Ядерный топливный цикл: Анатомия ОЯТ

http://geoenergetics.ru/wp-content/uploads/2016/08/036_303_opt.jpg
Название серьезное, тема – серьезная вдвойне, но давайте попробуем не забывать великого Олега Янковского в роли Мюнгхаузена: «Улыбайтесь, господа, улыбайтесь! Все глупости на Земле совершаются с серьезным выражением лица!» (С)

Часть 1.

Давайте сначала от печки – наверняка ведь уже запамятовали, что да как. ЧТО горит в реакторе АЭС? Можно ответить одним словом – уран, а можно чуточку подробнее: горит изотоп урана с атомным весом 235. У 99,27% природного урана в ядре 238 протонов с нейтронами, и этот уран спокоен и стабилен – период полураспада у него, чтобы мало не показалось, без малого 4,5 миллиарда лет.

Но, как и во всяком солидном, консервативном сообществе, имеется в уране и своя «оппозиция», она же – «пятая колонна».

Что отличает оппозиционеров от позиционеров в политике? А) их мало; Б) они нервные, на месте им не сидится, вечно чего-то суетятся и не понять, чего хотят. Уран – элемент природный, потому и у него все как у нас, человеков.

Среди массы урана вечно есть «недовольные» – атомы, которым досталось протонов и нейтронов меньше, чем положено. У физиков есть для них специальное слово – изотоп. В случае урана речь идет об изотопе урана-235 – атомы, которых природа обидела на 3 частицы. Нервные. Недовольные. Готовые распаться-разделиться на еще более мелкие куски.

Ну, натуральная оппозиция, хоть ты тресни! Это про уран-235 нам рассказывали в школе, когда вбивали в неокрепшие умы понятие «цепной реакции». Помните? «Нейтрон шмякнул по атому, выколотил из него сразу два нейтрона, те понеслись дальше, шмякнули уже по двум атомам, выколотили уже четыре…»

Это про уран, но не про весь, а только про уран-235. Уран-238 ведет себя как толстенный чинуша от «Единой России»: вокруг бегают, суетятся, орут нехорошими голосами какие-то мелкие людишки, а ему – по барабану, он «в поряде».

И в реакторе АЭС уран-238 ведет себя, как напарник Шурика на стройке в исполнении Смирнова: присутствует, но не участвует. Не, ну не так, чтобы абсолютно – случается, что его из равновесия выведут, но об этом еще поговорим. Случается. Но редко.

Чтобы уран «горел» в реакторе АЭС, в нем должно быть около 4% урана-235. потому уран природный и обогащают: искусственным образом нагоняют в уран «мелочь пузатую», готовую не просто трудиться, а в буквальном смысле гореть на работе. Надеюсь, кто да как обогащает, еще не забыли? Обогатили, запихнули в реактор. Уран-238 – присутствует, но не участвует, уран-235 – «горит».

Теперь давайте посмотрим на то же самое, но с точки зрения кошелька – то бишь экономики. Вот из шахты или карьера выволокли гору урановой руды, в которой самого урана – считанные проценты. Вот руду переработали, получив горы отвалов, в которых ни черта нет и – щепотку урана. Приволокли его на обогащение, соединили с фтором, загнали в центрифугу № 1.

Там – 99,3% урана-238 и 0,7% урана-235. Центрифуга № 1 накрутила разделительной работы и – условно – в центрифугу № 2 пришла смесь из 99,2% урана-238 и 0,8% урана-235. В центрифуге № 1 при этом остался практически чистый уран-238, который, собственно говоря, никому не надо.

Выгрузили и свалили в «хвост». Тем временем центрифуга № 2 довела содержание урана-235 до 0,9% и передала его дальше. А в ней, елки-палки, снова остался никому ненужный уран-238. Выгрузили – и тоже туда же – в «хвост».

С точки зрения экономики – откровенный бардак. Руду добывали, зарплаты платили, механизмы амортизировали, руду чистили от шлаков, электричество тратили, топливо жгли… И – горы урана-238 вокруг центрифужных производств.

http://geoenergetics.ru/wp-content/uploads/2016/08/nuclear-plant-east-europe-e1470297864486.jpg

Мало того! Стержни с топливом отработали свое в реакторе, их оттуда вытащили, дали остыть. ЧТО в них? Да опять уран-238! Уран-235 сгорел, а этот поприсутствовал и валяется в составе ОЯТ (отработанного ядерного топлива). Не, ну это нормально?!

