Борис Марцинкевич. Ядерный топливный цикл: О современном нам уране
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.
Урановая руда, Фото: staticflickr.com
Вот так уран светится в ультрафиолете:
Уран в ультрафиолете, Фото: сезоны-года.рф
А это вот, например, уранинит с вкраплениями самородного золота.
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», то 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 Читинчкой 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):
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.
Желтый кек, Фото: fresher.ru
Хотя цвет, конечно, не всегда такой жизнерадостный, бывает и куда более скромный.
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:
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:
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:
ТВС - тепловыделяющие сборки, Фото: atomic-energy.ru
В сечении, как видите, шестигранник-сота, и это - советско-российский дизайн. А вот ТВС-«квадрат» дизайна западного:
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:
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!
geoenergetics.ru