Kernenergie besteht aus eine große Anzahl Unternehmen für verschiedene Zwecke. Rohstoffe für diese Industrie werden in Uranminen abgebaut. Anschließend wird es an die Kraftstofffabrik geliefert.

Als nächstes wird der Brennstoff zu Kernkraftwerken transportiert, wo er in den Reaktorkern gelangt. Wenn Kernbrennstoff verbraucht ist, muss er begraben werden. Es ist zu beachten, dass gefährliche Abfälle nicht nur nach der Wiederaufbereitung von Brennstoffen, sondern auch in jedem Stadium auftreten - vom Uranabbau bis zur Arbeit in einem Reaktor.

Kernbrennstoff

Es gibt zwei Arten von Kraftstoff. Das erste ist Uran, das in Minen natürlichen Ursprungs hergestellt wird. Es enthält Rohstoffe, die Plutonium bilden können. Der zweite ist Kraftstoff, der künstlich (sekundär) erzeugt wird.

Kernbrennstoff wird auch durch die chemische Zusammensetzung unterteilt: Metall, Oxid, Carbid, Nitrid und gemischt.

Uranabbau und Kraftstoffproduktion

Ein großer Teil der Uranproduktion entfällt auf wenige Länder: Russland, Frankreich, Australien, USA, Kanada und Südafrika.

Uran ist das Hauptbrennelement in Kernkraftwerken. Um in den Reaktor zu gelangen, werden mehrere Verarbeitungsstufen durchlaufen. Meistens befinden sich Uranvorkommen neben Gold und Kupfer, daher wird es mit der Gewinnung von Edelmetallen abgebaut.

Im Bergbau ist die menschliche Gesundheit einem hohen Risiko ausgesetzt, da Uran ein giftiges Material ist und die Gase, die während des Bergbaus entstehen, verschiedene Formen von Krebs verursachen. Obwohl das Erz selbst eine sehr geringe Menge Uran enthält - von 0,1 bis 1 Prozent. Die Bevölkerung, die in der Nähe von Uranminen lebt, ist ebenfalls einem hohen Risiko ausgesetzt.

Angereichertes Uran ist der Hauptbrennstoff für Kernkraftwerke, aber nach seiner Verwendung verbleibt eine große Menge radioaktiver Abfälle. Trotz aller Gefahren ist die Urananreicherung ein wesentlicher Bestandteil der Erzeugung von Kernbrennstoffen.

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

Angereichertes Uran wird nicht nur in der Kernenergie, sondern auch bei der Herstellung von Waffen verwendet.

Transport

Es gibt Transport in jeder Phase des Kraftstoffkreislaufs. Es wird auf alle verfügbaren Arten durchgeführt: zu Lande, zu Wasser, in der Luft. Dies ist ein großes Risiko und eine große Gefahr nicht nur für die Umwelt, sondern auch für den Menschen.

Während des Transports von Kernbrennstoff oder seinen Elementen ereignen sich viele Unfälle, die zur Freisetzung radioaktiver Elemente führen. Dies ist einer der vielen Gründe, warum es als unsicher gilt.

Stilllegung von Reaktoren

Keiner der Reaktoren wurde demontiert. Sogar das berüchtigte Kernkraftwerk Tschernobyl Der Punkt ist, dass laut Experten die Kosten für den Abbau gleich oder sogar höher sind als die Kosten für den Bau eines neuen Reaktors. Aber niemand kann mit Sicherheit sagen, wie viel Geld benötigt wird: Die Kosten wurden auf der Grundlage der Erfahrung beim Abbau kleiner Forschungsstationen berechnet. Experten bieten zwei Möglichkeiten:

1. Stellen Sie Reaktoren und abgebrannte Brennelemente in Endlager.
2. Bauen Sie Sarkophage über stillgelegten Reaktoren.

In den nächsten zehn Jahren werden weltweit rund 350 Reaktoren ihr Lebensende erreichen und müssen außer Betrieb genommen werden. Da jedoch die in Bezug auf Sicherheit und Preis am besten geeignete Methode nicht erfunden wurde, wird dieses Problem noch gelöst.

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

Atommüll

Eine große Menge an Atommüll wird durch Kernkraftwerke erzeugt. Die Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen hinterlässt auch gefährliche Abfälle. Keines der Länder fand jedoch eine Lösung für das Problem.

Heute werden Atommüll in Zwischenlagern, in Wasserbecken oder flach unter der Erde vergraben.

Die sicherste Methode ist die Lagerung in speziellen Lagereinrichtungen, aber auch hier ist wie bei anderen Methoden eine Strahlungsleckage möglich.

Atommüll hat zwar einen gewissen Wert, erfordert jedoch die strikte Einhaltung der Regeln für seine Lagerung. Und das ist das dringlichste 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

Während des Betriebs eines Kernkraftwerks gelangen seine Abfälle in die Umwelt. Dies sind Turbinenkühlwasser und Abgase.

Atommüll wird in drei Kategorien unterteilt:

1. Niedriges Niveau - Kleidung von KKW-Mitarbeitern, Laborausstattung. Solche Abfälle können auch aus medizinischen Einrichtungen und wissenschaftlichen Labors stammen. Sie stellen keine große Gefahr dar, erfordern jedoch die Einhaltung von Sicherheitsmaßnahmen.
2. Zwischenstufe - Metallbehälter, in denen Kraftstoff transportiert wird. Ihr Strahlungsniveau ist ziemlich hoch, und diejenigen, die nicht weit von ihnen entfernt sind, müssen geschützt werden.
3. In hohem Maße werden abgebrannte Brennelemente und deren Verarbeitungsprodukte verbraucht. Das Radioaktivitätsniveau nimmt schnell ab. Hochgradige Abfälle sind mit etwa 3 Prozent sehr klein, enthalten jedoch 95 Prozent der gesamten Radioaktivität.

Der Lebenszyklus von Kernbrennstoffen auf der Basis von Uran oder Plutonium beginnt in Bergbauunternehmen, Chemiefabriken und in Gaszentrifugen und endet nicht, wenn die Brennelementbaugruppe aus dem Reaktor entladen wird, da jede Brennelementbaugruppe einen langen Weg zur Entsorgung und anschließenden Wiederaufbereitung hat.

Gewinnung von Rohstoffen für Kernbrennstoffe

Uranus ist am meisten schwermetall auf der Erde. Etwa 99,4% des terrestrischen Urans sind Uran-238 und nur 0,6% sind Uran-235. Das Rote Buch der Internationalen Atomenergiebehörde enthält Daten zum Wachstum der Produktion und der Nachfrage nach Uran, trotz des Unfalls im Kernkraftwerk "Fukushima-1", bei dem viele über die Aussichten für die Kernenergie nachdachten. Allein in den letzten Jahren sind die erkundeten Uranreserven um 7% gewachsen, was mit der Entdeckung neuer Lagerstätten verbunden ist. Die größten Produzenten bleiben Kasachstan, Kanada und Australien, sie fördern bis zu 63% des weltweiten Urans. Darüber hinaus gibt es Metallreserven in Australien, Brasilien, China, Malawi, Russland, Niger, den USA, der Ukraine, China und anderen Ländern. Zuvor schrieb Pronedra, dass 2016 in der Russischen Föderation 7,9 Tausend Tonnen Uran abgebaut wurden.

Heute wird Uran auf drei verschiedene Arten abgebaut. Die offene Methode verliert nicht an Relevanz. Es wird verwendet, wenn sich Ablagerungen nahe der Erdoberfläche befinden. Mit der offenen Methode erzeugen Bulldozer einen Steinbruch, dann wird Erz mit Verunreinigungen in Muldenkipper geladen, um zu Verarbeitungskomplexen transportiert zu werden.

Oft liegt der Erzkörper in großen Tiefen. In diesem Fall wird eine unterirdische Bergbaumethode angewendet. Eine Mine wird bis zu einer Tiefe von zwei Kilometern gegraben, der Fels wird durch Bohren in horizontalen Verwehungen abgebaut und in Lastenaufzügen nach oben transportiert.

Die Mischung, die auf diese Weise nach oben transportiert wird, hat viele Komponenten. Das Gestein muss zerkleinert, mit Wasser verdünnt und überschüssiges Material entfernt werden. Dann wird der Mischung Schwefelsäure zugesetzt, um den Auslaugungsprozess durchzuführen. Im Verlauf dieser Reaktion erhalten Chemiker einen gelben Niederschlag von Uransalzen. Schließlich wird Uran mit Verunreinigungen in der Raffinerie gereinigt. Erst danach entsteht Uran-Lachgas, das an der Börse gehandelt wird.

Es gibt eine viel sicherere, umweltfreundlichere und wirtschaftlichere Methode, die als In-situ-Auslaugung im Bohrloch (BLE) bezeichnet wird.

Mit dieser Methode der Feldentwicklung bleibt das Gebiet für das Personal sicher, und der Strahlungshintergrund entspricht dem Hintergrund in Großstädten. Um Uran durch Auslaugen zu extrahieren, müssen an den Ecken des Sechsecks 6 Vertiefungen gebohrt werden. Durch diese Vertiefungen wird Schwefelsäure in die Uranablagerungen gepumpt und mischt sich mit ihren Salzen. Diese Lösung wird hergestellt, nämlich durch das Bohrloch in der Mitte des Sechsecks gepumpt. Um die gewünschte Konzentration an Uransalzen zu erreichen, wird das Gemisch mehrmals durch Sorptionssäulen geleitet.

Kernbrennstoffproduktion

Die Herstellung von Kernbrennstoff ist ohne Gaszentrifugen, mit denen angereichertes Uran gewonnen wird, nicht vorstellbar. Nach Erreichen der erforderlichen Konzentration werden sogenannte Tabletten aus Urandioxid gepresst. Sie werden mit Schmiermitteln hergestellt, die beim Brennen in Öfen entfernt werden. Die Brenntemperatur erreicht 1000 Grad. Danach werden die Tabletten auf Übereinstimmung mit den angegebenen Anforderungen überprüft. Die Oberflächenqualität, der Feuchtigkeitsgehalt, das Verhältnis von Sauerstoff zu Uran sind wichtig.

