انرژی هسته ای شامل تعداد زیادیشرکت هایی برای اهداف مختلف مواد اولیه این صنعت از معادن اورانیوم استخراج می شود. پس از آن به بنگاه های تولید سوخت تحویل داده می شود.

علاوه بر این، سوخت به نیروگاه های هسته ای منتقل می شود و در آنجا وارد هسته راکتور می شود. هنگامی که سوخت هسته ای مدت خود را به پایان رساند، در معرض دفع است. لازم به ذکر است که زباله های خطرناک نه تنها پس از پردازش سوخت، بلکه در هر مرحله - از استخراج اورانیوم تا کار در یک رآکتور - ظاهر می شوند.

سوخت هسته ای

سوخت دو نوع است. اولین مورد اورانیوم است که به ترتیب در معادن با منشاء طبیعی استخراج می شود. حاوی مواد خامی است که قادر به تشکیل پلوتونیوم هستند. دوم سوختی است که به طور مصنوعی ایجاد می شود (ثانویه).

سوخت هسته ای نیز بر اساس ترکیب شیمیایی آن تقسیم می شود: فلزی، اکسیدی، کاربید، نیترید و مخلوط.

استخراج اورانیوم و تولید سوخت

سهم بزرگی از تولید اورانیوم را تنها چند کشور تشکیل می دهند: روسیه، فرانسه، استرالیا، ایالات متحده آمریکا، کانادا و آفریقای جنوبی.

اورانیوم عنصر اصلی سوخت در نیروگاه های هسته ای است. برای ورود به راکتور، چندین مرحله پردازش را طی می کند. اغلب ذخایر اورانیوم در کنار طلا و مس قرار دارند، بنابراین استخراج آن با استخراج فلزات گرانبها انجام می شود.

در معدن، سلامت مردم در معرض خطر بزرگی قرار دارد، زیرا اورانیوم یک ماده سمی است و گازهایی که در حین استخراج آن آزاد می شود، باعث ایجاد انواع سرطان می شود. اگرچه خود سنگ معدن حاوی مقدار بسیار کمی اورانیوم است - از 0.1 تا 1 درصد. جمعیتی که در نزدیکی معادن اورانیوم زندگی می کنند نیز در معرض خطر بزرگی هستند.

اورانیوم غنی شده سوخت اصلی نیروگاه های هسته ای است، اما پس از استفاده از آن باقی می ماند مقدار زیادیزباله رادیواکتیو. غنی‌سازی اورانیوم علیرغم تمام خطراتی که دارد، فرآیندی جدایی ناپذیر از تولید سوخت هسته‌ای است.

اورانیوم در شکل طبیعی خود عملاً در هر مکانی غیرممکن است. برای استفاده از آن باید غنی شود. برای غنی سازی از سانتریفیوژهای گازی استفاده می شود.

اورانیوم غنی شده نه تنها در انرژی هسته ای، بلکه در تولید تسلیحات نیز استفاده می شود.

حمل و نقل

در هر مرحله از چرخه سوخت حمل و نقل وجود دارد. توسط همه انجام می شود راه های قابل دسترسج: زمینی، دریایی، هوایی. این یک خطر بزرگ و یک خطر بزرگ نه تنها برای محیط زیست، بلکه برای انسان است.

در حین حمل و نقل سوخت هسته ای یا عناصر آن، حوادث زیادی رخ می دهد که منجر به انتشار عناصر رادیواکتیو می شود. این یکی از دلایل متعددی است که چرا آن را ناامن می دانند.

از کار انداختن راکتورها

هیچ یک از رآکتورها برچیده نشده است. حتی چرنوبیل بدنام، مسئله این است که، به گفته کارشناسان، هزینه برچیدن با قیمت ساخت یک راکتور جدید برابر یا حتی بیشتر از آن است. اما هیچ کس نمی تواند با اطمینان بگوید چقدر پول مورد نیاز است: هزینه بر اساس تجربه برچیدن ایستگاه های کوچک برای تحقیق محاسبه شد. کارشناسان دو گزینه را پیشنهاد می کنند:

1. راکتورها و سوخت هسته ای مصرف شده را در محل دفن قرار دهید.
2. بر روی راکتورهای از کار افتاده تابوت بسازید.

در ده سال آینده، حدود 350 راکتور در سراسر جهان از کار خواهند افتاد و باید از رده خارج شوند. اما از آنجایی که مناسب ترین روش از نظر ایمنی و قیمت ابداع نشده است، این موضوع همچنان در حال رفع است.

در حال حاضر 436 رآکتور در سراسر جهان فعال هستند. البته این کمک بزرگی به سیستم انرژی است، اما بسیار ناامن است. مطالعات نشان می دهد که طی 15 تا 20 سال آینده، نیروگاه های هسته ای می توانند با ایستگاه هایی که با انرژی باد و پنل های خورشیدی کار می کنند، جایگزین شوند.

زباله هسته ای

حجم عظیمی از زباله های هسته ای در نتیجه نیروگاه های هسته ای تولید می شود. بازفرآوری سوخت هسته‌ای زباله‌های خطرناکی نیز به همراه دارد. با این حال، هیچ یک از کشورها راه حلی برای این مشکل پیدا نکردند.

امروزه زباله های هسته ای در انبارهای موقت، در حوضچه های آب و یا در زیر زمین دفن می شوند.

ایمن ترین راه ذخیره سازی در انبارهای ویژه است، اما نشت تشعشع در اینجا نیز مانند سایر روش ها امکان پذیر است.

در واقع، زباله های هسته ای دارای ارزشی هستند، اما نیاز به رعایت دقیق قوانین ذخیره سازی آن دارند. و این مهم ترین مشکل است.

یک عامل مهم مدت زمانی است که در طی آن زباله خطرناک است. هرکدام زمان پوسیدگی خاص خود را دارند که در طی آن سمی هستند.

انواع زباله های هسته ای

در حین کار هر نیروگاه هسته ای، زباله های آن وارد محیط زیست می شود. این آب برای خنک کردن توربین ها و زباله های گازی است.

زباله های هسته ای به سه دسته تقسیم می شوند:

1. سطح پایین - لباس کارکنان NPP، تجهیزات آزمایشگاهی. چنین زباله هایی می توانند از موسسات پزشکی، آزمایشگاه های علمی نیز بیایند. آنها خطر بزرگی ایجاد نمی کنند، اما نیاز به رعایت اقدامات امنیتی دارند.
2. سطح متوسط ​​- ظروف فلزی که در آن سوخت حمل می شود. سطح تشعشع آنها بسیار بالا است و کسانی که به آنها نزدیک هستند باید محافظت شوند.
3. سطح بالا - این سوخت هسته ای مصرف شده و محصولات پردازش آن است. سطح رادیواکتیویته به سرعت در حال کاهش است. زباله های سطح بالا بسیار کمی وجود دارد، حدود 3 درصد، اما حاوی 95 درصد از کل رادیواکتیویته است.

چرخه حیات سوخت هسته‌ای مبتنی بر اورانیوم یا پلوتونیوم در شرکت‌های معدنی، کارخانه‌های شیمیایی، در سانتریفیوژهای گازی آغاز می‌شود و در لحظه تخلیه مجموعه سوخت از راکتور به پایان نمی‌رسد، زیرا هر مجموعه سوخت راهی طولانی برای طی کردن دارد. دفع و سپس پردازش مجدد

استخراج مواد خام برای سوخت هسته ای

اورانیوم سنگین ترین فلز روی زمین است. حدود 99.4 درصد اورانیوم زمین اورانیوم 238 و تنها 0.6 درصد اورانیوم 235 است. گزارش آژانس بین‌المللی انرژی اتمی به نام «کتاب قرمز» حاوی داده‌هایی درباره رشد تولید و تقاضا برای اورانیوم، علی‌رغم حادثه نیروگاه هسته‌ای فوکوشیما-1 است که بسیاری را به فکر چشم‌انداز انرژی هسته‌ای انداخت. تنها در چند سال گذشته، ذخایر اورانیوم اکتشافی 7 درصد افزایش یافته است که با کشف ذخایر جدید مرتبط است. قزاقستان، کانادا و استرالیا با تولید 63 درصد اورانیوم جهان بزرگترین تولیدکنندگان باقی مانده اند. علاوه بر این، ذخایر فلزی در استرالیا، برزیل، چین، مالاوی، روسیه، نیجر، ایالات متحده آمریکا، اوکراین، چین و سایر کشورها وجود دارد. پیش از این پروندرا نوشته بود که در سال 2016، 7.9 هزار تن اورانیوم در فدراسیون روسیه استخراج شده است.

امروزه اورانیوم به سه روش مختلف استخراج می شود. روش باز ارتباط خود را از دست نمی دهد. در مواردی که رسوبات نزدیک به سطح زمین هستند استفاده می شود. در روش روباز، بولدوزرها یک معدن معدن ایجاد می کنند، سپس سنگ معدن با ناخالصی ها برای حمل و نقل به مجتمع های فرآوری در کامیون های کمپرسی بارگیری می شود.

غالباً بدنه سنگ در اعماق زیاد قرار دارد که در این صورت از روش استخراج زیرزمینی استفاده می شود. یک معدن تا عمق دو کیلومتری می شکافد، سنگ، با حفاری، در رانش های افقی استخراج می شود و در آسانسورهای باربری به سمت بالا منتقل می شود.

مخلوطی که به این ترتیب به بالا کشیده می شود، دارای اجزای زیادی است. سنگ باید خرد شود، با آب رقیق شود و اضافی آن حذف شود. سپس، اسید سولفوریک به مخلوط اضافه می شود تا فرآیند لیچینگ انجام شود. در طی این واکنش، شیمیدان ها رسوب زرد رنگ نمک اورانیوم را دریافت می کنند. در نهایت، اورانیوم با ناخالصی در پالایشگاه تصفیه می شود. تنها پس از این، اکسید اورانیوم به دست می آید که در بورس معامله می شود.

راه بسیار ایمن‌تر، سازگار با محیط‌زیست و مقرون‌به‌صرفه‌تر وجود دارد که به آن شستشو در محل گمانه (SIL) می‌گویند.

با این روش توسعه میدانی، قلمرو برای پرسنل امن باقی می ماند و پس زمینه تشعشع با پس زمینه شهرهای بزرگ مطابقت دارد. برای استخراج اورانیوم از طریق لیچینگ، باید 6 سوراخ در گوشه های شش ضلعی ایجاد کنید. اسید سولفوریک از طریق این چاه ها به ذخایر اورانیوم پمپ می شود و با نمک های آن مخلوط می شود. این محلول استخراج می شود، یعنی از طریق چاهی در مرکز شش ضلعی خارج می شود. برای دستیابی به غلظت مطلوب نمک های اورانیوم، مخلوط چندین بار از ستون های جذب عبور داده می شود.

