Eesmärgi nimi on, et kasutatakse tuumakütust. Kuidas seda tehakse, kuidas see töötab, kuidas see töötab. Kuidas tuumajaam ehitatakse

Tuumaelektrijaamad – tuumajaamad on soojuselektrijaamad. Tuumaelektrijaamades kasutatakse allikana kontrollitud tuumareaktsioonide energiat. TEJ jõuplokkide ühikuvõimsus ulatub 1,5 GW-ni.

Tuumaelektrijaamad – tuumaelektrijaamad – kütuseliigid

Kasutatakse tavalise kütusena tuumaelektrijaamades U- uraan. Lõhustumisreaktsioon viiakse läbi tuumaelektrijaama põhiüksuses - tuumareaktoris. Tuumaaine lõhustumise ahelreaktsioon vabastab märkimisväärse koguse soojusenergiat, mida kasutatakse elektri tootmiseks.

Tuumaelektrijaamad - tuumaelektrijaamad - tööpõhimõte

Uraani tuumade lõhustumisel tekivad kiired neutronid. Lõhustumiskiirus on ahelreaktsioon, tuumaelektrijaamades reguleerivad seda moderaatorid: raske vesi või grafiit. Neutronid sisaldavad suures koguses soojusenergiat. Jahutusvedeliku kaudu siseneb energia aurugeneraatorisse. Kõrgsurve aur suunatakse turbogeneraatoritesse. Saadud elekter läheb trafodesse ja seejärel jaotusseadmetesse. Osa elektrist suunatakse tuumaelektrijaama (TEJ) enda vajaduste rahuldamiseks. Jahutusvedeliku tsirkulatsiooni tuumaelektrijaamades tagavad pumbad: põhi- ja kondensaat. Tuumaelektrijaamade liigsoojus suunatakse jahutustornidesse.

Venemaa tuumaelektrijaamad - tuumaelektrijaamad - tuumareaktorite tüübid:

• RBMK - suure võimsusega reaktor, kanal,
• VVER - survevee jõureaktor,
• BN - reaktor kiired neutronid.

Tuumaelektrijaamad - tuumaelektrijaamad - ökoloogia

Tuumaelektrijaamad – tuumaelektrijaamad ei eralda suitsugaase atmosfääri. Tuumaelektrijaamades tuha ja räbu kujul jäätmeid ei teki. Tuumaelektrijaamade probleemideks on liigne soojus ja radioaktiivsete jäätmete ladustamine. Inimeste ja atmosfääri kaitsmiseks radioaktiivsete heitmete eest võtavad tuumaelektrijaamad erimeetmeid:

• tuumaelektrijaama seadmete töökindluse parandamine,
• haavatavate süsteemide dubleerimine,
• kõrged nõuded personali kvalifikatsioonile,
• kaitse ja kaitse välismõjude eest.

Tuumaelektrijaamad on ümbritsetud sanitaarkaitsevööndiga.

Tulenevalt asjaolust, et tuumkütus on efektiivsem kui kõik teised praegu kasutusel olevad kütuseliigid, eelistatakse väga kõike, mis tuumarajatiste abil (tuumaelektrijaamad, allveelaevad, laevad jne) suudab töötada. Sellest, kuidas reaktorite tuumakütust toodetakse, räägime hiljem.

Uraani kaevandatakse peamiselt kahel viisil:
1) Otsekaevandamine karjäärides või kaevandustes, kui uraani esinemise sügavus seda võimaldab. Loodan, et selle meetodiga on kõik selge.
2) Maa-alune leostumine. See on siis, kui uraani leiukohas puuritakse kaevud, pumbatakse neisse nõrk väävelhappe lahus ja lahus interakteerub juba uraaniga, ühinedes sellega. Seejärel pumbatakse saadud segu pinnale ja uraan ekstraheeritakse sellest keemiliste meetoditega.

Kujutage ette, et oleme kaevanduses juba uraani kaevandanud ja selle edasisteks muundamisteks ette valmistanud. Alloleval fotol - nn "kollane kook", U3O8. Tünnis edasiseks transportimiseks.

Kõik oleks hästi ja teoreetiliselt saaks seda uraani kohe kasutada tuumajaamade kütuse tootmiseks, aga paraku. Loodus, nagu alati, andis meile tööd. Fakt on see, et looduslik uraan koosneb kolme isotoobi segust. Need on U238 (99,2745%), U235 (0,72%) ja U234 (0,0055%). Meid huvitab siin ainult U235 – kuna see on reaktoris termiliste neutronitega suurepäraselt poolitatud, võimaldab just tema nautida kõiki lõhustumise ahelreaktsiooni eeliseid. Kahjuks ei piisa selle looduslikust kontsentratsioonist kaasaegse tuumajaama reaktori stabiilseks ja pikaajaliseks tööks. Kuigi minu teada on RBMK aparaat disainitud nii, et seda saab kütusel käivitada alates looduslik uraan saab, kuid sellise kütusega töötamise stabiilsus, vastupidavus ja ohutus pole üldse tagatud.
Peame uraani rikastama. See tähendab, et suurendada U235 kontsentratsiooni looduslikult reaktoris kasutatavale.
Näiteks RBMK reaktor töötab 2,8% rikastusega uraanil, VVER-1000 - rikastus 1,6-5,0%. Laevade ja laevade tuumaelektrijaamad tarbivad kuni 20% rikastatud kütust. Ja mõned uurimisreaktorid töötavad kütusel, mille rikastus on kuni 90% (näiteks IRT-T Tomskis).
Venemaal toimub uraani rikastamine gaasitsentrifuugides. See tähendab, et kollane pulber, mis oli fotol varem, muudetakse gaasiks, uraanheksafluoriidiks UF6. Seejärel läheb see gaas tervele tsentrifuugikaskaadile. Iga tsentrifuugi väljumisel saame U235 ja U238 tuumade massi erinevuse tõttu uraanheksafluoriidi, mille U235 sisaldus on veidi suurenenud. Protsessi korratakse mitu korda ja selle tulemusena saame vajaliku rikastusega uraanheksafluoriidi. Alloleval fotol näete lihtsalt tsentrifuugide kaskaadi ulatust - neid on palju ja need ulatuvad kaugele.

UF6 gaas muundatakse seejärel tagasi UO2-ks pulbri kujul. Lõppude lõpuks on keemia väga kasulik teadus ja võimaldab meil selliseid imesid luua.
Seda pulbrit pole aga nii lihtne reaktorisse valada. Õigemini saab magama jääda, aga midagi head sellest ei tule. See (pulber) tuleb viia sellisesse vormi, et saaksime selle pikaks ajaks, aastateks reaktorisse lasta. Sel juhul ei tohiks kütus ise jahutusvedelikuga kokku puutuda ja südamikust kaugemale minna. Ja kõige selle peale peab kütus vastu pidama väga-väga karmidele rõhkudele ja temperatuuridele, mis selles reaktoris töötades tekivad.
Muide, unustasin öelda, et pulber ka ei ole nagunii - see peab olema teatud suurusega, et pressimisel ja paagutamisel ei tekiks tarbetuid tühimikke ja pragusid. Esiteks valmistatakse pulbrist tabletid pressimise ja pikaajalise küpsetamise teel (tehnoloogia on tõesti keeruline, kui see katki läheb, siis kütusetablette ei saa kasutada). Alloleval fotol näitan tablettide variatsioone.

Tahvelarvutitel on vaja augud ja süvendid soojuspaisumise ja kiirgusdeformatsiooni kompenseerimiseks. Reaktoris aja jooksul tabletid paisuvad, painduvad, muudavad suurust ja kui midagi pole ette näha, võivad need kokku kukkuda ja see on halb.

Seejärel pakitakse valmis tabletid metalltorudesse (valmistatud terasest, tsirkooniumist ja selle sulamitest ning muudest metallidest). Torud on mõlemast otsast suletud ja suletud. Valmis toru kütusega nimetatakse kütuseelemendiks - kütuseelemendiks.

Erinevad reaktorid nõuavad erineva konstruktsiooni ja rikastusega kütusevardaid. RBMK kütusevarras näiteks 3,5 meetrit pikk. Kütusevardad, muide, pole ainult varras. nagu fotol. Need on lamellid, rõngad, meri mitmesugused ja modifikatsioonid.
Seejärel ühendatakse kütusevardad kütusesõlmedeks – kütusesõlmedeks. RBMK reaktori kütusesõlm koosneb 18 kütusevardast ja näeb välja umbes selline:

VVER-i reaktori kütusesõlm näeb välja selline:
Nagu näha, koosneb VVER reaktori FA palju suuremast arvust kütusevarrastest kui RBMK oma.
Valmis eritoode (FA) tarnitakse seejärel tuumaelektrijaama, järgides ettevaatusabinõusid. Miks võtta ettevaatusabinõusid? Tuumakütus, kuigi mitte veel radioaktiivne, on väga väärtuslik, kallis ja võib väga hooletu ümberkäimisel põhjustada palju probleeme. Seejärel viiakse läbi kütusesõlmede seisukorra lõplik kontroll ja - laadimine reaktorisse. See on kõik, uraan on läbinud pika tee maa-alusest maagist kuni kõrgtehnoloogilise seadmeni tuumareaktoris. Nüüd on tal teistsugune saatus - suruda mitu aastat reaktorisse ja vabastada väärtuslikku soojust, mille vesi (või mõni muu jahutusvedelik) talt võtab.

Miks uraan?

Inimkond on end kätest ja jalgadest elektrijuhtmetega sidunud. Seadmed, tööstusseadmed, tänavavalgustus, trollibussid, metrood, elektrirongid – kõik need tsivilisatsiooni eelised saavad toite elektrivõrgust; need muutuvad mõttetuks "rauatükkideks", kui vool mingil põhjusel ebaõnnestub. Inimesed on aga juba nii harjunud toiteallika püsivusega, et igasugune väljalülitamine tekitab rahulolematust ja isegi ebamugavust. Ja tõesti, mida peaks inimene tegema, kui korraga kustusid kõik seadmed, ka kõige armsamad - teler, arvuti ja külmkapp? Eriti raske on taluda "lahutust" õhtul, kui nii väga tahad pärast tööd või õppimist, nagu öeldakse, päevavalgust pikendada. Kas päästab tahvelarvuti või telefon, aga lõppude lõpuks on neil ka laeng, mis pole igavene. Veel hullem on sattuda "vangikongi", kuhu võib elektrikatkestuse käsul sisse keerata liftikabiin või metroovagun.

Milleks kõik see jutt? Ja sellele, et "elektrifitseeritud" inimkond vajab stabiilseid ja võimsaid energiaallikaid – ennekõike elektrit. Selle nappuse tõttu muutuvad elektrikatkestused tüütult sagedaseks ja elatustase langeb. Selle ebameeldiva stsenaariumi reaalsuseks muutumise vältimiseks on vaja ehitada üha uusi elektrijaamu: globaalne energiatarbimine kasvab ja töötavad jõuallikad järk-järgult vananeda.

Mida saab aga probleemi lahendamiseks pakkuda kaasaegne energia, mis põletab peamiselt kivisütt ja gaasi? Muidugi uued gaasipaigaldised, mis hävitavad väärtuslikku keemilise tooraine või söeplokke, mis suitsevad taevast. Muide, soojuselektrijaamade heitkogused on üldtuntud keskkonnaprobleem, kuid ka fossiilkütuseid kaevandavad ettevõtted kahjustavad keskkonda. Kuid selle tarbimine on tohutu. Näiteks tavalise külmiku töö tagamiseks aasta jooksul on vaja põletada umbes sada kilogrammi kivisütt või sadu kuupmeetreid maagaasi. Ja see on vaid üks kodumasin, mida on palju.

Muide, kui palju on vaja tuumakütust, et nimetatud külmik terve aasta töötaks? Raske uskuda, aga ... ainult üks gramm!

Rikastatud uraanist valmistatud tuumkütuse kolossaalne energiamahukus teeb sellest söe ja gaasi väärilise konkurendi. Tegelikult tarbib tuumaelektrijaam sada tuhat korda vähem kütust kui soojuselektrijaam. See tähendab, et uraani kaevandamine toimub palju väiksemas mahus, mis on keskkonna seisukohalt oluline. Lisaks puuduvad kasvuhoonegaaside ja mürgiste gaaside heitkogused.

Tuhande megavatise võimsusega tuumajaama jõuplokk kulutab aastas vaid kolm tosinat tonni tuumkütust ja sama võimsusega soojusjaam umbes kolm miljonit tonni kivisütt ehk kolm miljardit kuupmeetrit tuumakütust. gaas. Teisisõnu, sama koguse elektri saamiseks vajate kas mitut vagunit tuumakütusega aastas või mitut kivisöega rongi ... päevas.

Kuidas on lood taastuvate energiaallikatega? Need on muidugi head, aga vajavad veel täiustamist. Võtame näiteks jaama poolt hõivatud ala. Tuulikute ja päikesepaneelide puhul on see kaks suurusjärku suurem kui tavalistel elektrijaamadel. Näiteks kui tuumaelektrijaam (TEJ) mahub paari ruutkilomeetri suurusele alale, siis sama võimsusega tuulepark või päikeseväli võtab enda alla mitusada ruutkilomeetrit. Lihtsamalt öeldes on pindalade suhe nagu väikese küla oma ja väga suur linn. Kõrbes ei pruugi see näitaja olla oluline, kuid tsoonis põllumajandus või metsandus- Ja kuidas.

Olgu mainitud, et tuumkütus on alati töövalmis, olenemata aastaajast, päevast või ilmastikku, samal ajal kui päike öösel ei paista ja tuul puhub siis, kui tahab. Veelgi enam, mõnes piirkonnas ei ole taastuvenergia vähese päikeseenergia voo või madala keskmise tuulekiiruse tõttu üldse tulus. Tuumaelektrijaamade jaoks selliseid probleeme lihtsalt ei ole.

Need tuumaenergia eelised määrasid uraani kui tuumakütuse silmapaistva rolli tänapäeva tsivilisatsioonis.

Kes kui palju sai?

Ühes vanas nõukogude multikas lahendasid loomad tähtsa ülesande – nad jagasid apelsini. Selle tulemusena anti kõigile, välja arvatud hundile, maitsev mahlane viil; hall pidi koorega rahul olema. Teisisõnu, ta ei saanud väärtuslikku ressurssi. Sellest vaatenurgast on huvitav teada, kuidas on lood uraaniga: kas kõigil maailma riikidel on oma varud või on need ilma jäänud?