Gleichzeitig werden in einer anderen Werkstatt Rohrgehäuse für Brennelemente hergestellt. Die vorgenannten Verfahren, einschließlich der anschließenden Dosierung und Verpackung von Tabletten in Schalenrohren, Versiegeln und Dekontaminieren, werden als Kraftstoffherstellung bezeichnet. In Russland wird die Erstellung von Brennelementen (FA) von den Unternehmen "Maschinenbauwerk" in der Region Moskau, "Nowosibirsker Werk für chemische Konzentrate" in Nowosibirsk, "Moskauer Werk für Polymetalle" und anderen durchgeführt.

Jede Charge von Brennelementen wird für einen bestimmten Reaktortyp erstellt. Europäische Brennelemente sind quadratisch und russische mit sechseckigem Querschnitt. Reaktoren vom Typ VVER-440 und VVER-1000 sind in der Russischen Föderation weit verbreitet. Die ersten Brennstäbe für den VVER-440 wurden 1963 und für den VVER-1000 seit 1978 entwickelt. Trotz der Tatsache, dass in Russland neue Reaktoren mit Sicherheitstechnologien nach Fukushima aktiv eingeführt werden, gibt es im In- und Ausland viele Kernkraftwerke alten Stils, daher Brennelemente für verschiedene Typen Reaktoren.

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

Die Kosten von produktionsprozesse im %

Separat sollte über Brennelemente für Forschungsreaktoren gesprochen werden. Sie sollen die Beobachtung und Untersuchung des Neutronenerzeugungsprozesses so angenehm wie möglich gestalten. Solche Brennelemente für Experimente auf dem Gebiet der Kernphysik, der Herstellung von Isotopen und der Strahlenmedizin in Russland werden von der Novosibirsk Plant of Chemical Concentrates hergestellt. Brennelemente basieren auf nahtlosen Elementen mit Uran und Aluminium.

Die Produktion von Kernbrennstoffen in der Russischen Föderation wird von der TVEL Fuel Company (ein Geschäftsbereich von Rosatom) durchgeführt. Das Unternehmen arbeitet an der Anreicherung von Rohstoffen, der Montage von Brennelementen und bietet auch Kraftstofflizenzierungsdienste an. Das mechanische Werk Kovrov in der Region Wladimir und das Gaszentrifugenwerk Ural in der Region Swerdlowsk stellen Ausrüstungen für russische Brennelemente her.

Merkmale des Transports von Brennstäben

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

Uranpellets, die in Brennelementen angeordnet sind, enthalten Uran mit einer Konzentration von 5% Uran-235. Fertige Brennelemente mit Kernbrennstoff werden speziell transportiert metallbehälter hohe Festigkeit. Für den Transport werden Schienen-, Straßen-, See- und sogar Lufttransporte verwendet. In jeden Behälter werden zwei Baugruppen gelegt. Der Transport von nicht bestrahltem (frischem) Kraftstoff stellt keine Strahlengefahr dar, da die Strahlung nicht über die Zirkoniumrohre hinausgeht, in die gepresste Uranpellets eingebracht werden.

Für eine Kraftstoffsendung wird eine spezielle Route entwickelt, die Fracht wird (häufiger) in Begleitung des Sicherheitspersonals des Herstellers oder Kunden transportiert, was vor allem auf die hohen Ausrüstungskosten zurückzuführen ist. In der gesamten Geschichte der Kernbrennstoffproduktion wurde kein einziger Transportunfall mit Brennelementen registriert, der den Strahlungshintergrund beeinflussen würde. umfeld oder führte zu Opfern.

Brennstoff im Reaktorkern

Eine Kernbrennstoffeinheit - TVEL - kann lange Zeit eine große Menge Energie freisetzen. Weder Kohle noch Gas können mit solchen Mengen verglichen werden. Der Lebenszyklus von Kraftstoff in einem KKW beginnt mit dem Entladen, Entfernen und Lagern von frischem Kraftstoff im Lager der Brennelemente. Wenn die vorherige Brennstoffcharge im Reaktor ausbrennt, vervollständigt das Personal die Brennelemente zum Laden in den Kern (die Arbeitszone des Reaktors, in der die Zerfallsreaktion stattfindet). In der Regel wird der Kraftstoff teilweise nachgeladen.

Vollbrennstoff wird erst zum Zeitpunkt des ersten Starts des Reaktors in den Kern geladen. Dies liegt daran, dass die Brennstäbe im Reaktor ungleichmäßig ausbrennen, da der Neutronenfluss in verschiedenen Zonen des Reaktors unterschiedlich intensiv ist. Dank der Messgeräte kann das Stationspersonal den Abbrandgrad jeder Kraftstoffeinheit in Echtzeit überwachen und einen Ersatz vornehmen. Anstatt neue Brennelemente zu laden, bewegen sich die Baugruppen manchmal untereinander. Das Abbrennen tritt am intensivsten in der Mitte des Kerns auf.

Brennelemente nach dem Kernkraftwerk

Uran, das in einem Kernreaktor verbraucht wurde, wird als bestrahlt oder ausgebrannt bezeichnet. Und solche Brennelemente sind abgebrannte Brennelemente. SNF ist getrennt von radioaktivem Abfall positioniert, da es mindestens zwei nützliche Komponenten enthält - unverbranntes Uran (die Metallverbrennungsrate erreicht nie 100%) und Transuranradionuklide.

In jüngster Zeit haben Physiker begonnen, die in abgebrannten Brennelementen angesammelten radioaktiven Isotope in Industrie und Medizin zu verwenden. Nachdem der Brennstoff seine Kampagne ausgearbeitet hat (die Zeit, die die Baugruppe im Reaktorkern unter Betriebsbedingungen bei Nennleistung verbracht hat), wird er in den Pool für abgebrannte Brennelemente, dann in das Lager direkt im Reaktorraum und anschließend zur Wiederaufbereitung oder Entsorgung geschickt. Der Pool für abgebrannte Brennelemente dient zum Abführen von Wärme und zum Schutz vor ionisierender Strahlung, da die Brennelementanordnung nach dem Entfernen aus dem Reaktor gefährlich bleibt.

In den USA, Kanada oder Schweden wird SNF nicht zur Wiederaufbereitung gesendet. Andere Länder, einschließlich Russland, arbeiten an einem geschlossenen Kraftstoffkreislauf. Dies kann die Kosten für die Herstellung von Kernbrennstoffen erheblich senken, da ein Teil des abgebrannten Kernbrennstoffs wiederverwendet wird.

Die Brennstäbe lösen sich in der Säure auf, wonach die Forscher das Plutonium und das nicht verwendete Uran vom Abfall trennen. Es ist unmöglich, etwa 3% des Rohmaterials wiederzuverwenden, da es sich um hochgradige Abfälle handelt, die einer Bitumenierung oder Verglasung unterzogen werden.

Aus abgebrannten Brennelementen kann 1% Plutonium gewonnen werden. Dieses Metall muss nicht angereichert werden, Russland verwendet es zur Herstellung von innovativem MOX-Kraftstoff. Ein geschlossener Brennstoffkreislauf ermöglicht es, eine Brennelementbaugruppe um ca. 3% billiger zu machen. Diese Technologie erfordert jedoch große Investitionen in den Bau von Industrieanlagen und ist daher weltweit noch nicht weit verbreitet. Trotzdem stoppt das Kraftstoffunternehmen "Rosatom" die Forschung in diese Richtung nicht. Pronedra schrieb das kürzlich in Russische Föderation arbeiten an Brennstoff, der die Isotope von Americium, Curium und Neptunium im Reaktorkern nutzen kann, die in denselben 3% hochradioaktiver Abfälle enthalten sind.

Kernbrennstoffhersteller: Bewertung

1. Bis vor kurzem lieferte das französische Unternehmen Areva 31% des Weltmarktes für Brennelemente. Das Unternehmen beschäftigt sich mit der Herstellung von Kernbrennstoffen und der Montage von Komponenten für Kernkraftwerke. Im Jahr 2017 wurde Areva qualitativ erneuert, neue Investoren kamen in das Unternehmen und der kolossale Verlust von 2015 wurde um das Dreifache reduziert.
2. Westinghouse ist der amerikanische Geschäftsbereich der japanischen Firma Toshiba. Es entwickelt aktiv den Markt in Osteuropa und liefert Brennelemente an ukrainische Kernkraftwerke. Zusammen mit Toshiba liefert es 26% des weltweiten Marktes für die Herstellung von Kernbrennstoffen.
3. Die TVEL Fuel Company der Rosatom State Corporation (Russland) belegt den dritten Platz. TVEL liefert 17% des Weltmarktes, verfügt über ein 10-Jahres-Vertragsportfolio im Wert von 30 Milliarden US-Dollar und liefert Brennstoff an mehr als 70 Reaktoren. TVEL entwickelt Brennelemente für VVER-Reaktoren und tritt auch in den Markt für Kernkraftwerke westlichen Designs ein.
4. Japan Nuclear Fuel Limited beliefert nach neuesten Daten 16% des Weltmarktes und liefert Brennelemente an die meisten Kernreaktoren in Japan.
5. Mitsubishi Heavy Industries ist ein japanischer Riese, der Turbinen, Tanker, Klimaanlagen und in jüngerer Zeit Kernbrennstoff für Reaktoren im westlichen Stil herstellt. Mitsubishi Heavy Industries (ein Geschäftsbereich der Muttergesellschaft) befasst sich mit dem Bau von Kernreaktoren APWR, Forschungsaktivitäten mit Areva. Dieses Unternehmen wurde von der japanischen Regierung ausgewählt, um neue Reaktoren zu entwickeln.

