Nuklearna energija se sastoji od velika količina poduzeća za razne namjene. Sirovine za ovu industriju vade se iz rudnika urana. Zatim se isporučuje u pogone za proizvodnju goriva.

Gorivo se zatim transportira u nuklearne elektrane, gdje ulazi u jezgru reaktora. Kada nuklearno gorivo dođe do kraja svog korisnog vijeka, podliježe zbrinjavanju. Važno je napomenuti da se opasni otpad pojavljuje ne samo nakon prerade goriva, već iu bilo kojoj fazi - od rudarenja urana do rada u reaktoru.

Nuklearno gorivo

Postoje dvije vrste goriva. Prvi je uran koji se vadi u rudnicima, a koji je prirodnog porijekla. Sadrži sirovine koje mogu tvoriti plutonij. Drugo je gorivo koje se stvara umjetno (sekundarno).

Nuklearno gorivo dijelimo i prema kemijskom sastavu: metalno, oksidno, karbidno, nitridno i miješano.

Eksploatacija urana i proizvodnja goriva

Velik udio u proizvodnji urana dolazi iz samo nekoliko zemalja: Rusije, Francuske, Australije, SAD-a, Kanade i Južne Afrike.

Uran je glavni element za gorivo u nuklearnim elektranama. Da bi ušao u reaktor, prolazi kroz nekoliko faza obrade. Najčešće se nalazišta urana nalaze uz zlato i bakar, pa se njegovo vađenje provodi uz vađenje plemenitih metala.

Tijekom rudarenja ljudsko zdravlje je u velikom riziku jer je uran otrovan materijal, a plinovi koji se pojavljuju prilikom njegovog rudarenja uzrokuju razne oblike raka. Iako sama ruda sadrži vrlo malu količinu urana – od 0,1 do 1 posto. Stanovništvo koje živi u blizini rudnika urana također je u velikom riziku.

Obogaćeni uran je glavno gorivo za nuklearne elektrane, ali nakon upotrebe ostaje veliki iznos radioaktivni otpad. Unatoč svim svojim opasnostima, obogaćivanje urana sastavni je proces stvaranja nuklearnog goriva.

U svom prirodnom obliku uran se praktički ne može nigdje koristiti. Da bi se mogla koristiti, mora se obogatiti. Za obogaćivanje se koriste plinske centrifuge.

Obogaćeni uran koristi se ne samo u nuklearnoj energiji, već iu proizvodnji oružja.

Prijevoz

U bilo kojoj fazi ciklusa goriva postoji transport. Provode ga svi pristupačne načine: kopnom, morem, zrakom. To je veliki rizik i velika opasnost ne samo za okoliš, već i za ljude.

Tijekom transporta nuklearnog goriva ili njegovih elemenata dolazi do mnogih nesreća koje rezultiraju ispuštanjem radioaktivnih elemenata. Ovo je jedan od mnogih razloga zašto se smatra nesigurnim.

Dekomisija reaktora

Nijedan od reaktora nije rastavljen. Čak i zloglasni Černobil. Cijela stvar je u tome što je, prema stručnjacima, trošak demontaže jednak ili čak veći od troška izgradnje novog reaktora. Ali nitko ne može točno reći koliko će novca biti potrebno: trošak je izračunat na temelju iskustva rastavljanja malih stanica za istraživanje. Stručnjaci nude dvije mogućnosti:

1. Smjestiti reaktore i istrošeno nuklearno gorivo u odlagališta.
2. Izgradite sarkofage nad povučenim reaktorima.

U sljedećih deset godina oko 350 reaktora diljem svijeta doći će do kraja svog životnog vijeka i morat će se povući iz upotrebe. Ali budući da najprikladnija metoda u smislu sigurnosti i cijene nije izmišljena, ovo se pitanje još uvijek rješava.

Trenutno u svijetu radi 436 reaktora. Naravno, to je veliki doprinos energetskom sustavu, ali je vrlo nesiguran. Istraživanja pokazuju da će za 15-20 godina nuklearne elektrane moći zamijeniti stanice koje rade na energiju vjetra i solarne ploče.

Nuklearni otpad

Ogromna količina nuklearnog otpada nastaje kao rezultat rada nuklearnih elektrana. Ponovnom preradom nuklearnog goriva također ostaje opasan otpad. Međutim, niti jedna država nije pronašla rješenje problema.

Danas se nuklearni otpad čuva u privremenim skladištima, u bazenima ili zakopava plitko pod zemlju.

Najsigurniji način je skladištenje u posebnim skladištima, no i ovdje je moguće curenje zračenja, kao i kod drugih metoda.

U stvari, nuklearni otpad ima određenu vrijednost, ali zahtijeva strogo poštivanje pravila za njegovo skladištenje. A ovo je najhitniji problem.

Važan čimbenik je vrijeme u kojem je otpad opasan. Svaki ima svoj period raspadanja tijekom kojeg je otrovan.

Vrste nuklearnog otpada

Tijekom rada bilo koje nuklearne elektrane njen otpad ulazi u okoliš. To je voda za hlađenje turbina i plinoviti otpad.

Nuklearni otpad se dijeli u tri kategorije:

1. Niska razina - odjeća zaposlenika nuklearne elektrane, laboratorijska oprema. Takav otpad može potjecati i iz medicinskih ustanova i znanstvenih laboratorija. Ne predstavljaju veliku opasnost, ali zahtijevaju poštivanje sigurnosnih mjera.
2. Srednja razina - metalni spremnici u kojima se prevozi gorivo. Njihova je radijacija prilično visoka, a oni koji su im blizu moraju biti zaštićeni.
3. Visoka razina je istrošeno nuklearno gorivo i proizvodi njegove prerade. Razina radioaktivnosti se brzo smanjuje. Visokoradioaktivni otpad je vrlo mali, oko 3 posto, ali sadrži 95 posto sve radioaktivnosti.

Životni ciklus nuklearnog goriva na bazi urana ili plutonija počinje u rudarskim poduzećima, kemijskim postrojenjima, u plinskim centrifugama i ne završava u trenutku kada se sklop goriva istovaruje iz reaktora, budući da svaki sklop goriva mora proći dug put odlaganja i zatim ponovne obrade.

Ekstrakcija sirovina za nuklearno gorivo

Uran je najteži metal na zemlji. Oko 99,4% Zemljinog urana je uran-238, a samo 0,6% je uran-235. Izvješće Crvene knjige Međunarodne agencije za atomsku energiju pokazuje da proizvodnja i potražnja urana rastu unatoč nuklearnoj nesreći u Fukushimi, zbog koje se mnogi pitaju o izgledima za nuklearnu energiju. Samo u posljednjih nekoliko godina dokazane rezerve urana porasle su za 7%, što je povezano s otkrićem novih naslaga. Najveći proizvođači ostaju Kazahstan, Kanada i Australija, oni iskopaju do 63% svjetskog urana. Osim toga, rezerve metala dostupne su u Australiji, Brazilu, Kini, Malaviju, Rusiji, Nigeru, SAD-u, Ukrajini, Kini i drugim zemljama. Prethodno je Pronedra napisao da je 2016. godine u Ruskoj Federaciji iskopano 7,9 tisuća tona urana.

Danas se uran vadi na tri različita načina. Otvorena metoda ne gubi svoju važnost. Koristi se u slučajevima kada su naslage blizu površine zemlje. Otvorenom metodom buldožeri stvaraju kamenolom, a zatim se ruda s nečistoćama utovaruje u kipere za prijevoz do kompleksa za preradu.

Rudno tijelo često leži na velikoj dubini, u kojem slučaju se koristi podzemna metoda rudarenja. Rudnik se kopa do dva kilometra dubine, stijena se vadi bušenjem u vodoravnim nanosima i prevozi naviše u teretnim dizalima.

Mješavina koja se na ovaj način prenosi prema gore ima mnogo komponenti. Stijenu je potrebno usitniti, razrijediti vodom i odstraniti višak. Zatim se u smjesu dodaje sumporna kiselina kako bi se proveo proces ispiranja. Tijekom te reakcije kemičari dobivaju žuti talog uranovih soli. Konačno, uran s nečistoćama pročišćava se u postrojenju za rafiniranje. Tek nakon toga proizvodi se uranov oksid kojim se trguje na burzi.

