Занимательная радиация. Всё, о чём вы хотели спросить: чем нас пугают, чего мы боимся, чего следует опасаться на самом деле, как снизить риски - [37]
Предприятия ЯТЦ
Население обычно опасается выбросов АЭС. Но атомные станции – лишь верхушка айсберга. Для их работы необходим целый комплекс разных заводов, их-то и называют предприятиями ЯТЦ. Сейчас мы лишь коротко познакомимся с ними, а проблемы, касающиеся радиационной безопасности, рассмотрим чуть позже, в главе 18. Более детально проблемы ядерной энергетики изложены в литературных источниках [2–4].
Вопрос: можно ли урановую руду сразу загрузить в ядерный реактор? Можно. Только он работать не будет. Чтобы пошла цепная реакция, уран должен быть особым. Во-первых, сверхчистым, поскольку многие примеси поглощают нейтроны и гасят цепную реакцию. Во-вторых, и это главное, уран должен быть обогащённым.
Что это значит? Топливный, или энергетический, уран должен содержать достаточно высокие концентрации редкого изотопа уран-235. Лишь этот радионуклид способен делиться под действием нейтронов.
Да, мы ещё не знакомы с реакцией деления. Что это такое? Как и радиоактивный распад, деление – это вид ядерных превращений, оно тоже приводит к образованию новых химических элементов. Но в отличие от широко распространённого в природе радиоактивного распада, который происходит самопроизвольно, для деления ядра необходимо два главных условия. Во-первых, не всякие элементы способны делиться, а лишь те, ядра которых содержат огромную скрытую энергию. Если радиоактивных изотопов известно больше трёх сотен, то делящиеся нуклиды можно пересчитать по пальцам. И среди них лишь один природный – уран-235.
И второе условие: проще всего разделить ядро, если в него попасть нейтроном. Для этой цели лучше подходят так называемые медленные (тепловые) нейтроны.
Самое главное: при делении выделяется энергия в тысячи и миллионы раз больше, чем при радиоактивном распаде ядер. Мало того, при делении испускаются новые нейтроны, способные продолжить реакцию деления: она приобретает цепной характер, развиваясь сама по себе.
В природном уране делящегося изотопа уран-235 очень мало, всего 0,72 %. А остальное – балластный уран-238. Этот дармоед лишь зря хватает нейтроны, а делиться не желает.
Знаете, на что это похоже? На попытку разжечь костер, используя сухие и мокрые дрова. Уран-235 – это сухие поленья, способные гореть и поджигать соседние. А уран-238 – мокрые. Если сухих дровишек мало, костёр не разгорится. Вот для чего обогащают уран изотопом-235. Достаточно увеличить концентрацию делящегося изотопа до 2–5%, и мы получим энергетический, низкообогащенный уран (НОУ). Он-то и «горит» в реакторах АЭС.
А высокообогащенный уран (ВОУ), содержащий около 90 % урана-235, – материал для ядерных боеголовок.
Но вернёмся к природному урану и атомным станциям. Чтобы из урановой руды получить сверхчистый и обогащённый уран, да ещё в виде так называемых тепловыделяющих элементов (твэлов), и нужны первые несколько предприятий ЯТЦ. Их называют предприятиями начала цикла (ПНЦ).
Эти предприятия находятся в левой части рисунка 16.2.
Рис. 16.2 Схема типичных открытого и замкнутого ЯТЦ
В самом начале ЯТЦ – урановый рудник. В России единственное крупное месторождение находится в Читинской области (Приаргунское горно-химическое объединение, город Краснокаменск).
На гидрометаллургическом заводе (аналог горно-обогатительных комбинатов в металлургии) из урановой руды выделяют концентрат – техническую (то есть химически не очень чистую) закись-окись урана. Причём основная часть активности (около 85 %), представленная продуктами распада радиоактивных рядов, остаётся в пустой породе, так называемых хвостах.
Полученный урановый концентрат направляют на аффинажный завод, где его очищают от примесей. Но добыть урановую руду и получить сверхчистый урановый концентрат – даже не полдела. Нужно превратить его в низкообогащённый уран.
Поэтому концентрат сначала направляют на сублиматный завод, где получают газообразный гексафторид урана (UF6). Это необходимо, поскольку все промышленные методы обогащения урана лёгким изотопом основаны на использовании газообразных химических соединений, а именно – гексафторида урана.
Далее следует самая дорогостоящая операция начала цикла – обогащение урана изотопом уран-235, которое производится на изотопно-разделительных заводах. Частичное разделение изотопов урана основано на разнице молекулярных масс гексафторида урана-235 и чуть-чуть более тяжёлого урана-238. Разница составляет всего 0,85 %.
В настоящее время используют две промышленные технологии разделения изотопов урана. Исторически первый – газодиффузионный метод, до сих пор основной в США и во Франции. Эта технология требует огромных затрат энергии.
Более прогрессивный – метод центрифугирования. В сравнении с газовой диффузией удельное потребление энергии при разделении изотопов урана снижается в 20–25 раз. Мировым лидером в использовании центрифужной технологии обогащения урана является Россия.
Во времена гонки вооружений на изотопно-разделительных заводах получали главным образом оружейный уран. Газодиффузионные заводы, как чёрные дыры, поглощали весомую долю, до 10 % вырабатываемой в США и СССР электроэнергии. Так, Иркутская и Братская ГЭС были построены прежде всего для нужд Ангарского электролизного химического комбината. Кстати, под личинами «химических» и «электрохимических» скрывались изотопно-разделительные заводы: Ангарский электролизный химический комбинат, Уральский электрохимический комбинат (Свердловск-44), Электрохимический завод (Красноярск-45), Сибирский химический комбинат (Томск-7).