Tegelikult on Maal palju uraani ja seda metalli võib leida peaaegu kõikjal: meie planeedi maakoores, ookeanides, isegi inimkehas. Probleem seisneb selle "hajutamises", "määrdumises" üle maa kivimite, mille tulemuseks on madal uraani kontsentratsioon, mis on enamasti ebapiisav majanduslikult tasuva tööstusliku tootmise korraldamiseks. Mõnes kohas on aga suure uraanisisaldusega akumuleeruvaid ladestusi. Need on vastavalt jaotunud ebaühtlaselt ja uraanivarud on riigiti erinevad. Enamik selle elemendi maardlaid "ujusid minema" koos Austraaliaga; lisaks vedas Kasahstan, Venemaa, Kanada ja Lõuna-Aafrika riigid. See pilt ei ole aga tardunud, asjade seis muutub pidevalt seoses uute maardlate uurimisega ja vanade ammendumisega.

Uuritud uraanivarude jaotus riigiti (varude puhul koos tootmiskuludega< $130/кг)

Maailma ookeani vetes on lahustunud tohutul hulgal uraani: üle nelja miljardi tonni. Tundub, et ideaalne "deposiit" - ma ei taha kaevandada. Teadlased on 1980. aastatel välja töötanud spetsiaalsed sorbendid uraani ekstraheerimiseks mereveest. Miks seda suurepärast meetodit üldiselt ei rakendata? Probleem on selles, et metalli kontsentratsioon on liiga madal: tonnist veest saab eraldada vaid umbes kolm milligrammi! On selge, et selline uraan läheb liiga kalliks. Hinnanguliselt maksab kilogramm paar tuhat dollarit, mis on palju kallim kui "maa" vaste. Kuid teadlased ei ole ärritunud ja leiutavad üha tõhusamaid sorbente. Nii et võib-olla muutub see ekstraheerimismeetod lähitulevikus konkurentsivõimeliseks.

Praeguseks on uuritud uraanivarude koguarv, mille tootmismaksumus jääb alla 130 dollari kilogrammi kohta, üle 5,9 miljoni tonni. Kas seda on palju? Täiesti piisavalt: kui tuumajaamade koguvõimsus jääb praegusele tasemele, siis uraani jätkub sajaks aastaks. Võrdluseks – tõestatud nafta- ja gaasivarud võivad ammenduda vaid kolmekümne kuni kuuekümne aastaga.

Kümme riiki oma territooriumil olevate uraanivarude poolest (kaevandamise maksumusega varude osas< $130/кг)

Siiski ei tasu unustada, et prognooside kohaselt tuumaenergiatööstus areneb, mistõttu tasub nüüd mõelda, kuidas oma ressursibaasi laiendada.

Üks probleemi lahendamise viise on uute maardlate õigeaegne leidmine ja arendamine. Olemasoleva teabe põhjal ei tohiks see probleem olla: alles viimastel aastatel on leitud uusi maardlaid mõnest Aafrika, Lõuna-Ameerika ja ka Rootsi riigist. Tõsi, on võimatu kindlalt öelda, kui tulus on avastatud varude kaevandamine. Võib juhtuda, et maagi madala uraanisisalduse ja maardlate arendamise keerukuse tõttu tuleb osa neist jätta "hiljemaks". Fakt on see, et selle metalli hinnad on nüüd üsna madalad. Majanduslikust seisukohast pole midagi üllatavat. Esiteks on maailmas endiselt suhteliselt hõlpsasti kaevandatava ja seega ka odava uraani maardlaid - see siseneb turule ja lööb hinna alla. Teiseks, pärast Fukushima õnnetust korrigeerisid mõned riigid oma plaane uute tuumaelektrijaamade ehitamiseks ja Jaapan peatas üldse kõik oma tuumajaamad – nõudlus langes, vähendades uraani hinda veelgi. Kuid see pole kauaks. Hiina ja India on juba mängu astunud, kavandades oma territooriumile suuremahulist tuumaelektrijaamade ehitamist. Teistel Aasia riikidel, aga ka Aafrika ja Lõuna-Ameerika riikidel on vähem ambitsioonikad projektid. Ilmselt ei saa isegi Jaapan oma tuumaenergiatööstusest lahku minna. Seetõttu taastub nõudlus järk-järgult ja koos odavate maardlate ammendumisega toob see kaasa uraani hinna tõusu. Analüütikud usuvad, et ootamine pole pikk, vaid paar aastat. Siis saab mõelda "hiljemaks" jäetud hoiuste arengule.

Huvitav on see, et suurima uraanivaru ja kõige arenenuma tuumaenergiatööstusega riikide nimekirjad praktiliselt ei lange kokku. Kolmandik maailma uraani "rikkusest" asub Austraalia sisikonnas, kuid rohelisel mandril pole ühtegi tuumajaama. Selle metalli tootmises maailmas juhtiv Kasahstan valmistub just mitme tuumaelektrijaama ehitamiseks. Aafrika riigid ei ole majanduslikel ja muudel põhjustel kaugel ühinemisest maailma "tuumaperekonnaga". Selle kontinendi ainus tuumajaam asub Lõuna-Aafrika Vabariigis, mis teatas hiljuti oma soovist tuumaenergiat edasi arendada. Seni on aga isegi Lõuna-Aafrika Vabariik aja maha võtnud.

Mida jäävad tegema kannul edenevad "aatomi" hiiglased - USA, Prantsusmaa, Jaapan - ning Hiina ja India, kui nende vajadused on suured ja kass on nutnud oma varude pärast? Muidugi proovige saada kontroll teiste riikide maardlate ja uraanikaevandusettevõtete üle. See ülesanne on strateegilist laadi ja selle lahendamisel astuvad riigid rasketesse lahingutesse. Pakkumine üle suured ettevõtted, võetakse ette poliitilisi manöövreid, viiakse ellu põrandaaluseid altkäemaksuskeeme õiged inimesed või juriidilised lahingud. Aafrikas võib see võitlus isegi eskaleeruda – ja juba eskaleerudes – kodusõdadeks ja revolutsioonideks, mida varjatult toetavad juhtivad riigid, kes püüavad mõjutsoone ümber jaotada.

Selles osas on Venemaal vedanud: meie tuumaelektrijaamadel on oma üsna korralikud uraanivarud, mida kaevandatakse Trans-Baikali territooriumil, Kurgani piirkonnas ja Burjaatia Vabariigis. Lisaks korraldatakse aktiivset uurimistööd. Eeldatakse, et Transbaikali piirkonna, Lääne-Siberi, Karjala Vabariigi, Kalmõkkia Vabariigi ja Rostovi oblasti maardlate potentsiaal on suur.

Lisaks omab Rosatomit ka välisvarasid - suuri aktsiaplokke uraanikaevandusettevõtetes Kasahstanis, USA-s, Austraalias ning töötab ka paljutõotavate projektidega Lõuna-Aafrikas. Selle tulemusel hoiab Rosatom maailma juhtivate uraani tootmisega tegelevate ettevõtete seas Kazatompromi (Kasahstan) ja Cameco (Kanada) järel kindlalt kolmandat kohta.

Uurides meteoriitide keemilist koostist, millest osa on Marsi päritolu, on teadlased avastanud uraani. Tõsi, selle sisaldus osutus oluliselt väiksemaks kui maapealsetes kivimites. Jah, nüüd on selge, miks marslased meid oma lendavate taldrikutega külastasid.

Aga kui tõsiselt rääkida, siis arvatakse, et uraani leidub kõigis objektides Päikesesüsteem. Näiteks 2009. aastal avastati see Kuu pinnasest. Kohe tekkisid fantastilised ideed, nagu uraani kaevandamine satelliidil ja seejärel Maale saatmine. Teine võimalus on "toita" Kuu kolooniate reaktoreid, mis asuvad maardlate lähedal. Maardlaid pole aga veel otsitud; ja majanduslikust vaatenurgast tundub selline tootmine endiselt realiseerimata. Aga edaspidi, kes teab...

Kui kannatate pikka aega, läheb kütus välja

Uraanimaagi varude olemasolu on vaid üks edu komponent. Erinevalt puidust või kivisöest, mis ei vaja enne ahju sisenemist eriti keerukat ettevalmistust, ei saa maaki lihtsalt tükkideks lõigata ja reaktorisse visata. Et selgitada, miks, on vaja mainida mitmeid uraanile omaseid omadusi.

Keemilisest seisukohast on see element väga aktiivne ehk teisisõnu kaldub moodustama erinevaid ühendeid; seetõttu on selle tükikeste otsimine loodusest nagu kulda täiesti lootusetu äri. Mida siis nimetatakse uraanimaagiks? Kivim, mis sisaldab väga väikeses koguses uraani mineraale. Tihti lisatakse: väike, kuid piisav, et kommertstoodang saaks majandusteadlaste heakskiidu. Näiteks tänapäeval peetakse otstarbekaks arendada maaki, mille tonn sisaldab vaid paar kilogrammi või isegi sadu gramme uraani. Ülejäänud on tühi, mittevajalik kivim, millest kavatsetakse eraldada uraani mineraalid. Kuid isegi neid ei saa veel tuumareaktorisse laadida. Fakt on see, et need mineraalid on enamasti uraani oksiidid või lahustumatud soolad teiste elementide seltsis. Mõned neist võivad olla tööstusele väärtuslikud ja nendega seotud tootmise korraldamine võib parandada majandustulemusi. Kuid isegi kui sellist vajadust pole, tuleb uraan ikkagi lisanditest puhastada. Vastasel juhul võib "määrdunud" uraanist valmistatud tuumkütus põhjustada reaktori talitlushäireid või isegi õnnetuse.

Puhastatud uraani ei saa aga täie kindlusega nimetada tuumakütuseks. Konks peitub selle isotoopkoostises: tuhande uraani aatomi kohta looduses on ainult seitse uraan-235 aatomit, mis on vajalik lõhustumise ahelreaktsiooni toimumiseks. Ülejäänud on uraan-238, mis praktiliselt ei lõhustu ja neelab isegi neutroneid. Loodusliku uraani reaktorit on aga täiesti võimalik käivitada – eeldusel, et kasutatakse väga tõhusat moderaatorit, näiteks kallist rasket vett või puhtaimat grafiiti. Ainult need võimaldavad uraan-235 tuuma lõhustumisel tekkivatel neutronitel nii kiiresti aeglustada, et neil oleks aega sattuda teistesse uraan-235 tuumadesse ja põhjustada nende lõhustumist ning mitte jääda uraan-238 poolt ebatavaliselt kinni. Kuid mitmel põhjusel kasutab valdav enamus maailma reaktoreid teistsugust lähenemist: looduslik uraan on rikastatud lõhustuvate isotoopidega. Teisisõnu suurendatakse uraan-235 aatomite sisaldust kunstlikult seitsmelt kuni mitmekümneni tuhandeni. Seetõttu põrkuvad neutronid neisse sagedamini ja on võimalik kasutada odavamaid, ehkki vähem tõhusaid aeglustajaid, näiteks tavalist vett.

Kas rikastatud uraan on juba lõpptoode? Jällegi ei, kuna jõureaktorid võimaldavad "tuuma" soojuse ülekandmist jahutusvedelikule, mis vannib kütust - enamasti vett. Lõhustumisproduktide kuhjumise tõttu muutub kütus – nagu see on töötavas reaktoris – väga radioaktiivseks. Mitte mingil juhul ei tohi sellel vees lahustuda. Selleks viiakse uraan keemiliselt stabiilsesse olekusse ja isoleeritakse ka jahutusvedelikust, kattes selle metallkestaga. Tulemuseks on kompleks tehniline seade, mis sisaldab endas rikastatud uraani ühendeid, mida võib täie kindlusega nimetada tuumakütuseks.

Mainitud toimingud - uraani kaevandamine, selle puhastamine ja rikastamine, aga ka tuumkütuse valmistamine - on nn tuumkütuse tsükli algusfaasid. Igaühega neist on vaja lähemalt tutvuda.

Uraan-238 poolestusaeg on 4,5 miljardit aastat, uraan-235 oma aga vaid 700 miljonit aastat. Selgub, et lõhustuv isotoop laguneb mitu korda kiiremini kui peamine. Kui järele mõelda, tähendab see, et varem oli uraan-235 sisaldus looduslikus isotoopide segus suurem kui praegu. Näiteks miljard aastat tagasi oli tuhandest uraani aatomist kuueteistkümnel 235 nukleoniga tuum, kaks miljardit aastat tagasi oli nende arv kolmkümmend seitse ja kolm miljardit aastat enne tänast koguni kaheksakümmend! Tegelikult sisaldas maak neil kaugetel aegadel uraani, mida tänapäeval nimetame rikastatuks. Ja võib juhtuda, et mõnes valdkonnas hakkab looduslik tuumareaktor iseenesest tööle!

Teadlased usuvad, et just nii juhtus tänapäeva Gaboni territooriumil asuva Oklo maardla mitme ülirikka uraani leiukohaga. 1,8 miljardit aastat tagasi algas neis spontaanselt tuumaahelreaktsioon. Selle käivitasid iseenesliku lõhustumise käigus tekkinud neutronid ja seejärel töötas uraan-235 kõrge kontsentratsioon ja vee olemasolu maagis, neutronite aeglustaja. Ühesõnaga, reaktsioon muutus iseeneslikuks ja kestis, nüüd aktiveerudes, nüüd hääbudes, mitusada tuhat aastat. Seejärel kustusid reaktorid ilmselt veerežiimi muutumise tõttu.

Praeguseks on see ainus teadaolev looduslik tuumareaktor. Pealegi ei saa praegu ühestki valdkonnast sellised protsessid alata. Põhjus on täiesti arusaadav – uraan-235 on alles liiga vähe.

Proovige kaevata

Uraanimaagid tulevad pinnale harva. Enamasti asuvad nad viiekümne meetri kuni kahe kilomeetri sügavusel.

Madalad maardlad arendatakse lahtise kaevandiga või, nagu seda nimetatakse ka, karjäärimeetodil. Kõvad kivimid puuritakse ja lõhkatakse ning seejärel laadurite abil paigutatakse need kallurautodesse ja viiakse karjäärist välja. Lahtised kivimid töötatakse välja ja laaditakse kaevandusautodesse tavaliste või rootorekskavaatorite abil, laialdaselt kasutatakse buldoosereid. Selle tehnika võimsus ja suurus on hämmastav: näiteks juba mainitud kallurautode kandevõime on sada ja enam tonni! Paraku on suur ka karjääri enda mastaap, mille sügavus võib ulatuda kolmesaja meetrini. Pärast töö lõpetamist haigutab see maapinnas tohutu auguna ja selle kõrval kerkivad uraanimaardlaid katnud kivihunnikud. Põhimõtteliselt saab nende puistangutega katta karjääri, istutades peale muru ja puid; aga see läheb meeletult kalliks. Seetõttu täituvad süvendid järk-järgult veega ja moodustuvad järved, mida ei saa vees suurenenud uraanisisalduse tõttu majanduslikult kasutada. Probleeme võib esineda ka põhjavee reostusega, mistõttu vajavad uraanikarjäärid erilist tähelepanu.

