«САГА О РОСАТОМЕ»
1. Сага о Росатоме. Для домашних хозяек, грузчиков, токарей, пекарей и даже филологов
2. А есть ли выгода в АЭС?
3. Мир вокруг «иглы»
4. «Игла» в Европе
5. «Игла» в Азии
6. «Игла» в США
7. ВОУ-НОУ, или «Мегатонны в мегаватты». Часть 1
8. ВОУ-НОУ или «Мегатонны в мегаватты». Часть 2
9. ВОУ-НОУ, или «Мегатонны в мегаватты». Часть №0
10. ВОУ-НОУ, или «Мегатонны в мегаватты». Часть 3
11. «Игла» в США. Часть 2
12. «Игла» в США. Часть 3
13. «Игла» в США. Часть 4. Заключительная ли?..
ЯДЕРНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЦИКЛ
1. «Шмякнул нейтрон по атому...»
Я предупреждал — цикл будет не простым, сильно насыщенным технической информацией. Попробуйте прочитать, а потом, очень прошу, потратьте пару минут на пару строк — читаемо ли вот это вот.
Если исходить из классического» определения, ядерный топливный цикл — это совокупность всех технологических процессов, охватывающих всю цепочку обращения ядерного топлива.
Красиво сформулировано, хотя зачем обзывать уран «ядерным топливом», если на сегодня никакого другого нету — не очень понятно. Наверное, на вырост, в надежде на то, что ядерным топливом станет и плутоний, и торий.
Если на пальцах, то цепочка более-менее понятна. Добыть руду. Очистить руду от ненужных шлаков, чтобы получить сам уран. Превратить его сначала в закись-окись урана — желтый кек.
Перекинуть на заводы по обогащению, превратить во фторид урана. Обогатить до тех самых 4% по урану-235.
Фторид превратить в оксид урана, порошок спечь в таблетки. Таблетки «засыпать» в тепло-выводящие элементы, из них сформировать ТВС — тепло-выводящие сборки.
Поставить стержни в реакторы, дать «прогореть». Вытащить, дать стержням остыть в специальном хранилище АЭС.
«Остыть» — это я упрощаю, в отработанном ядерном топливе идут всяческие ядерные процессы атомов, которые образовались во время работы реактора. Ну и в перспективе — вывезти в постоянные хранилища ОЯТ.
Так это выглядело до последнего времени, и называют сей процесс «открытым ядерным топливным циклом».
Звучит красиво, конечно, но при чем тут слово «цикл»? Цикл подразумевает повторяющийся процесс, а тут он где?
Нет его — это убийство урана-235 и создание гор неиспользуемого урана-238 в чистом виде. «Проклятые расхитители социалистической собственности!» — как говаривал Бывалый в незабвенном фильме.
Всех под суд за нецелевые траты, Сталина на вас нет, и далее — по списку.
А если серьезно, атомщики всегда прекрасно понимали, что ОЯТ можно научиться использовать повторно, наполнив слово «цикл» не только звучанием, но и содержанием.
Поэтому ОЯТ не пытаются как-то уничтожить, захоронить под 100-метровым слоем бетона, чтобы ни радиоактивность до нас не дотянулась, ни мы до ОЯТ. Во всех ведущих странах «атомного клуба» хранилища ОЯТ — длительного срока (до 50 лет), но не бесконечного.
Чтобы придумать, как создать именно цикл, надо хорошо понимать, что происходит в реактора во время «горения» в нем топлива и что получается в результате.
Да, «горение» я всегда ставлю в кавычки не просто так. Горение — реакция химическая, в которой обязательно участвует кислород из окружающей нас атмосферы.
А в реакторе все процессы — физические, идут внутри атомов и никакого кислорода не расходуют в принципе. И «трубы», украшающие АЭС — вовсе не трубы, а так называемые градирни.
Специальные такие устройства для отвода лишнего тепла, но про это потом, пока главное — над градирнями не поднимается дым: все, что мы видим, это самый обычный пар.
