Ez egy további forrás a nukleáris üzemanyag beszerzéséhez. Atomerőművek

A nukleáris fűtőanyag reaktorokban hőenergia előállítására való felhasználásának számos fontos jellemzője van fizikai tulajdonságokés a folyamatban lévő folyamatok nukleáris jellege. Ezek a jellemzők határozzák meg az atomenergia sajátosságait, technológiájának jellegét, speciális működési feltételeit, gazdasági teljesítményét és környezetterhelését. Meghatározzák azokat a főbb tudományos, műszaki és mérnöki problémákat is, amelyeket a megbízható, gazdaságos és biztonságos nukleáris technológia széles körű fejlesztésével meg kell oldani.

Főbb jellemzők nukleáris üzemanyag, az energiafelhasználás során megnyilvánuló:

1. magas fűtőértéke, azaz hőleadás a szétválasztott nuklidok tömegegységére vonatkoztatva;

2. az összes hasadó nuklid teljes "elégetésének" (hasadásának) lehetetlensége a tüzelőanyag egyszeri reaktorban való tartózkodása miatt, mivel a reaktormagban mindig szükség van egy kritikus tömegű tüzelőanyagra, és csak azt a részét lehet „égetni”, amely meghaladja a kritikus tömeget;

3. a hasadó nuklidok részleges, bizonyos feltételek mellett teljes, sőt kiterjesztett szaporodásának (konverziójának) képessége, pl. másodlagos nukleáris üzemanyag előállítása nukleáris anyagok újratermeléséből (238 U és 232 Th);

4. A nukleáris fűtőanyag reaktorban történő „elégetéséhez” nincs szükség oxidálószerre, és nem kíséri folyamatos „égés” termékek kibocsátása a környezetbe;

5. A hasadási folyamat egyszerre jár együtt radioaktív, rövid és hosszú élettartamú hasadási termékek, valamint olyan bomlástermékek felhalmozódásával, amelyek hosszú ideig megőrzik a magas radioaktivitást. Így a reaktorban besugárzott és az abban elköltött fűtőanyag rendkívül magas radioaktivitású, és ennek következtében bomláshővel rendelkezik, ami különleges nehézségeket okoz a besugárzott nukleáris üzemanyag kezelésében;

6. a nukleáris üzemanyag hasadásának láncreakciója hatalmas neutronáramok felszabadulásával jár. Nagy energiájú neutronok (E>0,1 MeV) hatására a reaktor besugárzott szerkezeti anyagaiban (tüzelőanyag burkolat, fűtőelem kazetta részei, reaktoron belüli berendezések, tartály), valamint a hűtőfolyadékban és a biológiai védőanyagokban, a reaktor és biológiai védelme közötti teret kitöltő gáznemű atmoszféra, számos kémiailag stabil (nem radioaktív) elem átalakul radioaktívvá. Van egy úgynevezett indukált tevékenység.

A nukleáris üzemanyag nagy hőtermelő képessége annak köszönhető, hogy az urán vagy plutónium nehéz atomjának minden egyes hasadási művelete során jelentős intranukleáris energia szabadul fel. A fosszilis tüzelőanyagok elégetése során kémiai oxidációs folyamatok mennek végbe, melyekhez viszonylag kis energiafelszabadulás társul.

A szénatom égése (oxidációja) során a C + O 2 → CO 2 reakciónak megfelelően minden egyes kölcsönhatási aktusra körülbelül 4 eV energia szabadul fel, míg az urán atommag hasadása során 235 U + n. → X 1 + X 2, körülbelül 200 MeV energia hasadási eseményenként. Az egységnyi tömegre eső ilyen erősen koncentrált energiafelszabadulás hatalmas termikus feszültségekhez vezet. A hőmérséklet-különbség a tüzelőanyag-elem sugara mentén eléri a több száz fokot.

Ezen túlmenően, a maganyagok hatalmas dinamikus és sugárzási terhelést szenvednek a hűtőfolyadék áramlása, valamint a nagy sűrűségű ionizáló sugárzások tüzelőanyagára és szerkezeti anyagaira gyakorolt ​​erőteljes sugárzási hatása miatt. Különösen a gyorsneutronok sugárzási hatása okoz jelentős sugárzási károkat a reaktor szerkezeti anyagaiban (ridegedés, duzzanat, fokozott kúszás). Ezért a reaktorokban használt anyagokkal szemben különleges követelmények vonatkoznak. Az egyik a szennyeződésektől (ún. nukleáris minőségű anyagoktól) szembeni legmagasabb fokú tisztaság. Emiatt a neutronok anyagi kölcsönhatásának és abszorpciójának (ami fontos a hasadási láncreakció fenntartásához) keresztmetszete minimális.

A reaktorépítés során felhasznált anyagok összetételére és tulajdonságaira vonatkozó követelmények olyan magasnak bizonyultak, hogy számos új és fejlett technológia kidolgozását kezdeményezte a speciális anyagok és félkész termékek, valamint a speciális minőségük ellenőrzésére szolgáló módszerek és eszközök. Jelenleg olyan technológiát fejlesztettek ki és sajátítottak el ipari előállítására, mint a berillium, a nukleáris tisztaságú grafit, a nehézvíz, a cirkónium és nióbium ötvözetek, a kalcium-fém, a bór és a hőálló rozsdamentes acélok, a 10 V-os feszültséggel dúsított bór. izotóp és ritkaföldfém elemek.

A magas kalóriatartalom a termeléshez szükséges nukleáris fűtőanyag tömegének és fizikai térfogatának jelentős csökkenését okozza adott összeget energia. Így a nyersanyag (természetes urán vegyi koncentrátum) és a kész üzemanyag tárolása és szállítása viszonylag alacsony költségeket igényel. Ennek következménye az atomerőművek elhelyezkedésének függetlensége a nukleáris üzemanyag előállítási és gyártási területétől, ami jelentősen befolyásolja a termelőerők gazdaságilag előnyös földrajzi elhelyezkedésének megválasztását. Ebben az értelemben beszélhetünk a nukleáris üzemanyag univerzális jellegéről. Magfizikai tulajdonságai mindenhol azonosak, a felhasználás gazdaságossága gyakorlatilag nem függ a fogyasztó távolságától. Az a lehetőség, hogy az atomerőművek elhelyezkedését ne kössék össze a nukleáris üzemanyag előállítási és gyártási helyével, lehetővé teszi azok gazdaságilag optimális elhelyezését az egész országban, a lehető legközelebb hozva őket az elektromos és hőenergia fogyasztókhoz. A fosszilis tüzelőanyaggal működő erőművekhez képest az atomerőműveknek nincs nehézsége a szezonális éghajlati viszonyokkal az üzemanyag szállítása és ellátása terén. Az altalajból kinyert és feldolgozás alatt álló nukleáris anyagok nagyon alacsony költséggel tetszőleges éven át tárolhatók anélkül, hogy nagy és drága tárolóhelyekre lenne szükség.

A nukleáris üzemanyag ismételt keringetésének szükségessége az üzemanyagciklusban, és a teljes elégetésének lehetetlensége a reaktorban való egyszeri tartózkodás során a hasadási láncreakció fenntartásának szükségessége miatt. A magban önfenntartó láncreakció csak akkor lehetséges, ha adott konfigurációban és a neutronok lassítására és elnyelésére meghatározott feltételek mellett kritikus tömegű hasadóanyag van benne. Ezért ahhoz, hogy a reaktorban hőenergiát nyerjünk, adott ideig a tervezett teljesítménnyel üzemelve, szükséges, hogy a zónában a kritikus tömeget meghaladó mennyiségű hasadó nuklid legyen. Ez a többlet a reaktormag reaktivitási határát hozza létre, amely szükséges a meghatározott vagy számított tüzelőanyag elégetéséhez. A nukleáris üzemanyag elégetése A reaktormagban az elsődleges és másodlagos hasadó nuklidok elköltésének folyamatát nevezik a neutronokkal való kölcsönhatás során bekövetkező hasadás eredményeként. A kiégést általában a felszabaduló hőenergia mennyisége vagy a reaktorba betöltött tüzelőanyag egységnyi tömegére vetített leválasztott nuklidok mennyisége (tömeg) határozza meg. Ezért egy bizonyos mennyiségű urán elégetéséhez a reaktorban a kritikusnál lényegesen nagyobb tömegű üzemanyaggal kell betölteni. Ugyanakkor a megadott kiégési mélység elérése után, amikor a reakcióképességi határ kimerül, a hasadási láncreakció fenntartásához szükséges a kiégett fűtőelemek friss fűtőanyagra történő cseréje. Az a követelmény, hogy a reaktorzónában állandóan nagy tömegű nukleáris fűtőanyagot kell tartani, amelyet az adott teljesítmény biztosítására terveztek hosszú üzemidőre, jelentős egyszeri költséget okoz az első fűtőanyagrakomány és az azt követő üzemanyag-feltöltésre előkészített tételek kifizetéséhez. Ez az egyik lényeges és alapvető különbség a nukleáris üzemanyag erőművekben való felhasználásának feltételei között a szerves tüzelőanyaghoz képest.

A zónából kirakott kiégett fűtőelem azonban jelentős mennyiségű hasadóanyagot és jelentős értékű termékeny nuklidot tartalmaz majd. Ez az üzemanyag utána vegyi tisztítás A hasadási termékek visszakerülhetnek az üzemanyagciklusba újrafelhasználás céljából. A kiégett fűtőelemben a hasadó nuklidok mennyisége, amely az egyszeri reaktorban való tartózkodása során felhasználatlan marad, a reaktor típusától és a fűtőelem típusától függ, és az eredetileg betöltött fűtőelemek akár 50%-a is lehet. Természetesen az ilyen értékes "hulladékot" fel kell használni. Ennek érdekében speciális műszaki létesítmények és létesítmények jönnek létre a kiégett fűtőelemek (SFA) tárolására, szállítására és kémiai regenerálására. Az SFA-kból kinyert hasadóanyagok visszajuttathatók és ismételten keringethetők a nukleáris ipar reaktorain és üzemanyag-vállalkozásain keresztül: olyan radiokémiai üzemeken keresztül, amelyek biztosítják a reaktorból kirakott fűtőelem regenerálódását (hasadási termékek és szennyeződések tisztítását), majd az üzemanyagciklusba való visszavezetését. a szükséges további dúsítás hasadó nuklidokkal; új fűtőelemek gyártására szolgáló acélgyárak, amelyekben regenerált tüzelőanyagot adnak a friss, nem reaktorban besugárzott üzemanyaghoz. Így az atomenergia-iparban a tüzelőanyag-ellátás sajátossága az a műszaki lehetőség és igény, hogy az urán és a plutónium hasadó és termékeny izotópjait a körforgásba vissza kell állítani (újrahasznosítani), amelyeket nem használtak fel egyszeri tartózkodási körülmények között. reaktor. A zavartalan üzemanyag-ellátás érdekében az üzemanyagciklussal foglalkozó vállalkozások szükséges kapacitásait megteremtik. Olyan vállalkozásoknak tekinthetők, amelyek kielégítik az atomenergia, mint iparág "saját igényeit". A nukleáris üzemanyag-tenyésztő reaktorokra épülő atomenergia-fejlesztés koncepciója az urán és a plutónium újrahasznosításának lehetőségén alapul. Emellett az urán és a plutónium újrahasznosítása jelentősen csökkenti a természetes urán iránti igényt és a termikus neutronreaktorok urándúsítási kapacitását, amelyek jelenleg uralják a fejlődő atomenergia-ipart. Amíg nem történik a kiégett fűtőelemek újrafeldolgozása, addig az uránt és a plutóniumot sem hasznosítják újra. Ez azt jelenti, hogy a termikus reaktorok csak bányászott és feldolgozott uránból származó friss üzemanyaggal üzemeltethetők, míg a kiégett fűtőelemeket tárolják.

A nukleáris fűtőanyag tenyésztése szinte minden energiatermelésre tervezett reaktorban megtörténik, amely a hasadóanyagokkal együtt termékeny nyersanyagokat (238 U és 232 Th) tartalmaz. Ha nem vesszük figyelembe azt a hipotetikus esetet, hogy egyes speciális reaktorokhoz szuperdúsított (~ 90%-os) urántüzelőanyagot használnak, akkor az energetikai iparban használt összes atomreaktorban részleges, bizonyos feltételek megteremtésekor pedig teljes lesz. sőt a nukleáris üzemanyag - plutónium izotópok kiterjesztett reprodukálása is, amelyek fűtőértéke megegyezik a 235 U-éval. A plutónium tiszta formában elválasztható a kiégett üzemanyagtól a vegyi feldolgozó üzemekben, és felhasználható vegyes urán-plutónium üzemanyag előállítására. A plutónium bármely termikus neutronreaktorban történő előállításának lehetősége lehetővé teszi, hogy bármely atomerőművet kettős célú vállalkozásnak minősítsenek: nemcsak hő- és elektromos energiát állítanak elő, hanem új nukleáris üzemanyagot - plutóniumot - állítanak elő. A plutónium szerepe azonban nemcsak a kiégett fűtőelemekben való felhalmozódásában nyilvánul meg. A keletkező hasadó plutónium izotópok jelentős része a reaktorban hasadáson megy keresztül, javítva a tüzelőanyag-egyensúlyt és hozzájárulva a zónába töltött üzemanyag elégetésének növekedéséhez. A legcélravezetőbb a mai elképzelések szerint a plutónium gyorsneutronos reaktorokban történő alkalmazása, ahol lehetővé válik a kritikus tömeg, és ennek következtében a terhelés 235 U-hoz képest 20-30%-os növelése, valamint a nagyon magas egységet meghaladó együtthatók.szaporodás. A plutónium felhasználása a termikus neutronreaktorok fűtőanyag-terhelésében, bár nem teszi lehetővé a kritikus tömeg jelentős növekedését és olyan magas szaporodási sebesség elérését, mint a gyorsneutronos reaktorokban, azonban nagy hatást fejt ki a nukleáris üzemanyag-források növelésével .

