Атомна енергетика для більшості з нас щось таємниче і до біса небезпечне. Всі знають, що наслідки аварії на атомній електростанції досить плачевні як мінімум через поширення радіації. Але звідки взагалі береться паливо для ядерних реакторів, і чому на його виробництві ніхто не отримує смертельні дози радіації?
Існує три види ядерного палива - плутонієве, торієве і уранове. Але в силу складності виробництва і переробки перших двох і великих запасів останнього, в якості палива для АЕС використовують саме уран - найважчий метал на нашій планеті.
У 1938 році вчені з'ясували, що цей елемент можна розщеплювати за допомогою керованої ланцюгової ядерної реакції - ділення ядра на дві частини, звані осколками ділення, з одночасним виділенням двох-трьох нейтронів, які, в свою чергу, можуть викликати поділ наступних ядер. В осколках поділу сконцентровано велику кількість кінетичною енергією, а їх гальмування в речовині супроводжується виділенням величезної кількості тепла. У свою чергу, це тепло нагріває воду, перетворюючи її на пар, а той у свою чергу крутить вже турбіни електростанції.
Свій шлях до ректора АЕС ядерне паливо починає з покладів руди. Її видобувають або в шахтах родовища, або відкритим способом, коли бульдозерами знімається верхня частина ґрунту і відбувається виїмка породи. У руді уран і продукти його розпаду знаходяться в радіоактивній рівновазі. Але при видобутку є ризик отримати внутрішнє опромінення радіоактивним газом радоном, продуктами його розпаду, а також зовнішнім гамма- і бета-випромінюваннями.
Для мінімізації впливу радіації на персонал використовують ефективне вентилювання шахт і обмеження часу роботи безпосередньо в шахті. У Канаді на одному з найбільших у світі родовищ уранової руди в Саскачевані щосили використовують працю роботів і техніку з дистанційним управлінням, щоб максимально убезпечити робітників від радіації. На відкритих розробках, зрозуміло, дозові навантаження істотно менші, але і шкода для навколишнього середовища такий метод приносить куди більш істотну.
До речі, 1972 року в урановому родовищі Окло, що в Габоні (Центральна Африка) був виявлений природний ядерний реактор, в якому проходила мимовільна ланцюгова ядерна реакція. Правда, цей реактор трудився близько 1,8 мільярдів років тому, а в наші дні запаси палива потрібної концентрації в цьому родовищі вже виснажилися.
Оптимальним способом видобутку урану сьогодні вважається виклацуючий метод. У гірській породі бурять свердловини, через які в надра закачується витискаючий реагент на основі сірчаної кислоти, що володіє особливим хімічним складом. Він розчиняється в надрах рудних покладів і насичується сполуками урану, який потім викачується і відправляється на збагачення.
З очищеного за допомогою хімічних реакцій урану у вигляді порошку отримують урановий ангідрид або діоксид урану, який якраз-таки є ядерним паливом. Сам по собі металевий уран рідко використовують в якості палива. У нього низька максимальна температура фазового переходу, на додачу, процес ланцюгової реакції супроводжується збільшенням обсягу металу. Толі справу діоксид урану: у нього немає фазових переходів, він менш схильний до розпухання.
Але перш ніж відправитися в реактор, діоксид урану чекає ще кілька метаморфоз. Для початку за допомогою преса з нього формують невеликі круглі таблетки і запікають в печі при температурі в 1000 градусів Цельсія. Потім таблетки діаметром в пару сантиметрів упаковують в цирконієві трубки - по 30 штук в кожну - і запоюють кінці. На цьому етапі, до початку використання в реакторі, ядерні паливні елементи володіють низьким радіаційним фоном.
На електростанції в активній зоні реактора знаходяться сотні паливних елементів, які виділяють величезну кількість енергії, але їх ресурси не нескінченні. Періодично персонал АЕС перезавантажує ядерне паливо. Процес вигоряння елементів відбувається нерівномірно, іноді паливні елементи міняють місцями, оскільки в центрі активної зони реакція проходить інтенсивніше.
Відпрацьовані елементи відправляють у спеціальний басейн для витримки, який зазвичай розташовується безпосередньо біля реактора. У відпрацьованих паливних елементах міститься велика кількість осколків поділу урану, відразу після вилучення з реактора елемент дуже сильно фонує. Тому його зберігають три-чотири роки в басейнах з певним температурним режимом під шаром води, що захищає персонал від радіаційного випромінювання продуктів розпаду урану. Після цього відпрацьовані елементи зі слабким випромінюванням або відправляють на утилізацію, або переробляють, оскільки уран ніколи не вигоряє повністю і можна виділити його залишки, на додачу з відходів можна отримати плутоній (до 1% від всієї маси відпрацьованого ядерного палива). Але це дуже дорого, небезпечно і трудомістко, так що більшість країн-постачальників збагаченого урану поки не відправляють ядерні відходи на переробку.