La energía nuclear consiste en un número grande empresas para diversos fines. Las materias primas para esta industria se extraen en minas de uranio. Luego se entrega a la planta de fabricación de combustible.

A continuación, el combustible se transporta a las centrales nucleares, donde ingresa al núcleo del reactor. Cuando se agota el combustible nuclear, hay que enterrarlo. Cabe señalar que los desechos peligrosos aparecen no solo después del reprocesamiento del combustible, sino también en cualquier etapa, desde la extracción de uranio hasta el trabajo en un reactor.

Combustible nuclear

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

Además, el combustible nuclear se divide por composición química: metal, óxido, carburo, nitruro y mixto.

Extracción de uranio y producción de combustible

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

El uranio es el principal elemento combustible de las centrales nucleares. Para ingresar al reactor, pasa por varias etapas de procesamiento. Muy a menudo, los depósitos de uranio se encuentran junto al oro y el cobre, por lo que se extrae con la extracción de metales preciosos.

En la minería, la salud humana corre un gran riesgo porque el uranio es un material tóxico y los gases que emergen durante su extracción causan 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 queda una gran cantidad de desechos radiactivos. A pesar de todo su peligro, el enriquecimiento de uranio es una parte integral de la creación de combustible nuclear.

En su forma natural, el uranio difícilmente se puede utilizar en ningún lado. Para poder usarlo, debe estar enriquecido. Las centrifugadoras de gas se utilizan para el enriquecimiento.

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

Transporte

Hay transporte en cualquier etapa del ciclo del combustible. Se realiza de todas las formas disponibles: terrestre, marítima, aérea. Este es un gran riesgo y un gran peligro no solo para el medio ambiente, sino también para los humanos.

Durante el transporte de combustible nuclear o sus elementos, hay muchos accidentes que resultan en 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 célebre Chernobyl. Lo que pasa 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 con seguridad cuánto dinero se necesitará: el costo se calculó en base a la experiencia de desmantelar pequeñas estaciones para investigación. Los expertos ofrecen dos opciones:

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

En los próximos diez años, alrededor de 350 reactores en todo el mundo llegarán al final de su vida útil y deberán dejar de funcionar. Pero como no se ha inventado el método más adecuado en términos de seguridad y precio, este problema aún se está resolviendo.

Ahora hay 436 reactores en funcionamiento en todo el mundo. Por supuesto, esto es una gran contribución al sistema energético, pero es muy inseguro. Los estudios muestran que en 15-20 años, las plantas de energía nuclear pueden ser reemplazadas por plantas que funcionan con energía eólica y paneles solares.

Desperdicios nucleares

Las centrales nucleares generan una gran cantidad de desechos nucleares. El reprocesamiento de 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 bajo tierra poco profunda.

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

De hecho, los desechos nucleares tienen cierto valor, pero requieren un estricto cumplimiento de las reglas para su almacenamiento. Y este es el problema más urgente.

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 planta de energía nuclear, sus desechos ingresan al medio ambiente. Se trata de agua de refrigeración de turbinas y gases residuales.

Los residuos nucleares se dividen en tres categorías:

1. Nivel bajo: ropa de los empleados de la central nuclear, equipo de laboratorio. Estos desechos también pueden provenir de instituciones médicas, laboratorios científicos. No representan un gran peligro, pero requieren el cumplimiento de las medidas de seguridad.
2. Nivel intermedio: contenedores de metal en los que se transporta el combustible. Su nivel de radiación es bastante alto, y quienes no se encuentran lejos de ellos deben estar protegidos.
3. Un nivel alto es el combustible nuclear gastado y sus productos de procesamiento. El nivel de radiactividad está disminuyendo rápidamente. Los desechos de actividad alta 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 las centrifugadoras de gas, y no termina cuando el conjunto de combustible se descarga del reactor, ya que cada conjunto de combustible tiene un largo camino que recorrer para su eliminación y luego reprocesado.

Extracción de materias primas para combustible nuclear

Urano es el más metal pesado en el piso. Aproximadamente el 99,4% del uranio terrestre es uranio-238 y solo el 0,6% es uranio-235. El Libro Rojo de la Agencia Internacional de Energía Atómica contiene datos sobre el crecimiento de la producción y la demanda de uranio, a pesar del accidente en la central nuclear "Fukushima-1", que hizo pensar a muchos en las perspectivas de la energía nuclear. Solo en los últimos años, las reservas de uranio explorado han crecido un 7%, lo que está asociado con el descubrimiento de nuevos depósitos. Los mayores productores siguen siendo Kazajstán, Canadá y Australia, extraen hasta el 63% del uranio del mundo. Además, existen reservas de metales en Australia, Brasil, China, Malawi, Rusia, Níger, Estados Unidos, Ucrania, China y otros países. Pronedra escribió anteriormente 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 cuando los depósitos están cerca de la superficie de la tierra. Con el método abierto, las excavadoras crean una cantera, luego el mineral con impurezas se carga en camiones volquete para su transporte a los complejos de procesamiento.

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

La mezcla que se transporta arriba de esta manera tiene muchos componentes. La roca debe triturarse, diluirse con agua y eliminarse el exceso. Luego se agrega ácido sulfúrico a la mezcla para realizar el proceso de lixiviación. En el curso de esta reacción, los químicos obtienen un precipitado amarillo de sales de uranio. Finalmente, el uranio con impurezas se purifica en la refinería. Solo después de esto se obtiene el óxido nitroso de uranio, que se comercializa en la bolsa.

Existe un método mucho más seguro, más respetuoso con el medio ambiente y económicamente viable llamado lixiviación in situ de fondo de pozo (BLE).

Con este método de desarrollo de campo, el territorio permanece seguro para el personal y el fondo de radiación corresponde al fondo de las grandes ciudades. Para extraer uranio por lixiviación, es necesario perforar 6 pozos en las esquinas del hexágono. El ácido sulfúrico se bombea a los depósitos de uranio a través de estos pozos, se mezcla con sus sales. Esta solución se produce, es decir, se bombea a través del pozo en el centro del hexágono. Para lograr la concentración deseada de sales de uranio, la mezcla se pasa varias veces a través de columnas de sorción.

Producción de combustible nuclear

La producción de combustible nuclear no se puede imaginar sin las centrifugadoras de gas, que se utilizan para obtener uranio enriquecido. Después de alcanzar la concentración requerida, las llamadas tabletas se presionan a partir de dióxido de uranio. Se crean utilizando lubricantes que se eliminan durante la cocción en hornos. La temperatura de cocción alcanza los 1000 grados. Después de eso, se verifica que las tabletas cumplan con los requisitos establecidos. La calidad de la superficie, el contenido de humedad y la proporción de oxígeno a uranio son importantes.

Paralelamente, en otro taller se están preparando carcasas tubulares para elementos combustibles. Los procesos anteriores, incluida la posterior dosificación y envasado de comprimidos en tubos de cubierta, sellado, descontaminación, se denominan fabricación de combustible. En Rusia, la creación de conjuntos combustibles (FA) se lleva a cabo por las empresas "Planta de construcción de máquinas" en la región de Moscú, "Planta de concentrados químicos de Novosibirsk" en Novosibirsk, "Planta de polimetales de Moscú" y otras.

