Типовая схема ядерного топливного цикла. Коэффициент возврата топлива в цикл

На рис. 1 показана типовая схема замкнутого топливного цикла для энергетики с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах. Нарабатываемый плутоний рассматривается как товарный продукт, т.е. возможно полное или частичное его включение в цикл для производства нового ядерного топлива.

Как видно их схемы, ядерный топливный цикл (ЯТЦ) гораздо более сложен, чем традиционные технологические схемы для углеводородного сырья, включающие только его добычу, поставку, производство энергии и обращение с отходами. Тем не менее, преимущества ЯТЦ позволяют технически и экономически оправдать его существование. Более того, наличие замкнутой цепочки, как результат наработки нового ядерного горючего, делает его “возобновляемым”, что обеспечивает циклу исключительные преференции с точки зрения перспектив долгосрочного использования.

Под коэффициентом возврата в цикл (КВЦ) понимается отношение количества топлива, возвращаемого в реактор после химической переработки, к количеству топлива, первоначально загружаемого в реактор, приведенные к одинаковому содержанию ²³⁵U в топливе.

Для определения КВЦ необходимо рассмотреть схему предприятий замкнутого топливного цикла (рис. 1). Схема является принципиальной и отражает все возможные стадии производств. В конкретных условиях возможно различное комбинирование отдельных производств и их территориально-производственное сочетание.

Первым является горнодобывающее производство, т.е. урановый рудник, где добывается урановая руда. Содержание урана в рудах, относимых к промышленным и подлежащих разработке при современном уровне технологии, составляет 0,02-0,3%, т.е. очень мало. В связи с этим поблизости от рудного месторождения создаются рудообогатительные заводы, предназначенные для получения из руды уранового концентрата. Пустая порода удаляется, и содержание урана в концентрате доводится до 60-80%. Это товарный продукт первого звена предприятий топливного цикла – горнодобывающего производства.

Рис.1 Принципиальная схема замкнутого ядерного топливного цикла

Вторым звеном предприятий топливного цикла может быть получение из уранового концентрата металлического урана либо производство гексафторида природного урана, являющегося продуктом, пригодным для процесса разделения его изотопов.

Третье – разделение изотопов урана, сырьем для которого является гексафторид природного урана, а товарным конечным продуктом – гексафторид урана с концентрацией ²³⁵U, требуемой для загрузки в реактор. В качестве побочного продукта в отвале получается гексафторид обедненного урана, который складируется для возможного будущего использования.

Гексафторид обогащенного урана конвертируется в металлический уран или его двуокись, или другую топливную композицию, которой снаряжают твэлы, объединяемые в ТВС. Изготовление твэлов и сборка их в ТВС производится на заводах по изготовлению твэлов. Они составляют следующее звено предприятий топливного цикла, товарной продукцией которых является ядерное топливо в форме, пригодной для непосредственного использования в реакторе.

Загруженные в реактор твэлы с обогащением Хн работают заданное время, в течение которого концентрация ²³⁵U в них снижается до значения Хк, количество накопленных продуктов деления возрастает до значения α, а плутония – до Z.

По истечении срока службы твэлы выгружают из реактора с измененным изотопным составом. Из-за высокой радиоактивности выгруженные твэлы не могут быть немедленно подвергнуты переработке для извлечения оставшихся и накопленных ценных продуктов. Поэтому следующей операцией в топливном цикле является выдержка, или хранение, отработавшего ядерного топлива в течение времени, достаточного для того, чтобы тепловыделение и активность снизились до уровня, допускающего их транспортировку, а также химическую переработку. Выдержка может производиться в специальных хранилищах, на АЭС, либо на заводе по химической переработке. Продукцией на этом этапе можно считать твэлы, пригодные к химической переработке.

Следующее звено топливного цикла – предприятие по химической переработке отработанных твэлов. На вход этого предприятия поступают сборки с облученными твэлами, которые перед химической переработкой требуют механических операций по разделке, удалению конструкционных элементов и извлечению топливной композиции. Затем отработанное топливо поступает в цепочку для растворения и извлечения урана и плутония и очистки от продуктов деления. В процессе очистки активность должна быть снижена до уровня, сопоставимого с активностью естественного урана, и приемлемого для последующего использования на заводах сублимации и разделения изотопов урана. Продукцией завода по химической переработке являются уран в виде соединений, удобных для последующего использования (двуокись урана или уранилнитрат), а также соединения плутония. Иногда возможно попутное выделение некоторых продуктов деления или трансурановых элементов для использования в различных отраслях народного хозяйства. Обогащение урана, регенерируемого на заводе по химической переработке, остается равным Хк. Изотопный состав выгружаемого из реактора урана и плутония определяется типом реактора и глубиной выгорания.

Для последующего использования в реакторе обогащение топлива Хк должно быть вновь увеличено до Хн. Для этого необходимо получение на химическом заводе соединения урана вновь перевести в гексафторид, после чего направить на завод по разделению изотопов.