Combustibile per centrali nucleari. Cos'è il combustibile nucleare esaurito? Cos'è l'efficienza

Perché l'uranio?

L'umanità si è legata mani e piedi con fili elettrici. Elettrodomestici, attrezzature industriali, illuminazione stradale, filobus, metropolitane, treni elettrici: tutti questi benefici della civiltà sono alimentati dalla rete elettrica; diventano "pezzi di ferro" privi di significato se la corrente viene a mancare per qualche motivo. Tuttavia, le persone sono già così abituate alla costanza dell'alimentazione che qualsiasi spegnimento provoca insoddisfazione e persino disagio. E davvero, cosa dovrebbe fare una persona se tutti gli elettrodomestici si spegnessero contemporaneamente, compresi quelli più amati: una TV, un computer e un frigorifero? È particolarmente difficile sopportare la "separazione" la sera, quando vuoi così tanto dopo il lavoro o lo studio, come si suol dire, prolungare le ore diurne. Salverà un tablet o un telefono, ma in fondo hanno anche una carica non eterna. È ancora peggio finire in una "cella di prigione", in cui, per volere di un blackout, può trasformarsi una cabina dell'ascensore o un vagone della metropolitana.

Perché tutto questo parlare? E al fatto che l'umanità "elettrizzata" ha bisogno di fonti di energia stabili e potenti, prima di tutto l'elettricità. Con la sua carenza, i blackout diventeranno fastidiosamente frequenti e il tenore di vita diminuirà. Per evitare che uno scenario spiacevole diventi realtà, è necessario costruire sempre più centrali elettriche: il consumo globale di energia è in crescita e le unità di potenza esistenti stanno gradualmente invecchiando.

Ma cosa può offrire l'energia moderna, che brucia principalmente carbone e gas, per risolvere il problema? Naturalmente, nuovi impianti a gas che distruggono preziose materie prime chimiche o blocchi di carbone che fumano il cielo. A proposito, le emissioni delle centrali termoelettriche sono ben note problema ecologico, ma anche l'industria dei combustibili fossili sta danneggiando l'ambiente. Ma il suo consumo è enorme. Ad esempio, per garantire il funzionamento di un frigorifero convenzionale durante l'anno, sarà necessario bruciare circa cento chilogrammi di carbone o centinaia di metri cubi di gas naturale. E questo è solo un elettrodomestico, di cui ce ne sono molti.

A proposito, quanto combustibile nucleare sarà necessario affinché il suddetto frigorifero funzioni per un anno intero? Difficile da credere, ma... solo un grammo!

La colossale intensità energetica del combustibile nucleare ricavato dall'uranio arricchito lo rende un degno concorrente del carbone e del gas. Infatti una centrale nucleare consuma centomila volte meno combustibile di una centrale termica. Ciò significa che l'estrazione mineraria per l'estrazione dell'uranio è su scala molto più piccola, il che è importante per ambiente. Inoltre, non ci sono emissioni di gas serra e tossici.

L'unità di potenza di una centrale nucleare con una capacità di mille megawatt consumerà solo tre dozzine di tonnellate di combustibile nucleare all'anno, e una centrale termica della stessa capacità avrà bisogno di circa tre milioni di tonnellate di carbone o tre miliardi di metri cubi di gas. In altre parole, per ottenere la stessa quantità di elettricità, avrai bisogno di più vagoni con combustibile nucleare all'anno o di più treni con carbone ... al giorno.

E le fonti energetiche rinnovabili? Sono, ovviamente, buoni, ma devono ancora essere migliorati. Prendiamo, ad esempio, l'area occupata dalla stazione. Nel caso di turbine eoliche e pannelli solariè di due ordini di grandezza superiore a quello delle centrali elettriche convenzionali. Ad esempio, se una centrale nucleare (NPP) si inserisce in un'area di un paio di chilometri quadrati, allora un parco eolico o un campo solare della stessa capacità occuperà diverse centinaia di chilometri quadrati. In poche parole, il rapporto tra le aree è simile a quello di un piccolo villaggio e di una città molto grande. Nel deserto, questo indicatore potrebbe non essere importante, ma nella zona dell'agricoltura o della silvicoltura, anche come.

Va detto che il combustibile nucleare è sempre pronto a funzionare, indipendentemente dalla stagione, dal giorno o dai capricci meteorologici, mentre il sole non splende di notte e il vento soffia quando vuole. Inoltre, in alcune aree, l'energia rinnovabile non sarà affatto redditizia a causa del basso flusso di energia solare o della bassa velocità media del vento. Per le centrali nucleari, tali problemi semplicemente non esistono.

Questi vantaggi dell'energia nucleare hanno determinato il ruolo eccezionale dell'uranio - come combustibile nucleare - per la civiltà moderna.

Chi ha ottenuto quanto?

In un vecchio cartone animato sovietico, gli animali hanno risolto un compito importante: hanno condiviso un'arancia. Di conseguenza, a tutti, tranne il lupo, è stata data una gustosa fetta succosa; il grigio doveva accontentarsi della buccia. In altre parole, non ha ottenuto una risorsa preziosa. Da questo punto di vista è interessante sapere come stanno le cose con l'uranio: tutti i paesi del mondo hanno le sue riserve o ce ne sono private?

In effetti, c'è molto uranio sulla Terra e questo metallo si trova quasi ovunque: nella crosta del nostro pianeta, negli oceani, persino nel corpo umano. Il problema sta nella sua "dispersione", "spalmatura" sulle rocce terrestri, che si traduce in una bassa concentrazione di uranio, il più delle volte insufficiente per organizzare una produzione industriale economicamente redditizia. Tuttavia, in alcuni luoghi ci sono accumuli con un alto contenuto di depositi di uranio. Sono distribuiti in modo non uniforme, rispettivamente, e le riserve di uranio variano a seconda del paese. La maggior parte dei depositi di questo elemento "fluttuò via" con l'Australia; inoltre, il Kazakistan, la Russia, il Canada e i paesi del Sud Africa sono stati fortunati. Tuttavia, questo quadro non è congelato, lo stato delle cose è in continua evoluzione a causa dell'esplorazione di nuovi depositi e dell'esaurimento di quelli vecchi.

Distribuzione delle riserve di uranio esplorato per paese (per le riserve con costi di produzione< $130/кг)

Un'enorme quantità di uranio si dissolve nelle acque dell'Oceano Mondiale: oltre quattro miliardi di tonnellate. Sembrerebbe che il "deposito" ideale - non voglio il mio. Gli scienziati hanno sviluppato speciali assorbenti per estrarre l'uranio dall'acqua di mare negli anni '80. Perché questo eccellente metodo non è universalmente applicato? Il problema è che la concentrazione di metallo è troppo bassa: solo circa tre milligrammi possono essere estratti da una tonnellata di acqua! È chiaro che tale uranio sarà troppo costoso. Secondo le stime, un chilogrammo costerà un paio di migliaia di dollari, che è molto più costoso della controparte "terrestre". Ma gli scienziati non sono turbati e inventano assorbenti sempre più efficaci. Quindi, forse nel prossimo futuro questo metodo di estrazione diventerà competitivo.

Ad oggi, il numero totale di riserve di uranio esplorate con un costo di produzione inferiore a 130 dollari al chilogrammo supera i 5,9 milioni di tonnellate. È molto? Abbastanza: se la capacità totale delle centrali nucleari rimane al livello attuale, l'uranio durerà cento anni. In confronto, le riserve comprovate di petrolio e gas possono essere esaurite in soli trenta o sessant'anni.

I primi dieci paesi in termini di riserve di uranio nel loro territorio (per riserve con il costo di estrazione< $130/кг)

Tuttavia, non dobbiamo dimenticare che, secondo le previsioni, l'industria dell'energia nucleare si svilupperà, quindi ora vale la pena pensare a come espandere la sua base di risorse.

Uno dei modi per risolvere il problema è trovare e sviluppare tempestivamente nuovi depositi. A giudicare dalle informazioni disponibili, questo non dovrebbe essere un problema: solo negli ultimi anni sono stati trovati nuovi giacimenti in alcuni paesi dell'Africa, del Sud America e anche in Svezia. È vero, è impossibile dire con certezza quanto sarà redditizia l'estrazione delle riserve scoperte. Può accadere che a causa del basso contenuto di uranio nel minerale e della difficoltà di sviluppare depositi, alcuni di essi debbano essere lasciati "per dopo". Il fatto è che i prezzi di questo metallo sono ora piuttosto bassi. Da un punto di vista economico, non c'è nulla di sorprendente. In primo luogo, nel mondo ci sono ancora depositi di uranio relativamente facile da estrarre e, quindi, economico: entra nel mercato e "abbassa" il prezzo. In secondo luogo, dopo l'incidente di Fukushima, alcuni paesi hanno modificato i loro piani per la costruzione di nuove centrali nucleari e il Giappone ha fermato del tutto tutte le sue centrali nucleari: c'è stato un calo della domanda, riducendo ulteriormente il costo dell'uranio. Ma questo non è per molto. Cina e India sono già entrate in gioco, progettando una costruzione su larga scala di centrali nucleari sul loro territorio. Altri paesi asiatici, ma anche africani e sudamericani, hanno progetti meno ambiziosi. Anche il Giappone, a quanto pare, non potrà separarsi dalla sua industria dell'energia nucleare. Pertanto, la domanda si riprenderà gradualmente e, insieme all'esaurimento dei depositi poco costosi, ciò porterà ad un aumento dei prezzi dell'uranio. Gli analisti ritengono che l'attesa non sia lunga, solo pochi anni. Quindi sarà possibile pensare allo sviluppo dei depositi lasciati "per dopo".

È interessante notare che gli elenchi dei paesi con le maggiori riserve di uranio e quelli con l'industria nucleare più sviluppata praticamente non coincidono. Un terzo della "ricchezza" mondiale di uranio si trova nelle viscere dell'Australia, ma non esiste una sola centrale nucleare nel continente verde. Il Kazakistan, leader mondiale nella produzione di questo metallo, si sta preparando a costruire diverse centrali nucleari. I paesi dell'Africa, per ragioni economiche e di altro tipo, sono ben lungi dall'entrare nella famiglia "nucleare" mondiale. L'unica centrale nucleare in questo continente si trova nella Repubblica del Sud Africa, che ha recentemente annunciato il suo desiderio di sviluppare ulteriormente l'energia nucleare. Tuttavia, finora anche il Sudafrica si è preso una pausa.

Cosa resta da fare ai giganti "atomici" - Stati Uniti, Francia, Giappone - e Cina e India, che avanzano alle loro calcagna, se i loro bisogni sono grandi e il gatto ha pianto per le proprie riserve? Certo, cerca di ottenere il controllo sui depositi e sulle imprese di estrazione dell'uranio in altri paesi. Questo compito è di natura strategica e, per risolverlo, gli stati entrano in dure battaglie. Offerta superata grandi aziende, vengono intraprese manovre politiche, vengono attuati schemi di corruzione clandestina le persone giuste o battaglie legali. In Africa, questa lotta può persino degenerare - e sta già degenerando - in guerre civili e rivoluzioni, sostenute segretamente dagli stati leader che cercano di ridistribuire le zone di influenza.

A questo proposito, la Russia è fortunata: le nostre centrali nucleari hanno riserve di uranio abbastanza decenti, che vengono estratte nel territorio del Trans-Baikal, nella regione di Kurgan e nella Repubblica di Buriazia. Inoltre, si stanno organizzando lavori di esplorazione attiva. Si presume che i depositi nella regione del Transbaikal, nella Siberia occidentale, nella Repubblica di Carelia, nella Repubblica di Kalmykia e nella regione di Rostov abbiano un grande potenziale.

Inoltre, Rosatom possiede anche attività estere: grandi blocchi di azioni in imprese minerarie di uranio in Kazakistan, Stati Uniti, Australia e sta anche lavorando a progetti promettenti nell'Africa meridionale. Di conseguenza, tra le principali aziende mondiali impegnate nella produzione di uranio, Rosatom detiene con sicurezza il terzo posto dopo Kazatomprom (Kazakistan) e Cameco (Canada).

Studiando la composizione chimica dei meteoriti, alcuni dei quali di origine marziana, gli scienziati hanno scoperto l'uranio. È vero, il suo contenuto si è rivelato significativamente inferiore rispetto alle rocce terrestri. Sì, ora è chiaro perché i marziani ci hanno frequentato sui loro dischi volanti.

Ma seriamente, si ritiene che l'uranio sia presente in tutti gli oggetti del sistema solare. Ad esempio, nel 2009 è stato scoperto nel suolo lunare. Immediatamente sono nate idee fantastiche, come estrarre uranio su un satellite e poi inviarlo sulla Terra. Un'altra opzione è quella di "alimentare" i reattori delle colonie lunari, rannicchiate vicino ai depositi. I depositi, tuttavia, non sono stati ancora ricercati; e da un punto di vista economico tale produzione sembra ancora irrealizzabile. Ma in futuro, chissà...

Se soffri a lungo, il carburante andrà a finire

La presenza di riserve di minerale di uranio è solo una componente del successo. A differenza del legno o del carbone, che non richiedono una preparazione particolarmente complessa prima di entrare nel forno, il minerale non può essere semplicemente tagliato a pezzi e gettato nel reattore. Per spiegare perché, è necessario menzionare una serie di caratteristiche inerenti all'uranio.

Dal punto di vista chimico questo elemento è molto attivo, tende cioè a formare vari composti; quindi, cercare le sue pepite in natura, come l'oro, è un affare completamente senza speranza. Allora cosa si chiama minerale di uranio? Roccia contenente piccolissime quantità di minerali di uranio. Spesso aggiunto: piccolo, ma sufficiente perché la produzione commerciale sia approvata dagli economisti. Ad esempio, oggi è considerato opportuno sviluppare il minerale, una tonnellata del quale contiene solo pochi chilogrammi o addirittura centinaia di grammi di uranio. Il resto è roccia vuota, inutile, da cui devono essere isolati i minerali di uranio. Ma anche loro non possono ancora essere caricati in un reattore nucleare. Il fatto è che questi minerali sono molto spesso ossidi o sali insolubili di uranio in compagnia di altri elementi. Alcuni di essi possono essere utili per l'industria e l'organizzazione della loro produzione associata può migliorare la performance economica. Ma anche se non vi è tale necessità, l'uranio deve comunque essere purificato dalle impurità. Altrimenti, il combustibile nucleare a base di uranio "sporco" potrebbe causare malfunzionamenti del reattore o addirittura un incidente.

Tuttavia, anche l'uranio purificato non può essere definito combustibile nucleare con assoluta certezza. Il trucco sta nella sua composizione isotopica: per mille atomi di uranio in natura, ci sono solo sette atomi di uranio-235, che è necessario affinché avvenga la reazione a catena di fissione. Il resto è uranio-238, che praticamente non è fissile e assorbe persino i neutroni. Tuttavia, è del tutto possibile avviare un reattore all'uranio naturale, a condizione che venga utilizzato un moderatore molto efficace, come l'acqua pesante costosa o la grafite più pura. Solo loro consentono ai neutroni formati durante la fissione del nucleo di uranio-235 di rallentare così rapidamente per avere il tempo di entrare in altri nuclei di uranio-235 e causare la loro fissione, e non essere catturati ingloriosamente dall'uranio-238. Ma per una serie di ragioni, la stragrande maggioranza dei reattori del mondo utilizza un approccio diverso: l'uranio naturale è arricchito in isotopi fissili. In altre parole, il contenuto di atomi di uranio-235 viene aumentato artificialmente da sette a diverse dozzine per mille. Per questo motivo, i neutroni li colpiscono più spesso e diventa possibile utilizzare moderatori più economici, anche se meno efficaci, come l'acqua ordinaria.

E l'uranio arricchito lo è già prodotto finale? Ancora una volta no, poiché i reattori di potenza prevedono il trasferimento di calore "nucleare" a un refrigerante che bagna il combustibile, molto spesso acqua. A causa dell'accumulo di prodotti di fissione, il combustibile, così come si trova nel reattore in funzione, diventa altamente radioattivo. In nessun caso deve essere lasciato sciogliere in acqua. Per fare ciò, l'uranio viene trasferito in uno stato chimicamente stabile e viene anche isolato dal liquido di raffreddamento, coprendolo con un guscio metallico. Il risultato è un dispositivo tecnico complesso contenente composti di uranio arricchito, che può essere definito combustibile nucleare con piena fiducia.

