Добыча, переработка, использование и хранение ядерного топлива

Ядерное топливо – это вещество способное выделять энергию в реакторе поддерживая ядерную цепную реакцию.

Все процессы, вовлеченные в получение, очистку и использование этого ядерного топлива, составляют цикл, известный как топливный цикл.

Наиболее распространенными видами ядерного топлива являются радиоактивные металлы уран-235 и плутоний-239.

Уран в качестве основного ядерного топлива

Уран является относительно распространенным элементом, который встречается во всем мире. Он добывается в ряде стран и должен быть переработан, прежде чем его можно будет использовать в качестве ядерного топлива и использования энергии ядерной реакции.

Уран-235 используется в качестве источника энергии в различных концентрациях. Некоторые реакторы, такие как тяжеловодный водо-водяной, могут использовать природный уран с концентрацией урана-235 всего 0,7%, в то время как другие реакторы требуют более значительного обогащения урана до уровней от 3% до 5%. Природный уран является слегка радиоактивным металлом, который встречается по всей земной коре. Он примерно в 500 раз более распространен, чем золото, и примерно так же распространен, как олово. Он присутствует в большинстве пород и почв, а также во многих реках и в морской воде. Природный уран, например, содержится в концентрации около четырех частей на миллион в граните, что составляет 60% земной коры. В удобрениях концентрация урана может достигать 0,04%, а некоторые угольные месторождения содержат металл в концентрациях более 0,01%. Большая часть радиоактивности, связанной с ураном в природе, на самом деле обусловлена другими минералами, полученными из него в результате процессов радиоактивного распада, и которые остаются в добыче и измельчении.

Во всем мире существует ряд областей, где концентрация урана в земле достаточно высока, что добыча его для использования в качестве ядерного топлива экономически целесообразна. Такие концентрации называются рудными.

Добыча урана

Для извлечения урановой руды используются как подземные так открытые методы раскопок. Карьерные шахты требуют больших свободных территорий на поверхности, чем размер рудного месторождения, так как стены карьера должны быть наклонными, чтобы предотвратить обрушение. В результате количество материала, которое должно быть удалено для доступа к руде, может быть большим. добыча урана Подземные шахты имеют относительно небольшие территории, и количество материала, которое должно быть удалено для доступа к руде, значительно меньше, чем в случае открытой шахты. В подземных шахтах для защиты от воздействия радиации в воздухе требуются особые меры предосторожности, в первую очередь повышенная вентиляция.

Решение о том, какой способ разработки использовать для конкретного месторождения, определяется характером рудного тела, безопасностью и экономическими соображениями.

Плутоний

Плутоний-239 производится и используется в реакторах размножителях на быстрых нейтронах, которые содержат значительные количества урана-238. Его можно также рециркулировать и использовать как вещество способное выделять энергию в термальных реакторах. Вещество имеет большую активность чем уран.

Плутоний-238 применяется  в малогабаритных радиоизотопных источниках  энергии.

плутоний

Торий

В настоящее время проводятся исследования по использованию тория-232 в качестве источника.

1 грамм чистого тория произведет больше энергии, чем 28 тыс. литров бензина. Однако этот элемент в цепочке распада должен быть превращен из Тория-232 в Уран-233 который представляет высокоэффективное ядерное топливо.

Тория на Земле больше чем урана, он менее токсичен и не образовывает долгоживущие радиоактивные изотопы.

Производство ядерного топлива

Заводы по производству являются объектами, которые преобразуют обогащенный уран в ядерное топливо для реакторов. Для легководных реакторов уран получают с обогатительной фабрики в твердом виде. Затем он химически превращается в порошок диоксида урана. диоксид урана Этот порошок прессуется в брикеты. брикеты топлива

Смешанное оксидное топливо также может быть создано, когда порошок  упакован вместе с оксидом плутония. Опасности, существующие на объектах по изготовлению топлива, главным образом химические и радиологические, аналогичны опасностям на обогатительных фабриках. Эти объекты, как правило, представляют низкий риск для общественности.

Использование

При использовании вещества способные выделять энергию могут иметь множество различных форм металла, сплава или какого-то оксида.

