Ядерное объяснение Ядерный топливный цикл
Также в Энергия и окружающая среда объяснили
Невозобновляемые источники
Нефть и нефтепродукты
Бензин
Дизельное топливо
Топочный мазут
Закрывать
Также в Описание нефти и нефтепродуктов
Закрывать
Также в Бензин объяснил
Закрывать
Также в Дизельное топливо объяснил
Закрывать
Также в Объяснение мазута
Углеводородные газообразные жидкости
Природный газ
Каменный уголь
Ядерный
Закрывать
Также в Объяснение углеводородных газообразных жидкостей
Закрывать
Также в Объяснение природного газа
Закрывать
Также в Уголь объяснил
Закрывать
Также в Ядерное объяснение
Возобновляемые источники
Возобновляемая энергия
Гидроэнергетика
Биомасса
Биотопливо
Закрывать
Также в Объяснение возобновляемых источников энергии
Закрывать
Также в Гидроэнергетика объяснила
Закрывать
Также в Объяснение биомассы
Закрывать
Также в Биотопливо объяснил
Ветер
геотермальная
Солнечная
Закрывать
Также в Ветер объяснил
Закрывать
Также в Геотермальное объяснение
Закрывать
Также в Солнечное объяснение
Вторичные источники
Электричество
Водород
Закрывать
Также в Электричество объяснил
Закрывать
Также в Водород объяснил
Ядерный топливный цикл состоит из внешний интерфейс этапы подготовки урана для использования в ядерных реакторах и серверная часть меры по безопасному управлению, подготовке и утилизации использованных или потраченный— но все еще высокорадиоактивное отработавшее ядерное топливо.
Уран является наиболее широко используемым топливом на атомных электростанциях для ядерного деления. Атомные электростанции используют в качестве топлива определенный тип урана — U-235, потому что его атомы легко расщепляются. Хотя уран встречается примерно в 100 раз чаще, чем серебро, U-235 относительно редок и составляет немногим более 0,7% природного урана. Урановый концентрат выделяют из урановой руды на урановых фабриках или из шлама на установках подземного выщелачивания. Затем он перерабатывается на предприятиях по конверсии и обогащению, что повышает уровень урана-235 до 3–5% для коммерческих ядерных реакторов, и перерабатывается в топливные таблетки для реакторов и топливные стержни на заводах по изготовлению реакторного топлива.
Ядерное топливо загружается в реакторы и используется до тех пор, пока тепловыделяющие сборки не станут высокорадиоактивными и не должны быть удалены для временного хранения и последующего захоронения. Химическая обработка отработавшего топливного материала для извлечения любого оставшегося продукта, который может снова подвергнуться делению в новой тепловыделяющей сборке, технически осуществима, но не разрешена в Соединенных Штатах.
Источник: Центр радиационной науки и инженерии Университета штата Пенсильвания (общественное достояние).
Передний конец ядерного топливного цикла
Исследование
Ядерный топливный цикл начинается с разведки урана и разработки месторождений для добычи урановой руды. Для обнаружения урана используются различные методы, такие как радиометрические исследования с воздуха, химический отбор проб подземных вод и почв и разведочное бурение для понимания лежащей в основе геологии. Как только месторождение урановой руды обнаружено, разработчик шахты обычно приступает к поиску более близко расположенных месторождений. заполнено, или эксплуатационное бурение, чтобы определить, сколько урана доступно и сколько может стоить его добыча.
Добыча урана
При обнаружении месторождений руды, извлечение которых экономически целесообразно, следующим этапом топливного цикла является добыча руды с использованием одного из следующих методов:
- подземная добыча
- добыча открытым способом
- добыча раствором на месте (на месте)
- кучное выщелачивание
До 1980 года большая часть урана в США добывалась открытым и подземным способом. Сегодня большая часть урана в США добывается с использованием метода добычи раствором, обычно называемого выщелачиванием на месте (ISL) или извлечением на месте (ISR). В ходе этого процесса извлекается уран, который покрывает частицы песка и гравия в резервуарах с подземными водами. Частицы песка и гравия подвергаются воздействию раствора с немного повышенным pH за счет использования кислорода, двуокиси углерода или каустической соды. Уран растворяется в грунтовых водах, которые откачиваются из резервуара и перерабатываются на урановом заводе.Кучное выщелачивание включает распыление кислого жидкого раствора на груды измельченной урановой руды. Раствор стекает через измельченную руду и выщелачивает уран из породы, который извлекается из-под отвала. Кучное выщелачивание больше не используется в Соединенных Штатах.
В 2021 году около 44,4 миллиона фунтов урана (U3О8 эквивалент) были загружены в коммерческие ядерные энергетические реакторы США.
Измельчение урана
После извлечения урановой руды из карьера или подземного рудника она перерабатывается в урановый концентрат на урановом заводе. Руда дробится, измельчается и измельчается в мелкий порошок. Химикаты добавляются к тонкому порошку, что вызывает реакцию, которая отделяет уран от других минералов. Подземные воды, образующиеся при добыче раствором, циркулируют через слой смолы для извлечения и концентрирования урана.
