk, amelyek már rendelkeznek a szükséges "reaktor" tisztasággal.
Most minden rendben van, és továbbléphet a következő szakaszra - az urán-235 koncentrációjának mesterséges növelésére.
A gazdagodás titkai
A fejezet elején már szó esett arról, hogy az uránizotópok természetes keverékében nagyon kevés a hasadó urán-235 és túl sok a „lusta” urán-238: az első hét atomjára körülbelül kilencszázkilencven- a második három atomja. A legtöbb jelenleg működő reaktor számára ez nem megfelelő. Olyan üzemanyagra van szükségük, amelyben ezer uránatomból több tucat darab tartozik a 235-ös izotóphoz, és nem csak néhány, mint a természetes uránban. Egy bomba létrehozásához pedig szinte tiszta urán-235 szükséges.
Az urándúsítás problémájának megoldása, vagyis a hasadó izotóp tartalmának növelése nagyon nehéz. Úgy tűnik, hogyan? Végül is a kémia rendelkezik a legszélesebb körű technikákkal az anyagok keverékekből történő elkülönítésére. Egy tonna ércből csak néhány száz gramm uránt lehet "kiszedni"! Valóban lehetetlen ugyanezt megtenni az izotópokkal: valahogy elválasztani az egyiket a másiktól? A probléma az, hogy egy bizonyos elem minden izotópjának kémiai tulajdonságai azonosak, mert nem az atommag összetétele, hanem az elektronok száma határozza meg. Más szavakkal, lehetetlen olyan reakciót végrehajtani, amelyben például az urán-235 oldatban maradna, és az urán-238 kicsapódna. Bármilyen manipuláció esetén mindketten hasonló módon viselkednek. Ugyanígy nem lesz lehetséges kémiailag elválasztani a szén vagy a kálium izotópjait - általában bármelyik elemet.
Van egy ilyen paraméter - a dúsítás mértéke, amely az urán-235 százalékos aránya (százalékban) az urán teljes tömegében. Például a természetes urán dúsítási foka, amelyben minden ezer atomra hét hasadó atom jut, 0,7%. Az atomerőművekből származó nukleáris fűtőanyag esetében ezt az arányt 3-5%-ra, atombomba töltetének gyártásához pedig 90%-ra és magasabbra kell emelni.
Hogyan legyen? Olyan tulajdonságokat kell találni, amelyekben az izotópok - legalábbis minimálisan - különböznének egymástól. Az első dolog, ami eszünkbe jut, az egy atom tömege. Valójában hárommal több neutron van az urán-238-magban, mint az urán-235-ben; így a "lusta" izotóp súlya valamivel több. És mivel a tömeg a tehetetlenség mértéke, és mozgásban nyilvánul meg, az urándúsítás fő módjai az izotópjainak speciálisan kialakított körülmények között történő mozgásának különbségeihez kapcsolódnak.
Történelmileg az első dúsítási technológia az elektromágneses izotóp-leválasztás volt. A névből kitűnik, hogy az elektromos és mágneses mezők valamilyen módon részt vesznek a folyamatban. Valójában ennél a módszernél a korábban nyert uránionokat elektromos térrel diszpergálják, és mágneses térbe bocsátják. Mivel az ionok töltéssel rendelkeznek, a mágneses térben elkezdenek "hordozni", egy bizonyos sugarú ívben csavarodni. Például felidézhetjük az uránsugarak mágneses térben történő három áramra osztását – ezt a hatást Rutherford fedezte fel. Az elektromos töltéssel rendelkező alfa és béta részecskék letérnek az egyenes útról, de a gamma-sugárzás nem. Ebben az esetben annak az ívnek a sugara, amely mentén egy töltött részecske mágneses térben mozog, a tömegétől függ: minél nagyobb a súlya, annál lassabban fordul. Ez ahhoz hasonlítható, amikor két vakmerő sofőr éles kanyarjába próbál beilleszkedni, akik közül az egyik személyautót, a másik kamiont vezet. Nyilvánvaló, hogy egy személygépkocsi sokkal könnyebben manőverezhet, míg a teherautó megcsúszhat. Valami hasonló történik a mágneses térben gyorsan mozgó urán-235 és urán-238 ionokkal. Utóbbiak valamivel nehezebbek, nagyobb a tehetetlenségük, fordulási sugaruk valamivel nagyobb: ennek köszönhetően az uránionok árama két részre oszlik. Képletesen szólva, két dobozt helyezhet el, amelyek közül az egyikbe a hasadó izotópot, az urán-235-öt, a másodikba pedig a "felesleges" urán-238-at gyűjtheti össze.
A mágneses térben a töltött részecskék pályája görbült, és minél erősebb, annál könnyebb a részecske
Az elektromágneses izotóp elválasztási módszer elve: a könnyebb urán-235 ionok mágneses térben, az urán-238 ionokhoz képest kisebb sugarú pályán mozognak
Az elektromágneses elválasztási módszer szinte minden tekintetben jó, kivéve a termelékenységet, ami szokás szerint korlátozza ipari alkalmazását. Valójában ezért zárt be 1946-ban az Oak Ridge-ben található Y-12 amerikai üzem, amely dúsított uránt állított elő a Hirosimára elektromágneses elválasztási technológiával ledobott "Kid" bombához. Tisztázni kell, hogy az Y-12 magas fokon dúsította az uránt, amelyet korábban más, termelékenyebb módszerekkel dúsítottak. Fejlesztésük csak az utolsó szöget verte az elektromágneses izotóp-leválasztási technológia koporsójába – az iparban már nem használják.
Érdekes módon az elektromágneses elválasztás egy univerzális módszer, amely lehetővé teszi kis mennyiségű izotóp tiszta formában történő elkülönítését. Ezért az Y-12 analógja - Plant 418, amely ma Elektrokhimpribor Plant (Lesznoj, Szverdlovszki régió) néven ismert, negyvenhét kémiai elem több mint kétszáz izotópjának előállítására szolgáló technológiával rendelkezik lítiumtól ólomig. Ezek nem pusztán lenyűgöző számok – az üzem termékeire valóban szükségük van tudósoknak, orvosoknak, iparosoknak... Egyébként az SU-20-as üzemben állítják elő őket, ugyanabban, ahol dúsított, fegyveres minőségű uránt gyártottak. az 1950-es évek elején megközelítette a 90%-ot.
A háború utáni első évtizedek a nukleáris fegyverek arzenáljának aktív felhalmozásának időszakává váltak. Ennek a problémának a megoldása volt a legnagyobb prioritás, ezért nem különösebben vették figyelembe a költségeket - fontos volt az urán tömeges dúsításának elindítása. A hangsúlyt a gázdiffúzióra, egy rendkívül energiaigényes, de egyben produktív dúsítási technológiára helyezték. Gyökerei a gázelmélet területén rejlenek, amely szerint egy gázmolekula átlagos sebessége egy bizonyos hőmérsékleten fordítottan arányos a tömegével: minél nehezebb, annál lassabban mozog. Ez a különbség különösen észrevehető vékony "csövek" mentén, amelyek átmérője összemérhető a molekula méretével. Világos, bár nem pontos példa a papírcsónakok vízre bocsátása a patakban: egy kis csónak, amelyet egy vízsugár elvisz, gyorsan mozog; de ha egy nagy, patakmeder méretű papíredényt összehajt, akkor lassabban megy, folyamatosan érintve a partokat. Visszatérve az uránra, elmondhatjuk, hogy a 235 nukleont tartalmazó célizotóp az urán-238-nál gyorsabban fog haladni a „cső” mentén. A kijáratnál hasadó izotóppal dúsított gázt kapnak. A kérdés csak az, hogy az uránt hogyan lehet gázzá alakítani, és honnan lehet ilyen vékony "csövet".
Az urán "elgázosítása" kötelező követelmény a gázok elméletén alapuló technológia számára. Nem írhatsz ide semmit. De végül is minden uránvegyület szilárd anyag, amelyet nehéz megolvasztani, nemhogy elpárologni. Bár, ha belegondolunk, van egy nagyon sikeres vegyület - az urán-hexafluorid, amelyben az uránt hat fluoratom veszi körül. Már 56 °C-on könnyen gázzá alakul, megkerülve a folyékony állapotot. A fizikában az ilyen folyamatokat általában szublimációnak vagy szublimációnak nevezik. Ez a jelenség régóta ismert, és nincs benne semmi meglepő. A szublimációt például a falusi háziasszonyok használják, akik hidegben szárítják a ruhákat - a jég elpárolog a száraz levegőben, egyszerűen áthaladva a folyékony állapoton.
Tehát elképzelheti az urán-hexafluorid molekulát
Kiderült, hogy az urán-hexafluorid technológiai szempontból nagyon kényelmes. Normál hőmérsékleten szilárd és speciális tartályokban szállítható. Alacsony hőmérsékleten gázzá alakul. Nos, bizonyos nyomás alatt a felmelegített hexafluorid folyadékká válik, amely csővezetékeken keresztül pumpálható.
Egy másik szerencsés körülmény az, hogy a természetes fluor csak egy izotópból áll - a fluor-19-ből. Ez azt jelenti, hogy az urán-235-hexafluorid és az urán-238-hexafluorid molekulák tömege közötti különbséget kizárólag az uránizotópok határozzák meg. Ellenkező esetben az elválasztás túl nehéz, sőt lehetetlen lenne, mivel a fluor túlzottan befolyásolná a molekulák tömegét.
Az urán-hexafluorid előállítását Oroszországban különféle uránvegyületek, például sárga pogácsa vagy uránbányászati vállalkozásoktól kapott oxidok keverékének átalakításával - fluorozásával végzik. Az erre a célra szolgáló molekuláris fluort a természetes fluorit ásványból nyerik. Kénsavval kezelve hidrogén-fluorid (hidrogén-fluorid) sav keletkezik, amelynek elektrolízise során fluor keletkezik.
Érdekes módon a fluorozás egyben az urántisztítás negyedik szakasza is, mivel a legtöbb káros szennyeződés fluoridjai nem nagyon illékonyak: az urán hexafluorid formájában "elrepül" tőlük a gázfázisba.
