🗊Презентация Ядерный топливный цикл: основы

Ядерный топливный цикл: основы

Совершенно разное: «Ядерщики»: высокотехнологичное и безопасное производство энергии Правительство: энергетическая безопасность страны Лидеры общественных движений и население: потенциальный риск и экологическая опасность, тем более, что….

В мире все более популярным становится «зеленый тренд»

Зеленый- самый популярный В науке – зеленые технологии, новые направления (зеленая химия, зеленая экономика, зеленая энергетика) В образовании – зеленые университеты В повседневной жизни – зеленые товары

Тенденции развития ядерной энергетики в мире По данным МАГАТЭ в мире функционирует 441 ядерный реактор с суммарной мощностью 382,9 ГВт, на стадии строительства находятся 68 реакторов в 15 странах с установленной мощностью 67,4 ГВт.

Тенденции развития ядерной энергетики в мире

После Фукусимы: 2015 г.

В защиту ядерной энергетики ЯЭ вносит существенный вклад в смягчение последствий изменения климата: ежегодно на 2 млрд тонн меньше CO2 поступает в атмосферу. На 21-й Конференции сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата (КС-21) принято Парижское соглашение, в котором не предписывается и не запрещается никакая конкретная форма энергии. ЯЭ способствует достижению цели 7 в области устойчивого развития “обеспечения доступа к недорогостоящим, надежным, устойчивым и современным источникам энергии для всех” и цели 13 “принятия срочных мер по борьбе с изменением климата и его последствиями”.

Топливные циклы Урановый Делящийся материал – 235U, воспроизводящий – 238U Уран-плутониевый Делящийся материал – 235U + 239Pu, воспроизводящий – 238U Уран-ториевый Делящийся материал – 235U или 233U, воспроизводящий – 232Th Торий-плутониевый Торий и оружейный плутоний. Открытый (разомкнутый), Закрытый (замкнутый).

Преимущества и недостатки различных типов ЯТЦ Замкнутый: Преимущества Возврат в энергетику урана и плутония. Уменьшение объёмов высокорадиоактивных отходов, предназначенных для захоронения. Недостатки Наличие радиохимического производства. Вероятность неконтролируемого распространения плутония-239 и других делящихся компонентов.

Преимущества и недостатки различных типов ЯТЦ Открытый: Преимущества Короче и проще. Недостатки Большая стоимость хранилищ и полигонов для захоронения, Трудности обеспечения долговременной изоляции ТВС от окружающей среды, Необходимость постоянной охраны и контроля за состоянием хранимых материалов.

ЯТЦ в разных странах Франция – заводы UP-2 и UP-3 на мысе Ля Аг с общей производительностью 1600 тонн в год. Великобритания – завод «Торп» («Thorp»),1200 тонн в год. Россия – РТ-1 на ПО «Маяк», проектная производительность 400 тонн ОЯТ в год. Индия – заводы в Тромбее (60 тонн в год), Тарапуре (100 тонн в год), Калпаккаме (100 тонн в год). Китай – экспериментальный завод (50 тонн в год). Япония – предприятие в Роккасë-Мура (800 тонн в год); опытный завод в Токай-Мура (90 тонн в год).

ЯТЦ в разных странах Большинство стран либо хранят ОЯТ, либо передают ОЯТ на переработку другим странам. Германия - ОЯТ перерабатывается на мощностях COGEMA (Франция) и BNFL (Великобритания), 50:50. Швеция ориентирована на открытый цикл.

Уран в природе

Уран в природе

Добыча урана Цена – 77-86 $/кг U, Производство урана в 2015 г. около 57 000 т, В мае 2015 г. началась коммерческая добыча на руднике с самыми богатыми рудами в мире «Сигар-Лейк» (Канада), В США изучается возможность использования морской воды как нетрадиционного источника урана.

Способы добычи урана Открытый (карьерный): рудник Актау (Казахстан) Подземный (шахтный). Метод подземного выщелачивания (закачивание растворителя «in situ»). Способ растворения отходов.

Переработка урановой руды

Получение ядерного топлива 5. Преобразование UF4 в UF6 UF4 + F2 UF6 6. Обогащение по изотопу 235U

Обогащение Коммерческие услуги оказывают: НЯКК (Китай), «АРЕВА» (Франция), «Росатом» (Российская Федерация), «ЮСЭК» (США), «Уренко» (в Европе и США). Небольшие установки эксплуатируются в Аргентине, Бразилии, Индии, Иране, Пакистане и Японии.

