Производство ядерной энергии проходит так называемый ядерный топливный цикл:
- отслеживание уранового (или иного ядерного) топлива от добычи и измельчения,
- обогащение до изготовления тепловыделяющих элементов,
- загрузка тепловыделяющих элементов в реактор,
- эксплуатация реактора,
- переработка отработавшего топлива,
- постоянное захоронение ядерных отходов в подземных хранилищах.
В настоящее время перерабатывается лишь небольшая доля отработавшего топлива и не функционируют постоянные хранилища отходов высокого уровня.
Принципиальная схема ядерного цикла
Ядерный топливный цикл для обычной ядерной энергетики начинается с добычи ядерного топлива урана и заканчивается утилизацией.
Добыча урана, как подземным, так и поверхностным способом, аналогична добыче угля.
Добыча
Горные работы, начинающие ядерный топливный цикл представляют опасность и имеют одно важное отличие при добыче сырья: наличие газа радона.
Радон является промежуточным продуктом в радиоактивном распаде U-238. После нескольких стадий распада образуется химически инертный, но радиоактивный газ радон-222, который накапливается в рудном теле. Будучи газом, его можно вдыхать, и поэтому необходимо позаботиться о том, чтобы хорошо проветривать шахты.
К сожалению, это не всегда было практикой в прошлом—или даже в некоторых странах с низким уровнем дохода, производящих уран сегодня. А для жителей, проживающих вблизи урановых рудников, угроза их здоровью сохраняется на протяжении многих десятилетий, даже после закрытия рудников.
Измельчение
После добычи руда дробится и измельчается до консистенции мелкого песка, а Уран извлекается с помощью химических растворителей. Этот «желтый пирог» с химическим составом состоит только из 0,7% U-235, причем почти весь остаток является более стабильным U-238, который не может быть непосредственно расщеплен.
Обогащение
Доля U-235 в природном уране слишком мала, чтобы использовать его в качестве ядерного топлива в большинстве существующих реакторов, работающих сегодня. Сырье должно быть «обогащено», чтобы увеличить долю U-235 в топливе, как правило, до 3 %. Для обогащения желтый кек сначала преобразуется в газ (гексафторид урана). Несколько более легкий U-235 может быть затем отделен от U-238; два основных метода для этого используют либо газодиффузионные, либо газовые центрифуги. Многократные пропуски газа через обогатительную установку необходимы для обогащения даже до 3 %. (Некоторые возможные типы реакторов, включая реакторы с газовым охлаждением и реакторы с тяжелой водой под давлением, не требуют обогащения урана. Однако большая часть легководных реакторов требуют обогащения.
Однако то же самое оборудование может также использоваться для производства высокообогащенного U-235, оружейного материала (и расщепляющегося топлива, использованного в атомной бомбе США в 1945 году).
Гражданская ядерная энергетическая программа может обеспечить идеальное прикрытие для высокообогащенной урановой программы. По крайней мере, она оставляет этот вариант открытым для страны—и заставляет соседние страны думать худшее о чистоте ядерных намерений.
Обогащение, даже до низких уровней, является достаточно энергоемким процессом. Хотя центрифужный метод является гораздо более энергоэффективным, большая часть обогащенного урана все еще производится на более ранних газодиффузионных установках. Из-за этой зависимости от неэффективной технологии обогащение составляет большую часть энергетических затрат в ядерной энергетике.
Тепловыделяющие элементы
Тепловыделяющие элементы представляют собой единую конструкцию заполненную таблетками обогащенного ядерного топлива. Именно они дают энергию ядерной реакции. Тепловыделяющий элемент конструктивно состоит из сердечника и герметичной оболочки. Элементы объединены в сборки по 18 штук которые непосредственно загружаются в активную зону ядерного реактора.
Эксплуатация
Современные коммерческие атомные электростанции — это почти все реакторы деления: тяжелые атомы (обычно урана) подвергаются делению, но продукты этого процесса имеют немного меньшую массу, чем исходные атомы.
