Лекция 1 Ядерно-топливный цикл

Содержание

Слайд 2

Ряды распада
92U238 и 92U235

Ряды распада 92U238 и 92U235

Слайд 3

Ядерный топливный цикл (ядерный реакторный цикл) - совокупность технологических процессов, связанных с

Ядерный топливный цикл (ядерный реакторный цикл) - совокупность технологических процессов, связанных с
получением энергии на ядерных установках (в ядерных реакторах).
В зависимости от ядерного горючего возможно осуществление трех типов циклов:
1) урановый топливный цикл, в котором делящимся материалом служит уран-235, а фертильным материалом (воспроизводящим, сырьевым) – уран-238. Урановое горючее изготавливают из природного урана (0,72% 235U), низкообогащённого урана (1-5% 235U) или высокообогащенного урана (до 93% 235U).

Слайд 4

2) Уран-плутониевый топливный цикл. Горючее для этого цикла
состоит из природного или обедненного

2) Уран-плутониевый топливный цикл. Горючее для этого цикла состоит из природного или
(0,2-0,3% 235U) урана с добавкой 239Рu в количестве, эквивалентном
соответствующему обогащению по 235U. Это горючее может быть использовано как в реакторах на тепловых нейтронах, так и в реакторах на быстрых нейтронах. Сырьевым материалом здесь также служит 238U.
3) Уран-ториевый топливный цикл. Делящийся материал - 235U или 233U, сырьевой - 232Th.

Слайд 5

В промышленном масштабе используется в основном урановое горючее. Все способы производства топлива

В промышленном масштабе используется в основном урановое горючее. Все способы производства топлива
для ядерных энергетических реакторов, подготовки его к
использованию и утилизации отработанного топлива вместе взятые составляют топливный циклом.

Слайд 6

"Сердце" ядерного реактора — активная зона, которая содержит ядерное топливо.
В состав

"Сердце" ядерного реактора — активная зона, которая содержит ядерное топливо. В состав
ядерного топлива должны входить делящиеся ядра. Практический интерес представляют только четыре делящихся изотопа: 235U, 233U,239Рu и 241Рu.
Изотоп 235U является единственным естественным нуклидом, который делится под действием тепловых нейтронов, остальные получаются в результате превращений, индуцированных нейтронами.

Слайд 7

Материалы ядерного топлива подвергаются превращениям как до их введения в реактор, так

Материалы ядерного топлива подвергаются превращениям как до их введения в реактор, так
и после использования. Получение топлива – производственный процесс, который включает добычу урановой руды, доведение ее до необходимого химического состава с последующей химической очисткой и в зависимости от обстоятельств изотопным обогащением и получение топливных материалов требуемой формы и размера.

Слайд 8

Важнейшее звено в ядерной энергетике – это ядерный реактор

ГНЦ – Главный циркуляционный

Важнейшее звено в ядерной энергетике – это ядерный реактор ГНЦ – Главный циркуляционный насос
насос

Слайд 9

Ядерные топливные материалы

Ниже перечислены делящиеся и воспроизводящие ядерные топливные материалы:
Делящиеся материалы -

Ядерные топливные материалы Ниже перечислены делящиеся и воспроизводящие ядерные топливные материалы: Делящиеся
233U; 235U; 239Pu
Q = 1г U = 2,3⋅104 кВт⋅ч ≅ 3 т угля
Воспроизводящиеся материалы
238U
232Th

Слайд 10

Схема деления U-235

1938 г. О. Ган и Ф. Штрассман

Схема деления U-235 1938 г. О. Ган и Ф. Штрассман

Слайд 12

Продукты деления U235

Продукты деления U235

Слайд 13

Неуправляемая
ядерная реакция

Неуправляемая ядерная реакция

Слайд 14

На АЭС – управляемая ядерная реакция

На АЭС – управляемая ядерная реакция

Слайд 15

Топливно-энергетический цикл представляет собой совокупность связанных производств, которые можно объединить в четыре

Топливно-энергетический цикл представляет собой совокупность связанных производств, которые можно объединить в четыре стадии общего технологического процесса.
стадии общего технологического процесса.

