981
14 мая 2020 в 15:11
Автор: Дмитрий Мелеховец

Ядовитая зеленая жижа в бочках? Все как в «Симпсонах»? Задаем глупые вопросы о ядерном топливе, которое привезли в Беларусь

Буквально на прошлой неделе стало известно, что на Белорусскую АЭС прибыл состав с ядерным топливом для первого энергоблока. Примерные сроки завоза назывались и раньше, а вот точная дата держалась в секрете по понятным причинам. «Атомка» вот-вот должна заработать, но вопросов о ее работе у белорусов все еще крайне много. Мы постарались ответить хотя бы на маленькую их часть и обратились к экспертам, задав им максимально наивные, простые и глупые вопросы о сложных процессах, которые так или иначе касаются каждого из нас.

Как производится ядерное топливо? Как оно выглядит? Похоже на то, с чем работает Гомер Симпсон? 

Слово «топливо» рождает ассоциации с природными ресурсами (чаще всего — углеводородами), которые сжигают для получения энергии. Однако ядерное топливо (так называемые тепловыделяющие сборки), в отличие от нефти, газа или угля, — это сложная высокотехнологичная продукция, которая по всем международным классификаторам относится к товарам энергетического машиностроения.

Длинная производственная цепочка создания ядерного топлива начинается с добычи урана. Его добывают несколькими способами: методом подземного выщелачивания либо в шахтах или открытых карьерах.

Урановую руду перемалывают и растворяют для появления концентрированной соли урана, которую затем высушивают до сухого концентрата. Полученные оксиды урана смешивают с фтором, превращая в гексафторид урана, который легко может принимать газообразную форму. Это понадобится на следующей стадии — при обогащении. Таким образом, уран несколько раз меняет свое состояние, переходя из твердого вещества в жидкое и газообразное.

На обогатительных заводах гексафторид урана в газообразном состоянии закачивают в центрифуги, в которых за счет высокой скорости вращения создается центробежная сила, превышающая силу тяготения Земли в сотни тысяч раз. Газовая центрифуга вращается со скоростью более 1,5 тыс. оборотов в секунду. В процессе обогащения тяжелые атомы урана-238 отделяются от более легких атомов урана-235 и концентрация урана-235 увеличивается. Для топлива энергетических реакторов уран обогащают по изотопу уран-235 на уровне до 5%.

Для производства ядерного топлива обогащенный уран вновь переводят из газообразного в твердое состояние. Порошкообразный обогащенный диоксид урана смешивают с пластификатором и кладут под пресс.

На выходе получаются спрессованные таблетки, которые затем проходят процесс спекания при температуре около 1800 градусов в течение 18—20 часов.

Полученная в процессе спекания топливная таблетка весит всего четыре с половиной грамма, но в ней скрыта огромная энергия. По энерговыделению она эквивалентна 640 кг дров, 400 кг каменного угля, 360 куб. м газа, 350 кг нефти.

Далее готовые таблетки помещаются в специальные металлические трубки — оболочки твэлов. Тепловыделяющий элемент (твэл) — это основа конструкции ядерного топлива. Он представляет собой герметично заваренную металлическую трубку из циркониевого сплава, которая снаряжается топливными таблетками (в топливе реактора ВВЭР-1200 — приблизительно 350 шт.). Твэлы собирают в топливные кассеты — тепловыделяющие сборки (ТВС). В одной ТВС для реактора ВВЭР-1200 — 312 твэлов, активная зона реактора состоит из 163 ТВС.

Все процессы полностью автоматизированы, проходят под постоянным контролем компьютеров, и любая случайность или влияние человеческого фактора минимизированы.

Так как же выглядит ядерное топливо? Это сложная металлическая конструкция более четырех метров в длину и массой порядка 800 кг.

Производителем топлива для Белорусской АЭС является Топливная компания «Росатома» «ТВЭЛ». Ядерное топливо для начальной загрузки первого энергоблока было изготовлено на Новосибирском заводе химконцентратов, одном из двух фабрикационных предприятий Топливного дивизиона «Росатома».

Как его везли в Беларусь? На поезде, самолете, машине? Все это делалось под большим секретом? 

Ядерное топливо можно перевозить в специальных транспортных упаковочных контейнерах повышенной прочности железнодорожным, воздушным и морским транспортом. Для поставки из России в Беларусь оптимальный вариант — железнодорожный.

Конфиденциальной информацией являются сами маршруты транспортировки ядерного топлива.