Az urán-hexafluoridnak van egy nagy hátránya: agresszív és mérgező anyag. Először is, amikor vízzel vagy a levegő nedvességével érintkezik, mérgező hidrogén-fluorsav szabadul fel. Másodszor, maga az urán egy általános sejtméreg, amely minden szervre hatással van. (Érdekes módon toxicitása kémiai jellegű, és gyakorlatilag nincs összefüggésben a radioaktivitással). Ezért az urán-hexafluoridot, amely egyszerre két veszélyt egyesít, speciális fémtartályokban és éber felügyelet mellett kell szállítani és tárolni. Ez biztosítja a lakosság és a környezet biztonságát.
Tehát van gáz; De mi a helyzet a vékony csövekkel? Megfelelő megoldásnak bizonyult a porózus válaszfalak - sok nagyon kicsi pórussal áttört lemezek. Ez utóbbiak átmérőjének tíz nanométer nagyságrendűnek kell lennie, hogy a molekulák szinte egyenként haladjanak át rajtuk. Az ilyen kis méretű pórusokkal rendelkező válaszfalak gyártásának szükségessége bizonyos nehézségeket okozott, de ennek ellenére a problémát speciális megközelítésekkel - nikkel szintereléssel vagy a bimetál ötvözetet alkotó fémek egyikének szelektív feloldásával - megoldották.
Ha készítünk egy dobozt ilyen porózus válaszfallal, és urán-hexafluoridot pumpálunk bele, akkor a könnyű izotóppal rendelkező molekulák valamivel gyorsabban haladnak át a válaszfalon. Más szóval, utána az urán-hexafluorid kissé feldúsul a hasadó izotópban. Ha gázt küld a következő azonos dobozba, a dúsítás mértéke nagyobb lesz, és így tovább. Igaz, a nagyfokú dúsításhoz több ezer (!) egymás után beépített dobozok, úgynevezett lépcsõsorok szükségesek. De hogyan lehet elérni, hogy az uránium magasabb szintre emelkedjen? Csak sok kompresszorral szivattyúzva. Innen ered a módszer hátrányai: hatalmas energiaköltségek, milliós építési igény négyzetméter termelési területek - a műhely hossza elérheti az egy kilométert - és drága anyagok felhasználása. Igaz, mindezt egy igazán nagy teljesítmény fedi. Éppen ezért a gázdiffúziós dúsítási technológia sokáig a fő technológia maradt az olyan atomóriások számára, mint az USA, Franciaország és Kína, amelyek később csatlakoztak hozzájuk. Csak az utóbbi években kezdték meg az aktív átállást a gazdaságosabb gázcentrifugálási technológiára.
A gázdiffúziós fokozat működési sémája
Az 1960-as években az angarszki elektrolízis vegyi üzem (Irkutszki régió, Oroszország), amely gázdiffúziós technológiával urándúsítással foglalkozott, a Szovjetunióban megtermelt villamos energia mintegy egy százalékát (!) fogyasztotta el. Az energiát a bratszki és irkutszki vízerőművek szolgáltatták. Valójában ez volt a legnagyobb villamosenergia-fogyasztó a Szovjetunióban.
Általánosságban elmondható, hogy az első tapasztalatok azt mutatták, hogy a gázdiffúzió megoldja a problémát, de túl magas áron. A fegyverkezési versenybe bevont Szovjetuniónak termelékenyebb és kevésbé energiaigényes urándúsítási technológiára volt szüksége. Egy háborúban meggyengült államnak nem volt olyan könnyű lépést tartania a hatalmas gazdasági és energiapotenciáljával rendelkező Egyesült Államokkal. Ennek oka többek között az európai országrészben a villamosenergia-termelő kapacitás hiánya: ezért épültek a dúsító üzemek Szibériában, ahol nagy vízerőművekkel tudták táplálni őket. Ennek ellenére a gázdiffúziós üzemek túl sok energiát fogyasztottak, ami nem tette lehetővé a dúsított urán termelésének növelését. Ezért a Szovjetuniónak úttörővé kellett válnia egy alternatív technológia - a gázcentrifuga - ipari alkalmazásában.
A gázcentrifugálás egy gáznemű urán-hexafluoriddal töltött dob nagy sebességű pörgetésében áll. A centrifugális erő hatására a nehezebb urán-238-hexafluorid „kipréselődik” a dob falához, a tengelye közelében pedig egy könnyebb vegyület, az urán-235-hexafluorid marad. Speciális csövek segítségével a dob közepéről enyhén dúsított uránt, a perifériáról enyhén szegényített uránt vehet fel.
Gázcentrifuga működési sémája
Technikai szempontból az imént tárgyalt dob egy gázcentrifuga forgó része (rotor). Megállás nélkül forog egy kiürített házban, és egy tűvel egy nagyon tartós anyagból - korundból - készült nyomócsapágyra támaszkodik. Az anyagválasztás nem meglepő, mivel a rotor fordulatszáma meghaladhatja az 1500 fordulatot másodpercenként – százszor gyorsabban, mint egy mosógép dobé. A törékeny anyag nem fog ellenállni az ilyen hatásoknak. Ezen túlmenően, hogy a nyomócsapágy ne kopjon el és ne omoljon össze, a forgórész mágneses térben van felfüggesztve úgy, hogy a tűvel alig nyomja a korundot. Ez a technika, valamint a centrifuga alkatrészeinek nagy pontossága lehetővé teszi a gyors, de szinte hangtalan forgást.
A gázdiffúzióhoz hasonlóan egy centrifuga sem harcos a terepen. A szükséges dúsítási és termelékenységi fok elérése érdekében hatalmas, több tízezer (!) gépből álló kaszkádokká egyesítik őket. Leegyszerűsítve minden centrifuga két "szomszédjához" van csatlakoztatva. A rotor felső részének faláról vett, csökkentett urán-235 tartalmú urán-hexafluoridot az előző centrifugába küldik; és a forgórész alján lévő forgástengelyből vett urán-235-ben enyhén dúsított gáz a következő géphez kerül. Így minden következő fokozatba egyre több dúsított uránt szállítanak, amíg a kívánt minőségű terméket nem kapják.
Visszahúzódva a gázcentrifugák távoli kaszkádjaiba
Manapság a centrifugás elválasztás az urándúsítás fő módszere, mivel ez a technológia körülbelül ötvenszer kevesebb villamos energiát igényel, mint a gázdiffúzió. Ezenkívül a centrifugák kevésbé terjedelmesek, mint a diffúziós gépek, így könnyebb a termelés növelése. A centrifugálási módszert Oroszországban, Nagy-Britanniában, Németországban, Hollandiában, Japánban, Kínában, Indiában, Pakisztánban, Iránban alkalmazzák; Franciaországban és az USA-ban majdnem befejeződött az átállás a gázcentrifuga technológiára. Más szóval, nem marad hely a gáz diffúziónak.
A hosszú használatnak és fejlesztésnek köszönhetően az orosz gázcentrifugák a legjobbak a világon. Fél évszázada a nagy sebességű autók kilenc generációja változott meg, amelyek fokozatosan erősebbek és megbízhatóbbak lettek. Ennek köszönhetően a Szovjetunió sikeresen ellenállt az "atomversenynek" az Egyesült Államokkal, és amikor a legfontosabb feladatot elvégezték, megjelentek a szabad kapacitások. Ennek eredményeként hazánk nemcsak a gázcentrifugák fejlesztésében és gyártásában, hanem a gázcentrifugák biztosításában is világelső lett. kereskedelmi szolgáltatások urándúsításhoz.
Gázcentrifugáink:
Hagyományosan fél métertől egy méterig terjedő magasságúak, átmérőjük tíz-húsz centiméter;
A helytakarékosság érdekében három-hét szinten helyezkednek el egymás felett;
Akár harminc évig is dolgozhatnak megállás nélkül, a rekord harminckét év.
A gázcentrifuga rotorjának forgási sebessége akkora, hogy áramszünet után körülbelül két hónapig tehetetlenségből forog!
A gázcentrifuga technológia fellendülése az atomenergia aktív fejlődéséhez kapcsolódik. Az atomerőművek azok kereskedelmi vállalkozások profitorientált, ezért olcsó üzemanyagra, következésképpen olcsó dúsítási technológiákra van szükségük. Ez a követelmény fokozatosan eltemette a gázdiffúziót.
De a gázcentrifugálás sem pihenhet a babérjain. V Utóbbi időben Egyre gyakrabban lehet hallani a több mint negyven éve ismert módszerről, a lézeres dúsításról. Kiderült, hogy egy finomhangolt lézer segítségével lehetőség nyílik az urán-235 vegyületek szelektív ionizálására, azaz töltött részecskéivé alakítására. Ebben az esetben az urán-238 vegyületek nem ionizálódnak, töltés nélkül maradnak. A keletkező ionok könnyen elválaszthatók a semleges molekuláktól kémiai vagy fizikai eszközökkel, például mágnessel vagy töltött lemezzel (kollektorral) vonzva őket.
A lézeres urándúsító létesítmény lehetséges működési sémája
Úgy tűnik, a lézeres dúsítás nagyon hatékony technológia, de a gazdasági teljesítménye továbbra is rejtély marad. Minden korábbi kísérlet a laboratóriumi verzióról a ipari felhasználás"Lezuhant a sziklákon" az elégtelen teljesítmény és a készülék rövid élettartama miatt. Jelenleg az Egyesült Államokban történik új kísérlet egy ilyen produkció létrehozására. De még ha sikerül is, a kérdés továbbra is fennáll gazdasági hatékonyság. A dúsítási szolgáltatások piaca csak akkor fogad el új technológiát, ha az lényegesen olcsóbb a meglévőnél. A gázcentrifugák azonban még nem érték el képességeik plafonját. Ezért a lézeres dúsítás közvetlen kilátásai továbbra is nagyon homályosak.
Az urándúsításnak számos egyéb módszere is létezik: termikus diffúzió, aerodinamikai elválasztás, ionos eljárás, de ezeket gyakorlatilag nem alkalmazzák.
