Ядерный топливный цикл и технологии извлечения урана из руд

Ядерный топливный цикл (ЯТЦ) представляет собой целостный комплекс взаимосвязанных химико-технологических, металлургических и промышленных процессов, обеспечивающих функционирование современной ядерной энергетики (ЯЭ). Главной задачей ЯТЦ является бесперебойное снабжение энергетических реакторов нуклидным сырьем и последующее безопасное обращение с облученным материалом.

1. Фундаментальные типы ядерных топливных циклов и их ядерно-физические основы. В мировой энергетической практике принципиально выделяют два базовых типа ядерных топливных циклов: уран-плутониевый (U-Pu) и торий-урановый (Th-U). В основе их разграничения лежат специфические физические свойства первичного сырья.

Уран-плутониевый топливный цикл (U-Pu ЯТЦ). В качестве исходного сырьевого материала в U-Pu цикле выступает природный уран. В его составе изначально присутствует единственный встречающийся в природе делящийся нуклид — уран-235 (²³⁵U), способный делиться под действием тепловых нейтронов с выделением колоссального количества энергии:

²³⁵₉₂U + n → продукты деления (п.д.) + (2–3)n

Наряду с ²³⁵U исходное сырье содержит основной изомер — уран-238 (²³⁸U), который является воспроизводящим материалом. При захвате нейтрона ²³⁸U трансформируется в новый делящийся нуклид — плутоний-239 (²³⁹Pu) по цепочке радиоактивных превращений:

²³⁸₉₂U(n, γ) → ²³⁹₉₂U + β⁻ (23.3 мин) → ²³⁹₉₃Np + β⁻ (2.3 сут) → ²³⁹₉₄Pu

Торий-урановый топливный цикл (Th-U ЯТЦ). Исходным сырьем для Th-U цикла служит природный торий, представленный единственным изотопом — торием-232 (²³²Th). Поскольку ²³²Th является исключительно воспроизводящим нуклидом и не способен самостоятельно поддерживать цепную ядерную реакцию деления, для первичного «поджигания» реактора требуется предварительное накопление или добавление внешнего делящегося нуклида — урана-233 (²³³U), урана-235 (²³⁵U) или плутония-239 (²³⁹Pu). Образование ²³³U происходит по схеме:

²³²₉₀Th(n, γ) → ²³³₉₀Th + β⁻ (23.3 мин) → ²³³₉₁Pa + β⁻ (27.4 сут) → ²³³₉₂U

К настоящему времени в промышленном масштабе сформировался исключительно уран-плутониевый ЯТЦ. Исторически ключевой импульс его развитию дали технологии и производственные мощности оборонного комплекса.

2. Полная структура и полная стадийность ядерного топливного цикла. Полный замкнутый или открытый ядерный топливный цикл включает в себя последовательный ряд сложнейших химико-технологических этапов:

1. Добыча ураносодержащих руд и их первичная гидрометаллургическая переработка с получением оксида урана ядерной чистоты.
2. Сухое химическое производство гексафторида урана (UF₆).
3. Разделительное изотопное обогащение урана по нуклиду ²³⁵U.
4. Фабрикация ядерного топлива, изготовление тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) и сборка тепловыделяющих сборок (ТВС).

5. Генерирование электрической и тепловой энергии в ядерных реакторах.
6. Выдержка, хранение и транспортировка отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).
7. Радиохимическая переработка (регенерация) облученного топлива с извлечением невыгоревшего урана и сформировавшегося плутония.
8. Получение вторичного ядерного топлива для повторного вовлечения в топливный цикл.
9. Безопасное обращение с радиоактивными отходами (РАО): кондиционирование, отверждение (остекловывание, цементирование), долговременное хранение и окончательное захоронение.

Мировой рынок первичного уранового сырья характеризуется высокой концентрацией. Ключевыми мировыми производителями урана являются Канада (30 %), Австралия (21 %), а также ведущие страны Африки (18 %). В число крупнейших транснациональных и национальных уранодобывающих компаний входят Cameco (Канада), Cogema (Франция), ERA (Австралия), Uranerz (Германия), Приаргунский производственный горно-химический комбинат (ППГХК) (Россия) и др. Совокупный мировой объем добычи урана составляет порядка 35 000–40 000 тонн в год.

3. Промышленные технологии извлечения урана из рудных месторождений. Уран относится к категории типичных рассеянных элементов. В силу своей чрезвычайно высокой химической активности он входит в состав более чем 200 различных минералов.

Геологически все промышленно значимые месторождения урана разделяют на два основных генетических типа:
- Гидротермальный тип: характеризуется значительной растянутостью рудного тела по глубине.
- Гидрогенный тип: представлен пластовыми залеганиями в осадочных чехлах.

Генезис месторождения строго определяет оптимальный способ добычи — подземный или открытый (карьерный).

