Лекции для магистров Лекция № 2 A Основные материалы и переделы в ЯТЦ. Понятия и определения. Ч. 2. Виктор Декусар ГНЦ РФ ФЭИ E-mail: decouss@ippe. ru 1
Схемы Ядерного топливного цикла 1) Частично -замкнутый ЯТЦ 2
Схемы Ядерного топливного цикла 2) Замкнутый ЯТЦ Начальная стадия ЯТЦ Заключительная стадия ЯТЦ Реактор 3
Особенности технологии ядерных материалов • Микроколичества вещества (сотые доли процента в урановых рудах, ОЯТ, из которого необходимо извлечь ценные продукты и др). • Ядерная чистота материалов. • Радиоактивность и химическая токсичность. • Возможность самопроизвольной цепной реакции.
ЭТАПЫ топливного цикла 1. Начальная стадия: Добыча руды – открытые карьеры, подземные шахты, подземное выщелачивание (ПВ). • Обогащение руды - освобождение от пустой породы. Российские месторождения характеризуются очень малым содержание урана ~ 0. 01, …, 0. 1 %. • Конверсия – перевод U 3 O 8 в UF 6. • Изотопное обогащение – обеспечение в UF 6 требуемого соотношения между изотопами 235 U и 238 U. • Изготовление топлива (порошки, таблетки, твэлы, ТВС) • Транспортировка топлива на АЭС 5
ЭТАПЫ топливного цикла 1. Начальная стадия – добыча руды • Традиционные горные технологии при добыче руд радиоактивных металлов (подземный и карьерный) мало отличаются от добычи руд других полезных ископаемых. Основное отличие- защита персонала и мониторинг окружающей среды. • Подземное выщелачивание (СССР с 1962 г, США с 1975 г) позволяет существенно снизить затраты на добычу. Связано с переходом на освоение месторождений бедных руд (0. 2% и ниже). 6
ЭТАПЫ топливного цикла 1. Начальная стадия - гидрометаллургия руды • предварительное обогащение с помощью физических методов мало отличаются от добычи руд других полезных ископаемых. Основное отличие- защита персонала и монторинг окружающей среды. • Растворение руды в кислых или щелочных реагентах, очистка от рудных примесей и элементов породы и концентрация основного металла или группы металлов. 7
ЭТАПЫ топливного цикла 1. Начальная стадия - конверсия урана • конечной продукцией переработки природного сырья являются: UF 4 или U 3 U 8 ( UO 4, UO 2) или U (металл) в зависимости от дальнейшего использования уранового сырья. 8
ЭТАПЫ топливного цикла 1. Начальная стадия - конверсия урана Технологии получения гексафтрида урана: 1. Восстановление закиси-окиси урана до диоксида с использованием водорода или аммиака 2. Растворение диоксида в смеси HF-HCl или HFH 2 SO 4 и последующее осаждение кристаллгидратов тетрафторида урана повышением концентрации плавиковой кислоты 3. Распульповка диоксида в воде и осаждение кристаллгидратов урана плавиковой кислотой 4. Сушка и обезвоживание кристаллгидратов тетрафторида урана 5. Фторирование тетрафторида до гексафторида урана 6. Прямое фторирование закиси-окиси до гексафторида урана
ЭТАПЫ топливного цикла 1. Начальная стадия - гидрометаллургия руды • предварительное обогащение с помощью физических методов мало отличаются от добычи руд других полезных ископаемых. Основное отличие- защита персонала и монторинг окружающей среды. • Растворение руды в кислых или щелочных реагентах, очистка от рудных примесей и элементов породы и концентрация основного металла или группы металлов. 10
ЭТАПЫ топливного цикла Изотопное обогащение (разделение изотопов) Основные технологии: • Газодиффузионная – первая технология, примененная для разделения изотопов. Основана на прохождении частиц с разными скоростями через пористую мембрану. В России в настоящее время используется мало. • Газоцентрифужная – применяется в настоящее время. Основана на центробежном разделении частиц разной массы. Представляет собой высочайшее технологическое достижение. • Другие методы: лазерные, плазменные. Пока экономически невыгодны. 11