Postoji puno sigurnija, ekološki prihvatljivija i troškovno učinkovitija metoda koja se zove ispiranje bušotine na licu mjesta (ISL).

Ovom metodom rudarenja teritorij ostaje siguran za osoblje, a pozadina zračenja odgovara pozadini u velikim gradovima. Za rudarenje urana korištenjem ispiranja potrebno je izbušiti 6 rupa na uglovima šesterokuta. Kroz te se bušotine sumporna kiselina pumpa u naslage urana i miješa s njegovim solima. Ta se otopina ekstrahira, naime, pumpa kroz bunar u središtu šesterokuta. Da bi se postigla potrebna koncentracija uranovih soli, smjesa se nekoliko puta propušta kroz sorpcijske kolone.

Proizvodnja nuklearnog goriva

Nemoguće je zamisliti proizvodnju nuklearnog goriva bez plinskih centrifuga koje se koriste za proizvodnju obogaćenog urana. Nakon postizanja potrebne koncentracije, uranov dioksid se preša u tzv. tablete. Nastaju korištenjem maziva koja se uklanjaju tijekom pečenja u pećima. Temperatura pečenja doseže 1000 stupnjeva. Nakon toga se tablete provjeravaju kako bi se osiguralo da ispunjavaju navedene zahtjeve. Važna je kvaliteta površine, sadržaj vlage i omjer kisika i urana.

Istodobno se u drugoj radionici pripremaju cjevaste čahure za gorive elemente. Gore navedeni procesi, uključujući naknadno doziranje i pakiranje tableta u tube s omotačem, brtvljenje, dekontaminaciju, nazivaju se proizvodnja goriva. U Rusiji stvaranje gorivnih sklopova (FA) provodi Mashinostroitelny Zavod u moskovskoj regiji, Novosibirsk tvornica kemijskih koncentrata u Novosibirsku, Moskovska tvornica polimetala i drugi.

Svaka serija gorivnih sklopova kreirana je za određeni tip reaktora. Europski gorivi sklopovi izrađeni su u obliku kvadrata, dok ruski imaju šesterokutni poprečni presjek. Reaktori tipa VVER-440 i VVER-1000 naširoko se koriste u Ruskoj Federaciji. Prvi gorivi elementi za VVER-440 počeli su se razvijati 1963., a za VVER-1000 - 1978. Unatoč činjenici da se novi reaktori sa post-Fukushiminim sigurnosnim tehnologijama aktivno uvode u Rusiji, postoji mnogo starih nuklearnih instalacija koje rade u cijeloj zemlji i inozemstvu, tako da gorivni sklopovi ostaju jednako relevantni za različiti tipovi reaktorima.

Na primjer, za nabavu gorivnih sklopova za jednu jezgru reaktora RBMK-1000 potrebno je više od 200 tisuća komponenti izrađenih od cirkonijevih legura, kao i 14 milijuna sinteriranih kuglica uranovog dioksida. Ponekad trošak proizvodnje gorivnog sklopa može premašiti trošak goriva sadržanog u elementima, zbog čega je tako važno osigurati visoku energetsku učinkovitost po kilogramu urana.

Troškovi za proizvodni procesi V %

Zasebno je vrijedno spomenuti sklopove goriva za istraživačke reaktore. Dizajnirani su na način da promatranje i proučavanje procesa stvaranja neutrona bude što ugodnije. Takve gorivne šipke za eksperimente u području nuklearne fizike, proizvodnje izotopa i radijacijske medicine proizvodi u Rusiji Novosibirska tvornica kemijskih koncentrata. FA su stvoreni na temelju bešavnih elemenata s uranom i aluminijem.

Proizvodnja nuklearnog goriva u Ruskoj Federaciji provodi tvrtka za gorivo TVEL (odjel Rosatoma). Tvrtka radi na obogaćivanju sirovina, sklapanju gorivih elemenata, a također pruža usluge licenciranja goriva. "Kovrovska mehanička tvornica" u Vladimirskoj oblasti i "Uralska tvornica plinskih centrifuga" u Sverdlovska regija stvoriti opremu za ruske sklopove goriva.

Značajke transporta gorivih šipki

Prirodni uran karakterizira niska razina radioaktivnosti, međutim, prije proizvodnje gorivnih sklopova, metal prolazi kroz postupak obogaćivanja. Sadržaj urana-235 u prirodnoj rudi ne prelazi 0,7%, a radioaktivnost je 25 bekerela po 1 miligramu urana.

Kuglice urana, koje se stavljaju u gorivne elemente, sadrže uran s koncentracijom urana-235 od 5%. Gotovi gorivi sklopovi s nuklearnim gorivom prevoze se posebnim metalne posude velika snaga. Za prijevoz se koristi željeznički, cestovni, pomorski, pa čak i zračni promet. Svaki spremnik sadrži dva sklopa. Prijevoz neozračenog (svježeg) goriva ne predstavlja opasnost od zračenja, budući da zračenje ne prelazi cirkonijeve cijevi u koje se stavljaju prešane kuglice urana.

Za pošiljku goriva razvijena je posebna ruta, teret se prevozi u pratnji sigurnosnog osoblja proizvođača ili kupca (češće), što je prvenstveno zbog visoke cijene opreme. U cijeloj povijesti proizvodnje nuklearnog goriva nije zabilježena niti jedna prometna nezgoda gorivnih sklopova koja bi utjecala na radijacijsku pozadinu okoliš ili dovela do žrtava.

Gorivo u jezgri reaktora

Jedinica nuklearnog goriva - TVEL - sposobna je osloboditi ogromne količine energije tijekom dugog vremenskog razdoblja. Ni ugljen ni plin ne mogu se usporediti s takvim količinama. Životni ciklus goriva u bilo kojoj nuklearnoj elektrani počinje istovarom, uklanjanjem i skladištenjem svježeg goriva u skladištu gorivnih sklopova. Kada prethodna serija goriva u reaktoru izgori, osoblje sastavlja gorivne sklopove za utovar u jezgru (radno područje reaktora gdje se odvija reakcija raspada). Gorivo se u pravilu djelomično pretovara.

Puno gorivo se dodaje u jezgru tek u trenutku prvog pokretanja reaktora. To je zbog činjenice da gorivne šipke u reaktoru izgaraju neravnomjerno, budući da tok neutrona varira u intenzitetu u različitim zonama reaktora. Zahvaljujući mjernim uređajima, osoblje stanice ima priliku pratiti stupanj izgaranja svake jedinice goriva u stvarnom vremenu i izvršiti zamjenu. Ponekad se umjesto učitavanja novih gorivnih sklopova sklopovi premještaju među sobom. U središtu aktivne zone burnout se javlja najintenzivnije.

FA nakon nuklearne elektrane

Uran koji je potrošen u nuklearnom reaktoru naziva se ozračenim ili spaljenim. A takvi se gorivni elementi koriste kao istrošeno nuklearno gorivo. SNF se pozicionira odvojeno od radioaktivnog otpada, budući da ima najmanje 2 korisne komponente - neizgoreni uran (dubina izgaranja metala nikada ne doseže 100%) i transuranijeve radionuklide.

U U zadnje vrijeme fizičari su počeli koristiti radioaktivne izotope nakupljene u istrošenom nuklearnom gorivu u industriji i medicini. Nakon što je gorivo završilo svoju kampanju (vrijeme koliko je sklop u jezgri reaktora u radnim uvjetima pri nazivnoj snazi), ono se šalje u bazen za hlađenje, zatim u skladište izravno u reaktorskom odjeljku, a nakon toga na ponovnu obradu ili odlaganje. Bazen za hlađenje je dizajniran za odvođenje topline i zaštitu od ionizirajućeg zračenja, budući da gorivni element ostaje opasan nakon uklanjanja iz reaktora.

U SAD-u, Kanadi ili Švedskoj istrošeno gorivo se ne šalje na preradu. Druge zemlje, uključujući Rusiju, rade na zatvorenom ciklusu goriva. Omogućuje vam značajno smanjenje troškova proizvodnje nuklearnog goriva, jer se dio istrošenog goriva ponovno koristi.

