Ядрен горивен цикъл - общ обзор

Понятие за ядрен горивен цикъл

Цялата последователност от повтарящи се производствени процеси в горивно-енергийния комплекс, започваща от добива на гориво, през добива на енергия и приключваща с отстраняването на отпадъците, се нарича горивен цикъл. Понятието горивен цикъл е приложимо и към класическите топлоцентрали. Между ядрения горивен цикъл (ЯГЦ) и традиционния горивен цикъл (на органично гориво, ОГЦ) има както сходство, така и различия. Като правило, и двата цикла включват такива стадии като:

·        начален (добив на гориво, преработка на горивото и транспорт до енергийната централа);

·        основен (производство на енергия във вид на топлина или електричество в централата);

·        заключителен (транспорт и преработка на отпадъците).

Различията между двата горивни цикъла са свързани с особеностите на отделните им стадии и с характеристиките на потоците от гориво и отпадъци. Например, ЯГЦ може да включва процеси като преработка на отработеното гориво с цел намаляване обема на радиоактивните отпадъци, а също и рециклиране на остатъчното гориво за повторно използуване. Такива етапи не са възможни при енергетиката на органично гориво.

Отворен и затворен ЯГЦ

Конкретните ЯГЦ зависят в голяма степен от типа на реакторите и от вида на използуваното ядрено гориво. Всички ЯГЦ обаче се делят на две главни категории: отворен ЯГЦ (ОЯГЦ) и затворен ЯГЦ (ЗЯГЦ).

Отворен се нарича ЯГЦ, при който след процеса на изгаряне на ядреното гориво (при което се произвежда желаната енергия), то не се използува по-нататък. При затворения ЯГЦ отработеното гориво се преработва радиохимически с цел извличане на полезни компоненти от него (преди всичко за рециклиране на делящия се материал).

На фигурата по-долу е показана схема на типични ЯГЦ (отворен и затворен) за АЕЦ с реактори на топлинни неутрони. Накратко, основните етапи и за двата вида ЯГЦ са следните:

1.      добив на уранова руда (в рудник или по хидрометалургичен начин);

2.      преработка на рудата и получаване на уранов концентрат в хидрометалургичен завод (обикновено като U3O8);

3.      конверсия на U3O8 в газообразна форма, необходима за изотопното разделяне (UF6);

4.      получаване на обогатен уран (в завод за изотопно разделяне);

5.      превръщането на UF6 в прахообразен UO2 и изготвяне на гориво; опаковането му в  топлоотделящи елементи;

6.      изгаряне на горивото в ядрения реактор и получаването на енергия;

7.      изваждане на ТОЕ от реактора и временното им съхранение (обикновено на територията на площадката).

Оттук нататък отвореният цикъл приключва с окончателно погребване на ТОЕ. При затворения цикъл има следните допълнителни етапи:

8.      радиохимична преработка на отработеното ядрено гориво (ОЯГ) с цел извличане на делящия се материал;

9.      временно съхраняване и последващо погребване на получените при преработката радиоактивни отпадъци.

 

На втората фигура има диаграма на потоците на горивото и отпадъците за типичен отворен ЯГЦ, а на следващата фигура има същата диаграма за затворен ЯГЦ.

Тук е необходимо едно уточнение: Стойностите на много от параметрите, характеризиращи ЯГЦ, зависят от количеството на произведената от него енергия. За да бъдат сравнявани тези показатели, се въвежда понятието типичен или представителен ядрен реактор и данните се преизчисляват за него. За такъв се смята ядрен реактор с електрическа мощност 1GW, който при непрекъсната работа произвежда  ел.енергия 1GWe.y.

