Перечитуючи те, що я з неабиякою часткою нахабства назвав «Ядерний паливний цикл», відчув, що чогось не вистачає. Мені здається, що потрібна ось невелика замітка, щоб зробити огляд-довідку про те, як виглядає «трудовий шлях» урану на сьогоднішній день, коли про повне підкорення закритого ядерного паливного циклу є чітко промальовані плани, а практика ще на 90% залишається такою. якою вона стала десь у 70-80 роки століття минулого. От і спробую зробити таку статтю – зручно буде повертатися, якщо раптом щось забулося.
Усі АЕС, як відомо, працюють на урані. Нехай він і найважчий з «нерукотворних», але уран – все одно хімічний елемент і, як хімічному елементу належить, міститься він у земній корі у складі різних руд. Входить він до складу цих руд у вигляді різних оксидів і солей, що вміщають породи - теж різні: карбонати, силікати, сульфіди. Виглядає це часом красиво та навіть ефектно.
Уранова руда, Фото: staticflickr.com
Ось так уран світиться в ультрафіолеті:
Уран в ультрафіолеті, Фото: сезони-роки.рф
А це ось, наприклад, уранініт із вкрапленнями самородного золота.
Уранініт із вкрапленнями самородного золота, Фото: dakotamatrix.com
Мінералів із вмістом урану відомо більше сотні, але практичний інтерес становлять лише 12 з них. Руди поділяються за категоріями: від бідних (із вмістом урану менше 0,1%) до багатих (із вмістом урану понад 1%). У Канаді є руди із вмістом урану 14-18% - навіть не знаю, як це називається. Надсупербагаті? А руди Бельгійського Конго, що забезпечили реалізацію Манхеттенського проекту з їх 60% — «рокфеллерівські», чи не так?
На зорі атомного проекту були уранові руди неглибокого залягання - 150-300 метрів, але зараз практично всі такі кар'єри вироблені, і за рудою доводиться йти на глибини кілометр, а то й більше. Ось і перші завдання: добути з такої глибини та очистити від порожніх порід.
Якщо маємо справу з міцними гірськими породами, В яких добре помітні рудні жили - будуватимемо шахти, рубати руду спеціальними машинами (радіація, знаєте, епоха ручної роботиминула) і витягувати її нагору. У Росії це – Приаргунське родовище Читинської області. Дешевший, більш «просунутий» метод, екологічно менш шкідливий – це так звана «технологія ПСВ» (поземне вилуговування свердловин). Грубо: по центру свердлимо дірку на потрібну глибину, з боків – ще кілька. У центральну свердловину закачуємо сірчану кислоту, вона вилуговує уран із породи, а отриманий розчин викачується на поверхню через бічні свердловини. Ось, наприклад, як виглядають уранові рудники на родовищах Хіагда (Бурятія) та Далур (Курганська область):
Уранові рудники на родовищах Хіагда (Бурятія) та Далур (Курганська область), Фото: armz.ru
Робота людей закінчується на етапі буріння, вся інша робота виконується механізмами та насосами. Підтримувати необхідний тиск – ось і вся турбота. Жодних «ран» поверхні, ніяких рудних відвалів, а сірчана кислота на глибині більше кілометра – ніякої шкоди навіть ґрунтовим водам. Втім, метод ПСВ настільки цікавий, що варто до розмови про нього повернутись з великою кількістю подробиць.
Розглядаємо випадок видобутку уранової руди із шахт. Великі шматки породи: 1) сортують за рівнем радіоактивності; 2) дроблять до дрібного стану; 3) поміщають в автоклави, де при високих температурі і тиску вилуговують уран розчинами сірчаної або азотної кислоти або карбонатом натрію. Уран у своїй перетворюється на ці чудові розчини, а порожня порода у буквальному значенні цього випадає осад. Далі слідує етап № 4: уран з розчинів беруть в облогу порціями нових хімічних реагентів, отримуючи в результаті практично чисті сполуки урану і цих реагентів. Але що реагентам робити у реакторі, питається? Нічого. Отже, вони також зайві у цьому святі Менделєєва, тому необхідний етап № 5: аффинаж із застосуванням бікарбонату амонію. Зубодробна назва, а хтось саме цим і займається!.. І тепер залишається етап № 6 – отримані після афінажу сухі чисті опади уранових солей прожарюють при температурах від 240 до 850 градусів, щоб отримати широко відомий у вузьких колах жовтий кек а - закис-окис урану, він же U3O8). Ось він, рідний.