Gorivne šipke se otope u kiselini, nakon čega istraživači odvajaju plutonij i neiskorišteni uran iz otpada. Oko 3% sirovina ne može se ponovno upotrijebiti; radi se o visokoradioaktivnom otpadu koji se podvrgava postupcima bituminizacije ili vitrifikacije.

1% plutonija može se dobiti iz istrošenog nuklearnog goriva. Ovaj metal ne treba obogaćivati, Rusija ga koristi u procesu proizvodnje inovativnog MOX goriva. Zatvoreni ciklus goriva omogućuje da se jedan gorivni sklop pojeftini za oko 3%, ali ova tehnologija zahtijeva velika ulaganja u izgradnju industrijskih jedinica, pa još nije zaživjela u svijetu. Međutim, tvrtka za gorivo Rosatom ne zaustavlja istraživanja u tom smjeru. Pronedra je to nedavno napisao u Ruska Federacija rade na gorivu koje može reciklirati izotope americija, kurija i neptunija u jezgri reaktora, koji su uključeni u istih 3% visokoradioaktivnog otpada.

Proizvođači nuklearnog goriva: ocjena

1. Francuska tvrtka Areva donedavno je osiguravala 31% svjetskog tržišta gorivnih sklopova. Tvrtka proizvodi nuklearno gorivo i sklapa komponente za nuklearne elektrane. Godine 2017. Areva je prošla kvalitativno renoviranje, u tvrtku su došli novi investitori, a kolosalni gubitak iz 2015. smanjen je za 3 puta.
2. Westinghouse je američki odjel japanske tvrtke Toshiba. Aktivno razvija tržište u istočnoj Europi, opskrbljujući gorivne sklopove za ukrajinske nuklearne elektrane. Zajedno s Toshibom osigurava 26% globalnog tržišta proizvodnje nuklearnog goriva.
3. Na trećem mjestu je kompanija za gorivo TVEL državne korporacije Rosatom (Rusija). TVEL osigurava 17% svjetskog tržišta, ima desetogodišnji ugovorni portfelj vrijedan 30 milijardi dolara i opskrbljuje gorivom više od 70 reaktora. TVEL razvija gorivne sklopove za VVER reaktore, a također ulazi na tržište nuklearnih postrojenja zapadnog dizajna.
4. Japan Nuclear Fuel Limited, prema najnovijim podacima, osigurava 16% svjetskog tržišta i opskrbljuje gorivne sklopove za većinu nuklearnih reaktora u samom Japanu.
5. Mitsubishi Heavy Industries japanski je div koji proizvodi turbine, tankere, klima-uređaje i, odnedavno, nuklearno gorivo za reaktore zapadnog tipa. Mitsubishi Heavy Industries (odjel matične tvrtke) bavi se izgradnjom nuklearnih reaktora APWR, istraživačke aktivnosti zajedno s Arevom. Ovu tvrtku je odabrala japanska vlada za razvoj novih reaktora.

Moderan automobil može raditi na benzin s oktanskim brojem 72 - ali to će biti tužna i spora vožnja. Nuklearna elektrana može raditi na gorivu razvijenom prije 50 godina - ali će raditi u neisplativom načinu rada; reaktor neće moći ostvariti nove mogućnosti koje su u njega ugradili njegovi dizajneri. Od nastanka prve nuklearne elektrane nuklearni znanstvenici neprestano rade teški rad poboljšati kvalitetu nuklearnog goriva, povećavajući prednosti nuklearna energija.

Svi smo vidjeli i već smo navikli na to kako izgledaju nuklearne elektrane - gigantske građevine koje se mogu i trebaju smatrati jednim od simbola moderna pozornica razvoj ljudske civilizacije. Ogromne turbine, čiji rotirajući rotor stvara ogromnu silu struja, snažne pumpe koje tjeraju vodu pod visokim pritiskom kroz jezgru reaktora, izdržljive reaktorske posude, dodatne zabrtvljene ljuske koje mogu izdržati potrese i padove zrakoplova na njih. Cjevovodi primarnog i sekundarnog kruga, divovski rashladni tornjevi u kojima se hladi voda sekundarnog kruga - sve je ovdje veliko, ponekad i kolosalno. Ali srce svakog nuklearnog reaktora je vrlo maleno, jer se kontrolirana reakcija nuklearne fisije odvija unutar vrlo malih kuglica goriva koje sadrže uran obogaćen izotopom-235. Upravo tu, u malim tabletama, događa se ono najvažnije - oslobađanje goleme količine topline, za čiju je korisnu upotrebu stvoreno sve ono što vidimo u nuklearnim elektranama. Sve je to velika i lijepa, složena oprema koja zahtijeva ogroman napor u proizvodnji i radu - samo "servis" za pelete za gorivo.

Nuklearna energija bez formula

Prilično je teško govoriti o tome što je nuklearno gorivo iz nuklearne elektrane - u običnim slučajevima opis zahtijeva matematičke formule na više razina, atomsku fiziku i drugu kvantnu mehaniku. Pokušajmo bez svega toga kako bismo shvatili kako su naši nuklearni znanstvenici ukrotili uran, učinivši ga pouzdanim izvorom prijeko potrebne energije koja nam je potrebna. električna energija. Čini nam se da će logika i jednostavan svakodnevni zdrav razum biti sasvim dovoljni za to, i Polazna točka bit će školski opis lančane reakcije fisije. Zapamtiti?

“Neutron udari u jezgru urana, izbaci iz nje dva neutrona odjednom, koji sada udare u nekoliko jezgri, izbacivši četiri odjednom...”

Lančana nuklearna reakcija

U matematičkom smislu, s faktorom množenja neutrona jednakim dva, kontrolirana lančana reakcija je nemoguća. Broj slobodnih neutrona i raspada jezgri urana raste toliko lavinsko da rezultat može biti samo jedan - atomska eksplozija. Da bi se reakcija odvijala glatko, kako bi se mogla kontrolirati i regulirati, potrebno je postići faktor množenja od 1,02 - stotinu slobodnih “početnih” neutrona trebalo bi dovesti do pojave 102 slobodna neutrona “drugog”. generacija”, sve ostalo mora biti eliminirano, apsorbirano, neutralizirano – nazovite taj proces kako hoćete, ali mora se dogoditi. Ova granična vrijednost izračunata je teoretski, na čemu posebno zahvaljujemo našim znanstvenicima. Otkrili su da prirodni sadržaj izotopa-235 nije dovoljan da faktor množenja premaši jedan. Drugim riječima, ako želimo da se reakcija fisije nastavi, moramo naučiti kako povećati sadržaj ovog izotopa na 3-4%, odnosno 5-6 puta više od onoga što nam majka priroda daje. Teoretičari su napravili izračune, ali praktični inženjeri obavili su ostatak posla, smislivši načine za korištenje materijala koji apsorbiraju višak neutrona u jezgri reaktora i izumili su "neutronske neutralizatore".

Kemija je život

Kako se uran obogaćuje na temelju sadržaja izotopa-235, Analytical online journal Geoenergetika.ru Već sam vam rekao da prvo uran treba pretvoriti u plin, u uranov fluorid, zatim plinskim centrifugama “izliječiti” teške atome, zbog čega će se povećati broj lakih atoma (jezgre glavnog izotopa urana sadrži 238 protona i neutrona, takav atom teži tri atomske jedinice više od atoma urana-235). Odlično - fluor je postao bogatiji uranom-235, sve je u redu. I onda – što i kako? Put nuklearnog goriva u reaktore nuklearnih elektrana počinje u brižnim rukama kemičara koji su iznimno uspješni važan posao- pretvaraju plin u čvrstu tvar, i to u onakvu kakvu su im nuklearni znanstvenici “naredili”. Ono što nuklearnu energiju čini tako iznenađujućom je to što nije ograničena samo na atomsku fiziku; ona koristi desetke znanstvenih disciplina odjednom, uključujući Rosatom Uvijek postoji mjesto za kemičare, znanstvenike za materijale, metalurge i mnoge, mnoge druge stručnjake.

