Ядерное топливо

Топливом для АЭС является ядерное топливо, содержащееся в ТВЭЛах, представляющих собой тепловыделяющие сборки (ТВС). Для современных мощных реакторов загрузка составляет от 40 до 190 тонн. Особенность процесса в том, что масса выгружаемых после отработки определенного срока ТВС такая же, как и масса свежезагружаемых. Происходит лишь частичная замена ядерного горючего на продукты деления. Выгружаемое из реактора топливо имеет все еще значительную ценность. Поэтому для АЭС расход ядерного горючего не является характерной величиной, а степень использования внутриядерной энергии характеризуется глубиной выгорания.

К ядерному топливу относят делящиеся изотопы тяжелых элементов. Делящимися изотопами называются нуклиды, которые делятся при взаимодействии с низкоэнергетическими нейтронами.

К таким изотопам относятся U²³⁵, U²³³, Рu²³⁹ и Рu²⁴¹, среди которых только первый существует в природе. Период полураспа­да остальных изотопов сравнительно мал, и за время, прошедшее с момента образова­ния во Вселенной химических элементов в процессе ядерного синтеза, они успели полностью распасться.

U²³³ образуется при захвате нейтронов сырьевым изотопом Th²³², единственным стабильным изотопом тория. Торий не имеет делящихся нуклидов и является только воспроизводящим материалом.

Рu²³⁹ образуется аналогично из сырьевого изотопа U²³⁸. Более тяжелый делящийся изотоп Рu²⁴¹ образуется в результате двух по­следовательных захватов нейтронов ядром Рu²³⁹.

Хотя при начальном образовании вещества во Вселенной относительные коли­чества изотопов U²³⁵ и U²³⁸ в естественном уране должны быть примерно одинаковыми, меньший период полураспада первого из них (0,71·10⁹ лет по сравнению с 4,5·10⁹ лет) привел к тому, что к настоящему времени содержание U²³⁵ в естественном уране очень сильно снизилось.

Вопрос об использовании плутония для сокращения потребления естественного урана должен решаться с учетом того обстоятельства, что стоимость его извлечения из облученного топлива достаточно высока. Это связано как с высоким уровнем радиоак­тивности отработанного топлива, так и с высокой токсичностью самого плутония.

Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Это открывает широкие перспективы для удовлетворе­ния быстро растущих потребностей в топ­ливе. Кроме того, необходимо учиты­вать все увеличивающийся объем потреб­ления угля и нефти для технологических целей мировой химической промышленности, которая становится серьезным конкурентом тепло­вых электростанций. Несмотря на откры­тие новых месторождений органического топ­лива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция к относительному увеличению его стоимости. Это создает наиболее тяжелые условия для стран, имеющих ограниченные запасы топлива органического происхождения. Очевидна необходимость быстрейшего развития атомной энергетики, которая уже занимает заметное место в энергетическом балансе ряда промышленных стран мира.