Как уран служит топливом для ядерных реакторов

Атомные электростанции имеют два основных преимущества: они стабильно производят электроэнергию (независимо от погодных условий) и являются низкоуглеродным источником энергии, так как при производстве электроэнергии не происходит прямого выброса парниковых газов. Секрет ядерной энергии кроется в уране. Вот как это работает.

Почему этот элемент такой особенный?

Открытие урана датируется концом 18 века. В то время немецкий химик Мартин Генрих Клапрот выделил этот «новый» элемент из настурана, который в то время использовался для извлечения радия. Он назвал этот элемент «ураном» в честь недавно открытой планеты Уран. Заметим, однако, что добытчики серебра уже заметили его присутствие в шахтах несколькими годами ранее, но не придавали этому значения.

Только после того, как Клапрот выделил уран, ученые смогли изучить его более подробно. Со временем стало ясно, что этот элемент, который в изобилии содержится в земной коре, является радиоактивным. Это означает, что он испускает излучение. Более того, считается, что его медленный радиоактивный распад является основным источником тепла в Земле, способствуя конвекции и дрейфу континентов.

Кроме того, как и другие элементы, уран существует в нескольких формах, различающихся количеством нейтронов в ядрах атомов. Природная урановая руда состоит из двух изотопов: урана-238 (U-238) и урана-235 (U-235). Нас интересует именно последний. Это делящийся материал, то есть он может поддерживать ядерную цепную реакцию.

Как он используется на электростанциях?

Однако U-235 составляет лишь около 0,7% природного урана, в то время как U-238 - около 99,3%. Поэтому его необходимо переработать. Прежде чем его можно будет использовать, необходимо пройти несколько этапов.

Цикл начинается с добычи и дробления руды. Затем руда перерабатывается в концентрат (так называемый желтый кек), который затем переводится в форму, пригодную для обогащения. Этот этап обогащения повышает концентрацию этого жизненно важного изотопа, который, следует помнить, составляет всего 0,7% природного урана.

После получения достаточного количества U-235 обогащенный материал формуют в гранулы и заключают в металл, чтобы получить топливные стержни. Затем их собирают для использования в реакторе.

Внутри реактора ядра атомов урана подвергаются бомбардировке нейтронами, в результате чего они распадаются на несколько более мелких ядер. Энергия, выделяемая при таком "ядерном делении", приводит к выделению тепла. Расщепленное ядро также высвобождает больше нейтронов, что приводит ко все большему количеству реакций деления (так называемая цепная реакция), в результате которых выделяется еще больше энергии, и так далее.

Тепло, выделяемое в результате цепной реакции, затем используется для производства пара, который вращает турбину, приводящую в движение электрогенератор.

Обратите внимание, что уран имеет чрезвычайно высокую плотность энергии. Это означает, что небольшое количество урана может производить большое количество энергии. Это делает ядерное топливо экономически выгодным в долгосрочной перспективе.

Что делают с отработанным топливом?

Когда уран больше не может поддерживать эффективную цепную реакцию, он считается отходами. Во многих странах отработанное ядерное топливо временно хранится в бассейнах охлаждения. Эти бассейны охлаждают топливо и защищают от радиоактивного излучения. Такое временное хранение может длиться несколько лет, пока топливо не потеряет достаточную радиоактивность.

После этого отработанное топливо может быть перенесено в контейнеры сухого хранения, обычно изготовленные из стали или бетона. В качестве альтернативы его можно хранить глубоко под землей в стабильных и изолированных геологических формациях. Это могут быть солевые отложения, скальные образования или глубокие слои глины. Эти места, естественно, выбираются в соответствии с критериями безопасности и охраны окружающей среды.

Вместо того чтобы хранить, некоторые предприятия без колебаний перерабатывают то, что можно переработать. Цель состоит в том, чтобы извлечь ценные материалы, такие как оставшийся U-235, а также вновь созданный плутоний. Последний может быть повторно использован в качестве топлива в реакторе. Такая переработка позволяет более эффективно использовать ядерное топливо, тем самым уменьшая количество отходов. Однако этот процесс обходится дороже, чем простое хранение отходов.