Отработавшее ядерное топливо - это уран, поработавший в ядерном реакторе и содержащий радиоактивные продукты деления. Поэтому его называют также облученным или выгоревшим ядерным топливом.

Чем ОЯТ отличается от радиоактивных отходов (РАО)? Прежде всего тем, что ОЯТ - это ценный продукт, содержащий 2 полезных компонента - невыгоревший уран и трансурановые элементы. Кроме того, среди продуктов деления содержатся радионуклиды (радиоактивные изотопы), которые можно с успехом применять в промышленности, медицине, а также в научных исследованиях.

После удаления из реактора, отработанное ядерное топливо (ОЯТ) сохраняет радиоактивность и выделяет тепло. Поэтому в течение некоторого времени такое топливо выдерживают в бассейнах под водой для отвода теплоты и защиты от ионизирующего излучения. Следующим шагом может быть:

• окончательное захоронение – завершение открытого топливного цикла как это делается в США, Канаде и Швеции.
• переработка отработанного ядерного топлива для дальнейшего использования - закрытый топливный цикл. Путь закрытого топливного цикла выбрали Россия, Великобритания, Франция и Япония.

Хранение отработанного ядерного топлива первоначально осуществляется непосредственно в реакторном отделении. Затем оно перемещается в другое место на специальные склады "сухого хранения". В закрытом топливном цикле для современных легководных реакторов топливо проходит точно такой же путь. Начиная с урановых рудников и заводов, уран проходит все стадии преобразования и обогащения для изготовления реакторного топлива. После удаления топлива из реактора топливные стержни проходят обработку на перерабатывающих заводах, где они дробятся и растворяются в кислоте. После специальной химической обработки из отработанного топлива выделяют два ценных продукта: плутоний и неиспользованный уран. Примерно 3% топлива при этом остается в качестве высокоактивных отходов. После битумирования, бетонирования или остекловывания эти высокорадиоактивные материалы подлежат длительному захоронению.

В отработанном ядерном топливе содержится примерно 1% плутония. Это очень хорошее ядерное топливо, которое не нуждается ни в каком процессе обогащения. Плутоний можно смешать с обедненным ураном и получить смешанное оксидное топливо или MOX-топливо, которое поставляется в виде свежих топливных сборок для загрузки в реакторы. Его можно использовать для загрузки в реакторы. Восстановленный уран может возвращаться на дополнительное обогащение или поставляться в виде свежего топлива для действующих реакторов. Закрытый топливный цикл является более эффективной системой максимального использования урана без его дополнительной добычи на рудниках (в энергетических единицах экономия составляет около 30%). И хотя промышленность сразу одобрила этот подход, такие схемы переработки отработанного ядерного топлива пока не получили широкого распространения.

Одна из причин столь неполного использования возможностей урана заключается в том, что большая часть существующих промышленных реакторов относится к так называемым «легководным» реакторам ЛВР. Они во многом хороши, но при этом не рассчитаны на выжимание из топлива всей энергии до последнего ватта. Однако существуют и другие типы реакторов – так называемые «быстрые» (реакторы на быстрых нейтронах), способные «перерабатывать» отработавшее топливо с извлечением куда большего количества энергии.

Ядерное топливо

Ядерное топливо почти готово к работе.

Я́дерное то́пливо - вещество, которое используется в ядерных реакторах для осуществления цепной ядерной реакции деления. Ядерное топливо принципиально отличается от других видов топлива , используемых человечеством, оно чрезвычайно высокоэффективно, но и весьма опасно для человека и может стать причиной очень серьёзных аварий , что накладывает множество ограничений на его использование из соображений безопасности. По этой и многим другим причинам ядерное топливо гораздо сложнее в применении, чем любой вид органического топлива, и требует множества специальных технических и организационных мер при его использовании, а также высокую квалификацию персонала , имеющего с ним дело.

Общая информация

Цепная ядерная реакция представляет собой деление ядра на две части, называемые осколками деления , с одновременным выделением нескольких (2-3) нейтронов , которые, в свою очередь, могут вызвать деление следующих ядер. Такое деление происходит при попадании нейтрона в ядро атома исходного вещества. Образующиеся при делении ядра осколки деления обладают большой кинетической энергией . Торможение осколков деления в веществе сопровождается выделением большого количества тепла. Осколки деления - это ядра, образовавшиеся непосредственно в результате деления. Осколки деления и продукты их радиоактивного распада обычно называют продуктами деления . Ядра, делящиеся нейтронами любых энергий, называют ядерным горючим (как правило, это вещества с нечётным атомным числом). Существуют ядра, которые делятся только нейтронами с энергией выше некоторого порогового значения (как правило, это элементы с чётным атомным числом). Такие ядра называют сырьевым материалом, так как при захвате нейтрона пороговым ядром образуются ядра ядерного горючего. Комбинация ядерного горючего и сырьевого материала называется ядерным топливом. Ниже приведено распределение энергии деления ядра 235 U между различными продуктами деления (в МэВ):

Природный уран состоит из трёх изотопов: 238 U (99,282 %), 235 U (0,712 %) и 234 U (0,006 %). Он не всегда пригоден как ядерное топливо, особенно если конструкционные материалы и замедлитель интенсивно поглощают нейтроны . В этом случае ядерное топливо изготавливают на основе обогащённого урана. В энергетических реакторах на тепловых нейтронах используют уран с обогащением менее 6 %, а в реакторах на быстрых и промежуточных нейтронах обогащение урана превышает 20 %. Обогащённый уран получают на специальных обогатительных заводах.