Le operazioni menzionate - l'estrazione dell'uranio, la sua purificazione e arricchimento, nonché la produzione di combustibile nucleare - sono le fasi iniziali del cosiddetto ciclo del combustibile nucleare. È necessario conoscere ciascuno di essi in modo più dettagliato.

L'emivita dell'uranio-238 è di 4,5 miliardi di anni, mentre quella dell'uranio-235 è di soli 700 milioni di anni. Si scopre che l'isotopo fissile decade molte volte più velocemente di quello principale. Se ci pensi, significa che in passato il contenuto di uranio-235 nella miscela naturale di isotopi era maggiore di adesso. Ad esempio, un miliardo di anni fa, su mille atomi di uranio, sedici avevano un nucleo con 235 nucleoni, due miliardi di anni fa il loro numero era trentasette e tre miliardi di anni prima di oggi - ben ottanta! In effetti, il minerale in quei tempi lontani conteneva uranio, che oggi chiamiamo arricchito. E potrebbe anche succedere che in qualche campo un reattore nucleare naturale cominci a funzionare da solo!

Gli scienziati ritengono che questo sia esattamente quello che è successo a diversi depositi di uranio super ricchi del deposito di Oklo, situato nel territorio del moderno Gabon. 1,8 miliardi di anni fa, in essi iniziò spontaneamente una reazione nucleare a catena. È stato avviato dai neutroni prodotti durante la fissione spontanea, quindi un'alta concentrazione di uranio-235 e la presenza di acqua nel minerale, un moderatore di neutroni, hanno funzionato. In una parola, la reazione divenne autosufficiente e proseguì, ora attivandosi, ora svanendo, per diverse centinaia di migliaia di anni. Quindi i reattori si sono spenti, apparentemente a causa di un cambiamento nel regime idrico.

Ad oggi, è l'unico reattore nucleare naturale conosciuto. Inoltre, allo stato attuale, tali processi non possono avviarsi in nessun campo. Il motivo è abbastanza comprensibile: è rimasto troppo poco uranio-235.

Prova a scavare

I minerali di uranio vengono raramente in superficie. Molto spesso si trovano a una profondità compresa tra cinquanta metri e due chilometri.

I depositi poco profondi sono sviluppati da un pozzo aperto o, come viene anche chiamato, un metodo di cava. Le rocce dure vengono perforate e fatte saltare, quindi, utilizzando caricatori, vengono caricate su autocarri con cassone ribaltabile e portate fuori dalla cava. Le rocce sciolte vengono sviluppate e caricate su camion da miniera utilizzando escavatori convenzionali o rotanti, i bulldozer sono ampiamente utilizzati. La potenza e le dimensioni di questa tecnica sono sorprendenti: ad esempio, i già citati autocarri con cassone ribaltabile hanno una capacità di carico di cento o più tonnellate! Purtroppo è grande anche la scala della cava stessa, la cui profondità può raggiungere i trecento metri. Dopo il completamento dei lavori, si apre come un enorme buco nella superficie terrestre e accanto ad esso si alzano i cumuli di roccia che coprivano i depositi di uranio. In linea di massima una cava può essere ricoperta con queste discariche, piantando sopra erba e alberi; ma sarà proibitivo. Pertanto, le fosse vengono gradualmente riempite d'acqua e si formano laghi che non sono soggetti a uso economico a causa dell'aumento del contenuto di uranio nell'acqua. Potrebbero esserci anche problemi associati all'inquinamento delle acque sotterranee, quindi le cave di uranio richiedono un'attenzione speciale.

Tuttavia, l'estrazione a cielo aperto dell'uranio sta gradualmente diventando un ricordo del passato per una ragione del tutto banale: i depositi vicino alla superficie sono quasi finiti. Ora dobbiamo occuparci di minerali profondamente nascosti. Tradizionalmente, sono sviluppati con il metodo sotterraneo (mio). Basta non immaginare uomini barbuti severi con picconi che strisciano attraverso i lavori e tagliano il minerale. Ora il lavoro dei minatori è in gran parte meccanizzato. Nella roccia contenente uranio vengono praticati dei fori, speciali fori profondi in cui vengono collocati gli esplosivi. Dopo l'esplosione, il minerale frantumato viene prelevato con una benna da una macchina di carico e trasporto e scorre lungo tortuose gallerie strette fino ai carrelli. I carrelli pieni vengono trasportati al pozzo verticale della miniera da una piccola locomotiva elettrica, quindi con l'ausilio di una gabbia - una specie di ascensore - il minerale viene sollevato in superficie.

L'estrazione sotterranea ha una serie di caratteristiche. In primo luogo, può essere vantaggioso solo nel caso di minerali di alta qualità con un alto contenuto di uranio, che si trovano a non più di due chilometri di profondità. Altrimenti, i costi di estrazione, estrazione e ulteriore lavorazione del minerale renderanno l'uranio praticamente "oro". In secondo luogo, il regno sotterraneo delle miniere di uranio è uno spazio chiuso in cui aleggia polvere radioattiva e gas radon non meno radioattivo. Pertanto, senza ventilazione potente e mezzi speciali protezioni come i respiratori sono indispensabili per i minatori.

Sia nell'estrazione a cielo aperto che in miniera, il minerale viene estratto sotto forma di pezzi piuttosto grandi. Quando li raccoglie con la benna di un escavatore o con una macchina carica e scarica, l'operatore non sa se sta selezionando un minerale ricco di minerali di uranio, o roccia di scarto, o una via di mezzo. Del resto il deposito non è molto omogeneo nella sua composizione, e l'uso di macchine potenti non permette di lavorare finemente e con garbo. Ma l'invio per ulteriori lavorazioni di pezzi che non contengono quasi uranio è almeno irragionevole! Pertanto, il minerale viene selezionato utilizzando la proprietà principale dell'uranio, con la quale non è difficile rilevarlo: la radioattività. Speciali sensori di radiazioni ionizzanti consentono, sia in fase di carico che già nel serbatoio di trasporto, di suddividere il minerale in più grani a seconda dell'intensità della radiazione da esso emessa. La roccia di scarto viene inviata alle discariche. Minerale ricco - all'impianto idrometallurgico. Ma il minerale con una piccola ma notevole quantità di uranio viene smistato di nuovo, con maggiore attenzione. Prima viene frantumato, diviso per pezzatura, dopodiché i pezzi vengono scaricati su un nastro trasportatore in movimento. Sopra di esso è installato un sensore di radiazioni ionizzanti, il cui segnale entra nel sistema di controllo automatizzato delle tapparelle situato all'estremità del nastro. Il sensore è impostato in modo tale da reagire a un pezzo di minerale radioattivo che passa sotto di esso contenente minerali di uranio. Quindi la saracinesca gira e il minerale cade in un apposito bunker di minerale, da dove viene trasportato all'impianto idrometallurgico. A sua volta, la roccia di scarto non "disturba" in alcun modo il sensore e la serranda e cade in un'altra scatola, nella discarica.

Schema semplificato di selezione radiometrica del minerale (i complessi moderni sono molto più complicati)

Lo schema descritto è approssimativo, fondamentale: nulla impedisce lo smistamento del minerale nelle imprese con altri metodi noti. Tuttavia, la pratica ha dimostrato che non sono adatti per i minerali di uranio. Pertanto, lo smistamento radiometrico - con rilevatori di radiazioni - è diventato gradualmente la tecnologia principale.

In realtà, nello smistamento del minerale si distingue anche una certa categoria media che, in termini di contenuto di uranio, non può essere attribuita né al minerale ricco né alla roccia di scarto. In altre parole, inviarlo a un impianto idrometallurgico è costoso (una perdita di tempo e di reagenti), ed è un peccato mandarlo in discarica. Tale minerale povero viene accatastato in grandi mucchi e versato con acido solforico all'aperto, dissolvendo gradualmente l'uranio. La soluzione risultante viene pompata per un'ulteriore elaborazione.

Nell'impianto idrometallurgico, il minerale ricco dovrà essere ulteriormente frantumato, quasi allo stato di polvere, e quindi sciolto.

Il minerale viene frantumato in vari mulini, ad esempio mulini a tamburo: materiale frantumato e sfere metalliche come palle di cannone vengono versate all'interno di un tamburo cavo rotante. Durante la rotazione, le sfere colpiscono i pezzi di minerale, macinandoli e riducendoli in polvere.

Il minerale frantumato viene "aperto", cioè parzialmente disciolto mediante trattamento con acido solforico o nitrico o una loro miscela. Il risultato è una soluzione di uranio contenente molte impurità. A volte, se il minerale di uranio contiene molti carbonati naturali, l'acido non viene utilizzato. Altrimenti, si verificherà una reazione che ricorda l'estinzione della soda con l'aceto, con un rilascio intenso diossido di carbonio, e il reagente andrà sprecato. Come essere? Si scopre che tali minerali possono essere "aperti" con una soluzione di soda. Di conseguenza, si otterrà anche una soluzione di uranio, che verrà ulteriormente elaborata.

Ma i resti di minerale non disciolto devono essere inviati a speciali sterili, non agli oggetti più "amichevoli" in relazione all'ambiente. Vale la pena ricordare la roccia di scarto separata durante il processo di cernita: viene gettata in discarica. Sia gli sterili che le discariche contengono piccole quantità di uranio, che li rende potenzialmente pericolosi. A questo proposito, sorge la domanda: è possibile organizzare l'attività mineraria in modo tale da arrecare il minimo danno alla natura e garantire la sicurezza dei lavoratori?

È possibile ed è stato praticato per molto tempo. Il metodo di estrazione in questione è chiamato lisciviazione in situ a fondo pozzo. La sua essenza è che il deposito è "trafitto" da molti pozzi. Alcuni di essi, chiamati pompaggio, sono alimentati con acido solforico, che scende in profondità, attraversa il minerale e dissolve l'uranio. Quindi la preziosa soluzione metallica viene prelevata dalle profondità attraverso altri pozzi di pompaggio.

Cosa succede: niente discariche, niente sterili, niente polvere, niente buchi o doline inaspettate nel terreno, ma alla fine - la stessa soluzione di uranio? SÌ. Inoltre, il metodo della lisciviazione sotterranea a fondo pozzo sviluppa minerali molto poveri, che sono economicamente non redditizi per essere estratti con un metodo a cielo aperto o in miniera. Ma con una tale serie di vantaggi, devono esserci degli svantaggi! Ebbene, in primo luogo, perforare pozzi più profondi di ottocento metri è irrazionale dal punto di vista dei costi. In secondo luogo, il metodo non funziona in minerali densi e non porosi. In terzo luogo, l'acido solforico disturba ancora la composizione e il comportamento delle acque sotterranee nel deposito, anche se questi disturbi si “risolvono” da soli nel tempo. È molto più pericoloso se la soluzione fuoriesce dalla superficie o penetra in modo indiretto - lungo fessure e faglie - nelle acque sotterranee. Pertanto, il processo è strettamente monitorato perforando pozzi di controllo.

Lisciviazione in situ da pozzo

Per evitare i suddetti problemi, è stata inventata una versione "miniera" della lisciviazione sotterranea: i blocchi di minerale nelle lavorazioni vengono frantumati dalle esplosioni, quindi vengono versati dall'alto con una soluzione di lisciviazione (acido solforico), prelevando la soluzione di uranio da sotto - attraverso il sistema di drenaggio.

In ogni caso, oggi la lisciviazione sotterranea è il modo più ecologico per estrarre l'uranio. Questo è uno dei motivi della crescita esplosiva della sua popolarità. Se nel 2000 solo il quindici percento dell'uranio veniva estratto mediante lisciviazione sotterranea, oggi questa cifra è quasi del cinquanta percento!

La lisciviazione in situ diventa la principale tecnologia di estrazione dell'uranio

Di solito, i depositi di uranio vengono ricercati utilizzando sensori di radiazioni ionizzanti; più specificamente, radiazioni gamma. Innanzitutto, un aereo dotato di tali sensori sorvola l'area. È solo in suo potere correggere l'anomalia della radiazione: uno sfondo leggermente aumentato sul campo. Quindi viene lanciato in azienda un elicottero, che più lentamente e con maggiore precisione “delinea” i confini dell'area promettente. Alla fine, in questo territorio arrivano cercatori con strumenti di misura e trapani. Sulla base dei risultati del loro lavoro, verrà costruita una mappa della presenza di minerali di uranio e verrà calcolato il costo dell'estrazione.

Tuttavia, i depositi di minerale di uranio possono segnalarsi anche in altri modi. Ad esempio, cambiando l'aspetto delle piante che crescono sopra di loro: i petali di salice, solitamente rosa, diventano bianchi; i mirtilli diventano verdi o diventano bianchi. Le radici profonde del ginepro che crescono sopra il deposito assorbono bene l'uranio e si accumula nei rami e negli aghi. Trasformandoli in cenere e controllando il contenuto di uranio, si può capire se vale la pena estrarre il metallo principale dell'energia nucleare in quest'area.

La pulizia è la chiave per la salute (reattore nucleare)

La soluzione di uranio ottenuta "aprendo" il minerale o nel processo di lisciviazione sotterranea non è molto pura. In altre parole, oltre all'uranio, contiene una serie di elementi chimici presenti nella crosta terrestre: sodio e potassio, calcio e magnesio, ferro, nichel e rame - e molti altri. Non stupitevi della formazione di una "composta" così densa, perché l'acido solforico è altamente reattivo e dissolve molte sostanze naturali; è positivo che non tutto il minerale sia intero. Ma per la produzione di combustibile nucleare è necessario l'uranio più puro. Se tra gli atomi di uranio ci sono qua e là atomi di impurità, il reattore potrebbe non avviarsi o, peggio ancora, guastarsi. Le cause di tali problemi saranno discusse molto presto, ma per ora puoi impostare il compito: purificare l'uranio. Ed è anche desiderabile ottenerlo in una forma solida, comoda per il trasporto. In effetti, le soluzioni non sono adatte al trasporto: a loro "piace" rovesciarsi o filtrare troppo attraverso le perdite.

Nell'industria, questo problema viene risolto in più fasi. Innanzitutto, la soluzione viene concentrata passando attraverso materiali speciali che raccolgono l'uranio su se stessi: assorbenti. Appare la prima opportunità di purificazione: gli assorbenti sono selezionati in modo tale che altri elementi quasi non si “sedano” su di essi, rimangano in soluzione. Quindi l'uranio viene lavato via dall'assorbente, ad esempio, con lo stesso acido solforico. Questa procedura può sembrare priva di significato, se non si spiega che è necessario molto meno acido per il "risciacquo" rispetto al volume della soluzione originale. È così che prendono due piccioni con una fava: aumentano la concentrazione di uranio e rimuovono parzialmente le impurità non necessarie.

Il secondo stadio di purificazione è associato alla produzione di composti di uranio solido. Vengono precipitati da una soluzione concentrata aggiungendo noti reagenti "medici": ammoniaca, perossido di idrogeno, nonché alcali o carbonati. Va notato che l'uranio non precipita come metallo; generalmente non è facile da ottenere in forma metallica a causa della sua elevata attività chimica - questo è già stato menzionato. Sotto l'azione dei suddetti reggenti, vari composti di uranio scarsamente solubili affondano sul fondo dell'apparato. Essiccati e frantumati, sono una polvere gialla che, per la sua apparente somiglianza con una torta, viene spesso chiamata "torta gialla". Dopo averlo calcinato ad alta temperatura, si ottiene una miscela meno bella di ossidi di uranio: un colore verde sporco o addirittura nero.

La torta gialla può essere inviata alle imprese di arricchimento dell'uranio

La torta gialla o una miscela di ossidi di uranio è praticamente sicura dal punto di vista delle radiazioni. Pertanto, per il trasporto, vengono caricati in fusti di metallo da 200 litri o contenitori speciali. Essere a una distanza di un metro da un tale contenitore non è "dannoso" come volare su un aereo, essere esposti alle radiazioni cosmiche. Ma la maggior parte delle persone non ha paura di volare! Quindi, non c'è motivo di aver paura dei barili con la torta gialla.

Quando fanno precipitare i composti di uranio, cercano di condurre il processo in modo tale che la maggior parte delle impurità rimanga in soluzione. Ma alcuni di loro riescono ancora a "sfondare". È particolarmente negativo se elementi che assorbono fortemente i neutroni - boro, cadmio, metalli delle terre rare - entrano nel prodotto. Anche in microconcentrazioni sono in grado di interferire con la reazione a catena della fissione. Avendo prodotto combustibile dall'uranio contaminato, sarà possibile chiedersi a lungo perché il reattore non vuole funzionare normalmente.

