Желтый кек. Урановая промышленность. Переработка урана в ядерное топливо

Перечитывая то, что я с изрядной долей наглости назвал «Ядерный топливный цикл», почувствовал, что явно чего-то не хватает. Мне кажется, что нужна вот небольшая заметка, чтобы сделать обзор-справку о том, как выглядит «трудовой путь» урана на день сегодняшний, когда о полном покорении закрытого ядерного топливного цикла есть четко прорисованные планы, а практика еще на 90% остается такой, какой она стала где-то в 70-80 годы века минувшего. Вот и попробую сделать такую статью – удобно будет возвращаться, если вдруг что-то подзабылось.

Все АЭС, как известно, работают на уране. Пусть он и самый тяжелый из «нерукотворных», но уран – все равно химический элемент и, как химическому элементу полагается, содержится он в земной коре в составе самых разных руд. Входит он в состав этих руд в виде самых разных оксидов и солей, вмещающие породы – тоже разные: карбонаты, силикаты, сульфиды. Выглядит это порой красиво и даже эффектно.

Урановая руда, Фото: staticflickr.com

Вот так уран светится в ультрафиолете:

Уран в ультрафиолете, Фото: сезоны-года.рф

А это вот, например, уранинит с вкраплениями самородного золота.

Уранинит с вкраплениями самородного золота, Фото: dakotamatrix.com

Минералов с содержанием урана известно более сотни, но практический интерес представляют только 12 из них. Руды подразделяются по категориям: от бедных (с содержанием урана менее 0,1%) до богатых (с содержанием урана более 1%). В Канаде есть руды с содержанием урана 14-18% — даже не знаю, как это называется. Сверхсупербогатые? А руды Бельгийского Конго, обеспечившие реализацию Манхэттенского проекта с их 60% — «рокфеллеровские», то ли?..

На заре атомного проекта были урановые руды неглубокого залегания – 150-300 метров, но сейчас практически все такие карьеры выработаны, и за рудой приходится уходить на глубины в километр, а то и больше. Вот и первые задачи: добыть с такой глубины и очистить от пустых пород.

Если имеем дело с крепкими горными породами, в которых хорошо заметны рудные жилы – будем строить шахты, рубить руду специальными машинами (радиация, знаете ли, эпоха ручной работы миновала) и вытаскивать ее наверх. В России это – Приаргунское месторождение Читинчкой области. Более дешевый, более «продвинутый» метод, экологически менее вредный – это так называемая «технология ПСВ» (поземное скважинное выщелаивание). Грубо: по центру сверлим дыру на нужную глубину, по бокам – еще несколько. В центральную скважину закачиваем серную кислоту, она выщелачивает уран из породы, а полученный раствор выкачивается на поверхность через боковые скважины. Вот, к примеру, как выглядят урановые рудники на месторождениях Хиагда (Бурятия) и Далур (Курганская область):

Урановые рудники на месторождениях Хиагда (Бурятия) и Далур (Курганская область), Фото: armz.ru

Работа людей заканчивается на этапе бурения, вся прочая работа выполняется механизмами да насосами. Поддерживать необходимое давление – вот и вся забота. Никаких «ран» поверхности, никаких рудных отвалов, а серная кислота на глубине больше километра – никакого вреда даже грунтовым водам. Впрочем, метод ПСВ настолько интересен, что стоит к разговору о нем вернуться с большим количеством подробностей.

Рассматриваем случай добычи урановой руды из шахт. Крупные куски породы: 1) сортируют по степени радиоактивности; 2) дробят до мелкого состояния; 3) помещают в автоклавы, где при больших температуре и давлении выщелачивают уран растворами серной или азотной кислоты или карбонатом натрия. Уран при этом переходит в эти замечательные растворы, а пустая порода в буквальном смысле этого слова выпадает в осадок. Далее следует этап № 4: уран из растворов осаждают порциями новых химических реагентов, получая в результате практически чистые соединения урана и этих реагентов. Но что реагентам делать в реакторе, спрашивается? Нечего. Следовательно, они тоже лишние на этом празднике Менделеева, потому необходим этап № 5: аффинаж с применением бикарбоната аммония. Зубодробительное название, а кто-то ведь именно этим и занимается!.. И теперь остается этап № 6 – полученные после аффинажа сухие чистые осадки урановых солей прокаливают при температурах от 240 до 850 градусов, чтобы получить широко известный в узких кругах желтый кек (он же – закись-окись урана, он же U3O8). Вот он, родимый.

