Chu trình nhiên liệu hạt nhân bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu và giai đoạn cuối. Giai đoạn đầu chuẩn bị uranium để sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân. Các bước này bao gồm khai thác, nghiền, chuyển đổi, làm giàu và chế tạo nhiên liệu. Giai đoạn cuối đảm bảo nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng được quản lý, tái chế hoặc lưu trữ an toàn. Các bước này bao gồm lưu trữ nhiên liệu, tái chế và thải bỏ chất thải.
Khai thác Uranium
Quặng uranium được khai thác thông qua các kỹ thuật khai thác lộ thiên thông thường, khai thác ngầm và khai thác tại chỗ. Trong khai thác lộ thiên, nơi các mỏ gần bề mặt, lớp đá bên trên bị bóc tách, tạo thành mỏ lộ thiên. Đối với các mỏ uranium sâu hơn, người ta đào các mỏ ngầm, với sự xáo trộn bề mặt nhỏ hơn và ít vật liệu hơn nhiều được loại bỏ để tiếp cận quặng uranium. Các mỏ ngầm đòi hỏi các biện pháp phòng ngừa đặc biệt để tăng cường thông gió nhằm bảo vệ chống lại sự phơi nhiễm radon trong không khí dưới mỏ.
Khai thác tại chỗ (ISR) hiện được sử dụng thường xuyên hơn để khai thác uranium trên toàn cầu. Nước ngầm có oxy được tuần hoàn qua một khối quặng rất xốp để hòa tan oxit uranium trước khi được bơm đến nhà máy xử lý bề mặt để khai thác. ISR có thể có axit nhẹ hoặc dung dịch kiềm để giữ urani trong dung dịch. Sau đó, oxit urani được thu hồi từ dung dịch như trong máy nghiền thông thường. Khai thác ISR làm giảm sự xáo trộn mặt đất và ít đòi hỏi nhân sự/người vận hành hơn so với các mỏ thông thường.
Nghiền và chế biến Uranium
Sau khi khai thác quặng, quặng được nghiền tại chỗ thành quặng cô đặc oxit urani, thường được gọi là “bánh vàng”. Trong quá trình nghiền, urani được chiết xuất từ quặng đã nghiền và nghiền nhỏ bằng cách ngâm chiết, trong đó sử dụng axit mạnh hoặc dung dịch kiềm mạnh để hòa tan oxit urani. Sau đó, oxit urani được kết tủa và loại bỏ khỏi dung dịch. Sau khi sấy khô và thường được gia nhiệt, nó được đóng trong các thùng phuy dưới dạng cô đặc. Phần quặng còn lại, gần như là toàn bộ vật liệu đá, trở thành chất thải, được đưa vào các cơ sở kỹ thuật gần mỏ (thường là trong hố khai thác).
Chất thải được cô lập khỏi môi trường vì chúng chứa các vật liệu phóng xạ tồn tại lâu dài ở nồng độ thấp và các vật liệu độc hại như kim loại nặng. Chất thải được đưa vào một bể chứa trong lòng đất trên một lớp lót nhựa để ngăn rò rỉ. Sau đó, chất thải được phủ một lớp đất và sau đó là nước. Trong các cơ sở ISR, urani được cô đặc và chiết xuất từ các dung dịch thành chất thải urani oxit tại một nhà máy chế biến. Giống như trong khai thác thông thường, một cơ sở chế biến có thể thực hiện nhiều loại hình hoạt động ISR.
Chuyển đổi
Đối với hầu hết các loại lò phản ứng, hàm lượng đồng vị phân hạch 235U trong urani tự nhiên thường phải được làm giàu ở mức từ 3 % đến 5 %. Urani oxit tự nhiên từ các mỏ và nhà máy chế biến được chuyển đổi hóa học thành urani hexafluoride (UF6), một hợp chất khi được đun nóng sẽ tạo thành khí có thể đưa vào các nhà máy làm giàu. Chỉ có ba cơ sở chuyển đổi bên ngoài Nga và Trung Quốc. Các cơ sở này nằm ở Hoa Kỳ, Canada và Pháp.
