Атомная энергетика

На сегодняшний день во всем мире существует большое количество заводов, предназначенных для обработки и переработки ядерных отходов. Это означает, что каждая атомная электростанция может привозит свои ядерные отходы на специальные заводы и перерабатывать их с целью дальнейшего получения ядерного топлива.

(далее…)

На сегодняшний день каждому образованному человеку хочется узнать, что же представляет из себя ядерный топливный цикл. Однако, далеко не каждый человек знает о том, где можно почерпнуть информацию на эту тему. Именно поэтому мы предлагаем сегодня вашему вниманию уникальный материал, посвященный тому, что же представляет из себя ядерный топливный цикл.

(далее…)

Если рассмотреть весь круговорот ядерного топлива, да еще и побочные расходы, например затраты на остановку и консервацию старых атомных электростанции, то может возникнуть ощущение, что ядерная энергия обходится слишком дорого. Однако исследование, проведенное Эссенским университетом, показало, что киловатт-час «ядерной электроэнергии» по стоимости равен киловатт-часу энергии из бурого угля, то есть дешевле, чем киловатт-час электричества, полученного из каменного угля. Соотношение это немного изменится, если учесть разный режим рабочего времени на электростанциях, но результаты исследования однозначно показали конкурентоспособность атомных электростанций по сравнению с обычными.
Так же обстоит дело и в Великобритании, где соотношение затрат на выработку электроэнергии из ядерного топлива и угля составляет 16,5:18,5, и в Японии, где оно равно 11:15. Во Франции, особенно широко использующей ядерную энергию, это соотношение достигает 19:31 (по данным энергосетей и государственных органов).
Эти результаты противостоят пессимистическим данным экологических институтов, которые исходят из завышенных затрат на консервацию реакторов и захоронение отходов. По их представлениям, «ядерная электроэнергия» дороже энергии, вырабатываемой из угля, на две трети.
Эти результаты, однако, противоречат экспертным данным независимых институтов. Кроме того, опыт работы по регенерации топлива, захоронению отходов и демонтажу атомных электростанций пока еще так невелик, что, пожалуй, только историки через несколько столетий смогут определить реальную цену киловатт-часа «ядерной электроэнергии». При этом нужно учитывать, что оценить последствия потенциальных аварий вообще не представляется возможным.
Таким образом, путем сравнения мы приходим к выводу, что на сегодняшнем уровне знаний и возможностей цена «ядерной» и «угольной» электроэнергии примерно одинакова.

Наилучшая возможность безопасного хранения радиоактивных отходов в течение тысячелетий - это захоронение их в подземных соляных пластах. Емкости со слабоактивными отходами устанавливают в соляных штреках и послойно прокладывают солью. После заполнения штрека доверху его замуровывают. Для захоронения среднеактивных отходов требуется больше мер безопасности: готовят специальную штольню, в которую категорически запрещено входить даже обслуживающему персоналу, оснащают ее телекамерами для контроля и загружают сверху емкости с отходами в бетонных резервуарах. Захоронение высокоактивных отходов в соляных пластах осуществляют следующим образом: остеклованные отходы в емкостях из нержавеющей стали опускают в скважины глубиной 1000 м и замуровывают. Месторождения каменной соли особенно удобны для захоронения из-за своей непроницаемости, поскольку соль не дает радиоактивности проникнуть в окружающую среду, в частности в грунтовые воды.
Существуют и другие проекты захоронения радиоактивных отходов. Например, предлагается хранить опасные материалы в старых шахтах или рудниках, то есть в наиболее глубоко залегающих слоях материковой скалы. Рассматривается также возможность организации могильников на Луне.