Inoltre, le impurità indesiderabili includono elementi che riducono la plasticità del combustibile nucleare e lo fanno gonfiare ed espandere con l'aumentare della temperatura. Questi includono il silicio e il fosforo presenti in natura, così come il tungsteno e il molibdeno. A proposito, la plasticità è solitamente chiamata la capacità di un materiale di cambiare forma e dimensione senza collassare. Questo è molto importante per il combustibile, che si riscalda dall'interno a causa della reazione nucleare a catena che si svolge al suo interno e, quindi, subisce deformazioni di temperatura. L'alta temperatura non dovrebbe portare a un'eccessiva espansione del combustibile di uranio, altrimenti romperà il contenimento ed entrerà in contatto con il refrigerante. La conseguenza di tale "comunicazione" può essere la dissoluzione dei prodotti di fissione dell'uranio radioattivo in un refrigerante caldo (il più delle volte acqua) con la loro successiva diffusione attraverso tutte le condutture e gli apparati. Probabilmente non è necessario spiegare che questo rischia di peggiorare la situazione radiativa alla centrale: le dosi ricevute dal personale operativo aumenteranno sensibilmente.

Come dice il proverbio, è meglio essere troppo vestiti che poco vestiti. Pertanto, è necessaria anche una terza - ultima - fase di purificazione, chiamata raffinazione. I composti di uranio consegnati in barili o contenitori vengono sciolti in acido, ora in acido nitrico. La soluzione risultante viene messa in contatto con un estrattore, una sostanza organica liquida che assorbe l'uranio, ma non le impurità. Quindi, gli elementi indesiderabili rimangono in soluzione e l'uranio entra nel "organico". A seguito di una serie di operazioni successive, viene nuovamente riportato sotto forma di ossidi che hanno già la necessaria purezza "reattore".

Ora va tutto bene e puoi procedere alla fase successiva: un aumento artificiale della concentrazione di uranio-235.

I segreti dell'arricchimento

All'inizio del capitolo si è già detto che in una miscela naturale di isotopi di uranio c'è pochissimo uranio-235 fissile e troppo "pigro" uranio-238: per sette atomi del primo ce ne sono circa novecentonovanta -tre atomi del secondo. Per la maggior parte dei reattori attualmente in funzione, questo non è adatto. Hanno bisogno di combustibile in cui, su mille atomi di uranio, diverse dozzine di pezzi appartengono all'isotopo-235, e non pochi, come nell'uranio naturale. E per creare una bomba è assolutamente necessario l'uranio-235 quasi puro.

Risolvere il problema dell'arricchimento dell'uranio, cioè dell'aumento del contenuto di un isotopo fissile, è molto difficile. Sembrerebbe, come mai? Dopotutto, la chimica dispone di un'ampia gamma di tecniche per isolare le sostanze dalle miscele. È possibile "raccogliere" solo poche centinaia di grammi di uranio da una tonnellata di minerale! È davvero impossibile fare lo stesso con gli isotopi: in qualche modo separare l'uno dall'altro? Il problema è che le proprietà chimiche di tutti gli isotopi di un certo elemento sono le stesse, perché sono determinate dal numero di elettroni, non dalla composizione del nucleo. In altre parole, è impossibile eseguire una tale reazione in cui l'uranio-235, ad esempio, rimarrebbe in soluzione e l'uranio-238 precipiterebbe. Con qualsiasi manipolazione, entrambi si comportano in modo simile. Allo stesso modo, non sarà possibile separare chimicamente gli isotopi del carbonio o del potassio, in generale qualsiasi elemento.

Esiste un tale parametro: il grado di arricchimento, che è la percentuale (in percentuale) di uranio-235 nella massa totale di uranio. Ad esempio, il grado di arricchimento dell'uranio naturale, in cui ci sono sette atomi fissili ogni mille atomi, è dello 0,7%. Nel caso del combustibile nucleare proveniente da centrali nucleari, questa cifra deve essere aumentata al 3-5% e per la produzione del riempimento di una bomba atomica - fino al 90% e oltre.

Come essere? È necessario trovare tali proprietà in cui gli isotopi - almeno minimamente - differirebbero l'uno dall'altro. La prima cosa che viene in mente è la massa di un atomo. In effetti, ci sono tre neutroni in più nel nucleo dell'uranio-238 che nell'uranio-235; quindi l'isotopo "pigro" pesa un po' di più. E poiché la massa è una misura dell'inerzia e si manifesta in movimento, i modi principali per arricchire l'uranio sono associati alle differenze nel movimento dei suoi isotopi in condizioni appositamente create.

Storicamente, la prima tecnologia di arricchimento è stata la separazione elettromagnetica degli isotopi. Dal nome è chiaro che i campi elettrici e magnetici sono in qualche modo coinvolti nel processo. Infatti, in questo metodo, gli ioni di uranio precedentemente ottenuti vengono dispersi da un campo elettrico e lanciati in uno magnetico. Poiché gli ioni hanno una carica, in un campo magnetico iniziano a "trasportare", si attorcigliano in un arco di un certo raggio. Ad esempio, possiamo ricordare la divisione dei raggi di uranio in un campo magnetico in tre flussi, un effetto scoperto da Rutherford. Le particelle alfa e beta, che hanno una carica elettrica, deviano da un percorso rettilineo, ma la radiazione gamma no. In questo caso, il raggio dell'arco lungo il quale una particella carica si muove in un campo magnetico dipende dalla sua massa: più pesa, più lentamente gira. Questo può essere paragonato al tentativo di inserirsi in una brusca svolta di due conducenti spericolati, uno dei quali guida un'auto e l'altro è un camion. È chiaro che è molto più facile manovrare un'autovettura, mentre un camion potrebbe sbandare. Qualcosa di simile accade in un campo magnetico con ioni di uranio-235 e uranio-238 in rapido movimento. Questi ultimi sono leggermente più pesanti, hanno più inerzia e il loro raggio di sterzata è leggermente più grande: per questo motivo il flusso di ioni di uranio è diviso in due. In senso figurato, puoi mettere due scatole, in una delle quali raccogliere l'isotopo fissile, l'uranio-235, e nella seconda - l'uranio-238 "non necessario".

In un campo magnetico, la traiettoria delle particelle cariche è curva e più forte è, più leggera è la particella

Il principio del metodo di separazione degli isotopi elettromagnetici: gli ioni di uranio-235 più leggeri si muovono in un campo magnetico lungo una traiettoria di raggio minore rispetto agli ioni di uranio-238

Il metodo di separazione elettromagnetica è buono sotto quasi tutti gli aspetti, ad eccezione della produttività, che, come al solito, ne limita l'applicazione industriale. In realtà, questo è il motivo per cui l'impianto americano Y-12 a Oak Ridge, che produceva uranio arricchito per la bomba "Kid" lanciata su Hiroshima utilizzando la tecnologia di separazione elettromagnetica, chiuse nel 1946. Va chiarito che l'Y-12 ha portato ad un alto grado di arricchimento dell'uranio, precedentemente arricchito in altri modi più produttivi. Il loro miglioramento ha appena spinto l'ultimo chiodo nella bara della tecnologia di separazione degli isotopi elettromagnetici: non è più utilizzata nell'industria.

È interessante notare che la separazione elettromagnetica è un metodo universale che consente di isolare piccole quantità di qualsiasi isotopo in forma pura. Pertanto, il nostro analogo di Y-12 è la pianta 418, ora nota come Elektrokhimpribor Plant (Lesnoy Regione di Sverdlovsk), - ha la tecnologia per produrre più di duecento isotopi di quarantasette elementi chimici dal litio al piombo. Questi non sono solo numeri impressionanti: i prodotti della pianta sono davvero necessari a scienziati, medici, industriali ... A proposito, sono prodotti nell'impianto SU-20, lo stesso che produceva uranio per armi con un arricchimento livello vicino al 90% nei primi anni '50.

I primi decenni del dopoguerra divennero un periodo di accumulo attivo di arsenali di armi nucleari. La soluzione di questo problema aveva la massima priorità, quindi non consideravano particolarmente i costi: era importante avviare l'arricchimento di massa dell'uranio. L'accento è stato posto sulla diffusione gassosa, una tecnologia di arricchimento estremamente energivora, ma allo stesso tempo produttiva. Le sue radici affondano nel campo della teoria dei gas, la quale afferma che a una certa temperatura, la velocità media di una molecola di gas è inversamente proporzionale alla sua massa: più è pesante, più lentamente si muove. Questa differenza è particolarmente evidente quando ci si sposta lungo "tubi" sottili, il cui diametro è paragonabile alla dimensione della molecola. Un chiaro, anche se non esatto, esempio è il varo delle barchette di carta in un ruscello: una barchetta, portata via da un corso d'acqua, si muoverà velocemente; ma se pieghi un grande vaso di carta delle dimensioni di un letto di ruscello, andrà più lentamente, toccando costantemente le rive. Tornando all'uranio, possiamo dire che l'isotopo bersaglio con 235 nucleoni nel nucleo si muoverà lungo il "tubo" più velocemente dell'uranio-238. All'uscita da esso si otterrà un gas arricchito con un isotopo fissile. L'unica domanda è come trasformare l'uranio in gas e dove trovare un "tubo" così sottile.

"Gassificazione" dell'uranio - requisito obbligatorio tecnologia basata sulla teoria dei gas. Non puoi scrivere niente qui. Ma dopo tutto, tutti i composti dell'uranio sono solidi, difficili da fondere, figuriamoci da evaporare. Anche se, se ci pensi, esiste un composto di grande successo: l'esafluoruro di uranio, in cui l'uranio è circondato da sei atomi di fluoro. Si trasforma prontamente in un gas già a 56 ° C e bypassando lo stato liquido. In fisica, tale processo è solitamente chiamato sublimazione o sublimazione. Questo fenomeno è noto da tempo e non c'è nulla di sorprendente in esso. La sublimazione, ad esempio, viene utilizzata dalle casalinghe del villaggio che asciugano i vestiti al freddo: il ghiaccio evapora nell'aria secca, semplicemente passando allo stato liquido.

Quindi puoi immaginare la molecola di esafluoruro di uranio

Si scopre che l'esafluoruro di uranio è molto conveniente dal punto di vista tecnologico. A temperature ordinarie è solido e può essere trasportato in appositi contenitori. Si trasforma in un gas a bassa temperatura. Bene, sotto una certa pressione, l'esafluoruro riscaldato diventa un liquido che può essere pompato attraverso le tubazioni.

Un'altra fortunata circostanza è che il fluoro naturale è costituito da un solo isotopo: il fluoro-19. Ciò significa che la differenza tra le masse delle molecole di esafluoruro di uranio-235 e di esafluoruro di uranio-238 è determinata esclusivamente dagli isotopi di uranio. In caso contrario, la separazione sarebbe troppo difficile o addirittura impossibile, poiché il fluoro avrebbe un effetto eccessivo sulla massa delle molecole.

La produzione di esafluoruro di uranio in Russia viene effettuata mediante conversione: fluorurazione di vari composti di uranio, ad esempio torta gialla o una miscela di ossidi ricevuti dalle imprese minerarie di uranio. Il fluoro molecolare per questi scopi è ottenuto dalla fluorite minerale naturale. Viene trattato con acido solforico per formare acido fluoridrico (fluoridrico), la cui elettrolisi dà fluoro.

È interessante notare che la fluorurazione è contemporaneamente il quarto stadio della purificazione dell'uranio, poiché i fluoruri delle impurità più dannose non sono altamente volatili: l'uranio sotto forma di esafluoruro "vola via" da essi nella fase gassosa.

L'esafluoruro di uranio ha un grosso svantaggio: è una sostanza aggressiva e tossica. In primo luogo, quando viene a contatto con acqua o umidità nell'aria, viene rilasciato acido fluoridrico velenoso. In secondo luogo, l'uranio stesso è un veleno cellulare generale che colpisce tutti gli organi. (È interessante notare che la sua tossicità è di natura chimica e praticamente non correlata alla radioattività). Pertanto, l'esafluoruro di uranio, che combina due pericoli contemporaneamente, dovrebbe essere trasportato e conservato in appositi contenitori metallici e sotto un'attenta supervisione. Ciò garantisce la sicurezza della popolazione e dell'ambiente.

Quindi, c'è il gas; Ma per quanto riguarda i tubi sottili? Una soluzione adatta si è rivelata partizioni porose: piastre perforate da molti pori molto piccoli. Il diametro di questi ultimi deve essere dell'ordine di dieci nanometri, in modo che le molecole li attraversino quasi una ad una. La necessità di realizzare partizioni con pori di dimensioni così ridotte ha causato alcune difficoltà, ma il problema è stato comunque risolto utilizzando approcci speciali: sinterizzazione del nichel o dissoluzione selettiva di uno dei metalli che compongono la lega bimetallica.

Se creiamo una scatola con una partizione così porosa e vi pompiamo esafluoruro di uranio, le molecole con un isotopo leggero passeranno attraverso la partizione un po' più velocemente. In altre parole, dopo di esso, l'esafluoruro di uranio sarà leggermente arricchito nell'isotopo fissile. Se invii gas alla stessa scatola successiva, il grado di arricchimento aumenterà e così via. È vero che per ottenere un elevato grado di arricchimento sono necessarie cascate di migliaia (!) di scatole installate una dopo l'altra, dette gradini. Ma come far salire l'uranio su questi gradini? Solo pompandolo con molti compressori. Da qui gli svantaggi del metodo: enormi costi energetici, la necessità di costruire milioni di metri quadrati di spazio produttivo - la lunghezza dell'officina può raggiungere un chilometro - e l'utilizzo di materiali costosi. È vero, tutto questo è coperto da prestazioni davvero elevate. Ecco perché la tecnologia di arricchimento della diffusione gassosa è rimasta a lungo la principale per giganti nucleari come Stati Uniti, Francia e Cina, che in seguito si sono uniti a loro. Solo negli ultimi anni hanno iniziato una transizione attiva verso una tecnologia di centrifugazione del gas più economica.

Schema di funzionamento dello stadio di diffusione del gas

Negli anni '60, l'impianto chimico di elettrolisi di Angarsk (regione di Irkutsk, Russia), impegnato nell'arricchimento dell'uranio utilizzando la tecnologia di diffusione del gas, consumava circa l'uno percento (!) di tutta l'elettricità prodotta nell'Unione Sovietica. L'energia gli veniva fornita dalle centrali idroelettriche di Bratsk e Irkutsk. In effetti, era il più grande consumatore di elettricità dell'URSS.

In generale, la prima esperienza ha mostrato che la diffusione del gas può risolvere il problema, ma a un prezzo troppo alto. L'Unione Sovietica, coinvolta nella corsa agli armamenti, aveva bisogno di una tecnologia più produttiva e meno energivora per l'arricchimento dell'uranio. Non era così facile per uno stato indebolito dalla guerra tenere il passo con gli Stati Uniti con il loro potente potenziale economico ed energetico. Ciò era dovuto, tra l'altro, alla mancanza di capacità di generazione di energia elettrica nella parte europea del Paese: ecco perché gli impianti di arricchimento furono costruiti in Siberia, dove potevano essere alimentati da grandi centrali idroelettriche. Tuttavia, gli impianti di diffusione gassosa consumavano troppa energia, non consentendo di aumentare la produzione di uranio arricchito. Pertanto, l'URSS doveva diventare un pioniere nell'applicazione industriale di una tecnologia alternativa: la centrifuga a gas.

La centrifugazione del gas consiste nel far girare ad alta velocità un tamburo riempito di esafluoruro di uranio gassoso. Sotto l'azione della forza centrifuga, l'esafluoruro di uranio-238 più pesante viene "spremuto" sulla parete del tamburo e l'esafluoruro di uranio-235, un composto più leggero, rimane vicino al suo asse. Usando tubi speciali, puoi raccogliere uranio leggermente arricchito dal centro del tamburo e uranio leggermente impoverito dalla periferia.