V atomenergia Az urán mellett lehetőség nyílik a tóriumos üzemanyagciklusok fejlesztésére. Ugyanakkor a 232 Th természetes izotópból 233 U-t nyernek, ami nukleáris tulajdonságaiban hasonló a 235 U-hoz. Jelenleg azonban nehéz az urán-tórium ciklus jelentősebb felhasználására számítani az atomenergia-technikában. . Ez azzal magyarázható, hogy a 232 Th a 238 U-hoz hasonlóan csak termékeny, de nem hasadó anyag, a tóriumfeldolgozási technológia pedig számos sajátos tulajdonsággal rendelkezik, és ipari méretekben még nem sajátították el. Természetes uránból ugyanakkor még nincs hiány. Ezenkívül a raktárakban folyamatosan halmozódik fel az uránhulladék, amely készen áll a nemesítő reaktorokban termékeny anyagként történő felhasználásra.

Az energiatermeléshez szükséges oxidálószer hiánya az atomenergia használatának egyik legfontosabb környezeti előnye a szénhidrogénekhez képest. Az atomerőművek gázkibocsátása elsősorban az állomás szellőzőrendszereinek igényeiből adódik. Az atomerőművekkel ellentétben évente több millió köbméter égési gáz kerül a levegőbe. Ide tartoznak mindenekelőtt a szén-, nitrogén- és kén-oxidok, amelyek tönkreteszik a bolygó ózonrétegét, és nagy terhet rónak a szomszédos területek bioszférájára.

Sajnos az atomenergia előnyei mellett vannak hátrányai is. Ide tartozik különösen a munkahelyi oktatás. nukleáris reaktor hasadási és aktivációs termékek. Az ilyen anyagok zavarják magának a reaktornak a működését, és radioaktívak. A keletkező radioaktív hulladék mennyisége azonban korlátozott (sokkal nagyságrendekkel kevesebb, mint a hőerőművekből származó hulladék). Ezen kívül vannak bevált technológiák tisztításukra, extrakciójukra, kondicionálásukra, biztonságos tárolásukra és ártalmatlanításukra. Számos kiégett fűtőelemből kinyert radioaktív izotópot aktívan használnak ipari és egyéb technológiákban. Nál nél további fejlődés Az SFA-k újrafeldolgozási technológiáinak köszönhetően a hasadási termékek – nagy értékű ritkaföldfémek – kinyerésére is van kilátás.

Miért az urán?

Az emberiség elektromos vezetékekkel kötözte össze kezét-lábát. Háztartási gépek, ipari berendezések, közvilágítás, trolibuszok, metrók, elektromos vonatok – a civilizáció mindezen előnyeit az elektromos hálózat táplálja; értelmetlen "vasdarabokká" válnak, ha az áram valamiért meghibásodik. Az emberek azonban már annyira hozzászoktak az áramellátás állandóságához, hogy minden leállás elégedetlenséget, sőt kényelmetlenséget okoz. És tényleg, mit tegyen az ember, ha az összes készülék egyszerre kialudt, beleértve a legkedveltebbeket is - egy TV, egy számítógép és egy hűtőszekrény? Különösen nehéz elviselni az "elszakadást" az esti órákban, amikor munka vagy tanulás után úgy akarod, ahogy mondani szokás, meghosszabbítani a nappali órákat. Megment egy tablet vagy egy telefon, de végülis azoknak is van töltése, ami nem örök. Még rosszabb, ha egy "börtöncellában" köt ki, amelybe egy áramszünet parancsára befordulhat egy liftkabin vagy egy metrókocsi.

Miért ez a sok beszéd? És arra a tényre, hogy az "elektromos" emberiségnek szüksége van stabil és erőteljes energiaforrásokra - mindenekelőtt az elektromosságra. Hiányával bosszantóan gyakoriak lesznek az áramszünet, csökken az életszínvonal. Ahhoz, hogy egy kellemetlen forgatókönyv ne váljon valósággá, egyre több erőművet kell építeni: a globális energiafogyasztás nő, a meglévő erőművek fokozatosan elöregednek.

De mit tud a probléma megoldására kínálni a főként szenet és gázt égető modern energia? Természetesen új gázberendezések, értékes vegyi nyersanyagok tönkretétele, vagy az eget füstölgő széntömbök. A hőerőművek kibocsátása egyébként jól ismert ökológiai probléma, de a fosszilis tüzelőanyag-ipar is károsítja a környezetet. De a fogyasztása óriási. Például egy hagyományos hűtőszekrény év közbeni működésének biztosításához körülbelül száz kilogramm szenet vagy több száz köbméter földgázt kell elégetni. És ez csak egy háztartási készülék, amelyből sok van.

Egyébként mennyi nukleáris tüzelőanyagra lesz szükség ahhoz, hogy az említett hűtőszekrény egy teljes évig működjön? Nehéz elhinni, de... csak egy gramm!

A dúsított uránból készült nukleáris üzemanyag kolosszális energiaintenzitása méltó versenytársává teszi a szén és a gáz számára. Valójában egy atomerőmű százezerszer kevesebb üzemanyagot fogyaszt, mint egy hőerőmű. Ez azt jelenti, hogy az urán kitermelésére szolgáló bányászat sokkal kisebb léptékű, ami azért fontos környezet. Ráadásul nincs üvegházhatású és mérgező gázok kibocsátása.

tápegység atomerőműévi ezer megawatt kapacitással mindössze három tucat tonna nukleáris fűtőanyagot fogyaszt, egy azonos teljesítményű hőerőműhöz pedig körülbelül hárommillió tonna szénre vagy hárommilliárd köbméter gázra lesz szüksége. Más szóval, azonos mennyiségű villamos energia előállításához évente több vagonra van szükség nukleáris üzemanyaggal, vagy több szenes vonatra ... naponta.

Mi a helyzet a megújuló energiaforrásokkal? Természetesen jók, de még javítani kell. Vegyük például az állomás által elfoglalt területet. Szélerőművek esetén ill napelemek két nagyságrenddel magasabb, mint a hagyományos erőműveké. Például, ha egy atomerőmű (Atomerőmű) elfér egy pár négyzetkilométeres területen, akkor egy szélerőmű vagy egy azonos kapacitású napenergia-mező több száz négyzetkilométert foglal el. Egyszerűen fogalmazva, a területarány olyan, mint egy kis falu és egy nagyon nagy városé. A sivatagban ez a mutató nem biztos, hogy fontos, de a mezőgazdasági vagy erdőgazdálkodási övezetben - akár hogyan.

Meg kell említeni, hogy a nukleáris fűtőanyag évszaktól, nappaltól és időjárási szeszélyektől függetlenül mindig készen áll a munkára, miközben a nap nem süt éjszaka, a szél pedig akkor fúj, amikor akar. Ráadásul egyes területeken a megújuló energia az alacsony napenergia-áram vagy az alacsony átlagos szélsebesség miatt egyáltalán nem lesz jövedelmező. Az atomerőművek esetében ilyen problémák egyszerűen nem léteznek.

Az atomenergia ezen előnyei határozták meg az urán – mint nukleáris üzemanyag – kiemelkedő szerepét a modern civilizációban.

Ki mennyit kapott?

Az egyik régi szovjet rajzfilmben az állatok fontos feladatot oldottak meg - megosztottak egy narancsot. Ennek eredményeként a farkas kivételével mindenki kapott egy ízletes, szaftos szeletet; a szürkének meg kellett elégednie a héjjal. Más szóval, nem kapott értékes forrást. Ebből a szempontból érdekes tudni, hogy állnak a dolgok az uránnal: a világ minden országának vannak tartalékai, vagy hiányoznak?

Valójában nagyon sok urán található a Földön, és ez a fém szinte mindenhol megtalálható: bolygónk kérgében, az óceánokban, még az emberi testben is. A probléma a "szétszóródásban", a földi kőzeteken való "elkenődésben" rejlik, ami alacsony koncentrációjú uránt eredményez, ami legtöbbször nem elegendő a gazdaságilag jövedelmező ipari termelés megszervezéséhez. Egyes helyeken azonban magas urántartalmú lerakódások találhatók. Egyenetlenül oszlanak el, és az urántartalékok országonként eltérőek. Ennek az elemnek a legtöbb lelőhelye "elúszott" Ausztráliával; ezen kívül Kazahsztánnak, Oroszországnak, Kanadának és Dél-Afrika országainak volt szerencséje. Ez a kép azonban nem fagyott meg, a dolgok állása az új lelőhelyek feltárása, a régiek kimerülése miatt folyamatosan változik.

A feltárt uránkészletek országonkénti megoszlása ​​(a termelési költségekkel járó készleteknél< $130/кг)

Hatalmas mennyiségű uránt oldanak fel a Világóceán vizeiben: több mint négymilliárd tonna. Úgy tűnik, hogy az ideális "letét" - nem akarom az enyémet. A tudósok az 1980-as években speciális szorbenseket fejlesztettek ki az urán tengervízből történő kinyerésére. Miért nem alkalmazzák általánosan ezt a kiváló módszert? A probléma az, hogy túl alacsony a fémkoncentráció: egy tonna vízből mindössze körülbelül három milligrammot lehet kinyerni! Nyilvánvaló, hogy az ilyen urán túl drága lesz. Becslések szerint egy kilogramm néhány ezer dollárba kerül, ami sokkal drágább, mint a "földi" megfelelője. De a tudósok nem idegeskednek, és egyre hatékonyabb szorbenseket találnak ki. Így talán a közeljövőben ez a kitermelési módszer versenyképessé válik.

A 130 dollár/kg alatti termelési költségű feltárt uránkészletek száma a mai napig meghaladja az 5,9 millió tonnát. Ez sok? Eléggé: ha az atomerőművek összkapacitása a jelenlegi szinten marad, akkor az urán száz évig kitart. Összehasonlításképpen: a bizonyított olaj- és gázkészletek alig harminc-hatvan év alatt kimeríthetők.

Az első tíz ország a területükön lévő uránkészletek tekintetében (a kitermelési költséggel járó készletek tekintetében< $130/кг)

Nem szabad azonban megfeledkezni arról, hogy az előrejelzések szerint az atomenergia-ipar fejlődni fog, ezért most érdemes elgondolkodni azon, hogyan lehetne bővíteni erőforrásbázisát.

A probléma megoldásának egyik módja az új lelőhelyek időben történő felkutatása és fejlesztése. A rendelkezésre álló információk alapján ez nem jelenthet gondot: csak az elmúlt néhány évben találtak új lelőhelyeket néhány afrikai országban, Dél Amerikaés Svédországban is. Igaz, nem lehet biztosan megmondani, mennyire lesz jövedelmező a feltárt készletek kitermelése. Előfordulhat, hogy az érc alacsony urántartalma és a lelőhelyek kialakításának nehézségei miatt ezek egy részét „későbbre” kell hagyni. Az a tény, hogy ennek a fémnek az árai most meglehetősen alacsonyak. Gazdasági szempontból nincs semmi meglepő. Először is, még mindig vannak viszonylag könnyen kinyerhető, tehát olcsó uránlerakódások a világon – ez belép a piacra és „leüti” az árat. Másodszor, a fukusimai baleset után egyes országok módosították az új atomerőművi blokkok építésére vonatkozó terveit, Japán pedig teljesen leállította az összes atomerőművét – visszaesett a kereslet, tovább csökkentve az urán költségét. De ez nem sokáig. Kína és India már beszállt a játékba, területükön nagyszabású atomerőművek építését tervezik. Más ázsiai országoknak, valamint afrikai és dél-amerikai országoknak vannak kevésbé ambiciózus projektjei. A jelek szerint még Japán sem tud majd megválni atomenergia-iparától. Ezért a kereslet fokozatosan helyreáll, és az olcsó lelőhelyek kimerülésével párosulva ez az urán árának emelkedéséhez vezet. Az elemzők úgy vélik, hogy nem sokáig kell várni, csak néhány év. Ekkor lehet majd a „későbbre” hagyott betétek alakulásán gondolkodni.

Érdekes, hogy a legnagyobb urántartalékkal rendelkező és a legfejlettebb atomenergia-iparral rendelkező országok listája gyakorlatilag nem esik egybe. A világ urán "vagyonának" harmada Ausztrália gyomrában van, de a zöld kontinensen egyetlen atomerőmű sincs. Kazahsztán, a világelső ennek a fémnek a gyártásában, éppen több atomerőművi blokk építésére készül. Afrika országai gazdasági és egyéb okok miatt még messze vannak attól, hogy csatlakozzanak a világ "nukleáris" családjához. A kontinens egyetlen atomerőműve a Dél-afrikai Köztársaságban található, amely a közelmúltban bejelentette további fejlesztési szándékát. atomenergia. Eddig azonban még Dél-Afrika is időt vett igénybe.

Mit kell még tenniük az „atom” óriásoknak – az USA-nak, Franciaországnak, Japánnak –, valamint Kínának és Indiának, amelyek a nyomukban haladnak előre, ha nagyok a szükségleteik, és a macska saját tartalékaik miatt sírt? Természetesen próbálja meg megszerezni az ellenőrzést más országok lelőhelyei és uránbányászati ​​​​vállalkozásai felett. Ez a feladat stratégiai jellegű, megoldása során az államok kemény harcokba bocsátkoznak. Nagy cégeket vásárolnak fel, politikai manővereket hajtanak végre, földalatti vesztegetési rendszereket hajtanak végre a megfelelő embereket vagy jogi csaták. Afrikában ez a küzdelem akár polgárháborúkká és forradalmakká is fajulhat – és már most is eszkalálódik –, amelyet a befolyási övezetek újraelosztására törekvő vezető államok rejtetten támogatnak.

Ebben a tekintetben Oroszországnak szerencséje van: atomerőműveink saját, meglehetősen tisztességes uránkészletekkel rendelkeznek, amelyeket a Bajkál-túli területen, a Kurgan régióban és a Burját Köztársaságban bányásznak. Emellett aktív feltáró munka is szervezés alatt áll. Feltételezhető, hogy a Transzbajkál régióban található lelőhelyek nagy potenciállal rendelkeznek, Nyugat-Szibéria, a Karél Köztársaság, a Kalmük Köztársaság és a Rosztovi régió.

Ezenkívül a Roszatom külföldi eszközökkel is rendelkezik - nagy részvénycsomagokkal uránbányászati ​​​​vállalkozásokban Kazahsztánban, az Egyesült Államokban és Ausztráliában, valamint ígéretes projekteken dolgozik Dél-Afrikában. Ennek eredményeként a világ vezető urángyártással foglalkozó vállalatai között a Rosatom magabiztosan tartja a harmadik helyet a Kazatomprom (Kazahsztán) és a Cameco (Kanada) után.

