Kernenergie besteht aus große Menge Unternehmen für verschiedene Zwecke. Die Rohstoffe für diese Industrie werden aus Uranminen gewonnen. Anschließend wird es an Kraftstoffproduktionsanlagen geliefert.

Anschließend wird der Brennstoff zu Kernkraftwerken transportiert, wo er in den Reaktorkern gelangt. Wenn der Kernbrennstoff das Ende seiner Nutzungsdauer erreicht, muss er entsorgt werden. Es ist erwähnenswert, dass gefährliche Abfälle nicht nur nach der Wiederaufbereitung von Brennstoffen anfallen, sondern in jeder Phase – vom Uranabbau bis zur Arbeit im Reaktor.

Kernbrennstoff

Es gibt zwei Arten von Kraftstoff. Das erste ist in Minen abgebautes Uran, das natürlichen Ursprungs ist. Es enthält Rohstoffe, die zur Bildung von Plutonium fähig sind. Der zweite ist Kraftstoff, der künstlich erzeugt wird (sekundär).

Kernbrennstoffe werden auch nach ihrer chemischen Zusammensetzung unterteilt: metallisch, oxidisch, karbidisch, nitridisch und gemischt.

Uranbergbau und Brennstoffproduktion

Ein großer Teil der Uranproduktion stammt aus nur wenigen Ländern: Russland, Frankreich, Australien, den USA, Kanada und Südafrika.

Uran ist das Hauptbrennstoffelement in Kernkraftwerken. Um in den Reaktor zu gelangen, durchläuft es mehrere Verarbeitungsstufen. Am häufigsten befinden sich Uranvorkommen neben Gold und Kupfer, daher erfolgt die Gewinnung mit der Gewinnung von Edelmetallen.

Beim Abbau ist die Gesundheit der Menschen stark gefährdet, da Uran ein giftiges Material ist und die beim Abbau entstehenden Gase verschiedene Krebsarten verursachen. Obwohl das Erz selbst eine sehr geringe Menge Uran enthält – von 0,1 bis 1 Prozent. Auch die Bevölkerung, die in der Nähe von Uranminen lebt, ist stark gefährdet.

Angereichertes Uran ist der Hauptbrennstoff für Kernkraftwerke, bleibt aber nach seiner Nutzung erhalten große Menge radioaktiver Müll. Trotz aller Gefahren ist die Urananreicherung ein integraler Prozess zur Herstellung von Kernbrennstoff.

In seiner natürlichen Form kann Uran praktisch nirgendwo verwendet werden. Um genutzt zu werden, muss es angereichert werden. Zur Anreicherung werden Gaszentrifugen eingesetzt.

Angereichertes Uran wird nicht nur in der Kernenergie, sondern auch in der Waffenproduktion eingesetzt.

Transport

In jeder Phase des Brennstoffkreislaufs gibt es Transport. Es wird von allen durchgeführt zugängliche Wege: zu Land, zu Wasser, in der Luft. Dies stellt ein großes Risiko und eine große Gefahr nicht nur für die Umwelt, sondern auch für den Menschen dar.

Beim Transport von Kernbrennstoff oder seinen Elementen ereignen sich viele Unfälle, bei denen radioaktive Elemente freigesetzt werden. Dies ist einer der vielen Gründe, warum es als unsicher gilt.

Stilllegung von Reaktoren

Keiner der Reaktoren wurde abgebaut. Sogar das berüchtigte Tschernobyl. Der springende Punkt ist, dass Experten zufolge die Kosten für den Rückbau den Kosten für den Bau eines neuen Reaktors entsprechen oder diese sogar übersteigen. Allerdings kann niemand genau sagen, wie viel Geld benötigt wird: Die Kosten wurden auf der Grundlage der Erfahrungen mit dem Rückbau kleiner Stationen zu Forschungszwecken berechnet. Experten bieten zwei Möglichkeiten:

1. Platzieren Sie Reaktoren und abgebrannte Kernbrennstoffe in Endlagern.
2. Bauen Sie Sarkophage über stillgelegten Reaktoren.

In den nächsten zehn Jahren werden weltweit etwa 350 Reaktoren das Ende ihrer Lebensdauer erreichen und müssen außer Betrieb genommen werden. Da jedoch die hinsichtlich Sicherheit und Preis am besten geeignete Methode noch nicht erfunden ist, wird dieses Problem noch gelöst.

Derzeit sind weltweit 436 Reaktoren in Betrieb. Natürlich ist das ein großer Beitrag zum Energiesystem, aber es ist sehr unsicher. Untersuchungen zeigen, dass Kernkraftwerke in 15 bis 20 Jahren durch Kraftwerke ersetzt werden können, die mit Windenergie und Sonnenkollektoren betrieben werden.

Atommüll

Durch den Betrieb von Kernkraftwerken entsteht eine große Menge Atommüll. Auch bei der Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen entstehen gefährliche Abfälle. Allerdings fand keines der Länder eine Lösung für das Problem.

Heutzutage wird Atommüll in Zwischenlagern, in Wasserbecken gelagert oder flach unter der Erde vergraben.

Die sicherste Methode ist die Lagerung in speziellen Lagereinrichtungen, allerdings ist auch hier, wie bei anderen Methoden auch, ein Strahlungsaustritt möglich.

Tatsächlich hat Atommüll einen gewissen Wert, erfordert aber die strikte Einhaltung der Regeln für seine Lagerung. Und das ist das dringendste Problem.

Ein wichtiger Faktor ist die Zeit, in der der Abfall gefährlich ist. Jedes hat seine eigene Zerfallsperiode, in der es giftig ist.

Arten von Atommüll

Beim Betrieb eines Kernkraftwerks gelangen seine Abfälle in die Umwelt. Dabei handelt es sich um Wasser zur Kühlung von Turbinen und gasförmigen Abfällen.

Atommüll wird in drei Kategorien unterteilt:

1. Niedriges Niveau - Kleidung der Mitarbeiter von Kernkraftwerken, Laborausrüstung. Solche Abfälle können auch aus medizinischen Einrichtungen und wissenschaftlichen Laboren stammen. Sie stellen keine große Gefahr dar, erfordern jedoch die Einhaltung von Sicherheitsmaßnahmen.
2. Zwischenniveau – Metallbehälter, in denen Kraftstoff transportiert wird. Ihre Strahlung ist recht hoch und diejenigen, die sich in ihrer Nähe aufhalten, müssen geschützt werden.
3. Der hohe Anteil entfällt auf abgebrannte Kernbrennstoffe und deren Wiederaufbereitungsprodukte. Die Radioaktivität nimmt rapide ab. Hochaktiver Abfall ist mit etwa 3 Prozent sehr klein, enthält aber 95 Prozent der gesamten Radioaktivität.

Der Lebenszyklus von Kernbrennstoffen auf Uran- oder Plutoniumbasis beginnt in Bergbauunternehmen, Chemiefabriken, in Gaszentrifugen und endet nicht mit der Entladung des Brennelementes aus dem Reaktor, da jedes Brennelement einen langen Weg zurücklegen muss der Entsorgung und anschließenden Wiederaufbereitung.

Gewinnung von Rohstoffen für Kernbrennstoffe

Uran ist das schwerste Metall der Erde. Etwa 99,4 % des Urans auf der Erde sind Uran-238 und nur 0,6 % sind Uran-235. Der Red-Book-Bericht der Internationalen Atomenergiebehörde zeigt, dass die Uranproduktion und -nachfrage trotz des Atomunfalls in Fukushima steigt, der bei vielen Zweifel über die Aussichten der Kernenergie aufkommen lässt. Allein in den letzten Jahren sind die nachgewiesenen Uranreserven um 7 % gestiegen, was mit der Entdeckung neuer Vorkommen verbunden ist. Die größten Produzenten bleiben Kasachstan, Kanada und Australien; sie fördern bis zu 63 % des weltweiten Urans. Darüber hinaus sind Metallreserven in Australien, Brasilien, China, Malawi, Russland, Niger, den USA, der Ukraine, China und anderen Ländern verfügbar. Zuvor hatte Pronedra geschrieben, dass im Jahr 2016 in der Russischen Föderation 7,9 Tausend Tonnen Uran gefördert wurden.

Heutzutage wird Uran auf drei verschiedene Arten abgebaut. Die offene Methode verliert nicht an Relevanz. Es wird dort eingesetzt, wo sich Ablagerungen nahe der Erdoberfläche befinden. Bei der offenen Methode bauen Bulldozer einen Steinbruch, dann wird das Erz mit Verunreinigungen auf Muldenkipper verladen, um es zu Verarbeitungskomplexen zu transportieren.

Oftmals liegt der Erzkörper in großer Tiefe, dann wird die Untertageabbaumethode angewendet. Dabei wird ein bis zu zwei Kilometer tiefes Bergwerk ausgehoben, das Gestein durch Bohren in horizontalen Stollen abgebaut und in Lastenaufzügen nach oben transportiert.

Das so nach oben transportierte Gemisch besteht aus vielen Bestandteilen. Das Gestein muss zerkleinert, mit Wasser verdünnt und der Überschuss entfernt werden. Anschließend wird der Mischung Schwefelsäure zugesetzt, um den Auslaugungsprozess durchzuführen. Bei dieser Reaktion erhalten Chemiker einen gelben Niederschlag aus Uransalzen. Schließlich wird Uran mit Verunreinigungen in einer Raffinationsanlage gereinigt. Erst danach entsteht Uranoxid, das an der Börse gehandelt wird.

Es gibt eine viel sicherere, umweltfreundlichere und kostengünstigere Methode namens Bohrloch-in-situ-Leaching (ISL).

Mit dieser Abbaumethode bleibt das Gebiet für das Personal sicher und der Strahlungshintergrund entspricht dem Hintergrund in Großstädten. Um Uran mittels Laugung abzubauen, müssen Sie 6 Löcher an den Ecken des Sechsecks bohren. Durch diese Brunnen wird Schwefelsäure in Uranlagerstätten gepumpt und mit ihren Salzen vermischt. Diese Lösung wird abgesaugt, nämlich durch einen Brunnen in der Mitte des Sechsecks gepumpt. Um die erforderliche Konzentration an Uransalzen zu erreichen, wird das Gemisch mehrmals durch Sorptionskolonnen geleitet.

Kernbrennstoffproduktion

Gaszentrifugen, mit denen angereichertes Uran hergestellt wird, sind aus der Kernbrennstoffproduktion nicht mehr wegzudenken. Nach Erreichen der erforderlichen Konzentration wird das Urandioxid zu sogenannten Tabletten gepresst. Sie werden mit Schmiermitteln hergestellt, die beim Brennen in Öfen entfernt werden. Die Brenntemperatur erreicht 1000 Grad. Anschließend werden die Tabletten überprüft, um sicherzustellen, dass sie den genannten Anforderungen entsprechen. Wichtig sind Oberflächenqualität, Feuchtigkeitsgehalt und das Verhältnis von Sauerstoff und Uran.