Schema di funzionamento di una centrifuga a gas

Da un punto di vista tecnico, il tamburo appena discusso è la parte rotante (rotore) di una centrifuga a gas. Gira senza sosta in un involucro sottovuoto e poggia con un ago su un cuscinetto reggispinta realizzato in un materiale molto resistente: il corindone. La scelta del materiale non è sorprendente, poiché la velocità del rotore può superare i 1500 giri al secondo, cento volte più veloce del tamburo lavatrice. Una sostanza fragile non resisterà a un tale impatto. Inoltre, affinché il cuscinetto reggispinta non si usuri e non collassi, il rotore è sospeso in un campo magnetico in modo che prema appena sul corindone con il suo ago. Questa tecnica, oltre all'elevata precisione delle parti di fabbricazione della centrifuga, le consente di ruotare rapidamente, ma quasi silenziosamente.

Come nel caso della diffusione gassosa, una centrifuga non è un guerriero sul campo. Per raggiungere il grado richiesto di arricchimento e produttività, vengono combinati in enormi cascate costituite da decine di migliaia (!) di macchine. Semplificando, ogni centrifuga è collegata a due delle sue "vicine". L'esafluoruro di uranio a ridotto contenuto di uranio-235, prelevato dalla parete nella parte superiore del rotore, viene inviato alla centrifuga precedente; e il gas leggermente arricchito in uranio-235, che viene prelevato dall'asse di rotazione nella parte inferiore del rotore, va alla macchina successiva. Pertanto, ad ogni fase successiva viene fornito sempre più uranio arricchito fino ad ottenere un prodotto della qualità richiesta.

Sfuggendo in lontananza cascate di centrifughe a gas

Oggi, la separazione centrifuga è il metodo principale per l'arricchimento dell'uranio, poiché questa tecnologia richiede circa cinquanta volte meno elettricità rispetto alla diffusione del gas. Inoltre, le centrifughe sono meno ingombranti delle macchine a diffusione, facilitando l'aumento della produzione. Il metodo della centrifugazione è utilizzato in Russia, Gran Bretagna, Germania, Olanda, Giappone, Cina, India, Pakistan, Iran; la transizione alla tecnologia delle centrifughe a gas in Francia e negli Stati Uniti è quasi completata. In altre parole, non c'è più spazio per la diffusione gassosa.

Grazie a una lunga storia di utilizzo e miglioramento, le centrifughe a gas russe sono le migliori al mondo. Per mezzo secolo sono già cambiate nove generazioni di auto ad alta velocità, che sono diventate gradualmente più potenti e affidabili. Grazie a ciò, l'URSS ha resistito con successo alla "corsa nucleare" con gli Stati Uniti e, quando il compito più importante è stato completato, sono apparse capacità libere. Di conseguenza, il nostro Paese è diventato un leader mondiale non solo nello sviluppo e nella produzione di centrifughe a gas, ma anche nella fornitura di servizi commerciali per l'arricchimento dell'uranio.

Le nostre centrifughe a gas:

Tradizionalmente hanno un'altezza da mezzo metro a un metro, un diametro da dieci a venti centimetri;

Si trovano uno sopra l'altro su tre o sette livelli per risparmiare spazio;

Possono lavorare ininterrottamente fino a trent'anni, il record è di trentadue anni.

La velocità di rotazione del rotore di una centrifuga a gas è tale che dopo un'interruzione di corrente ruoterà per inerzia per circa due mesi!

Il boom della tecnologia delle centrifughe a gas è associato allo sviluppo attivo dell'energia nucleare. Le centrali nucleari sono imprese commerciali orientate al profitto e quindi necessitano di combustibile a basso costo e quindi di tecnologie di arricchimento a basso costo. Questo requisito seppellì gradualmente la diffusione gassosa.

Ma anche la centrifugazione a gas non dovrebbe riposare sugli allori. Di recente, sempre più spesso si sente parlare dell'arricchimento laser, un metodo noto da più di quarant'anni. Si scopre che con l'aiuto di un laser finemente sintonizzato è possibile ionizzare selettivamente, cioè trasformare i composti di uranio-235 in particelle cariche. In questo caso, i composti dell'uranio-238 non vengono ionizzati, rimanendo scarichi. Gli ioni risultanti possono essere facilmente separati dalle molecole neutre con mezzi chimici o fisici, ad esempio attirandoli con un magnete o una piastra carica (collettore).

Possibile schema di funzionamento dell'impianto di arricchimento dell'uranio laser

Apparentemente, l'arricchimento laser è una tecnologia molto efficace, ma le sue prestazioni economiche rimangono un mistero. Tutti i precedenti tentativi di passare dalla versione di laboratorio a uso industriale"Crashed on the rocks" di prestazioni insufficienti e breve durata dell'attrezzatura. Attualmente, negli Stati Uniti è in corso un nuovo tentativo di creare una tale produzione. Ma anche se ha successo, la domanda rimane efficienza economica. Il mercato dei servizi di arricchimento accetterà la nuova tecnologia solo se è significativamente più economica di quella esistente. Ma le centrifughe a gas non hanno ancora raggiunto il limite delle loro capacità. Pertanto, le prospettive immediate per l'arricchimento laser rimangono molto vaghe.

Esistono numerosi altri metodi di arricchimento dell'uranio: diffusione termica, separazione aerodinamica, processo ionico, ma praticamente non vengono utilizzati.

Quando si parla di tecnologie di arricchimento dell'uranio, va ricordato che aprono la strada non solo al combustibile nucleare, ma anche alla bomba. La creazione di industrie sempre più efficienti e compatte comporta la minaccia della proliferazione nucleare. In linea di principio, lo sviluppo della tecnologia può portare a una situazione in cui la bomba sarà fabbricata da stati con regimi instabili, per usare un eufemismo, o anche da grandi organizzazioni terroristiche. E se un impianto di diffusione del gas o di centrifuga a gas è difficile da costruire inosservato e il loro lancio richiederà l'importazione di grandi volumi di materiali e attrezzature caratteristici, allora l'arricchimento laser garantisce praticamente la segretezza. In generale, il rischio per il fragile mondo esistente è in aumento.

Gli impianti di arricchimento dell'uranio producono un prodotto di uranio arricchito (EUP) - esafluoruro di uranio con il grado di arricchimento richiesto. Viene posto in appositi contenitori e inviato agli impianti di produzione di combustibile nucleare. Ma allo stesso tempo, le imprese di arricchimento producono anche esafluoruro di uranio impoverito (DUHF) con un grado di arricchimento dello 0,3%, che è inferiore a quello dell'uranio naturale. In altre parole, è praticamente puro uranio-238. Da dove proviene? In sostanza, il processo di arricchimento assomiglia alla separazione di preziosi minerali dalla roccia di scarto. Il DUHF è una specie di roccia di scarto, dalla quale è stato prelevato, anche se non completamente, l'uranio-235. (La separazione al cento per cento dell'isotopo fissile dall'uranio-238 non è redditizia dal punto di vista economico). Quanto esafluoruro di uranio impoverito si forma? Dipende dal grado richiesto di arricchimento dell'uranio. Ad esempio, se è del 4,3%, come nel combustibile dei reattori VVVER, dieci chilogrammi di esafluoruro di uranio, che ha una composizione isotopica naturale (0,7% di uranio-235), producono solo un chilogrammo di OUP e nove chilogrammi di DUHF. In una parola, parecchio. Oltre 1,5 milioni di tonnellate di DUHF sono state accumulate nei loro siti in appositi container durante l'intero periodo di funzionamento degli impianti di arricchimento, di cui circa 700.000 tonnellate in Russia. Ci sono diversi atteggiamenti nei confronti di questa sostanza nel mondo, ma prevale l'opinione sul DUHF come preziosa materia prima strategica (vedi capitolo 7).

Fabbricare - nel miglior senso della parola

La produzione (fabbricazione) di combustibile nucleare inizia con la trasformazione chimica del prodotto di uranio arricchito in biossido di uranio. Questo processo può essere svolto in due modi principali. La prima si chiama tecnologia "wet" e consiste nella dissoluzione dell'esafluoruro in acqua, nella precipitazione di composti scarsamente solubili sotto l'azione di alcali e nella loro calcinazione in atmosfera di idrogeno. La seconda tecnologia - "a secco" - è più preferibile, poiché non produce scorie radioattive liquide: l'esafluoruro di uranio viene bruciato in una fiamma di idrogeno.

In entrambi i casi si ottiene polvere di biossido di uranio, che viene pressata in piccole pastiglie e sinterizzata in forni a una temperatura di circa 1750 ° C per dar loro forza - dopotutto, le pastiglie dovranno "lavorare" in condizioni di alta temperatura e radiazione. Le pastiglie vengono poi lavorate su rettificatrici con utensili diamantati. Questo passaggio è necessario perché le dimensioni della tavoletta e la qualità della sua superficie devono essere mantenute in modo molto accurato. Errori nella fabbricazione di un pellet separato possono portare a danni al combustibile nel reattore durante la sua espansione termica e, di conseguenza, a un deterioramento della situazione di radiazione in una centrale nucleare. Pertanto, tutti i pellet di biossido di uranio vengono attentamente controllati e successivamente entrano in una scatola speciale, dove la macchina li inserisce in tubi di zirconio con una piccola miscela di niobio.

Un tubo caricato con pellet è chiamato elemento combustibile o, in breve, barra combustibile. Quindi, per rimuovere i gas corrosivi, la barra di combustibile viene evacuata, cioè l'aria viene "risucchiata" dal tubo, riempita con un gas inerte - l'elio più puro - e prodotta. L'ultima fase del processo di fabbricazione del combustibile nucleare è l'assemblaggio delle barre di combustibile in un gruppo di combustibile (FA) utilizzando griglie distanziatrici. Sono necessari affinché la struttura sia forte e le barre di combustibile non si tocchino. In caso contrario, nel punto di contatto, il guscio potrebbe bruciarsi, mentre il carburante sarà esposto ed entrerà in contatto con l'acqua, il che è del tutto indesiderabile.

Sequenza delle operazioni nella produzione di combustibile nucleare

Griglie distanziatrici

Quindi, i gruppi di combustibile sono un "fascio" di elementi combustibili di zirconio, all'interno dei quali è presente combustibile nucleare - biossido di uranio arricchito in un isotopo fissile. È necessario spiegare questa scelta di materiali. In un reattore nucleare, il gruppo combustibile è in condizioni di alta temperatura e un potente flusso di radiazioni ionizzanti, ed è anche lavato dall'esterno con acqua pressurizzata molto calda. Pertanto, gli elementi di combustibile nucleare devono avere resistenza chimica e alle radiazioni, condurre bene il calore ed espandersi molto poco quando riscaldati, altrimenti potrebbe verificarsi una crepa nel rivestimento del combustibile. Il biossido di uranio e lo zirconio soddisfano questi requisiti. Tuttavia, va ricordato ancora una volta che le pastiglie di biossido di uranio si trovano all'interno degli elementi combustibili ed entrano in contatto con l'acqua solo attraverso il rivestimento dell'elemento combustibile, ma non direttamente. L'interazione diretta con il refrigerante è estremamente indesiderabile e si verifica solo quando i gusci di zirconio vengono distrutti, ad esempio quando compaiono delle crepe. In questo caso, i prodotti di fissione radioattivi dell'uranio contenuti nel combustibile nucleare iniziano a dissolversi in acqua, il che porta ad un aumento della sua radioattività e ad un deterioramento della situazione di radiazione in una centrale nucleare. Per questo motivo, la fabbricazione del combustibile nucleare è un lavoro complesso e molto preciso che richiede accuratezza e controllo costante.

Dal punto di vista delle radiazioni, la produzione di combustibile nucleare non rappresenta un pericolo particolare. Il rischio è ancora minore che nell'estrazione del minerale, poiché il processo di purificazione rimuove dall'uranio tutte le sostanze radioattive associate.

Tuttavia, quando si lavora con uranio arricchito, può accumularsi una massa critica e, di conseguenza, può verificarsi la reazione a catena autosufficiente, già discussa nel capitolo 2. Ciò può accadere a causa di un errore, una violazione di le regole del lavoro, o anche per caso. In totale nel mondo sono stati registrati sessanta incidenti di questo tipo, di cui trentatré negli USA, diciannove in URSS/Russia. Ecco due esempi di incidenti domestici.

14 luglio 1961, Siberian Chemical Combine (arricchimento). La formazione di una massa critica a seguito dell'accumulo di esafluoruro di uranio con un alto grado di arricchimento (22,6%) nell'olio nel vaso di espansione della pompa del vuoto. Come risultato di un'esplosione di radiazioni che ha accompagnato la conseguente reazione a catena, l'operatore ha ricevuto una dose significativa di radiazioni e ha sofferto di malattia da radiazioni, anche se in forma relativamente lieve.

15 maggio 1997. Impianto di concentrati chimici di Novosibirsk (produzione di combustibile nucleare). La formazione di una massa critica a seguito dell'accumulo di un precipitato di uranio altamente arricchito (90%) sul fondo di due contenitori adiacenti per la raccolta di soluzioni a causa della loro deformazione. Fortunatamente, le dosi di radiazioni erano trascurabili.

Qual è la conclusione? L'uranio arricchito deve essere maneggiato con estrema cautela, osservando tutti i requisiti di sicurezza e, come si suol dire, "compresa la testa", cioè calcolando in anticipo i possibili rischi.

In conclusione, possiamo fornire parametri approssimativi dei gruppi di carburante utilizzati centrali nucleari russe con reattori VVER-1000.

Il pellet combustibile è un cilindro alto da 9 a 12 mm e con un diametro di 7,6 mm. È costituito da biossido di uranio, il cui grado di arricchimento è compreso tra il 3,3 e il 5,0%.

I pellet sono posti in una barra di combustibile fatta di zirconio contenente l'1% di niobio, lunga circa quattro metri e con un diametro di 9,1 mm. Lo spessore della parete dell'elemento combustibile è di soli 0,65 mm, pertanto, con una tale lunghezza, richiede una manipolazione estremamente precauzionale. L'elemento combustibile non è completamente riempito di pellet: l'altezza dello strato di pellet è di circa 3,5 metri e il loro peso totale è di circa 1,6 chilogrammi, con 62 grammi occupati dall'uranio-235.

Il gruppo di combustibile (FA) è assemblato da 312 barre di combustibile utilizzando 12-15 griglie distanziatrici. L'altezza del TVS raggiunge quasi 4,6 metri e la sua massa è di 760 kg. Allo stesso tempo, la massa del biossido di uranio è di circa mezza tonnellata, il resto ricade su zirconio e altri metalli. Se visto dall'alto, l'assieme è un esagono con una dimensione della faccia di 235 millimetri. Ogni gruppo ha 19 canali per le barre di controllo del reattore contenenti carburo di boro, un elemento che assorbe bene i neutroni.

Nel reattore vengono collocati 163 gruppi di combustibile, che corrispondono a 80 tonnellate di biossido di uranio, sufficienti per 4 anni di funzionamento del reattore.

Gruppi combustibili per reattori di vario tipo

Opzioni possibili

Quindi, il combustibile più comune per le centrali nucleari è il biossido di uranio in pellet, in cui l'uranio è arricchito nell'isotopo fissile (uranio-235). Tuttavia, esistono altri tipi di combustibile nucleare.

Dopo il biossido di uranio, il più comune è il combustibile a ossidi misti, noto come combustibile MOX. Ora viene prodotto principalmente il combustibile MOX, che è una miscela di ossidi di uranio e plutonio-239. Questo combustibile consente di utilizzare la quantità in eccesso di plutonio-239 per uso militare, accumulata durante la "corsa nucleare", per generare elettricità.

L'uranio metallico può anche essere usato come combustibile nucleare. I suoi vantaggi sono l'elevata conduttività termica e la massima concentrazione di nuclei fissili: semplicemente non ci sono altri elementi nel carburante. Allo stesso tempo, l'uranio, come metallo, ha una resistenza alle radiazioni, chimica e al calore inferiore rispetto al biossido, quindi è usato raramente nella sua forma pura. Per migliorare i parametri del combustibile metallico, all'uranio vengono aggiunti molibdeno, alluminio, silicio e zirconio. Oggi l'uranio metallico e le sue leghe sono utilizzate solo nei reattori di ricerca.

Invece del biossido di uranio, è possibile utilizzare il nitruro di uranio, cioè la sua combinazione con l'azoto. Il combustibile a base di nitruro ha una conduttività termica più elevata rispetto al biossido e un punto di fusione paragonabile (2855 o C). Il nitruro di uranio è considerato un combustibile promettente per gli ultimi reattori. Nel nostro paese, il combustibile a base di nitruro riceve la massima attenzione, poiché è previsto che venga utilizzato nella prossima generazione di reattori a neutroni veloci.