ЭТАПЫ топливного цикла Эффективность процесса разделения изотопов характеризуется стоимостью единицы работы разделения (ЕРР, SWU). ЕРР фактически характеризует энергию, которую необходимо затратить для разделения изотопов. Величина ЕРР не зависит от применяемой технологии, зависит только от разделяемых изотопов (от их массы), требуемой величины обогащения и величины отвала. Измеряется в кг ЕРР. Эффективность применяемой технологии сказывается в стоимости кг ЕРР. 12
Изотопное разделение Количество материалов при производстве обогащенного урана можно определить из соотношений: F=P+W, Fc=Px+Wy, отсюда f=F/P=(x-y)/(c-y), и F=f. P, W=P(f-1), где Р- количество урана требуемого обогащения, W- величина отвала, F – количество природного урана, С=0. 711% -содержание 235 U в естественном уране, х- требуемое обогащение по 235 U , у- содержание 235 U в отвале. 13
Изотопное разделение ЕРР=P( V(x)+(x-c)/(c-y)V(y)-(x-y)/(c-y)V(c)), V(x)=(2 x-1)ln(x/(1 -x)) Например, для получение 1 кг 235 U обогащением 4. 5% при содержании 235 U в отвале 0. 2% потребуется 8. 4 кг природного урана и разделительная работа в 7. 2 кг. ЕРР. 14
Изотопное обогащение Цех разделения изотопов урана Схема газовой центрифуги 15
ЭТАПЫ топливного цикла Цены переделов начальной стадии топливного цикла (2007 г) , $/кг тм( $/кг ЕРР) цена в России цена мирового рынка Уран 76 134 Конверсия 17 11 Обогащение 28 147 Изготовление Топлива 510(ТР) 2000(БР) 275 16
2. Использование ядерного топлива в реакторе. Ядерные превращения при облучении топлива нейтронами в ЯР
Основные ядерные превращения уран-плутониевом цикле 242 Cm 243 Cm 244 Cm 162. 79 д 29. 1 л 18. 1 л 241 Am Am*) 239 Pu 2. 4 E 4 л 239 Np 2. 356 д 238 U 239 U 4. 5 E 9 л 23. 45 м 240 Pu 6564 л 241 Pu 14. 35 л 243 Am 7370 л 432. 2 л 238 Pu 87. 7 л 242 Pu 3. 7 E 5 л 244 Am (m)26 м (g)10. 1 ч в 245 Cm 8500 л
Основные ядерные превращения торий-урановом цикле в 238 Pu 87. 7 л 237 Np 238 Np 2. 1 E 6 л 2. 12 д 232 U 68. 9 л 231 Pa 3. 3 E 4 л 232 Pa 1. 31 д 233 U 1. 6 E 5 л 233 Pa 26. 97 д 228 Th 231 Th 232 Th 233 Th 1. 913 л 25. 52 ч 1. 4 E 10 л 22. 3 м 234 U 2. 46 E 5 л 235 U 7. 0 E 8 л 236 U 2. 3 E 7 л 237 U 6. 75 д
ЭТАПЫ топливного цикла 3. Заключительная стадия ядерного топливного цикла. Варианты заключительной стадии ЯТЦ: А) Прямое окончательное захоронение ОЯТ Б) С переработкой ОЯТ 20
3. Заключительная стадия ядерного топливного цикла. Ядерные превращения при хранении топлива
ЭТАПЫ топливного цикла 3. Заключительная стадия ядерного топливного цикла. Вариант А) Прямое окончательное захоронение ОЯТ: Этапы • Транспортировка • Промежуточное хранение • Инкапсулирование • Захоронение 22
ЭТАПЫ топливного цикла 3. Заключительная стадия ядерного топливного цикла. Вариант В) Переработка ОЯТ: Этапы • Транспортировка • Промежуточное хранение • Переработка ОЯТ с выделением отдельных компонент • Захоронение РАО 23
ЭТАПЫ топливного цикла 3. Заключительная стадия ядерного топливного цикла. Вариант В) Переработка ОЯТ: Этапы • Транспортировка • Промежуточное хранение • Переработка ОЯТ с выделением отдельных компонент • Захоронение РАО 24
ЭТАПЫ топливного цикла 3. Заключительная стадия ядерного топливного цикла. Стоимости переделов заключительной стадии топливного цикла, $/кг тм А) прямое захоронение Транспортировка и промежуточное хранение 230 Инкапсулирование и прямое захоронение 610 Б) Переработка ОЯТ Транспортировка и промежуточное хранение 50 Переработка ОЯТ 750 Остекловывание и захоронение РАО 90 25
Сухое хранилище Россия 26
Сухое хранилище США, Юкка-маунтин 27
Захоронение Концепция геологического захоронения, разработанная 28 компанией SKB (Швеция)
СПАСИБО