Amikor az urándúsítási technológiákról van szó, emlékeznünk kell arra, hogy nemcsak a nukleáris üzemanyag, hanem a bomba felé is utat nyitnak. Az egyre hatékonyabb és kompaktabb iparágak létrehozása magában hordozza a nukleáris fegyverek elterjedésének veszélyét. Elvileg a technológia fejlődése oda vezethet, hogy a bombát finoman szólva is instabil rezsimű államok, vagy akár nagy terrorszervezetek gyártják majd. Ha pedig egy gázdiffúziós vagy gázcentrifugaüzem észrevétlenül nehezen épül fel, és beindításukhoz nagy mennyiségű jellegzetes anyagok és berendezések importjára lesz szükség, akkor a lézeres dúsítás gyakorlatilag garantálja a titkosságot. Általában véve a fennálló törékeny világot fenyegető kockázat növekszik.
Az urándúsító üzemek dúsított uránterméket (EUP) - urán-hexafluoridot állítanak elő a szükséges dúsítási fokozattal. Speciális tartályokba helyezik és nukleáris üzemanyagot gyártó üzemekbe küldik. Ugyanakkor a dúsító vállalkozások 0,3%-os dúsítási fokozatú szegényített urán-hexafluoridot (DUHF) is gyártanak, ami alacsonyabb, mint a természetes uráné. Más szóval, gyakorlatilag tiszta urán-238. Honnan származik? Lényegében a dúsítási folyamat hasonlít az értékes ásványok leválasztására a meddőkőzettől. A DUHF egyfajta hulladékkő, amelyből urán-235-öt vontak ki, bár nem teljesen. (A hasadó izotóp száz százalékos leválasztása az urán-238-ról gazdasági szempontból nem kifizetődő). Mennyi szegényített urán-hexafluorid keletkezik? Ez az urándúsítás szükséges mértékétől függ. Például, ha ez 4,3%, mint a VVVER reaktorok üzemanyagában, akkor tíz kilogramm urán-hexafluorid, amely természetes izotóp-összetételű (0,7% urán-235), mindössze egy kilogramm OUP-ot és kilenc kilogramm DUHF-t termel. Egyszóval elég sokat. A dúsító létesítmények teljes működési ideje alatt több mint 1,5 millió tonna DUHF halmozódott fel telephelyeiken speciális konténerekben, amelyből körülbelül 700 000 tonna Oroszországban található. A világon eltérően viszonyulnak ehhez az anyaghoz, de a DUHF-ről, mint értékes stratégiai nyersanyagról alkotott vélemény uralkodik (lásd a 7. fejezetet).
Fabrizni – a szó legjobb értelmében
A nukleáris üzemanyag gyártása (gyártása) a dúsított urántermék urán-dioxiddá történő kémiai átalakításával kezdődik. Ez a folyamat két fő módon hajtható végre. Az elsőt "nedves" technológiának nevezik, és a hexafluorid vízben való feloldásából, a nehezen oldódó vegyületek lúg hatására történő kicsapásából és hidrogénatmoszférában történő kalcinálásából áll. A második technológia - "száraz" - előnyösebb, mivel nem termel folyékony radioaktív hulladékot: az urán-hexafluoridot hidrogénlángban égetik el.
Mindkét esetben urán-dioxid port kapnak, amelyet kis tablettákká préselnek, és körülbelül 1750 ° C-os kemencékben szintereznek, hogy szilárdságot kapjanak - elvégre a tablettáknak magas hőmérsékleti körülmények között kell "dolgozniuk" és sugárzás. Ezután a tablettákat gyémántszerszámokkal ellátott csiszológépeken dolgozzák fel. Erre a lépésre azért van szükség, mert a tablet méreteit és felületének minőségét nagyon pontosan meg kell tartani. A különálló pellet gyártásának hibái a reaktorban lévő fűtőelem hőtágulása során károsodhatnak, és ennek következtében az atomerőmű sugárzási helyzete romolhat. Ezért minden urán-dioxid pelletet gondosan ellenőriznek, majd egy speciális dobozba kerülnek, ahol a gép kis nióbium-keverékkel cirkóniumból készült csövekbe helyezi.
A pelletekkel megrakott csövet fűtőelemnek vagy röviden fűtőelemnek nevezzük. Ezután a korrozív gázok eltávolítása érdekében a tüzelőanyag-rudat evakuálják, vagyis a levegőt „kiszívják” a csőből, megtöltik inert gázzal - a legtisztább héliummal - és lefőzik. A nukleáris üzemanyag-gyártási folyamat utolsó szakasza a fűtőelem-rudak összeszerelése fűtőelem-kazettává (FA) távtartó rácsok segítségével. Ezekre azért van szükség, hogy a szerkezet erős legyen, és az üzemanyagrudak ne érjenek egymáshoz. Ellenkező esetben az érintkezési ponton a héj kiéghet, miközben az üzemanyag szabaddá válik és vízzel érintkezik, ami teljesen nem kívánatos.
Műveletek sorrendje a nukleáris üzemanyag előállítása során
Távtartó rácsok
Tehát az üzemanyag-kazetták cirkónium fűtőelemek "kötege", amelyek belsejében nukleáris üzemanyag - hasadó izotóppal dúsított urán-dioxid található. Ezt az anyagválasztást meg kell magyarázni. Az atomreaktorban a fűtőelem-köteg magas hőmérsékleten és erős ionizáló sugárzás alatt áll, és kívülről is nagyon forró, túlnyomásos vízzel mossák. Ezért a nukleáris fűtőelemeknek vegyszer- és sugárzásállónak kell lenniük, jól kell vezetniük a hőt, és hevítéskor nagyon kis mértékben tágulniuk kell, különben repedés keletkezhet az üzemanyag burkolatán. Az urán-dioxid és a cirkónium megfelel ezeknek a követelményeknek. Azonban ismételten emlékeztetni kell arra, hogy az urán-dioxid pellet a fűtőelemek belsejében található, és vízzel csak a fűtőelem burkolatán keresztül érintkezik, közvetlenül azonban nem. A hűtőfolyadékkal való közvetlen kölcsönhatás rendkívül nemkívánatos, és csak akkor fordul elő, ha a cirkóniumhéj megsemmisül, például amikor repedések jelennek meg bennük. Ebben az esetben a nukleáris üzemanyagban lévő urán radioaktív hasadási termékei elkezdenek oldódni a vízben, ami radioaktivitás növekedéséhez és az atomerőmű sugárzási helyzetének romlásához vezet. Emiatt a nukleáris üzemanyag gyártása összetett és rendkívül precíz munka, amely pontosságot és állandó ellenőrzést igényel.
Sugárzási szempontból a nukleáris üzemanyag előállítása nem jelent különösebb veszélyt. A kockázat még kisebb, mint az ércbányászatnál, mivel a tisztítási folyamat során az összes radioaktív anyagot eltávolítják az uránból.
A dúsított uránnal végzett munka során azonban felhalmozódhat egy kritikus tömeg, és ennek eredményeként a 2. fejezetben már tárgyalt önfenntartó láncreakció léphet fel, amely hiba, az a munka szabályait, vagy akár véletlenül. Összesen hatvan ilyen balesetet regisztráltak a világon, ebből harminchárom az USA-ban, tizenkilenc a Szovjetunióban/Oroszországban. Íme két példa a hazai eseményekre.
1961. július 14., Szibériai Vegyi Kombinát (dúsítás). Kritikus tömeg képződése a vákuumszivattyú tágulási tartályában lévő olajban nagy dúsítási fokú (22,6%) urán-hexafluorid felhalmozódása következtében. A kialakuló láncreakciót kísérő sugárkitörés következtében a kezelő jelentős sugárdózist kapott és sugárbetegséget szenvedett, bár viszonylag enyhe formában.
1997. május 15. Novoszibirszk vegyi koncentrátumok üzeme (nukleáris üzemanyag gyártása). Kritikus tömeg kialakulása a nagymértékben dúsított (90%-os) urán csapadékának felhalmozódása következtében két szomszédos oldatgyűjtő tartály alján, azok deformációja miatt. Szerencsére a sugárdózisok elhanyagolhatóak voltak.
Mi a következtetés? A dúsított uránnal rendkívül óvatosan kell bánni, minden biztonsági követelményt betartva, és ahogy mondani szokták, "beleértve a fejet is", vagyis előre kalkulálva az esetleges kockázatokkal.
Összegzésképpen meg tudjuk adni a VVER-1000 reaktorokkal működő orosz atomerőművekben használt fűtőelem-kazetták hozzávetőleges paramétereit.
Az üzemanyagpellet egy 9-12 mm magas és 7,6 mm átmérőjű henger. Urán-dioxidból áll, amelynek dúsítási foka 3,3 és 5,0% között van.
A pelleteket körülbelül négy méter hosszú és 9,1 mm átmérőjű, 1% nióbiumot tartalmazó cirkóniumból készült üzemanyagrúdba helyezik. A fűtőelem falvastagsága mindössze 0,65 mm, ezért ilyen hosszúság mellett rendkívül óvatos kezelést igényel. A fűtőelem nincs teljesen feltöltve pellettel: a pelletréteg magassága körülbelül 3,5 méter, össztömege pedig körülbelül 1,6 kilogramm, 62 grammot urán-235 foglal el.
Az üzemanyag-kazettát (FA) 312 üzemanyagrúdból állítják össze 12-15 távtartó rács segítségével. A TVS magassága eléri a 4,6 métert, tömege pedig 760 kg. Ugyanakkor az urán-dioxid tömege körülbelül fél tonna, a többi cirkóniumra és más fémekre esik. Felülről nézve a szerelvény egy hatszög, amelynek homlokfelülete 235 milliméter. Mindegyik szerelvényben 19 csatorna van a reaktorvezérlő rudak számára, amelyek bór-karbidot tartalmaznak, amely elem jól elnyeli a neutronokat.
A reaktorban 163 fűtőelem kazettát helyeznek el, ami 80 tonna urán-dioxidnak felel meg, ami 4 éves reaktor működésre elegendő.
Üzemanyag-egységek különféle típusú reaktorokhoz
Lehetséges lehetőségek
Tehát az atomerőművek leggyakoribb üzemanyaga a pelletált urán-dioxid, amelyben az urán a hasadó izotópban (urán-235) dúsítva van. Vannak azonban más típusú nukleáris üzemanyagok is.
Az urán-dioxid után a legelterjedtebb a vegyes oxidos üzemanyag, az úgynevezett MOX üzemanyag. Jelenleg elsősorban MOX-üzemanyagot állítanak elő, amely urán-oxidok és plutónium-239 keveréke. Ez az üzemanyag lehetővé teszi, hogy az „atomverseny” során felhalmozódott többletmennyiségű, fegyveres minőségű plutónium-239-et elektromos áram előállítására használják fel.