Жовтий кек, Фото: fresher.ru
Хоча колір, звичайно, не завжди такий життєрадісний, буває куди скромніший.
Жовтий кек, Фото: http://umma.ua/
Зверну вашу увагу, що всі описані шість етапів виготовляються безпосередньо біля шахт. Будь-який урановий рудник – місце, де концентруються хімічні виробництва.
Жовтий кек зручний тим, що він дуже стабільний, у нього низька радіоактивність - отже, він придатний для транспортування. І везуть його ближче до центрифуг, щоб зробити останню хімічну процедуру - з оксиду урану перевести у фторид урану. Цей процес атомники називають конверсією урану, і без нього просто ніяк. Фторид урану зручний тим, що при нагріванні до 53 градусів він не плавиться, а відразу перетворюється на газ, який надходить на збагачення за допомогою центрифуг. Збагачення – це збільшення концентрації урану-235 з природного значення 0,7% до необхідних 4% (у середньому насправді – від 2,6% до 4,8% для різних типів атомних реакторів). Якщо хтось встиг скучити за зовнішньому виглядунаших збагачувальних комплексів (а вони у нас аж у чотирьох місцях: УЕХК – Уральський електрохімічний комбінат у Новоуральську Свердловської області; СХК – Сибірський хімкомбінат у Сіверську Томській області; АЕХК - Ангарський електрохімічний комбінат; ЕХЗ – Електрохімічний завод у Зеленогірську Красноярського краю), то ось, будь ласка:
Збагачувальний комплекс, Фото: http://atomicexpert.com/
З центрифуг, само собою, на виході – той самий газ, той самий фторид урану, тільки тепер у ньому більше урану-235. Газ у реактор не запхати – відповідно, фторид доводиться знову перетворювати на оксид урану (точніше – на діоксид, UO2), а це вже порошок.
Порошок діоксиду урану методом порошкової металургії перетворюють на паливні таблетки діаметром близько 1 см і товщиною від 1 до 1,5 см. Таблетки акуратно розміщують у тонкостінних трубках зі сплаву цирконію і 1% ніобію завдовжки 3,5 метра для сучасних ВВР. Ця трубка, набита 1.5 кг уранових таблеток, і є той самий ТВЕЛ: тепловиділяючий елемент. Ось вони, гарні:
Відбувається ця робота у Росії на Машинобудівному заводі у місті Електросталь Московської області та на Новосибірському заводі хімконцентратів. Цирконій відливають у Глазові Удмуртської республікина Чепецькому механічному заводі. ТВЕЛи конструктивно поєднують у ТВС – тепловиділяючі зборки. Виглядають вони ось так:
ТВС - тепловиділяючі зборки, Фото: atomic-energy.ru
У перетині, як бачите, шестигранник-сота, і це радянсько-російський дизайн. А ось ТВС-квадрат дизайну західного:
ТВС-«квадрат», Фото: http://nuclear.ru/
У мене частина дитинства на пасіці діда пройшла, так що я дуже упереджений - наші "стільники" мені більше подобаються.
Ось тепер уран у вигляді пігулок, які розміщені у ТВЕЛ, які об'єднані у ТВС, можна помістити у «пічку» — в активну зону реактора АЕС. Протягом наступних 18 місяців, які прийнято називати «паливною компанією», уран «горить», поступово перетворюючись на ВЯП. Ось картинка того, як виглядає реактор перед початком паливної кампанії:
Реактор, Фото: http://publicatom.ru/
Мені здається, що така ось історія урану з картинками потрібна була від початку розповіді про ядерний паливний цикл. Прошу сильно мене не лаяти, за те, що я не зробив її спочатку - блогер я старий тільки за віком, а по молодості помилки - звичайна справа. Пропоную цю замітку рахувати «№ 0» у циклі оповідань про ядерне паливо!
Залежно від способу десорбції урану з аніонітів на підприємствах ПСВ застосовують різні методи його концентрування та виділення із товарних десорбатів. У разі десорбції сольовими розчинамиуран, як правило, беруть в облогу водними розчинами аміаку у вигляді поліуранатів амонію або, у разі використання розчинів їдкого натру, у вигляді поліуранатів натрію. Осади поліуранатів віджимають на фільтр-пресах і кек транспортують гідрометалургійний завод для подальшого афінажу. З метою очищення урану від домішок його осадження можна вести дробово, осаджуючи спочатку при рН=3,6-3,8 залізо та інші домішки, а після освітлення маточника осаджуючи поліуранати при рН=6,5-8,0. Вміст урану в одержуваних хімічних концентратах залежно від їхньої чистоти може коливатися від 40 до 64%. Маточники осадження поліуранатів використовують для приготування розчинів, що десорбують.
