Переработка отработанного ядерного топлива

Переработка ОЯТ (отработанного ядерного топлива) — это явление далеко не новое. Что уж там, на заре атомной промышленности переработка ОЯТ была одним из ключевых этапов производства. Правда, использовалась она не в мирных целях, а для наработки оружейного плутония в рамках Манхэттенского проекта. Дело в том, что плутоний является побочным продуктом работы ядерного реактора с ураном в качестве топлива. После реактора отработанное топливо направлялось на переработку с целью выделения из него фракций плутония. 

Современная переработка ОЯТ преследует несколько иные цели:

  • снижение общего количества РАО;

  • повторное использование некоторых элементов ОЯТ;

  • снижение использования природного урана;

При этом возникает закономерный вопрос: если всё так замечательно, почему некоторые страны не занимаются переработкой и причисляют ОЯТ к радиоактивным отходам? На это имеется две причины: 

  • переработка ОЯТ — это хоть и благородное занятие, но всё же довольно опасное как для окружающей среды, так и для людей;

  • в конце 70-х годов в США, с целью ограничить распространение ядерного оружия за счет выведения плутония из ОЯТ гражданских АЭС, запретили переработку ОЯТ, что побудило ряд других стран наложить аналогичный запрет. Через некоторое время этот запрет был снят, и в начале 21 века была попытка организовать предприятие для переработки, но безуспешно;

Если вторая причина носит скорее историко-политический характер и имеет мало общего с атомной энергетикой, то первая ставит под вопрос обоснованность переработки ОЯТ с учетом рисков радиационного заражения. На сегодняшний всего 4 страны имеют промышленные радиохимические предприятия, необходимые для переработки ОЯТ. Одна их этих стран — Россия. На примере российской атомной промышленности рассмотрим процесс переработки ОЯТ, риски и методы их минимизации, а также какие проблемы решает и может решить переработка.

Ядерное топливо

Что из себя представляет ядерное топливо? Подавляющее большинство современных реакторов в качестве топлива используют обогащенный уран. Помимо урана можно использовать и другие делящиеся материалы, например, торий. Такие реакторы существовали, но из-за сложности добычи тория широкой популярности не сыскали. 

Путь к сердцу реактора начинается с урановой руды. В России добычу и первичную переработку урановой руды осуществляет компания «Атомредметзолото». В результате этой деятельности получают сухой урановый концентрат — так называемый «желтый кек». После этого желтый кек переходит в руки компании «ТВЭЛ» — российского производителя ядерного топлива. 

Желтый кек
Желтый кек

Первый этап производства — обогащение. Суть процесса заключается в повышении доли изотопа уран-235, который и является делящимся материалом в реакторе. В природном уране его доля составляет 0,72%, а остальное — это уран-238 (99,2745%) и уран-234 (0,0055%). Уран-238 и уран-234 — это стабильные изотопы, которые не способны к самостоятельной цепной ядерной реакции, в отличие от урана-235. В разных реакторах используется уран разной степени обогащения: ВВЭР — 1,6–5%; РБМК-1000 — около 3%; БН-600 и БН-800 — до 27%. В целом, технологии обогащения основаны на изъятии из природного урана части урана-238. 

Один из способов обогащения - газовые центрифуги
Один из способов обогащения — газовые центрифуги

Для ядерного топлива большинства реакторов применяется не чистый уран, а его диоксид. Диоксид в меньшей степени подвержен нагрузкам внутри реактора, а также позволяет увеличить глубину выгорания, т.е. эффективность топлива. Сам по себе, диоксид урана — это черный порошок. Из него формируют топливные таблетки, которые упаковываются в тепловыделяющий элемент — твэл. Да, компания ТВЭЛ производит твэлы. 

ТВЭЛ
ТВЭЛ

Твэл представляет собой металлическую трубку и служит для отвода тепла и герметизации делящегося материала. В качестве основы для твэла используется цирконий или нержавеющая сталь, в зависимости от реактора и условий внутри него. Для удобства, твэлы объединяют между собой в тепловыделяющую сборку — ТВС. Именно ТВС попадет в активную зону реактора и выйдет из него.

ТВС
ТВС

ОЯТ: жизнь после реактора

После реактора ядерное топливо, как говорится, не узнать. В течение нескольких лет шла цепная ядерная реакция, создавая в твэлах радиоактивный «бульон». Сами твэлы после воздействия давления, температуры и радиации тоже не выглядят как новенькие. На данном этапе ОЯТ обладает следующей характеристикой:

  • высокая радиоактивность;

  • высокое тепловыделение;

  • изношенные твэлы и ТВС;

  • значительное, но всё же неполное выгорание уран-235;

  • накопившиеся в результате ядерной реакции трансурановые элементы, в том числе изотопы плутония, радиоактивные осколки деления ядер;

Первое, что ожидает ОЯТ — это бассейн выдержки. Сейчас проводить какие-либо манипуляции с ОЯТ попросту невозможно, поэтому оно отправляется в специальное хранилище прямо на станции. Через несколько лет активность спадет и ОЯТ можно будет вывезти со станции. 