Классификация

Ядерное топливо делится на два вида:

• Природное урановое , содержащее делящиеся ядра 235 U , а также сырьё 238 U , способное при захвате нейтрона образовывать плутоний 239 Pu ;
• Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе 239 Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы 233 U , образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория 232 Th .

По химическому составу, ядерное топливо может быть:

Теоретические аспекты применения

На выделенном фрагменте этого муляжа ТВС с вырезанными для удобства обзора секторами ТВЭЛов видны топливные таблетки.

Ядерное топливо используется в ядерных реакторах в виде таблеток размером в несколько сантиметров, где оно обычно располагается в герметично закрытых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах), которые в свою очередь для удобства использования объединяются по нескольку сотен в тепловыделяющие сборки (ТВС).

К ядерному топливу применяются высокие требования по химической совместимости с оболочками ТВЭЛов, у него должна быть достаточная температура плавления и испарения, хорошая теплопроводность , небольшое увеличение объёма при нейтронном облучении, технологичность производства.

Использование металлического урана, особенно при температуре больше 500 °C, затруднено из-за его распухания. После деления ядра образуются два осколка деления, суммарный объём которых больше объёма атома урана (плутония). Часть атомов - осколков деления являются атомами газов (криптона , ксенона и др.). Атомы газов накапливаются в по́рах урана и создают внутреннее давление, которое увеличивается с повышением температуры. За счёт изменения объёма атомов в процессе деления и повышения внутреннего давления газов уран и другие ядерные топлива начинают распухать. Под распуханием понимают относительное изменение объёма ядерного топлива, связанное с делением ядер.

Распухание зависит от выгорания и температуры ТВЭЛов . Количество осколков деления возрастает с увеличением выгорания, а внутреннее давление газа - с увеличением выгорания и температуры. Распухание ядерного топлива может привести к разрушению оболочки ТВЭЛа . Ядерное топливо менее подвержено распуханию, если оно обладает высокими механическими свойствами. Металлический уран как раз не относится к таким материалам. Поэтому применение металлического урана в качестве ядерного топлива ограничивает глубину выгорания, которая является одной из главных характеристик ядерного топлива.

Радиационная стойкость и механические свойства топлива улучшаются после легирования урана, в процессе которого в уран добавляют небольшое количество молибдена , алюминия и других металлов . Легирующие добавки снижают число нейтронов деления на один захват нейтрона ядерным топливом. Поэтому легирующие добавки к урану стремятся выбрать из материалов, слабо поглощающих нейтроны.

К хорошим ядерным топливам относятся некоторые тугоплавкие соединения урана: окислы , карбиды и интерметаллические соединения. Наиболее широкое применение получила керамика - двуокись урана UO 2 . Её температура плавления равна 2800 °C, плотность - 10,2 г/см³. У двуокиси урана нет фазовых переходов, она менее подвержена распуханию, чем сплавы урана. Это позволяет повысить выгорание до нескольких процентов. Двуокись урана не взаимодействует с цирконием , ниобием , нержавеющей сталью и другими материалами при высоких температурах. Основной недостаток керамики - низкая теплопроводность - 4,5 кДж/(м·К), которая ограничивает удельную мощность реактора по температуре плавления. Так, максимальная плотность теплового потока в реакторах ВВЭР на двуокиси урана не превышает 1,4·10 3 кВт/м², при этом максимальная температура в стержневых ТВЭЛах достигает 2200 °C. Кроме того, горячая керамика очень хрупка и может растрескиваться.

Практическое применение

Получение

Урановое топливо

Регенерация

При работе ядерного реактора, топливо выгорает не полностью, имеет место процесс воспроизводства отдельных изотопов (Pu). В связи с этим, отработанные ТВЭЛы направляют на переработку для регенерации топлива и повторного его использования.

В настоящее время для этих целей наиболее широко применяется пьюрекс-процесс , суть которого состоит в следующем: ТВЭЛы разрезают на части и растворяют в азотной кислоте , далее раствор очищают от продуктов деления и элементов оболочки, выделяют чистые соединения U и Pu. Затем, полученный диоксид плутония PuO 2 направляют на изготовление новых сердечников, а уран либо на изготовление сердечников, либо на обогащение 235 U.