У деяких випадках кек поліуранатів розчиняють у міцній сірчаній кислоті і концентрований ураном розчин відправляють на переробку в ГМЗ.
Іноді уран виділяють із підкислених хлоридних десорбатів у вигляді пероксиду.
При всій простоті та ефективності гідролітичного способу виділення урану йому притаманний серйозний недолік - накопичення дисбалансного обсягу нітратних або хлоридних розчинів, які доводиться скидати у підземні горизонти разом із оборотними, відпрацьованими продуктивними розчинами.
Цього недоліку позбавлений спосіб сірчанокислотної десорбції урану, так як уран з товарних десорбатів може бути сконцентрований сорбційним або екстракційним способом і виділений у вигляді багатих содових десорбатів або реекстрактів з концентрацією урану 80...100 г/л, а очищені розчини сірчаної кислоти можуть бути повернені. на десорбцію або використані для вилуговування руди.
Для концентрування та виділення урану із сірчанокислих та нітратних десорбатів може бути використаний процес електродіалізу з іонними мембранами. Встановлено, що ступінь рекуперації реагентів - сірчаної та азотної кислот, нітратних солей; в процесі електродіалізу може досягати 70...80%, причому уран виділяється у вигляді багатих концентратів (гідратований діоксид урану). Виділення урану з карбонат-бікарбонатних десорбатів може бути здійснено термічним розкладанням вуглеамонійних солей при температурі 90...100°С або 12О...13О°С з уловлюванням газів, що відходять, і осадженням урану у вигляді суміші монокарбонату уранілу, уранату і діуран. При прокаліванні отриманого осаду на ГМЗ утворюється суміш ді-і триоксиду урану.
Інший можливий спосіб виділення урану з вуглеамонійних десорбатів -осадження його у вигляді кристалів амонійуранілтрикарбонату добавкою сухого бікарбонату амонію. Отримані кристали характеризуються значно більшою чистотою, ніж звичайні хімічні концентрати, і після транспортування ГМЗ навіть без додаткової перечистки можуть бути піддані термічного розкладання з отриманням три-, діоксиду або закису-окису урану в залежності від режиму прожарювання.
Осадження з нітратних регенератів
Як осадників у промисловій практиці використовуються сухий бікарбонат амонію, розчин аміаку та розчин їдкого натру.
При осадженні бікарбонатом амонію кристали амоніуранілтрикарбонату (АУТК) мають високу вологість (30-40%), вміст урану у вологих кристалах коливається від 25 до 45%.
Осад порівняно повільно фільтрується через одержання дуже дрібних кристалів АУТК.
Важливу роль при висоленні кристалів АУТК має залишкова концентрація бікарбонату амонію, яку необхідно підтримувати в межах 20-40 г/л. При цьому вміст урану в розчині становить 11,5 г/л.
У процесі охолодження урану з азотнокислих розчинів бікарбонатом амонію або аміаком до рН+24 прозорі розчини, стійкі. За подальшої нейтралізації до рН+5-6 спостерігається осадження урану, причому зі збільшенням часу відстоювання повнота осадження урану зростає.
При рН = 7,17,5 повнота виділення кристалів АУТК максимальна: вміст урану в карбонатному маточнику -0,61-0,84 г/л.
При осадженні хімконцентрату аміаком при рН більше 7,6 вдається знизити вміст урану в маточнику до вмісту менше 0,1 г/л незалежно від вихідного вмісту урану.
Осадження урану лугом вдається отримати хімконцентрат у вигляді діуранату натрію з вмістом урану у вологому осаді 26-45%. Залишкова концентрація урану в маточнику становить 0,005-0,008 г/л температурі осадження 3045 °С, і зростає до 0,036-0,078 г/л при температурі 70 °С. Вологість хімконцентрату коливається не більше 30%. Швидкість фільтрації невисока і практично не залежить від температури осадження хімконцентрату.
Використання концентрованих розчинів лугу дозволить зменшити розведення вихідних регенератів.
Хімконцентрат, осаджений бікарбонатом амонію, в порівнянні з осадженим лугом має більш високу швидкість освітлення (в 15+20 разів) і швидкість фільтрації в (10+15 разів). Недоліком осадження бікарбонатом амонію є його висока питома витрата (30+35 кг/кг урану).
