Переработка отработанного топлива

Переработка отработанного топлива

Министерство образования Российской Федерации

Южно-Российский государственный технический Университет

(Новочеркасский политехнический институт)

Волгодонский институт

Специальность: Котло-и реакторостроение

Кафедра: ТЭТиО

Факультет: Энергетических технологий

РЕФЕРАТ

по «Введение в специальность»

На тему:

ПЕРЕРАБОТКА ОТРАБОТАННОГО ТОПЛИВА

Выполнил студент: гр. КР-02-Д2 Савочкин А.С.

Проверил преподаватель: Бубликов И. А.

Волгодонск 2005

1. ЯДЕРНЫЕ "ОТХОДЫ"

2. ПЕРЕРАБОТКА ОТРАБОТАННОГО ТОПЛИВА

3. ВЫСОКОУРОВНЕВЫЕ ОТХОДЫ ПОСЛЕ ПЕРЕРАБОТКИ

4. РАЗМЕЩЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ ОТРАБОТАННОГО ТОПЛИВА

5. РАЗМЕЩЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ ОСТЕКЛОВАННЫХ ОТХОДОВ

6. СНИМАЕМЫЕ С ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕАКТОРЫ

1. Ядерные "отходы"

Один из наиболее острых и волнующих сегодня общественность аспектов

ядерного топливного цикла - это вопросы размещения и хранения радиоактивных

отходов. Наиболее трудный из них - это вопрос о высокоуровневых отходах, в

работе с которыми имеются два различных стратегических подхода: первый

заключается в переработке исчерпанного топлива с целью отделения

высокоуровневых отходов с их последующим остекловыванием (или

битумированием) и захоронением, а второй заключается в прямом захоронении

исчерпанных тепловыделяющих элементов вместе с содержащимися в них

высокоуровневыми отходами.

Основные ядерные отходы остаются надежно "запертыми" в керамическом

топливе для ядерных реакторов.

Как указывалось в главах 3 и 4, при "сжигании" ядерного топлива в

реакторных установках образуются продукты деления, такие как изотопы бария,

стронция, цезия, иода, криптона и ксенона (Ba, Sr, Cs, I, Kr, и Xe). Многие

из образующихся изотопов накапливаются в пределах самого топлива. Они

высоко радиоактивны, и соответственно, недолговечны.

Тогда как эти "малые" атомы формируются из расщепляющейся части

топлива, изотопы плутония Pu-239, Pu-240 и Pu-241 *, а также и некоторые

изотопы других трансурановых элементов, формируются из атомов U-238 в

активной зоне ядерного реактора при поглощении ими нейтронов и последующим

бета-распаде. Все эти изотопы радиоактивны и кроме расщепляющегося

плутония, который "сжигается", остаются в исчерпанном топливе, когда его

удаляют из реактора. Большинство трансурановых изотопов формирует

долгоживущую часть высокоуровневых отходов.

|*Это тот самый Pu-241, который распадаясь, превращается в Америций -241,|

|используемый в бытовых детекторах задымления помещений. |

Хотя предприятия ядерного топливного цикла и производят различные

отходы, они тем не менее не являются промышленными "выбросами" в

традиционном понимании этого слова. Их надежное хранение и размещение

обеспечивает безопасность. Фактически, ядерная энергетика - единственная

отрасль промышленности, которая берет полную ответственность за все свои

отходы и полностью оплачивает расходы по их содержанию и утилизации. Кроме

того, методы экспертного контроля, развитые в отношении отходов на

гражданских ядерных объектах, теперь начинают применяться и к военной

промышленности, которая действительно представляет реальную угрозу

окружающей среде в некоторых частях мира.

Радиоактивные отходы включают в себя разновидность различных

материалов, требующих различных подходов по их содержанию и хранению для

предохранения людей и окружающей среды. Они обычно классифицируются как

отходы низкого уровня, промежуточного уровня и высокого уровня, в

соответствии с количеством и типом радиоактивности, содержащейся в них.

Другим фактором в работе с отходами является время, в течение которого

они остаются опасными. Это время зависит от видов радиоактивных изотопов,

содержащихся в них, и характеризуется периодом полураспада этих изотопов.

Период полураспада - это время, ы течение которого данный радиоактивный

изотоп теряют половину своей активности. После четырех периодов полураспада

уровень активности снижается в 16 раз, а после восьми - в 256 раз.