تولید سوخت هسته ای

تولید سوخت هسته ای بدون سانتریفیوژهای گازی که برای تولید اورانیوم غنی شده استفاده می شود غیرقابل تصور است. پس از رسیدن به غلظت لازم، به اصطلاح قرص ها را از دی اکسید اورانیوم پرس می کنند. آنها با استفاده از روان کننده هایی ایجاد می شوند که در طی پخت در کوره ها حذف می شوند. دمای پخت به 1000 درجه می رسد. پس از آن، تبلت ها از نظر مطابقت با الزامات ذکر شده بررسی می شوند. کیفیت سطح، میزان رطوبت، نسبت اکسیژن و ماده اورانیوم.

همزمان پوسته های لوله ای برای المان های سوختی در کارگاه دیگری در حال آماده سازی است. فرآیندهای فوق شامل دوز و بسته بندی بعدی قرص ها در لوله های پوسته ای، آب بندی، آلودگی زدایی، ساخت سوخت نامیده می شود. در روسیه، ایجاد مجموعه های سوخت (FA) توسط شرکت های "کارخانه ماشین سازی" در منطقه مسکو، "کارخانه کنسانتره های شیمیایی نووسیبیرسک" در نووسیبیرسک، "کارخانه پلی فلزات مسکو" و دیگران انجام می شود.

هر دسته از مجموعه های سوخت برای نوع خاصی از راکتور ایجاد می شود. مجموعه های سوخت اروپایی به شکل مربع و روسی - با بخش شش ضلعی ساخته شده است. در فدراسیون روسیه، راکتورهای انواع VVER-440 و VVER-1000 به طور گسترده استفاده می شود. اولین عناصر سوخت برای VVER-440 در سال 1963 و برای VVER-1000 - در سال 1978 آغاز شد. علیرغم این واقعیت که راکتورهای جدید با فناوری های ایمنی پس از فوکوشیما به طور فعال در روسیه معرفی می شوند، بسیاری از تأسیسات هسته ای قدیمی در سراسر کشور و خارج از کشور فعال هستند، بنابراین مجموعه های سوخت برای انواع متفاوتراکتورها

به عنوان مثال، برای تهیه مجموعه های سوخت برای یک منطقه فعال راکتور RBMK-1000، بیش از 200 هزار جزء ساخته شده از آلیاژهای زیرکونیوم و همچنین 14 میلیون گلوله متخلخل دی اکسید اورانیوم مورد نیاز است. گاهی اوقات هزینه ساخت یک مجموعه سوخت می تواند از هزینه سوخت موجود در سلول ها بیشتر شود، به همین دلیل است که اطمینان از بازگشت انرژی بالا از هر کیلوگرم اورانیوم بسیار مهم است.

هزینه ها برای فرآیندهای تولید V %

به طور جداگانه، باید در مورد مجموعه های سوخت برای راکتورهای تحقیقاتی گفت. آنها به گونه ای طراحی شده اند که مشاهده و مطالعه فرآیند تولید نوترون را تا حد امکان راحت کنند. چنین میله های سوختی برای آزمایش در زمینه های فیزیک هسته ای، تولید ایزوتوپ ها، پزشکی پرتو در روسیه توسط کارخانه کنسانتره شیمیایی نووسیبیرسک تولید می شود. TVS بر اساس عناصر بدون درز با اورانیوم و آلومینیوم ایجاد می شود.

تولید سوخت هسته ای در فدراسیون روسیه توسط شرکت سوخت TVEL (بخشی از Rosatom) انجام می شود. این شرکت در حال کار بر روی غنی سازی مواد خام، مونتاژ عناصر سوخت، و همچنین ارائه خدمات مجوز سوخت است. "کارخانه مکانیکی کووروف" در منطقه ولادیمیر و "کارخانه سانتریفیوژهای گاز اورال" در منطقه Sverdlovskایجاد تجهیزات برای مجموعه های سوخت روسیه.

ویژگی های حمل و نقل میله های سوخت

اورانیوم طبیعی با سطح کم رادیواکتیویته مشخص می شود، با این حال، قبل از تولید مجموعه های سوخت، فلز تحت یک فرآیند غنی سازی قرار می گیرد. محتوای اورانیوم 235 در سنگ معدن طبیعی بیش از 0.7٪ نیست و رادیواکتیویته آن 25 بکرل در هر میلی گرم اورانیوم است.

گلوله های اورانیوم قرار داده شده در مجموعه های سوخت حاوی اورانیوم با غلظت اورانیوم 235 5 درصد است. مجموعه های سوخت تمام شده با سوخت هسته ای به صورت ویژه حمل می شوند ظروف فلزیاستحکام بالا برای حمل و نقل از حمل و نقل ریلی، جاده ای، دریایی و حتی هوایی استفاده می شود. هر ظرف شامل دو مجموعه است. حمل و نقل سوخت پرتوده نشده (تازه) خطر تشعشع را ایجاد نمی کند، زیرا تابش از لوله های زیرکونیومی که گلوله های اورانیوم فشرده در آن قرار می گیرند فراتر نمی رود.

یک مسیر ویژه برای یک دسته سوخت ایجاد شده است، محموله با همراهی پرسنل امنیتی سازنده یا مشتری (اغلب) حمل می شود که در درجه اول به دلیل هزینه بالای تجهیزات است. در کل تاریخ تولید سوخت هسته ای، حتی یک حادثه حمل و نقل شامل مجموعه های سوخت ثبت نشده است که بر پس زمینه تشعشعات تأثیر بگذارد. محیطیا منجر به قربانیان شد.

سوخت در هسته راکتور

یک واحد سوخت هسته ای - TVEL - قادر است مقدار زیادی انرژی را برای مدت طولانی آزاد کند. نه زغال سنگ و نه گاز نمی توانند با چنین حجم هایی مقایسه شوند. چرخه عمر سوخت در هر نیروگاه هسته ای با تخلیه، حذف و ذخیره سوخت تازه در انبار مونتاژ سوخت آغاز می شود. هنگامی که دسته قبلی سوخت در راکتور می سوزد، پرسنل مجموعه های سوخت را برای بارگیری در هسته (منطقه کاری راکتور، جایی که واکنش پوسیدگی انجام می شود) تکمیل می کنند. به عنوان یک قاعده، سوخت تا حدی دوباره بارگیری می شود.

سوخت تنها در زمان شروع اولین راکتور به طور کامل وارد هسته می شود. این به دلیل این واقعیت است که عناصر سوخت در راکتور به طور نابرابر می سوزند، زیرا شار نوترون در مناطق مختلف راکتور با شدت متفاوت است. به لطف دستگاه های حسابداری، کارکنان جایگاه توانایی نظارت بر میزان سوختن هر واحد سوخت را به صورت بلادرنگ و تعویض آن دارند. گاهی اوقات به جای بارگیری مجموعه های سوخت جدید، مجموعه ها بین خودشان جابه جا می شوند. در مرکز منطقه فعال، فرسودگی شغلی شدیدترین اتفاق می افتد.

TVS بعد از نیروگاه هسته ای

اورانیومی که در یک رآکتور هسته‌ای کار می‌کند، تابیده شده یا سوخته نامیده می‌شود. و چنین مجموعه های سوخت - سوخت هسته ای مصرف شده. SNF جدا از زباله های رادیواکتیو قرار می گیرد، زیرا دارای حداقل 2 جزء مفید است - اورانیوم نسوخته (فرسودگی فلزات هرگز به 100٪ نمی رسد) و رادیونوکلئیدهای ترانس اورانیوم.

که در اخیرافیزیکدانان شروع به استفاده از ایزوتوپ های رادیواکتیو انباشته شده در SNF در صنعت و پزشکی کردند. پس از اینکه سوخت کارزار خود را انجام داد (زمان صرف شده توسط مجموعه در هسته راکتور تحت شرایط کارکرد با توان نامی)، به مخزن سوخت مصرف شده ارسال می شود، سپس مستقیماً در محفظه راکتور ذخیره می شود و پس از آن - برای پردازش یا دفع استخر خنک کننده برای حذف گرما و محافظت در برابر تشعشعات یونیزان طراحی شده است، زیرا مجموعه های سوخت پس از خارج شدن از راکتور خطرناک باقی می مانند.

در ایالات متحده، کانادا یا سوئد، SNF برای پردازش مجدد ارسال نمی شود. کشورهای دیگر از جمله روسیه روی چرخه سوخت بسته کار می کنند. این اجازه می دهد تا به طور قابل توجهی هزینه تولید سوخت هسته ای را کاهش دهید، زیرا بخشی از SNF مجددا استفاده می شود.

میله های سوخت در اسید حل می شوند و پس از آن محققان پلوتونیوم و اورانیوم استفاده نشده را از زباله جدا می کنند. حدود 3 درصد از مواد خام قابل استفاده مجدد نیستند؛ این ضایعات سطح بالایی هستند که تحت فرآیندهای قیری یا شیشه ای شدن قرار می گیرند.

از سوخت هسته ای مصرف شده می توان 1 درصد پلوتونیوم را به دست آورد. این فلز نیازی به غنی سازی ندارد، روسیه از آن در فرآیند تولید سوخت نوآورانه MOX استفاده می کند. چرخه بسته سوخت این امکان را فراهم می کند که یک مجموعه سوخت حدود 3 درصد ارزان شود، اما این فناوری نیاز به سرمایه گذاری های کلان در ساخت واحدهای صنعتی دارد، بنابراین هنوز در جهان فراگیر نشده است. با این وجود، شرکت سوخت Rosatom تحقیقات در این راستا را متوقف نمی کند. پروندرا اخیراً نوشت که در فدراسیون روسیهروی سوختی کار می‌کنند که قادر به استفاده از ایزوتوپ‌های آمریکیوم، کوریم و نپتونیوم در هسته راکتور است، که در 3 درصد زباله‌های بسیار پرتوزا قرار دارند.

تولیدکنندگان سوخت هسته ای: رتبه بندی

1. تا همین اواخر، شرکت فرانسوی آروا 31 درصد از بازار جهانی را برای مجموعه های سوخت تامین می کرد. این شرکت در زمینه تولید سوخت هسته ای و مونتاژ قطعات برای نیروگاه های هسته ای فعالیت می کند. در سال 2017، آروا ارتقاء کیفی را تجربه کرد، سرمایه گذاران جدید به شرکت آمدند و زیان عظیم سال 2015 3 برابر کاهش یافت.
2. Westinghouse بخش آمریکایی شرکت ژاپنی توشیبا است. این شرکت فعالانه بازار را در اروپای شرقی توسعه می دهد، مجموعه های سوخت را برای نیروگاه های اوکراینی تامین می کند. این شرکت به همراه توشیبا 26 درصد از بازار جهانی را برای تولید سوخت هسته ای تامین می کند.
3. شرکت سوخت TVEL از شرکت دولتی Rosatom (روسیه) در جایگاه سوم قرار دارد. TVEL 17 درصد از بازار جهانی را تامین می کند، دارای یک سبد قرارداد ده ساله به ارزش 30 میلیارد دلار است و سوخت بیش از 70 راکتور را تامین می کند. TVEL مجموعه های سوخت را برای راکتورهای VVER توسعه می دهد و همچنین برای تاسیسات هسته ای با طراحی غربی وارد بازار می شود.
4. ژاپن Nuclear Fuel Limited، طبق آخرین داده ها، 16٪ از بازار جهانی را تامین می کند، مجموعه های سوخت را برای اکثر راکتورهای هسته ای در خود ژاپن تامین می کند.
5. صنایع سنگین میتسوبیشی یک غول ژاپنی است که توربین، تانکر، تهویه مطبوع و اخیراً سوخت هسته ای را برای راکتورهای سبک غربی تولید می کند. صنایع سنگین میتسوبیشی (بخشی از شرکت مادر) در ساخت راکتورهای هسته ای APWR مشغول است، فعالیت های تحقیقاتیهمراه با آروا این شرکت است که توسط دولت ژاپن برای توسعه راکتورهای جدید انتخاب شد.

