Возможности урана для энергетики — Мир Знаний

Возможности урана для энергетики

Зачем нужен уран? Раньше его применяли в качестве пигмента для изготовления керамики и цветного стекла. Теперь же уран — основа атомной энергетики и атомного оружия. При этом используется его уникальное свойство — способность ядра делиться.

АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ — САМАЯ ЭФФЕКТИВНАЯ

Зачем нужна атомная энергетика? Советские ученые, академики Зельдович и Харитон, были в числе первых, кто посчитал экономический эффект атомной энергетики еще в 1940 году, «… в настоящий момент еще нельзя сделать окончательных заключений о возможности или невозможности осуществления в уране ядерной реакции деления с бесконечно разветвляющимися цепями. Если такая реакция осуществима, то автоматически осуществляется регулировка скорости реакции, обеспечивающая спокойное ее протекание, несмотря на огромное количество находящейся в распоряжении экспериментатора энергии. Это обстоятельство исключительно благоприятно для энергетического использования реакции. Приведем поэтому — хотя это и является делением шкуры неубитого медведя — некоторые числа, характеризующие возможности энергетического использования урана. Если процесс деления идет на быстрых нейтронах, следовательно, реакция захватывает основной изотоп урана (U238), то стоимость калории из основного изотопа урана оказывается примерно в 4000 раз дешевле, чем из угля».

Первую управляемую цепную реакцию провел в 1942 году Энрико Ферми в Чикагском университете, причем управляли реактором вручную — задвигая и выдвигая графитовые стержни при изменении потока нейтронов. Первая электростанция была построена в Обнинске в 1954 году. Помимо выработки энергии первые реакторы работали еще и на производство оружейного плутония.

ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Сейчас большинство реакторов работают на медленных нейтронах. Обогащенный уран в виде металла, сплава, например, с алюминием или в виде оксида складывают в длинные цилиндры — тепловыделяющие элементы. Их определенным образом устанавливают в реакторе, а между ними вводят стержни из замедлителя, которые и управляют цепной реакцией. Со временем в тепловыделяющем элементе накапливаются реакторные яды — продукты деления урана, также способные к поглощению нейтронов. Когда концентрация урана-235 падает ниже критической, элемент выводят из эксплуатации. Однако в нем много осколков деления с сильной радиоактивностью, которая уменьшается с годами, отчего элементы еще долго выделяют значительное количество тепла. Их выдерживают в охлаждающих бассейнах, а затем либо захоранивают, либо пытаются переработать — извлечь несгоревший уран-235, наработанный плутоний (он шел на изготовление атомных бомб) и другие изотопы, которым можно найти применение. Неиспользуемую часть отправляют в могильники.

В так называемых реакторах на быстрых нейтронах, или реакторах-размножителях, вокруг элементов устанавливают отражатели из урана-238 или тория-232. Они замедляют и отправляют обратно в зону реакции слишком быстрые нейтроны. Замедленные же до резонансных скоростей нейтроны поглощают названные изотопы, превращаясь соответственно в плутоний-239 или уран-233, которые могут служить топливом для атомной станции. Так как быстрые нейтроны плохо реагируют с ураном-235, нужно значительно увеличивать его концентрацию, но это окупается более сильным потоком нейтронов. Несмотря на то что реакторы-размножители считаются будущим атомной энергетики, поскольку дают больше ядерного топлива, чем расходуют, — опыты показали: управлять ими трудно. Сейчас в мире остался лишь один такой реактор — на четвертом энергоблоке Белоярской АЭС.

КАК ДОБЫВАЮТ УРАН?

Урана на Земле не так уж мало — по распространенности он на 38-м месте. А больше всего этого элемента в осадочных породах — углистых сланцах и фосфоритах. Всего в земной коре содержится 1014 тонн урана, но главная проблема в том, что он весьма рассеян и не образует мощных месторождений. Промышленное значение имеют примерно 15 минералов урана. Это урановая смолка — ее основой служит оксид четырехвалентного урана, урановая слюдка — различные силикаты, фосфаты и более сложные соединения с ванадием или титаном на основе шестивалентного урана.

