Экономические войны в атомной энергетике. Часть 3. Технологии в атомной энергетике I.
Содержание:
Часть 1. Введение.
Часть 2. Физические основы получения ядерной энергии.
Часть 3. Технологии в атомной энергетике.
I. Ядерный топливный цикл
II. Ядерный реактор
Часть 4. Лидеры отрасли. Статистика по игрокам.
Часть 5. Методы ведения экономических войн.
Часть 6. Росатом и другие.
I. АЭС «Белене» и «Темели́н»
II. АЭС «Хурагуа»
Часть 7. Что дальше?
I. Новые технологии в атомной отрасли
II. Организационные подходы в развитии атомной отрасли
III. Поля экономической войны ближайшего будущего в ядерной энергетике
Часть 8. Заключение
В предыдущем посте мы обсудили физические основы получения ядерной энергии, как применяемые в промышленности. В данном материале мы расскажем об основных концепциях - технологиях, применяемых ядерной энергетике: способах обогащения топлива, производство топливных элементов, а также о реакторах, их видах, различиях между ними, перспективах развития новых типов реакторов.
Прежде всего необходимо отметить, что само получение ядерной энергии на АЭС - это лишь один из довольно большого набора сложнейших технологических процессов. Весь набор называется - Ядерный топливный цикл (ЯТС). В зависимости от вида ядерного топлива и конкретных условий ядерные топливные циклы могут различаться в деталях, но их общая принципиальная схема сохраняется:
Рис 1. Ядерный топливный цикл. [Источник]
Этапы ЯТЦ:
Добыча руды:
Начальная стадия топливного цикла - горнодобывающее производство, то есть урановый рудник, где добывается урановая руда. Среднее содержание урана в земной коре довольно велико и расценивается как 75 на 10 в -6. Урана примерно в 1000 раз больше, чем золота и в 30 раз больше чем серебра. Урановые руды отличаются исключительным разнообразием состава. В большинстве случаев уран в рудах представлен не одним, а несколькими минеральными образованиями. Известно около 200 урановых и урансодержащих минералов. Наибольшее практическое значение имеют уранинит, настуран, урановые черни и др. Добыча урановой руды, также как и других полезных ископаемых, осуществляется в основном либо шахтным, либо карьерным способом в зависимости от глубины залегания пластов. В последние годы стали применяться методы подземного выщелачивания, позволяющие исключить выемку руды на поверхность и проводить извлечение урана из руд прямо на месте их залегания.
Рис. 2 Рудник Рожна в Ждярском регионе (Чехия) [Источник]
Переработка руды:
Извлеченная из земли урановая руда содержит рудные минералы и пустую породу. Дальнейшая задача состоит в том, чтобы руду переработать - отделить полезные минералы от пустой породы и получить химические концентраты урана. Обязательные стадии при получении урановых химических концентратов - дробление и измельчение исходной руды, выщелачивание (перевод урана из руды в раствор). Очень часто перед выщелачиванием руду обогащают - различными физическими методами увеличивают содержание урана.
Рис. 3 Стандартная конусная дробилка. [Источник]
Аффинаж:
На всех этапах переработки урановых руд происходит определенная очистка урана от сопутствующих ему примесей. Однако полной очистки достичь не удается. Некоторые концентраты содержат всего 60 - 80 %, другие 95 - 96 % оксида урана, а остальное - различные примеси. Такой уран не пригоден в качестве ядерного топлива. Следующая обязательная стадия ядерного топливного цикла - аффинаж, в котором завершается очистка соединений урана от примесей и особенно от элементов, обладающих большим сечением захвата нейтронов (гафний, бор, кадмий и т. д.).
