что такое атомное топливо
Ядовитая зеленая жижа в бочках? Все как в «Симпсонах»? Задаем глупые вопросы о ядерном топливе, которое привезли в Беларусь
Буквально на прошлой неделе стало известно, что на Белорусскую АЭС прибыл состав с ядерным топливом для первого энергоблока. Примерные сроки завоза назывались и раньше, а вот точная дата держалась в секрете по понятным причинам. «Атомка» вот-вот должна заработать, но вопросов о ее работе у белорусов все еще крайне много. Мы постарались ответить хотя бы на маленькую их часть и обратились к экспертам, задав им максимально наивные, простые и глупые вопросы о сложных процессах, которые так или иначе касаются каждого из нас.
Длинная производственная цепочка создания ядерного топлива начинается с добычи урана. Его добывают несколькими способами: методом подземного выщелачивания либо в шахтах или открытых карьерах.
Урановую руду перемалывают и растворяют для появления концентрированной соли урана, которую затем высушивают до сухого концентрата. Полученные оксиды урана смешивают с фтором, превращая в гексафторид урана, который легко может принимать газообразную форму. Это понадобится на следующей стадии — при обогащении. Таким образом, уран несколько раз меняет свое состояние, переходя из твердого вещества в жидкое и газообразное.
На обогатительных заводах гексафторид урана в газообразном состоянии закачивают в центрифуги, в которых за счет высокой скорости вращения создается центробежная сила, превышающая силу тяготения Земли в сотни тысяч раз. Газовая центрифуга вращается со скоростью более 1,5 тыс. оборотов в секунду. В процессе обогащения тяжелые атомы урана-238 отделяются от более легких атомов урана-235 и концентрация урана-235 увеличивается. Для топлива энергетических реакторов уран обогащают по изотопу уран-235 на уровне до 5%.
Для производства ядерного топлива обогащенный уран вновь переводят из газообразного в твердое состояние. Порошкообразный обогащенный диоксид урана смешивают с пластификатором и кладут под пресс.
На выходе получаются спрессованные таблетки, которые затем проходят процесс спекания при температуре около 1800 градусов в течение 18—20 часов.
Полученная в процессе спекания топливная таблетка весит всего четыре с половиной грамма, но в ней скрыта огромная энергия. По энерговыделению она эквивалентна 640 кг дров, 400 кг каменного угля, 360 куб. м газа, 350 кг нефти.
Далее готовые таблетки помещаются в специальные металлические трубки — оболочки твэлов. Тепловыделяющий элемент (твэл) — это основа конструкции ядерного топлива. Он представляет собой герметично заваренную металлическую трубку из циркониевого сплава, которая снаряжается топливными таблетками (в топливе реактора ВВЭР-1200 — приблизительно 350 шт.). Твэлы собирают в топливные кассеты — тепловыделяющие сборки (ТВС). В одной ТВС для реактора ВВЭР-1200 — 312 твэлов, активная зона реактора состоит из 163 ТВС.
Все процессы полностью автоматизированы, проходят под постоянным контролем компьютеров, и любая случайность или влияние человеческого фактора минимизированы.
Как его везли в Беларусь? На поезде, самолете, машине? Все это делалось под большим секретом?
Ядерное топливо можно перевозить в специальных транспортных упаковочных контейнерах повышенной прочности железнодорожным, воздушным и морским транспортом. Для поставки из России в Беларусь оптимальный вариант — железнодорожный.
Конфиденциальной информацией являются сами маршруты транспортировки ядерного топлива.
За многие десятилетия существования атомной энергетики мировая атомная промышленность давно выработала очень строгие нормы безопасности по транспортировке различных ядерных материалов. При этом перевозка свежего необлученного ядерного топлива не представляет радиационной опасности.
Как происходит процесс загрузки? Сотрудники делают это вручную или используют специальных роботов?
Перед загрузкой топлива на атомной станции проходит обязательная проверка готовности персонала и оборудования, разрабатывается штатная программа и только после этого дается добро на загрузку. Топливные кассеты загружаются в реактор с помощью специальной перегрузочной машины.
Что было бы, если бы защитная оболочка топлива раскололась, а порошок высыпался на землю?
В топливной кассете тепловыделяющие элементы (твэлы, то есть циркониевые трубки с урановыми таблетками внутри) соединены в жесткой конструкции с помощью решеток, металлического каркаса и других элементов. Такая конструкция сохраняет целостность даже после эксплуатации в активной зоне реактора при высоких температурах на протяжении 4—5 лет. Кроме того, внутри оболочки нет порошка, а есть спеченные топливные таблетки.