В настоящее время добыча радиоактивных руд ведется всеми известными в горнорудной практике способами: открытым, подземным, комбинированным. Россыпные месторождения разрабатывают пока только открытым способом.

На выбор способа добычи урановой руды существенное влияние оказывают технические возможности и характеристики разведанных урановых месторождений. На первых этапах развития урановой промышленности, когда основными объектами эксплуатации были месторождения гидротермального происхождения, почти вся урановая руда добывалась подземным способом.

В последующие годы были открыты месторождения со значительными запасами сравнительно бедных руд, залегающих неглубоко от поверхности. Такие руды экономически целесообразно добывать открытым способом. В США, Канаде, Австралии и других странах значительный объем руды добывается именно так. Например, в США более чем на 60 рудниках западных штатов добывают урановую руду открытыми работами, в Австралии добыча урановых руд в основном производится открытым способом. Ряд урановых месторождений в России и республиках бывшего СССР также разрабатывается открытым способом.

УДЕШЕВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

В последние годы интенсивно проводятся работы по изысканию новейших способов разработки, которые позволили бы удешевить стоимость добытого металла и эксплуатировать многочисленные месторождения с низким содержанием урана.

Наиболее эффективными и часто применяемыми способами переработки руд на урановых предприятиях являются радиометрическое обогащение и выщелачивание добываемых руд. Радиометрическое обогащение контрастных руд по существу проводится на всем пути следования руды от забоя до обогатительной фабрики. Руду и породу разделяют в забоях с помощью полевых радиометров. По пути дальнейшего следования руда подвергается радиометрическому контролю на специальных пунктах — радиометрических контрольных станциях (РКС). С помощью РКС осуществляется отделение основной массы пустой породы от руды (первичное обогащение) и разделение руды по содержанию металла на заданное число сортов для последующей переработки. РКС устанавливаются в подземных выработках и на поверхности. Бедная (забалансовая) руда, как правило, подвергается радиометрической сортировке на специальных установках РАС, где производится отделение пустой породы и перевод руды из забалансовой в балансовую. Радиометрическая сортировка (вторая стадия радиометрического обогащения) организуется непосредственно в надшахтных зданиях, являясь одним из звеньев в общей технологии добычи и переработки руды на шахте, или же осуществляется на специальных радиометрических обогатительных фабриках.

Основным топливом ядерных реакторов является диоксид урана, обогащенного по делящемуся изотопу (урану-235). Поэтому после обогащения гексафторид урана необходимо перевести в более удобную форму диоксида. В свою очередь, из диоксида урана прессуют топливные таблетки, которые размещают внутри тонких циркониевых трубок — тепловыделяющих элементов (твэлов). Из твэлов собирают тепловыделяющие сборки, размещаемые в ядерном реакторе.

НА СКОЛЬКО ХВАТИТ ЗАПАСОВ?

Оценка запасов урана в разных странах все время меняется из-за разведки новых месторождений и из-за отработки старых. Кроме того, меняется оценка доступных для разработки запасов (понятно, что при цене урана $20/кг число разрабатываемых месторождений будет гораздо меньше, чем при цене $200/кг). Неудивительно, что в 2006 году оценка запасов дала несколько иные цифры разведанных ресурсов (диоксида урана, тыс. тонн, в скобках даны доли от мировых запасов): Австралия 1 074 (0,3), Казахстан 622 0,17), Канада 439 (0,12), Южная Африка 298 (0,08), Намибия 213 (0,06), Россия 158 (0,04), Бразилия 143 (0,04), США 102 (0,03), Узбекистан 93 (0,03). Всего: 3 622 000 тонн. Сейчас расход составляет 67000 тонн в год, так что можно предположить, что при нынешней технологии запасов хватит на 54 года. Но ядерный реактор-размножитель обладает чудесной способностью, вырабатывая энергию, в то же время производить еще и новое ядерное топливо. К тому же он работает на более распространенном изотопе урана-238 (преобразуя его в делящийся материал плутоний). Считается, что при использовании реакторов-размножителей запасов урана хватит не менее чем на 6000 лет.

Вам понравится

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Поделиться записью в соц. сетях