Làm giàu
Quá trình làm giàu tách urani hexafluoride dạng khí thành hai luồng, một luồng được làm giàu đến mức cần thiết được gọi là urani làm giàu thấp (LEU); luồng còn lại được làm cạn kiệt dần trong 235U và được gọi là “đuôi”, hoặc đơn giản là urani nghèo. Công nghệ máy ly tâm khí sử dụng khí urani hexafluoride làm nguyên liệu là phương pháp làm giàu thương mại duy nhất cho đến nay. Quá trình này sử dụng các đặc tính vật lý của các phân tử, cụ thể là sự khác biệt 1 % khối lượng giữa hai đồng vị urani, để tách chúng ra. Một công nghệ khác có thể được sử dụng để làm giàu urani được gọi là làm giàu bằng laser. Công nghệ này chưa được sử dụng ở cấp độ thương mại và đang trong quá trình phát triển công nghệ.
Làm giàu bằng máy ly tâm khí
Máy ly tâm khí giống như quy trình khuếch tán sử dụng khí UF6 làm nguồn cấp và tận dụng sự chênh lệch nhỏ về khối lượng giữa 235U và 238U. Khí được đưa vào một loạt các ống chân không quay với tốc độ rất cao để tách hiệu quả hai đồng vị. Đồng vị 238U nặng hơn một chút được cô đặc gần thành ống hơn với đồng vị 235U nhẹ hơn tăng dần về phía tâm ống, nơi có thể rút ra. Mặc dù công suất của một máy ly tâm đơn nhỏ hơn nhiều so với công suất của một tầng khuếch tán đơn, nhưng khả năng tách của nó lớn hơn đáng kể. Trong quy trình ly tâm, số tầng có thể chỉ từ 10 đến 20, thay vì một nghìn hoặc nhiều hơn đối với quá trình khuếch tán. Các tầng ly tâm được sắp xếp song song thành các lớp. Công nghệ ly tâm khí chỉ tiêu thụ khoảng 5 % điện năng so với công nghệ khuếch tán khí để sản xuất một lượng sản phẩm nhất định.
Làm giàu bằng tách laser
Tách sử dụng công nghệ laser để kích thích chọn lọc 235U, đồng vị phân hạch, từ đồng vị 238U dồi dào hơn. Công nghệ này hứa hẹn sẽ cung cấp phương pháp làm giàu được cải thiện so với phương pháp khuếch tán khí thế hệ đầu tiên và phương pháp ly tâm khí thế hệ thứ hai. Hiện tại, chưa có nhà máy làm giàu uranium nào sử dụng kỹ thuật tách laser hoạt động thương mại tại Hoa Kỳ.
Chế tạo nhiên liệu
UF6 giàu được vận chuyển đến cơ sở chế tạo nhiên liệu, tại đó nó được đun nóng trở lại thành khí và được xử lý hóa học thành bột urani dioxit. Bột được ép thành các viên gốm và thiêu kết (nướng) ở nhiệt độ cao (trên 255oF). Sau đó, các viên được bọc trong các ống kim loại để tạo thành các thanh nhiên liệu, được sắp xếp thành cụm nhiên liệu sẵn sàng đưa vào lò phản ứng. Kích thước của các viên nhiên liệu và các thành phần khác của cụm nhiên liệu được kiểm soát chính xác để đảm bảo tính nhất quán trong các đặc tính của nhiên liệu. Các cụm nhiên liệu hạt nhân được thiết kế riêng cho các loại lò phản ứng cụ thể và được chế tạo theo các thông số kỹ thuật đảm bảo chất lượng. Lò phản ứng phổ biến nhất, lò phản ứng nước áp lực (PWR), chứa 150-200 cụm thanh nhiên liệu, trong khi lò phản ứng nước sôi, lò phản ứng phổ biến thứ hai, chứa 370-800 cụm thanh nhiên liệu. Trong nhà máy chế tạo nhiên liệu, người ta rất cẩn thận với kích thước và hình dạng của các bình xử lý để tránh tình trạng phản ứng phân hạch đạt tới hạn (phản ứng dây chuyền hạn chế giải phóng bức xạ). Với nhiên liệu làm giàu thấp, tính tới hạn là không thể, nhưng trong các nhà máy xử lý nhiên liệu đặc biệt cho lò phản ứng nghiên cứu thì đây là một vấn đề quan trọng. Hiện tại có ba nhà máy chế tạo nhiên liệu tại Hoa Kỳ.