Є дослідження з безреагентного осадження кристалів із нітратних товарних регенератів. При упарюванні товарних регенератів виходять пересичені розчини, у тому числі при охолодженні випадають кристали. Для збільшення швидкості і повноти осадження необхідно додавати в випарений товарний регенерат як «затравки» кристали, отримані при десорбції урану розчинами, що містять нітрат.
Уранова промисловість Казахстану за обсягами надходження до бюджету країни поступається, мабуть, лише нафтовидобутку. У цій галузі працюють понад 25 тисяч людей, проте через режимність об'єктів гості на уранових копальнях - вкрай рідкісне явище.
Сьогодні ми побачимо як працює добувне підприємство «Орталик», розташоване в Сузацькому районі Південно-Казахстанської області
Робоча зміна співробітників ТОВ «Здобувне підприємство «Орталик» починається з обов'язкового медичного огляду
У працівників уранодобувного підприємства вимірюють тиск, температуру, а також перевіряють на алкотестер. Хоча, за словами лікаря, спиртне на об'єкті суворо заборонено, і не було жодного випадку, щоб останній тест був «провалений»
Після медогляду - сніданок у їдальні копальні
Специфіка виробництва створює додаткові вимоги безпеки - робочий одяг працівники надягають в окремій роздягальні, вихід у ній у вахтове селище та чисту зону рудника заборонено
Майстер зміни видає наряд - завдання, що визначає зміст, місце роботи, час її початку та закінчення, умови безпечного виконання, необхідні заходи безпеки
Одним із заходів безпеки є носіння в цехах респіраторів. Це з тим, що з виробництві урану використовуються такі реагенти, як сірчана кислота, селітра аміачна
Видобуток урану повністю автоматизовано. В операторській можна відстежити всі процеси, що відбуваються на об'єкті
Видобуток урану на «Орталик», як і всіх інших підприємствах Казахстану, ведеться шляхом підземного свердловинного вилуговування. Цей метод вибраний тому, що є найбільш екологічно чистим. Радіаційний фон на родовищах не відрізняється від радіаційного фону великих міст
Принцип методу підземного вилуговування полягає в наступному: під землю в ураноносні шари закачується 2-відсотковий розчин сірчаної кислоти, який взаємодіючи з породами розчиняє уран, потім цей збагачений ураном розчин викачується на поверхню. Над кожною свердловиною стоїть щит керування насосом
У цьому приміщенні на території полігону зі свердловинами знаходиться вузол розподілу розчинів
Співробітникам видають окуляри та капелюхи, які рятують від неймовірної спеки
Через ці труби у свердловини закачується розчин сірчаної кислоти. Аналогічно виглядають і відкачувальні свердловини, які викачують уран з-під землі.
Потім по трубах розчин з ураном прямує до цеху переробки продуктивних розчинів (цикл сорбції-регенерації).
За такого методу видобутку на «Орталику» використовується близько 15 тонн сірчаної кислоти на годину
У виробництві урану всі процеси автоматизовані, проте можливе і ручне управління
До цього цеху надходить розчин урану - товарний десорбат урану.
Розчин взаємодіє з вуглеамонійною сіллю, щоб отримати концентрат природного урану – «жовтий кек»
Перевірка показань прес-фільтру
Жовтий кек або концентрат природного урану – кінцевий продукт підприємства, який упаковується у спеціальні контейнери. Власне урану у цьому поєднанні близько 45-50%. Цього року планується видобути 2000 тонн урану. Саме родовище розраховане на 25 років роботи.
Занурювальні насоси практично не потребують ремонту, вони виробляють близько 30 тисяч годин роботи. Однак необхідно постійно проводити ревізію та у разі необхідності міняти робочі колеса
Паралельно з безпосередньою здобиччю урану в лабораторії проводяться дослідження, які дозволяють найефективніше відпрацьовувати родовище.
За прийнятими стандартами в розчині, що направляються назад у надра, після переробки має залишатися не більше 3 міліграмів урану на літр, проте за результатами спроб втрати не перевищували 1,2 міліграмів.
Після закінчення робочої зміни у працівників неодмінно перевіряється доза випромінювання
Коли ми їхали на підприємство, то очікували, що вахтове селище уранників виглядатиме, як у старі добрі часи – вагончики, в яких туляться робітники. Проте вахтове селище на "Орталику" виглядає зовсім інакше - це сучасний комплекс будівель, в яких є все, що потрібно людині для відпочинку після роботи.
Після вечері багато працівників проводять час за настільним тенісом.
У вахтовому селищі є своє міні-футбольне поле