Ciclul de combustibil descrie modul în care combustibilul intră în reactorul nuclear, și prin care se lasă.
Toate metodele de producție a combustibilului, pentru a le pregăti pentru utilizarea și eliminarea combustibilului uzat și împreună alcătuiesc ceea ce se numește ciclul de combustibil. Însăși termenul „ciclu de combustibil“ implică faptul că combustibilul nuclear uzat poate fi reutilizat în instalațiile nucleare din elemente combustibile proaspete după un tratament special.
Spre deosebire de carbon, minereu de uraniu nu poate fi alimentat direct pe plantă. În primul rând, trebuie să fie curățate, concentrate și plasate în tije speciale de combustibil. Figura 10 prezintă așa-numitul „ciclu de combustibil deschis“ în energia nucleară, care este utilizat în prezent în majoritatea țărilor, cele mai frecvente tipuri de reactoare.
După aceea lovește instalația de îmbogățire * UF6. la care creșterea concentrației de fisionabil izotop U-235. In acest proces, aproximativ 85% din combustibil uraniu natural aruncată ca „DU“ sau „deșeuri“ (în principal U-238), care sunt așezate pe o depozitare prelungită **. Astfel, după o îmbogățire de aproximativ 15% din cantitatea inițială este îmbogățit uraniul care conține aproximativ 3,5 procente U-235 izotop.
Figura 10. Deschideți ciclul de combustibil
Metodele de îmbogățire se bazează pe diferența mică în masele atomilor U-235 și U-238. Majoritatea sistemelor existente folosesc un proces de difuzie gazoasă, în care este trecut gazul UF6 printr-o lungă serie de bariere de membrană, care permit molecule care conțin U-235, învingând-le mai rapid decât moleculele care cuprind U-238. morile moderne folosesc centrifugă de mare viteză pentru separarea moleculelor conținând acești doi izotopi.
uraniu îmbogățit este în continuare furnizat la fabrică pentru fabricarea elementelor combustibile. UF6 este transformat în bioxid de uraniu, un material ceramic, și formate în granule cilindrice mici, de aproximativ 2 cm înălțime și 1,5 cm în diametru. Aceste tablete sunt plasate în tuburi speciale, fabricate din oțel inoxidabil (sau dintr-un aliaj de zirconiu) și o lungime de aproximativ 4 metri și sunt numite elemente combustibile (FE). Tuburile sunt colectate în mănunchiuri, o suprafață de aproximativ 30 mp. cm, care formează așa numitele ansambluri de combustibil ale reactorului. ansamblurilor de combustibil de acest tip sunt utilizate în aproape toate reactoarele cu apă ușoară (vezi. Tabelul 5). Capacitatea reactorului este scufundat în 1000 MW, aproximativ 75 de tone de combustibil în astfel de ansambluri.
reactoare canadiene CANDU (Canadian Deuterium Uranium), chiar dacă acestea au modele diferite, dar toate funcționează pe naturale (de exemplu, neamenajate) uraniu. In loc de un vas de presiune mare care conține miezul reactorului, ele au un număr mare (între 300 și 600) ale tuburilor de presiune orizontale, fiecare conținând un combustibil și agentul termic sub formă de apă grea. Conductele de presiune trec printr-o carcasă specială (așa-numitul „calandru“), care este umplut cu un reactor cu apă grea pentru controlul parametrilor *. Ansambluri de combustibil pentru reactoarele CANDU au dimensiuni de 10 cm în diametru și 50 cm lungime.
* Apă grea sau oxid de deuteriu conține deuteriu, care este un izotop al hidrogenului, și are un neutron suplimentar în nucleu.
În toate tipurile de operare de reacție a reactoarelor de fisiune în lanț se produce în barele de combustibil, așa cum este descris la punctul 3.1. neutroni rapizi sunt încetinite apa, apa grea sau tije din grafit, astfel încât acestea pot iniția reacția de scindare. Viteza de reacție este reglată prin introducerea în miezul reactorului de tije de neutroni absorbant. Căldura eliberată în reacția de fisiune, lichidul de răcire este transformată în antrenat cu abur, care la rândul său, este utilizat pentru a conduce o turbină și produce electricitate.
