Основные технологические операции подготовки ядерного топлива к использованию в реакторах.

При открытом и замкнутом топливном цикле после добычи урановой руды основные стадии подготовки ядерного топлива к использованию в реакторах.

· Производство окта-оксида урана U₃O₈;

· Конверсия U₃O₈ в UF₆;

· Обогащение UF₆.

Существует несколько методов обогащения, а именно:

Метод газовой диффузии. Метод применительно к урану основан на различии скоростей теплового движения тяжелых и легких молекул, на способности более легких молекул легче проходить через тонкие пористые перегородки с размерами пор меньше, чем средняя длина свободного пробега молекул. Метод обладает малым коэффициентом обогащения (0,0043) и поэтому прибегают к каскадированию процесса. Газодиффузионный завод использует большое количество сложного технологического оборудования и требует больших производственных площадей. Высокая энергоемкость. Метод имеет малопривлекательные характеристики с точки зрения незаконного создания и использования диффузионного оборудования для террористических целей.

Метод газовой центрифуги. Метод основан на разном воздействии центробежной силы на легкие и тяжелые молекулы во вращающейся цилиндрической трубе. Несмотря на технологическую сложность процесса, метод обладает сравнительно высоким коэффициентом обогащения (до 0,25) и малой энергоемкостью, что делает процесс опасным для использования в террористических целях.

Метод разделительного сопла. Метод основан на различном поведении изотопов урана в поле центробежных сил. Газовая смесь гексафторида урана с водородом или гелием (водород или гелий добавляется для ускорения потока) подается в сильно искривленное сопло Лаваля, где под действием центробежных сил происходит пространственная сепарация легких и тяжелых изотопов урана. Метод менее сложный по сравнению с другими методами. Малая эффективность по обогащению (коэффициент обогащения равен 0,025). Большая энергоемкость метода (3000 кВт.ч./ЕРР против 2500 кВт.ч./ЕРР у газодиффузионного метода и 200 кВт.ч./ЕРР у газовых центрифуг).

Лазерный метод обогащения. Лазерные методы обогащения урана основаны на небольшом сдвиге энергетических уровней возбуждения электронов в атоме ²³⁸U по сравнению с атомом ²³⁵U. Наличие трех дополнительных нейтронов в ядре ²³⁸U влияет на конфигурацию электронных оболочек вокруг ядра. Разницу в энергии уровней возбуждения электронов можно использовать с помощью точно настроенного монохроматического лазера. Возбужденное состояние электронных оболочек приводит к селективному усилению физических или химических процессов с возбужденными атомами (усиленная ионизация атомов, усиленная диссоциация молекул или химическая реакция возбужденных атомов или молекул). В настоящее время разработаны две технологии лазерного обогащения урана: 1) атомарное обогащение паров урана, 2) молекулярное обогащение гексафторида урана.

· Конверсия гексафторида урана в двуокись. В результате получается тонкодисперсный порошок UO₂,который непригоден для прессования из-за очень малых размеров частиц (менее 0,6 мкм). Для того, чтобы укрупнить порошок используют следующие операции.

· Смешивание с пластифицирующими добавками (поливинил, глицерин в спиртовом растворе);

· Гидропрессование: засыпка в каучуковую форму, помещение в контейнер с жидкостью, создание в контейнере высокого давления – равномерное обжатие и получение брикетов;

· Гранулирование путем размола брикетов;

· Отжиг при температуре 600-800 ⁰С для удаления пластификаторов.

· Холодное прессование в таблетки пли давлениях 1500-2000 атм.

· Спекание таблеток при температуре 1600-1700 ⁰С;

· Контроль качества таблеток и отбраковка по дефектам.

· Изготовление твэлов и ТВС.