География сырьевой базы атомной энергетики

Существование любой отрасли энергетики и атомной в том числе, невозможно без сырьевой базы. Для данной отрасли сырьевой базой являются руды урана, на основе которых изготавливаются сначала тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), а из них – тепловыделяющие сборки (ТВС), собственно топливный элемент ядерного реактора. Рассмотрим добычу урана по странам мира, виды топлива, которые могут применяться в будущем совместно с урановым, а так же процесс получения необходимых соединений из урановых руд.

Добыча урановых руд по странам мира. Крупнейшие месторождения и компании, добывающие уран. На рисунке 2.2.1 представлена графическая интерпретация таблицы 2.2.1. Из рисунка следует, что большинство стран-лидеров находятся в северном полушарии. Однако, несмотря на то, что именно там добывается наибольшее количество урановых руд, богатейшие месторождения находятся в Австралии.

Рис. 2.2.1 Страны лидеры по добыче урана(составлено автором по [19])

Согласно таблице 2.2.1, составленной по данным Всемирной ядерной организации, на 2009 год мировые запасы урана составляют:

Таблица 2.2.1

Запасы урана в мире на 2009 год(составлено автором по [16])

Из данных таблицы 2.2.1 следует, что наибольшими запасами обладает Австралия (31%) затем следуют Казахстан и Канада (12% и 9% соответственно). Однако по суммарным запасам, как континент лидирует Евразия 1,8 млн. т. В Америке сосредоточенно всего лишь 0,9 млн. т., в Африке – 0,8 млн. т. Первую пятерку формируют страны в которых запасы урана превышают 400 тыс. тонн, а десятку – страны с запасами более 170 тыс. тонн, причем на долю первых пяти стран приходится 66,4% мировых запасов. Доля же первой десятки – 88,9%, что позволяет утверждать о том, что запасы урана размещены крайне неравномерно и концентрируются в небольшой группе стран, в которой по количеству членов преобладают страны Африки. На долю оставшихся шести стран приходится всего лишь 11.1%. Доля континентов в общемировых запасах составляет соответственно: Австралия – 31% , Евразия – 32,6%, Африка – 15,8%, Америка – 18%. На долю остальных стран приходится 2,8%. Из этих подсчетов получается, что в процентном соотношении так же как и по суммарным запасам, лидирует Евразия. Далее рассмотрим добычу урана за 2009 год, представленную в таблице 2.2.2.

Таблица 2.2.2

Добыча урана за 2009(составлено автором по[19])

Анализируя Таблицу 2.2.2, можно сделать вывод о безусловном лидерстве Казахстана в этой направлении, за ним идет Канада, затем Австралия. На долю первой тройки приходится 64% мировой добычи, что делает эти страны определяющими темпы развития атомной энергетики. Для большей наглядности вышесказанного рассмотрим динамику добычи урана в 21 веке. Графический обзор этой динамики представлен на рисунке 2.2.2. На нем видно, что за период 2001–2003 года происходило снижение объемов добычи урана в мире. С 2003 наблюдается скачок в добычи руд и за 2 года она достигла первого пика, увеличившись на 6,3 тыс. тонн. После этого объемы добычи немного снижаются, однако, начиная с 2006 года, объемы добычи продолжают увеличиваться. В 2009 году было добыто около 50 тыс. тонн урана.

Рис. 2.2.2 Динамика добычи урана в 2001–2009(составлено автором по [8], [19])

Но, несмотря на довольно значительные запасы урановых руд, добывается их не так много по сравнению с имеющимся количеством. Месторождений по всему миру немного из-за того что уран, несмотря на широкое распространение в природе содержится в породах в очень небольшом количестве (кларк урана составляет всего лишь 0,0003%).

В природе уран встречается в виде четырех видов отложений:

• жил уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO₂), богатых ураном, но редко встречающихся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие заледи встречаются в Заире, Канаде (Большое Медвежье озеро), Чехии и Франции.

