Материалы ядерных энергетических установок - Топливные материалы, участвующие в U-Pu-топливном цикле

Несмотря на существование трех топливных циклов, большинство ядерных энергетических тепловых реакторов работают в уран-плутониевом ЯТЦ. Среди топливных и сырьевых материалов наиболее важными как для тепловых, так и быстрых реакторов-размножителей являются ²³⁵U, ²³⁸U и ²³⁹Pu. Среди тепловых энергетических реакторов ведущую позицию занимают легководные (PWR, BWR) реакторы. На рис. 13.18 показаны ежегодные потребности в топливных материалах (в виде руды, конвертированного, обогащенного и регенерированного топлива), необходимых для нормальной эксплуатации мощностью 1000 МВт (эл.) в U-Pu ЯТЦ.
Для обеспечения эксплуатации 1000 МВт (эл.) LWR на первой стадии ЯТЦ необходимо добыть 86000 т руды с высоким содержанием урана. После стадий измельчения, очистки и концентрирования выделяют товарный продукт U₃Og в количестве 165 т (см. § 13.2).

Рис.  13.18. Ежегодные потребности в топливных материалах, необходимые для нормальной эксплуатации ЛВР мощностью 1000 МВт(эл.)

Пройдя стадию обогащения, количество урана сокращается до 53-55 т (в зависимости от требуемой степени обогащения) обогащенного UF₆. Обогащенный UF₆ затем переводится в металлический ²³⁵U или UO₂ в количестве около 36 т, которые направляются на изготовление твэлов. После 1—2 лет эксплуатации в энергетическом реакторе отработавшие твэлы выгружают из реактора и помещают в охлаждающие бассейны, где происходит интенсивный распад продуктов деления, а затем направляют на радиохимический завод. На радиохимическом заводе происходит регенерация урана и плутония и выделение полезных радионуклидов. Регенерированный уран может быть использован в трех направлениях:

1. если уран регенерирован по газофторидному методу, то полученный UF₆ направляется в качестве питания на обогащение; 2) уран может проходить цепочку от UF₆ через обогащение до изготовления твэлов; 3) уран может быть прямо направлен на изготовление твэлов, если он регенерирован по методу жидкостной экстракции. Регенерированный плутоний можно использовать в качестве топлива в быстром реакторе- размножителе типа LMFBR или в составе смешанного оксидного топлива в так называемом экспериментальном легководном реакторе-размножителе [5]. Высокоактивные радиоактивные отходы, составляющие около 5 т, отверждаются и вывозятся на захоронение [4].

Для реакторов с мощностью, отличной от 1000 МВт(эл.), потребность в ²³⁵U можно рассчитать из прямой пропорциональной зависимости: 1000МВт(эл.) —36 т ²³⁵U.