یک ماشین مدرن می تواند با بنزین 72 اکتان کار کند - اما یک سواری غم انگیز و کند خواهد بود. یک نیروگاه هسته ای همچنین می تواند با سوخت توسعه یافته 50 سال پیش کار کند - اما این یک عملیات بی سود خواهد بود، راکتور قادر نخواهد بود فرصت های جدیدی را که طراحان در آن تعیین کرده اند، درک کند. از زمان ایجاد اولین نیروگاه هسته‌ای، دانشمندان هسته‌ای به طور مداوم در این کار بوده‌اند کار پر زحمتبهبود کیفیت سوخت هسته ای، افزایش مزایا انرژی هسته ای.

همه ما دیده ایم و عادت کرده ایم که نیروگاه های هسته ای چگونه به نظر می رسند - ساختارهای غول پیکری که می توانند و باید به عنوان یکی از نمادها در نظر گرفته شوند. مرحله مدرنتوسعه تمدن بشری توربین های عظیمی که روتور چرخان آن نیروی فوق العاده ای ایجاد می کند برق، پمپ های قدرتمندی که آب را تحت فشار بالا از طریق هسته راکتور هدایت می کنند، مخازن بادوام راکتور، پوسته های هرمتیک اضافی که می توانند در برابر زلزله و سقوط هواپیما روی آنها مقاومت کنند. خطوط لوله مدارهای اولیه و ثانویه، برج های غول پیکر برج های خنک کننده که در آنها آب مدار ثانویه خنک می شود - اینجا همه چیز بزرگ است، گاهی اوقات عظیم. اما قلب هر رآکتور هسته ای بسیار کوچک است، زیرا واکنش شکافت هسته ای کنترل شده در گلوله های سوخت بسیار کوچک حاوی اورانیوم غنی شده در ایزوتوپ 235 انجام می شود. در اینجا، در قرص های کوچک، مهمترین چیز اتفاق می افتد - انتشار مقدار زیادی گرما، که برای استفاده مفید از آن هر چیزی که در نیروگاه های هسته ای می بینیم ایجاد می شود. این همه است، بزرگ و زیبا، پیچیده، نیاز به تلاش های عظیم در تولید و بهره برداری از تجهیزات - فقط یک "خدمتکار" گلوله های سوخت.

انرژی هسته ای بدون فرمول

صحبت در مورد سوخت هسته ای یک نیروگاه هسته ای نسبتاً دشوار است - در موارد عادی، توصیف به فرمول های ریاضی چند سطحی، فیزیک اتمی و سایر مکانیک های کوانتومی نیاز دارد. بیایید سعی کنیم بدون همه اینها عمل کنیم تا بفهمیم چگونه دانشمندان هسته ای ما اورانیوم را رام کردند و آن را به منبع قابل اعتمادی از انرژی بسیار مورد نیاز برای ما تبدیل کردند. انرژی الکتریکی. به نظر ما منطق و عقل سلیم ساده دنیوی برای این کار کافی خواهد بود و نقطه شروعتبدیل به توصیف مدرسه ای از یک واکنش زنجیره ای شکافت خواهد شد. یاد آوردن؟

"یک نوترون به هسته اورانیوم برخورد می کند، دو نوترون را به طور همزمان از آن خارج می کند، آنها اکنون به چند هسته پرواز می کنند و همزمان چهار نوترون را از بین می برند..."

واکنش زنجیره ای هسته ای

از نظر ریاضی، با ضریب ضرب نوترون دو، یک واکنش زنجیره ای کنترل شده غیرممکن است. تعداد نوترون‌های آزاد و فعالیت‌های فروپاشی هسته‌های اورانیوم چنان بهمن‌مانند در حال افزایش است که تنها یک نتیجه می‌تواند داشته باشد - انفجار اتمی. برای اینکه واکنش به آرامی پیش برود، به طوری که بتوان آن را کنترل و تنظیم کرد، باید به ضریب ضرب 1.02 دست یافت - صد نوترون آزاد "ابتدایی" باید باعث ظهور 102 نوترون آزاد "نسل دوم" شود. ، همه بقیه باید حذف شوند، جذب شوند، خنثی شوند - این روند را هر چه دوست دارید صدا کنید، اما باید اتفاق بیفتد. این مقدار آستانه از نظر تئوری محاسبه شد، که برای آن یک "متشکرم" بزرگ جداگانه از دانشمندان ما. آنها دریافتند که محتوای طبیعی ایزوتوپ 235 برای اینکه ضریب ضرب از یک تجاوز کند کافی نیست. به عبارت دیگر، اگر می‌خواهیم واکنش شکافت ادامه یابد، باید یاد بگیریم که چگونه محتوای این ایزوتوپ را به 3-4 درصد افزایش دهیم، یعنی 5-6 برابر بیشتر از آنچه مادر طبیعت در اختیار ما قرار می‌دهد. نظریه پردازان محاسبه کردند، اما مهندسان عملی بقیه کار را انجام دادند و راه هایی را برای استفاده از موادی که نوترون های اضافی را در هسته راکتور جذب می کنند، اختراع کردند، "خنثی کننده های نوترونی" را اختراع کردند.

شیمی زندگی است

چگونه اورانیوم از نظر محتوای ایزوتوپ 235 غنی می شود، مجله آنلاین تحلیلی Geoenergy.ruقبلاً گفته شد - ابتدا اورانیوم باید به گاز تبدیل شود ، به فلورید اورانیوم تبدیل شود ، سپس با کمک سانتریفیوژهای گاز ، اتم های سنگین باید "خارج شوند" ، به همین دلیل تعداد اتم های سبک افزایش می یابد (هسته اصلی ایزوتوپ اورانیوم حاوی 238 پروتون و نوترون است، چنین اتمی سه واحد اتمی بیشتر از یک اتم اورانیوم 235 وزن دارد. عالی - فلوراید در اورانیوم 235 غنی تر شده است، همه چیز مرتب است. و سپس - چه و چگونه؟ مسیر سوخت هسته ای به راکتورهای نیروگاه هسته ای در دستان دلسوز شیمیدانانی آغاز می شود که عملکرد فوق العاده ای دارند کار مهم- آنها گاز را به جامد تبدیل می کنند و به گازی تبدیل می کنند که توسط دانشمندان هسته ای "سفارش" شده است. انرژی هسته‌ای از این جهت شگفت‌انگیز است که فقط به فیزیک اتمی محدود نمی‌شود، ده‌ها رشته علمی به طور همزمان در اینجا استفاده می‌شوند. Rosatomهمیشه جایی برای شیمیدانان، دانشمندان مواد، متالورژیست ها و بسیاری از متخصصان دیگر وجود دارد.

و فیزیکدانان دی اکسید اورانیوم را به شیمیدانان سفارش می دهند - پودری از مولکول ها که شامل یک اتم اورانیوم و دو اتم اکسیژن است. چرا او؟ بله، بسیاری از خواص این مولکول ها به طرز دردناکی خوب هستند. نقطه ذوب دی اکسید اورانیوم 2840 درجه است، ذوب کردن آن بسیار دشوار است؛ در تاریخ انرژی هسته ای، تنها سه حادثه همراه با ذوب سوخت هسته ای رخ داده است. دی اکسید اورانیوم بسیار مستعد به اصطلاح تورم گاز نیست - یک پدیده جالب، اما برای انرژی هسته ای مضر است. اتفاقی که در هسته راکتور رخ می دهد این است که رویای کیمیاگران قرون وسطی به حقیقت پیوسته است. عناصر شیمیاییبه دیگرانی که کاملاً با آنها متفاوت هستند. یک نوترون آزاد که به هسته اورانیوم 235 برخورد می کند نه تنها نوترون های آزاد اضافی را از آن خارج می کند بلکه باعث می شود خود هسته به قسمت های مختلف تقسیم شود. اینکه چگونه شکافت دقیقاً رخ می دهد، چه هسته های جدیدی در این مورد تشکیل می شود، یک موضوع شانسی است، اما آمار نشان می دهد که در میان سایر قطعات شکافت، گازهایی نیز وجود دارد. آنها در داخل گلوله سوخت انباشته می شوند و همانطور که باید برای گازها رفتار می کنند - آنها سعی می کنند تا حد ممکن حجم را به خود اختصاص دهند ، آنها سعی می کنند به معنای واقعی کلمه گلوله سوخت را تکه تکه کنند. موافقم، هیچ چیز مفیدی در این نیست - ما به یک گلوله سوخت کامل و سالم نیاز داریم تا بتواند تا زمانی که ممکن است در منطقه فعال بماند تا تمام انرژی موجود در هسته اتم های اورانیوم را به ما منتقل کند. بنابراین فقط هاردکور، فقط دی اکسید اورانیوم - به شما امکان می دهد از دماهای بالاتر استفاده کنید، که کارایی یک نیروگاه هسته ای را افزایش می دهد، به شما امکان می دهد سوخت سوخت را افزایش دهید.

"سوختن سوخت هسته ای" یک اصطلاح کاملا علمی و فنی است، اما برای درک چیستی آن، بالاترین تربیت بدنیلازم نیست. سوختن سوخت کسری از هسته های اورانیوم است که در مواجهه با نوترون ها دچار دگرگونی هسته ای می شوند. به عنوان درصد بیان می شود، هر چه این درصد بیشتر باشد، تعداد هسته های اورانیوم بیشتری را می توانستیم برای اهداف مورد نیاز خود استفاده کنیم، زیرا گرمای مصرفی برای تولید برق را از آنها دریافت می کردیم. بنابراین مصرف سوخت یکی از پارامترهای اصلی اقتصادی نیروگاه های هسته ای است. اگر 100 کیلوگرم اورانیوم 235 را در هسته قرار دهیم و در پایان کارزار سوخت 99 کیلوگرم از آن را استخراج کنیم، قیمت چنین طراحی هسته، راکتور و نیروگاه هسته ای بی ارزش است. اما اگر معلوم شد که هیچ اورانیوم 235 در گلوله سوخت اورانیوم 235 که از هسته استخراج شده است باقی نمانده است، پس طراحان عالی هستند و زمان آن فرا رسیده است که هر یک از آنها را فوری تحویل دهند. جایزه نوبل، بهتر - دو.