A fizičari "naručuju" kemičarima uranov dioksid - prah molekula koje sadrže jedan atom urana i dva atoma kisika. Zašto on? Da, mnoga svojstva ovih molekula su bolno dobra. Talište uranovog dioksida je 2840 stupnjeva; vrlo ga je teško otopiti; u povijesti nuklearne energije dogodile su se samo tri nesreće koje su uključivale topljenje nuklearnog goriva. Uranov dioksid je malo osjetljiv na takozvano bubrenje plina - zanimljiv fenomen, ali štetan za nuklearnu energiju. Ono što se događa u jezgri reaktora utjelovljenje je sna srednjovjekovnih alkemičara, tamo se događaju transformacije nekih kemijski elementi u drugima, potpuno drugačiji od njih. Slobodni neutron koji pogodi jezgru urana-235 ne samo da izbacuje iz nje dodatne slobodne neutrone – on uzrokuje cijepanje same jezgre na različite dijelove. Kako točno dolazi do fisije i koje nove jezgre nastaju stvar je slučajnosti, ali statistike pokazuju da među ostalim fisijskim fragmentima ima i plinova. Akumuliraju se unutar gorivne kuglice i ponašaju se onako kako bi plinovi i trebali - pokušavaju zauzeti što je moguće veći volumen, pokušavaju doslovno rastrgati gorivu kuglicu na komadiće. Slažem se, u tome nema ničeg korisnog - potrebno nam je da kuglica goriva bude netaknuta i zdrava, tako da može ostati u jezgri što je duže moguće kako bi nam prenijela svu energiju sadržanu u jezgrama atoma urana. Dakle, samo hardcore, samo uranov dioksid - omogućuje vam korištenje viših temperatura, što povećava učinkovitost nuklearne elektrane, omogućuje vam povećanje sagorijevanja goriva.

“Izgaranje nuklearnog goriva” potpuno je znanstveni i tehnički pojam, ali za razumijevanje o čemu se radi, najviši tjelesna i zdravstvena kultura nije obavezno. Izgaranje goriva je dio jezgri urana koji su prošli nuklearnu transformaciju kada su bili izloženi neutronima. Izraženo u postocima, što je postotak veći, to smo veći broj jezgri urana mogli koristiti za potrebe koje smo trebali, primajući od njih toplinu koja se koristila za proizvodnju električne energije. Izgaranje goriva je stoga jedan od glavnih ekonomskih parametara nuklearne elektrane. Ako smo u jezgru stavili 100 kilograma urana-235, a na kraju kampanje goriva iz nje izvadili 99 kg - takav dizajn jezgre, reaktora i nuklearne elektrane ne vrijedi ništa. Ali ako se pokaže da više nema urana-235 u gorivoj kuglici izvađenoj iz jezgre, onda su dizajneri dobro postupili i vrijeme je da se hitno svakom od njih da Nobelova nagrada, bolje – dva.

Dapače, stopa izgaranja od 100% je načelno nedostižna, ali to ne znači da se za nju ne bore – za svaki postotak vode se ozbiljne bitke. Što je dubina izgaranja veća, to je niža cijena dobivene električne energije, a natjecanje s energijom temeljeno na izgaranju ugljikovodika nije poništeno. Štoviše, što tableta duže "gori", reaktor rjeđe treba puniti gorivo. Dizajn VVER (vodom hlađeni vodeno hlađeni energetski reaktor) je takav da se gorivo mijenja kada se reaktor potpuno zaustavi i ohladi - to je sigurnije. Što je manje takvih isključenja, to je veći faktor iskorištenja instalirane snage, faktor snage je drugi najvažniji ekonomski pokazatelj nuklearne elektrane. U tehničkom listu vašeg usisavača stoji njegova snaga - recimo 1200 Wh. Ali dobit ćete 1200 W ako usisavač radi točno sat vremena, u polusatnom režimu rada - pola sata “nešto vas je zgrabilo za donji dio” dobit ćete samo 600 W, odnosno kapacitet usisivač će biti samo 50%. Kao i u slučaju sagorijevanja goriva, zaželjeni cilj je 100%, a opet svaki postotak je bitan, jer ekonomija nuklearnog reaktora mora biti isplativija od ekonomije termoelektrane, pa čak i od ekonomije hidroelektrane. .

Čini se - kako možete pokazati isplativije ekonomske rezultate od hidroelektrane, koja uopće ne zahtijeva gorivo, gdje se koristi samo energija padajuće vode? Da, vrlo je jednostavno - voda ne pada na hidrauličke jedinice 24 sata dnevno, 365 dana u godini; to zahtijeva vrlo specifičnu količinu vode u rezervoaru. Dok se ne postigne taj volumen, hidroelektrana će se "odmarati", a nuklearna elektrana, koja ne zna ništa o takvim pauzama, imat će vremena sustići i prestići svog rivala. Evo kratkog sažetka - učinkovitost, sagorijevanje i faktor kapaciteta bilo koje nuklearne elektrane kritično ovise o gorivoj kuglici i njenom materijalu. Kemičar koji pretvara plin uran fluorid u prah uran dioksida, zapamtite - budućnost nuklearne energije ovisi o vašoj vještini!

Tablete goriva – korak po korak

Objasniti jednostavnim riječima možete učiniti mnogo, ali izvođenje takve vježbe kako biste opisali rad kemičara nemoguće je iz riječi "općenito", stoga se pripremite. Plinoviti uran fluorid prvo se propušta kroz vodenu otopinu da se dobije uranil fluorid, koji se miješa s amonijakom i kiselim ostatkom ugljične kiseline. Rezultat je amonijev uranil karbonat, koji se taloži - smatrajte da je pola bitke već gotovo, imamo barem nešto čvrsto, a ne plinovito. Suspenzija se propušta kroz filtar, pere i šalje u peć s fluidiziranim slojem, gdje se zbog visoke temperature raspadaju sve nepotrebne nečistoće, ostavljajući suhi ostatak praha uranovog trioksida (na svaki 1 atom urana u ovoj molekuli dolazi tri atomi kisika). To je to, sad je skoro naš!

Područje za proizvodnju praha uranovog dioksida visokotemperaturnom pirohidrolizom

Temperatura je opet visoka - 500 stupnjeva, ali ovaj put uz prolazak vodika koji preuzima višak atoma kisika, a kemičari mirno odlaze na pauzu za ručak, dopuštajući fizičarima da uzmu priželjkivani uranov dioksid. No, raduju se rano - odmah ih pljesnu po ispruženim grabuljastim rukama ... metalurzi, budući da se tablete goriva proizvode metalurgijom praha. Prah koji nastaje radom kemičara usitnjava se, prosijava i dobiva se fini prah – usitnjen do gotovo prašine. Nakon dodavanja veziva i maziva, tablete se ponovno prešaju i žare kako bi se uklonile nepotrebne nečistoće. Nakon toga temperatura raste na 1750 stupnjeva, tablete postaju gušće, teže - sada se mogu obraditi mehaničkim metodama. Cilindrična brusilica dolazi u obzir kako bi se dobile tražene dimenzije – to je sve.

Područje proizvodnje uranovih kuglica

Ne, dobro, ne baš sve, jer odmah nakon toga u radionicu dolaze inspektori koji provjeravaju geometrijske dimenzije, kvalitetu površine, vlažnost, odnos atoma kisika i urana. Imajte na umu da nije potrebno provjeravati omjer atoma urana-235 i urana-238 - bez obzira na manipulacije koje kemičari izvode, njihovo djelovanje ne utječe na sastav atomskih jezgri. Rezultat svega ovog rada su tablete goriva teške samo 4,5 grama, ali te sićušne kuglice sadrže jednaku količinu energije kao 400 kg ugljena, u 360 kubnih metara prirodni gas odnosno 350 kg ulja.

Proizvodnja i tehnička kontrola nuklearnih keramičkih gorivnih kuglica

Asortiman tableta proizvedenih u ruskim nuklearnim poduzećima koja su dio TVEL Fuel Company– više od 40 vrsta, različitih veličina, različitih stupnjeva obogaćivanja urana-235. Ali jedna stvar ostaje nepromijenjena - nuklearna energija i dalje koristi uranov dioksid kao gorivo, što je samo po sebi jedna od prepreka širenju radioaktivnosti. Na radnim temperaturama ovaj materijal zadržava 98% produkata razgradnje u sebi, smanjujući opterećenje brtvljenja na minimum. Kako bi gorivo obavljalo svoje funkcije "barijere", važno je da interakcija goriva s rashladnom tekućinom bude minimalna - inače proizvodi radioaktivnog raspada imaju priliku pobjeći u atmosferu. vanjsko okruženje sa svim neugodnim posljedicama koje iz toga proizlaze.

