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

Обогащение урана

Гексафторид урана

Для целей ядерной энергетики и ядерного военного комплекса требуется уран-235, который способен поддерживать цепную реакцию деления. Его концентрация в природном уране низка — в среднем 0,7 %. Поэтому требуется обогащение природного урана до 2,4—25 % для энергетических ядерных реакторов и более высокое обогащение для военных целей. Обязательна операция доочистки урана (аффинаж) для превращения его в ядерно-чистый материал, который преобразуется затем в гексафторид урана (UF6). Уран чистят от бора, кадмия, гафния, являющихся нейтрон поглощающими элементами, а также от редкоземельных элементов (гадолиний, европий и самарий). Аффинаж состоит в экстракционной очистке урана трибутилфосфатом после растворения уранового концентрата в азотной кислоте.

Гексафторид урана по совокупности свойств является наиболее подходящим химическим соединением для изотопного обогащения. Технология фторирования в вертикальном плазменном реакторе включает производство чистого фтора, измельчение тетрафторида (UF4) или оксида урана до состояния порошка с последующим его сжиганием в факеле фтора. Затем производится фильтрация гексафторида урана и его конденсация в системе холодных ловушек. Предприятия России по преобразованию оксида урана в гексафторид расположены в Верхнем Нейвинске (Свердловская обл.) и Ангарске (Иркутская обл.). Их совокупная производительность 20 - 30 тыс. т гексафторида урана в год.

В промышленных масштабах производство гексафторида урана помимо России осуществляют в США, Великобритании, Франции и Канаде. Мощность заводов превышает потребность в производимой ими продукции (используется приблизительно 85% мощности). Производственная мощность предприятий России достаточна не только для удовлетворения внутренних потребностей, но и поставки значительного объема продукции на экспорт.

Рис.4. Общая схема производства металлического урана

где P - выход продукта, U - разделительная

Разделительная способность обогатительного завода измеряется в единицах массы переработанного вещества (МПП) за единицу времени, например МПП-кг/год или МПП-тонн/год. Выход обогащенного продукта с предприятия заданной мощности зависит от концентрации нужного изотопа во входной породе, выходных отходах и конечном продукте. Исходное содержание полезного изотопа определено природным его содержанием. Зато два остальных параметра можно изменять. Если уменьшить степень извлечения изотопа из исходного вещества, можно увеличить скорость его выхода, но платой за это будет увеличение требуемой массы сырья. Это подчиняется отношению:

способность, NP, NF, NW - молярные концентрации изотопа в конечном продукте, сырье и отходах. V(NP), V(NW), V(NF) разделительные потенциальные функции для каждой концентрации. Они определяются как:

Принимая остаточную концентрацию в 0.25%, завод с производительностью 3100 МПП-кг/год произведет 15 кг 90% U-235 ежегодно из натурального урана. Если взять в качестве сырья трехпроцентный U-235 (топливо для АЭС) и концентрацию 0.7% в отходах производства, тогда достаточно мощности 886МПП-кг/год для того же выхода.

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