Переработка и регенерация высокорадиоактивных веществ - сложный и дорогостоящий процесс. ТВЭЛы после извлечения из реакторов проходят выдержку в течение нескольких лет (обычно 3-6) в специальных хранилищах. Трудности вызывает также переработка и захоронение отходов, непригодных к регенерации. Стоимость всех этих мер оказывает существенное влияние на экономическую эффективность атомных электростанций.

Примечания

Литература

• Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок М.: Атомиздат, 1960.
• Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы 4-е изд. - М.: Атомиздат, 1979.

Ядерные технологии
Инженерия
Материалы
Ядерная энергия
Ядерная медицина
Ядерное оружие

Энергетика структура по продуктам и отраслям
Электроэнергетика : электроэнергия	Традиционная Тепловые электростанции Конденсационная электростанция (КЭС) Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) Гидроэнергетика Гидроэлектростанция (ГЭС) Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) Атомная Атомная электростанция (АЭС) Плавучая атомная электростанция (ПАТЭС) Альтернативная Геотермальная Геотермальные электростанции (ГеоТЭС) Гидроэнергетика Малые гидроэлектростанции (МГЭС) Приливные электростанции (ПЭС) Волновые электростанции Осмотические электростанции Ветроэнергетика Ветряные электростанции (ВЭС) Солнечная Солнечные электростанции (СЭС) Водородная Водородные электростанции Установки на топливных элементах Биоэнергетика Биоэлектростанции (БиоТЭС) Малая Дизельные электростанции Газопоршневые электростанции Газотурбинные установки малой мощности Бензиновые электростанции Электрическая сеть Электрические подстанции Линии электропередачи (ЛЭП) Опоры линий электропередачи
Теплоснабжение : теплоэнергия
Децентрализованное

Новосибирский завод химконцентратов в 2011 году произвел и реализовал 70% мирового потребления изотопа лития-7 (1300 кг), поставив новый рекорд в истории завода. Однако основным продуктом производства НЗХК является ядерное топливо.

Это словосочетание действует на сознание новосибирцев впечатляюще и пугающе, заставляя воображать о предприятии все, что угодно: начиная от трехногих рабочих и отдельного подземного города и заканчивая радиоактивным ветром.

Так что же на самом деле скрывается за заборами самого таинственного завода Новосибирска, производящего ядерное топливо в черте города?

ОАО «Новосибирский завод химконцентратов» - один из ведущих мировых производителей ядерного топлива для АЭС и исследовательских реакторов России и зарубежных стран. Единственный российский производитель металлического лития и его солей. Входит в состав Топливной компании «ТВЭЛ» Госкорпорации «Росатом».

Мы пришли в цех, где изготавливают тепловыделяющие сборки - ТВС, которые загружаются в ядерные энергетические реакторы. Это и есть ядерное топливо для АЭС. Для входа на производство нужно надеть халат, шапочку, бахилы из ткани, на лицо - «Лепесток».

В цехе сосредоточены все работы, связанные с урансодержащими материалами. Этот технологический комплекс является одним из основных для НЗХК (ТВС для АЭС занимают приблизительно 50 % в структуре реализованной продукции ОАО «НЗХК»).

Операторская, откуда идет управление процессом производства порошка диоксида урана, из которого затем изготавливают топливные таблетки.

Рабочие проводят регламентные работы: через определенные промежутки времени даже самое новое оборудование останавливают и проверяют. В самом цехе всегда достаточно много воздуха - постоянно работает вытяжная вентиляция.

В таких биконусах хранится порошок диоксида урана. В них происходит перемешивание порошка и пластификатора, который позволяет таблетке лучше спрессоваться.

Установка, которая производит прессование топливных таблеток. Как из песка дети делают куличики, надавливая на формочку, так и здесь: урановая таблетка прессуется под давлением.

Молибденовая лодочка с таблетками, которые ждут отправления в печь на отжиг. До отжига у таблеток зеленоватый оттенок и другой размер.

Контакт порошка, таблетки и окружающей среды сведен к минимуму: все работы ведутся в боксах. Для того чтобы что-то поправлять внутри, в боксы встроены специальные перчатки.

Факелы сверху - это догорающий водород. Таблетки отжигаются в печах при температуре не менее 1750 градусов в водородной восстановительной среде в течение 20 с лишним часов.

Черные шкафы - это водородные высокотемпературные печи, в которых молибденовая лодочка проходит различные температурные зоны. Открывается заслонка, и в печь, откуда вырываются языки пламени, заходит молибденовая лодочка.

Готовые таблетки шлифуются, поскольку они должны быть строго определенного размера. И на выходе контролеры проверяют каждую таблетку, чтобы не было ни сколов, ни трещин, никаких дефектов.

Одна таблетка весом 4,5 г по энерговыделению эквивалентна 640 кг дров, 400 кг каменного угля, 360 куб. м газа, 350 кг нефти.

Таблетки диоксида урана после отжига в водородной печи.

