Уран – это радиоактивный элемент из группы металлов. Его открыл в 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот. Насколько важным было это открытие, не понимали в течение полутора веков. В 1938 году ученые выяснили, что атомы урана можно расщеплять и получать энергию.
Сборка топливных элементов не больше полена, но выделяет столько тепла, что может снабжать энергией 100 домов в течение года.
Здесь в Саскачеване (Канада), радиоактивный уран добывают на глубине 500 метров. Это одно из крупнейших месторождений высококачественного урана в мире.
Урановая руда находится под слоем мокрого песчаника. Чтобы дойти до нее, используют буровые головки с шипами из вольфрама.
В начале бурят скважины диаметром 45 сантиметров на расстоянии двух метров друг от друга. В них вставляют трубы, с их помощью замораживают грунтовые воды. Система с дистанционным управлением укладывает фрагменты труб через каждые полтора метра. Бур проходит в песчаник на глубину 120 метров.
На то, чтобы установить одну трубу, уходит до 8 дней. Для периметра вокруг месторождения нужны 200 таких труб. С их помощью стабилизируют породу и замораживают грунтовые воды, чтобы снизить риск затопления.
Установка охлаждает раствор хлорида кальция до минус 32 С°, затем его подают в трубы. Раствор поглощает из породы тепло и замораживает её. Потом его откачивают и снова охлаждают. На то, чтобы закончить замораживание, уйдет до 6 месяцев.
Можно добывать руду
В начале бурят пробную скважину диаметром 30 сантиметров, так задается направление к руде, и обозначается точка входа для крупногабаритного оборудования. Бур проходит вертикально через породу, делает пробную скважину и доходит до определенной глубины под пластом руды.
Далее в работе используют бур-расширитель он 3 метра в диаметре. На нем установлено множество вращающихся головок. Бур, расположенный над рудой, протягивает бур расширить через пробную скважину, и ее диаметр увеличивается.
Отломившаяся руда падает в выемочную камеру, её собирает машина с дистанционным управлением. Дистанционное управление дает возможность делать все на безопасном расстоянии и избегать контакта, ведь радиоактивный уран опасен.
Еще одна мера предосторожности: в шахте постоянная вентиляция, свежий воздух закачивается каждые 20 минут.
Машина с дистанционным управлением подвозит руду к сканеру, он измеряет уровень радиации и определяет, что содержание урана в ней около 15%. В этой шахте (в Саскачеване) радиоактивный уран в руде может достигать в среднем около 18%, такая руда высококачественная.
Теперь машина выгружают руду в желоб. За процессом можно следить с помощью телекамер. Оператор управляет гидравлическим молотком, которым дробят руду. Руду отправляют на мельницу, там она становится похожей на песок. К нему добавляют воду, и руда становится шламом. Его откачивают на поверхность.
Грузовики доставляют шлам на установку в 80 километрах от шахты. В месте разгрузки, над баком со шламом, устанавливают вакуумную систему. После этого вакуумный сборник опускают в бак, и он засасывает шлам.
Наблюдать за процессом можно на мониторах в центре управления. Здесь в 7 метрах от бака оператор чувствует себя в безопасности. Грузовик вымыли и проверили на радиацию, он снова уезжает.
Радиоактивный уран готов к превращению в ядерное топливо
На следующем этапе руду обрабатывают кислотой, она растворяет уран, но не остальную породу, которая остается на дне бака. Кислоту, с растворенным в ней ураном, откачивают, а ненужные минералы остаются.
Далее радиоактивный уран очищают с помощью химических реакций, при нагревании до 850 С° образуется порошкообразный концентрат черного цвета.
Его упаковывают в стальные бочки, а остатки порошка удаляют постукиванием по стенкам бочки. С помощью пресса на бочку надевают крышку, и наконец, герметизируют стальным обручем.
На бочки наносят:
- маркировку с указанием содержимого;
- веса;
- радиоактивности.
Бочки отвозят на склад и оттуда на следующую установку.
Здесь уран из черного становится желтым, из него делают урановый ангидрид. Это промежуточный этап и в процессе переработки урановый ангидрид перевозят в специальных бункерах.
По прибытии на следующий установку порошок ссыпают в трубчатый конвейер и доставляют на установку. Здесь урановый ангидрид растворяют в кислоте, берут пробу для проверки плотности и химического состава. Затем добавляют реактив, и растворенный уран вновь становится твердым.
После дальнейшей обработки урановый ангидрид превращается в диоксид урана, в этой форме его используют как ядерное топливо. Для того, чтобы частицы разного размера перемешались и смесь стала однородной её помещают в барабаны.
После химической обработки радиоактивный уран еще раз изменился в цвете. Сейчас это мелкий порошок серого цвета.
Его прессуют под давлением, получаются топливные таблетки. Отсюда их отправляют по конвейеру в печь. При нагревании в течение 24 часов, поры в таблетках исчезают, таблетки уменьшаются в размерах и становятся более плотными. Частицы сплавляются вместе, таблетка становится керамической.
Это таблетка до и после термической обработки
Затем робот укладывает таблетки в лоток и разравнивает. Лоток едет по конвейеру, еще один робот выкладывает на решетку циркониевые трубки. Цирконий устойчив к коррозии, тугоплавкий металл, но во время реакции деления электроны свободно проходят сквозь него.
Когда лоток с таблетками подъезжает к решетке с трубками, робот укладывает по 30 таблеток в одну трубку. Еще один робот подает трубки по одной в сварочный автомат, их концы заваривают. Следующий робот забирает готовый топливный элемент и переносит на сборочную установку. 37 элементов устанавливают вертикально.
Когда процесс варки закончен, на торцы сборки надевают боковины. Робот переносит сборку на весы, надо убедиться, что в ней нужное количество урана.
До начала использования в реакторе, радиационный фон таких сборок очень низкий, с ними можно работать.
Их готовят к отправке, сборки попадут к атомной электростанции, а вы теперь знаете, как их делают, и благодаря каким технологиям в вашем доме зажигается свет.
Спасибо за внимание.