Cada lote de conjuntos combustibles se crea para un tipo específico de reactor. Los conjuntos de combustible europeos están hechos en forma de cuadrado y los rusos con una sección hexagonal. Los reactores de los tipos VVER-440 y VVER-1000 están muy extendidos en la Federación de Rusia. Las primeras barras de combustible para VVER-440 comenzaron a desarrollarse en 1963, y para VVER-1000, desde 1978. A pesar de que se están introduciendo activamente en Rusia nuevos reactores con tecnologías de seguridad posteriores a Fukushima, hay muchas instalaciones nucleares de estilo antiguo en el país y en el extranjero, por lo tanto, los conjuntos de combustible para diferentes tipos reactores.

Por ejemplo, para proporcionar conjuntos combustibles para un núcleo del reactor RBMK-1000, se necesitan más de 200 mil componentes hechos de aleaciones de circonio, así como 14 millones de gránulos de dióxido de uranio sinterizados. A veces, el costo de fabricación de un conjunto combustible puede superar el costo del combustible contenido en los elementos, por lo que es tan importante garantizar una alta eficiencia energética de cada kilogramo de uranio.

Costos para procesos de producción en%

Por separado, conviene decir sobre los conjuntos combustibles para reactores de investigación. Están diseñados para hacer que la observación y el estudio del proceso de generación de neutrones sean lo más cómodos posible. Dichos elementos combustibles para experimentos en los campos de la física nuclear, la producción de isótopos y la medicina de radiación en Rusia son producidos por la Planta de Concentrados Químicos de Novosibirsk. Los conjuntos combustibles se basan en elementos sin costura con uranio y aluminio.

La empresa de combustible TVEL (una división de Rosatom) produce combustible nuclear en la Federación de Rusia. La empresa trabaja en el enriquecimiento de materias primas, ensamblaje de elementos combustibles y también brinda servicios de licencias de combustible. La planta mecánica de Kovrov en la región de Vladimir y la planta de centrifugación de gas de los Urales en la región de Sverdlovsk están creando 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 conjuntos combustibles, el metal pasa por un proceso de enriquecimiento. El contenido de uranio-235 en el mineral natural no supera el 0,7% y la radiactividad es de 25 bequerelios por 1 miligramo de uranio.

Los gránulos de uranio, que se colocan en conjuntos combustibles, contienen uranio con una concentración del 5% de uranio 235. Los conjuntos combustibles terminados con combustible nuclear se transportan en contenedores de metal alta resistencia. Para el transporte, se utilizan el transporte ferroviario, por carretera, marítimo e incluso aéreo. Se colocan dos conjuntos en cada contenedor. El transporte de combustible no irradiado (fresco) no presenta un peligro de radiación, ya que la radiación no va más allá de los tubos de circonio, en los que se colocan gránulos de uranio prensado.

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

Combustible en el núcleo del reactor

Una unidad de combustible nuclear, TVEL, es capaz de liberar una gran cantidad de energía durante mucho tiempo. Ni el carbón ni el gas se pueden comparar con tales volúmenes. El ciclo de vida del combustible en cualquier planta de energía nuclear comienza con la descarga, remoción y almacenamiento de combustible fresco en el almacén de elementos combustibles. Cuando se quema el lote anterior de combustible en el reactor, el personal completa los conjuntos de combustible para cargar en el núcleo (la zona de trabajo del reactor donde tiene lugar la reacción de desintegración). Como regla general, el combustible se recarga parcialmente.

El combustible se carga completamente en el núcleo solo en el momento del primer lanzamiento del reactor. Esto se debe al hecho de que las barras de combustible en el reactor se queman de manera desigual, ya que el flujo de neutrones difiere en intensidad en diferentes zonas del reactor. Gracias a los dispositivos de medición, el personal de la estación tiene la capacidad de monitorear en tiempo real el grado de quemado de cada unidad de combustible y hacer un reemplazo. A veces, en lugar de cargar nuevos conjuntos de combustible, los conjuntos se mueven entre sí. El quemado ocurre más intensamente en el centro del núcleo.

Conjuntos de combustible después de la planta de energía nuclear

El uranio que se ha gastado en un reactor nuclear se llama irradiado o quemado. Y esos conjuntos combustibles son combustible nuclear gastado. El SNF se coloca separado de los desechos radiactivos, ya que tiene al menos 2 componentes útiles: uranio no quemado (la tasa de combustión del metal nunca alcanza el 100%) y radionucleidos de transuranio.

Recientemente, los físicos han comenzado a utilizar en la industria y la medicina los isótopos radiactivos que se acumulan en el combustible nuclear gastado. Una vez que el combustible ha cumplido su campaña (el tiempo que pasa el ensamblaje en el núcleo del reactor en condiciones de funcionamiento a potencia nominal), se envía a la piscina de combustible gastado, luego al almacenamiento directamente en el compartimento del reactor y luego a su reprocesamiento o eliminación. La piscina de combustible gastado está diseñada para eliminar el calor y proteger contra la radiación ionizante, ya que el conjunto de combustible sigue siendo peligroso después de ser retirado del reactor.

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

Las barras de combustible se disuelven en el ácido, después de lo cual los investigadores separan el plutonio y el uranio no utilizado de los desechos. Es imposible reutilizar alrededor del 3% de la materia prima, son residuos de alta actividad que se someten a procedimientos de bituminización o vitrificación.

Del combustible nuclear gastado se puede obtener el 1% de plutonio. Este metal no necesita ser enriquecido; Rusia lo usa en la producción de combustible MOX innovador. Un ciclo de combustible cerrado permite abaratar aproximadamente un 3% un conjunto de combustible, 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 empresa de combustible "Rosatom" no deja de investigar en esta dirección. Pronedra escribió recientemente que en Federación Rusa están trabajando en combustible capaz de utilizar los isótopos de americio, curio y neptunio en el núcleo del reactor, que se incluyen en el mismo 3% de los residuos altamente radiactivos.

Productores de combustible nuclear: calificación

1. Hasta hace poco, la empresa francesa Areva proporcionaba el 31% del mercado mundial de conjuntos combustibles. La empresa se dedica a la producción de combustible nuclear y montaje de componentes para centrales nucleares. En 2017, Areva se sometió a una renovación cualitativa, nuevos inversores llegaron a la empresa y la pérdida colosal de 2015 se redujo en 3 veces.
2. Westinghouse es la división estadounidense de la empresa japonesa Toshiba. Desarrolla activamente el mercado en Europa del Este, suministra conjuntos combustibles a las centrales nucleares de Ucrania. Junto con Toshiba, proporciona el 26% del mercado mundial de producción de combustible nuclear.
3. TVEL Fuel Company de Rosatom State Corporation (Rusia) ocupa el tercer lugar. TVEL proporciona el 17% del mercado mundial, tiene una cartera de contratos a 10 años por valor de 30.000 millones de dólares y suministra combustible a más de 70 reactores. TVEL desarrolla conjuntos combustibles para reactores VVER y también entra en el mercado de instalaciones nucleares de diseño occidental.
4. Japan Nuclear Fuel Limited, según los últimos datos, proporciona el 16% del mercado mundial, suministra conjuntos combustibles a la mayoría de los reactores nucleares del propio Japón.
5. Mitsubishi Heavy Industries es un gigante japonés que fabrica turbinas, camiones cisterna, acondicionadores de aire 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 con Areva. Fue esta empresa la elegida por el gobierno japonés para desarrollar nuevos reactores.