Здесь циркониевые трубки заполняют таблетками диоксида урана. На выходе имеем готовые твэлы (около 4 м в длину) - тепловыделяющие элементы. Из твэлов уже собирают ТВС, иначе говоря, ядерное топливо.

Таких автоматов с газировкой на улицах города уже не встретить, пожалуй, только на НЗХК. Хотя в советские времена они были очень распространены.

В этом автомате стакан можно помыть, а затем наполнить газированной, негазированной или охлажденной водой.

По оценке департамента природных ресурсов и охраны окружающей среды, высказанной в 2010 году, НЗХК не оказывает значимого влияния на загрязнение окружающей среды.

Пара таких породистых куриц постоянно проживает и откладывает яйца в добротном деревянном вольере, который находится на территории цеха.

Рабочие сваривают каркас для тепловыделяющей сборки. Каркасы бывают разные, в зависимости от модификации ТВС.

На заводе работают 2277 человек, средний возраст персонала - 44,3 года, 58 % - мужчины. Средняя заработная плата превышает 38 000 руб.

Большие трубки - это каналы для системы управления защиты реактора. В этот каркас затем установят 312 твэлов.

По соседству с НЗХК расположилась ТЭЦ-4. Со ссылкой на экологов представители завода сообщили: в год одна ТЭЦ выбрасывает радиоактивных веществ в 7,5 раз больше, чем НЗХК.

Слесарь-сборщик Виктор Пустозеров, ветеран завода и атомной энергетики, имеет 2 ордена Трудовой Славы

Головка и хвостовик для ТВС. Их устанавливают в самом конце, когда в каркасе уже стоят все 312 твэлов.

Финальный контроль: готовые ТВС проверяют специальными щупами, чтобы расстояние между твэлами было одинаковое. Контролеры чаще всего женщины, это очень кропотливая работа.

В таких контейнерах ТВС отправляются потребителю - по 2 кассеты в каждом. Внутри у них свое уютное войлочное ложе.

Топливо для атомных станций, произведенное в ОАО «НЗХК», используется на российских АЭС, а также поставляется в Украину, в Болгарию, Китай, Индию и Иран. Стоимость ТВС является коммерческой тайной.

Работа на НЗХК ничуть не опаснее работы на любом промышленном предприятии. За состоянием здоровья работников ведется постоянный контроль. За последние годы не выявлено ни одного случая профзаболеваний среди работников.

Жизненный цикл ядерного топлива на основе урана или плутония начинается на добывающих предприятиях, химических комбинатах, в газовых центрифугах, и не заканчивается в момент выгрузки тепловыделяющей сборки из реактора, поскольку каждой ТВС предстоит пройти долгий путь утилизации, а затем и переработки.

Добыча сырья для ядерного топлива

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.

Производство ядерного топлива

Производство ядерного топлива невозможно представить без газовых центрифуг, которые используются для получения обогащённого урана. После достижения необходимой концентрации из диоксида урана прессуют так называемые таблетки. Их создают при помощи смазочных материалов, которые удаляются во время обжига в печах. Температура обжига достигает 1000 градусов. После этого таблетки проверяются на соответствие заявленным требованиям. Имеют значение качество поверхности, содержание влаги, соотношение кислорода и урана.

В это же время в другом цехе готовят трубчатые оболочки для тепловыделяющих элементов. Вышеназванные процессы, включая последующие дозировку и упаковку таблеток в оболочечные трубки, герметизацию, дезактивацию, называются фабрикацией топлива. В России созданием тепловыделяющих сборок (ТВС) занимаются предприятия «Машиностроительный завод» в Московской области, «Новосибирский завод химконцентратов» в Новосибирске, «Московский завод полиметаллов» и другие.

Каждая партия топливных сборок создаётся под реактор конкретного типа. Европейские ТВС делаются в форме квадрата, а российские - с шестиугольным сечением. В РФ широко распространены реакторы типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. Первые ТВЭЛы для ВВЭР-440 начали разрабатываться с 1963 года, а для ВВЭР-1000 - с 1978 года. Несмотря на то что в России активно внедряются новые реакторы с постфукусимскими технологиями безопасности, по стране и за её пределами функционирует много ядерных установок старого образца, поэтому одинаково актуальными остаются топливные сборки для разных типов реакторов.

Например, для обеспечения тепловыделяющими сборками одной активной зоны реактора РБМК-1000 необходимо свыше 200 тысяч комплектующих деталей из циркониевых сплавов, а также 14 млн спечённых таблеток из диоксида урана. Иногда стоимость изготовления топливной сборки может превосходить стоимость содержащегося в элементах топлива, поэтому так важно обеспечить высокую энергоотдачу с каждого килограмма урана.

Затраты на производственные процессы в %

Отдельно стоит сказать о топливных сборках для исследовательских реакторов. Они конструируются таким образом, чтобы сделать наблюдение и изучение процесса генерации нейтронов максимально комфортным. Такие ТВЭЛы для экспериментов в сферах ядерной физики, наработки изотопов, радиационной медицины в России производит «Новосибирский завод химических концентратов». ТВС создаются на основе бесшовных элементов с ураном и алюминием.

