Ядерний паливний цикл (Nuclear Fuel Cycle) - комплекс заходів для забезпечення функціонування ядерних реакторів, що здійснюються в системі підприємств, пов'язаних між собою потоком ядерного матеріалу і включають уранові рудники, заводи з переробки уранової руди, конверсії урану, ізотопного збагачення і виготовлення палива, ядерні реактори , заводи з переробки відпрацьованого палива сховища відпрацьованого палива, заводи з переробки відпрацьованого палива та проміжні сховища і могильники радіоактивних відходів, поліг ни для поховання відходів.
Розрізняють три типи типів циклів:
1) урановий паливний цикл, в якому речовиною, що ділиться є 235 U, а відтворює 238 U. Уранове паливо виробляють з природного урану 0,72% 235 U, низько збагаченого урану 1-5% 235 U або високозбагаченого урану до 93% 235 U. перші два види палива використовують в реакторах на теплових нейтронах, третій - в реакторах на швидких нейтронах, що працюють в конвертерному режимі.
2) Уран-плутонієвий паливний цикл. Паливо цього циклу складається з природного або обедненного0,2-0,3% 235 U з добавкою 239 Рu в кількості еквівалентному відповідному збагачення по 235 U. Це паливо, може бути використано, як в реакторах на теплових нейтронах, так і в реакторах на швидких нейтронах. Сировинним матеріалом тут також служить 238 U.
3) Уран-торієвий паливний цикл. Подільний матеріал - 235 U або 233 U, сировинної - 232 Th. У промисловому масштабі використовується в основному уранове паливо.
Уранових паливний ЦИКЛ
Стосовно до урану, ядерний паливний цикл (ЯПЦ) - сукупність технологічних операцій на підприємствах атомної промисловості (в першу чергу - на підприємствах атомної енергетики), що включають видобуток уранової руди, виготовлення уранового концентрату (в формі октооксіда урану (III) U3 O8 або діуранату натрію Na2 U2 O7); конверсію урану (виробництво гексафториду урану UF6) і його збагачення по 235 U; виготовлення палива (металевого урану, оксидів або нітридів урану, кераміки), тепловиділяючих елементів (ТВЕЛів) і паливних збірок (ТВЗ) для ядерних реакторів; спалювання уранового палива в атомних реакторах з метою виробництва теплової та електричної енергії (в деяких випадках - і для виробництво збройового плутонію або інших нуклідів); переробку (зберігання або захоронення) відпрацьованого ядерного палива (ВЯП), напрацювання радіонуклідів для науки, промисловості та медицини, перевезення (транспорт) радіонуклідів, переробку РАВ, зберігання, поховання або трансмутацію (знищення) радіоактивних відходів, зняття з експлуатації ядерних реакторів, демонтаж АЕС , АПЛ та інших об'єктів ядерної індустрії, дезактивація і рекультивація місцевості.
Звернення з ВЯП
Зберігання відпрацьованого ядерного палива спочатку здійснюється безпосередньо в реакторному відділенні. Потім ВЯП може бути переміщено на спеціальні склади «сухого зберігання» або сховища глибокого залягання.
Для розрахунку необхідного обсягу палива часто застосовують:
. де G річна потреба в збагаченому урані т / рік, Nt - теплова потужність реактора, # 966; - коефіцієнт навантаження реактора, B - глибина вигоряння.
Таб.5 Радіохімічна характеристика ізотопів урану.
Основний інтерес для ядерної енергетики представляє реакція поділу ядра 235 U. Відомо близько 100 різних ізотопів з масовими числами приблизно від 90 до 145, що виникають при поділі цього ядра 235 U. Три типові реакції поділу 235 U ядра мають вигляд:
Продуктами ділення ядер 235 U можуть бути інші ізотопи барію, ксенону, стронцію, рубідію і т. Д.
Конверсія → Збагачення → Реконверсія
Конверсія урану (Uranium conversion) - хіміко-технологічний процес перетворення урансодержащих матеріалів (головним чином, оксидів урану) в гексафторид урану UF6.
Оскільки всі ізотопи урану володіють фактично однаковими хімічними властивостями, підвищення частки 235 U у вибірці залежить від різниці атомних мас ізотопів.
Методи розділення ізотопів:
· Газодинамический (Аеродинамічна сепарація)
Потужність уранової збагачувальної установки по підвищенню відсотка 235 U представляється в одиницях, які називаються кілограмом Одиниці розділової роботи (ЕРР) (Separative Work Units - SWU). У підприємствах виробничого рівня потужності установок, як правило, становлять від декількох сот до кількох тисяч метричних тонн ЕРР (MTЕРР) в рік. (1 MTЕРР = 1000 ЕРР.) Одиниця розділової роботи - це комплексна одиниця, яка залежить, як від частки 235 U, яку хочуть отримати в збагаченому потоці, так і від того, скільки 235 U з вихідної речовини залишається в потоці, обедненном даними ізотопом .
P - кількість кг 235 U, W - кількість кг відвального урану. Np - відсоток збагачення 235 U, Nf - відсоток збагачення природного урану (0,71%), Nw - відсоток домішок. А функція V (x) = (2x-1) ln (x / (1-x))
Одиницю ЕРР (SWU) можна розглядати як витрати, які необхідно докласти для досягнення встановленого ступеня збагачення. Чим менше 235 U з вихідної речовини слід залишити в обедненном урані, тим більше ЕРР необхідно для досягнення бажаного ступеня збагачення.