Gorivna šipka nije samo "dugačka cijev"

U redu, tablete su napravljene, što dalje? Ideja nuklearnog reaktora je jednostavna - rashladna tekućina mora "ukloniti" svu toplinu koja se oslobađa kao rezultat nuklearnih reakcija. Ovo nije jednokratno uklanjanje; ovo uklanjanje mora se dogoditi tijekom cijele sesije goriva - vremena dok je gorivo u jezgri reaktora. U reaktorima VVER taj se rad obavlja vodom koja prolazi kroz jezgru pod visokim tlakom. Bacati tablete goriva u jezgru kao knedle u kipuću vodu? Ovo nije opcija; mnogo je razumnije osigurati da su kuglice goriva u stacionarnom položaju, duž kojeg prolazi struja vode pod pritiskom, oduzimajući vodu nastalu tijekom nuklearnih reakcija. Termalna energija. Posljedično, potrebna je neka vrsta "stezaljke", koja je dizajnirana da osigura stacionarno mjesto goriva - to je šuplja cijev tankih stijenki, unutar koje se nalaze peleti goriva - gorivna šipka, gorivni element.

Gorivi elementi (gorivi elementi), Fotografija: wikimedia.org

Zašto tankih stijenki? Kako bi se toplina stvorena u gorivim kuglicama mogla gotovo nesmetano “ukloniti” vodom, odnosno prvi zahtjev za materijal stijenki gorivne šipke je najveća moguća toplinska vodljivost. Uzeo - dao, uzeo - dao. Drugi zahtjev je također prilično očit - vanjska strana stijenki gorivnog elementa stalno je u vodi, stoga se njegov materijal ne bi trebao bojati korozije. Treći uvjet je također očit - materijal mora izdržati stalnu visoku radioaktivnost, bez nanošenja štete osnovnim nuklearnim procesima. Mora apsorbirati što manje neutrona kako ne bi prekinuo nuklearnu reakciju, kako ne bi forsirao proizvodnju urana s višim stupnjem obogaćenja u izotopu-235. Promjer cijevi, kao i promjer kuglica goriva, trebaju biti što manji - inače toplina koja se stvara u središnjim segmentima neće doći do rashladne tekućine. Ovo je skup zahtjeva koje tako "jednostavna" stvar kao što je tanka stijenka gorivne šipke mora zadovoljiti.

U fazi razvoja nuklearne energije, nehrđajući čelik je postao takav materijal, ali to nije dugo trajalo - pokazalo se da čelik uzima previše slobodnih neutrona, potrebno je nešto manje proždrljivo. Do tog su vremena nuklearni znanstvenici temeljito radili i pronašli metal s minimalnim presjekom hvatanja neutrona - cirkonij. U ovom slučaju riječ "odjeljak" zamjenjuje riječ "vjerojatnost". Vjerojatnost da će neutron u prolazu biti zarobljen u svoju zamku jezgrom atoma cirkonija je minimalna, dok cirkonij ima odličan koeficijent prijenosa topline, ne stupa u interakciju s vodom, topi se samo na temperaturama iznad 1'855 stupnjeva, ima vrlo nizak koeficijent toplinskog širenja - umjesto toga, kako bi "nabubrio" pri zagrijavanju, jednostavno "ispušta" toplinu u vanjski okoliš. Slažete se - to je jednostavno idealan materijal za nuklearnu energiju, ako ga možete postići u idealnoj kemijskoj čistoći, budući da svaka nečistoća ima tendenciju aktivno "pojesti" slobodne neutrone.

Radionica za proizvodnju gorivih šipki i gorivnih sklopova

Čim su metalurzi objavili da su se naučili nositi s tim zadatkom, nuklearna energija prešla je na cirkonij. Jedino poduzeće u Rusiji i jedno od tri u svijetu koje ima puni ciklus proizvodnje cirkonija i njegovih legura je Chepetsk mehanički pogon (Glazov, Udmurtija), koji je dio kompanije za gorivo TVEL. Od 1986. ChMP je prešao na proizvodnju kućišta gorivih elemenata od legure E-110 - jedan posto niobija dodaje se cirkoniju, a ovo malo povećanje značajno povećava otpornost materijala na koroziju. Mehanička svojstva trenutno korištene legure E-365, koja osim cirkonija i niobija sadrži željezo i kositar, imaju još bolja mehanička svojstva. Svaki korak u proizvodnji gorivih šipki iznimno je važan; prisutnost ovih elemenata omogućuje bolje snalaženje u zavarivanju i drugim metodama spajanja različitih materijala. Gorivi elementi proizvedeni u Rusiji ispunjavaju sve zahtjeve IAEA, pokazuju izvrsna svojstva i omogućuju poboljšanje ekonomskih pokazatelja nuklearne energije.

Ono što se može činiti kao "jednostavni mehanički dio", naravno, nije.

Goriva šipka u presjeku, sl.: heuristic.su

Ovdje Kratki opis gorivna šipka sa sadržajem unutra. Duljina – 3,8 metara, vanjski promjer – 9,1 mm. Unutra se nalaze tablete uranovog dioksida vanjskog promjera 7,57 mm i visine 20 mm, u sredini svake tablete nalazi se rupa promjera 1,2 mm. Kuglica ne dodiruje stijenke gorive šipke; razmak i rupa unutar kuglice dizajnirani su tako da goriva šipka može zadržati radioaktivne plinove nastale tijekom nuklearnog raspada. Peleti su fiksirani unutar gorivnog elementa s čahurama, ukupna duljina stupca peleta je 3,53 metra, tijekom sesije goriva duljina se povećava za 30 mm. Da, sve se mjeri u milimetrima, pa čak i u njihovim razdjelima - na kraju krajeva, nuklearna energija se bavi i najmanjim česticama materije.

Evo tableta promjera manjeg od 8 mm - čini se da u njemu može biti nešto zanimljivo? No tijekom nuklearnih reakcija temperatura u središnjem dijelu tablete doseže 1'500-1'600 stupnjeva, a na vanjskoj površini - samo 470. Razlika od tisuću stupnjeva na udaljenosti od 3-4 milimetra, metal postaje plin - takva su čuda unutar sićušnih tableta.

Od gorivne šipke do gorivnog sklopa

Napravili su tablete, stavili ih u gorivu šipku - to je to? Naravno da ne - cijev zajedno s gorivom teži samo 2,1 kg, što je masa urana na dug rad neće biti dovoljno. Sljedeća faza u formiranju nuklearnog goriva je formiranje gorivnih sklopova i gorivnih sklopova. Za najrašireniji reaktor u Rusiji, VVER-1000, 312 gorivih šipki sastavljeno je u jedan gorivni sklop, a između njih su ostavljeni razmaci za ulazak šipki sustava upravljanja i zaštite ispunjenih tako učinkovitim apsorberom neutrona kao što je bor. Na dnu gorivnog sklopa nalazi se tzv. drška - mjesto na koje su pričvršćene gorive šipke.

Izrada okvira - zavarivanje kanala i odstojnih rešetki

U gornjem dijelu, gorivne šipke su pričvršćene na glavu preko opružnog bloka - štiti gorivne šipke od plutanja tijekom rada reaktora. Da, uran - težak element, cirkonij se također ne može nazvati svjetlom, ali vrijedi zapamtiti da je nominalni protok vode kroz sklop goriva 500 kubičnih metara na sat, voda se kreće duž gorivnih šipki brzinom od 200 km / h u smjeru od dna na vrh - takav protok će učiniti da sve ispliva. Gorivne šipke su odvojene jedna od druge pomoću odstojnih rešetki, koje drže ove cijevi na njihovim pravilnim mjestima, osiguravajući najučinkovitije odvođenje topline. Postoji od 12 do 15 odstojnih rešetki na gorivim sklopovima različitih izvedbi, samo taj broj omogućuje vodi da obavi posao uklanjanja korisne topline.

