Ядерное топливо: от руды до утилизации
Уран — самый тяжёлый металл на земле. Около 99,4% земного урана приходится на уран-238, и всего 0,6% — на уран-235. В докладе Международного агентства по атомной энергии под названием «Красная книга» содержатся данные о росте объёмов добычи и спроса на уран, несмотря на аварию на АЭС «Фукусима-1», которая заставила многих задуматься о перспективах ядерной энергетики. Только за последние несколько лет разведанные запасы урана выросли на 7%, что связано с открытием новых месторождений. Самыми крупными производителями остаются Казахстан, Канада и Австралия, они добывают до 63% мирового урана. Кроме этого запасы металла имеются в Австралии, Бразилии, Китае, Малави, России, Нигере, США, Украине, КНР и других странах. Ранее Пронедра писали, что за 2016 год в РФ было добыто 7,9 тысячи тонн урана.
В наши дни уран добывают тремя разными способами. Не теряет своей актуальности открытый метод. Он используется в тех случаях, когда залежи находятся близко к поверхности земли. При открытом способе бульдозеры создают карьер, затем руда с примесями грузится в самосвалы для транспортировки на перерабатывающие комплексы.
Часто рудное тело залегает на большой глубине, в таком случае используется подземный способ добычи. Вырывается шахта глубиной до двух километров, породу, путём сверления, добывают в горизонтальных штреках, перевозят наверх в грузовых лифтах.
Смесь, которая таким образом вывозится наверх, имеет множество составляющих. Породу необходимо измельчить, разбавить водой и удалить лишнее. Далее в смесь добавляют серную кислоту для проведения процесса выщелачивания. В ходе этой реакции химики получают осадок солей урана жёлтого цвета. Наконец, уран с примесями очищается на аффинажном производстве. Только после этого получается закись-окись урана, которой и торгуют на бирже.
Есть гораздо более безопасный, экологически чистый и экономически выгодный способ, который называют скважинным подземным выщелачиванием (СПВ).
При этом методе разработки месторождений территория остаётся безопасной для персонала, а радиационный фон соответствует фону в крупных городах. Чтобы добыть уран с помощью выщелачивания, необходимо пробурить 6 скважин по углам шестиугольника. Через эти скважины в залежи урана закачивают серную кислоту, она смешивается с его солями. Этот раствор добывают, а именно выкачивают через скважину в центре шестиугольника. Чтобы добиться нужной концентрации солей урана, смесь по нескольку раз пропускают через сорбционные колонны.
Дебет
Расходы на ОЯТ начинаются у оператора АЭС, когда оно покидает приреакторный бассейн выдержки и отправляется либо в сухое, либо в мокрое хранилище. Удобно здесь и далее все расходы пересчитывать в удельные затраты на килограмм тяжелых металлов ОЯТ, так вот в случае отправки в сухое хранилище такие расходы составляют от 130 до 300 долларов на кг ОЯТ и определяются в основном стоимостью контейнеров хранения либо здания, в котором размещается ОЯТ. Из этой суммы от 5 до 30 долларов приходится на транспортные операции.
Загрузка в транспортный контейнер, пожалуй, самого дорогостоящего ОЯТ в мире — из уцелевшего бассейна выдержки 4 блока Фукусимской АЭС
Эти суммы, на самом деле, ничтожны. Килограмм ОЯТ, когда еще был топливом, выработал (если взять PWR/ВВЭР) от 400 до 500 МВт*ч электроэнергии, стоимостью где-то 16. 50 тысяч долларов, т.е. перемещение в промежуточное хранение не стоит и 1% доходов от производства атомной электроэнергии.
Впрочем, промежуточное хранение на то и промежуточное, что у него должно быть какое-то продолжение. Это может быть либо прямое захоронение ОЯТ в неизменном виде, либо переработка.
Сухое контейнерное хранение является самым дешевым вариантом промежуточного хранения ОЯТ на сегодня — не нужно здание, если площадка расположена на территории АЭС — не нужна даже дополнительная охрана. Гигаваттный блок за год использует топлива примерно на 2,5 таких контейнера стоимость по 0,5-1 млн $ штука.