Возимся-возимся с ураном, а уран-238 как с самого начала никак не использовался, так и не используется до самого упора. Бардак! Причем бардак и с точки зрения экономики, и с точки зрения геологии: мы выгребаем урановую руду, запасы которой конечны на третьей от Солнца планете, но для дела используем только 0,7% от общей массы искомого продукта.

Изнасилуем месторождения, останемся с горами урана-238, после чего тихо и печально закроем все АЭС.

Кому такая перспектива могла нравиться, спрашивается? Нет, американским атомщикам, само собой, по барабану: вырубят АЭС, они пойдут айфоны делать. А нашим – куда?! В трактористы аль грузчики, что ли? Так и там местов нету – Обама ведь сказал, что порвал нашу экономику в клочья, а Обама врать не станет, он ведь не гусь лапчатый, а сам президент самих США.

И, разумеется – испугались наши атомщики, задрожали от грядущей, понимашь, безработицы. Нельзя же, в самом деле, даже думать – не то, что говорить! – что в нашем атомном проекте собраны лучшие головы, руки и соображалки, что Росатом не то, что на голову, а на 2-3 корпуса впереди «передового Запада».

Все – от испуга, от страха перед могучими санкциями могучих США и ЕС. Страха настолько глубокого, что о расширении топливной базы атомной энергетики наши атомщики стали думать еще во времена СССР.

Думали, работали, экспериментировали, по крупицам, по миллиметрам отрабатывая и совершенствуя технологии даже во времена ЕБНа, когда все – казалось бы – разваливалось и рассыпалось в прах. Все это – только от страха перед санкциями 2014 года, такой вот временной парадокс. Кто не верит в эту стройную гипотезу – звонить Обаме или Навальному, они подтвердят, Касьянов печать прикладет.

Если без ёрничества, то вопросы были поставлены четко: как и что нужно сделать, чтобы как можно больше с таким трудом найденного, с таким трудом добытого, очищенного урана шло в топливный цикл. Как сделать так, чтобы работал и ненужный в классических реакторах уран-238?

Как сделать так, чтобы отработанного ядерного топлива было как можно меньше и чтобы остающееся не было настолько радиоактивно опасным? Вопросы тем более насущные, что продолжать сжигать в топках электростанций нефть и газ – по большому счету, глупость.

Углеводороды – источники химических продуктов, полиэтиленов и пластмасс, смазок и бензинов-керосинов, а мы все это – в печку, чтобы потом героически бороться с нарастающими объемами выбросов всяческих угарных и прочих парниковых газов. Не умно. Не достойно звания человека разумного.

Предлагаю считать это не заметкой, а репликой перед началом «большого пути» – просто, чтобы лучше понимать, отчего возникла идея замкнутого ядерного топливного цикла.

Дорога будет совсем не короткой, поскольку надо будет выяснить, как из чего в классических реакторах появляется плутоний, разобраться с реакторами на быстрых нейтронах с теплоносителем в виде жидкого натрия и жидкого свинца, понять, что такое МОХ-топливо и что такое REMIX-топливо, почему фабрикация новых видов ядерного топлива не менее важна, чем новые типы энергетических (энергетические реакторы – это те, которые ток в сеть гонят, в отличие от экспериментальных и исследовательских).

В общем, тема большая и лично мне кажется очень интересной. И, честное пионерское, я даже не буду подтрунивать над моими любимыми Соединенными Штатами! По очень простой причине – их в этой теме нет, причем нет от слова «вообще», так что и обсуждать тут нечего. Но это мне – интересно, а вот нужна ли эта «заумь» еще кому-то?

Если исходить из «классического» определения, ядерный топливный цикл – это совокупность всех технологических процессов, охватывающих всю цепочку обращения ядерного топлива.

Красиво сформулировано, хотя зачем обзывать уран «ядерным топливом», если на сегодня никакого другого нету – не очень понятно. Наверное, на вырост, в надежде на то, что ядерным топливом станет и плутоний, и торий.

Часть 2

https://aleksanderzapolskis.cont.ws/uploads/posts/328233.jpg

Если на пальцах, то цепочка более-менее понятна. Добыть руду. Очистить руду от ненужных шлаков, чтобы получить сам уран. Превратить его сначала в закись-окись урана – желтый кек.

Перекинуть на заводы по обогащению, превратить во фторид урана. Обогатить до тех самых 4% по урану-235. Фторид превратить в оксид урана, порошок спечь в таблетки.

