1.1 Ядерно-топливный цикл

ЯТЦ – это совокупность (цикл) операций включающих следующие основные стадии общего технологического процесса:

• добычу из недр и переработка урановой руды с получением концентратов, их конверсия в гексафторид и разделение изотопов;

• изготовление ТВЭЛ и ТВС, получение электроэнергии на АЭС;

• радиохимическая переработка облучённого ядерного топлива;

• переработка и захоронение радиоактивных отходов;

• транспортировка радиоактивных веществ между отдельными звеньями топливного цикла.

Важнейшей составной и заключительной частью любого ЯТЦ является радиохимическая переработка и регенерация облучённого ядерного топлива с извлечением, разделением ценных компонентов с последующей переработкой, обезвреживанием и захоронением радиоактивных отходов.

В зависимости от вида ядерного топлива и конкретных условий топливные циклы могут различаться в деталях, но общая принципиальная схема остаётся неизменной. Наиболее проста схема с «однократным» сжиганием загруженного в реактор на тепловых нейтронах ядерного топлива из металлического урана. Это реакторы канального типа, где в качестве замедлителя и теплоносителя используется графит и вода. Здесь весьма незначительная часть U²³⁸ (около 100г на 1 т урана) превращается в Pu²³⁹, который используется только для ядерного боезаряда. Такие схемы были доминирующими в первый период развития атомной промышленности для военных программ.

Из рассмотрения схем ЯТЦ видна роль химических и радиохимических производств, без которых немыслимо ни приготовление ядерного топлива из природного и регенерированного из облучённых ТВЭЛов урана, ни получение новых делящихся материалов, ни обезвреживание радиоактивных отходов во всех звеньях ЯТЦ. Очевидно, что при использовании атомной энергии важны не только АЭС, но и весь взаимосвязанный комплекс производств. ТАК в ЯТЦ наибольшая часть затрат труда, средств и материалов падает на химические, металлургические и радиохимические процессы, самая малая часть на производство и эксплуатацию ядерных реакторов.

Рисунок 2 – Структура ядерно-топливного цикла

Сейчас во многих странах мира, кроме России: США, Канаде, Франции, Великобритании, Бельгии, Японии и др. распространён топливный цикл, предусматривающий оборот не только регенерированного урана, но и плутония. Плутоний образуется в облучённых ТВЭЛах и извлекается на радиохимических заводах.

Рисунок 3 – Схема ЯТЦ с оборотом регенерированного урана и плутония

1.2 Уран как ядерное топливо

В отличие от других металлов уран применяют не как конструкционный материал, а как чрезвычайно эффективный источник энергии. Веществ, способных к делению под действием нейтронов с выделением энергии всего три – ₉₂U²³⁵,₉₂U²³³,₉₄Pu²³⁹. Из них только U²³⁵встречается в природе (U²³⁵– 0,711, U²³⁸– 99,283% масс., остальное U²³⁴). Два других получают искусственным путем в атомных реакторах облучения нейтронами U²³⁸и Th²³². Синтез Pu²³⁹и U²³³описывается ядерными реакциям:

Поэтому ₉₂U²³⁵называют первичным ядерным топливом, а₉₂U²³³и₉₄Pu²³⁹– вторичным.

В процессе деления («сгорания») этих изотопов по реакции:

(аналогично с U²³³и Pu²³⁹) выделяется колоссальное количество энергии. (где А и В осколки деления). Теплотворная способность U²³⁵примерно в 50 млн раз больше угля.

Вероятность ядерных реакций деления выражают величиной эффективного сечения – ϭ, имеющее размерность площади поперечного сечения ядра мишени.