Gleichzeitig werden in einer weiteren Werkstatt Rohrhüllen für Brennelemente vorbereitet. Die oben genannten Prozesse, einschließlich der anschließenden Dosierung und Verpackung der Tabletten in Hüllrohren, der Versiegelung und der Dekontamination, werden als Kraftstoffherstellung bezeichnet. In Russland wird die Herstellung von Brennelementen (FA) von der Mashinostroitelny Zavod in der Region Moskau, dem Chemiekonzentratwerk Nowosibirsk in Nowosibirsk, dem Moskauer Polymetallwerk und anderen durchgeführt.

Jede Charge von Brennelementen wird für einen bestimmten Reaktortyp hergestellt. Europäische Brennelemente haben die Form eines Quadrats, während russische einen sechseckigen Querschnitt haben. Reaktoren der Typen WWER-440 und WWER-1000 sind in der Russischen Föderation weit verbreitet. Die ersten Brennelemente für WWER-440 wurden 1963 und für WWER-1000 1978 entwickelt. Trotz der Tatsache, dass in Russland aktiv neue Reaktoren mit Post-Fukushima-Sicherheitstechnologien eingeführt werden, sind im ganzen Land und im Ausland viele Kernkraftwerke alten Stils in Betrieb, sodass Brennelemente weiterhin gleichermaßen relevant sind verschiedene Typen Reaktoren.

Um beispielsweise Brennelemente für einen Kern des RBMK-1000-Reaktors bereitzustellen, werden über 200.000 Komponenten aus Zirkoniumlegierungen sowie 14 Millionen gesinterte Urandioxidpellets benötigt. Manchmal können die Herstellungskosten einer Brennelementanordnung die Kosten des in den Elementen enthaltenen Brennstoffs übersteigen, weshalb es so wichtig ist, eine hohe Energieeffizienz pro Kilogramm Uran sicherzustellen.

Kosten für Herstellungsprozesse V %

Unabhängig davon sind Brennelemente für Forschungsreaktoren zu erwähnen. Sie sind so konzipiert, dass die Beobachtung und Untersuchung des Neutronenerzeugungsprozesses so komfortabel wie möglich ist. Solche Brennstäbe für Experimente in den Bereichen Kernphysik, Isotopenproduktion und Strahlenmedizin werden in Russland im Chemiekonzentratwerk Nowosibirsk hergestellt. FAs werden auf Basis nahtloser Elemente mit Uran und Aluminium hergestellt.

Die Produktion von Kernbrennstoff in der Russischen Föderation erfolgt durch das Brennstoffunternehmen TVEL (ein Geschäftsbereich von Rosatom). Das Unternehmen befasst sich mit der Anreicherung von Rohstoffen, der Montage von Brennelementen und bietet auch Dienstleistungen zur Brennstofflizenzierung an. „Kovrov Mechanical Plant“ in der Region Wladimir und „Ural Gas Centrifuge Plant“ in Gebiet Swerdlowsk Erstellen Sie Ausrüstung für russische Brennelemente.

Merkmale des Transports von Brennstäben

Natururan zeichnet sich durch eine geringe Radioaktivität aus, allerdings wird das Metall vor der Herstellung von Brennelementen einem Anreicherungsverfahren unterzogen. Der Gehalt an Uran-235 in natürlichem Erz überschreitet nicht 0,7 % und die Radioaktivität beträgt 25 Becquerel pro 1 Milligramm Uran.

Uranpellets, die in Brennelementen eingelegt werden, enthalten Uran mit einer Uran-235-Konzentration von 5 %. Fertige Brennelemente mit Kernbrennstoff werden in Sondertransporten transportiert Metallbehälter hohe Festigkeit. Für den Transport werden Schienen-, Straßen-, See- und sogar Lufttransporte genutzt. Jeder Container enthält zwei Baugruppen. Der Transport von unbestrahltem (frischem) Brennstoff stellt keine Strahlengefahr dar, da die Strahlung nicht über die Zirkonrohre hinausgeht, in die die gepressten Uranpellets eingelegt werden.

Für den Treibstofftransport wird eine spezielle Route entwickelt; die Ladung wird in Begleitung von Sicherheitspersonal des Herstellers oder (häufiger) des Kunden transportiert, was vor allem auf die hohen Kosten der Ausrüstung zurückzuführen ist. In der gesamten Geschichte der Kernbrennstoffproduktion wurde kein einziger Transportunfall mit Brennelementen registriert, der den Strahlungshintergrund beeinflusst hätte Umfeld oder zu Verlusten geführt haben.

Brennstoff im Reaktorkern

Eine Kernbrennstoffeinheit – ein TVEL – ist in der Lage, über einen langen Zeitraum enorme Energiemengen freizusetzen. Weder Kohle noch Gas können mit solchen Mengen mithalten. Der Brennstofflebenszyklus in jedem Kernkraftwerk beginnt mit der Entladung, Entnahme und Lagerung von frischem Brennstoff im Brennelementlager. Wenn die vorherige Brennstoffcharge im Reaktor durchbrennt, baut das Personal die Brennelemente zusammen, um sie in den Kern (den Arbeitsbereich des Reaktors, in dem die Zerfallsreaktion stattfindet) zu laden. In der Regel wird der Treibstoff teilweise nachgeladen.

Der volle Brennstoff wird dem Kern erst zum Zeitpunkt der ersten Inbetriebnahme des Reaktors zugeführt. Dies liegt daran, dass die Brennstäbe im Reaktor ungleichmäßig ausbrennen, da der Neutronenfluss in verschiedenen Zonen des Reaktors unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Dank Messgeräten hat das Stationspersonal die Möglichkeit, den Ausbrandgrad jeder einzelnen Kraftstoffeinheit in Echtzeit zu überwachen und Ersatz zu leisten. Anstatt neue Brennelemente zu laden, werden die Brennelemente manchmal untereinander bewegt. Im Zentrum der aktiven Zone tritt Burnout am intensivsten auf.

FA nach einem Atomkraftwerk

Uran, das in einem Kernreaktor verbraucht wurde, wird als bestrahlt oder verbrannt bezeichnet. Und solche Brennelemente werden als abgebrannter Kernbrennstoff verwendet. SNF wird getrennt von radioaktivem Abfall gelagert, da es mindestens zwei nützliche Komponenten enthält – unverbranntes Uran (die Abbrandtiefe des Metalls erreicht nie 100 %) und Transuran-Radionuklide.

IN In letzter Zeit Physiker begannen, in abgebrannten Kernbrennstoffen angesammelte radioaktive Isotope in Industrie und Medizin zu nutzen. Nachdem der Brennstoff seine Kampagne abgeschlossen hat (die Zeit, in der sich die Baugruppe unter Betriebsbedingungen bei Nennleistung im Reaktorkern befindet), wird er in das Kühlbecken, dann zur Lagerung direkt im Reaktorraum und anschließend zur Wiederaufbereitung oder Entsorgung geschickt. Das Kühlbecken dient der Wärmeabfuhr und dem Schutz vor ionisierender Strahlung, da das Brennelement auch nach der Entnahme aus dem Reaktor gefährlich bleibt.

In den USA, Kanada oder Schweden werden abgebrannte Brennelemente nicht zur Wiederaufbereitung geschickt. Andere Länder, darunter Russland, arbeiten an einem geschlossenen Brennstoffkreislauf. Dadurch können Sie die Kosten für die Herstellung von Kernbrennstoffen erheblich senken, da ein Teil der abgebrannten Brennelemente wiederverwendet wird.

Die Brennstäbe werden in Säure gelöst, anschließend trennen die Forscher das Plutonium und ungenutztes Uran vom Abfall. Etwa 3 % der Rohstoffe können nicht wiederverwendet werden; dabei handelt es sich um hochradioaktive Abfälle, die Bitumen- oder Vitrifizierungsverfahren unterzogen werden.

1 % Plutonium kann aus abgebrannten Kernbrennstoffen zurückgewonnen werden. Dieses Metall muss nicht angereichert werden, Russland nutzt es zur Herstellung innovativer MOX-Kraftstoffe. Ein geschlossener Brennstoffkreislauf ermöglicht es, ein Brennelement um etwa 3 % günstiger herzustellen, diese Technologie erfordert jedoch große Investitionen in den Bau von Industrieanlagen und hat sich daher weltweit noch nicht durchgesetzt. Der Kraftstoffkonzern Rosatom stellt die Forschung in dieser Richtung jedoch nicht ein. Pronedra schrieb das kürzlich in Russische Föderation arbeiten an Brennstoffen, die in der Lage sind, die Isotope von Americium, Curium und Neptunium im Reaktorkern zu recyceln, die ebenfalls in 3 % der hochradioaktiven Abfälle enthalten sind.

Kernbrennstoffproduzenten: Bewertung

1. Das französische Unternehmen Areva deckte bis vor Kurzem 31 % des Weltmarktes für Brennelemente ab. Das Unternehmen produziert Kernbrennstoff und montiert Komponenten für Kernkraftwerke. Im Jahr 2017 wurde Areva einer qualitativen Renovierung unterzogen, neue Investoren kamen in das Unternehmen und der kolossale Verlust von 2015 wurde um das Dreifache reduziert.
2. Westinghouse ist die amerikanische Abteilung des japanischen Unternehmens Toshiba. Es entwickelt aktiv den Markt in Osteuropa und liefert Brennelemente an ukrainische Kernkraftwerke. Zusammen mit Toshiba deckt es 26 % des weltweiten Marktes für die Kernbrennstoffproduktion ab.
3. Auf dem dritten Platz liegt das Treibstoffunternehmen TVEL des Staatskonzerns Rosatom (Russland). TVEL deckt 17 % des Weltmarktes ab, verfügt über ein zehnjähriges Vertragsportfolio im Wert von 30 Milliarden US-Dollar und liefert Brennstoff für mehr als 70 Reaktoren. TVEL entwickelt Brennelemente für WWER-Reaktoren und betritt auch den Markt für Kernkraftwerke westlicher Bauart.
4. Nach neuesten Daten deckt Japan Nuclear Fuel Limited 16 % des Weltmarktes ab und beliefert die meisten Kernreaktoren in Japan selbst mit Brennelementen.
5. Mitsubishi Heavy Industries ist ein japanischer Riese, der Turbinen, Tanker, Klimaanlagen und neuerdings auch Kernbrennstoff für westliche Reaktoren herstellt. Mitsubishi Heavy Industries (ein Geschäftsbereich der Muttergesellschaft) beschäftigt sich mit dem Bau von APWR-Kernreaktoren. Forschungstätigkeit zusammen mit Areva. Dieses Unternehmen wurde von der japanischen Regierung mit der Entwicklung neuer Reaktoren beauftragt.

