Когда речь заходит о ядерном топливе, обыватели представляют нечто, что может гореть и литься, как нефть, или сыпаться, как уголь. А как оно выглядит в реальности?
На самом деле ядерное топливо – это технологически сложное изделие, которое используется на атомных электростанциях для получения электроэнергии. Оно представляет собой тепловыделяющую сборку (ТВС), состоящую из герметичных металлических трубок, называемых твэлами (тепловыделяющий элемент).
В зависимости от типа реактора – зарубежной или российской конструкции, - ТВС могут быть шестигранными или квадратными. Но у всех есть одна общая деталь – маленькая таблетка из двуокиси урана. Такие изготавливают на Машиностроительном заводе (МСЗ) и Новосибирском заводе химконцентратов (НЗХК). Оба входят в структуру Топливной компании Росатома «ТВЭЛ».
Необходимый для топлива природный уран добывают в подземных шахтах и открытых карьерах, либо применяют метод скважинного подземного выщелачивания. Добытую руду перемалывают и растворяют для получения концентрированной соли урана, которую затем высушивают до сухого концентрата.
Следующий этап – получение особенного химического соединения – гексафторида урана. Особенность заключается в том, что при обычном давлении и температуре он является твердым веществом, но способным при нагревании переходить сразу в газообразное состояние, минуя жидкость.
Затем в сложной технологической цепочке следует очень важный этап: гексафторид урана обогащают. Здесь нужно пояснить, что вприродном уране содержится три основных изотопа: уран-238, уран-235 и уран-234. Чтобы создать ядерное топливо, среди всех изотопов нужно выделить именно изотоп уран-235.Собственно, этот процесс и называется обогащением урана. Поэтому, чтобы получить изотоп урана-235внеобходимом количестве, гексафторид урана отправляют на специальное обогатительное предприятие.
Обогащают на уникальных машинах – газовых центрифугах. Для этого сначала путем нагрева гексафторид урана переводят из твердого состояния в газообразное, после чего подают в газовые центрифуги, в которых за счет высокой скорости вращения создается центробежная сила, превышающая силу тяготения Земли в сотни тысяч раз. Скорость вращения газовой центрифуги – около 1500 оборотов в секунду. Если бы колеса легкового автомобиля вращались с такой скоростью, то он бы двигался со скоростью 8500 км в час.
Как работает чудо-центрифуга? Ее быстро вращающийся ротор закручивает поток газа, и центробежная сила отбрасывает молекулы с более тяжелыми изотопами урана к внешним краям, с более легкими — к оси цилиндра. На выходе получают высокообогащенный уран.
Делает центрифуги тоже Топливная компания Росатома - на Ковровском механическом заводе, что во Владимирской области, и на предприятии «Центротех» в Новоуральске Свердловской области.
А вот обогащают уран на четырех комбинатах, входящих в ТВЭЛ: Ангарском электролизном химическом комбинате (Иркутская область), Электрохимическом заводе (Красноярский край), Сибирском химическом комбинате (Томская область) и Уральском электрохимическом комбинате (Свердловская область).
Обогащение урана — это километры десятков тысяч газовых центрифуг, объединенных в каскады, но работающих так тихо, что вы могли бы даже услышать комариный писк.
Обогащенный уран поставляется на заводы, где уже, непосредственно, изготавливают ядерное топливо. К слову, один килограмм такого урана, используемого в ядерном топливе, при полном расщеплении ядер урана-235 выделяет энергию, эквивалентную сжиганию примерно 100 тонн высококачественного каменного угля или 60 тонн нефти.
На заводах обогащенный уран переводится в форму чистого диоксида урана, а затем из него получают урановые таблетки, которые предварительно обжигают в специальных печах, где температура достигает более 1000 градусов. Одна такая маленькая таблетка содержит энергию эквивалентную 441 кг каменного угля!
Одной из последних стадий производства топлива является упаковка топливных таблеток в твэлы, о которых мы упоминали в самом начале. Твэл — это герметичная металлическая трубка из циркониевого сплава, которую заполняют урановыми таблетками. Циркониевые комплектующие для твэлов делают в России только в одном месте - в городе Глазове на Чепецком механическом заводе.
Важно загерметизировать твэлы, чтобы сохранить низкий радиационный фон и не дать радиоактивным газам выйти в теплоноситель ядерного реактора. Сварка должна быть надежной, чтобы они не проникли через оболочки и не загрязнили воду, которая охлаждает твэлы.
Заполненные таблетками твэлы отправляют в сборочный цех. Сюда же поступают детали для ТВС: хвостовики, решетки, головки. Их тоже делают на МСЗ и НЗХК. Твэлы собирают в пучки (кассеты), которые называются тепловыделяющими сборками. Например, количество твэлов в одной сборке для реактора ВВЭР-1000 — 312 штук, а весит она более 700 кг.
Далее ТВС в специальных контейнерах отправляют на атомную станцию железной дорогой или самолетом.