Желтый кек, Фото: fresher.ru

Хотя цвет, конечно, не всегда такой жизнерадостный, бывает и куда более скромный.

Желтый кек, Фото: http://umma.ua/

Обращу ваше внимание, что все описанные шесть этапов производятся непосредственно возле шахт. Любой урановый рудник – место, где концентрируются химические производства.

Желтый кек удобен тем, что он весьма стабилен, у него низкая радиоактивность – следовательно, он пригоден к транспортировке. И везут его поближе к центрифугам, чтобы произвести последнюю химическую процедуру – из оксида урана перевести во фторид урана. Этот процесс атомщики называют конверсией урана, и без него – просто никак. Фторид урана удобен тем, что при нагреве до 53 градусов он не плавится, а сразу превращается в газ, который и поступает на обогащение при помощи центрифуг. Обогащение – это увеличение концентрации урана-235 с природного значения 0,7% до необходимых 4% (в среднем, на самом деле – от 2,6% до 4,8% для разных типов атомных реакторов). Если кто-то успел соскучиться по внешнему виду наших обогатительных комплексов (а они у нас аж в четырех местах: УЭХК – Уральский электрохимический комбинат в Новоуральске Свердловской области; СХК – Сибирский химкомбинат в Северске Томской области; АЭХК – Ангарский электрохимический комбинат; ЭХЗ – Электрохимический завод в Зеленогорске Красноярского края), то вот, пожалуйста:

Обогатительный комплекс, Фото: http://atomicexpert.com/

Из центрифуг, само собой, на выходе – все тот же газ, все тот же фторид урана, только теперь в нем больше урана-235. Газ в реактор не запихнуть – соответственно, фторид приходится снова превращать в оксид урана (точнее – в диоксид, UO2), а это уже порошок.

Порошок диоксида урана методом порошковой металлургии превращают в топливные таблетки диаметром порядка 1 см и толщиной от 1 до 1,5 см. Таблетки аккуратно размещают в тонкостенные трубки из сплава циркония и 1% ниобия длиной в 3,5 метра для современных ВВЭР. Эта трубка, набитая 1.5 кг урановых таблеток, и есть тот самый ТВЭЛ: тепловыделяющий элемент. Вот они, красивые:

Происходит эта работа в России на Машиностроительном заводе в городе Электросталь Московской области и на Новосибирском заводе химконцентратов. Цирконий отливают в Глазове Удмуртской республики на Чепецком механическом заводе. ТВЭЛы конструктивно объединяют в ТВС – тепловыделяющие сборки. Выглядят они вот так:

ТВС – тепловыделяющие сборки, Фото: atomic-energy.ru

В сечении, как видите, шестигранник-сота, и это – советско-российский дизайн. А вот ТВС-«квадрат» дизайна западного:

ТВС-«квадрат», Фото: http://nuclear.ru/

У меня часть детства на пасеке деда прошла, так что я весьма пристрастен – наши «соты» мне больше нравятся.

Вот теперь уран в виде таблеток, которые размещены в ТВЭЛ, которые объединены в ТВС, можно поместить в «печку» — в активную зону реактора АЭС. В течение следующих 18 месяцев, которые принято называть «топливной компанией», уран «горит», постепенно превращаясь в ОЯТ. Вот картинка того, как выглядит реактор перед началом топливной кампании:

Реактор, Фото: http://publicatom.ru/

Мне кажется, что такая вот история урана с картинками нужна была с самого начала рассказа о ядерном топливном цикле. Прошу сильно меня не ругать, за то, что я не сделал ее изначально – блогер я старый только по возрасту, а по молодости ошибки – обычное дело. Предлагаю эту заметку считать «№ 0» в цикле рассказов о ядерном топливе!

