Ядерный топливный цикл представляет собой то, как ядерное топливо проходит путь от создания до утилизации. В нем также описывается ряд промышленных видов деятельности, связанных с выработкой электроэнергии или производством энергии с помощью атомной энергии, что напоминает добывающий, средний и перерабатывающий секторы нефтегазовой промышленности.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА
1. Начальная стадия
Начальная стадия ядерного топливного цикла сосредоточена главным образом на получении ядерного топлива из исходного материала. При ядерном делении исходными материалами являются урановая и ториевая руды. Существуют более конкретные этапы или виды деятельности в рамках начальной стадии. Обратите внимание на следующие виды деятельности, связанные с получением урана:
• Разведка: Цикл начинается с мероприятий, направленных на поиск источников урановой руды и разработку шахт для добычи. Существует несколько методов определения местоположения урана, которые включают радиометрическую съемку с воздуха, отбор проб почвы и грунтовых вод и анализ геологии подстилающего слоя с помощью разведочного бурения. После определения наличия залежей урана необходимы дальнейшие анализы для определения экономической целесообразности, основанной на количестве залежей и соответствующих затратах на добычу.
• Добыча урана: Если в данном районе имеется значительное количество залежей урана и если их добыча экономически эффективна, то следующим этапом начальной стадии цикла является добыча любым из следующих методов: подземная добыча, открытая добыча, добыча на месте или in situ, а также кучное выщелачивание.
• Измельчение урана: Добытые урановые руды должны подвергаться процессу рафинирования для дальнейшего извлечения урана и перевода его в более концентрированную форму. Фрезерование включает измельчение руды в мелкий порошок и применение химических растворов для отделения урана от других минералов. Получаемый продукт представляет собой оксид урана, называемый желтым кеком, который обычно содержит от 70 до 90 процентов окиси триурания.
• Конверсия: Желтый кек по-прежнему остается сырьевым продуктом. Его нелегко использовать в качестве топлива для ядерного реактора. Если быть точным, его вариант с оксидом триурания требует дальнейшей переработки для превращения в гексафторид урана для использования в качестве исходного сырья на обычных обогатительных фабриках.
• Обогащение урана: После переработки желтого кека полученный продукт нуждается в дальнейшем обогащении, чтобы превратить его в пригодное ядерное топливо. Природный гексафторид урана содержит 99,28 процента изотопов урана U-238 и 0,71 процента изотопов U-235. Обогащенный гексафторид урана содержит более высокую концентрацию U-235. Обратите внимание, что реакторам требуется большее количество U-235 для поддержания цепной ядерной реакции. Для легководных реакторов требуется урановое топливо с 3,5% U-235, в то время как для других реакторов требуется более высокая концентрация U.235.
• Производство: Обогащенный U-235 гексафторид урана дополнительно преобразуется в порошок диоксида урана, который затем перерабатывается в керамические гранулы путем высокотемпературного прессования. Эти гранулы укладываются в трубки, изготовленные из коррозионностойкого металлического сплава. Трубки, содержащие гранулы, называются топливными стержнями, и их технические характеристики варьируются в зависимости от конструктивных требований конкретного ядерного реактора.
2. Срок службы
Срок службы ядерного топливного цикла в первую очередь включает фактическое использование ядерного топлива во время эксплуатации ядерного реактора. Обратите внимание, что ядерное топливо используется не только в производстве электроэнергии, но и в научных исследованиях и в военно-морских двигателях. Тем не менее, на этапе сервисного периода существуют более конкретные виды деятельности.
• Транспортировка: Перемещение тепловыделяющих сборок или других материалов из одной точки в другую является неотъемлемой частью цикла. Поскольку мест добычи полезных ископаемых, а также установок по конверсии и обогащению относительно немного по сравнению с количеством ядерных реакторов по всему миру, необходимы специализированные транспортные мероприятия для поддержания эффективности соотношения спроса и предложения и управления рисками, связанными с радиационным облучением и загрязнением.
• Управление в активной зоне: После транспортировки в ядерную реакторную установку тепловыделяющие сборки хранятся на месте до тех пор, пока они не понадобятся в эксплуатации. Реактор необходимо загружать новыми топливными стержнями каждые 12-24 месяца. Однако, поскольку каждое топливо разряжается с разной скоростью и в разных местах внутри реактора, заменяются не все топливные стержни. Операторы оптимизируют расположение тепловыделяющих сборок, чтобы минимизировать затраты на топливный цикл. Тем не менее, все эти процессы в совокупности составляют деятельность по управлению в активной зоне.
3. Конечная стадия
Отработавшее ядерное топливо является основным побочным продуктом работы ядерного реактора. Его радиоактивность требует надлежащего удаления и, по возможности, переработки. Это конечная стадия ядерного топливного цикла.
• Временное хранение: Отработавшие топливные стержни хранятся в жидком растворе внутри реакторной установки или в отдельном помещении вдали от реакторной площадки. Целью временного хранения является охлаждение топлива и защита внешней среды от радиационных выбросов путем погружения его в воду или борную кислоту. В течение нескольких лет, как только отработавшие топливные стержни остынут, их можно будет переместить в контейнер для хранения в виде сухого гроба.
• Окончательное захоронение: Подземное хранилище используется для окончательного и постоянного захоронения отработавшего топлива и других ядерных отходов, собранных с различных объектов временного хранения. Цель окончательного захоронения состоит в том, чтобы сделать эти ядерные отходы недоступными для большинства людей, а также снизить их радиоактивность.
• Переработка: Отработавшее урановое топливо содержит соответствующие количества делящихся изотопов урана U-25 и изотопа плутония Pu-239, а также фертильный изотоп урана U-238. Эти материалы могут быть химически отделены и извлечены из отработавшего топлива для использования в качестве ядерного топлива. Одним из заметных продуктов переработки отработавшего топлива является МОКС-топливо. МОКС-топливо, состоящее из переработанного урана и плутония, а также обедненного урана, ведет себя аналогично исходному обогащенному урану и служит альтернативой низкообогащенному урану, используемому в легководных реакторах.
ЗАПИСКА О ЯДЕРНОМ ТОПЛИВНОМ ЦИКЛЕ
Этапы и соответствующие виды деятельности в рамках ядерного топливного цикла не являются полностью последовательными. Некоторые из этих видов деятельности имеют значительное дублирование. Например, транспортные операции осуществляются на начальных этапах, в период обслуживания и на конечных этапах. Деятельность по переработке также включает некоторые аспекты конверсии, обогащения и изготовления.
Более того, некоторые утверждают, что термин “ядерная топливная цепочка” является более точным при описании процессов или деятельности, связанных с производством, потреблением и утилизацией ядерного топлива. В конце концов, отработанное топливо никогда не перерабатывается полностью.
В зависимости от того, как осуществляется обращение с отработавшим ядерным топливом на конечной стадии, ядерный топливный цикл может быть либо открытым топливным циклом, либо однократным топливным циклом, если использованное топливо выбрасывается и утилизируется, либо замкнутым топливным циклом, если оно перерабатывается для дальнейшего использования.