Ядерний паливний цикл

Перечитуючи те, що я з неабиякою часткою нахабства назвав «Ядерний паливний цикл», відчув, що явно чогось не вистачає. Мені здається, що потрібна ось невелика замітка, щоб зробити огляд-довідку про те, як виглядає «трудовий шлях» урану на день сьогоднішній, коли про повне підкорення закритого ядерного паливного циклу є чітко промальовані плани, а практика ще на 90% залишається такою, якою вона стала десь в 70-80 роки століття минулого. Ось і спробую зробити таку статтю - зручно буде повертатися, якщо раптом щось призабули.

Всі АЕС, як відомо, працюють на урані. Нехай він і найважчий з «нерукотворних», але уран - все одно хімічний елемент і, як хімічному елементу годиться, міститься він в земній корі в складі самих різних руд. Входить він до складу цих руд у вигляді самих різних оксидів і солей, що вміщають породи - теж різні: карбонати, силікати, сульфіди. Виглядає це часом красиво і навіть ефектно.

Уранова руда, Фото: staticflickr.com

Ось так уран світиться в ультрафіолеті:

Уран в ультрафіолеті, Фото: сезони-года.рф

А це ось, наприклад, уранініт з вкрапленнями самородної золота.

Уранініт з вкрапленнями самородної золота, Фото: dakotamatrix.com

На зорі атомного проекту були уранові руди неглибокого залягання - 150-300 метрів, але зараз практично всі такі кар'єри вироблені, і за рудою доводиться йти на глибини в кілометр, а то і більше. Ось і перші завдання: добути з такої глибини і очистити від порожніх порід.

Якщо маємо справу з міцними гірськими породами, в яких добре помітні рудні жили - будемо будувати шахти, рубати руду спеціальними машинами (радіація, чи знаєте, епоха ручної роботи минула) і витягувати її наверх. ВУкаіни це - Приаргунск родовище Чітінчкой області. Дешевший, більш «просунутий» метод, екологічно менш шкідливий - це так звана «технологія ПСВ» (підземний свердловинне вищелаіваніе). Грубо: по центру свердлимо дірку на потрібну глибину, з боків - ще кілька. У центральну свердловину закачуємо сірчану кислоту, вона вилуговує уран з породи, а отриманий розчин викачується на поверхню через бічні свердловини. Ось, наприклад, як виглядають уранові рудники на родовищах Хіагда (Бурятія) і Далур (Курганська область):

Уранові рудники на родовищах Хіагда (Бурятія) і Далур (Курганська область), Фото: armz.ru

Робота людей закінчується на етапі буріння, вся інша робота виконується механізмами та насосами. Підтримувати необхідний тиск - ось і вся турбота. Ніяких «ран» поверхні, ніяких рудних відвалів, а сірчана кислота на глибині більше кілометра - ніякої шкоди навіть ґрунтовим водам. Втім, метод ПСВ настільки цікавий, що варто до розмови про нього повернутися з великою кількістю подробиць.

Розглядаємо випадок видобутку уранової руди з шахт. Великі шматки породи: 1) сортують за ступенем радіоактивності; 2) дроблять до дрібного стану; 3) поміщають в автоклави, де при великих температурі і тиску витравлюють уран розчинами сірчаної або азотної кислоти або карбонатом натрію. Уран при цьому переходить в ці чудові розчини, а пуста порода в буквальному сенсі цього слова випадає в осад. Далі йде етап № 4: уран з розчинів осаджують порціями нових хімічних реагентів, отримуючи в результаті практично чисті сполуки урану і цих реагентів. Але що реагентів робити в реакторі, питається? Нічого. Отже, вони теж зайві на цьому святі Менделєєва, тому необхідний етап № 5: афінаж із застосуванням бікарбонату амонію. Зубодробильні назва, а хтось адже саме цим і займається. І тепер залишається етап № 6 - отримані після афінажу сухі чисті опади уранових солей прокаливают при температурах від 240 до 850 градусів, щоб отримати широко відомий у вузьких колах жовтий кек (він же - закис-окис урану, він же U3O8). Ось він, рідний.

Жовтий кек, Фото: fresher.ru

Хоча колір, звичайно, не завжди такий життєрадісний, буває і куди більш скромний.

Зверну вашу увагу, що всі описані шість етапів виробляються безпосередньо біля шахт. Будь-урановий рудник - місце, де концентруються хімічні виробництва.

Жовтий кек зручний тим, що він дуже стабільний, у нього низька радіоактивність - отже, він придатний до транспортування. І везуть його ближче до центрифуг, щоб зробити останню хімічну процедуру - з оксиду урану перевести у фторид урану. Цей процес атомники називають конверсією урану, і без нього - просто ніяк. Фторид урану зручний тим, що при нагріванні до 53 градусів він не плавиться, а відразу перетворюється в газ, який і надходить на збагачення за допомогою центрифуг. Збагачення - це збільшення концентрації урану-235 з природного значення 0,7% до необхідних 4% (в середньому, на самому ділі - від 2,6% до 4,8% для різних типів атомних реакторів). Якщо хтось встиг скучити за зовнішнім виглядом наших збагачувальних комплексів (а вони у нас аж в чотирьох місцях: УЕХК - Уральський електрохімічний комбінат в Новоуральске Свердловської області; СХК - Сибірський хімкомбінат в Сіверську Лисичанської області; АЕХК - Ангарський електрохімічний комбінат; ЕХЗ - Електрохімічний завод в Зеленогорську Горловкаого краю), то ось, будь ласка:

З центрифуг, само собою, на виході - все той же газ, все той же фторид урану, тільки тепер в ньому більше урану-235. Газ в реактор НЕ запхнути - відповідно, фторид доводиться знову перетворювати в оксид урану (точніше - в діоксид, UO2), а це вже порошок.

Порошок діоксиду урану методом порошкової металургії перетворюють в паливні таблетки діаметром близько 1 см і товщиною від 1 до 1,5 см. Таблетки акуратно розміщують в тонкостінні трубки зі сплаву цирконію і 1% ніобію довжиною в 3,5 метра для сучасних ВВЕР. Ця трубка, набита 1.5 кг уранових таблеток, і є той самий ТВЕЛ: тепловиділяючих елемент. Ось вони, красиві:

Відбувається ця робота вУкаіни на машинобудівному заводі в місті Електросталь Московської області і на Одессаом заводі хімконцентратів. Цирконій відливають у Глазові Удмуртської республіки на Чепецькому механічному заводі. ТВЕЛи конструктивно об'єднують в ТВС - тепловиділяючі збірки. Виглядають вони ось так:

ТВС - тепловиділяючі збірки, Фото: atomic-energy.ru

У перетині, як бачите, шестигранник-сота, і це - радянсько-український дизайн. А ось ТВС- «квадрат» дизайну західного:

У мене частину дитинства на пасіці діда пройшла, так що я дуже упереджений - наші «стільники» мені більше подобаються.

Ось тепер уран у вигляді таблеток, які розміщені в ТВЕЛ, які об'єднані в ТВС, можна помістити в «піч» - в активну зону реактора АЕС. Протягом наступних 18 місяців, які прийнято називати «паливною компанією», уран «горить», поступово перетворюючись в ВЯП. Ось картинка того, як виглядає реактор перед початком паливної кампанії:

Мені здається, що така от історія урану з картинками потрібна була з самого початку розповіді про ядерному паливному циклі. Прошу сильно мене не лаяти, за те, що я не зробив її спочатку - блогер я старий тільки за віком, а за молодості помилки - звичайна справа. Пропоную цю замітку вважати «№ 0» в циклі оповідань про ядерне паливо!