Ein modernes Auto kann mit Benzin mit einer Oktanzahl von 72 fahren – aber es wird eine traurige und langsame Fahrt. Ein Kernkraftwerk ist in der Lage, mit vor 50 Jahren entwickeltem Brennstoff zu arbeiten – aber es wird in einem unrentablen Modus arbeiten; der Reaktor wird nicht in der Lage sein, die neuen Fähigkeiten auszuschöpfen, die seine Konstrukteure in ihn eingebaut haben. Seit der Errichtung des allerersten Kernkraftwerks haben Nuklearwissenschaftler ständig daran gearbeitet harte Arbeit die Qualität des Kernbrennstoffs zu verbessern und den Nutzen zu erhöhen Kernenergie.

Wir alle haben gesehen und sind bereits daran gewöhnt, wie Atomkraftwerke aussehen – gigantische Bauwerke, die als eines der Symbole gelten können und sollten moderne Bühne Entwicklung der menschlichen Zivilisation. Riesige Turbinen, deren rotierender Rotor eine enorme Kraft erzeugt elektrischer Strom, leistungsstarke Pumpen, die Wasser unter hohem Druck durch den Reaktorkern treiben, langlebige Reaktorbehälter, zusätzliche versiegelte Hüllen, die Erdbeben und darauf fallenden Flugzeugen standhalten. Rohrleitungen des Primär- und Sekundärkreislaufs, riesige Kühltürme, in denen das Wasser des Sekundärkreislaufs kühlt – alles hier ist groß, teilweise kolossal. Das Herz eines jeden Kernreaktors ist jedoch sehr klein, da die kontrollierte Kernspaltungsreaktion in sehr kleinen Brennstoffpellets stattfindet, die mit dem Isotop 235 angereichertes Uran enthalten. Hier geschieht in kleinen Tabletten das Wichtigste – die Freisetzung einer riesigen Wärmemenge, zu deren sinnvoller Nutzung alles geschaffen wird, was wir in Kernkraftwerken sehen. Das sind alles große und schöne, komplexe Geräte, die einen enormen Aufwand in Produktion und Betrieb erfordern – einfach nur „Service“ für Brennstoffpellets.

Kernenergie ohne Formeln

Es ist ziemlich schwierig, darüber zu sprechen, was Kernbrennstoff aus einem Kernkraftwerk ist – in gewöhnlichen Fällen erfordert die Beschreibung mehrstufige mathematische Formeln, Atomphysik und andere Quantenmechanik. Versuchen wir, auf all das zu verzichten, um zu verstehen, wie unsere Nuklearwissenschaftler Uran gezähmt und es zu einer zuverlässigen Quelle der dringend benötigten Energie gemacht haben, die wir brauchen. elektrische Energie. Es scheint uns, dass Logik und einfacher gesunder Menschenverstand dafür völlig ausreichen werden, und Startpunkt wird eine Schulbeschreibung einer Spaltkettenreaktion sein. Erinnern?

„Ein Neutron trifft auf einen Urankern und schlägt zwei Neutronen auf einmal aus ihm heraus, die nun auf ein paar Kerne treffen und vier auf einmal ausschlagen …“

Nukleare Kettenreaktion

Mathematisch gesehen ist bei einem Neutronenvervielfachungsfaktor von zwei eine kontrollierte Kettenreaktion unmöglich. Die Zahl der freien Neutronen und Zerfallsereignisse von Urankernen wächst so lawinenartig, dass es nur ein Ergebnis geben kann – eine Atomexplosion. Damit die Reaktion reibungslos abläuft, damit sie kontrolliert und reguliert werden kann, muss ein Multiplikationsfaktor von 1,02 erreicht werden – einhundert freie „Anfangs“-Neutronen sollten 102 freie Neutronen des „Sekunden“ hervorbringen Generation“, alles andere muss eliminiert, absorbiert, neutralisiert werden – nennen Sie diesen Prozess, wie Sie wollen, aber er muss passieren. Dieser Schwellenwert wurde theoretisch berechnet, wofür ein besonderer Dank an unsere Wissenschaftler geht. Sie fanden heraus, dass der natürliche Gehalt des Isotops 235 nicht ausreicht, um den Multiplikationsfaktor über eins zu bringen. Mit anderen Worten: Wenn wir wollen, dass die Spaltungsreaktion weitergeht, müssen wir lernen, den Gehalt dieses Isotops auf 3–4 % zu erhöhen, also 5–6 Mal höher als das, was uns Mutter Natur bietet. Die Theoretiker führten die Berechnungen durch, aber die praktischen Ingenieure erledigten den Rest der Arbeit: Sie erfanden Möglichkeiten, Materialien zu verwenden, die überschüssige Neutronen im Reaktorkern absorbieren, und erfanden „Neutronenneutralisatoren“.

Chemie ist Leben

Wie Uran anhand des Isotopen-235-Gehalts angereichert wird, Analytical Online Journal Geoenergetics.ru Ich habe Ihnen bereits gesagt, dass Uran zunächst in Gas umgewandelt werden muss, in Uranfluorid, und dann mithilfe von Gaszentrifugen die schweren Atome „aussortiert“ werden müssen, wodurch die Zahl der leichten Atome (der Kern des Hauptisotops von Uran) zunimmt enthält 238 Protonen und Neutronen, ein solches Atom wiegt drei Atomeinheiten größer als das Uran-235-Atom). Großartig – Fluorid ist reicher an Uran-235 geworden, alles ist in Ordnung. Und dann – was und wie? Der Weg des Kernbrennstoffs in die Reaktoren von Kernkraftwerken beginnt in den fürsorglichen Händen von Chemikern, die Höchstleistungen erbringen wichtige Arbeit- Sie wandeln Gas in eine feste Substanz um, und zwar in die Art, die ihnen die Nuklearwissenschaftler „befohlen“ haben. Was die Kernenergie so überraschend macht, ist, dass sie nicht nur auf die Atomphysik beschränkt ist, sondern Dutzende wissenschaftlicher Disziplinen gleichzeitig nutzt, darunter Rosatom Es gibt immer einen Platz für Chemiker, Materialwissenschaftler, Metallurgen und viele, viele andere Spezialisten.

Und Physiker „bestellen“ Chemiker Urandioxid – ein Pulver aus Molekülen, das ein Uranatom und zwei Sauerstoffatome enthält. Wieso er? Ja, viele Eigenschaften dieser Moleküle sind erschreckend gut. Der Schmelzpunkt von Urandioxid liegt bei 2.840 Grad; es ist sehr schwierig, es zum Schmelzen zu bringen; in der Geschichte der Kernenergie gab es nur drei Unfälle, bei denen Kernbrennstoff schmolz. Urandioxid ist wenig anfällig für die sogenannte Gasquellung – ein interessantes Phänomen, aber schädlich für die Kernenergie. Was im Reaktorkern passiert, ist die Verkörperung des Traums mittelalterlicher Alchemisten, dort finden bei einigen Verwandlungen statt chemische Elemente in anderen völlig anders als sie. Ein freies Neutron, das auf einen Uran-235-Kern trifft, schlägt nicht nur weitere freie Neutronen aus ihm heraus, sondern führt auch dazu, dass der Kern selbst in verschiedene Teile zerfällt. Wie genau die Spaltung abläuft und welche neuen Kerne entstehen, ist eine Frage des Zufalls, aber Statistiken zeigen, dass es neben anderen Spaltfragmenten auch Gase gibt. Sie sammeln sich im Inneren der Brennstoffpellets an und verhalten sich wie Gase: Sie versuchen, so viel Volumen wie möglich einzunehmen, sie versuchen, die Brennstoffpellets buchstäblich in Stücke zu reißen. Stimmen Sie zu, das hat nichts Sinnvolles – wir brauchen ein intaktes und gesundes Brennstoffpellet, damit es so lange wie möglich im Kern verbleiben kann, um die gesamte in den Kernen der Uranatome enthaltene Energie auf uns zu übertragen. Also nur Hardcore, nur Urandioxid – es ermöglicht die Verwendung höherer Temperaturen, was die Effizienz eines Kernkraftwerks erhöht, es ermöglicht eine Erhöhung des Brennstoffabbrands.

„Kernbrennstoffverbrennung“ ist ein völlig wissenschaftlicher und technischer Begriff, aber um zu verstehen, was er ist, ist er der höchste Sportunterricht nicht erforderlich. Der Brennstoffabbrand ist der Anteil der Urankerne, die bei Einwirkung von Neutronen eine Kernumwandlung erfahren haben. In Prozent ausgedrückt: Je höher der Prozentsatz, desto mehr Urankerne konnten wir für die von uns benötigten Zwecke nutzen und von ihnen Wärme erhalten, die zur Stromerzeugung genutzt wurde. Der Brennstoffabbrand ist somit einer der wesentlichen wirtschaftlichen Parameter eines Kernkraftwerks. Wenn wir 100 Kilogramm Uran-235 in den Kern einbringen und am Ende der Brennstoffkampagne 99 Kilogramm davon entfernen, ist eine solche Konstruktion des Kerns, des Reaktors und des Kernkraftwerks wertlos. Wenn sich jedoch herausstellt, dass in den aus dem Kern entfernten Brennstoffpellets kein Uran-235 mehr vorhanden ist, haben die Konstrukteure gute Arbeit geleistet und es ist an der Zeit, jedem von ihnen dringend eine Chance zu geben Nobelpreis, besser – zwei.

Tatsächlich ist eine Burnout-Rate von 100 % prinzipiell unerreichbar, was aber nicht bedeutet, dass sie nicht dafür kämpfen – um jeden Prozentsatz gibt es ernsthafte Kämpfe. Je größer die Abbrandtiefe, desto geringer sind die Kosten für den erzeugten Strom, und der Wettbewerb mit Energieträgern, die auf der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen basieren, ist nicht aufgehoben. Darüber hinaus gilt: Je länger die Tablette „brennt“, desto seltener muss der Reaktor den Brennstoff nachladen. Das Design des WWER (wassergekühlter wassergekühlter Leistungsreaktor) ist so konzipiert, dass der Brennstoff gewechselt wird, wenn der Reaktor vollständig gestoppt und abgekühlt ist – das ist sicherer. Je weniger solche Abschaltungen, desto höher ist der installierte Auslastungsfaktor; der Kapazitätsfaktor ist der zweitwichtigste Wirtschaftsindikator eines Kernkraftwerks. Im technischen Datenblatt Ihres Staubsaugers ist dessen Leistung angegeben – beispielsweise 1.200 Wh. Wenn der Staubsauger jedoch genau eine Stunde lang arbeitet, erhalten Sie 1.200 Watt, im halbstündigen Betriebsmodus – eine halbe Stunde „etwas hat Ihren unteren Rücken gepackt“ – erhalten Sie nur 600 Watt, oder anders ausgedrückt, die Leistung von Der Staubsauger wird nur 50 % erreichen. Wie beim Brennstoffabbrand liegt das angestrebte Ziel bei 100 %, und auch hier zählt jedes Prozent, denn die Wirtschaftlichkeit eines Kernreaktors muss profitabler sein als die Wirtschaftlichkeit eines Wärmekraftwerks und sogar die Wirtschaftlichkeit eines Wasserkraftwerks .