در واقع، عمق فرسودگی 100٪ در اصل دست نیافتنی است، اما این بدان معنا نیست که آنها برای آن نمی جنگند - نبردها برای هر درصد جدی هستند. هر چه عمق سوختن بیشتر باشد، هزینه برق حاصله کمتر می شود و هیچ کس رقابت با صنعت انرژی مبتنی بر احتراق هیدروکربن ها را لغو نکرده است. علاوه بر این، هر چه قرص طولانی‌تر می‌سوزد، راکتور کمتر به شارژ مجدد سوخت نیاز دارد. طراحی VVER (راکتور قدرت خنک‌شده با آب) به گونه‌ای است که تغییر سوخت زمانی اتفاق می‌افتد که راکتور کاملاً خاموش و خنک شود - به این ترتیب ایمن‌تر است. هر چه این خاموشی ها کمتر باشد، ضریب استفاده از ظرفیت نصب شده بالاتر است، ICU - دومین شاخص اقتصادی مهم نیروگاه های هسته ای. در گذرنامه فنی جاروبرقی شما، قدرت آن نوشته شده است - فرض کنید 1200 W * h. اما اگر جاروبرقی دقیقاً یک ساعت کار کند، 1200 وات دریافت خواهید کرد، در حالت نیم ساعت کار - نیم ساعت "چیزی کمر شما را گرفت" فقط 600 وات دریافت خواهید کرد، یا به عبارت دیگر. ، ضریب قدرت جاروبرقی تنها 50 درصد خواهد بود. همانطور که در مورد سوخت سوزی سوخت، هدف گرامی 100٪ است و دوباره هر درصد مهم است، زیرا اقتصاد یک راکتور هسته ای باید از اقتصاد یک نیروگاه حرارتی و حتی اقتصاد یک نیروگاه برق آبی سودآورتر باشد.

به نظر می رسد - چگونه می توان نتایج اقتصادی سودآورتری نسبت به یک نیروگاه برق آبی نشان داد که به هیچ وجه به سوخت نیاز ندارد و فقط از انرژی آب در حال سقوط استفاده می شود؟ بله، بسیار ساده است - آب در 24 ساعت شبانه روز، 365 روز در سال روی واحدهای برق آبی نمی افتد، برای این کار به مقدار کاملاً مشخصی آب در مخزن نیاز دارید. تا زمانی که به این حجم برسد، نیروگاه برق آبی "استراحت" خواهد کرد و نیروگاه هسته ای که از چنین مکث هایی چیزی نمی داند، زمان خواهد داشت تا به رقیب خود برسد. در اینجا خلاصه ای کوتاه آورده شده است - کارایی، عمق سوختن، ضریب ظرفیت هر نیروگاه هسته ای به شدت به گلوله سوخت و مواد آن بستگی دارد. شیمیدانی که گاز فلوراید اورانیوم را به پودر دی اکسید اورانیوم تبدیل می کند، به یاد داشته باشید - آینده انرژی هسته ای به مهارت شما بستگی دارد!

قرص سوخت - گام به گام

توضیح به زبان سادهشما می توانید کارهای زیادی انجام دهید، اما انجام چنین تمرینی برای توصیف کار شیمیدانان از کلمه "به طور کلی" غیرممکن است، بنابراین آماده باشید. گاز فلوراید اورانیوم ابتدا از محلول آبی عبور داده می شود و اورانیل فلوراید به دست می آید که با آمونیاک و پسماند اسیدی کربنیک اسید مخلوط می شود. در نتیجه، کربنات اورانیل آمونیوم به دست می آید که رسوب می کند - در نظر بگیرید که نیمی از کار قبلاً انجام شده است، حداقل چیزی جامد داریم، نه گازی. سوسپانسیون از فیلتر عبور داده می شود، شسته می شود و به کوره بستر سیال فرستاده می شود، در آنجا به دلیل دمای بالا، تمام ناخالصی های غیر ضروری تجزیه می شود، باقیمانده خشک آن پودر تری اکسید اورانیوم است (برای 1 اتم اورانیوم در این مولکول سه اکسیژن وجود دارد. اتم ها). همه چیز، حالا تقریباً مال ماست!

سایت برای تولید پودر دی اکسید اورانیوم به روش هیدرولیز حرارتی بالا

دما دوباره بالا است - 500 درجه، اما با عبور هیدروژن، که یک اتم اکسیژن اضافی به خود می گیرد، و شیمیدان ها با آرامش به یک استراحت ناهار می روند و به فیزیکدانان اجازه می دهد تا دی اکسید اورانیومی را که آرزوی آن را داشتند مصرف کنند. با این حال، آنها زود خوشحال می شوند - بلافاصله به دستان دراز کشیده خود سیلی می زنند... متالورژیست ها، زیرا گلوله های سوخت توسط متالورژی پودر تولید می شوند. پودر حاصل از کار شیمیدان ها خرد می شود، الک می شود و پودر ریز به دست می آید - آنها به حالت تقریبا گرد و غبار خرد می شوند. پس از افزودن چسب ها و روان کننده ها، قرص ها دوباره فشرده و بازپخت می شوند تا ناخالصی های ناخواسته از بین بروند. پس از آن، دما به 1750 درجه افزایش می یابد، قرص ها متراکم تر، سنگین تر می شوند - اکنون می توان آنها را با روش های مکانیکی پردازش کرد. ماشین سنگ زنی استوانه ای برای بدست آوردن ابعاد مورد نیاز وارد بازی می شود - همین.

سایت تولید گلوله اورانیوم

نه، خوب، نه کاملاً "همه چیز"، زیرا بلافاصله پس از آن، بازرسان برای بررسی ابعاد هندسی، کیفیت سطح، محتوای رطوبت، نسبت اتم های اکسیژن و اورانیوم به مغازه می آیند. لطفاً توجه داشته باشید که بررسی نسبت اتم های اورانیوم-235 و اورانیوم-238 الزامی نیست - مهم نیست که شیمیدان ها چه دستکاری هایی انجام می دهند، اقدامات آنها بر ترکیب هسته های اتمی تأثیر نمی گذارد. نتیجه همه این کارها گلوله های سوختی با وزن تنها 4.5 گرم است، اما این کوچولوهای کوچک به اندازه 400 کیلوگرم زغال سنگ، 360 متر مکعب انرژی دارند. گاز طبیعییا 350 کیلوگرم روغن.

تولید و کنترل فنی گلوله های سوخت سرامیکی هسته ای

نامگذاری قرص های تولید شده در شرکت های هسته ای روسیه که بخشی از آن هستند شرکت سوخت تی وی ال- بیش از 40 نوع، اندازه های مختلف، درجات مختلف غنی سازی در اورانیوم 235. اما یک چیز بدون تغییر باقی می ماند - انرژی هسته ای همچنان از دی اکسید اورانیوم به عنوان سوخت استفاده می کند که به خودی خود یکی از موانع گسترش رادیواکتیویته است. در دمای عملیاتی، این ماده 98٪ از محصولات پوسیدگی را در داخل نگه می دارد و بار آب بندی را به حداقل می رساند. برای اینکه سوخت عملکردهای "موانع" خود را انجام دهد، مهم است که تعامل سوخت با مایع خنک کننده حداقل باشد - در غیر این صورت محصولات تجزیه رادیواکتیو فرصتی برای فرار به جو پیدا می کنند. محیط خارجیبا تمام عواقب ناخوشایند بعدی.

میله سوخت فقط یک "لوله بلند" نیست

خوب، قرص ها ساخته شده اند، بعدی چیست؟ ایده یک راکتور هسته ای ساده است - خنک کننده باید تمام گرمای آزاد شده در نتیجه واکنش های هسته ای را "حذف" کند. بیش از یک بار حذف کنید، این حذف باید در کل جلسه سوخت رخ دهد - زمانی که سوخت در هسته راکتور است. در راکتورهای VVER این کار با عبور آب از هسته تحت فشار بالا انجام می شود. گلوله های سوخت را مانند کوفته ها در آب جوش به داخل هسته می اندازیم؟ این یک گزینه نیست، بسیار معقول تر است که از موقعیت ثابت گلوله های سوخت اطمینان حاصل شود، که در امتداد آن جریانی از آب تحت فشار عبور می کند و سوخت تشکیل شده در طی واکنش های هسته ای را از بین می برد. انرژی حرارتی. در نتیجه، نوعی "تثبیت کننده" مورد نیاز است که برای اطمینان از محل ثابت سوخت طراحی شده است - به یک لوله با دیواره نازک توخالی تبدیل شد که در داخل آن گلوله های سوخت قرار دارد - یک عنصر سوخت، یک عنصر سوخت.

عناصر سوخت (عناصر سوخت)، عکس: wikimedia.org

چرا دیوار نازک؟ برای اینکه گرمای تولید شده در گلوله های سوخت تقریباً بدون مانع توسط آب "حذف" شود، یعنی اولین نیاز برای مواد دیواره های میله سوخت بالاترین هدایت حرارتی ممکن است. گرفت - داد، گرفت - داد. شرط دوم نیز کاملاً واضح است - قسمت بیرونی دیواره های میله سوخت دائماً در آب است، بنابراین مواد آن نباید از خوردگی بترسد. شرط سوم نیز واضح است - این ماده باید در برابر رادیواکتیویته بالا مقاومت کند و در عین حال به فرآیندهای اصلی هسته ای آسیب نرساند. این باید تا حد امکان نوترون های کمتری را جذب کند تا واکنش هسته ای را قطع نکند تا مجبور به تولید اورانیوم با درجه غنی سازی بالاتر در ایزوتوپ 235 نشود. قطر لوله و همچنین قطر گلوله های سوخت باید تا حد امکان کوچک باشد - در غیر این صورت گرمایی که در بخش های مرکزی ایجاد می شود به مایع خنک کننده نمی رسد. در اینجا مجموعه ای از الزامات است که چنین چیز "ساده" مانند دیوار نازک یک عنصر سوخت باید برآورده شود.

در مرحله شکل گیری انرژی هسته ای، فولاد ضد زنگ به چنین ماده ای تبدیل شد، اما این مدت طولانی دوام نیاورد - معلوم شد که فولاد بیش از حد نوترون های آزاد می گیرد، چیزی کمتر حریصانه مورد نیاز است. در این زمان، دانشمندان هسته‌ای سخت کار کرده بودند و فلزی با حداقل سطح مقطع جذب نوترون پیدا کردند - زیرکونیوم. در این صورت کلمه «قسمت» جایگزین کلمه «احتمال» می شود. احتمال اینکه یک نوترون عبوری در شبکه های خود توسط هسته اتم زیرکونیوم اسیر شود حداقل است، در حالی که زیرکونیوم دارای ضریب انتقال حرارت عالی است، با آب برهمکنش نمی کند، فقط در دماهای بالاتر از 1855 درجه ذوب می شود. ضریب انبساط حرارتی بسیار پایینی دارد - به جای اینکه به منظور "تورم" در هنگام گرم شدن، به سادگی گرما را به محیط خارجی "ریزش" می کند. موافقم - فقط یک ماده ایده آل برای انرژی هسته ای است، اگر بتوانید تولید آن را با خلوص شیمیایی کامل به دست آورید، زیرا هر ناخالصی در تلاش است تا به طور فعال نوترون های آزاد را "خورد".