Загрузили топливо в реактор, а дальше что? Что с ним происходит в реакторе и как оно «отапливает» реактор?
Грубо говоря, если на ТЭС с паровыми турбинами, чтобы нагреть воду, приходится сжигать уголь, мазут или газ, то на АЭС вода нагревается от энергии деления атомного ядра.
Сколько работает топливо после загрузки? Его работу как-то контролируют в реакторе?
В зависимости от топливного цикла, который у каждой АЭС индивидуален, каждая тепловыделяющая сборка может эксплуатироваться порядка 4—5 лет, в некоторых случаях — еще дольше. Когда на станции проводится регулярный планово-предупредительный ремонт, часть отработавшего топлива извлекают и подгружают свежее топливо. В зависимости от цикла облучения каждая ТВС меняет свою позицию в активной зоне. Состояние топлива регулярно контролируется и анализируется.
После того как топливо отработает свой срок, как его извлекают?
Можно использовать отработанное топливо или это уже просто опасный мусор?
Разумеется, можно. В разных странах существуют различные стратегии безопасного хранения или переработки ОЯТ. Рециклирование отработавшего ядерного топлива — это динамично развивающееся направление атомной науки. Существуют заводы по переработке ОЯТ, при этом «невыгоревший» уран и плутоний, образовавшийся внутри твэлов после облучения, можно извлекать и повторно использовать для производства уран-плутониевого топлива. Причем как для классических реакторов на тепловых нейтронах (РЕМИКС-топливо; сейчас оно проходит опытную эксплуатацию на Балаковской АЭС в России), так и для инновационных реакторов на быстрых нейтронах (МОКС-топливо и СНУП-топливо используются на Белоярской АЭС).
Покупай с оплатой онлайн по карте Visa и выигрывай iPhone каждую неделю
Немного об источниках ядерного топлива
Ab Uranus
Сейчас основа ядерного топлива – это уран. Наиболее распространенными видами урана в природе являются изотоп с массой 238 и изотоп 235. В природном уране они содержатся в соотношении примерно 99.3% и 0.72%. Уран – это металл, так что его придется копать. Но сперва нам надо кое-что узнать. “Уран по своей природе не радиоактивен.” Однако, это исключительное мнение Росатома. Все остальные, конечно же, знают, что уран радиоактивен. Впрочем, не сильно. Альфа-излучение (ядра гелия-4), хоть и наиболее характерно для урана, – задерживается кожей и, в случае внешнего воздействия, не опасно. Бета-излучение (электроны/позитроны) тоже есть, но хорошо задерживается простой тканью. Гамма-излучение (фотоны), хоть и проникающее, но в нашем случае, благодаря малой интенсивности, дает вклад наравне с бета-излучением. В итоге, несмотря на то, что урановая руда – это далеко не только уран, скажем сразу, — светить она будет не сильно.
Взглянем на продукты распада урана. В них присутствует радон, и это уже плохие новости. Как нам кругом говорят:
Распад ядер радона и его дочерних изотопов в лёгочной ткани вызывает микроожог.
Изотопы полония, образующиеся в результате распада радона являются значительным источником _внутреннего_ альфа-облучения.
Относительная вредность дочерних продуктов радона больше, чем вредность самого радона. Попадая в организм человека, он способствует процессам, приводящим к раку (костей, крови, легких, тысячи их…), малокровию, лейкозу.
Запомним, радон – важный фактор при работе с урановой рудой.
И, наконец, сам по себе уран высокотоксичен. Попадание его в организм любыми путями сверх допустимой нормы крайне нежелательно.
При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.
Часто указывают, что при работе с ураном сам он доставляет не хуже радона, но какие эффекты вызваны наличием первого, а какие – второго, иногда разобрать сложно, поэтому точно никто не говорит. Не будем испытывать судьбу и предположим худший вариант. Хотя, Курчатов просто вытирал руки о платок. True story.
Запасы урана
Диоксид урана. Уже торт?