Различные радиоактивные изотопы имеют периоды полураспада от долей

секунды до миллионов лет. Радиоактивность уменьшается со временем

вследствие распада изотопов и превращения их в стабильные, не радиоактивные

элементы.

Скорость распада изотопов обратно пропорциональна их периоду

полураспада; чем меньше период полураспада, тем быстрее данные изотопы

распадаются. Следовательно, чем выше уровень радиоактивности в некотором

количестве материала, тем большее количество короткоживущих изотопов в нем

содержится.

Три основных принципа используются в работе с радиоактивными отходами:

. "Концентрировать и изолировать"

. "Разбавлять и рассеивать"

. "Выдерживать и расщеплять".

Два первых принципа используются в работе и с нерадиоактивными

отходами. Отходы концентрируются и изолируются, или (в очень малых

количествах) разбавляются до приемлемых уровней и затем рассеиваются в

окружающей среде. Принцип "выдерживать и расщеплять" относится только к

радиоактивным отходам и означает, что отходы хранят в течение определенного

времени, в течение которого их радиоактивность уменьшается благодаря

естественному распаду изотопов.

В гражданском ядерном топливном цикле основное внимание уделяется

высокоуровневым отходам, содержащим продукты деления и трансурановые

элементы, которые образуются в процессе работы ядерного реактора.

Высокоуровневые отходы содержатся непосредственно в отработанном

ядерном топливе или в продуктах его переработки. Так или иначе, их

количество не слишком велико - ежегодно приблизительно 25-30 тонн

исчерпанного топлива (или три кубометра остеклованных отходов) образуется в

результате эксплуатации типичного легко-водного ядерного реактора мощностью

1000 МВт. Такое количество может быть эффективно и экономно изолировано.

Уровень радиоактивности таких отходов быстро уменьшается (см. Рисунок 16A).

Например, отработанные топливные элементы, извлеченные из легко-водного

реактора, настолько радиоактивны, что испускают несколько сотен киловатт

тепловой энергии, но год спустя это излучение уменьшается до пяти киловатт,

а после пяти лет - всего один киловатт. Через 40 лет уровень

радиоактивности в них падает, примерно, в тысячу раз.

После специальной переработки отработанного топлива, примерно 3%

высокоуровневых отходов находятся в жидком состоянии и содержат "золу" от

сгоревшего урана. Это высоко радиоактивные долгоживущие продукты деления

урана и некоторые тяжелые элементы. Они производят значительное количество

теплоты и требуют специального охлаждения. Такие отходы остекловывают

специальными составами в небольшие капсулы, закладывают на промежуточное

хранение с последующим долговременным размещением глубоко под землей. Такие

принципы обращения с радиоактивными отходами приняты в Великобритании,

Франции, Германии и Японии (см. также 5.2 и 5.3).

С другой стороны, если отработанное реакторное топливо не подвергается

обработке, то все высоко радиоактивные изотопы остаются в нем. В этом

случае с топливными элементами обращаются как с высокоуровневыми отходами.

Такой прямой подход к работе с отработанным ядерным топливом принят в США и

Швеции (см. 5.4).

Многие страны, включая Канаду, придерживаются различных концепций,

выбирая между переработкой и прямым долговременным хранением отработанного

ядерного топлива.

Высокоуровневые отходы составляют только 3 % от всех радиоактивных

отходов во всем мире, но они содержат до 95 % всей радиоактивности,

содержащейся в них.

[pic]

Рисунок 14. Что происходит в легко-водном реакторе через три 3 года?

Наряду с высокоуровневыми отходами ядерной энергетики, работа с

радиоактивными материалами приводит к возникновению отходов низкого уровня

(средства очистки оборудования, перчатки, специальная одежда, инструменты и

т.д.). Такие отходы хотя и не представляют особой опасности, но требуют

более тщательного обращения, чем обычный мусор. Отходы низкого уровня

поступают также из медицинских учреждений, научно-исследовательских

лабораторий и промышленности. Они могут быть сожжены. Но обычно их

размещают в специальных хранилищах под землей. В любом случае, из них

сначала выделяют все высоко токсичные материалы и включают в

высокоуровневые отходы, что обеспечивает безопасность и эффективность

работы с такими, относительно безвредными, материалами. Многие страны имеют

хранилища для размещения отходов низкого уровня. Отходы низкого уровня

имеют, примерно, такой же уровень радиоактивности, как и низкосортная

урановая руда, а их количество, образующееся каждый год, почти в пятьдесят

раз больше, чем количество высокоуровневых отходов. Во всем мире они

составляют 90 % от всех радиоактивных отходов, но имеют лишь 1 %

радиоактивности.