Слайд 16

Рис. 1. Схема ядерно-энергетического топливного цикла
1 – урановый рудник (руда и концентраты);

Рис. 1. Схема ядерно-энергетического топливного цикла 1 – урановый рудник (руда и

2 – обогатительные фабрики (U3O8);
3 – превращение U3O8 в UF6;
4 – обогащение 235U;
5 – превращение UF6 в UO2 и изготовление топливных сборок;
6 – реактор;
7 – плутоний (в виде PuO2);
8 – регенерированный уран;
9 – завод по переработке топлива;
10 – обработанное топливо;
11 – обработка низкоактивных отходов и захоронение;
12 – твердые высокоактивные отходы;
13 – хранилище высокоактивных отходов.

Слайд 17

Первая стадия – приготовление ядерного топлива: добыча урана, обогащение, получение уранового концентрата

Первая стадия – приготовление ядерного топлива: добыча урана, обогащение, получение уранового концентрата
и гексафторида урана, разделение изотопов, изготовление топливных композиций, ТВЭЛов.
Вторая стадия – сжигание ядерного топлива в реакторах.
Третья стадия – выдержка отработанного ядерного топлива и его транспортирование к месту регенерации.
Четвертая стадия – регенерация отработанного ядерного топлива (в замкнутых циклах), извлечение ценных компонентов, рефабрикация топлива, переработка и захоронение отходов.

Слайд 21

Для атомной энергетики различают два вида ЯТЦ – открытый (разомкнутый) и закрытый

Для атомной энергетики различают два вида ЯТЦ – открытый (разомкнутый) и закрытый
(замкнутый).
Замкнутый ядерный топливный цикл - ядерный топливный цикл, в котором отработавшее ядерное топливо (ОЯТ),
выгруженное из реактора, перерабатывается для извлечения урана и плутония для повторного изготовления ядерного
топлива. В цикл возвращается невыгоревший уран-235, почти вся масса урана-238, а также изотопы энергетического плутония, образовавшиеся при работе ядерного реактора (Рис.1).

Слайд 22

Из ОЯТ выделяют ценные компоненты, которые используют для изготовления нового ядерного горючего.

Из ОЯТ выделяют ценные компоненты, которые используют для изготовления нового ядерного горючего.
При этом активность отходов, подлежащих окончательному захоронению, минимизируется.

Рис. 1. 3
Замкнутый урановый топливный цикл.

Слайд 23

Основным ядерным топливом является 235U92, который встречается в природе в ограниченном количестве.

Основным ядерным топливом является 235U92, который встречается в природе в ограниченном количестве.
Изотопный состав природного урана приведен в табл. 1
Таблица 1 – Изотопный состав природного урана

Слайд 24

Главные рудные минералы урана:
оксиды — уранинит, урановая смолка, урановая чернь;
силикаты

Главные рудные минералы урана: оксиды — уранинит, урановая смолка, урановая чернь; силикаты
— коффинит;
титанаты — браннерит;
уранилсиликаты — уранофан, бетауранотил;
уранил-ванадаты карнотит, тюямунит; уранилфосфаты — отенит, торбернит. Кроме того, уран в рудах нередко входит в состав минералов, содержащих Р, Zr, Ti, Th и др. (фторапатит, лейкоксен, монацит, циркон, ортит, торианит, давидит и др.), или находится в сорбированном состоянии в углистом веществе.

Слайд 25

Обычно различаются урановые руды: супербогатые (более 0,3 % U), богатые (0,1-0,3%), рядовые

Обычно различаются урановые руды: супербогатые (более 0,3 % U), богатые (0,1-0,3%), рядовые
(0,05-0,10%), убогие (0,03-0,05%) и забалансовые (0,01-0,03%).
К очень крупным относятся урановые месторождения с запасами (тысяч т) более 50, к крупным — от 10 до 50, к средним — от 1 до 10, к мелким — 0,2-1,0 и к очень мелким — менее 0,2.

