Ядерное топливо и топливный цикл

Ядерное топливо — это материал, способный поддерживать цепную ядерную реакцию с выделением энергии. В основе его лежит деление тяжелых ядер, преимущественно изотопов урана и плутония. Основными видами топлива, используемыми в ядерных реакторах, являются:

  • Диоксид урана (UO₂) — наиболее распространённая форма ядерного топлива. Используется в водо-водяных, тяжеловодных и кипящих реакторах. Имеет высокую температуру плавления и хорошую химическую стабильность.
  • Металлический уран — применяется в некоторых исследовательских и быстрых реакторах, а также в старых конструкциях.
  • Карбид урана (UC) и нитрид урана (UN) — перспективные виды топлива для реакторов на быстрых нейтронах. Обладают высокой теплопроводностью и плотностью.
  • Ториевое топливо — основано на использовании изотопа тория-232, который в реакторе преобразуется в делящийся уран-233. Является альтернативой уран-плутониевому топливу.
  • MOX-топливо (Mixed Oxide Fuel) — смесь диоксидов урана и плутония. Используется для утилизации оружейного плутония и в качестве повторного топлива.

Топливный цикл: этапы и процессы

Ядерный топливный цикл включает совокупность технологических операций по добыче, обогащению, использованию и утилизации ядерного топлива. Его делят на фронт-энд (до использования в реакторе) и бэк-энд (после использования в реакторе).

Добыча и переработка урановой руды

Уран извлекается из земной коры в форме оксидов, преимущественно U₃O₈. Методы добычи:

  • подземная и открытая добыча,
  • скважинное выщелачивание.

Руда перерабатывается с целью получения концентрата — так называемого «жёлтого кека» (yellowcake), содержащего 70–90% оксида урана.

Конверсия и обогащение урана

Природный уран содержит всего 0,71% делящегося изотопа U-235. Для большинства реакторов требуется повышение его концентрации до 3–5%.

  1. Конверсия: U₃O₈ преобразуется в гексафторид урана (UF₆), газообразное соединение.
  2. Обогащение: применяются методы газовой диффузии (устаревший) и газоцентрифужный метод (современный). Также исследуются лазерные технологии.

Обогащённый UF₆ затем преобразуется обратно в диоксид урана (UO₂) и используется при изготовлении топливных таблеток.

Производство топливных сборок

Топливные таблетки из UO₂ спекаются при высокой температуре, загружаются в циркониевые оболочки, образуя тепловыделяющие элементы (твэлы). Твэлы собираются в топливные сборки, специфичные для типа реактора:

  • PWR-сборки (водо-водяной реактор),
  • BWR-сборки (кипящий реактор),
  • RBMK-сборки (канальный графитовый),
  • PHWR-сборки (тяжеловодный CANDU).

Использование топлива в реакторе

Во время работы реактора уран-235 (или плутоний-239 в MOX) подвергается делению, высвобождая энергию. Образующиеся нейтроны могут вызывать деление новых ядер, поддерживая цепную реакцию.

Происходят также побочные процессы:

  • накопление плутония-239 из урана-238,
  • захват нейтронов продуктами деления,
  • образование трансурановых элементов (Np, Am, Cm).

По мере выгорания топлива снижается его эффективность, и оно подлежит замене.

Отработанное ядерное топливо (ОЯТ)

Отработанное топливо содержит около 95% оставшегося урана, 1% плутония, 3–4% продуктов деления и актинидов. Это высокоактивный и тепловыделяющий материал, требующий специальных мер обращения.

ОЯТ может направляться:

  • на захоронение (открытый топливный цикл),
  • на переработку с целью выделения урана и плутония (замкнутый цикл).

Переработка ОЯТ

Цель переработки — извлечение ценных делящихся материалов и уменьшение объёма и опасности отходов.

Классический метод — PUREX (Plutonium and Uranium Recovery by Extraction). Он основан на жидкостной экстракции урана и плутония из растворённого в азотной кислоте ОЯТ с использованием органических растворителей (например, трибутилфосфата).

Выделенные вещества могут быть повторно использованы в виде MOX-топлива. Остатки представляют собой высокоактивные радиоактивные отходы, подлежащие долговременному хранению.

Замкнутый и открытый топливные циклы

Открытый цикл:

  • Топливо после выгорания не перерабатывается,
  • ОЯТ считается отходом и направляется на хранение и захоронение,
  • Простой технологически, но неэффективный с точки зрения ресурсов.

Замкнутый цикл:

  • Уран и плутоний извлекаются и возвращаются в оборот,
  • Снижается потребность в природном уране,
  • Уменьшается объём высокоактивных отходов,
  • Возможность инкорпорации минорных актинидов для трансмутации.

Замкнутый цикл требует более сложной инфраструктуры, в том числе перерабатывающих и фабрикационных предприятий, и системы обращения с радиоактивными материалами.

Топливо для реакторов на быстрых нейтронах

Быстрые реакторы предъявляют особые требования к топливу:

  • Необходим высокий уровень делящегося материала (плутоний или обогащённый уран),
  • Часто используют металлическое топливо или карбиды/нитриды,
  • Такие реакторы способны размножать топливо (бридер-эффект), превращая U-238 в Pu-239,
  • Перспективны для замыкания топливного цикла и утилизации минорных актинидов.

Обращение с радиоактивными отходами

Различают:

  • Низко- и среднеактивные отходы (НСАО) — технологические материалы, облучённое оборудование, смолы, фильтры.
  • Высокоактивные отходы (ВАО) — концентраты, образующиеся при переработке ОЯТ.

Методы утилизации:

  • Витрификация — включение отходов в стеклообразную матрицу,
  • Захоронение в глубоких геологических формациях,
  • Хранение в бассейнах выдержки или сухих контейнерах (промежуточный этап).

Перспективы развития топливного цикла

  • Топливо с повышенным выгоранием: продление кампаний, уменьшение количества ОЯТ.
  • Унификация топливных сборок для разных реакторов.
  • Разработка технологий переработки, устойчивых к распространению ядерного оружия (например, UREX+, GANEX).
  • Международные инициативы по многонациональному управлению топливным циклом и совместному использованию инфраструктуры.
  • Топливо нового поколения: торий, инертные матрицы, высокотемпературные композиционные материалы.
Оглавление