Переработка желтого кека в конечное топливо
Чтобы переработать (конверсия) оксид урана (U3O8) в пригодный для использования источник топлива, концентрат необходимо преобразовать в гексафторид урана (UF6) или природный оксид урана (UO2) для тяжеловодных реакторов под давлением (PWHR), таких как реактор CANDU. Существует три основных метода конверсии: мокрая конверсия (Франция и Китай); сухая конверсия (США) и прямое фторирование (Россия).
Как показано в таблице ниже, мировые мощности по конверсии урана не работают в полную мощность. Comurhex постепенно наращивает мощность нового завода по производству урана мощностью 15 млн кг в год, в то время как в 2017 году производство Metropolis было приостановлено из-за плохих рыночных условий.
Обогащение урана
Газообразный гексафторид урана (UF6), образующийся в результате процесса конверсии, содержит уран в его естественном состоянии, называемом природным ураном (U). U содержит концентрацию делящегося изотопа 235U 0,71% (необходимого для реакции ядерного деления), концентрацию изотопа 238U 99,28% и концентрацию изотопа 234U 0,0054%. PWHR, такие как реакторы CANDU, газоохлаждаемые реакторы (GCR), жидкометаллические реакторы (LMR) и реакторы на быстрых нейтронах (FBR), предназначены для работы на уране в качестве топлива. Однако для большинства действующих или строящихся коммерческих ядерных энергетических реакторов в мире требуется уран, обогащенный изотопом 235U.
Стадия обогащения ядерного топливного цикла начинает после стадии конверсии, газообразный гексафторид урана (UF6) разделяется на две части. Одна часть представляет собой газ UF6, содержащий обогащенный уран (уран с более высокой концентрацией делящегося изотопа 235U), а другая часть представляет собой газ UF6, в котором U обеднен. Часть, обедненного 235U, называется «хвостами» или обедненным ураном. Желаемый уровень обогащения определяется типом реактора, конструкцией реактора и потребности АЭС. В таблице ниже приведены типичные рабочие уровни обогащения для различных типов реакторов и показано, что представляет собой каждый тип реактора в процентах от общей установленной в мире мощности реакторов.
Газоцентрифужное обогащение – современный технологический стандарт
Тремя основными технологиями обогащения являются газовая диффузия, газовая центрифуга и лазер.
На смену газовой диффузии, чрезвычайно энергоемкой, пришел процесс газовой центрифуги. В газовой центрифуге для обогащения используется несколько больших цилиндров, в которые впрыскивается газ UF6 при вращении в осевом направлении с высокой скоростью. Вращение приводит к тому, что более тяжелый 238U отделяется от более легкого изотопа 235U, при этом более легкий 235U концентрируется в середине, а более тяжелый 238U оседает снаружи. Затем каждый изотоп отдельно извлекается из центрифуг.
Новейшая технология предполагает возбуждение молекул урана с помощью лазерного излучения. К ним относятся разделение изотопов с помощью лазера на атомарных парах (ALVIS), разделение изотопов с помощью молекулярного лазера (MLIS) и разделение изотопов с помощью лазерного возбуждения (SILEX). изотопа, не затрагивая других. Затем пораженные виды физически или химически изменяются, что позволяет отделить материал.
Как показано в таблице ниже, во всем мире существует значительный избыток обогатительных мощностей. Таблица также показывает, что глобальные мощности по обогащению в значительной степени контролируются субъектами из восьми стран: Китая, России и Соединенных Штатов, доминирующих в мире ядерных держав, а также Франции, Германии, Японии, Нидерландов и Соединенного Королевства.
Единица разделительных работ (ЕРП)- это единица с помощью которой измеряется обогащение. ЕРП - определяется как усилия, затраченные на разделение массы исходного природного урана (U) на массу обогащенного продукта при определенном анализе (концентрация 235U) и массу отходов при указанном анализе. Чем ниже указанный анализ отходов или хвостов, тем больше требуется ЕРР и тем меньше требуется масса исходного U. В качестве альтернативы, при данном анализе продуктивности, чем выше указанный анализ хвостов, тем меньше требуется ЕРР и тем больше требуется массы исходного урана. На диаграмме ниже показано количество ЕРР, необходимое для обогащения одной тонны урана до различных концентраций изотопа 235U. На диаграмме ниже указаны концентрации 235U для различных применений, а также указано количество обогащенного продукта, которое может быть получено из исходной тонны исходного урана при этих уровнях обогащения. Для более высоких уровней обогащения первоначальная тонна сырья U дает меньшее количество обогащенного продукта. Например, из одной тонны урана получается 134,5 кг продукта с 5-процентным обогащением, тогда как из одной тонны урана получается всего 5,7 кг продукта с 90-процентным обогащением.
Обратите внимание, что кривая ЕРП довольно быстро выравнивается по мере достижения более высоких уровней обогащения. Именно по этой причине обогатительные заводы считаются чувствительной технологией в отношении предотвращения распространения оружия.
Производство уранового ядерного топлива
Это процесс, при котором очищенный и переработанный уран переупаковывается в форму топлива, которое можно сжигать в ядерном реакторе. В то время как U3O8, UF6 и SWU в значительной степени представляют собой товарные продукты, топливные стержни и сборки, произведенные в процессе изготовления, являются высокотехнологичными и изготовленными по индивидуальному заказу продуктами. Каждая ядерная тепловыделяющая сборка специально разработана для конкретных типов реакторов и соответствует требованиям каждой АЭС. Изготовление топливных конструкций (называемых сборками или пучками) — это последний этап начального этапа ядерного цикла: последний этап перед сжиганием урана в качестве топлива в реакторе. Процесс изготовления состоит из четырех основных этапов:
1. Деконверсия UF6 в диоксид урана (UO2) в виде порошка;
2. Из порошка UO2 изготавливают керамические гранулы UO2 высокой плотности длиной примерно 1 см;
3. Загрузка и запечатка таблеток в топливные стержни, длина которых часто составляет около 4 м;
4. Сборка стержней в конечную конструкцию тепловыделяющей сборки, которая удерживает стержни в точно определенной сетке.
Активная зона реактора может содержать миллионы отдельных таблеток, десятки тысяч топливных стержней и десятки топливных сборок. Активная зона реактора с водой под давлением (PWR) мощностью 1100 МВт может содержать 193 топливные сборки, состоящие из более чем 50 000 топливных стержней и около 18 миллионов топливных таблеток. После загрузки в активную зону реактора топливо остается на срок до нескольких лет в зависимости от конструкции.