Прежде чем копать, надо узнать где. Значительным лидер ом по запасам урана является Австралия – 1780 кт (30% мирового объема). Взглянем на первую пятерку (и процент от мировой добычи в 2017 г.):
Методы добычи
«Сколько кюри нужно, чтобы зажечь лампочку?» — старый французский анекдот
Первый вариант. Если уран лежит неглубоко (до 500 м), можно использовать карьерный метод. Экскаваторы и грузовички. Дешево и сердито, минимум радиации. Открытый воздух немного помогает от радона и урановой пыли. Таким образом, подобная карьера будет давать нам не более пары милизивертов в год. Это считается абсолютно безопасным. Проблема же возникает при появлении отходов добычи. Но об этом потом.
Второй вариант. Он рассчитан на случаи, когда руда залегает чуть глубже и приходится копать шахту. Как правило, больше двух километров не копают, иначе уже неэффективно по цене. При добыче на глубине в активную игру вступает радон. Его нужно постоянно отслеживать, ловить, выкачивать и подавать хомячкам в шахты свежий воздух. Про пыль тоже не забываем. Ужесточение техники безопасности и усложненный механизм добычи увеличивают затратность данного метода по сравнению с первым. Проблема отходов сохраняется.
Третий метод. Метод подземного выщелачивания (МПВ). Значительно отличается от первых двух. Сперва к урановой залеже бурится скважина (не глубже 600 м). Затем в нее начинает подаваться раствор серной кислоты, который связывает частицы урана (выщелачивание). Полученный раствор выкачивается на поверхность и уже из него извлекается, после чего обрабатывается, уран. Достоинства данного метода заключаются в значительном упрощении организации процесса. Соответственно, снижается и цена. Хомячки с лопатами уже не нужны. А значит метод можно применять и в тяжелых климатических условиях. Радон и пыль нас перестают беспокоить. Выкачиваемый раствор также содержит по минимуму лишних компонентов, что значительно упрощает вопрос радиоактивного загрязнения. В целом данный метод считается перспективным, но используется пока где-то на 15% месторождений.
Влияние на окружающую среду
Печальный пример. Река Рио-Тинто
Грусть вторая. После выделения из руды урана у нас остается куча ненужного мусора (в твердой и жидкой форме). Он включает в себя как не добываемые нами радиоактивные элементы (торий, радий), так и недособранный уран. Уровень радиоактивности таких отходов может достигать 85% от уровня первоначально добываемой руды. Если все это просто свалить в кучу, то, как мы уже знаем, гамма-излучение и постоянно выделяющийся радон (который, вообще говоря, образуется из радия) могут нанести серьезный вред окружающей среде.
Грусть третья, касается метода подземного выщелачивания. Пользуясь этим методом мы почти не получаем мусора, и не загрязняем воздух. Но процесс неизбежно вызывает загрязнение подземных вод. Возможные утечки рабочего раствора (i.e. серной кислоты) могут приводить к значительным изменениям геологической структуры, предсказать которые не всегда просто. Серьезной задачей здесь становится защита источников водоснабжения.
Опять в бутылку
Одно из хвостохранилищ в Канаде
Как мы понимаем, отходы нужно сложить в одно место. Оно именуется хвостохранилище (от англ. ‘tailings’ — отходы). Оно может представлять собой просто гору мусора, запруду или озеро. Наша первичная задача — изоляция от окружающей природной гидросистемы. Т.е. нам важно, чтобы хранилище не протекало, и не переполнялось. Для первого нам требуются надежные ограждения по краям. Второе требует установки систем декантации, плюс желательно принятие во внимание объемов осадков/испарений при проектировании. После прекращения сбора отходов необходима установка купола – защита от радона. Как дополнительные меры, — осушение хранилища, защита от эрозии почвы. Далее – постоянное наблюдение. Cрок службы – от минимума в 200 лет до желательного в 1000 лет. При помощи какой матери можно столько простоять, наука не решается ответить.
Прогнозы на периоды от 175 до 975 лет осложняются высокой степенью неопределенности в силу отсутствия достаточного объема практических данных.
1.3к жизней, один миллион долларов в сумме. В целом, ясно, что задача требует внимания, времени и денег. Любые значительные повреждения хвостохранилища могут привести к печальным последствиям.
Полезные материалы
Страшилки
Открылась в 1953, закрылась в 1971. Правительство и добывающая компания на обработку отходов положили. В качестве благодарности, получили единственное в Австралии озеро, где нет слоников крокодилов. А что еще народу надо? К 1980 году правительство заметило, что хомячки полюбили купаться в радиоактивных отходах и схватилось за голову. Переделали как надо, накрыли куполом и запаслись попкорном. Стоял вопрос о полном запрете добычи урана в Австралии. Сошлись на ‘законе трех’. Но в 2009, без объявления войны, министр окружающей среды сообразил до четырех. R.I.P.