A tudósok a meteoritok kémiai összetételének tanulmányozásával, amelyek egy része marsi eredetű, uránt fedeztek fel. Igaz, tartalma lényegesen alacsonyabbnak bizonyult, mint a szárazföldi kőzetekben. Igen, most már világos, hogy a marslakók miért jártak hozzánk a repülő csészealjakon.

De komolyra fordítva a szót, úgy gondolják, hogy az urán a Naprendszer minden objektumában jelen van. Például 2009-ben fedezték fel a Hold talajában. Azonnal fantasztikus ötletek születtek, például uránt bányásznak egy műholdon, majd küldjék a Földre. Egy másik lehetőség a holdkolóniák reaktorainak "táplálása" a lelőhelyek közelében. A lerakódásokat azonban még nem kutatták fel; és gazdasági szempontból az ilyen termelés továbbra is megvalósíthatatlannak tűnik. De a jövőben ki tudja...

Ha sokáig szenved, az üzemanyag kifolyik

Az uránérc készletek jelenléte csak az egyik összetevője a sikernek. Ellentétben a fával vagy a szénnel, amelyek nem igényelnek különösebben bonyolult előkészítést, mielőtt belépnek a kemencébe, az ércet nem lehet egyszerűen darabokra vágni és a reaktorba dobni. Hogy megmagyarázzuk, miért, meg kell említeni néhány, az uránban rejlő tulajdonságot.

Kémiai szempontból ez az elem nagyon aktív, más szóval hajlamos képződni különféle vegyületek; ezért az aranyhoz hasonlóan rögöseit a természetben keresni teljesen reménytelen üzlet. Mit nevezünk uránércnek? Nagyon kis mennyiségű urán ásványt tartalmazó kőzet. Gyakran hozzáteszik: kicsi, de elegendő a kereskedelmi termeléshez, hogy a közgazdászok jóváhagyják. Ma például célszerűnek tartják olyan érc kifejlesztését, amelynek egy tonnája mindössze néhány kilogramm vagy akár több száz gramm uránt tartalmaz. A többi üres, szükségtelen kőzet, amelyből urán ásványokat kell izolálni. De még ezeket sem lehet atomreaktorba tölteni. A helyzet az, hogy ezek az ásványok leggyakrabban az urán oxidjai vagy oldhatatlan sói más elemek társaságában. Némelyikük értéket jelenthet az ipar számára, és a hozzájuk kapcsolódó termelés megszervezése javíthatja a gazdasági teljesítményt. De még ha nincs is erre szükség, az uránt akkor is meg kell tisztítani a szennyeződésektől. Ellenkező esetben a „piszkos” uránból készült nukleáris üzemanyag a reaktor meghibásodását vagy akár balesetet is okozhat.

A tisztított urán azonban nem nevezhető teljes bizonyossággal nukleáris üzemanyagnak. A fogás az izotópos összetételében rejlik: a természetben található ezer uránatomhoz mindössze hét atomnyi urán-235 van, ami szükséges a hasadási láncreakció létrejöttéhez. A többi urán-238, amely gyakorlatilag nem hasad, sőt elnyeli a neutronokat. A természetes urán reaktort azonban teljesen be lehet indítani – feltéve, hogy nagyon hatékony moderátort használnak, például drága nehézvizet vagy a legtisztább grafitot. Csak ezek teszik lehetővé, hogy az urán-235 maghasadása során keletkező neutronok olyan gyorsan lelassuljanak, hogy legyen idejük bejutni más urán-235 atommagokba és előidézni azok hasadását, és ne dicstelenül befogja őket az urán-238. De számos okból kifolyólag a világ reaktorainak túlnyomó többsége más megközelítést alkalmaz: a természetes uránt hasadó izotópokban dúsítják. Más szóval, az urán-235 atomok tartalmát mesterségesen hétről több tucat ezrelékre emelik. Emiatt a neutronok gyakrabban ütköznek beléjük, és lehetővé válik az olcsóbb, bár kevésbé hatékony moderátorok, például a közönséges víz használata.

A dúsított urán már végtermék? Ismét nem, mivel az erőművi reaktorok biztosítják az "nukleáris" hő átvitelét egy hűtőfolyadékhoz, amely fürdeti az üzemanyagot - leggyakrabban víz. A hasadási termékek felhalmozódása miatt a tüzelőanyag - ahogyan az üzemelő reaktorban van - erősen radioaktívvá válik. Semmi esetre sem szabad vízben feloldódni. Ehhez az uránt kémiailag stabil állapotba helyezik, és a hűtőközegtől is elkülönítik, fémhéjjal lefedve. Az eredmény egy összetett, dúsított uránvegyületeket tartalmazó műszaki berendezés, amelyet teljes bizalommal nukleáris üzemanyagnak nevezhetünk.

Az említett műveletek - az uránbányászat, annak tisztítása és dúsítása, valamint a nukleáris üzemanyag gyártása - az úgynevezett nukleáris üzemanyag-ciklus kezdeti szakaszai. Mindegyikkel részletesebben meg kell ismerkedni.

Az urán-238 felezési ideje 4,5 milliárd év, míg az urán-235-é mindössze 700 millió év. Kiderült, hogy a hasadó izotóp többször gyorsabban bomlik, mint a fő. Ha jobban belegondolunk, ez azt jelenti, hogy korábban az urán-235 tartalma a természetes izotópkeverékben nagyobb volt, mint most. Például egymilliárd évvel ezelőtt ezer uránatomból tizenhatnak volt 235 nukleonos magja, kétmilliárd éve még harminchét, hárommilliárd évvel ezelőtt pedig még nyolcvan! Valójában azokban a távoli időkben az érc uránt tartalmazott, amelyet ma dúsítottnak nevezünk. És könnyen megtörténhet, hogy valamilyen területen egy természetes atomreaktor magától beindul!

A tudósok úgy vélik, hogy pontosan ez történt a modern Gabon területén található Oklo lelőhely több szupergazdag urán-lelőhelyével. 1,8 milliárd évvel ezelőtt spontán nukleáris láncreakció indult be bennük. A spontán hasadás során keletkező neutronok indították el, majd a magas koncentrációjú urán-235 és az ércben lévő víz jelenléte, egy neutronmoderátor működött. Egyszóval a reakció önfenntartóvá vált, és több százezer éven át folytatódott, most aktiválódik, most elhalványul. Aztán a reaktorok kialudtak, nyilván a vízrendszer változása miatt.

A mai napig ez az egyetlen ismert természetes atomreaktor. Ráadásul jelenleg egyetlen területen sem indulhatnak el ilyen folyamatok. Az ok teljesen érthető - túl kevés urán-235 maradt.

Próbálj meg ásni

Az uránércek ritkán kerülnek a felszínre. Leggyakrabban ötven méter és két kilométer közötti mélységben fekszenek.

A sekély lerakódásokat külszíni gödör, vagy más néven kőfejtő módszerrel alakítják ki. A kemény kőzeteket fúrják és robbantják, majd rakodógépekkel billenőkocsikba rakják és kiviszik a kőbányából. A laza kőzeteket hagyományos vagy rotációs kotrógépekkel bányászati ​​teherautókba fejlesztik és rakják be, a buldózereket széles körben használják. Elképesztő ennek a technikának az ereje és mérete: például a már említett billenőkocsik teherbírása száz vagy több tonna! Sajnos maga a kőbánya léptéke is nagy, mélysége elérheti a háromszáz métert is. A munkálatok befejezése után tátong hatalmas lyuk a föld felszínén, mellette pedig az uránlelőhelyeket borító kőzetkupacok. Ezekkel a szeméttelepekkel elvileg egy kőbánya lefedhető, füvet és fákat ültetve a tetejére; de megfizethetetlenül drága lesz. Ezért a gödrök fokozatosan megtelnek vízzel, és tavak képződnek, amelyek a víz megnövekedett urántartalma miatt nem tartoznak a gazdaságos felhasználáshoz. A felszín alatti vizek szennyezésével is felléphetnek problémák, ezért az uránbányák különös figyelmet igényelnek.

Az urán nyíltszíni bányászata azonban fokozatosan a múlté válik egy teljesen banális okból – a felszínhez közeli lelőhelyeknek már majdnem vége. Most a mélyen elrejtett ércekkel kell megküzdenünk. Hagyományosan földalatti (bányászati) módszerrel fejlesztik. Csak ne képzelje el, hogy szigorú, csákányos, szakállas férfiak mászkálnak a munkálatokon és ércet aprítanak. Most a bányászok munkája nagyrészt gépesített. Az uránt tartalmazó kőzetbe lyukakat fúrnak - speciális mély lyukakat, amelyekbe robbanóanyagokat helyeznek. A robbanás után a zúzott ércet egy rakodó- és vontatógép vödörrel veszi, és kanyargós szűk galériákon fut a kocsikhoz. A megtöltött kocsikat kis villanymozdony viszi a bánya függőleges aknájába, majd egy ketrec - egyfajta lift - segítségével a felszínre emelik az ércet.

A földalatti bányászatnak számos funkciója van. Először is, csak a jó minőségű, magas urántartalmú ércek esetében lehet előnyös, amelyek legfeljebb két kilométer mélyen fordulnak elő. Ellenkező esetben a bányászat, a bányászat és az érc további feldolgozása miatt az urán gyakorlatilag „arany” lesz. Másodszor, az uránbányák föld alatti birodalma egy zárt tér, amelyben radioaktív por és nem kevésbé radioaktív radon gáz lebeg. Ezért a bányászok nem nélkülözhetik az erős szellőzést és a speciális védőfelszereléseket, például a légzőkészüléket.

Mind a külszíni, mind a bányászati ​​bányászat során az ércet meglehetősen nagy darabok formájában nyerik ki. Amikor egy kotrógép vagy egy rakodó-lerakó gép kanalával felkanalazza őket, a kezelő nem tudja, hogy uránásványokban gazdag ércet, vagy hulladékkőzetet, vagy valamit a kettő között választ ki. Végül is a lerakódás nem túl homogén összetételében, és az erős gépek használata nem teszi lehetővé a finom és kecses munkavégzést. De a szinte uránt nem tartalmazó darabok további feldolgozásra küldése legalábbis ésszerűtlen! Ezért az ércet az urán fő tulajdonságának felhasználásával osztályozzák, amellyel nem nehéz kimutatni - a radioaktivitást. Speciális ionizáló sugárzás érzékelők lehetővé teszik, hogy mind a rakodás során, mind már a szállítótartályban az érc több fokozatra osztható az általa kibocsátott sugárzás intenzitása szerint. A hulladék kőzetet lerakóba küldik. Gazdag érc - a hidrometallurgiai üzembe. De a kis, de észrevehető mennyiségű uránt tartalmazó ércet újra, óvatosabban válogatják. Először összetörik, méretre osztják, majd a darabokat egy mozgó szállítószalagra dobják. Fölötte ionizáló sugárzás érzékelő van felszerelve, amelyből a jel a automatizált rendszer lengéscsillapítók a szíj végén találhatók. Az érzékelőt úgy állítják be, hogy reagáljon az alatta elhaladó, urán ásványokat tartalmazó radioaktív ércdarabra. Ezután a redőny elfordul és az érc egy speciális ércbunkerbe esik, ahonnan a hidrometallurgiai üzembe szállítják. Viszont a hulladékkő semmilyen módon nem "zavarja" az érzékelőt és a csappantyút, és egy másik dobozba esik - a szemétlerakóba.

Az érc radiometrikus válogatásának egyszerűsített sémája ( modern komplexumok sokkal összetettebb)

A leírt séma hozzávetőleges, alapvető: semmi sem akadályozza meg a vállalkozásoknál az ércek más ismert módszerekkel történő válogatását. A gyakorlat azonban azt mutatta, hogy nem alkalmasak uránércekre. Emiatt a radiometrikus válogatás - sugárzásdetektorokkal - fokozatosan a mainstream technológia lett.

A valóságban az ércválogatásnál egy bizonyos középkategóriát is megkülönböztetnek, amely urántartalom szempontjából nem köthető sem a gazdag érchez, sem a hulladékkőzethez. Vagyis hidrometallurgiai üzembe küldeni drága (idő- és reagenspocsékolás), kár lerakóba küldeni. Az ilyen szegény ércet nagy kupacokba halmozzák, és a szabad levegőn kénsawal öntik, fokozatosan feloldva az uránt. A kapott oldatot szivattyúzzuk további feldolgozásra.

A hidrometallurgiai üzemben a gazdag ércet tovább kell zúzni, szinte poros állapotig, majd fel kell oldani.

Az ércet különféle malmokban – például dobgolyós malmokban – aprítják: a zúzott anyagot és a fémgolyókat, például az ágyúgolyókat egy forgó üreges dobba öntik. A forgás során a golyók az ércdarabokat ütik, megőrlik és porrá őrlik.

A zúzott ércet "felnyitják", azaz kénsavval vagy salétromsavval vagy ezek keverékével történő kezeléssel részben feloldják. Az eredmény egy sok szennyeződést tartalmazó uránoldat. Néha, ha az uránérc sok természetes karbonátot tartalmaz, nem használnak savat. Ellenkező esetben olyan reakció lép fel, amely hasonlít a szóda ecettel történő oltására - intenzív szén-dioxid-kibocsátással, és a reagens elpazarolódik. Hogyan legyen? Kiderült, hogy az ilyen ásványok szódaoldattal "nyithatók". Ennek eredményeként urán oldatot is kapnak, amely további feldolgozásra kerül.

De a fel nem oldott érc maradványait speciális zagyba kell küldeni - a környezet szempontjából nem a legbarátságosabb objektumokba. A válogatás során leválasztott meddőkőzetet érdemes felidézni: lerakóba rakják. Mind a zagy, mind a szemétlerakók kis mennyiségű uránt tartalmaznak, ami potenciálisan veszélyessé teszi őket. Ezzel kapcsolatban felmerül a kérdés: meg lehet-e szervezni a bányászatot úgy, hogy az minimális károkat okozzon a természetben és biztosítva legyen a dolgozók biztonsága?