Слайд 26

ПЕРВИЧНЫЕ УРАНОВЫЕ МИНЕРАЛЫ
Уранинит – встречается в пегматитовых породах. В момент образования его

ПЕРВИЧНЫЕ УРАНОВЫЕ МИНЕРАЛЫ Уранинит – встречается в пегматитовых породах. В момент образования
состав отвечал формуле UO2 . С увеличением возраста минерала в нем накапливаются радиоактивные продукты распада
вплоть до стабильных изотопов Pb206 и Pb207 , а так же увеличивается содержание UO3 вследствие окисления, которому способствует радиоактивный распад (UO2 →PbO + O). Поэтому состав минерала выражается формулой: xUO2 ⋅ yUO3 ⋅ zPbO, причем y и z увеличиваются с ростом возраста минерала. Некоторые физические свойства минерала: цвет черный, плотность 7,6 −10 г/см3, твердость 5–7,6 по десятибалльной шкале Мооса.

Слайд 27

Ряд распада 238U

Ряд распада 238U

Слайд 28

Настуран (урановая смолка) – основной минерал урана в гидротермальных месторождениях. Состав минерала

Настуран (урановая смолка) – основной минерал урана в гидротермальных месторождениях. Состав минерала
отвечает той же формуле: xUO2⋅yUO3⋅zPbO, но с несколько большим значением «y», соотношение U4+ и U6+ близко к U3O8. Цвет минерала – черный, плотность 5−7,7 г/см3 , твердость 4–6,3.
Давидит (примерный состав: ~52%TiO2 , 17%FeO, 18% Fe2O3, 2% UO3 , 5% PЗ2O3, 1% SiO2 , немного V, Th и др.) – титанат железа, урана, РЗЭ. Цвет от серовато-черного до черного, плотность 4,8 г/см3 ,
твердость – 6.
.

Слайд 29

Браннерит – метатитанат урана, тория, иттрия, РЗЭ, железа (TiO2 – 31–43%, UO2

Браннерит – метатитанат урана, тория, иттрия, РЗЭ, железа (TiO2 – 31–43%, UO2
– до 24 %, UO3 – до 40%, ThO2 до 8%, Fe2O3 – до 4%, CaO до 3,5%). Плотность 4,5 − 5,4 г / см3, твердость 4,5–5,5/
Бетафит – титано-тантало-ниобат урана, кальция, железа, тория, РЗЭ.
Содержание урана – до 20%. Цвет от зеленовато-бурого до черного, плотность 3,7 − 5 г / см3 , твердость – 4.
Коффинит –гидролизованный силикат четырехвалентного урана – U(SiO4)1−x⋅(OH)4x . Содержание урана 45–67%. Цвет – черный, бутылочно-зеленый, буровато-зеленый, плотность 5,1 г / см3,твердость 5–6.

Слайд 30

ВТОРИЧНЫЕ УРАНОВЫЕ МИНЕРАЛЫ
Урановые черни – рыхлые вещества аморфной структуры и переменного состава,

ВТОРИЧНЫЕ УРАНОВЫЕ МИНЕРАЛЫ Урановые черни – рыхлые вещества аморфной структуры и переменного
с химической точки зрения – это гидратированные
оксиды и уранаты. Степень окисления больше, чем у настурана (вплоть до UO3 ). Содержит много примесей. Содержание урана 8–3,4%,
плотность 3 − 4,8 г / см3, твердость 1–4.
Карнотит – K2(UO2)2(VO4)2⋅(1−3)H2O – двойной ванадат калия и уранила. Минерал ярко-желтого цвета, плотность 4,5 г/см3 , твердость 2–2,5.
Тюямунит – CaO⋅ 2UO3 ⋅V2O5 ⋅ (4−10)H2O – двойной ванадат кальция и уранила. Цвет – ярко-желтый, плотность 3,3−4,4 г/см3 , твердость 1–2.

Слайд 31

Карбонатная группа.
Шрекингерит – Na2Ca3(UO2)(CO3)3(SO4)F(OH) ⋅10H2O. \
Цвет минерала желтый или зеленый, плотность

Карбонатная группа. Шрекингерит – Na2Ca3(UO2)(CO3)3(SO4)F(OH) ⋅10H2O. \ Цвет минерала желтый или зеленый,
2,5 г / см3 , твердость 2,5.