Недостающая масса (m) преобразовывается в энергию (E) в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc2, где c-скорость света.
Продукты деления обычно включают два или три нейтрона, испускаемых с высокой скоростью, которые могут быть использованы для дальнейшего деления атомов урана. Но поскольку эти быстрые нейтроны менее эффективны при делении атомов U-235, чем более медленные нейтроны для их замедления используется замедлитель. Вода является наиболее часто используемым замедлителем, но также используются газы CO2 и гелий. Медленные нейтроны также называют тепловыми нейтронами, а реакторы, которые их используют, — тепловыми реакторами.
Если бы все нейтроны, испускаемые в процессе деления, могли быть использованы для дальнейшего расщепления атомов U-235, то топливо было бы чрезвычайно быстро истощено в результате безудержной цепной реакции, как это происходит в атомных бомбах с делением. Для поддержания цепной реакции требуется только один нейтрон от каждого деления. Избыточные нейтроны убираются поглощающими нейтроны управляющими стержнями так, чтобы получалась устойчивая скорость деления и, таким образом, тепловая мощность. Управляющие стержни изготавливаются из материалов, способных поглощать нейтроны без их расщепления. Легкий элемент бор часто используется в виде высокобористой стали или карбида бора в качестве абсорбента.
Переработка отработавшего топлива
Ядерный топливный цикл предусматривает удаления топливных стержней из активной зоны задолго до того, как произойдет деление всего U-235, из-за накопления поглощающих нейтроны побочных продуктов деления, которые препятствуют (или «отравляют») цепную реакцию.
После удаления облученные отработавшие топливные стержни помещают в большие водяные баки для охлаждения. Топливные стержни содержат большую часть продуктов деления U-235, и они часто интенсивно радиоактивны, с коротким периодом полураспада.
После 10 периодов полураспада радиоактивность данного изотопа распадется менее чем до одной тысячной его первоначального уровня (поскольку 2 в десятой степени равно 1024). Так что для изотопов с периодом полураспада, измеряемым в днях, несколько месяцев в охлаждающем пруду позволят значительно снизить радиоактивность.
Некоторые изотопы имеют очень длительный период полураспада, так для плутония-239 это значение составляет 24 100 лет. Потребуется почти 250 000 лет, чтобы его радиоактивность упала до безопасного уровня.
Постоянное захоронение ядерных отходов
Длительный период полураспада образовавшегося плутония (и других элементов с еще более высокими атомными номерами) создает необходимость в долгосрочном безопасном подземном захоронении высокоактивных радиоактивных отходов, являющихся конечным звеном топливного цикла.
После более чем 60-летнего развития ядерного оружия и гражданской ядерной энергетики не было создано ни одного постоянного места захоронения отходов. Вместо этого высокоактивные отходы как гражданских, так и военных программ хранятся над землей в резервации. Эти резервуары, срок эксплуатации которых составляет всего несколько десятилетий за последние десятилетия испытали серьезные утечки. Это, а также опыт других ядерных свалок и практики удаления токсичных отходов не предвещают ничего хорошего для безопасного удаления ядерных отходов. Сокращение расходов всегда было отличительной чертой всех видов утилизации токсичных отходов.
Проблема будущих поколений
Даже правильная утилизация наших отходов в ядерном топливном цикле не приносит никаких экономических выгод будущим поколениям: для них это будет излишняя финансовая нагрузка.
И мы не имеем ни малейшего представления о том, каким будет мир в будущем, поскольку значительное изменение климата в прошлом произошло в течение десятилетия или меньше.
Мы не можем быть уверены в том, что даже через сотни лет незанятые земли останутся незанятыми, или что режимы подземных вод, которые мы наблюдали в прошлом, будут каким-то ориентиром в будущем. Независимо от того, будет ли у нас «ядерный ренессанс» или нет, существующие долгоживущие отходы будут преследовать нас или, скорее, наших потомков—в течение миллионов лет.