Lò phản ứng hạt nhân sản xuất điện
Việc tạo ra điện trong lò phản ứng hạt nhân tương tự như một nhà máy hơi nước đốt than. Sự khác biệt nằm ở nguồn nhiệt. Phân hạch hoặc tách các nguyên tử urani tạo ra năng lượng theo cùng cách mà việc đốt than, khí hoặc dầu được sử dụng làm nguồn nhiệt trong các nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu được sử dụng trong quá trình tạo ra điện hạt nhân là 235U. Quá trình sản xuất điện bắt đầu khi các nguyên tử urani bị phân tách (tức là phân hạch) bởi các hạt được gọi là neutron. 235U có một đặc tính độc đáo khiến nó bị vỡ ra khi va chạm với một neutron. Khi một nguyên tử 235U bị phân tách, các neutron từ nguyên tử urani sẽ va chạm với các nguyên tử khác của 235U. Một phản ứng dây chuyền bắt đầu tạo ra nhiệt. Nhiệt này được sử dụng để đun nóng nước và biến nó thành hơi nước. Hơi nước được sử dụng để chạy một tuabin được kết nối với một máy phát điện tạo ra điện.
Tái chế
Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng có thể được tái chế để tạo ra nhiên liệu mới và các sản phẩm phụ. Hơn 90% năng lượng tiềm năng của nó vẫn còn trong nhiên liệu, ngay cả sau 05 năm hoạt động trong lò phản ứng. Hoa Kỳ hiện không tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng nhưng các nước khác, chẳng hạn như Pháp, thì có. Ngoài ra còn có một số thiết kế lò phản ứng tiên tiến đang được phát triển có thể tiêu thụ hoặc chạy bằng nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng trong tương lai. Hoa Kỳ hiện đang hỗ trợ các hoạt động nghiên cứu và phát triển để đánh giá các lựa chọn tái chế các thành phần có giá trị của nhiên liệu hạt nhân đã chiếu xạ nhằm đạt được nền kinh tế tuần hoàn và giảm khối lượng cuối cùng của chất thải hạt nhân cấp cao cần xử lý.
Lưu trữ nhiên liệu
Nhiên liệu đã qua sử dụng là nhiên liệu hạt nhân đã được sử dụng trong lò phản ứng. Nhiên liệu là chất rắn khi đi vào lò phản ứng và là chất rắn khi đi ra. Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng của quốc gia ban đầu được lưu trữ trong các bể bê tông lót thép được bao quanh bởi nước. Sau đó, nhiên liệu được lấy ra khỏi các bể và được đưa vào các thùng chứa khô được làm bằng thép và bê tông hoặc các vật liệu khác được sử dụng để che chắn bảo vệ. Hầu hết nhiên liệu đã qua sử dụng của Hoa Kỳ được lưu trữ an toàn và bảo mật tại hơn 70 địa điểm lò phản ứng trên khắp cả nước. Khoảng một phần tư trong số các địa điểm này không còn lò phản ứng đang hoạt động.
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ hiện đang xem xét khả năng hợp nhất nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng này tại một hoặc nhiều cơ sở lưu trữ tạm thời của liên bang bằng cách sử dụng quy trình xác định vị trí thích hợp. Trong tương lai gần, nhiên liệu đã qua sử dụng có thể được lưu giữ an toàn tại các địa điểm lò phản ứng hoặc một cơ sở lưu trữ tạm thời hợp nhất trong tương lai cho đến khi chính phủ liên bang xác định được giải pháp xử lý vĩnh viễn.
Xử lý chất thải
Hoa Kỳ có cơ quan chịu trách nhiệm về nghiên cứu và phát triển liên tục liên quan đến việc xử lý lâu dài nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng và chất thải phóng xạ mức cao. Sứ mệnh của cơ quan này (SFWD) là bảo vệ con người và môi trường, hiện tại và trong tương lai, bằng cách thiết lập một hệ thống tích hợp để lưu trữ, vận chuyển và xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng và chất thải phóng xạ mức cao của quốc gia.
Từ khóa: Uranium; nhiên liệu hạt nhân;
– CMD –
