Что представляет собой ядерное топливо? (по материалам МАГАТЭ). Продолжение
Как работает ядерное топливо
Ядерное топливо используется в реакторе для выработки тепла посредством управляемых цепных реакций. Его эксплуатируют до тех пор, пока оно способно эффективно поддерживать эти реакции, после чего его извлекают и помещают на хранение в соответствии со строгими протоколами безопасности. Процесс выглядит следующим образом.
Внутри реактора: выработка тепла и энергии
В активной зоне ядерного реактора размещаются тепловыделяющие сборки, состоящие из топливных стержней. Эти стержни представляют собой длинные металлические трубки, заполненные небольшими керамическими таблетками — как правило, из диоксида урана (UO₂). Наиболее часто используемым изотопом в ядерном топливе является уран-235.
Иллюстрация МАГАТЭ
Когда атом урана-235 поглощает нейтрон — нейтральную субатомную частицу, входящую в состав атомного ядра, — он становится нестабильным, подобно переполненному воздушному шарику, готовому лопнуть. Из-за этой нестабильности атом расщепляется на два более мелких атома, высвобождая значительное количество энергии в виде тепла, а также два или три новых нейтрона. Это можно сравнить с ударом битка по плотно сложенным шарам в бильярде: нейтрон выступает в роли битка, а при столкновении с ядром урана-235 последнее распадается, разбрасывая в стороны другие «шары» (нейтроны). Освободившиеся нейтроны, в свою очередь, сталкиваются с другими атомами урана, запуская цепную реакцию, которая протекает в реакторе при строгом контроле.
Тепло, выделяющееся в ходе этой цепной реакции, используется для превращения воды в пар — подобно тому, как тепло от кухонной плиты заставляет закипать воду в чайнике. Пар приводит в движение турбины, вырабатывающие электроэнергию. В отличие от ископаемого топлива, которое при сгорании выделяет в атмосферу продукты горения, ядерное топливо претерпевает изменения на атомном уровне, позволяя получать энергию без выбросов парниковых газов.
После реактора: что происходит с отработавшим ядерным топливом
Со временем способность топлива поддерживать цепную реакцию снижается. Примерно через три–пять лет пребывания в активной зоне реактора тепловыделяющие сборки извлекают — теперь они классифицируются как отработавшее ядерное топливо. Несмотря на то что такое топливо больше не подходит для эффективной выработки энергии, оно остается радиоактивным и сохраняет высокую температуру. В его состав входят:
Продукты деления, которые продолжают излучать радиацию и выделять тепло. Уран-238 — бо́льшая часть исходного урана-238 остается в отработавшем топливе, поскольку он не подвергается делению. Плутоний и минорные актиниды (такие как нептуний, америций и кюрий) — радиоактивные элементы тяжелее урана, образующиеся в ядерных реакторах в результате реакций захвата нейтронов. Для обеспечения безопасности отработавшее топливо сначала помещают в бассейны выдержки, расположенные на территории АЭС: вода в них отводит остаточное тепло и служит защитой от радиации. После того как топливо достаточно остынет (этот процесс может занять несколько лет), его зачастую перемещают в контейнеры для «сухого» хранения — специально защищенные емкости, предназначенные для надежного и долгосрочного размещения, — либо в централизованный бассейн выдержки, находящийся за пределами площадки АЭС.