Kanale i odstojne rešetke, kontrola kvalitete

Pa ipak, ni to nas nije u potpunosti spasilo od problema savijanja gorivih šipki i gorivnih sklopova. Naši sklopovi nisu mogli izdržati mehanička aksijalna opterećenja - gotovo četiri metra duljine s debljinom ljuske od 0,65 mm, snažan protok vode i visoke temperature učinili su svoj posao. Godine 1993. postalo je konačno jasno da treba nešto učiniti s tim problemom, pronaći načine da ga se riješimo. Minatom je uputio odgovarajući zahtjev IAEA-i - kakva je situacija s ovim problemom u zapadne zemlje. IAGTE je proveo odgovarajuću anketu s operativnim organizacijama i nije pronašao nikakvu senzaciju - zapadni nuklearni znanstvenici također imaju ovaj problem, oni također traže načine da se nose s njim.

E sad, oprostite, ali opet ćemo se morati dotaknuti glavnog mita liberalne ekonomije – učinkovitosti privatnog vlasnika u usporedbi s nespretnim, inercijskim državnim sektorom gospodarstva. Na Zapadu, a posebno u SAD-u, postoji znatan broj privatnih vlasnika nuklearnih elektrana, ali oni problem nisu mogli riješiti. Minatom je postupio u skladu s tradicijama Ministarstva srednje gradnje strojeva - povjerio je rješenje problema dvama projektnim biroima odjednom, tako da je kao rezultat borbe dva dobri projekti pobjedu je odnio najbolji. Sudionici kapitalističkog natjecanja bili su Podolsk OKB (biro za eksperimentalni dizajn) "Gidropress" i Nižnji Novgorod OKBM (OKB Mashinostroeniya) nazvani po. Afrikantova. Oba projektna biroa trenutno su dio holdinga za izgradnju strojeva Atomenergomash, ali to ne smanjuje intenzitet konkurencije.

Konkurencija je motor napretka

Stanovnici Nižnjeg Novgoroda razvili su dizajn TVS-a, koji je dobio kraticu TVSA; kako je razvoj napredovao, modifikacije TVSA-12, TVSA-PLUS, TVSA-T pojavile su se jedna za drugom. Njegova glavna karakteristika je da su se uglovi počeli zavarivati ​​na distantne rešetke kako bi se povećala krutost konstrukcije, ali Gidropress nije prihvatio taj koncept - višak cirkonija od kojeg su uglovi izrađeni u jezgri, prema stručnjaci, mogu negativno utjecati na neutronske karakteristike zona jezgre reaktora. Modifikacija stvorena u Gidropressu s kraticom UTVS (Advanced TVS) ne koristi kruto zavarivanje odstojnih rešetki i vodećih kanala. UTVS se počeo koristiti u nuklearnim elektranama s povećanim zahtjevima za seizmičku otpornost - u kineskom Tianwanu, u iranskom Bushehru. , u indijskom Kudankulamu." Međutim, netočno je reći da su ovaj razvoj napravili samo zaposlenici Gidropress Design Bureau; Institut Kurchatov, Institut za fiziku i energetiku Obninsk, Tvornica kemijskih koncentrata Novosibirsk, Istraživački institut nazvan po. Bočvara. Ali rezultat je važan - pilot test u NE Rostov pokazao je izvrsne rezultate, strani kupci bili su iznimno zadovoljni povećanom pouzdanošću UTVS-a.

Montaža grede

Promatranje detalja bitke između dva dizajnerska biroa fascinantan je spektakl, ali tehničkih je detalja toliko da će trebati malo truda profesionalni prevoditelji. Široke i uske rešetke, rijetke rešetke, turbulatori i deflektori, rešetke s kosim kanalima, pojačivači prijenosa topline, brzina učitavanja kazeta u jezgru, kombinacija s radom strojeva za pretovar, nazivlje iz hidrodinamike i termomehanike - to je doista potpuno zasebno jeziku... Za nuklearnu energetiku važan je rezultat obaju projektantskih biroa, čiji znanstveni i kreativni sporovi traju i danas. Poboljšanja i modifikacije dopuštaju korištenje goriva s većim obogaćenjem sadržaja urana-235 - ta je brojka za VVER-1000 povećana s 3,77% na 4,95%. Čini se da je razlika potpuno beznačajna, ali kao rezultat toga, sagorijevanje goriva se povećalo sa 40 MW dnevno po kilogramu urana na 58 MW po kilogramu, gotovo 50%. Ali ovaj rezultat je već vrlo značajan, omogućuje nam ravnopravno natjecanje s energijom ugljikovodika u smislu cijene proizvedene električne energije i čini izglede za razvoj nuklearne energije sve ohrabrujućim. Jedno od postignuća - povećanje snage postojećih reaktora VVER za 4-7% bez promjene njihovog dizajna temelji se upravo na optimizaciji nuklearnog goriva i gorivnih sklopova postalo je još jedno konkurentska prednost na međunarodnom tržištu.

Gotov sklop goriva

Naravno, UTVS nije postao neka vrsta "finala" za poboljšanje sklopova goriva. Glavna prednost UTVS-a u odnosu na gorivo prethodne generacije osigurana je prijelazom s nehrđajućeg čelika na cirkonij, na leguru E-110. Programeri su uspjeli povećati krutost strukture bez upotrebe uglova - ojačali su odstojne rešetke i počeli koristiti točkasto zavarivanje kako bi povećali otpornost na deformacije tijekom rada. Uspjeli su povećati duljinu stupca goriva - sada se više urana stavlja u jezgru reaktora, sesije goriva su postale dulje, dopunjavanje goriva može se obavljati rjeđe, što znači povećanje kapaciteta.

Novo gorivo za Iran

Od početka 2014. godine započeo je pregovarački proces između TVEL i iranskog kupca kojeg zastupa Iranska organizacija za atomsku energiju (AEOI) I Iranska tvrtka za proizvodnju i razvoj nuklearne energije (NPPD) o prijelazu NE Bushehr na nove kasete s gorivom - TVS-2M. Da bi se osigurao pregovarački proces TVEL razvila je „Studiju izvodljivosti za implementaciju TVS-2M u nuklearnoj elektrani Bushehr“, u kojoj je kupcu pružena potpuna količina informacija za analizu i donošenje odluka o takvom prijelazu. Najviše Najbolji način Uvjeravanje potencijalnog kupca nije nametljiv marketing, u nuklearnoj energetici takav pristup gotovo nikada ne donosi rezultate. Ruska kompanija za gorivo jednostavno je objedinila analizu rezultata implementacije TVS-2M u ruskom VVER-1000 iu nuklearnoj elektrani Tianwan u Kini - reaktorima istog tipa kao i oni koji rade kao dio bloka u Bushehru. NPP. U Kini, prve dvije jedinice nuklearne elektrane Tianwan rade na TVS-2M u ciklusu goriva od 18 mjeseci. A iranski nuklearni znanstvenici uspjeli su potvrditi da se sagorijevanje goriva povećalo, trajanje kampanja goriva povećalo, a faktor kapaciteta povećao.

Nakon analize dobivenih rezultata i provjere na licu mjesta, iranski kupci su odgovorili - izradili su popis radova ruskih poduzeća, koji su potrebni kako bi se osiguralo licenciranje novog goriva od strane nuklearnih regulatornih tijela. Daljnji rad je već bio zajednički - naši i iranski stručnjaci zajedno su sastavili popis potrebnih nadogradnji opreme bloka NE Bushehr, koje je trebalo izvršiti kako bi reaktor mogao prihvatiti TVS-2M u jezgru. Naime, rad našeg VVER-1000 na novom gorivu pokazao je takve rezultate da je potpuni prijelaz na TVS-2M postao jednostavno neizbježan - izgaranje goriva poraslo je za 20%, a komponenta goriva u troškovima proizvodnje električne energije smanjena za gotovo 9 posto.

Ishod pregovora s iranskim kupcem sasvim je prirodan. U travnju ove godine TVEL potpisan sa AEOI I NPPD dodatni ugovor na postojeći ugovor za opskrbu gorivom NE Bushehr - od 2020 TVEL počet će isporuke TVS-2M Iranu. Nema žurbe, nema buke - jednostavno se i naš i iranski nuklearni projekti koje podržavamo nastavljaju dosljedno razvijati, opskrbljujući potrošače električnom energijom u količinama koje su im potrebne. Vjerojatno ćemo u bliskoj budućnosti saznati što o tome misle kupci u Indiji i Kini. Visina ekonomski pokazatelji pogonske jedinice zbog upotrebe novog goriva bez značajnih promjena u kompletu opreme toliko je indikativno da postoji povjerenje da razmišljanje neće dugo trajati. Samo moramo paziti daljnji razvoj događaja i još jednom vam čestitam TVEL, OKB Gidropress i cijeli razvojni tim uz činjenicu da je njihovo novo gorivo sada dobilo međunarodno priznanje.