Ein modernes Auto kann auch mit Benzin mit einer Oktanzahl von 72 betrieben werden - aber es wird eine traurige und langsame Fahrt. Ein Kernkraftwerk kann auch mit Brennstoff betrieben werden, der vor 50 Jahren entwickelt wurde - aber es wird in einem ungünstigen Modus arbeiten, der Reaktor wird die neuen Möglichkeiten, die die Konstrukteure darin festgelegt haben, nicht realisieren können. Seit der Errichtung des allerersten Kernkraftwerks leiten Atomwissenschaftler ständig harte Arbeit Verbesserung der Qualität von Kernbrennstoffen und Steigerung der Vorteile der Kernenergie.

Wir alle haben gesehen und sind bereits daran gewöhnt, wie Kernkraftwerke aussehen - gigantische Strukturen, die als eines der Symbole der modernen Phase in der Entwicklung der menschlichen Zivilisation angesehen werden können und sollten. Riesige Turbinen, deren rotierender Rotor einen riesigen elektrischen Strom erzeugt, leistungsstarke Pumpen, die Wasser unter hohem Druck durch den Reaktorkern treiben, starke Reaktorbehälter, zusätzliche hermetische Schalen, die Erdbeben standhalten können, Flugzeuge, die darauf fallen. Die Pipelines des ersten und zweiten Kreislaufs sind riesige Kühltürme, in denen sich das Wasser des zweiten Kreislaufs abkühlt - alles ist groß, manchmal kolossal. Das Herz eines Kernreaktors ist jedoch sehr klein, da eine kontrollierte Kernspaltungsreaktion in sehr kleinen Brennstoffpellets stattfindet, die Uran enthalten, das mit Isotop-235 angereichert ist. Hier geschieht in kleinen Tabletten das Wichtigste - die Freisetzung einer großen Wärmemenge, für deren vorteilhafte Nutzung alles geschaffen wird, was wir in einem Kernkraftwerk sehen. Dies alles ist groß und schön, komplex und erfordert enorme Anstrengungen bei der Herstellung und dem Betrieb von Geräten - nur ein "Service" für Brennstoffpellets.

Atomkraft ohne Formeln

Es ist ziemlich schwierig darüber zu sprechen, was Kernbrennstoff für ein Kernkraftwerk ist - im Normalfall erfordert die Beschreibung mehrstöckige mathematische Formeln, Atomphysik und andere Quantenmechanik. Versuchen wir, auf all dies zu verzichten, um zu verstehen, wie unsere Atomwissenschaftler Uran gezähmt haben, und machen es zu einer zuverlässigen Quelle, die wir so sehr brauchen. elektrische Energie... Es scheint uns, dass Logik und einfacher alltäglicher gesunder Menschenverstand dafür ausreichen werden, und der Ausgangspunkt wird eine Schulbeschreibung einer Kettenreaktion der Spaltung sein. Merken?

"Ein Neutron trifft auf den Urankern, schlägt zwei Neutronen gleichzeitig aus, sie treffen jetzt ein paar Kerne, schlagen vier auf einmal aus ..."

Kernkettenreaktion

Mathematisch gesehen ist mit einem Neutronenmultiplikationsfaktor von zwei eine kontrollierte Kettenreaktion unmöglich. Die Anzahl der freien Neutronen und Zerfallsakte der Urankerne wächst so stark wie eine Lawine, dass es nur ein Ergebnis geben kann - eine Atomexplosion. Damit die Reaktion reibungslos abläuft und überwacht und reguliert werden kann, muss ein Multiplikationsfaktor von 1,02 erreicht werden. Einhundert freie "anfängliche" Neutronen sollten das Auftreten von 102 freien "Neutronen der zweiten Generation" verursachen. Der Rest muss eliminiert, absorbiert und neutralisiert werden - Nennen Sie diesen Prozess, wie Sie möchten, aber es muss passieren. Dieser Schwellenwert wurde theoretisch berechnet, wofür wir unseren Wissenschaftlern ein großes Dankeschön aussprechen. Sie fanden heraus, dass der natürliche Gehalt des Isotops 235 nicht ausreicht, damit der Multiplikationsfaktor die Einheit überschreitet. Mit anderen Worten, wenn wir wollen, dass die Spaltreaktion nicht aufhört, müssen wir lernen, wie wir den Gehalt dieses Isotops auf 3-4% erhöhen können, dh 5-6 mal höher als das, was Mutter Natur uns bietet. Die Theoretiker berechneten, aber die praktischen Ingenieure erledigten den Rest der Arbeit und entwickelten Möglichkeiten, Materialien zu verwenden, die überschüssige Neutronen im Reaktorkern absorbieren, und erfanden "Neutronenneutralisatoren".

Chemie ist Leben

Wie Uran durch den Inhalt von Isotope-235, Analytical Online Journal, angereichert wird Geoenergetics.ru bereits gesagt - zuerst muss Uran in Gas umgewandelt werden, in Uranfluorid, dann mit Hilfe von Gaszentrifugen schwere Atome "aussortieren", wodurch die Anzahl der leichten Atome zunimmt (der Kern des Haupturanisotops enthält 238 Protonen und Neutronen, ein solches Atom wiegt drei Atome Einheiten mehr als das Uran-235-Atom). Großartig - Fluorid ist an Uran-235 reicher geworden, alles ist in Ordnung. Und dann - was und wie? Der Weg des Kernbrennstoffs zu KKW-Reaktoren beginnt in den fürsorglichen Händen von Chemikern, die extrem gute Leistungen erbringen wichtige Arbeit - Sie verwandeln Gas in einen Feststoff und in das, was die Atomlobbyisten für sie "befohlen" haben. Die Atomenergie ist insofern überraschend, als sie nicht nur auf die Atomphysik beschränkt ist, sondern Dutzende von wissenschaftlichen Disziplinen hier gleichzeitig eingesetzt werden Rosatom Es gibt immer Platz für Chemiker, Materialwissenschaftler, Metallurgen und viele, viele andere Spezialisten.

Und Physiker „bestellen“ Chemiker Urandioxid - ein Molekülpulver, das ein Uranatom und zwei Sauerstoffatome enthält. Wieso er? Viele Eigenschaften dieser Moleküle sind schmerzhaft gut. Die Schmelztemperatur von Urandioxid beträgt 2'840 Grad, es ist sehr schwierig, es zum Schmelzen zu bringen; in der Geschichte der Kernenergie gab es nur drei Unfälle, die mit dem Schmelzen von Kernbrennstoff einhergingen. Urandioxid ist nicht sehr anfällig für die sogenannte Gasquellung - ein interessantes Phänomen, das jedoch für die Kernenergie schädlich ist. Was im Reaktorkern geschieht, ist die Verkörperung des Traums mittelalterlicher Alchemisten, von denen es Transformationen gibt chemische Elemente in anderen völlig anders als sie. Ein freies Neutron, das gegen den Kern von Uran-235 schlägt, schlägt nicht nur zusätzliche freie Neutronen aus ihm heraus, sondern bewirkt auch, dass der Kern selbst in verschiedene Teile spaltet. Wie genau die Spaltung stattfinden wird, welche neuen Kerne in diesem Fall gebildet werden, ist Zufall, aber Statistiken zeigen, dass es neben anderen Spaltfragmenten auch Gase gibt. Sie sammeln sich im Brennstoffpellet an und verhalten sich so, wie es für Gase sein sollte. Sie versuchen, so viel Volumen wie möglich einzunehmen und das Brennstoffpellet buchstäblich in Stücke zu reißen. Stimmen Sie zu, daran ist nichts Nützliches - wir brauchen ein Brennstoffpellet, das ganz und gesund ist, damit es so lange wie möglich im Kern verbleibt, um die gesamte Energie, die in den Kernen der Uranatome enthalten ist, auf uns zu übertragen. Also nur Hardcore, nur Urandioxid - es ermöglicht Ihnen, höhere Temperaturen zu verwenden, was die Effizienz eines Kernkraftwerks erhöht, es ermöglicht Ihnen, den Brennstoffverbrauch zu erhöhen.

"Die Tiefe des Abbrennens von Kernbrennstoffen" ist ein vollständig wissenschaftlicher und technischer Begriff, aber für das Verständnis dessen, was es ist, der höchste bewegungserziehung, Körpererziehung, Leibeserziehung nicht erforderlich. Brennstoffverbrennung ist der Anteil der Urankerne, die bei Exposition gegenüber Neutronen eine nukleare Transformation erfahren haben. In Prozent ausgedrückt, je höher der Prozentsatz, desto mehr Urankerne könnten wir für die von uns benötigten Zwecke verwenden, nachdem wir von ihnen die zur Stromerzeugung verwendete Wärme erhalten haben. Somit ist der Brennstoffabbrand einer der wichtigsten wirtschaftlichen Parameter eines Kernkraftwerks. Wenn wir 100 Kilogramm Uran-235 in den Kern geben und am Ende der Brennstoffkampagne 99 kg davon entfernen, ist es den Preis für eine solche Auslegung des Kerns, des Reaktors und des Kernkraftwerks nicht wert. Wenn sich jedoch herausstellt, dass das aus dem Kern extrahierte Brennstoffpellet kein Uran-235 mehr enthält, sind die Designer großartig und es ist an der Zeit, jedem von ihnen dringend einen Nobelpreis zu verleihen, vorzugsweise zwei.