Производством ядерного топлива в РФ занимается топливная компания ТВЭЛ (подразделение «Росатома»). Предприятие работает над обогащением сырья, сборкой тепловыделяющих элементов, а также предоставляет услуги по лицензированию топлива. «Ковровский механический завод» во Владимирской области и «Уральский завод газовых центрифуг» в Свердловской области создают оборудование для российских ТВС.

Особенности транспортировки ТВЭЛов

Природный уран характеризуются низким уровнем радиоактивности, однако перед производством ТВС металл проходит процедуру обогащения. Содержание урана-235 в природной руде не превышает 0,7%, а радиоактивность составляет 25 беккерелей на 1 миллиграмм урана.

В урановых таблетках, которые помещаются в ТВС, находится уран с концентрацией урана-235 5%. Готовые ТВС с ядерным топливом перевозятся в специальных металлических контейнерах высокой прочности. Для транспортировки используется железнодорожный, автомобильный, морской и даже воздушный транспорт. В каждом контейнере размещают по две сборки. Перевозка не облучённого (свежего) топлива не представляет радиационной опасности, поскольку излучение не выходит за пределы циркониевых трубок, в которые помещаются прессованные таблетки из урана.

Для партии топлива разрабатывается специальный маршрут, груз перевозится в сопровождении охранного персонала производителя или заказчика (чаще), что связано прежде всего с дороговизной оборудования. За всю историю производства ядерного топлива не было зафиксировано ни одной транспортной аварии с участием ТВС, которая бы повлияла на радиационный фон окружающей среды или привела к жертвам.

Топливо в активной зоне реактора

Единица ядерного топлива - ТВЭЛ - способна выделять на протяжении долгого времени огромное количество энергии. С такими объёмами не сравнится ни уголь, ни газ. Жизненный цикл топлива на любой АЭС начинается с выгрузки, выемки и хранения на складе ТВС свежего топлива. Когда предыдущая партия топлива в реакторе выгорает, персонал комплектует ТВС для загрузки в активную зону (рабочую зону реактора, где происходит реакция распада). Как правило, топливо перезагружается частично.

Полностью топливо закладывается в активную зону только в момент первого запуска реактора. Это связано с тем, что ТВЭЛы в реакторе выгорают неравномерно, поскольку нейтронный поток различается по интенсивности в разных зонах реактора. Благодаря учётным приборам, персонал станции имеет возможность в режиме реального времени следить за степенью выгорания каждой единицы топлива и производить замену. Иногда вместо загрузки новых ТВС, сборки перемещаются между собой. В центре активной зоны выгорание происходит интенсивнее всего.

ТВС после атомной станции

Уран, который отработал в ядерном реакторе, называется облучённым или выгоревшим. А такие ТВС - отработавшим ядерным топливом. ОЯТ позиционируется отдельно от радиоактивных отходов, поскольку имеет как минимум 2 полезных компонента - это невыгоревший уран (глубина выгорания металла никогда не достигает 100%) и трансурановые радионуклиды.

В последнее время физики стали использовать в промышленности и медицине радиоактивные изотопы, накапливающиеся в ОЯТ. После того как топливо отработает свою кампанию (время нахождения сборки в активной зоне реактора в условиях работы на номинальной мощности), его отправляют в бассейн выдержки, затем в хранилище непосредственно в реакторном отделении, а после этого - на переработку или захоронение. Бассейн выдержки предназначен для отвода тепла и защиты от ионизирующего излучения, поскольку ТВС после извлечения из реактора остаётся опасной.

В США, Канаде или Швеции ОЯТ не отправляют на повторную переработку. Другие страны, среди них и Россия, работают над замкнутым топливным циклом. Он позволяет существенно сократить расходы на производство ядерного топлива, поскольку повторно используется часть ОЯТ.

Топливные стержни растворяются в кислоте, после чего исследователи выделяют из отходов плутоний и неиспользованный уран. Около 3% сырья эксплуатировать повторно невозможно, это высокоактивные отходы, которые проходят процедуры битумирования или остекловывания.

Из отработавшего ядерного топлива можно получить 1% плутония. Этот металл не требуется обогащать, Россия использует его в процессе производства инновационного MOX-топлива. Замкнутый топливный цикл позволяет сделать одну ТВС дешевле приблизительно на 3%, однако такая технология требует больших инвестиций на строительство промышленных узлов, поэтому пока не получила широкого распространения в мире. Тем не менее, топливная компания «Росатома» не прекращает исследования в этом направлении. Недавно Пронедра писали, что в Российской Федерации работают над топливом, способным в активной зоне реактора утилизировать изотопы америция, кюрия и нептуния, которые входят в те самые 3% высокорадиоактивных отходов.