Un automóvil moderno también puede funcionar con gasolina con un octanaje de 72, pero será una conducción lenta y triste. Una planta de energía nuclear también es capaz de funcionar con combustible desarrollado hace 50 años, pero funcionará de manera desfavorable, el reactor no podrá aprovechar las nuevas posibilidades establecidas en él por los diseñadores. Desde la creación de la primera planta de energía nuclear, los científicos nucleares han estado realizando constantemente trabajo duro mejorar la calidad del combustible nuclear, aumentando los beneficios de la energía nuclear.

Todos hemos visto y ya estamos acostumbrados a cómo se ven las plantas de energía nuclear: estructuras gigantes que pueden y deben ser consideradas uno de los símbolos de la etapa moderna en el desarrollo de la civilización humana. Enormes turbinas, cuyo rotor giratorio crea una enorme corriente eléctrica, potentes bombas que impulsan agua a alta presión a través del núcleo del reactor, fuertes recipientes del reactor, carcasas herméticas adicionales que pueden resistir terremotos, aviones que caen sobre ellos. Las tuberías del primer y segundo circuito, torres de enfriamiento gigantes, en las que se enfría el agua del segundo circuito, todo es grande, a veces colosal. Pero el corazón de cualquier reactor nuclear es muy pequeño, porque una reacción de fisión nuclear controlada tiene lugar dentro de bolitas de combustible muy pequeñas que contienen uranio enriquecido en el isótopo 235. Es aquí, en pequeñas tabletas, donde ocurre lo más importante: la liberación de una gran cantidad de calor, para cuyo uso beneficioso se crea todo lo que vemos en una central nuclear. Todo esto es grande y hermoso, complejo, que requiere enormes esfuerzos en la producción y operación de equipos, solo un "servicio" de pellets de combustible.

Energía nuclear sin fórmulas

Es bastante difícil hablar sobre qué es el combustible nuclear para una planta de energía nuclear; en casos normales, la descripción requiere fórmulas matemáticas de varios pisos, física atómica y otra mecánica cuántica. Intentemos prescindir de todo esto para comprender cómo nuestros científicos atómicos domesticaron el uranio, convirtiéndolo en una fuente confiable que tanto necesitamos. energía eléctrica... Nos parece que la lógica y el simple sentido común cotidiano serán suficientes para esto, y el punto de partida será una descripción escolar de una reacción en cadena de división. ¿Recuerda?

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

Reacción en cadena nuclear

En términos matemáticos, con un factor de multiplicación de neutrones de dos, una reacción en cadena controlada es imposible. El número de neutrones libres y los actos de desintegración de los núcleos de uranio aumentan tanto como una avalancha que solo puede haber un resultado: una explosión atómica. Para que la reacción se desarrolle sin problemas, de manera que pueda ser monitoreada y regulada, se requiere alcanzar un factor de multiplicación de 1.02 - cien neutrones libres "iniciales" deben causar la aparición de 102 neutrones libres de la "segunda generación", todo el resto debe ser eliminado, absorbido, neutralizado - Llame a este proceso como quiera, pero debe suceder. Este valor umbral se calculó teóricamente, por lo que un enorme "agradecimiento" a nuestros científicos. Descubrieron que el contenido natural del isótopo 235 no es suficiente para que el factor de multiplicación exceda la unidad. En otras palabras, si queremos que la reacción de fisión no se detenga, debemos aprender a aumentar el contenido de este isótopo hasta un 3-4%, es decir, 5-6 veces más de lo que nos proporciona la madre naturaleza. Los teóricos calcularon, pero los ingenieros prácticos hicieron todo el resto del trabajo, idearon formas de utilizar materiales que absorben el exceso de neutrones en el núcleo del reactor e inventaron los "neutralizadores de neutrones".

La quimica es vida

Cómo se enriquece el uranio con el contenido del isótopo 235, revista Analytical en línea Geoenergetics.ru ya se dijo: primero, el uranio debe convertirse en gas, en fluoruro de uranio, luego, con la ayuda de centrifugadoras de gas, "eliminar" los átomos pesados, debido a lo cual aumentará el número de átomos ligeros (el núcleo del isótopo de uranio principal contiene 238 protones y neutrones, un átomo de este tipo pesa tres unidades más que el átomo de uranio-235). Genial: el fluoruro se ha vuelto más rico en uranio-235, todo está en orden. Y luego, ¿qué y cómo? El camino del combustible nuclear a los reactores de centrales nucleares comienza en las manos bondadosas de químicos que se desempeñan extremadamente trabajo importante - convierten el gas en un sólido, y en lo que los científicos atómicos "ordenaron" para ellos. La energía atómica es sorprendente porque no se limita solo a la física atómica, aquí se utilizan docenas de disciplinas científicas a la vez, en Rosatom siempre hay lugar para químicos, científicos de materiales, metalúrgicos y muchos, muchos otros especialistas.

Y los físicos "ordenan" a los químicos el dióxido de uranio, un polvo de moléculas que contienen un átomo de uranio y dos átomos de oxígeno. ¿Por qué él? Muchas propiedades de estas moléculas son dolorosamente buenas. La temperatura de fusión del dióxido de uranio es de 2'840 grados, es muy difícil hacer que se derrita; en la historia de la energía nuclear, solo hubo tres accidentes acompañados de la fusión del combustible nuclear. El dióxido de uranio no es muy susceptible a la llamada hinchazón de los gases, un fenómeno interesante, pero dañino para la energía nuclear. Lo que está sucediendo en el núcleo del reactor es la encarnación del sueño de los alquimistas medievales, hay transformaciones de algunos elementos químicos en otros, completamente diferente a ellos. Un neutrón libre que choca contra el núcleo del uranio-235 no solo elimina neutrones libres adicionales, sino que hace que el núcleo mismo se fisione en diferentes partes. Cómo se producirá exactamente la fisión, qué nuevos núcleos se forman en este caso es una cuestión de azar, pero las estadísticas muestran que, entre otros fragmentos de fisión, también hay gases. Se acumulan dentro de la pastilla de combustible y se comportan como debería ser para los gases, tratando de ocupar el mayor volumen posible, tratando de literalmente romper la pastilla de combustible en pedazos. De acuerdo, no hay nada útil en esto: necesitamos una pastilla de combustible que esté completa y saludable para que pueda permanecer en el núcleo el mayor tiempo posible, para transferirnos toda la energía que está contenida en los núcleos de los átomos de uranio. Entonces, solo el duro, solo el dióxido de uranio: le permite usar temperaturas más altas, lo que aumenta la eficiencia de una planta de energía nuclear, le permite aumentar el consumo de combustible.