Kuid, avatud areng uraan muutub tasapisi minevikku täiesti banaalsel põhjusel – maapinnalähedased maardlad on peaaegu lõppenud. Nüüd peame tegelema sügavalt peidetud maakidega. Traditsiooniliselt töötatakse need välja maa-aluse (kaevanduse) meetodil. Lihtsalt ärge kujutage ette, et kirkadega karmid habemikud roomavad läbi töökohtade ja hakivad maaki. Nüüd on kaevurite töö suures osas mehhaniseeritud. Uraani sisaldavasse kivimisse puuritakse augud – spetsiaalsed sügavad augud, millesse asetatakse lõhkeained. Pärast plahvatust võtab purustatud maagi kopaga laadimis- ja veomasin ning jookseb mööda käänulisi kitsaid galeriisid kärudele. Täidetud kärud viiakse väikese elektriveduriga kaevanduse vertikaalsesse šahti ja seejärel tõstetakse puuri - omamoodi lifti - abil maak pinnale.

Allmaakaevandamisel on mitmeid funktsioone. Esiteks võib see olla kasulik ainult kõrgekvaliteediliste ja kõrge uraanisisaldusega maakide puhul, mida ei leidu sügavamal kui kaks kilomeetrit. Vastasel juhul maksumus kaevandamine, maagi kaevandamine ja edasine töötlemine muudab uraani praktiliselt "kullaks". Teiseks on uraanikaevanduste maa-alune valdkond suletud ruum, kus hõljub radioaktiivne tolm ja mitte vähem radioaktiivne radoonigaas. Seetõttu ei saa kaevurid hakkama ilma võimsa ventilatsioonita ja spetsiaalsete kaitsevahenditeta nagu respiraatorid.

Nii avakaevandamisel kui ka kaevanduses kaevandatakse maaki üsna suurte tükkidena. Ekskavaatori kopa või laadimismasinaga neid üles kühveldades ei tea operaator, kas ta valib uraani mineraaliderikka maagi või aheraine või midagi vahepealset. Lõppude lõpuks ei ole hoius oma koostiselt väga homogeenne ning võimsate masinate kasutamine ei võimalda peenelt ja graatsiliselt töötada. Kuid uraani peaaegu mitte sisaldavate tükkide saatmine edasiseks töötlemiseks on vähemalt ebamõistlik! Seetõttu sorteeritakse maak, kasutades uraani peamist omadust, mille abil seda pole raske tuvastada - radioaktiivsust. Spetsiaalsed ioniseeriva kiirguse andurid võimaldavad nii laadimise ajal kui ka juba transpordipaagis maaki jagada mitmeks klassiks vastavalt sellest eralduva kiirguse intensiivsusele. Jäätmed suunatakse prügimäele. Rikkalik maak - hüdrometallurgiatehasesse. Kuid väikese, kuid märgatava uraanikogusega maak sorteeritakse uuesti, hoolikamalt. Esiteks purustatakse, jagatakse suuruse järgi, misjärel tükid visatakse liikuvale konveierilindile. Selle kohale on paigaldatud ioniseeriva kiirguse andur, millest signaal siseneb automatiseeritud süsteem amortisaatorid, mis asuvad rihma otsas. Andur on seadistatud nii, et see reageerib selle alt läbitavale radioaktiivsele maagitükile, mis sisaldab uraanimineraale. Seejärel pöördub katik ja maak kukub spetsiaalsesse maagipunkrisse, kust see veetakse hüdrometallurgiatehasesse. Jääkkivi omakorda ei "häiri" kuidagi andurit ja siibrit ning kukub teise kasti - prügimäele.

Maagi radiomeetrilise sorteerimise lihtsustatud skeem (kaasaegsed kompleksid on palju keerulisemad)

Kirjeldatud skeem on ligikaudne, põhimõtteline: miski ei takista ettevõtetes maagi sorteerimist muude tuntud meetoditega. Praktika on aga näidanud, et uraanimaakide jaoks sobivad need halvasti. Seetõttu sai radiomeetrilisest sorteerimisest – kiirgusdetektoritega – järk-järgult peavoolutehnoloogia.

Tegelikkuses eristatakse maagi sorteerimisel ka teatud keskmist kategooriat, mida uraanisisalduse poolest ei saa omistada ei rikkale maagile ega aherainele. Ehk siis hüdrometallurgia tehasesse saatmine on kallis (aja ja reaktiivide raiskamine) ning kahju on prügimäele saata. Selline kehv maak kuhjatakse suurtesse hunnikutesse ja valatakse vabas õhus väävelhappega, lahustades järk-järgult uraani. Saadud lahus pumbatakse edasiseks töötlemiseks.

Hüdrometallurgiatehases tuleb rikkalikku maaki veelgi purustada, peaaegu tolmuseks, ja seejärel lahustada.

Maaki purustatakse erinevates veskites – näiteks trummelkuulveskites: purustatud materjal ja metallkuulid, näiteks kahurikuule, valatakse pöörlevasse õõnsasse trumlisse. Pöörlemise ajal tabavad pallid maagi tükke, neid jahvatades ja pulbriks jahvatades.

Purustatud maak "avatakse", st osaliselt lahustatakse väävel- või lämmastikhappega või nende seguga töötlemisel. Tulemuseks on palju lisandeid sisaldav uraanilahus. Mõnikord, kui uraanimaagis on palju looduslikke karbonaate, hapet ei kasutata. Vastasel juhul tekib reaktsioon, mis meenutab äädikaga sooda kustutamist - intensiivse vabanemisega süsinikdioksiid ja reaktiiv läheb raisku. Kuidas olla? Selgub, et selliseid mineraale saab "avada" soodalahusega. Selle tulemusena saadakse ka uraani lahus, mis läheb edasiseks töötlemiseks.

Kuid lahustumata maagi jäänused tuleb saata spetsiaalsetesse rikastusjäätmetesse - mitte kõige "sõbralikumatesse" objektidesse keskkonna suhtes. Sorteerimise käigus eraldatud jääkkivi tasub meelde tuletada: see pannakse prügimäele. Nii jäätmed kui ka puistangud sisaldavad väikeses koguses uraani, mis muudab need potentsiaalselt ohtlikuks. Sellega seoses tekib küsimus: kas kaevandamist on võimalik korraldada nii, et see kahjustaks loodust minimaalselt ja tagaks töötajate ohutuse?

See on võimalik ja seda on juba pikka aega praktiseeritud. Kaevandamise meetod, mille kohta kõnealune, nimetatakse puurkaevu in situ leostumiseks. Selle olemus seisneb selles, et maardla on paljude kaevude poolt läbistatud. Mõned neist, mida nimetatakse pumpamiseks, toidetakse väävelhappega, mis laskub sügavusele, läbib maagi ja lahustab uraani. Seejärel võetakse väärtuslik metallilahus sügavusest teiste pumpamiskaevude kaudu.

Mis juhtub: pole prügimägesid, aherainet, tolmu, auke ega ootamatuid vajutusi maasse, aga lõpuks – seesama uraanilahus? Jah. Veelgi enam, puuraukude allmaaleostumise meetodil saadakse väga kehvad maagid, mida on majanduslikult kahjumlik kaevandada lahtise või kaevandusmeetodiga. Kuid sellise eeliste komplekti puhul peab olema ka puudusi! No esiteks, üle kaheksasaja meetri sügavamate kaevude puurimine on kulude seisukohalt irratsionaalne. Teiseks ei tööta meetod tihedate, mittepoorsete maakide puhul. Kolmandaks häirib väävelhape maardlas ikka veel põhjavee koostist ja käitumist, kuigi need häired „lahenevad“ aja jooksul iseenesest. Palju ohtlikum on see, kui lahus valgub üle pinna või tungib ringteel – mööda pragusid ja pragusid – põhjavette. Seetõttu jälgitakse protsessi hoolikalt kontrollkaevude puurimisega.

Puurkaevu kohapealne leostumine

Nimetatud probleemide vältimiseks leiutati maa-aluse leostumise “kaevanduslik” variant: tehases olevad maakiviplokid purustatakse plahvatustega ja seejärel valatakse need ülevalt leostuslahusega (väävelhape), võttes uraanilahuse allpool - läbi drenaažisüsteemi.

Igal juhul on tänapäeval maa-alune leostumine kõige keskkonnasõbralikum viis uraani eraldamiseks. See on üks selle populaarsuse plahvatusliku kasvu põhjusi. Kui 2000. aastal kaevandati ainult viisteist protsenti uraanist maa-aluse leostumise teel, siis tänapäeval on see näitaja peaaegu viiskümmend protsenti!

In situ leostumisest saab juhtiv uraani kaevandamise tehnoloogia

Tavaliselt otsitakse uraanimaardlaid ioniseeriva kiirguse andurite abil; täpsemalt gammakiirgus. Esiteks lendab piirkonna kohal selliste anduritega varustatud lennuk. Ainult tema võimuses on fikseerida kiirgusanomaalia – veidi suurenenud foon välja kohal. Seejärel käivitatakse ärisse helikopter, mis aeglasemalt ja täpsemalt „joonistab“ paljutõotava piirkonna piire. Lõpuks tulevad sellele territooriumile maaotsijad mõõteriistade ja puuridega. Nende töö tulemuste põhjal koostatakse uraanimaakide esinemise kaart ja arvutatakse välja kaevandamise maksumus.

Uraanimaagi maardlad võivad aga endast märku anda ka muul viisil. Näiteks muutmine välimus nende kohal kasvavad taimed: paju-tee kroonlehed, tavaliselt roosad, muutuvad valgeks; mustikad muutuvad roheliseks või valgeks. Maardla kohal kasvava kadaka sügavad juured neelavad uraani hästi ning see koguneb okstesse ja okastesse. Neid tuhaks muutes ja uraanisisaldust kontrollides saab aru, kas selles piirkonnas tasub kaevandada tuumaenergia põhimetalli.

Puhtus on tervise võti (tuumareaktor)

Maagi "avamisel" või maa-aluse leostumise käigus saadud uraanilahus ei ole kuigi puhas. Teisisõnu sisaldab see lisaks uraanile hunnikut maapõues leiduvaid keemilisi elemente: naatriumi ja kaaliumi, kaltsiumi ja magneesiumi, rauda, ​​niklit ja vaske – ja paljusid teisi. Ärge imestage sellise paksu "kompoti" moodustumisega, sest väävelhape on väga reaktsioonivõimeline ja lahustab paljusid looduslikke aineid; hea, et kogu maak ei ole terve. Kuid tuumkütuse tootmiseks on vaja puhtaimat uraani. Kui uraani aatomite hulgas on siin-seal lisandite aatomeid, ei pruugi reaktor käivituda või, mis veelgi hullem, laguneda. Selliste probleemide põhjusi arutatakse peagi, kuid praegu saate määrata ülesande: uraani puhastamine. Ja see on soovitav saada ka kindlal kujul, mis on mugav transportida. Tõepoolest, lahendused ei sobi transportimiseks: neile “meeldib” liiga palju lekkida või läbi imbuda.

Tööstuses lahendatakse see probleem mitmel viisil. Esiteks kontsentreeritakse lahus spetsiaalsete materjalide, mis koguvad enda peale uraani - sorbente, läbimise teel. Ilmub esimene puhastusvõimalus: sorbendid valitakse nii, et muud elemendid peaaegu ei "istuks" neile, vaid jääksid lahusesse. Seejärel pestakse uraan sorbendist maha näiteks sama väävelhappega. See protseduur võib tunduda mõttetu, kui te ei selgita, et "loputamiseks" on vaja palju vähem hapet võrreldes esialgse lahuse mahuga. Nii tapavad nad kaks kärbest ühe hoobiga: suurendavad uraani kontsentratsiooni ja eemaldavad osaliselt ebavajalikud lisandid.

Teine puhastamise etapp on seotud tahkete uraaniühendite tootmisega. Need sadestatakse kontsentreeritud lahusest, lisades tuntud "meditsiinilisi" reaktiive: ammoniaaki, vesinikperoksiidi, aga ka leeliseid või karbonaate. Tuleb märkida, et uraan ei sadestu metallina; metallilisel kujul pole seda suure keemilise aktiivsuse tõttu üldiselt lihtne saada – sellest on juba juttu olnud. Nimetatud regentide toimel vajuvad aparaadi põhja mitmesugused halvasti lahustuvad uraaniühendid. Kuivatatud ja purustatud kujul on tegemist kollase pulbriga, mida näilise koogiga sarnasuse tõttu nimetatakse sageli "kollaseks koogiks". Pärast selle kõrgel temperatuuril kaltsineerimist saadakse vähem ilus uraanoksiidide segu - määrdunudroheline või isegi must värv.

Kollast kooki võib saata uraani rikastamisettevõtetele

Kollane kook või uraanoksiidide segu on kiirguse seisukohast praktiliselt ohutu. Seetõttu laaditakse need transportimiseks 200-liitristesse metalltünnidesse või spetsiaalsetesse konteineritesse. Sellisest konteinerist ühe meetri kaugusel viibimine pole pooltki nii “kahjulik” kui lennukiga lendamine, olles kokku puutunud kosmilise kiirgusega. Kuid enamik inimesi ei karda lennata! Nii et kollase koogiga tünne pole põhjust karta.

Uraaniühendeid sadestades püüavad nad protsessi läbi viia nii, et suurem osa lisanditest jääks lahusesse. Kuid mõnel õnnestub siiski "läbi murda". Eriti halb on see, kui tootesse satuvad elemendid, mis neelavad tugevalt neutroneid – boor, kaadmium, haruldased muldmetallid. Isegi mikrokontsentratsioonides on nad võimelised segama lõhustumise ahelreaktsiooni. Olles saastunud uraanist kütust valmistanud, võib veel kaua imestada, miks reaktor normaalselt töötada ei taha.