Отходы ядерных реакторов из исследовательских институтов, с атомных электростанций и регенерационных установок характеризуются разным уровнем опасности.
Слабоактивные отходы в твердой или жидкой форме подвергают сначала концентрированию до минимального объема путем прессования, выпаривания или сжигания, а затем помещают в емкости и цементируют.
Среднеактивные отходы, например измельченную оболочку топливных стержней, также цементируют в специальных сосудах.
Высокоактивные отходы, в частности растворенные в азотной кислоте продукты распада, дающие 99% мощности радиоактивного излучения всех ядерных отходов, требуют особой осторожности в обращении. Для этих опасных веществ разработан метод остекловывания: растворы высокоактивных веществ концентрируют, подвергают химической обработке, сплавляют при температуре 1150°С со стеклянным порошком, а расплав сливают в толстостенные емкости из нержавеющей стали. Одна регенерационная установка выдает на 1 тонну урана 130 л высокоактивных отходов в форме стеклянного блока, 5 емкостей по 400 л со среднеактивными и 15 емкостей - со слабоактивными отходами. И эти материалы должны быть надежно захоронены «на веки вечные», то есть бессрочно, так как еще через много поколений будут представлять реальную опасность.

Регенерационная установка - это устройство для разделения различных компонентов отработанных тепловыделяющих элементов. Особенно важно выделить радиоактивные отходы и пригодное для повторного использования топливо - уран и плутоний, так как кроме нерасщепленных ядер U-235 отработанные элементы содержат и плутоний-239, образующийся из U-238 и используемый затем в качестве ядерного топлива.
Отработанные тепловыделяющие элементы выдерживают в емкости на электростанции, помещают в контейнеры и после некоторой выдержки в промежуточных хранилищах передают на регенерационные установки. На этом этапе они еще высокоактивны, поэтому весь процесс осуществляется в автоматическом режиме за толстыми бетонными стенами и свинцовыми стеклами, защищающими обслуживающий персонал.
Сначала топливные элементы измельчают и растворяют в азотной кислоте. Уран, плутоний и продукты распада растворяются практически полностью, а обрезки оболочек стержней остаются в осадке. Их отделяют, цементируют и передают на захоронение. Раствор подвергают целому ряду химических превращений и разделяют на фракции, содержащие уран, плутоний и радиоактивные продукты распада. Уран и плутоний после дополнительной обработки и очистки отправляют на фабрику по производству топливных стержней, а активные продукты распада готовят к захоронению и тщательно упаковывают.

На атомных электростанциях ежегодно заменяют примерно одну треть действующих тепловыделяющих элементов новыми. На большои электростанции мощностью 1300 МВт каждый год извлекают из реактора по 30 т урана; до 2000 года в ФРГ накопится почти 11 000 т такого материала.
С одной стороны, эти материалы загрязнены опасными для жизни продуктами распада, но с другой - содержат ценные расщепляющиеся ядра. Поэтому разработать технологию регенерации и ликвидации отработанных элементов важно как с точки зрения окружающей среды, так и с экономических позиций.
Технология такова: сначала отработанные тепловыделяющие элементы выдерживают в течение 1 года в резервуаре с водой, затем помещают в транспортные контейнеры, обеспечивающие полную радиационную безопасность, и передают в промежуточное хранилище, где они дожидаются дальнейшей переработки. В некоторых странах, например во Франции (La Hague) и Великобритании (Sell-afield), отработанное топливо регенерируют. При этом пригодное к приме нению топливо извлекают и используют для изготовления новых тепловыделяющих элементов, а опасные продукты радиоактивного распада передают для захоронения на вечные времена в так называемых могильниках. Не исключено и прямое захоронение отработанных тепловыделяющих элементов в могильниках без предварительной регенерации.