"La profundidad de quemado del combustible nuclear" es un término completamente científico y técnico, pero para comprender qué es, el más alto educación Física no requerido. La quema de combustible es la fracción de núcleos de uranio que han sufrido una transformación nuclear cuando se exponen a neutrones. Expresado como porcentaje, cuanto mayor es el porcentaje, más núcleos de uranio pudimos utilizar para los fines que necesitábamos, habiendo recibido de ellos el calor utilizado para generar electricidad. Por tanto, el consumo de combustible es uno de los principales parámetros económicos de una central nuclear. Si ponemos 100 kilogramos de uranio 235 en el núcleo y al final de la campaña de combustible extraemos 99 kg, no vale la pena el precio de tal diseño del núcleo, el reactor y la central nuclear. Pero si resulta que no queda uranio-235 en la pastilla de combustible extraída del núcleo, significa que los diseñadores son geniales y ha llegado el momento de otorgar urgentemente a cada uno de ellos un Premio Nobel, preferiblemente dos.

De hecho, la profundidad de agotamiento del 100% es inalcanzable en principio, pero esto no significa que no estén luchando por ello: las batallas por cada porcentaje son serias. A mayor profundidad de quemado, menor costo de la electricidad resultante, y nadie ha cancelado la competencia con energía basada en la combustión de hidrocarburos. Además, cuanto más tiempo se “quema” el pellet, menos a menudo necesita el reactor recargar el combustible. El diseño del VVER (reactor de energía de agua-agua) es tal que el cambio de combustible ocurre cuando el reactor está completamente parado y enfriado - esto es más seguro. Cuantas menos paradas de este tipo, mayor es el factor de utilización de la capacidad instalada, ICUF es el segundo indicador económico más importante de una central nuclear. En el pasaporte técnico de su aspiradora está escrita su potencia, por ejemplo, 1'200 W * hora. Pero obtendrá 1'200 vatios si la aspiradora funciona durante una hora, en media hora de funcionamiento; durante media hora "algo ha agarrado su espalda baja" obtendrá solo 600 vatios, o, en otras palabras, la capacidad de la aspiradora será solo del 50%. Como en el caso de la profundidad de quemado de combustible, el objetivo preciado es el 100%, y nuevamente cada porcentaje cuenta, porque la economía de un reactor nuclear debería ser más rentable que la economía de una central térmica e incluso la economía de una central hidroeléctrica.

Al parecer, ¿cómo se pueden mostrar resultados económicos más beneficiosos que una central hidroeléctrica, que no requiere combustible en absoluto, donde solo se usa la energía del agua que cae? Es muy simple: el agua no cae sobre las unidades hidroeléctricas las 24 horas del día, los 365 días del año, para ello necesita un volumen de agua completamente definido en el depósito. Hasta que no se alcance ese volumen, la central hidroeléctrica “descansará”, y la central nuclear, que no sabe nada de tales pausas, tendrá tiempo de alcanzar y adelantar a su rival. Aquí hay un breve resumen: la eficiencia, la profundidad de combustión y el ICUM de cualquier planta de energía nuclear dependen fundamentalmente de la pastilla de combustible, de su material. El químico que convierte el gas de fluoruro de uranio en polvo de dióxido de uranio, recuerda: ¡el futuro de la energía nuclear depende de tu habilidad!

Pastillas de combustible - paso a paso

Hay mucho que explicar en palabras sencillas, pero es imposible hacer un ejercicio así para describir el trabajo de los químicos a partir de la palabra "en general", así que prepárate. Primero se pasa gas fluoruro de uranio a través de una solución acuosa y se obtiene fluoruro de uranilo, que se mezcla con amoníaco y el residuo ácido del ácido carbónico. Como resultado, se obtiene carbonato de uranilo de amonio, que se precipita - consideren que la mitad del trabajo ya está hecho, tenemos al menos algo sólido, no gaseoso. La suspensión se pasa por un filtro, se lava y se envía a un horno de lecho fluidizado, donde, debido a la alta temperatura, se desintegran todas las impurezas innecesarias, en el residuo seco se obtiene polvo de trióxido de uranio (hay tres átomos de oxígeno en esta molécula por 1 átomo de uranio). ¡Eso es, ahora es casi nuestro!

Sección para la fabricación de polvo de dióxido de uranio por el método de pirohidrólisis a alta temperatura

La temperatura vuelve a ser alta: 500 grados, pero ya con el flujo de hidrógeno, que ocupa un átomo de oxígeno adicional, y los químicos se van tranquilamente a almorzar, lo que permite a los físicos quitarles el dióxido de uranio que codiciaban. Sin embargo, se regocijan temprano: inmediatamente se les da una palmada en las manos extendidas que los agarran ... metalúrgicos, ya que los gránulos de combustible se producen mediante el método de la pulvimetalurgia. El polvo obtenido como resultado del trabajo de los químicos se tritura, se tamiza y se obtiene un polvo fino, se tritura hasta un estado casi de polvo. Después de agregar aglutinantes y lubricantes, las tabletas se prensan y se envían para recocer nuevamente para eliminar impurezas innecesarias. Después de eso, la temperatura aumenta a 1'750 grados, las tabletas se vuelven más densas, más pesadas, ahora ya se pueden procesar por métodos mecánicos. Una rectificadora cilíndrica entra en juego para obtener las dimensiones requeridas, eso es todo.

Planta de fabricación de pellets de uranio

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

Producción y control técnico de pellets de combustible cerámico nuclear

Nomenclatura de tabletas producidas en empresas nucleares rusas que forman parte de TVEL Fuel Company - más de 40 variedades, diferentes tamaños, diferentes grados de enriquecimiento de uranio-235. Pero una cosa permanece sin cambios: la energía nuclear sigue utilizando exactamente dióxido de uranio como combustible, que en sí mismo es una de las barreras para la propagación de la radiactividad. A temperaturas de funcionamiento, este material retiene el 98% de los productos de descomposición en su interior, reduciendo al mínimo la carga de sellado. Para que el combustible realice 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 hacia ambiente externo con todas las consecuentes consecuencias desagradables.

La barra de combustible no es solo un "tubo largo"

Bien, las píldoras 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. Elimine más de una vez, esta eliminación debe ocurrir durante toda la sesión de combustible: el tiempo de combustible gastado en el núcleo del reactor. En los reactores VVER, este trabajo se realiza mediante el paso del agua a través del núcleo a alta presión. ¿Lanzar pellets de combustible al núcleo, como bolas de masa hervida en agua hirviendo? No es una opción, es mucho más prudente asegurar la posición estacionaria de los pellets de combustible, a lo largo de la cual pasa el flujo de agua a presión, eliminando el formado durante las reacciones nucleares. energía térmica... En consecuencia, necesitamos una especie de "cerradura", que está diseñada para asegurar la disposición estacionaria del combustible - este es el tubo hueco de pared delgada, dentro del cual están contenidos los pellets de combustible - un elemento combustible, un elemento combustible.

Elementos combustibles (barras de combustible), Foto: wikimedia.org

¿Por qué paredes delgadas? Para que el calor generado en los gránulos 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 la mayor conductividad térmica 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 soportar una radiactividad alta constante, sin causar daño a los principales procesos nucleares. Debe absorber la menor cantidad de neutrones posible para no interrumpir la reacción nuclear, para no forzar la producción de uranio con un mayor enriquecimiento en el isótopo 235. El diámetro del tubo, así como el diámetro de los pellets de combustible, debe ser lo más pequeño posible, de lo contrario el calor que se forma en los segmentos centrales no llegará al refrigerante. Este es el conjunto de requisitos que debe cumplir una cosa tan "simple" como una pared delgada de un elemento combustible.