Урановая промышленность Казахстана по объемам поступления в бюджет страны уступает, пожалуй, только нефтедобыче. В этой отрасли работают более 25 тысяч человек, однако из-за режимности объектов гости на урановых рудниках - крайне редкое явление.

Сегодня в мы увидим как работает добывающее предприятие «Орталык», расположенное в Сузакском районе Южно-Казахстанской области

Рабочая смена сотрудников ТОО «Добывающее предприятие «Орталык» начинается с обязательного медицинского осмотра

У работников уранодобывающего предприятия измеряют давление, температуру, а также проверяют на алкотестер. Хотя, по словам врача, спиртное на объекте строго запрещено, и не было ни одного случая, чтобы последний тест был «провален»

После медосмотра - завтрак в столовой рудника

Специфика производства создает дополнительные требования безопасности - рабочую одежду сотрудники надевают в отдельной раздевалке, выход в ней в вахтовый поселок и чистую зону рудника запрещен

Мастер смены выдает наряд - задание, определяющее содержание, место работы, время ее начала и окончания, условия безопасного выполнения, необходимые меры безопасности

Одной из мер безопасности является ношение в цехах респираторов. Это связано с тем, что при производстве урана используются такие реагенты, как серная кислота, селитра аммиачная

Добыча урана полностью автоматизирована. В операторской можно отследить все процессы, которые происходят на объекте

Добыча урана на «Орталык», как и на всех других предприятиях Казахстана, ведется методом подземного скважинного выщелачивания. Этот метод выбран потому, что является наиболее экологически чистым. Радиационный фон на месторождениях не отличается от радиационного фона крупных городов

Принцип метода подземного выщелачивания заключается в следующем: под землю в ураноносные слои закачивается 2-процентный раствор серной кислоты, который, взаимодействуя с породами, растворяет уран, затем этот обогащенный ураном раствор выкачивается на поверхность. Над каждой скважиной стоит щит управления насосом

В этом помещении на территории полигона со скважинами находится узел распределения растворов

Сотрудникам выдают очки и шляпы, которые спасают от невероятной жары

Через эти трубы в скважины закачивается раствор серной кислоты. Аналогично выглядят и откачные скважины, которые выкачивают уран из-под земли

Затем по трубам раствор с ураном направляется в цех переработки продуктивных растворов (цикл сорбции-регенерации).

При таком методе добычи на «Орталыке» используется около 15 тонн серной кислоты в час

В производстве урана все процессы автоматизированы, однако возможно и ручное управление

В этот цех поступает раствор урана - товарный десорбат урана

Раствор взаимодействует с углеаммонийной солью, чтобы получить концентрат природного урана - «желтый кек»

Проверка показаний пресс-фильтра

Желтый кек или концентрат природного урана - конечный продукт предприятия, который упаковывается в специальные контейнеры. Собственно урана в этом соединении около 45-50%. В этом году планируется добыть 2000 тонн урана. Само месторождение рассчитано на 25 лет работы.

Погружные насосы практически не нуждаются в ремонте, они вырабатывают порядка 30 тысяч часов работы. Однако необходимо постоянно проводить ревизию и в случае необходимости менять рабочие колеса

Параллельно с непосредственной добычей урана в лаборатории проводятся исследования, которые позволяют наиболее эффективно отрабатывать месторождение.

По принятым стандартам в растворе, направляемых обратно в недра, после переработки должно оставаться не более 3 миллиграммов урана на литр, однако по результатам проб потери не превышали 1,2 миллиграммов.

