Наукова мережа ядерне електрику

Паливний цикл описує шлях, по якому паливо потрапляє в ядерний реактор, і за яким його покидає.

Всі способи виробництва палива, підготовки його до використання і утилізації відпрацьованого палива разом узяті і складають те, що називають паливним циклом. Уже сам термін "паливний цикл" передбачає, що відпрацьоване ядерної паливо може повторно використовуватися на ядерних установках в свіжих тепловиділяючих елементах після спеціальної обробки.

На відміну від вугілля, уранову руду можна подавати безпосередньо на електростанцію. Перш вона повинна бути очищена, сконцентрована і поміщена в спеціальні паливні стрижні. Малюнок 10 показує так званий "відкритий паливний цикл" в ядерній енергетиці, який використовується сьогодні в більшості країн, на найбільш загальних видах реакторів.

Після цього UF6 потрапляє на збагачувальний завод *. на якому відбувається збільшення концентрації розщеплює ізотопу U-235. У цьому процесі приблизно 85% природного уранового палива відкидається як "збіднений уран" або як "відходи" (головним чином U-238), які закладаються на тривале зберігання **. Таким чином, після збагачення приблизно 15% від початкового кількості є збагачений уран, який містить, приблизно, 3.5 відсотка ізотопу U-235.

Малюнок 10. Відкритий паливний цикл

Методи збагачення засновані на використанні малої різниці в масах атомів U-235 і U-238. Більшість існуючих установок використовують процес газоподібної дифузії, при якому газоподібний UF6 пропускається через довгий ряд мембранних бар'єрів, які дозволяють молекулам, що містить U-235, долати їх швидше ніж, молекулам, що містить U-238. Сучасні заводи використовують високооборотні центрифуги для поділу молекул, що містять ці два ізотопи.

Збагачений уран далі надходить на завод по виготовленню тепловиділяючих елементів. UF6 перетворюється на двоокис урану, керамічний матеріал, і формується в малі циліндричні таблетки, приблизно 2 см по висоті і 1.5 см в діаметрі. Ці таблетки поміщаються в спеціальні трубки, виготовлені з нержавіючої сталі (або зі сплаву цирконію), довжиною, приблизно, 4 метра і називаються тепловидільними елементами (ТВЕЛ). Трубки збирають в зв'язки, площею, приблизно, 30 кв. см, які і утворюють, так звані, реакторні паливні збірки. Паливні збірки такого типу використовуються практично у всіх легко-водяних реакторах (див. Таблицю 5). У реактор потужністю в 1000 МВт занурюють, приблизно, 75 тонн палива в таких збірках.

Канадські реактори CANDU (CANadian Deuterium Uranium) хоча і мають різні конструкції, але всі вони працюють на природному (тобто незбагаченому) урані. Замість однієї великої ємності високого тиску, що містить ядро ​​реактора, вони мають велику кількість (від 300 до 600) горизонтальних напірних труб, кожна з яких містить паливо і теплоносій у вигляді важкої води. Напірні труби проходять крізь спеціальний корпус (так звану "Каландри"), який наповнений важкою водою для управління параметрами реактора *. Паливні збірки для реакторів CANDU мають розміри 10 см в діаметрі і 50 см в довжину.

* Важка вода, або окис дейтерію, містить дейтерій, який є ізотопом водню, і має один додатковий нейтрон в ядрі.

У всіх типах діючих реакторів ланцюгова реакція поділу відбувається в паливних стрижнях, як це описано в 3.1. Швидкі нейтрони сповільнюються водою, важкою водою або графітовими стрижнями так, щоб вони могли ініціювати реакцію розщеплення. Швидкість реакції регулюється введенням в ядро ​​реактора стрижнів, що поглинають нейтрони. Теплота, що виділяється при реакції поділу, несеться теплоносієм, перетворюється в пар, який в свою чергу використовується для обертання турбіни і виробництва електроенергії.

Після видалення з реактора, відпрацьоване ядерне паливо (ВЯП) зберігає радіоактивність і виділяє тепло. Тому протягом деякого часу таке паливо витримують в басейнах під водою для відводу теплоти і захисту від іонізуючого випромінювання. Наступним кроком може бути переробка відпрацьованого ядерного палива для закриття паливного циклу (такі країни як Великобританія, Франція і Японія вибрали такий шлях "закритого паливного циклу"), або остаточне поховання, як це робиться в США, Канаді та Швеції, які обрали "відкритий паливний цикл ". Зберігання відпрацьованого ядерного палива спочатку здійснюється безпосередньо в реакторному відділенні. Потім воно може бути переміщено в інше місце, наприклад, на спеціальні склади "сухого зберігання".

Більш ранні покоління реакторів, наприклад, все ще діють у Великобританії, використовують як паливо металевий уран (а не його окис) і газове охолодження. Протягом останніх років ці реактори були модернізовані таким чином, щоб витримка паливних елементів в їх басейнах не провадилась занадто довго. Все це детально ілюструє діаграма "закритого паливного циклу" на рисунку 11. У закритому паливному циклі для легко-водяних реакторів паливо проходить точно такий же шлях. Починаючи з уранових рудників і заводів, уран проходить всі стадії перетворення і збагачення для виготовлення реакторного палива.

Після видалення палива з реактора, паливні стрижні проходять обробку на переробних заводах, де вони дробляться і розчиняються в кислоті. Після спеціальної хімічної обробки з відпрацьованого палива виділяють два цінних продукту: плутоній і невикористаний уран. Приблизно 3% палива при цьому залишається в якості високоактивних відходів. Після бітуміровання (або заскловування) ці високорадіоактивні матеріали підлягають тривалому поховання (див. 5.2-5.3).

Приблизно 96% урану, який використовується в реакторі, залишається в вичерпав паливі (в реакторі витрачається не більше 1% U-235). Як показано на рисунку 14 решта палива перетворюється в теплоту і радіоактивні продукти розпаду, а деяка частина в плутоній і інші актиноїди. Отже, переробка відпрацьованого ядерного палива може мати деякі економічні вигоди при відновленні невикористаного урану і плутонію, який був проведений в реакторі. Це також зменшує обсяг високорадіоактивних і небезпечних відходів, які необхідно належним чином зберігати, що також має певну економічну доцільність.

У відпрацьованому ядерному паливі міститься приблизно 1% плутонію. Це дуже гарне ядерне паливо, яке не потребує ні в якому процесі збагачення, воно може бути змішане з збідненим ураном (так зване змішане оксидне паливо або MOX-паливо) і поставлятися у вигляді свіжих паливних збірок для завантаження в реактори (див. 5.2). Його можна використовувати для завантаження в майбутні реактори-розмножувачі (див. Нижче).

Відновлений уран може повертатися на додаткове збагачення, або поставлятися у вигляді свіжого палива для діючих реакторів. Закритий паливний цикл, таким чином, є більш ефективною системою максимального використання урану без його додаткового видобутку на рудниках (в енергетичних одиницях економія становить, приблизно, 30%) і саме тому промисловість відразу схвалила такий підхід. Однак, такі схеми переробки відпрацьованого ядерного палива не набули широкого поширення в значній мірі через досить низьких цін на уран (сьогоднішні ціни на уран знаходяться на рівні 1980 року).

Малюнок 11. Закритий паливний цикл