• конгломератов ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов. Конгломераты обычно содержат достаточные для извлечения количества золота и серебра, а сопутствующими элементами становятся уран и торий. Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и Австралии.

• осадочных пород и песчаников, богатых минералом карнотитом, который содержит, кроме урана, значительное количество ванадия и других элементов. Такие руды встречаются в западных штатах США.

• Железоурановых сланцев и фосфатных руд. Богатые отложения обнаружены в глинистых сланцах Швеции. Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, а фосфатные залежи в Анголе и Центральноафриканской Республике еще более богаты ураном. Большинство лигнитов (бурых углей) и некоторые другие угли обычно содержат примеси урана. Богатые ураном отложения лигнитов обнаружены в Северной и Южной Дакоте (США) и битумных углях Испании и Чехии.

Основными месторождениями стран СНГ являются:

• В России основным урановорудным регионом является Забайкалье

• В Казахстане крупнейшим рудником является Мойынкум {ПВ}.

• В Узбекистане крупнейший рудник – Навои {ПВ}.

• На Украине в районе города Желтые Воды расположены три шахты: Ингульская, Смолинская, Новоконстантиновская (строится).

За рубежом крупнейшими рудниками являются: Маклин-Лейк, МакАртур-Ривер и Раббит-Лейк в Канаде, Рейнджер и Олимпик-Дам в Австралии, Рёссинг в Намибии, Акута в Нигере.

В настоящее время считают экономически целесообразным перерабатывать руды с содержанием оксида урана 0,05-0,07%. Все шире внедряется комплексная переработка урановых руд.

В 2005 на подземные рудники приходилось 38% массы добытого урана, на карьеры – 30%, способом подземного выщелачивания добывалось 21%, еще 11% - как побочный продукт при разработке других месторождений [7].

Ядерное топливо (ЯТ). Добыча ядерного топлива из урановых руд и его практическое использование.

ЯТ делится на два вида:

• Природное урановое, содержащее делящиеся ядра 235U, а также сырьё 238U, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний 239Pu;

• Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе 239Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы 233U, образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория 232Th.

По химическому составу ЯТ может быть:

• Металлическим, включая сплавы;

• оксидным (например, UO₂);

• карбидным (например, PuC1-x)

• нитридным

• смешанным (PuO₂ + UO₂)

По химической принадлежности:

• Урановым (наиболее распространенный вид топлива)

• Ториевым (не применяется из-за сложностей по добыче и переработке)

• Плутониевым (не применяется ввиду сложности управления реактором на этом топливе, а также из-за того что плутоний трудно поддается механической обработке и чрезвычайно ядовит)

Урановое ядерное топливо получают переработкой руд. Процесс происходит в несколько этапов:

• Для бедных месторождений: в современной промышленности в силу отсутствия богатых урановых руд, используется способ подземного выщелачивания руд. Это исключает дорогостоящую добычу руды. Предварительная подготовка идёт непосредственно под землёй. Через трубы под землю над месторождением закачивается серная кислота, иногда с добавлением солей трёхвалентного железа (для окисления урана U(IV) до U(VI)), хотя руды часто содержат железо и пиролюзит, которые облегчают окисление. Через откачные трубы специальными насосами раствор серной кислоты с ураном поднимается на поверхность. Далее он непосредственно поступает на сорбционное, гидрометаллургическое извлечение и одновременное концентрирование урана.

• Для рудных месторождений: используют обогащение руды и радиометрическое обогащение руды.

• Гидрометаллургическая переработка — дробление, выщелачивание, сорбционное или экстракционное извлечение урана с получением очищенной закиси-окиси урана (U₃O₈), диураната натрия (Na₂U₂O₇) или диураната аммония ((NH₄)₂U₂O₇)

• Перевод урана из оксида в тетрафторид UF₄, или из оксидов непосредственно для получения гексафторида UF₆, который используется для обогащения урана по изотопу 235.