Таблетки «засыпать» в тепло-выводящие сборки, из них сформировать ТВЭЛы – тепло-выводящие элементы. Поставить стержни в реакторы, дать «прогореть». Вытащить, дать стержням остыть в специальном хранилище АЭС. «Остыть» – это я упрощаю, в отработанном ядерном топливе идут всяческие ядерные процессы атомов, которые образовались во время работы реактора. Ну, и в перспективе – вывезти в постоянные хранилища ОЯТ.

Так это выглядело до последнего времени, и называют сей процесс «открытым ядерным топливным циклом». Звучит красиво, конечно, но при чем тут слово «цикл»? Цикл подразумевает повторяющийся процесс, а тут он где? Нет его – это убийство урана-235 и создание гор неиспользуемого урана-238 в чистом виде.

«Проклятые расхитители социалистической собственности!», как говаривал Бывалый в незабвенном фильме. Всех под суд за нецелевые траты, Сталина на вас нет и далее по списку. А, если серьезно, атомщики всегда прекрасно понимали, что ОЯТ можно научиться использовать повторно, наполнив слово «цикл» не только звучанием, но и содержанием.

Поэтому ОЯТ не пытаются как-то уничтожить, захоронить под 100-метровым слоем бетона, чтобы ни радиоактивность до нас не дотянулась, ни мы до ОЯТ. Во всех ведущих странах «атомного клуба» хранилища ОЯТ – длительного срока (до 50 лет), но не бесконечного. Росатом, строя АЭС зарубежом, в контрактах всегда предусматривает вывоз ОЯТ в Россию, поскольку а) спички детям не игрушка; б) уверен, что это вот отложенное решение будет успешно осуществлено: циклам ядерного топлива – быть!

Чтобы придумать, как создать именно цикл, надо хорошо понимать, что происходит в реакторе во время «горения» в нем топлива и что получается в результате. Да, «горение» я всегда ставлю в кавычки не просто так. Горение – реакция химическая, в которой обязательно участвует кислород из окружающей нас атмосферы.

А в реакторе все процессы – физические, идут внутри атомов и никакого кислорода не расходуют в принципе. И «трубы», украшающие АЭС – вовсе не трубы, а так называемые градирни. Специальные такие устройства для отвода лишнего тепла, но про это потом, пока главное – над градирнями не поднимается дым: все, что мы видим, это самый обычный пар. Так что, если какие гринписовцы или еще какие «зеленые» в вашем присутствии будут визжать про «экологическую опасность АЭС» – будьте добры, передайте им лично от меня подзатыльник, а лучше – два.

Так вот, про «горение» топлива в реакторе АЭС. (На всякий случай – дальше речь идет о реакторах ВВЭР, а не об РБМК и не о реакторах на тяжелой воде, но и об этом – потом) Самое понятное – то, что постепенно уменьшается концентрация урана-235, поскольку именно он и «горит». Но до полного нуля его не довести – когда концентрация уменьшается до знакомых до боли 0,7%, цепная реакция деления прекращается сама по себе.

А что с ураном-238, который, негодяй, присутствует, но не участвует? Цепной реакции в нем не возникает ни при каких обстоятельствах – такова уж его физическая особенность. Но один раз – не … не это вот самое, что так любят в Европе. Нейтронов в реакторе носится много, и время от времени уран-238 нехотя, лениво, но 1 нейтрон да принимает внутрь себя.

И таки происходит целых две ядерные реакции, в результате которых 1 атом урана-238 исчезает, а вместо него образуется 1 атом плутония-239. Логично – было 238 нейтронов и протонов, «приклеился» 1 дополнительный – получили следующий элемент таблицы Менделеева: плутоний-239. К концу эксплуатации закладки ТВЭЛ количество плутония дорастает до 1%.

Но ОЯТ – это не только уран да плутоний.
Во-первых, уран-235 после того, как по нему шмякнул нейтрон, распадается на куски, которые так, по честному и называют: осколочные нуклиды.
Во-вторых, часть урана-235 при ударе нейтрона вместо того, чтобы развалиться, принимает его вовнутрь себя, образуя всяческие трансурановые (более тяжелые, чем сам уран) атомы.
В-третьих, образовавший плутоний-239 – парень весьма неспокойный, норовит ядерно реагировать, не отходя от кассы. Стырит нейтрон, оставленный без присмотра – бац, и вот он уже плутоний-240, изотоп. Стырит два – и вот он уже плутоний-241, еще один изотоп.

А воровство не тебе предназначенных нейтронов – штука и опасная, и азартная, как любой другое воровство. Плутоний-239 умудряется войти в раж и включает собственную цепную реакцию, но его за это не наказывают – он ведь теплоотдачу реактора поднимает, пусть и не намного.

