Ядерное электричество

5.2 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.

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.

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.

В начало страницы

Назад  |  Вперед