فروشگاه تولید میله سوخت و مونتاژ سوخت

به محض اینکه متالورژی ها اعلام کردند که یاد گرفته اند با این کار کنار بیایند، صنعت انرژی هسته ای به زیرکونیوم روی آورد. تنها شرکت در روسیه و یکی از سه شرکت در جهان که دارای چرخه کامل تولید زیرکونیوم و آلیاژهای آن است، کارخانه مکانیکی Chepetsk (Glazov، Udmurtia) است که بخشی از شرکت سوخت TVEL است. از سال 1986، ChMP به ساخت بدنه‌های میله‌های سوخت از آلیاژ E-110 روی آورد - یک درصد نیوبیم به زیرکونیوم اضافه می‌شود و این افزوده کوچک به طور قابل‌توجهی مقاومت به خوردگی مواد را افزایش می‌دهد. خواص مکانیکی آلیاژ E-365 که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرد، که علاوه بر زیرکونیوم و نیوبیم، حاوی آهن و قلع است، حتی بهتر است. هر مرحله در تولید میله های سوخت بسیار مهم است، وجود این عناصر به شما امکان می دهد با روش های دیگر اتصال بهتر با جوشکاری کنار بیایید. مواد مختلف. میله های سوخت تولید شده در روسیه با تمام الزامات آژانس بین المللی انرژی اتمی مطابقت دارند، ویژگی های عملیاتی عالی را نشان می دهند و افزایش شاخص های اقتصادی انرژی هسته ای را ممکن می سازند.

آنچه ممکن است به نظر "جزئیات مکانیکی ساده" باشد، البته اینطور نیست.

میله سوخت در بخش، شکل: heuristic.su

اینجا توضیح کوتاهمیله سوخت با محتویات داخل. طول - 3.8 متر، قطر بیرونی - 9.1 میلی متر. داخل - قرص دی اکسید اورانیوم با قطر خارجی 7.57 میلی متر و ارتفاع 20 میلی متر، در مرکز هر قرص سوراخی به قطر 1.2 میلی متر وجود دارد. گلوله با دیواره های میله سوخت تماس نمی گیرد، شکاف و سوراخ داخل گلوله ها به گونه ای طراحی شده است که میله سوخت بتواند گازهای رادیواکتیو تشکیل شده در طی فرآیند تجزیه هسته ای را در داخل نگه دارد. گلوله ها در داخل میله سوخت با بوشینگ ثابت می شوند؛ طول کل ستون گلوله 3.53 متر است؛ در طول جلسه سوخت، طول 30 میلی متر افزایش می یابد. بله، همه چیز در میلی متر و حتی در کسر آنها اندازه گیری می شود - بالاخره انرژی هسته ای با کوچکترین ذرات ماده سروکار دارد.

در اینجا یک تبلت با قطر کمتر از 8 میلی متر است - به نظر می رسد، چه چیزی می تواند در آن جالب باشد؟ اما در طول واکنش های هسته ای، درجه حرارت در قسمت مرکزی قرص به 1500-1600 درجه می رسد و در سطح بیرونی - فقط 470. اختلاف هزار درجه در فاصله 3-4 میلی متر، یک فلز تبدیل شدن به یک گاز - معجزات درون یک قرص کوچک چنین است.

از میله سوخت گرفته تا TVS

قرص ها ساخته شدند، آنها در میله سوخت قرار گرفتند - این همه؟ البته نه - لوله، همراه با سوخت، تنها 2.1 کیلوگرم وزن دارد، چنین جرم اورانیوم کار طولانیکافی نخواهد بود. مرحله بعدی در تشکیل سوخت هسته ای، تشکیل مجموعه های سوخت، مجموعه های سوخت است. برای راکتور VVER-1000 که تا کنون رایج ترین در روسیه بوده است، 312 میله سوخت در یک مجموعه سوخت مونتاژ می شوند، شکاف هایی بین آنها برای ورود میله های سیستم کنترل و حفاظت پر از جاذب نوترون موثر مانند بور باقی می ماند. در پایین مجموعه سوخت به اصطلاح ساقه قرار دارد - محلی که میله های سوخت به آن متصل می شوند.

ساخت قاب - جوش کانال ها و شبکه های اسپیسر

در قسمت بالایی، میله های سوخت از طریق یک بلوک فنر به سر متصل می شوند - از شناور شدن میله های سوخت در طول کار راکتور محافظت می کند. بله اورانیوم عنصر سنگین، زیرکونیوم را نیز نمی توان آسان نامید، اما لازم به یادآوری است که میزان جریان اسمی آب از طریق مجموعه های سوخت 500 متر مکعب در ساعت است، آب در امتداد میله های سوخت با سرعت 200 کیلومتر در ساعت در جهت از مسیر حرکت می کند. از پایین به بالا - چنین جریانی هر چیزی را به سمت بالا شناور می کند. میله‌های سوخت با استفاده از شبکه‌های فاصله‌دهنده از یکدیگر جدا می‌شوند که این لوله‌ها را در مکان‌های منظم خود نگه می‌دارند و کارآمدترین حذف گرما را فراهم می‌کنند. از 12 تا 15 شبکه فاصله بر روی مجموعه های سوخت با طرح های مختلف وجود دارد، تنها این تعداد به آب اجازه می دهد تا کار حذف گرمای مفید را انجام دهد.

کانال ها و اسپیسرها، کنترل کیفیت

و با این وجود، حتی این نیز به طور کامل از مشکل خم شدن میله های سوخت و مجموعه های سوخت نجات نمی یابد. مجموعه های ما نمی توانند بارهای محوری مکانیکی را تحمل کنند - طول تقریباً چهار متر با ضخامت پوسته 0.65 میلی متر، جریان قدرتمند آب، دمای بالا کار خود را انجام دادند. در سال 1993 کاملاً مشخص شد که باید کاری برای رفع این مشکل انجام شود تا راه هایی برای خلاص شدن از آن پیدا شود. میناتوم درخواست مربوطه را از آژانس بین المللی انرژی اتمی ارائه کرد - اوضاع با این مشکل چگونه پیش می رود کشورهای غربی. IATE یک نظرسنجی مناسب با سازمان های عامل انجام داد و هیچ احساسی پیدا نکرد - دانشمندان هسته ای غربی نیز این مشکل را دارند، آنها همچنین به دنبال راه هایی برای مقابله با آن هستند.

اکنون، ببخشید، اما یک بار دیگر باید به اسطوره اصلی اقتصاد لیبرال دست بزنیم - در مورد اثربخشی یک مالک خصوصی در مقایسه با بخش عمومی دست و پا چلفتی و اینرسی اقتصاد. تعداد قابل توجهی از مالکان خصوصی نیروگاه های هسته ای در غرب و به ویژه در ایالات متحده آمریکا وجود دارد، اما آنها نتوانستند مشکل را حل کنند. Minatom مطابق سنت های Minsredmash عمل کرد - حل مشکل را همزمان به دو دفتر طراحی سپرد تا در نتیجه مبارزه دو نفر پروژه های خوبپیروزی نصیب بهترین ها شد شرکت کنندگان در رقابت سرمایه داری Podolsk OKB (دفتر طراحی آزمایشی) "Gidropress" و نیژنی نووگورود OKBM (OKB Mashinostroeniya) به نام بودند. آفریکانتوا. هر دو دفتر طراحی در حال حاضر بخشی از هلدینگ ماشین سازی آتومنارگومش هستند، اما این حداقل از شدت رقابت نمی کاهد.

رقابت موتور پیشرفت است

نیژنی نووگورود طراحی TVS را توسعه داد که مخفف TVSA را دریافت کرد، با پیشرفت توسعه، تغییرات TVSA-12، TVSA-PLUS، TVSA-T یکی پس از دیگری ظاهر شد. ویژگی اصلی آن این است که برای افزایش استحکام سازه، گوشه ها به شبکه های فاصله دهنده جوش داده شده است، اما Gidropress این مفهوم را نپذیرفت - مقدار اضافی زیرکونیوم، که گوشه ها از آن ساخته شده اند، در هسته، به گفته کارشناسان، می تواند بر ویژگی های نوترونی مناطق هسته ای راکتور تأثیر منفی بگذارد. اصلاحات با نام اختصاری UTVS (TVS بهبود یافته) ایجاد شده در Gidropress از جوشکاری سخت شبکه‌های فاصله‌گیر و کانال‌های راهنما استفاده نمی‌کند؛ Kudankulam. با این حال، این درست نیست که بگوییم این توسعه فقط توسط کارمندان دفتر طراحی Gidropress، موسسه Kurchatov، موسسه فیزیکی انرژی Obninsk، کارخانه کنسانتره شیمیایی نووسیبیرسک، موسسه تحقیقاتی به نام انجام شده است. بوچوار. اما نتیجه مهم است - آزمایش آزمایشی در NPP روستوف نتایج عالی را نشان داد، مشتریان خارجی از افزایش قابلیت اطمینان UTV ها بسیار خوشحال بودند.

مونتاژ تیر

تماشای جزئیات جدال بین دو دفتر طراحی منظره جذابی است، اما جزئیات فنی زیادی وجود دارد که نیاز به تلاش دارد. مترجمان حرفه ای. توری های عریض و باریک، گریتینگ های پراکنده، توربولاتورها و منحرف کننده ها، گریتینگ ها با کانال های مورب، تشدید کننده های انتقال حرارت، سرعت بارگذاری کاست ها در هسته، ترکیب با عملکرد ماشین های سوخت گیری، اصطلاحات هیدرودینامیک و ترمومکانیک - این واقعاً یک کاملاً است. زبان جداگانه ... برای انرژی هسته ای، نتیجه به دست آمده توسط هر دو دفتر طراحی که اختلاف علمی و خلاقانه آنها تا به امروز ادامه دارد مهم است. بهبودها و اصلاحات استفاده از سوخت با غنای بالاتر در محتوای اورانیوم 235 را امکان پذیر می کند - این شاخص برای VVER-1000 از 3.77٪ به 4.95٪ افزایش یافته است. به نظر می رسد که این تفاوت کاملاً ناچیز است، اما در نتیجه، مصرف سوخت از 40 مگاوات در روز به ازای هر کیلوگرم اورانیوم به 58 مگاوات در کیلوگرم، تقریبا 50 درصد افزایش یافت. اما این نتیجه در حال حاضر بسیار قابل توجه است، به شما امکان می دهد در شرایط مساوی با انرژی هیدروکربنی با هزینه برق تولید شده رقابت کنید، چشم انداز توسعه انرژی هسته ای را بیشتر و بیشتر تشویق می کند. یکی از دستاوردها - افزایش قدرت راکتورهای VVER موجود به میزان 4-7٪ بدون تغییر در طراحی آنها دقیقاً مبتنی بر بهینه سازی سوخت هسته ای و مجموعه های سوخت است. مزیت رقابتیدر بازار بین المللی

TVS تمام شد

البته، UTVS به نوعی "نهایی" برای بهبود مجموعه های سوخت تبدیل نشد. سود اصلی UHF در مقایسه با سوخت نسل قبلی با انتقال از فولاد ضد زنگ به زیرکونیوم به آلیاژ E-110 ایجاد شد. توسعه دهندگان توانستند استحکام ساختار را بدون استفاده از گوشه ها افزایش دهند - آنها فاصله ها را تقویت کردند و شروع به استفاده از جوش نقطه ای برای افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل در حین کار کردند. آنها موفق شدند طول ستون سوخت را افزایش دهند - اکنون اورانیوم بیشتری در هسته راکتور قرار می گیرد، جلسات سوخت طولانی تر شده است، سوخت گیری سوخت می تواند کمتر انجام شود، که به معنای افزایش ضریب ظرفیت است.