После окончания рабочей смены у сотрудников непременно проверяется доза излучения

Когда мы ехали на предприятие, то ожидали, что вахтовый поселок уранщиков будет выглядеть, как в старые добрые времена - вагончики, в которых ютятся рабочие. Однако вахтовый поселок на "Орталыке" выглядит совершенно иначе - это современный комплекс зданий, в которых есть все, что необходимо человеку для отдыха после работы.

После ужина многие работники проводят время за настольным теннисом.

В вахтовом поселке есть и свое мини-футбольное поле

Содержание статьи

УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. Уран – это основной энергоноситель ядерной энергетики, вырабатывающей около 20% мировой электроэнергии. Урановая промышленность охватывает все стадии производства урана, включая разведку месторождений, их разработку и обогащение руды. Переработку урана в топливо для реакторов можно рассматривать как естественную отрасль урановой промышленности.

Ресурсы.

Общемировые достаточно надежно разведанные ресурсы урана, который можно было бы выделить из руды по себестоимости не выше 100 долл. за килограмм, оцениваются приблизительно в 3,3 млрд. кг U 3 O 8 . Примерно 20% этого (ок. 0,7 млрд. кг U 3 O 8 , см . рисунок) приходится на Австралию, за которой следуют США (ок. 0,45 млрд. кг U 3 O 8). Значительными ресурсами для производства урана располагают ЮАР и Канада.

Урановое производство.

Основные этапы производства урана – это добыча руды подземным или открытым способом, обогащение (сортировка) руды и извлечение урана из руды выщелачиванием. На руднике урановую руду извлекают из горного массива буро-взрывным способом, раздробленную руду сортируют и размельчают, а затем переводят в раствор сильной кислоты (серной) или в щелочной раствор (карбоната натрия, что наиболее предпочтительно в случае карбонатных руд). Раствор, содержащий уран, отделяют от нерастворенных частиц, концентрируют и очищают сорбцией на ионообменных смолах или экстракцией органическими растворителями. Затем концентрат, обычно в форме оксида U 3 O 8 , называемого желтым кеком, осаждают из раствора, сушат и укладывают в стальные емкости вместимостью ок. 1000 л.

Для извлечения урана из пористых руд осадочного происхождения все чаще применяется метод выщелачивания на месте. По скважинам, пробуренным в рудном теле, непрерывно прогоняют щелочной или кислый раствор. Этот раствор с перешедшим в него ураном концентрируют и очищают, а затем из него осаждением получают желтый кек.

Переработка урана в ядерное топливо.

Концентрат природного урана – желтый кек – это исходный компонент ядерного топливного цикла. Для превращения природного урана в топливо, соответствующее требованиям ядерного реактора, нужны еще три этапа: преобразование в UF 6, обогащение урана и изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов).

Преобразование в UF6.

Для преобразования оксида урана U 3 O 8 в гексафторид урана UF 6 желтый кек обычно восстанавливают безводным аммиаком до UO 2 , из которого затем с помощью плавиковой кислоты получают UF 4 . На последнем этапе, действуя на UF 4 чистым фтором, получают UF 6 – твердый продукт, возгоняющийся при комнатной температуре и нормальном давлении, а при повышенном давлении плавящийся. Пять крупнейших производителей урана (Канада, Россия, Нигер, Казахстан и Узбекистан) вместе могут давать 65 000 т UF 6 в год.

Обогащение урана.

На следующем этапе ядерного топливного цикла повышается содержание U-235 в UF 6 . Природный уран состоит из трех изотопов: U-238 (99,28%), U-235 (0,71%) и U-234 (0,01%). Для реакции деления в ядерном реакторе необходимо более высокое содержание изотопа U-235. Обогащение урана осуществляется двумя основными методами разделения изотопов: газодиффузионным методом и методом газового центрифугирования. (Энергия, затрачиваемая на обогащение урана, измеряется в единицах разделительной работы, ЕРР.)