Так что если какие гринписовцы или еще какие «зеленые» в вашем присутствии будут визжать про «экологическую опасность АЭС» — будьте добры, передайте им лично от меня подзатыльник, а лучше — два.
Так вот, про «горение» топлива в реакторе АЭС. (На всякий случай — дальше речь идет о реакторах ВВЭР, а не об РБМК и не о реакторах на тяжелой воде, но и об этом — потом).
Самое понятное — то, что постепенно уменьшается концентрация урана-235, поскольку именно он и «горит». Но до полного нуля его не довести — когда концентрация уменьшается до знакомых до боли 0,7%, цепная реакция деления прекращается сама по себе.
А что с ураном-238, который, негодяй, присутствует, но не участвует?
Цепной реакции в нем не возникает ни при каких обстоятельствах — такова уж его физическая особенность. Но один раз — не... не это вот самое, что так любят в Европе. Нейтронов в реакторе носится много, и время от времени уран-238 нехотя, лениво, но 1 нейтрон да принимает внутрь себя.
И таки происходит целых две ядерные реакции, в результате которых 1 атом урана-238 исчезает, а вместо него образуется 1 атом плутония-239.
Логично — было 238 нейтронов и протонов, «приклеился» 1 дополнительный — получили следующий элемент таблицы Менделеева: плутоний-239.
К концу эксплуатации закладки ТВЭЛ количество плутония дорастает до 1%.
Но ОЯТ — это не только уран да плутоний.
Во-первых, уран-235, после того как по нему шмякнул нейтрон, распадается на куски, которые так по-честному и называют: осколочные нуклиды.
Во-вторых, часть урана-235 при ударе нейтрона, вместо того чтобы развалиться, принимает его вовнутрь себя, образуя всяческие трансурановые (более тяжелые, чем сам уран) атомы.
В-третьих, образовавший плутоний-239 — парень весьма неспокойный, норовит ядерно реагировать, не отходя от кассы.
Стырит нейтрон, оставленный без присмотра — бац, и вот он уже плутоний-240, изотоп. Стырит два — и вот он уже плутоний-241, еще один изотоп.
А воровство не тебе предназначенных нейтронов — штука и опасная, и азартная, как любой другое воровство.
Плутоний-239 умудряется войти в раж и включает собственную цепную реакцию, но его за это не наказывают — он ведь теплоотдачу реактора поднимает, пусть и ненамного.
Короче, без поллитры не разобраться — сами видите.
Значит, что? Вываливаем в сторонку 1 тонну ОЯТ, вооружаемся мелкоскопом, надеваем свинцовые трусы, поскольку все тут радиоактивно и топаем пересчитывать эту едрен золу.
Пинцет, чтобы атомы рассортировать, калькулятор — в общем, все дела.
Первое, что видим — разумеется, гора г...а. Ой, — урана-238, какое-то не то слово вырвалось, простите.
Вот пусть изначальное обогащение по урану-235 было 3,3%, то есть в загруженной в реактор 1 тонне топливе было 967 кг урана-238 и 33 кило — урана-235.
Ну и чо? Да ничо — в «золе» 943 кило гумна, то бишь урана-238. Каким ты был, таким ты и остался, если и постройнел — то совсем немного.
От урана-235 остался пшик — 8 кило. Еще 4,6 кг — уран-236, но вот он точно не нужен. Так уж получилось, что изотопы урана и плутония с четными номерами в цепных реакциях не участвуют — шлак.
Та-ак, а вот тут интересненько — 8,9 кило плутония. Откидываем его в сторонку, настраиваем мелкоскоп почетче. Что видим? По 33,3% плутония-239, 240 и 241.
239-й и 241-й — пригодятся, в них цепная реакция возможна. 240-й — шлак.
Но плутоний-240 и его 33 и 1/3 заслуживают пары слов. Чертовски полезная штука!