Tatsächlich ist die Burnout-Tiefe von 100% im Prinzip unerreichbar, aber das bedeutet nicht, dass sie nicht dafür kämpfen - die Kämpfe um jeden Prozentsatz sind ernst. Je größer die Ausbrenntiefe ist, desto geringer sind die Kosten für den entstehenden Strom, und der Wettbewerb mit Energie, die auf der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen beruht, wurde nicht aufgehoben. Je länger das Pellet „brennt“, desto seltener muss der Reaktor den Brennstoff aufladen. Der VVER (Wasser-Wasser-Kraftreaktor) ist so konstruiert, dass der Brennstoff gewechselt wird, wenn der Reaktor vollständig gestoppt und abgekühlt ist - dies ist sicherer. Je weniger solcher Stillstände auftreten, desto höher ist der Auslastungsgrad der installierten Kapazität. ICUF ist der zweitwichtigste wirtschaftliche Indikator für ein Kernkraftwerk. Im technischen Pass Ihres Staubsaugers steht die Leistung - zum Beispiel 1'200 W * Stunde. Aber Sie erhalten 1'200 Watt, wenn der Staubsauger eine Stunde lang in einer halben Betriebsstunde arbeitet - für eine halbe Stunde "etwas hat Ihren unteren Rücken gepackt" erhalten Sie nur 600 Watt, oder mit anderen Worten, die Kapazität des Staubsaugers beträgt nur 50%. Wie bei der Tiefe der Brennstoffverbrennung liegt das geschätzte Ziel bei 100%, und auch hier zählt jeder Prozentsatz, da die Wirtschaftlichkeit eines Kernreaktors rentabler sein sollte als die Wirtschaftlichkeit eines Wärmekraftwerks und sogar die Wirtschaftlichkeit eines Wasserkraftwerks.

Es scheint - wie können Sie günstigere wirtschaftliche Ergebnisse erzielen als ein Wasserkraftwerk, das überhaupt keinen Brennstoff benötigt und in dem nur die Energie des fallenden Wassers verwendet wird? Es ist ganz einfach: Das Wasser fällt nicht 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr auf die Wasserkraftwerke. Dazu benötigen Sie eine ganz bestimmte Menge Wasser im Stausee. Bis dieses Volumen erreicht ist, wird das Wasserkraftwerk "ruhen" und das Kernkraftwerk, das nichts über solche Pausen weiß, wird Zeit haben, seinen Rivalen einzuholen und zu überholen. Hier eine kurze Zusammenfassung: Der Wirkungsgrad, die Abbrenntiefe und der ICUM eines Kernkraftwerks hängen entscheidend vom Brennstoffpellet und seinem Material ab. Denken Sie daran, ein Chemiker, der Uranfluoridgas in Urandioxidpulver umwandelt - die Zukunft der Kernenergie hängt von Ihren Fähigkeiten ab!

Kraftstofftabletten - Schritt für Schritt

Es gibt viel in einfachen Worten zu erklären, aber es ist unmöglich, eine solche Übung durchzuführen, um die Arbeit von Chemikern anhand des Wortes "im Allgemeinen" zu beschreiben. Machen Sie sich also bereit. Uranfluoridgas wird zuerst durch eine wässrige Lösung geleitet und Uranylfluorid wird erhalten, das mit Ammoniak und dem sauren Rückstand von Kohlensäure gemischt wird. Als Ergebnis wird Ammoniumuranylcarbonat erhalten, das ausfällt. Wenn man bedenkt, dass die Hälfte der Arbeit bereits erledigt ist, haben wir zumindest etwas Festes, nicht Gasförmiges. Die Suspension wird durch einen Filter geleitet, gewaschen und zu einem Fließbettofen geschickt, wo sich aufgrund der hohen Temperatur alle unnötigen Verunreinigungen zersetzen, wobei im trockenen Rückstand Urantrioxidpulver erhalten wird (es gibt drei Sauerstoffatome in diesem Molekül pro 1 Uranatom). Das war's, jetzt ist er fast unser!

Abschnitt zur Herstellung von Urandioxidpulver durch Hochtemperaturpyrohydrolyse

Die Temperatur ist wieder hoch - 500 Grad, aber bereits mit dem Wasserstoffstrom, der ein zusätzliches Sauerstoffatom aufnimmt, und die Chemiker gehen ruhig zum Mittagessen, damit die Physiker das begehrte Urandioxid wegnehmen können. Sie freuen sich jedoch früh - sie werden sofort auf die ausgestreckten Hände geschlagen ... Metallurgen, da Brennstoffpellets nach der Methode der Pulvermetallurgie hergestellt werden. Das Pulver, das durch die Arbeit von Chemikern erhalten wird, wird zerkleinert, gesiebt und ein feines Pulver wird erhalten - es wird zu einem Zustand von fast Staub zerkleinert. Nach dem Hinzufügen von Bindemitteln und Schmiermitteln werden die Tabletten gepresst und erneut zum Tempern geschickt, um unnötige Verunreinigungen zu beseitigen. Danach steigt die Temperatur auf 1'750 Grad, die Tabletten werden dichter und schwerer - jetzt können sie bereits mechanisch verarbeitet werden. Eine Zylinderschleifmaschine kommt ins Spiel, um die erforderlichen Abmessungen zu erhalten - das ist alles.

Produktionsstandort für Uranpellets

Nein, nicht ganz "alles", denn unmittelbar danach kommen die Inspektoren in den Laden, um die geometrischen Abmessungen, die Oberflächenqualität, den Feuchtigkeitsgehalt und das Verhältnis von Sauerstoff- und Uranatomen zu überprüfen. Bitte beachten Sie, dass es nicht erforderlich ist, das Verhältnis von Uran-235- und Uran-238-Atomen zu überprüfen. Unabhängig davon, welche Manipulationen Chemiker durchführen, hat ihre Wirkung keinen Einfluss auf die Zusammensetzung der Atomkerne. Das Ergebnis all dieser Arbeiten sind Brennstoffpellets mit einem Gewicht von nur 4,5 Gramm, aber diese kleinen Stücke enthalten die gleiche Energiemenge wie 400 kg Kohle, 360 Kubikmeter erdgas oder 350 kg Öl.

Herstellung und technische Kontrolle von Kernkeramik-Brennstoffpellets

Nomenklatur der Tabletten, die bei russischen Nuklearunternehmen hergestellt wurden, die Teil von sind TVEL Fuel Company - mehr als 40 Sorten, unterschiedliche Größen, unterschiedliche Grade der Uran-235-Anreicherung. Eines bleibt jedoch unverändert: Die Kernenergie verwendet weiterhin genau Urandioxid als Brennstoff, was an sich eines der Hindernisse für die Ausbreitung der Radioaktivität darstellt. Bei Betriebstemperaturen hält dieses Material 98% der Zersetzungsprodukte im Inneren zurück, wodurch die Dichtungslast auf ein Minimum reduziert wird. Damit der Kraftstoff seine "Barriere" -Funktionen erfüllen kann, ist es wichtig, dass die Wechselwirkung des Kraftstoffs mit dem Kühlmittel minimal ist - andernfalls können radioaktive Zerfallsprodukte entweichen außenumgebung mit all den daraus resultierenden unangenehmen Folgen.

Brennstab ist nicht nur ein "langer Schlauch"

Okay, die Pillen sind gemacht, was kommt als nächstes? Die Idee eines Kernreaktors ist einfach: Das Kühlmittel muss die gesamte durch Kernreaktionen freigesetzte Wärme „abführen“. Mehrmals entfernen, diese Entfernung sollte während der gesamten Brennstoffsitzung erfolgen - der Zeit, die im Reaktorkern verbraucht wird. In VVER-Reaktoren wird diese Arbeit durch Wasser ausgeführt, das unter hohem Druck durch den Kern fließt. Brennstoffpellets in den Kern werfen, wie Knödel in kochendem Wasser? Keine Option, es ist viel klüger, die stationäre Position der Brennstoffpellets sicherzustellen, entlang derer der Wasserfluss unter Druck fließt und die bei Kernreaktionen gebildeten wegnimmt wärmeenergie... Folglich brauchen wir eine Art "Schloss", das die stationäre Anordnung des Brennstoffs gewährleisten soll - dies ist das hohle dünnwandige Rohr, in dem Brennstoffpellets enthalten sind - ein Brennelement, ein Brennelement.

Brennelemente (Brennstäbe), Foto: wikimedia.org

Warum dünnwandig? Damit die in den Brennstoffpellets erzeugte Wärme durch Wasser nahezu ungehindert "abgeführt" werden kann, ist die erste Anforderung an das Material der Brennelementwände die höchstmögliche Wärmeleitfähigkeit. Nahm - gab, nahm - gab. Die zweite Anforderung liegt ebenfalls auf der Hand: Die Außenseite der Brennelementwände befindet sich ständig in Wasser, daher sollte das Material keine Korrosionsangst haben. Die dritte Bedingung ist ebenfalls offensichtlich: Das Material muss einer konstant hohen Radioaktivität standhalten, ohne die wichtigsten nuklearen Prozesse zu schädigen. Es muss so wenig Neutronen wie möglich absorbieren, um die Kernreaktion nicht zu unterbrechen und die Produktion von Uran mit einer höheren Anreicherung des Isotops 235 nicht zu erzwingen. Der Durchmesser des Rohrs sowie der Durchmesser der Brennstoffpellets sollten so klein wie möglich sein, da sonst die in den zentralen Segmenten entstehende Wärme das Kühlmittel nicht erreicht. Dies ist die Reihe von Anforderungen, die eine so "einfache" Sache wie eine dünne Wand eines Brennelements erfüllen muss.

In der Phase der Bildung der Kernenergie wurde Edelstahl zu einem solchen Material, aber dies hielt nicht lange an - es stellte sich heraus, dass Stahl zu viele freie Neutronen benötigt, etwas weniger Unersättliches wird benötigt. Zu diesem Zeitpunkt hatten die Atomwissenschaftler gründlich gearbeitet und ein Metall mit dem minimalen Neutroneneinfangquerschnitt gefunden - Zirkonium. In diesem Fall ersetzt das Wort "Schnitt" das Wort "Wahrscheinlichkeit". Die Wahrscheinlichkeit, dass ein vorbeiziehendes Neutron vom Kern eines Zirkonatoms in seine Fallen gefangen wird, ist minimal, während Zirkonium einen ausgezeichneten Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist, nicht mit Wasser interagiert, nur bei Temperaturen über 1.855 Grad schmilzt und einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist - statt Um beim Erhitzen zu "quellen", "leitet" es einfach Wärme an die äußere Umgebung ab. Einverstanden - nur ein ideales Material für die Kernenergie, wenn Sie es schaffen, es in perfekter chemischer Reinheit zu erreichen, da jede Verunreinigung danach strebt, freie Neutronen aktiv "aufzuessen".