سوخت جدید برای ایران

از ابتدای سال 2014، یک روند مذاکره بین آنها آغاز شده است TVELو مشتری ایرانی با نمایندگی سازمان انرژی اتمی ایران (AEOI)و شرکت های تولید و توسعه انرژی اتمی ایران (NPPD)در مورد انتقال نیروگاه بوشهر به مجموعه های سوخت جدید - TVS-2M. برای اطمینان از روند مذاکره TVEL"مطالعه امکان سنجی برای معرفی TVS-2M در نیروگاه بوشهر" را توسعه داد که در آن اطلاعات کاملی برای تجزیه و تحلیل و تصمیم گیری در مورد چنین انتقالی به مشتری ارائه شد. اکثر بهترین راهبرای متقاعد کردن مشتری بالقوه، بازاریابی مزاحم نیست؛ در صنعت انرژی هسته ای، این رویکرد تقریباً هرگز نتیجه ای به همراه ندارد. شرکت سوخت روسیه به سادگی تجزیه و تحلیل نتایج معرفی TVS-2M در VVER-1000s روسی و در NPP تیانوان در چین - راکتورهایی از همان نوع راکتورهایی که به عنوان بخشی از واحد نیرو در بوشهر کار می کنند را گرد هم آورد. NPP. در چین، دو واحد اول NPP تیانوان در TVS-2M در چرخه سوخت 18 ماهه کار می کنند. و دانشمندان هسته ای ایران توانستند اطمینان حاصل کنند که عمق سوختن سوخت، مدت زمان کمپین های سوخت افزایش یافته و راندمان سوخت افزایش یافته است.

پس از تجزیه و تحلیل نتایج و بررسی آنها در محل، مشتریان ایرانی یک حرکت متقابل انجام دادند - آنها فهرستی از کارهای شرکت های روسی را تهیه کردند که برای اطمینان از صدور مجوز سوخت جدید در مقامات نظارتی هسته ای ضروری است. کار بیشتر در حال حاضر مشترک بود - متخصصان ما و ایرانی با هم لیستی از ارتقاءهای لازم برای تجهیزات واحد نیرو در NPP بوشهر را تهیه کردند که باید تکمیل شود تا راکتور TVS-2M را در هسته بپذیرد. در واقع، عملکرد VVER-1000 ما بر روی سوخت جدید چنین نتایجی را نشان داد که انتقال کامل به TVS-2M به سادگی اجتناب ناپذیر شد - سوزاندن سوخت 20٪ افزایش یافت و جزء سوخت هزینه تولید برق کاهش یافت. تقریبا 9 درصد

نتیجه مذاکره با مشتری ایرانی کاملا طبیعی است. فروردین امسال TVELامضا شده با AEOIو NPPDموافقتنامه الحاقی به قرارداد فعلی تامین سوخت نیروگاه بوشهر - از سال 2020 TVELتحویل TVS-2M به ایران را آغاز خواهد کرد. بدون عجله، بدون هیاهو - فقط پروژه‌های هسته‌ای ما و ایران که ما از آن حمایت می‌کنیم، به طور مداوم توسعه می‌یابند و برق مصرف‌کنندگان را در حجم مورد نیازشان تامین می‌کنند. مشتریان هند و چین در این مورد چه فکری می کنند، احتمالاً در آینده نزدیک خواهیم فهمید. ارتفاع نشانگرهای اقتصادیواحدهای نیرو از طریق استفاده از سوخت جدید بدون تغییر قابل توجهی در مجموعه تجهیزات به قدری نشان دهنده است که اطمینان وجود دارد که بازتاب طولانی نخواهد بود. فقط باید مراقب باشیم پیشرفتهای بعدیرویدادها و دوباره تبریک TVEL، OKB "Gidropress" و کل تیم توسعه با این واقعیت که سوخت جدید آنها اکنون به رسمیت شناخته شده است.

البته، داستان امروز در مورد توسعه سوخت هسته ای هنوز کامل نشده است - تغییرات دائماً در این بخش در حال رخ دادن است. سوخت برای VVER-1200 توسعه یافته است، طراحی آزمایشی سوخت برای انواع دیگر راکتورها در حال انجام است، TVELبه همراه شرکای فرانسوی به تولید سوخت برای راکتورهای طراحی شده غربی ادامه می دهد. TVELسوخت TVS-Kvadrat به طور مستقل توسعه یافته است که در نیروگاه هسته ای سوئد Ringhals آزمایش می شود و برای بازار آمریکا مجوز دارد. شرکت ها TVELتولید سوخت برای BN-800، یک دسته آزمایشی از سوخت REMIX تولید شده است، توسعه سوخت نیترید برای یک راکتور امیدوار کننده با سرب خنک شده در حال تکمیل است - Rosatomو فکر نمی‌کند که بتواند از پس آن برآید.

سوخت هسته ای "قلب" انرژی هسته ای است، نظارت بر نحوه ایجاد انواع جدید آن، نتایجی که هنگام استفاده از آنها به دست می دهند، مفید است، زیرا به شما امکان می دهد هزینه های تولید برق در نیروگاه های هسته ای و در نیروگاه های حرارتی علاوه بر این، این بار ما به نتایجی که توسعه دهندگان انواع جدید سوخت در OKBM می توانند از آن مباهات کنند، اشاره نکردیم. Afrikantova - و ایده های آنها نیز بسیار فعال استفاده می شود Rosatom. در یک کلام، بعید است داستان امروز در مورد سوخت اتمی تنها باقی بماند.

عکس: zaochnik.ru، kak-eto-sdelano.livejournal.com

در تماس با

سوخت هسته ای ماده ای است که در راکتورهای هسته ای برای انجام یک واکنش زنجیره ای کنترل شده استفاده می شود. این بسیار انرژی بر و برای انسان ناایمن است، که تعدادی محدودیت را برای استفاده از آن اعمال می کند. امروز خواهیم فهمید که سوخت رآکتور هسته ای چیست، چگونه طبقه بندی و تولید می شود، کجا استفاده می شود.

سیر واکنش زنجیره ای

در طی یک واکنش زنجیره ای هسته ای، هسته به دو قسمت تقسیم می شود که به آن قطعات شکافت می گویند. در همان زمان، چندین نوترون (2-3) آزاد می شود که متعاقباً باعث شکافت هسته های زیر می شود. این فرآیند زمانی اتفاق می افتد که یک نوترون وارد هسته ماده اصلی می شود. قطعات شکافت انرژی جنبشی بالایی دارند. کاهش سرعت آنها در ماده با انتشار مقدار زیادی گرما همراه است.

قطعات شکافت، همراه با محصولات فروپاشی آنها، محصولات شکافت نامیده می شوند. هسته هایی که با نوترون های هر انرژی شکافت می شوند سوخت هسته ای نامیده می شوند. به عنوان یک قاعده، آنها موادی با تعداد فرد اتم هستند. برخی از هسته‌ها صرفاً توسط نوترون‌هایی که انرژی آن‌ها بالاتر از یک آستانه خاص است، شکافت می‌شوند. اینها عمدتاً عناصری با تعداد زوج اتم هستند. چنین هسته هایی مواد خام نامیده می شوند، زیرا در لحظه جذب نوترون توسط هسته آستانه، هسته های سوختی تشکیل می شوند. بنابراین ترکیب سوخت و مواد خام را سوخت هسته ای می نامند.

طبقه بندی

سوخت هسته ای به دو دسته تقسیم می شود:

1. اورانیوم طبیعی این شامل هسته های شکافت پذیر اورانیوم-235 و ماده خام اورانیوم-238 است که قادر به تشکیل پلوتونیوم-239 در هنگام گرفتن نوترون است.
2. سوخت ثانویه در طبیعت یافت نمی شود. از جمله شامل پلوتونیوم 239 است که از سوخت نوع اول به دست می آید و همچنین اورانیوم 233 که در هنگام گرفتن نوترون ها توسط هسته های توریم 232 تشکیل می شود.

از دیدگاه ترکیب شیمیایی، انواع مختلفی از سوخت هسته ای وجود دارد:

1. فلز (از جمله آلیاژها)؛
2. اکسید (به عنوان مثال، UO 2)؛
3. کاربید (به عنوان مثال PuC 1-x)؛
4. مخلوط
5. نیترید.

TVEL و TVS

سوخت راکتورهای هسته ای به شکل گلوله های کوچک استفاده می شود. آنها در عناصر سوخت مهر و موم شده (TEL) قرار می گیرند که به نوبه خود در چندین صد مجموعه سوخت (FA) ترکیب می شوند. سوخت هسته‌ای برای سازگاری با روکش میله‌های سوخت نیازمند الزامات بالایی است. باید دمای ذوب و تبخیر کافی، رسانایی حرارتی خوب داشته باشد و حجم آن تحت تابش نوترون افزایش زیادی نداشته باشد. قابلیت ساخت تولید نیز در نظر گرفته شده است.

کاربرد

برای نیروگاه های هسته ای و غیره تاسیسات هسته ایسوخت به شکل مجموعه های سوخت عرضه می شود. آنها را می توان هم در حین کار (به جای مجموعه های سوخت سوخته) و هم در طول عملیات تعمیر در راکتور بارگذاری کرد. در مورد دوم، مجموعه های سوخت در گروه های بزرگ تغییر می کنند. در این حالت فقط یک سوم سوخت به طور کامل تعویض می شود. بیشتر مجموعه های سوخته از قسمت مرکزی راکتور تخلیه می شوند و مجموعه های نیمه سوخته که قبلاً در مناطق کمتر فعال قرار داشتند در جای خود قرار می گیرند. در نتیجه، مجموعه های سوخت جدید به جای دومی نصب می شوند. این طرح بازآرایی ساده سنتی در نظر گرفته می شود و دارای تعدادی مزیت است که اصلی ترین آنها اطمینان از آزادسازی یکنواخت انرژی است. البته، این یک طرح مشروط است که فقط ایده های کلی در مورد فرآیند ارائه می دهد.