Глубокое захоронение ОЯТ сегодня реализуется в виде конкретных проектов в Финляндии, Швеции, США и Швейцарии и исследуется для разных площадок еще в двух десятках стран. Пример Финляндии и Швеции показывает, что стоимость прямого захоронения будет скорее всего в районе 1000 долларов на килограмм ОЯТ или чуть ниже — и общие затраты к моменту окончательного снятия вопроса с ОЯТ с плеч оператора АЭС составят, соответственно что-то вроде 1000-1200 долларов на килограмм. Интересно, что эта сумма составляет примерно половину стоимости свежего топлива.
Контейнеры для окончательного геологического захоронения. Технология требует выдержки в 20-30 лет прежде, чем выполнять это захоронение, впрочем сегодня во многих странах нет проблем с поиском ОЯТ, которое хранится уже 30+ лет
Однако, стоимость прямого захоронения схожа со стоимостью переработки — может быть извлекая ценные материалы можно снизить общие расходы, или даже выйти в плюс?
Что делают с радиоактивными отходами
Есть несколько способов решить дальнейшую проблему радиоактивных отходов. К основным относятся переработка, хранение и захоронение. Иногда прибегают к комбинированным способам, которые можно применять в любом сочетании, если это позволит добиться правильного результата.
В таких стержнях в реакторы загружают атомное топливо. Потом с ним надо что-то делать.
Прежде всего, перед началом работ производится сбор отходов с предприятий, которые работают с соответствующими материалами.
Согласно действующему законодательству, работать с радиоактивными элементами и их отходами могут только предприятия, имеющие на это соответствующие лицензии. Действие предприятий ограничено строгими правилами и принцип ”что не запрещено, что разрешено” не работает. Тут наоборот – ”что не разрешено, то запрещено”.
Отходы перевозятся на заводы в специальных контейнерах, который могут быть стальными, свинцовыми, железобетонными, из обогащенного бором полиэтилена и другими. Все отходы перевозятся со строгим соблюдением норм безопасности, а большие партии даже в сопровождении конвоев.
Так радиоактивные отходы транспортируют по железной дороге.
Принцип работы АЭС
Основным продуктом на выходе из электростанций, работающим на ядерных видах топлива, является электроэнергия. Следуя концепции безопасности и последовательности получения необходимого ресурса, генеральный процесс включает три этапа преобразования:
- Цепная ядерная реакция с обильным выделением тепла;
- Тепловая энергия преобразуется в механическую;
- Механическая генерирует электрическую.
При цепной реакции происходит сильный разогрев ближайшего теплоносителя – воды, которая на время откачивается от стенок реактора (из первого контура во второй) для получения пара. Последний вид энергии под давлением и за счет разности давлений начинает активно вращать турбину, которая находится в жесткой сцепке с электрическим генератором. Существует проблематика охлаждения воды в контурах реактора, для этого применяется система градирен или используются ближайшие водоемы.
Учитывая негативную практику аварий, в настоящее время на современных АЭС большое внимание уделяется функционированию защитных систем: локальных, обеспечивающих и управляющих. Генеральная концепция состоит в строго дозированной подаче ядерного топлива внутрь реактора.
Топливо в активной зоне реактора
В центральной части реактора непосредственно применяется ядерное топливо на атомных электростанциях. Здесь осуществляется управление взаимодействием изотопов или делением атомов. Обычно такие установки работают на смеси веществ с массами U-235 и U-238. Ведущей характеристикой загрузки является исходная концентрация урана, которая напрямую зависит от типа используемой установки.
Непосредственно внутри реактора активные вещества находятся в виде топливных композиций, заключаются в надежную герметичную оболочку, образуют ТВЭЛ.
ТВС после атомной станции
Тепловыделяющие сборки по завершению жизненного цикла или выгорания подлежат извлечению. После этого облученный уран уходит на выдержку, затем на переработку или захоронение.
В России и ряде других стран соблюдается концепция замкнутого топливного цикла. При таком подходе ядерное топливо продолжает существовать в природе, образуя вокруг себя умеренный радиационный фон. Например, из отработанного урана можно получать плутоний, который используется в дальнейшем для производства инновационных видов топлива.