Produktionsstätte für Brennstäbe und Brennelemente

Sobald 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 Unternehmen auf der Welt, das einen vollständigen Produktionszyklus von Zirkonium und seinen Legierungen aufweist, ist das mechanische Werk in Tschetschetk (Glazov, Udmurtien), das Teil der TVEL Fuel Company ist. Seit 1986 hat ChMP auf die Herstellung von Brennelementgehäusen aus der Legierung E-110 umgestellt - ein Prozent Niob wird Zirkonium zugesetzt, und dieser geringe Anstieg erhöht die Korrosionsbeständigkeit des Materials erheblich. Noch besser sind die mechanischen Eigenschaften der derzeit verwendeten E-365-Legierung, die neben Zirkonium und Niob auch Eisen und Zinn enthält. Jeder Schritt bei der Herstellung von Brennelementen ist äußerst wichtig. Das Vorhandensein dieser Elemente ermöglicht es Ihnen, das Schweißen mit anderen Verbindungsmethoden besser zu bewältigen verschiedene Materialien... Die in Russland hergestellten Brennelemente erfüllen alle Anforderungen der IAEO, weisen hervorragende Betriebseigenschaften auf und ermöglichen es, die Wirtschaftsindikatoren für die Kernenergie anzuheben.

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

Brennelement im Schnitt, Abb .: heuristic.su

Hier kurzbeschreibung Brennstab mit Inhalt im Inneren. 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 nicht die Wände des Brennstabs, der Spalt und das Loch in den Pellets sind so konstruiert, dass der Brennstab die beim Zerfall des Kerns gebildeten radioaktiven Gase in sich behalten kann. Die Pellets sind mit Buchsen im Brennelement befestigt, die Gesamtlänge der Pelletsäule beträgt 3,53 Meter, während der Brennstoffsitzung erhöht sich die Länge um 30 mm. Ja, alles wird in Millimetern und sogar in ihren Bruchteilen gemessen - schließlich befasst sich die Atomenergie mit den kleinsten Materieteilchen.

Hier ist eine Tablette mit einem Durchmesser von weniger als 8 mm - es scheint, was könnte daran interessant sein? Aber während Kernreaktionen erreicht die Temperatur im zentralen Teil der Tablette 1'500-1'600 Grad und an der Außenfläche nur 470. Ein Unterschied von tausend Grad in einem Abstand von 3-4 Millimetern, Metall wird zu Gas - das sind die Wunder im Inneren des Winzlings Tablets.

Vom Brennelement zur Brennelementbaugruppe

Die Tabletten wurden hergestellt, sie wurden in den Brennstab gelegt - ist das alles? Natürlich nicht - das Rohr wiegt zusammen mit Kraftstoff nur 2,1 kg, eine solche Uranmasse auf lange Arbeit wird nicht genug sein. Die nächste Stufe bei der Bildung von Kernbrennstoffen ist die Bildung von Brennelementen, Brennelementen. Für den VVER-1000-Reaktor, der in Russland bislang am weitesten verbreitet ist, werden 312 Brennstäbe zu einer Brennelementbaugruppe zusammengebaut, wobei Lücken für den Eintritt von Steuer- und Schutzsystemstäben verbleiben, die mit einem so wirksamen Neutronenabsorber wie Bor gefüllt sind. Im unteren Teil der Brennelementanordnung befindet sich eine sogenannte Auskleidung - die Stelle, an der die Brennstäbe befestigt sind.

Rahmenherstellung - Schweißen von Kanälen und Abstandsgittern

Im oberen Teil sind die Brennstäbe durch einen Federblock am Kopf befestigt - er schützt die Brennstäbe vor dem Schweben während des Betriebs des Reaktors. Ja, Uran ist ein schweres Element, Zirkonium kann auch nicht als einfach bezeichnet werden, aber es ist zu beachten, dass der nominelle Wasserfluss durch die Brennelementanordnung 500 Kubikmeter pro Stunde beträgt und sich das Wasser mit einer Geschwindigkeit von 200 km / h entlang der Brennstäbe von unten nach oben bewegt - ein solcher Fluss wird Kraft Pop-up was auch immer. Die Brennstäbe sind durch Abstandsgitter voneinander getrennt, die diese Rohre an ihren regulären Stellen halten und so die effizienteste Wärmeabfuhr gewährleisten. Abstandsgitter an Brennelementen unterschiedlicher Bauart - von 12 bis 15 Stück, nur eine solche Anzahl ermöglicht es Wasser, die Arbeit zur Ableitung von Nutzwärme auszuführen.

Kanäle und Abstandshalter, Qualitätskontrolle

Und selbst dies hat uns nicht vollständig vor dem Problem des Biegens von Brennstäben und Brennelementen bewahrt. Unsere Baugruppen konnten mechanischen axialen Belastungen nicht standhalten - fast vier Meter lang mit einer Schalendicke von 0,65 mm, starkem Wasserdurchfluss und hohen Temperaturen. 1993 wurde endlich klar, dass mit diesem Problem etwas getan werden muss, und es müssen Wege gefunden werden, es loszuwerden. Minatom stellte eine entsprechende Anfrage an die IAEO - wie sieht es mit diesem Problem aus? westliche Länder... IAHTE führte eine entsprechende Umfrage bei operativen Organisationen durch und fand keine Sensation - westliche Nuklearwissenschaftler haben dieses Problem, sie suchen auch nach Wegen, um damit umzugehen.

Entschuldigen Sie mich, aber wir müssen noch einmal auf den Hauptmythos der liberalen Wirtschaft eingehen - auf die Effizienz des privaten Eigentümers im Vergleich zum ungeschickten, trägen Staatssektor der Wirtschaft. Es gibt eine große Anzahl privater Eigentümer von Kernkraftwerken im Westen und insbesondere in den Vereinigten Staaten, aber sie konnten das Problem nicht lösen. Minatom handelte in Übereinstimmung mit den Traditionen des Ministeriums für mittleren Maschinenbau - vertraute die Lösung des Problems zwei Konstruktionsbüros gleichzeitig an, so dass infolge des Kampfes zwischen zwei gute projekte Der Sieg ging an die Besten. Die Teilnehmer des kapitalistischen Wettbewerbs waren das Podolsk Design Bureau (Experimental Design Bureau) "Gidropress" und das Nizhny Novgorod OKBM (Design Bureau for Mechanical Engineering), benannt nach V.I. Afrikantova. Beide Konstruktionsbüros sind derzeit Teil des Maschinenbaus Atomenergomash, was jedoch die Wettbewerbsintensität nicht beeinträchtigt.

Wettbewerb ist der Motor des Fortschritts

Die Bewohner von Nischni Nowgorod entwickelten das Design des TVSA, das im Verlauf der Entwicklung die Abkürzung TVSA erhielt. Modifikationen von TVSA-12, TVSA-PLUS und TVSA-T erschienen nacheinander. Das Hauptmerkmal ist, dass Ecken mit den Abstandsgittern verschweißt wurden, um die Steifigkeit der Struktur zu erhöhen. Gidropress akzeptierte dieses Konzept jedoch nicht. Eine überschüssige Menge Zirkonium, aus der die Ecken im Kern bestehen, kann laut Experten die Neutroneneigenschaften des Wirkstoffs negativ beeinflussen Zone des Reaktors. Die bei Gidropress erstellte Modifikation mit der Abkürzung UTVS (Advanced Fuel Assembly) verwendet kein starres Schweißen von Abstandsgittern und Führungskanälen. Kudankulam ". Zu erklären, dass diese Entwicklung nur von den Mitarbeitern von OKB "Gidropress" gemacht wurde, ist falsch. An dieser Arbeit nahmen das Kurchatov-Institut, das Obninsk-Institut für Physik und Energie, das Nowosibirsker Werk für chemische Konzentrate, das N.I. Bochvara. Das Ergebnis ist jedoch wichtig - ein Pilotversuch im KKW Rostow ergab hervorragende Ergebnisse, ausländische Kunden waren äußerst zufrieden mit der Erhöhung der Zuverlässigkeit des UTPS.

Bündelmontage

Das Beobachten der Details des Kampfes zwischen den beiden Designbüros ist ein faszinierender Anblick, aber es gibt so viele technische Details, dass die Bemühungen professioneller Übersetzer erforderlich sind. Die Gitter sind breit und schmal, verdünnte Gitter, Turbulatoren und Deflektoren, Gitter mit schrägen Kanälen, Wärmeübertragungsverstärker, die Geschwindigkeit beim Laden von Kassetten in den Kern, die Kombination mit dem Betrieb von Tankmaschinen, die Terminologie von Hydrodynamik und Thermomechanik - das ist wirklich eine völlig separate Sprache ... Für die Kernenergie ist es wichtig Das Ergebnis beider Designbüros, dessen wissenschaftlicher und kreativer Streit bis heute andauert. Verbesserungen und Modifikationen ermöglichen die Verwendung von Kraftstoff mit einer höheren Anreicherung des Uran-235-Gehalts - dieser Wert für VVER-1000 ist von 3,77% auf 4,95% gestiegen. Es scheint, dass der Unterschied völlig unbedeutend ist, aber infolgedessen stieg die Tiefe der Kraftstoffverbrennung von 40 MW pro Tag pro Kilogramm Uran auf 58 MW pro Kilogramm um fast 50%. Dieses Ergebnis ist jedoch bereits sehr bedeutsam. Es ermöglicht einen gleichberechtigten Kampf gegen die Kohlenwasserstoffenergie in Bezug auf die Kosten des erzeugten Stroms und macht die Aussichten für die Entwicklung der Kernenergie immer ermutigender. Eine der Errungenschaften - eine Steigerung der Leistung des Betriebs von VVER-Reaktoren um 4 bis 7% ohne Änderung ihres Designs - basiert genau auf der Optimierung von Kernbrennstoff und Brennelementen. wettbewerbsvorteil auf dem internationalen Markt.

