Как производят ядерное топливо и насколько опасно это для тех, кто работает на предприятии
Существует три вида ядерного топлива — плутониевое, ториевое и урановое. Но в силу сложности производства и переработки первых двух и больших запасов последнего, в качестве топлива для АЭС используют именно уран — самый тяжелый металл на нашей планете.
В 1938 году ученые выяснили, что этот элемент можно расщеплять с помощью управляемой цепной ядерной реакции — деления ядра на две части, называемые осколками деления, с одновременным выделением двух-трех нейтронов, которые, в свою очередь, могут вызвать деление следующих ядер. В осколках деления сконцентрировано большое количество кинетической энергией, а их торможение в веществе сопровождается выделением огромного количества тепла. В свою очередь, это тепло нагревает воду, превращая ее в пар, а тот в свою очередь крутит уже турбины электростанции.
Свой путь к ректору АЭС ядерное топливо начинает с залежей руды. Ее добывают либо в шахтах месторождения, либо открытым способом, когда бульдозерами снимается верхняя часть грунта и происходит выемка породы. В руде уран и продукты его распада находятся в радиоактивном равновесии. Но при добыче есть риск получить внутреннее облучение радиоактивным газом радоном, продуктами его распада, а также внешним гамма- и бета-излучениями.
Для минимизации воздействия радиации на персонал используют эффективное вентилирование шахт и ограничение времени работы непосредственно в шахте. В Канаде на одном из крупнейших в мире месторождений урановой руды в Саскачеване вовсю используют труд роботов и технику с дистанционным управлением, дабы максимально обезопасить рабочих от радиации. На открытых разработках, разумеется, дозовые нагрузки существенно меньше, но и вред для окружающей среды такой метод приносит куда более существенный.
Кстати, в 1972 году в урановом месторождении Окло, что в Габоне (Центральная Африка) был обнаружен природный ядерный реактор, в котором проходила самопроизвольная цепная ядерная реакция. Правда, этот реактор трудился около 1,8 миллиардов лет назад, а в наши дни запасы топлива нужной концентрации в этом месторождении уже истощились.
Оптимальным способом добычи урана сегодня считается выщелачивающий метод. В горной породе бурят скважины, через которые в недра закачивается выщелачивающий реагент на основе серной кислоты, обладающий особым химическим составом. Он растворяется в недрах рудных залежей и насыщается соединениями урана, который потом выкачивается и отправляется на обогащение.
Из очищенного с помощью химических реакций урана в виде порошка получают урановый ангидрид или диоксид урана, который как раз-таки является ядерным топливом. Сам по себе металлический уран редко используют в качестве топлива. У него низкая максимальная температура фазового перехода, вдобавок, процесс цепной реакции сопровождается увеличением объема металла. Толи дело диоксид урана: у него нет фазовых переходов, он менее подвержен распуханию.
Но прежде чем отправиться в реактор, диоксид урана ждет еще несколько метаморфоз. Для начала с помощью пресса из него формируют небольшие круглые таблетки и запекают в печи при температуре в 1000 градусов Цельсия. Затем таблетки диаметром в пару сантиметров упаковывают в циркониевые трубки — по 30 штук в каждую — и запаивают концы. На этом этапе, до начала использования в реакторе, ядерные топливные элементы обладают низким радиационным фоном.
На электростанции в активной зоне реактора находятся сотни топливных элементов, которые выделяют огромное количество энергии, но их ресурсы не бесконечны. Периодически персонал АЭС перезагружает ядерное топливо. Процесс выгорания элементов происходит неравномерно, иногда топливные элементы меняют местами, так как в центре активной зоны реакция проходит интенсивнее.
Отработанные элементы отправляют в специальный бассейн для выдержки, который обычно располагается в непосредственной близости от реактора. В отработавших топливных элементах содержится большое количество осколков деления урана, сразу после извлечения из реактора элемент очень сильно фонит. Поэтому его хранят три-четыре года в бассейнах с определенным температурным режимом под слоем воды, защищающим персонал от радиационного излучения продуктов распада урана. После этого отработавшие элементы со слабым излучением либо отправляют на утилизацию, либо перерабатывают, так как уран никогда не выгорает полностью и можно выделить его остатки, вдобавок из отходов можно получить плутоний (до 1% от всей массы отработанного ядерного топлива). Но это очень дорого, опасно и трудоемко, так что большинство стран-поставщиков обогащенного урана пока пока не отправляют ядерные отходы на переработку.