Lisaks sisaldavad soovimatud lisandid elemente, mis vähendavad tuumkütuse plastilisust ning põhjustavad selle paisumist ja paisumist temperatuuri tõustes. Nende hulka kuuluvad looduslikult esinev räni ja fosfor, aga ka volfram ja molübdeen. Muide, plastilisust nimetatakse tavaliselt materjali võimeks muuta oma kuju ja suurust ilma kokku kukkumata. See on väga oluline kütuse puhul, mis selles toimuva tuuma ahelreaktsiooni tõttu seestpoolt kuumeneb ja kogeb seetõttu temperatuurideformatsioone. Kõrge temperatuur ei tohiks põhjustada uraanikütuse liigset paisumist, vastasel juhul lõhub see isolatsiooni ja puutub kokku jahutusvedelikuga. Sellise "suhtluse" tagajärjeks võib olla radioaktiivsete uraani lõhustumisproduktide lahustumine kuumas jahutusvedelikus (enamasti vees) koos nende edasise levimisega läbi kõigi torustike ja aparatuuri. Ilmselt pole vaja seletada, et see ähvardab halvendada kiirgusolukorda jõuplokil: operatiivpersonalile saadavad doosid suurenevad oluliselt.

Nagu öeldakse, on parem olla üleriietatud kui alariietatud. Seetõttu on vajalik ka kolmas – viimane – puhastamise etapp, mida nimetatakse rafineerimiseks. Tünnides või konteinerites tarnitud uraaniühendid lahustatakse happes, nüüd lämmastikhappes. Saadud lahus viiakse kokku ekstraktandiga – vedela orgaanilise ainega, mis neelab uraani, kuid mitte lisandeid. Seega jäävad soovimatud elemendid lahusesse ja uraan läheb "orgaaniliseks". Järgmiste toimingute tulemusena viiakse see uuesti oksiididena, millel on juba nõutav "reaktori" puhtus.

Nüüd on kõik korras ja võite jätkata järgmise etapiga - uraan-235 kontsentratsiooni kunstliku suurendamisega.

Rikastumise saladused

Peatüki alguses mainiti juba, et uraani isotoopide looduslikus segus on väga vähe lõhustuvat uraani-235 ja liiga palju "laiska" uraan-238: esimese seitsme aatomi kohta on umbes üheksasada üheksakümmend. -teise kolm aatomit. Enamiku praegu töötavate reaktorite jaoks see ei sobi. Nad vajavad kütust, milles tuhandest uraani aatomist kuulub isotoobi-235 hulka mitukümmend tükki, mitte ainult paar tükki, nagu looduslikus uraanis. Ja pommi loomiseks on peaaegu puhas uraan-235 hädavajalik.

Uraani rikastamise ehk lõhustuva isotoobi sisalduse suurendamise probleemi lahendamine on väga keeruline. Näib, kuidas nii? Keemial on ju lai valik tehnikaid ainete eraldamiseks segudest. Tonnist maagist on võimalik "välja noppida" vaid paarsada grammi uraani! Kas tõesti on võimatu teha sama isotoopidega: kuidagi eraldada üks teisest? Probleem on selles Keemilised omadused kõik teatud elemendi isotoobid on ühesugused, kuna need on määratud elektronide arvu, mitte tuuma koostisega. Teisisõnu on võimatu läbi viia sellist reaktsiooni, kus näiteks uraan-235 jääks lahusesse ja uraan-238 sadestuks. Mis tahes manipuleerimise korral käituvad nad mõlemad sarnaselt. Samamoodi ei ole võimalik keemiliselt eraldada süsiniku või kaaliumi isotoope - üldiselt ühtegi elementi.

On olemas selline parameeter - rikastusaste, mis on uraan-235 protsent (protsentides) uraani kogumassist. Näiteks loodusliku uraani rikastusaste, milles iga tuhande aatomi kohta on seitse lõhustuvat aatomit, on 0,7%. Tuumaelektrijaamade tuumkütuse puhul tuleb seda näitajat tõsta 3-5%-ni ning aatomipommi täidise tootmisel kuni 90%-ni ja kõrgemale.

Kuidas olla? Tuleb leida sellised omadused, mille poolest isotoobid - vähemalt minimaalselt - üksteisest erineksid. Esimene asi, mis meelde tuleb, on aatomi mass. Tõepoolest, uraan-238 tuumas on kolm neutronit rohkem kui uraan-235 tuumas; nii et "laisk" isotoop kaalub veidi rohkem. Ja kuna mass on inertsi mõõt ja see avaldub liikumises, on uraani rikastamise peamised viisid seotud selle isotoopide liikumise erinevustega spetsiaalselt loodud tingimustes.

Ajalooliselt oli esimene rikastamise tehnoloogia elektromagnetiline isotoopide eraldamine. Nime järgi on selge, et elektri- ja magnetväljad on mingil moel protsessi kaasatud. Tõepoolest, selle meetodi puhul kiirendavad varem saadud uraaniioonid elektriväli ja jooksevad magnetile. Kuna ioonidel on laeng, hakkavad nad magnetväljas "kandma", väänlema teatud raadiusega kaares. Näiteks võime meenutada uraanikiirte jagunemist magnetväljas kolmeks vooluks – efekti avastas Rutherford. Alfa- ja beetaosakesed, millel on elektrilaeng, kalduvad sirgelt teelt kõrvale, gammakiirgus aga mitte. Sel juhul sõltub kaare raadius, mida mööda laetud osake magnetväljas liigub, selle massist: mida rohkem ta kaalub, seda aeglasemalt see pöörleb. Seda võib võrrelda kahe hoolimatu juhi järsu kurvi sisse mahtumisega, kellest üks juhib sõiduautot ja teine ​​on veoauto. On selge, et sõiduautol on palju lihtsam manööverdada, samas kaubavagun võib hästi kanda. Midagi sarnast juhtub kiiresti liikuvate uraan-235 ja uraan-238 ioonidega magnetväljas. Viimased on veidi raskemad, suurema inertsiga ja nende pöörderaadius on veidi suurem: tänu sellele jaguneb uraaniioonide voog kaheks. Piltlikult öeldes võite panna kaks kasti, millest ühte kogutakse lõhustuv isotoop uraan-235 ja teise - "mittevajalik" uraan-238.

Magnetväljas on laetud osakeste trajektoor kõver ja mida tugevam, seda kergem on osake

Elektromagnetilise isotoopide eraldamise meetodi põhimõte: kergemad uraan-235 ioonid liiguvad magnetväljas piki uraan-238 ioonidega võrreldes väiksema raadiusega trajektoori

Elektromagnetilise eraldamise meetod on hea peaaegu kõigis aspektides, välja arvatud tootlikkus, mis, nagu tavaliselt, piirab selle tööstuslikku rakendamist. Tegelikult suleti seetõttu 1946. aastal Oak Ridge'is asuv Ameerika tehas Y-12, mis tootis elektromagnetilise eraldustehnoloogia abil Hiroshimale heidetud pommi "Kid" jaoks rikastatud uraani. Tuleks selgitada, et Y-12 viis uraani kõrge rikastamise astmeni, mida varem oli rikastatud muul, tootlikumal viisil. Nende täiustamine lõi just viimase naela elektromagnetiliste isotoopide eraldamise tehnoloogia kirstu – tööstuses seda enam ei kasutata.

Huvitav on see, et elektromagnetiline eraldamine on universaalne meetod, mis võimaldab eraldada väikeses koguses mis tahes isotoope puhtal kujul. Seetõttu on meie Y-12 analoogil - tehasel 418, mida nüüd tuntakse Elektrokhimpribori tehasena (Lesnoy, Sverdlovski piirkond), on tehnoloogiad neljakümne seitsme keemilise elemendi enam kui kahesaja isotoobi tootmiseks liitiumist pliini. Need pole lihtsalt muljetavaldavad numbrid - tehase tooteid vajavad tõesti teadlased, arstid, töösturid ... Muide, neid toodetakse SU-20 rajatises, samas, kus toodeti rikastamisega relvade kvaliteediga uraani. 1950. aastate alguses ligi 90%.

Esimesed sõjajärgsed aastakümned muutusid tuumarelvade arsenalide aktiivse kogumise ajaks. Selle probleemi lahendamisel oli kõrgeim prioriteet, seetõttu ei arvestanud nad eriti kuludega - oluline oli uraani massilise rikastamise käivitamine. Rõhk pandi gaasidifusioonile, äärmiselt energiamahukale, kuid samas tootlikule rikastamistehnoloogiale. Selle juured peituvad gaasiteooria valdkonnas, mis väidab, et teatud temperatuuril on gaasimolekuli keskmine kiirus pöördvõrdeline selle massiga: mida raskem see on, seda aeglasemalt see liigub. See erinevus on eriti märgatav liikudes mööda õhukesi "torusid", mille läbimõõt on võrreldav molekuli suurusega. Selge, kuigi mitte täpne näide on paberpaatide vettelaskmine ojas: väike paat, mille veejoa minema kannab, liigub kiiresti; aga kui voldid kokku suure ojasängi suuruse paberinõu, siis läheb see aeglasemalt, puudutades pidevalt kaldaid. Tulles tagasi uraani juurde, võib öelda, et sihtmärk isotoop, mille tuumas on 235 nukleonit, liigub mööda “toru” kiiremini kui uraan-238. Sellest väljumisel saadakse lõhustuva isotoobiga rikastatud gaas. Küsimus on vaid selles, kuidas uraan gaasiks muuta ja kust nii peenikest "toru" saada.

Uraani "gaasistamine" - kohustuslik nõue gaasiteoorial põhinev tehnoloogia. Siia ei saa midagi kirjutada. Kuid kõik uraaniühendid on tahked ained, mida on raske sulatada, rääkimata aurustumisest. Kuigi, kui mõelda, siis on üks väga edukas ühend – uraanheksafluoriid, milles uraani ümbritseb kuus fluoriaatomit. See muutub kergesti gaasiks juba 56 ° C juures ja möödub vedelast olekust. Füüsikas nimetatakse sellist protsessi tavaliselt sublimatsiooniks või sublimatsiooniks. See nähtus on juba ammu teada ja selles pole midagi üllatavat. Sublimatsiooni kasutavad näiteks külaperenaised, kes kuivatavad riideid külma käes – jää aurustub kuivas õhus, jättes lihtsalt vedela oleku.

Nii et võite ette kujutada uraanheksafluoriidi molekuli

Selgub, et uraanheksafluoriid on tehnoloogilisest seisukohast väga mugav. Tavalisel temperatuuril on see tahke ja seda saab transportida spetsiaalsetes konteinerites. Madalal temperatuuril muutub see gaasiks. Noh, teatud rõhu all muutub kuumutatud heksafluoriid vedelikuks, mida saab torustike kaudu pumbata.

Veel üks õnnelik asjaolu on see, et looduslik fluor koosneb ainult ühest isotoobist – fluor-19-st. See tähendab, et uraan-235 heksafluoriidi ja uraan-238 heksafluoriidi molekulide masside erinevuse määravad eranditult uraani isotoobid. Vastasel juhul oleks eraldamine liiga raske või isegi võimatu, kuna fluor avaldaks liigset mõju molekulide massile.

Uraanheksafluoriidi tootmine Venemaal toimub muundamise teel - näiteks mitmesuguste uraaniühendite fluorimisega. kollane kook või uraanikaevandusettevõtetest pärit oksiidide segud. Molekulaarne fluor saadakse selleks otstarbeks looduslikust fluoriidist. Seda töödeldakse väävelhappega, moodustades vesinikfluoriidhappe (vesinikfluoriidhape), mille elektrolüüsil saadakse fluor.

Huvitav on see, et fluorimine on samaaegselt uraani puhastamise neljas etapp, kuna enamiku kahjulike lisandite fluoriidid ei ole väga lenduvad: uraan heksafluoriidi kujul "lendab" nendest gaasifaasi.

Uraanheksafluoriidil on üks suur puudus: see on agressiivne ja mürgine aine. Esiteks, kui see puutub kokku vee või õhuniiskusega, vabaneb mürgine vesinikfluoriidhape. Teiseks on uraan ise üldine rakuline mürk, mis mõjutab kõiki elundeid. (Huvitav on see, et selle toksilisus on oma olemuselt keemiline ega ole praktiliselt seotud radioaktiivsusega). Seetõttu tuleks uraanheksafluoriidi, mis ühendab korraga kaks ohtu, transportida ja hoida spetsiaalsetes metallkonteinerites ning valvsa järelevalve all. See tagab elanikkonna ja keskkonna turvalisuse.

Niisiis, seal on gaas; Aga kuidas on lood õhukeste torudega? Sobivaks lahenduseks osutusid poorsed vaheseinad – paljude väga väikeste pooridega läbistatud plaadid. Viimaste läbimõõt peab olema suurusjärgus kümme nanomeetrit, nii et molekulid läbiksid neid peaaegu ükshaaval. Vajadus valmistada nii väikese suurusega pooridega vaheseinu tekitas teatud raskusi, kuid sellegipoolest lahendati probleem spetsiaalsete lähenemisviiside abil - nikli paagutamine või ühe bimetallisulamit moodustava metalli selektiivne lahustamine.

Kui teeme sellise poorse vaheseinaga kasti ja pumpame sinna uraanheksafluoriidi, läbivad kerge isotoobiga molekulid vaheseinast veidi kiiremini. Teisisõnu, pärast seda rikastatakse uraanheksafluoriid veidi lõhustuva isotoobiga. Kui saadate gaasi järgmisesse samasse kasti, muutub rikastusaste suuremaks jne. Tõsi, kõrge rikastusastme saavutamiseks on vaja üksteise järel paigaldatud tuhandete (!) kastide kaskaade, mida nimetatakse astmeteks. Kuid kuidas panna uraan neid samme üles tõusma? Ainult seda paljude kompressoritega pumbates. Siit ka meetodi miinused: tohutud energiakulud, vajadus rajada miljoneid ruutmeetreid tootmispinda – töökoja pikkus võib ulatuda ühe kilomeetrini – ja kallite materjalide kasutamine. Tõsi, seda kõike katab tõeliselt kõrge jõudlus. Sellepärast gaasi difusiooni rikastamise tehnoloogia pikka aega jäi peamiseks sellistele tuumahiiglastele nagu USA, Prantsusmaa ja Hiina, mis nendega hiljem ühinesid. Alles viimastel aastatel on nad alustanud aktiivset üleminekut säästlikumale gaasitsentrifuugimise tehnoloogiale.

Gaasi difusioonietapi tööskeem

1960. aastatel tarbis Angarski elektrolüüsi keemiatehas (Irkutski oblast, Venemaa), mis tegeles gaasidifusioonitehnoloogia abil uraani rikastamisega, umbes ühe protsendi (!) kogu Nõukogude Liidus toodetud elektrist. Seda varustasid energiaga Bratski ja Irkutski hüdroelektrijaamad. Tegelikult oli see NSV Liidu suurim elektritarbija.