Слайд 32

ОСНОВНЫЕ УРАНОВЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Среднее содержание урана в земной коре (так называемый массовый кларк)

ОСНОВНЫЕ УРАНОВЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ Среднее содержание урана в земной коре (так называемый массовый
составляет 3⋅10−4 % масс. (Кларк никеля, по А.П. Виноградову - 0,008)
В кислых изверженных породах (с большим содержанием SiO2 ) содержание урана выше среднего. Так, в гранитах (70 % SiO2 ) урана содержится 9 ⋅10−4 %. В основных изверженных породах содержание урана меньше, чем в кислых,
например, в базальте (50 % SiO2 ) – 3⋅10−4 % масс. Среднее содержание урана в осадочных породах в среднем в 2 раза меньше, чем в изверженных и составляет 2⋅10−4 % масс..

Слайд 33

Уран содержится в почве, в воде озер и рек
(~10−8%), в морской воде

Уран содержится в почве, в воде озер и рек (~10−8%), в морской
(~2 мг/м3 ). Уран принадлежит к числу рассеянных элементов, поэтому месторождений с высоким содержанием урана сравнительно мало.
По классификацией МАГАТЭ по степени разведанности запасы подразделяются на достоверные (RAR), дополнительно оцененные первой категории (ЕАR-1), дополнительно оцененные второй категории
(ЕАR-II) и прогнозные (SR).

Слайд 34

По себестоимости получения урана из руды – в МАГАТЭ используется 5 ценовых

По себестоимости получения урана из руды – в МАГАТЭ используется 5 ценовых
категорий:
1. низкая (менее 34 долл/кг),
2. низкая–средняя (34–52 долл/кг),
3. средняя–высокая (52–78 долл/кг),
4. высокая (78–130 долл/кг.)
5. очень высокая (более 130 долл/кг).
Мировые запасы по цене 40 долл/кг составляют 1,2 млн. тонн, а по
цене 80 долл/кг – 3,4 млн. тонн . Прогнозные же ресурсы оцениваются в 8,67 млн. тонн.

Слайд 35

Разведанные запасы (RAR+EAR-I) по цене менее 40 долл./кг (на 01.01.2001 г.)

Разведанные запасы (RAR+EAR-I) по цене менее 40 долл./кг (на 01.01.2001 г.)

Слайд 36

Австралия занимает первое место в мире по запасам урана и второе место

Австралия занимает первое место в мире по запасам урана и второе место
– по производству урана (~22 % от мировой
добычи). Уникальным в мире является месторождение Олимпик Дам, где уран ассоциируется с медью, золотом и серебром. Запасы меди составляют 11 млн. тонн при содержании меди 2,5 %, запасы урана –
275 тыс. тонн с содержанием 0,07%, запасы золота ― 270 тонн с содержанием 0,6 г/т, запасы серебра ― 2700 тонн с содержанием 6 г/т. Данное комплексное месторождение является самым рентабельным
в мире.

Слайд 37

Европа. В Европе отсутствуют крупные месторождения урана. Европейские АЭС работают преимущественно на

Европа. В Европе отсутствуют крупные месторождения урана. Европейские АЭС работают преимущественно на
привозном уране из Африки, Австралии, Канады, стран СНГ.
Это гидротермальное месторождение в
Яхимово (Чехия и в Центральном Французском массиве. В Швеции - крупное месторождение урансодержащих битуминозных сланцев (0,01–0,04% U3O8. На Украине метаморфогенные месторождения вблизи города Желтые Воды с запасами около 90 тыс. тонн. В Заксене и Тюрингене (Восточная Германия) с 1946 по 1990 год проводилась разработка урановых месторождений в сланцах. Совместным немецко-советским государственным обществом «Висмут» здесь добыто 230 тыс. тонн урана.

Слайд 38

Азия. Казахстан. В недрах Казахстана сосредоточены около 19% мировых достоверно разведанных запасов,

Азия. Казахстан. В недрах Казахстана сосредоточены около 19% мировых достоверно разведанных запасов,
что составляет около 900 тыс. тонн урана. Из них 70% запасов пригодны для подземного выщелачивания. Важнейшее промышленное значение имеют пластово-инфильтрационные месторождения на границах артезианских бассейнов и зон пластового окисления. Эти месторождения образуют Шу-Сарысуйскую уранорудную провинцию (месторождения Инкай, Мынкудук, Моинкум, Акдала, Уванас, Канжуган и др.) и Сыр-Дарьинскую провинцию (месторождения Северный и Южный Карамурун, Харасан, Заречье и др.).