En la etapa de formación de la energía nuclear, el acero inoxidable se convirtió en un material de este tipo, pero esto no duró mucho; resultó que el acero necesita demasiados neutrones libres, se necesita algo menos voraz. En ese momento, los científicos atómicos habían trabajado a fondo y encontraron un metal con la sección transversal mínima de captura de neutrones: el circonio. En este caso, la palabra "cortar" reemplaza la palabra "probabilidad". La probabilidad de que un neutrón que pasa sea capturado en sus trampas 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 derrite solo a temperaturas superiores a 1855 grados, tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo, en lugar de para "hincharse" cuando se calienta, simplemente "vierte" calor en el ambiente externo. De acuerdo, es simplemente un material ideal para la energía nuclear, si puede lograr su producción con una pureza química perfecta, ya que cualquier impureza se esfuerza por "devorar" activamente los neutrones libres.

Taller de producción de barras y conjuntos combustibles

Tan pronto como los metalúrgicos anunciaron que habían aprendido a hacer frente a esta tarea, la energía nuclear cambió a circonio. La única empresa en Rusia y una de las tres del 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 TVEL Fuel Company. Desde 1986, ChMP ha cambiado a la fabricación de carcasas de elementos combustibles a partir de la aleación E-110: se agrega un uno por ciento de niobio al circonio, y este pequeño aumento aumenta significativamente la resistencia a la corrosión del material. Aún mejores son las propiedades mecánicas de la aleación E-365 utilizada actualmente, que, además de circonio y niobio, contiene hierro y estaño. Cada paso en la producción de elementos combustibles es extremadamente importante, la presencia de estos elementos le permite hacer frente mejor a la soldadura, con otros métodos de unión. diferentes materiales... Los elementos combustibles producidos en Rusia cumplen todos los requisitos del OIEA, muestran excelentes propiedades operativas y permiten elevar los indicadores económicos de la energía nuclear.

Lo que puede parecer una "pieza mecánica simple", por supuesto, no lo es.

Elemento 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 orificio con un diámetro de 1,2 mm. El pellet no toca las paredes de la barra de combustible, el espacio y el orificio dentro de los pellets están diseñados para que la barra de combustible pueda mantener dentro de sí los gases radiactivos formados en el proceso de desintegración nuclear. Los pellets se fijan dentro del elemento combustible con 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 sus 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, ¿qué podría ser 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, solo 470. Una diferencia de mil grados a una distancia de 3-4 milímetros, el metal se convierte en gas: tales son los milagros dentro de la pequeña tabletas.

Del elemento combustible al conjunto combustible

Las tabletas se hicieron, se colocaron en la barra de combustible, ¿eso es todo? Por supuesto que no: el tubo junto con el combustible pesa solo 2,1 kg, una masa de uranio para 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 VVER-1000, el más extendido en Rusia hasta ahora, se ensamblan 312 barras de combustible en un solo conjunto de combustible, dejando espacios entre ellas para la entrada de las barras del sistema de control y protección llenas de un absorbente de neutrones tan efectivo como el boro. En la parte inferior del conjunto de combustible hay un llamado revestimiento, 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 a la cabeza a través de un bloque de resorte; protege las barras de combustible de la flotación durante el funcionamiento del reactor. Sí, el uranio es un elemento pesado, el circonio tampoco se puede llamar fácil, pero vale la pena recordar que el flujo de agua nominal a través del conjunto de 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 la dirección de abajo hacia arriba; tal flujo forzará emerge lo que sea. Las barras de combustible se separan entre sí mediante rejillas espaciadoras, que mantienen estos tubos en sus lugares habituales, proporcionando la eliminación de calor más eficiente. Rejillas espaciadoras en conjuntos combustibles de diferentes diseños: de 12 a 15 piezas, solo una cantidad de ellas permite que el agua realice el trabajo de eliminar el calor útil.

Canales y espaciadores, control de calidad

Y, sin embargo, incluso esto no nos salvó por completo del problema de la flexión de las barras de combustible y los conjuntos de combustible. Nuestros conjuntos no podían soportar cargas axiales mecánicas: casi cuatro metros de longitud con un grosor de carcasa de 0,65 mm, un potente flujo de agua, las altas temperaturas hicieron su trabajo. En 1993, finalmente quedó claro: es necesario hacer algo con este problema, formas de deshacerse de él. Minatom hizo una solicitud correspondiente al OIEA: ¿cómo van las cosas con este problema en países occidentales... IAHTE realizó una encuesta correspondiente con las organizaciones operativas y no encontró ninguna sensación: los científicos nucleares occidentales también tienen este problema, también están buscando formas de lidiar con él.

Ahora discúlpeme, pero una vez más tendremos que tocar el mito principal de la economía liberal: la eficiencia del propietario privado en comparación con el torpe e inercial sector estatal de la economía. Hay muchos propietarios privados de centrales nucleares en Occidente, y especialmente en Estados Unidos, pero no pudieron resolver el problema. Minatom actuó de acuerdo con las tradiciones del Ministerio de Construcción de Máquinas Medianas: confió la solución del problema a dos oficinas de diseño a la vez, de modo que, como resultado de la lucha entre dos buenos proyectos la victoria fue para los mejores. Los participantes en la competencia capitalista fueron el Podolsk Design Bureau (oficina de diseño experimental) "Gidropress" y el Nizhny Novgorod OKBM (Oficina de Diseño para Ingeniería Mecánica) que lleva el nombre de V.I. Afrikantov. Ambas oficinas de diseño son actualmente parte del holding de construcción de maquinaria "Atomenergomash", pero esto no reduce en lo más mínimo la intensidad de la competencia.

La competencia es el motor del progreso

Los residentes de Nizhniy Novgorod desarrollaron el diseño de TVSA, que recibió la abreviatura TVSA, a medida que avanzaba el desarrollo, las modificaciones de TVSA-12, TVSA-PLUS, TVSA-T aparecieron una tras otra. Su rasgo característico principal es que las esquinas se soldaron a las rejillas espaciadoras para aumentar la rigidez de la estructura, pero Gidropress no aceptó este concepto: una cantidad excesiva de circonio a partir del cual se hacen las esquinas en el núcleo, según los expertos, puede afectar negativamente las características neutrónicas del activo zona del reactor. La modificación con la abreviatura UTVS (Advanced Fuel Assembly), creada en Gidropress, no utiliza soldadura rígida de rejillas espaciadoras y canales de guía; UTVS comenzó a usarse en centrales nucleares con mayores requisitos de resistencia sísmica: en el Tianwan chino, el Bushehr iraní, el indio Kudankulam ". Sin embargo, declarar que este desarrollo fue realizado solo por los empleados de OKB "Gidropress" es incorrecto, este trabajo contó con la presencia del Instituto Kurchatov, el Instituto de Física y Energía de Obninsk, la planta de concentrados químicos de Novosibirsk, la N.N. Bochvara. Pero el resultado es importante: una prueba piloto en la central nuclear de Rostov mostró excelentes resultados, los clientes extranjeros estaban extremadamente satisfechos con el aumento en la confiabilidad del UTSS.

