ОТ УРАНА ДО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА: ПУТЬ ОТ СЫРЬЯ ДО ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ

Путь урана от месторождения до электрической сети представляет собой последовательную технологическую цепочку, которую называют ядерным топливным циклом. До поступления в реактор сырье проходит добычу, переработку, конверсию, обогащение и изготовление топлива. На АЭС энергия деления ядер сначала превращается в тепло, затем приводит в движение турбину и в итоге преобразуется в электричество. После работы в реакторе начинается завершающая часть цикла, включающая хранение и дальнейшее обращение с отработавшим ядерным топливом.

В Казахстане уран добывают методом подземного скважинного выщелачивания. Через скважины в рудоносный пласт подают технологический раствор, который переводит соединения урана в растворимое состояние. Образовавшийся ураносодержащий раствор через добычные скважины направляют на переработку. После химического извлечения, осаждения, фильтрации и сушки получают концентрат природного урана. Он служит исходным сырьём для следующих стадий топливного цикла.

Далее урановый концентрат очищают и переводят в гексафторид урана. Это соединение можно использовать в газовых центрифугах. Природный уран содержит около 0,72% по изотопу Уран-235. Для большинства энергетических реакторов долю этого изотопа увеличивают, как правило, до уровня не более 5%. После обогащения уран переводят в твердое состояние в форме диоксида урана, из порошка которого прессуют и спекают таблетки. Таблетки помещают в герметичные металлические трубки, называемые тепловыделяющими элементами. Из них формируют тепловыделяющие сборки. В Казахстане Ульбинский металлургический завод производит урановые таблетки, а завод «Ульба ТВС» выпускает топливные сборки. Конструкция топлива всегда должна соответствовать типу реактора.

Тепловыделяющие сборки загружаются в активную зону реактора. При делении ядер урана 235 выделяются тепло и нейтроны, поддерживающие управляемую цепную реакцию. Ее мощность регулируют системы управления, в том числе стержни, поглощающие нейтроны. Тепло от топлива передается теплоносителю. В предусмотренных для АЭС «Балхаш» реакторах ВВЭР 1200 вода используется как теплоноситель и замедлитель нейтронов.

В реакторах ВВЭР работают два основных водяных контура. Вода первого контура проходит через активную зону, нагревается под высоким давлением и переносит тепло в парогенератор, оставаясь в замкнутой системе. Через стенки труб парогенератора тепло передается воде второго контура, которая превращается в пар. Вода двух контуров при этом не смешивается. Пар вращает турбину, а соединенный с ней генератор преобразует механическую энергию в электрическую. После турбины пар охлаждается в конденсаторе, снова становится водой и возвращается в цикл. Напряжение выработанной электроэнергии повышают на трансформаторе, после чего она поступает в энергосистему. Таким образом, энергия деления ядер последовательно преобразуется в тепло, механическую энергию турбины и электричество.

Периодически часть сборок извлекают из реактора и заменяют новыми. Отработавшие сборки продолжают выделять тепло и сохраняют высокую радиоактивность. Сначала их помещают в бассейн выдержки, где вода обеспечивает охлаждение и радиационную защиту. Затем отработанное ядерное топливо может быть направлено на сухое хранение, переработку или подготовку к окончательному захоронению. Выбор дальнейшего способа обращения зависит от принятой государством стратегии.

Республика Казахстан уже участвует в ключевых звеньях ядерного топливного цикла. Казахстан добывает и перерабатывает природный уран, выпускает топливные таблетки и сборки, а необходимые дополнительные услуги получает в рамках международной кооперации. Создание собственной атомной генерации свяжет эти компетенции с производством электроэнергии.

Мади Азбергенов

Ведущий инженер группы энергетики ТОО «КАЭС»