Выгорание ядерного топлива

Если при сжигании твердого топлива (уголь, торф, дрова) происходит полное сгорание вещества с образованием золы, которая затем выбрасывается, то в случае с ядерным топливом совсем иная картина. Она обусловлена тем, что задолго до полного физического израсходования делящегося изотопа на определенном временном этапе возникает необходимость прекращения его использования. Это связано с тем, что по мере выгорания U²³⁵образуется U²³⁶и ряд других элементов продуктов деления, которые поглощают нейтроны и интенсивность процесса деления падает (его называют «отравлением» или «ошлаковыванием» реактора). Иными словами «дрова становятся сырыми и перестают гореть». Поэтому ТВС из активной золы реактора извлекают и заменяют свежими ТВС. Извлеченные ТВС помещают в бассейны выдержки с водой для снижения радиоактивности, чтобы в последующем переделе на радиохимическом заводе извлечь оставшийся U²³⁵, содержание которого в отдельных случаях достигает 1,5 % масс.

Практический предел облучения природного или слабообогащённого урана соответствует глубине выгорания не более 10–30 % масс. В некоторых случаях глубина выгорания выше, но никогда не приближается к 100 %.

При оценке использования горючего в любом ядерном реакторе очень важной характеристикой является выгорание ядерного горючего.

В некоторых случаях выгорание удобно выражать числом актов деления в единице объема сердечника ТВЭЛа (деление/см³) или же количеством тепла, выделенного за время облучения в единице массы загруженного ядерного горючего (Мвт·сут./т).

1.3 Технология необогащённого урана Оксиды урана

Оксиды урана – это важные промежуточные соединения, к которым предъявляются строгие требования по качеству. Они, также, являются основным товарным продуктом определяющим стоимость урана на мировых рынках. В технологии используется три оксида урана UO₂, U₃O₈и UO₃.

Физико-химические свойства оксидов урана

Диоксид урана UO2.ПДК = 0,015 мг/м³. Тёмно-коричневые кристаллы, t_пл = 2850 °С, t_кип = 3450 °C. Не растворим в воде.

Диоксид урана имеет два неспаренных электрона, это объясняет его сильные парамагнитные свойства. При температуре 150–250°С диоксид урана присоединяет кислород – подокисляется до состава UO_2,25. Плотность диоксида – 10,96 г/см³, необходимо отметить, что среди прочих оксидов урана – UO₂обладает максимальной плотностью.

Существует множество способов получения диоксида урана. Возможно восстановление закиси-окиси или триоксида урана водородом, аммиаком, солями аммония, метаном и природным газом. Можно сформулировать, два важнейших свойства диоксида урана:

1) UO₂содержит уран в четырёхвалентной форме, что позволяет без предварительного восстановления получать тетрафторид урана;

2) UO₂ обладает максимальной плотностью, что позволяет использовать его в качестве ядерного горючего.

Триурана октаоксид U₃O₈(закись-окись урана).ПДК = 0,075 мг/м³. Тёмно-зелёные кристаллы, t_разл= 1500 °С. Не растворим в воде. Весовая форма при количественном определении урана.

Триурана октаоксид можно получить прокаливанием почти любого соединения урана при температуре 450–900 °С. Прокаливание солей урана, содержащих щелочные и щелочноземельные элементы, не позволяет получить чистую закись-окись, вследствие образования устойчивых уранатов этих элементов. Молекулярное строение U₃O₈ до конца не выяснено, что не позволяет судить о валентности урана в этом соединении. Существует предположение, что U₃O₈состоит из механической смеси диоксида и триоксида урана – 2UO₃∙UO₂, позднее было предложена новая формула – UO₃∙U₂O₅.

Триоксид урана UO3.ПДК = 0,075 мг/м. Кристаллическое или аморфное вещество ярко жёлтого цвета. Реагирует с водой. Триоксид урана – это промежуточный продукт в производстве чистых солей урана. Аморфный триоксид урана можно получить:

1) прокаливанием перекиси урана;

2) разложением оксалата уранила и шестиводного уранилнитрата;

3) электролизом растворов уранила;

4) дегидратацией его гидратов. Кристаллическая форма триоксида урана может быть получена окислением закиси-окиси урана при температуре 450–750°С в токе кислорода. Триоксид урана гигроскопичен и во влажном воздухе превращается в гидроксид уранила. Нагреванием гидрата триоксида до 400 °С можно снова получить триоксид урана. Нагревание триоксида урана в интервале 520–600°С дает соединение состава UO_2,9, дальнейшее нагревание до температуры 600 °С позволяет получить U₃O₈