După îndepărtarea din reactor, combustibilul nuclear uzat (SNF) păstrează radioactivitatea și generează căldură. Prin urmare, pentru ceva timp combustibilul este ținut sub apă pentru bazine îndepărtarea căldurii și protecție împotriva radiațiilor ionizante. Următorul pas poate fi reprocesarea combustibilului nuclear uzat pentru a închide ciclul de combustibil (aceste țări ca Marea Britanie, Franța și Japonia au ales o cale de „ciclu de combustibil închis“), sau eliminare finală, așa cum se face în Statele Unite, Canada și Suedia, care au ales „combustibil deschis ciclu. " Depozitarea combustibilului nuclear uzat efectuat inițial direct în compartimentul reactorului. Acesta poate fi apoi mutat într-o altă locație, cum ar fi depozite speciale „depozitare uscată“.
Anterioare generație de reactoare, de exemplu, încă funcționează în Marea Britanie, este folosit ca metal de uraniu de combustibil (și nu oxizii săi), și răcirea gazului. În ultimii ani, aceste reactoare au fost modernizate, astfel încât obturatorul celulei de combustibil în piscina nu se face prea mult timp. Toate acestea diagramă ilustrează în detaliu „ciclul de combustibil închis“ în Figura 11. în combustibil în buclă închisă pentru reactoarele cu apă ușoară, combustibilul trece exact în același mod. Deoarece minele și plante de uraniu, uraniu trece prin toate etapele de transformare și de îmbogățire pentru fabricarea combustibilului din reactor.
După îndepărtarea din combustibilul reactorului, barele de combustibil sunt prelucrate la fabricile de prelucrare, unde acestea sunt zdrobite și dizolvate în acid. După un tratament chimic special al combustibilului uzat recuperat două produs valoros: plutoniu și uraniu neutilizat. Aproximativ 3% din combustibil, în acest caz, rămâne ca un deșeu de nivel înalt. După bituminization (sau vitrificare), aceste materiale puternic radioactive ar trebui să fie de eliminare lung (a se vedea. 5,2-5,3).
Aproximativ 96% din uraniul utilizat în reactor, carburantul rămâne în posesia (se consumă în reactor, nu mai mult de 1% U-235). Așa cum se arată în Figura 14, porțiunea rămasă din combustibil este transformată în căldură și produsele radioactive descompuse, iar unele dintre plutoniu și alte actinide. Prin urmare, reciclarea combustibilului nuclear uzat poate avea anumite avantaje economice în reducerea uraniului și plutoniu nefolosit, care a fost produs în reactor. Acest lucru reduce, de asemenea, volumul de deșeuri puternic radioactive și periculoase, care trebuie să fie depozitate în mod corespunzător, care are și o anumită fezabilitate economică.
Combustibilul uzat conține aproximativ 1% plutoniu. Acesta este un combustibil nuclear foarte bun, care nu are nevoie de nici un proces de îmbogățire, acesta poate fi amestecat cu uraniu sărăcit (așa-numitul combustibil oxid mixt sau MOX-combustibil) și vine sub formă de ansambluri de combustibil proaspăt în reactor (a se vedea punctul 5.2.). Acesta poate fi folosit pentru a încărca în viitoarele reactoare reproducători (vezi. De mai jos).
uraniu reciclat poate fi returnat pentru îmbogățire ulterioară, sau livrate sub formă de combustibil proaspăt pentru reactoarele existente. ciclu de combustibil închis, astfel, un sistem mai eficient de uraniu de utilizare maximă, fără producția de mina suplimentară (în unități de economie de energie de aproximativ 30%), iar acest lucru este motivul pentru care industria a adoptat imediat această abordare. combustibil nuclear Cu toate acestea, astfel de sisteme sunt reprocesarea cheltuite nu este disponibilă pe scară largă într-o mare măsură, din cauza prețului relativ scăzut de uraniu (prețurile de uraniu de azi sunt la nivelul 1980).
Figura 11. Ciclul de combustibil închis