Fertige Kraftstoffbaugruppe

Natürlich wurde UTVS nicht zu einer Art "Finale" der Verbesserung von Brennelementen. Der Hauptvorteil von UTVS gegenüber dem Kraftstoff der vorherigen Generation war der Übergang von Edelstahl zu Zirkonium zur E-110-Legierung. Die Entwickler konnten die Steifigkeit der Struktur ohne Verwendung von Ecken erhöhen - sie verstärkten die Abstandshalter und begannen mit dem Punktschweißen, um die Verformungsbeständigkeit während des Betriebs zu erhöhen. Es gelang ihnen, die Länge der Brennstoffsäule zu erhöhen - jetzt wird mehr Uran in den Reaktorkern eingebracht, die Brennstoffsitzungen sind länger geworden, das Betanken kann weniger häufig durchgeführt werden, was eine Erhöhung des ICUM bedeutet.

Neuer Treibstoff für den Iran

Seit Anfang 2014 begann ein Verhandlungsprozess zwischen TVEL und der iranische Kunde vertreten durch Atomenergieorganisation des Iran (AEOI) und Iranische Kernenergieerzeugung und -entwicklung (NPPD) über den Übergang des KKW Bushehr zu neuen Brennelementen - TVS-2M. Um den Verhandlungsprozess sicherzustellen TVEL entwickelte eine „Machbarkeitsstudie für die Implementierung von TVS-2M im KKW Bushehr, in der dem Kunden eine vollständige Menge an Informationen zur Analyse und Entscheidungsfindung für einen solchen Übergang zur Verfügung gestellt wurde. Die meisten die beste Weise Einen potenziellen Kunden zu überzeugen ist kein aufdringliches Marketing. In der Kernenergie bringt dieser Ansatz fast nie Ergebnisse. Das russische Brennstoffunternehmen brachte einfach die Analyse der Ergebnisse der Einführung von TVS-2M im russischen VVER-1000 und im KKW Tianwan in China zusammen - Reaktoren des gleichen Typs wie der im Kraftwerk des KKW Bushehr betriebene. In China werden die ersten beiden Einheiten des KKW Tianwan in einem 18-monatigen Kraftstoffkreislauf mit TVS-2M betrieben. Und die iranischen Nuklearwissenschaftler konnten sicherstellen, dass die Tiefe des Brennstoffverbrauchs, die Dauer der Treibstoffkampagnen und der ICUM zunahmen.

Nachdem die iranischen Kunden die erzielten Ergebnisse analysiert und vor Ort überprüft hatten, unternahmen sie Vergeltungsmaßnahmen. Sie entwickelten eine Liste der Arbeiten russischer Unternehmen, die erforderlich ist, um die Zulassung neuer Brennstoffe bei den Nuklearaufsichtsbehörden sicherzustellen. Weitere Arbeiten waren bereits gemeinsam - unsere und iranische Spezialisten erstellten gemeinsam eine Liste der notwendigen Ausrüstungsaufrüstungen für das Kraftwerk im KKW Bushehr, die durchgeführt werden mussten, damit der Reaktor TVS-2M in den Kern aufnehmen konnte. Tatsächlich zeigte der Betrieb unserer VVER-1000 mit dem neuen Kraftstoff solche Ergebnisse, dass ein vollständiger Übergang zu TVS-2M einfach unvermeidlich wurde - der Kraftstoffverbrauch stieg um 20% und die Kraftstoffkomponente der Kosten der Stromerzeugung verringerte sich um fast 9%.

Das Ergebnis der Verhandlungen mit dem iranischen Kunden ist ziemlich logisch. Diesen April TVEL signiert mit AEOI und NPPD zusätzliche Vereinbarung zum aktuellen Kraftstoffversorgungsvertrag für das KKW Bushehr - ab 2020 TVEL wird mit der Auslieferung von TVS-2M in den Iran beginnen. Keine Eile, keine Aufregung - nur unsere und die von uns unterstützten iranischen Atomprojekte entwickeln sich stetig weiter und versorgen die Verbraucher mit Strom in den Mengen, die sie benötigen. Was Kunden in Indien und China darüber denken, werden wir sicherlich in naher Zukunft herausfinden. Wachstum Ökonomische Indikatoren Triebwerke aufgrund der Verwendung von neuem Kraftstoff ohne wesentliche Änderungen an der Ausrüstung sind so bezeichnend, dass das Vertrauen besteht, dass die Reflexionen nicht lange dauern werden. Wir müssen nur folgen weitere Entwicklung Veranstaltungen und nochmals gratulieren TVEL, OKB "Gidropress" und das gesamte Entwicklerteam mit der Tatsache, dass ihr neuer Kraftstoff nun internationale Anerkennung erhalten hat.

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

Kernbrennstoff ist das „Herz“ der Kernenergie, und es ist nützlich zu verfolgen, wie neue Brennstofftypen entstehen und welche Ergebnisse sie bei ihrer Verwendung erzielen, da damit die Kosten für die Stromerzeugung in Kernkraftwerken und Wärmekraftwerken verglichen werden können. Außerdem haben wir diesmal nicht auf die Ergebnisse eingegangen, nach denen die Entwickler neuer Kraftstofftypen bei OKBM benannt sind. Afrikantov - und ihre Ideen werden auch sehr aktiv genutzt Rosatom... Mit einem Wort, die heutige Geschichte über Kernbrennstoffe wird wahrscheinlich nicht die einzige bleiben.

Ein 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 extrem energieintensiv und für den Menschen unsicher, was seine Verwendung einer Reihe von Einschränkungen unterwirft. Heute erfahren wir, was ein Kernreaktorkraftstoff ist, wie er klassifiziert und hergestellt wird und wo er verwendet wird.

Kettenreaktion

Während einer Kernkettenreaktion teilt sich der Kern in zwei Teile, die als Spaltfragmente bezeichnet werden. Gleichzeitig werden mehrere (2-3) Neutronen freigesetzt, die anschließend die Spaltung der nächsten Kerne bewirken. Der Prozess findet statt, wenn ein Neutron in den Kern der ursprünglichen Substanz eintritt. Spaltfragmente haben eine hohe kinetische Energie. Ihre Verzögerung in der Materie geht mit der Freisetzung einer großen Wärmemenge einher.

Spaltfragmente werden zusammen mit ihren Zerfallsprodukten Spaltprodukte genannt. Kerne, die Neutronen jeglicher Energie spalten, werden als Kernbrennstoff bezeichnet. In der Regel handelt es sich um Substanzen mit einer ungeraden Anzahl von Atomen. Einige Kerne spalten sich ausschließlich durch Neutronen, deren Energien über einem bestimmten Schwellenwert liegen. Dies sind hauptsächlich Elemente mit einer geraden Anzahl von Atomen. Solche Kerne werden als Rohmaterial bezeichnet, da im Moment des Einfangens von Neutronen durch den Schwellenkern Brennstoffkerne gebildet werden. Die Kombination von Brennstoff und Rohstoff wird als Kernbrennstoff bezeichnet.

Einstufung

Kernbrennstoff wird in zwei Klassen unterteilt:

1. Natürliches Uran. Es enthält die spaltbaren Kerne von Uran-235 und den Rohstoff Uran-238, der durch Einfangen eines Neutrons Plutonium-239 bilden kann.
2. Nicht natürlich vorkommender Sekundärbrennstoff. Dazu gehören unter anderem Plutonium-239, das aus der ersten Brennstoffart gewonnen wird, sowie Uran-233, das entsteht, wenn Neutronen von Thorium-232-Kernen eingefangen werden.

In Hinsicht auf chemische Zusammensetzunggibt es solche Arten von Kernbrennstoffen:

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

TVEL und TVS

Brennstoff für Kernreaktoren wird in Form kleiner Pellets verwendet. Sie befinden sich in hermetisch abgeschlossenen Brennelementen (Brennstäben), die wiederum zu mehreren hundert zu Brennelementen (Brennelementen) zusammengefasst werden. Kernbrennstoff stellt hohe Anforderungen an die Kompatibilität mit Brennelementverkleidungen. Es sollte eine ausreichende Schmelz- und Verdampfungstemperatur, eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine unter Volutung mit Neutronen nicht stark an Volumen zunehmen. Auch die Herstellbarkeit der Produktion wird berücksichtigt.

Anwendung

Brennstoff kommt in Form von Brennelementen zu Kernkraftwerken und anderen Kernkraftwerken. Sie können sowohl während des Betriebs (anstelle der ausgebrannten Brennelemente) als auch während der Reparaturkampagne in den Reaktor geladen werden. Im letzteren Fall werden die Brennelemente in großen Gruppen gewechselt. In diesem Fall wird nur ein Drittel des Kraftstoffs vollständig ersetzt. Die am meisten ausgebrannten Baugruppen werden aus dem zentralen Teil des Reaktors entladen, und an ihrer Stelle befinden sich teilweise ausgebrannte Baugruppen, die sich zuvor in weniger aktiven Regionen befanden. Infolgedessen werden anstelle der letzteren neue Brennelemente installiert. Dieses einfache Permutationsschema wird als traditionell angesehen und hat eine Reihe von Vorteilen, von denen der Haupt darin besteht, eine gleichmäßige Leistungsfreigabe sicherzustellen. Dies ist natürlich ein bedingtes Diagramm, das nur einen allgemeinen Überblick über den Prozess gibt.