Naravno, današnja priča o razvoju nuklearnog goriva ni izdaleka nije završena – promjene u tom dijelu se neprestano događaju. Razvijeno je gorivo za VVER-1200, u tijeku je razvoj goriva za druge vrste reaktora, TVEL nastavlja proizvoditi gorivo za reaktore zapadnog dizajna zajedno s francuskim partnerima, TVEL neovisno razvijeno gorivo TVS-Kvadrat, koje se testira u švedskoj nuklearnoj elektrani Ringhals i ima licencu za američko tržište. poduzeća TVEL proizvode gorivo za BN-800, proizvedena je pilot serija REMIX goriva, a razvoj nitridnog goriva je pri kraju za obećavajući reaktor hlađen olovom - Rosatom i ne misli da si može priuštiti odmaranje na lovorikama.

Nuklearno gorivo je "srce" nuklearne energije; praćenje kako nastaju nove vrste i kakve rezultate daju korištenjem korisno je jer vam omogućuje usporedbu troškova proizvodnje električne energije u nuklearnim elektranama i termoelektranama . Osim toga, ovaj put se nismo dotakli kakvih rezultata razvijaju nove vrste goriva u OKBM im. Afrikantova – a njihove se ideje također vrlo aktivno koriste Rosatom. Jednom riječju, današnja priča o nuklearnom gorivu vjerojatno neće ostati jedina.

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

U kontaktu s

Nuklearno gorivo je materijal koji se koristi u nuklearnim reaktorima za izvođenje kontrolirane lančane reakcije. Izuzetno je energetski intenzivan i nesiguran za ljude, što nameće niz ograničenja na njegovu upotrebu. Danas ćemo naučiti što je gorivo za nuklearne reaktore, kako se klasificira i proizvodi te gdje se koristi.

Napredak lančane reakcije

Tijekom nuklearne lančane reakcije jezgra se dijeli na dva dijela koji se nazivaju fisijski fragmenti. Istovremeno se oslobađa nekoliko (2-3) neutrona, koji naknadno uzrokuju fisiju sljedećih jezgri. Proces se događa kada neutron pogodi jezgru izvorne tvari. Fisijski fragmenti imaju veliku kinetičku energiju. Njihova inhibicija u tvari popraćena je oslobađanjem ogromne količine topline.

Fisijski fragmenti, zajedno s njihovim produktima raspada, nazivaju se fisijskim produktima. Jezgre koje dijele neutrone bilo koje energije nazivaju se nuklearnim gorivom. U pravilu su to tvari s neparnim brojem atoma. Neke jezgre cijepaju isključivo neutroni čija je energija iznad određene granične vrijednosti. To su pretežno elementi s parnim brojem atoma. Takve se jezgre nazivaju sirovinama, jer u trenutku hvatanja neutrona jezgrom praga nastaju jezgre goriva. Kombinacija zapaljivog materijala i sirovina naziva se nuklearno gorivo.

Klasifikacija

Nuklearno gorivo se dijeli u dvije klase:

1. Prirodni uran. Sadrži fisijske jezgre urana-235 i sirovinu urana-238, koja je sposobna formirati plutonij-239 nakon hvatanja neutrona.
2. Sekundarno gorivo koje se ne nalazi u prirodi. To uključuje, između ostalog, plutonij-239, koji se dobiva iz goriva prve vrste, kao i uran-233, koji nastaje kada neutrone zarobe jezgre torija-232.

S gledišta kemijski sastav postoje sljedeće vrste nuklearnog goriva:

1. Metal (uključujući legure);
2. Oksid (na primjer, UO 2);
3. Karbid (na primjer PuC 1-x);
4. Mješoviti;
5. Nitrid.

TVEL i TVS

Gorivo za nuklearne reaktore koristi se u obliku malih kuglica. Postavljeni su u hermetički zatvorene gorivne elemente (gorive elemente), koji su pak spojeni u nekoliko stotina gorivnih sklopova (FA). Nuklearno gorivo podliježe visokim zahtjevima za kompatibilnost s oblogama gorivih šipki. Mora imati dovoljnu temperaturu taljenja i isparavanja, dobru toplinsku vodljivost i ne smije se jako povećati u volumenu pod neutronskim zračenjem. Također se uzima u obzir proizvodnost proizvodnje.

Primjena

U nuklearne elektrane i dr nuklearne instalacije gorivo dolazi u obliku gorivnih sklopova. Mogu se puniti u reaktor i tijekom njegovog rada (umjesto izgorjelih gorivnih sklopova) i tijekom kampanje popravka. U potonjem slučaju, sklopovi goriva zamjenjuju se u velikim skupinama. U tom se slučaju samo trećina goriva potpuno zamijeni. Iz središnjeg dijela reaktora istovaruju se najviše izgorjeli sklopovi, a na njihovo mjesto se postavljaju djelomično izgorjeli sklopovi koji su prethodno bili smješteni u manje aktivnim područjima. Posljedično, novi gorivi sklopovi instalirani su umjesto potonjih. Ova jednostavna shema preuređivanja smatra se tradicionalnom i ima niz prednosti, od kojih je glavna osiguravanje ravnomjernog oslobađanja energije. Naravno, ovo je shematski dijagram koji daje samo opću ideju procesa.

Izvod

Nakon što se istrošeno nuklearno gorivo ukloni iz jezgre reaktora, šalje se u bazen za hlađenje, koji se obično nalazi u blizini. Činjenica je da istrošeni gorivni sklopovi sadrže veliku količinu fisijskih fragmenata urana. Nakon istovara iz reaktora, svaka gorivna šipka sadrži oko 300 tisuća Curi radioaktivnih tvari, oslobađajući 100 kW/sat energije. Zbog toga se gorivo samozagrijava i postaje visoko radioaktivno.

Temperatura tek istovarenog goriva može doseći 300°C. Stoga se drži 3-4 godine pod slojem vode, čija se temperatura održava u utvrđenom rasponu. Skladištenjem pod vodom smanjuje se radioaktivnost goriva i snaga njegovih zaostalih emisija. Nakon otprilike tri godine, samozagrijavanje gorivnog sklopa doseže 50-60°C. Zatim se gorivo uklanja iz bazena i šalje na preradu ili zbrinjavanje.

Metalni uran

Metalni uran se relativno rijetko koristi kao gorivo za nuklearne reaktore. Kada tvar dosegne temperaturu od 660°C, dolazi do faznog prijelaza praćenog promjenom njezine strukture. Jednostavno rečeno, uran se povećava u volumenu, što može dovesti do uništenja gorivih šipki. U slučaju dugotrajnog zračenja na temperaturi od 200-500°C, tvar prolazi kroz radijacijski rast. Suština ovog fenomena je produljenje ozračenog uranovog štapa za 2-3 puta.

Upotreba metalnog urana na temperaturama iznad 500°C otežana je zbog njegovog bubrenja. Nakon nuklearne fisije nastaju dva fragmenta čiji ukupni volumen premašuje volumen same te jezgre. Neki fisijski fragmenti predstavljeni su atomima plina (ksenon, kripton itd.). Plin se nakuplja u porama urana i stvara unutarnji tlak, koji se povećava kako temperatura raste. Zbog povećanja volumena atoma i povećanja tlaka plina, nuklearno gorivo počinje bubriti. Dakle, ovo se odnosi na relativnu promjenu volumena povezanu s nuklearnom fisijom.

Snaga bubrenja ovisi o temperaturi gorivih šipki i izgaranju. Povećanjem izgaranja povećava se broj fisijskih fragmenata, a povećanjem temperature i izgaranja povećava se unutarnji tlak plina. Ako gorivo ima veća mehanička svojstva, tada je manje osjetljivo na bubrenje. Metalni uran nije jedan od tih materijala. Stoga njegova uporaba kao goriva za nuklearne reaktore ograničava izgaranje, što je jedna od glavnih karakteristika takvog goriva.