Es scheint – wie kann man profitablere wirtschaftliche Ergebnisse vorweisen als ein Wasserkraftwerk, das überhaupt keinen Brennstoff benötigt, wo nur die Energie des fallenden Wassers genutzt wird? Ja, es ist ganz einfach: Wasser fällt nicht 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr auf die Hydraulikeinheiten; dafür ist eine ganz bestimmte Wassermenge im Reservoir erforderlich. Bis dieses Volumen erreicht ist, wird das Wasserkraftwerk „ruhen“, und das Kernkraftwerk, das von solchen Pausen nichts weiß, wird Zeit haben, seinen Rivalen einzuholen und zu überholen. Hier eine kurze Zusammenfassung: Effizienz, Abbrand und Kapazitätsfaktor eines jeden Kernkraftwerks hängen entscheidend vom Brennstoffpellet und seinem Material ab. Denken Sie daran, ein Chemiker, der Uranfluoridgas in Urandioxidpulver verwandelt – die Zukunft der Kernenergie hängt von Ihren Fähigkeiten ab!

Treibstofftabletten – Schritt für Schritt

Erklären in einfachen Worten Sie können viel tun, aber eine solche Übung zur Beschreibung der Arbeit von Chemikern ist mit dem Wort „im Allgemeinen“ unmöglich, also machen Sie sich bereit. Uranfluoridgas wird zunächst durch eine wässrige Lösung geleitet, um Uranylfluorid zu erhalten, das mit Ammoniak und dem Säurerest der Kohlensäure vermischt wird. Das Ergebnis ist Ammoniumuranylcarbonat, das ausfällt – bedenken Sie, dass die halbe Miete bereits getan ist, wir haben zumindest etwas Festes, nicht Gasförmiges. Die Suspension wird durch einen Filter geleitet, gewaschen und in einen Wirbelschichtofen geleitet, wo aufgrund der hohen Temperatur alle unnötigen Verunreinigungen zerfallen und ein trockener Rückstand von Urantrioxidpulver zurückbleibt (auf jedes Uranatom in diesem Molekül kommen drei). Sauerstoffatome). Das war's, jetzt gehört er fast uns!

Bereich zur Herstellung von Urandioxidpulver mittels Hochtemperaturpyrohydrolyse

Die Temperatur ist wieder hoch – 500 Grad, aber dieses Mal mit Wasserstoff, der das zusätzliche Sauerstoffatom übernimmt, und die Chemiker gehen ruhig in die Mittagspause, damit die Physiker das begehrte Urandioxid nehmen können. Sie freuen sich jedoch früh - sie werden sofort auf die ausgestreckten Rechenhände geschlagen ... von Metallurgen, da Treibstofftabletten durch Pulvermetallurgie hergestellt werden. Das bei der Arbeit der Chemiker entstehende Pulver wird zerkleinert, gesiebt und man erhält ein feines Pulver – zerkleinert bis fast zu Staub. Nach Zugabe von Bindemitteln und Gleitmitteln werden die Tabletten erneut gepresst und getempert, um unnötige Verunreinigungen zu entfernen. Danach steigt die Temperatur auf 1.750 Grad, die Tabletten werden dichter, schwerer – nun können sie mechanisch verarbeitet werden. Um die benötigten Maße zu erhalten, kommt der Rundschleifer ins Spiel – das ist alles.

Produktionsbereich für Uranpellets

Nein, nicht ganz „alles“, denn unmittelbar danach kommen Inspektoren in die Werkstatt, um die geometrischen Abmessungen, die Oberflächenqualität, den Feuchtigkeitsgehalt und das Verhältnis von Sauerstoff- und Uranatomen zu überprüfen. Bitte beachten Sie, dass es nicht notwendig ist, das Verhältnis von Uran-235- und Uran-238-Atomen zu überprüfen – egal welche Manipulationen Chemiker durchführen, ihre Aktionen haben keinen Einfluss auf die Zusammensetzung von Atomkernen. Das Ergebnis all dieser Arbeit sind Brennstofftabletten mit einem Gewicht von nur 4,5 Gramm, aber diese winzigen Pellets enthalten in 360 Kubikmetern die gleiche Energiemenge wie 400 kg Kohle Erdgas oder 350 kg Öl.

Produktion und technische Kontrolle von nuklearen Keramikbrennstoffpellets

Das Sortiment an Tablets, die in russischen Nuklearunternehmen hergestellt werden, die Teil davon sind TVEL Fuel Company– mehr als 40 Sorten, unterschiedliche Größen, unterschiedliche Anreicherungsgrade von Uran-235. Eines bleibt jedoch unverändert: In der Kernenergie wird weiterhin Urandioxid als Brennstoff verwendet, was an sich eines der Hindernisse für die Ausbreitung von Radioaktivität darstellt. Bei Betriebstemperaturen hält dieses Material 98 % der Zersetzungsprodukte in sich zurück, wodurch die Dichtungsbelastung auf ein Minimum reduziert wird. Damit der Brennstoff seine „Barriere“-Funktionen erfüllen kann, ist es wichtig, dass die Wechselwirkung des Brennstoffs mit dem Kühlmittel minimal ist – sonst besteht die Möglichkeit, dass radioaktive Zerfallsprodukte in die Atmosphäre gelangen. Außenumgebung mit allen daraus resultierenden unangenehmen Folgen.

Ein Brennstab ist nicht nur ein „langes Rohr“

Okay, die Tabletten sind fertig, was kommt als Nächstes? Die Idee eines Kernreaktors ist einfach: Das Kühlmittel muss die gesamte durch Kernreaktionen freigesetzte Wärme „abführen“. Dabei handelt es sich nicht um eine einmalige Entfernung; diese Entfernung muss während der gesamten Brennstoffsitzung erfolgen – also während der Zeit, in der sich der Brennstoff im Reaktorkern befindet. In WWER-Reaktoren wird diese Arbeit dadurch verrichtet, dass Wasser unter hohem Druck durch den Kern strömt. Treibstofftabletten in den Kern werfen wie Knödel in kochendes Wasser? Dies ist keine Option; viel sinnvoller ist es, dafür zu sorgen, dass sich die Brennstoffpellets in einer stationären Position befinden, entlang derer ein Wasserstrom unter Druck fließt und das bei Kernreaktionen gebildete Wasser abtransportiert. Wärmeenergie. Daher ist eine Art „Klemme“ erforderlich, die dafür sorgen soll, dass der Brennstoff stationär fixiert wird – dabei handelt es sich um ein hohles, dünnwandiges Rohr, in dessen Inneren sich die Brennstoffpellets befinden – der Brennstab, das Brennelement.

Brennelemente (Brennelemente), Foto: wikimedia.org

Warum dünnwandig? Damit die in den Brennstoffpellets entstehende Wärme nahezu ungehindert durch Wasser „abgeführt“ werden kann, ist eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit die erste Anforderung an das Material der Brennstabwände. Nahm – gab, nahm – gab. Auch die zweite Anforderung liegt auf der Hand: Die Außenseite der Brennelementwände steht ständig unter Wasser, daher darf das Material keine Angst vor Korrosion haben. Auch die dritte Bedingung liegt auf der Hand: Das Material muss einer konstant hohen Radioaktivität standhalten, ohne grundlegende nukleare Prozesse zu beeinträchtigen. Es muss möglichst wenige Neutronen absorbieren, um die Kernreaktion nicht zu unterbrechen, um nicht die Produktion von Uran mit einem höheren Anreicherungsgrad des Isotops 235 zu erzwingen. Der Durchmesser des Rohres sowie der Durchmesser der Brennstoffpellets sollte möglichst klein sein, da sonst die in den zentralen Segmenten entstehende Wärme nicht an das Kühlmittel gelangt. Dies sind die Anforderungen, die eine so „einfache“ Sache wie eine dünne Wand eines Brennstabs erfüllen muss.

In der Phase der Entwicklung der Kernenergie wurde Edelstahl zu einem solchen Material, aber das hielt nicht lange an – es stellte sich heraus, dass Stahl zu viele freie Neutronen aufnimmt, man brauchte etwas weniger Gefräßiges. Zu diesem Zeitpunkt hatten Nuklearwissenschaftler gründlich gearbeitet und ein Metall mit einem minimalen Neutroneneinfangquerschnitt gefunden – Zirkonium. In diesem Fall ersetzt das Wort „Abschnitt“ das Wort „Wahrscheinlichkeit“. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein vorbeiziehendes Neutron in seiner Schlinge vom Kern eines Zirkoniumatoms eingefangen wird, ist minimal, während Zirkonium einen hervorragenden Wärmeübergangskoeffizienten hat, es keine Wechselwirkung mit Wasser eingeht, es erst bei Temperaturen über 1.855 Grad schmilzt hat einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten – stattdessen „gibt“ es Wärme einfach an die äußere Umgebung ab, um bei Erwärmung zu „quellen“. Stimmen Sie zu – es ist einfach ein ideales Material für die Kernenergie, wenn Sie es in idealer chemischer Reinheit erreichen können, da jede Verunreinigung dazu neigt, freie Neutronen aktiv zu „fressen“.