Az urán fém nukleáris üzemanyagként is használható. Előnye a nagy hővezető képesség és a hasadómagok maximális koncentrációja - egyszerűen nincs más elem az üzemanyagban. Ugyanakkor az urán, mint fém sugárzás-, vegyi- és hőállósága gyengébb, mint a dioxidé, ezért tiszta formájában ritkán használják. A fémes tüzelőanyag paramétereinek javítása érdekében némi molibdént, alumíniumot, szilíciumot és cirkóniumot adnak az uránhoz. Ma fémuránt és ötvözeteit csak kutatóreaktorokban használják.
Az urán-dioxid helyett urán-nitrid, azaz nitrogénnel való kombinációja használható. A nitrid üzemanyag hővezető képessége magasabb, mint a dioxidé, és hasonló olvadáspontja (2855 o C). Az urán-nitrid ígéretes üzemanyagnak számít a legújabb reaktorok számára. Hazánkban a nitrid üzemanyagot adják a legtöbbet fokozott figyelmet, mivel azt a gyorsneutronos reaktorok következő generációjában tervezik használni.
Az urán szén-karbidokkal képes vegyületeket képezni. Az 1960-as és 1970-es években intenzíven tanulmányozták a karbidok reaktorok üzemanyagaként való felhasználásának lehetőségét. Az elmúlt időszakban azonban újra fellángolt az érdeklődés az ilyen típusú üzemanyagok iránt, ami a lemezes tüzelőanyag-elemek és a mikroüzemanyag-elemek fejlesztéséhez kapcsolódik. A karbidok pozitív tulajdonságai a jó hővezető képesség, a magas olvadáspont, a nagy keménység, a kémiai és hőstabilitás, valamint a kerámiabevonatokkal való kompatibilitás, ami a mikroüzemanyagoknál különösen fontos. Az urán-karbid üzemanyag lehet a legjobb megoldás bizonyos típusú következő generációs reaktorokhoz, különösen a gázhűtéses gyorsreaktorokhoz.
Ennek ellenére a Föld reaktorainak túlnyomó többsége még mindig urán-dioxidból készült nukleáris üzemanyaggal működik. A hagyomány ereje, hogy úgy mondjam.
Orosz üzemanyagciklus
Most, hogy megismerkedtünk a bányászat és a feldolgozóipar működésének sajátosságaival, érdemes egy gyors pillantást vetni a történetre, ill. korszerű a hazai üzemanyagciklusunk. Természetesen az urán kitermelésével kell kezdeni.
Az uránércek eleinte csak rádiumforrásként érdekelték a hazai tudósokat. 1900-ban I.A. professzor. Antipov a Szentpétervári Ásványtani Társaság ülésén tett jelentést az uránásvány felfedezéséről a Ferganából, a Tyuya-Muyun hegységből származó mintákban. Később ezt az ásványt tyuyamunitnak nevezték el. 1904-ben megkezdődtek a kutatási munkák ezen a lelőhelyen, 1908-ban Szentpéterváron uránérc-feldolgozó próbaüzemet építettek, 1913-ban pedig nemzetközi részvénytársaságot hoztak létre a Tuyamuyun rádium kitermelésére.
Amikor az első világháború elkezdődött, a bányában végzett munka gyakorlatilag leállt, és csak 1922-ben küldtek nyolc szakemberből álló expedíciót Tyuya-Muyunba. Ugyanebben az 1922-ben, a forradalom utáni nehéz körülmények között, Basmachi bandáival körülvéve, sikerült újraindítani az ipari ércbányászatot. 1936-ig folytatódott, amikor is a bőséges talajvíz kétszáz méter mélységben megszakította a lelőhely fejlődését. Ez a probléma azonban nem vált kritikussá, mivel a rádium kitermelését az Ukhta folyó "Víziparában" hozták létre - a radioaktív fémet a földalatti sós vízből vonták ki. Maga az urán ezekben az években senkit nem érdekelt, mivel gyakorlatilag nem használták az iparban.
Az uránlelőhelyek iránti érdeklődés új hulláma az 1940-es évek elején következett be, amikor a Szovjetunió szembesült azzal, hogy válaszolni kell az Egyesült Államokból származó nukleáris fenyegetésre, vagyis amikor felmerült az igény hazai nukleáris fegyverek létrehozására.
Az első szovjet atombombához szükséges uránt szó szerint apránként gyűjtötték az egész országban és azon kívül is. 1943-ban megkezdődött az uránbányászat a modern mércével mérve, a tádzsikisztáni Taboshar bányában, amelynek kapacitása mindössze 4 tonna uránsó évente. Sőt, P.Ya emlékiratai szerint. Antropov, a Szovjetunió első geológiai minisztere „az uránércet szamarak és tevék zsákokban szállították feldolgozásra a Pamír hegyi ösvényein. Akkor még nem voltak utak vagy megfelelő felszerelés.
1944-1945-ben, amikor Európa felszabadult a nácik alól, a Szovjetunió hozzájutott a bulgáriai goteni lelőhelyből, a csehszlovákiai Jachimov-bányákból és a német szászországi bányákból származó uránérchez. Ezenkívül 1946-ban újraindították a Tyuya-Muyunsky bányát, de ez nem járult hozzá különösebben a közös ügyhöz.
Az 1950-es években a Lermontov Almaz Termelő Egyesület megkezdte az urán bányászatát a Beshtau és Byk hegységben (Stavropol Terület) található bányákban. Ugyanakkor megkezdték a lelőhelyek fejlesztését Dél-Kazahsztánban és Közép-Ázsiában.
1991 után a fejlett területek nagy része Oroszországon kívül, független államokba került. Ettől a pillanattól kezdve a fő uránbányászatot bányászati módszerrel végzik a Priargunsky Termelési Bányászati és Vegyi Egyesületnél (Transzbajkál Terület). Ezenkívül fokozatosan erősödik két, a fúrólyuk in situ kilúgozás technológiáját alkalmazó vállalkozás - Khiagda (Burjáti Köztársaság) és Dalur (Kurgan régió). Gyártó létesítményeket terveznek Jakutföldön. Vannak ígéretes termelési régiók is - transzbajkáli, nyugat-szibériai, észak-európai ...
A feltárt uránkészletek tekintetében Oroszország a harmadik helyen áll a világon.
Az oroszországi uránbányászati vállalatokat a Roszatom tulajdonában lévő ARMZ Uranium Holding (www.armz.ru) irányítja, de az Állami Vállalat külföldi eszközökkel is rendelkezik az Uranium One Inc. (www.uranium1.com) nemzetközi társaság irányítása alatt. E két szervezet tevékenységének köszönhetően a Roszatom a világon a harmadik helyet érte el az uránvegyületek gyártásában.
A természetes urántermelés világpiaci helyzete (2014)
A bányászati vállalkozásoktól a stafétabotot az urán finomítására, átalakítására és dúsítására, valamint nukleáris üzemanyag előállítására szolgáló termelés egész komplexuma veszi át. Legtöbbjük a múlt század ötvenes éveinek időszakából származik - az atomfegyverek aktív felhalmozásának idejéből. Ma egy tisztán békés iparágnak – az atomenergiának – dolgoznak, és külföldi cégeknek nyújtják szolgáltatásaikat.
Oroszországban négy dúsító üzem működik, ezek egy része az uránvegyületek végső tisztítását (finomítását) és fluorozását (konverzióját) is végzi.
Az első D-1 urándúsító gázdiffúziós üzem a Szverdlovszk-44-ben 1949 novemberében kezdte meg működését. Eleinte termékeit tovább kellett dúsítani a leendő Elektrokhimpribor üzem SU-20 egységében, Sverdlovsk-45-ben (Lesnoy), de néhány év elteltével a D-1 kezdett önállóan megbirkózni és növekedni kezdett. És 1967 óta megkezdődött a diffúziós kaszkádok cseréje centrifugák kaszkádjaival. Ma a leszerelt D-1 helyén található a világ legnagyobb urándúsító vállalkozása - az Uráli Elektrokémiai Üzem (Novouralsk, Szverdlovszki régió).
1953-ban a Tomszk-7-ben megkezdte munkáját a leendő szibériai vegyi üzem (Szeverszk, Tomszk régió), amely 1973 óta fokozatosan átállt a gázcentrifuga technológiára. Az első dúsított uránt az angarszki elektrolízis vegyi üzemből (Angarsk, Irkutszk régió) 1957-ben szerezték be, és 1985-ben kezdték meg a diffúziós készülékek centrifugákkal való cseréjét. Végül 1962 lett a Krasznojarszk-45 (ma Zelenogorszk, Krasznojarszk Terület) Elektrokémiai Üzem elindításának éve. Néhány évvel később ott helyezték el az első centrifugákat.
Ez a rövid utalás természetesen nem tükrözi annak a nehéz korszaknak a valóságát. Bár a zárt városok titkos, "számozott" elnevezéseiből és a növények homályos elnevezéseiből megérthető, hogy a Szovjetunió gondosan megőrizte gazdagodási titkait. Az amerikai hírszerzés azonban ismertté vált a főbb gyártási létesítmények helyszínei. De a gázcentrifuga technológiára való aktív átállás, mint mondják, hiányzott. Talán ez volt az oka versenytársaink némi önelégültségének: nem tudva, hogy a Szovjetunióban termelékenyebb és hatékonyabb technológiát vezetnek be, az államok ragaszkodtak az eredetileg választott módszerhez - a gázdiffúzióhoz. Nyilvánvaló, hogy a jelenlegi helyzet kéznél volt szovjet Únióés lehetővé tette a nukleáris paritás gyors elérését. Ugyanakkor a szovjet tudósok és mérnökök úttörő fejlesztései a nagy teljesítményű gázcentrifugák létrehozására nem mentek kárba, így Oroszország vezető pozícióba került az urándúsítás és a centrifugagyártás világpiacán.