Кількість ЕРР, що забезпечується збагачувальної установкою, безпосередньо залежить від обсягу енергії, споживаної цією установкою. Дві найпоширеніші технології збагачення на сьогоднішній день значно відрізняються в своєму енергоспоживанні. Для сучасних газодифузійних установок, як правило, потрібно від 2400 до 2500 кВ-год електроенергії на 1 ЕРР, тоді як газогенераторні центрифужні установки споживають тільки 50-60 кВ-год електроенергії на 1 ЕРР.
Для того щоб забезпечити типовий легководний ядерний реактор потужністю 1000 МВт електроенергії, що використовує збагачений уран в якості палива, буде потрібно приблизно від 100 000 до 120 000 обсягу послуг зі збагачення урану в ЕРР в рік.
Крім кілограма ЕРР, є ще один важливий параметр - маса природного урану, яка необхідна для отримання бажаної маси збагаченого урану. Як і з кількістю ЕРР необхідну кількість вихідного матеріалу також буде залежати від бажаного ступеня збагачення, а також від кількості 235 U, яке залишається в обедненном урані. Необхідна кількість природного урану буде скорочуватися при зменшенні частки 235U. яку необхідно залишити в обедненном урані.
При збагаченні НОУ для легководного ядерного реактора в збагаченому потоці зазвичай міститься 3,6% 235 U (в порівнянні з 0,7% в природному урані), а в обедненном потоці міститься від 0,2 до 0,3 відсотка 235 U. Для вироблення одного кілограма такого НОУ потрібно 8 кілограм природного урану і 4,5 ЕРР, якщо допустима частка 235 U в обедненном урановому потоці становить 0,3%. З іншого боку, якщо в обедненном потоці залишиться тільки 0,2% 235 U, тоді буде потрібно всього лише 6,7 кілограма природного урану, проте - близько 5,7 ЕРР для збагачення.
Для отримання одного кілограма високозбагаченого урану містить 90% 235 U, буде потрібно більше 193 ЕРР і майже 219 кілограмів природного урану за умови, що в обедненном урані залишиться 0,3% 235 U. Якщо допустима частка 235 U в обедненном урані складе 0, 2% , буде потрібно майже 228 ЕРР і більше 176 кілограм природного урану.
Швидкість обертання центрифуг, об / сек.
Таб. 8 Заводи зі збагачення урану.
Метод газової дифузії.
Процес газової дифузії використовувався для збагачення майже всього низько- і високозбагаченого урану, який проводився в США. Вперше цей метод був розроблений в 1940-х роках в рамках Манхеттенського проекту і був частково застосований при збагаченні урану для бомби, скинутої на Хіросіму.
Всі п'ять відомих ядерних країн-учасниць Договору про нерозповсюдження ядерної зброї (ДНЯЗ) в той чи інший період часу ввели в експлуатацію газодифузійні установки, однак на сьогоднішній день такі об'єкти продовжують функціонувати тільки в США і Франції. Для процесу дифузії необхідно закачати уран, що знаходиться в газоподібному стані, через велику кількість пористих бар'єрів - вкрай енергоємний процес. Факт в тому що переви два обогатітельтних заводу в США споживали близько 10% електроенергії виробляється в США.
Гексафторид урану UF6 є газом і відповідно може брати участь в процесі газової дифузії. Молекули гексафториду урану, що містять атоми 235 U, будучи трохи легше, стануть рухатися через кожен бар'єр з трохи більш високим ступенем поділу, ніж ті, які містять атоми 238 U.
Газ на кожному ступені пропускають через проникні бар'єри, після кожної такої ступені газ, який переходить до низьконапірної стороні бар'єру (тобто стороні виходу потоку) має більш високий відсоток 235 U, в порівнянні з тим, який був на попереднього ступеня. Різниця в масах, а значить і швидкостях молекул UF6. містять 235 U і 238 U, порядку одного відсотка. Отже, щоб збагатити великі промислові обсяги урану, необхідні тисячі ступенів збагачення.
У газодифузійній установці ступені побудовані в "каскади", які дозволяють на кожному ступені нарощувати збагачення, отримане на попередніх щаблях, а також більш ефективно використовувати збіднений урановий потік. Щоб зрозуміти масштаб такого виробництва, потрібно знати, що на момент будівництва газодифузійного заводу, зведеного на початку 1940-х років в місті Ок-Рідж, штат Теннесі, США, це був найбільший промисловий об'єкт в світі.
Найбільш складним завданням при зведенні газодифузійній установки є виробництво проникних бар'єрів, які необхідні для роботи дифузорів. Матеріал для таких бар'єрів повинен бути високоміцним і здатним підтримувати однаковий діаметр пір протягом декількох років роботи установки. Це дуже складне завдання при використанні газу гексафториду урану, який володіє висококоррозіонним властивістю. Товщина типових бар'єрів становить всього 5 міліметрів, а їх отвори лише в 30-300 разів більше діаметру одного атома урану.
Крім того, що в ході роботи установки потрібні великі обсяги електроенергії, компресори в газодифузійних виробництвах також генерують багато тепла, яке потрібно розсіювати. В американських установках тепловіддача відбувається за допомогою виснажують озоновий шар хлорфторуглеродов (CFCs), таких як охолоджувач CFC-114 (фреон-114). Виробництво, ввезення, а також застосування CFC було серйозно обмежено в 1987 році Монреальським протоколом про речовини, які виснажують озоновий шар (Montreal Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer).