La energía nuclear consiste en gran cantidad empresas para diversos fines. Las materias primas para esta industria se obtienen de minas de uranio. Luego se entrega a las plantas de producción de combustible.

Luego, el combustible se transporta a las centrales nucleares, donde ingresa al núcleo del reactor. Cuando el combustible nuclear llega al final de su vida útil, está sujeto a eliminación. Vale la pena señalar que los residuos peligrosos aparecen no sólo después del reprocesamiento del combustible, sino también en cualquier etapa, desde la extracción de uranio hasta el trabajo en el reactor.

Combustible nuclear

Hay dos tipos de combustible. El primero es el uranio extraído de las minas, que es de origen natural. Contiene materias primas que son capaces de formar plutonio. El segundo es el combustible creado artificialmente (secundario).

El combustible nuclear también se divide según su composición química: metálico, de óxido, de carburo, de nitruro y mixto.

Minería de uranio y producción de combustible.

Una gran parte de la producción de uranio proviene de unos pocos países: Rusia, Francia, Australia, Estados Unidos, Canadá y Sudáfrica.

El uranio es el principal elemento combustible en las centrales nucleares. Para entrar en el reactor, pasa por varias etapas de procesamiento. La mayoría de las veces, los depósitos de uranio se encuentran junto al oro y el cobre, por lo que su extracción se lleva a cabo con la extracción de metales preciosos.

Durante la minería, la salud humana corre un gran riesgo porque el uranio es un material tóxico y los gases que aparecen durante su extracción provocan diversas formas de cáncer. Aunque el mineral en sí contiene una cantidad muy pequeña de uranio, del 0,1 al 1 por ciento. La población que vive cerca de las minas de uranio también corre un gran riesgo.

El uranio enriquecido es el principal combustible de las centrales nucleares, pero después de su uso permanece gran cantidad desecho radioactivo. A pesar de todos sus peligros, el enriquecimiento de uranio es un proceso integral de creación de combustible nuclear.

En su forma natural, el uranio prácticamente no se puede utilizar en ninguna parte. Para poder utilizarlo es necesario enriquecerlo. Para el enriquecimiento se utilizan centrifugadoras de gas.

El uranio enriquecido no sólo se utiliza en la energía nuclear, sino también en la producción de armas.

Transporte

En cualquier etapa del ciclo del combustible existe el transporte. Lo realizan todos formas accesibles: por tierra, mar, aire. Esto supone un gran riesgo y un gran peligro no sólo para el medio ambiente, sino también para los seres humanos.

Durante el transporte de combustible nuclear o sus elementos se producen muchos accidentes que provocan la liberación de elementos radiactivos. Esta es una de las muchas razones por las que se considera inseguro.

Desmantelamiento de reactores

Ninguno de los reactores ha sido desmantelado. Incluso el infame Chernobyl. La cuestión es que, según los expertos, el coste de desmantelamiento es igual o incluso superior al coste de construcción de un nuevo reactor. Pero nadie puede decir exactamente cuánto dinero se necesitará: el coste se calculó basándose en la experiencia del desmantelamiento de pequeñas estaciones para la investigación. Los expertos ofrecen dos opciones:

1. Colocar reactores y combustible nuclear gastado en depósitos.
2. Construye sarcófagos sobre reactores fuera de servicio.

En los próximos diez años, unos 350 reactores en todo el mundo llegarán al final de su vida útil y deberán ser retirados del servicio. Pero como no se ha inventado el método más adecuado en términos de seguridad y precio, este problema aún está por resolverse.

Actualmente hay 436 reactores operativos en todo el mundo. Por supuesto, esto es una gran contribución al sistema energético, pero es muy inseguro. Las investigaciones muestran que dentro de 15 a 20 años las centrales nucleares podrán ser reemplazadas por estaciones que funcionen con energía eólica y paneles solares.

Desperdicios nucleares

Como resultado de las actividades de las centrales nucleares se genera una gran cantidad de residuos nucleares. El reprocesamiento del combustible nuclear también deja residuos peligrosos. Sin embargo, ninguno de los países encontró una solución al problema.

Hoy en día, los desechos nucleares se guardan en instalaciones de almacenamiento temporal, en charcos de agua o se entierran a poca profundidad.

El método más seguro es el almacenamiento en instalaciones especiales, pero aquí también es posible la fuga de radiación, como ocurre con otros métodos.

De hecho, los residuos nucleares tienen cierto valor, pero requieren un estricto cumplimiento de las normas para su almacenamiento. Y éste es el problema más acuciante.

Un factor importante es el tiempo durante el cual los residuos son peligrosos. Cada uno tiene su propio período de descomposición durante el cual es tóxico.

Tipos de residuos nucleares

Durante el funcionamiento de cualquier central nuclear, sus residuos ingresan al medio ambiente. Se trata de agua para enfriar turbinas y residuos gaseosos.

Los residuos nucleares se dividen en tres categorías:

1. Nivel bajo: ropa de los empleados de las centrales nucleares, equipo de laboratorio. Estos residuos también pueden proceder de instituciones médicas y laboratorios científicos. No suponen un gran peligro, pero requieren el cumplimiento de medidas de seguridad.
2. Nivel intermedio: contenedores metálicos en los que se transporta combustible. Su nivel de radiación es bastante alto y es necesario proteger a quienes se encuentran cerca de ellos.
3. El nivel más alto corresponde al combustible nuclear gastado y sus productos de reprocesamiento. El nivel de radiactividad está disminuyendo rápidamente. Los desechos de alta actividad son muy pequeños, alrededor del 3 por ciento, pero contienen el 95 por ciento de toda la radiactividad.

El ciclo de vida del combustible nuclear a base de uranio o plutonio comienza en las empresas mineras, plantas químicas, en centrifugadoras de gas y no termina en el momento de la descarga del elemento combustible del reactor, ya que cada elemento combustible debe recorrer un largo camino. de eliminación y luego reprocesamiento.

Extracción de materias primas para combustible nuclear.

El uranio es el metal más pesado de la Tierra. Aproximadamente el 99,4% del uranio de la Tierra es uranio-238 y sólo el 0,6% es uranio-235. El informe del Libro Rojo de la Agencia Internacional de Energía Atómica muestra que la producción y la demanda de uranio están aumentando a pesar del accidente nuclear de Fukushima, que ha dejado a muchos preguntándose sobre las perspectivas de la energía nuclear. Sólo en los últimos años, las reservas probadas de uranio han aumentado un 7%, lo que se debe al descubrimiento de nuevos depósitos. Los mayores productores siguen siendo Kazajstán, Canadá y Australia; extraen hasta el 63% del uranio del mundo. Además, hay reservas de metales disponibles en Australia, Brasil, China, Malawi, Rusia, Níger, Estados Unidos, Ucrania, China y otros países. Anteriormente, Pronedra escribió que en 2016 se extrajeron 7,9 mil toneladas de uranio en la Federación de Rusia.

Hoy en día, el uranio se extrae de tres formas diferentes. El método abierto no pierde su relevancia. Se utiliza en los casos en que los depósitos se encuentran cerca de la superficie de la tierra. Con el método abierto, las topadoras crean una cantera y luego el mineral con impurezas se carga en camiones volquete para transportarlo a los complejos de procesamiento.

A menudo, el yacimiento se encuentra a gran profundidad, en cuyo caso se utiliza el método de extracción subterránea. Se excava una mina a una profundidad de hasta dos kilómetros, la roca se extrae mediante perforación en galerías horizontales y se transporta hacia arriba en montacargas.

La mezcla que se transporta de esta manera hacia arriba tiene muchos componentes. Hay que triturar la roca, diluirla con agua y retirar el exceso. A continuación se añade ácido sulfúrico a la mezcla para realizar el proceso de lixiviación. Durante esta reacción, los químicos obtienen un precipitado amarillo de sales de uranio. Finalmente, el uranio con impurezas se purifica en una instalación de refinación. Sólo después se produce óxido de uranio, que se comercializa en la bolsa de valores.

Existe un método mucho más seguro, ecológico y rentable llamado lixiviación in situ en pozo (ISL).

Con este método de extracción, el territorio sigue siendo seguro para el personal y la radiación de fondo corresponde a la de las grandes ciudades. Para extraer uranio mediante lixiviación, es necesario perforar 6 agujeros en las esquinas del hexágono. A través de estos pozos, se bombea ácido sulfúrico a los depósitos de uranio y se mezcla con sus sales. Esta solución se extrae, es decir, se bombea a través de un pozo en el centro del hexágono. Para lograr la concentración requerida de sales de uranio, la mezcla se pasa varias veces a través de columnas de sorción.

Producción de combustible nuclear

Es imposible imaginar la producción de combustible nuclear sin centrifugadoras de gas, con las que se produce uranio enriquecido. Una vez alcanzada la concentración requerida, el dióxido de uranio se prensa en las llamadas tabletas. Se crean utilizando lubricantes que se eliminan durante la cocción en los hornos. La temperatura de cocción alcanza los 1000 grados. Después de esto, las tabletas se verifican para garantizar que cumplan con los requisitos establecidos. La calidad de la superficie, el contenido de humedad y la proporción de oxígeno y uranio son importantes.

Al mismo tiempo, en otro taller se preparan carcasas tubulares para elementos combustibles. Los procesos anteriores, incluida la posterior dosificación y envasado de tabletas en tubos, sellado y descontaminación, se denominan fabricación de combustible. En Rusia, la creación de conjuntos combustibles (FA) la llevan a cabo Mashinostroitelny Zavod en la región de Moscú, la Planta de Concentrados Químicos de Novosibirsk en Novosibirsk, la Planta de Polimetales de Moscú y otras.

Cada lote de conjuntos combustibles se crea para un tipo específico de reactor. Los elementos combustibles europeos tienen forma de cuadrado, mientras que los rusos tienen una sección transversal hexagonal. En la Federación de Rusia se utilizan ampliamente reactores de los tipos VVER-440 y VVER-1000. Los primeros elementos combustibles para el VVER-440 comenzaron a desarrollarse en 1963, y para el VVER-1000, en 1978. A pesar de que en Rusia se están introduciendo activamente nuevos reactores con tecnologías de seguridad posteriores a Fukushima, hay muchas instalaciones nucleares antiguas en funcionamiento en todo el país y en el extranjero, por lo que los conjuntos combustibles siguen siendo igualmente relevantes para diferentes tipos reactores.

Por ejemplo, para suministrar elementos combustibles a un núcleo del reactor RBMK-1000 se necesitan más de 200 mil componentes de aleaciones de circonio, así como 14 millones de pastillas de dióxido de uranio sinterizadas. A veces, el coste de fabricación de un elemento combustible puede superar el coste del combustible contenido en los elementos, por lo que es tan importante garantizar una alta eficiencia energética por kilogramo de uranio.

Costos de procesos de producción V %

Por otra parte, cabe mencionar los conjuntos combustibles para reactores de investigación. Están diseñados de tal manera que la observación y el estudio del proceso de generación de neutrones sean lo más cómodos posible. Estas barras de combustible para experimentos en los campos de la física nuclear, la producción de isótopos y la medicina radiológica se producen en Rusia en la planta de concentrados químicos de Novosibirsk. Los FA se crean a partir de elementos sin costuras con uranio y aluminio.

La producción de combustible nuclear en la Federación de Rusia la lleva a cabo la empresa de combustible TVEL (una división de Rosatom). La empresa se dedica al enriquecimiento de materias primas, al montaje de elementos combustibles y también presta servicios de licencias de combustible. "Planta mecánica de Kovrov" en la región de Vladimir y "Planta centrífuga de gas de los Urales" en región de sverdlovsk crear equipos para conjuntos combustibles rusos.

Características del transporte de barras de combustible.

El uranio natural se caracteriza por un bajo nivel de radiactividad; sin embargo, antes de la producción de elementos combustibles, el metal se somete a un procedimiento de enriquecimiento. El contenido de uranio-235 en el mineral natural no supera el 0,7% y la radiactividad es de 25 becquereles por 1 miligramo de uranio.

Las pastillas de uranio que se colocan en los conjuntos combustibles contienen uranio con una concentración de uranio-235 del 5%. Los conjuntos combustibles terminados con combustible nuclear se transportan en vehículos especiales. contenedores metálicos alta resistencia. Para el transporte se utiliza el transporte ferroviario, por carretera, marítimo e incluso aéreo. Cada contenedor contiene dos conjuntos. El transporte de combustible no irradiado (fresco) no presenta ningún riesgo de radiación, ya que la radiación no se extiende más allá de los tubos de circonio en los que se colocan las bolitas de uranio prensadas.

Para el envío de combustible se ha desarrollado una ruta especial, la carga se transporta acompañada por personal de seguridad del fabricante o del cliente (más a menudo), lo que se debe principalmente al alto coste del equipo. En toda la historia de la producción de combustible nuclear, no se ha registrado ni un solo accidente de transporte que involucre elementos combustibles que hubiera afectado el fondo de radiación. ambiente o provocar víctimas.

Combustible en el núcleo del reactor.

Una unidad de combustible nuclear, el TVEL, es capaz de liberar enormes cantidades de energía durante un largo período de tiempo. Ni el carbón ni el gas pueden compararse con tales volúmenes. El ciclo de vida del combustible en cualquier central nuclear comienza con la descarga, retirada y almacenamiento de combustible nuevo en el almacén de elementos combustibles. Cuando se quema el lote anterior de combustible en el reactor, el personal ensambla los conjuntos combustibles para cargarlos en el núcleo (el área de trabajo del reactor donde ocurre la reacción de desintegración). Como regla general, el combustible se recarga parcialmente.

El combustible completo se añade al núcleo sólo en el momento de la primera puesta en marcha del reactor. Esto se debe al hecho de que las barras de combustible del reactor se queman de manera desigual, ya que el flujo de neutrones varía en intensidad en diferentes zonas del reactor. Gracias a los dispositivos de medición, el personal de la estación tiene la oportunidad de monitorear en tiempo real el grado de quemado de cada unidad de combustible y realizar reemplazos. A veces, en lugar de cargar nuevos conjuntos combustibles, los conjuntos se mueven entre sí. En el centro de la zona activa, el agotamiento ocurre con mayor intensidad.

FA después de una central nuclear

El uranio que se ha gastado en un reactor nuclear se llama irradiado o quemado. Y estos conjuntos combustibles se utilizan como combustible nuclear gastado. El SNF se coloca separado de los desechos radiactivos, ya que tiene al menos 2 componentes útiles: uranio sin quemar (la profundidad de quemado del metal nunca alcanza el 100%) y radionucleidos transuránicos.

EN Últimamente Los físicos comenzaron a utilizar en la industria y la medicina los isótopos radiactivos acumulados en el combustible nuclear gastado. Una vez que el combustible ha completado su campaña (el tiempo que el conjunto está en el núcleo del reactor en condiciones de operación a potencia nominal), se envía a la piscina de enfriamiento, luego a su almacenamiento directamente en el compartimiento del reactor y luego a su reprocesamiento o eliminación. La piscina de enfriamiento está diseñada para eliminar el calor y proteger contra la radiación ionizante, ya que el elemento combustible sigue siendo peligroso después de retirarlo del reactor.

En EE.UU., Canadá o Suecia el combustible gastado no se envía para su reprocesamiento. Otros países, incluida Rusia, están trabajando en un ciclo de combustible cerrado. Permite reducir significativamente el coste de producción de combustible nuclear, ya que parte del combustible gastado se reutiliza.

Las barras de combustible se disuelven en ácido, después de lo cual los investigadores separan el plutonio y el uranio no utilizado de los desechos. Alrededor del 3% de las materias primas no se pueden reutilizar: se trata de residuos de alta actividad que se someten a procedimientos de bituminización o vitrificación.

Se puede recuperar un 1% de plutonio del combustible nuclear gastado. No es necesario enriquecer este metal; Rusia lo utiliza en el proceso de producción del innovador combustible MOX. Un ciclo de combustible cerrado permite abaratar un conjunto combustible aproximadamente un 3%, pero esta tecnología requiere grandes inversiones en la construcción de unidades industriales, por lo que aún no se ha generalizado en el mundo. Sin embargo, la compañía de combustibles Rosatom no deja de investigar en este sentido. Pronedra escribió recientemente que en Federación Rusa Se trabaja en un combustible capaz de reciclar en el núcleo del reactor los isótopos de americio, curio y neptunio, que también forman parte del 3% de los residuos altamente radiactivos.

Productores de combustible nuclear: calificación

1. La empresa francesa Areva abastecía hasta hace poco el 31% del mercado mundial de elementos combustibles. La empresa produce combustible nuclear y ensambla componentes para centrales nucleares. En 2017, Areva pasó por una renovación cualitativa, nuevos inversores llegaron a la empresa y la colosal pérdida de 2015 se redujo a 3 veces.
2. Westinghouse es la división americana de la empresa japonesa Toshiba. Está desarrollando activamente el mercado en Europa del Este, suministrando elementos combustibles a las centrales nucleares ucranianas. Junto con Toshiba, proporciona el 26% del mercado mundial de producción de combustible nuclear.
3. En tercer lugar se encuentra la empresa de combustible TVEL de la corporación estatal Rosatom (Rusia). TVEL aporta el 17% del mercado mundial, tiene una cartera de contratos de diez años por valor de 30.000 millones de dólares y suministra combustible a más de 70 reactores. TVEL desarrolla elementos combustibles para reactores VVER y también entra en el mercado de centrales nucleares de diseño occidental.
4. Japan Nuclear Fuel Limited, según los últimos datos, abastece el 16% del mercado mundial y suministra conjuntos combustibles a la mayoría de los reactores nucleares del propio Japón.
5. Mitsubishi Heavy Industries es un gigante japonés que produce turbinas, camiones cisterna, aires acondicionados y, más recientemente, combustible nuclear para reactores de estilo occidental. Mitsubishi Heavy Industries (una división de la empresa matriz) se dedica a la construcción de reactores nucleares APWR, Actividades de investigación junto con Areva. Esta empresa fue elegida por el gobierno japonés para desarrollar nuevos reactores.

Un automóvil moderno puede funcionar con gasolina con un octanaje de 72, pero será un viaje lento y triste. Una central nuclear es capaz de funcionar con combustible desarrollado hace 50 años, pero funcionará de forma no rentable; el reactor no podrá realizar las nuevas capacidades que le incorporaron sus diseñadores. Desde la creación de la primera central nuclear, los científicos nucleares han trabajado constantemente trabajo duro mejorar la calidad del combustible nuclear, aumentando los beneficios energía nuclear.

Todos hemos visto y ya estamos acostumbrados a ver cómo son las centrales nucleares: estructuras gigantescas que pueden y deben considerarse uno de los símbolos. escenario moderno desarrollo de la civilización humana. Enormes turbinas cuyo rotor giratorio genera una fuerza enorme electricidad, potentes bombas que impulsan agua a alta presión a través del núcleo del reactor, vasijas de reactor duraderas, carcasas selladas adicionales que pueden resistir terremotos y aviones que caen sobre ellas. Tuberías del circuito primario y secundario, torres de refrigeración gigantes en las que se enfría el agua del circuito secundario: aquí todo es grande, a veces colosal. Pero el corazón de cualquier reactor nuclear es muy pequeño, porque la reacción de fisión nuclear controlada se produce dentro de pastillas de combustible muy pequeñas que contienen uranio enriquecido en el isótopo 235. Es aquí, en pequeñas tabletas, donde sucede lo más importante: la liberación de una gran cantidad de calor, para cuyo uso beneficioso se crea todo lo que vemos en las centrales nucleares. Esto es todo, un equipo grande, hermoso y complejo que requiere un enorme esfuerzo en producción y operación, simplemente "servicio" para los pellets de combustible.

Energía nuclear sin fórmulas

Es bastante difícil hablar sobre qué es el combustible nuclear de una central nuclear; en casos normales, la descripción requiere fórmulas matemáticas de varios niveles, física atómica y otras mecánicas cuánticas. Intentemos prescindir de todo esto para comprender cómo nuestros científicos nucleares domesticaron el uranio, convirtiéndolo en una fuente confiable de la energía que tanto necesitamos. energía eléctrica. Nos parece que la lógica y el simple sentido común cotidiano serán suficientes para esto, y Punto de partida Será una descripción escolar de una reacción en cadena de fisión. ¿Recordar?

"Un neutrón golpea un núcleo de uranio, elimina dos neutrones a la vez, que ahora golpean un par de núcleos, eliminando cuatro a la vez..."

Reacción nuclear en cadena

En términos matemáticos, con un factor de multiplicación de neutrones igual a dos, una reacción en cadena controlada es imposible. El número de neutrones libres y los procesos de desintegración de los núcleos de uranio crecen de tal manera que sólo puede haber un resultado: una explosión atómica. Para que la reacción se desarrolle sin problemas, para que pueda controlarse y regularse, es necesario alcanzar un factor de multiplicación de 1,02; cien neutrones "iniciales" libres deberían dar lugar a la aparición de 102 neutrones libres del "segundo". generación”, todo lo demás debe ser eliminado, absorbido, neutralizado; llama a este proceso como quieras, pero debe suceder. Este valor umbral se calculó teóricamente, por lo que queremos agradecer especialmente a nuestros científicos. Descubrieron que el contenido natural del isótopo 235 no es suficiente para que el factor de multiplicación supere uno. En otras palabras, si queremos que la reacción de fisión continúe, necesitamos aprender a aumentar el contenido de este isótopo al 3-4%, es decir, 5-6 veces más de lo que nos proporciona la madre naturaleza. Los teóricos hicieron los cálculos, pero los ingenieros prácticos hicieron el resto del trabajo, ideando formas de utilizar materiales que absorban el exceso de neutrones en el núcleo del reactor e inventaron los "neutralizadores de neutrones".

La química es vida.

Cómo se enriquece el uranio en función del contenido del isótopo 235, revista analítica en línea Geoenergética.ru Ya les dije que primero es necesario convertir el uranio en gas, en fluoruro de uranio, y luego utilizar centrifugadoras de gas para "eliminar" los átomos pesados, por lo que aumentará el número de átomos ligeros (el núcleo del isótopo principal del uranio contiene 238 protones y neutrones, dicho átomo pesa tres unidades atómicas más que el átomo de uranio-235). Genial: el fluoruro se ha vuelto más rico en uranio-235, todo está bien. Y luego – ¿qué y cómo? El camino del combustible nuclear hacia los reactores de las centrales nucleares comienza en las manos atentas de químicos que realizan trabajos extremadamente trabajo importante- transforman el gas en una sustancia sólida, y en la que los científicos nucleares les “ordenaron”. Lo que hace que la energía nuclear sea tan sorprendente es que no se limita sólo a la física atómica; utiliza docenas de disciplinas científicas a la vez, incluidas rosatom Siempre hay un lugar para químicos, científicos de materiales, metalúrgicos y muchos, muchos otros especialistas.

Y los físicos "ordenan" a los químicos dióxido de uranio, un polvo de moléculas que contiene un átomo de uranio y dos átomos de oxígeno. ¿Por qué él? Sí, muchas de las propiedades de estas moléculas son tremendamente buenas. El punto de fusión del dióxido de uranio es de 2.840 grados; es muy difícil hacerlo fundir; en la historia de la energía nuclear, ha habido sólo tres accidentes relacionados con la fusión del combustible nuclear. El dióxido de uranio es poco susceptible al llamado hinchamiento del gas, un fenómeno interesante pero perjudicial para la energía nuclear. Lo que sucede en el núcleo del reactor es la encarnación del sueño de los alquimistas medievales; allí tienen lugar algunas transformaciones. elementos químicos en otros, completamente diferentes a ellos. Un neutrón libre que golpea un núcleo de uranio-235 no sólo elimina neutrones libres adicionales, sino que también hace que el propio núcleo se divida en diferentes partes. Cómo se produce exactamente la fisión y qué nuevos núcleos se forman es una cuestión de azar, pero las estadísticas muestran que entre otros fragmentos de fisión también se encuentran gases. Se acumulan dentro de la pastilla de combustible y se comportan como deberían hacerlo los gases: intentan ocupar el mayor volumen posible, intentan literalmente destrozar la pastilla de combustible. De acuerdo, esto no tiene nada de útil: necesitamos que la pastilla de combustible esté intacta y saludable para que pueda permanecer en el núcleo el mayor tiempo posible para poder transferirnos toda la energía contenida en los núcleos de los átomos de uranio. Entonces, solo el dióxido de uranio, solo el duro, le permite usar temperaturas más altas, lo que aumenta la eficiencia de una planta de energía nuclear y le permite aumentar el consumo de combustible.

“Quemado de combustible nuclear” es un término completamente científico y técnico, pero para entender qué es, la más alta educación Física no requerido. El quemado de combustible es la fracción de los núcleos de uranio que han sufrido una transformación nuclear cuando se exponen a neutrones. Expresado en porcentaje, cuanto mayor era el porcentaje, mayor era el número de núcleos de uranio que podíamos utilizar para los fines que necesitábamos, recibiendo de ellos calor que se utilizaba para generar electricidad. Por tanto, el consumo de combustible es uno de los principales parámetros económicos de una central nuclear. Si colocamos 100 kilogramos de uranio-235 en el núcleo y al final de la campaña de combustible extraemos 99 kg de él, tal diseño del núcleo, el reactor y la central nuclear no tiene valor. Pero si resulta que no queda uranio-235 en la pastilla de combustible extraída del núcleo, entonces los diseñadores lo han hecho bien y es hora de darles urgentemente a cada uno de ellos una oportunidad. premio Nobel, mejor – dos.

De hecho, una tasa de agotamiento del 100% es en principio inalcanzable, pero esto no significa que no se esté luchando por ella: hay serias batallas por cada porcentaje. Cuanto mayor sea la profundidad de quemado, menor será el coste de la electricidad resultante y no se ha cancelado la competencia con la energía basada en la combustión de hidrocarburos. Además, cuanto más tiempo "quema" la tableta, menos a menudo el reactor necesitará recargar el combustible. El diseño del VVER (reactor de potencia enfriado por agua) es tal que el combustible se cambia cuando el reactor está completamente parado y enfriado: es más seguro. Cuantas menos paradas se produzcan, mayor será el factor de utilización de la capacidad instalada; el factor de capacidad es el segundo indicador económico más importante de una central nuclear. La ficha técnica de su aspiradora indica su potencia: digamos 1200 Wh. Pero obtendrá 1200 vatios si la aspiradora funciona exactamente durante una hora, en el modo de funcionamiento de media hora - media hora "algo le agarró la espalda baja" obtendrá sólo 600 vatios, o, en otras palabras, la capacidad de la aspiradora será sólo el 50%. Como en el caso del consumo de combustible, el ansiado objetivo es el 100% y, nuevamente, cada porcentaje cuenta, porque la economía de un reactor nuclear debe ser más rentable que la economía de una central térmica e incluso que la economía de una central hidroeléctrica. .

Al parecer, ¿cómo se pueden mostrar resultados económicos más rentables que una central hidroeléctrica, que no requiere ningún combustible y donde solo se utiliza la energía del agua que cae? Sí, es muy sencillo: el agua no cae sobre las unidades hidráulicas las 24 horas del día, los 365 días del año, sino que requiere un volumen de agua muy específico en el depósito. Hasta que se alcance este volumen, la central hidroeléctrica “descansará” y la central nuclear, que no sabe nada de tales pausas, tendrá tiempo de alcanzar y superar a su rival. He aquí un breve resumen: la eficiencia, el quemado y el factor de capacidad de cualquier central nuclear dependen fundamentalmente de la pastilla de combustible y su material. Un químico que convierte gas de fluoruro de uranio en polvo de dióxido de uranio, recuerde: ¡el futuro de la energía nuclear depende de su habilidad!

Pastillas de combustible: paso a paso

Explicar en palabras simples Se pueden hacer muchas cosas, pero hacer ese ejercicio para describir el trabajo de los químicos es imposible con la palabra "en general", así que prepárate. Primero se hace pasar gas fluoruro de uranio a través de una solución acuosa para obtener fluoruro de uranilo, que se mezcla con amoníaco y el residuo ácido del ácido carbónico. El resultado es carbonato de uranilo y amonio, que precipita; tengamos en cuenta que la mitad de la batalla ya está hecha, tenemos al menos algo sólido, no gaseoso. La suspensión se pasa a través de un filtro, se lava y se envía a un horno de lecho fluidizado, donde debido a la alta temperatura, todas las impurezas innecesarias se desintegran, dejando un residuo seco de polvo de trióxido de uranio (por cada átomo de uranio en esta molécula hay tres átomos de oxígeno). Eso es todo, ¡ahora es casi nuestro!

Área para la producción de polvo de dióxido de uranio mediante pirohidrólisis a alta temperatura.

La temperatura vuelve a ser alta: 500 grados, pero esta vez con el paso del hidrógeno, que se apodera del átomo de oxígeno adicional, y los químicos se van tranquilamente a una pausa para almorzar, lo que permite a los físicos tomar el dióxido de uranio que anhelan. Sin embargo, se alegran temprano: los metalúrgicos los abofetean inmediatamente con las manos extendidas y rastrilladoras, ya que las tabletas de combustible se producen mediante pulvimetalurgia. El polvo resultante del trabajo de los químicos se tritura, se tamiza y se obtiene un polvo fino, triturado hasta casi convertirse en polvo. Después de agregar aglutinantes y lubricantes, las tabletas se prensan y recocen nuevamente para eliminar impurezas innecesarias. Después de esto, la temperatura aumenta a 1750 grados, las tabletas se vuelven más densas y pesadas; ahora se pueden procesar mediante métodos mecánicos. Para obtener las dimensiones necesarias, entra en juego la amoladora cilíndrica, eso es todo.

Área de producción de pellets de uranio

No, bueno, no del todo “todos”, porque inmediatamente después los inspectores vienen al taller para verificar las dimensiones geométricas, la calidad de la superficie, el contenido de humedad y la proporción de átomos de oxígeno y uranio. Tenga en cuenta que no es necesario comprobar la proporción de átomos de uranio-235 y uranio-238; no importa qué manipulaciones realicen los químicos, sus acciones no afectan la composición de los núcleos atómicos. El resultado de todo este trabajo son pastillas de combustible que pesan sólo 4,5 gramos, pero estas diminutas bolitas contienen la misma cantidad de energía que 400 kg de carbón, en 360 metros cúbicos. gas natural o 350 kg de aceite.

Producción y control técnico de pellets de combustible cerámico nuclear.

La gama de tabletas producidas en las empresas nucleares rusas que forman parte de Compañía de Combustibles TVEL– más de 40 variedades, diferentes tamaños, diferentes grados de enriquecimiento de uranio-235. Pero una cosa permanece sin cambios: la energía nuclear sigue utilizando dióxido de uranio como combustible, lo que en sí mismo es una de las barreras a la propagación de la radiactividad. A temperaturas de funcionamiento, este material retiene en su interior el 98% de los productos de descomposición, reduciendo al mínimo la carga de sellado. Para que el combustible pueda realizar sus funciones de "barrera", es importante que la interacción del combustible con el refrigerante sea mínima; de lo contrario, los productos de desintegración radiactiva tienen la posibilidad de escapar a la atmósfera. ambiente externo con todas las desagradables consecuencias resultantes.

Una barra de combustible no es sólo un “tubo largo”

Bien, las tabletas ya están hechas, ¿qué sigue? La idea de un reactor nuclear es simple: el refrigerante debe "eliminar" todo el calor liberado como resultado de las reacciones nucleares. Esta no es una eliminación única; esta eliminación debe ocurrir durante toda la sesión de combustible: el tiempo que el combustible está en el núcleo del reactor. En los reactores VVER, este trabajo se realiza haciendo pasar agua a través del núcleo a alta presión. ¿Lanzar pastillas de combustible al núcleo como bolas de masa en agua hirviendo? Esto no es una opción, es mucho más razonable asegurarse de que las pastillas de combustible se encuentren en una posición estacionaria, por donde pasa un chorro de agua bajo presión, que se lleva el agua que se forma durante las reacciones nucleares. energía térmica. En consecuencia, se necesita algún tipo de "abrazadera", que está diseñada para asegurar una ubicación estacionaria del combustible: se trata de un tubo hueco de paredes delgadas, dentro del cual se contienen las pastillas de combustible, la barra de combustible, el elemento combustible.

Elementos combustibles (elementos combustibles), Foto: wikimedia.org

¿Por qué paredes delgadas? Para que el calor generado en las pastillas de combustible pueda ser "eliminado" casi sin obstáculos por el agua, es decir, el primer requisito para el material de las paredes de las barras de combustible es una conductividad térmica lo más alta posible. Tomó - dio, tomó - dio. El segundo requisito también es bastante obvio: el lado exterior de las paredes del elemento combustible está constantemente en agua, por lo que su material no debe temer la corrosión. La tercera condición también es obvia: el material debe resistir una radiactividad elevada y constante, sin dañar los procesos nucleares básicos. Debe absorber el menor número posible de neutrones para no interrumpir la reacción nuclear, para no forzar la producción de uranio con un mayor grado de enriquecimiento en el isótopo-235. El diámetro del tubo, así como el diámetro de las pastillas de combustible, debe ser lo más pequeño posible; de ​​lo contrario, el calor generado en los segmentos centrales no llegará al refrigerante. Éste es el conjunto de requisitos que debe cumplir algo tan “simple” como una pared delgada de una barra de combustible.

En la etapa de desarrollo de la energía nuclear, el acero inoxidable se convirtió en uno de esos materiales, pero esto no duró mucho: resultó que el acero absorbe demasiados neutrones libres, se necesita algo menos voraz. En ese momento, los científicos nucleares habían trabajado a fondo y encontraron un metal con una sección transversal mínima de captura de neutrones: el circonio. En este caso, la palabra “sección” reemplaza a la palabra “probabilidad”. La probabilidad de que un neutrón que pasa sea capturado en su trampa por el núcleo de un átomo de circonio es mínima, mientras que el circonio tiene un excelente coeficiente de transferencia de calor, no interactúa con el agua, se funde sólo a temperaturas superiores a 1'855 grados, tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo; en cambio, para "hincharse" cuando se calienta, simplemente "descarga" calor al ambiente externo. De acuerdo: es simplemente un material ideal para la energía nuclear, si se puede lograr con la pureza química ideal, ya que cualquier impureza tiende a "devorar" activamente los neutrones libres.

Taller de producción de barras y elementos combustibles.