Короче, без поллитры не разобраться – сами видите. Значит, что? Вываливаем в сторонку 1 тонну ОЯТ, вооружаемся мелкоскопом, надеваем свинцовые трусы, поскольку все тут радиоактивно и топаем пересчитывать эту едрен золу.

Пинцет, чтобы атомы рассортировать, калькулятор – в общем, все дела. Первое, что видим – разумеется, гора г…а. Ой, – урана-238, какое-то не то слово вырвалось, простите. Вот пусть изначальное обогащение по урану-235 было 3,3%, то есть в загруженной в реактор 1 тонне топливе было 967 кг урана-238 и 33 кило – урана-235. Ну и чО? Да ничО – в «золе» 943 кило гумна, то бишь урана-238.

Каким ты был, таким ты и остался, если и постройнел – то совсем немного. От урана-235 остался пшик – 8 кило. Еще 4,6 кг – уран-236, но вот он точно не нужен. Так уж получилось, что изотопы урана и плутония с четными номерами в цепных реакциях не участвуют – шлак. Та-ак, а вот тут интересненько – 8,9 кило плутония. Откидываем его в сторонку, настраиваем мелкоскоп почетче. Что видим? По 33,3% плутония-239, 240 и 241. 239й и 241й – пригодятся, в них цепная реакция возможна. 240-й – шлак.

Но плутоний-240 и его 33 и 1/3 заслуживают пары слов. Чертовски полезная штука! Почему? Ну, речь ведь ведем об обычном энергетическом реакторе, который на мирной АЭС стоит, а тут – плутоний. Говорим – плутоний, подразумеваем – едрён-батон.

Поставили мирную АЭС в хитрую Турцию, она ОЯТ зажилила и слепила из него Бомбу. Каково?! Так вот, благодаря одной трети плутония-240 – кАково: как говорят циничные атомщики, из-за этой одной трети «предсказуемого ядерного заряда изготовить невозможно».

Так что дорогой наш и родненький плутоний-240 не только шлак, но еще и предохранитель от желающих покуситься на создание едрён-батонов. Извините, что отвлекся от ковыряния в тонне «золы», но, согласитесь – тонкий момент, который надо хорошо понимать.

Не может стать АЭС отправной точкой для создания ядерного оружия, и это – хорошо. Супротив физики не попрешь, даже если ты очень хитрый, злой и коварный террорист, потому и можно спокойно расставлять АЭС по белу свету.

Ладно, возвращаемся к тонне «золы». 924 кг – уран-238, 8 кило урана-235, 8,9 кило плутония в ассортименте. Итого – 943,9. И что тут еще лежит и пахнет – в смысле радиоактивничает? Так-с… 35 кило пресловутых осколочных нуклидов – перечислять лениво, мы не олимпиаде по химии. Все прочее – трансурановые элементы с названиями красивыми – нептуний, америций, кюрий…

Все, поковырялись. Трусы свинцовые – в сторону, мелкоскоп – на свалку, поскольку он теперь тоже радиоактивен. ОЯТ фонит, и фонит очень сильно, поскольку вот эти вот осколки и трансураны очень любят распадаться. Потому ОЯТ выдерживают на специальной площадке возле АЭС от 3 до 5 лет – только после этого его можно куда-то транспортировать или – если научиться – перерабатывать. Нет, ну а что перерабатывать-то? Полезного там только 8 кило урана-235 да 9 кило плутония. Как их вытащить из «золы»?

Знаете, даже я пас пересказать словами человеческими этот праздник химиков, ибо они нормальным языком вообще не пользуются. Процесс выделения урана и плутония из ядерной «золы» они назвали Пюрекс-процесс: Plutonium-Uranium Recovery by EХtraction, PUREX. Но экстракция там двойная, потом еще и аффинаж, упаривание и денитрация. Страшно? Да я сам, вслух произнося такое, подергиваюсь! Но, с другой-то стороны, я ведь обещал человеческим языком пользоваться и простые аналогии подбирать. Сейчас попробую…

Кинофильм «Чужой» видели? Какие там славные твари по экрану носились – помните? А они ведь тоже кушать хотят, блюда какие-то готовят… Нет, не видели такое кино? Ну, давайте представим, что вы откладывали супруге по копеечке на во-о-от такой красоты лабутены, а потом звоните ей по телефону: «Дорогая, ты ужин готовь, я скоро буду! Только с лабутенами незадачка получилась – я тут по дешевке купил обалденный коленвал. Ты уж потерпи, через годик купим лабутены – ну, если повезет». Представили? Ужин она, тем не менее, готовить стала, использовав вместо поваренной книги рецепт PUREX.