A négy kombájnból származó dúsított uránterméket a Gépgyártó üzembe (Elektrostal, Moszkvai régió) és a Novoszibirszki Vegyi Koncentrátumgyárba (Novoszibirszk, azonos nevű régió) szállítják, ahol a nukleáris üzemanyag-gyártás teljes ciklusát végzik. Az üzemanyagrudakhoz való cirkóniumot és a tüzelőanyag-kazettákhoz használt egyéb szerkezeti anyagokat a Chepetsky Mechanical Plant (Glazov, Udmurt Köztársaság) szállítja, amely Oroszország egyetlen és a világon a harmadik, amely cirkóniumból gyárt termékeket.
A legyártott fűtőelem-kazettákat orosz és külföldi atomerőművekbe szállítják, illetve reaktorokban más célra is felhasználják.
A Rosatom TVEL Fuel Company (www.tvel.ru) részeként egyesülnek az urán finomításával, átalakításával és dúsításával, nukleáris üzemanyag gyártásával, gázcentrifugák gyártásával foglalkozó vállalkozások, valamint tervező és kutató szervezetek.
A cég és vállalkozásai sokéves sikeres munkájának eredményeként a Rosatom magabiztosan vezeti az urándúsítás területén a legnagyobb szolgáltatók listáját (a világpiac 36%-a).
Angarszkban van egy nukleáris üzemanyagbank - garantált tartalék, amelyet olyan ország vásárolhat meg, amely valamilyen okból megfosztotta attól, hogy a szabad piacon uránt vásároljon. Ebből a készletből képes lesz friss nukleáris fűtőanyag előállítására, és biztosítja atomenergia-iparának zavartalan működését.
A Rosatom részesedése a globális nukleáris üzemanyagpiacon 17%, ennek köszönhetően a Földön minden hatodik erőreaktor TVEL márkájú üzemanyaggal van megterhelve. A kiszállítás Magyarországra, Szlovákiába, Csehországba, Bulgáriába, Ukrajnába, Örményországba, Finnországba, Indiába és Kínába megy.
Fent - az urándúsítás világpiaca (2015), lent - az üzemanyaggyártás világpiaca (2015)
Nyitott vagy zárt?
Megjegyzendő, hogy ez a fejezet nem terjedt ki a kutatóreaktorok, valamint a nukleáris tengeralattjárókra és jégtörőkre telepített nukleáris üzemanyag előállítására. A teljes beszélgetés az atomerőművekben használt nukleáris üzemanyaggal foglalkozott. Ez azonban nem véletlenül történt. Az a tény, hogy egyszerűen nincsenek alapvető különbségek az atomerőművek és például a nukleáris tengeralattjárók üzemanyag-termelési sorrendje között. Természetesen a hajó- és kutatóreaktorok sajátosságaihoz kapcsolódó technológiai eltérések is előfordulhatnak. Például az előbbinek kis méretűnek és ugyanakkor meglehetősen erősnek kell lennie - ez teljesen természetes követelmény egy jégtörő és ráadásul egy manőverezhető nukleáris tengeralattjáró számára. A szükséges mutatókat az urándúsítás növelésével, vagyis a hasadómagok koncentrációjának növelésével lehet elérni - akkor kevesebb üzemanyagra lesz szükség. Pontosan ezt teszik: a hajóreaktorok üzemanyagaként használt urán dúsítási foka 40% körüli (projekttől függően 20 és 90% között változhat). A kutatóreaktorokban szokásos követelmény a maximális neutronfluxus elérése, és a reaktorban lévő neutronok száma is közvetlenül összefügg a hasadó atommagok számával. Ezért a tudományos kutatásra szánt létesítményekben néha jóval magasabb urán-235-tartalmú, erősen dúsított uránt használnak, mint az atomreaktorok fűtőanyagában. De a dúsítási technológia ettől nem változik.
A reaktor kialakítása meghatározhatja a tüzelőanyag kémiai összetételét és azt az anyagot, amelyből az üzemanyagrúd készül. Jelenleg az üzemanyag fő kémiai formája az urán-dioxid. Ami a fűtőelemeket illeti, ezek túlnyomórészt cirkóniumból állnak, de például a BN-600 gyorsneutronos reaktorhoz is gyártanak rozsdamentes acél fűtőelemeket. Ez annak köszönhető, hogy folyékony nátriumot használnak hűtőközegként a BN reaktorokban, amelyekben a cirkónium gyorsabban pusztul (korrodálódik), mint a rozsdamentes acél. Ennek ellenére a nukleáris fűtőanyag-gyártási folyamat lényege változatlan - a dúsított urántermékből urán-dioxid port szintetizálnak, amelyet pelletté préselnek és szintereznek, a pelletet fűtőelem-rudakba helyezik, a fűtőelem-rudakat pedig fűtőelem-kazettákba szerelik. (FA).
Sőt, ha figyelembe vesszük a különböző országok nukleáris üzemanyag-ciklusait, kiderül például, hogy Oroszországban az uránvegyületeket közvetlenül molekuláris fluorral fluorozzák az átalakítás során, míg külföldön először fluorsavval, majd fluorral kezelik őket. A különbség az érc „felnyitására” szolgáló oldatok, a szorbensek és az extrahálószerek kémiai összetételében keresendő; a folyamatok paraméterei eltérhetnek... De a nukleáris üzemanyag-ciklus sémája ettől nem változik. Az alapvető különbség csak a nyitott (nyitott) és a zárt (zárt) változata között van: az első esetben az atomerőművi „munka” után a fűtőanyagot egyszerűen elszigetelik a környezettől egy mély temetőben, és a utóbbi értékes komponensek kinyerésével kerül feldolgozásra (lásd 7. fejezet). Oroszország azon kevés országok egyike, amelyek zárt ciklust alkalmaznak.
Példa egy zárt üzemanyagciklusra a Rosatom TVEL Fuel Company szerepének feltüntetésével
A nukleáris fűtőanyag reaktorokban hőenergia előállítására történő felhasználása a folyamatok fizikai tulajdonságaiból és nukleáris jellegéből adódóan számos fontos jellemzővel bír. Ezek a jellemzők határozzák meg az atomenergia sajátosságait, technológiájának jellegét, speciális működési feltételeit, gazdasági teljesítményét és környezetterhelését. Meghatározzák azokat a főbb tudományos, műszaki és mérnöki problémákat is, amelyeket a megbízható, gazdaságos és biztonságos nukleáris technológia széles körű fejlesztésével meg kell oldani.
Főbb jellemzők nukleáris üzemanyag, az energiafelhasználás során megnyilvánuló:
1. magas fűtőértékű, i.e. hőleadás a szétválasztott nuklidok tömegegységére vonatkoztatva;
2. az összes hasadó nuklid teljes "elégetésének" (hasadásának) lehetetlensége a tüzelőanyag egyszeri reaktorban való tartózkodása miatt, mivel a reaktormagban mindig szükség van egy kritikus tömegű tüzelőanyagra, és csak azt a részét lehet „égetni”, amely meghaladja a kritikus tömeget;
3. a hasadó nuklidok részleges, bizonyos feltételek mellett teljes, sőt kiterjesztett szaporodásának (konverziójának) képessége, pl. másodlagos nukleáris üzemanyag előállítása nukleáris anyagok újratermeléséből (238 U és 232 Th);
4. A nukleáris fűtőanyag reaktorban történő „elégetéséhez” nincs szükség oxidálószerre, és nem kíséri folyamatos „égés” termékek kibocsátása a környezetbe;
5. A hasadási folyamat egyszerre jár együtt radioaktív, rövid és hosszú élettartamú hasadási termékek, valamint olyan bomlástermékek felhalmozódásával, amelyek hosszú ideig megtartják a magas radioaktivitást. Így a reaktorban besugárzott és az abban elköltött fűtőelem rendkívül magas radioaktivitású, és ennek következtében bomláshővel rendelkezik, ami különleges nehézségeket okoz a besugárzott nukleáris üzemanyag kezelésében;
6. a nukleáris üzemanyag hasadásának láncreakciója hatalmas neutronáramok felszabadulásával jár. A reaktor besugárzott szerkezeti anyagaiban (tüzelőanyag burkolat, fűtőelem kazetta részei, reaktoron belüli berendezések, tartály), valamint a hűtőfolyadékban és a biológiai védőanyagokban nagy energiájú neutronok (E>0,1 MeV) hatására, a reaktor és biológiai védelme közötti teret kitöltő gáznemű atmoszféra, számos kémiailag stabil (nem radioaktív) elem átalakul radioaktívvá. Van egy úgynevezett indukált tevékenység.
A nukleáris üzemanyag nagy hőtermelő képessége annak köszönhető, hogy az urán vagy plutónium nehéz atomjának minden egyes hasadási művelete során jelentős intranukleáris energia szabadul fel. A fosszilis tüzelőanyagok elégetése során kémiai oxidációs folyamatok mennek végbe, melyekhez viszonylag kis energiafelszabadulás társul.
Egy szénatom égése (oxidációja) során a C + O 2 → CO 2 reakciónak megfelelően minden egyes kölcsönhatási aktusra körülbelül 4 eV energia szabadul fel, míg az urán atommag hasadása során 235 U + n. → X 1 + X 2, körülbelül 200 MeV energia hasadási eseményenként. Az egységnyi tömegre eső ilyen erősen koncentrált energiafelszabadulás hatalmas termikus feszültségekhez vezet. A hőmérséklet-különbség a tüzelőanyag-elem sugara mentén eléri a több száz fokot.
Ezen túlmenően, a maganyagok hatalmas dinamikus és sugárzási terhelést szenvednek a hűtőfolyadék áramlása, valamint a nagy sűrűségű ionizáló sugárzások tüzelőanyagára és szerkezeti anyagaira gyakorolt erőteljes sugárzási hatása miatt. Különösen a gyorsneutronok sugárzási hatása okoz jelentős sugárzási károkat a reaktor szerkezeti anyagaiban (ridegedés, duzzanat, fokozott kúszás). Ezért a reaktorokban használt anyagokra vonatkoznak speciális követelmények. Az egyik a szennyeződésektől (ún. nukleáris minőségű anyagoktól) szembeni legmagasabb fokú tisztaság. Emiatt a neutronok anyagi kölcsönhatásának és abszorpciójának (ami fontos a hasadási láncreakció fenntartásához) keresztmetszete minimális.