За многие десятилетия существования атомной энергетики мировая атомная промышленность давно выработала очень строгие нормы безопасности по транспортировке различных ядерных материалов. При этом перевозка свежего необлученного ядерного топлива не представляет радиационной опасности.

Как происходит процесс загрузки? Сотрудники делают это вручную или используют специальных роботов? 

Перед загрузкой топлива на атомной станции проходит обязательная проверка готовности персонала и оборудования, разрабатывается штатная программа и только после этого дается добро на загрузку. Топливные кассеты загружаются в реактор с помощью специальной перегрузочной машины. 

Что было бы, если бы защитная оболочка топлива раскололась, а порошок высыпался на землю?

В топливной кассете тепловыделяющие элементы (твэлы, то есть циркониевые трубки с урановыми таблетками внутри) соединены в жесткой конструкции с помощью решеток, металлического каркаса и других элементов. Такая конструкция сохраняет целостность даже после эксплуатации в активной зоне реактора при высоких температурах на протяжении 4—5 лет. Кроме того, внутри оболочки нет порошка, а есть спеченные топливные таблетки.

Загрузили топливо в реактор, а дальше что? Что с ним происходит в реакторе и как оно «отапливает» реактор?

В активной зоне происходит управляемая цепная ядерная реакция (то есть деление ядер урана внутри оболочек твэлов). Персонал АЭС может запускать и останавливать ядерную реакцию с помощью системы управления и защиты. Ядерная реакция сопровождается выделением огромного количества тепловой энергии, это тепло передается оболочкам твэлов, а от них — воде в ядерном реакторе. Вода первого контура реактора отдает тепло воде второго контура, и с точки зрения энергетики дело сделано: если вы можете нагреть воду и превратить ее в водяной пар под давлением, то он будет вращать паровую турбину, а электрогенератор — превращать энергию этого вращения в электричество.

Грубо говоря, если на ТЭС с паровыми турбинами, чтобы нагреть воду, приходится сжигать уголь, мазут или газ, то на АЭС вода нагревается от энергии деления атомного ядра. 

Сколько работает топливо после загрузки? Его работу как-то контролируют в реакторе?

В зависимости от топливного цикла, который у каждой АЭС индивидуален, каждая тепловыделяющая сборка может эксплуатироваться порядка 4—5 лет, в некоторых случаях — еще дольше. Когда на станции проводится регулярный планово-предупредительный ремонт, часть отработавшего топлива извлекают и подгружают свежее топливо. В зависимости от цикла облучения каждая ТВС меняет свою позицию в активной зоне. Состояние топлива регулярно контролируется и анализируется.

После того как топливо отработает свой срок, как его извлекают? 

Отработавшее ядерное топливо извлекается с помощью перегрузочной машины и первоначально направляется в так называемый бассейн выдержки. После нескольких лет хранения его энерговыделение существенно падает, и становится возможным его вывоз с площадки АЭС.

В мультиках отработавшее ядерное топливо имеет ядовито-зеленый цвет и хранится в бочках с предупреждающим знаком. А как на самом деле оно выглядит? 

Внешне отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) — это та же тепловыделяющая сборка. Но сама кассета уже облученная, а ее топливная композиция — частично «выгоревшая». Облученные ТВС могут безопасно храниться на специальных площадках в особых контейнерах либо направляться на переработку на специализированные заводы — зависит от стратегии обращения с ОЯТ.

Можно использовать отработанное топливо или это уже просто опасный мусор? 

Разумеется, можно. В разных странах существуют различные стратегии безопасного хранения или переработки ОЯТ. Рециклирование отработавшего ядерного топлива — это динамично развивающееся направление атомной науки. Существуют заводы по переработке ОЯТ, при этом «невыгоревший» уран и плутоний, образовавшийся внутри твэлов после облучения, можно извлекать и повторно использовать для производства уран-плутониевого топлива. Причем как для классических реакторов на тепловых нейтронах (РЕМИКС-топливо; сейчас оно проходит опытную эксплуатацию на Балаковской АЭС в России), так и для инновационных реакторов на быстрых нейтронах (МОКС-топливо и СНУП-топливо используются на Белоярской АЭС).

Покупай с оплатой онлайн по карте Visa и выигрывай iPhone каждую неделю

Карамелизированные апельсины в темном шоколаде; 100 г
Чашечка из темного шоколада, наполненная нежнейшей начинкой с соленой карамелью и украшенная сверху цельным миндалем; 100 г (конфета 16-17 г)
Цельная плитка из молочного шоколада, украшенная орехами и сублимированными ягодами

Подписывайтесь на наши новости в Google News!

Автор: Дмитрий Мелеховец