Атомная станция, ядерные реакторы

Атомная энергетика
  • Ядерная реакция
  • Авария на ЧАЭС
  • Антуан Беккерель
  • Ядерный топливный цикл
  • Степень опасности РАО
  • Лазерная трансмутация
  • География транспортировки ядерных
    отходов в России
  • Новоуральск и ядерные отходы
  • СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
    АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
  • ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ
  • Атомные электростанции (АЭС)
  • Главным сооружением АЭС
    является энергоблок
    .
  • Физика атомного ядра
  • Радиоактивное излучение
  • Выделение энергии при делении
    тяжёлых ядер
    .
  • Зал управления Ленинградской АЭС
  • Ядерный топливный цикл

    Начало цикла

    Отходы начального периода ядерного топливного цикла — обычно полученная в результате извлечения урана пустая порода, испускающая альфа-частицы. Она обычно содержит радий и продукты его распада.

    Радиоактивность диоксида урана (UO2), получаемого при добыче урана, всего в тысячу раз превышает радиоактивность гранита, используемого в строительстве. Его получают из желтого кека (U3O8), затем перерабатывают в газообразный гексафторид урана (UF6). Газ проходит стадию обогащения, в результате содержание урана (235U) повышается с 0,7 % до 3.5 % (низкообогащенный уран). Затем он превращается в твердый оксид урана (UO2), используемый в качестве топливных элементов ядерных реакторов.

    Главный побочный продукт обогащения — обедненный уран, состоящий главным образом из урана-238, с содержанием урана-235 менее 0,3 %. Он находится на хранении, так же, как UF6 и U3O8. Эти вещества находят применение в областях, где ценится их крайне высокая плотность, например при изготовлении килей яхт и противотанковых снарядов. Также они используются (вместе с повторно используемым плутонием) для создания смешанного оксидного ядерного топлива и для разбавления переобогащенного урана, входящего ранее в состав ядерного оружия. Это разбавление, называемое также обеднением, означает, что любая страна или группировка, получившая в свое распоряжение ядерное топливо, должна будет повторить очень дорогой и сложный процесс обогащения, прежде чем сможет создать оружие.

    Окончание цикла

    Вещества, в которых подошел к концу ядерный топливный цикл (в основном это отработавшие топливные стержни), содержат продукты деления, испускающие бета- и гамма-лучи. Они также могут содержать актиноиды, испускающие альфа-частицы, к которым относятся уран (234U), нептуний (237Np), плутоний (238Pu) и америций (241Am), а иногда даже источники нейтронов, такие как калифорний (Cf). Эти изотопы образуются в ядерных реакторах.

    Важно различать обработку урана с целью получения топлива и переработку использованного урана. Использованное горючее содержит высокорадиоактивные продукты деления (см. ниже Высокоактивные РАО). Многие из них являются поглотителями нейтронов, получив, таким образом, название «нейтронных ядов». В конечном итоге их количество возрастает до такой степени, что, улавливая нейтроны, они останавливают цепную реакцию даже при полном удалении графитовых стержней. Достигшее этого состояния топливо необходимо заменить свежим, несмотря на по-прежнему достаточное количество урана-235 и плутония. В настоящее время в США использованное топливо отправляется на хранение. В других странах (в частности, в Великобритании, Франции и Японии), это топливо перерабатывается с целью удаления продуктов деления, затем возможно его повторное использование. Процесс переработки включает работу с высокорадиоактивными веществами, а удаленные из топлива продукты деления — это концентрированная форма высокоактивных РАО, так же, как используемые в переработке химикаты.

    Переработка ядерного оружия

    Отходы от переработки ядерного оружия (в отличие от его изготовления, которое требует первичного сырья из реакторного топлива), не содержат источников бета- и гамма-лучей, за исключением трития и америция. В них содержится гораздо большее число актиноидов, испускающих альфа-лучи, таких как плутоний-239, подвергающийся ядерной реакции в бомбах, а также некоторые вещества с большой удельной радиоактивностью, такие как плутоний-238 или полоний.

    В прошлом в качестве ядерного заряда в бомбах предлагались бериллий и высокоактивные альфа-излучатели, такие как полоний. Сейчас альтернативой полонию является плутоний-238. По причинам государственной безопасности, подробные конструкции современных бомб не освещаются в литературе, доступной широкому кругу читателей.

    Некоторые модели также содержат радиоизотопные источники энергии (РИТЭГ), в котором в качестве долговечного источника электрической мощности для работы электроники бомбы используется плутоний-238.

    Возможно, что расщепляющееся вещество старой бомбы, подлежащее замене, будет содержать продукты распада изотопов плутония. К ним относятся альфа-излучающий нептуний-236, образовавшийся из включений плутония-240, а также некоторое количество урана-235, полученного из плутония-239. Количество этих отходов радиоактивного распада ядра бомбы будет очень мало, и в любом случае они гораздо менее опасны (даже в переводе на радиоактивность как таковую), чем сам плутоний-239.

    В результате бета-распада плутония-241 образуется америций-241, увеличение количества америция — большая проблема, чем распад плутония-239 и плутония-240, так как америций является гамма-излучателем (возрастает его внешнее воздействие на рабочих) и альфа-излучателем, способным вызвать выделение тепла. Плутоний может быть отделен от америция различными путями, среди которых — пирометрическая обработка и извлечение при помощи водного/органического растворителя. Видоизмененная технология извлечения плутония из облучённого урана (PUREX) — также один из возможных методов разделения.

