Как производится ядерное топливо из урана

Уран является естественным элементом в земной коре из которого ведется изготовление ядерного топлива. Следы этого химического элемента с атомным номером 92 встречаются почти везде, хотя добыча осуществляется в местах, где концентрация велика. Чтобы изготовить  топливо из руды этого элемента требуется сначала извлечь его с помощью окислительно-восстановительных реакций, чтобы избавляться от того или иного нежелательного попутчика, в котором он находится. Затем обогащенный изотоп уран-235 загружают в сборку  топливного стержня.

Добыча урана

Изготовление ядерного топлива начинается с добычи урана  на  рудниках действующих в двадцати странах, хотя около половины мирового производства поставляется из всего десяти шахт в шести странах: Канаде, Австралии, Нигер, Казахстане, России и Намибии.

Обычно руда проходит через мельницу, где её дробят. Затем измельчается в воде, где тяжелые компоненты с ураном осаждаются быстрее. Шлам выщелачивается с помощью серной кислоты для растворения оксидов урана, отделяя от других минералов.

Однако почти половина производств ядерного топлива используют метод добычи называемый выщелачиванием на месте. Это означает, что добыча осуществляется без каких-либо крупных перевозок руды. Подземные воды с большим количеством кислорода, вводят в урановую руду. Раствор с элементом потом перекачивается на поверхность. Оба метода добычи производят жидкость с ураном, растворенным в ней. Затем жидкость фильтруется методом разделенного ионного обмена в  ионообменных смолах, осаждают из раствора, фильтруют и сушат производимый концентрат оксида элеемента, который затем упаковывается в барабаны. Концентрат имеет яркий желтый цвет, поэтому известен как желтый спек который сушат при высоких температурах.

Полученный оксид урана мягко радиоактивный элемент.

Обогащение ядерного топлива

Для подавляющего большинства всех ядерных реакторов требуется ядерное топливо уран, в котором доля изотопа уран-235 была поднята от естественного уровня 0,7% до 3,5% — 5%. Изготовление ядерного топлива и обогащение происходит в азотной кислоте, превращая оксид урана в гексафторид.

Обогатительная фабрика обрабатывает уран-235, оставляя около 85%, разделив гексафторид урана на два потока: один поток обогащает до требуемого уровня. Другой поток обрабатывает обедненный уран-235. Поскольку материал состоит из двух фракций: легкой и тяжелой, то при вращении центрифугой тяжелые частицы располагаются у стенок барабана. В процессе обогащения масса материала уменьшается в 7 раз.

Изготовление ядерного топлива

Около 27 тонн свежего ядерного топлива требуется каждый год для производства 1000 мегаватт электрической мощности ядерными реакторами. Для производства этого количества электричества угольной электростанцией требуется более двух с половиной миллионов тонн угля.

Обогащенный уран транспортируется на завод по изготовлению топлива, где он преобразуется в порошок диоксида урана с помощью кальция или магния. Этот порошок затем формируется в форме небольших топливных гранул, которые затем нагревают в керамическом материале при температуре 1800°. Гранулы затем вставляются в тонкие трубки к форме топливных стержней. Эти топливные стержни затем группируются по форме топливных сборок длиной несколько метров. Количество используемых топливных стержней зависит от типа реактора. Водо-водяные реакторы могут использовать 179-264 топливных стержня.

В будущем ядерная энергетика будет использовать реакторы на быстрых нейтронах что похоже на производство возобновляемых источников энергии.