Слайд 39

В 2001 году разведанные запасы урана в России по цене менее 80

В 2001 году разведанные запасы урана в России по цене менее 80
долл/кг составили 172 тыс. тонн, в том числе по цене 40 долл/кг – 81 тыс. тонн. Из них только 10 тыс. тонн пригодны для отработки методом ПВ. Ведется подготовка испытаний в новых центрах по ПВ в Зауральском - ОАО «Далур» Курганская область, Далматовский район, Республика Бурятия, Баунтовский район ОАО «Хиагда», Республика Саха (Якутия), Алданский район ЗАО «Эльконский ГМК»
Основные запасы связаны с Месторождениями Стрельцовского рудного поля в Забайкалье (ОАО «ПГХК»).

Слайд 40

Добычу осуществляет шахтным способом «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ППГХО), входящее в состав

Добычу осуществляет шахтным способом «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ППГХО), входящее в состав
ОАО «Атомредметзолото» (Урановый холдинг) 93%.
Остальные 7 % получают методом подземного выщелачивания ЗАО «Далур» (Курганская обл) и ОАО «Хиагда» (Бурятия).
По годовому производству урана (около 3,3 тысячи тонн) Россия занимает 4-е место после Казахстана. Годовое же потребление урана в России сейчас составляет 16 тысяч тонн и складывается из расходов на собственные АЭС в объёме 5,2 тысячи тонн, а также на экспорт тепловыделяющих средств (5,5 тысячи тонн) и низкообогащенного урана (6 тысяч тонн)[28].

Слайд 41

Запасы урана и схема размещения месторождений Эльконского урановорудного района.

Запасы урана и схема размещения месторождений Эльконского урановорудного района.

Слайд 42

Карьер по добыче урана. Приаргунский горно-химический комбинат,
Краснокаменск, Читинской обл.

Карьер по добыче урана. Приаргунский горно-химический комбинат, Краснокаменск, Читинской обл.

Слайд 43

Урановая шахта.

Урановая шахта.

Слайд 44

Урандобывающие компании
В группу крупнейших уранодобывающих компаний входят компании с годовой добычей урана

Урандобывающие компании В группу крупнейших уранодобывающих компаний входят компании с годовой добычей
более 1тыс.т. Традиционно к ним относятся: канадская компания Cameco Corp., британская Rio Tinto, казахстанская
НАК Казатомпром, французская AREVA, англо-австралийская BHP Billiton, российская «Урановый холдинг АРМЗ» (ОАО «Атомредметзолото») и узбекская компания Навоийский горно-металлургический комбинат
(НГМК). Их вклад в мировую добычу урана составляет 80%.

Слайд 45

ОАО Атомэнергопром
ОАО «Атомный энергопромышленный комплекс» – 2007 российский государственный холдинг, 89 предприятий

ОАО Атомэнергопром ОАО «Атомный энергопромышленный комплекс» – 2007 российский государственный холдинг, 89
атомной отрасли. Компания обеспечивает полный цикл в сфере ядерной энергетики, от добычи урана до строительства АЭС и выработки электроэнергии в России и за рубежом. В состав «Атомэнергопрома» вошли ОАО ТВЭЛ (17% мирового рынка ядерного топлива), ОАО «Техснабэкспорт» (40% мирового рынка услуг по обогащению урана), ОАО«Атомэнергомаш», ФГУП "Росэнергоатом",объединившее все атомные электростанции,

Слайд 46

ОАО «Атомредметзолото». 100% акций ОАО
«Атомэнергопром» принадлежит Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом»

ОАО «Атомредметзолото». 100% акций ОАО «Атомэнергопром» принадлежит Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом»
Имя файла: Лекция-1-Ядерно-топливный-цикл.pptx
Количество просмотров: 26
Количество скачиваний: 0