L'uranio è in grado di formare composti con carburi di carbonio. La possibilità di utilizzare i carburi come combustibile per i reattori è stata intensamente studiata negli anni '60 e '70. Tuttavia, nell'ultimo periodo, è riemerso l'interesse per questo tipo di combustibile, associato allo sviluppo di elementi combustibili in lamiera ed elementi di microcombustibile. Le caratteristiche positive dei carburi sono la buona conduttività termica, l'elevato punto di fusione, l'elevata durezza, la stabilità chimica e termica e la compatibilità con i rivestimenti ceramici, che è particolarmente importante per i microcombustibili. Il combustibile a base di carburo di uranio può essere l'opzione migliore per alcuni tipi di reattori di prossima generazione, in particolare per i reattori veloci raffreddati a gas.

Tuttavia, la stragrande maggioranza dei reattori sulla Terra funziona ancora con combustibile nucleare a base di biossido di uranio. Il potere della tradizione, per così dire.

Ciclo del carburante russo

Ora, dopo aver familiarizzato con le peculiarità del funzionamento delle industrie minerarie e di trasformazione, vale la pena dare una rapida occhiata alla storia e allo stato attuale del nostro ciclo del combustibile domestico. Devi iniziare, ovviamente, con l'estrazione dell'uranio.

All'inizio, i minerali di uranio interessavano gli scienziati domestici solo come fonte di radio. Nel 1900, il professor I.A. Antipov ha fatto un rapporto in una riunione della Società mineralogica di San Pietroburgo sulla scoperta del minerale di uranio in campioni portati da Fergana, dalla catena montuosa Tyuya-Muyun. Successivamente, questo minerale è stato chiamato tyuyamunite. Nel 1904 iniziarono i lavori di esplorazione in questo deposito, nel 1908 fu costruito un impianto sperimentale per la lavorazione del minerale di uranio a San Pietroburgo e nel 1913 fu fondata una società per azioni internazionale per l'estrazione del radio Tuyamuyun.

Quando iniziò la prima guerra mondiale, il lavoro nella miniera praticamente cessò e solo nel 1922 fu inviata a Tyuya-Muyun una spedizione composta da otto specialisti. Nello stesso 1922, in difficili condizioni post-rivoluzionarie, circondato da bande di Basmachi, fu possibile ristabilire l'estrazione industriale del minerale. Proseguì fino al 1936, quando abbondanti falde acquifere a duecento metri di profondità interruppero lo sviluppo del giacimento. Tuttavia, questo problema non è diventato critico, poiché l'estrazione del radio è stata stabilita presso l '"industria dell'acqua" sul fiume Ukhta: il metallo radioattivo è stato estratto dall'acqua salata sotterranea. L'uranio stesso in quegli anni interessava poco a nessuno, poiché praticamente non veniva utilizzato nell'industria.

Un nuovo aumento di interesse per i depositi di uranio si verificò all'inizio degli anni '40, quando l'URSS dovette affrontare la necessità di rispondere alla minaccia nucleare proveniente dagli Stati Uniti, cioè quando sorse la necessità di creare armi nucleari domestiche.

L'uranio per la prima bomba atomica sovietica fu letteralmente raccolto poco a poco in tutto il paese e oltre. Nel 1943, l'estrazione dell'uranio iniziò nella minuscola, secondo gli standard moderni, miniera di Taboshar in Tagikistan, con una capacità di sole 4 tonnellate di sali di uranio all'anno. Inoltre, secondo le memorie di P.Ya. Antropov, il primo ministro della geologia dell'URSS, “il minerale di uranio veniva trasportato per la lavorazione lungo i sentieri di montagna del Pamir in sacchi su asini e cammelli. Allora non c'erano strade o attrezzature adeguate.

Nel 1944-1945, mentre l'Europa veniva liberata dai nazisti, l'URSS ottenne l'accesso al minerale di uranio dal deposito di Goten in Bulgaria, dalle miniere di Yachimov in Cecoslovacchia e dalle miniere della Sassonia tedesca. Inoltre, nel 1946, la miniera Tyuya-Muyunsky fu rilanciata, ma non diede un contributo speciale alla causa comune.

Negli anni '50, con l'aiuto di Lermontovsky associazione di produzione"Almaz" iniziò a estrarre uranio nelle miniere delle montagne Beshtau e Byk ( Regione di Stavropol). Allo stesso tempo, hanno iniziato a sviluppare depositi nel Kazakistan meridionale e nell'Asia centrale.

Dopo il 1991, la maggior parte dei giacimenti sviluppati è finita fuori dalla Russia, in stati indipendenti. Da quel momento in poi, l'estrazione principale dell'uranio viene effettuata con il metodo della miniera presso la Priargunsky Production Mining and Chemical Association (Territorio del Transbaikal). Inoltre, due imprese che utilizzano la tecnologia della lisciviazione in situ da pozzo stanno gradualmente guadagnando forza: Khiagda (Repubblica di Buriazia) e Dalur (regione di Kurgan). Gli impianti di produzione sono in fase di progettazione in Yakutia. Ci sono anche regioni promettenti per la produzione: Transbaikal, Siberia occidentale, Nord Europa ...

In termini di riserve di uranio esplorate, la Russia è al terzo posto nel mondo.

Le imprese russe di estrazione dell'uranio sono gestite da ARMZ Uranium Holding (www.armz.ru), di proprietà di Rosatom, ma la State Corporation ha anche attività estere controllate da compagnia internazionale Uranium One Inc. (www.uranium1.com). Grazie all'attività di queste due organizzazioni, Rosatom ha raggiunto il terzo posto al mondo nella produzione di composti di uranio.

La situazione del mercato mondiale per la produzione di uranio naturale (2014)

Il testimone delle imprese minerarie viene raccolto da un intero complesso di produzioni per la raffinazione, la conversione e l'arricchimento dell'uranio, nonché per la fabbricazione di combustibile nucleare. La maggior parte di loro proviene dal periodo e dagli anni Cinquanta del secolo scorso, il periodo dell'accumulazione attiva di armi nucleari. Oggi lavorano per un'industria puramente pacifica: l'energia nucleare e forniscono i loro servizi a società straniere.

In Russia sono presenti quattro impianti di arricchimento, alcuni dei quali effettuano anche operazioni di purificazione finale (raffinazione) e fluorurazione (conversione) dei composti dell'uranio.

Il primo impianto di diffusione del gas per l'arricchimento dell'uranio D-1 a Sverdlovsk-44 iniziò a funzionare nel novembre 1949. Inizialmente, i suoi prodotti dovevano essere ulteriormente arricchiti nell'unità SU-20 del futuro impianto Elektrokhimpribor a Sverdlovsk-45 (Lesnoy), ma dopo un paio d'anni, D-1 iniziò a farcela da solo e iniziò a crescere. E dal 1967 iniziò la sostituzione delle cascate di diffusione con cascate di centrifughe. Oggi, sul sito del D-1 smantellato, si trova la più grande impresa mondiale di arricchimento dell'uranio: l'impianto elettrochimico degli Urali (Novouralsk, regione di Sverdlovsk).

Nel 1953, il futuro impianto chimico siberiano (Seversk, regione di Tomsk) iniziò a lavorare a Tomsk-7, che, dal 1973, iniziò a passare gradualmente alla tecnologia delle centrifughe a gas. Il primo uranio arricchito dall'impianto chimico di elettrolisi di Angarsk (Angarsk, regione di Irkutsk) è stato ottenuto nel 1957 e la sostituzione degli apparati di diffusione con le centrifughe è iniziata nel 1985. Infine, il 1962 divenne l'anno del lancio dell'impianto elettrochimico a Krasnoyarsk-45 (ora Zelenogorsk, territorio di Krasnoyarsk). Un paio di anni dopo vi furono installate le prime centrifughe.

Questo breve riferimento, ovviamente, non riflette la realtà di quell'epoca difficile. Sebbene dai nomi segreti e "numerati" delle città chiuse e dai nomi vaghi delle piante, si può capire che l'Unione Sovietica custodiva con cura i suoi segreti di arricchimento. Tuttavia, le posizioni dei principali impianti di produzione divennero note all'intelligence americana. Ma la transizione attiva alla tecnologia delle centrifughe a gas, come si suol dire, l'ha persa. Forse questo è stato il motivo di un certo compiacimento dei nostri concorrenti: non sapendo che in URSS veniva introdotta una tecnologia più produttiva ed efficiente, gli States hanno aderito al metodo inizialmente scelto: la diffusione gassosa. Ovviamente, la situazione attuale ha giocato nelle mani dell'Unione Sovietica e ha permesso di raggiungere rapidamente la parità nucleare. Allo stesso tempo, gli sviluppi pionieristici di scienziati e ingegneri sovietici per creare centrifughe a gas ad alte prestazioni non sono andati sprecati, portando la Russia a una posizione di leadership nel mercato mondiale per l'arricchimento dell'uranio e la produzione di centrifughe.

Il prodotto di uranio arricchito da quattro mietitrebbie viene fornito all'impianto di costruzione di macchine (Elektrostal, regione di Mosca) e all'impianto di concentrati chimici di Novosibirsk (Novosibirsk, l'omonima regione), dove viene eseguito un ciclo completo di produzione di combustibile nucleare. Lo zirconio per le barre di combustibile e altri materiali strutturali per i gruppi di combustibili sono forniti dallo stabilimento meccanico di Chepetsky (Glazov, Repubblica di Udmurt), l'unica impresa in Russia e la terza al mondo a fabbricare prodotti in zirconio.

I gruppi di combustibile fabbricati vengono consegnati alle centrali nucleari russe e straniere e vengono utilizzati anche nei reattori per altri scopi.

Le imprese per la raffinazione, la conversione e l'arricchimento dell'uranio, la fabbricazione di combustibile nucleare, la produzione di centrifughe a gas, nonché le organizzazioni di progettazione e ricerca sono unite come parte della TVEL Fuel Company di Rosatom (www.tvel.ru).

Come risultato di molti anni di lavoro di successo di questa azienda e delle sue imprese, Rosatom è in cima alla lista dei maggiori fornitori di servizi nel campo dell'arricchimento dell'uranio (36% del mercato mondiale).

C'è una banca di combustibile nucleare ad Angarsk, una riserva garantita che può essere acquistata da un paese che per qualche motivo è privato dell'opportunità di acquistare uranio sul libero mercato. Da questo stock sarà in grado di produrre nuovo combustibile nucleare e garantire il funzionamento ininterrotto della sua industria dell'energia nucleare.

La quota di Rosatom nel mercato globale del combustibile nucleare è del 17%, grazie alla quale ogni sesto reattore di potenza sulla Terra è caricato con combustibile del marchio TVEL. Le consegne vanno in Ungheria, Slovacchia, Repubblica Ceca, Bulgaria, Ucraina, Armenia, Finlandia, India e Cina.

Sopra - il mercato mondiale per l'arricchimento dell'uranio (2015), sotto - il mercato mondiale per la fabbricazione di combustibili (2015)

Aperto o chiuso?

Si può notare che questo capitolo non ha coperto la produzione di combustibile nucleare per i reattori di ricerca, nonché i reattori installati su sottomarini nucleari e rompighiaccio. L'intera discussione è stata dedicata al combustibile nucleare utilizzato nelle centrali nucleari. Tuttavia, questo non è stato fatto per caso. Il fatto è che semplicemente non ci sono differenze fondamentali tra la sequenza di produzione del combustibile per le centrali nucleari e, ad esempio, i sottomarini nucleari. Naturalmente, potrebbero esserci deviazioni nella tecnologia relative alle specifiche della nave e dei reattori di ricerca. Ad esempio, il primo dovrebbe essere di piccole dimensioni e, allo stesso tempo, abbastanza potente: questo è un requisito del tutto naturale per un rompighiaccio e, inoltre, un sottomarino nucleare manovrabile. Gli indicatori necessari possono essere raggiunti aumentando l'arricchimento dell'uranio, cioè aumentando la concentrazione di nuclei fissili, quindi sarà necessario meno carburante. Questo è esattamente ciò che fanno: il grado di arricchimento dell'uranio utilizzato come combustibile per i reattori navali è dell'ordine del 40% (a seconda del progetto, può variare dal 20 al 90%). Nei reattori di ricerca, il requisito abituale è raggiungere il massimo flusso di neutroni e anche il numero di neutroni nel reattore è direttamente correlato al numero di nuclei fissili. Pertanto, negli impianti destinati alla ricerca scientifica, a volte viene utilizzato uranio altamente arricchito con un contenuto di uranio-235 molto più elevato rispetto al combustibile dei reattori nucleari. Ma la tecnologia di arricchimento non cambia da questo.

Il progetto del reattore può determinare la composizione chimica del combustibile e il materiale di cui è composta la barra di combustibile. Attualmente, la principale forma chimica di combustibile è il biossido di uranio. Per quanto riguarda gli elementi combustibili, sono prevalentemente zirconio, ma, ad esempio, vengono prodotti elementi combustibili in acciaio inossidabile per il reattore a neutroni veloci BN-600. Ciò è dovuto all'uso di sodio liquido come refrigerante nei reattori BN, in cui lo zirconio viene distrutto (corroso) più velocemente dell'acciaio inossidabile. Tuttavia, l'essenza del processo di fabbricazione del combustibile nucleare rimane la stessa: la polvere di biossido di uranio viene sintetizzata dal prodotto di uranio arricchito, che viene pressato in pellet e sinterizzato, i pellet vengono inseriti nelle barre di combustibile e le barre di combustibile vengono assemblate in gruppi di combustibile (FA).

Inoltre, se consideriamo i cicli del combustibile nucleare di vari paesi, risulta, ad esempio, che in Russia i composti dell'uranio vengono direttamente fluorurati con fluoro molecolare durante la conversione, mentre all'estero vengono prima trattati con acido fluoridrico e solo successivamente con fluoro. La differenza si trova nella composizione chimica delle soluzioni per "aprire" il minerale, assorbenti ed estraenti; i parametri dei processi possono differire ... Ma lo schema del ciclo del combustibile nucleare non cambia da questo. La differenza fondamentale sta solo tra le sue versioni aperta (aperta) e chiusa (chiusa): nel primo caso, dopo aver "lavorato" in una centrale nucleare, il combustibile viene semplicemente isolato dall'ambiente in un profondo cimitero, e nella quest'ultimo, viene lavorato con l'estrazione di componenti pregiati (vedi capitolo 7). La Russia è uno dei pochi paesi che attuano un ciclo chiuso.

Un esempio di ciclo del combustibile chiuso con un'indicazione del ruolo della TVEL Fuel Company di Rosatom

Una centrale nucleare o NPP in breve è un complesso di strutture tecniche progettate per generare energia elettrica utilizzando l'energia rilasciata durante una reazione nucleare controllata.

Nella seconda metà degli anni '40, prima che fossero completati i lavori per la creazione della prima bomba atomica, testata il 29 agosto 1949, gli scienziati sovietici iniziarono a sviluppare i primi progetti per l'uso pacifico dell'energia atomica. La direzione principale dei progetti era l'industria dell'energia elettrica.

Nel maggio 1950, nell'area del villaggio di Obninskoye, nella regione di Kaluga, iniziò la costruzione della prima centrale nucleare al mondo.

Per la prima volta, l'elettricità è stata ricevuta utilizzando un reattore nucleare il 20 dicembre 1951 nello stato dell'Idaho negli Stati Uniti.

Per testare l'operabilità, il generatore è stato collegato a quattro lampade a incandescenza, ma non mi aspettavo che le lampade si accendessero.

Da quel momento in poi, l'umanità iniziò a utilizzare l'energia di un reattore nucleare per generare elettricità.

Le prime centrali nucleari

La costruzione della prima centrale nucleare al mondo con una capacità di 5 MW fu completata nel 1954 e il 27 giugno 1954 fu avviata, quindi iniziò a funzionare.

Nel 1958 fu messa in funzione la prima fase della centrale nucleare siberiana con una capacità di 100 MW.

Anche la costruzione della centrale nucleare industriale di Beloyarsk iniziò nel 1958. Il 26 aprile 1964 il generatore del 1° stadio diede corrente ai consumatori.

Nel settembre 1964 fu varata la prima unità Novovoronezh NPP con una potenza di 210 MW. La seconda unità con una capacità di 350 MW è stata lanciata nel dicembre 1969.

Nel 1973 fu lanciata la centrale nucleare di Leningrado.