«Аккуратно нарезав мелкими кусочками ТВЭЛы, не очищая их от кожуры и мякоти, поместите их в кастрюльку со свежей 100%-ной азотной кислотой и помешивайте золотой ложечкой, пока все кусочки не растворятся.

Полученный бульон процедите через ситечко, а затем добавьте в кастрюльку 30%-ный раствор трибутилфосфата в керосине. Цвет бульона сразу изменится, и кухня наполнится потрясающими ароматами, так радующими вашего любимого супруга.

Для придания бульону золотистого цвета всенепременно плесните в него нитрат аммония и несколько ложечек нагретой до кипения 60%-ной азотной кислоты. Через несколько минут осколочные нуклиды превратятся в рафинад, а в бульоне останутся только уран и плутоний.

К этому времени во второй кастрюльке у вас как раз вскипит раствор соли двухвалентного железа, который, после добавления, добавит бульону питательности. Не премините дополнительно насытить бульон раствором хлора или серы, подавайте к столу горяченьким».

Мужики! Обещали жене лабутены – идите и купите сразу две пары, а то ведь не исключено, что этот рецепт теперь будет бродить по просторам Интернета! И это я его еще и упростил – в реальности в процессе переработки используют не только азотную, но и серную, и плавиковую кислоты.

Короче: химики – могут, за что честь им и хвала и свежий противогаз в придачу. Могут – убрать все шлаки, могут – отделить уран от плутония. У кого нервы крепкие, могут удовлетворить любопытство – сюда, кто хочет совсем уж подробно – сюда. Тут, правда, на английском, но формулы химических реакций перевода не требуют. Заметим, что работать со всеми этими вот жуткими кислотами, солями и щелочами химикам приходится еще и в условиях применения всех мер биологической зашиты от радиации. И они это – делают!

На освоение технологии Пьюрекс ушел не один год, но теперь она освоена качественно, продуманы все меры безопасности. У нас это делают на «Маяке», Сибирском химкомбинате и на Железногорском горно-химическом комбинате, действуют два предприятия AREVA во Франции и на заводе Селафилд в Англии.

Планировали организовать производство японцы, только вот тут я, сидя в Латвии, окончательно перестал понимать, что там и как. Завод японцы упорно строят с 1993 года, передвигая сроки запуска вот уже 23 раза. Было достаточно бравурное сообщение о том, что весной 2016 – точняк и верняк, да вот только зимой тамошний минфин коротенько перевел срок на конец 2018-го.

Удовольствие под названием Пьюрекс дорогое, опасное, но – нужное. Мало того – оно может стать еще и весьма экспортным, поскольку проблема ОЯТ стоит перед всеми странами, имеющими свои АЭС. В переработке ОЯТ как бизнесе пока впереди французы – два завода позволяют им зарабатывать миллиарды на переработке ОЯТ Германии, Швейцарии, Голландии.

Росатом отвечает асимметрично: на «Маяке» научились перерабатывать ОЯТ всех видов – из энергетических реакторов, из реакторов экспериментальных, исследовательских, из реакторов подводных лодок. На СХК смогут перерабатывать ОЯТ из наших быстрых реакторов – как из натриевого, так и из «свинцового», задел на будущее делается прямо сейчас.

Можно, конечно, и дальше расписывать подробности переработки ОЯТ, но я бы предложил остановиться на констатации главного: радиохимики могут выделить из него уран, плутоний, трансурановые элементы, осколочные нуклиды по отдельности. Те, кто побаивается радиации, тоже могут зафиксировать: все действительно опасное, что нельзя повторно использовать ни при каких обстоятельствах, после извлечения из ОЯТ остекловывается, бетонируется и так далее – дабы соблюсти все жесткие нормативы.

В следующих заметках посмотрим, чем ответили физики: как можно использовать то, что смогли в чистом виде выделить для них химики. Чтобы не было скучно – нашел уникальный фоторепортаж с завода РТ-1, где идет переработка ОЯТ. «Маяк» нынче – это ведь производственное объединение, в составе которого семь заводов, далеко не на все из которых можно попасть простому смертному со стороны.

Фоторепортаж 2011 года – сейчас, наверняка, все стало еще более технологичным.

Но общее представление о том, как в натуре выглядит все то, что я тут расписывал, уважаемый Илья Яковлев передал самым наилучшим образом – здесь. Эх, мне бы туда попасть, но… В общем – потратьте драгоценное время, не пожалеете.

Б. МАРЦИНКЕВИЧ

***

Источник.