Ядерное топливо

По мере развития земной цивилизации проблема энергоносителей постепенно выходит на первый план. Углеводороды, активно используемые человеком в качестве источника энергии, скоро будут исчерпаны. Одним из видов альтернативы нефти, газу и углю является атомная энергетика, работающая с ядерным топливом.

«Сердцем» любой атомной электростанции (АЭС) является ядерный реактор, в недрах которого идет управляемая цепная реакция деления атомов урана или плутония, сопровождаемая высвобождением колоссального количества энергии.

Чтобы началась управляемая цепная реакция в ядерном реакторе, в него необходимо загрузить ядерное топливо, которое в качественном плане кардинально отличается от «классического» углеводородного топлива (угля, бензина, керосина, газа, солярки и проч.). Главных отличий два: ядерное топливо чрезвычайно энергоемко и очень опасно для здоровья и жизни человека. Поэтому,  ядерное топливо требует к себе принципиально другого подхода в плане эксплуатации по сравнению с другими видами органического топлива.

Что такое ядерное топливо

Чтобы разобраться, что из себя представляет ядерное топливо, необходимо пару слов сказать о цепной ядерной реакции (ЦЯР).

В основе любой ЦЯР лежит деление ядра радиоактивного элемента на две части, которые называются осколками деления. Такое деление происходит при «бомбардировке» нейтронами ядер атома исходного вещества. Осколки деления, образовавшиеся в процессе деления ядра, обладают очень высокой кинетической энергией. Кроме этих осколков при делении ядра высвобождаются несколько нейтронов, которые способны вызывать деление следующих ядер. Такие осколки деления вместе с продуктами их радиоактивного распада называются продуктами деления.

Если ЦЯР пустить на «самотек», она станет неконтролируемой. Количество делящихся ядер и высвобождаемых нейтронов через короткий промежуток времени станет настолько большим, что приведет к высвобождению гигантского количества энергии, проще говоря, к ядерному взрыву. Именно такое деление используется в ядерном оружии. Чтобы этого не произошло, в ядерных реакторах АЭС предусмотрены меры защиты, которые искусственно тормозят ЦЯР, делая ее контролируемой.

Надо понимать, что далеко не все ядра могут делиться нейтронами. Вещество, ядра атомов которого способны делиться нейтронами любых энергий, называется ядерным горючим. Вещество, ядра атомов которого способны делиться лишь нейтронами, обладающими энергией выше некоторого определенного значения, называется сырьевым материалом. Комбинация этих двух веществ  называется ядерным топливом.

Классификация ядерного топлива

Существует всего два вида ядерного топлива, применяемого в ядерных реакторах:

• Природное урановое топливо, в котором роль ядерного горючего играет ²³⁵U, а роль сырья - ²³⁸U. Такое сырье при захвате нейтрона может образовывать плутоний ²³⁹Pu.
• Вторичное топливо, которого нет в природе. Сюда относится ²³⁹Pu, который получается из топлива первого вида, а также изотопы ²³³U, которые получаются в процессе захвата нейтронов ядрами тория ²³²Th.

Главным компонентом ядерного топлива является природный уран, состоящий из трех изотопов:

• ²³⁸U (99,282 %)
• ²³⁵U (0,712 %)
• ²³⁴U (0,006 %).

К сожалению (или к счастью), природный уран далеко не всегда можно использовать в качестве ядерного топлива. Чаще используют ядерное топливо, которое получают на основе обогащенного урана, который получают на специализированных предприятиях.

В промышленности используют либо уран с обогащением 6% и более (ядерные реакторы на тепловых нейтронах), либо уран с обогащением более 20% (ядерные реакторы на быстрых нейтронах).

Производство ядерного топлива

Источником ядерного природного топлива являются урановые месторождения.Урановое ядерное топливо получают посредством переработки природных руд урановых месторождений. Главная проблема заключается в дефиците богатых урановых месторождений. Месторождения с концентрацией урана до 3% находятся только в двух местах – в Канаде и Австралии. Все остальные урановые месторождения являются более бедными, поэтому, чтобы избежать дорогостоящей добычи руды, прибегают к способу подземного выщелачивания. Под землю, через специальные скважины, закачивают серную кислоту, которая под землей окисляет урана U (IV) до U (VI). Затем, через откачные скважины раствор серной кислоты, но уже с ураном, поднимается на поверхность. Далее из этого раствора получают уран способом гидрометаллургической переработки с одновременным обогащением.