گزیده

پس از حذف سوخت هسته ای مصرف شده از هسته راکتور، به استخر سوخت مصرف شده ارسال می شود که معمولاً در نزدیکی آن قرار دارد. واقعیت این است که مجموعه های سوخت مصرف شده حاوی مقادیر زیادی از قطعات شکافت اورانیوم هستند. پس از تخلیه از راکتور، هر عنصر سوخت حاوی حدود 300 هزار کوری مواد رادیواکتیو است که 100 کیلووات ساعت انرژی آزاد می کند. به دلیل آن، سوخت خود گرم می شود و به شدت رادیواکتیو می شود.

دمای سوخت اخیراً تخلیه شده می تواند به 300 درجه سانتیگراد برسد. بنابراین، به مدت 3-4 سال در زیر یک لایه آب که دمای آن در محدوده تعیین شده حفظ می شود، نگهداری می شود. همانطور که سوخت در زیر آب ذخیره می شود، رادیواکتیویته سوخت و قدرت انتشار باقیمانده آن کاهش می یابد. تقریباً سه سال بعد، خود گرمایش مجموعه های سوخت در حال حاضر به 50-60 درجه سانتیگراد می رسد. سپس سوخت از استخرها خارج می شود و برای پردازش یا دفع ارسال می شود.

اورانیوم فلزی

اورانیوم فلزی به ندرت به عنوان سوخت برای راکتورهای هسته ای استفاده می شود. هنگامی که یک ماده به دمای 660 درجه سانتیگراد می رسد، یک انتقال فاز رخ می دهد که با تغییر در ساختار آن همراه است. به بیان ساده، حجم اورانیوم افزایش می یابد که می تواند منجر به تخریب عنصر سوخت شود. در صورت تابش طولانی مدت در دمای 200-500 درجه سانتیگراد، ماده تحت رشد تابش قرار می گیرد. ماهیت این پدیده افزایش طول میله اورانیوم تابیده شده به میزان 2-3 برابر است.

استفاده از اورانیوم فلزی در دمای بالای 500 درجه سانتیگراد به دلیل تورم آن دشوار است. پس از شکافت هسته، دو قطعه تشکیل می شود که حجم کل آنها بیشتر از حجم همان هسته است. بخشی از قطعات شکافت توسط اتم های گاز (زنون، کریپتون و غیره) نشان داده می شود. گاز در منافذ اورانیوم انباشته می شود و فشار داخلی ایجاد می کند که با افزایش دما افزایش می یابد. به دلیل افزایش حجم اتم ها و افزایش فشار گاز، سوخت هسته ای شروع به متورم شدن می کند. بنابراین، این به تغییر نسبی حجم مرتبط با شکافت هسته ای اشاره دارد.

نیروی تورم بستگی به دمای میله های سوخت و سوختن دارد. با افزایش سوخت، تعداد قطعات شکافت افزایش می یابد و با افزایش دما و سوختن، فشار داخلی گازها افزایش می یابد. اگر سوخت خواص مکانیکی بالاتری داشته باشد، کمتر مستعد تورم است. اورانیوم فلزی یکی از این مواد نیست. بنابراین، استفاده از آن به عنوان سوخت برای راکتورهای هسته ای، عمق سوختن را که یکی از ویژگی های اصلی چنین سوختی است، محدود می کند.

خواص مکانیکی اورانیوم و مقاومت در برابر تشعشع آن با دوپینگ مواد بهبود می یابد. این فرآیند شامل افزودن آلومینیوم، مولیبدن و سایر فلزات به آن است. به لطف ناخالصی ها، تعداد نوترون های شکافت مورد نیاز در هر جذب کاهش می یابد. بنابراین برای این منظور از موادی استفاده می شود که نوترون ها را ضعیف جذب می کنند.

ترکیبات نسوز

برخی از ترکیبات نسوز اورانیوم به عنوان سوخت هسته ای خوب در نظر گرفته می شوند: کاربیدها، اکسیدها و ترکیبات بین فلزی. رایج ترین آنها دی اکسید اورانیوم (سرامیک) است. نقطه ذوب آن 2800 درجه سانتی گراد و چگالی آن 10.2 گرم بر سانتی متر مکعب است.

از آنجایی که این ماده انتقال فاز ندارد، نسبت به آلیاژهای اورانیوم کمتر مستعد تورم است. به لطف این ویژگی می توان دمای فرسودگی را تا چند درصد افزایش داد. در دماهای بالا، سرامیک ها با نیوبیم، زیرکونیوم، فولاد ضد زنگ و سایر مواد برهم کنش ندارند. او نقطه ضعف اصلیدر رسانایی حرارتی کم - 4.5 کیلوژول (m * K) قرار دارد که قدرت ویژه راکتور را محدود می کند. علاوه بر این، سرامیک های داغ مستعد ترک خوردن هستند.

پلوتونیوم

پلوتونیوم یک فلز کم ذوب در نظر گرفته می شود. در دمای 640 درجه سانتیگراد ذوب می شود. به دلیل خواص ضعیف پلاستیکی، عملاً قابل ماشینکاری نیست. سمی بودن این ماده تکنولوژی ساخت میله سوخت را پیچیده می کند. در صنعت هسته ای بارها تلاش هایی برای استفاده از پلوتونیوم و ترکیبات آن صورت گرفته است اما موفقیت آمیز نبوده است. استفاده از سوخت برای نیروگاه های هسته ای حاوی پلوتونیوم به دلیل کاهش تقریباً 2 برابری دوره شتاب که برای سیستم های کنترل راکتور استاندارد طراحی نشده است، غیرعملی است.

برای ساخت سوخت هسته ای، به عنوان یک قاعده، از دی اکسید پلوتونیوم، آلیاژهای پلوتونیوم با مواد معدنی و مخلوطی از کاربیدهای پلوتونیوم با کاربیدهای اورانیوم استفاده می شود. سوخت های پراکندگی، که در آن ذرات ترکیبات اورانیوم و پلوتونیوم در یک زمینه فلزی از مولیبدن، آلومینیوم، فولاد ضد زنگ و سایر فلزات قرار می گیرند، دارای خواص مکانیکی و هدایت حرارتی بالایی هستند. مقاومت تشعشعی و هدایت حرارتی سوخت پراکندگی به ماده ماتریس بستگی دارد. به عنوان مثال، در اولین نیروگاه هسته ای، سوخت پراکندگی شامل ذرات آلیاژ اورانیوم با 9 درصد مولیبدن بود که با مولیبدن پر شده بود.

در مورد سوخت توریم، در حال حاضر به دلیل مشکلات در تولید و پردازش میله های سوخت استفاده نمی شود.

معدن

حجم قابل توجهی از مواد خام اصلی برای سوخت هسته ای - اورانیوم - در چندین کشور متمرکز شده است: روسیه، ایالات متحده آمریکا، فرانسه، کانادا و آفریقای جنوبی. ذخایر آن معمولاً در نزدیکی طلا و مس یافت می شود، بنابراین همه این مواد به طور همزمان استخراج می شوند.

سلامت افرادی که در معدن کار می کنند به شدت در خطر است. واقعیت این است که اورانیوم یک ماده سمی است و گازهای آزاد شده در حین استخراج آن می تواند باعث سرطان شود. و این در حالی است که سنگ معدن حاوی بیش از 1٪ از این ماده نیست.

اعلام وصول

تولید سوخت هسته ای از سنگ معدن اورانیوم شامل مراحل زیر است:

1. فرآوری هیدرومتالورژی. شامل شستشو، خرد کردن و استخراج یا استخراج جذب می شود. نتیجه پردازش هیدرومتالورژیکی سوسپانسیون خالص اکسید اکسیورانیوم، دیورانات سدیم یا دیورانات آمونیوم است.
2. تبدیل یک ماده از اکسید به تترا فلوراید یا هگزا فلوراید که برای غنی سازی اورانیوم 235 استفاده می شود.
3. غنی سازی یک ماده با سانتریفیوژ یا انتشار حرارتی گازی.
4. تبدیل مواد غنی شده به دی اکسید، که از آن "قرص" میله های سوخت تولید می شود.

بازسازی

در طول کار یک راکتور هسته ای، سوخت نمی تواند به طور کامل بسوزد، بنابراین ایزوتوپ های آزاد تولید می شوند. در این راستا، میله های سوخت مصرف شده به منظور استفاده مجدد در معرض بازسازی هستند.

امروزه این مشکل با فرآیند Purex که شامل مراحل زیر است حل می شود:

1. بریدن میله های سوخت به دو قسمت و حل آنها در اسید نیتریک.
2. تصفیه محلول از محصولات شکافت و قطعات پوسته؛
3. جداسازی ترکیبات خالص اورانیوم و پلوتونیوم

پس از آن، دی اکسید پلوتونیوم حاصل برای تولید هسته های جدید و اورانیوم برای غنی سازی یا همچنین برای ساخت هسته ها استفاده می شود. بازفرآوری سوخت هسته ای یک فرآیند پیچیده و پرهزینه است. هزینه آن تاثیر قابل توجهی بر امکان سنجی اقتصادی استفاده از نیروگاه های هسته ای دارد. همین را می توان در مورد دفع زباله های سوخت هسته ای که برای بازسازی مناسب نیستند نیز گفت.

اصل عملکرد و دستگاه TNRD

در حال حاضر، 2 گزینه برای طراحی TNRD پیشنهاد شده است:

TNRD بر اساس یک راکتور همجوشی با محصور شدن پلاسمای مغناطیسی

در حالت اول، اصل کار و دستگاه TNRD به شرح زیر است: بخش اصلی موتور یک راکتور است که در آن یک واکنش همجوشی گرما هسته ای کنترل شده انجام می شود. راکتور یک "محفظه" توخالی به شکل استوانه ای است که از یک طرف باز است، به اصطلاح. تاسیسات همجوشی تله باز (همچنین بطری مغناطیسی یا کورکترون نامیده می شود). "محفظه" راکتور لزوماً (و حتی نامطلوب) نباید کاملاً مهر و موم شود، به احتمال زیاد این یک خرپا سبک از نظر ابعاد پایدار خواهد بود که سیم پیچ های سیستم مغناطیسی را حمل می کند. در حال حاضر، طرح به اصطلاح امیدوار کننده ترین در نظر گرفته می شود. "حصر دوقطبی" یا "آینه های مغناطیسی" (eng. آینه های پشت سر هم، اگرچه طرح های محصور کردن دیگری نیز امکان پذیر است: تله های دینامیکی گاز، حبس گریز از مرکز، میدان مغناطیسی معکوس (FRC). توسط برآوردهای مدرنطول "محفظه" واکنش از 100 تا 300 متر با قطر 1-3 متر خواهد بود. شرایطی در محفظه راکتور ایجاد می شود که برای شروع همجوشی حرارتی هسته ای اجزای جفت سوخت انتخابی کافی است (دماهای ترتیب صدها میلیون درجه، عوامل معیار لاوسون). سوخت حرارتی - پلاسمای پیش گرم شده از مخلوطی از اجزای سوخت - به محفظه راکتور وارد می شود، جایی که یک واکنش همجوشی ثابت انجام می شود. ژنراتورهای میدان مغناطیسی (کویل‌های مغناطیسی با یک طرح یا طرح دیگر) که هسته را احاطه کرده‌اند، میدان‌هایی با شدت بالا و پیکربندی پیچیده در محفظه راکتور ایجاد می‌کنند که پلاسمای حرارتی با دمای بالا را از تماس با ساختار راکتور محافظت می‌کند و فرآیندهای رخ‌داده در آن را تثبیت می‌کند. منطقه "سوزاندن" گرما هسته ای (مشعل پلاسما) در امتداد محور طولی راکتور تشکیل می شود. پلاسمای حاصل که توسط سیستم های کنترل مغناطیسی هدایت می شود، از طریق یک نازل از راکتور خارج می شود و نیروی رانش جت ایجاد می کند.