Tan pronto como los metalúrgicos anunciaron que habían aprendido a afrontar esta tarea, la energía nuclear pasó al circonio. La única empresa en Rusia y una de las tres en el mundo que tiene un ciclo completo de producción de circonio y sus aleaciones es la Planta Mecánica de Chepetsk (Glazov, Udmurtia), que forma parte de la compañía de combustible TVEL. Desde 1986, ChMP pasó a fabricar carcasas de elementos combustibles a partir de la aleación E-110: al circonio se le añade un uno por ciento de niobio, y este pequeño aumento aumenta significativamente la resistencia a la corrosión del material. Las propiedades mecánicas de la aleación E-365 actualmente utilizada, que además de circonio y niobio contiene hierro y estaño, tienen propiedades mecánicas aún mejores. Cada paso en la producción de barras de combustible es extremadamente importante; la presencia de estos elementos permite afrontar mejor la soldadura y otros métodos de unión. diferentes materiales. Los elementos combustibles producidos en Rusia cumplen con todos los requisitos de la OIEA, muestran excelentes propiedades de rendimiento y permiten mejorar los indicadores económicos de la energía nuclear.

Lo que puede parecer una “simple pieza mecánica”, claro está que no lo es.

Barra de combustible en sección, Fig.: heuristic.su

Aquí Breve descripción Barra de combustible con contenido en el interior. Longitud – 3,8 metros, diámetro exterior – 9,1 mm. En el interior hay tabletas de dióxido de uranio con un diámetro exterior de 7,57 mm y una altura de 20 mm; en el centro de cada tableta hay un agujero con un diámetro de 1,2 mm. La pastilla no toca las paredes de la barra de combustible; el espacio y el orificio dentro de las pastillas están diseñados para que la barra de combustible pueda retener los gases radiactivos formados durante la desintegración nuclear. Los pellets se fijan en el interior del elemento combustible mediante casquillos, la longitud total de la columna de pellets es de 3,53 metros, durante la sesión de combustible la longitud aumenta en 30 mm. Sí, todo se mide en milímetros e incluso en fracciones; después de todo, la energía nuclear se ocupa de las partículas más pequeñas de materia.

Aquí hay una tableta con un diámetro de menos de 8 mm. ¿Parecería que podría haber algo interesante en ella? Pero durante las reacciones nucleares, la temperatura en la parte central de la tableta alcanza los 1.500-1.600 grados, y en la superficie exterior, sólo 470. Una diferencia de mil grados a una distancia de 3-4 milímetros, el metal se convierte gas: tales son los milagros que se encuentran dentro de las diminutas pastillas.

De la barra de combustible al conjunto combustible

Hicieron las pastillas, las colocaron en la barra de combustible, ¿eso es todo? Por supuesto que no: el tubo junto con el combustible pesa sólo 2,1 kg, que es la masa del uranio en trabajo largo no será suficiente. La siguiente etapa en la formación de combustible nuclear es la formación de conjuntos combustibles y conjuntos combustibles. Para el reactor más extendido en Rusia, el VVER-1000, se ensamblan 312 barras de combustible en un conjunto combustible y se dejan espacios entre ellas para la entrada de barras del sistema de control y protección llenas de un absorbente de neutrones tan eficaz como el boro. En la parte inferior del conjunto combustible hay un llamado vástago, el lugar al que se unen las barras de combustible.

Fabricación de marcos: soldadura de canales y rejillas espaciadoras.

En la parte superior, las barras de combustible están unidas al cabezal mediante un bloque de resorte que protege las barras de combustible contra la flotación durante el funcionamiento del reactor. Sí, uranio... elemento pesado, el circonio tampoco se puede llamar ligero, pero conviene recordar que el caudal nominal de agua a través del elemento combustible es de 500 metros cúbicos por hora, el agua se mueve a lo largo de las barras de combustible a una velocidad de 200 km/h en dirección desde abajo hacia arriba: tal flujo hará que cualquier cosa flote. Las barras de combustible se separan entre sí mediante rejillas espaciadoras, que mantienen estos tubos en sus lugares habituales, asegurando la eliminación del calor más eficiente. Hay de 12 a 15 rejillas espaciadoras en los conjuntos combustibles de diferentes diseños, sólo este número permite que el agua realice la tarea de eliminar el calor útil.

Canales y rejillas espaciadoras, control de calidad.

Y, sin embargo, ni siquiera esto nos salvó por completo del problema de la flexión de las barras y conjuntos combustibles. Nuestros conjuntos no resistieron cargas axiales mecánicas: casi cuatro metros de longitud con un espesor de carcasa de 0,65 mm, un potente flujo de agua y altas temperaturas hicieron su trabajo. En 1993, finalmente quedó claro que era necesario hacer algo al respecto y encontrar formas de solucionarlo. Minatom hizo la solicitud correspondiente a la OIEA: ¿cuál es la situación con este problema en países occidentales. La IAGTE realizó una encuesta correspondiente con las organizaciones operativas y no encontró ninguna sensación: los científicos nucleares occidentales también tienen este problema y están buscando formas de solucionarlo.

Ahora, disculpen, pero una vez más tendremos que tocar el principal mito de la economía liberal: la eficiencia del propietario privado en comparación con el torpe e inercial sector estatal de la economía. En Occidente, y especialmente en Estados Unidos, hay un número considerable de propietarios privados de centrales nucleares, pero no han podido solucionar el problema. Minatom actuó de acuerdo con las tradiciones del Ministerio de Construcción de Maquinaria Mediana: confió la solución del problema a dos oficinas de diseño a la vez, de modo que, como resultado de la lucha de dos buenos proyectos la victoria fue para los mejores. Los participantes en la competencia capitalista fueron el OKB (oficina de diseño experimental) de Podolsk "Gidropress" y el OKBM de Nizhny Novgorod (OKB Mashinostroeniya) que lleva su nombre. Afrikántova. Actualmente ambas oficinas de diseño forman parte del holding de construcción de maquinaria Atomenergomash, pero esto no reduce la intensidad de la competencia.

La competencia es el motor del progreso.

Los residentes de Nizhny Novgorod desarrollaron un diseño de TVS, que recibió la abreviatura TVSA; a medida que avanzaba el desarrollo, aparecieron una tras otra modificaciones de TVSA-12, TVSA-PLUS, TVSA-T. Su principal rasgo característico es que las esquinas comenzaron a soldarse a las rejillas espaciadoras para aumentar la rigidez de la estructura, pero Gidropress no aceptó este concepto: el exceso de circonio, del que están hechas las esquinas, en el núcleo, según expertos, pueden afectar negativamente a las características neutrónicas de las zonas del núcleo del reactor. La modificación creada en Gidropress con la abreviatura UTVS (Advanced TVS) no utiliza soldadura rígida de rejillas espaciadoras ni canales guía. UTVS comenzó a usarse en centrales nucleares con mayores requisitos de resistencia sísmica: en la china Tianwan, en la iraní Bushehr , en el Kudankulam indio." Sin embargo, es incorrecto decir que este desarrollo fue realizado únicamente por empleados de la Oficina de Diseño Gidropress: el Instituto Kurchatov, el Instituto de Física y Energía de Obninsk, la Planta de Concentrados Químicos de Novosibirsk y el Instituto de Investigación que lleva su nombre. Bochvara. Pero el resultado es importante: la prueba piloto en la central nuclear de Rostov arrojó excelentes resultados y los clientes extranjeros quedaron muy satisfechos con la mayor confiabilidad del UTVS.

Conjunto de vigas

Ver los detalles de la batalla entre dos oficinas de diseño es un espectáculo fascinante, pero hay tantos detalles técnicos que requerirá un poco de esfuerzo. traductores profesionales. Rejillas anchas y estrechas, rejillas escasas, turbuladores y deflectores, rejillas con canales oblicuos, intensificadores de transferencia de calor, la velocidad de carga de los casetes en el núcleo, la combinación con el funcionamiento de las máquinas de recarga, terminología de hidrodinámica y termomecánica: esto es realmente un tema completamente separado. idioma... Importante para la energía nuclear el resultado logrado por ambas oficinas de diseño, cuya disputa científica y creativa continúa hasta el día de hoy. Las mejoras y modificaciones permiten el uso de combustible con mayor enriquecimiento en contenido de uranio-235; esta cifra para el VVER-1000 aumentó del 3,77% al 4,95%. Parecería que la diferencia es completamente insignificante, pero como resultado, el consumo de combustible aumentó de 40 MW por día por kilogramo de uranio a 58 MW por kilogramo, casi el 50%. Pero este resultado ya es muy significativo: nos permite competir en igualdad de condiciones con la energía de hidrocarburos en términos de coste de la electricidad producida y hace que las perspectivas de desarrollo de la energía nuclear sean cada vez más alentadoras. Uno de los logros: el aumento de la potencia de los reactores VVER existentes entre un 4% y un 7% sin cambiar su diseño, basado precisamente en la optimización del combustible nuclear y los conjuntos combustibles, se ha convertido en otro ventaja competitiva en el mercado internacional.