Lehetséges, és már régóta gyakorolják. A szóban forgó bányászati ​​módszert fúrólyuk in situ kimosódásnak nevezik. Lényege, hogy a lelőhelyet sok kút „átszúrja”. Ezek egy részét, úgynevezett szivattyúzásnak nevezik, kénsavval táplálják, amely mélyre ereszkedik, áthalad az ércen és feloldja az uránt. Ezután az értékes fémoldatot a mélyből más szivattyúzó kutakon keresztül viszik el.

Mi történik: nincs szemétlerakás, nincs zagy, nincs por, nincsenek lyukak vagy váratlan víznyelők a talajban, de végül ugyanaz az uránoldat? Igen. Ezen túlmenően a fúrásos földalatti kilúgozás módszerével nagyon gyenge ércek képződnek, amelyeket gazdaságilag nem kifizetődő külszíni vagy bányászati ​​módszerrel bányászni. De az előnyök ilyen halmazának vannak hátrányai is! Nos, először is, a nyolcszáz méternél mélyebb kutak fúrása a költségek szempontjából irracionális. Másodszor, a módszer nem működik sűrű, nem porózus ércekben. Harmadszor, a kénsav továbbra is megzavarja a talajvíz összetételét és viselkedését a lelőhelyben, bár ezek a zavarok idővel maguktól „megoldódnak”. Sokkal veszélyesebb, ha az oldat a felszínre ömlik, vagy körpályán - repedések, törések mentén - behatol a talajvízbe. Ezért a folyamatot szigorúan ellenőrző kutak fúrásával ellenőrzik.

Fúrás helyszíni kilúgozás

Az említett problémák elkerülésére kitalálták a földalatti kilúgozás „bányászati” változatát: a gyárban lévő érctömböket robbantással összetörik, majd felülről kioldóoldattal (kénsav) öntik ki, alulról szedve az uránoldatot. a vízelvezető rendszeren keresztül.

Mindenesetre ma a földalatti kilúgozás a legkörnyezetbarátabb módja az urán kitermelésének. Ez az egyik oka a népszerűsége robbanásszerű növekedésének. Ha 2000-ben az uránnak még csak tizenöt százalékát bányászták ki földalatti kilúgozással, akkor ma ez a szám közel ötven százalék!

Az in situ kilúgozás a vezető uránbányászati ​​technológiává válik

Az uránlerakódásokat általában ionizáló sugárzás érzékelőkkel keresik; pontosabban a gammasugárzás. Először egy ilyen érzékelőkkel felszerelt repülőgép repül át a terület felett. Csak az ő hatalmában áll kijavítani a sugárzási anomáliát - a mező felett kissé megnövekedett hátteret. Majd egy helikoptert indítanak az üzletbe, amely lassabban és pontosabban „vázolja” az ígéretes terület határait. A végén a geológusok együtt jönnek erre a területre mérőműszerekés viharok. Munkájuk eredménye alapján elkészítik az uránércek előfordulási térképét és kiszámítják a kitermelés költségeit.

Az uránérc lelőhelyek azonban más módon is jelezhetik magukat. Például megváltoztatni kinézet felettük növekvő növények: fűzfa-tea szirmok, általában rózsaszínűek, kifehérednek; az áfonya kizöldül vagy kifehéredik. A lelőhely felett növekvő boróka mély gyökerei jól felszívják az uránt, ágakban, tűlevelekben halmozódik fel. Hamuvá alakítva és az urántartalom ellenőrzésével megérthető, hogy érdemes-e ezen a területen kitermelni az atomenergia fő fémét.

A tisztaság az egészség kulcsa (atomreaktor)

Az érc "felnyitásával" vagy a föld alatti kilúgozás során nyert uránoldat nem túl tiszta. Más szóval, az uránon kívül egy rakás kémiai elemet is tartalmaz, amelyek a földkéregben találhatók: nátriumot és káliumot, kalciumot és magnéziumot, vasat, nikkelt és rezet – és még sok mást. Ne lepődj meg egy ilyen vastag "kompót" képződésén, mert a kénsav nagyon reaktív és sok természetes anyagot felold; még jó, hogy nem minden érc egész. De a nukleáris üzemanyag gyártásához a legtisztább uránra van szükség. Ha az urán atomjai között itt-ott szennyező atomok találhatók, akkor előfordulhat, hogy a reaktor nem indul be, vagy ami még rosszabb, elromlik. Az ilyen problémák okairól hamarosan szó lesz, de egyelőre kitűzheti a feladatot: az urán tisztítását. És az is kívánatos, hogy szilárd formában, kényelmesen szállítható legyen. Valójában az oldatok nem alkalmasak szállításra: túlságosan „szeretnek” kifolyni vagy átszivárogni a szivárgásokon.

Az iparban ezt a problémát több lépésben oldják meg. Először is, az oldatot speciális anyagokon - szorbenseken - keresztül koncentrálják, amelyek magukra gyűjtik az uránt. Megjelenik az első lehetőség a tisztításra: a szorbenseket úgy választják ki, hogy más elemek szinte ne „üljenek le” rájuk, oldatban maradjanak. Ezután az uránt lemossák a szorbensről, például ugyanazzal a kénsavval. Ez az eljárás értelmetlennek tűnhet, ha nem magyarázza el, hogy az "öblítéshez" sokkal kevesebb sav szükséges az eredeti oldat térfogatához képest. Így ölnek meg két legyet egy csapásra: növelik az uránkoncentrációt, és részben eltávolítják a felesleges szennyeződéseket.

A második tisztítási szakasz a szilárd uránvegyületek előállításához kapcsolódik. Tömény oldatból csapják ki jól ismert "orvosi" reagensek: ammónia, hidrogén-peroxid, valamint lúgok vagy karbonátok hozzáadásával. Megjegyzendő, hogy az urán nem csapódik ki fémként; nagy kémiai aktivitása miatt általában nem könnyű fémes formában beszerezni – erről már volt szó. Az említett regensek hatására különféle gyengén oldódó uránvegyületek süllyednek a berendezés aljára. Szárítva és zúzva sárga por, amelyet a süteményhez való látszólagos hasonlósága miatt gyakran "sárga tortának" neveznek. Magas hőmérsékleten történő kalcinálás után az urán-oxidok kevésbé szép keverékét kapjuk - piszkos zöld vagy akár fekete színű.

A sárga pogácsát urándúsító vállalkozásoknak lehet küldeni

A sárga pogácsa vagy urán-oxidok keveréke sugárzási szempontból gyakorlatilag biztonságos. Ezért szállításhoz 200 literes fémhordókba vagy speciális konténerekbe töltik. Egy ilyen konténertől egy méter távolságra lenni feleannyira sem „ártalmas”, mint repülőgépen repülni, kozmikus sugárzásnak kitéve. De a legtöbb ember nem fél a repüléstől! A sárga tortás hordóktól tehát semmi ok.

Az uránvegyületek kicsapásakor igyekeznek úgy lefolytatni a folyamatot, hogy a szennyeződések nagy része oldatban maradjon. De néhányuknak mégis sikerül "áttörni". Különösen rossz, ha a neutronokat erősen elnyelő elemek - bór, kadmium, ritkaföldfémek - kerülnek a termékbe. Még mikrokoncentrációban is képesek megzavarni a hasadás láncreakcióját. Miután szennyezett uránból üzemanyagot készítettek, sokáig el lehet gondolkodni azon, hogy a reaktor miért nem akar normálisan működni.

Ezenkívül a nemkívánatos szennyeződések közé tartoznak az olyan elemek, amelyek csökkentik a nukleáris üzemanyag plaszticitását, és a hőmérséklet emelkedésével megduzzadnak és kitágulnak. Ide tartozik a természetben előforduló szilícium és foszfor, valamint a volfrám és a molibdén. Egyébként plaszticitásnak szokták nevezni az anyag azon képességét, hogy összeomlás nélkül változtatja alakját és méretét. Ez nagyon fontos az üzemanyag esetében, amely a benne lezajló nukleáris láncreakció miatt belülről felmelegíti magát, és ezért hőmérsékleti deformációkat tapasztal. A magas hőmérséklet nem vezethet az urán tüzelőanyag túlzott kitágulásához, különben feltöri a konténmentet és érintkezésbe kerül a hűtőközeggel. Az ilyen „kommunikáció” következménye lehet a radioaktív uránhasadási termékek feloldódása forró hűtőközegben (leggyakrabban vízben), majd szétterjedése az összes csővezetéken és berendezésen keresztül. Valószínűleg nem kell magyarázni, hogy ez az erőmű sugárzási helyzetének romlásával fenyeget: a kezelőszemélyzet által kapott dózisok jelentősen megnőnek.

Ahogy a mondás tartja, jobb túlöltözöttnek lenni, mint alulöltözöttnek. Ezért egy harmadik - utolsó - tisztítási szakaszra, az úgynevezett finomításra is szükség van. A hordókban vagy tartályokban szállított uránvegyületeket savban, most salétromsavban oldják. A kapott oldatot extrahálószerrel hozzuk érintkezésbe - egy folyékony szerves anyaggal, amely felszívja az uránt, de nem a szennyeződéseket. Tehát a nemkívánatos elemek az oldatban maradnak, és az urán a "szervesbe" kerül. Egy sor ezt követő művelet eredményeként ismét oxidokká hozzuk, amelyek már rendelkeznek a szükséges "reaktor" tisztasággal.

Most minden rendben van, és továbbléphet a következő szakaszra - az urán-235 koncentrációjának mesterséges növelésére.

A gazdagodás titkai

A fejezet elején már szó esett arról, hogy az uránizotópok természetes keverékében nagyon kevés a hasadó urán-235 és túl sok a „lusta” urán-238: az első hét atomjára körülbelül kilencszázkilencven- a második három atomja. A legtöbb jelenleg működő reaktor számára ez nem megfelelő. Olyan üzemanyagra van szükségük, amelyben ezer uránatomból több tucat darab a 235-ös izotóphoz tartozik, és nem csak néhány, mint a természetes uránban. Egy bomba létrehozásához pedig szinte tiszta urán-235 szükséges.

Az urándúsítás problémájának megoldása, vagyis a hasadó izotóp tartalmának növelése nagyon nehéz. Úgy tűnik, hogyan? Végül is a kémia rendelkezik a legszélesebb körű technikákkal az anyagok keverékekből történő elkülönítésére. Egy tonna ércből csak néhány száz gramm uránt lehet "kiszedni"! Valóban lehetetlen ugyanezt megtenni az izotópokkal: valahogy elválasztani az egyiket a másiktól? A probléma az, hogy egy bizonyos elem minden izotópjának kémiai tulajdonságai megegyeznek, mert nem az atommag összetétele, hanem az elektronok száma határozza meg. Más szavakkal, lehetetlen olyan reakciót végrehajtani, amelyben például az urán-235 oldatban maradna, és az urán-238 kicsapódna. Bármilyen manipuláció esetén mindketten hasonló módon viselkednek. Ugyanígy nem lesz lehetséges kémiailag elválasztani a szén vagy a kálium izotópjait - általában bármelyik elemet.

Van egy ilyen paraméter - a dúsítás mértéke, amely az urán-235 százalékos aránya (százalékban) az urán teljes tömegében. Például a természetes urán dúsítási foka, amelyben minden ezer atomra hét hasadó atom jut, 0,7%. Az atomerőművekből származó nukleáris fűtőanyag esetében ezt az arányt 3-5%-ra, atombomba töltetének gyártásához pedig 90%-ra és magasabbra kell emelni.

Hogyan legyen? Olyan tulajdonságokat kell találni, amelyekben az izotópok - legalábbis minimálisan - különböznének egymástól. Az első dolog, ami eszünkbe jut, az egy atom tömege. Valójában hárommal több neutron van az urán-238-magban, mint az urán-235-ben; így a "lusta" izotóp súlya valamivel több. És mivel a tömeg a tehetetlenség mértéke, és mozgásban nyilvánul meg, az urándúsítás fő módjai az izotópjainak speciálisan kialakított körülmények között történő mozgásának különbségeihez kapcsolódnak.

Történelmileg az első dúsítási technológia az elektromágneses izotóp-leválasztás volt. A névből kitűnik, hogy az elektromos és mágneses mezők valamilyen módon részt vesznek a folyamatban. Valójában ennél a módszernél a korábban nyert uránionokat elektromos térrel diszpergálják, és mágneses térbe bocsátják. Mivel az ionok töltéssel rendelkeznek, a mágneses térben elkezdenek "hordozni", egy bizonyos sugarú ívben csavarodni. Például felidézhetjük az uránsugarak mágneses térben történő három áramra osztását – ezt a hatást Rutherford fedezte fel. Az elektromos töltéssel rendelkező alfa és béta részecskék letérnek az egyenes útról, de a gamma-sugárzás nem. Ebben az esetben annak az ívnek a sugara, amely mentén egy töltött részecske mágneses térben mozog, a tömegétől függ: minél nagyobb a súlya, annál lassabban fordul. Ez ahhoz hasonlítható, amikor két vakmerő sofőr éles kanyarjába próbál beilleszkedni, akik közül az egyik személyautót, a másik kamiont vezet. Nyilvánvaló, hogy egy személygépkocsi sokkal könnyebben manőverezhet, míg a teherautó megcsúszhat. Valami hasonló történik a mágneses térben gyorsan mozgó urán-235 és urán-238 ionokkal. Utóbbiak valamivel nehezebbek, nagyobb a tehetetlenségük, fordulási sugaruk valamivel nagyobb: ennek köszönhetően az uránionok árama két részre oszlik. Képletesen szólva, két dobozt helyezhet el, amelyek közül az egyikbe a hasadó izotóp, az urán-235, a másodikba pedig a „felesleges” urán-238 gyűjthető.

A mágneses térben a töltött részecskék pályája görbült, és minél erősebb, annál könnyebb a részecske

Az elektromágneses izotóp elválasztási módszer elve: a könnyebb urán-235 ionok mágneses térben, az urán-238 ionokhoz képest kisebb sugarú pályán mozognak

Az elektromágneses elválasztási módszer szinte minden tekintetben jó, kivéve a termelékenységet, ami szokás szerint korlátozza ipari alkalmazását. Valójában ezért zárt be 1946-ban az Oak Ridge-ben található Y-12 amerikai üzem, amely dúsított uránt állított elő a Hirosimára elektromágneses elválasztási technológiával ledobott "Kid" bombához. Tisztázni kell, hogy az Y-12 magas fokon dúsította az uránt, amelyet korábban más, termelékenyebb módszerekkel dúsítottak. Fejlesztésük csak az utolsó szöget verte az elektromágneses izotóp-leválasztási technológia koporsójába – az iparban már nem használják.