Сега съществуващите реактори работят почти изцяло на отворен ЯГЦ. Очевидно затвореният ЯГЦ има предимства, тъй като е по-икономичен и РАО се привеждат в по-подходяща твърда форма преди тяхното погребване. При това от отпадъците се извлича известна част полезни радионуклиди. Като краен резултат от прилагането на ЗЯГЦ количеството уран за производство на същата енергия се намалява с 16%. Същевременно обаче затвореният ЯГЦ е значително по-сложен и изисква допълнителни инвестиции, свързани с построяването на радиохимични заводи за преработка на ОЯГ. Друго ограничение върху осъществяването на ЗЯГЦ е свързано с международните споразумения за контрол на делящи се ядрени материали с цел неразпространението на ядрените оръжия.

 

 

Легенда:   C - химично замърсяване;               E - голямо потребление на енергия;

                 L - изменение на ландшафта;          R - радиоактивно замърсяване;

                 T - топлинно замърсяване;             W - голяма консумация на вода

    


 

Потоци на материалите при затворен ЯГЦ

 

 

Потоци на материалите при отворен ЯГЦ

Видове въздействия на предприятията от ЯГЦ на околната среда. Особености

Въздействията на различните предприятия от ЯГЦ върху околната среда се класифицират така:

a)      разход на природни ресурси (земна площ, вода, различни материали и др.);

b)      химични замърсявания;

c)      топлинни замърсявания;

d)      радиоактивни замърсявания.

 

Тези неблагоприятни въздействия са присъщи не само на ЯГЦ, но и на обикновения горивен цикъл, основан на изкопаеми органични горива. ТЕЦ, работещи на въглища, могат да оказват дори по-големи радиоактивни замърсявания от АЕЦ със същата мощност (при нормална експлоатация).

По отношение на първите три вида въздействия между ядрения и неядрения ГЦ има големи сходства. Така например земни площи се отчуждават както за уранови, така и за въглищни рудници и кариери, както и за разполагане на отпадъчната скална маса. На етапа на преработка на рудата или горивата се използуват химични реагенти, които частично попадат в околната среда и я замърсяват с химически токсични вещества.

Както в АЕЦ, така и в ТЕЦ се осъществява един и същ паро-турбинен цикъл за преобразуване на топлината в ел.енергия. При това значителна част (до 70%) от топлинната енергия се губи и  постъпва в околната среда, причинявайки топлинно замърсяване на биосферата. При това ЯГЦ има специфични особености, които го отличават неблагоприятно от термичния ГЦ по отношение на топлинните замърсявания. Първо, качествата на получената  в ЯГЦ пара са по-лоши от тези в ТЕЦ и съответно електричният коефициент на полезно действие на АЕЦ е по-нисък от този на ТЕЦ. Второ, поради малката маса на потоците от горива и отпадъци АЕЦ са по-компактни. Това е благоприятно от гледна точка на транспорта на материали (и съответните му неблагоприятни въздействия), но пък топлинните изхвърляния при АЕЦ на единица площ стават значително по-големи и това води до неблагоприятни изменения в околната среда.

И при ЯГЦ, както и при ОГЦ в процеса на производството се изваждат  от земните недра някои естествени радиоактивни вещества (разпадните продукти на урана - радий, радон и пр.), които присъствуват в горивото и в съпровождащата го земна или скална маса. Обаче най-важната особеност на ЯГЦ е в това, че в процеса на производството на енергия от АЕЦ се образува голямо количество изкуствени радиоактивни нуклиди, които са потенциално опасни. Попадането им в околната среда дори и в малки количества може да доведе до опасни за биосферата и за човека последици. Затова една от главните задачи на радиационната защита на ЯГЦ се състои в пълната изолация на радиоактивните вещества от биосферата на всички етапи на ЯГЦ, включително при погребването на РАО. Възможните утечки на радиоактивни материали трябва да се сведат до минимум.

Някои от РАО на ЯГЦ имат значителен период на полуразпадане (90Sr, 137Cs - 30a). Особено дългоживеещи са някои трансуранови изотопи (с периоди на полуразпадане над 1000a). В тази връзка един от най-сериозните проблеми пред ядрената енергетика е този за осигуряване изолацията на РАО от биосферата в течение на 105-106 a.