In altri paesi, la prima centrale nucleare industriale è stata messa in funzione nel 1956 a Calder Hall (Gran Bretagna) con una capacità di 46 MW.

Nel 1957 fu messa in funzione una centrale nucleare da 60 MW a Shippingport (USA).

I leader mondiali nella produzione di energia nucleare sono:

1. Stati Uniti (788,6 miliardi di kWh/anno),
2. Francia (426,8 miliardi di kWh/anno),
3. Giappone (273,8 miliardi di kWh/anno),
4. Germania (158,4 miliardi di kWh/anno),
5. Russia (154,7 miliardi di kWh/anno).

Classificazione delle centrali nucleari

Le centrali nucleari possono essere classificate in diversi modi:

Per tipo di reattore

• Reattori a neutroni termici che utilizzano speciali moderatori per aumentare la probabilità di assorbimento dei neutroni da parte dei nuclei degli atomi di combustibile
• reattori ad acqua leggera
• reattori ad acqua pesante
• Reattori a neutroni veloci
• Utilizzo di reattori subcritici fonti esterne neutroni
• Reattori a fusione

Per tipo di energia rilasciata

1. Centrali nucleari (NPP) progettate per generare solo elettricità
2. Centrali nucleari combinate di calore ed energia (NPP) che generano sia elettricità che calore

Nelle centrali nucleari situate sul territorio della Russia ci sono impianti di riscaldamento, sono necessari per il riscaldamento dell'acqua di rete.

Tipi di combustibili utilizzati nelle centrali nucleari

Nelle centrali nucleari è possibile utilizzare diverse sostanze, grazie alle quali è possibile generare elettricità nucleare, il combustibile delle moderne centrali nucleari è uranio, torio e plutonio.

Il combustibile al torio non è attualmente utilizzato nelle centrali nucleari, per una serie di motivi.

In primo luogo, è più difficile convertirlo in elementi combustibili, elementi combustibili abbreviati.

Le barre di combustibile sono tubi metallici che vengono posizionati all'interno di un reattore nucleare. Dentro

Gli elementi combustibili sono sostanze radioattive. Questi tubi sono depositi di combustibile nucleare.

In secondo luogo Tuttavia, l'uso del combustibile al torio comporta il suo trattamento complesso e costoso dopo l'uso nelle centrali nucleari.

Anche il combustibile al plutonio non viene utilizzato nell'industria dell'energia nucleare, in considerazione del fatto che questa sostanza ha una composizione chimica molto complessa, il sistema di utilizzo completo e sicuro non è stato ancora sviluppato.

combustibile di uranio

La sostanza principale che genera energia nelle centrali nucleari è l'uranio. Oggi l'uranio viene estratto in diversi modi:

• miniere a cielo aperto
• chiuso nelle miniere
• lisciviazione sotterranea, mediante perforazione in miniera.

La lisciviazione sotterranea, mediante perforazione in miniera, avviene immettendo in pozzi sotterranei una soluzione di acido solforico, la soluzione viene saturata con uranio e pompata indietro.

Le maggiori riserve di uranio al mondo si trovano in Australia, Kazakistan, Russia e Canada.

I giacimenti più ricchi si trovano in Canada, Zaire, Francia e Repubblica Ceca. In questi paesi, da una tonnellata di minerale si ottengono fino a 22 chilogrammi di materie prime di uranio.

In Russia, da una tonnellata di minerale si ottiene poco più di un chilogrammo e mezzo di uranio. I siti di estrazione dell'uranio non sono radioattivi.

Nella sua forma pura, questa sostanza non è molto pericolosa per l'uomo, un pericolo molto maggiore è il gas radon radioattivo incolore, che si forma durante il decadimento naturale dell'uranio.

Preparazione dell'uranio

Sotto forma di minerale, l'uranio non viene utilizzato nelle centrali nucleari, il minerale non reagisce. Per utilizzare l'uranio nelle centrali nucleari, le materie prime vengono trasformate in polvere - ossido di uranio, dopodiché diventa combustibile di uranio.

La polvere di uranio si trasforma in "compresse" di metallo: viene pressata in piccoli coni puliti che vengono cotti per un giorno a temperature superiori a 1500 gradi Celsius.

Sono questi pellet di uranio che entrano nei reattori nucleari, dove iniziano a interagire tra loro e, alla fine, danno elettricità alle persone.

Circa 10 milioni di pellet di uranio funzionano contemporaneamente in un reattore nucleare.

Prima di posizionare i pellet di uranio nel reattore, vengono inseriti in tubi metallici di leghe di zirconio - barre di combustibile, i tubi sono interconnessi in fasci e formano gruppi di combustibile - gruppi di combustibile.

Sono i gruppi di combustibile che sono chiamati combustibile per centrali nucleari.

Come è la lavorazione del combustibile nucleare

Dopo un anno di utilizzo dell'uranio in reattori nucleari Deve essere rimpiazzato.

Le celle a combustibile vengono raffreddate per diversi anni e inviate per il taglio e la dissoluzione.

Come risultato dell'estrazione chimica, l'uranio e il plutonio vengono separati, che vengono riutilizzati e utilizzati per produrre nuovo combustibile nucleare.

I prodotti di decadimento dell'uranio e del plutonio vengono inviati alla fabbricazione di sorgenti di radiazioni ionizzanti, vengono utilizzati in medicina e nell'industria.

Tutto ciò che rimane dopo queste manipolazioni viene inviato alla fornace per il riscaldamento, il vetro viene preparato da questa massa, tale vetro viene conservato in appositi magazzini.

Il vetro non viene prodotto dai resti per uso di massa, il vetro viene utilizzato per immagazzinare sostanze radioattive.

È difficile isolare i resti di elementi radioattivi dal vetro, che possono danneggiare l'ambiente. Apparso di recente nuovo modo smaltimento dei rifiuti radioattivi.

Reattori nucleari veloci o reattori a neutroni veloci che funzionano con residui di combustibile nucleare ritrattati.

Secondo gli scienziati, i resti di combustibile nucleare, che ora sono immagazzinati in impianti di stoccaggio, sono in grado di fornire combustibile per reattori a neutroni veloci per 200 anni.

Inoltre, i nuovi reattori veloci possono funzionare con combustibile di uranio, che è costituito da uranio 238, questa sostanza non viene utilizzata nelle centrali nucleari convenzionali, perché. è più facile per le centrali nucleari odierne elaborare l'uranio 235 e 233, di cui non ne rimane molto in natura.

Pertanto, i nuovi reattori sono un'opportunità per utilizzare enormi depositi di uranio 238, che non sono stati utilizzati prima.

Il principio di funzionamento delle centrali nucleari

Il principio di funzionamento di una centrale nucleare su un reattore ad acqua pressurizzata a doppio circuito (VVER).

L'energia rilasciata nel nocciolo del reattore viene trasferita al refrigerante primario.

All'uscita delle turbine, il vapore entra nel condensatore, dove viene raffreddato da una grande quantità di acqua proveniente dal serbatoio.

Il compensatore di pressione è una struttura piuttosto complessa e ingombrante, che serve a compensare le fluttuazioni di pressione nel circuito durante il funzionamento del reattore, che si verificano a causa dell'espansione termica del refrigerante. La pressione nel 1° circuito può raggiungere fino a 160 atmosfere (VVER-1000).

Oltre all'acqua, anche il sodio fuso o il gas possono essere utilizzati come refrigerante in vari reattori.

L'uso del sodio consente di semplificare la progettazione del guscio del nocciolo del reattore (a differenza del circuito dell'acqua, la pressione nel circuito del sodio non supera la pressione atmosferica), di eliminare il compensatore di pressione, ma crea le proprie difficoltà associate a l'aumentata attività chimica di questo metallo.

Il numero totale di circuiti può variare per reattori diversi, lo schema in figura è per reattori di tipo VVER (Public Water Power Reactor).

I reattori di tipo RBMK (High Power Channel Type Reactor) utilizzano un circuito ad acqua, mentre i reattori BN (Fast Neutron Reactor) utilizzano due circuiti al sodio e uno ad acqua.

Se non è possibile utilizzare una grande quantità di acqua per condensare il vapore, invece di utilizzare un serbatoio, l'acqua può essere raffreddata in apposite torri di raffreddamento (torri di raffreddamento), che, per le loro dimensioni, sono solitamente la parte più visibile di una centrale nucleare.

Dispositivo del reattore nucleare

Un reattore nucleare utilizza il processo di fissione nucleare, in cui un nucleo pesante si rompe in due frammenti più piccoli.

Questi frammenti sono in uno stato altamente eccitato ed emettono neutroni, altre particelle subatomiche e fotoni.

I neutroni possono causare nuove fissioni, a seguito delle quali vengono emessi più neutroni e così via.

Una tale serie continua di scissioni autosufficienti è chiamata reazione a catena.

In questo caso viene rilasciata una grande quantità di energia, la cui produzione è lo scopo dell'utilizzo delle centrali nucleari.

Il principio di funzionamento di un reattore nucleare e di una centrale nucleare è tale che circa l'85% dell'energia di fissione viene rilasciata entro un periodo di tempo molto breve dopo l'inizio della reazione.

Il resto è prodotto dal decadimento radioattivo dei prodotti di fissione dopo che hanno emesso neutroni.

Il decadimento radioattivo è il processo mediante il quale un atomo raggiunge uno stato più stabile. Continua anche dopo il completamento della divisione.

Gli elementi principali di un reattore nucleare

• Combustibile nucleare: uranio arricchito, isotopi di uranio e plutonio. Il più comunemente usato è l'uranio 235;
• Refrigerante per la produzione di energia che si genera durante il funzionamento del reattore: acqua, sodio liquido, ecc.;
• Aste di controllo;
• moderatore di neutroni;
• Guaina per la protezione dalle radiazioni.

Il principio di funzionamento di un reattore nucleare

Il nocciolo del reattore contiene elementi combustibili (TVEL) - combustibile nucleare.

Sono assemblati in cassette, che includono diverse dozzine di barre di combustibile. Il refrigerante scorre attraverso i canali attraverso ciascuna cassetta.

Le barre di combustibile regolano la potenza del reattore. Una reazione nucleare è possibile solo a una certa massa (critica) della barra di combustibile.

La massa di ciascuna asta separatamente è inferiore a quella critica. La reazione inizia quando tutte le aste sono nella zona attiva. Immergendo e rimuovendo le barre di combustibile, la reazione può essere controllata.

Quindi, quando la massa critica viene superata, gli elementi di combustibile radioattivo emettono neutroni che entrano in collisione con gli atomi.

Di conseguenza, si forma un isotopo instabile, che decade immediatamente, rilasciando energia sotto forma di radiazioni gamma e calore.

Le particelle, scontrandosi, si trasmettono energia cinetica l'una all'altra e il numero di decadimenti aumenta in modo esponenziale.

Questa è la reazione a catena - il principio di funzionamento di un reattore nucleare. Senza controllo, si verifica alla velocità della luce, il che porta a un'esplosione. Ma in un reattore nucleare il processo è sotto controllo.

Quindi, nella zona attiva, energia termica, che viene trasferito all'acqua che lava questa zona (il primo circuito).

Qui la temperatura dell'acqua è di 250-300 gradi. Inoltre, l'acqua cede calore al secondo circuito, quindi alle pale delle turbine che generano energia.

La conversione dell'energia nucleare in energia elettrica può essere rappresentata schematicamente:

• Energia interna del nucleo di uranio
• Energia cinetica di frammenti di nuclei decomposti e neutroni rilasciati
• Energia interna dell'acqua e del vapore
• Energia cinetica dell'acqua e del vapore
• Energia cinetica dei rotori di turbine e generatori
• Energia elettrica

Il nocciolo del reattore è costituito da centinaia di cassette, unite da un guscio metallico. Questo guscio svolge anche il ruolo di riflettore di neutroni.

Tra le cassette sono inserite aste di controllo per la regolazione della velocità di reazione e aste per la protezione di emergenza del reattore.

Centrale nucleare

I primi progetti di tali stazioni furono sviluppati negli anni '70 del XX secolo, ma a causa degli sconvolgimenti economici avvenuti alla fine degli anni '80 e della forte opposizione pubblica, nessuno di essi fu completamente realizzato.

L'eccezione è la centrale nucleare di Bilibino di piccola capacità, che fornisce calore ed elettricità al villaggio di Bilibino nell'Artico (10mila abitanti) e alle imprese minerarie locali, nonché ai reattori di difesa (sono impegnati nella produzione di plutonio):

• La centrale nucleare siberiana fornisce calore a Seversk e Tomsk.
• Reattore ADE-2 presso l'impianto chimico e minerario di Krasnoyarsk, che dal 1964 fornisce calore ed elettricità alla città di Zheleznogorsk.

Al momento della crisi è stata avviata la costruzione di diverse centrali nucleari basate su reattori simili al VVER-1000:

• Voronezh AST
• Gorkij AST
• Ivanovskaya AST (solo pianificato)

La costruzione di questi AST è stata interrotta nella seconda metà degli anni '80 o all'inizio degli anni '90.

Nel 2006, la società Rosenergoatom ha pianificato di costruire un impianto di riscaldamento nucleare galleggiante per Arkhangelsk, Pevek e altre città polari basato sull'impianto del reattore KLT-40 utilizzato sui rompighiaccio nucleari.

Esiste un progetto per la costruzione di un AST non presidiato basato sul reattore Elena e un reattore mobile (su rotaia) Angstrem

Svantaggi e vantaggi delle centrali nucleari

Ogni progetto di ingegneria ha i suoi pro e contro.

Aspetti positivi delle centrali nucleari:

• Nessuna emissione nociva;
• Le emissioni di sostanze radioattive sono molte volte inferiori a quelle del carbone el. centrali di capacità simile (le centrali termoelettriche a carbone di cenere contengono una percentuale di uranio e torio sufficiente per la loro proficua estrazione);
• Una piccola quantità di combustibile utilizzato e la possibilità del suo riutilizzo dopo la lavorazione;
• Alta potenza: 1000-1600 MW per unità;
• Basso costo dell'energia, in particolare del calore.

Aspetti negativi delle centrali nucleari:

• Il combustibile irradiato è pericoloso e richiede misure di ritrattamento e stoccaggio complesse e costose;
• Il funzionamento a potenza variabile è indesiderabile per i reattori a neutroni termici;
• Le conseguenze di un possibile incidente sono estremamente gravi, sebbene la sua probabilità sia piuttosto bassa;
• Grande investimenti di capitale, sia specifica, per 1 MW di potenza installata per le unità di potenza inferiore a 700-800 MW, sia generale, necessaria per la realizzazione della stazione, della sua infrastruttura, nonché in caso di eventuale liquidazione.

Sviluppi scientifici nel campo dell'energia nucleare

Certo, ci sono carenze e preoccupazioni, ma allo stesso tempo l'energia nucleare sembra essere la più promettente.

Modi alternativi di ottenere energia, grazie all'energia delle maree, del vento, del sole, delle fonti geotermiche, ecc., attualmente non hanno alto livello energia ricevuta e la sua bassa concentrazione.

I tipi necessari di produzione di energia presentano rischi individuali per l'ecologia e il turismo, ad esempio la produzione di celle fotovoltaiche, che inquina l'ambiente, il pericolo dei parchi eolici per gli uccelli, i cambiamenti nella dinamica delle onde.

Gli scienziati stanno sviluppando progetti internazionali per reattori nucleari di nuova generazione, come GT-MGR, che miglioreranno la sicurezza e aumenteranno l'efficienza delle centrali nucleari.

La Russia ha avviato la costruzione della prima centrale nucleare galleggiante al mondo, che consente di risolvere il problema della carenza di energia nelle remote zone costiere del Paese.

Gli Stati Uniti e il Giappone stanno sviluppando mini centrali nucleari con una capacità di circa 10-20 MW allo scopo di fornire calore ed elettricità a singole industrie, complessi residenziali e, in futuro, singole case.

Ridurre la capacità dell'impianto implica un aumento della scala di produzione. I reattori di piccole dimensioni vengono creati utilizzando tecnologie sicure che riducono notevolmente la possibilità di fuoriuscita di materiale nucleare.

Produzione di idrogeno

Il governo degli Stati Uniti ha adottato l'Atomic Hydrogen Initiative. Insieme a Corea del Sud si sta lavorando per realizzare una nuova generazione di reattori nucleari in grado di produrre idrogeno in grandi quantità.

