Вместе с доктором технических наук, профессором Томского политехнического университета Алексеем Орловым расскажем, как добывают уран и что с ним делают на современных обогатительных предприятиях.
Уран добывают в шахтах, как уголь?
На сегодняшний день самый распространённый и экологически безопасный способ добычи урана — подземное выщелачивание.
48,7%
урана в мире добывают с помощью подземного выщелачивания
Перед началом работ определяют площадь и глубину, на которой находится уран. По периметру рудного тела — скопления урановой руды — бурят систему скважин. Сквозь одни скважины закачивают выщелачивающий раствор на основе серной кислоты. Спустя некоторое время уран вымывается из породы, а затем получившийся «продуктивный» раствор — закись-окись урана (U3O8) — выкачивают через другие скважины.
«Основной плюс метода — безопасность. Весь процесс „закрытый“: отделение урана от остальной породы происходит под землёй, а выкачанный из скважин раствор поступает в специальные ёмкости. Кроме этого, отсутствуют „отвалы“ и не образуется рудная пыль, которая может попасть в дыхательные пути», — говорит Алексей Орлов.
Сотрудники добывающего предприятия не контактируют напрямую с радиоактивными веществами и не получают лишнего облучения. Несмотря на это, все они носят защитные костюмы и регулярно проходят профилактическое медицинское обследование.
После откачки из скважины закись-окись урана (U3O8) превращают в гексафторид урана (UF6), который в твёрдом виде в герметичных металлических контейнерах транспортируют на обогатительные предприятия.
Что значит «обогатить уран»?
Сам по себе природный уран радиоактивен, но к самопроизвольному распаду способен только уран-235. Основная задача обогатительных предприятий — получить уран с более высокой концентрацией по 235-му изотопу, чем в природном сырье. Только после этого уран можно будет использовать в качестве топлива для ядерных реакторов.
О радиоактивности и распаде урана
Радиоактивность — это способность атомного ядра самопроизвольно распадаться с испусканием частиц. Этот процесс сопровождается выделением энергии. В состав природного урана входят три изотопа: уран-234, уран-235 и уран-238.
При распаде урана-235 образуются нейтроны, которые попадают в другие ядра топлива и расщепляют их, вызывая цепную реакцию. Поэтому во время обогащения в уране увеличивают концентрацию именно этого изотопа.
Гексафторид урана, полученный на добывающем предприятии, может из твёрдого состояния переходить в газообразное. Для этого ёмкости с веществом нагревают, чтобы начался процесс испарения. Полученный газ закачивают в ротор центрифуги цилиндрической формы, вращающийся с очень большой скоростью.
более 1500 оборотов в секунду
скорость вращения ротора в центрифуге
За счет образования циркуляционного потока более тяжёлые молекулы, содержащие уран-238, преимущественно движутся вверх вдоль стенки ротора, а более лёгкие молекулы с ураном-235 — вниз ближе к оси ротора и через специальные отборные трубки выводятся из центрифуги. Так происходит разделение изотопов. Основная цель этого процесса — сделать концентрацию урана-235 выше.
Поскольку мощность одной центрифуги мала, для производства нужного количества обогащённого продукта их объединяют в большую цепочку — так называемый разделительный каскад.
Для разных целей требуется разная концентрация урана-235 в топливе. Например, для энергетического ядерного реактора достаточно обогащения в 3–5%, для исследовательских реакторов — до 20%, для оружейного урана — 90%.
«Сейчас оружейный уран в России не производят, поэтому все обогатительные предприятия выпускают уран только для ядерной энергетики», — отмечает Алексей Орлов.
Обогащённый газообразный гексафторид урана (UF6) переводят в твёрдое состояние и в транспортных ёмкостях направляют на предприятия по производству ядерного топлива. Там его преобразовывают в диоксид урана (UO2), из которого прессуют таблетки. Их затем помещают в циркониевую оболочку, а образующиеся таким образом тепловыделяющие элементы (твэлы) крепят на специальном кронштейне, создавая таким образом так называемую тепловыделяющую сборку, и размещают их внутри активной зоны реактора.
Когда уран-235 распадается в реакторе, выделяется большое количество тепла. Оно кипятит воду внутри первого герметичного контура, которая начинает испаряться. Образующийся пар под давлением подаётся в парогенератор во втором контуре и крутит турбину, которая, в свою очередь, вращает электрогенератор. Таким образом АЭС вырабатывает энергию, с помощью которой можно отапливать и снабжать электричеством целые города.
Что происходит с ураном после использования?
Урановое топливо, которое используют для работы реакторов на АЭС, в среднем служит три-пять лет. Что с ним происходит после отработки, зависит от того, какой ядерно-топливный цикл используют.
При открытом цикле уран извлекают из реактора и захоранивают на специальных полигонах в герметичных контейнерах и на большой глубине. При замкнутом — отработавшее ядерное топливо направляют на предприятия, которые занимаются его регенерацией. Там диоксид урана (UO2) снова переводят в гексафторид урана (UF6) и смешивают его либо с гексафторидом урана природного состава, либо с отвалами прошлых лет — обеднённым ураном.
Это нужно, чтобы понизить в отработавшем топливе концентрацию изотопов урана 232, 234 и 236, которые образуются во время работы реактора. Они не позволяют топливу эффективно работать, а продукты их распада создают вредные условия труда для персонала предприятия из-за излучения.
После смешивания гексафторид урана направляют на газоцентрифужные производства, где его снова дообогащают до нужной концентрации по 235-му изотопу. Затем из обогащённого урана опять изготавливают твэлы, тепловыделяющие сборки и помещают их в реактор. Таким образом, ядерно-топливный цикл замыкается.
О безопасности сотрудников
Во время добычи с помощью подземного выщелачивания и обогащения урана в газовых центрифугах люди напрямую не контактируют с вредными веществами. Большая часть технологического процесса автоматизирована, сотрудники лишь дистанционно следят и управляют им с компьютеров диспетчерского пункта.
В производственные помещения персонал входит в спецодежде, у каждого сотрудника также есть персональный дозиметр, с помощью которого постоянно контролируется доза полученного облучения. Сотрудники химического цеха также имеют при себе противогаз на случай экстренной ситуации.
Добыча урана действительно необходима?
На 2023 год в мире насчитывается 411 работающих реакторов, которые использует 31 страна мира. Лидеры по количеству атомных электростанций — США, Франция и Китай, Россия — на четвёртом месте в списке. При этом наша страна первой разработала газоцентрифужную технологию обогащения урана и внедрила её в производство.
На современных добывающих и обогатительных предприятиях и самих АЭС разработаны строгие регламенты безопасности и эксплуатации оборудования, которые учитывают опыт прошлых лет. За количеством вредных выбросов и правильной утилизацией отходов следят международные независимые организации, в частности Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ).
Обогащённый уран используют не только в реакторах АЭС, но и на подводных лодках и атомных ледоколах. Обеднённый уран применяют для изготовления экранов для радиационной защиты, в радиотерапии для лечения онкологических заболеваний и в аэрокосмической промышленности.