Üldiselt näitas esimene kogemus, et gaasi difusioon võib probleemi lahendada, kuid liiga kõrge hinnaga. Võidurelvastumisse sattunud Nõukogude Liit vajas uraani rikastamiseks tootlikumat ja vähem energiat tarbivat tehnoloogiat. Sõjast nõrgenenud riigil ei olnud nii lihtne sammu pidada võimsa majandusliku ja energiapotentsiaaliga USAga. Selle põhjuseks oli muu hulgas elektritootmisvõimsuste nappus riigi Euroopa osas: seepärast ehitati rikastusjaamad Siberisse, kus neid saaks toita suured hüdroelektrijaamad. Kuid ikkagi tarbisid gaasidifusioonijaamad liiga palju energiat, mis ei võimaldanud suurendada rikastatud uraani tootmist. Seetõttu pidi NSV Liit saama teerajajaks alternatiivse tehnoloogia – gaasitsentrifuugi – tööstuslikul rakendamisel.

Gaasi tsentrifuugimine seisneb gaasilise uraanheksafluoriidiga täidetud trumli suurel kiirusel pöörlemises. Tsentrifugaaljõu toimel "pressitakse" raskem uraan-238 heksafluoriid trumli seinale välja ja uraan-235 heksafluoriid, kergem ühend, jääb selle telje lähedale. Spetsiaalsete torude abil saate trumli keskelt korjata kergelt rikastatud uraani ja perifeeriast kergelt vaesestatud uraani.

Gaasitsentrifuugi tööskeem

Tehnilisest küljest on äsja käsitletud trummel gaasitsentrifuugi pöörlev osa (rootor). See pöörleb lakkamatult evakueeritud korpuses ja toetub nõelaga väga vastupidavast materjalist - korundist - valmistatud tõukelaagrile. Materjali valik pole üllatav, kuna rootori kiirus võib ületada 1500 pööret sekundis - sada korda kiiremini kui pesumasina trummel. Habras aine ei pea sellisele löögile vastu. Lisaks, et tõukelaager ei kuluks ja kokku ei kukuks, riputatakse rootor magnetväljas nii, et see vajutab vaevu nõelaga korundile. See tehnika ja tsentrifuugi osade valmistamise kõrge täpsus võimaldavad sellel kiiresti, kuid peaaegu vaikselt pöörata.

Nagu gaasilise difusiooni puhul, ei ole üks tsentrifuug selles valdkonnas sõdalane. Nõutava rikastusastme ja tootlikkuse saavutamiseks ühendatakse need tohututeks kaskaadideks, mis koosnevad kümnetest tuhandetest (!) masinatest. Lihtsustatult on iga tsentrifuug ühendatud kahe oma "naabriga". Rootori ülemise osa seinast võetud vähendatud uraan-235 sisaldusega uraanheksafluoriid suunatakse eelmisse tsentrifuugi; ja uraan-235-ga veidi rikastatud gaas, mis on võetud rootori põhjas olevalt pöörlemisteljelt, läheb järgmisse masinasse. Seega tarnitakse igasse järgmisesse etappi aina rohkem rikastatud uraani, kuni saadakse nõutava kvaliteediga toode.

Gaasitsentrifuugide kauguskaskaadides taandumine

Tänapäeval on tsentrifuugeraldus peamine uraani rikastamise meetod, kuna see tehnoloogia nõuab umbes viiskümmend korda vähem elektrit kui gaasi difusioon. Lisaks on tsentrifuugid vähem mahukad kui difusioonimasinad, mistõttu on lihtsam tootmist suurendada. Tsentrifuugimismeetodit kasutatakse Venemaal, Suurbritannias, Saksamaal, Hollandis, Jaapanis, Hiinas, Indias, Pakistanis, Iraanis; Prantsusmaal ja USA-s on üleminek gaasitsentrifuugitehnoloogiale peaaegu lõpule viidud. Teisisõnu ei jää ruumi gaasilisele difusioonile.

Tänu pikale kasutus- ja täiustamisajaloole on Venemaa gaasitsentrifuugid maailma parimad. Poole sajandi jooksul on vahetunud juba üheksa põlvkonda kiirautosid, mis muutusid järk-järgult võimsamaks ja töökindlamaks. Tänu sellele pidas NSV Liit edukalt vastu "tuumavõistlusele" USA-ga ja kui tähtsaim ülesanne oli täidetud, tekkisid vabad võimsused. Selle tulemusel on meie riigist saanud maailmas liider mitte ainult gaasitsentrifuugide arendamisel ja tootmisel, vaid ka gaasitsentrifuugide pakkumisel. kommertsteenused uraani rikastamiseks.

Meie gaasitsentrifuugid:

Traditsiooniliselt on nende kõrgus pool meetrit kuni üks meeter, läbimõõt kümme kuni kakskümmend sentimeetrit;

Need asuvad ruumi säästmiseks üksteise kohal kolmes kuni seitsmes astmes;

Nad võivad vahetpidamata töötada kuni kolmkümmend aastat, rekord on kolmkümmend kaks aastat.

Gaasitsentrifuugi rootori pöörlemiskiirus on selline, et pärast elektrikatkestust pöörleb see inertsist umbes kaks kuud!

Gaastsentrifuugitehnoloogia buum on seotud tuumaenergia aktiivse arenguga. Tuumajaamad on kasumile orienteeritud äriettevõtted ja vajavad seetõttu odavat kütust ja seega ka odavaid rikastamistehnoloogiaid. See nõue mattis järk-järgult gaasilise difusiooni.

Kuid ka gaasitsentrifuugimine ei tohiks loorberitele puhkama jääda. Viimasel ajal võib üha sagedamini kuulda laserrikastamisest – meetodist, mis on tuntud juba üle neljakümne aasta. Selgub, et peenhäälestatud laseri abil on võimalik valikuliselt ioniseerida ehk muuta uraan-235 ühendeid laetud osakesteks. Sel juhul uraan-238 ühendid ei ioniseerita, vaid jäävad laenguta. Tekkivaid ioone saab hõlpsasti eraldada neutraalsetest molekulidest keemiliste või füüsikaliste vahenditega, näiteks magneti või laetud plaadiga (kollektoriga) ligi tõmmates.

Uraani laserrikastamise rajatise võimalik tööskeem

Ilmselt on laserrikastamine väga tõhus tehnoloogia, kuid selle majandustulemused jäävad saladuseks. Kõik varasemad katsed laboriversioonilt üle minna tööstuslik kasutamine Ebapiisava jõudluse ja lühikese varustuse eluea tõttu "jooks kividele". Praegu tehakse USA-s uut katset sellist lavastust luua. Kuid isegi kui see õnnestub, jääb küsimus alles majanduslik efektiivsus. Rikastamisteenuste turg võtab uus tehnoloogia, ainult siis, kui see on olemasolevast oluliselt odavam. Kuid gaasitsentrifuugid pole veel oma võimekuse laeni jõudnud. Seetõttu on laseri rikastamise lähimad väljavaated väga ebamäärased.

Uraani rikastamiseks on veel mitmeid meetodeid: termiline difusioon, aerodünaamiline eraldamine, ioonprotsess, kuid neid praktiliselt ei kasutata.

Uraani rikastamise tehnoloogiate puhul tuleb meeles pidada, et need avavad tee mitte ainult tuumakütusele, vaid ka pommile. Üha tõhusamate ja kompaktsemate tööstusharude loomine toob endaga kaasa tuumarelva leviku ohu. Põhimõtteliselt võib tehnoloogia areng viia olukorrani, kus pommi hakkavad tootma pehmelt öeldes ebastabiilse režiimiga riigid või isegi suured terroriorganisatsioonid. Ja kui gaasi difusiooni või gaasitsentrifuugi tehast on märkamatult raske ehitada ja nende käivitamine nõuab suurtes kogustes iseloomulike materjalide ja seadmete importi, siis laserrikastamine tagab praktiliselt saladuse. Üldiselt risk olemasolevale haprale maailmale suureneb.

Uraani rikastamistehased toodavad rikastatud uraani toodet (EUP) – vajaliku rikastusastmega uraanheksafluoriidi. See asetatakse spetsiaalsetesse konteineritesse ja saadetakse tuumakütuse tootmisettevõtetesse. Kuid samal ajal toodavad rikastamisettevõtted ka vaesestatud uraani heksafluoriidi (DUHF), mille rikastusaste on 0,3%, mis on madalam kui looduslikul uraanil. Teisisõnu, see on praktiliselt puhas uraan-238. Kust see tuleb? Sisuliselt meenutab rikastamisprotsess väärtuslike mineraalide eraldamist aherainest. DUHF on omamoodi aheraine, millest uraan-235 eemaldati, kuigi mitte täielikult. (Lõhustuva isotoobi sajaprotsendiline eraldamine uraan-238-st on majanduslikust seisukohast kahjumlik). Kui palju vaesestatud uraanheksafluoriidi toodetakse? See sõltub vajalikust uraani rikastamise astmest. Näiteks kui see on 4,3%, nagu VVVER reaktorite kütuses, siis kümme kilogrammi uraanheksafluoriidi, mis on loodusliku isotoopse koostisega (0,7% uraan-235), toodab ainult ühe kilogrammi OUP-i ja üheksa kilogrammi DUHF-i. Ühesõnaga päris palju. Kogu rikastamisrajatiste tööperioodi jooksul on nende asukohtades spetsiaalsetesse konteineritesse kogunenud üle 1,5 miljoni tonni DUHF-i, millest umbes 700 000 tonni on Venemaal. Maailmas on sellesse ainesse suhtutud erinevalt, kuid DUHF-i kui väärtusliku strateegilise tooraine kohta valitseb arvamus (vt ptk 7).

Valmistama – selle sõna parimas tähenduses

Tuumakütuse tootmine (tootmine) algab rikastatud uraani produkti keemiliseks muundamiseks uraandioksiidiks. Seda protsessi saab läbi viia kahel põhilisel viisil. Esimest neist nimetatakse "märgtehnoloogiaks" ja see seisneb heksafluoriidi lahustamises vees, vähelahustuvate ühendite sadestamises leelise toimel ja nende kaltsineerimises vesiniku atmosfääris. Teine tehnoloogia - "kuiv" - on eelistatavam, kuna see ei tekita vedelaid radioaktiivseid jäätmeid: uraanheksafluoriid põletatakse vesiniku leegis.

Mõlemal juhul saadakse uraandioksiidi pulber, mis pressitakse väikesteks tablettideks ja paagutatakse ahjudes temperatuuril umbes 1750 ° C, et anda neile tugevus - lõppude lõpuks peavad tabletid "töötama" kõrgel temperatuuril ja kiirgust. Seejärel töödeldakse tablette lihvimismasinad teemanttööriistadega. See samm on vajalik, kuna tahvelarvuti mõõtmeid ja selle pinna kvaliteeti tuleb hoida väga täpselt. Eraldi pelleti valmistamisel tekkivad vead võivad põhjustada reaktoris oleva kütuse kahjustumist selle soojuspaisumisel ja selle tulemusena tuumaelektrijaama kiirgusolukorra halvenemist. Seetõttu kontrollitakse kõiki uraandioksiidi graanuleid hoolikalt ja pärast seda satuvad need spetsiaalsesse kasti, kus masin asetab need väikese nioobiumilisandiga tsirkooniumi torudesse.

Pelletiga täidetud toru nimetatakse kütuseelemendiks või lühidalt kütusevardaks. Seejärel eemaldatakse söövitavate gaaside eemaldamiseks kütusevarras, see tähendab, et torust "imetakse välja" õhk, täidetakse inertgaasiga - puhtaima heeliumiga - ja pruulitakse. Tuumakütuse valmistamise protsessi viimane etapp on kütusevarraste kokkupanek kütusesõlmeks (FA), kasutades vahevõrke. Neid on vaja selleks, et konstruktsioon oleks tugev ja kütusevardad ei puutuks üksteisega kokku. Vastasel juhul võib kest kokkupuutepunktis läbi põleda, samal ajal kui kütus puutub kokku ja puutub kokku veega, mis on täiesti ebasoovitav.

Toimingute jada tuumkütuse tootmisel

Vahetükkide võred

Niisiis on kütusesõlmed tsirkooniumi kütuseelementide "kimp", mille sees on tuumakütus - lõhustuva isotoobiga rikastatud uraandioksiid. Seda materjalide valikut on vaja selgitada. Tuumareaktoris on kütusesõlm kõrge temperatuuri ja võimsa ioniseeriva kiirguse voolu tingimustes ning seda pestakse ka väljastpoolt väga kuuma surveveega. Seetõttu peavad tuumakütuse elemendid olema kemikaali- ja kiirguskindlusega, juhtima hästi soojust ja kuumutamisel väga vähe paisuma, vastasel juhul võib kütusekattes tekkida pragu. Nendele nõuetele vastavad uraandioksiid ja tsirkoonium. Siiski tuleb veel kord meelde tuletada, et uraandioksiidi graanulid on kütuseelementide sees ja puutuvad veega kokku ainult läbi kütuseelemendi katte, kuid mitte otse. Otsene koostoime jahutusvedelikuga on äärmiselt ebasoovitav ja toimub ainult siis, kui tsirkooniumkestad on hävinud, näiteks kui neisse tekivad praod. Sel juhul hakkavad tuumakütuses sisalduvad uraani radioaktiivsed lõhustumisproduktid vees lahustuma, mis toob kaasa selle radioaktiivsuse suurenemise ja kiirgusolukorra halvenemise tuumaelektrijaamas. Sel põhjusel on tuumkütuse valmistamine keeruline ja ülitäpne töö, mis nõuab täpsust ja pidevat kontrolli.

Kiirguse seisukohalt tuumkütuse tootmine erilist ohtu ei kujuta. Oht on isegi väiksem kui maagi kaevandamisel, kuna puhastusprotsess eemaldab uraanist kõik kaasnevad radioaktiivsed ained.

Küll aga võib rikastatud uraaniga töötades koguneda kriitiline mass ja selle tulemusena võib tekkida isemajandav ahelreaktsioon, millest oli juttu juba peatükis 2. See võib juhtuda tõrke, uraani rikkumise tagajärjel. tööreeglite järgi või isegi juhuslikult. Kokku on maailmas registreeritud kuuskümmend sellist õnnetust, neist kolmkümmend kolm USA-s, üheksateist NSV Liidus/Venemaal. Siin on kaks näidet kodustest juhtumitest.

14. juuli 1961, Siberi keemiakombinaat (rikastamine). Kriitilise massi moodustumine kõrge rikastusastmega (22,6%) uraanheksafluoriidi akumuleerumise tagajärjel õlis vaakumpumba paisupaagis. Tekkinud ahelreaktsiooniga kaasnenud kiirguspuhangu tagajärjel sai operaator märkimisväärse kiirgusdoosi ja tal tekkis kiiritushaigus, kuigi see oli suhteliselt kerge.