При газодиффузионном методе твердый гексафторид урана UF 6 переводят понижением давления в газообразное состояние, а затем прокачивают по пористым трубкам из специального сплава, сквозь стенки которых газ может диффундировать. Поскольку масса атомов U-235 меньше, чем атомов U-238, они легче и быстрее диффундируют. В процессе диффузии газ обогащается изотопом U-235, а газ, прошедший по трубкам, обедняется. Обогащенный газ снова пропускают по трубкам, и процесс продолжается до тех пор, пока содержание изотопа U-235 в отборе не достигнет уровня (3–5%), необходимого для работы ядерного реактора. (Для оружейного урана требуется обогащение до уровня свыше 90% U-235.) В отходах обогащения остается лишь 0,2–0,3% изотопа U-235. Газодиффузионный метод характеризуется высокой энергоемкостью. Заводы, основанные на этом методе, имеются только в США, во Франции и в КНР.

В России, Великобритании, Германии, Нидерландах и Японии применяется метод центрифугирования, при котором газ UF 6 приводится в очень быстрое вращение. Благодаря различию в массе атомов, а следовательно, и в центробежных силах, действующих на атомы, газ вблизи оси вращения потока обогащается легким изотопом U-235. Обогащенный газ собирается и экстрагируется.

Изготовление твэлов.

Обогащенный UF 6 поступает на завод в 2,5-т стальных контейнерах. Из него гидролизом получают UO 2 F 2 , который затем обрабатывают гидроксидом аммония. Выпавший в осадок диуранат аммония отфильтровывают и обжигают, получая диоксид урана UO 2 , который прессуют и спекают в виде небольших керамических таблеток. Таблетки вкладывают в трубки из циркониевого сплава (циркалоя) и получают топливные стержни, т.н. тепловыделяющие элементы (твэлы), которые объединяют примерно по 200 штук в законченные топливные сборки, готовые для использования на АЭС.

Отработанное ядерное топливо сильно радиоактивно и требует особых мер предосторожности при хранении и удалении в отходы. В принципе его можно переработать, отделив продукты деления от остатков урана и плутония, которые повторно могут служить ядерным топливом. Но такая переработка дорого стоит и соответствующие коммерческие предприятия имеются лишь в некоторых странах, например во Франции и Великобритании.

Объем производства.

К середине 1980-х годов, когда надежды на быстрый рост ядерной энергетики не оправдались, объем производства урана резко упал. Строительство многих новых реакторов было приостановлено, а на действующих предприятиях стали накапливаться запасы уранового топлива. С распадом Советского Союза дополнительно увеличилось предложение урана на Западе.

В зависимости от способа десорбции урана с анионитов на предприятиях ПСВ применяют различные методы его концентрирования и выделения из товарных десорбатов. В случае десорбции солевыми растворами уран, как правило, осаждают водными растворами аммиака в виде полиуранатов аммония или, в случае использования растворов едкого натра, в виде полиуранатов натрия. Осадки полиуранатов отжимают на фильтр-прессах и кек транспортируют на гидрометаллургический завод для дальнейшего аффинажа. В целях очистки урана от примесей его осаждение можно вести дробно, осаждая вначале при рН=3,6-3,8 железо и некоторые другие примеси, а после осветления маточника осаждая полиуранаты при рН=6,5-8,0. Содержание урана в получаемых химических концентратах в зависимости от их чистоты может колебаться от 40 до 64%. Маточники осаждения полиуранатов используют для приготовления десорбирующих растворов.

В некоторых случаях кек полиуранатов растворяют в крепкой серной кислоте и концентрированный по урану раствор отправляют на переработку в ГМЗ.

Иногда уран выделяют из подкисленных хлоридных десорбатов в виде пероксида.

При всей простоте и эффективности гидролитического способа выделения урана ему присущ серьёзный недостаток - накопление дисбалансного объема нитратных или хлоридных растворов, которые приходится сбрасывать в подземные горизонты вместе с оборотными, отработанными продуктивными растворами.

