Урановую руду не загружают в энергетический реактор, поскольку ее добывают из шахты. Переработка руды должна пройти ряд стадий, включая химическую конверсию, обогащение для некоторых типов реакторов и производство топлива. Эти стадии называются «начальной частью» ядерного топливного цикла.
Маршрут производства топлива может варьироваться в зависимости от типа реактора. В легководных реакторах обычно используется низкообогащенное урановое топливо, тогда как некоторые тяжеловодные реакторы могут работать на природном уране.
1. Exploration, mining and milling
Подходящие месторождения урана определяются путем геологических исследований. Руду можно добывать такими методами, как открытый карьер, подземная добыча или растворение на месте при подходящих геологических условиях.
Путем переработки добытой руды концентрируется содержание урана. Полученный урановый концентрат широко известен как «желтый кек». This product is not yet reactor fuel.
2. Трансформация
Концентрат преобразуется в химическую форму, необходимую для следующего этапа. В топливных циклах, где будет применяться обогащение, уран может быть преобразован в гексафторид урана, который можно переработать в газообразное состояние.
Сама по себе конверсия не увеличивает соотношение изотопов. Он подготавливает материал в соответствующую химическую форму для обогащения или производства топлива.
3. Обогащение
Большая часть природного урана состоит из изотопа урана-238, а меньшая часть — из изотопа урана-235. Обогащение — это процесс увеличения доли урана-235 до уровня, необходимого для некоторых реакторных топлив.
Распространенным подходом к коммерческому обогащению являются газовые центрифуги. В конце процесса, в то время как соотношение урана-235 в одном потоке увеличивается, содержание другого потока уменьшается. Низкообогащенный уран, используемый для топлива энергетических реакторов, не имеет того же уровня обогащения, что и материал для ядерного оружия.
4. Производство топливных пеллет.
Обогащенный уран после соответствующих процессов преобразуется в порошок диоксида урана. Порошок прессуют и спекают при высокой температуре для получения небольших керамических гранул. Размеры, плотность и химические свойства пеллет проходят строгий контроль качества.
5. Fuel rod and fuel harness
Керамические гранулы помещаются в длинные металлические трубки, которые герметично закрываются. Эти конструкции называются топливными стержнями. Топливный пучок формируется путем объединения большого количества твэлов определенной геометрии.
Fuel bundles are loaded into the reactor core. В процессе использования меняется состав топлива и образуются продукты деления. Стадии хранения, переработки или захоронения после удаления из реактора являются «конечным этапом» топливного цикла.
Необходимо ли обогащение каждому реактору?
Нет. Требование зависит от конструкции реактора, замедлителя и стратегии использования топлива. В легководных реакторах используется обогащенный уран, а некоторые тяжеловодные реакторы могут работать на природном уране.
Ресурсы
- МАГАТЭ, Система моделирования ядерного топливного цикла: https://infcis.iaea.org/nfcss/modeling
- МАГАТЭ, Начальная стадия уранового топливного цикла: https://www.iaea.org/sites/default/files/gc/gc50inf-3-att6_en.pdf
- МАГАТЭ, Интегрированная информационная система ядерного топливного цикла: https://infcis.iaea.org/