A reaktorépítés során felhasznált anyagok összetételére és tulajdonságaira vonatkozó követelmények olyan magasnak bizonyultak, hogy számos új és fejlett technológia kidolgozását kezdeményezte a speciális anyagok és félkész termékek, valamint a speciális minőségük ellenőrzésére szolgáló módszerek és eszközök. Jelenleg kifejlesztettek és elsajátítottak egy technológiát olyan anyagok ipari előállítására, mint a berillium, nukleáris tisztaságú grafit, nehézvíz, cirkónium és nióbium ötvözetek, fémes kalcium, bór és hőálló rozsdamentes acélok, 10 V izotóppal dúsított bór, ritkaföldfém elemek.
A magas fűtőérték az adott energiamennyiség előállításához szükséges nukleáris üzemanyag tömegének és fizikai térfogatának meredek csökkenését okozza. Így a nyersanyag (természetes urán vegyi koncentrátum) és a kész üzemanyag tárolása és szállítása viszonylag alacsony költségeket igényel. Ennek következménye az atomerőművek elhelyezkedésének függetlensége a nukleáris üzemanyag előállítási és gyártási területétől, ami jelentősen befolyásolja a termelőerők gazdaságilag előnyös földrajzi elhelyezkedésének megválasztását. Ebben az értelemben beszélhetünk a nukleáris üzemanyag univerzális természetéről. Magfizikai tulajdonságai mindenhol azonosak, a felhasználás gazdaságossága gyakorlatilag nem függ a fogyasztó távolságától. Az a lehetőség, hogy az atomerőművek elhelyezkedését nem kötik össze a nukleáris üzemanyag előállítási és gyártási helyével, lehetővé teszi azok gazdaságilag optimális elhelyezését az ország egész területén, a lehető legközelebb hozva őket a villamos és hőenergia fogyasztókhoz. A fosszilis tüzelőanyaggal működő erőművekhez képest az atomerőműveknek nincs nehézsége a szezonális éghajlati viszonyokkal az üzemanyag szállítása és ellátása terén. Az altalajból kinyert és feldolgozás alatt álló nukleáris anyagok nagyon alacsony költséggel tetszőleges éven át tárolhatók anélkül, hogy nagy és drága tárolóhelyekre lenne szükség.
A nukleáris üzemanyag ismételt keringetésének szükségessége az üzemanyagciklusban, és a teljes elégetésének lehetetlensége a reaktorban való egyszeri tartózkodás során a hasadási láncreakció fenntartásának szükségessége miatt. Önfenntartó láncreakció a magban csak akkor lehetséges, ha adott konfigurációban és meghatározott feltételek mellett kritikus tömegű hasadóanyag van benne a neutronok lassítására és elnyelésére. Ezért ahhoz, hogy a reaktorban hőenergiát nyerjünk, adott ideig a tervezett teljesítménnyel üzemelve, szükséges, hogy a zónában a kritikus tömeget meghaladó mennyiségű hasadó nuklid legyen. Ez a többlet a reaktormag reaktivitási határát hozza létre, amely szükséges a meghatározott vagy számított tüzelőanyag elégetéséhez. A nukleáris üzemanyag elégetése A reaktormagban az elsődleges és másodlagos hasadó nuklidok elköltésének folyamatát nevezik a neutronokkal való kölcsönhatás során bekövetkező hasadás eredményeként. A kiégést általában a felszabaduló hőenergia mennyisége vagy a reaktorba betöltött tüzelőanyag egységnyi tömegére vetített leválasztott nuklidok mennyisége (tömeg) határozza meg. Ezért egy bizonyos mennyiségű urán elégetéséhez a reaktorban a kritikusnál lényegesen nagyobb tömegű üzemanyaggal kell betölteni. Ebben az esetben a megadott kiégési mélység elérése után, amikor a reakcióképességi határ kimerül, a hasadási láncreakció fenntartása érdekében a kiégett fűtőelemet friss fűtőanyagra kell cserélni. Az a követelmény, hogy a reaktorzónában állandóan nagy tömegű nukleáris fűtőanyagot kell tartani, amelyet az adott teljesítmény biztosítására terveztek hosszú üzemidőre, jelentős egyszeri költséget okoz az első fűtőanyagrakomány és az azt követő üzemanyag-feltöltésre előkészített tételek kifizetéséhez. Ez az egyik lényeges és alapvető különbség a nukleáris üzemanyag erőművekben való felhasználásának feltételei között a szerves tüzelőanyaghoz képest.
A zónából eltávolított kiégett fűtőelem azonban jelentős mennyiségű hasadóanyagot és jelentős értékű termékeny nuklidot tartalmaz majd. Ez a tüzelőanyag a hasadási termékekből való kémiai tisztítás után újra felhasználható az üzemanyagciklusba. A kiégett fűtőelemben a hasadó nuklidok mennyisége, amely az egyszeri reaktorban való tartózkodása során felhasználatlan marad, a reaktor típusától és a fűtőelem típusától függ, és az eredetileg betöltött fűtőelemek akár 50%-a is lehet. Természetesen az ilyen értékes "hulladékot" fel kell használni. Ennek érdekében speciális műszaki létesítmények és létesítmények jönnek létre a kiégett fűtőelemek (SFA) tárolására, szállítására és kémiai regenerálására. Az SFA-kból kinyert hasadóanyagok visszajuttathatók és ismételten keringethetők a nukleáris ipar reaktorain és üzemanyag-vállalkozásain keresztül: olyan radiokémiai üzemeken keresztül, amelyek biztosítják a reaktorból kirakott fűtőelem regenerálódását (hasadási termékek és szennyeződések tisztítását), majd az üzemanyagciklusba való visszavezetését. a szükséges további dúsítás hasadó nuklidokkal; új fűtőelemek gyártására szolgáló acélgyárak, amelyekben regenerált tüzelőanyagot adnak a friss, nem reaktorban besugárzott üzemanyaghoz. Ily módon jellemző tulajdonság Az atomenergia-iparban a tüzelőanyag-ellátás a műszaki lehetőség és az igény, hogy az urán és a plutónium hasadó és termékeny izotópjait a reaktorban egyszeri tartózkodás körülményei között fel nem használt hasadó és termékeny izotópok a körforgásba visszakerüljenek (újrahasznosítsák). A zavartalan üzemanyag-ellátás érdekében az üzemanyagciklussal foglalkozó vállalkozások szükséges kapacitásait megteremtik. Olyan vállalkozásoknak tekinthetők, amelyek az atomenergia, mint iparág „saját szükségleteit” elégítik ki. A nukleáris üzemanyag-tenyésztő reaktorokra épülő atomenergia-fejlesztés koncepciója az urán és a plutónium újrahasznosításának lehetőségén alapul. Emellett az urán és a plutónium újrahasznosítása jelentősen csökkenti a természetes urán iránti igényt és a termikus neutronreaktorok urándúsítási kapacitását, amelyek jelenleg uralják a fejlődő atomenergia-ipart. Amíg nem történik a kiégett fűtőelemek újrafeldolgozása, addig az uránt és a plutóniumot sem hasznosítják újra. Ez azt jelenti, hogy a termikus reaktorok csak bányászott és feldolgozott uránból származó friss üzemanyaggal üzemeltethetők, míg a kiégett fűtőelemeket tárolják.
A nukleáris fűtőanyag tenyésztése szinte minden energiatermelésre tervezett reaktorban megtörténik, amely a hasadóanyagokkal együtt termékeny nyersanyagokat (238 U és 232 Th) tartalmaz. Ha nem vesszük figyelembe azt a hipotetikus esetet, hogy egyes speciális reaktorokhoz szuperdúsított (~ 90%-os) urántüzelőanyagot használnak, akkor az energetikai iparban használt összes atomreaktorban részleges, bizonyos feltételek megteremtésekor pedig teljes lesz. sőt a nukleáris üzemanyag – plutónium izotópok kiterjesztett reprodukálása, amelyek fűtőértéke megegyezik a 235 U-éval. A plutónium tiszta formában leválasztható a kiégett fűtőelemekből a vegyi feldolgozó üzemekben, és felhasználható vegyes urán-plutónium üzemanyag előállítására. A plutónium bármely termikus neutronreaktorban történő előállításának lehetősége lehetővé teszi, hogy bármely atomerőművet kettős célú vállalkozásnak minősítsenek: nemcsak hő- és elektromos energiát állítanak elő, hanem új nukleáris üzemanyagot - plutóniumot - állítanak elő. A plutónium szerepe azonban nemcsak a kiégett fűtőelemekben való felhalmozódásában nyilvánul meg. A keletkező hasadó plutónium izotópok jelentős része a reaktorban hasadáson megy keresztül, javítva a tüzelőanyag-egyensúlyt és hozzájárulva a zónába töltött tüzelőanyag elégetésének növekedéséhez. A mai elképzelések szerint a legcélravezetőbb a plutónium gyorsneutronos reaktorokban történő alkalmazása, ahol lehetővé válik a kritikus tömeg, és ennek következtében a terhelés 235 U-hoz képest 20-30%-os növelése, illetve a nagyon magas egységet meghaladó együtthatók.szaporodás. A plutónium felhasználása a termikus neutronreaktorok fűtőanyag-terhelésében, bár nem teszi lehetővé a kritikus tömeg jelentős növekedését és olyan magas szaporodási sebesség elérését, mint a gyorsneutronos reaktoroknál, azonban nagy hatást fejt ki a nukleáris üzemanyag-források növelésével .
Az atomenergiában az urán mellett a tóriumos üzemanyagciklusok fejlesztésére nyílik lehetőség. Ugyanakkor a 232 Th természetes izotópból 233 U-t nyernek, ami nukleáris tulajdonságaiban hasonló a 235 U-hoz. Jelenleg azonban nehéz az urán-tórium ciklus jelentősebb felhasználására számítani az atomenergia-technikában. . Ez azzal magyarázható, hogy a 232 Th a 238 U-hoz hasonlóan csak termékeny, de nem hasadó anyag, a tóriumfeldolgozási technológia pedig számos sajátos tulajdonsággal rendelkezik, és ipari méretekben még nem sajátították el. Természetes uránból ugyanakkor még nincs hiány. Ezenkívül a raktárakban folyamatosan halmozódik fel az uránhulladék, amely készen áll a nemesítő reaktorokban termékeny anyagként történő felhasználásra.