Почему? Ну, речь ведь ведем об обычном энергетическом реакторе, который на мирной АЭС стоит, а тут — плутоний.
Говорим — плутоний, подразумеваем — едрён-батон. Поставили мирную АЭС в хитрую Турцию, она ОЯТ зажилила и слепила из него Бомбу. Каково?!
Так вот, благодаря одной трети плутония-240 — кАково: как говорят циничные атомщики, из-за этой одной трети «предсказуемого ядерного заряда изготовить невозможно».
Так что дорогой наш и родненький плутоний-240 не только шлак, но еще и предохранитель от желающих покуситься на создание едрён-батонов.
Извините, что отвлекся от ковыряния в тонне «золы», но, согласитесь — тонкий момент, который надо хорошо понимать. Не может стать АЭС отправной точкой для создания ядерного оружия, и это — хорошо.
Супротив физики не попрешь, даже если ты очень хитрый, злой и коварный террорист, потому и можно спокойно расставлять АЭС по белу свету.
Ладно, возвращаемся к тонне «золы». 943 кг— уран-238, 8 кило урана-235, 8,9 кило плутония в ассортименте. Итого — 959,9.
И что тут еще лежит и пахнет — в смысле радиоактивничает? Так-с... 35 кило пресловутых осколочных нуклидов — перечислять лениво, мы не на олимпиаде по химии. Все прочее — трансурановые элементы с названиями красивыми — нептуний, америций, кюрий...
Все, поковырялись. Трусы свинцовые — в сторону, мелкоскоп — на свалку, поскольку он теперь тоже радиоактивен. ОЯТ фонит, и фонит очень сильно, поскольку вот эти вот осколки и трансураны очень любят распадаться. Потому ОЯТ выдерживают на специальной площадке возле АЭС от 3 до 5 лет — только после этого его можно куда-то транспортировать или — если научиться — перерабатывать.
Нет, ну а что перерабатывать-то? Полезного там только 8 кило урана-235 да 9 кило плутония. Как их вытащить из «золы»?
Знаете, даже я пас пересказать словами человеческими этот праздник химиков, ибо они нормальным языком вообще не пользуются.
Процесс выделения урана и плутония из ядерной «золы» они назвали Пюрекс-процесс: Plutonium-Uranium Recovery by EХtraction, PUREX. Но экстракция там двойная, потом еще и аффинаж, упаривание и денитрация. Страшно? Да я сам, вслух произнося такое, подергиваюсь! Но с другой-то стороны, я ведь обещал человеческим языком пользоваться и простые аналогии подбирать.
Сейчас попробую...
Кинофильм «Чужой» видели? Какие там славные твари по экрану носились — помните? А они ведь тоже кушать хотят, блюда какие-то готовят... Нет, не видели такое кино?
Ну, давайте представим, что вы откладывали супруге по копеечке на во-о-от такой красоты лабутены, а потом звоните ей по телефону: «Дорогая, ты ужин готовь, я скоро буду! Только с лабутенами незадачка получилась — я тут по дешевке купил обалденный коленвал. Ты уж потерпи, через годик купим лабутены — ну, если повезет».
Представили? Ужин она, тем не менее, готовить стала, использовав вместо поваренной книги рецепт PUREX.
«Аккуратно нарезав мелкими кусочками ТВЭЛы, не очищая от кожуры и мякоти, поместите их в кастрюльку со свежей 100%-ной азотной кислотой и помешивайте золотой ложечкой, пока все кусочки не растворятся.
Полученный бульон процедите через ситечко, а затем добавьте в кастрюльку 30%-ный раствор трибутилфосфата в керосине. Цвет бульона сразу изменится, и кухня наполнится потрясающими ароматами, так радующими вашего любимого супруга.
Для придания бульону золотистого цвета всенепременно плесните в него нитрат аммония и несколько ложечек нагретой до кипения 60%-ной азотной кислоты.