Produktionswerkstatt für Brennstäbe und Brennelemente

Sobald die Metallurgen bekannt gaben, dass sie gelernt hatten, mit dieser Aufgabe umzugehen, stellte die Kernenergie auf Zirkonium um. Das einzige Unternehmen in Russland und eines von drei weltweit, das über einen vollständigen Produktionszyklus von Zirkonium und seinen Legierungen verfügt, ist das mechanische Werk Tschepetsk (Glasow, Udmurtien), das zum Kraftstoffunternehmen TVEL gehört. Seit 1986 hat ChMP auf die Herstellung von Brennelementgehäusen aus der Legierung E-110 umgestellt – dem Zirkonium wird ein Prozent Niob zugesetzt, und dieser kleine Anstieg erhöht die Korrosionsbeständigkeit des Materials deutlich. Noch bessere mechanische Eigenschaften weist die derzeit verwendete Legierung E-365 auf, die neben Zirkonium und Niob auch Eisen und Zinn enthält. Jeder Schritt bei der Herstellung von Brennstäben ist äußerst wichtig; das Vorhandensein dieser Elemente ermöglicht eine bessere Bewältigung des Schweißens und anderer Verbindungsmethoden verschiedene Materialien. In Russland hergestellte Brennelemente erfüllen alle IAEA-Anforderungen, weisen hervorragende Leistungseigenschaften auf und ermöglichen eine Verbesserung der wirtschaftlichen Kennzahlen der Kernenergie.

Was wie ein „einfaches mechanisches Teil“ erscheinen mag, ist es natürlich nicht.

Brennstab im Schnitt, Abb.: heuristic.su

Hier Kurzbeschreibung Brennstab mit Inhalt darin. Länge – 3,8 Meter, Außendurchmesser – 9,1 mm. Im Inneren befinden sich Urandioxid-Tabletten mit einem Außendurchmesser von 7,57 mm und einer Höhe von 20 mm; in der Mitte jeder Tablette befindet sich ein Loch mit einem Durchmesser von 1,2 mm. Das Pellet berührt die Wände des Brennstabs nicht; der Spalt und das Loch im Inneren des Pellets sind so gestaltet, dass der Brennstab die beim Kernzerfall entstehenden radioaktiven Gase zurückhalten kann. Die Pellets werden mit Buchsen im Brennelement befestigt, die Gesamtlänge der Pelletsäule beträgt 3,53 Meter, während der Brennstoffsitzung verlängert sich die Länge um 30 mm. Ja, alles wird in Millimetern und sogar in Bruchteilen gemessen – schließlich handelt es sich bei der Kernenergie um kleinste Materieteilchen.

Hier ist ein Tablet mit einem Durchmesser von weniger als 8 mm – es scheint, dass darin etwas Interessantes stecken könnte? Aber bei Kernreaktionen erreicht die Temperatur im zentralen Teil der Tablette 1.500 bis 1.600 Grad und an der Außenfläche nur 470. Ein Unterschied von tausend Grad in einem Abstand von 3 bis 4 Millimetern, Metall wird Gas - das sind die Wunder, die in den winzigen Pillen stecken.

Vom Brennstab zum Brennelement

Sie stellten die Tabletten her und steckten sie in den Brennstab – das war's? Natürlich nicht – die Röhre wiegt zusammen mit dem Treibstoff nur 2,1 kg, was der Masse von Uran entspricht lange Arbeit wird nicht ausreichen. Die nächste Stufe bei der Bildung von Kernbrennstoff ist die Bildung von Brennelementen und Brennelementen. Für den am weitesten verbreiteten Reaktor in Russland, WWER-1000, werden 312 Brennstäbe zu einem Brennelement zusammengefügt, und zwischen ihnen bleiben Lücken für den Eintritt von Steuer- und Schutzsystemstäben, die mit einem so wirksamen Neutronenabsorber wie Bor gefüllt sind. An der Unterseite des Brennelements befindet sich ein sogenannter Schaft – die Stelle, an der die Brennstäbe befestigt werden.

Rahmenherstellung – Schweißen von Kanälen und Abstandsgittern

Im oberen Teil sind die Brennstäbe durch einen Federblock am Kopf befestigt – er schützt die Brennstäbe vor dem Aufschwimmen während des Reaktorbetriebs. Ja, Uran – schweres Element, Zirkonium kann auch nicht als leicht bezeichnet werden, aber es ist zu bedenken, dass die nominale Wasserdurchflussrate durch die Brennelemente 500 Kubikmeter pro Stunde beträgt, Wasser bewegt sich entlang der Brennstäbe mit einer Geschwindigkeit von 200 km/h in Richtung vom Boden nach oben - eine solche Strömung bringt alles zum Schweben. Die Brennstäbe sind durch Abstandsgitter voneinander getrennt, die diese Rohre an ihren regulären Plätzen halten und so eine möglichst effiziente Wärmeabfuhr gewährleisten. Auf Brennelementen unterschiedlicher Bauart gibt es 12 bis 15 Distanzgitter, nur diese Anzahl ermöglicht es dem Wasser, die Nutzwärme abzuführen.

Kanäle und Abstandsgitter, Qualitätskontrolle

Und dennoch hat uns auch dies nicht vollständig vor dem Problem der Biegung von Brennstäben und Brennelementen bewahrt. Unsere Baugruppen konnten mechanischen Axialbelastungen nicht standhalten – fast vier Meter Länge bei einer Schalendicke von 0,65 mm, ein starker Wasserfluss und hohe Temperaturen taten ihr Übriges. Im Jahr 1993 wurde schließlich klar, dass etwas gegen dieses Problem unternommen werden musste, um Wege zu finden, es zu beseitigen. Minatom hat eine entsprechende Anfrage an die IAEA gestellt – wie ist die Situation mit diesem Problem? westliche Länder. Die IAGTE führte eine entsprechende Umfrage bei Betreiberorganisationen durch und fand keine Sensation – auch westliche Nuklearwissenschaftler haben dieses Problem, sie suchen auch nach Wegen, damit umzugehen.

Nun, entschuldigen Sie, aber wir müssen noch einmal auf den Hauptmythos der liberalen Ökonomie eingehen – die Effizienz des privaten Eigentümers im Vergleich zum schwerfälligen, trägen Staatssektor der Wirtschaft. Im Westen und insbesondere in den USA gibt es eine beträchtliche Anzahl privater Eigentümer von Kernkraftwerken, die das Problem jedoch nicht lösen konnten. Minatom handelte in Übereinstimmung mit den Traditionen des Ministeriums für mittleren Maschinenbau – es übertrug die Lösung des Problems gleichzeitig zwei Konstruktionsbüros, sodass als Ergebnis der Kampf zweier entstand gute Projekte Der Sieg ging an die Besten. Teilnehmer des kapitalistischen Wettbewerbs waren das Podolsker OKB (Büro für experimentelles Design) „Gidropress“ und das nach ihm benannte Nischni Nowgorod OKBM (OKB Mashinostroeniya). Afrikantova. Beide Konstruktionsbüros sind derzeit Teil der Maschinenbauholding Atomenergomash, was jedoch die Intensität des Wettbewerbs nicht verringert.

Wettbewerb ist der Motor des Fortschritts

Einwohner von Nischni Nowgorod entwickelten ein TVS-Design, das die Abkürzung TVSA erhielt; im Verlauf der Entwicklung erschienen nacheinander Modifikationen von TVSA-12, TVSA-PLUS und TVSA-T. Sein Hauptmerkmal ist, dass Ecken an die Abstandsgitter geschweißt wurden, um die Steifigkeit der Struktur zu erhöhen, aber Gidropress akzeptierte dieses Konzept nicht – die überschüssige Menge an Zirkonium, aus dem die Ecken hergestellt sind, im Kern, laut Experten zufolge können die Neutroneneigenschaften der Kernreaktorzonen negativ beeinflusst werden. Die bei Gidropress erstellte Modifikation mit der Abkürzung UTVS (Advanced TVS) verwendet kein starres Schweißen von Abstandsgittern und Führungskanälen. UTVS wurde erstmals in Kernkraftwerken mit erhöhten Anforderungen an die Erdbebensicherheit eingesetzt – im chinesischen Tianwan, im iranischen Buschehr , im indischen Kudankulam.“ Es ist jedoch falsch zu sagen, dass diese Entwicklung nur von Mitarbeitern des Gidropress Design Bureau durchgeführt wurde: des Kurtschatow-Instituts, des Obninsker Physik- und Energieinstituts, des Nowosibirsker Chemiekonzentratwerks und des nach ihm benannten Forschungsinstituts. Bochvara. Aber das Ergebnis ist wichtig – der Pilottest im Kernkraftwerk Rostow zeigte hervorragende Ergebnisse, ausländische Kunden waren äußerst zufrieden mit der erhöhten Zuverlässigkeit des UTVS.

Balkenmontage

Die Einzelheiten des Kampfes zwischen zwei Designbüros zu beobachten, ist ein faszinierendes Spektakel, aber es gibt so viele technische Details, dass es einige Mühe kosten wird professionelle Übersetzer. Breite und schmale Gitter, spärliche Gitter, Turbulatoren und Deflektoren, Gitter mit schrägen Kanälen, Wärmeübertragungsverstärker, die Geschwindigkeit, mit der Kassetten in den Kern geladen werden, Kombination mit dem Betrieb von Nachlademaschinen, Terminologie aus Hydrodynamik und Thermomechanik – das ist wirklich etwas ganz anderes Sprache... Wichtig für die Kernenergie ist das von beiden Designbüros erzielte Ergebnis, dessen wissenschaftlicher und kreativer Streit bis heute andauert. Verbesserungen und Modifikationen ermöglichen die Verwendung von Brennstoffen mit einer höheren Anreicherung des Uran-235-Gehalts – dieser Wert für WWER-1000 stieg von 3,77 % auf 4,95 %. Es scheint, dass der Unterschied völlig unbedeutend ist, aber dadurch stieg der Brennstoffabbrand von 40 MW pro Tag pro Kilogramm Uran auf 58 MW pro Kilogramm, also fast 50 %. Aber dieses Ergebnis ist bereits sehr bedeutsam; es ermöglicht uns, hinsichtlich der Kosten der Stromerzeugung auf Augenhöhe mit der Kohlenwasserstoffenergie zu konkurrieren, und macht die Aussichten für die Entwicklung der Kernenergie immer ermutigender. Eine der Errungenschaften – die Steigerung der Leistung bestehender WWER-Reaktoren um 4-7 % ohne Änderung ihres Designs basiert genau auf der Optimierung von Kernbrennstoffen und Brennelementen – ist zu einer weiteren geworden Wettbewerbsvorteil auf dem internationalen Markt.

Fertiges Brennelement

Natürlich wurde UTVS nicht zu einer Art „Endgültigkeit“ für die Verbesserung von Brennelementen. Der Hauptvorteil von UTVS im Vergleich zum Kraftstoff der vorherigen Generation war der Übergang von Edelstahl zu Zirkonium und zur E-110-Legierung. Den Entwicklern gelang es, die Steifigkeit der Struktur ohne den Einsatz von Ecken zu erhöhen – sie verstärkten die Abstandsgitter und begannen mit dem Punktschweißen, um die Verformungsbeständigkeit im Betrieb zu erhöhen. Es ist ihnen gelungen, die Länge der Brennstoffsäule zu erhöhen – jetzt wird mehr Uran in den Reaktorkern eingebracht, die Brennstoffsitzungen sind länger geworden, die Brennstoffbetankung kann seltener durchgeführt werden, was eine Erhöhung der Kapazität bedeutet.

