Технополис завтра
Самое важное. Самое полезное. Самое интересное...
Новости Фунты, тугрики...

Ядерный топливный цикл: О современном нам уране

Источник: Геоэнергетика
28.08.2016

Перечитывая то, что я с изрядной долей наглости назвал «Ядерный топливный цикл», почувствовал, что явно чего-то не хватает. Мне кажется, что нужна вот небольшая заметка, чтобы сделать обзор-справку о том, как выглядит «трудовой путь» урана на день сегодняшний, когда о полном покорении закрытого ядерного топливного цикла есть четко прорисованные планы, а практика еще на 90% остается такой, какой она стала где-то в 70-80 годы века минувшего. Вот и попробую сделать такую статью – удобно будет возвращаться, если вдруг что-то подзабылось.

Все АЭС, как известно, работают на уране. Пусть он и самый тяжелый из «нерукотворных», но уран – все равно химический элемент и, как химическому элементу полагается, содержится он в земной коре в составе самых разных руд. Входит он в состав этих руд в виде самых разных оксидов и солей, вмещающие породы – тоже разные: карбонаты, силикаты, сульфиды. Выглядит это порой красиво и даже эффектно.

623695526_5b381fb8cb

Урановая руда, Фото: staticflickr.com

Вот так уран светится в ультрафиолете:

uranovie_rudi_1

Уран в ультрафиолете, Фото: сезоны-года.рф

А это вот, например, уранинит с вкраплениями самородного золота.

gold33964a

Уранинит с вкраплениями самородного золота, Фото: dakotamatrix.com

Минералов с содержанием урана известно более сотни, но практический интерес представляют только 12 из них. Руды подразделяются по категориям: от бедных (с содержанием урана менее 0,1%) до богатых (с содержанием урана более 1%). В Канаде есть руды с содержанием урана 14-18% – даже не знаю, как это называется. Сверхсупербогатые?  А руды Бельгийского Конго, обеспечившие реализацию Манхэттенского проекта с их 60%  – «рокфеллеровские», что ли?..

На заре атомного проекта были урановые руды неглубокого залегания – 150-300 метров, но сейчас практически все такие карьеры выработаны, и за рудой приходится уходить на глубины в километр, а то и больше. Вот и первые задачи: добыть с такой глубины и очистить от пустых пород.

Если имеем дело с крепкими горными породами, в которых хорошо заметны рудные жилы – будем строить шахты, рубить руду специальными машинами (радиация, знаете ли, эпоха ручной работы миновала) и вытаскивать ее наверх. В России это – Приаргунское месторождение Читинской области.  Более дешевый, более «продвинутый» метод, экологически менее вредный  – это так называемая «технология ПСВ» (поземное скважинное выщелаивание). Грубо: по центру сверлим дыру на нужную глубину, по бокам – еще несколько. В центральную скважину закачиваем серную кислоту, она выщелачивает уран из породы, а полученный раствор выкачивается на поверхность через боковые скважины. Вот, к примеру, как выглядят урановые рудники на месторождениях Хиагда (Бурятия) и Далур (Курганская область):

14

Урановые рудники на месторождениях Хиагда (Бурятия) и Далур (Курганская область), Фото: armz.ru

Работа людей заканчивается на этапе бурения, вся прочая работа выполняется механизмами да насосами. Поддерживать необходимое давление – вот и вся забота. Никаких «ран» поверхности, никаких рудных отвалов, а серная кислота на глубине больше километра – никакого вреда даже грунтовым водам. Впрочем, метод ПСВ настолько интересен, что стоит к разговору о нем вернуться с большим количеством подробностей.

Рассматриваем случай добычи урановой руды из шахт. Крупные куски породы: 1) сортируют по степени радиоактивности; 2) дробят до мелкого состояния; 3) помещают в автоклавы, где при больших температуре и давлении выщелачивают уран растворами серной или азотной кислоты или карбонатом натрия. Уран при этом переходит в эти замечательные растворы, а пустая порода в буквальном смысле этого слова выпадает в осадок. Далее следует этап № 4: уран из растворов осаждают порциями новых химических реагентов, получая в результате практически чистые соединения урана и этих реагентов. Но что реагентам делать в реакторе, спрашивается? Нечего. Следовательно, они тоже лишние на этом празднике Менделеева, потому необходим этап № 5: аффинаж с применением бикарбоната аммония. Зубодробительное название, а кто-то ведь именно этим и занимается!.. И теперь остается этап № 6 – полученные после аффинажа сухие чистые осадки урановых солей прокаливают при температурах от 240 до 850 градусов, чтобы получить широко известный в узких кругах желтый кек (он же – закись-окись урана, он же U3O8). Вот он, родимый.