Az energiatermeléshez szükséges oxidálószer hiánya az atomenergia használatának egyik legfontosabb környezeti előnye a szénhidrogénekhez képest. Az atomerőművek gázkibocsátása elsősorban az állomás szellőzőrendszereinek igényeiből adódik. Az atomerőművekkel ellentétben évente több millió köbméter égési gáz kerül a levegőbe. Ide tartoznak mindenekelőtt a szén-, nitrogén- és kén-oxidok, amelyek elpusztítják ózon réteg bolygókat, és nagy terhet rónak a szomszédos területek bioszférájára.
Sajnos az atomenergia előnyei mellett vannak hátrányai is. Ide tartozik különösen az atomreaktor működése során keletkező hasadási és aktivációs termékek. Az ilyen anyagok zavarják magának a reaktornak a működését, és radioaktívak. A keletkező radioaktív hulladék mennyisége azonban korlátozott (nagyságrendekkel kisebb, mint a hőerőművekből származó hulladék). Ezen kívül vannak bevált technológiák tisztításukra, extrakciójukra, kondicionálásukra, biztonságos tárolásukra és ártalmatlanításukra. Számos kiégett fűtőelemből kinyert radioaktív izotópot aktívan használnak ipari és egyéb technológiákban. Az SFA-feldolgozási technológiák továbbfejlesztésével a hasadási termékek - nagy értékű ritkaföldfém elemek - kinyerésére is van kilátás.
Atomerőmű - komplexum szükséges rendszereket, elektromos energia előállítására szolgáló eszközök, berendezések és szerkezetek. Az állomás urán-235-öt használ üzemanyagként. Az atomreaktor jelenléte megkülönbözteti az atomerőműveket a többi erőműtől.
Az atomerőművekben az energiaformák három kölcsönös átalakítása zajlik
Atomenergia
hőségbe megy
Hőenergia
mechanikusba kerül
mechanikus energia
elektromossá alakítva
1. Az atomenergia hővé alakul
Az állomás alapja a reaktor - egy szerkezetileg kiosztott térfogat, ahol nukleáris üzemanyagot töltenek be, és ahol szabályozott láncreakció megy végbe. Az urán-235 hasadó, lassú (termikus) neutronokkal. Ennek eredményeként hatalmas mennyiségű hő szabadul fel.
GŐZGENERÁTOR
2. A hőenergia mechanikai energiává alakul
A hőt a reaktormagból egy hűtőfolyadék - egy folyékony vagy gáznemű anyag, amely áthalad a térfogatán - távolítja el. Ezt a hőenergiát vízgőz előállítására használják fel gőzfejlesztőben.
ÁRAMFEJLESZTŐ
3. A mechanikai energia elektromos energiává alakul
A gőz mechanikai energiája a turbógenerátorba kerül, ahol elektromos energiává alakul, majd a vezetékeken keresztül a fogyasztókhoz kerül.
Miből épül fel az atomerőmű?
Az atomerőmű olyan épületegyüttes, amelyben technológiai berendezések találhatók. A főépület az a főépület, ahol a reaktorcsarnok található. Itt található maga a reaktor, egy nukleáris üzemanyag-tároló medence, egy üzemanyag-utántöltő gép (fűtőanyag-utántöltéshez), mindezt a blokkvezérlő helyiségből (BCR) figyelik a kezelők.
A reaktor fő eleme az aktív zóna (1) . Egy betonaknában található. Bármely reaktor kötelező eleme a vezérlő- és védelmi rendszer, amely lehetővé teszi a szabályozott hasadási láncreakció kiválasztott módjának végrehajtását, valamint a vészvédelmi rendszer - a reakció gyors leállítása vészhelyzet esetén. Mindez a főépületben van felszerelve.
Van egy második épület is, ahol a turbinacsarnok (2) található: gőzfejlesztők, maga a turbina. A technológiai lánc mentén következnek a kondenzátorok és a nagyfeszültségű vezetékek, amelyek túlmutatnak az állomáson.
A területen található egy épület a kiégett nukleáris fűtőelemek átrakására és speciális medencékben való tárolására. Ezen kívül az állomásokat keringtető hűtőrendszer elemeivel - hűtőtornyokkal (3) (felfelé keskenyedő betontorony), hűtőtóval (természetes vagy mesterségesen kialakított tározóval) és permetezőmedencékkel - látták el.
Mik azok az atomerőművek?
Az atomerőművek a reaktor típusától függően 1, 2 vagy 3 hűtőközeg-üzemkörrel rendelkezhetnek. Oroszországban a VVER típusú reaktorokkal (nyomáshűtéses teljesítményreaktor) működő bypass atomerőműveket használják a legszélesebb körben.
Atomerőmű 1-HURKÁS REAKTOROKKAL
Atomerőmű 1-HURKÁS REAKTOROKKAL
Az egykörös sémát RBMK-1000 típusú reaktorokkal működő atomerőművekben alkalmazzák. A reaktor egy blokkban működik, két kondenzációs turbinával és két generátorral. Ebben az esetben maga a forrásreaktor egy gőzfejlesztő, amely lehetővé teszi az egyhurkos séma használatát. Az egyhurkos séma viszonylag egyszerű, de a radioaktivitás ebben az esetben a blokk minden elemére kiterjed, ami megnehezíti a biológiai védelmet.
Jelenleg 4 egyhurkos reaktorral rendelkező atomerőmű működik Oroszországban
Atomerőmű 2-HURKÁS REAKTOROKKAL
Atomerőmű 2-HURKÁS REAKTOROKKAL
A kettős áramkörű sémát vízhűtéses VVER típusú reaktorokkal rendelkező atomerőművekben használják. Nyomás alatti víz kerül a reaktormagba, amelyet felmelegítenek. A hűtőfolyadék energiáját a gőzfejlesztőben használják fel telített gőz képzésére. A második áramkör nem radioaktív. Az egység egy 1000 MW-os kondenzációs turbinából vagy két 500 MW-os turbinából áll a hozzájuk tartozó generátorokkal.
Jelenleg Oroszországnak 5 atomerőműve van kettős hurkú reaktorokkal
Atomerőmű 3-HURKÁS REAKTOROKKAL
Atomerőmű 3-HURKÁS REAKTOROKKAL
A háromhurkos sémát olyan atomerőművekben használják, amelyek gyorsneutronreaktorokkal rendelkeznek BN típusú nátrium-hűtőközeggel. A radioaktív nátrium vízzel való érintkezésének kizárására egy második kört építettek fel nem radioaktív nátriummal. Így az áramkör három áramkörűnek bizonyul.
Életciklus Az urán- vagy plutónium alapú nukleáris üzemanyag a bányaüzemekben, vegyi üzemekben, gázcentrifugákban kezdődik, és nem ér véget a fűtőelem-kazetta reaktorból való kirakodása pillanatában, mivel minden fűtőanyag-kazettán hosszú utat kell megtenni az ártalmatlanításon, majd az újrafeldolgozáson. .
Nukleáris üzemanyag nyersanyagainak kitermelése
Az urán a legnehezebb fém a Földön. A Föld uránjának körülbelül 99,4%-a urán-238, és csak 0,6%-a urán-235. A Nemzetközi Atomenergia Ügynökség „Vörös könyv” jelentése szerint a Fukusima-1 baleset ellenére is nőtt az urántermelés és -kereslet, ami sokakat elgondolkodtatott az atomenergia kilátásairól. Csak az elmúlt néhány évben a feltárt uránkészletek 7%-kal nőttek, ami az új lelőhelyek felfedezésével jár. Kazahsztán, Kanada és Ausztrália továbbra is a legnagyobb termelők, a világ urántermelésének 63%-át állítják elő. Ezen kívül vannak fémtartalékok Ausztráliában, Brazíliában, Kínában, Malawiban, Oroszországban, Nigerben, az USA-ban, Ukrajnában, Kínában és más országokban. Korábban a Pronedra azt írta, hogy 2016-ban 7,9 ezer tonna uránt bányásztak az Orosz Föderációban.
Ma az uránt három különböző módon bányászják. A nyílt módszer nem veszíti el relevanciáját. Olyan esetekben használják, amikor a lerakódások közel vannak a föld felszínéhez. A nyílt aknás módszerben a buldózerek kőbányát hoznak létre, majd a szennyeződésekkel rendelkező ércet billenőkocsikba töltik, hogy a feldolgozó komplexumokhoz szállítsák.
Az érctest gyakran nagy mélységben fekszik, ilyenkor földalatti bányászati módszert alkalmaznak. Akna két kilométer mélységig tör ki, a sziklát fúrással vízszintes sodródásban bányászják, teherliftekkel szállítják felfelé.
Az így a tetejére kerülő keverék sok összetevőt tartalmaz. A kőzetet össze kell törni, vízzel hígítani és a felesleget eltávolítani. Ezután kénsavat adnak a keverékhez a kilúgozási folyamat végrehajtása érdekében. A reakció során a vegyészek sárga uránsók csapadékot kapnak. Végül a szennyeződéseket tartalmazó uránt a finomítóban finomítják. Csak ezt követően nyerik az urán-oxidot, amellyel a tőzsdén kereskednek.
Létezik egy sokkal biztonságosabb, környezetbarát és költséghatékonyabb módszer, az úgynevezett fúróhelyi kioldódás (SIL).
Ezzel a terepi fejlesztési módszerrel a terület biztonságos marad a személyzet számára, és a sugárzási háttér megfelel a beltéri háttérnek nagyobb városok. Az urán kilúgozással történő bányászásához 6 lyukat kell fúrnia a hatszög sarkainál. Ezeken a kutakon keresztül kénsavat pumpálnak az uránlelőhelyekbe, keveredik sóival. Ezt az oldatot kivonják, vagyis a hatszög közepén lévő kúton keresztül kiszivattyúzzák. Az uránsók kívánt koncentrációjának eléréséhez a keveréket többször átengedik szorpciós oszlopokon.
Nukleáris üzemanyag gyártás
A nukleáris üzemanyag előállítása elképzelhetetlen gázcentrifugák nélkül, amelyeket dúsított urán előállítására használnak. A kívánt koncentráció elérése után az urán-dioxidból úgynevezett tablettákat préselnek. felhasználásával jönnek létre kenőanyagok, amelyeket a kemencékben történő tüzelés során eltávolítanak. Az égetési hőmérséklet eléri az 1000 fokot. Ezt követően ellenőrizzük, hogy a tabletták megfelelnek-e a megadott követelményeknek. A felület minősége, nedvességtartalma, oxigén és uránanyag aránya.