Получение ядерного топлива 7. Изготовление твэлов Обжиг диураната аммония и получение UO2 Прессование и спекание в виде небольших керамических таблеток. Изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов), которые объединяют примерно по 200 штук в топливные сборки, готовые для использования на АЭС.

Ядерный реактор Устройство, в активной зоне которого осуществляется контролируемая самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер некоторых тяжелых элементов под действием нейтронов. Первый ядерный реактор - декабрь 1942 года в США под руководством Э. Ферми. В Европе первый ядерный реактор - установка Ф-1 (25 декабря 1946 года в Москве под руководством И.В. Курчатова)

Типы реакторов

1 реакция – образование четно-четного ядра, 1 реакция – образование четно-четного ядра, 2 реакция – четно-нечетного ядра. Энергия для деления 235U и 238U ≈ 6.2 MeV. Ядра, способные к делению (“thermally fissionable”) – все четно-нечетные ядра, у которых количество выделяемой энергии превышает потенциальный барьер деления. Наиболее значимые (“big three”) – 233U, 235U и 239Pu.

Нейтроны с энергией до 1 eV – тепловые (медленные) нейтроны. Нейтроны с энергией до 1 eV – тепловые (медленные) нейтроны. Промежуточные нейтроны: 1 - 100 eV, реакция характеризуется большим резонансом. Нейтроны с энергией 100 eV -1 MeV: отсутствие резонанса. Нейтроны с энергией более 1 MeV – быстрые нейтроны, деление 238U.

Продукты деления Группа 1, щелочные металлы - Rb и Cs. Долгоживущий 137Cs (T1/2 = 30 лет) – наиболее важный. Химия степени окисления +1. Группа 2, щелочноземельные металлы - 140Ba, 90Sr и 91Sr (высокий выход). 90Sr (T1/2 = 28 лет) – наибольшая радиационная опасность в отработавшем топливе, 140Ba (T1/2 = 12,8 дней) – в 10-100-дневный период. Группа 3 – Y и лантаноиды (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd). Химически подобны. Группа 4 – Zr, химия состояния окисления +4. 95Zr (T1/2 = 63 дня) – наиболее важный. Группа 5 – изотоп 95Nb (T1/2 = 35 дней) – дочерний изотоп 95Zr.

Группа 6 – изотоп 99Mo (Т1/2 = 67 часов), высокий выход, имеет значение в начальный период. Группа 6 – изотоп 99Mo (Т1/2 = 67 часов), высокий выход, имеет значение в начальный период. Группа 7 - долгоживущий (2.1*105 лет) 99Tc. Химия иона TcO4 -. Группы 8, 9, 10 – высокая активность. Ru – несколько степеней окисления. Группа 11 - Ag (+1).

Группа 16 – Te имеет значение в 30-100-дневный период. Наибольший интерес - 78-h 132Te (Т1/2 = 78 часов), распадается до короткоживущего 132I (летуч). Группа 16 – Te имеет значение в 30-100-дневный период. Наибольший интерес - 78-h 132Te (Т1/2 = 78 часов), распадается до короткоживущего 132I (летуч). Группа 17 - Br и I, короткоживущие, имеют значение в период работы АЭС и в аварийных ситуациях. Группа 18, инертные газы – изотопы Kr и Xe. Короткоживущие, быстро распадаются, нереакционноспособны.

Энергетическая стратегия в Республике Беларусь Реализация проекта по строительству Белорусской атомной электростанции является новым импульсом в развитии экономики страны. М. Михадюк, заместитель министра энергетики

Белорусская АЭС

Особенности проекта Двойная защитная оболочка реакторного зала. Дополнительные пассивные системы безопасности в сочетании с активными традиционными системами. «Ловушка» расплава активной зоны, расположенная под корпусом реактора. Увеличение срока службы энергоблока до 60 лет. Увеличение срока службы ядерного реактора за счёт ужесточения требований к химическому составу стали.