Производители ядерного топлива: рейтинг

1. Французская компания Areva до недавнего времени обеспечивала 31% мирового рынка тепловыделяющих сборок. Фирма занимается производством ядерного топлива и сборкой комплектующих для АЭС. В 2017 году Areva пережила качественное обновление, в компанию пришли новые инвесторы, а колоссальный убыток 2015 года удалось сократить в 3 раза.
2. Westinghouse - американское подразделение японской компании Toshiba. Активно развивает рынок в восточной Европе, поставляет тепловыделяющие сборки на украинские АЭС. Вместе с Toshiba обеспечивает 26% мирового рынка производства ядерного топлива.
3. Топливная компания ТВЭЛ госкорпорации «Росатом» (Россия) расположилась на третьем месте. ТВЭЛ обеспечивает 17% мирового рынка, имеет десятилетний портфель контрактов на 30 млрд долларов и поставляет топливо на более чем 70 реакторов. ТВЭЛ разрабатывает ТВС для реакторов ВВЭР, а также выходит на рынок ядерных установок западного дизайна.
4. Japan Nuclear Fuel Limited , по последним данным, обеспечивает 16% мирового рынка, поставляет ТВС на большую часть ядерных реакторов в самой Японии.
5. Mitsubishi Heavy Industries - японский гигант, который производит турбины, танкеры, кондиционеры, а с недавних пор и ядерное топливо для реакторов западного образца. Mitsubishi Heavy Industries (подразделение головной компании) занимается строительством ядерных реакторов APWR, исследовательской деятельностью вместе с Areva. Именно эта компания выбрана японским правительством для разработки новых реакторов.

Использование ядерного топлива в реакторах для производства тепловой энергии имеет ряд важнейших особенностей, обусловленных физическими свойствами и ядерным характером протекающих процессов. Эти особенности определяют специфику атомной энергетики, характер ее техники, особые условия эксплуатации, экономические показатели и влияние на окружающую среду. Они обуславливают также главные научно-технические и инженерные проблемы, которые должны быть решены при широком развитии надежной, экономичной и безопасной атомной технологии.

Важнейшие особенности ядерного топлива, проявляющиеся при его энергетическом использовании:

1. высокая теплотворная способность, т.е. тепловыделение, отнесенное к единице массы разделившихся нуклидов;

2. невозможность полного «сжигания» (деления) всех делящихся нуклидов за одноразовое пребывание топлива в реакторе, т.к. в активной зоне реактора необходимо всегда иметь критическую массу топлива и можно «сжечь» только ту ее часть, которая превышает критическую массу;

3. возможность иметь частичное, при определенных условиях полное и даже расширенное воспроизводство (конверсию) делящихся нуклидов, т.е. получение вторичного ядерного топлива из воспроизводящихся ядерных материалов (238 U и 232 Th);

4. «сжигание» ядерного топлива в реакторе не требует окислителя и не сопровождается непрерывным сбросом в окружающую среду продуктов «сгорания»;

5. процесс деления одновременно сопровождается накоплением радиоактивных короткоживущих и долгоживущих продуктов деления, а также продуктов распада, длительное время сохраняющих высокий уровень радиоактивности. Таким образом, облученное в реакторе и отработавшее в нем топливо обладает чрезвычайно высокой радиоактивностью и вследствие этого остаточным тепловыделением, создающим особые трудности в обращении с облученным ядерным топливом;

6. цепная реакция деления ядерного топлива сопровождается выходом огромных потоков нейтронов. Под воздействием нейтронов высоких энергий (Е>0,1 МэВ) в облучаемых конструкционных материалах реактора (оболочки твэлов, детали ТВС, внутриреакторные устройства, корпус), а также в теплоносителе и материалах биологической защиты, в газовой атмосфере, заполняющей пространство между реактором и его биологической защитой, многие химически стабильные (нерадиоактивные) элементы превращаются в радиоактивные. Возникает так называемая наведенная активность.

Высокая тепловыделяющая способность ядерного топлива обусловлена значительной внутриядерной энергией, высвобождаемой при каждом акте деления тяжелого атома урана или плутония. При сгорании же органического топлива имеют место химические окислительные процессы, сопровождающиеся относительно малым энерговыделением.

При сгорании (окислении) атома углерода в соответствии с реакцией С+О 2 →СО 2 выделяется около 4 эВ энергии на каждый акт взаимодействия, в то время как при делении ядра атома урана 235 U+n→X 1 +X 2 выделяется около 200 МэВ энергии на каждый акт деления. Такое высококонцентрированное выделение энергии в единице массы, приводит к огромным термическим напряжениям. Перепад температуры по радиусу твэла достигает нескольких сот градусов.