Conjunto de paquete

Ver los detalles de la lucha entre las dos oficinas de diseño es un espectáculo fascinante, pero hay tantos detalles técnicos que requerirá el esfuerzo de traductores profesionales. Las rejillas son anchas y estrechas, rejillas enrarecidas, 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 repostaje, la terminología de la hidrodinámica y la termomecánica: este es realmente un lenguaje completamente separado ... Para la energía nuclear es importante el resultado alcanzado por ambas oficinas de diseño, cuya disputa científica y creativa continúa hoy. Las mejoras y modificaciones permiten el uso de combustible con un mayor enriquecimiento en el contenido de uranio-235; esta cifra para VVER-1000 ha aumentado del 3,77% al 4,95%. Parecería que la diferencia es completamente insignificante, pero como resultado, la profundidad de quemado de combustible aumentó de 40 MW por día por kilogramo de uranio a 58 MW por kilogramo, en casi un 50%. Pero este resultado ya es muy significativo, permite luchar en igualdad de condiciones con la energía de los hidrocarburos a costa de la electricidad producida, hace que las perspectivas de desarrollo de la energía nuclear sean cada vez más alentadoras. Uno de los logros: un aumento de la potencia de funcionamiento de los reactores VVER en un 4-7% sin cambiar su diseño se basa precisamente en la optimización del combustible nuclear y los conjuntos combustibles. ventaja competitiva en el mercado internacional.

Conjunto de combustible terminado

Por supuesto, UTVS no se convirtió en una especie de "final" de la mejora de los conjuntos combustibles. La principal ventaja de UTVS en comparación con el combustible de la generación anterior fue proporcionada por la transición del acero inoxidable al circonio, a la aleación E-110. Los desarrolladores pudieron aumentar la rigidez de la estructura sin el uso de esquinas: reforzaron los espaciadores y comenzaron a usar soldadura por puntos para aumentar la resistencia a la deformación durante la operación. Lograron 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 el ICUM.

Nuevo combustible para Irán

Desde principios de 2014 se inició un proceso de negociación entre TVEL y el cliente iraní representado por Organización de Energía Atómica de Irán (AEOI) y Generación y desarrollo de energía nuclear iraní (NPPD) sobre la transición de Bushehr NPP a nuevos conjuntos combustibles - 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 una cantidad completa de información para el análisis y la toma de decisiones sobre dicha transición. Más 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 el análisis de los resultados de la introducción de TVS-2M en el VVER-1000 ruso y en la central nuclear de Tianwan en China, reactores del mismo tipo que el que opera en la unidad de potencia en la central nuclear de Bushehr. En China, las dos primeras unidades de la central nuclear de Tianwan operan en TVS-2M en un ciclo de combustible de 18 meses. Y los científicos nucleares iraníes pudieron asegurarse de que la profundidad de la quema de combustible, la duración de las campañas de combustible aumentaron y el ICUM aumentó.

Después de analizar los resultados obtenidos y verificarlos en el lugar, los clientes iraníes tomaron una medida de represalia: desarrollaron una lista de trabajos de empresas rusas, que es necesaria para garantizar la licencia de nuevo combustible en las autoridades de supervisión nuclear. El trabajo adicional ya era conjunto: nuestros especialistas y los iraníes elaboraron juntos una lista de las actualizaciones necesarias para el equipo de la unidad de potencia en la central nuclear de Bushehr, que debían realizarse para que el reactor recibiera TVS-2M en el núcleo. De hecho, la operación de nuestros VVER-1000 con el nuevo combustible mostró tales resultados que una transición completa a 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 lógico. Este abril TVEL firmado con AEOI y NPPD acuerdo adicional al contrato actual de suministro de combustible para la central nuclear de Bushehr - a partir de 2020 TVEL comenzará las entregas de TVS-2M a Irán. Sin prisas, sin problemas, es solo que nuestros proyectos nucleares y los iraníes que apoyamos continúan desarrollándose de manera constante, proporcionando a los consumidores electricidad en las cantidades que necesitan. Lo que piensan los clientes de India y China sobre esto, seguramente lo descubriremos en un futuro próximo. Crecimiento indicadores económicos Unidades de potencia debido al uso de nuevo combustible sin cambios significativos en el conjunto de equipos es tan indicativo que hay confianza en que las reflexiones no serán largas. Solo tenemos que seguir mayor desarrollo eventos y felicitar de nuevo TVEL, OKB "Gidropress" y todo el equipo de desarrolladores con el hecho de que su nuevo combustible ha recibido ahora reconocimiento internacional.

Por supuesto, la historia de hoy sobre el desarrollo del combustible nuclear está lejos de ser completa; en esta parte, los cambios se producen constantemente. Se ha desarrollado combustible para VVER-1200, se está desarrollando combustible para otros tipos de reactores, TVEL continúa 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 planta de energía nuclear sueca Ringhals y tiene licencia para el mercado estadounidense. Empresas TVEL producen combustible para BN-800, se ha producido un lote piloto de combustible REMIX, para un reactor prometedor con un refrigerante de plomo, el desarrollo de combustible de nitruro está a punto de completarse - Rosatom y no cree que pueda darse el lujo de dormirse en los laureles.

El combustible nuclear es el “corazón” de la energía nucleoeléctrica, y es útil hacer un seguimiento de cómo se crean nuevos tipos de combustibles y qué resultados dan al utilizarlos, ya que permite comparar el costo de generar electricidad en centrales nucleares y centrales térmicas. Además, esta vez no tocamos los resultados que dieron nombre a los desarrolladores de nuevos tipos de combustible en OKBM. Afrikantov, y sus ideas también se utilizan muy activamente Rosatom... En una palabra, es poco probable que la historia de hoy sobre el combustible nuclear siga siendo la única.

Una fotografía: zaochnik.ru, kak-eto-sdelano.livejournal.com

En contacto con

El combustible nuclear es un material utilizado en los reactores nucleares para realizar una reacción en cadena controlada. Es extremadamente intensivo en energía e inseguro para los humanos, lo que impone una serie de restricciones sobre su uso. Hoy aprenderemos qué es el combustible de un reactor nuclear, cómo se clasifica y produce, dónde se utiliza.

Reacción en cadena

Durante una reacción en cadena nuclear, 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 del siguiente núcleo. El proceso ocurre cuando un neutrón ingresa al núcleo de la sustancia original. Los fragmentos de fisión tienen una alta energía cinética. Su desaceleración en la materia va acompañada de la liberación de una gran cantidad de calor.

Los fragmentos de fisión, junto con sus productos de descomposición, se denominan productos de fisión. Los núcleos que dividen los neutrones de cualquier energía se denominan combustible nuclear. Por regla general, son sustancias con un número impar de átomos. Algunos núcleos se fisionan puramente por neutrones cuyas energías están por encima de un cierto valor umbral. Se trata principalmente de elementos con un número par de átomos. Dichos núcleos se denominan materia prima, ya que en el momento de la captura de neutrones por el núcleo umbral se forman núcleos de combustible. La combinación de combustible y materia prima se llama combustible nuclear.