Рис. 4. Установка экстракционного аффинажа урана. [Источник]
Обогащение урана:
Современная ядерная энергетика с реакторами на тепловых нейтронах базируются на слабообогащенном (2 - 5 %) урановом топливе. В реакторе на быстрых нейтронах используется уран с еще большим содержанием урана-235 (до 93 %). Следовательно, прежде чем изготавливать топливо природный уран, содержащий только 0,72 % урана-235, необходимо обогатить - разделить изотопы урана-235 и урана-238. Химические реакции слишком малочувствительны к атомной массе реагирующих элементов. Поэтому они не могут быть использованы для обогащения урана; необходимы физические методы разделения изотопов.
Рис. 5 Центрифуги для обогащения урана. [Источник]
Изготовление топлива:
Обогащенный уран служит исходным сырьем для изготовления топлива ядерных реакторов. Ядерное топливо применяется в реакторах в виде металлов, сплавов оксидов карбидов, нитридов и других топливных композиций, которым придается определенная конструкционная форма. Конструкционной основой ядерного топлива в реакторе является тепловыделяющий элемент - твэл, состоящий из топлива и покрытия. Все твэлы конструкционно объединяют в ТВС. Предприятия, производящие реакторное топливо, представляют собой промышленные комплексы, технологический цикл которых включает следующие этапы: получение порошка диоксида урана из гексафторида, изготовление спеченных таблеток, подготовку трубчатых оболочек твэлов и концевых деталей, упаковку топливных таблеток в оболочки, установку концевых деталей, герметизацию (сваркой), подготовку и комплектованию деталей для ТВС, упаковку топливных таблеток в оболочки, изготовление ТВС, разборку забракованных твэлов, ТВС и переработку отходов. Товарный продукт на данной стадии топливного цикла является ядерное топливо в виде, пригодном для непосредственного использования в реакторе.[Источник]
Рис. 6. Тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ). [Источник]
Рассмотрим подробнее Обогащение Урана:
Известно несколько методов разделения изотопов.[Источник] Большинство методов основано на разной массе атомов разных изотопов: 235-й немного легче 238-го из-за разницы в количестве нейтронов в ядре. Это проявляется в разной инерции атомов. Например, если заставить атомы двигаться по дуге то тяжелые будут стремиться двигаться по большему радиусу чем легкие. Термодиффузионный и газодиффузионный методы используют разницу в подвижности молекул: молекулы газа с легким изотопом урана более подвижны чем тяжелые, поэтому они легче проникают в мелкие поры специальных мембран.
Рис. 7 Центрифуги для обогащения урана (Иран). [Источник]
Многие из методов пытались использовать для промышленного обогащения урана, однако в настоящее время практически все мощности по обогащению работают на основе газового центрифугирования: Рабочим веществом является газообразное соединение природного урана гексафторид урана, получаемой из природной закиси-окиси урана(U3O8). UF6 подается в центрифугу через трубопровод питания и поступает в роторное пространство возле оси ротора в его центральной части. Вследствие высокой скорости вращения ротора (линейная скорость на его периферии 600 м/с и более) газ концентрируется у его стенки. У оси ротора образуется разреженная зона с более легкой фракцией. Эффективное разделение компонентов смеси происходит только при наличии осевой циркуляции газа внутри ротора. Такая циркуляция обеспечивается созданием осевого температурного градиента за счет внешнего источника тепла. При циркуляции наибольшая разность в концентрации легкого(U235) и тяжелого(U238) изотопов устанавливается в торцевых частях центрифуги - нижней и верхней соответственно. Обогащенная легким изотопом фракция (продукт) выводится с помощью газоотборника в выходной трубопровод. Тяжелая фракция - отвал (или хвост) отбирается.
Рис. 8 Схема газовой центрифуги. Источник
Наряду с центрифугированием в прошлом широко использовался газодиффузионный метод. На сегодняшний день центрифугирование демонстрирует наилучшие экономические параметры обогащения урана. Ведутся исследования перспективных методов разделения, например, лазерное разделение изотопов, однако на данный момент данная технология используется очень ограниченно.
Итак, мы вкратце рассмотрели технологические процессы необходимые для получения топлива для АЭС. В следующем посте мы рассмотрим главный элемент АЭС - ядерный реактор.
Кафедра Экономической войны - Екатеринбург