25

Желтый кек, Фото: fresher.ru

Хотя цвет, конечно, не всегда такой жизнерадостный, бывает и куда более скромный.

75

Желтый кек, Фото: http://umma.ua/

Обращу ваше внимание, что все описанные шесть этапов производятся непосредственно возле шахт. Любой урановый рудник – место, где концентрируются химические производства.

Желтый кек удобен тем, что он весьма стабилен, у него низкая радиоактивность – следовательно, он пригоден к транспортировке. И везут его поближе к центрифугам, чтобы произвести последнюю химическую процедуру – из оксида урана перевести во фторид урана. Этот процесс атомщики называют конверсией урана, и без него – просто никак. Фторид урана удобен тем, что при нагреве до 53 градусов он не плавится, а сразу превращается в газ, который и поступает на обогащение при помощи центрифуг. Обогащение – это увеличение концентрации  урана-235 с природного значения 0,7% до необходимых 4% (в среднем, на самом деле – от 2,6% до 4,8% для разных типов атомных реакторов). Если кто-то успел соскучиться по внешнему виду наших обогатительных комплексов (а они у нас аж в четырех местах: УЭХК – Уральский электрохимический комбинат в Новоуральске Свердловской области; СХК – Сибирский химкомбинат в Северске Томской области; АЭХК – Ангарский электрохимический комбинат; ЭХЗ – Электрохимический завод в Зеленогорске Красноярского края), то вот, пожалуйста:

Enrichment4

Обогатительный комплекс, Фото: http://atomicexpert.com/

Из центрифуг, само собой, на выходе – все тот же газ, все тот же фторид урана, только теперь в нем больше урана-235. Газ в реактор не запихнуть – соответственно, фторид приходится снова превращать в оксид урана (точнее – в диоксид, UO2),  а это уже порошок.

Порошок диоксида урана методом порошковой металлургии превращают в топливные таблетки диаметром порядка 1 см и толщиной от 1 до 1,5 см. Таблетки аккуратно размещают в тонкостенные трубки из сплава циркония и 1% ниобия длиной в 3,5 метра для современных ВВЭР. Эта трубка, набитая 1.5 кг урановых таблеток, и есть тот самый ТВЭЛ: тепловыделяющий элемент. Вот они, красивые:

TVE`L

Твэлы, Фото: http://infovek.ru/

Происходит эта работа в России на Машиностроительном заводе в городе Электросталь Московской области и на Новосибирском заводе химконцентратов. Цирконий отливают в Глазове Удмуртской республики на Чепецком механическом заводе. ТВЭЛы конструктивно объединяют в ТВС – тепловыделяющие сборки. Выглядят они вот так:

rian_archive

ТВС – тепловыделяющие сборки, Фото: atomic-energy.ru

В сечении, как видите, шестигранник-сота, и это – советско-российский дизайн. А вот ТВС-«квадрат» дизайна западного:

00b7483963c2bcece33e4ea021e94949

ТВС-«квадрат», Фото: http://nuclear.ru/

У меня часть детства на пасеке деда прошла, так что я весьма пристрастен – наши «соты» мне больше нравятся.

Вот теперь уран в виде таблеток, которые размещены в ТВЭЛ, которые объединены в ТВС, можно поместить в «печку» – в активную зону реактора АЭС. В течение следующих 18 месяцев, которые принято называть «топливной компанией», уран «горит», постепенно превращаясь в ОЯТ. Вот картинка того, как выглядит реактор перед началом топливной кампании:

a80741

Реактор, Фото: http://publicatom.ru/

Мне кажется, что такая вот история урана с картинками нужна была с самого начала рассказа о ядерном топливном цикле.  Прошу сильно меня не ругать, за то, что я не сделал ее изначально – блогер я старый только по возрасту, а по молодости ошибки – обычное дело.  Предлагаю эту заметку считать «№ 0» в цикле рассказов о ядерном топливе!

Фото: tvel2014.ru

Boris Alestar

 
Социальные комментарии Cackle
Loading...
Загрузка...

© 2009 Технополис завтра

Перепечатка  материалов приветствуется, при этом гиперссылка на статью или на главную страницу сайта "Технополис завтра" обязательна. Если же Ваши  правила  строже  этих,  пожалуйста,  пользуйтесь при перепечатке Вашими же правилами.