Отходы промежуточного уровня главным образом возникают в ядерной

промышленности. Они более радиоактивны и их изолируют от людей перед

обработкой и размещением на хранение. Обычно они включают в себя различные

смолы, химические осадки, компоненты реакторного оборудования и

загрязненные материалы от реакторов, снимаемых с эксплуатации. Обычно,

такие отходы битумируются для дальнейшего размещения в специальных

хранилищах. Короткоживущие отходы (главным образом, различные компоненты

реакторного оборудования) хранят в заглубленных хранилищах, но долгоживущие

отходы (от переработки ядерного топлива) размещают глубоко под землей. Во

всем мире отходы промежуточного уровня составляют 7 % от всех радиоактивных

отходов и имеет 4 % радиоактивности.

2. Переработка отработанного топлива

Необходимость переработки исчерпанного ядерного топлива вызывается с

одной стороны возможностью регенерирования неиспользованного урана и

плутония в отработанных тепловыделяющих элементах, а с другой -

возможностью уменьшения количества высокоуровневых радиоактивных отходов.

Переработка предотвращает излишний расход ценных ресурсов, потому что

в своем большинстве отработанное топливо содержит до 1% делящегося изотопа

U-235 и несколько меньшее количество плутония. Переработка позволяет

повторять ядерный цикл в свежих тепловыделяющих элементах, сохраняя, таким

образом, приблизительно, до 30 % естественного урана. Такое смешанное

оксидное топливо - важный ресурс. Выделяемые при этом высокоуровневые

отходы, преобразованные в компактные, устойчивые, неразрушимые твердые

капсулы, более удобны для дальнейшего хранения, чем объемистые отработанные

тепловыделяющие элементы.

На сегодняшний день более 75000 тонн отработанного ядерного топлива от

гражданских энергетических реакторов уже подвергнуто повторной обработке, а

ежегодный объем переработки составляет, примерно, 5000 тонн.

Таблица 10

Объемы переработки ядерного топлива в мире

|Топливо легко-водных |Франция, Ла Гаага |1600 тонн в |

|реакторов: | |год |

| |Великобритания, Селфилд|850 |

| |Россия, Челябинск |400 |

| |(Маяк) | |

| |Япония |90 |

| |Всего |2940 |

|Другое ядерное топливо: |Великобритания, Селфилд|1500 |

| |Франция, Марсель |400 |

| |Индия |200 |

| |Всего |2100 |

|Всего | |5040 |

Отработанные топливные сборки, удаленные из реактора, очень

радиоактивны и выделяют тепло. Поэтому их помещают в большие резервуары,

наполненные водой ("бассейны выдержки"), которая охлаждает их, а трех

метровый слой воды поглощает опасное излучение. В таком состоянии они

остаются (непосредственно в реакторном отделении или на перерабатывающем

заводе) в течение нескольких лет, пока уровень радиоактивности значительно

уменьшится. Для большинства видов ядерного топлива, его переработка

начинается, приблизительно, через пять лет после выгрузки из реактора.

Обычный легко-водный реактор мощностью 1000 МВт производит ежегодно,

приблизительно, до 25 тонн исчерпанного топлива. После предварительного

охлаждения оно может транспортироваться в специальных защитных контейнерах,

которые вмещают лишь несколько (пять- шесть) тонн отработанного топлива, но

сами весят до 100 тонн. Транспортировка отработанного топлива и других

высокоуровневых отходов достаточно жестко регламентируется.

Переработка отработанного оксидного топлива начинается с растворения

тепловыделяющих элементов в азотной кислоте. После этого производят

химическое разделение урана и плутония. Pu и U могут быть возвращены к

началу топливного цикла - уран на конверсионный завод для дообогащения, а

плутоний непосредственно на предприятия по изготовлению топлива. Рисунок 11

иллюстрирует процессы переработки и изготовления свежего топлива на

противоположных сторонах диаграммы - в действительности это обычно

происходит в одном месте. Остающаяся жидкость после удаления Pu и U

представляет собой высокоуровневые отходы, содержащие, примерно, 3 %

исчерпанного топлива. Радиоактивность этих отходов высока, и они продолжают

производить много теплоты.