Neuer Treibstoff für Iran

Seit Anfang 2014 begann der Verhandlungsprozess zwischen TVEL und der iranische Kunde vertreten durch Atomenergieorganisation Irans (AEOI) Und Iranische Gesellschaft zur Produktion und Entwicklung von Kernenergie (NPPD)über die Umstellung des Kernkraftwerks Bushehr auf neue Treibstoffkassetten - TVS-2M. Um den Verhandlungsprozess sicherzustellen TVEL entwickelte eine „Machbarkeitsstudie für die Implementierung von TVS-2M im Kernkraftwerk Bushehr“, in der dem Kunden umfassende Informationen für die Analyse und Entscheidungsfindung bei einem solchen Übergang zur Verfügung gestellt wurden. Am meisten Der beste Weg Einen potenziellen Kunden zu überzeugen, ist kein aufdringliches Marketing; in der Kernenergie führt dieser Ansatz fast nie zu Ergebnissen. Das russische Brennstoffunternehmen hat lediglich eine Analyse der Ergebnisse der Implementierung von TVS-2M im russischen WWER-1000 und im Kernkraftwerk Tianwan in China zusammengestellt – Reaktoren des gleichen Typs wie diejenigen, die als Teil des Kraftwerks in Bushehr betrieben werden KKW. In China werden die ersten beiden Blöcke des Kernkraftwerks Tianwan mit TVS-2M in einem 18-monatigen Brennstoffzyklus betrieben. Und iranische Nuklearwissenschaftler konnten nachweisen, dass der Brennstoffverbrauch zunahm, die Dauer der Brennstoffkampagnen zunahm und der Kapazitätsfaktor zunahm.

Nach der Analyse der erzielten Ergebnisse und der Überprüfung vor Ort reagierten die iranischen Kunden: Sie erstellten eine Liste der Arbeiten russischer Unternehmen, die erforderlich ist, um die Lizenzierung des neuen Brennstoffs durch die Atomaufsichtsbehörden sicherzustellen. Weitere Arbeiten wurden bereits gemeinsam durchgeführt – unsere und iranische Spezialisten haben gemeinsam eine Liste der notwendigen Modernisierungen der Ausrüstung des Kraftwerks im KKW Bushehr zusammengestellt, die durchgeführt werden mussten, damit der Reaktor TVS-2M in den Kern aufnehmen konnte. Tatsächlich zeigte der Betrieb unseres WWER-1000 mit dem neuen Brennstoff solche Ergebnisse, dass ein vollständiger Übergang zu TVS-2M einfach unvermeidlich wurde – der Brennstoffabbrand stieg um 20 %, und der Brennstoffanteil der Stromerzeugungskosten sank um fast 9 %.

Der Ausgang der Verhandlungen mit dem iranischen Kunden ist ganz natürlich. Im April dieses Jahres TVEL unterschrieben mit AIA Und NPPD Zusatzvereinbarung zum aktuellen Vertrag über die Brennstoffversorgung des Kernkraftwerks Bushehr – ab 2020 TVEL wird mit der Lieferung von TVS-2M an den Iran beginnen. Es gibt keine Eile, keine Aufregung – einfach entwickeln sich sowohl unsere als auch die iranischen Atomprojekte, die wir unterstützen, konsequent weiter und versorgen die Verbraucher mit Strom in den Mengen, die sie benötigen. Wir werden wahrscheinlich in naher Zukunft erfahren, was Kunden in Indien und China darüber denken. Höhe Ökonomische Indikatoren Aggregate durch die Verwendung von neuem Kraftstoff ohne wesentliche Änderungen in der Ausrüstung ist so bezeichnend, dass die Gewissheit besteht, dass die Überlegung nicht lange dauern wird. Wir müssen nur ein Auge darauf haben weitere Entwicklung Veranstaltungen und gratuliere Ihnen nochmals TVEL, OKB Gidropress und das gesamte Entwicklungsteam mit der Tatsache, dass ihr neuer Kraftstoff mittlerweile internationale Anerkennung gefunden hat.

Natürlich ist die heutige Geschichte über die Entwicklung von Kernbrennstoffen noch lange nicht abgeschlossen – in diesem Teil finden ständig Veränderungen statt. Brennstoff für WWER-1200 wurde entwickelt, die Entwicklung von Brennstoff für andere Reaktortypen ist im Gange, TVEL produziert gemeinsam mit französischen Partnern weiterhin Brennstoff für Reaktoren westlicher Bauart, TVEL unabhängig entwickelter TVS-Kvadrat-Brennstoff, der im schwedischen Kernkraftwerk Ringhals getestet und für den amerikanischen Markt lizenziert wird. Unternehmen TVEL produzieren Brennstoff für den BN-800, eine Pilotcharge von REMIX-Brennstoff wurde hergestellt und die Entwicklung von Nitridbrennstoff für einen vielversprechenden bleigekühlten Reaktor steht kurz vor dem Abschluss - Rosatom und glaubt nicht, dass er es sich leisten kann, sich auf seinen Lorbeeren auszuruhen.

Kernbrennstoff ist das „Herzstück“ der Kernenergie. Die Beobachtung, wie neue Arten davon entstehen und welche Ergebnisse sie bei ihrer Verwendung erzielen, ist hilfreich, da Sie damit die Kosten der Stromerzeugung in Kernkraftwerken und in Wärmekraftwerken vergleichen können . Darüber hinaus haben wir dieses Mal nicht darauf eingegangen, welche Ergebnisse die Entwickler neuer Kraftstoffarten bei OKBM im. Afrikantova – und ihre Ideen werden auch sehr aktiv genutzt Rosatom. Mit einem Wort: Es ist unwahrscheinlich, dass die heutige Geschichte über Kernbrennstoff die einzige bleibt.

Foto: zaochnik.ru, kak-eto-sdelano.livejournal.com

In Kontakt mit

Kernbrennstoff ist ein Material, das in Kernreaktoren zur Durchführung einer kontrollierten Kettenreaktion verwendet wird. Es ist äußerst energieintensiv und für den Menschen unsicher, was eine Reihe von Einschränkungen bei seiner Verwendung mit sich bringt. Heute erfahren wir, was Kernreaktorbrennstoff ist, wie er klassifiziert und hergestellt wird und wo er verwendet wird.

Fortschritt der Kettenreaktion

Bei einer nuklearen Kettenreaktion wird der Kern in zwei Teile geteilt, die als Spaltfragmente bezeichnet werden. Gleichzeitig werden mehrere (2-3) Neutronen freigesetzt, die anschließend die Spaltung nachfolgender Kerne bewirken. Der Prozess findet statt, wenn ein Neutron auf den Kern der ursprünglichen Substanz trifft. Spaltfragmente haben eine hohe kinetische Energie. Ihre Hemmung in der Materie geht mit der Freisetzung großer Wärmemengen einher.

Spaltfragmente werden zusammen mit ihren Zerfallsprodukten Spaltprodukte genannt. Kerne, die Neutronen beliebiger Energie teilen, werden Kernbrennstoff genannt. In der Regel handelt es sich um Stoffe mit einer ungeraden Anzahl von Atomen. Manche Kerne werden ausschließlich durch Neutronen gespalten, deren Energie über einem bestimmten Schwellenwert liegt. Dabei handelt es sich überwiegend um Elemente mit gerader Atomzahl. Solche Kerne werden als Rohmaterial bezeichnet, da im Moment des Einfangens eines Neutrons durch einen Schwellenkern Brennstoffkerne gebildet werden. Die Kombination aus brennbarem Material und Rohstoff wird als Kernbrennstoff bezeichnet.

Einstufung

Kernbrennstoff wird in zwei Klassen eingeteilt:

1. Natürliches Uran. Es enthält spaltbare Uran-235-Kerne und Uran-238-Ausgangsmaterial, das beim Einfangen von Neutronen Plutonium-239 bilden kann.
2. Ein Sekundärbrennstoff, der in der Natur nicht vorkommt. Hierzu zählen unter anderem Plutonium-239, das aus Brennstoff erster Art gewonnen wird, sowie Uran-233, das beim Einfangen von Neutronen durch Thorium-232-Kerne entsteht.

In Hinsicht auf chemische Zusammensetzung Es gibt folgende Arten von Kernbrennstoffen:

1. Metall (einschließlich Legierungen);
2. Oxid (zum Beispiel UO 2);
3. Hartmetall (zum Beispiel PuC 1-x);
4. Gemischt;
5. Nitrid.

TVEL und TVS

Brennstoff für Kernreaktoren wird in Form kleiner Pellets verwendet. Sie werden in hermetisch abgeschlossenen Brennelementen (Brennelementen) untergebracht, die wiederum zu mehreren hundert Brennelementen (FA) zusammengefasst werden. An Kernbrennstoffe werden hohe Anforderungen an die Kompatibilität mit Brennstabhüllen gestellt. Es muss eine ausreichende Schmelz- und Verdampfungstemperatur sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen und darf unter Neutronenbestrahlung nicht stark an Volumen zunehmen. Dabei wird auch die Herstellbarkeit der Produktion berücksichtigt.

Anwendung

Zu Atomkraftwerken und anderen nukleare Anlagen Brennstoff liegt in Form von Brennelementen vor. Sie können sowohl während des Reaktorbetriebs (anstelle ausgebrannter Brennelemente) als auch während einer Reparaturkampagne in den Reaktor geladen werden. Im letzteren Fall werden Brennelemente in großen Gruppen ausgetauscht. In diesem Fall wird nur ein Drittel des Kraftstoffs vollständig ersetzt. Die am stärksten ausgebrannten Baugruppen werden aus dem zentralen Teil des Reaktors entladen und an ihrer Stelle werden teilweise ausgebrannte Baugruppen platziert, die sich zuvor in weniger aktiven Bereichen befanden. Daher werden an deren Stelle neue Brennelemente eingebaut. Dieses einfache Umlagerungsschema gilt als traditionell und hat eine Reihe von Vorteilen, von denen der wichtigste darin besteht, eine gleichmäßige Energiefreisetzung sicherzustellen. Natürlich handelt es sich hierbei um ein schematisches Diagramm, das nur einen allgemeinen Überblick über den Prozess vermittelt.