Традиционные методы добычи: подземный и открытый. Промышленная разработка урановых руд, зародившаяся в 1940-х годах, первоначально опиралась на подземный способ с проходкой глубоких шахтных стволов (600–900 м). Работы велись буровым и буровзрывным методами. Высокий уровень механизации современных шахт (80–90 %) обеспечивает производительность отбойки порядка 8–10 м³/чел.-смену. При этом инженерами были успешно решены специфические проблемы, связанные с ликвидацией радиоактивного загрязнения шахтной атмосферы (радоном и его дочерними продуктами) и интенсивным тепловыделением горных пород и шахтных вод.

С начала 1960-х годов для неглубоких залежей широкое развитие получил открытый способ. Применение карьерных роторных экскаваторных комплексов позволило существенно повысить выработку — до 80–110 м³/чел.-смену.

Инновационная технология подземного скважинного выщелачивания (ПСВ). Для разработки бедных, а также глубоко залегающих пластовых месторождений наибольшую экономическую и экологическую эффективность демонстрирует метод подземного выщелачивания. Суть технологии заключается в бурении системы скважин диаметром 10–15 см, обустроенных обсадными трубами из химически стойких материалов (поливинилхлорид, стекловолокно, спецстали).

Через закачные скважины в рудный пласт подается подаваемый под давлением выщелачивающий агент, содержащий окислитель. Проходя через поры рудного тела, раствор избирательно растворяет соединения урана. На поверхность через откачные скважины поднимается продуктивный раствор с содержанием U₃O₈ на уровне 30–60 мг/л, который направляется на дальнейшую сорбционную или экстракционную переработку.

4. Гидрометаллургические и радиохимические стадии переработки уранового сырья. Многообразие минеральных форм урана требует применения дифференцированных технологических схем обогащения и аффинажа.

Различают следующие ключевые стадии переработки урановых руд:
1. Механическая подготовка и предварительное обогащение: включает операции дробления, измельчения, грохочения, а также гравитационное, флотационное, магнитное или радиометрическое селективное обогащение.

2. Выщелачивание урана: переведение урана в раствор с использованием сернокислотного или карбонатного процессов (а также их комбинаций). Выщелачивание проводят перколяционным, агитационным или автоклавным способами. Автоклавное выщелачивание, протекающее при повышенных температурах (до 430 K) и давлениях (до 6 МПа), идеально подходит для вскрытия труднообогатимых и упорных руд.

3. Получение технического концентрата (закиси-окиси урана U₃O₈): выделение урана из продуктивных щелоков осуществляется методами катионо- или анионообменной сорбции, жидостной экстракции (с применением ди-2-этилгексилфосфорной кислоты, триалкиламинов, трибутилфосфата) или комбинированными сорбционно-экстракционными схемами.

4. Аффинажная очистка: глубокая очистка технической закиси-окиси урана («желтого кека») или солей урановой кислоты (с содержанием урана не менее 65 %). Преимущественно используется экстракция трибутилфосфатом (ТБФ) в органическом растворителе с последующим осаждением аммонийно-карбонатной соли NH₄UO₂(CO₃)₃, ее прокаливанием и восстановлением до товарного диоксида урана (UO₂).

Аффинажные стадии реализуются либо непосредственно на гидрометаллургических заводах, либо на специализированных аффинажных предприятиях. В Российской Федерации завершающими производствами этого профиля выступают ПАО «Машиностроительный завод» (МСЗ, г. Электросталь) и АО «Новосибирский завод химических концентратов» (НЗХК).

Современные химико-металлургические технологии гарантируют высочайшую ядерную чистоту конечного уранового продукта (свыше 99.95 %). При этом содержание элементов с высоким сечением захвата тепловых нейтронов (бор, кадмий, гафний, редкие земли) строго ограничивается и не превышает 10⁻³…10⁻⁵ %.

Таблица 1. Технологические параметры процессов выщелачивания урана из рудного сырья

5. Комплексное освоение руд и перспективные направления развития отрасли. Современная уранодобывающая индустрия развивает концепцию безотходного производства. Для компенсации высоких трудозатрат и существенного снижения себестоимости добычи урана внедряется комплексная переработка полиметаллических руд.

В едином технологическом цикле параллельно извлекается широкая номенклатура попутных ценных компонентов: молибден (Mo), вападий (V), рений (Re), тантал (Ta), ниобий (Nb), золото (Au), селен (Se), медь (Cu), торий (Th), а также спектр редкоземельных элементов (РЗЭ). Попутно организуется производство ценных фосфатных, нитратных и комплексных минеральных удобрений.

Для российской урановой отрасли стратегической задачей остается разведка, вовлечение в эксплуатацию и технологическое освоение новых ураноносных провинций и месторождений, обеспечивающих высокую экономическую рентабельность и сырьевую независимость атомной промышленности.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е. О. Адамов, Ю. Г. Драгунов, В. В. Орлов, Л. П. Абагян, В. Я. Абрамов и др.

Источник: Машиностроение ядерной техники

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области ядерной физики и атомной энергетики, инженерам-конструкторам и технологам промышленных предприятий, а также всем, кто интересуется устройством ядерных реакторов и современными ядерными технологиями.