Auszug

Nach der Entfernung abgebrannter Brennelemente aus dem Reaktorkern wird diese in einen Pool für abgebrannte Brennelemente geleitet, der sich normalerweise in der Nähe befindet. Tatsache ist, dass abgebrannte Brennelemente eine große Menge an Uranspaltungsfragmenten enthalten. Nach dem Entladen aus dem Reaktor enthält jedes Brennelement etwa 300.000 Curies radioaktiver Substanzen, die 100 kW / h Energie abgeben. Dadurch erwärmt sich der Kraftstoff selbst und wird hochradioaktiv.

Die Temperatur des kürzlich entladenen Kraftstoffs kann 300 ° C erreichen. Daher wird es 3-4 Jahre unter einer Wasserschicht aufbewahrt, deren Temperatur innerhalb des angegebenen Bereichs gehalten wird. Wenn es unter Wasser gelagert wird, nehmen die Radioaktivität des Kraftstoffs und die Leistung seiner Restemissionen ab. Nach etwa drei Jahren erreicht die Eigenerwärmung der Brennelementanordnung 50-60 ° C. Dann wird der Kraftstoff aus den Pools entfernt und zur Verarbeitung oder Entsorgung geschickt.

Uranmetall

Uranmetall wird relativ selten als Brennstoff für Kernreaktoren verwendet. Wenn eine Substanz eine Temperatur von 660 ° C erreicht, tritt ein Phasenübergang auf, der von einer Änderung ihrer Struktur begleitet wird. Uran expandiert ganz einfach, was zur Zerstörung des Brennelements führen kann. Bei längerer Exposition bei einer Temperatur von 200-500 ° C ist die Substanz Strahlungswachstum ausgesetzt. Die Essenz dieses Phänomens ist die Dehnung des bestrahlten Uranstabs um den Faktor 2-3.

Die Verwendung von metallischem Uran bei Temperaturen über 500 ° C ist aufgrund seiner Quellung schwierig. Nach der Spaltung eines Kerns werden zwei Fragmente gebildet, deren Gesamtvolumen das Volumen dieses Kerns übersteigt. Einige der Spaltfragmente werden durch Gasatome (Xenon, Krypton usw.) dargestellt. Gas sammelt sich in den Poren des Urans an und bildet einen Innendruck, der mit steigender Temperatur zunimmt. Durch Erhöhen des Atomvolumens und Erhöhen des Drucks von Gasen beginnt der Kernbrennstoff zu quellen. Dies bezieht sich also auf die relative Volumenänderung, die mit der Kernspaltung verbunden ist.

Die Quellkraft hängt von der Brennstabtemperatur und dem Ausbrennen ab. Mit zunehmendem Abbrand steigt die Anzahl der Spaltfragmente und mit zunehmender Temperatur und Abbrand der Innendruck der Gase. Wenn der Kraftstoff höhere mechanische Eigenschaften aufweist, neigt er weniger zum Quellen. Metallisches Uran gehört nicht zu solchen Materialien. Daher begrenzt seine Verwendung als Brennstoff für Kernreaktoren den Abbrand, der eines der Hauptmerkmale eines solchen Brennstoffs ist.

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

Feuerfeste Verbindungen

Bestimmte feuerfeste Uranverbindungen gelten als guter Kernbrennstoff: Carbide, Oxide und intermetallische Verbindungen. Am häufigsten ist Urandioxid (Keramik). Sein Schmelzpunkt beträgt 2800 ° C und seine Dichte 10,2 g / cm 3.

Da dieses Material keine Phasenübergänge aufweist, ist es weniger quellanfällig als Uranlegierungen. Dank dieser Funktion kann die Ausbrenntemperatur um mehrere Prozent erhöht werden. Keramik interagiert bei hohen Temperaturen nicht mit Niob, Zirkonium, Edelstahl und anderen Materialien. Sein Hauptnachteil ist seine geringe Wärmeleitfähigkeit - 4,5 kJ (m * K), die die spezifische Leistung des Reaktors begrenzt. Außerdem neigen heiße Keramiken zu Rissen.

Plutonium

Plutonium gilt als niedrigschmelzendes Metall. Es schmilzt bei 640 ° C. Aufgrund seiner schlechten plastischen Eigenschaften eignet es sich praktisch nicht für die mechanische Bearbeitung. Die Toxizität des Stoffes erschwert die Technologie zur Herstellung von Brennstäben. Versuche, Plutonium und seine Verbindungen zu verwenden, wurden in der Nuklearindustrie wiederholt unternommen, aber sie wurden nicht mit Erfolg gekrönt. Die Verwendung von plutoniumhaltigem Brennstoff für Kernkraftwerke ist aufgrund einer etwa zweifachen Verkürzung der Beschleunigungsperiode, die nicht für Standardreaktorsteuerungssysteme ausgelegt ist, unpraktisch.

Zur Herstellung von Kernbrennstoffen werden in der Regel Plutoniumdioxid, Plutoniumlegierungen mit Mineralien und eine Mischung von Plutoniumcarbiden mit Urancarbiden verwendet. Dispersionsbrennstoffe, bei denen Partikel von 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 bestand der Dispersionsbrennstoff beispielsweise aus Uranlegierungspartikeln mit 9% Molybdän, die mit Molybdän gefüllt waren.

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

Bergbau

Erhebliche Mengen an Uran, dem Hauptrohstoff für Kernbrennstoffe, sind in mehreren Ländern konzentriert: Russland, den USA, Frankreich, Kanada und Südafrika. Die Lagerstätten befinden sich normalerweise in der Nähe von Gold und Kupfer, sodass alle diese Materialien gleichzeitig abgebaut werden.

Die Gesundheit der in der Entwicklung tätigen Menschen ist einer großen Gefahr ausgesetzt. Tatsache ist, dass Uran ein giftiges Material ist und die bei seiner Extraktion freigesetzten Gase Krebs verursachen können. Und das trotz der Tatsache, dass das Erz nicht mehr als 1% dieser Substanz enthält.

Empfang

Die Herstellung von Kernbrennstoff aus Uranerz umfasst Stufen wie:

1. Hydrometallurgische Verarbeitung. Es umfasst das Auslaugen, Zerkleinern und Extrahieren oder die Rückgewinnung der Sorption. Das Ergebnis der hydrometallurgischen Verarbeitung ist eine gereinigte Suspension von Oxiuranoxid, Natriumdiuranat oder Ammoniumdiuranat.
2. Umwandlung einer Substanz von Oxid zu Tetrafluorid oder Hexafluorid zur Anreicherung von Uran-235.
3. Substanzanreicherung durch Zentrifugation oder thermische Gasdiffusion.
4. Umwandlung von angereichertem Material in Dioxid, aus dem Brennstab-Tabletten hergestellt werden.

Regeneration

Während des Betriebs eines Kernreaktors kann der Brennstoff nicht vollständig ausbrennen, daher werden freie Isotope reproduziert. In dieser Hinsicht werden die abgebrannten Brennelemente zur Wiederverwendung regeneriert.

Heute wird dieses Problem durch einen Purex-Prozess gelöst, der aus folgenden Phasen besteht:

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

Danach wird das erhaltene Plutoniumdioxid zur Herstellung neuer Kerne und das Uran zur Anreicherung oder auch zur Herstellung von Kernen verwendet. Die Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen ist ein komplexer und kostspieliger Prozess. Die Kosten haben erhebliche Auswirkungen auf die wirtschaftliche Machbarkeit des Einsatzes von Kernkraftwerken. Gleiches gilt für die Entsorgung von Kernbrennstoffabfällen, die nicht zur Regeneration geeignet sind.

Das Funktionsprinzip und die Struktur des TYRD

Gegenwärtig wurden 2 Varianten der Konstruktion des Turbinentriebwerks vorgeschlagen:

TNRD basierend auf einem Fusionsreaktor mit magnetischem Plasmaeinschluss

Im ersten Fall sehen das Funktionsprinzip und die TNRP-Vorrichtung wie folgt aus: Der Hauptteil des Motors ist ein Reaktor, in dem eine kontrollierte thermonukleare Fusionsreaktion stattfindet. Der Reaktor ist eine hohlzylindrische "Kammer", die auf einer Seite offen ist, die sogenannte. eine "offene Falle" -Fusionsanlage (auch als "Magnetflasche" oder Spiegelzelle bezeichnet). Die "Kammer" des Reaktors ist überhaupt nicht notwendig (und sogar unerwünscht) sollte vollständig abgedichtet sein, höchstwahrscheinlich handelt es sich um ein leichtes, formstabiles Fachwerk, das die Spulen des Magnetsystems trägt. Derzeit ist das vielversprechendste Schema das sogenannte. "Ambipolar Confinement" oder "Magnetspiegel" (dt. tandemspiegel), obwohl auch andere Einschlussschemata möglich sind: gasdynamische Fallen, Zentrifugaleinschluss, umgekehrtes Magnetfeld (FRC). Durch aktuelle SchätzungenDie Länge der Reaktionskammer beträgt 100 bis 300 m mit einem Durchmesser von 1 bis 3 m. In der Reaktorkammer werden Bedingungen geschaffen, die für den Beginn der Kernfusion der Komponenten des ausgewählten Brennstoffpaars ausreichen (Temperaturen in der Größenordnung von Hunderten von Millionen Grad, Faktoren nach Lawsons Kriterium). Thermonuklearer Brennstoff - ein vorgewärmtes Plasma aus einem Gemisch von Brennstoffkomponenten - wird in die Reaktorkammer eingespeist, wo eine konstante Fusionsreaktion stattfindet. Generatoren von Magnetfeldern (Magnetspulen der einen oder anderen Bauart), die den Kern umgeben, erzeugen Felder mit hoher Intensität und komplexer Konfiguration in der Reaktorkammer, die verhindern, dass das thermonukleare Hochtemperaturplasma die Reaktorstruktur berührt und die darin ablaufenden Prozesse stabilisiert. Die Zone der thermonuklearen "Verbrennung" (Plasmabrenner) ist entlang der Längsachse des Reaktors gebildet. Das resultierende Plasma, das von magnetischen Steuersystemen geleitet wird, fließt durch eine Düse aus dem Reaktor und erzeugt einen Strahlschub.