Auszug

Nachdem der abgebrannte Kernbrennstoff aus dem Reaktorkern entfernt wurde, wird er in ein Kühlbecken geleitet, das sich normalerweise in der Nähe befindet. Tatsache ist, dass abgebrannte Brennelemente eine große Menge an Fragmenten der Uranspaltung enthalten. Nach dem Entladen aus dem Reaktor enthält jeder Brennstab etwa 300.000 Curies radioaktiver Substanzen und setzt 100 kW/Stunde Energie frei. Dadurch erhitzt sich der Brennstoff selbst und wird stark radioaktiv.

Die Temperatur des neu entladenen Kraftstoffs kann 300 °C erreichen. Daher wird es 3-4 Jahre lang unter einer Wasserschicht aufbewahrt, deren Temperatur im festgelegten Bereich gehalten wird. Durch die Lagerung unter Wasser nehmen die Radioaktivität des Kraftstoffs und die Stärke seiner Restemissionen ab. Nach etwa drei Jahren erreicht die Selbsterhitzung des Brennelementes 50-60°C. Anschließend wird der Brennstoff aus den Becken entnommen und der Verarbeitung oder Entsorgung zugeführt.

Uranmetall

Uranmetall wird relativ selten als Brennstoff für Kernreaktoren verwendet. Wenn ein Stoff eine Temperatur von 660 °C erreicht, kommt es zu einem Phasenübergang, der mit einer Änderung seiner Struktur einhergeht. Einfach ausgedrückt nimmt das Volumen von Uran zu, was zur Zerstörung von Brennstäben führen kann. Bei längerer Bestrahlung bei einer Temperatur von 200–500 °C kommt es zu einem Strahlungswachstum des Stoffes. Die Essenz dieses Phänomens ist die Verlängerung des bestrahlten Uranstabs um das 2- bis 3-fache.

Der Einsatz von Uranmetall bei Temperaturen über 500 °C ist aufgrund seiner Quellung schwierig. Nach der Kernspaltung entstehen zwei Bruchstücke, deren Gesamtvolumen das Volumen dieses Kerns übersteigt. Einige Spaltfragmente werden durch Gasatome (Xenon, Krypton usw.) dargestellt. Gas sammelt sich in den Poren des Urans und bildet einen Innendruck, der mit steigender Temperatur zunimmt. Aufgrund einer Vergrößerung des Atomvolumens und einer Erhöhung des Gasdrucks beginnt der Kernbrennstoff anzuschwellen. Damit ist also die relative Volumenänderung gemeint, die mit der Kernspaltung einhergeht.

Die Stärke der Quellung hängt von der Temperatur der Brennstäbe und dem Ausbrand ab. Mit zunehmendem Abbrand steigt die Zahl der Spaltfragmente und mit zunehmender Temperatur und Abbrand steigt der Gasinnendruck. Wenn der Kraftstoff höhere mechanische Eigenschaften aufweist, ist er weniger anfällig für Quellung. Uranmetall gehört nicht zu diesen Materialien. Daher begrenzt seine Verwendung als Brennstoff für Kernreaktoren den Abbrand, der eine der Haupteigenschaften dieses Brennstoffs darstellt.

Die mechanischen Eigenschaften von Uran und seine Strahlungsbeständigkeit werden durch Legieren des Materials verbessert. Bei diesem Prozess werden Aluminium, Molybdän und andere Metalle hinzugefügt. Dank Dotierungszusätzen wird die Anzahl der pro Einfang benötigten Spaltneutronen reduziert. Daher werden für diese Zwecke Materialien verwendet, die Neutronen schwach absorbieren.

Feuerfeste Verbindungen

Einige feuerfeste Uranverbindungen gelten als guter Kernbrennstoff: Karbide, Oxide und intermetallische Verbindungen. Das häufigste davon ist Urandioxid (Keramik). Sein Schmelzpunkt liegt bei 2800 °C und seine Dichte beträgt 10,2 g/cm 3 .

Da dieses Material keine Phasenübergänge durchläuft, ist es weniger anfällig für Schwellungen als Uranlegierungen. Dank dieser Funktion kann die Ausbrenntemperatur um mehrere Prozent erhöht werden. Bei hohen Temperaturen interagiert Keramik nicht mit Niob, Zirkonium, Edelstahl und anderen Materialien. Ihr Hauptnachteil liegt in der geringen Wärmeleitfähigkeit von 4,5 kJ (m*K), die die spezifische Leistung des Reaktors begrenzt. Darüber hinaus neigt heiße Keramik zur Rissbildung.

Plutonium

Plutonium gilt als niedrig schmelzendes Metall. Es schmilzt bei einer Temperatur von 640°C. Aufgrund seiner schlechten plastischen Eigenschaften ist eine maschinelle Bearbeitung praktisch unmöglich. Die Toxizität des Stoffes erschwert die Herstellungstechnologie von Brennstäben. Die Atomindustrie hat wiederholt versucht, Plutonium und seine Verbindungen zu nutzen, aber sie waren nicht erfolgreich. Von der Verwendung plutoniumhaltiger Brennstoffe in Kernkraftwerken ist aufgrund der etwa zweifachen Verkürzung der Beschleunigungszeit, für die herkömmliche Reaktorsteuerungssysteme nicht ausgelegt sind, abzuraten.

Zur Herstellung von Kernbrennstoffen werden in der Regel Plutoniumdioxid, Legierungen von Plutonium mit Mineralien sowie eine Mischung aus Plutoniumcarbiden und Urancarbiden verwendet. Dispersionsbrennstoffe, bei denen Partikel aus Uran- und Plutoniumverbindungen in eine Metallmatrix aus Molybdän, Aluminium, Edelstahl und anderen Metallen eingebracht werden, weisen hohe mechanische Eigenschaften und Wärmeleitfähigkeit auf. Der Strahlungswiderstand und die Wärmeleitfähigkeit des Dispersionsbrennstoffs hängen vom Matrixmaterial ab. Im ersten Kernkraftwerk beispielsweise bestand der dispergierte Brennstoff aus Partikeln einer Uranlegierung mit 9 % Molybdän, die mit Molybdän gefüllt waren.

Thoriumbrennstoff wird heute aufgrund von Schwierigkeiten bei der Herstellung und Verarbeitung von Brennstäben nicht verwendet.

Produktion

Bedeutende Mengen des Hauptrohstoffs für Kernbrennstoffe – Uran – sind in mehreren Ländern konzentriert: Russland, den USA, Frankreich, Kanada und Südafrika. Seine Vorkommen liegen meist in der Nähe von Gold und Kupfer, sodass alle diese Materialien gleichzeitig abgebaut werden.

Die Gesundheit der im Bergbau arbeitenden Menschen ist stark gefährdet. Tatsache ist, dass Uran ein giftiges Material ist und die beim Abbau freigesetzten Gase Krebs verursachen können. Und das, obwohl das Erz nicht mehr als 1 % dieses Stoffes enthält.

Quittung

Die Herstellung von Kernbrennstoff aus Uranerz umfasst die folgenden Schritte:

1. Hydrometallurgische Verarbeitung. Beinhaltet Auslaugen, Zerkleinern und Extraktion oder Sorptionsrückgewinnung. Das Ergebnis der hydrometallurgischen Verarbeitung ist eine gereinigte Suspension von Oxyuranoxid, Natriumdiuranat oder Ammoniumdiuranat.
2. Umwandlung einer Substanz von Oxid in Tetrafluorid oder Hexafluorid, die zur Anreicherung von Uran-235 verwendet wird.
3. Anreicherung einer Substanz durch Zentrifugation oder thermische Gasdiffusion.
4. Umwandlung von angereichertem Material in Dioxid, aus dem Brennstab-„Pellets“ hergestellt werden.

Regeneration

Während des Betriebs eines Kernreaktors kann der Brennstoff nicht vollständig ausgebrannt werden, sodass freie Isotope reproduziert werden. In diesem Zusammenhang unterliegen abgebrannte Brennstäbe einer Regeneration zum Zwecke der Wiederverwendung.

Heute wird dieses Problem durch den Purex-Prozess gelöst, der aus folgenden Schritten besteht:

1. Brennstäbe in zwei Teile schneiden und in Salpetersäure auflösen;
2. Reinigen der Lösung von Spaltprodukten und Schalenteilen;
3. Isolierung reiner Uran- und Plutoniumverbindungen.

Anschließend wird das entstehende Plutoniumdioxid zur Herstellung neuer Kerne verwendet und das Uran zur Anreicherung oder auch zur Herstellung von Kernen verwendet. Die Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen ist ein komplexer und teurer Prozess. Seine Kosten haben einen erheblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Nutzung von Kernkraftwerken. Gleiches gilt für die Entsorgung von Kernbrennstoffabfällen, die nicht zur Regeneration geeignet sind.

Funktionsprinzip und Design von TURD

Derzeit werden 2 Designoptionen für TURD vorgeschlagen:

TNR basierend auf einem thermonuklearen Reaktor mit magnetischem Plasmaeinschluss

Im ersten Fall sind Funktionsprinzip und Aufbau des TNRE wie folgt: Der Hauptteil des Motors ist der Reaktor, in dem eine kontrollierte thermonukleare Fusionsreaktion stattfindet. Der Reaktor ist eine hohlzylindrische „Kammer“, die auf einer Seite offen ist, die sogenannte. eine thermonukleare Fusionsanlage mit „offener Falle“ (auch „Magnetflasche“ oder Spiegelkammer genannt). Die „Kammer“ des Reaktors muss nicht unbedingt (und sogar unerwünscht) vollständig abgedichtet sein; höchstwahrscheinlich handelt es sich um ein leichtes, größenstabiles Fachwerk, das die Spulen des Magnetsystems trägt. Derzeit gilt das sogenannte Schema als das vielversprechendste. „ambipolarer Einschluss“ oder „magnetische Spiegel“ (dt. Tandemspiegel), obwohl auch andere Einschlussschemata möglich sind: gasdynamische Fallen, Zentrifugaleinschluss, umgekehrtes Magnetfeld (FRC). Von moderne Schätzungen Die Länge der Reaktionskammer beträgt 100 bis 300 m bei einem Durchmesser von 1 bis 3 m. In der Reaktorkammer werden Bedingungen geschaffen, die ausreichen, um die thermonukleare Fusion der Komponenten des ausgewählten Brennstoffpaares zu beginnen (Temperaturen der Größenordnung von Hunderten von Millionen Grad, Lawson-Kriteriumsfaktoren). Thermonuklearer Brennstoff – vorgewärmtes Plasma aus einer Mischung von Brennstoffkomponenten – wird in die Reaktorkammer eingespeist, wo eine ständige Fusionsreaktion stattfindet. Den Kern umgebende Magnetfeldgeneratoren (Magnetspulen unterschiedlicher Bauart) erzeugen in der Reaktorkammer Felder hoher Intensität und komplexer Konfiguration, die verhindern, dass thermonukleares Hochtemperaturplasma mit der Reaktorstruktur in Kontakt kommt, und die darin ablaufenden Prozesse stabilisieren. Entlang der Längsachse des Reaktors bildet sich die thermonukleare „Brennzone“ (Plasmabrenner). Das entstehende Plasma strömt, gesteuert durch magnetische Steuerungssysteme, durch eine Düse aus dem Reaktor und erzeugt so einen Strahlschub.