Через несколько минут осколочные нуклиды превратятся в рафинад, а в бульоне останутся только уран и плутоний. К этому времени во второй кастрюльке у вас как раз вскипит раствор соли двухвалентного железа, который, после добавления, добавит бульону питательности.
Не премините дополнительно насытить бульон раствором хлора или серы, подавайте к столу горяченьким».
Мужики! Обещали жене лабутены — идите и купите сразу две пары, а то ведь не исключено, что этот рецепт теперь будет бродить по просторам Интернета!
И это я его еще и упростил — в реальности в процессе переработки используют не только азотную, но и серную и плавиковую кислоты.
Короче: химики — могут, за что честь им и хвала и свежий противогаз в придачу. Могут убрать все шлаки, могут — отделить уран от плутония. У кого нервы крепкие, могут удовлетворить любопытство, кто хочет совсем уж подробно — Introduction to Nuclear Fuel Cycle Separations. Тут, правда, на английском, но формулы химических реакций перевода не требуют.
Заметим, что работать со всеми этими вот жуткими кислотами, солями и щелочами химикам приходится еще и в условиях применения всех мер биологической защиты от радиации.
И они это — делают!
Упрощённая схема Пьюрекс-процесса
На освоение технологии Пьюрекс ушел не один год, но теперь она освоена качественно, продуманы все меры безопасности. В России это делают на «Маяке», Сибирском химкомбинате и на Железногорском горно-химическом комбинате, действуют два предприятия AREVA во Франции и на заводе Селафилд в Англии.
Планировали организовать производство японцы, только вот тут я, сидя в Латвии, окончательно перестал понимать, что там и как. Завод японцы упорно строят с 1993 года, передвигая сроки запуска вот уже 23 раза. Было достаточно бравурное сообщение о том, что весной 2016-го — точняк и верняк, да вот только зимой тамошний минфин коротенько перевел срок на конец 2018-го.
Удовольствие под названием Пьюрекс дорогое, опасное, но — нужное. Мало того — оно может стать еще и весьма экспортным, поскольку проблема ОЯТ стоит перед всеми странами, имеющими свои АЭС.
В переработке ОЯТ как бизнесе пока впереди французы — два завода позволяют им зарабатывать миллиарды на переработке ОЯТ Германии, Швейцарии, Голландии.
Росатом отвечает асимметрично: на «Маяке» научились перерабатывать ОЯТ всех видов — из энергетических реакторов, из реакторов экспериментальных, исследовательских, из реакторов подводных лодок. На СХК смогут перерабатывать ОЯТ из наших быстрых реакторов — как из натриевого, так и из «свинцового», задел на будущее делается прямо сейчас.
Можно, конечно, и дальше расписывать подробности переработки ОЯТ, но я бы предложил остановиться на констатации главного: радиохимики могут выделить из него уран, плутоний, трансурановые элементы, осколочные нуклиды по отдельности.
Те, кто побаивается радиации, тоже могут зафиксировать: все действительно опасное, что нельзя повторно использовать ни при каких обстоятельствах, после извлечения из ОЯТ остекловывается, бетонируется и так далее — дабы соблюсти все жесткие нормативы.
В следующих заметках посмотрим, чем ответили физики: как можно использовать то, что смогли в чистом виде выделить для них химики.
Чтобы не было скучно — нашел уникальный фоторепортаж с завода РТ-1, где идет переработка ОЯТ. «Маяк» нынче — это ведь производственное объединение, в составе которого семь заводов, далеко не на все из которых можно попасть простому смертному со стороны.
Фоторепортаж 2011 года — сейчас всё наверняка стало ещё более технологичным. Но общее представление о том, как в натуре выглядит все то, что я тут расписывал, уважаемый Илья Яковлев передал самым наилучшим образом. Эх, мне бы туда попасть, но...
В общем — потратьте драгоценное время, не пожалеете.
Продолжение следует
Комментарии
Загрузка комментариев...