Es ist die Möglichkeit eines "Multi-Mode" -Betriebs des TNRE zu beachten. Durch Einspritzen einer relativ kalten Substanz in den Strahl eines Plasmabrenners ist es möglich, den Gesamtschub des Triebwerks (aufgrund einer Abnahme des spezifischen Impulses) dramatisch zu erhöhen, wodurch ein Raumfahrzeug mit einem TNRE effektiv in den Gravitationsfeldern massereicher Himmelskörper manövrieren kann, beispielsweise in großen Planeten, in denen häufig ein großer Gesamtschub des Triebwerks erforderlich ist. Nach allgemeinen Schätzungen kann die TNRD eines solchen Schemas 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 beträgt der spezifische Impulsindex der fortschrittlichsten chemischen Raketentriebwerke etwa 450 Sekunden.

TNRD basierend auf Trägheitsfusionssystemen (gepulster thermonuklearer Reaktor)

Der Motor des zweiten Typs ist ein inertial gepulster thermonuklearer Motor. In einem solchen Reaktor findet eine gesteuerte thermonukleare Reaktion in einem gepulsten Modus (Bruchteile von Mikrosekunden mit einer Frequenz von 1 bis 10 Hz) mit periodischer Kompression und Erwärmung von Mikrozielen statt, die thermonuklearen Brennstoff enthalten. Ursprünglich war der Einsatz eines Laser-Thermonuklearmotors (LTNRD) geplant. Ein solcher LTNARD wurde insbesondere für eine interstellare automatische Sonde im Daedalus-Projekt vorgeschlagen. Sein Hauptteil ist ein gepulster Reaktor. Thermonuklearer Brennstoff (z. B. Deuterium und Tritium) wird in Form von Targets in die Kugelkammer des Reaktors eingespeist - eine komplexe Konstruktion von Kugeln aus einem Gemisch 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 Nanosekunden-Strahlungsimpuls durch optisch transparente Fenster in den Kammerwänden auf das Ziel trifft. Gleichzeitig wird auf der Zieloberfläche sofort eine Temperatur von mehr als 100 Millionen Grad bei einem Druck von etwa einer Million Atmosphären erzeugt - Bedingungen, die für den Beginn einer thermonuklearen Reaktion ausreichen. Es findet eine thermonukleare Mikroexplosion mit einer Kapazität von mehreren hundert Kilogramm in TNT-Äquivalent statt. Die Häufigkeit solcher Explosionen in der Kammer des Daedalus-Projekts beträgt etwa 250 pro Sekunde, was die Lieferung von Treibstofftargets mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10 km / s unter Verwendung einer EM-Kanone erforderte. Das expandierende Plasma fließt aus dem offenen Teil der Reaktorkammer durch eine Düse geeigneter Bauart und erzeugt einen Strahlschub. Das wurde nun theoretisch und praktisch bewiesen lasermethode Das Komprimieren / Erhitzen von Mikrozielen ist eine Sackgasse - einschließlich der Tatsache, dass es fast unmöglich ist, Laser mit einer solchen Leistung mit einer ausreichenden Ressource zu bauen. Daher wird derzeit für die Trägheitssynthese eine Variante mit Ionenstrahlkompression / -erwärmung von Mikrotargets als effizienter, kompakter und mit einer viel längeren Ressource angesehen.

Dennoch besteht die Meinung, dass das TNRE, das auf dem Trägheitspulsprinzip basiert, aufgrund der darin zirkulierenden sehr hohen Leistungen zu umständlich ist, wobei ein spezifischer Impuls und Schub schlechter ist als der eines TNRE mit magnetischem Einschluss, der durch den pulsperiodischen Typ seiner Wirkung verursacht wird ... Ideologisch sind Sprengstoffe, die mit thermonuklearen Ladungen des Orion-Projekttyps betrieben werden, dem Trägheitspulsprinzip benachbart.

Reaktionsarten und Fusionsbrennstoff

TYARD kann verwenden verschiedene Arten thermonukleare Reaktionen in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Brennstoffs. Insbesondere sind derzeit folgende Arten von Reaktionen grundsätzlich realisierbar:

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

2 H + 3 H \u003d 4 He + n bei einer Energieabgabe von 17,6 MeV

Eine solche Reaktion ist aus Sicht moderner Technologien am einfachsten durchführbar, liefert eine erhebliche Energieausbeute und Kraftstoffkomponenten sind relativ billig. Sein Nachteil ist eine sehr große Ausbeute an unerwünschter (und für die direkte Erzeugung von Schub nutzloser) Neutronenstrahlung, die den größten Teil der Reaktionsleistung wegnimmt und den Wirkungsgrad des Motors stark verringert. Tritium ist radioaktiv, seine Halbwertszeit beträgt etwa 12 Jahre, dh seine Langzeitlagerung ist unmöglich. Gleichzeitig ist es möglich, einen Deuterium-Tritium-Reaktor mit einer lithiumhaltigen Hülle zu umgeben: Letztere wird, wenn sie mit einem Neutronenfluss bestrahlt wird, zu Tritium, das den Brennstoffkreislauf bis zu einem gewissen Grad schließt, da der Reaktor im Modus eines Züchters (Züchters) arbeitet. Somit wird der D-T-Reaktor tatsächlich mit Deuterium und Lithium betrieben.

Deuterium + Helium-3-Reaktion

2 H + 3 He \u003d 4 He + p. mit einer Energieabgabe von 18,3 MeV

Die Bedingungen dafür sind viel komplizierter. Helium-3 ist auch ein seltenes und extrem teures Isotop. Es wird derzeit nicht im industriellen Maßstab hergestellt. Obwohl die Energieabgabe d-T-Reaktionen oben hat die D-3 He-Reaktion die folgenden Vorteile:

Reduzierter Neutronenfluss, die Reaktion kann auf "neutronenfrei" zurückgeführt werden,

Weniger Gewicht der Strahlenabschirmung,

Weniger Masse der Magnetspulen des Reaktors.

Bei der D-3 He-Reaktion in Form von Neutronen werden nur etwa 5% der Leistung freigesetzt (gegenüber 80% bei der D-T-Reaktion), und etwa 20% werden in Form von Röntgenstrahlen freigesetzt. Alle andere Energie kann direkt verwendet werden, um einen Strahlschub zu erzeugen. Daher ist die D-3He-Reaktion für die Verwendung in einem TNRP-Reaktor vielversprechender.

Andere Arten von Reaktionen

Die Reaktion zwischen Deuteriumkernen (D-D, Monokraftstoff) D + D -\u003e 3 He + n bei einer Energieausbeute von 3,3 MeV und

D + D -\u003e T + p + bei einer Energieabgabe von 4 MeV. Die Neutronenausbeute bei dieser Reaktion ist sehr signifikant.

Einige andere Arten von Reaktionen sind ebenfalls 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 obigen Reaktionen gibt es keine Neutronenausbeute.

Die Wahl des Brennstoffs hängt von vielen Faktoren ab - seiner Verfügbarkeit und geringen Kosten, der Energieausbeute, der Leichtigkeit, die für die Reaktion der Kernfusion erforderlichen Bedingungen (vor allem der Temperatur), den erforderlichen Auslegungsmerkmalen des Reaktors usw. zu erreichen. Die vielversprechendsten für die Umsetzung des TNRE sind die sogenannten. "Neutronenfreie" Reaktionen, da der durch thermonukleare Fusion erzeugte Neutronenfluss (z. B. bei der Deuterium-Tritium-Reaktion) einen erheblichen Teil der Leistung abführt und nicht zur Erzeugung von Schub verwendet werden kann. Darüber hinaus erzeugt Neutronenstrahlung eine induzierte Radioaktivität in der Struktur des Reaktors und des Schiffs, was eine Bedrohung für die Besatzung darstellt. Die Deuterium-Helium-3-Reaktion ist auch aufgrund des Fehlens einer Neutronenausbeute vielversprechend. Gegenwärtig wurde ein anderes Konzept von TNRE vorgeschlagen - die Verwendung kleiner Mengen Antimaterie als Katalysator für eine thermonukleare Reaktion.

Geschichte, aktueller Stand und Perspektiven für die Entwicklung von TNRE

Die Idee zur Schaffung eines TNRE entstand fast unmittelbar nach der Durchführung der ersten thermonuklearen Reaktionen (Tests der thermonuklearen Ladungen). Ein 1958 veröffentlichter Artikel von J. Ross war eine der ersten Veröffentlichungen zur Entwicklung eines Turbinentriebwerks. Gegenwärtig ist die theoretische Entwicklung solcher Motortypen im Gange (insbesondere basierend auf der Laser-Kernfusion) und im Allgemeinen umfangreiche praktische Forschung auf dem Gebiet der kontrollierten thermonuklearen Fusion. Es gibt solide theoretische und technische Voraussetzungen für die Implementierung dieses Motortyps in absehbarer Zeit. Basierend auf den Konstruktionsmerkmalen des TNRP werden solche Motoren in der Lage sein, einen schnellen und effizienten interplanetaren Transport für die Entwicklung des Sonnensystems zu schaffen. Es wurden jedoch noch keine realen Stichproben des TNRE erstellt (2012).

siehe auch

Links

• Kosmonautik des 21. Jahrhunderts: Kernkraftwerke // Zeitung "For Science", 2003
• New Scientist Space (23.01.2003): Kernfusion könnte NASA-Raumschiff antreiben (dt.)
• Physikalische Enzyklopädie, v.4, Artikel „thermonukleare Reaktionen“, auf Seite 102, Moskau, „Große russische Enzyklopädie“, 1994, S. 704.