    Классификация РАО

    Малоактивные РАО

    Малоактивные РАО — результат деятельности больниц, промышленных предприятий, а также ядерного топливного цикла. К ним относятся бумага, ветошь, инструменты, одежда, фильтры и т. д., содержащие малое количество преимущественно короткоживущих изотопов. Обычно эти предметы определяют как малоактивные отходы в качестве меры предосторожности, если они находились в любой области т. н. «активной зоны», часто включающей офисные помещения с крайне незначительной возможностью заражения радиоактивными веществами. Малоактивные РАО обычно обладают не большей радиоактивностью, нежели те же предметы, отправленные на свалку из нерадиоактивных зон, например, обычных офисов. Данный тип отходов не требует изоляции во время транспортировки и пригоден для поверхностного захоронения. Чтобы уменьшить объем отходов, их обычно прессуют или сжигают перед захоронением. Малоактивные РАО делятся на четыре класса: A, B, C and GTCC (самый опасный).

    Среднеактивные РАО

    Среднеактивные РАО обладают большей радиоактивностью и в некоторых случаях нуждаются в экранировании. К данному классу отходов относятся смолы, химический осадок, металлические оболочки тепловыделяющих элементов реакторов, а также загрязненные вещества из выведенных из эксплуатации АЭС. При транспортировке эти отходы могут закатываться в бетон или битум. Как правило, отходы с коротким периодом полураспада (в основном вещества из реакторов, не имеющие отношения к топливу) сжигают в поверхностных хранилищах, отходы с долгим периодом полураспада (топливо и продукты его переработки) размещают в глубоких подземных хранилищах. Законодательство США не выделяет этот тип РАО в отдельный класс; термин в основном используется в странах Европы.

    Высокоактивные РАО

    Высокоактивные РАО — результат работы ядерных реакторов. Они содержат продукты деления и трансурановые элементы, полученные в ядре реактора. Эти отходы крайне радиоактивны и часто имеют высокую температуру. На долю высокоактивных РАО приходится до 95 % общей радиоактивности, образующейся в результате процесса генерации электрической энергии в реакторе.

    Трансурановые РАО

    По определению законодательства США к этому классу относятся отходы, загрязненные альфа-излучающими трансурановыми радионуклидами, с периодами полураспада более 20 лет и концентрацией большей 100 нКи/г, вне зависимости от их формы или происхождения, исключая высокоактивные РАО. Элементы с атомными числами, большими, чем у урана, получили название «трансурановых». В связи с долгим периодом распада трансурановых отходов их захоронение проходит тщательнее, чем захоронение малоактивных и среднеактивных отходов. В США трансурановые РАО образуются в основном в результате производства оружия, к ним относится одежда, инструменты, ветошь, побочные продукты химических реакций, различного рода мусор и другие предметы, загрязненные небольшим количеством радиоактивных веществ (главным образом, плутония).

    В соответствии с законодательством США, трансурановые РАО подразделяются на отходы, допускающие контактное обращение и отходы, требующие дистанционного обращения. Деление основывается на уровне радиации, измеренном на поверхности контейнера с отходами. Первый подкласс включает отходы с поверхностным уровнем радиации не более 200 миллибэр в час, второй — более опасные отходы, радиоактивность которых может достигать 1000 миллибэр в час. В настоящее время постоянное место захоронения трансурановых отходов деятельности силовых установок и военных заводов в США — первая в мире опытная установка для изоляции РАО.

    В зависимости от агрегатного состояния РАО делятся на газообразные, жидкие, твердые (отвержденные). В общем объеме отходов наибольший объем РАО поступают в жидком виде это радиоактивные растворы и пульпы, различные жидкие шламы; газообразные радиоактивные отходы составляют незначительную часть. Твердые РАО являются продуктом деятельности предприятий (части загрязненных конструкций, оборудования, упаковки, густой шлам, мусор и т. п.). Необходимо отметить, что к твердым отходам относятся продукты технологии отверждения жидких отходов битумирование, цементирование, остеклование и т. В 1970 г. МАГАТЭ начало разработку единой системы классификации (стандартизации) жидких, твердых и газообразных отходов. Для классификации жидких и газообразных РАО был использован параметр удельной (объемной) активности [Приложение1,2].

    Для твердых РАО был использован вид доминирующего излучения и мощности экспозиционной дозы непосредственно на поверхности отходов [Приложение 3].

    Важно отметить, что РАО делятся в зависимости от периода полураспада (время, за которое радионуклид теряет половину радиоактивности) радиоактивных элементов: на короткоживущие период полураспада меньше года; среднеживущие от года до ста лет и долгоживущие более ста лет. У используемой в России классификации РАО по удельной (объемной) активности есть свои недостатки и положительные стороны. К недостаткам можно отнести то, что в ней не учитывается период полураспада, радионуклидный и физико-химический состав отходов, а также наличие в них плутония и трансурановых элементов, хранение которых требует специальных жестких мер. Положительной стороной является то, что на всех этапах обращения с РАО включая хранение и захоронение главной задачей является предотвращение загрязнения окружающей среды и переоблучения населения, и разделение РАО в зависимости от уровня удельной (объемной) активности именно и определяется степенью их воздействия на окружающую среду и человека. На меру радиационной опасности влияет вид и энергия излучения (альфа-, бета-, гамма – излучатели), а также наличие химически токсичных соединений в отходах. Продолжительность изоляции от окружающей среды среднеактивных отходов составляет 100-300 лет, высокоактивных – 1000 и более лет, для плутония – десятки тысяч лет.

    Зал управления Ленинградской АЭС