Érdekes módon az elektromágneses elválasztás egy univerzális módszer, amely lehetővé teszi kis mennyiségű izotóp tiszta formában történő elkülönítését. Ezért az Y-12 analógja a 418-as üzem, amely ma Elektrokhimpribor Plant (Lesnoy) néven ismert. Szverdlovszki régió), - rendelkezik azzal a technológiával, hogy negyvenhét kémiai elem több mint kétszáz izotópját állítsa elő lítiumtól ólomig. Ezek nem pusztán lenyűgöző számok – az üzem termékeire valóban szükségük van tudósoknak, orvosoknak, iparosoknak... Egyébként az SU-20-as üzemben állítják elő őket, ugyanabban, ahol dúsított, fegyveres minőségű uránt gyártottak. az 1950-es évek elején megközelítette a 90%-ot.

A háború utáni első évtizedek a nukleáris fegyverek arzenáljának aktív felhalmozásának időszakává váltak. Ennek a problémának a megoldása volt a legnagyobb prioritás, ezért nem különösebben vették figyelembe a költségeket - fontos volt az urán tömeges dúsításának elindítása. A hangsúlyt a gázdiffúzióra, egy rendkívül energiaigényes, de egyben produktív dúsítási technológiára helyezték. Gyökerei a gázelmélet területén rejlenek, amely szerint egy gázmolekula átlagos sebessége egy bizonyos hőmérsékleten fordítottan arányos a tömegével: minél nehezebb, annál lassabban mozog. Ez a különbség különösen észrevehető vékony "csövek" mentén, amelyek átmérője összemérhető a molekula méretével. Világos, bár nem pontos példa a papírcsónakok vízre bocsátása a patakban: egy kis csónak, amelyet egy vízsugár elvisz, gyorsan mozog; de ha egy nagy, patakmeder méretű papíredényt összehajt, akkor lassabban megy, folyamatosan érintve a partokat. Visszatérve az uránra, elmondhatjuk, hogy a 235 nukleont tartalmazó célizotóp az urán-238-nál gyorsabban fog haladni a „cső” mentén. A kijáratnál hasadó izotóppal dúsított gázt kapnak. A kérdés csak az, hogy az uránt hogyan lehet gázzá alakítani, és honnan lehet ilyen vékony "csövet".

Az urán "elgázosítása" kötelező követelmény a gázok elméletén alapuló technológia. Nem írhatsz ide semmit. De minden uránvegyület az szilárd anyagok, amelyek nehezen olvadnak, nemhogy elpárolognak. Bár, ha belegondolunk, van egy nagyon sikeres vegyület - az urán-hexafluorid, amelyben az uránt hat fluoratom veszi körül. Már 56 °C-on könnyen gázzá alakul, megkerülve a folyékony állapotot. A fizikában az ilyen folyamatokat általában szublimációnak vagy szublimációnak nevezik. Ez a jelenség régóta ismert, és nincs benne semmi meglepő. A szublimációt például a falusi háziasszonyok használják, akik hidegben szárítják a ruhákat - a jég elpárolog a száraz levegőben, egyszerűen áthaladva a folyékony állapoton.

Tehát elképzelheti az urán-hexafluorid molekulát

Kiderült, hogy az urán-hexafluorid technológiai szempontból nagyon kényelmes. Normál hőmérsékleten szilárd és speciális tartályokban szállítható. Alacsony hőmérsékleten gázzá alakul. Nos, bizonyos nyomás alatt a felmelegített hexafluorid folyadékká válik, amely csővezetékeken keresztül pumpálható.

Egy másik szerencsés körülmény az, hogy a természetes fluor csak egy izotópból áll - a fluor-19-ből. Ez azt jelenti, hogy az urán-235-hexafluorid és az urán-238-hexafluorid molekulák tömege közötti különbséget kizárólag az uránizotópok határozzák meg. Ellenkező esetben az elválasztás túl nehéz, sőt lehetetlen lenne, mivel a fluor túlzottan befolyásolná a molekulák tömegét.

Az urán-hexafluorid előállítását Oroszországban különféle uránvegyületek, például sárga pogácsa vagy uránbányászati ​​vállalkozásoktól kapott oxidok keverékének átalakításával - fluorozásával végzik. Az erre a célra szolgáló molekuláris fluort a természetes fluorit ásványból nyerik. Kénsavval kezelve hidrogén-fluorid (hidrogén-fluorid) sav keletkezik, amelynek elektrolízise során fluor keletkezik.

Érdekes módon a fluorozás egyben az urántisztítás negyedik szakasza is, mivel a legtöbb káros szennyeződés fluoridjai nem nagyon illékonyak: az urán hexafluorid formájában "elrepül" tőlük a gázfázisba.

Az urán-hexafluoridnak van egy nagy hátránya: agresszív és mérgező anyag. Először is, amikor vízzel vagy a levegő nedvességével érintkezik, mérgező hidrogén-fluorsav szabadul fel. Másodszor, maga az urán egy általános sejtméreg, amely minden szervre hatással van. (Érdekes módon toxicitása kémiai jellegű, és gyakorlatilag nincs összefüggésben a radioaktivitással). Ezért az urán-hexafluoridot, amely egyszerre két veszélyt egyesít, speciális fémtartályokban és éber felügyelet mellett kell szállítani és tárolni. Ez biztosítja a lakosság és a környezet biztonságát.

Tehát van gáz; De mi a helyzet a vékony csövekkel? Megfelelő megoldásnak bizonyult a porózus válaszfalak - sok nagyon kicsi pórussal áttört lemezek. Ez utóbbiak átmérőjének tíz nanométer nagyságrendűnek kell lennie, hogy a molekulák szinte egyenként haladjanak át rajtuk. Az ilyen kis méretű pórusokkal rendelkező válaszfalak gyártásának szükségessége bizonyos nehézségeket okozott, de ennek ellenére a problémát speciális megközelítésekkel - nikkel szintereléssel vagy a bimetál ötvözetet alkotó fémek egyikének szelektív feloldásával - megoldották.

Ha készítünk egy dobozt ilyen porózus válaszfallal, és urán-hexafluoridot pumpálunk bele, akkor a könnyű izotóppal rendelkező molekulák valamivel gyorsabban haladnak át a válaszfalon. Más szóval, utána az urán-hexafluorid kissé feldúsul a hasadó izotópban. Ha gázt küld a következő azonos dobozba, a dúsítás mértéke nagyobb lesz, és így tovább. Igaz, a nagyfokú dúsításhoz több ezer (!) egymás után beépített dobozok, úgynevezett lépcsõsorok szükségesek. De hogyan lehet elérni, hogy az uránium magasabb szintre emelkedjen? Csak sok kompresszorral szivattyúzva. Innen ered a módszer hátrányai: hatalmas energiaköltségek, több millió négyzetméter építési igény termelési területek- a műhely hossza elérheti az egy kilométert - és drága anyagok felhasználása. Igaz, mindezt egy igazán nagy teljesítmény fedi. Éppen ezért a gázdiffúziós dúsítási technológia sokáig a fő technológia maradt az olyan atomóriások számára, mint az USA, Franciaország és Kína, amelyek később csatlakoztak hozzájuk. Csak az utóbbi években kezdték meg az aktív átállást a gazdaságosabb gázcentrifugálási technológiára.

A gázdiffúziós fokozat működési sémája

Az 1960-as években az angarszki elektrolízis vegyi üzem (Irkutszki régió, Oroszország), amely gázdiffúziós technológiával urándúsítással foglalkozott, a Szovjetunióban megtermelt villamos energia mintegy egy százalékát (!) fogyasztotta el. Az energiát a bratszki és irkutszki vízerőművek szolgáltatták. Valójában ez volt a legnagyobb villamosenergia-fogyasztó a Szovjetunióban.

Általánosságban elmondható, hogy az első tapasztalatok azt mutatták, hogy a gázdiffúzió megoldhatja a problémát, de túl magas áron. A fegyverkezési versenybe bevont Szovjetuniónak termelékenyebb és kevésbé energiaigényes urándúsítási technológiára volt szüksége. Egy háborúban meggyengült államnak nem volt olyan könnyű lépést tartania a hatalmas gazdasági és energiapotenciáljával rendelkező Egyesült Államokkal. Ennek oka többek között az európai országrészben a villamosenergia-termelő kapacitás hiánya: ezért épültek a dúsító üzemek Szibériában, ahol nagy vízerőművekkel tudták táplálni őket. Ennek ellenére a gázdiffúziós üzemek túl sok energiát fogyasztottak, ami nem tette lehetővé a dúsított urán termelésének növelését. Ezért a Szovjetuniónak úttörővé kellett válnia ipari alkalmazások alternatív technológia - gázcentrifuga.

A gázcentrifugálás egy gáznemű urán-hexafluoriddal töltött dob ​​nagy sebességű pörgetésében áll. A centrifugális erő hatására a nehezebb urán-238-hexafluorid „kipréselődik” a dob falához, a tengelye közelében pedig egy könnyebb vegyület, az urán-235-hexafluorid marad. Speciális csövek segítségével a dob közepéről enyhén dúsított uránt, a perifériáról enyhén szegényített uránt vehet fel.

Gázcentrifuga működési sémája

Technikai szempontból az imént tárgyalt dob ​​egy gázcentrifuga forgó része (rotor). Megállás nélkül forog egy kiürített házban, és egy tűvel egy nagyon tartós anyagból - korundból - készült nyomócsapágyra támaszkodik. Az anyagválasztás nem meglepő, mivel a rotor fordulatszáma meghaladhatja az 1500 fordulatot másodpercenként - százszor gyorsabban, mint egy mosógép dobja. A törékeny anyag nem fog ellenállni az ilyen hatásoknak. Ezen túlmenően, hogy a nyomócsapágy ne kopjon el és ne omoljon össze, a forgórész mágneses térben van felfüggesztve úgy, hogy a tűvel alig nyomja a korundot. Ez a technika, valamint a centrifuga alkatrészeinek nagy pontossága lehetővé teszi a gyors, de szinte hangtalan forgást.

A gázdiffúzióhoz hasonlóan egy centrifuga sem harcos a terepen. A szükséges dúsítási és termelékenységi fok elérése érdekében hatalmas, több tízezer (!) gépből álló kaszkádokká egyesítik őket. Leegyszerűsítve minden centrifuga két "szomszédjához" van csatlakoztatva. A rotor felső részének faláról vett, csökkentett urán-235 tartalmú urán-hexafluoridot az előző centrifugába küldik; és a forgórész alján lévő forgástengelyből vett urán-235-ben enyhén dúsított gáz a következő géphez kerül. Így minden következő fokozatba egyre több dúsított uránt szállítanak, amíg a kívánt minőségű terméket nem kapják.

Visszahúzódva a gázcentrifugák távoli kaszkádjaiba

Manapság a centrifugás elválasztás az urándúsítás fő módszere, mivel ez a technológia körülbelül ötvenszer kevesebb villamos energiát igényel, mint a gázdiffúzió. Ezenkívül a centrifugák kevésbé terjedelmesek, mint a diffúziós gépek, így könnyebb a termelés növelése. A centrifugálási módszert Oroszországban, Nagy-Britanniában, Németországban, Hollandiában, Japánban, Kínában, Indiában, Pakisztánban, Iránban alkalmazzák; Franciaországban és az USA-ban majdnem befejeződött az átállás a gázcentrifuga technológiára. Más szóval, nem marad hely a gáz diffúziónak.

A hosszú használatnak és fejlesztésnek köszönhetően az orosz gázcentrifugák a legjobbak a világon. Fél évszázada a nagy sebességű autók kilenc generációja változott meg, amelyek fokozatosan erősebbek és megbízhatóbbak lettek. Ennek köszönhetően a Szovjetunió sikeresen ellenállt az "atomversenynek" az Egyesült Államokkal, és amikor a legfontosabb feladatot elvégezték, megjelentek a szabad kapacitások. Ennek eredményeként hazánk nemcsak a gázcentrifugák fejlesztésében és gyártásában, hanem az urándúsítással kapcsolatos kereskedelmi szolgáltatások nyújtásában is világelsővé vált.

Gázcentrifugáink:

Hagyományosan fél métertől egy méterig terjedő magasságúak, átmérőjük tíz-húsz centiméter;

A helytakarékosság érdekében három-hét szinten helyezkednek el egymás felett;

Akár harminc évig is dolgozhatnak megállás nélkül, a rekord harminckét év.

A gázcentrifuga rotorjának forgási sebessége akkora, hogy áramszünet után körülbelül két hónapig tehetetlenségből forog!

A gázcentrifuga technológia fellendülése ehhez kapcsolódik aktív fejlesztés nukleáris energia. Az atomerőművek profitorientált kereskedelmi vállalkozások, ezért olcsó tüzelőanyagra és ezért olcsó dúsítási technológiákra van szükségük. Ez a követelmény fokozatosan eltemette a gázdiffúziót.

De a gázcentrifugálás sem pihenhet a babérjain. V Utóbbi időben Egyre gyakrabban lehet hallani a több mint negyven éve ismert módszerről, a lézeres dúsításról. Kiderült, hogy egy finomhangolt lézer segítségével lehetőség nyílik az urán-235 vegyületek szelektív ionizálására, azaz töltött részecskéivé alakítására. Ebben az esetben az urán-238 vegyületek nem ionizálódnak, töltés nélkül maradnak. A keletkező ionok könnyen elválaszthatók a semleges molekuláktól vegyi, ill fizikai módon, például mágnessel vagy töltött lemezzel (kollektorral) vonzzuk magukhoz őket.