Conjunto combustible terminado

Por supuesto, los UTVS no se convirtieron en una especie de "final" para la mejora de los elementos combustibles. La principal ventaja del UTVS en comparación con el combustible de la generación anterior fue la transición del acero inoxidable al circonio y a la aleación E-110. Los desarrolladores lograron aumentar la rigidez de la estructura sin el uso de esquinas: reforzaron las rejillas espaciadoras y comenzaron a utilizar soldadura por puntos para aumentar la resistencia a la deformación durante la operación. Se logró aumentar la longitud de la columna de combustible: ahora se coloca más uranio en el núcleo del reactor, las sesiones de combustible se han vuelto más largas, el reabastecimiento de combustible se puede realizar con menos frecuencia, lo que significa un aumento en la capacidad.

Nuevo combustible para Irán

Desde principios de 2014 se inició el proceso de negociación entre TVEL y el cliente iraní representado por Organización de Energía Atómica de Irán (OEAI) Y Compañía de Desarrollo y Producción de Energía Nuclear de Irán (NPPD) sobre la transición de la central nuclear de Bushehr a nuevos casetes de combustible: TVS-2M. Para asegurar el proceso de negociación TVEL desarrolló un “Estudio de viabilidad para la implementación de TVS-2M en la central nuclear de Bushehr”, en el que se proporcionó al cliente toda la información para el análisis y la toma de decisiones sobre dicha transición. Mayoría La mejor manera Convencer a un cliente potencial no es un marketing intrusivo; en la energía nuclear, este enfoque casi nunca da resultados. La compañía de combustible rusa simplemente reunió un análisis de los resultados de la implementación del TVS-2M en el VVER-1000 ruso y en la central nuclear de Tianwan en China, reactores del mismo tipo que los que funcionan como parte de la unidad de energía en Bushehr. central nuclear. En China, las dos primeras unidades de la central nuclear de Tianwan funcionan con TVS-2M en un ciclo de combustible de 18 meses. Y los científicos nucleares iraníes pudieron verificar que el consumo de combustible aumentó, la duración de las campañas de combustible aumentó y el factor de capacidad aumentó.

Después de analizar los resultados obtenidos y comprobarlos in situ, los clientes iraníes respondieron: elaboraron una lista de trabajos de empresas rusas, necesaria para garantizar la concesión de licencias para el nuevo combustible por parte de las autoridades reguladoras nucleares. Ya se han realizado trabajos conjuntos: nuestros especialistas junto con los iraníes han elaborado una lista de las mejoras necesarias en el equipamiento de la unidad de energía de la central nuclear de Bushehr, que debían llevarse a cabo para que el reactor pudiera aceptar el TVS-2M en su núcleo. De hecho, el funcionamiento de nuestro VVER-1000 con el nuevo combustible mostró tales resultados que una transición completa al TVS-2M se volvió simplemente inevitable: el consumo de combustible aumentó en un 20% y el componente de combustible del costo de producción de electricidad disminuyó. en casi un 9%.

El resultado de las negociaciones con el cliente iraní es bastante natural. En abril de este año TVEL firmado con AEOI Y NPPD acuerdo adicional al contrato actual para el suministro de combustible a la central nuclear de Bushehr - a partir de 2020 TVEL comenzará el suministro de TVS-2M a Irán. No hay prisa ni alboroto; simplemente, tanto los proyectos nucleares nuestros como los iraníes que apoyamos continúan desarrollándose de manera constante, proporcionando a los consumidores la electricidad que necesitan. Probablemente descubriremos qué piensan los clientes de India y China sobre esto en un futuro próximo. Altura indicadores económicos unidades de potencia debido al uso de combustible nuevo sin cambios significativos en el equipamiento es tan indicativo que se confía en que la reflexión no llevará mucho tiempo. Sólo tenemos que estar atentos mayor desarrollo eventos y felicitarte nuevamente TVEL, OKB Gidropress y todo el equipo de desarrollo con el hecho de que su nuevo combustible ha recibido ahora reconocimiento internacional.

Por supuesto, la historia actual sobre el desarrollo del combustible nuclear está lejos de estar completa: constantemente se producen cambios en esta parte. Se ha desarrollado combustible para el VVER-1200 y se está desarrollando combustible para otros tipos de reactores. TVEL sigue produciendo combustible para reactores de diseño occidental junto con socios franceses, TVEL Combustible TVS-Kvadrat desarrollado de forma independiente, que se está probando en la central nuclear sueca de Ringhals y tiene licencia para el mercado estadounidense. Empresas TVEL están produciendo combustible para el BN-800, se ha producido un lote piloto de combustible REMIX y el desarrollo de combustible de nitruro está a punto de completarse para un prometedor reactor refrigerado por plomo. rosatom y no cree que pueda darse el lujo de dormirse en los laureles.

El combustible nuclear es el "corazón" de la energía nuclear; monitorear cómo se crean nuevos tipos y qué resultados dan cuando se usan es útil porque permite comparar el costo de generar electricidad en las centrales nucleares y en las centrales térmicas. . Además, esta vez no abordamos los resultados que obtienen los desarrolladores de nuevos tipos de combustible en OKBM im. Afrikantova – y sus ideas también se utilizan muy activamente rosatom. En una palabra, es poco probable que la historia actual sobre el combustible nuclear siga siendo la única.

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

En contacto con

El combustible nuclear es un material utilizado en los reactores nucleares para llevar a cabo una reacción en cadena controlada. Consume mucha energía y es inseguro para los humanos, lo que impone una serie de restricciones a su uso. Hoy aprenderemos qué es el combustible para reactores nucleares, cómo se clasifica, se produce y dónde se utiliza.

Progreso de la reacción en cadena.

Durante una reacción nuclear en cadena, el núcleo se divide en dos partes, que se denominan fragmentos de fisión. Al mismo tiempo, se liberan varios (2-3) neutrones, que posteriormente provocan la fisión de los núcleos posteriores. El proceso ocurre cuando un neutrón golpea el núcleo de la sustancia original. Los fragmentos de fisión tienen una alta energía cinética. Su inhibición en la materia va acompañada de la liberación de una gran cantidad de calor.

Los fragmentos de fisión, junto con sus productos de desintegración, se denominan productos de fisión. Los núcleos que comparten neutrones de cualquier energía se denominan combustible nuclear. Por regla general, son sustancias con un número impar de átomos. Algunos núcleos son fisionados exclusivamente por neutrones cuya energía está por encima de un cierto valor umbral. Se trata predominantemente de elementos con un número par de átomos. Dichos núcleos se denominan materia prima, ya que en el momento de la captura de un neutrón por un núcleo umbral, se forman núcleos de combustible. La combinación de material combustible y materia prima se denomina combustible nuclear.

Clasificación

El combustible nuclear se divide en dos clases:

1. Uranio natural. Contiene núcleos fisibles de uranio-235 y materia prima de uranio-238, que es capaz de formar plutonio-239 tras la captura de neutrones.
2. Un combustible secundario que no se encuentra en la naturaleza. Esto incluye, entre otras cosas, el plutonio-239, que se obtiene del combustible del primer tipo, así como el uranio-233, que se forma cuando los neutrones son capturados por núcleos de torio-232.

Desde el punto de vista composición química, existen los siguientes tipos de combustible nuclear:

1. Metal (incluidas las aleaciones);
2. Óxido (por ejemplo, UO 2);
3. Carburo (por ejemplo PuC 1-x);
4. Mezclado;
5. Nitruro.

TVEL y televisores

El combustible para los reactores nucleares se utiliza en forma de pequeños pellets. Se colocan en elementos combustibles herméticamente cerrados (elementos combustibles), que, a su vez, se combinan en varios cientos de conjuntos combustibles (FA). El combustible nuclear está sujeto a altos requisitos de compatibilidad con los revestimientos de las barras de combustible. Debe tener una temperatura de fusión y evaporación suficiente, buena conductividad térmica y no aumentar mucho de volumen bajo la irradiación de neutrones. También se tiene en cuenta la capacidad de fabricación de la producción.

Solicitud

A centrales nucleares y otras instalaciones nucleares El combustible se presenta en forma de conjuntos combustibles. Se pueden cargar en el reactor tanto durante su funcionamiento (en lugar de elementos combustibles quemados) como durante una campaña de reparación. En este último caso, los conjuntos combustibles se reemplazan en grandes grupos. En este caso, sólo se renueva por completo un tercio del combustible. Los conjuntos más quemados se descargan de la parte central del reactor, y en su lugar se colocan conjuntos parcialmente quemados que anteriormente estaban ubicados en áreas menos activas. En consecuencia, se instalan nuevos elementos combustibles en lugar de estos últimos. Este sencillo esquema de reordenamiento se considera tradicional y tiene una serie de ventajas, la principal de las cuales es garantizar una liberación uniforme de energía. Por supuesto, este es un diagrama esquemático que sólo da una idea general del proceso.