Кроме того, материалы активной зоны испытывают громадные динамические и радиационные нагрузки, обусловленные потоком теплоносителя и мощным радиационным воздействием на топливо и конструкционные материалы потоков ионизирующих излучений высокой плотности. В частности, радиационное воздействие быстрых нейтронов вызывает в конструкционных материалах реактора существенные радиационные повреждения (охрупчивание, распухание, повышенную ползучесть). Поэтому к применяемым в реакторах материалам предъявляются особые требования. Одно из них – высочайшая степень чистоты от примесей (так называемые материалы ядерной чистоты). Благодаря этому сечения взаимодействия и поглощения (что важно для поддержания цепной реакции деления) нейтронов материалами является минимальным.

Уровень требований к составу и свойствам используемых в реакторостроении материалов оказался настолько высоким, что инициировал разработку ряда новых и совершенных технологий производства специальных материалов и полуфабрикатов, а также специальных методов и средств контроля их качества. В настоящее время разработана и освоена технология промышленного получения таких материалов, как бериллий, графит ядерной чистоты, тяжелая вода, циркониевые и ниобиевые сплавы, металлический кальций, бористые и теплостойкие нержавеющие стали, бор, обогащенный изотопом 10 В, редкоземельные элементы.

Высокая калорийность обуславливает резкое сокращение, как массы, так и физических объемов ядерного топлива, необходимого для производства заданного количества энергии. Тем самым хранение и транспортирование исходного сырья (химического концентрата природного урана) и готового топлива требуют относительно малых затрат. Следствием этого является независимость размещения АЭС от района добычи и изготовления ядерного горючего, что существенно влияет на выбор экономически выгодного географического размещения производительных сил. В этом смысле можно говорить об универсальном характере ядерного топлива. Его ядерно-физические свойства всюду одинаковы, а экономика использования практически не зависит от расстояния до потребителя. Возможность не связывать местоположение атомных станций с местом добычи и изготовления ядерного топлива позволяет экономически оптимально размещать их по стране, максимально приближая к потребителям электрической и тепловой энергии. По сравнению с электростанциями на органическом горючем АЭС не испытывают трудностей, связанных с сезонными климатическими условиями доставки и снабжения топливом. Извлеченные из недр и прошедшее передел ядерные материалы могут храниться любое количество лет при очень малых затратах, не требуя больших и дорогостоящих складских помещений.

Необходимость многократной циркуляции ядерного топлива в топливном цикле и невозможность полного его сжигания, в ходе одноразового пребывания в реакторе обусловлена необходимостью поддержания цепной реакции деления. Цепная самоподдерживающаяся реакция в активной зоне возможна только при условии нахождения в ней критической массы делящегося материала в заданной конфигурации и при определенных условиях замедления и поглощения нейтронов. Поэтому для получения в реакторе тепловой энергии, при работе на расчетной мощности в течение заданного времени, необходимо иметь в активной зоне сверх критической массы некоторый избыток делящихся нуклидов. Этот избыток создает запас реактивности активной зоны реактора, который необходим для достижения заданной или расчетной глубины выгорания топлива. Выгоранием ядерного топлива в активной зоне реактора называется процесс расходования делящихся нуклидов, первичных и вторичных, в результате деления при взаимодействии их с нейтронами. Выгорание обычно определяется величиной выделенной тепловой энергии или количеством (массой) разделившихся нуклидов, отнесенных к единице массы топлива, загруженного в реактор. Следовательно, чтобы сжечь какое-то количество урана в реакторе, необходимо загрузить его топливом, имеющим существенно большую массу, чем критическая. При этом, после достижения заданной глубины выгорания, когда запас реактивности будет исчерпан, необходимо заменить отработавшее топливо свежим, чтобы поддержать цепную реакцию деления. Требование постоянно содержать в активной зоне реактора большую массу ядерного топлива, рассчитанную на длительный срок работы для обеспечения заданной энерговыработки, вызывает значительные единовременные затраты на оплату первой топливной загрузки и последующих партий, подготовленных к перегрузке. В этом состоит одно из существенных и принципиальных отличий условий использования ядерного топлива в энергетических установках по сравнению с органическим топливом.

