Ядерное топливо: просто о сложном

Ядерное топливо — мечта прошлого столетия, превратившаяся в реальность. Энергия атома чрезвычайно полезна. Но и опасна. Будучи одним из самых перспективных видов энергии, ядерное топливо приковывает внимание и будоражит сознание. Но лишь немногие знают особенности, связанные с его добычей и производством. Пора поправить этот недочет.

Энергия атомного ядра: из-за чего весь сыр-бор?

Уран (в таблице Менделеева обозначается как «U») — самый тяжелый элемент, содержащийся в земной коре. Существует в виде трех разновидностей (изотопов) — U-238 и U-235 и U-234. Примерно 99,5% приходится на первый изотоп.

Производство ядерного топлива основывается на использовании урана. Именно он является ключевым «строительным материалом» атомной энергетики. Из него в ряде случаев производят плутоний — первый искусственно созданный радиоактивный элемент, также служащий в качестве ядерного топлива.

Казалось бы: почему именно уран? Ему как элементу свойственна радиоактивность — способность спонтанно распадаться, что в итоге высвобождает тонну энергии, количество которой несравнимо ни с каким известным традиционным топливом. Уголь и нефть «нервно курят в сторонке». Именно за это качество элемент любят и ценят.

Все о добыче

Несмотря на две крупные аварии, вошедшие в историю (Чернобыль и Фукусима), исследования показывают, что добыча и производство популярного радиоактивного элемента растет с каждым годом. Страны-лидеры по добыче — Канада, Австралия и Казахстан. На их долю приходится примерно 63% всего добываемого урана. Вслед за ними идут следующие страны:

• Китай;
• Бразилия;
• Россия. За 2016 год она добыла около 8 тысяч тонн U;
• США;
• Украина;
• некоторые другие государства.

Существует два способа добычи: открытый и косвенный. Первый применяется, если залежи элемента располагаются близко к поверхности. Заводят бульдозеры и копают карьер или шахты. Руду потом отвозят на обогатительный завод.

Уран

Второй способ — элегантный и хитрый. На месте залегания урана бурят скважины, в которые закачивают разбавленную серную кислоту. Раствор вступает в реакцию с радиоактивным элементом, в результате чего образуется смесь. Ее откачивают и путем химических реакций получают чистый уран.

Секреты производства

Добытую руду сразу в реактор никто не бросает. Беда в том, что в качестве ядерного топлива пригоден только U-235, которого в земной коре около 0,7% от всего количества радиоактивного элемента. Некоторые аппараты (к примеру, российский РБМК) способны работать и на природном уране, но качество и долговременность в таком случае оставляют желать лучшего. Производство ядерного топлива начинается на специализированных предприятиях промышленного масштаба: заводах и комбинатах. Ключевой процесс — обогащение. Это повышение концентрации U-235 в добытой руде. Газовые центрифуги — аппараты, в которых происходит обогащение.

Весь процесс можно представить следующим образом:

1. добытый порошок превращается в газ UF6 (гексафторид урана);
2. газ поступает в систему из центрифуг;
3. из центрифуг выходит тот же UF6, но с повышенной концентрацией U-235.

Цикл многократно повторяется. В результате получается обогащенный уран. Правда, в газообразном состоянии. Поэтому U-235 превращают обратно в порошок.

Подготовка к использованию

Готовому порошкообразному веществу пока еще не место в реакторе. Нужно придать ему форму, которая будет выдерживать критическую температуру и давление. Для этого порошок спрессовывают и выпекают в виде таблеток. Технология сложная, но необходимая. На таблетках делаются специальные отверстия, которые в дальнейшем будут компенсировать расширение из-за высокой температуры (вещество начинает пухнуть и расти в размерах). Получившиеся таблетки упаковываются в стальные трубки, которые затем герметизируют. Именно эта трубка и есть наше долгожданное ядерное топливо, носящее название ТВЭЛ — тепловыделяющий элемент.

Обогащенный уран используется по прямому назначению. В производственном масштабе изготавливают ТВЭЛ больше, чем нужно в конкретный момент. Дело в том, что реактор периодически необходимо перезагружать — убирать часть выгоревшего (облученного) топлива и вставлять новое. Куда же отправляется облученный уран?

Хранение отходов

Эксплуатация урана приносит огромное количество радиоактивных доходов. Их можно разделить на два вида:

• полезные;
• бесполезные.

Бесполезный и полностью выгоревший ТВЭЛ отправляют в бассейн для выдержки. Там он теряет львиную долю вредного излучения. Затем трубки попадают в хранилище ядерного топлива. После хранилища у отходов два пути — либо окончательное захоронение, либо переработка. США, Канада и Швеция не мучаются с отходами и сразу же из хранилища отправляют их в захоронения. Как правило, они располагаются на специальных складах или под землей. Другие страны, в том числе и РФ, пошли по другому пути.

Переработка отходов

Остатки полезны, потому что из них можно вывести два компонента: необлученный уран и трансурановые элементы. Особенно полезен плутоний, который используется в энергетике, медицине и военных целях.

Переработка в России осуществляется в различных прототипах замкнутого топливного цикла, то есть системы, отходы которой не выбрасываются, а используются в дальнейшем. Выгоревшие стержни ТВЭЛ хранятся на перерабатывающих складах. Их растворяют в кислоте, после чего получают плутоний (примерно 1%) и урановый остаток. Подобная технология позволяет существенно сэкономить и уменьшить вред окружающей среде. РосАтом инвестирует в исследования замкнутых циклов значительные средства. Вполне возможно, что в скором будущем энергия атома будет способна заместить традиционные виды топлива.