the nuclear fuel cycle składa się z front-endowych etapów, które przygotowują uran do użycia w reaktorach jądrowych i back-end etapów, aby bezpiecznie zarządzać, przygotować i utylizować zużyte—lub zużyte—ale nadal wysoce radioaktywne wypalone paliwo jądrowe.
Uran jest najczęściej stosowanym paliwem w elektrowniach jądrowych do rozszczepienia jądrowego. Elektrownie jądrowe używają pewnego rodzaju uranu-U-235-jako paliwa, ponieważ jego atomy łatwo się rozdzielają., Chociaż Uran jest około 100 razy częściej spotykany niż srebro, U-235 jest stosunkowo rzadki w nieco ponad 0,7% naturalnego uranu. Koncentrat uranu jest oddzielany od rudy uranu w młynach uranu lub od zawiesiny w zakładach ługowania in situ. Jest on następnie przetwarzany w zakładach konwersji i wzbogacania, co zwiększa poziom U-235 do 3% -5% w komercyjnych reaktorach jądrowych i przekształca się w Pelety paliwowe reaktora i pręty paliwowe w zakładach wytwarzania paliwa reaktora.,
paliwo jądrowe jest ładowane do reaktorów i używane, dopóki zespoły paliwowe nie staną się wysoce radioaktywne i muszą zostać usunięte w celu tymczasowego przechowywania i ostatecznego usunięcia. Chemiczna obróbka wypalonego materiału paliwowego w celu odzyskania pozostałego produktu, który mógłby zostać ponownie rozszczepiony w nowym zespole paliwowym, jest technicznie wykonalna, ale nie jest dozwolona w Stanach Zjednoczonych.,
źródło: Pennsylvania State University Radiation Science and Engineering Center (public domain)
front end of the nuclear fuel cycle
Exploration
the nuclear fuel cycle starts with exploration for uran and the development of mines to extract URE. W celu zlokalizowania uranu stosuje się różne techniki, takie jak badania radiometryczne w powietrzu, pobieranie próbek chemicznych wód gruntowych i gleb oraz wiercenia eksploracyjne w celu zrozumienia leżącej u podstaw geologii., Po zlokalizowaniu złóż rud uranu, deweloper kopalni zwykle przeprowadza dokładniejsze odwierty lub wiercenia rozwojowe, aby określić, ile uranu jest dostępny i ile może kosztować jego odzyskanie.
wydobycie uranu
gdy znajdują się złoża rudy, które są ekonomicznie możliwe do odzyskania, następnym krokiem w cyklu paliwowym jest wydobycie rudy przy użyciu jednej z następujących technik:
- wydobycie podziemne
- wydobycie odkrywkowe
- wydobycie metodą in-place (in-situ)
- ługowanie hałd
przed 1980 r. większość Stanów Zjednoczonych, uran był wytwarzany przy użyciu odkrywkowych i podziemnych technik górniczych. Obecnie większość uranu w USA jest wytwarzana przy użyciu techniki wydobywania roztworów powszechnie zwanej in-situ-leach (ISL) lub in-situ-recovery (ISR). W procesie tym wydobywa się uran, który pokrywa cząstki piasku i żwiru zbiorników wód gruntowych. Cząstki piasku i żwiru są narażone na działanie roztworu o pH, które zostało nieznacznie podwyższone za pomocą tlenu, dwutlenku węgla lub sody kaustycznej. Uran rozpuszcza się w wodzie gruntowej, która jest wypompowywana ze zbiornika i przetwarzana w młynie uranu., Wymywanie stosów polega na rozpylaniu kwaśnego roztworu cieczy na stosy rozdrobnionej rudy uranu. Roztwór spływa przez rozdrobnioną rudę i wypłukuje uran ze skały, który jest odzyskiwany spod stosu. Wypłukiwanie hałdy nie jest już stosowane w Stanach Zjednoczonych.
źródło: United States Nuclear Regulatory Commission (public domain)
Czy wiesz, że
w 2019 roku około 43 milionów funtów uranu (odpowiednik U3O8) zostało załadowanych do komercyjnych amerykańskich reaktorów jądrowych.,
mielenie uranu
po wydobyciu rudy uranu z odkrywkowej lub podziemnej kopalni, jest ona rafinowana do koncentratu uranu w młynie uranu. Ruda jest kruszona, sproszkowana i mielona na drobny proszek. Chemikalia są dodawane do drobnego proszku, co powoduje reakcję, która oddziela uran od innych minerałów. Woda gruntowa z wydobycia roztworu jest cyrkulowana przez złoża żywiczne w celu ekstrakcji i koncentracji uranu.,
pomimo nazwy, skoncentrowany produkt uranu jest zazwyczaj czarną lub brązową substancją o nazwie yellowcake (U3O8). Wydobywana Ruda uranu zwykle daje od jednego do czterech funtów U3O8 na tonę rudy, lub 0,05% do 0,20% żółtego ciasta. Stały materiał odpadowy z wyrobisk i podziemnych operacji górniczych nazywa się odpadami młyńskimi. Przetworzona woda z wydobycia roztworu jest zwracana do zbiornika wód gruntowych, gdzie proces wydobycia jest powtarzany.,
konwersja uranu
kolejnym krokiem w cyklu paliwowym jest konwersja żółtego kęsa na gaz sześciofluorek uranu (UF6) w zakładzie przetwórczym. W przyrodzie występują trzy formy (izotopy) uranu: U-234, U-235 i U-238. Obecne projekty amerykańskich reaktorów jądrowych wymagają silniejszego stężenia (wzbogacenia) izotopu U-235, aby działać efektywnie. Gaz sześciofluorku uranu wytwarzany w instalacji konwertera nazywany jest naturalnym UF6, ponieważ pierwotne stężenia izotopów uranu nie ulegają zmianie.,
wzbogacanie uranu
po konwersji Gaz UF6 jest wysyłany do zakładu wzbogacania, w którym poszczególne izotopy uranu są oddzielane w celu wytworzenia wzbogaconego UF6 o stężeniu U-235 wynoszącym od 3% do 5%.