Как мы уже знаем, в реакторе при расщеплении массивных ядер образуются высокорадиоактивные ядра средней массы, которые испускают опасное излучение. Отработанный тепловыделяющий элемент содержит значительное количество этих опасных для жизни веществ, а также остатки урана-235 и плутоний. Если отбросить конструкционные материалы и оболочку, то получим следующий состав отработанного топливного элемента: около 3% высокоактивных продуктов распада, 95% урана-238, 1% урана-235 и около 1% плутония, образовавшегося при трансформации урана-238. Для предотвращения попадания этих материалов в окружающую среду необходимы строжайшие меры безопасности.
В ФРГ этот процесс организован следующим образом. После выгрузки из реактора отработанные топливные элементы помещают на некоторое время в резервуар с водой, находящийся в том же здании, что и реактор. Здесь они остывают, и тепловыделение снижается. После этого топливные элементы помещают в специальные транспортные контейнеры со стенками толщиной почти 50 см, которые надежно изолируют содержимое от внешнего мира и гарантируют безопасность даже в случае серьезной аварии. Эти контейнеры должны выдерживать, в частности, падение с высоты 9 м, пребывание в пламени в течение 30 минут, сбрасывание на штырь длиной 1,2 м и даже столкновение с падающим самолетом. В таком контейнере весом до 120 тонн можно осуществлять промежуточное хранение или перевозку до 9 отработанных тепловыделяющих элементов. В настоящее время с немецких атомных электростанций ежегодно вывозится около 250 тонн отработанного ядерного топлива - гигантская нагрузка для всех фирм, занятых ликвидацией отходов.

Как уже было сказано, в топливных стержнях на атомных электростанциях находятся брикеты, или окатыши, из диоксида урана (U02). Диоксид урана получают из обогащенного UF6, затем формуют его в брикеты, обычно называемые «таблетками», диаметром 1 см и толщиной 1,5 см. Эти размеры могут меняться от страны к стране, от электростанции к электростанции, но они, как и другие приводимые здесь количественные данные, являются типичными средними величинами. Сырые отпрессованные таблетки нагревают до 1700°С для достижения необходимой прочности и плотности, обтачивают до требуемого размера с точностью до 1/10 ООО мм и заряжают в оболочку топливного стержня. Оболочку никогда не набивают таблетками полностью, так как при расщеплении иногда образуются газы, требующие определенного пространства. Для улучшения теплопроводности свободное пространство в оболочке заполняют гелием. Наполненные и газонепроницаемо загерметизированные оболочки - топливные стержни - собирают в пакеты с регулирующими стержнями и формируют из них тепловыделяющие элементы, которые, в зависимости от обстоятельств, могут иметь различную конструкцию. В кипящих реакторах для тепловыделяющего элемента применяют обычно пакет 7×7 топливных стержней, в системах с охлаждением водой под давлением - 15×15 или 20×20 стержней. Может также варьироваться способ установки регулирующих стержней.

Уран непригоден для использования на атомных электростанциях, так как содержит всего 0,7% расщепляющегося U-235, а остальные 99,3% составляет несколько более тяжелый не-расщепляемый U-238. Действующие в Германии атомные электростанции работают на топливе, содержащем около 3% U-235, поэтому уран должен быть обогащен до этой концентрации. Поскольку изотопы урана не различаются по химическим свойствам, то для обогащения приходится использовать разницу в массе. Сначала уран с помощью фтора превращают в газообразный гексафторид урана (UF6) -соединение урана с фтором. Для разделения изотопов существует несколько способов.

При разделении в фильерах газообразный UF6 пропускают с высокой скоростью через узкие фильеры дугообразной формы, центробежные силы прижимают более тяжелые молекулы с U-238 к наружной стенке дуги, что позволяет частично разделить изотопы. Конечно, полное разделение в одну стадию провести невозможно, поэтому газ пропускают через ряд расположенных последовательно разделительных ячеек до достижения необходимой концентрации U-235.
Каскадная эффузия. В соответствии с этой технологией газообразный гексаф-торид урана продавливают через мембраны, причем газ с легким изотопом быстрее проходит через поры, чем тяжелый U-238. Для более полного разделения изотопов устанавливают каскад мембран.
Разделение в газовой центрифуге. Газ вводят в высокоскоростную центрифугу, при вращении которой легкие изотопы концентрируются у оси центрифуги, а тяжелые отбрасываются центробежными силами к ее стенкам и таким образом разделяются. Здесь также необходимо многократное повторение процедуры на последовательно соединенных установ

Вид установки для обогащения урана. Множество аппаратов, соединенных последовательно, чтобы достичь требуемой степени обогащения.
Другие способы, которые позволили бы провести обогащение всего в одну стадию, пока находятся лишь на стадии разработки.