Можливості урану для енергетики

Навіщо потрібен уран? Раніше його застосовували як пігмент для виготовлення кераміки і кольорового скла. Тепер же уран – основа атомної енергетики і атомної зброї. При цьому використовується його унікальну властивість – здатність ядра ділитися.

АТОМНА ЕНЕРГІЯ – НАЙЕФЕКТИВНІША

Навіщо потрібна атомна енергетика? Радянські вчені, академіки Зельдович і Харитон, були в числі перших, хто порахував економічний ефект атомної енергетики ще в 1940 році, «… зараз ще не можна зробити остаточних висновків про можливість або неможливість здійснення в урані ядерної реакції поділу з нескінченно розгалужуються ланцюгами. Якщо така реакція може стати реальністю, то автоматично здійснюється регулювання швидкості реакції, що забезпечує спокійне її протікання, незважаючи на величезну кількість доступної експериментатора енергії. Ця обставина виключно сприятливо для енергетичного використання реакції. Наведемо тому – хоча це і є поділом шкури невбитого ведмедя – деякі числа, що характеризують можливості енергетичного використання урану. Якщо процес ділення йде на швидких нейтронах, отже, реакція захоплює основний ізотоп урану (U238), то вартість калорії з основного ізотопу урану виявляється приблизно в 4000 разів дешевше, ніж з вугілля ».

Першу керовану ланцюгову реакцію провів в 1942 році Енріко Фермі в Чиказькому університеті, причому управляли реактором вручну – задовго і висуваючи графітові стрижні при зміні потоку нейтронів. Перша електростанція була побудована в Обнінську в 1954 році. Крім вироблення енергії перші реактори працювали ще й на виробництво збройового плутонію.

ПРИНЦИПИ РОБОТИ АТОМНІЙ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ

Зараз більшість реакторів працюють на повільних нейтронах. Збагачений уран у вигляді металу, сплаву, наприклад, з алюмінієм або у вигляді оксиду складають в довгі циліндри – тепловиділяючі елементи. Їх певним чином встановлюють в реакторі, а між ними вводять стержні з сповільнювач, які і керують ланцюговою реакцією. Згодом в тепловиділяючі елементи накопичуються реакторні отрути – продукти поділу урану, також здатні поглинати нейтронів. Коли концентрація урану-235 падає нижче критичної, елемент виводять з експлуатації. Однак в ньому багато уламків поділу з сильною радіоактивністю, яка зменшується з роками, чому елементи ще довго виділяють значну кількість тепла. Їх витримують у охолоджуючих басейнах, а потім або ховають, або намагаються переробити – витягти незгорілий уран-235, напрацьований плутоній (він йшов на виготовлення атомних бомб) і інші ізотопи, яким можна знайти застосування. Невикористану частину відправляють в могильники.

У так званих реакторах на швидких нейтронах, або реакторах, навколо елементів встановлюють відбивачі з урану-238 або торію-232. Вони сповільнюють і відправляють назад в зону реакції занадто швидкі нейтрони. Уповільнені ж до резонансних швидкостей нейтрони поглинають названі ізотопи, перетворюючись відповідно в плутоній-239 або уран-233, які можуть використовуватися як для атомної станції. Так як швидкі нейтрони погано реагують з ураном-235, потрібно значно збільшувати його концентрацію, але це виправдовується більш сильним потоком нейтронів. Незважаючи на те що реактори-розмножувачі вважаються майбутнім атомної енергетики, оскільки дають більше ядерного палива, ніж витрачають, – досліди показали: управляти ними важко. Зараз в світі залишився лише один такий реактор – на четвертому енергоблоці Белоярской АЕС.

ЯК ВИДОБУВАЮТЬ УРАН?

Урану на Землі не так уже й мало – за поширеністю він на 38-му місці. А найбільше цього елемента в осадових породах – вуглистих сланцях і фосфоритах. Всього в земній корі міститься 1014 тонн урану, але головна проблема в тому, що він дуже неуважний і не утворює потужних родовищ. Промислове значення мають приблизно 15 мінералів урану. Це уранова смілка – її основою служить оксид чотирьохвалентного урану, уранова слюдка – різні силікати, фосфати і більш складні з’єднання з ванадієм або титаном на основі шестивалентного урану.