لازم به ذکر است که امکان عملکرد "چند حالته" TNRD وجود دارد. با تزریق یک ماده نسبتاً سرد به جت یک مشعل پلاسما، می توان نیروی رانش کل موتور را به شدت افزایش داد (به دلیل کاهش ضربه خاص)، که به کشتی با TNR اجازه می دهد تا به طور موثر در موتور مانور دهد. میدان‌های گرانشی اجرام آسمانی عظیم، مانند سیارات بزرگ، که در آن‌ها اغلب به یک نیروی رانش کل موتور نیاز است. بر اساس برآوردهای کلی، یک TNRD از چنین طرحی می تواند رانش را از چند کیلوگرم تا ده ها تن با یک ضربه خاص از 10000 ثانیه تا 4 میلیون ثانیه توسعه دهد. برای مقایسه، ضربه خاص پیشرفته ترین موتورهای موشک شیمیایی حدود 450 ثانیه است.

TNRD بر اساس سیستم های سنتز اینرسی (راکتور حرارتی پالس)

موتور نوع دوم یک موتور گرما هسته ای ضربه ای اینرسی است. در چنین راکتوری، یک واکنش حرارتی کنترل شده در حالت پالسی (کسری از میکروثانیه با فرکانس 1-10 هرتز)، با فشرده سازی دوره ای و گرم کردن ریزهدف های حاوی سوخت گرما هسته ای انجام می شود. در ابتدا قرار بود از یک موتور لیزری-گرمای هسته ای (LTYARD) استفاده شود. چنین LTYARD به ویژه برای یک کاوشگر خودکار بین ستاره ای در پروژه Daedalus پیشنهاد شد. بخش اصلی آن یک راکتور است که در حالت پالسی کار می کند. سوخت گرما هسته ای (به عنوان مثال، دوتریوم و تریتیوم) به شکل اهداف به محفظه راکتور کروی وارد می شود - ساختار پیچیده ای از کره ها از مخلوطی از اجزای سوخت منجمد در پوسته ای با قطر چند میلی متر. در قسمت بیرونی محفظه لیزرهای قدرتمندی - به ترتیب صدها تراوات - وجود دارد، پالس تابشی نانوثانیه ای که از طریق پنجره های شفاف نوری در دیواره های محفظه به هدف برخورد می کند. در همان زمان، دمای بیش از 100 میلیون درجه فوراً روی سطح هدف با فشار حدود یک میلیون اتمسفر ایجاد می شود - شرایط کافی برای شروع یک واکنش گرما هسته ای. یک ریزانفجار حرارتی با ظرفیت چند صد کیلوگرم TNT وجود دارد. فرکانس چنین انفجارهایی در محفظه در پروژه Daedalus حدود 250 در ثانیه است که نیاز به تحویل اهداف سوخت با سرعت بیش از 10 کیلومتر در ثانیه با استفاده از اسلحه EM دارد. پلاسمای در حال انبساط از قسمت باز محفظه راکتور از طریق یک نازل طراحی شده مناسب خارج می شود و نیروی رانش جت ایجاد می کند. اکنون از نظر تئوری و عملی ثابت شده است روش لیزریفشرده سازی/گرمایش ریزهدف ها یک بن بست است - از جمله اینکه ساخت لیزرهایی با چنین قدرتی با منبع کافی عملا غیرممکن است. بنابراین، در حال حاضر، برای سنتز اینرسی، نوع با فشرده‌سازی/گرمایش پرتو یونی ریزهدف‌ها به عنوان کارآمدتر، فشرده‌تر و با منبع بسیار طولانی‌تر در نظر گرفته می‌شود.

و با این وجود، عقیده ای وجود دارد که TNRD در اصل پالس اینرسی به دلیل قدرت های بسیار زیاد در گردش در آن بسیار دست و پا گیر است، با یک ضربه و رانش خاص بدتر از TNRD با احتباس مغناطیسی، که توسط پالس ایجاد می شود. نوع دوره ای عمل آن . از نظر ایدئولوژیک، موشک های انفجاری بر روی بارهای گرما هسته ای از نوع پروژه Orion بر اساس اصل پالس اینرسی به TNRD می پیوندند.

انواع واکنش و سوخت همجوشی

TJARD می تواند استفاده کند انواع مختلفواکنش های گرما هسته ای بسته به نوع سوخت مصرفی. به طور خاص، انواع واکنش های زیر اساساً در حال حاضر امکان پذیر است:

واکنش دوتریوم + تریتیوم (سوخت D-T)

2 H + 3 H = 4 He + n در خروجی انرژی 17.6 MeV

چنین واکنشی به راحتی از نظر اجرا می شود فن آوری های مدرن، بازده قابل توجهی از انرژی می دهد، اجزای سوخت نسبتا ارزان هستند. نقطه ضعف آن، بازده بسیار زیاد تشعشعات نوترونی ناخواسته (و بی فایده برای ایجاد مستقیم رانش) است که بیشتر قدرت واکنش را از بین می برد و راندمان موتور را به شدت کاهش می دهد. تریتیوم رادیواکتیو است، نیمه عمر آن حدود 12 سال است، یعنی ذخیره طولانی مدت آن غیرممکن است. در همان زمان، می توان راکتور دوتریوم-تریتیوم را با پوسته ای حاوی لیتیوم احاطه کرد: دومی که توسط یک شار نوترونی تابش می شود، به تریتیوم تبدیل می شود که چرخه سوخت را تا حدی بسته می کند، زیرا راکتور در کار می کند. حالت پرورش دهنده بنابراین، سوخت راکتور D-T در واقع دوتریوم و لیتیوم است.

واکنش دوتریوم + هلیوم-3

2 H + 3 He = 4 He + p. در خروجی انرژی 18.3 مگا ولت

شرایط برای دستیابی به آن بسیار پیچیده تر است. هلیوم-3 نیز یک ایزوتوپ کمیاب و بسیار گران قیمت است. که در مقیاس صنعتیدر حال حاضر تولید نمی شود اگرچه خروجی انرژی واکنش های D-Tدر بالا، واکنش D-3 He دارای مزایای زیر است:

کاهش شار نوترون، واکنش را می توان به عنوان "بدون نوترون" طبقه بندی کرد،

جرم محافظ تشعشع کمتر،

جرم کوچکتر سیم پیچ های مغناطیسی راکتور.

در واکنش D-3 He فقط حدود 5% از توان به صورت نوترون آزاد می شود (در مقابل 80% برای واکنش D-T) حدود 20% به صورت اشعه ایکس آزاد می شود. تمام بقیه انرژی را می توان مستقیماً برای ایجاد نیروی رانش جت استفاده کرد. بنابراین، واکنش D-3He برای استفاده در راکتور TNRD بسیار امیدوارکننده‌تر است.

انواع دیگر واکنش ها

واکنش بین هسته دوتریوم (D-D، تک پیشران) D + D -> 3 He + n در خروجی انرژی 3.3 MeV، و

D + D -> T + p + در خروجی انرژی 4 MeV. بازده نوترون در این واکنش بسیار قابل توجه است.

برخی از انواع دیگر واکنش ها نیز ممکن است:

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

در واکنش های فوق بازده نوترونی وجود ندارد.

انتخاب سوخت به عوامل زیادی بستگی دارد - در دسترس بودن و هزینه کم آن، بازده انرژی، سهولت دستیابی به شرایط مورد نیاز برای یک واکنش همجوشی گرما هسته ای (در درجه اول دما)، ویژگی های طراحی لازم راکتور و غیره. امیدوار کننده ترین برای اجرای TNRD به اصطلاح. واکنش‌های «بدون نوترون»، زیرا شار نوترونی ایجاد شده توسط همجوشی گرما هسته‌ای (مثلاً در واکنش دوتریوم-تریتیوم) بخش قابل‌توجهی از نیرو را از بین می‌برد و نمی‌توان از آن برای ایجاد نیروی رانش استفاده کرد. علاوه بر این، تشعشعات نوترونی باعث ایجاد رادیواکتیویته القایی در طراحی راکتور و کشتی می شود و خطری برای خدمه ایجاد می کند. واکنش دوتریوم-هلیوم-3، همچنین به دلیل عدم تولید نوترون، امیدوارکننده است. در حال حاضر، مفهوم دیگری از TNRD پیشنهاد شده است - استفاده از مقادیر کمی از پادماده به عنوان یک کاتالیزور برای یک واکنش گرما هسته ای.

تاریخچه، وضعیت فعلی و چشم انداز توسعه TNRD

ایده ایجاد یک TNRD تقریباً بلافاصله پس از اجرای اولین واکنش های گرما هسته ای (آزمایش بارهای هسته ای) ظاهر شد. یکی از اولین انتشارات در مورد توسعه TNRD مقاله ای بود که در سال 1958 توسط J. Ross منتشر شد. در حال حاضر، پیشرفت‌های نظری این نوع موتورها (به ویژه بر اساس همجوشی حرارتی هسته‌ای لیزری) و به طور کلی، تحقیقات عملی گسترده در زمینه همجوشی گرما هسته‌ای کنترل‌شده در حال انجام است. پیش نیازهای نظری و مهندسی محکمی برای اجرای این نوع موتور در آینده قابل پیش بینی وجود دارد. بر اساس ویژگی های محاسبه شده TNRE، چنین موتورهایی قادر خواهند بود از ایجاد حمل و نقل بین سیاره ای با سرعت بالا و کارآمد برای توسعه منظومه شمسی اطمینان حاصل کنند. با این حال، نمونه های واقعی TNRD هنوز در حال حاضر (2012) ایجاد نشده اند.

همچنین ببینید

پیوندها

• کیهان نوردی قرن بیست و یکم: موتورهای هسته ای // روزنامه "برای علم"، 2003
• New Scientist Space (2003/01/23): همجوشی هسته‌ای می‌تواند فضاپیمای ناسا را ​​تامین کند (انگلیسی)
• دایره المعارف فیزیکی، ج.4، مقاله «واکنش های حرارتی هسته ای»، در ص 102، مسکو، «دایره المعارف بزرگ روسیه»، 1994، 704 ص.