Clasificación

El combustible nuclear se divide en dos clases:

1. Uranio natural. Contiene los núcleos fisionables de uranio-235 y la materia prima uranio-238, que es capaz de formar plutonio-239 mediante la captura de un neutrón.
2. Combustible secundario de origen no natural. Entre otras cosas, esto incluye el plutonio-239, que se obtiene del primer tipo de combustible, 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 tales tipos de combustible nuclear:

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

TVEL y TVS

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

Solicitud

El combustible llega a las centrales nucleares y otras instalaciones nucleares en forma de conjuntos combustibles. Pueden cargarse en el reactor tanto durante su funcionamiento (en lugar de los conjuntos combustibles quemados) como durante la campaña de reparación. En el último caso, los conjuntos combustibles se cambian en grandes grupos. En este caso, solo un tercio del combustible se reemplaza por completo. Los conjuntos más quemados se descargan de la parte central del reactor, y en su lugar se colocan conjuntos parcialmente quemados que antes estaban ubicados en áreas menos activas. En consecuencia, se instalan nuevos conjuntos combustibles en lugar de estos últimos. Este esquema de permutación simple se considera tradicional y tiene una serie de ventajas, la principal de las cuales es garantizar una liberación de energía uniforme. Por supuesto, este es un diagrama condicional que solo da una idea general del proceso.

Extracto

Después de retirar el combustible nuclear gastado del núcleo del reactor, se envía a una piscina de combustible gastado, que generalmente se encuentra 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 elemento combustible contiene alrededor de 300 mil Curie de sustancias radiactivas, que emiten 100 kW / h de energía. Debido a esto, el combustible se calienta espontáneamente y se vuelve altamente radiactivo.

La temperatura del combustible descargado recientemente puede alcanzar los 300 ° C. Por lo tanto, se mantiene durante 3-4 años bajo una capa de agua, cuya temperatura se mantiene dentro del rango especificado. Como se almacena bajo el agua, la radiactividad del combustible y el poder de sus emisiones residuales disminuyen. Después de aproximadamente tres años, el autocalentamiento del conjunto de combustible alcanza los 50-60 ° C. Luego, el combustible se retira de las piscinas y se envía para su procesamiento o eliminación.

Uranio metal

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. Simplemente, el uranio se expande, lo que puede provocar la destrucción del elemento combustible. En el caso de una exposición prolongada a una temperatura de 200-500 ° C, la sustancia se expone al crecimiento de la radiación. La esencia de este fenómeno es el alargamiento de la barra de uranio irradiada en un factor de 2-3.

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

La fuerza de hinchamiento depende de la temperatura de la varilla de combustible y del quemado. Con un aumento en la combustión, aumenta el número de fragmentos de fisión, y con un aumento de la temperatura y la combustión, la presión interna de los gases. Si el combustible tiene propiedades mecánicas más altas, entonces es menos propenso a hincharse. El uranio metálico no pertenece a tales 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 se mejoran mediante la aleación del material. Este proceso implica agregarle aluminio, molibdeno y otros metales. Debido a los 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

Ciertos compuestos de uranio refractario 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 de 2800 ° C y su densidad es de 10,2 g / cm 3.

Dado que este material no tiene transiciones de fase, es menos propenso a hincharse que las aleaciones de uranio. Gracias a esta función, la temperatura de quemado se puede aumentar en varios por ciento. A altas temperaturas, la cerámica no interactúa con el niobio, el circonio, el acero inoxidable y otros materiales. Su principal desventaja es su baja conductividad térmica - 4.5 kJ (m * K), que limita la potencia específica del reactor. Además, las cerámicas calientes son propensas a agrietarse.

Plutonio

El plutonio se considera un metal de bajo punto de fusión. Se funde a 640 ° C. Debido a sus malas propiedades plásticas, prácticamente no se presta al procesamiento mecánico. La toxicidad de la sustancia complica la tecnología para la fabricación de barras de combustible. En la industria nuclear, ha habido varios intentos de utilizar plutonio y sus compuestos, pero no tuvieron éxito. El uso de combustible que contiene plutonio para plantas de energía nuclear no es práctico debido a una disminución de aproximadamente el doble del período de aceleración, que no está diseñado para los sistemas estándar de control de reactores.

Para la fabricación de combustible nuclear, por regla general, se utilizan dióxido de plutonio, aleaciones de plutonio con minerales y una mezcla de carburos de plutonio con carburos de uranio. Los combustibles de dispersión, en los que las partículas de compuestos de uranio y plutonio se colocan 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 planta de energía nuclear, el combustible de dispersión consistía en partículas de aleación de uranio con 9% de molibdeno, que estaban llenas de molibdeno.

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

Minería

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

La salud de las personas que trabajan en el desarrollo está sujeta a un gran peligro. El hecho es que el uranio es un material tóxico y los gases liberados durante su extracción pueden causar cáncer. Y esto a pesar de que el mineral no contiene más del 1% de esta sustancia.

Recepción

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

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. Transferencia de una sustancia de óxido a tetrafluoruro o hexafluoruro utilizado para enriquecer uranio-235.
3. Enriquecimiento de sustancias por centrifugación o difusión térmica de gases.
4. Conversión de material enriquecido en dióxido, a partir del cual se producen “tabletas” de barras de combustible.

Regeneración

Durante el funcionamiento de un reactor nuclear, el combustible no puede quemarse por completo, por lo que se reproducen los isótopos libres. En este sentido, los elementos combustibles gastados están sujetos a regeneración para su reutilización.

Hoy en día, este problema se resuelve mediante un proceso purex, que consta de etapas tales como:

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

Después de eso, el dióxido de plutonio obtenido se utiliza para la producción de nuevos núcleos y el uranio, para el enriquecimiento o también para la fabricación 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.

El principio de funcionamiento y la estructura del TYRD.

En la actualidad, se han propuesto 2 variantes del diseño del TNRE:

TNRD basado en un reactor de fusión con confinamiento magnético de plasma

En el primer caso, el principio de funcionamiento y el dispositivo TNRP tienen el siguiente aspecto: la parte principal del motor es un reactor en el que tiene lugar una reacción de fusión termonuclear controlada. El reactor es una "cámara" cilíndrica hueca abierta en un lado, el llamado. instalación de fusión termonuclear del esquema de "trampa abierta" (también llamado "botella magnética" o celda espejo). La "cámara" del reactor no es en absoluto necesaria (e incluso indeseable) debe estar completamente sellada; lo más probable es que sea una armadura liviana y dimensionalmente estable que lleve las bobinas del sistema magnético. Actualmente, el esquema más prometedor es el llamado. "Confinamiento ambipolar" o "espejos magnéticos" (ing. espejos en tándem), aunque también son posibles otros esquemas de confinamiento: trampas dinámicas de gas, confinamiento centrífugo, campo magnético inverso (FRC). Por estimaciones actuales, la longitud de la "cámara" de reacción será de 100 a 300 m con un diámetro de 1-3 m. Se crean condiciones en la cámara del reactor, suficientes para el inicio de la fusión termonuclear de los componentes del par de combustible seleccionado (temperaturas del orden de cientos de millones de grados, factores del criterio de Lawson). El combustible termonuclear, un plasma precalentado de una mezcla de componentes del combustible, se alimenta a la cámara del reactor, donde tiene lugar 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 "combustión" termonuclear (soplete 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 de chorro.