• Обогащение методами газовой термодиффузии или центрифугированием

• UF₆, обогащенный по 235 изотопу переводят в двуокись UO₂, из которой изготавливают «таблетки» ТВЭЛов или получают другие соединения урана с этой же целью.

Практическое применение ЯТ. На АЭС и другие ядерные установки топливо приходит в виде довольно сложных технических устройств — тепловыделяющих сборок (ТВС), которые в зависимости от типа реактора загружаются непосредственно во время его работы (как на реакторах типа РБМК в России) на место выгоревших ТВС или заменяют отработавшие сборки большими группами во время ремонтной кампании (как на российских реакторах ВВЭР или их аналогах в других странах – PWR и других). В последнем случае при каждой новой загрузке меняется чаще всего треть топлива и полностью изменяется его расстановка в активной зоне реактора, наиболее выгоревшие сборки с топливом, из центра активной зоны, выгружаются, на их место ставится вторая треть сборок, со средним выгоранием и расположением. На их место в свою очередь ставятся наименее выгоревшие ТВС, с периферии активной зоны. Ну а на периферию загружается свежее топливо. Такая схема перестановки топлива является традиционной и обусловлена многими причинами, например стремлением обеспечить равномерное энерговыделение в топливе и максимальный запас до кризиса теплообмена воды на оболочках ТВЭЛ (тепловыделяющих элементов).

Описание загрузки ядерного топлива в активную зону реактора, данное выше, всё же является весьма условным, позволяющим иметь общее представление об этом процессе. На самом деле загрузка топлива осуществляется сборками с различными степенями обогащения топлива и её предваряют сложнейшие ядерно-физические расчёты конфигурации активной зоны реактора в специализированном программном обеспечении, которые совершаются на годы вперёд и позволяют планировать топливные и ремонтные кампании для увеличения показателей эффективности работы АЭС, например КИУМа (коэффициента использования установленной мощности). Кроме того, если конфигурация топлива не будет удовлетворять определённым требованиям, важнейшими из которых являются различные коэффициенты неравномерности энерговыделения в активной зоне, реактор не сможет работать вовсе или будет неуправляемым. Кроме различной степени обогащения разных ТВС применяются другие решения для обеспечения нужной конфигурации активной зоны и стабильности её характеристик в течение топливной кампании. Например ТВС, в которых вместо некоторых ТВЭЛов содержатся поглощающие элементы (ПЭЛы), которые компенсируют изначальную избыточную реактивность свежего топлива, выгорают в процессе работы реактора и по мере использования топлива всё меньше влияют на его реактивность, что в итоге выравнивает по времени величину энерговыделения на протяжении всего срока работы тепловыделяющей сборки. В настоящий момент в топливе промышленных водо-водяных реакторов во всём мире практически перестали использовать ПЭЛы с борным поглотителем, долгое время являвшимися почти безальтернативными элементами, и перешли на более прогрессивный способ – внесение с теми же целями гадолиниевый выгорающий поглотитель непосредственно в топливную матрицу, этот способ имеет много важных преимуществ. После выгрузки из активной зоны реактора отработанного топлива его помещают в специальный бассейн выдержки, обычно располагающийся в непосредственной близости от реактора.Дело в том, что в отработавших ТВС содержится большое количество осколков деления урана, сразу после выгрузки каждый ТВЭЛ в среднем содержит 300000 Кюри радиоактивных веществ, которые выделяют энергию 100 КВт. За счёт этой энергии использованное ядерное топливо имеет свойство саморазогреваться до больших температур без принятия специальных мер (недавно выгруженное топливо может разогреться на воздухе примерно до 300 °C) и является высокорадиоактивным, поэтому его хранят 3-4 года в бассейнах с определённым температурным режимом под слоем воды, защищающим персонал от ионизирующего излучения продуктов распада урана. По мере выдержки уменьшается радиоактивность топлива и мощность его остаточных энерговыделений, обычно через 3 года, когда саморазогрев ТВС сокращается до 50-60 °C, его извлекают и отправляют для хранения, захоронения или переработки.