Этого недостатка лишен способ сернокислотной десорбции урана, так как уран из товарных десорбатов может быть сконцентрирован сорбционным или экстракционным способом и выделен в виде богатых содовых десорбатов или реэкстрактов с концентрацией урана 80...100 г/л, а очищенные растворы серной кислоты могут быть возвращены на десорбцию или использованы для выщелачивания руды.

Для концентрирования и выделения урана из сернокислых и нитратных десорбатов может быть использован процесс электродиализа с ионными мембранами. Установлено, что степень рекуперации реагентов - серной и азотной кислот, нитратных солей- в процессе электродиализа может достигать 70...80%, причем уран выделяется в виде богатых концентратов (гидратированный диоксид урана). Выделение урана из карбонат-бикарбонатных десорбатов может быть осуществлено термическим разложением углеаммонийных солей при температуре 90...100°С или 12О...13О°С с улавливанием отходящих газов и осаждением урана в виде смеси монокарбоната уранила, ураната и диураната аммония. При прокали вании полученного осадка на ГМЗ образуется смесь ди- и триоксида урана.

Другой возможный способ выделения урана из углеаммонийных десорбатов -осаждение его в виде кристаллов аммонийуранилтрикарбоната добавкой сухого бикарбоната аммония. Полученные кристаллы характеризуются значительно большей чистотой, чем обычные химические концентраты, и после транспортировки на ГМЗ даже без дополнительной перечистки могут быть подвергнуты термическому разложению с получением три-, диоксида или закиси-окиси урана в зависимости от режима прокаливания.

Осаждение из нитратных регенератов

В качестве осадителей в промышленной практике используются сухой бикарбонат аммония, раствор аммиака и раствор едкого натра.

При осаждении бикарбонатом аммония кристаллы аммониуранилтрикарбоната (АУТК) имеют высокую влажность (30-40%), содержание урана во влажных кристаллах колеблется от 25 до 45%.

Осадок сравнительно медленно фильтруется из-за получения очень мелких кристаллов АУТК.

Немаловажную роль при высаливании кристаллов АУТК имеет остаточная концентрация бикарбоната аммония, которую необходимо поддерживать в пределах 20-40 г/л. При этом содержание урана в растворе находится на уровне 11,5 г/л.

В процессе охлаждения урана из азотнокислых растворов бикарбонатом аммония или аммиаком до рН+24 растворы прозрачны, устойчивы. При дальнейшей нейтрализации до рН+5-6 наблюдается осаждение урана, причем с увеличением времени отстаивания полнота осаждения урана возрастает.

При рН=7,17,5 полнота выделения кристаллов АУТК наибольшая: содержание урана в карбонатном маточнике -0,61-0,84 г/л.

При осаждении химконцентрата аммиаком при рН более 7,6 удается снизить содержание урана в маточнике до содержания менее 0,1 г/л, независимо от исходного содержания урана.

Осаждением урана щелочью удается получить химконцентрат в виде диураната натрия с содержанием урана во влажном осадке 26-45%. Остаточная концентрация урана в маточнике составляет 0,005-0,008 г/л температуре осаждения 3045 °С, и - возрастает до 0,036-0,078 г/л при температуре 70 °С. Влажность химконцентрата колеблется в пределах 30%. Скорость фильтрации невысока и практически не зависит от температуры осаждения химконцентрата.

Использование более концентрированных растворов щелочи позволит уменьшить разбавление исходных регенератов.

Химконцентрат, осажденный бикарбонатом аммония, по сравнению с осажденным щелочью обладает более высокой скоростью осветления (в 15+20 раз) и скоростью фильтрации в (10+15 раз). Недостатком осаждения бикарбонатом аммония является его высокий удельный расход (30+35 кг/кг урана).

Имеются исследования по безреагентному осаждению кристаллов из нитратных товарных регенератов. При упаривании товарных регенератов получаются пересыщенные растворы, из которых при охлаждении выпадают кристаллы. Для увеличения скорости и полноты осаждения необходимо добавлять в упаренный товарный регенерат в качестве «затравки» кристаллы, полученные при десорбции урана нитратсодержащими растворами.