Атомная энергетика. Ядерный топливный цикл.

Атомная энергетика. Ядерный топливный цикл.

Атомные электростанции являются только частью ядерного топливного цикла. На каждой из его стадий в окружающую среду попадают радиоактивные вещества.

Схема ядерного топливного цикла

Добыча урановой                   Обогащение руды                             Производство

руды на рудниках                  на обогатительных                         ядерного топлива

       и шахтах                                   фабриках                            (изготовление тепло-                   

                                                                                                      выделяющих элементов

                                                                                                                  ТВЭЛов)  

 

                                                                                                                                                     

Захоронение                                     Регенерация                                              Атомные

радиоактивных                                отработанного                                           реакторы

отходов                                          ядерного топлива 

                                                  

Примерно половина всей урановой руды вырабатывается открытым способом, а половина – шахтным. Извлеченная руда поступает далее на обогатительную фабрику, обычно расположенную неподалеку. В процессе переработки руды постоянно образуется  большое количество отходов (шлаков), имеющих остаточную радиоактивность. Таким образом, обогатительные фабрики являются источниками долговременного загрязнения.

Для снижения радиоактивного загрязнения шлаки обычно асфальтируют.

Урановый концентрат, поступающий с обогатительной фабрики, подвергается дальнейшей переработке и очистке на специальных предприятиях, где превращается в ядерное топливо. По сравнению с другими, этот участок ядерно-топливного цикла наиболее экологически чистый, попадание в окружающую среду радиоактивного материала здесь немного меньше. Топливо уже готово к использованию в ядерном реакторе.

Типы ядерных реакторов:

1)      Водяные реакторы с водой под давлением (Pressurised Water Reactor)

2)      Водяные кипящие реакторы (Boiling Water Reactor) разработанные и применяющиеся в США и Европе

3)      Реакторы с газовым охлаждением, разработанные и применяющиеся в Великобритании и Франции

4)      Реакторы с тяжелой водой, распространенные в Канаде

5)      Водографитовые канальные реакторы, разработанные и применяющиеся в СССР, к их числу относится и Чернобыльский реактор

6)      Реакторы – размножители на быстрых нейтронах, реакторы нового поколения, их строительство начиналось только с 80-х годов.

6-й тип ядерних реакторов значительно отличается от предыдущих, поскольку для обеспечения протекания цепной реакции нейтроны в них не замедляют. Вместо этого в них используют томливо, предварительно значительно обогащенное (по сравнению с природной рудой содержание ²³⁵U в нем увеличено больше чем на порядок). В активной зоне этих реакторов вместо веществ-замедлителей имеет место система постоянного воспроизводства топлива.

Все предыдущие типы ядерных реакторов относятся к одной категории: реакторов на тепловых нейтронах.

Первая стадия ЯТЦ представляет собой переработку использовавшегося на АЭС топлива на радиохимических заводах. В процессе переработки из отработанного топлива извлекают остаточный уран и плутоний, который опять отправляют на предприятие по производству ядерного топлива – ТВЭЛов. В дальнейшем они могут использоваться как в реакторах на тепловых, так и в реакторах на быстрых нейтронах.

Замкнутый топливный цикл (с наличием стадии переработки отработанного топлива) способен снизить расход природного урана как исходного топлива на 40 %.

АЭС и радиохимические заводы характеризуются значительно большим радиоактивным загрязнением окружающей среды, чем предыдущие стадии ЯТЦ. Однако при нормальных условиях работы и соблюдении мер радиационной безопасности уровень этого загрязнения вполне сравним с уровнем загрязнения от ТЭС, работающей на угле.

Уголь, особенно некоторые его виды, относятся к числу материалов, обладающих повышенной природной радиоактивностью. Присутствие радиоизотопов.

Радиоактивные отходы

Особой проблемой атомной энергетики, даже при условии ее нормального бесперебойного функционирования является образования большого количества потенциально способных искусственных радиоактивных веществ. Это так называемые  радиоактивные отходы.

Первоначально радиоактивные отходы представляют собой использованное на АЭС  топливо (отработавшие ТВЭЛы). На радиохимических заводах отходы, уже непригодные к дальнейшему использованию переводят в физико-химическую форму, удобную для хранения и захоронения.

Источниками радиоактивных отходов являются отработавшие ТВЭЛы, продукты нейтронной активации, образующиеся вне ТВЭЛов, продукты деления, частично выделяющиеся в теплоноситель радиоактивные вещества, образующиеся несменяемых частях оборудования реактора.

Помимо отработанного топлива к радиоактивным отходам относятся:

- материалы, изделия, оборудование, объекты биологического происхождения, в которых содержание радионуклидов превышает уровни установленные нормативними правовими актами;

            - отработавшие свой ресурс или поврежденные радионуклидные источники;

            - извлеченные из недр и складируемые в отвалы и хранилища породы, руды и отходы обогащения и выщелачивания руд, в которых содержание радионуклидов превышает уровни установленные нормативними правовими актами.

Радиоактивные отходы когут быть твердыми, жидкими и газообразными.

Твердые радиоактивные отходы разделяются:

низкоактивные – 2х10^-6 Ки/кг или 74000 Бк/кг

среднеактивные – 1х10^-4 Ки/кг или 3700 тыс. Бк/кг

высокоактивные - 1х10^-1 Ки/кг или 3,7х10⁹ Бк/кг.

Дальнейшая судьба образующихся радиоактивных отходов зависит от их агрегатного состояния. Газообразные отходы подвергаются длительной очистке в газоотходных трубах, а затем выбрасывают в атмосферу. К газообразным отходам относятся:

- благородные газы Ar, Kr, Xe – основная часть выбросов, очистные сооружения частично снижают их радиоактивность

- тритий – полностью поступает в окружающую среду. К счастью, основная часть образующегося в процессе работы реактора трития содержится в жидких отходах

- незначительно количество изотопов I.

Жидкие отходы подвергают очистке, после которой вода используется вновь, а концентрированные жидкие отходы вначале хранятся в специальных емкостях, а затем подвергаются отверждению для последующего захоронения. Твердые отходы низкой активности подвергают захоронению на площадке АЭС, а средней и высокой активности – длительно хранят, а затем отправляют на захоронение в особые места.

Одной из серьезнейших проблем ядерной энергетики является отсутствие практически проверенной технологии захоронения долго живущих радиоактивных отходов:

- захоронение в континентальных геологических формациях;

- захоронение на морском дне или под ним;

- облучение долгоживущих трансурановых элементов (ядерная трансмутация);

- выброс отходов с помощью ракет за пределы земной атмосферы.