Extracto

Una vez retirado el combustible nuclear gastado del núcleo del reactor, se envía a una piscina de refrigeración, que suele estar situada cerca. El hecho es que los conjuntos de combustible gastado contienen una gran cantidad de fragmentos de fisión de uranio. Después de la descarga del reactor, cada barra de combustible contiene alrededor de 300 mil curies de sustancias radiactivas, que liberan 100 kW/hora de energía. Debido a esto, el combustible se calienta solo y se vuelve altamente radiactivo.

La temperatura del combustible recién descargado puede alcanzar los 300°C. Por tanto, se mantiene durante 3-4 años bajo una capa de agua, cuya temperatura se mantiene en el rango establecido. Al almacenarse bajo el agua, la radiactividad del combustible y la potencia de sus emisiones residuales disminuyen. Después de unos tres años, el autocalentamiento del conjunto combustible alcanza los 50-60°C. Luego, el combustible se retira de las piscinas y se envía para su procesamiento o eliminación.

Uranio metálico

El uranio metálico se utiliza relativamente raramente como combustible para reactores nucleares. Cuando una sustancia alcanza una temperatura de 660°C, se produce una transición de fase, acompañada de un cambio en su estructura. En pocas palabras, el uranio aumenta de volumen, lo que puede provocar la destrucción de las barras de combustible. En caso de irradiación prolongada a una temperatura de 200-500°C, la sustancia sufre un crecimiento por radiación. La esencia de este fenómeno es el alargamiento de la barra de uranio irradiada entre 2 y 3 veces.

El uso de uranio metálico a temperaturas superiores a 500°C es difícil debido a su hinchamiento. Después de la fisión nuclear se forman dos fragmentos, cuyo volumen total excede el volumen de ese mismo núcleo. Algunos fragmentos de fisión están representados por átomos de gas (xenón, criptón, etc.). El gas se acumula en los poros del uranio y forma presión interna, que aumenta a medida que aumenta la temperatura. Debido a un aumento en el volumen de los átomos y un aumento en la presión del gas, el combustible nuclear comienza a hincharse. Por tanto, esto se refiere al cambio relativo de volumen asociado con la fisión nuclear.

La fuerza de la hinchazón depende de la temperatura de las barras de combustible y del quemado. Al aumentar el quemado, aumenta el número de fragmentos de fisión y, al aumentar la temperatura y el quemado, aumenta la presión interna del gas. Si el combustible tiene propiedades mecánicas más altas, entonces es menos susceptible a hincharse. El uranio metálico no es uno de estos materiales. Por tanto, su uso como combustible para reactores nucleares limita el quemado, que es una de las principales características de dicho combustible.

Las propiedades mecánicas del uranio y su resistencia a la radiación mejoran mediante la aleación del material. Este proceso implica agregarle aluminio, molibdeno y otros metales. Gracias a los aditivos dopantes, se reduce el número de neutrones de fisión necesarios por captura. Por tanto, para estos fines se utilizan materiales que absorben débilmente neutrones.

Compuestos refractarios

Algunos compuestos refractarios de uranio se consideran buenos combustibles nucleares: carburos, óxidos y compuestos intermetálicos. El más común de ellos es el dióxido de uranio (cerámica). Su punto de fusión es 2800°C y su densidad es 10,2 g/cm 3 .

Dado que este material no sufre transiciones de fase, es menos susceptible a hincharse que las aleaciones de uranio. Gracias a esta característica, la temperatura de combustión se puede aumentar en varios por ciento. A altas temperaturas, la cerámica no interactúa con niobio, circonio, acero inoxidable y otros materiales. Su principal inconveniente radica en la baja conductividad térmica: 4,5 kJ (m*K), lo que limita la potencia específica del reactor. Además, la cerámica caliente es propensa a agrietarse.

Plutonio

El plutonio se considera un metal de bajo punto de fusión. Se funde a una temperatura de 640°C. Debido a sus malas propiedades plásticas, es prácticamente imposible de mecanizar. La toxicidad de la sustancia complica la tecnología de fabricación de barras de combustible. La industria nuclear ha intentado repetidamente utilizar plutonio y sus compuestos, pero no ha tenido éxito. No es aconsejable utilizar combustible para centrales nucleares que contengan plutonio debido a que el período de aceleración se reduce aproximadamente al doble, para lo cual no están diseñados los sistemas de control de reactores estándar.

Para la fabricación de combustible nuclear se utilizan, por regla general, dióxido de plutonio, aleaciones de plutonio con minerales y una mezcla de carburos de plutonio y carburos de uranio. Los combustibles en dispersión, en los que se colocan partículas de compuestos de uranio y plutonio en una matriz metálica de molibdeno, aluminio, acero inoxidable y otros metales, tienen altas propiedades mecánicas y conductividad térmica. La resistencia a la radiación y la conductividad térmica del combustible de dispersión dependen del material de la matriz. Por ejemplo, en la primera central nuclear, el combustible disperso estaba formado por partículas de una aleación de uranio con un 9% de molibdeno, que se rellenaban con molibdeno.

En cuanto al combustible de torio, hoy en día no se utiliza debido a las dificultades en la producción y procesamiento de barras de combustible.

Producción

Importantes volúmenes de la principal materia prima para el combustible nuclear, el uranio, se concentran en varios países: Rusia, Estados Unidos, Francia, Canadá y Sudáfrica. Sus depósitos suelen estar situados cerca de oro y cobre, por lo que todos estos materiales se extraen al mismo tiempo.

La salud de las personas que trabajan en la minería corre gran riesgo. El hecho es que el uranio es un material tóxico y los gases que se liberan durante su extracción pueden provocar cáncer. Y esto a pesar de que el mineral no contiene más del 1% de esta sustancia.

Recibo

La producción de combustible nuclear a partir de mineral de uranio incluye las siguientes etapas:

1. Procesamiento hidrometalúrgico. Incluye lixiviación, trituración y extracción o recuperación por sorción. El resultado del procesamiento hidrometalúrgico es una suspensión purificada de óxido de oxiuranio, diuranato de sodio o diuranato de amonio.
2. Conversión de una sustancia de óxido a tetrafluoruro o hexafluoruro, utilizada para enriquecer uranio-235.
3. Enriquecimiento de una sustancia por centrifugación o difusión térmica de gases.
4. Conversión de material enriquecido en dióxido, a partir del cual se producen “pellets” de barras de combustible.

Regeneración

Durante el funcionamiento de un reactor nuclear, el combustible no se puede quemar por completo, por lo que se reproducen isótopos libres. En este sentido, las barras de combustible gastado están sujetas a regeneración con fines de reutilización.

Hoy en día, este problema se soluciona mediante el proceso Purex, que consta de las siguientes etapas:

1. Cortar barras de combustible en dos partes y disolverlas en ácido nítrico;
2. Limpiar la solución de productos de fisión y partes de conchas;
3. Aislamiento de compuestos puros de uranio y plutonio.

A continuación, el dióxido de plutonio resultante se utiliza para la producción de nuevos núcleos y el uranio se utiliza para el enriquecimiento o también para la producción de núcleos. El reprocesamiento del combustible nuclear es un proceso complejo y costoso. Su costo tiene un impacto significativo en la viabilidad económica del uso de centrales nucleares. Lo mismo puede decirse de la eliminación de residuos de combustible nuclear que no son aptos para la regeneración.

Principio de funcionamiento y diseño de TURD.

Actualmente, se proponen 2 opciones de diseño para TURD:

TNR basado en un reactor termonuclear con confinamiento de plasma magnético

En el primer caso, el principio de funcionamiento y diseño del TNRE es el siguiente: la parte principal del motor es el reactor en el que se produce una reacción de fusión termonuclear controlada. El reactor es una “cámara” cilíndrica hueca, abierta por un lado, la llamada. una instalación de fusión termonuclear de “trampa abierta” (también llamada “botella magnética” o cámara de espejos). La “cámara” del reactor no necesariamente (y ni siquiera es deseable) necesita estar completamente sellada; lo más probable es que sea una armadura liviana y de tamaño estable que soporte las bobinas del sistema magnético. Actualmente, el llamado esquema se considera el más prometedor. "confinamiento ambipolar" o "espejos magnéticos" (ing. espejos en tándem), aunque son posibles otros esquemas de confinamiento: trampas dinámicas de gas, confinamiento centrífugo, campo magnético invertido (FRC). Por estimaciones modernas, la longitud de la "cámara" de reacción será de 100 a 300 m con un diámetro de 1 a 3 m. En la cámara del reactor se crean condiciones suficientes para comenzar la fusión termonuclear de los componentes del par de combustible seleccionado (temperaturas del orden de cientos de millones de grados, factores de criterio de Lawson). El combustible termonuclear (plasma precalentado a partir de una mezcla de componentes del combustible) se introduce en la cámara del reactor, donde se produce una reacción de fusión constante. Los generadores de campo magnético (bobinas magnéticas de un diseño u otro) que rodean el núcleo crean campos de alta intensidad y configuración compleja en la cámara del reactor, que evitan que el plasma termonuclear de alta temperatura entre en contacto con la estructura del reactor y estabilizan los procesos que ocurren en ella. La zona de "quema" termonuclear (antorcha de plasma) se forma a lo largo del eje longitudinal del reactor. El plasma resultante, guiado por sistemas de control magnético, sale del reactor a través de una boquilla, creando un empuje en chorro.