15. mai 1997. Novosibirski keemiliste kontsentraatide tehas (tuumakütuse tootmine). Kriitilise massi moodustumine kõrgelt rikastatud (90%) uraani sademe kogunemisel kahe kõrvuti asetseva lahuste kogumiseks mõeldud konteineri põhja nende deformatsiooni tõttu. Õnneks olid kiirgusdoosid tühised.

Mis on järeldus? Rikastatud uraani tuleb käsitseda äärmise ettevaatusega, järgides kõiki ohutusnõudeid ja, nagu öeldakse, "kaasa arvatud pea", see tähendab, et arvutada ette võimalikud riskid.

Kokkuvõtteks saame anda VVER-1000 reaktoriga Venemaa tuumaelektrijaamades kasutatavate kütusesõlmede ligikaudsed parameetrid.

Kütusegraanul on 9–12 mm kõrgune ja 7,6 mm läbimõõduga silinder. See koosneb uraandioksiidist, mille rikastusaste on vahemikus 3,3–5,0%.

Pelletid asetatakse umbes nelja meetri pikkusesse ja 9,1 mm läbimõõduga tsirkooniumist valmistatud kütusevardasse, mis sisaldab 1% nioobiumi. Kütuseelemendi seinapaksus on vaid 0,65 mm, seetõttu nõuab see sellise pikkusega äärmiselt ettevaatlikku käsitsemist. Kütuseelement ei ole täielikult pelletitega täidetud: graanulite kihi kõrgus on umbes 3,5 meetrit ja nende kogukaal on umbes 1,6 kilogrammi, uraan-235 hõivab 62 grammi.

Kütuseagregaat (FA) on kokku pandud 312 kütusevardast, kasutades 12-15 vaheresti. TVS-i kõrgus ulatub peaaegu 4,6 meetrini ja selle mass on 760 kg. Samal ajal on uraandioksiidi mass umbes pool tonni, ülejäänu langeb tsirkooniumile ja teistele metallidele. Ülalt vaadatuna kujutab see koost kuusnurka, mille näo suurus on 235 millimeetrit. Igal koostul on 19 kanalit reaktori juhtvarraste jaoks, mis sisaldavad boorkarbiidi – elementi, mis neelab hästi neutroneid.

Reaktorisse on paigutatud 163 kütusesõlme, mis vastab 80 tonnile uraandioksiidile, millest piisab 4-aastaseks reaktori tööks.

Kütusesõlmed erinevat tüüpi reaktoritele

Võimalikud valikud

Niisiis on tuumaelektrijaamade kõige levinum kütus granuleeritud uraandioksiid, milles uraan on rikastatud lõhustuva isotoobiga (uraan-235). Siiski on ka teist tüüpi tuumkütust.

Pärast uraandioksiidi on kõige levinum segatud oksiidkütus, mida nimetatakse MOX-kütuseks. Praegu toodetakse peamiselt MOX-kütust, mis on uraani ja plutoonium-239 oksiidide segu. See kütus võimaldab kasutada "tuumavõistluse" käigus kogunenud liigset relvaklassi plutoonium-239 elektri tootmiseks.

Uraani metalli saab kasutada ka tuumakütusena. Selle eelisteks on kõrge soojusjuhtivus ja lõhustuvate tuumade maksimaalne kontsentratsioon – muid elemente kütuses lihtsalt pole. Samas on uraanil metallina halvem kiirgus-, keemiline ja kuumakindlus kui dioksiidil, mistõttu kasutatakse seda puhtal kujul harva. Metallikütuse parameetrite parandamiseks lisatakse uraanile veidi molübdeeni, alumiiniumi, räni ja tsirkooniumi. Tänapäeval kasutatakse metallilist uraani ja selle sulameid ainult uurimisreaktorites.

Uraandioksiidi asemel on võimalik kasutada uraannitriidi ehk selle kombinatsiooni lämmastikuga. Nitriidkütusel on kõrgem soojusjuhtivus võrreldes dioksiidiga ja võrreldav sulamistemperatuur (2855 o C). Uraannitriidi peetakse paljulubavaks kütuseks uusimad reaktorid. Meie riigis pööratakse enim tähelepanu nitriidkütusele, mida plaanitakse kasutusele võtta järgmise põlvkonna kiirneutronreaktorites.

Uraan on võimeline moodustama ühendeid süsinik-karbiididega. Karbiidide kasutamise võimalust reaktorite kütusena uuriti intensiivselt 1960.–1970. aastatel. Viimasel perioodil on aga taas tärganud huvi seda tüüpi kütuse vastu, mis on seotud plaatkütuseelementide ja mikrokütuseelementide väljatöötamisega. Karbiidide positiivseteks omadusteks on hea soojusjuhtivus, kõrge sulamistemperatuur, kõrge kõvadus, keemiline ja termiline stabiilsus ning sobivus keraamiliste katetega, mis on eriti oluline mikrokütuste puhul. Uraankarbiidil põhinev kütus võib olla parim variant teatud tüüpi järgmise põlvkonna reaktorite jaoks, eelkõige gaasijahutusega kiirreaktorite jaoks.

Kuid siiski töötab valdav enamus Maa reaktoreid endiselt uraandioksiidist valmistatud tuumakütusel. Nii-öelda traditsiooni jõud.

Vene kütusetsükkel

Nüüd, olles end kurssi viinud mäe- ja töötleva tööstuse toimimise iseärasustega, tasub heita kiirpilk meie kodumaise kütusetsükli ajalukku ja hetkeseisu. Loomulikult peate alustama uraani kaevandamisest.

Algul pakkusid uraanimaagid kodumaistele teadlastele huvi ainult raadiumiallikana. 1900. aastal andis professor I.A. Antipov tegi Peterburi Mineraloogia Seltsi koosolekul ettekande uraani mineraali leidmisest Tjuja-Muyuni mäeahelikust Ferganast toodud proovides. Hiljem nimetati seda mineraali tjuyamuniidiks. 1904. aastal algasid selles maardlas uuringud, 1908. aastal ehitati Peterburi uraanimaagi töötlemise katsetehas ja 1913. aastal rahvusvaheline Aktsiaselts Tuyamuyuni raadiumi ekstraheerimiseks.

Kui algas Esimene maailmasõda, siis töö kaevanduses praktiliselt lakkas ja alles 1922. aastal saadeti kaheksast spetsialistist koosnev ekspeditsioon Tyuya-Muyuni. Samal 1922. aastal õnnestus revolutsioonijärgsetes keerulistes tingimustes, ümbritsetuna Basmachi vöönditest, taastada tööstuslik maagi kaevandamine. See jätkus kuni 1936. aastani, mil kahesaja meetri sügavusel asuv rikkalik põhjavesi katkestas maardla arengu. Kuid see probleem ei muutunud kriitiliseks, kuna raadiumi kaevandamine asutati Ukhta jõe "veetööstuses" - radioaktiivne metall kaevandati maa-alusest soolasest veest. Uraan ise ei pakkunud neil aastatel kellelegi suurt huvi, kuna seda tööstuses praktiliselt ei kasutatud.

Uus huvi uraanimaardlate vastu tekkis 1940. aastate alguses, kui NSV Liit seisis silmitsi vajadusega reageerida USA-st lähtuvale tuumaohule, st siis, kui tekkis vajadus luua kodumaised tuumarelvad.

Esimese Nõukogude aatomipommi uraani koguti sõna otseses mõttes vähehaaval kogu riigis ja kaugemalgi. 1943. aastal alustati uraani kaevandamist tänapäevaste standardite järgi pisikeses Taboshari kaevanduses Tadžikistanis, mille võimsus on vaid 4 tonni uraanisoolasid aastas. Veelgi enam, P.Ya memuaaride kohaselt. NSV Liidu esimene geoloogiaminister Antropov “veeti uraanimaaki töötlemiseks mööda Pamiiri mägiradu kottides eeslite ja kaamelitega. Siis polnud teid ega korralikku varustust.

Aastatel 1944–1945, kui Euroopa natside käest vabanes, sai NSVL juurdepääsu uraanimaagile Goteni leiukohast Bulgaarias, Tšehhoslovakkia Yachimovi kaevandustest ja Saksamaa Saksimaa kaevandustest. Lisaks käivitati 1946. aastal uuesti Tyuya-Muyunsky kaevandus, kuid see ei andnud erilist panust ühisesse asja.

1950. aastatel Lermontovski abiga tootmisühing"Almaz" alustas uraani kaevandamist Beshtau ja Byki mägedes (Stavropoli territoorium) asuvates kaevandustes. Samal ajal hakkasid nad arendama maardlaid Lõuna-Kasahstanis ja Kesk-Aasias.

Pärast 1991. aastat sattus suurem osa arendatud valdkondi väljapoole Venemaad, iseseisvatesse riikidesse. Sellest hetkest alates toimub peamine uraani kaevandamine kaevandusmeetodil Priargunsky tootmiskaevandamise ja keemia assotsiatsioonis (Transbaikali territoorium). Lisaks koguvad järk-järgult jõudu kaks puuraukude kohapealse leostumise tehnoloogiat kasutavat ettevõtet - Khiagda (Burjaatia Vabariik) ja Dalur (Kurgani piirkond). Tootmisrajatised projekteeritakse Jakuutias. Tootmiseks on ka paljutõotavaid piirkondi - Transbaikal, Lääne-Siber, Põhja-Euroopa ...

Uuritud uraanivarude poolest on Venemaa maailmas kolmandal kohal.

Venemaa uraanikaevandusettevõtteid juhib Rosatomile kuuluv ARMZ Uranium Holding (www.armz.ru), kuid riigikorporatsioonil on ka välisvarasid, mida kontrollib rahvusvaheline ettevõte Uranium One Inc. (www.uranium1.com). Tänu nende kahe organisatsiooni tegevusele on Rosatom saavutanud uraaniühendite tootmises maailmas kolmanda koha.

Olukord loodusliku uraani tootmise maailmaturul (2014)

Kaevandusettevõtete teatepulga võtab üle terve uraani rafineerimise, muundamise ja rikastamise ning tuumakütuse tootmise tootmiste kompleks. Enamik neist on pärit eelmise sajandi perioodist ja viiekümnendatest – tuumarelvade aktiivse akumuleerimise ajast. Täna töötavad nad puhtalt rahumeelse tööstuse – tuumaenergia – heaks ja pakuvad oma teenuseid välismaistele ettevõtetele.

Venemaal on neli rikastustehast, millest osad teostavad ka uraaniühendite lõpliku puhastamise (rafineerimise) ja fluorimise (muundamise) toiminguid.

Esimene uraani rikastamise D-1 gaasi difusioonijaam Sverdlovsk-44 alustas tööd 1949. aasta novembris. Algul tuli selle tooteid veelgi rikastada tulevase Elektrokhimpribori tehase SU-20 üksuses Sverdlovsk-45 (Lesnõi), kuid paari aasta pärast hakkas D-1 ise hakkama saama ja hakkas kasvama. Ja alates 1967. aastast algas difusioonikaskaadide asendamine tsentrifuugikaskaadidega. Tänapäeval asub demonteeritud D-1 kohas maailma suurim uraani rikastamise ettevõte - Uurali elektrokeemiatehas (Novouralsk, Sverdlovski oblast).

1953. aastal alustas Tomsk-7-s tööd tulevane Siberi keemiatehas (Seversk, Tomski oblast), mis alates 1973. aastast hakkas järk-järgult üle minema gaasitsentrifuugitehnoloogiale. Esimene rikastatud uraan Angarski elektrolüüsi keemiatehasest (Angarsk, Irkutski oblast) saadi 1957. aastal ja difusiooniaparaate asendamist tsentrifuugidega alustati 1985. aastal. Lõpuks sai 1962. aastast Krasnojarski-45 (praegu Zelenogorsk, Krasnojarski territoorium) elektrokeemiatehase käivitamise aasta. Paar aastat hiljem paigaldati sinna esimesed tsentrifuugid.

See lühike viide muidugi ei peegelda selle keerulise ajastu tegelikkust. Kuigi suletud linnade salajaste "nummerdatud" nimede ja taimede ebamääraste nimede järgi võib mõista, et Nõukogude Liit hoidis hoolikalt oma rikastamise saladusi. Peamiste tootmishoonete asukohad said aga Ameerika luurele teatavaks. Kuid aktiivne üleminek gaasitsentrifuugitehnoloogiale jättis ta, nagu öeldakse, sellest ilma. Võib-olla oli see meie konkurentide mõningase rahulolu põhjuseks: teadmata, et NSV Liidus on kasutusele võetud produktiivsem ja tõhusam tehnoloogia, järgisid riigid algselt valitud meetodit - gaaside difusiooni. Ilmselgelt mängis praegune olukord Nõukogude Liidu kätte ja võimaldas kiiresti saavutada tuumapariteedi. Samal ajal ei läinud nõukogude teadlaste ja inseneride teedrajavad arendused suure jõudlusega gaasitsentrifuugide loomiseks raisku, viies Venemaa juhtivale positsioonile uraani rikastamise ja tsentrifuugi tootmise maailmaturul.

Neljast kombainist saadud rikastatud uraanitoode tarnitakse masinaehitustehasesse (Elektrostal, Moskva piirkond) ja Novosibirski keemiakontsentraatide tehasesse (Novosibirsk, samanimeline piirkond), kus viiakse läbi tuumakütuse tootmise täistsükkel. Kütusevarraste tsirkooniumi ja muid kütusesõlmede konstruktsioonimaterjale tarnib Chepetsky mehaanikatehas (Glazov). Udmurdi Vabariik) on Venemaal ainus ja maailmas kolmas ettevõte, mis toodab tsirkooniumist tooteid.

Valmistatud kütusesõlmed tarnitakse Venemaa ja välismaa tuumaelektrijaamadesse, samuti kasutatakse neid reaktorites muuks otstarbeks.

Uraani rafineerimise, muundamise ja rikastamise, tuumkütuse tootmise, gaasitsentrifuugide tootmise, samuti projekteerimis- ja uurimisorganisatsioonid on ühendatud Rosatomi kütuseettevõtte TVEL (www.tvel.ru) osaks.

Paljude aastate tulemusena edukas töö Sellest ettevõttest ja selle tütarettevõtetest on Rosatom enesekindlalt uraani rikastamise valdkonna suurimate teenusepakkujate edetabeli eesotsas (36% maailmaturust).

Angarskis on tuumakütuse pank – garanteeritud varu, mida saab osta riik, kellelt on mingil põhjusel võetud võimalus vabaturult uraani osta. Sellest varudest suudab ta toota värsket tuumakütust ja tagada oma tuumaenergiatööstuse katkematu töö.

