Лекция 9. Ядерный топливный цикл (ЯТЦ)

Дисциплина “ОБРАЩЕНИЕ С
ТЕХНОГЕННЫМИ ОБРАЗОВАНИЯМИ
ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА ВСЕХ ЭТАПАХ
ЯДЕРНОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА”
Лекция 9
Ядерный топливный цикл (ЯТЦ).
Н.Д. БЕТЕНЕКОВ
ГОУ ВПО УГТУ-УПИ
Зав. кафедрой радиохимии ФтФ
Содержание лекции
•
•
•
•
•
•
Ядерный топливный цикл (ЯТЦ).
Уран-плутониевый топливный цикл.
Рециркуляция плутония или смешанный уранплутониевый ЯТЦ.
Уран-ториевый ЯТЦ.
Ядерный топливный цикл как энергетическая
технология.
Источники образования радиоактивных
отходов предприятий ЯТЦ
Ядерный топливный цикл (ЯТЦ).
Добыча, концентрирование и получение
урана
из
руд,
его
конверсия
в
235U,
гексафторид,
обогащение
по
изготовление твэлов и их работа в
ядерном
реакторе,
переработка
отработанного ядерного топлива (ОЯТ) и
извлечение неиспользованных делящихся и
воспроизводящих материалов, отделение
вновь образованного ядерного горючего
(плутония), переработка и захоронение
радиоактивных отходов представляют
собой
основные
стадии
ядерного
топливного цикла.
Уран-плутониевый топливный
цикл.
Рис. 1. Блок-схема типичного уран-плутониевого ЯТЦ
Уран-плутониевый топливный цикл.
Рассмотренные выше процессы, начиная с добычи
урановой руды, ее измельчения, концентрирования,
очистки и получения уранового товарного продукта;
получения UF6; обогащения топлива по 235U;
изготовления твэлов и их эксплуатации в ядерном
реакторе; выдержки отработавшего топлива в
бассейне охладителя, переработки, превращения
извлеченного урана в UF6 для повторного обогащения
и извлечения плутония из отработавшего топлива и
заканчивая хранением и захоронением
радиоактивных отходов, составляют полный уранплутониевый ЯТЦ, показанный на рис. 1
Уран-плутониевый топливный цикл.
• Запишем ядерные реакции, приводящие к
уран-плутониевому циклу (238U воспроизводящий нуклид):
238•
239
U
n,γ
U


92
92
-

23 мин.
239
Np
93
-

2,3 дн.
239
Pu
94



(1.1)
2410
 3 лет
• Эти реакции осуществляются за счет
нейтронного облучения 238U в активной
зоне теплового энергетического реактора,
работающего на 235U.
Рециркуляция плутония или смешанный уранплутониевый ЯТЦ.
Различие между циклами уран-плутониевым и с
рециркуляцией плутония заключается в следующем:
1) в первом работают в основном тепловые реакторы,
использующие 235U в качестве делящегося и 238U - сырьевого
материалов;
2) в ЯТЦ с рециркуляцией плутония наиболее эффективно
работают быстрые реакторы-размножители соответственно с
239Ри и 238U;
3) быстрый реактор-размножитель, работающий на плутонии,
вырабатывает больше топлива, чем расходует.
Другими словами, уравнения (1.1) справедливы и для ЯТЦ с
рециркуляцией плутония, однако ядерным горючим в этом
случае служит не только 235U, но и 239Pu, значительно более
эффективный делящийся материал для быстрых реакторовразмножителей.
Уран-ториевый ЯТЦ.
Рис. 2. Блок-схема торий-уранового ЯТЦ
Уран-ториевый ЯТЦ.
232
233
Th
n,γ
90   90Th
-

22,3 мин.
233
91 Pa
-

233
 92 U  
27 дн.
1.610
 5 лет
(1.2)
Ядерные реакции, приводящие к уран-ториевому топливному циклу (с
участием 232Th как сырьевого нуклида)
протекают за счет нейтронного облучения сырьевого нуклида 232Th в активной зоне ядерного реактора с делящимися нуклидами 235U или 239Ри.
Образуется делящийся нуклид 233U, который также может быть ядерным
горючим.
Уран-ториевый ЯТЦ.
Благодаря распространенности природного тория,
достаточности его механических и металлургических
характеристик, устойчивости к действию облучения
и термической стабильности уран-ториевый ЯТЦ
может найти применение в ближайшем будущем.
Однако
высокая
интенсивность
наведенной
активности и радиоактивности продуктов деления,
требующие
дистанционного
управления
и
тщательной защиты при изготовлении твэлов,
переработке и хранении отработавшего топлива,
снижают его преимущества, как с экономической, так
и с технологической точки зрения.
Ядерный топливный цикл как энергетическая
технология.
Среди трех основных ядерных топливных циклов наиболее развитой
технологией обладает и наибольшее применение получил уранплутониевый ЯТЦ, в котором сегодня работает большинство
энергетических реакторов.
ЯТЦ может быть организован таким образом, что на
радиохимическом заводе из облученного ядерного топлива
извлекают остатки невыгоревшего урана и накопившийся плутоний,
которые направляют затем для изготовления новых твэлов.
Такой цикл называют замкнутым ядерным топливным циклом. Таким
образом, радиохимическая переработка отработавшего ядерного
топлива является основой и заключительным этапом замкнутого
ЯТЦ.
Если отработавшее ядерное топливо не перерабатывается и
делящиеся материалы не возвращаются в топливный цикл, то ЯТЦ
оказывается разомкнутым. Его называют открытым.
Источники образования радиоактивных
отходов предприятий ЯТЦ
Выводы
•
•
•
•
•
•
Рассмотрены:
Ядерный топливный цикл (ЯТЦ).
Уран-плутониевый топливный цикл.
Cмешанный уран-плутониевый ЯТЦ.
Уран-ториевый ЯТЦ.
Ядерный топливный цикл как энергетическая технология.
• Источники образования радиоактивных отходов
предприятий ЯТЦ
• Дан список рекомендуемой литературы .
Рекомендуемая литература.
• Василенко В.А., Ефимов А.А., Епимахов В.Н. и др. Обращение с
радиоактивными отходами в России и странах с развитой
атомной энергетикой. //Под ред. Василенко В.А. СПб.: Моринтех.
2005. - 303 с.
• Копырин А.А., Карелин А.И., Карелин В.А. Технология
производства и радиохимической переработки ядерного топлива:
Учеб. Пособие для вузов.- М.: ЗАО “Издательство
Атомэнергоиздат”, 2006. 576 с.
• Изотопы: свойства, получение, применение. В 2 т. Под ред. В.Ю.
Баранова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005.-1328 с.
• Очкин А.В., Бабаев Н.С., Магомедбеков Э.П. Введение в
радиоэкологию. Учебное пособие для вузов. М., ИздАТ, 2003 -200
с.
• Дмитриев С.А., Стефановский С.В. Обращение с
радиоактивными отходами: Учебное пособие/РХТУ им. Д.И.
Менделеева. М.: 2000. 125 с.