Как производят ядерное топливо и почему люди не облучаются в процессе
Откуда берется ядерное топливо?
Принцип работы реактора большинству известен, он похож на большой чайник. В активной зоне происходит реакция расщепления урана, который, собственно, является топливом. Уран распадается на два осколка с примерными соотношением масс 2:3 и при этом выбрасывает 2-3 нейтрона. Нейтроны сообщают энергию другим ядрам урана и запускают вышеописанный процесс - происходит цепная реакция.
Помимо осколков и нейтронов, в реакции выделяется большое количество энергии, которую теми или иными способами переводят в тепловую, нагревая воду, часто используемую в качестве теплоносителя. Ну а дальше совсем ничего сложного - вода разогревается, превращается в пар, вращает турбины электростанции.
Это было “на пальцах”. Уран, например, не всегда является ядерным топливом - еще используют плутоний и торий, но их очень сложно произвести, а наличие урановых месторождений делает его самым выгодным для производства. Именно урановое топливо помогает ученым в создании замкнутого топливного цикла, когда отработавшее топливо не утилизируется, а отправляется на переработку, чтобы потом быть использованным снова и снова.
Месторождения
Залежи урановой руды с разными пропорциями урана расположены по всему миру. В зависимости от типа месторождения выбирается способ добычи - либо открытый со стандартными карьерами, либо в шахтах.
В породе уран и продукты его деления находятся в радиоактивном равновесии, но при закрытой добыче велик шанс получить облучение активным газом радоном, продуктами распада, внешним гамма и бета излучением. Открытая добыча не так опасна для персонала, но именно поэтому наносит больший урон окружающей среде.
В шахтах немного помогает принудительная вентиляция и строгое ограничение на время работы персонала внутри. В Канаде в шахтах люди почти не работают - многие функции, в том числе извлечение руды, возложены на технику под дистанционным управлением.
При работе месторождений велик шанс обнаружить различные интересности. Так, в Центральной Африке обнаружили природный ядерный реактор, в котором произвольно протекали реакции. К счастью, он был уже в “нерабочем” состоянии.
Опасности, связанные с облучением персонала, отчасти нивелируются новыми технологиями производства. Сейчас самым продвинутым считается выщелачивание.
Технологии добычи и обработки
Выщелачивание - это когда в скважину в породе заливается специальный реагент на основе серной кислоты, который на основе обменных реакций насыщается ураном и отправляется на переработку. В ее результате получают диоксид урана, который и служит ядерным топливом. Порошок прессуют в таблетки, обжигают при температуре в тысячу градусов, упаковывают в циркониевые трубки по тридцать штук в каждую и запаивают концы. На этих этапах переработки урановые топливные элементы не создают сильного радиационного фона, но даже это производство стремятся сделать автоматизированным.
Металлический уран в качестве ядерного топлива использовать не так выгодно. У него слишком низкая максимальная температура фазового перехода, при этом реакции сопровождаются увеличением объема металла.
Полученные топливные элементы в составе тепловыделяющих сборок отправляются на атомную станцию и помещаются в активную зону реактора, участвуя в цепной реакции. Элементы изнашиваются, но неравномерно - в центре активной зоны реакция проходит интенсивнее. Отработанное топливо из-за продуктов деления урана имеет достаточно высокую активность, поэтому, прежде чем его утилизировать или перерабатывать, необходимо поместить его в так называемый бассейн выдержки - большой водный резервуар, вода в котором служит защитой от излучения, в котором сборки проводят несколько лет. Излучение не прекращается, но уменьшается, распадаются изотопы с небольшим периодом полураспада. После этой процедуры топливо можно утилизировать или переработать.
Современные технологии позволяют из побочных продуктов деления урана получать плутоний, который используют в ядерных технологиях, в том числе, при разработке оружия.