A lézeres urándúsító létesítmény lehetséges működési sémája

Úgy tűnik, a lézeres dúsítás nagyon hatékony technológia, de a gazdasági teljesítménye továbbra is rejtély marad. Minden korábbi kísérletet, amely a laboratóriumi felhasználásról az ipari felhasználásra irányult, szétzúzta az elégtelen teljesítmény és a berendezések rövid élettartama. Jelenleg az Egyesült Államokban történik új kísérlet egy ilyen produkció létrehozására. De még ha sikeres is, a költséghatékonyság kérdése továbbra is fennáll. A dúsítási szolgáltatások piaca csak akkor fogad el új technológiát, ha az lényegesen olcsóbb a meglévőnél. A gázcentrifugák azonban még nem érték el képességeik plafonját. Ezért a lézeres dúsítás közvetlen kilátásai továbbra is nagyon homályosak.

Az urándúsításnak számos egyéb módszere is létezik: termikus diffúzió, aerodinamikai elválasztás, ionos eljárás, de ezeket gyakorlatilag nem alkalmazzák.

Amikor az urándúsítási technológiákról van szó, emlékeznünk kell arra, hogy nem csak a nukleáris üzemanyag, hanem a bomba felé is utat nyitnak. Az egyre hatékonyabb és kompaktabb iparágak létrehozása magában hordozza a nukleáris fegyverek elterjedésének veszélyét. Elvileg a technológia fejlődése oda vezethet, hogy a bombát finoman szólva is instabil rezsimű államok, vagy akár nagy terrorszervezetek gyártják majd. Ha pedig egy gázdiffúziós vagy gázcentrifugaüzem észrevétlenül nehezen épül fel, és beindításukhoz nagy mennyiségű jellegzetes anyagok és berendezések importjára lesz szükség, akkor a lézeres dúsítás gyakorlatilag garantálja a titkosságot. Általában véve a fennálló törékeny világot fenyegető kockázat növekszik.

Az urándúsító üzemek dúsított uránterméket (EUP) - urán-hexafluoridot állítanak elő a szükséges dúsítási fokozattal. Speciális tartályokba helyezik és nukleáris üzemanyagot gyártó üzemekbe küldik. Ugyanakkor a dúsító vállalkozások 0,3%-os dúsítási fokozatú szegényített urán-hexafluoridot (DUHF) is gyártanak, ami alacsonyabb, mint a természetes uráné. Más szóval, gyakorlatilag tiszta urán-238. Honnan származik? Lényegében a dúsítási folyamat hasonlít az értékes ásványok leválasztására a meddőkőzettől. A DUHF egyfajta hulladékkő, amelyből urán-235-öt vontak ki, bár nem teljesen. (A hasadó izotóp száz százalékos leválasztása az urán-238-ról gazdasági szempontból nem kifizetődő). Mennyi szegényített urán-hexafluorid keletkezik? Ez az urándúsítás szükséges mértékétől függ. Például, ha ez 4,3%, mint a VVVER reaktorok üzemanyagában, akkor tíz kilogramm urán-hexafluorid, amely természetes izotóp-összetételű (0,7% urán-235), mindössze egy kilogramm OUP-ot és kilenc kilogramm DUHF-t termel. Egyszóval elég sokat. Több mint 1,5 millió tonna DUHF halmozódott fel telephelyeiken speciális konténerekben a dúsító létesítmények teljes működési ideje alatt, amelyből körülbelül 700 000 tonna Oroszországban található. A világon eltérően viszonyulnak ehhez az anyaghoz, de a DUHF-ről, mint értékes stratégiai nyersanyagról alkotott vélemény uralkodik (lásd a 7. fejezetet).

Fabrizni – a szó legjobb értelmében

A nukleáris üzemanyag gyártása (gyártása) a dúsított urántermék urán-dioxiddá történő kémiai átalakításával kezdődik. Ez a folyamat két fő módon hajtható végre. Az elsőt "nedves" technológiának nevezik, és a hexafluorid vízben való feloldásából, a nehezen oldódó vegyületek lúg hatására történő kicsapásából és hidrogénatmoszférában történő kalcinálásából áll. A második technológia - "száraz" - előnyösebb, mivel nem termel folyékony radioaktív hulladékot: az urán-hexafluoridot hidrogénlángban égetik el.

Mindkét esetben urán-dioxid port kapnak, amelyet kis tablettákká préselnek, és körülbelül 1750 ° C-os kemencékben szintereznek, hogy szilárdságot kapjanak - elvégre a tablettáknak magas hőmérsékleti körülmények között kell "dolgozniuk". sugárzás. Ezután a tablettákat feldolgozzák köszörűgépek gyémántszerszámokkal. Erre a lépésre azért van szükség, mert a tábla méreteit és felületének minőségét nagyon pontosan be kell tartani. A különálló pellet gyártási hibái a reaktorban lévő fűtőelem hőtágulása során károsodhatnak, és ennek következtében az atomerőmű sugárzási helyzete romolhat. Ezért minden urán-dioxid pelletet gondosan ellenőriznek, majd egy speciális dobozba kerülnek, ahol a gép kis nióbium-keverékkel cirkóniumból készült csövekbe helyezi.

A pelletekkel megrakott csövet fűtőelemnek vagy röviden fűtőelemnek nevezzük. Ezután a korrozív gázok eltávolítása érdekében a tüzelőanyag-rudat kiürítik, vagyis a levegőt „kiszívják” a csőből, inert gázzal - a legtisztább héliummal - töltik fel, és lefőzik. A nukleáris üzemanyag-gyártási folyamat utolsó szakasza a fűtőelem-rudak összeszerelése fűtőanyag-kazettává (FA) távtartó rácsok segítségével. Ezekre azért van szükség, hogy a szerkezet erős legyen, és az üzemanyagrudak ne érjenek egymáshoz. Ellenkező esetben az érintkezési ponton a héj kiéghet, miközben az üzemanyag szabaddá válik és vízzel érintkezik, ami teljesen nem kívánatos.

Műveletek sorrendje a nukleáris üzemanyag előállítása során

Távtartó rácsok

Tehát az üzemanyag-kazetták cirkónium fűtőelemek "kötege", amelyek belsejében nukleáris üzemanyag - hasadó izotóppal dúsított urán-dioxid található. Ezt az anyagválasztást meg kell magyarázni. Az atomreaktorban a fűtőelem-köteg magas hőmérsékleten és erős ionizáló sugárzás alatt áll, és kívülről is nagyon forró, túlnyomásos vízzel mossák. Ezért a nukleáris fűtőelemeknek vegyszer- és sugárzásállónak kell lenniük, jól kell vezetniük a hőt, és hevítéskor nagyon kis mértékben tágulniuk kell, különben repedés keletkezhet az üzemanyag burkolatán. Az urán-dioxid és a cirkónium megfelel ezeknek a követelményeknek. Azonban ismételten emlékeztetni kell arra, hogy az urán-dioxid pellet a fűtőelemek belsejében található, és vízzel csak a fűtőelem burkolatán keresztül érintkezik, közvetlenül azonban nem. A hűtőfolyadékkal való közvetlen kölcsönhatás rendkívül nemkívánatos, és csak akkor fordul elő, ha a cirkóniumhéj megsemmisül, például amikor repedések jelennek meg bennük. Ebben az esetben a nukleáris üzemanyagban lévő urán radioaktív hasadási termékei elkezdenek oldódni a vízben, ami radioaktivitás növekedéséhez és az atomerőmű sugárzási helyzetének romlásához vezet. Emiatt a nukleáris üzemanyag gyártása összetett és rendkívül precíz munka, amely pontosságot és állandó ellenőrzést igényel.

Sugárzási szempontból a nukleáris üzemanyag előállítása nem jelent különösebb veszélyt. A kockázat még kisebb, mint az ércbányászatnál, mivel a tisztítási folyamat során az összes radioaktív anyagot eltávolítják az uránból.

A dúsított uránnal való munkavégzés során azonban felhalmozódhat egy kritikus tömeg, és ennek eredményeként létrejöhet a 2. fejezetben már tárgyalt önfenntartó láncreakció, amely hiba, az a munka szabályait, vagy akár véletlenül. Összesen hatvan ilyen balesetet regisztráltak a világon, ebből harminchárom az USA-ban, tizenkilenc a Szovjetunióban/Oroszországban. Íme két példa a hazai eseményekre.

1961. július 14., Szibériai Vegyi Kombinát (dúsítás). Kritikus tömeg képződése a nagymértékben dúsított urán-hexafluorid (22,6%) felhalmozódása következtében az olajban a tágulási tartályban légszivattyú. A kialakuló láncreakciót kísérő sugárkitörés következtében a kezelő jelentős sugárdózist kapott, és sugárbetegségben szenvedett, bár viszonylag enyhe formában.

1997. május 15. Novoszibirszk vegyi koncentrátumok üzeme (nukleáris üzemanyag gyártása). Kritikus tömeg kialakulása a nagymértékben dúsított (90%-os) urán csapadékának felhalmozódása következtében két szomszédos oldatgyűjtő tartály alján, azok deformációja miatt. Szerencsére a sugárdózisok elhanyagolhatóak voltak.

Mi a következtetés? A dúsított uránnal rendkívül óvatosan kell bánni, minden biztonsági előírást betartva, és ahogy mondani szokás, "beleértve a fejet is", vagyis előre kalkulálva az esetleges kockázatokkal.

Összegzésképpen meg tudjuk adni a VVER-1000 reaktorokkal működő orosz atomerőművekben használt fűtőelem-kazetták hozzávetőleges paramétereit.

Az üzemanyagpellet egy 9-12 mm magas és 7,6 mm átmérőjű henger. Urán-dioxidból áll, amelynek dúsítási foka 3,3 és 5,0% között van.

A pelleteket körülbelül négy méter hosszú és 9,1 mm átmérőjű, 1% nióbiumot tartalmazó cirkóniumból készült üzemanyagrúdba helyezik. A fűtőelem falvastagsága mindössze 0,65 mm, ezért ilyen hosszúság mellett rendkívül óvatos kezelést igényel. A fűtőelem nincs teljesen feltöltve pellettel: a pelletréteg magassága körülbelül 3,5 méter, össztömege pedig körülbelül 1,6 kilogramm, 62 grammot urán-235 foglal el.

Az üzemanyag-kazettát (FA) 312 üzemanyagrúdból állítják össze 12-15 távtartó rács segítségével. A TVS magassága eléri a 4,6 métert, tömege pedig 760 kg. Ugyanakkor az urán-dioxid tömege körülbelül fél tonna, a többi cirkóniumra és más fémekre esik. Felülről nézve a szerelvény egy hatszög, amelynek homlokfelülete 235 milliméter. Mindegyik szerelvény 19 csatornával rendelkezik a reaktorvezérlő rudak számára, amelyek bór-karbidot tartalmaznak, amely elem jól elnyeli a neutronokat.

A reaktorban 163 fűtőelem kazettát helyeznek el, ami 80 tonna urán-dioxidnak felel meg, ami 4 éves reaktor működésre elegendő.

Üzemanyag-egységek különféle típusú reaktorokhoz

Lehetséges lehetőségek

Tehát az atomerőművek leggyakoribb üzemanyaga a pelletált urán-dioxid, amelyben az urán a hasadó izotópban (urán-235) dúsítva van. Vannak azonban más típusú nukleáris üzemanyagok is.

Az urán-dioxid után a legelterjedtebb a vegyes oxidos üzemanyag, az úgynevezett MOX üzemanyag. Jelenleg elsősorban MOX-üzemanyagot állítanak elő, amely urán-oxidok és plutónium-239 keveréke. Ez az üzemanyag lehetővé teszi, hogy az „atomverseny” során felhalmozódott többletmennyiségű, fegyveres minőségű plutónium-239-et elektromos áram előállítására használják fel.

Az urán fém nukleáris üzemanyagként is használható. Előnye a nagy hővezető képesség és a hasadómagok maximális koncentrációja - egyszerűen nincs más elem az üzemanyagban. Ugyanakkor az urán, mint fém sugárzás-, vegyi- és hőállósága gyengébb, mint a dioxidé, ezért tiszta formájában ritkán használják. A fémes tüzelőanyag paramétereinek javítása érdekében némi molibdént, alumíniumot, szilíciumot és cirkóniumot adnak az uránhoz. Ma fémuránt és ötvözeteit csak kutatóreaktorokban használják.

Az urán-dioxid helyett urán-nitrid, azaz nitrogénnel való kombinációja használható. A nitrid üzemanyag hővezető képessége magasabb, mint a dioxidé, és hasonló olvadáspontja (2855 o C). Az urán-nitrid ígéretes üzemanyagnak számít a legújabb reaktorok számára. Hazánkban a nitrid üzemanyag kapja a legnagyobb figyelmet, amelyet a gyorsneutronos reaktorok következő generációjában terveznek alkalmazni.

Az urán szén-karbidokkal képes vegyületeket képezni. Az 1960-as és 1970-es években intenzíven tanulmányozták a karbidok reaktorok üzemanyagaként való felhasználásának lehetőségét. Az elmúlt időszakban azonban újra fellángolt az érdeklődés az ilyen típusú üzemanyagok iránt, ami a lemezes tüzelőanyag-elemek és a mikroüzemanyag-elemek fejlesztéséhez kapcsolódik. A karbidok pozitív tulajdonságai a jó hővezető képesség, a magas olvadáspont, a nagy keménység, a kémiai és hőstabilitás, valamint a kerámiabevonatokkal való kompatibilitás, ami a mikroüzemanyagoknál különösen fontos. Az urán-karbid alapú üzemanyag lehet a legjobb lehetőség bizonyos típusú következő generációs reaktorokhoz, különösen a gázhűtéses gyorsreaktorokhoz.

Ennek ellenére a Föld reaktorainak túlnyomó többsége még mindig urán-dioxidból készült nukleáris üzemanyaggal működik. A hagyomány ereje, hogy úgy mondjam.

Orosz üzemanyagciklus

Most, hogy megismerkedtünk a bányászat és a feldolgozóipar működésének sajátosságaival, érdemes egy gyors pillantást vetni a történetre, ill. korszerű a hazai üzemanyagciklusunk. Természetesen az urán kitermelésével kell kezdeni.