Rosatomi osa globaalsel tuumakütuse turul on 17%, tänu millele on iga kuues maakera elektrireaktor laetud TVEL kaubamärgi kütusega. Tarned lähevad Ungarisse, Slovakkiasse, Tšehhi Vabariiki, Bulgaariasse, Ukrainasse, Armeeniasse, Soome, Indiasse ja Hiinasse.

Ülal - uraani rikastamise maailmaturg (2015), all - kütusetootmise maailmaturg (2015)

Avatud või suletud?

Võib märkida, et see peatükk ei hõlmanud tuumakütuse tootmist uurimisreaktoritele, samuti tuumaallveelaevadele ja jäälõhkujatele paigaldatud reaktoritele. Kogu arutelu oli pühendatud tuumaelektrijaamades kasutatavale tuumakütusele. Seda ei tehtud aga juhuslikult. Fakt on see, et tuumaelektrijaamade ja näiteks tuumaallveelaevade kütusetootmise järjestuse vahel lihtsalt pole põhimõttelisi erinevusi. Loomulikult võib tehnoloogias esineda kõrvalekaldeid, mis on seotud laevade ja uurimisreaktorite spetsiifikaga. Näiteks esimene peaks olema mõõtmetelt väike ja samas üsna võimas – see on jäämurdja ja pealegi manööverdatava tuumaallveelaeva puhul täiesti loomulik nõue. Vajalikud näitajad on saavutatavad uraani rikastamise suurendamisega ehk lõhustuvate tuumade kontsentratsiooni suurendamisega – siis kulub vähem kütust. Täpselt seda nad teevadki: laevareaktorite kütusena kasutatava uraani rikastamise aste on 40% piires (olenevalt projektist võib see kõikuda 20-90%). Uurimisreaktorites on tavanõue saavutada maksimaalne neutronvoog ning neutronite arv reaktoris on samuti otseselt seotud lõhustuvate tuumade arvuga. Seetõttu kasutatakse teadusuuringuteks mõeldud rajatistes mõnikord palju suurema uraan-235 sisaldusega kõrgelt rikastatud uraani kui tuumareaktorite kütuses. Kuid rikastamise tehnoloogia sellest ei muutu.

Reaktori konstruktsioon võimaldab määrata kütuse keemilise koostise ja materjali, millest kütusevarras on valmistatud. Praegu on kütuse peamine keemiline vorm uraandioksiid. Kütuseelementide osas on need valdavalt tsirkoonium, kuid näiteks kiirneutronreaktori BN-600 jaoks toodetakse roostevabast terasest kütuseelemente. Selle põhjuseks on vedela naatriumi kasutamine jahutusvedelikuna BN-reaktorites, milles tsirkoonium hävib (korrodeerub) kiiremini kui roostevaba teras. Sellegipoolest jääb tuumkütuse valmistamise protsessi olemus samaks - rikastatud uraaniproduktist sünteesitakse uraandioksiidi pulber, mis pressitakse graanuliteks ja paagutatakse, graanulid asetatakse kütusevarrastesse ning kütusevardad monteeritakse kütusesõlmedeks. (FA).

Veelgi enam, kui arvestada erinevate riikide tuumakütuse tsükleid, selgub näiteks, et Venemaal fluoritakse uraaniühendeid muundamisel vahetult molekulaarse fluoriga, välismaal töödeldakse neid esmalt vesinikfluoriidhappega ja alles seejärel fluoriga. Erinevus peitub maagi "avamise" lahuste, sorbentide ja ekstraheerivate ainete keemilises koostises; protsesside parameetrid võivad erineda ... Kuid tuumakütuse tsükli skeem sellest ei muutu. Põhiline erinevus seisneb ainult selle avatud (avatud) ja suletud (suletud) versioonide vahel: esimesel juhul eraldatakse kütus pärast tuumajaamas "töötamist" lihtsalt keskkonnast sügavasse matmispaika ja viimasena töödeldakse seda väärtuslike komponentide eraldamisega (vt ptk 7). Venemaa on üks väheseid riike, kes rakendab suletud tsüklit.

Näide suletud kütusetsüklist koos Rosatomi TVEL Fuel Company rolliga

Tuumaenergiatööstus koosneb suurest hulgast erinevatel eesmärkidel tegutsevatest ettevõtetest. Selle tööstuse tooraine ammutatakse uraanikaevandustest. Pärast seda tarnitakse see kütusetootmisettevõtetele.

Edasi transporditakse kütus tuumaelektrijaamadesse, kus see siseneb reaktori südamikusse. Kui tuumkütus oma tähtaja saabub, kuulub see kõrvaldamisele. Tuleb märkida, et ohtlikud jäätmed tekivad mitte ainult pärast kütuse töötlemist, vaid ka igal etapil - uraani kaevandamisest reaktoris töötamiseni.

Tuumakütus

Kütust on kahte tüüpi. Esimene on vastavalt kaevandustes kaevandatud looduslikku päritolu uraan. See sisaldab toorainet, mis on võimeline moodustama plutooniumi. Teine on kunstlikult loodud (sekundaarne) kütus.

Tuumakütus jaguneb ka keemilise koostise järgi: metalliline, oksiid-, karbiid-, nitriid- ja segakütus.

Uraani kaevandamine ja kütuse tootmine

Suure osa uraani tootmisest annavad vaid mõned riigid: Venemaa, Prantsusmaa, Austraalia, USA, Kanada ja Lõuna-Aafrika.

Uraan on tuumaelektrijaamade kütuse peamine element. Reaktorisse pääsemiseks läbib see mitu töötlemisetappi. Kõige sagedamini asuvad uraanimaardlad kulla ja vase kõrval, nii et selle ekstraheerimine toimub väärismetallide kaevandamisega.

Kaevandamisel on inimeste tervis suures ohus, kuna uraan on mürgine materjal ning selle kaevandamisel tekkivad gaasid põhjustavad erinevaid vorme vähk. Kuigi maak ise sisaldab väga väikeses koguses uraani - 0,1 kuni 1 protsenti. Suures ohus on ka elanikkond, kes elab uraanikaevanduste läheduses.

Rikastatud uraan on tuumaelektrijaamade peamine kütus, kuid pärast selle kasutamist jääb järele tohutul hulgal radioaktiivseid jäätmeid. Vaatamata kogu oma ohtlikkusele on uraani rikastamine tuumakütuse loomise lahutamatu protsess.

Looduslikul kujul on uraani praktiliselt võimatu kusagil kasutada. Selle kasutamiseks tuleb seda rikastada. Rikastamiseks kasutatakse gaasitsentrifuuge.

Rikastatud uraani kasutatakse mitte ainult tuumaenergia aga ka relvade tootmisel.

Transport

Kütusetsükli mis tahes etapis toimub transport. Seda teostatakse kõigi olemasolevate vahenditega: maad, merd, õhku. See on suur oht ja suur oht mitte ainult keskkonnale, vaid ka inimestele.

Tuumkütuse või selle elementide transportimisel juhtub palju õnnetusi, mille tagajärjel eraldub radioaktiivseid elemente. See on üks paljudest põhjustest, miks seda ohtlikuks peetakse.

Reaktorite dekomisjoneerimine

Ühtegi reaktorit pole demonteeritud. Isegi kurikuulus Tšernobõli Asi on selles, et ekspertide hinnangul on demonteerimise maksumus võrdne uue reaktori ehitamise hinnaga või isegi ületab selle. Kuid keegi ei saa kindlalt öelda, kui palju raha vaja läheb: maksumus arvutati väikeste jaamade teadusuuringuteks demonteerimise kogemuse põhjal. Eksperdid pakuvad kahte võimalust:

1. Asetage reaktorid ja kasutatud tuumkütus matmispaika.
2. Ehitage dekomisjoneeritud reaktorite kohale sarkofaagid.

Järgmise kümne aasta jooksul lõpeb umbes 350 reaktorit üle maailma ja need tuleb dekomisjoneerida. Kuid kuna ohutuse ja hinna poolest sobivaimat meetodit pole leiutatud, on see probleem endiselt lahendamisel.

Praegu töötab maailmas 436 reaktorit. Loomulikult on see suur panus energiasüsteemi, kuid see on väga ebaturvaline. Uuringud näitavad, et 15-20 aasta pärast on tuumajaamad võimalik asendada tuuleenergial ja päikesepaneelidel töötavate jaamadega.

Tuumajäätmed

Tuumaelektrijaamade tulemusena tekib tohutul hulgal tuumajäätmeid. Tuumakütuse ümbertöötlemisel jäävad maha ka ohtlikud jäätmed. Ükski riik ei leidnud aga probleemile lahendust.

Tänapäeval hoitakse tuumajäätmeid ajutistes hoidlates, veekogudes või maetakse madalasse maa alla.

Kõige turvalisem on ladustamine spetsiaalsetes hoidlates, kuid ka siin on nagu teistegi meetoditega võimalik kiirgusleke.

Tegelikult on tuumajäätmetel teatud väärtus, kuid see nõuab nende ladustamise reeglite ranget järgimist. Ja see on kõige pakilisem probleem.

Oluline tegur on aeg, mille jooksul jäätmed on ohtlikud. Igal neist on oma lagunemisaeg, mille jooksul see on mürgine.

Tuumajäätmete liigid

Iga tuumaelektrijaama töötamise ajal satuvad selle jäätmed keskkond. See on vesi turbiinide ja gaasiliste jäätmete jahutamiseks.

Tuumajäätmed jagunevad kolme kategooriasse:

1. Madal tase - riided tuumaelektrijaama töötajatele, laboriseadmed. Sellised jäätmed võivad pärineda ka raviasutused, teaduslikud laborid. Need ei kujuta endast suurt ohtu, kuid nõuavad turvameetmete järgimist.
2. Keskmine tase - metallmahutid, milles transporditakse kütust. Nende kiirgustase on üsna kõrge ja neid, kes on nende lähedal, tuleb kaitsta.
3. Kõrge tase - see on kasutatud tuumkütus ja selle töötlemise tooted. Radioaktiivsuse tase langeb kiiresti. Kõrge radioaktiivsusega jäätmeid on väga vähe, umbes 3 protsenti, kuid need sisaldavad 95 protsenti kogu radioaktiivsusest.

Aastas toodetakse 10,7% maailma elektritootmisest tuumaelektrijaamad. Koos soojuselektrijaamade ja hüdroelektrijaamadega töötavad nad selle nimel, et anda inimkonnale valgust ja soojust, võimaldada kasutada elektriseadmeid ning muuta meie elu mugavamaks ja lihtsamaks. Juhtus nii, et tänapäeval seostatakse sõnu "tuumajaam" globaalsete katastroofide ja plahvatustega. Tavaelanikel pole tuumajaama tööst ja selle ülesehitusest vähimatki aimu, kuid Tšernobõli ja Fukushima intsidentidest on kuulnud ja ehmunud ka kõige valgustamatumad inimesed.

Mis on tuumaelektrijaam? Kuidas need toimivad? Kui ohtlikud on tuumaelektrijaamad? Ärge uskuge kuulujutte ja müüte, mõtleme selle välja!

16. juulil 1945 ammutati USA sõjaväepolügoonis esimest korda uraani tuumast energiat. Aatomipommi võimsaim plahvatus, mis tõi kaasa tohutu hulga inimohvreid, sai kaasaegse ja absoluutselt rahumeelse elektriallika prototüübiks.

Esimest korda saadi tuumareaktori abil elektrit 20. detsembril 1951 USA-s Idaho osariigis. Töövõime testimiseks ühendati generaator 4 hõõglambiga ja kõigile ootamatult läksid lambid põlema. Sellest hetkest alates hakkas inimkond elektri tootmiseks kasutama tuumareaktori energiat.

Maailma esimene tuumaelektrijaam käivitati NSV Liidus Obninskis 1954. aastal. Selle võimsus oli vaid 5 megavatti.

Mis on tuumaelektrijaam? Tuumaelektrijaam on tuumarajatis, mis toodab energiat tuumareaktori abil. Tuumareaktor töötab tuumkütusel, enamasti uraanil.

Tuumarajatise tööpõhimõte põhineb uraani neutronite lõhustumisreaktsioonil, mis omavahel põrkudes jagunevad uuteks neutroniteks, mis omakorda põrkuvad ja samuti jagunevad. Sellist reaktsiooni nimetatakse ahelreaktsiooniks ja see on tuumaenergiatööstuse aluseks. Kogu see protsess tekitab soojust, mis soojendab vee kohutavalt kuumaks (320 kraadi Celsiuse järgi). Siis muutub vesi auruks, aur pöörab turbiini, see ajab elektrigeneraatorit, mis toodab elektrit.

Tuumaelektrijaamade ehitamine käib praegu kiires tempos. Maailma tuumaelektrijaamade arvu kasvu peamiseks põhjuseks on fossiilkütuste piiratud varud, lihtsalt öeldes on gaasi- ja naftavarud ammendumas, neid on vaja tööstus- ja munitsipaalvajadusteks ning uraan ja plutoonium, mis on tuumaelektrijaamade kütus, seda on vähe vaja, selle varusid on veel piisavalt.

Mis on tuumaelektrijaam? See pole ainult elekter ja soojus. Lisaks elektri tootmisele kasutatakse tuumaelektrijaamu ka vee magestamiseks. Näiteks Kasahstanis on selline tuumajaam.

Millist kütust kasutatakse tuumaelektrijaamades

Praktikas saab tuumaelektrijaamades kasutada mitmeid aineid, mis on võimelised tootma tuumaelektrit, tänapäeva tuumajaamakütuseks on uraan, toorium ja plutoonium.

Tooriumikütust praegu tuumaelektrijaamades ei kasutata, sest seda on keerulisem muuta kütuseelementideks, lühidalt kütuseelementideks.

Kütusevardad on metalltorud, mis asetatakse tuumareaktori sisse. Kütuseelementide sees on radioaktiivsed ained. Neid torusid võib nimetada tuumkütuse hoidlateks. Tooriumi harvaesineva kasutamise teine ​​põhjus on selle keeruline ja kallis töötlemine pärast kasutamist tuumaelektrijaamades.

Plutooniumkütust ei kasutata ka tuumaenergiatööstuses, sest. sellel ainel on väga keeruline keemiline koostis, mida pole veel õpitud õigesti kasutama.

uraani kütus

Peamine aine, mis tuumajaamades energiat toodab, on uraan. Uraani kaevandatakse tänapäeval kolmel viisil: avatud teed kaevandustes suletud karjäärides ja maa-aluse leostumise teel kaevanduste puurimise teel. Viimane viis on eriti huvitav. Uraani ekstraheerimiseks leostumise teel valatakse maa-alustesse kaevudesse väävelhappe lahus, see küllastatakse uraaniga ja pumbatakse tagasi.