Ядерное топливо
Добыча сырья для ядерного топлива
В качестве исходного материала для последующего извлечения энергии чаще всего используется уран. Это вещество считается самым тяжелым металлом. Больше всего в ресурсах планеты урана-238, 99.4%. Встречается более редкий элемент с массой 235, его количество в процентном соотношении 0.6%. Несмотря на печальную статистику аварий на атомных электростанциях, потребность в исходном сырье остается достаточно высокой. Крупные разработки урана сегодня ведутся в таких странах как Казахстан, Австралия, Китай, Бразилия и Россия.
Добыча топлива для ядерных реакторов осуществляется тремя основными способами:
Выбор способа, которым будет добываться радиоактивные виды топлива, зависит от самого месторождения, глубины залегания и дальности транспортировки сырья для последующего обогащения. В чистом виде ископаемые, как правило, не используются.
Этот элемент в чистом виде является опасным для человека. Исходный состав добываемой руды включает три изотопа с разными атомными массами (234, 235 и 238 соответственно). Полученное сырье подлежит дальнейшей переработке, что необходимо для эффективного и продуктивного использования непосредственно в реакторах. По сути, для получения обогащенного ядерного топлива урана происходит повышение концентрации именно элемента с атомной массой 235.
Сам процесс приведения сырья в рабочее состояние достаточно сложный и продолжительный. Все зависит от сферы применения урана. Из производства ядерного топлива выходят вещества с различной степенью концентрации:
На выходе из производства получаются специальные таблетки, которые используются непосредственно в тепловыделяющих установках. При этом уран не является единственным видом топлива для реактора.
Плутоний
В естественном виде в природе существует в виде диоксида. Для добычи его остается ничтожно мало. По этой причине этот вид топлива для ядерного реактора получается искусственно из того же урана. Плутоний считается самым дорогим и перспективным материалом в линейке атомных продуктов. Для удешевления производства применяется технология получения из отработанного сырья.
Торий
Производство ядерного топлива
Изготовление альтернативного энергоносителя в Российской Федерации находится в ведении государственной корпорации «Росатом». Отечественная компания ТВЭЛ выпускает известные виды ядерного топлива, разрабатывает и создает тепловыделяющие сборки, включая комплектующие, обслуживает действующие реакторы. Для сравнения продуктивности урана для энергетики можно привести простой пример: 630 граммов урана равнозначны по выдаче 70 тоннам угля или 140 тоннам дров. При этом соотношение отходов после отработки вторичных реакций составляет соответственно 126 граммов с равнозначными 74 тоннами золы и газов или 1.5 тонны золы, остающейся при сжигании древесины.
Мощности производств в мире (по состоянию на 2020 год, в EPP):
Регенерация
Из школьного курса химии известно о продолжительном периоде полураспада урана и других радиоактивных веществ. Даже после использования активного сырья в производстве, вещество остается пригодным для вторичного применения. После переработки уран возвращается в топливный цикл. Для этого сырье может быть обогащено или смешано с готовыми концентратами топлива непосредственно в ядерном реакторе. Что касается России, она и здесь на первом месте, поскольку все запасы регенерации сразу же уходят в производственный цикл.
Ход цепной реакции
Основной целью использования подготовленного ядерного топлива является получение (выделение) большого количества энергии. Цепной реакцией является последовательное вступление элементов полураспада в реакцию с продуктами предыдущего процесса. Катализаторами каждой реакции, соответственно, являются выделенные на прошлом этапе нейтроны. При этом происходит обильное или чрезмерное выделение энергии. Для запуска цепной реакции необходимы специальные химические элементы, которые тоже по сути являются топливом для АЭС.
Цепные реакции бывают неразветвленными и разветвленными. В первом случае, выделяется только по одному связующему нейтрону, при этом не образуется энергия в больших масштабах. Во втором случае при правильном контроле процесса цепной реакции получается обильный выход энергии.