Az uránércek eleinte csak rádiumforrásként érdekelték a hazai tudósokat. 1900-ban I.A. professzor. Antipov a Szentpétervári Ásványtani Társaság ülésén tett jelentést az uránásvány felfedezéséről a Ferganából, a Tyuya-Muyun hegységből származó mintákban. Később ezt az ásványt tyuyamunitnak nevezték el. 1904-ben megkezdődtek a kutatási munkák ezen a lelőhelyen, 1908-ban uránérc-feldolgozó kísérleti üzem épült Szentpéterváron, 1913-ban pedig nemzetközi részvénytársaság alakult a Tuyamuyun rádium kitermelésére.

Amikor az első világháború elkezdődött, a bányában végzett munka gyakorlatilag leállt, és csak 1922-ben küldtek nyolc szakemberből álló expedíciót Tyuya-Muyunba. Ugyanebben az 1922-ben, a forradalom utáni nehéz körülmények között, Basmachi bandáival körülvéve, sikerült újraindítani az ipari ércbányászatot. 1936-ig folytatódott, amikor is a bőséges talajvíz kétszáz méter mélységben megszakította a lelőhely fejlődését. Ez a probléma azonban nem vált kritikussá, mivel a rádium kitermelését az Ukhta folyó "Víziparában" hozták létre - a radioaktív fémet a földalatti sós vízből vonták ki. Maga az urán ezekben az években senkit nem érdekelt, mivel gyakorlatilag nem használták az iparban.

Az uránlelőhelyek iránti érdeklődés új hulláma az 1940-es évek elején következett be, amikor a Szovjetunió szembesült azzal, hogy válaszolni kell az Egyesült Államokból származó nukleáris fenyegetésre, vagyis amikor felmerült az igény hazai nukleáris fegyverek létrehozására.

Az első szovjet atombombához szükséges uránt szó szerint apránként gyűjtötték az egész országban és azon kívül is. 1943-ban megkezdődött az uránbányászat a modern mércével mérve, a tádzsikisztáni Taboshar bányában, amelynek kapacitása mindössze 4 tonna uránsó évente. Sőt, P.Ya emlékiratai szerint. Antropov, a Szovjetunió első geológiai minisztere „az uránércet szamarak és tevék zsákokban szállították feldolgozásra a Pamír hegyi ösvényein. Akkor még nem voltak utak vagy megfelelő felszerelés.

1944-1945-ben, amikor Európa felszabadult a nácik alól, a Szovjetunió hozzájutott a bulgáriai goteni lelőhelyből, a csehszlovákiai Jachimov-bányákból és a német szászországi bányákból származó uránérchez. Ezenkívül 1946-ban újraindították a Tyuya-Muyunsky bányát, de ez nem járult hozzá különösebben a közös ügyhöz.

Az 1950-es években Lermontovszkij segítségével termelő egyesület"Almaz" megkezdte az uránbányászatot a Beshtau és Byk hegységben (Sztavropol terület) található bányákban. Ugyanakkor megkezdték a lelőhelyek fejlesztését Dél-Kazahsztánban és Közép-Ázsiában.

1991 után a fejlett területek nagy része Oroszországon kívül, független államokba került. Ettől a pillanattól kezdve a fő uránbányászatot bányászati ​​módszerrel végzik a Priargunsky Termelési Bányászati ​​és Vegyi Egyesületnél (Transzbajkál Terület). Ezenkívül fokozatosan erősödik két, a fúrólyuk in situ kilúgozás technológiáját alkalmazó vállalkozás - Khiagda (Burjáti Köztársaság) és Dalur (Kurgan régió). Gyártó létesítményeket terveznek Jakutföldön. Vannak ígéretes termelési régiók is - transzbajkáli, nyugat-szibériai, észak-európai ...

A feltárt uránkészletek tekintetében Oroszország a harmadik helyen áll a világon.

Az oroszországi uránbányászati ​​vállalatokat a Roszatom tulajdonában lévő ARMZ Uranium Holding (www.armz.ru) irányítja, de az Állami Vállalat külföldi eszközökkel is rendelkezik nemzetközi vállalat Uranium One Inc. (www.uranium1.com). E két szervezet tevékenységének köszönhetően a Roszatom a világon a harmadik helyet érte el az uránvegyületek gyártásában.

A természetes urántermelés világpiaci helyzete (2014)

A bányászati ​​vállalkozásoktól a stafétabotot az urán finomítására, átalakítására és dúsítására, valamint nukleáris üzemanyag előállítására szolgáló termelés egész komplexuma veszi át. Legtöbbjük a múlt század ötvenes éveinek időszakából származik - az atomfegyverek aktív felhalmozásának idejéből. Ma egy tisztán békés iparágnak – az atomenergiának – dolgoznak, és külföldi cégeknek nyújtják szolgáltatásaikat.

Oroszországban négy dúsító üzem működik, ezek egy része az uránvegyületek végső tisztítását (finomítását) és fluorozását (konverzióját) is végzi.

Az első D-1 urándúsító gázdiffúziós üzem a Szverdlovszk-44-ben 1949 novemberében kezdte meg működését. Eleinte termékeit tovább kellett dúsítani a leendő Elektrokhimpribor gyár SU-20 egységében, Sverdlovsk-45-ben (Lesnoy), de néhány év elteltével a D-1 kezdett önállóan megbirkózni és növekedni kezdett. És 1967 óta megkezdődött a diffúziós kaszkádok cseréje centrifugák kaszkádjaival. Ma a leszerelt D-1 helyén található a világ legnagyobb urándúsító vállalkozása - az Uráli Elektrokémiai Üzem (Novouralsk, Szverdlovszki régió).

1953-ban a Tomszk-7-ben megkezdte munkáját a leendő szibériai vegyi üzem (Szeverszk, Tomszk régió), amely 1973 óta fokozatosan átállt a gázcentrifuga technológiára. Az első dúsított uránt az angarszki elektrolízis vegyi üzemből (Angarsk, Irkutszk régió) 1957-ben szerezték be, és 1985-ben kezdték meg a diffúziós készülékek centrifugákkal való cseréjét. Végül 1962 lett a Krasznojarszk-45 (ma Zelenogorszk, Krasznojarszk Terület) Elektrokémiai Üzem elindításának éve. Néhány évvel később ott helyezték el az első centrifugákat.

Ez rövid hivatkozás természetesen nem tükrözi annak a nehéz korszaknak a valóságát. Bár a bezárt városok titkos, "számozott" elnevezéseiből és a növények homályos elnevezéseiből megérthető, hogy a Szovjetunió gondosan megőrizte gazdagodási titkait. A főbb gyártóüzemek helyszínei azonban az amerikai hírszerzés tudomására jutottak. De a gázcentrifuga technológiára való aktív átállás, mint mondják, hiányzott. Talán ez volt az oka versenytársaink némi önelégültségének: nem tudva, hogy a Szovjetunióban termelékenyebb és hatékonyabb technológiát vezetnek be, az államok ragaszkodtak az eredetileg választott módszerhez - a gázdiffúzióhoz. Nyilvánvalóan a jelenlegi helyzet a Szovjetunió kezére játszott, és lehetővé tette a nukleáris paritás gyors elérését. Ugyanakkor a szovjet tudósok és mérnökök úttörő fejlesztései a nagy teljesítményű gázcentrifugák létrehozására nem mentek kárba, így Oroszország vezető pozícióba került az urándúsítás és a centrifugagyártás világpiacán.

A négy kombájnból származó dúsított uránterméket a Gépgyártó üzembe (Elektrostal, Moszkvai régió) és a Novoszibirszki Vegyi Koncentrátumgyárba (Novoszibirszk, azonos nevű régió) szállítják, ahol a nukleáris üzemanyag-gyártás teljes ciklusát végzik. A tüzelőanyag-rudakhoz való cirkóniumot és az üzemanyag-kazettákhoz használt egyéb szerkezeti anyagokat a Chepetsky Mechanical Plant (Glazov, Udmurt Köztársaság) szállítja, amely Oroszország egyetlen és a világon a harmadik, amely cirkóniumból gyárt termékeket.

A legyártott fűtőelem-kazettákat orosz és külföldi atomerőművekbe szállítják, illetve reaktorokban más célra is felhasználják.

A Rosatom TVEL Fuel Company (www.tvel.ru) részeként egyesülnek az urán finomításával, átalakításával és dúsításával, nukleáris üzemanyag gyártásával, gázcentrifugák gyártásával foglalkozó vállalkozások, valamint tervező és kutató szervezetek.

Sok év eredményeként sikeres munka A társaság és leányvállalatai közül a Rosatom magabiztosan vezeti a legnagyobb urándúsítási szolgáltatók listáját (a világpiac 36%-a).

Angarszkban van egy nukleáris üzemanyagbank – egy garantált tartalék, amelyet olyan ország vásárolhat meg, amely valamilyen okból megfosztotta attól, hogy a szabad piacon uránt vásároljon. Ebből a készletből képes lesz friss nukleáris fűtőanyag előállítására, és biztosítja atomenergia-iparának zavartalan működését.

A Rosatom részesedése a globális nukleáris üzemanyagpiacon 17%, ennek köszönhetően a Földön minden hatodik erőreaktor TVEL márkájú üzemanyaggal van megterhelve. A kiszállítás Magyarországra, Szlovákiába, Csehországba, Bulgáriába, Ukrajnába, Örményországba, Finnországba, Indiába és Kínába megy.

Fent - az urándúsítás világpiaca (2015), lent - az üzemanyaggyártás világpiaca (2015)

Nyitott vagy zárt?

Megjegyzendő, hogy ez a fejezet nem terjedt ki a kutatóreaktorok, valamint a nukleáris tengeralattjárókra és jégtörőkre telepített nukleáris üzemanyag előállítására. A teljes beszélgetés az atomerőművekben használt nukleáris üzemanyaggal foglalkozott. Ez azonban nem véletlenül történt. Az a tény, hogy egyszerűen nincsenek alapvető különbségek az atomerőművek és például az atomtengeralattjárók üzemanyag-termelési sorrendje között. Természetesen előfordulhatnak technológiai eltérések a hajós és kutatóreaktorok sajátosságaihoz kapcsolódóan. Például az előbbinek kis méretűnek és ugyanakkor meglehetősen erősnek kell lennie - ez teljesen természetes követelmény egy jégtörő és ráadásul egy manőverezhető nukleáris tengeralattjáró számára. A szükséges mutatókat az urándúsítás növelésével, vagyis a hasadómagok koncentrációjának növelésével lehet elérni - akkor kevesebb üzemanyagra lesz szükség. Pontosan ezt teszik: a hajóreaktorok üzemanyagaként használt urán dúsítási foka 40% körüli (projekttől függően 20 és 90% között változhat). A kutatóreaktorokban szokásos követelmény a maximális neutronfluxus elérése, és a reaktorban lévő neutronok száma is közvetlenül összefügg a hasadó atommagok számával. Ezért a tudományos kutatásra szánt létesítményekben időnként jóval magasabb urán-235-tartalmú, erősen dúsított uránt használnak, mint az atomreaktorok fűtőanyagában. De a dúsítási technológia ettől nem változik.

A reaktor kialakítása meghatározhatja a tüzelőanyag kémiai összetételét és azt az anyagot, amelyből az üzemanyagrúd készül. Jelenleg az üzemanyag fő kémiai formája az urán-dioxid. Ami a fűtőelemeket illeti, ezek túlnyomórészt cirkóniumból állnak, de például a BN-600 gyorsneutronos reaktorhoz is gyártanak rozsdamentes acél fűtőelemeket. Ez annak köszönhető, hogy folyékony nátriumot használnak hűtőközegként a BN reaktorokban, amelyekben a cirkónium gyorsabban pusztul (korrodálódik), mint a rozsdamentes acél. Ennek ellenére a nukleáris fűtőanyag-gyártási folyamat lényege változatlan - a dúsított urántermékből urán-dioxid port szintetizálnak, amelyet pelletté préselnek és szintereznek, a pelletet fűtőelem-rudakba helyezik, a fűtőelem-rudakat pedig fűtőelem-kazettákba szerelik. (FA).

Sőt, ha figyelembe vesszük a különböző országok nukleáris üzemanyag-ciklusait, kiderül például, hogy Oroszországban az uránvegyületeket közvetlenül molekuláris fluorral fluorozzák az átalakítás során, míg külföldön először fluorsavval, majd csak azután fluorral kezelik. A különbség az érc „felnyitására” szolgáló oldatok, a szorbensek és az extrahálószerek kémiai összetételében keresendő; a folyamatok paraméterei eltérhetnek... De a nukleáris üzemanyag-ciklus sémája ettől nem változik. Az alapvető különbség csak a nyitott (nyitott) és a zárt (zárt) változata között van: az első esetben az atomerőműben végzett „munka” után az üzemanyagot egyszerűen elszigetelik a környezettől egy mély temetőben, és a utóbbi értékes komponensek kinyerésével kerül feldolgozásra (lásd 7. fejezet). Oroszország azon kevés országok egyike, amelyek zárt ciklust alkalmaznak.

Példa egy zárt üzemanyagciklusra a Rosatom TVEL Fuel Company szerepének feltüntetésével

Egy atomreaktor aktív zónája (a.z.EIAR)- kötetének ez a része, amelyben konstruktívan megszervezték a feltételeket a nukleáris fűtőanyag hasadásának folyamatos önfenntartó láncreakciójának és a benne keletkező hő kiegyensúlyozott eltávolításának megvalósításához a későbbi felhasználás érdekében.

Ha átgondoljuk ennek a definíciónak a jelentését a termikus ENR magjával kapcsolatban, akkor érthető, hogy egy ilyen mag alapvető alkotóelemei a nukleáris üzemanyag, a moderátor, a hűtőközeg és egyéb szerkezeti anyagok, amelyekre objektíve szükség van, mivel a nukleáris üzemanyag ill. moderátor a zónában és magát a zónát a reaktorban elmozdíthatatlanul rögzíteni kell, lehetőség szerint összecsukható technológiai egységet képviselve.

A nukleáris üzemanyag alatt általában az aktív zónában található hasadó nuklidok összességét értjük. Az atomerőművi erőművekben az üzemelés kezdeti szakaszában használt termikus ENR-ek többsége tiszta urán üzemanyaggal működik, de a kampány során jelentős mennyiségű másodlagos nukleáris üzemanyagot - plutónium-239-et - reprodukálnak, amely közvetlenül a kialakulása után bekerül a folyamatba. a neutronszaporodás a reaktorban . Ezért az ilyen ENR-ben lévő üzemanyagot a hadjárat tetszőleges pillanatában három hasadó komponens kombinációjának kell tekinteni: 235U, 238U és 239Pu. Az urán-235 és a plutónium-239 a reaktor spektrumának tetszőleges energiájú neutronjai által hasadóképes, a 238 U-os, mint már említettük, csak a küszöbérték feletti gyors (E > 1,1 MeV) neutronok által.