Несмотря на название, концентрированный урановый продукт обычно представляет собой черное или коричневое вещество, называемое желтый пряник (У3О8). Добытая урановая руда обычно дает от одного до четырех фунтов U.3О8 на тонну руды, или от 0,05% до 0,20% желтого кека. Твердые отходы карьерных и подземных горных работ называются хвосты мельницы. Обработанная вода после добычи раствором возвращается в резервуар подземных вод, где процесс добычи повторяется.
Конверсия урана
Следующим шагом в ядерном топливном цикле является преобразование желтого кека в гексафторид урана (UF6) газа на конвертерном комплексе. В природе встречаются три формы (изотопы) урана: U-234, U-235 и U-238. Текущие конструкции ядерных реакторов США требуют более высокой концентрации (обогащения) изотопа U-235 для эффективной работы. Газообразный гексафторид урана, получаемый на конвертерной установке, называется природным УФ.6 потому что первоначальные концентрации изотопов урана не изменились.
Обогащение урана
После преобразования УФ6 газ направляется на обогатительную фабрику, где происходит разделение отдельных изотопов урана с получением обогащенного UF6, который имеет концентрацию U-235 от 3% до 5%.
В США используются два типа процессов обогащения урана: газодиффузионный и газовый центрифужный. В настоящее время в Соединенных Штатах имеется одна действующая обогатительная фабрика, использующая процесс газовой центрифуги. Обогащенный УФ6 запечатывается в канистры и охлаждается и затвердевает перед транспортировкой на завод по сборке тепловыделяющих элементов ядерного реактора поездом, грузовиком или баржей.
Лазерное разделение изотопов атомного пара (AVLIS) и молекулярное лазерное разделение изотопов (MLIS) являются новыми технологиями обогащения, которые в настоящее время находятся в стадии разработки. Эти лазерные процессы обогащения позволяют достичь более высоких коэффициентов начального обогащения (разделения изотопов), чем процессы диффузии или центрифуги, и могут производить обогащенный уран быстрее, чем другие методы.
Реконверсия урана и изготовление ядерного топлива
После обогащения урана его можно превратить в ядерное топливо. На заводе по изготовлению ядерного топлива UF6, в твердой форме, нагревается до газообразной формы, а затем UF6 газ химически перерабатывается с образованием диоксида урана (UO2) пудра. Затем порошок прессуется и превращается в небольшие керамические топливные гранулы. Таблетки укладываются и запечатываются в длинные металлические трубки диаметром около 1 сантиметра, образующие топливные стержни. Затем топливные стержни связываются вместе, образуя топливную сборку. В зависимости от типа реактора каждая ТВС имеет от 179 до 264 твэлов. Типичная активная зона реактора содержит от 121 до 193 тепловыделяющих сборок.
У реактора
После изготовления тепловыделяющих сборок грузовики доставляют их на площадки реакторов. Топливные сборки хранятся на площадке в свежее топливо бункеры для хранения до тех пор, пока они не потребуются операторам реактора. На этом этапе уран лишь слегка радиоактивный, и практически все излучение содержится внутри металлических трубок. Обычно операторы реакторов меняют примерно одну треть активной зоны реактора (от 40 до 90 тепловыделяющих сборок) каждые 12–24 месяца.
Активная зона реактора представляет собой цилиндрическую конструкцию пучков топлива диаметром около 12 футов и высотой 14 футов, заключенную в стальной корпус высокого давления со стенками толщиной в несколько дюймов. Активная зона реактора практически не имеет движущихся частей, за исключением небольшого количества управляющих стержней, которые вставлены для регулирования реакции ядерного деления. Размещение тепловыделяющих сборок рядом друг с другом и добавление воды инициирует ядерную реакцию.
Сборка ядерного топлива
Источник: Комиссия по альтернативным источникам энергии и атомной энергии, Франция (общественное достояние).
Задняя часть ядерного топливного цикла
Промежуточное хранение и окончательная утилизация в США
После использования в реакторе тепловыделяющие сборки становятся высокорадиоактивными и должны быть удалены и храниться под водой на площадке реактора в бассейне выдержки в течение нескольких лет. Несмотря на то, что реакция деления остановилась, отработавшее топливо продолжает выделять тепло от распада радиоактивных элементов, образовавшихся при расщеплении атомов урана. Вода в бассейне служит как для охлаждения топлива, так и для блокировки выброса радиации. С 1968 г. по 31 декабря 2017 г. на площадках 119 закрытых и действующих коммерческих ядерных реакторов в США было выгружено и хранилось в общей сложности 276 879 тепловыделяющих сборок.
В течение нескольких лет отработавшее топливо охлаждается в бассейне и может быть перемещено в сухой контейнер для хранения на площадке электростанции. Многие операторы реакторов хранят старое отработавшее топливо в этих специальных наружных бетонных или стальных контейнерах с воздушным охлаждением. Узнайте больше о хранении отработавшего топлива.
Завершающим этапом ядерного топливного цикла является сбор отработавших тепловыделяющих сборок из пунктов временного хранения для окончательного захоронения в постоянном подземном хранилище. В настоящее время в Соединенных Штатах нет постоянного подземного хранилища высокоактивных ядерных отходов.
Последнее обновление: 12 июля 2022 г.