Большинство реакторов питаются соединением, известным как диоксид урана. Этот диоксид урана собирается в тепловыделяющую сборку и вводится в ядерный реактор, где он может оставаться в течение нескольких месяцев или нескольких лет.

В реакторе ядерное топливо подвергается делению и выделяет энергию. Эта выделяющаяся энергия используется для выработки электроэнергии. Нейтроны, высвобождаемые в процессе деления, позволяют протекать цепной реакции деления, что позволяет непрерывно генерировать энергию. Отработанное вещество удаляется из реактора после того, как большие количества – будь то уран-235 или плутоний-239—подверглись делению. “Использованное” ядерное топливо известно как отработанное или облученное вещество. После использования вещество необходимо охлаждать в течение нескольких лет, так как оно очень горячее.

Отработанное ядерное топливо помещается в большие глубокие бассейны с водой с радиационным экраном, которые действуют как охлаждающая жидкость. Вода используется как хладагент понижая температуру, а экран защищает работников от радиоактивности. После охлаждения использованное ядерное топливо может быть переориентировано или отправлено на хранение в зависимости от правил.

Топливные стержни

Ядерные реакторы работают на порошкообразном диоксиде урана, который был сжат в небольшие гранулы. Для получения большого количества гранул они связываются в топливный стержень.ядерное топливо

Одна урановая топливная таблетка размером с кончик пальца может выдать энергии как 481 кубический метр природного газа, 807 килограммов угля или 564 литра нефти. Стержни состоят из многочисленных гранул радиоактивного уранового топлива.

Они могут быть несколько метров в длину и около сантиметра в диаметре. Несколько таких стержней, обычно больше десяти, удерживаются вместе прочными металлическими кронштейнами в тепловыделяющей сборке. Эти штанги между собой имеют зазоры несколько миллиметров между каждой штангой для того, чтобы позволить хладоагенту проходить между ними. Трубки, содержащие гранулы урана, обычно состоят из циркония.

Преимущества и недостатки ядерного топлива

Во всем мире имеются достаточные запасы урана. Хотя ядерное топливо не является возобновляемым, оно является устойчивым, поскольку его так много. В конце концов, оно закончится, но не в этом веке.
В отличие от ископаемых источников, использование ядерного топлива для производства энергии напрямую не приводит к образованию углекислого газа или диоксида серы. Следует отметить, что процессы добычи, транспортировки и переработки имеют связанные с ними выбросы углерода, сравнимые с выбросами ветровой и солнечной энергии.
Хотя углеродный след от использования меньше, все еще существуют недостатки использования ядерного топлива.

Как недостаток, необходимо очень осторожное обращение из-за его радиоактивности. Ядерное топливо требует гораздо более сложных систем для извлечения энергии, что требует более строгого регулирования. Эти сложные системы регулирования должны работать долгое время без сбоев. Кроме того, общественное мнение по атомной энергии, как правило, более негативное, чем по другим источникам энергии.
Переоценка опасностей, связанных с выбросами радиоактивных материалов, является важной проблемой, поскольку крупномасштабные ядерные инциденты происходят и приводят к большим катастрофам.ядерная электростанция
В настоящее время не существует действующих объектов захоронения (в отличие от хранилищ), в которые можно было бы помещать отработанное топливо, не предназначенное для переработки, и отходы от переработки. В любом случае материал находится в твердой, стабильной форме отходов.
Хотя технические вопросы, связанные с удалением, являются простыми, в настоящее время нет острой технической необходимости в создании таких установок, поскольку общий объем таких отходов относительно невелик. Кроме того, чем дольше он хранится, тем легче его обрабатывать из-за постепенного снижения радиоактивности.
Существует также нежелание утилизировать использованное топливо, поскольку оно представляет собой значительный энергетический ресурс, который может быть переработан на более позднем этапе для обеспечения рециркуляции урана и плутония.

Ряд стран проводят исследования для определения оптимального подхода к удалению отработавшего топлива и отходов переработки. Общее согласие одобряет его размещение в глубоких геологических хранилищах, приблизительно на 500 метров ниже, первоначально извлекаемых, прежде чем быть навсегда запечатанным.