Бассейн выдержки
Бассейн выдержки

Дальнейшая судьба ОЯТ зависит от того, на каком реакторе оно работало. Оно отправится либо на переработку на ПО «Маяк» либо на длительное хранение на Горно-Химический комбинат. Топливо для некоторых реакторов не перерабатывается и сразу направляется в ГХК.

Переезд

Вне зависимости от пункта назначения, хотелось бы, чтобы всё доехало в целости и сохранности. При перевозках различных радиоактивных материалов происходили аварии, но с ОЯТ подобных инцидентов не происходило (надеемся, и не произойдет). С целью перевозок ОЯТ и других радиоактивных материалов была основана компания «Атомспецтранс». 

В России, как и других странах, большинство перевозок ОЯТ осуществляется с помощью железнодорожного транспорта. Он считается наиболее безопасным. Автомобильные перевозки подвержены террористической угрозе и обычно ограничиваются маршрутом «от хранилища до жд станции». Транспортировка по морю применяется только в том случае, если ОЯТ нельзя доставить по суше. И самый нежелательный способ перевезти ОЯТ — это авиаперевозки. Они влетают в копеечку, а последствия от возможной аварии намного выше, чем при наземных перевозках Самолетом ОЯТ вывозят только в самых крайних случаях. Например, из-за войны в Персидском заливе в 90-х годах Россия вывозила из Ирана ОЯТ местного исследовательского реактора.

Разумеется, как к транспорту, так и к ОЯТ применяются повышенные требования безопасности. Радиоактивные материалы помещают в специальный контейнер — транспортный упаковочный комплект. Он защищает ОЯТ от физических повреждений извне, а окружающую среду от радиации.

ТУК-109Т для ОЯТ РБМК-1000
ТУК-109Т для ОЯТ РБМК-1000

Для перевозок используются специальные виды транспорта. Например, существуют разные типы вагонов под транспортировку ОЯТ того или иного реактора. И, разумеется, любая перевозка ОЯТ не обходится без охраны и обученного персонала.

Вагон для перевозки ОЯТ
Вагон для перевозки ОЯТ

Итак, ОЯТ добралось на переработку на ПО «Маяк». Что дальше?

Переработка

Несмотря на то, что ОЯТ своё «отработало», в нем присутствуют полезные элементы:

  • уран:

В процессе работы реактора уран-235 сгорает не полностью, а частично. В зависимости от реактора, доля урана-235 в ОЯТ может оказаться больше, чем в природном.

  • плутоний:

Плутоний может быть не только основой для бомб, но и топливом в ядерном реакторе.

Всё остальное(детали конструкции, такие твэлы и ТВС, продукты деления и т.п.) — это радиоактивные отходы и их дальнейшая судьба не связана с переработкой.

Основная загвоздка переработки заключается в твэлах. Герметизация твэла необходима для того, чтобы оставить самые радиоактивные и долгоживущие продукты деления в замкнутом пространстве и не допустить их распространения. При переработке герметизация нарушается и возникают дополнительные риски, которые можно исключить или по крайней мере снизить при должном уровне технологий.

Дальнейшее применение

Уран, получаемый из ОЯТ, называется регенерированным. Он используется уже несколько десятилетий и география его применения выходит за границы 4-х стран с радиохимической промышленностью. Однако выделить существенные экономические и ресурсные плюсы такого применения сложно.

Помимо регенерированного урана, переработка может предложить новые виды топлива, например, РЕМИКС-топливо. Концепция следующая: после переработки ОЯТ, добавлять некоторое количество обогащенного урана к выделенной уран-плутониевой фракции. В данном топливе в качестве делящегося материала выступает как уран, так и плутоний.

Наиболее перспективное направление переработки связано с реакторами на быстрых нейтронах. Такие реакторы с топливом на основе плутония обладают важной особенностью: количество нейтронов, освобождающихся в ходе цепной реакции, намного выше, чем в урановых реакторах. Появляется возможность использовать их не только для поддержания цепной реакции основного материала, но и для чего-то ещё. Например, для наработки плутония из урана-238. При этом, количество нового плутония может превышать количество сгоревшего в активной зоне плутония. Такой реактор называется реактором-размножителем, и отношение нового плутония к сгоревшему может достигать 1,3-1,4. Это позволит полноценно использовать не только уран-235, но и уран-238, которого в природе намного больше.


Дата-центр ITSOFT — размещение и аренда серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.

 

Источник

Читайте также

Меню