Особенности транспортировки ТВЭЛов
Преимущества и недостатки ядерного топлива
В числе достоинств энергоносителя следующие:
Принцип работы АЭС
Основным продуктом на выходе из электростанций, работающим на ядерных видах топлива, является электроэнергия. Следуя концепции безопасности и последовательности получения необходимого ресурса, генеральный процесс включает три этапа преобразования:
При цепной реакции происходит сильный разогрев ближайшего теплоносителя – воды, которая на время откачивается от стенок реактора (из первого контура во второй) для получения пара. Последний вид энергии под давлением и за счет разности давлений начинает активно вращать турбину, которая находится в жесткой сцепке с электрическим генератором. Существует проблематика охлаждения воды в контурах реактора, для этого применяется система градирен или используются ближайшие водоемы.
Учитывая негативную практику аварий, в настоящее время на современных АЭС большое внимание уделяется функционированию защитных систем: локальных, обеспечивающих и управляющих. Генеральная концепция состоит в строго дозированной подаче ядерного топлива внутрь реактора.
Топливо в активной зоне реактора
Непосредственно внутри реактора активные вещества находятся в виде топливных композиций, заключаются в надежную герметичную оболочку, образуют ТВЭЛ.
ТВС после атомной станции
Тепловыделяющие сборки по завершению жизненного цикла или выгорания подлежат извлечению. После этого облученный уран уходит на выдержку, затем на переработку или захоронение.
Существует три вида ядерного топлива — плутониевое, ториевое и урановое. Но в силу сложности производства и переработки первых двух и больших запасов последнего, в качестве топлива для АЭС используют именно уран — самый тяжелый металл на нашей планете.
В 1938 году ученые выяснили, что этот элемент можно расщеплять с помощью управляемой цепной ядерной реакции — деления ядра на две части, называемые осколками деления, с одновременным выделением двух-трех нейтронов, которые, в свою очередь, могут вызвать деление следующих ядер. В осколках деления сконцентрировано большое количество кинетической энергией, а их торможение в веществе сопровождается выделением огромного количества тепла. В свою очередь, это тепло нагревает воду, превращая ее в пар, а тот в свою очередь крутит уже турбины электростанции.
Для минимизации воздействия радиации на персонал используют эффективное вентилирование шахт и ограничение времени работы непосредственно в шахте. В Канаде на одном из крупнейших в мире месторождений урановой руды в Саскачеване вовсю используют труд роботов и технику с дистанционным управлением, дабы максимально обезопасить рабочих от радиации. На открытых разработках, разумеется, дозовые нагрузки существенно меньше, но и вред для окружающей среды такой метод приносит куда более существенный.
Оптимальным способом добычи урана сегодня считается выщелачивающий метод. В горной породе бурят скважины, через которые в недра закачивается выщелачивающий реагент на основе серной кислоты, обладающий особым химическим составом. Он растворяется в недрах рудных залежей и насыщается соединениями урана, который потом выкачивается и отправляется на обогащение.
Из очищенного с помощью химических реакций урана в виде порошка получают урановый ангидрид или диоксид урана, который как раз-таки является ядерным топливом. Сам по себе металлический уран редко используют в качестве топлива. У него низкая максимальная температура фазового перехода, вдобавок, процесс цепной реакции сопровождается увеличением объема металла. Толи дело диоксид урана: у него нет фазовых переходов, он менее подвержен распуханию.
Но прежде чем отправиться в реактор, диоксид урана ждет еще несколько метаморфоз. Для начала с помощью пресса из него формируют небольшие круглые таблетки и запекают в печи при температуре в 1000 градусов Цельсия. Затем таблетки диаметром в пару сантиметров упаковывают в циркониевые трубки — по 30 штук в каждую — и запаивают концы. На этом этапе, до начала использования в реакторе, ядерные топливные элементы обладают низким радиационным фоном.
Отработанные элементы отправляют в специальный бассейн для выдержки, который обычно располагается в непосредственной близости от реактора. В отработавших топливных элементах содержится большое количество осколков деления урана, сразу после извлечения из реактора элемент очень сильно фонит. Поэтому его хранят три-четыре года в бассейнах с определенным температурным режимом под слоем воды, защищающим персонал от радиационного излучения продуктов распада урана. После этого отработавшие элементы со слабым излучением либо отправляют на утилизацию, либо перерабатывают, так как уран никогда не выгорает полностью и можно выделить его остатки, вдобавок из отходов можно получить плутоний (до 1% от всей массы отработанного ядерного топлива). Но это очень дорого, опасно и трудоемко, так что большинство стран-поставщиков обогащенного урана пока пока не отправляют ядерные отходы на переработку.