От урановой руды до электричества: как работает ядерный топливный цикл Казахстана

Путь урана до электрической сети состоит из нескольких последовательных этапов. Эта система называется ядерным топливным циклом: добытое сырье перерабатывают, подготавливают к использованию в реакторе, превращают энергию ядерного деления в электричество, а затем обеспечивают безопасное обращение с отработавшим топливом.

Казахстан сегодня представлен сразу в нескольких звеньях этой цепочки — страна добывает и перерабатывает природный уран, производит урановые таблетки и топливные сборки, а часть необходимых операций выполняется в рамках международной кооперации.

От добычи до уранового концентрата

В Казахстане уран добывают методом подземного скважинного выщелачивания. Технологический раствор через скважины закачивают непосредственно в рудоносный пласт. Он переводит содержащиеся в руде соединения урана в растворимую форму.

Полученный ураносодержащий раствор поднимают на поверхность через добычные скважины и направляют на дальнейшую переработку. После химического извлечения урана, его осаждения, фильтрации и сушки получают концентрат природного урана. Именно он становится сырьем для последующих операций топливного цикла.

Как природный уран превращают в ядерное топливо

Следующий этап — очистка уранового концентрата и его перевод в гексафторид урана. Такое соединение необходимо для последующего разделения изотопов с помощью газовых центрифуг.

В природном уране доля изотопа Уран-235 составляет около 0,72%. Для большинства энергетических реакторов этот показатель увеличивают, как правило, до уровня не более 5%.

После обогащения уран возвращают в твердое состояние и получают диоксид урана. Из его порошка прессуют и спекают топливные таблетки. Их помещают в герметичные металлические трубки — тепловыделяющие элементы. Из таких элементов собирают тепловыделяющие сборки.

В Казахстане урановые таблетки производит Ульбинский металлургический завод, а завод «Ульба ТВС» выпускает топливные сборки. При этом конструкция топливной сборки всегда определяется конкретным типом реактора.

Что происходит внутри реактора

Готовые тепловыделяющие сборки устанавливают в активную зону реактора. Там происходит управляемое деление ядер Уран-235. В результате выделяются тепло и нейтроны, которые поддерживают цепную реакцию.

Интенсивность процесса регулируют системы управления реактором, в том числе специальные стержни, поглощающие нейтроны.

Выделившееся тепло передается теплоносителю. В предусмотренных для АЭС «Балхаш» реакторах ВВЭР 1200 в качестве теплоносителя и замедлителя нейтронов используется вода.

Два контура и производство электричества

В реакторных установках ВВЭР предусмотрены два основных водяных контура. Вода первого контура проходит через активную зону, нагревается под высоким давлением и переносит полученное тепло в парогенератор. Этот контур остается замкнутым.

Через стенки труб парогенератора тепло передается воде второго контура. Она закипает и превращается в пар. При этом вода первого и второго контуров между собой не смешивается.

Полученный пар направляется на турбину и приводит ее во вращение. Турбина соединена с генератором, который преобразует механическую энергию в электрическую.

После этого пар поступает в конденсатор, охлаждается и снова превращается в воду. Затем вода возвращается в цикл.

Выработанное электричество проходит через трансформатор, где его напряжение повышается, после чего электроэнергия передается в энергосистему.

Таким образом, вся цепочка выглядит последовательно: энергия ядерного деления превращается в тепло, тепло — в механическую энергию турбины, а затем — в электричество.

Что происходит с отработавшим топливом

Топливные сборки не используются в реакторе бесконечно. По мере эксплуатации часть из них периодически извлекают и заменяют новыми.

Отработавшие сборки после выгрузки по-прежнему выделяют тепло и обладают высокой радиоактивностью. Поэтому первым этапом становится выдержка в специальном бассейне. Вода одновременно отводит тепло и обеспечивает радиационную защиту.

В дальнейшем отработавшее ядерное топливо может перейти на сухое хранение, переработку либо подготовку к окончательному захоронению. Какой именно вариант применяется, определяется государственной стратегией обращения с отработавшим ядерным топливом.

Какое место занимает Казахстан

Казахстан уже располагает производственными компетенциями в нескольких ключевых сегментах ядерного топливного цикла. Страна добывает и перерабатывает природный уран, производит топливные таблетки и сборки, а недостающие услуги получает в рамках международного сотрудничества.

Создание собственной атомной генерации должно связать существующие возможности с новым звеном — производством электроэнергии. В результате ядерный топливный цикл для Казахстана становится не только цепочкой промышленного производства, но и основой для формирования собственного сегмента атомной энергетики.