Zu beachten ist die Möglichkeit des „Multimode“-Betriebs des TURD. Durch die Injektion einer relativ kalten Substanz in den Plasmawolkenstrahl kann der Gesamtschub des Triebwerks stark erhöht werden (durch Reduzierung des spezifischen Impulses), was es einem Schiff mit einem Turboprop-Triebwerk ermöglicht, effektiv in den Gravitationsfeldern massiver Himmelskörper zu manövrieren , wie zum Beispiel große Planeten, bei denen oft ein großer Gesamtschub des Triebwerks erforderlich ist. Nach allgemeinen Schätzungen kann ein nuklearbetriebener Motor dieser Bauart einen Schub von mehreren Kilogramm bis zu mehreren zehn Tonnen mit einem spezifischen Impuls von 10.000 Sekunden bis 4 Millionen Sekunden entwickeln. Zum Vergleich: Der spezifische Impuls der modernsten chemischen Raketentriebwerke beträgt etwa 450 Sekunden.

TURD basierend auf Trägheitsfusionssystemen (Pulse Thermonuclear Reactor)

Der Motor des zweiten Typs ist ein thermonuklearer Trägheitsimpulsmotor. In einem solchen Reaktor findet eine kontrollierte thermonukleare Reaktion im gepulsten Modus (Bruchteile einer Mikrosekunde mit einer Frequenz von 1–10 Hz) statt, wobei Mikrotargets, die thermonuklearen Brennstoff enthalten, periodisch komprimiert und erhitzt werden. Ursprünglich war der Einsatz einer Laserfusionsmaschine (LTYARD) geplant. Ein solches LTE wurde insbesondere für eine interstellare automatische Sonde im Daedalus-Projekt vorgeschlagen. Sein Hauptbestandteil ist ein Reaktor, der im Pulsbetrieb arbeitet. Thermonuklearer Brennstoff (z. B. Deuterium und Tritium) wird in Form von Targets in die Kugelkammer des Reaktors eingespeist – ein komplexes Design von Kugeln aus einer Mischung gefrorener Brennstoffkomponenten in einer Hülle mit einem Durchmesser von mehreren Millimetern. Im äußeren Teil der Kammer befinden sich leistungsstarke Laser in der Größenordnung von Hunderten von Terawatt, deren Strahlung im Nanosekundenbereich durch optisch transparente Fenster in den Wänden der Kammer auf das Ziel trifft. In diesem Fall entsteht auf der Oberfläche des Ziels augenblicklich eine Temperatur von mehr als 100 Millionen Grad bei einem Druck von etwa einer Million Atmosphären – Bedingungen, die für den Beginn einer thermonuklearen Reaktion ausreichen. Es kommt zu einer thermonuklearen Mikroexplosion mit einer Kraft von mehreren hundert Kilogramm TNT. Die Häufigkeit solcher Explosionen in der Kammer des Daedalus-Projekts beträgt etwa 250 pro Sekunde, was die Versorgung von Zielen mit Treibstoff mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10 km/s mithilfe einer EM-Kanone erforderte. Expandierendes Plasma strömt aus dem offenen Teil der Reaktorkammer durch eine Düse geeigneter Bauart und erzeugt so einen Strahlschub. Das ist nun theoretisch und praktisch bewiesen Lasermethode Die Kompression/Erwärmung von Mikrotargets ist eine Sackgasse – und es ist fast unmöglich, Laser dieser Leistung mit ausreichenden Ressourcen zu bauen. Daher wird derzeit für die Inertialsynthese die Option mit Ionenstrahlkomprimierung/-erwärmung von Mikrotargets in Betracht gezogen, da diese effizienter, kompakter und ressourcenschonender ist.

Dennoch gibt es die Meinung, dass ein TURE, das auf dem Trägheitsimpulsprinzip basiert, aufgrund der in ihm zirkulierenden sehr großen Kräfte zu sperrig ist und einen schlechteren spezifischen Impuls und Schub aufweist als ein TURE mit magnetischem Einschluss, der durch den Impuls verursacht wird -periodische Art seiner Wirkung. Ideologisch gesehen stehen auf thermonuklearen Ladungen basierende Sprengraketen wie das Orion-Projekt neben TUREs, die auf dem Trägheitsimpulsprinzip basieren.

Arten von Reaktionen und Fusionsbrennstoff

TJARD kann verwenden Verschiedene Arten thermonukleare Reaktionen abhängig von der Art des verwendeten Brennstoffs. Insbesondere folgende Reaktionsarten sind derzeit grundsätzlich denkbar:

Deuterium + Tritium-Reaktion (D-T-Brennstoff)

2 H + 3 H = 4 He + n bei einer Energieabgabe von 17,6 MeV

Diese Reaktion ist aus der Sicht am einfachsten durchführbar moderne Technologien, liefert eine erhebliche Energieausbeute, Kraftstoffkomponenten sind relativ günstig. Sein Nachteil ist ein sehr großer Ausstoß unerwünschter (und für die direkte Schuberzeugung nutzloser) Neutronenstrahlung, die den größten Teil der Reaktionsleistung vernichtet und die Effizienz des Triebwerks stark verringert. Tritium ist radioaktiv, seine Halbwertszeit beträgt etwa 12 Jahre, das heißt, eine Langzeitlagerung ist unmöglich. Gleichzeitig ist es möglich, einen Deuterium-Tritium-Reaktor mit einer Hülle zu umgeben, die Lithium enthält: Letzteres wird durch einen Neutronenfluss bestrahlt und verwandelt sich in Tritium, was den Brennstoffkreislauf gewissermaßen schließt, da der Reaktor im Brüter arbeitet Modus. Somit besteht der Brennstoff für einen D-T-Reaktor tatsächlich aus Deuterium und Lithium.

Reaktion Deuterium + Helium-3

2 H + 3 He = 4 He + p. mit einer Energieabgabe von 18,3 MeV

Die Bedingungen dafür sind viel komplizierter. Helium-3 ist zudem ein seltenes und extrem teures Isotop. IN industrieller Maßstab derzeit nicht produziert. Obwohl die Energieausbeute D-T-Reaktionen oben hat die D-3He-Reaktion die folgenden Vorteile:

Reduzierter Neutronenfluss, die Reaktion kann als „neutronenlos“ klassifiziert werden,

Weniger Strahlenschutzmasse,

Geringeres Gewicht der Reaktormagnetspulen.

Bei der D-3-He-Reaktion werden nur etwa 5 % der Energie in Form von Neutronen freigesetzt (gegenüber 80 % bei der D-T-Reaktion), etwa 20 % werden in Form von Röntgenstrahlen freigesetzt. Die gesamte verbleibende Energie kann direkt zur Erzeugung von Strahlschub genutzt werden. Daher ist die D-3He-Reaktion für den Einsatz in einem Kernreaktor viel vielversprechender.

Andere Arten von Reaktionen

Reaktion zwischen Deuteriumkernen (D-D, Monotreibstoff) D + D -> 3 He + n mit einer Energieausbeute von 3,3 MeV und

D + D -> T + p+ mit einer Energieabgabe von 4 MeV. Die Neutronenausbeute bei dieser Reaktion ist ziemlich bedeutend.

Einige andere Arten von Reaktionen sind möglich:

P + 6 Li → 4 He (1,7 MeV) + 3 He (2,3 MeV) 3 He + 6 Li → 2 4 He + p + 16,9 MeV p + 11 B → 3 4 He + 8,7 MeV

Bei den oben genannten Reaktionen gibt es keine Neutronenausbeute.

Die Wahl des Brennstoffs hängt von vielen Faktoren ab – seiner Verfügbarkeit und niedrigen Kosten, der Energieausbeute, der Leichtigkeit, mit der die für die Kernfusionsreaktion erforderlichen Bedingungen (hauptsächlich Temperatur) erreicht werden können, den notwendigen Konstruktionsmerkmalen des Reaktors usw. Am vielversprechendsten für den Einsatz nuklearbetriebener Raketentriebwerke sind die sogenannten. „neutronenlose“ Reaktionen, da der durch die Kernfusion (z. B. bei der Deuterium-Tritium-Reaktion) erzeugte Neutronenfluss einen erheblichen Teil der Leistung wegnimmt und nicht zur Schuberzeugung genutzt werden kann. Darüber hinaus erzeugt Neutronenstrahlung induzierte Radioaktivität in der Struktur des Reaktors und des Schiffes, was eine Gefahr für die Besatzung darstellt. Die Deuterium-Helium-3-Reaktion ist aufgrund der fehlenden Neutronenausbeute vielversprechend. Derzeit wurde ein weiteres TNRE-Konzept vorgeschlagen – die Verwendung kleiner Mengen Antimaterie als Katalysator für eine thermonukleare Reaktion.

Geschichte, aktueller Stand und Aussichten für die TURD-Entwicklung

Die Idee, ein TNRE zu schaffen, entstand fast unmittelbar nach den ersten thermonuklearen Reaktionen (Testen thermonuklearer Ladungen). Eine der ersten Veröffentlichungen zum Thema TURD-Entwicklung war ein Artikel von J. Ross aus dem Jahr 1958. Derzeit laufen theoretische Entwicklungen solcher Triebwerkstypen (insbesondere auf Basis der Laser-Thermonuklearen Fusion) und allgemein umfangreiche praktische Forschung im Bereich der kontrollierten Kernfusion. Es bestehen solide theoretische und ingenieurtechnische Voraussetzungen für die Umsetzung dieses Motortyps in absehbarer Zeit. Basierend auf den berechneten Eigenschaften von TNREs werden solche Motoren in der Lage sein, die Schaffung eines schnellen und effizienten interplanetaren Transports für die Erforschung des Sonnensystems sicherzustellen. Echte Muster von TNRE wurden jedoch derzeit (2012) noch nicht erstellt.

siehe auch

Links

• Kosmonautik des 21. Jahrhunderts: thermonukleare Motoren // Zeitung „For Science“, 2003
• New Scientist Space (23.01.2003): Kernfusion könnte NASA-Raumschiff antreiben (Englisch)
• Physical Encyclopedia, Bd. 4, Artikel „Thermonukleare Reaktionen“, auf Seite 102, Moskau, „Große russische Enzyklopädie“, 1994, 704 S.