В даний час видобуток радіоактивних руд ведеться усіма відомими в гірничорудній практиці способами: відкритим, підземним, комбінованим. Розсипних родовищ розробляють поки тільки відкритим способом.

На вибір способу видобутку уранової руди істотний вплив роблять технічні можливості і характеристики розвіданих уранових родовищ. На перших етапах розвитку уранової промисловості, коли основними об’єктами експлуатації були родовища гидротермального походження, майже вся уранова руда добувалася підземним способом.

У наступні роки були відкриті родовища зі значними запасами порівняно бідних руд, що залягають неглибоко від поверхні. Такі руди економічно доцільно добувати відкритим способом. У США, Канаді, Австралії та інших країнах значний обсяг руди видобувається саме так. В останні роки інтенсивно проводяться роботи з вишукування нових методів розробки, які дозволили б здешевити вартість видобутого металу і експлуатувати численні родовища з низьким вмістом урану.

Найбільш ефективними і часто вживаними способами переробки руд на уранових підприємствах є радіометричне збагачення і вилуговування видобуваються руд. Радіометричне збагачення контрастних руд по суті проводиться на всьому шляху проходження руди від вибою до збагачувальної фабрики. Руду і породу поділяють в забоях за допомогою польових радіометрів. По дорозі подальшого проходження руда піддається радіометричного контролю на спеціальних пунктах – радіометричних контрольних станціях (РКС). За допомогою РКС здійснюється відділення основної маси порожньої породи від руди (первинне збагачення) і поділ руди за змістом металу на задане число сортів для подальшої переробки. РКС встановлюються в підземних виробках і на поверхні. Бідна (позабалансовий) руда, як правило, піддається радіометричної сортування на спеціальних установках РАС, де виробляється відділення порожньої породи і переклад руди з позабалансовий до балансової. Радіометрична сортування (друга стадія радіометричного збагачення) організовується безпосередньо в надшахтних будівлях, будучи одним з ланок в загальній технології видобутку і переробки руди на шахті, або ж здійснюється на спеціальних радіометричних збагачувальних фабриках.

Основним паливом ядерних реакторів є діоксид урану, збагаченого по матеріалу, що поділяється ізотопу (урану-235). Тому після збагачення гексафторид урану необхідно перевести в більш зручну форму діоксиду. У свою чергу, з діоксиду урану пресують паливні таблетки, які розміщують всередині тонких цирконієвих трубок – тепловиділяючих елементів (твелів). З твелів збирають тепловиділяючі збірки, що розміщуються в ядерному реакторі.

НА СКІЛЬКИ ВИСТАЧИТЬ запасів?

Оцінка запасів урану в різних країнах весь час змінюється через розвідки нових родовищ і через відпрацювання старих. Крім того, змінюється оцінка доступних для розробки запасів (зрозуміло, що при ціні урану $ 20 / кг число розроблюваних родовищ буде набагато менше, ніж при ціні $ 200 / кг). Не дивно, що в 2006 році оцінка запасів дала дещо інші цифри розвіданих ресурсів (діоксиду урану, тис. Тонн, в дужках дані частки від світових запасів): Австралия 1 074 (0,3), Казахстан 622 0,17), Канада 439 ( 0,12), Південна Африка 298 (0,08), Намібія 213 (006), Росія 158 (0,04), Бразилія 143 (0,04), США 102 (0,03), Узбекистан 93 (0 , 03). Всього 3 622 000 тон. Зараз витрата складає 67000 тонн на рік, так що можна припустити, що за нинішньої технології запасів вистачить на 54 роки. Але ядерний реактор-розмножувач володіє чудовою здатністю, виробляючи енергію, в той же час виробляти ще й нове ядерне паливо. До того ж він працює на більш поширеному ізотопі урану-238 (перетворюючи його в матеріал, що ділиться плутоній). Вважається, що при використанні реакторів-розмножувачів запасів урану вистачить не менше ніж на 6000 років.

Посилання на основну публікацію