L'INEEL (Idaho National Engineering Environmental Laboratory) prevede che una centrale nucleare di nuova generazione produrrà idrogeno equivalente a 750.000 litri di benzina al giorno.

La ricerca viene finanziata per produrre idrogeno nelle centrali nucleari esistenti.

Energia termonucleare

Ancora più interessante, anche se una prospettiva relativamente lontana, è l'uso dell'energia da fusione nucleare.

I reattori termonucleari, secondo i calcoli, consumeranno meno combustibile per unità di energia, e sia questo combustibile stesso (deuterio, litio, elio-3) che i loro prodotti di sintesi non sono radioattivi e, quindi, sicuri per l'ambiente.

Attualmente, con la partecipazione della Russia, nel sud della Francia, è in corso la costruzione del reattore termonucleare sperimentale internazionale ITER.

Cos'è l'efficienza

Coefficiente di prestazione (COP) - una caratteristica dell'efficienza di un sistema o dispositivo in relazione alla conversione o al trasferimento di energia.

È determinato dal rapporto tra l'energia utile utilizzata e la quantità totale di energia ricevuta dal sistema. L'efficienza è una quantità adimensionale ed è spesso misurata in percentuale.

Rendimento delle centrali nucleari

La massima efficienza (92-95%) è il vantaggio delle centrali idroelettriche. Generano il 14% dell'elettricità mondiale.

Tuttavia, questo tipo di stazione è il più esigente per il luogo di costruzione e, come ha dimostrato la pratica, è molto sensibile al rispetto delle regole di funzionamento.

Un esempio di eventi su Sayano-Shushenskaya HPP ha mostrato le tragiche conseguenze di trascurare le regole di funzionamento nel tentativo di ridurre i costi operativi.

Le centrali nucleari hanno un'elevata efficienza (80%). La loro quota nella produzione mondiale di elettricità è del 22%.

Ma le centrali nucleari richiedono una maggiore attenzione al problema della sicurezza, sia in fase di progettazione, sia durante la costruzione, sia durante il funzionamento.

La minima deviazione dalle rigide norme di sicurezza per le centrali nucleari è irta di conseguenze fatali per tutta l'umanità.

Oltre al pericolo immediato in caso di incidente, l'uso di centrali nucleari è accompagnato da problemi di sicurezza associati allo smaltimento o allo smaltimento del combustibile nucleare esaurito.

L'efficienza delle centrali termiche non supera il 34%, generano fino al sessanta per cento dell'elettricità mondiale.

Oltre all'elettricità, le centrali termiche producono energia termica, che sotto forma di vapore caldo o acqua calda può essere trasmessa ai consumatori su una distanza di 20-25 chilometri. Tali stazioni sono chiamate CHP (Heat Electro Central).

TPP e CHPP non sono costosi da costruire, ma se non vengono prese misure speciali, hanno un impatto negativo sull'ambiente.

L'impatto negativo sull'ambiente dipende dal tipo di combustibile utilizzato nelle unità termiche.

I prodotti della combustione del carbone e dei prodotti petroliferi pesanti sono i più nocivi, il gas naturale è meno aggressivo.

Le centrali termiche sono le principali fonti di elettricità in Russia, negli Stati Uniti e nella maggior parte dei paesi europei.

Tuttavia, ci sono delle eccezioni, ad esempio in Norvegia l'elettricità è generata principalmente da centrali idroelettriche e in Francia il 70% dell'elettricità è generata da centrali nucleari.

La prima centrale elettrica al mondo

La prima centrale elettrica in assoluto, la Pearl Street, fu commissionata il 4 settembre 1882 a New York City.

La stazione è stata costruita con il supporto della Edison Illuminating Company, guidata da Thomas Edison.

Su di esso sono stati installati diversi generatori Edison con una potenza complessiva di oltre 500 kW.

La stazione forniva energia elettrica all'intera area di New York con una superficie di circa 2,5 chilometri quadrati.

La stazione fu rasa al suolo nel 1890 e sopravvive solo una dinamo, ora al Greenfield Village Museum, nel Michigan.

Il 30 settembre 1882 entrò in funzione la prima centrale idroelettrica, la Vulcan Street, nel Wisconsin. L'autore del progetto è stato G.D. Rogers, CEO di Appleton Paper & Pulp.

Presso la stazione è stato installato un generatore della potenza di circa 12,5 kW. C'era abbastanza elettricità per la casa di Rogers e per due delle sue cartiere.

Centrale elettrica di Gloucester Road. Brighton è stata una delle prime città del Regno Unito ad avere elettricità continua.

Nel 1882, Robert Hammond fondò la Hammond Electric Light Company e il 27 febbraio 1882 aprì la Gloucester Road Power Station.

La stazione consisteva in una dinamo a spazzole utilizzata per alimentare sedici lampade ad arco.

Nel 1885, la centrale elettrica di Gloucester fu acquistata dalla Brighton Electric Light Company. Successivamente in quest'area è stata realizzata una nuova stazione, costituita da tre dinamo a spazzole con 40 lampade.

Centrale elettrica del Palazzo d'Inverno

Nel 1886 fu costruita una centrale elettrica in uno dei cortili del Nuovo Hermitage.

La centrale era la più grande di tutta Europa, non solo al momento della costruzione, ma anche nei successivi 15 anni.

In precedenza, le candele venivano utilizzate per illuminare il Palazzo d'Inverno, dal 1861 iniziarono a utilizzare lampade a gas. Poiché le lampade elettriche avevano un vantaggio maggiore, furono avviati sviluppi sull'introduzione dell'illuminazione elettrica.

Prima che l'edificio fosse completamente convertito all'elettricità, l'illuminazione con lampade veniva utilizzata per illuminare le sale del palazzo durante le vacanze di Natale e Capodanno del 1885.

Il 9 novembre 1885 il progetto per la costruzione di una "fabbrica elettrica" ​​fu approvato dall'imperatore Alessandro III. Il progetto prevedeva l'elettrificazione del Palazzo d'Inverno, degli edifici dell'Ermitage, del cortile e dell'area circostante per tre anni fino al 1888.

Era necessario escludere la possibilità di vibrazioni dell'edificio dal lavoro motori a vapore, la collocazione della centrale è stata prevista in un padiglione separato in vetro e metallo. Era collocato nel secondo cortile dell'Eremo, da allora denominato "Elettro".

Com'era la stazione?

L'edificio della stazione occupava un'area di 630 m², era costituito da una sala macchine con 6 caldaie, 4 macchine a vapore e 2 locomobili e una sala con 36 dinamo elettriche. La potenza totale ha raggiunto i 445 CV.

La prima parte delle stanze anteriori era illuminata:

• Anticamera
• Sala Petrovsky
• Sala del Gran Feldmaresciallo
• Sala dell'Armeria
• Sala San Giorgio

Sono state proposte tre modalità di illuminazione:

• accensione completa (festiva) cinque volte all'anno (4888 lampade a incandescenza e 10 candele Yablochkov);
• funzionante - 230 lampade a incandescenza;
• dovere (notte) - 304 lampade a incandescenza.
  La stazione consumava circa 30.000 pood (520 tonnellate) di carbone all'anno.

Grandi centrali termiche, centrali nucleari e centrali idroelettriche in Russia

Le più grandi centrali elettriche in Russia per distretti federali:

Centrale:

• Kostroma GRES, che funziona a olio combustibile;
• Stazione di Ryazan, il cui combustibile principale è il carbone;
• Konakovskaya, che può funzionare a gas e olio combustibile;

uralico:

• Surgutskaya 1 e Surgutskaya 2. Stazioni che sono una delle più grandi centrali elettriche della Federazione Russa. Entrambi funzionano a gas naturale;
• Reftinskaya, che funziona a carbone ed è una delle più grandi centrali elettriche degli Urali;
• Troitskaya, anch'essa alimentata a carbone;
• Iriklinskaya, la principale fonte di carburante per la quale è l'olio combustibile;

Privolžsky:

• Zainskaya GRES, operante a olio combustibile;

Distretto Federale Siberiano:

• Nazarovskaya GRES, che consuma olio combustibile come combustibile;

Meridionale:

• Stavropol, che può funzionare anche con combustibile combinato sotto forma di gas e olio combustibile;

nordoccidentale:

• Kirishskaya sull'olio combustibile.

L'elenco delle centrali elettriche russe che generano energia utilizzando l'acqua si trova sul territorio della cascata Angara-Yenisei:

Yenisei:

• Sayano-Shushenskaya
• Centrale idroelettrica di Krasnojarsk;

Angara:

• Irkutsk
• Fraterno
• Ust-Ilimskaya.

Centrali nucleari in Russia

Centrale nucleare di Balakovo

Situato vicino alla città di Balakovo, nella regione di Saratov, sulla riva sinistra del bacino idrico di Saratov. Si compone di quattro unità VVER-1000 commissionate nel 1985, 1987, 1988 e 1993.

Centrale nucleare di Beloyarsk

Situata nella città di Zarechny, nella regione di Sverdlovsk, la seconda centrale nucleare industriale del Paese (dopo quella siberiana).

Nella stazione sono state costruite quattro unità di potenza: due con reattori a neutroni termici e due con un reattore a neutroni veloci.

Attualmente, le unità di potenza operative sono la 3a e la 4a unità di potenza con reattori BN-600 e BN-800 con una potenza elettrica rispettivamente di 600 MW e 880 MW.

Il BN-600 è stato messo in funzione nell'aprile 1980, la prima unità di potenza su scala industriale al mondo con un reattore a neutroni veloci.

BN-800 consegnato a operazione commerciale nel novembre 2016. È anche la più grande unità di potenza del reattore veloce del mondo.

Bilibino NPP

Situato vicino alla città di Bilibino, Chukotka Autonomous Okrug. Si compone di quattro unità EGP-6 con una capacità di 12 MW ciascuna, messe in funzione nel 1974 (due unità), 1975 e 1976.

Genera energia elettrica e termica.

Centrale nucleare di Kalinin

Si trova nel nord della regione di Tver, sulla sponda meridionale del lago Udomlya e vicino all'omonima città.

Si compone di quattro gruppi di potenza, con reattori di tipo VVER-1000, con una potenza elettrica di 1000 MW, entrati in esercizio nel 1984, 1986, 2004 e 2011.

Il 4 giugno 2006 è stato firmato un accordo per la costruzione del quarto propulsore, entrato in funzione nel 2011.

Centrale nucleare di Kola

Si trova vicino alla città di Polyarnye Zori, nella regione di Murmansk, sulla riva del lago Imandra.

Si compone di quattro unità VVER-440 commissionate nel 1973, 1974, 1981 e 1984.
La potenza della stazione è di 1760 MW.

Centrale nucleare di Kursk

Una delle quattro centrali nucleari più grandi della Russia, con la stessa capacità di 4000 MW.

Situato vicino alla città di Kurchatov, nella regione di Kursk, sulle rive del fiume Seim.

Si compone di quattro unità RBMK-1000 commissionate nel 1976, 1979, 1983 e 1985.

La potenza della stazione è di 4000 MW.

Centrale nucleare di Leningrado

Una delle quattro centrali nucleari più grandi della Russia, con la stessa capacità di 4000 MW.

Situato vicino alla città Pineta Regione di Leningrado, sulla costa del Golfo di Finlandia.

Si compone di quattro unità RBMK-1000 commissionate nel 1973, 1975, 1979 e 1981.

La potenza della stazione è di 4 GW. Nel 2007 la produzione è stata di 24,635 miliardi di kWh.

Novovoronezh NPP

Situato nella regione di Voronezh vicino alla città di Voronezh, sulla riva sinistra del fiume Don. Composto da due unità VVER.

85% fornito dalla regione di Voronezh energia elettrica, Il 50% fornisce calore alla città di Novovoronezh.

Potenza della stazione (esclusa) - 1440 MW.

Centrale nucleare di Rostov

Situato nella regione di Rostov vicino alla città di Volgodonsk. La potenza elettrica del primo gruppo di potenza è di 1000 MW, nel 2010 è stato allacciato alla rete il secondo gruppo di potenza della centrale.

Nel 2001-2010, la stazione è stata chiamata Volgodonsk NPP, con il lancio della seconda unità di potenza della NPP, la stazione è stata ufficialmente ribattezzata Rostov NPP.

Nel 2008 la centrale nucleare ha prodotto 8,12 miliardi di kWh di elettricità. Il fattore di utilizzo della capacità installata (KIUM) è stato del 92,45%. Dal suo lancio (2001) ha generato oltre 60 miliardi di kWh di elettricità.

Centrale nucleare di Smolensk

Situato vicino alla città di Desnogorsk, nella regione di Smolensk. La centrale è composta da tre unità di potenza, con reattori di tipo RBMK-1000, che sono state messe in funzione nel 1982, 1985 e 1990.

Ciascuna unità di potenza comprende: un reattore con una potenza termica di 3200 MW e due turbogeneratori con una potenza elettrica di 500 MW ciascuno.

Centrali nucleari statunitensi

La centrale nucleare di Shippingport con una capacità nominale di 60 MW è stata aperta nel 1958 nello stato della Pennsylvania. Dopo il 1965, ci fu un'intensa costruzione di centrali nucleari in tutti gli Stati Uniti.

La parte principale delle centrali nucleari americane fu costruita nei successivi 15 anni dopo il 1965, prima del primo grave incidente in una centrale nucleare del pianeta.

Se l'incidente alla centrale nucleare di Chernobyl viene ricordato come il primo incidente, allora non è così.

L'incidente è stato causato da violazioni nel sistema di raffreddamento del reattore e da numerosi errori del personale operativo. Di conseguenza, il combustibile nucleare si è sciolto. Ci sono voluti circa un miliardo di dollari per eliminare le conseguenze dell'incidente, il processo di liquidazione è durato 14 anni.

Dopo l'incidente, il governo degli Stati Uniti d'America ha adeguato le condizioni di sicurezza per il funzionamento di tutte le centrali nucleari dello stato.

Ciò, di conseguenza, ha portato alla continuazione del periodo di costruzione e ad un aumento significativo del prezzo delle strutture "pacifiche". Tali cambiamenti hanno rallentato lo sviluppo dell'industria generale negli Stati Uniti.

Alla fine del ventesimo secolo, negli Stati Uniti c'erano 104 reattori operativi. Oggi gli Stati Uniti sono al primo posto sulla terra per numero di reattori nucleari.

Dall'inizio del 21° secolo, quattro reattori sono stati chiusi in America nel 2013 ed è iniziata la costruzione di altri quattro.

Attualmente, infatti, negli Stati Uniti sono in funzione 100 reattori in 62 centrali nucleari, che producono il 20% di tutta l'energia dello Stato.

L'ultimo reattore costruito negli Stati Uniti è stato commissionato nel 1996 a Watts Bar.

Le autorità statunitensi nel 2001 hanno adottato una nuova guida sulla politica energetica. Include un vettore per lo sviluppo dell'energia nucleare, attraverso lo sviluppo di nuovi tipi di reattori, con un rapporto di efficienza più adeguato, nuove opzioni per il trattamento del combustibile nucleare esaurito.

I piani fino al 2020 prevedevano la costruzione di diverse dozzine di nuovi reattori nucleari con una capacità totale di 50.000 MW. Inoltre, per ottenere un aumento della capacità delle centrali nucleari esistenti di circa 10.000 MW.

Gli Stati Uniti sono il leader nel numero di centrali nucleari nel mondo

Grazie all'attuazione di questo programma, in America nel 2013 è iniziata la costruzione di quattro nuovi reattori, due dei quali presso la centrale nucleare di Vogtl e gli altri due presso VC Summer.

Questi quattro reattori sono l'ultimo progetto: AP-1000, prodotto da Westinghouse.

(TECNOLOGIE NUCLEARI)

combustibile nucleare primario

(TECNOLOGIE NUCLEARI)

(TECNOLOGIE NUCLEARI)

Combustibile nucleare ceramico.