Активная переработка ядерного топлива производилось начиная с 1940-ых

годов, главным образом для регенерирования плутония в военных целях. В

Великобритании, металлические тепловыделяющие элементы от коммерческих

реакторов первого поколения с газовым охлаждением были повторно обработаны

в Селфилде приблизительно 40 лет назад. За это время завод,

перерабатывающий 1500 тонн в год, был значительно усовершенствован для

поддержания должного уровня безопасности, гигиены и других регламентирующих

стандартов. С 1969 по 1973 год на заводе также повторно обрабатывалось

оксидное топливо на специально выделенном и модифицированном для этой цели

участке. Новый завод по переработке оксидного топлива мощностью 1200 тонн в

год (THORP) был построен в 1994 году.

В США по техническим и политическим причинам ни один завод в настоящее

время работает. В свое время в этой стране были построены три завода по

переработке исчерпанного оксидного топлива ядерных реакторов: первый завод

мощностью 300 тонн в год был построен в Вест Уилле (штат Нью-Йорк), и

успешно эксплуатировался с 1966 по 1972 год. Однако, все возрастающие

регламентирующие требования и нормы сделали возможность модернизации завода

экономически нецелесообразной, и завод был закрыт. Второй завод мощностью

300 тонн в год, основанный на использовании новых технологий, был сооружен

в Моррисе (штате Иллинойс), работал некоторое время в "пилотном" режиме но

не сумел выйти на промышленный уровень. Строительство третьего завода

мощностью 1500 тонн в год в Барнуэлле (штат Южная Каролина) было прекращено

в связи с изменениями в политике правительства США, исключающей с целью

нераспространения ядерного оружия всякую гражданскую переработку

отработанного ядерного топлива. Всего начиная с 1940 года США имеют

эксплуатационный опыт работы по переработке отработанного топлива на

правительственных оборонных предприятиях насчитывающий более 250 заводо-

лет.

Во Франции один завод мощностью 400 тонн в год по переработке

металлического топлива от реакторов с газовым охлаждением работает в

Марселе. В Ла Гааге с 1976 года производится переработка оксидного топлива,

и в настоящее время здесь эксплуатируется два завода мощностью по 800 тонн

в год. Индия имеет завод по переработке оксидного топлива с

производительностью 100 тонн в год в Тарапуре, а также аналогичные заводы в

Кальпакаме и Тромбе. Япония строит большой завод в Рокакошо, хотя большая

часть исчерпанного топлива, повторно обрабатывается в Европе (что

составляет всего 100 тонн в год). Россия имеет завод по переработке

оксидного топлива в Челябинске мощностью 400 тонн в год.

После переработки восстановленный уран дообогащается и отправляется на

предприятие по изготовлению свежего реакторного топлива. Плутоний же должен

пройти технологический цикл по изготовлению смешанного оксидного топлива

(MOX-топлива) на специальном заводе, который часто интегрируется с

перерабатывающим предприятием. Во Франции, например, для того чтобы

избежать создания неиспользуемых запасов плутония, выход продукции

перерабатывающего предприятия строго скоординирован с загрузкой мощностей

завода по изготовлению MOX-топлива. Если плутоний хранится в течение

нескольких лет, то увеличивающийся в нем уровень содержания изотопа

Америция-241 (используемого в бытовых датчиках задымления помещений),

создаст трудности при производстве MOX-топлива из-за повышения уровня гамма

излучения.

Таблица 11

Объем производства смешанного оксидного топлива (т/год)

|Год: |199|200|

| |8 |5 |

|Бельгия и Франция |175|195|

|Япония |10 |100|

|Россия | - |60 |

|Великобритания |8 |120|

|Всего для легко-водных |193|475|

|реакторов | | |

Новые заводы, предусмотренные к вводу в строй к 2005 году, находятся в

стадии строительства. По прогнозам МАГАТЭ их мощность к 2005 году составит

от 430 до 610 тонн в год.

3. Высокоуровневые отходы после переработки

Несмотря на малые количества (см. 5.1), высокоуровневая отходы,

возникающие после переработки отработанного ядерного топлива, требуют

большой осторожности в обращении, размещении и хранении, так как они

содержат продукты деления и некоторые трансурановые элементы, активно

Страницы: 1, 2