Из рудных месторождений уран получают   обогащением руды и радиометрическим обогащением руды.

Ториевое ядерное топливо в современной промышленности не используется в силу того, что еще достаточно велики запасы урана, а промышленное производство ториевого ядерного топлива намного сложнее и дороже.

Плутониевое ядерное топливо также не нашло применения в современной промышленности по причине крайне сложной химии процесса.

Использование ядерного топлива в реакторах АЭС

В реакторах ядерное топливо используется в виде обыкновенных таблеток. Обогащенный уран прессуется в таблетки, размер которых чуть побольше классических медикаментозных таблетированных препаратов. Если лечебные таблетки имеют размер от нескольких миллиметров до сантиметров, то таблетки урана размером в несколько сантиметров.

Такие таблетки урана   пакуются в герметично закрытый тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ). В промышленности используются так называемые тепловыделяющие сборки (ТВС), состоящие из объединенных ТВЭЛов.

Далее, готовые ТВС поставляются на АЭС для загрузки в ядерный реактор. В зависимости от типа ядерного реактора конкретной АЭС, ТВС либо загружаются во время работы реактора (РБМК), заменяя выгоревшие ТВС, либо сборки заменяются большими группами во время ремонтных работ (ВВЭР, PWR). Во втором случае меняется примерно третья часть всего топлива с полной сменой его расстановки в активной зоне реактора – на место максимально выгоревших ТВС, находящихся в центральной зоне, ставится вторая треть сборок, имеющих среднее выгорание,   на их место загружаются сборки, имеющие минимальное выгорание, и расположенных по периферии. На периферию загружаются новые ТВС. Такая схема позволяет обеспечить максимально равномерное выделение энергии в используемом ядерном топливе, а также максимальный запас до кризиса теплообмена воды на оболочках ТВЭЛ.

Надо сказать, что процесс загрузки ядерного топлива в реактор описан в упрощенном виде. В реальной жизни процессу загрузки топлива в реактор предшествуют достаточно сложные ядерно-физические расчеты, с помощью которых планируются топливные и ремонтные кампании на годы вперед. Такие расчеты учитывают различные степени обогащения топлива, и обеспечивают высокие показатели эффективности работы АЭС.

Отработанное ядерное топливо, после его выгрузки из активной зоны реактора, помещается в специальный бассейн, в котором выдерживается на протяжении нескольких лет. Это связано с особенностью отработавших ТВС, которые даже после выгорания еще содержат достаточное количество осколков деления урана (каждый ТВЭЛ около 300 тысяч Кюри радиоактивных веществ), со средней мощностью порядка 100 кВт/ч. Такое количество выделяемой энергии способно разогреть на воздухе только что выгруженное топливо до 300°C. По этим причинам отработанные сборки содержатся в специальных бассейнах вблизи реактора, где поддерживается определенным температурный режим. Примерно через 3 года такой выдержки саморазогрев ТВС падает до 50-60 градусов, после чего их  извлекают и отправляют для хранения, захоронения или переработки.

Переработка ядерного топлива

Отработанное ядерное топливо после трехгодичной выдержки в специальных бассейнах, о чем было рассказано выше, отправляется на регенерацию.

Поскольку в процессе работы в реакторе ядерное топливо выгорает не в полном объеме, после его выгрузки и выдержки в бассейне, можно осуществить процесс воспроизводства отдельных изотопов (Pu).  Говоря проще, отработанные ТВЭЛы отправляются на переработку с целью регенерации оставшегося топлива и его повторного использования.

Этот процесс носит название пьюрекс-процесса. Отработанные ТВЭЛы разрезаются на части, которые подвергаются растворению в азотной кислоте. Полученный раствор очищается от продуктов деления и элементов оболочки ТВЭЛа. Из такого раствора выделяются чистые соединения урана и плутония. Полученный диоксид плутония используется в производстве новых сердечников, уран идет либо на изготовление сердечников, либо на обогащение ²³⁵U.

Надо сказать, что процессы переработки и регенерации отработанного ядерного топлива являются достаточно дорогостоящими и сложными в техническом плане.

Захоронение ядерного топлива, непригодного к регенерации, также сопряжено с рядом серьезных трудностей. Главная проблема заключается в обеспечении надежного захоронения, чтобы с течением времени не произошло разгерметизации контейнеров с отработанным ядерным топливом и радиоактивные отходы не попали в окружающую среду.