Однако в выгруженном из активной зоны отработавшем топливе будет оставаться значительное количество делящихся материалов и воспроизводящихся нуклидов, представляющих значительную ценность. Это топливо, после химической очистки от продуктов деления, может быть снова возвращено в топливный цикл для повторного использования. Количество делящихся нуклидов в отработанном топливе, которое остается неиспользованным при одноразовом его пребывании в реакторе, зависит от типа реактора и от вида топлива и может составлять до 50% первоначально загруженных. Естественно, что такие ценные «отходы» необходимо использовать. С этой целью создаются специальные технические средства и сооружения для хранения, транспортирования и химической регенерации отработанного топлива (ОТВС). Извлеченные из ОТВС делящиеся материалы могут возвращаться и многократно циркулировать через реакторы и топливные предприятия атомной промышленности: радиохимические заводы, обеспечивающие регенерацию (очистку от продуктов деления и примесей) выгруженного из реактора топлива и возврат его в топливный цикл после необходимого дообогащения делящимися нуклидами; металлургические заводы по производству новых твэлов, в которых регенерированное топливо добавляется к свежему, не подвергшемуся облучению в реакторах. Таким образом, характерной особенностью топливоснабжения в атомной энергетике является техническая возможность и необходимость возврата в цикл (рецикл) не использованных в условиях однократного пребывания в реакторе делящихся и воспроизводящих изотопов урана и плутония. Для обеспечения бесперебойного топливоснабжения создаются необходимые мощности предприятий топливного цикла. Их можно рассматривать как предприятия, удовлетворяющие «собственным нуждам» атомной энергетики, как отрасли. На возможности рецикла урана и плутония основана концепция развития атомной энергетики на реакторах – размножителях ядерного топлива. Кроме того, при рецикле урана и плутония существенно снижаются потребности в природном уране и в мощностях по обогащению урана для реакторов на тепловых нейтронах, доминирующих в настоящее время в развивающейся атомной энергетике. Пока нет переработки отработавшего топлива, нет и рецикла урана и плутония. Это означает, что реакторы на тепловых нейтронах могут питаться только свежим топливом, полученным из добытого и переработанного урана, а отработанное топливо будет находиться на хранении.

Воспроизводство ядерного топлива имеет место практически в любом реакторе, спроектированном для производства энергии, в котором наряду с делящимися содержатся сырьевые воспроизводящие материалы (238 U и 232 Th). Если не рассматривать гипотетический случай использования сверхобогащенного (~ 90%) уранового топлива для некоторых специальных реакторов, то во всех ядерных реакторах, применяемых в энергетике, будет иметь место частичное, а при создании определенных условий полное и даже расширенное воспроизводство ядерного горючего - изотопов плутония, обладающих столь же высокой калорийностью, как и 235 U. Плутоний может быть выделен из отработавшего топлива на заводах химической переработки в чистом виде и использоваться для изготовления смешанного уран-плутониевого топлива. Возможность наработки плутония в любом реакторе на тепловых нейтронах позволяет квалифицировать любую АЭС как предприятие двухцелевого назначения: вырабатывающее не только тепловую и электрическую энергию, но и производящее также новое ядерное топливо – плутоний. Однако роль плутония проявляется не только в накоплении его в отработавшем топливе. Значительная часть образовавшихся делящихся изотопов плутония подвергается делению в реакторе, улучшая топливный баланс и способствуя увеличению выгорания топлива, загруженного в активную зону. Наиболее целесообразным, согласно сегодняшним представлениям, является использование плутония в реакторах на быстрых нейтронах, где он позволяет обеспечивать выигрыш в критической массе, а, следовательно, в загрузке по сравнению с 235 U на 20-30% и получить весьма высокие, превышающие единицу, коэффициенты воспроизводства. Использование плутония в топливной загрузке реакторов на тепловых нейтронах хотя и не позволяет получить существенного выигрыша в критической массе и таких высоких показателей по воспроизводству, как в реакторах на быстрых нейтронах, однако создает большой эффект, увеличивая ядерные топливные ресурсы.

В ядерной энергетике, помимо урана, имеются возможности по развитию ториевых топливных циклов. При этом природный изотоп 232 Th используется для получения 233 U, аналогичного по своим ядерным свойствам 235 U. Однако в настоящее время трудно ожидать сколько-нибудь значительного использования в атомной энергетике уран-ториевого цикла. Это объясняется тем, что 232 Th, как и 238 U, является лишь воспроизводящим, но не делящимся материалом, а технология переработки тория имеет ряд специфических особенностей и в промышленных масштабах еще не освоена. В то же время дефицита в природном уране пока нет. Более того, происходит непрерывное накопление на складах готового к применению в качестве воспроизводящего материала в реакторах-размножителях отвального урана.

Отсутствие необходимости в окислителе для получения энергии является одним из ключевых экологических преимуществ использования атомной энергетики по сравнению с углеводородной. Газовые выбросы АЭС обусловлены в основном потребностями вентиляционных систем станции. В отличие от атомных тепловые станции ежегодно выбрасывают в воздух миллионы кубометров газов – продуктов горения. К ним относятся, прежде всего, оксиды углерода, азота и серы, которые разрушают озоновый слой планеты и создают большую нагрузку на биосферу прилегающих территорий.

К сожалению, у атомной энергетики помимо преимуществ есть свои недостатки. К ним, в частности, относится образование в процессе работы ядерного реактора продуктов деления и активации. Такие вещества препятствуют работе самого реактора и являются радиоактивными. Тем не менее, объем образующихся радиоактивных отходов является ограниченным (намного порядков меньше отходов тепловых станций). Кроме того, существуют отработанные технологии по их очистке, извлечению, кондиционированию, безопасному хранению и захоронению. Ряд извлекаемых из отработанного топлива радиоактивных изотопов активно используется в промышленных и других технологиях. При дальнейшем развитии технологий переработки ОТВС имеются также перспективы по извлечению из него продуктов деления - редкоземельных элементов, имеющих большую ценность.