Cabe señalar la posibilidad de funcionamiento "multimodo" del TNRE. Al inyectar una sustancia relativamente fría en el chorro de una antorcha de plasma, es posible aumentar drásticamente el empuje total del motor (debido a una disminución en el impulso específico), lo que permitirá que una nave espacial con un TNRE maniobre eficazmente en los campos gravitacionales de cuerpos celestes masivos, por ejemplo, planetas grandes, donde a menudo se requiere un gran empuje total del motor. Según estimaciones generales, el TNRD de tal esquema puede desarrollar un empuje desde varios kilogramos hasta decenas de toneladas con un impulso específico de 10,000 segundos a 4 millones de segundos. A modo de comparación, el índice de impulso específico de los motores de cohetes químicos más avanzados es de aproximadamente 450 segundos.

TNRD basado en sistemas de fusión inercial (reactor termonuclear pulsado)

El motor del segundo tipo es un motor termonuclear pulsado inercial. En tal reactor, tiene lugar una reacción termonuclear controlada en modo pulsado (fracciones de microsegundos con una frecuencia de 1-10 Hz), con compresión y calentamiento periódicos de microdianas que contienen combustible termonuclear. Inicialmente, se suponía que debía utilizar un motor termonuclear láser (LTNRD). Dicho LTNARD se propuso, en particular, para una sonda automática interestelar en el proyecto Daedalus. Su parte principal es un reactor pulsado. El combustible termonuclear (por ejemplo, deuterio y tritio) se alimenta 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 alcanza 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 aproximadamente un millón de atmósferas, condiciones suficientes para el inicio de una reacción termonuclear. Tiene lugar una microexplosión termonuclear con una capacidad de varios cientos de kilogramos en equivalente de TNT. La frecuencia de tales explosiones en la cámara en el proyecto Daedalus es de aproximadamente 250 por segundo, lo que requirió el suministro de objetivos de combustible a una velocidad de más de 10 km / s utilizando un cañón EM. El plasma en expansión fluye fuera de la parte abierta de la cámara del reactor a través de una boquilla de diseño apropiado, creando un empuje de chorro. Ahora se ha demostrado teórica y prácticamente que método láser La compresión / calentamiento de los microbjetivos es un callejón sin salida, incluso es casi imposible construir láseres de tal potencia con un recurso suficiente. Por tanto, en la actualidad, para la síntesis inercial, se considera la opción con compresión / calentamiento por haz de iones de microtargets, como más eficiente, compacta y con un recurso mucho más largo.

Y sin embargo, existe la opinión de que el TNRE basado en el principio de pulso inercial es demasiado engorroso debido a las muy grandes potencias que circulan en él, con un impulso y empuje específico peor que el de un TNRE con confinamiento magnético, que es provocado por el tipo pulso-periódico de su acción. ... Ideológicamente, los explosivos alimentados por cargas termonucleares del tipo del proyecto Orion son adyacentes al principio del pulso inercial.

Tipos de reacción y combustible de fusión

TYARD puede usar diferentes tipos reacciones termonucleares según el tipo de combustible utilizado. En particular, en la actualidad, los siguientes tipos de reacciones son fundamentalmente factibles:

Reacción de deuterio + tritio (combustible D-T)

2 H + 3 H \u003d 4 He + n con una salida de energía de 17,6 MeV

Esta reacción es la más fácilmente factible desde el punto de vista de las tecnologías modernas, proporciona un rendimiento energético significativo y los componentes del combustible son relativamente baratos. Su desventaja es un rendimiento muy grande de radiación de neutrones indeseable (e inútil para la creación directa de empuje), que quita 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 deuterio-tritio con una carcasa que contiene litio: este último, al ser irradiado con un flujo de neutrones, se convierte en tritio, que en cierta medida cierra el ciclo del combustible, ya que el reactor opera en modo reproductor (reproductor). Por lo tanto, el reactor D-T en realidad está alimentado por deuterio y litio.

Reacción deuterio + helio-3

2 H + 3 He \u003d 4 He + p. con una salida de energía de 18,3 MeV

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

Flujo de neutrones reducido, la reacción se puede atribuir a "libre de neutrones",

Menos peso del blindaje contra la radiación,

Menor masa de bobinas magnéticas del reactor.

En la reacción D-3 He en forma de neutrones, solo se libera alrededor del 5% de la energía (frente al 80% de la reacción D-T). Alrededor del 20% se libera en forma de rayos X. El resto de la energía se puede utilizar directamente para crear el empuje del chorro. Por tanto, la reacción de D-3He es mucho más prometedora para su uso en un reactor TNRE.

Otros tipos de reacciones

La reacción entre núcleos de deuterio (D-D, monocombustible) D + D -\u003e 3 He + n con un rendimiento energético de 3,3 MeV, y

D + D -\u003e T + p + con una salida de energía de 4 MeV. El rendimiento de neutrones en esta reacción es muy significativo.

También son posibles otros tipos de reacciones:

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, rendimiento energético, facilidad para lograr las condiciones requeridas para la reacción de fusión termonuclear (en primer lugar, temperatura), las características de diseño requeridas del reactor, etc. Los más prometedores para la implementación del TNRE son los llamados. Reacciones "libres de neutrones", ya que el flujo de neutrones generado por la fusión termonuclear (por ejemplo, en la reacción deuterio-tritio) se lleva una parte significativa de la energía y no se puede utilizar para crear empuje. Además, la radiación de neutrones genera radiactividad inducida en la estructura del reactor y la nave, lo que representa una amenaza para la tripulación. La reacción deuterio-helio-3 es prometedora también debido a la falta de rendimiento de neutrones. En la actualidad, 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 TNRD

La idea de crear un TNRE apareció casi inmediatamente después de la implementación de las primeras reacciones termonucleares (pruebas de cargas termonucleares). Un artículo de J. Ross publicado en 1958 fue una de las primeras publicaciones sobre el desarrollo de un motor de turbina. En la actualidad, el desarrollo teórico de este tipo de motores está en marcha (en particular, basado en la fusión termonuclear láser) y, en general, una amplia investigación práctica en el campo de la fusión termonuclear controlada. Existen sólidos prerrequisitos teóricos y de ingeniería para la implementación de este tipo de motor en el futuro previsible. Sobre la base de las características de diseño del TNRP, dichos motores podrán proporcionar la creación de un transporte interplanetario eficiente y de alta velocidad para el desarrollo del sistema solar. Sin embargo, aún no se han creado muestras reales del TNRE (2012).

ver también

Enlaces

• Cosmonáutica del siglo XXI: motores termonucleares // periódico "For Science", 2003
• New Scientist Space (23.01.2003): La fusión nuclear podría impulsar la nave espacial de la NASA (ing.)
• Enciclopedia física, v.4, artículo "reacciones termonucleares", en la página 102, Moscú, "Gran enciclopedia rusa", 1994, 704 p.