Maailma suurimad uraanivarud on Austraalias, Kasahstanis, Venemaal ja Kanadas. Kõige rikkalikumad maardlad on Kanadas, Zaire'is, Prantsusmaal ja Tšehhis. Nendes riikides saadakse tonnist maagist kuni 22 kilogrammi uraani toorainet. Võrdluseks, Venemaal saadakse ühest tonnist maagist veidi rohkem kui poolteist kilogrammi uraani.

Uraani kaevanduskohad ei ole radioaktiivsed. Puhtal kujul pole see aine inimesele kuigi ohtlik, palju suurem oht ​​on radioaktiivne värvitu gaas radoon, mis tekib uraani looduslikul lagunemisel.

Maagi kujul ei saa uraani tuumaelektrijaamades kasutada, see ei saa anda mingeid reaktsioone. Esiteks töödeldakse uraani tooraine pulbriks - uraanoksiidiks ja pärast seda muutub see uraanikütuseks. Uraanipulber muudetakse metallist "tablettideks" - see pressitakse väikesteks korralikeks koonusteks, mida põletatakse päeva jooksul koletult kõrgel, üle 1500 kraadi Celsiuse järgi. Just need uraanigraanulid sisenevad tuumareaktoritesse, kus nad hakkavad üksteisega suhtlema ja lõpuks inimestele elektrit andma.
Ühes tuumareaktoris töötab samaaegselt umbes 10 miljonit uraanigraanulit.
Loomulikult ei visata uraanigraanuleid reaktorisse niisama. Need asetatakse tsirkooniumisulamitest - kütuseelementidest - valmistatud metalltorudesse, torud on omavahel ühendatud kimpudeks ja moodustavad kütusesõlmed - kütusesõlmed. Just kütusesõlmesid võib õigusega nimetada tuumajaama kütuseks.

TUJ kütuse töötlemine

Pärast umbes aastast kasutamist tuleb tuumareaktorites olev uraan välja vahetada. Kütuseelemente jahutatakse mitu aastat ning saadetakse lõikamiseks ja lahustamiseks. Keemilise ekstraheerimise tulemusena eraldatakse uraan ja plutoonium, mida taaskasutatakse ja kasutatakse värske tuumakütuse valmistamiseks.

Uraani ja plutooniumi lagunemissaadusi kasutatakse ioniseeriva kiirguse allikate tootmiseks. Neid kasutatakse meditsiinis ja tööstuses.

Kõik, mis pärast neid manipuleerimisi järele jääb, saadetakse tulikuuma ahju ja jäänustest pruulitakse klaas, mis seejärel hoitakse spetsiaalsetes hoiuruumides. Miks klaas? Sellest on väga raske kätte saada radioaktiivsete elementide jäänuseid, mis võivad keskkonda kahjustada.

Tuumaelektrijaama uudised - mitte nii kaua aega tagasi ilmus uus viis radioaktiivsete jäätmete kõrvaldamine. Loodud on nn kiired tuumareaktorid ehk kiired neutronreaktorid, mis töötavad ümbertöödeldud tuumakütuse jääkidega. Teadlaste hinnangul on tuumakütuse jäänused, mida praegu hoiustatakse hoidlates, pakkuma kütust kiirneutronreaktoritele 200 aastaks.

Lisaks saavad uued kiired reaktorid töötada uraankütusel, mis on valmistatud uraanist 238, seda ainet tavatuumajaamades ei kasutata, sest. tänapäeva tuumajaamades on lihtsam töödelda 235 ja 233 uraani, millest pole looduses palju järel. Seega on uued reaktorid võimalus kasutada tohutuid uraan-238 maardlaid, mida keegi pole varem kasutanud.

Kuidas ehitatakse tuumaelektrijaam?

Mis on tuumaelektrijaam? Mis on see hallide hoonete segadus, mida enamik meist ainult telerist näinud on? Kui vastupidavad ja ohutud need konstruktsioonid on? Milline on tuumaelektrijaama struktuur? Iga tuumajaama keskmes on reaktorihoone, selle kõrval on masinaruum ja ohutushoone.

ON TÄHTIS TEADA:

TEJ ehitamine toimub vastavalt määrused, eeskirjad ja ohutusnõuded radioaktiivsete ainetega töötavate objektide kohta. Tuumaelektrijaam on riigi täieõiguslik strateegiline objekt. Seetõttu on reaktorihoone seinte ja raudbetoonist tugevduskonstruktsioonide ladumise paksus kordades suurem kui standardkonstruktsioonidel. Seega peavad tuumaelektrijaamade ruumid vastu 8-magnituudisele maavärinale, tornaadole, tsunamile, tornaadodele ja lennuki allakukkumisele.

Reaktorihoonet kroonib kuppel, mida kaitsevad sise- ja välisseinad. Sisemine betoonsein on kaetud terasplekiga, mis avarii korral peaks tekitama suletud õhuruumi ega paiska õhku radioaktiivseid aineid.

Igal tuumajaamal on oma kasutatud tuumkütuse bassein. Sinna pannakse juba oma aja ära teeninud uraanigraanulid. Pärast uraanikütuse reaktorist väljatõmbamist jääb see äärmiselt radioaktiivseks, kütuseelementide sees toimuvate reaktsioonide lakkamiseks peab kuluma 3 kuni 10 aastat (olenevalt reaktoriseadmest, milles kütus asus) . Jahutusbasseinides uraanigraanulid jahtuvad ja reaktsioonid nende sees lakkavad.

Tuumaelektrijaama tehnoloogiline skeem või lihtsamalt öeldes tuumajaama paigutus võib olla mitut tüüpi, samuti tuumajaama omadused ja tuumaelektrijaama soojusskeem, see sõltub elektrienergia tootmisel kasutatava tuumareaktori tüüp.

ujuv tuumaelektrijaam

Me juba teame, mis on tuumajaam, kuid Venemaa teadlastele tuli pähe võtta tuumajaam ja muuta see mobiilseks. Tänaseks on projekt peaaegu valmis. Nad nimetasid seda disaini ujuvaks tuumaelektrijaamaks. Ujuv tuumajaam suudab plaanipäraselt varustada elektriga kuni kahesaja tuhande elanikuga linna. Selle peamine eelis on võimalus liikuda meritsi. Liikumisvõimelise tuumajaama ehitamine käib praegu vaid Venemaal.

Tuumaelektrijaama uudiseks on maailma esimese ujuva tuumaelektrijaama peatne käivitamine, mis on mõeldud Venemaal Tšukotka autonoomses ringkonnas asuva Peveki sadamalinna energiaga varustamiseks. Esimene ujuv tuumajaam kannab nime "Akademik Lomonosov", minituumajaam on rajamisel Peterburis ja plaanitakse käivitada aastatel 2016-2019. Tuumajaama vee peal esitlus toimus 2015. aastal, siis esitasid ehitajad peaaegu valmis projekt PAES.

Ujuv tuumaelektrijaam on mõeldud elektriga varustamiseks kõige kaugematele linnadele, millel on juurdepääs merele. Tuumareaktor "Akadeemik Lomonossov" ei ole nii võimas kui maismaa tuumajaamad, kuid selle eluiga on 40 aastat, mis tähendab, et väikese Peveki elanikke ei kannata elektripuudus peaaegu pool sajandit. .

Ujuvat tuumajaama saab kasutada mitte ainult soojus- ja elektriallikana, vaid ka vee magestamise jaoks. Arvutuste kohaselt suudab see päevas toota 40–240 kuupmeetrit magedat vett.
Ujuva tuumajaama esimese ploki maksumus oli 16,5 miljardit rubla, nagu näeme, pole tuumajaamade ehitamine just odav nauding.

TUJ ohutus

Pärast Tšernobõli katastroofi 1986. aastal ja Fukushima õnnetust 2011. aastal tekitavad sõnad tuumajaam inimestes hirmu ja paanikat. Tegelikult on kaasaegsed tuumaelektrijaamad varustatud uusima väljatöötatud tehnoloogiaga erireeglid ohutus ja üldiselt koosneb tuumaelektrijaama kaitse kolmest tasemest:

Esimesel tasandil tuleks tagada TEJ normaalne töö. Tuumajaama ohutus sõltub suuresti tuumajaama asukohaks õigesti valitud kohast, hästi läbimõeldud projektist ning kõigi tingimuste täitmisest hoone ehitamisel. Kõik peab vastama eeskirjadele, ohutusjuhistele ja plaanidele.

Teisel tasandil on oluline vältida TEJ normaalse töö üleminekut avariiolukorda. Selleks on spetsiaalsed seadmed, mis juhivad temperatuuri ja rõhku reaktorites ning annavad teada vähimatest näitude muutustest.

Kui esimene ja teine ​​kaitsetase ei toiminud, kasutatakse kolmandat – otsest reageerimist hädaolukorrale. Andurid fikseerivad õnnetuse ja reageerivad sellele ise – reaktorid lülitatakse välja, kiirgusallikad lokaliseeritakse, südamikku jahutatakse ja õnnetusest teatatakse.

Loomulikult nõuab tuumaelektrijaam erilist tähelepanu ohutussüsteemile nii ehitus- kui ka käitamisetapis. Rangete eeskirjade eiramine võib kaasa tuua väga tõsiseid tagajärgi, kuid täna lasub suurem osa vastutusest tuumajaamade ohutuse eest arvutisüsteemid, A inimfaktor peaaegu täielikult välistatud. Võttes arvesse tänapäevaste masinate suurt täpsust, võib tuumajaamade ohutuses kindel olla.

Eksperdid kinnitavad, et stabiilselt töötavates kaasaegsetes tuumajaamades või nende läheduses ei ole võimalik saada suurt radioaktiivse kiirguse doosi. Isegi tuumaelektrijaama töötajad, kes, muide, iga päev mõõdavad saadud kiirguse taset, puutuvad kiirgusega kokku mitte rohkem kui tavaliste suurte linnade elanikud.

tuumareaktorid

Mis on tuumaelektrijaam? See on peamiselt töötav tuumareaktor. Selle sees toimub energia genereerimise protsess. Kütusesõlmed asetatakse tuumareaktorisse, milles uraani neutronid reageerivad üksteisega, kus nad kannavad soojust veele jne.

Konkreetses reaktorihoones asuvad järgmised konstruktsioonid: veevarustusallikas, pump, generaator, auruturbiin, kondensaator, deaeraatorid, puhasti, ventiil, soojusvaheti, reaktor ise ja rõhuregulaator.

Reaktoreid on mitut tüüpi, olenevalt sellest, milline aine toimib seadmes moderaatori ja jahutusvedelikuna. On kõige tõenäolisem, et kaasaegses tuumaelektrijaamas on termilised neutronreaktorid:

• vesi-vesi (tavalise veega nii neutronite moderaatorina kui ka jahutusvedelikuna);
• grafiit-vesi (moderaator - grafiit, jahutusvedelik - vesi);
• grafiitgaas (moderaator - grafiit, jahutusvedelik - gaas);
• raske vesi (moderaator - raske vesi, jahutusvedelik - tavaline vesi).

TUJ efektiivsus ja TEJ võimsus

Surveveereaktoriga tuumaelektrijaama üldine kasutegur (efektiivsus) on umbes 33%, grafiit-vesireaktoriga umbes 40% ja raskeveereaktoriga umbes 29%. Tuumaelektrijaama majanduslik elujõulisus sõltub tuumareaktori kasutegurist, reaktori südamiku energiamahukusest, aastasest installeeritud võimsuse rakendustegurist jne.

Tuumaelektrijaama uudised – teadlaste lubadus peagi suureneda tuumaenergia efektiivsus jaamade poolteist korda, kuni 50%. See juhtub siis, kui kütusesõlmed või kütusesõlmed, mis asetatakse otse tuumareaktorisse, ei ole valmistatud tsirkooniumisulamitest, vaid komposiidist. Tuumajaamade probleemideks on tänapäeval see, et tsirkoonium ei ole piisavalt kuumakindel, ei talu väga kõrgeid temperatuure ja rõhku ning seetõttu on tuumajaamade kasutegur madal, komposiit aga talub üle tuhande soojakraadi.

USA-s, Prantsusmaal ja Venemaal tehakse katseid komposiidi kasutamiseks uraanigraanulite kestana. Teadlased töötavad selle nimel, et suurendada materjali tugevust ja selle rakendamist tuumaenergeetikas.

Mis on tuumaelektrijaam? Tuumaelektrijaamad on maailma elektrienergia. Kogu maailma tuumaelektrijaamade elektriline võimsus on 392 082 MW. Tuumaelektrijaama omadused sõltuvad eelkõige selle võimsusest. Maailma võimsaim tuumajaam asub Prantsusmaal, Sivo tuumajaama (iga plokk) võimsus on üle pooleteise tuhande MW (megavati). Teiste tuumajaamade võimsus ulatub 12 MW-st minituumajaamades (Bilibino TUJ, Venemaa) kuni 1382 MW-ni (Flamanville'i tuumajaam, Prantsusmaa). Ehitamisel on Flamanville'i plokk võimsusega 1650 MW, tuumajaamad Lõuna-Korea Sin-Kori tuumajaama võimsusega 1400 MW.

Tuumaelektrijaama maksumus

Tuumaelektrijaam, mis see on? See on ka suur raha. Tänapäeval vajavad inimesed elektri tootmiseks mis tahes moodust. Rohkem või vähem arenenud riikides ehitatakse kõikjale vee-, soojus- ja tuumaelektrijaamu. Tuumajaama ehitamine ei ole lihtne protsess, nõuab suuri kulutusi ja investeeringuid, enamasti saadakse rahalisi vahendeid riigieelarvest.

Tuumajaama maksumus sisaldab kapitalikulusid - ala ettevalmistamise, ehitamise, seadmete kasutuselevõtu maksumus (kapitalikulude suurus on üle jõu käiv, näiteks üks tuumajaama aurugeneraator maksab üle 9 miljoni dollari). Lisaks nõuavad tuumaelektrijaamad ka tegevuskulusid, mis hõlmavad kütuse ostmist, selle kõrvaldamise kulusid jne.

Paljudel põhjustel on tuumajaama ametlik maksumus vaid hinnanguline, täna maksaks tuumajaam umbes 21-25 miljardit eurot. Ühe tuumaploki nullist ehitamine läheks maksma umbes 8 miljonit dollarit. Keskmiselt on ühe jaama tasuvusaeg 28 aastat, kasutusiga 40 aastat. Nagu näete, on tuumajaamad üsna kallis nauding, kuid nagu teada saime, on need meile uskumatult vajalikud ja kasulikud.