Ugyanakkor egy másik műhelyben cső alakú fűtőelem-héjakat készítenek. A fenti folyamatokat, beleértve a tabletták utólagos adagolását és csomagolását héjcsőbe, lezárást, szennyeződésmentesítést, üzemanyaggyártásnak nevezzük. Oroszországban az üzemanyag-kazetták (FA) létrehozását a moszkvai régióban található „Gépgyártó üzem”, a Novoszibirszki „Novoszibirszki Vegyi Koncentrátumgyár”, a „Moszkvai Polifémgyár” és mások végzik.
A tüzelőanyag-kazetták minden tétele egy adott típusú reaktorhoz készült. Az európai üzemanyag-kazetták négyzet alakúak, az oroszok pedig hatszögletűek. Az Orosz Föderációban a VVER-440 és VVER-1000 típusú reaktorokat széles körben használják. Az első fűtőelemeket a VVER-440-hez 1963-ban, a VVER-1000-hez pedig 1978-ban kezdték fejleszteni. Annak ellenére, hogy Oroszországban aktívan bevezetik a Fukusima utáni biztonsági technológiával rendelkező új reaktorokat, számos régi típusú nukleáris létesítmény működik országszerte és külföldön, így a különböző típusú reaktorok fűtőelemei egyformán relevánsak maradnak.
Például az RBMK-1000 reaktor egy aktív zónájának üzemanyag-kazettáinak biztosításához több mint 200 ezer cirkóniumötvözetből készült alkatrészre, valamint 14 millió szinterezett urán-dioxid-pelletre van szükség. Néha az üzemanyag-kazetta gyártási költsége meghaladhatja a cellákban lévő üzemanyag költségét, ezért olyan fontos, hogy minden egyes kilogramm uránból magas energiahozamot biztosítsunk.
Költségek a termelési folyamatok v %
Külön meg kell említeni a kutatóreaktorok fűtőanyag-kazettáit. Úgy tervezték őket, hogy a neutronképzési folyamat megfigyelése és tanulmányozása a lehető legkényelmesebb legyen. Az ilyen üzemanyagrudakat a nukleáris fizika, az izotópgyártás és a sugárgyógyászat területén végzett kísérletekhez Oroszországban a Novoszibirszki Vegyi Koncentrátumgyár állítja elő. A TVS-ket uránnal és alumíniummal ellátott varrat nélküli elemek alapján hozzák létre.
A nukleáris üzemanyag előállítását az Orosz Föderációban a TVEL (a Rosatom egyik részlege) üzemanyag-vállalat végzi. A vállalkozás nyersanyagok dúsításán, fűtőelemek összeszerelésén dolgozik, valamint üzemanyag-engedélyezési szolgáltatásokat is nyújt. Kovrov Mechanikai Üzem Vladimir régióés a szverdlovszki régióban található uráli gázcentrifuga üzem berendezéseket hoz létre orosz üzemanyag-kazetták számára.
Az üzemanyagrudak szállításának jellemzői
A természetes uránt alacsony radioaktivitás jellemzi, azonban az üzemanyag-kazetták gyártása előtt a fém dúsítási eljáráson megy keresztül. A természetes érc urán-235 tartalma nem haladja meg a 0,7%-ot, a radioaktivitás pedig 25 becquerel/1 milligramm urán.
A fűtőelemekbe helyezett uránpelletek 5%-os urán-235 koncentrációjú uránt tartalmaznak. A nukleáris fűtőanyaggal ellátott kész fűtőelem-kazettákat speciálisan szállítják fém tartályok nagy szilárdságú. Szállításhoz vasúti, közúti, tengeri és még légi szállítást is alkalmaznak. Minden tartály két szerelvényt tartalmaz. A nem besugárzott (friss) üzemanyag szállítása nem jelent sugárzási veszélyt, mivel a sugárzás nem haladja meg a cirkónium csöveket, amelyekbe préselt uránpelleteket helyeznek.
Egy adag üzemanyaghoz speciális útvonalat alakítanak ki, a rakományt a gyártó vagy a megrendelő biztonsági személyzete kíséri (gyakrabban), ami elsősorban a magas felszerelési költségnek köszönhető. A nukleáris fűtőanyag-gyártás teljes történetében egyetlen olyan fűtőelem-kazettát érintő közlekedési balesetet sem regisztráltak, amely a környezet sugárzási hátterét érintené, vagy emberáldozattal járna.
Üzemanyag a reaktormagban
Egy egységnyi nukleáris üzemanyag - TVEL - képes hosszú ideig hatalmas mennyiségű energia felszabadítására. Sem a szén, sem a gáz nem hasonlítható össze ilyen mennyiségekkel. A fűtőanyag életciklusa bármely atomerőműben a friss fűtőanyag kirakodásával, eltávolításával és az üzemanyag-kazetta raktárban történő tárolásával kezdődik. Amikor a reaktorban az előző adag tüzelőanyag kiég, a személyzet a zónába (a reaktor munkazónájába, ahol a bomlási reakció lezajlik) betölti az üzemanyag kazettákat. Általában az üzemanyagot részben újratöltik.
Az üzemanyagot csak a reaktor első indításakor töltik be teljesen a zónába. Ennek oka az a tény, hogy a reaktorban a fűtőelemek egyenetlenül égnek ki, mivel a neutronfluxus intenzitása a reaktor különböző zónáiban változik. A könyvelő eszközöknek köszönhetően az állomás személyzetének lehetősége van az egyes üzemanyagegységek kiégési fokának valós időben történő nyomon követésére és cseréjére. Néha az új üzemanyag-kazetták betöltése helyett a kazettákat egymás között mozgatják. Az aktív zóna közepén fordul elő legintenzívebben a kiégés.
TVS atomerőmű után
Az atomreaktorban kidolgozott uránt besugárzottnak vagy kiégettnek nevezik. És az ilyen fűtőelemek - kiégett nukleáris üzemanyag. Az SNF-t a radioaktív hulladéktól elkülönítve helyezzük el, mivel legalább 2 hasznos komponense van - az el nem égett urán (a fémek kiégése soha nem éri el a 100%-ot) és a transzurán radionuklidjai.
A közelmúltban a fizikusok az SNF-ben felhalmozódott radioaktív izotópokat kezdték használni az iparban és az orvostudományban. Miután a fűtőelem kidolgozta kampányát (az az idő, amikor a szerelvény a reaktorzónában van névleges teljesítményen üzemelési körülmények között), a kiégett fűtőelem-medencébe kerül, majd közvetlenül a reaktortérbe tárolóba, majd ezt követően - feldolgozás vagy ártalmatlanítás. A hűtőmedencét úgy tervezték, hogy eltávolítsa a hőt és védjen az ionizáló sugárzástól, mivel a fűtőelemek a reaktorból való eltávolítás után is veszélyesek maradnak.
Az Egyesült Államokban, Kanadában vagy Svédországban az SNF-et nem küldik újrafeldolgozásra. Más országok, köztük Oroszország, zárt üzemanyagcikluson dolgoznak. Lehetővé teszi a nukleáris üzemanyag-előállítás költségeinek jelentős csökkentését, mivel az SNF egy részét újrahasznosítják.
Az üzemanyagrudakat savban oldják, majd a kutatók a plutóniumot és a fel nem használt uránt elkülönítik a hulladékból. A nyersanyagok körülbelül 3%-a nem használható fel újra, ezek olyan nagy aktivitású hulladékok, amelyek bituminizálási vagy vitrifikációs eljárásokon mennek keresztül.
A kiégett nukleáris üzemanyagból 1% plutónium nyerhető. Ezt a fémet nem kell dúsítani, Oroszország az innovatív MOX üzemanyag gyártása során használja fel. A zárt üzemanyagciklus lehetővé teszi egy kazetta körülbelül 3%-kal olcsóbbá tételét, azonban ez a technológia nagy ipari blokkok építési beruházásokat igényel, így még nem terjedt el a világon. Ennek ellenére a Rosatom üzemanyaggyártó cég nem hagyja abba az ilyen irányú kutatásokat. Pronedra nemrég ezt írta Orosz Föderáció olyan fűtőanyagon dolgoznak, amely képes hasznosítani a reaktor zónájában található amerícium-, kúrium- és neptunium-izotópokat, amelyek az erősen radioaktív hulladékok 3%-a.
Nukleáris üzemanyag-gyártók: minősítés
- Egészen a közelmúltig a francia Areva cég biztosította az üzemanyag-kazetták világpiacának 31%-át. A cég nukleáris üzemanyag gyártásával és atomerőművek alkatrészeinek összeszerelésével foglalkozik. 2017-ben az Areva minőségi frissítést tapasztalt, új befektetők érkeztek a céghez, és a 2015-ös kolosszális veszteség háromszorosára csökkent.
- A Westinghouse a japán Toshiba cég amerikai részlege. Aktívan fejleszti a kelet-európai piacot, üzemanyag-kazettákat szállít az ukrán atomerőműveknek. A Toshibával együtt a nukleáris üzemanyag-gyártás világpiacának 26%-át biztosítja.
- A harmadik helyen a Rosatom állami vállalat (Oroszország) üzemanyag-vállalata, a TVEL áll. A TVEL a világpiac 17%-át adja, tíz évre szóló szerződésportfólióval rendelkezik 30 milliárd dollár értékben, és több mint 70 reaktort lát el üzemanyaggal. A TVEL fűtőelem-kazettákat fejleszt VVER reaktorokhoz, és belép a nyugati tervezésű nukleáris létesítmények piacára is.
- A Japan Nuclear Fuel Limited a legfrissebb adatok szerint a világpiac 16%-át adja, magának Japánnak a legtöbb atomreaktorát szállítja fűtőelemekkel.
- A Mitsubishi Heavy Industries egy japán óriás, amely turbinákat, tankereket, klímaberendezéseket és újabban nukleáris üzemanyagot gyárt nyugati típusú reaktorokhoz. A Mitsubishi Heavy Industries (az anyavállalat egyik részlege) APWR atomreaktorok építésével, valamint az Arevával közös kutatási tevékenységgel foglalkozik. Ezt a céget választotta a japán kormány új reaktorok fejlesztésére.