Az urán nukleáris üzemanyag fő jellemzője a kezdeti dúsítás (x), amely az urán-235 atommagok arányára (vagy százalékára) utal az összes uránmag között. És mivel az urán több mint 99,99%-a két izotópból áll - 235 U és 238 U, a dúsítási érték:
x= N 5 /N U \u003d N 5 / (N 5 + N 8) (4.1.1)
A természetes fémurán körülbelül 0,71%-ban 235 U atommagot tartalmaz, és több mint 99,28%-ban 238 U. kell figyelembe venni.

Az atomerőművi reaktorok 1,8 ÷ 5,2%-ig dúsított uránt használnak, a tengeri szállító atomerőművek reaktoraiban a nukleáris üzemanyag kezdeti dúsítása 20 ÷ 45%. Az alacsony dúsítású fűtőanyag atomerőművekben történő felhasználását gazdasági megfontolások magyarázzák: a dúsított fűtőelemek előállításának technológiája összetett, energiaigényes, összetett és terjedelmes berendezéseket igényel, ezért költséges technológia.

A fémes urán termikusan instabil, viszonylag alacsony hőmérsékleten allotróp átalakulásnak van kitéve, kémiailag instabil, ezért energiareaktorok üzemanyagaként elfogadhatatlan. Ezért az uránt a reaktorokban nem tisztán fémes formában, hanem kémiai (vagy kohászati) vegyületek formájában használják más kémiai elemekkel. Ezeket a kapcsolatokat ún üzemanyag kompozíciók.

A reaktortechnológiában a leggyakoribb üzemanyag-összetételek a következők:
UO 2, U 3 O 8, UC, UC 2, UN, U 3 Si, (UAl 3) Si, UBe 13.

Egyéb kémiai elem az üzemanyag összetételét ún üzemanyag hígító. A felsorolt ​​tüzelőanyag-összetételek közül az első kettőben a hígítóanyag oxigén, a második kettőben szén, a következőkben nitrogén, szilícium, alumínium szilíciummal és berillium.
A hígítószerrel szemben támasztott fő követelmények ugyanazok, mint a reaktorban lévő moderátorral szemben: nagy rugalmasságú szórási mikrometszettel kell rendelkeznie, és lehetőleg kisebb abszorpciós mikrometszettel kell rendelkeznie a termikus és rezonáns neutronok számára.

Az atomerőművi reaktorokban a leggyakoribb üzemanyag-összetétel az urán-dioxid(UO 2), és hígítóanyaga - oxigén - teljes mértékben megfelel a fenti követelményeknek .

A dioxid olvadáspontja (2800 o C) és nagy termikus stabilitása lehetővé teszi magas hőmérsékletűüzemanyag megengedett Üzemi hőmérséklet 2200 o C-ig.

Ami viszont a következő atommagok hasadását idézheti elő. Ilyen hasadás akkor következik be, amikor egy neutron belép az eredeti anyag atomjának magjába. A maghasadás során keletkezett hasadási töredékek nagy . Az anyagban lévő hasadási töredékek lelassulását felszabadulás kíséri egy nagy szám hőség. A hasadási töredékek közvetlenül a hasadás eredményeként keletkező magok. A hasadási töredékeket és radioaktív bomlástermékeiket általában ún hasadási termékek. Azokat az atommagokat, amelyek bármilyen energiájú neutronokkal hasadnak, nukleáris üzemanyagnak nevezik (ezek általában páratlan atomszámú anyagok). Vannak olyan atommagok, amelyek csak egy bizonyos küszöbérték feletti energiájú neutronok által hasadnak (ezek általában páros rendszámú elemek). Az ilyen atommagokat nyersanyagoknak nevezzük, mivel amikor egy neutront befog egy küszöbmag, nukleáris üzemanyag atommagjai képződnek. A nukleáris üzemanyag és a nyersanyag kombinációját nukleáris üzemanyagnak nevezik. Az alábbiakban a 235 U atommag hasadási energiájának megoszlása ​​látható a különböző hasadási termékek között (MeV-ban):

A természetes urán három izotópból áll: 238 U (99,282%), 235 U (0,712%) és 234 U (0,006%). Nem mindig alkalmas nukleáris fűtőanyagként, különösen akkor, ha a szerkezeti anyagok intenzíven szívódnak fel. Ebben az esetben a nukleáris üzemanyagot dúsított urán alapján állítják elő. Az erőművekben 10%-nál kisebb dúsítású uránt használnak, a neutron- és uránalapú reaktorokban pedig az urándúsítás meghaladja a 20%-ot. A dúsított uránt speciális dúsító üzemekben nyerik.

Osztályozás

A nukleáris üzemanyagot két típusra osztják:

• Természetes, 235 U hasadó atommagokat, valamint 238 U nyersanyagokat tartalmaz, amelyek neutron rögzítésekor 239 Pu képzésére képesek;
• A természetben nem előforduló másodlagos tüzelőanyag, beleértve az első típusú üzemanyagból nyert 239 Pu-t, valamint a neutronok 232 Th atommagok általi befogása során keletkezett 233 U izotópokat.

Által kémiai összetétel, nukleáris üzemanyag lehet:

• , beleértve ;
• (Például, );
• (Például, )
• Vegyes (PuO 2 + UO 2)

Alkalmazás

A nukleáris üzemanyagot ott használják, ahol általában hermetikusan lezárt fűtőelemekben () találhatók, több centiméteres tabletták formájában.

A nukleáris tüzelőanyagra magas követelmények vonatkoznak a fűtőelemrúd burkolattal való kémiai kompatibilitására, megfelelő olvadási és párolgási hőmérséklettel, jó, kismértékű térfogatnövekedéssel a besugárzás során, valamint gyárthatósággal kell rendelkeznie.

Nyugta

urán üzemanyag

A nukleáris üzemanyagot ércek feldolgozásával nyerik. A folyamat több szakaszban zajlik:

• Rossz betétekre: V modern ipar a dús uránércek hiánya miatt (kivételt képeznek a kanadai inkonformitási lelőhelyek, ahol az urán koncentrációja eléri a 30%-ot, illetve az ausztráliai lelőhelyek, amelyek urántartalma legfeljebb 3%), az ércek földalatti kilúgozásának módszerét alkalmazzák. Ez kiküszöböli a költséges ércbányászatot. Az előkészületek közvetlenül a föld alatt zajlanak. Át befecskendező csövek A lelőhely feletti föld alatti szivattyút szivattyúzzák, néha vassók hozzáadásával (az U(IV) urán U(VI)-vé történő oxidálására), bár az ércek gyakran tartalmaznak vasat és piroluzitot, amelyek elősegítik az oxidációt. Át kipufogócsövek kénsav urános oldata speciális szivattyúkkal emelkedik a felszínre. Ezután közvetlenül az urán szorpciójára, hidrometallurgiai extrakciójára és egyidejű koncentrálására kerül.
• Érctelepekhez: használja és .
• Hidrometallurgiai feldolgozás – az urán zúzása, kilúgozása vagy extrakciója tisztított urán-oxid U 3 O 8 vagy nátrium-diuránát Na 2 U 2 O 7 vagy ammónium-diuranát előállítására.
• Az urán átvitele oxidból tetrafluoridba, vagy oxidokból közvetlenül hexafluorid előállítására, amelyet az urán dúsítására használnak a 235 izotópban.
• Dúsítás gáznemű termikus diffúzióval vagy centrifugálással (lásd )
• 235-ben dúsított UF 6

Tekintettel arra, hogy a nukleáris fűtőanyag hatékonyabb, mint az összes többi fűtőanyag, amely jelenleg rendelkezésre áll, óriási előnyben van minden, ami működhet nukleáris létesítmények(ATOMERŐMŰ, tengeralattjárók, hajók stb.). A reaktorok nukleáris üzemanyagának előállításáról később fogunk beszélni.

Az uránt két fő módon bányászják:
1) Közvetlen bányászat kőbányákban vagy bányákban, ha az urán előfordulásának mélysége megengedi. Ezzel a módszerrel remélem minden világos.
2) Földalatti kilúgozás. Ekkor fúrnak kutakat az urán megtalálásának helyén, ezekbe gyenge kénsavat szivattyúznak, és az oldat már kölcsönhatásba lép az uránnal, egyesül vele. Ezután a keletkező keveréket felpumpálják a felszínre, és kémiai módszerekkel vonják ki belőle az uránt.

Képzeljük el, hogy már kibányásztuk az uránt a bányában, és előkészítettük a további átalakításokhoz. Az alábbi képen - az úgynevezett "sárga torta", U3O8. Hordóban a további szállításhoz.

Minden rendben lenne, és elméletileg ezt az uránt azonnal fel lehetne használni atomerőművek üzemanyagának előállítására, de sajnos. A természet, mint mindig, most is adott nekünk munkát. A tény az, hogy a természetes urán három izotóp keverékéből áll. Ezek az U238 (99,2745%), az U235 (0,72%) és az U234 (0,0055%). Minket itt csak az U235 érdekel – mivel azt a termikus neutronok tökéletesen osztják egy reaktorban, ő teszi lehetővé, hogy élvezzük a hasadási láncreakció minden előnyét. Sajnos természetes koncentrációja nem elegendő egy modern atomerőművi reaktor stabil és hosszú távú működéséhez. Bár tudomásom szerint az RBMK berendezést úgy tervezték, hogy természetes uránból származó üzemanyaggal is be tudjon indulni, de az ilyen üzemanyaggal való működés stabilitása, hosszú távú és biztonságossága egyáltalán nem garantált.
Dúsítanunk kell az uránt. Azaz az U235 koncentrációjának növelése a természetesről a reaktorban használtra.
Például az RBMK reaktor 2,8%-os dúsítású uránnal működik, VVER-1000 - 1,6-5,0%-os dúsítás. Hajó és nukleáris hajó erőművek 20%-ig dúsított üzemanyagot fogyasztani. Néhány kutatóreaktor pedig 90%-os dúsítású tüzelőanyaggal működik (például a tomszki IRT-T).
Oroszországban az urándúsítást gázcentrifugákban végzik. Vagyis a képen korábban látható sárga port gázzá, UF6 urán-hexafluoriddá alakítják. Ezután ez a gáz a centrifugák egész kaszkádjába kerül. Az egyes centrifugák kijáratánál az U235 és U238 atommagok súlykülönbsége miatt kissé megnövelt U235 tartalmú urán-hexafluoridot kapunk. A folyamat sokszor megismétlődik, és ennek eredményeként a szükséges dúsítású urán-hexafluoridot kapjuk. Az alábbi képen csak a centrifugák kaszkádjának léptéke látható - nagyon sok van belőlük, és messzire nyúlnak.

Az UF6-gáz ezután visszaalakul UO2-vé, por alakban. A kémia végül is nagyon hasznos tudomány, és lehetővé teszi számunkra, hogy ilyen csodákat hozzunk létre.
Ezt a port azonban nem olyan egyszerű önteni a reaktorba. Illetve el lehet aludni, de semmi jó nem lesz belőle. Ezt (port) olyan formára kell hozni, hogy hosszú időre, évekre le tudjuk engedni a reaktorba. Ebben az esetben maga az üzemanyag nem érintkezhet a hűtőfolyadékkal, és nem léphet túl a magon. És mindezen felül az üzemanyagnak ki kell bírnia a nagyon-nagyon durva nyomásokat és hőmérsékleteket, amelyek a reaktoron belüli munka során fellépnek benne.
Amúgy elfelejtettem mondani, hogy a por is nem akárhogyan - egy bizonyos méretűnek kell lennie, hogy ne keletkezzenek felesleges üregek, repedések a préselés és szinterezés során. Először a porból préseléssel és hosszan tartó sütéssel tablettákat készítenek (a technológia nagyon nehéz, ha eltörik, az üzemanyag tabletták nem lesznek használhatók). Az alábbi képen bemutatom a tabletták változatait.

A tablettákon lyukak és mélyedések szükségesek a hőtágulás és a sugárzási deformáció kompenzálására. A reaktorban idővel a tabletták megduzzadnak, meggörbülnek, mérete megváltozik, és ha semmi sem látható előre, összeeshetnek, és ez rossz.

A kész tablettákat ezután fémcsövekbe csomagolják (acélból, cirkóniumból és ötvözeteiből és egyéb fémekből). A csövek mindkét végén le vannak zárva és le vannak zárva. A kész csövet tüzelőanyaggal tüzelőanyag-elemnek nevezik - fűtőelemnek.

A különböző reaktorokhoz eltérő kialakítású és dúsítású fűtőelemrudakra van szükség. RBMK üzemanyagrúd például 3,5 méter hosszú. Az üzemanyagrudak egyébként nem csak rudak. mint a fotón. Lamellás, gyűrűs, tengeri különféle fajtákés módosítások.
A tüzelőanyag-rudakat ezután tüzelőanyag-kazettákba - üzemanyag-kazettákba - egyesítik. Az RBMK reaktor tüzelőanyag-szerelvénye 18 üzemanyagrúdból áll, és így néz ki:

A VVER reaktor üzemanyag kazettája így néz ki:
Amint látható, a VVER reaktor FA-ja sokkal több üzemanyagrúdból áll, mint az RBMK-é.
Ezt követően a speciális készterméket (FA) az óvintézkedések betartásával az atomerőműbe szállítják. Miért kell óvintézkedéseket tenni? A nukleáris üzemanyag, bár még nem radioaktív, nagyon értékes, drága, és ha nagyon hanyagul kezelik, sok problémát okozhat. Ezután megtörténik a fűtőelemek állapotának végső ellenőrzése és - a reaktorba való betöltés. Ez az, az urán hosszú utat tett meg a föld alatti érctől a csúcstechnológiás eszközig egy atomreaktorban. Most más sorsa van - több éven át a reaktorba nyomulni, és értékes hőt szabadítani, amit a víz (vagy bármely más hűtőközeg) elvesz tőle.