Attualmente, la maggior parte dei reattori di potenza utilizza combustibile ceramico a base di biossido di uranio U02, ottenuto per la prima volta nel 1950. Questa sostanza ha un'elevata resistenza al calore, che consente di operare a temperature elevate del combustibile nucleare (/G1L = 28500 C), chimicamente stabile...
(TECNOLOGIE NUCLEARI)

combustibile nucleare primario

L'uranio - l'elemento principale dell'energia nucleare, è usato come combustibile nucleare, materia prima per la produzione di plutonio e nelle armi nucleari. Il contenuto di uranio nella crosta terrestre è del 2,5-10-4% e la quantità totale in uno strato della litosfera di 20 km di spessore raggiunge 1,3-1014 tonnellate I minerali di uranio si trovano quasi ovunque. Tuttavia...
(TECNOLOGIE NUCLEARI)

H. Risorse secondarie. Combustibile nucleare esaurito

Come risultato del lavoro dell'energia nucleare, come in qualsiasi altra attività industriale, si formano prodotti che non sono lo scopo di questa produzione (produzione di elettricità dal combustibile nucleare utilizzato nei reattori nucleari). Tuttavia, il combustibile nucleare esaurito che gli ambientalisti stanno cercando di...
(TECNOLOGIE NUCLEARI)

Nel 2011 Novosibirsk Chemical Concentrates Plant ha prodotto e venduto il 70% del consumo mondiale di isotopo di litio-7 (1300 kg), stabilendo un nuovo record nella storia dell'impianto. Tuttavia, il prodotto principale di NCCP è il combustibile nucleare.

Questa frase ha un effetto impressionante e spaventoso sulle menti dei residenti di Novosibirsk, costringendoli a immaginare qualsiasi cosa sull'impresa: dai lavoratori a tre gambe e una città sotterranea separata al vento radioattivo.

Allora cosa si nasconde davvero dietro le recinzioni della più misteriosa centrale di Novosibirsk, che produce combustibile nucleare all'interno della città?

JSC "Novosibirsk Plant of Chemical Concentrates" è uno dei principali produttori mondiali di combustibile nucleare per centrali nucleari e reattori di ricerca in Russia e Paesi esteri. L'unico produttore russo di litio metallico e dei suoi sali. Fa parte della TVEL Fuel Company della Rosatom State Corporation.

Siamo venuti all'officina dove vengono prodotti i gruppi di combustibile - gruppi di combustibile, che vengono caricati nei reattori nucleari. Questo è il combustibile nucleare per le centrali nucleari. Per entrare nella produzione, devi indossare una vestaglia, un cappello, copriscarpe in tessuto e "Petal" sul viso.

Tutto il lavoro relativo ai materiali contenenti uranio è concentrato nel negozio. Questo complesso tecnologico è uno dei principali per NCCP (i FA per le centrali nucleari occupano circa il 50% nella struttura dei prodotti venduti da OJSC NCCP).

La sala di controllo, da dove viene controllato il processo di produzione della polvere di biossido di uranio, da cui vengono poi prodotti i pellet di combustibile.

I lavoratori eseguono la manutenzione ordinaria: a determinati intervalli, anche le attrezzature più nuove vengono fermate e controllate. C'è sempre molta aria nell'officina stessa: la ventilazione di scarico funziona costantemente.

Questi biconi immagazzinano polvere di biossido di uranio. Mescolano la polvere e il plastificante, che consente di comprimere meglio la compressa.

Un impianto che produce la compressione di pellet combustibili. Proprio come i bambini fanno torte di sabbia premendo su uno stampo, così anche qui: una pallina di uranio viene pressata sotto pressione.

Barchetta di molibdeno con pellet in attesa di essere inviata al forno per la ricottura. Prima della ricottura, le compresse hanno una tinta verdastra e una dimensione diversa.

Il contatto di polvere, pastiglie e ambiente è ridotto al minimo: tutto il lavoro viene svolto in scatole. Per correggere qualcosa all'interno, nelle scatole sono integrati guanti speciali.

Le torce in alto stanno bruciando idrogeno. Le compresse vengono ricotte in forni a una temperatura di almeno 1750 gradi in un ambiente che riduce l'idrogeno per più di 20 ore.

Gli armadi neri sono forni ad alta temperatura per l'idrogeno in cui la barca di molibdeno passa attraverso varie zone di temperatura. La serranda si apre e una barca di molibdeno entra nella fornace, da dove fuoriescono le fiamme.

Le compresse finite sono lucidate, poiché devono avere una dimensione rigorosamente definita. E all'uscita, gli ispettori controllano ogni tablet in modo che non ci siano scheggiature, crepe o difetti.

Una compressa del peso di 4,5 g equivale in termini di energia rilasciata a 640 kg di legna da ardere, 400 kg di carbone, 360 metri cubi. m di gas, 350 kg di petrolio.

Compresse di biossido di uranio dopo la ricottura in un forno a idrogeno.

Qui i tubi di zirconio sono riempiti con pellet di biossido di uranio. All'uscita, abbiamo elementi combustibili finiti (circa 4 m di lunghezza) - elementi combustibili. I gruppi di combustibile vengono già assemblati da barre di combustibile, in altre parole, combustibile nucleare.

Tali distributori di bibite per le strade della città non si trovano più, forse solo al NZHK. Sebbene in epoca sovietica fossero molto comuni.

In questa macchina il bicchiere può essere lavato e poi riempito con acqua gassata, naturale o refrigerata.

Secondo la valutazione del Dipartimento delle risorse naturali e della protezione ambientale nel 2010, l'NCCP non ha un impatto significativo sull'inquinamento ambientale.

Una coppia di tali galline purosangue vive costantemente e depone le uova in una solida voliera di legno, che si trova sul territorio dell'officina.

I lavoratori saldano un telaio per un gruppo di combustibile. I quadri sono diversi, a seconda della modifica dei gruppi di carburante.

Lo stabilimento impiega 2277 persone, l'età media del personale è di 44,3 anni, il 58% sono uomini. medio salario supera i 38.000 rubli.

I grandi tubi sono condotti per il sistema di controllo della protezione del reattore. 312 barre di combustibile verranno quindi installate in questo telaio.

CHPP-4 si trova vicino al NZHK. Con riferimento agli ecologi, i rappresentanti dell'impianto hanno riferito che una centrale termica emette 7,5 volte più sostanze radioattive all'anno rispetto all'NCCP.

L'installatore Viktor Pustozerov, veterano dell'industria degli impianti e dell'energia nucleare, ha 2 ordini di gloria del lavoro

Testa e codolo per TVS. Sono installati proprio alla fine, quando tutte le 312 barre di combustibile sono già nel telaio.

Controllo finale: i gruppi di combustibile finito vengono controllati con sonde speciali in modo che la distanza tra le barre di combustibile sia la stessa. I controllori sono spesso donne, questo è un lavoro molto scrupoloso.

In tali contenitori, i gruppi di carburante vengono inviati al consumatore: 2 cassette ciascuno. All'interno hanno il loro comodo letto di feltro.

Il combustibile per centrali nucleari prodotto da JSC NCCP viene utilizzato nelle centrali nucleari russe ed è fornito anche a Ucraina, Bulgaria, Cina, India e Iran. Il costo dei gruppi di carburante è un segreto commerciale.

Lavorare in NCCP non è più pericoloso che lavorare in qualsiasi altro impresa industriale. Lo stato di salute dei dipendenti è costantemente monitorato. Negli ultimi anni non è stato riscontrato un solo caso di malattia professionale tra i lavoratori.

TVS (gruppo carburante)

Combustibile nucleare- materiali utilizzati nei reattori nucleari per effettuare una reazione a catena di fissione nucleare controllata. Il combustibile nucleare è fondamentalmente diverso dagli altri tipi di combustibile utilizzato dall'umanità, è estremamente energivoro, ma anche molto pericoloso per l'uomo, il che impone molte restrizioni al suo utilizzo per motivi di sicurezza. Per questo e per molti altri motivi, il combustibile nucleare è molto più difficile da utilizzare rispetto a qualsiasi tipo di combustibile fossile, e richiede molte misure tecniche e organizzative speciali per il suo utilizzo, nonché personale altamente qualificato che se ne occupi.

informazioni generali

Una reazione a catena nucleare è la fissione di un nucleo in due parti, chiamate frammenti di fissione, con il rilascio simultaneo di più (2-3) neutroni, che a loro volta possono causare la fissione dei nuclei successivi. Tale fissione si verifica quando un neutrone entra nel nucleo di un atomo della sostanza originale. I frammenti di fissione formati durante la fissione nucleare hanno una grande energia cinetica. La decelerazione dei frammenti di fissione nella materia è accompagnata dal rilascio di una grande quantità di calore. I frammenti di fissione sono nuclei formati direttamente come risultato della fissione. I frammenti di fissione e i loro prodotti di decadimento radioattivo sono comunemente indicati come prodotti di fissione. I nuclei che si fissino con neutroni di qualsiasi energia sono chiamati combustibile nucleare (di norma si tratta di sostanze con un numero atomico dispari). Ci sono nuclei che fissionano solo per neutroni con energie superiori a un certo valore di soglia (di norma si tratta di elementi con numero atomico pari). Tali nuclei sono chiamati materie prime, poiché quando un neutrone viene catturato da un nucleo soglia, si formano nuclei di combustibile nucleare. La combinazione di combustibile nucleare e materia prima è chiamata combustibile nucleare. Di seguito è riportata la distribuzione dell'energia di fissione del nucleo 235 U tra diversi prodotti di fissione (in MeV):

Energia cinetica dei frammenti di fissione	162	81%
Energia cinetica dei neutroni di fissione	5	2,5%
Energia della radiazione γ che accompagna la cattura dei neutroni	10	5%
Energia della radiazione γ dei prodotti di fissione	6	3%
Energia di radiazione β dei prodotti di fissione	5	2,5%
Energia portata via dai neutrini	11	5,5%
Energia di fissione totale	~200	100%

Poiché l'energia del neutrino viene portata via irrevocabilmente, sono disponibili per l'uso solo 188 MeV/atomo = 30 pJ/atomo = 18 TJ/mol = 76,6 TJ/kg (secondo altri dati (vedi link) 205,2 - 8,6 = 196,6 MeV /atomo).

L'uranio naturale è costituito da tre isotopi: 238U (99,282%), 235U (0,712%) e 234U (0,006%). Non sempre è adatto come combustibile nucleare, soprattutto se i materiali strutturali e il moderatore assorbono ampiamente i neutroni. In questo caso, il combustibile nucleare viene prodotto sulla base dell'uranio arricchito. Nei reattori termici viene utilizzato uranio con un arricchimento inferiore al 6% e nei reattori a neutroni veloci e intermedi l'arricchimento dell'uranio supera il 20%. L'uranio arricchito si ottiene in speciali impianti di arricchimento.

Classificazione

Il combustibile nucleare è diviso in due tipi:

• Uranio naturale, contenente nuclei fissili 235 U, nonché materie prime 238 U, in grado di formare plutonio 239 Pu durante la cattura di un neutrone;
• Combustibile secondario che non si trova in natura, compreso 239 Pu ottenuto dal combustibile del primo tipo, nonché 233 U isotopi formati durante la cattura di neutroni da parte di nuclei di 232 Th di torio.

Secondo la composizione chimica, il combustibile nucleare può essere:

• Metallico, comprese le leghe;
• Ossido (ad esempio, UO 2);
• Metallo duro (ad es. PuC 1-x)
• Misto (PuO 2 + UO 2)

Aspetti teorici dell'applicazione

Il combustibile nucleare viene utilizzato nei reattori nucleari sotto forma di pellet di pochi centimetri, dove di solito si trova in elementi di combustibile sigillati ermeticamente (TVEL), che a loro volta, per facilità d'uso, sono combinati in diverse centinaia in gruppi di combustibile ( FA).

Il combustibile nucleare è soggetto a requisiti elevati di compatibilità chimica con il rivestimento delle barre di combustibile, deve avere una temperatura di fusione ed evaporazione sufficiente, una buona conduttività termica, un leggero aumento di volume durante l'irradiazione di neutroni e la producibilità.

L'uso dell'uranio metallico, soprattutto a temperature superiori a 500 °C, è difficile a causa del suo rigonfiamento. Dopo la fissione nucleare, si formano due frammenti di fissione, il cui volume totale è maggiore del volume di un atomo di uranio (plutonio). Parte degli atomi - i frammenti di fissione sono atomi di gas (krypton, xeno, ecc.). Gli atomi di gas si accumulano nei pori dell'uranio e creano una pressione interna che aumenta con l'aumentare della temperatura. A causa di un cambiamento nel volume degli atomi nel processo di fissione e di un aumento della pressione interna dei gas, l'uranio e altri combustibili nucleari iniziano a gonfiarsi. Il rigonfiamento è inteso come la variazione relativa del volume del combustibile nucleare associato alla fissione nucleare.

Il rigonfiamento dipende dalla combustione e dalla temperatura dell'elemento combustibile. Il numero di frammenti di fissione aumenta con la combustione e la pressione interna del gas aumenta con la combustione e la temperatura. Il rigonfiamento del combustibile nucleare può portare alla distruzione del rivestimento dell'elemento combustibile. Il combustibile nucleare è meno soggetto a rigonfiarsi se ha proprietà meccaniche elevate. L'uranio metallico semplicemente non si applica a tali materiali. Pertanto, l'uso dell'uranio metallico come combustibile nucleare limita la profondità di combustione, che è una delle principali caratteristiche del combustibile nucleare.

La resistenza alle radiazioni e le proprietà meccaniche del combustibile vengono migliorate dopo la lega dell'uranio, durante la quale all'uranio vengono aggiunte piccole quantità di molibdeno, alluminio e altri metalli. Gli additivi dopanti riducono il numero di neutroni di fissione per cattura di neutroni da parte del combustibile nucleare. Pertanto, le aggiunte di lega all'uranio tendono ad essere scelte tra materiali che assorbono debolmente i neutroni.

I buoni combustibili nucleari includono alcuni dei composti refrattari dell'uranio: ossidi, carburi e composti intermetallici. La ceramica più utilizzata - biossido di uranio UO 2 . Il suo punto di fusione è 2800 °C, la densità è 10,2 g/cm³. Il biossido di uranio non ha transizioni di fase ed è meno incline al rigonfiamento rispetto alle leghe di uranio. Ciò consente di aumentare il burnout fino a diverse percentuali. Il biossido di uranio non interagisce con zirconio, niobio, acciaio inossidabile e altri materiali ad alte temperature. Il principale svantaggio della ceramica è la bassa conducibilità termica - 4,5 kJ/(m·K), che limita la potenza specifica del reattore in termini di temperatura di fusione. Pertanto, la densità massima del flusso di calore nei reattori VVER per il biossido di uranio non supera 1,4⋅10 3 kW/m², mentre la temperatura massima nelle barre di combustibile raggiunge i 2200 °C. Inoltre, le ceramiche calde sono molto fragili e possono rompersi.

Uso pratico

Ricevuta

combustibile di uranio

Il combustibile nucleare di uranio si ottiene dalla lavorazione dei minerali. Il processo si svolge in più fasi:

• Per depositi poveri: Nell'industria moderna, a causa della mancanza di ricchi minerali di uranio (eccezioni sono i depositi canadesi e australiani del tipo di non conformità, in cui la concentrazione di uranio raggiunge il 3%), viene utilizzato il metodo della lisciviazione sotterranea dei minerali. Ciò elimina la costosa estrazione di minerali. La preparazione preliminare va direttamente sottoterra. Attraverso pozzi di iniezione l'acido solforico viene pompato sottoterra sopra il deposito, a volte con l'aggiunta di sali ferrici (per ossidare l'uranio da U (IV) a U (VI)), sebbene i minerali spesso contengano ferro e pirolusite, che facilitano l'ossidazione. Attraverso pozzi di estrazione una soluzione di acido solforico con uranio sale in superficie con apposite pompe. Quindi si passa direttamente all'assorbimento, all'estrazione idrometallurgica e al simultaneo arricchimento dell'uranio.
• Per depositi di minerali: utilizzare la concentrazione del minerale e la concentrazione del minerale radiometrica .
• Elaborazione idrometallurgica: frantumazione, lisciviazione, assorbimento o estrazione dell'uranio per ottenere ossido di uranio purificato (U 3 O 8), diuranato di sodio (Na 2 U 2 O 7) o diuranato di ammonio ((NH 4) 2 U 2 O 7) .
• Trasferimento di uranio dall'ossido al tetrafluoruro di UF 4, o direttamente dagli ossidi per ottenere l'esafluoruro di UF 6, che viene utilizzato per arricchire l'uranio nell'isotopo 235.
• Arricchimento per diffusione termica di gas o centrifugazione.
• L'UF 6 arricchito nell'isotopo 235 viene convertito in biossido di UO 2, da cui si ricavano “pillole” di barre di combustibile o si ottengono altri composti di uranio per lo stesso scopo.