w Stanach Zjednoczonych stosowano dwa rodzaje procesów wzbogacania uranu: dyfuzję gazową i wirówkę gazową. Stany Zjednoczone mają obecnie jedną działającą instalację wzbogacania, która wykorzystuje proces wirowania gazowego., Wzbogacony UF6 jest zamykany w kanistrach i pozostawiany do schłodzenia i zestalenia, zanim zostanie przetransportowany pociągiem, ciężarówką lub barką do zakładu montażu paliwa w reaktorze jądrowym.
separacja izotopów lasera atomowego (AVLIS) i separacja izotopów lasera molekularnego (mlis) to nowe technologie wzbogacania, które są obecnie opracowywane. Te procesy wzbogacania oparte na laserze mogą osiągnąć wyższe czynniki wstępnego wzbogacania (separacji izotopów) niż procesy dyfuzji lub wirowania i mogą produkować wzbogacony uran szybciej niż inne techniki.,
rekonwersja uranu i wytwarzanie paliwa jądrowego
gdy Uran zostanie wzbogacony, jest gotowy do konwersji na paliwo jądrowe. W zakładzie wytwarzania paliwa jądrowego UF6 w postaci stałej ogrzewa się do postaci gazowej, a następnie Gaz UF6 jest chemicznie przetwarzany do postaci proszku dwutlenku uranu (UO2). Proszek jest następnie sprężany i formowany w małe ceramiczne granulki paliwowe. Granulki są układane i uszczelniane w długie metalowe rury o średnicy około 1 centymetra, tworząc pręty paliwowe. Pręty paliwowe są następnie wiązane razem, aby utworzyć zespół paliwa., W zależności od typu reaktora, każdy zespół paliwowy ma około 179 do 264 prętów paliwowych. Typowy rdzeń reaktora zawiera od 121 do 193 zespołów paliwowych.
w reaktorze
Po wyprodukowaniu zespołów paliwowych Ciężarówki transportują je do miejsc reaktora. Zespoły paliwowe są przechowywane na miejscu w pojemnikach do przechowywania świeżego paliwa, dopóki operatorzy reaktora ich nie potrzebują. Na tym etapie Uran jest tylko lekko radioaktywny i zasadniczo całe promieniowanie jest zawarte w metalowych rurach., Zazwyczaj operatorzy reaktorów zmieniają około jednej trzeciej rdzenia reaktora (40-90 zespołów paliwowych) co 12-24 miesiące.
rdzeń reaktora jest cylindrycznym układem wiązek paliwa, który ma około 12 stóp średnicy i 14 stóp wysokości i jest zamknięty w stalowym zbiorniku ciśnieniowym ze ścianami o grubości kilku cali. Rdzeń reaktora zasadniczo nie ma ruchomych części, z wyjątkiem niewielkiej liczby prętów kontrolnych, które są wstawiane w celu regulacji reakcji rozszczepienia jądrowego. Umieszczenie zespołów paliwowych obok siebie i dodanie wody inicjuje reakcję jądrową.,
a nuclear fuel assembly
źródło: Alternative Energies and Atomic Energy Commission, France (public domain)
tylny koniec jądrowego cyklu paliwowego
tymczasowe składowanie i ostateczna utylizacja w Stanach Zjednoczonych
Po użyciu w reaktorze zespoły paliwowe stają się wysoce radioaktywne i muszą być usunięte i przechowywane pod wodą w miejscu reaktora w basenie z wypalonym paliwem przez kilka lat., Mimo że reakcja rozszczepienia ustała, wypalone paliwo nadal emituje ciepło z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych, które powstały, gdy atomy uranu zostały rozdzielone. Woda w basenie służy zarówno do chłodzenia paliwa, jak i blokowania uwalniania promieniowania. Od 1968 do czerwca 2013 roku 241 468 zespołów paliwowych zostało rozładowanych i przechowywanych w 118 komercyjnych reaktorach jądrowych w Stanach Zjednoczonych.
w ciągu kilku lat wypalone paliwo schładza się w basenie i może zostać przeniesione do suchego pojemnika do przechowywania beczek na terenie elektrowni., Coraz więcej operatorów reaktorów przechowuje obecnie starsze wypalone paliwo w specjalnych betonowych lub stalowych pojemnikach zewnętrznych z chłodzeniem powietrzem. Dowiedz się więcej o magazynowaniu wypalonego paliwa.
ostatnim etapem w cyklu paliwowym jest zbieranie z magazynów tymczasowych zespołów wypalonego paliwa do ostatecznego rozdysponowania w stałym podziemnym składowisku. Stany Zjednoczone nie mają obecnie stałego podziemnego składowiska odpadów jądrowych o wysokim poziomie emisji.
Ostatnia aktualizacja: 27 maja 2020 roku
Dodaj komentarz