Cabe señalar la posibilidad de funcionamiento "multimodo" del TURD. Al inyectar una sustancia relativamente fría en el chorro de plasma, se puede aumentar considerablemente el empuje total del motor (reduciendo el impulso específico), lo que permitirá a una nave con un motor turbohélice maniobrar eficazmente en los campos gravitacionales de cuerpos celestes masivos. , como los planetas grandes, donde a menudo se requiere un gran empuje total del motor. Según estimaciones generales, un motor nuclear de este diseño puede desarrollar un empuje de varios kilogramos hasta decenas de toneladas con un impulso específico de 10.000 segundos a 4 millones de segundos. A modo de comparación, el impulso específico de los motores de cohetes químicos más avanzados es de unos 450 segundos.

TURD basado en sistemas de fusión inercial (reactor termonuclear de pulsos)

El motor del segundo tipo es un motor termonuclear de impulsos inerciales. En un reactor de este tipo, se produce una reacción termonuclear controlada en modo pulsado (fracciones de microsegundo con una frecuencia de 1 a 10 Hz), con compresión y calentamiento periódicos de microobjetivos que contienen combustible termonuclear. Inicialmente, se planeó utilizar un motor de fusión láser (LTYARD). Un LTE de este tipo se propuso, en particular, para una sonda interestelar automática en el proyecto Daedalus. Su parte principal es un reactor que funciona en modo pulsado. El combustible termonuclear (por ejemplo, deuterio y tritio) se suministra a la cámara esférica del reactor en forma de objetivos: un diseño complejo de esferas hechas de una mezcla de componentes de combustible congelados en una carcasa con un diámetro de varios milímetros. En la parte exterior de la cámara hay potentes láseres del orden de cientos de teravatios, cuyo pulso de radiación de nanosegundos incide en el objetivo a través de ventanas ópticamente transparentes en las paredes de la cámara. En este caso, se crea instantáneamente una temperatura de más de 100 millones de grados en la superficie del objetivo a una presión de alrededor de un millón de atmósferas, condiciones suficientes para el inicio de una reacción termonuclear. Se produce una microexplosión termonuclear con una potencia de varios cientos de kilogramos de TNT. La frecuencia de tales explosiones en la cámara del proyecto Daedalus es de aproximadamente 250 por segundo, lo que requirió alimentar los objetivos con combustible a una velocidad de más de 10 km/s utilizando un cañón electromagnético. El plasma en expansión fluye desde la parte abierta de la cámara del reactor a través de una boquilla de diseño adecuado, creando un empuje del chorro. Actualmente se ha demostrado teórica y prácticamente que método láser La compresión/calentamiento de microobjetivos es un callejón sin salida, incluso es casi imposible construir láseres de tal potencia con recursos suficientes. Por lo tanto, actualmente se está considerando la opción con compresión/calentamiento de microobjetivos por haz de iones para la síntesis inercial, ya que es más eficiente, compacta y con un recurso mucho más largo.

Y, sin embargo, existe la opinión de que un TURE basado en el principio del pulso inercial es demasiado voluminoso debido a las grandes potencias que circulan en él, con un impulso y empuje específicos peores que un TURE con confinamiento magnético, que es causado por el pulso. -Tipo periódico de su acción. Ideológicamente, los cohetes explosivos basados ​​en cargas termonucleares, como el proyecto Orion, son adyacentes a los TURE basados ​​en el principio del pulso inercial.

Tipos de reacciones y combustible de fusión.

TJARD puede utilizar diferentes tipos Reacciones termonucleares según el tipo de combustible utilizado. En particular, actualmente son fundamentalmente viables los siguientes tipos de reacciones:

Reacción deuterio + tritio (combustible D-T)

2 H + 3 H = 4 He + n con una salida de energía de 17,6 MeV

Esta reacción es más fácilmente factible desde el punto de vista tecnologías modernas, proporciona una importante producción de energía y los componentes del combustible son relativamente baratos. Su desventaja es una emisión muy grande de radiación de neutrones no deseada (e inútil para la generación directa de empuje), que se lleva la mayor parte de la potencia de reacción y reduce drásticamente la eficiencia del motor. El tritio es radiactivo, su vida media es de unos 12 años, es decir, su almacenamiento a largo plazo es imposible. Al mismo tiempo, es posible rodear un reactor de deuterio-tritio con una carcasa que contenga litio: este último, irradiado por un flujo de neutrones, se convierte en tritio, lo que cierra hasta cierto punto el ciclo del combustible, ya que el reactor funciona en modo reproductor. modo. Por tanto, el combustible de un reactor D-T es en realidad deuterio y litio.

Reacción deuterio + helio-3

2 H + 3 He = 4 He + p. con una salida de energía de 18,3 MeV

Las condiciones para lograrlo son mucho más complicadas. El helio-3 es también un isótopo raro y extremadamente caro. EN escala industrial Actualmente no se produce. Aunque la producción de energía reacciones DT Arriba, la reacción D-3He tiene las siguientes ventajas:

Flujo de neutrones reducido, la reacción se puede clasificar como “sin neutrones”,

Menos masa de protección radiológica,

Menor peso de las bobinas magnéticas del reactor.

Durante la reacción D-3 He, sólo alrededor del 5% de la energía se libera en forma de neutrones (frente al 80% en la reacción D-T) y alrededor del 20% se libera en forma de rayos X. Toda la energía restante se puede utilizar directamente para crear un propulsor a reacción. Por tanto, la reacción D-3He es mucho más prometedora para su uso en un reactor de energía nuclear.

Otros tipos de reacciones

Reacción entre núcleos de deuterio (D-D, monopropulsor) D + D -> 3 He + n con un rendimiento energético de 3,3 MeV, y

D + D -> T + p+ con una salida de energía de 4 MeV. El rendimiento de neutrones en esta reacción es bastante significativo.

Algunos otros tipos de reacciones son posibles:

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

No hay rendimiento de neutrones en las reacciones anteriores.

La elección del combustible depende de muchos factores: su disponibilidad y bajo costo, la producción de energía, la facilidad para lograr las condiciones necesarias para la reacción de fusión termonuclear (principalmente la temperatura), las características necesarias de diseño del reactor, etc. Los más prometedores para la implementación de motores de cohetes de propulsión nuclear son los llamados. Reacciones "sin neutrones", ya que el flujo de neutrones generado por la fusión termonuclear (por ejemplo, en la reacción deuterio-tritio) se lleva una parte importante de la potencia y no se puede utilizar para crear empuje. Además, la radiación de neutrones genera radiactividad inducida en la estructura del reactor y del barco, lo que supone un peligro para la tripulación. La reacción deuterio-helio-3 es prometedora debido a la falta de rendimiento de neutrones. Actualmente, se ha propuesto otro concepto de TNRE: utilizar pequeñas cantidades de antimateria como catalizador para una reacción termonuclear.

Historia, estado actual y perspectivas de desarrollo de TURD.

La idea de crear un TNRE apareció casi inmediatamente después de las primeras reacciones termonucleares (pruebas de cargas termonucleares). Una de las primeras publicaciones sobre el tema del desarrollo de TURD fue un artículo de J. Ross publicado en 1958. Actualmente, se están llevando a cabo desarrollos teóricos de este tipo de motores (en particular, basados ​​en la fusión termonuclear por láser) y, en general, una extensa investigación práctica en el campo de la fusión termonuclear controlada. Existen sólidos requisitos teóricos y de ingeniería para la implementación de este tipo de motor en el futuro previsible. Según las características calculadas de los TNRE, dichos motores podrán garantizar la creación de un transporte interplanetario eficiente y de alta velocidad para la exploración del sistema solar. Sin embargo, por el momento (2012) aún no se han creado muestras reales de TNRE.

ver también

Enlaces

• Cosmonáutica del siglo XXI: motores termonucleares // periódico “For Science”, 2003
• New Scientist Space (23/01/2003): La fusión nuclear podría impulsar naves espaciales de la NASA (inglés)
• Enciclopedia Física, volumen 4, artículo “reacciones termonucleares”, en la página 102, Moscú, “Gran Enciclopedia Rusa”, 1994, 704 p.