Переработка отработанного топлива

 

 

Санкт-Петербурский государственный  Политехнический Университет

 

Специальность:  экономика и менеджмент в природопользовании и энергетике 

Кафедра:   менеджмент в энергетике

Факультет:   ФЭМ

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

по «реакторы и парогенераторы»

 

На тему:

ПЕРЕРАБОТКА ОТРАБОТАННОГО ТОПЛИВА

 

 

 

 

 

Выполнил студент:        гр.  23703/1        Нгуен Конг Нгок 

 

Проверил преподаватель:  И.Л Парамонова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

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 реакторов:	Франция, Ла Гаага	1600 тонн в год
	Великобритания, Селфилд	850
	Россия, Челябинск (Маяк)	400
	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.