История искусства Экология энергетики Инженерная графика и машиностроительное черчение Математика решение задач и примеров Курс лекций по физике и электротехнике
Топливо для ядерных реакторов Урановый цикл Уран-ториевый цикл Уран-плутонивый цикл оружейный плутоний Торий-плутонивый цикл Добыча урановой руды Обогащение урана Временное хранение ОЯТ Транспортировка радиоактивных веществ Твэлы

Схема равновесного реактора с оборотом топлива. Значение топливных циклов этого типа состоит в увеличении степени эффективного использования ядерного топлива.
Параметры реакторов-размножителей на быстрых нейтронах и тепловых реакторов

Типичная методика выделения делящихся радионуклидов из урановой руды. Уран обычно встречается в виде урановой соляной руды (окись урана) и карнолита (комплексное урано- ванадиевое соединение). Обогащенную руду обрабатывают смесью азотной и серной кислот. Уран переходит в раствор в виде UO2++, а металлы, образующие нерастворимые сульфаты (Pb, Ba, Ra и др.), вместе с нерастворимыми в кислоте силикатами остаются в осадке. Добавляя к раствору избыток Na2CO3, получают основной раствор, в котором уран содержится в виде комплексного карбоната, а в осадок переходят элементы, образующие нерастворимые карбонаты, гидроокиси или основные карбонаты (Fe, Al, Cr, Zn и т.д.). Снова добавляя в раствор HNO3 до кислой реакции, получают раствор уранил-нитрата с формулой для твердой соли UO2(NO3)2*6H2O, который растворим в диэтиловом эфире. Экстрагирование уранилнитрата с помощью этого растворителя дает исключительно чистый продукт, вполне пригодный для изготовления урана для ядерных реакторов. При прокаливании уранилнитрата получается окисьзакись U3O8. Эта окись может быть восстановлена до металла в бомбе с Al, Ca или Mg. Восстановление углеродом дает продукт, сильно загрязненный карбидом урана, а восстановление водородом дает UO2. Этот оксид может быть превращен в UF4 или UCl4 путем обработки безводной HF или HCl при пониженных температурах. Тетрагалоиды восстановливают до металла натрием или кальцием. Галоидная соль KUF5, получаемая из UF4, дает очень чистый металл посредством электролиза.

Для бедных руд (а в России сейчас руды достаточно бедные), обычно используют способ извлечения урана, основанный на ионно-обменной хроматографии. Однако применяемые реагенты весьма дороги, а побочные продукты загрязняют природную среду. Кроме того, эффективность метода падает по мере уменьшения содержания урана в руде. Использование микроорганизмов может уменьшить расходы вдвое, так как бактерии сами «поставляют» реагенты, и разработка даже бедных руд становится оправданной. Для извлечения урана из руды ее необходимо поместить в отвал над слоем непроницаемых пород и опрыскать водным раствором сульфида железа, содержащим популяции сульфидредуцирующих бактерий Thiobacillus ferrooxidans. В процессе жизнедеятельности микроорганизмов образуется железистый сульфат-реагент, который окисляет четырехвалентный уран, превращая его в пятивалентный. Полученное соединение растворяют в кислоте. Радиоактивный элемент извлекают путем концентрирования и очистки методом осаждения и ионного обмена.

Метод бактериальной гидрометаллургии испытан канадскими учеными, которые при возобновлении добычи урана на шахте в Станроке, где запасы руд считались полностью исчерпанными, использовали железобактерии вида Thiobacillus ferrooxidans. Такие бактерии населяют шахтные хвосты (скопления отходов отработанной урановой руды) и откачанные из-под земли кислотные воды. Питаются они серой, разлагая сульфидные минералы. В итоге нерастворимые соединения урана, слагающие руды, становятся растворимыми, и последующее извлечение металла значительно облегчается.

Замечание. При производстве обогащенного урана для обычных реакторов одновременно производится приблизительно в семь раз большее количество обедненного урана. Если же уран обогащают до 93 % содержания 235U (для военных целей), то при этом производится приблизительно в 200 раз большее количество обедненного урана. Все это, учитывая очень большое количество всего урана, которое когда- либо добывалось, является очень ценным сырьем и потенциальным топливом для ядерных установок.

После завершения технологических процессов экстракции урана на предприятиях горнодобывающей промышленности практически весь радиоактивный радий, торий и актиний содержится в отвалах и, следовательно, уровни излучения и испускания радона из таких отходов будут, по всей вероятности, существенны. Однако, маловероятно, что кто-либо построит жилище на вершине отвальных пород и получит повышенную дозу облучения, лежащую за пределами международных норм. Тем не менее, отходы должны быть закрыты достаточным количеством грунта, чтобы уровни гамма-излучения не превышали уровня естественного фона. В этом случае возможно и покрытие этих мест растительностью.

Примерно 95% радиоактивности в руде с содержанием 0.3 % U3O8 исходит от радиоактивного распада 238U, достигающей, приблизительно, 450 кБк/кг. Этот ряд имеет 14 радиоактивных долгоживущих изотопов и, таким образом, каждый из них дает, приблизительно, 32 кБк/кг (независимо от массового соотношения). После обработки из руды удаляется U и немного U (и 235U) и радиоактивность снижается до 85% ее первоначального значения. После удаления большей части 238U, два короткоживущих продукта его распада (234Th и 234Pa) скоро исчезают и, по истечению нескольких месяцев, уровень радиоактивности снижается до 70% ее первоначального значения. Основным долгоживущим изотопом тогда становится 230Th (период полураспада 77000 лет), который превращается в Ra с последующим распадом в 222Rn.

Замыкание топливного цикла при использовании реакторов на тепловых нейтронах не решает проблемы принципиального улучшения эффективности использования топлива даже в случае жидкосолевых ториевых бридеров и конверторов с внешним источником нейтронов - по причине неудовлетворительного баланса нейтронов при делении ядерного топлива в тепловом спектре нейтронов.
Ядерные топливные циклы производство топлива для ядерных реакторов