Особенности проекта

Сергей Бояркин, директор программ Госкорпорации «Росатом»: «Повторение на Белорусской АЭС Чернобыльской катастрофы или аварии на японской Фукусиме абсолютно невозможно». Сергей Бояркин, директор программ Госкорпорации «Росатом»: «Повторение на Белорусской АЭС Чернобыльской катастрофы или аварии на японской Фукусиме абсолютно невозможно». Александр Бычков, советник генерального директора ГК "Росатом», зам. Генерального директора МАГАТЭ (2010-2015 гг.): «Беларусь выгодно отличается от других стран-новичков, развивающих атомную энергетику, является одной из передовых. Инфраструктура для реализации атомного проекта полностью отвечает всем требованиям МАГАТЭ и соответствует лучшим мировым стандартам».

Отработанное ядерное топливо

Временное хранение ОЯТ Операция, обязательная для всех АЭС. Хранение в бассейне выдержки на АЭС в течение 5-10 лет для снижения тепловыделения и распада короткоживущих радионуклидов. Альтернатива: хранение на поверхности земли в бетонных или стальных контейнерах («сухие контейнеры»).

Транспортировка ОЯТ

Радиохимическая переработка ОЯТ Получение урана и плутония для производства нового топлива; Получение делящихся материалов (урана и плутония) для производства ядерных боеприпасов; Получение разнообразных радиоизотопов, находящих применение в медицине, промышленности и науке; Получение доходов от других стран, которые либо заинтересованы в первом и втором, либо не хотят хранить у себя большие объемы ОЯТ; Решение экологических проблем, связанных с захоронением РАО.

Радиохимическая переработка ОЯТ Подготовка топлива (освобождение его от конструкционных деталей сборок и разрушение защитных оболочек твэлов). Перевод ЯТ в фазу, из которой будет производиться химическая обработка: в раствор, расплав, газовую фазу. Выделение и очистка ценных компонентов. Конечный продукт.

Радиохимическая переработка ОЯТ Пурекс-процесс (PUREX) Преимущества трибутилфосфата: Малая растворимость в воде, Отличная от воды плотность, Высокая точка кипения, Устойчивость к радиации и химическим реагентам, Легкая регенерируемость. Недостатки трибутилфосфата: Дорог, Образование дибутилфосфорной, монобутилфосфорной кислоты и фосфорной кислот.

Радиохимическая переработка ОЯТ

РАО Согласно «Закону об использовании атомной энергии» РФ (от 21 ноября 1995 года № 170-ФЗ) радиоактивные отходы – это ядерные материалы и радиоактивные вещества, дальнейшее использование которых не предусматривается.

Классификация РАО (согласно МАГАТЭ) Отходы, освобожденные от контроля (радиологическая опасность отходов незначительна). Уровни освобождения рассчитываются из условия, что при всех сценариях облучения индивидуальная доза не должна превышать 10 мкЗв в год. Низко- и среднеактивные отходы (необходимы меры для защиты персонала и населения). Высокоактивные отходы (в течение значительного периода времени необходима их надежная изоляция от биосферы).

РАО Низкоактивные отходы: больницы, лаборатории, предприятия ядерного топливного цикла (бумага, ветошь, инструменты, одежда, фильтры и т.д.), 90% объема и 1% активности всех РАО. Среднеактивные отходы: отработанные ионообменные смолы, химические реагенты, загрязненные расходные материалы, 7% объема и 4% активности всех РАО. Высокоактивные отходы: 3% объема и 95% активности всех РАО.

Схема обращения с РАО, предлагаемая МАГАТЭ

Захоронение РАО “Приповерхностное захоронение” - захоронение в технических сооружениях на грунте, в траншеях глубиной несколько метров, в технических бетонных хранилищах типа “шахта”, в пустотах горных пород на глубине нескольких десятков метров. “Захоронение в геологических формациях” - захоронение на глубинах в несколько сотен метров.

Глубинное захоронение Общепризнано (в том числе и МАГАТЭ), Изоляцию РАО от окружающей среды можно обеспечить путем захоронения в геологических формациях трех типов: – магматические и метаморфические породы; – глины; – каменные соли.

Глубинное захоронение В Германии национальная комиссия по выбору площадки должна рекомендовать критерии отбора площадки, а также возможные альтернативы геологическому захоронению. США выбрали местом захоронения Юкка-Маунтин (штат Невада), однако данный проект встретил сильное противодействие. В Финляндии началось строительство глубокого геологического захоронения Onkalo. В Российской Федерации идет проектирование глубинного геологического хранилища в Красноярске. В Китае ведется строительство экспериментального туннеля на площадке Бейшан в рамках подготовки к сооружению первой подземной исследовательской установки по программе геологического захоронения.