Mehanička svojstva urana i njegova otpornost na zračenje poboljšavaju se legiranjem materijala. Ovaj proces uključuje dodavanje aluminija, molibdena i drugih metala. Zahvaljujući doping dodacima, broj fisijskih neutrona potrebnih po hvatanju je smanjen. Stoga se u te svrhe koriste materijali koji slabo apsorbiraju neutrone.

Vatrostalni spojevi

Neki vatrostalni spojevi urana smatraju se dobrim nuklearnim gorivom: karbidi, oksidi i intermetalni spojevi. Najčešći od njih je uranov dioksid (keramika). Talište mu je 2800°C, a gustoća 10,2 g/cm 3 .

Budući da ovaj materijal ne prolazi kroz fazne prijelaze, manje je osjetljiv na bubrenje od uranovih legura. Zahvaljujući ovoj značajci, temperatura izgaranja može se povećati za nekoliko postotaka. Na visokim temperaturama keramika ne stupa u interakciju s niobijem, cirkonijem, nehrđajućim čelikom i drugim materijalima. Nju glavni nedostatak leži u niskoj toplinskoj vodljivosti - 4,5 kJ (m*K), što ograničava specifičnu snagu reaktora. Osim toga, vruća keramika je sklona pucanju.

Plutonij

Plutonij se smatra metalom niskog tališta. Topi se na temperaturi od 640°C. Zbog loših plastičnih svojstava praktički ga je nemoguće strojno obraditi. Toksičnost tvari komplicira tehnologiju proizvodnje gorivnih šipki. Nuklearna industrija je u više navrata pokušavala koristiti plutonij i njegove spojeve, ali nisu bili uspješni. Nije preporučljivo koristiti gorivo za nuklearne elektrane koje sadrži plutonij zbog približno dvostrukog smanjenja perioda ubrzanja, za što standardni sustavi upravljanja reaktorima nisu predviđeni.

Za proizvodnju nuklearnog goriva u pravilu se koriste plutonijev dioksid, legure plutonija s mineralima te mješavina plutonijevih karbida i uranovih karbida. Disperzijska goriva, u kojima su čestice spojeva urana i plutonija smještene u metalnu matricu od molibdena, aluminija, nehrđajućeg čelika i drugih metala, imaju visoka mehanička svojstva i toplinsku vodljivost. Otpornost na zračenje i toplinska vodljivost disperzijskog goriva ovise o materijalu matrice. Na primjer, u prvoj nuklearnoj elektrani raspršeno gorivo sastojalo se od čestica uranove legure s 9% molibdena, koje su bile ispunjene molibdenom.

Što se tiče torijevog goriva, ono se danas ne koristi zbog poteškoća u proizvodnji i obradi gorivih šipki.

Proizvodnja

Značajne količine glavne sirovine za nuklearno gorivo - urana - koncentrirane su u nekoliko zemalja: Rusiji, SAD-u, Francuskoj, Kanadi i Južnoj Africi. Njegova ležišta obično se nalaze u blizini zlata i bakra, pa se svi ti materijali iskopavaju u isto vrijeme.

Zdravlje ljudi koji rade u rudarstvu je u velikoj opasnosti. Činjenica je da je uran otrovan materijal, a plinovi koji se oslobađaju tijekom njegovog rudarenja mogu izazvati rak. I to unatoč činjenici da ruda ne sadrži više od 1% ove tvari.

Priznanica

Proizvodnja nuklearnog goriva iz uranove rude uključuje sljedeće faze:

1. Hidrometalurška obrada. Uključuje ispiranje, drobljenje i ekstrakciju ili sorpcijsku oporabu. Rezultat hidrometalurške obrade je pročišćena suspenzija oksiuranijevog oksida, natrijevog diuranata ili amonijevog diuranata.
2. Pretvorba tvari iz oksida u tetrafluorid ili heksafluorid, koja se koristi za obogaćivanje urana-235.
3. Obogaćivanje tvari centrifugiranjem ili plinskom toplinskom difuzijom.
4. Pretvorba obogaćenog materijala u dioksid, od kojeg se proizvode "pelete" gorivih šipki.

Regeneracija

Tijekom rada nuklearnog reaktora gorivo ne može potpuno izgorjeti, pa se reproducira slobodni izotop. S tim u vezi, istrošene gorivne šipke podliježu regeneraciji u svrhu ponovne uporabe.

Danas se ovaj problem rješava Purex procesom koji se sastoji od sljedećih faza:

1. Rezanje gorivih šipki na dva dijela i njihovo otapanje u dušičnoj kiselini;
2. Čišćenje otopine od produkata fisije i dijelova ljuske;
3. Izolacija čistih spojeva urana i plutonija.

Nakon toga se dobiveni plutonijev dioksid koristi za proizvodnju novih jezgri, a uran za obogaćivanje ili također za proizvodnju jezgri. Prerada nuklearnog goriva složen je i skup proces. Njegova cijena ima značajan utjecaj na ekonomsku isplativost korištenja nuklearnih elektrana. Isto se može reći i za odlaganje otpada nuklearnog goriva koje nije prikladno za regeneraciju.

Princip rada i dizajn TURD

Trenutno se predlažu 2 mogućnosti dizajna za TURD:

TNR temeljen na termonuklearnom reaktoru s magnetskim ograničenjem plazme

U prvom slučaju, princip rada i dizajn TNRE su sljedeći: glavni dio motora je reaktor u kojem se odvija kontrolirana reakcija termonuklearne fuzije. Reaktor je šuplja cilindrična "komora", s jedne strane otvorena, tzv. instalacija termonuklearne fuzije "otvorena zamka" (također se naziva "magnetska boca" ili zrcalna komora). "Komora" reaktora ne mora nužno (čak ni nepoželjno) biti potpuno zapečaćena; najvjerojatnije će to biti lagana rešetka stabilne veličine koja nosi zavojnice magnetskog sustava. Trenutno se tzv. shema smatra najperspektivnijom. "ambipolarno ograničenje" ili "magnetska zrcala" (eng. tandem ogledala), iako su moguće i druge sheme zadržavanja: plinsko-dinamičke zamke, centrifugalno zadržavanje, obrnuto magnetsko polje (FRC). Po moderne procjene, duljina reakcijske "komore" bit će od 100 do 300 m s promjerom od 1-3 m. U komori reaktora stvaraju se uvjeti dovoljni za početak termonuklearne fuzije komponenti odabranog para goriva (temperature reda stotina milijuna stupnjeva, faktori Lawsonovog kriterija). Termonuklearno gorivo - prethodno zagrijana plazma iz mješavine komponenti goriva - dovodi se u komoru reaktora, gdje se odvija stalna reakcija fuzije. Generatori magnetskog polja (magnetske zavojnice jednog ili drugog dizajna) koji okružuju jezgru stvaraju polja visokog intenziteta i složene konfiguracije u komori reaktora, koja sprječavaju kontakt visokotemperaturne termonuklearne plazme sa strukturom reaktora i stabiliziraju procese koji se u njemu odvijaju. Termonuklearna zona "gorenja" (plazma baklja) formira se duž uzdužne osi reaktora. Rezultirajuća plazma, vođena sustavima magnetske kontrole, istječe iz reaktora kroz mlaznicu, stvarajući mlazni potisak.

Treba napomenuti mogućnost "multi-mode" rada TURD-a. Ubrizgavanjem relativno hladne tvari u mlaz plazme, ukupni potisak motora može se naglo povećati (smanjenjem specifičnog impulsa), što će omogućiti brodu s turboelisnim motorom učinkovito manevriranje u gravitacijskim poljima masivnih nebeskih tijela. , kao što su veliki planeti, gdje je često potreban veliki ukupni potisak motora. Prema općim procjenama, nuklearni motor takve konstrukcije može razviti potisak od nekoliko kilograma do desetaka tona sa specifičnim impulsom od 10 000 sekundi do 4 milijuna sekundi. Za usporedbu, specifični impuls najnaprednijih kemijskih raketnih motora je oko 450 sekundi.

TURD temeljen na sustavima inercijske fuzije (pulsni termonuklearni reaktor)

Motor drugog tipa je inercijski impulsni termonuklearni motor. U takvom reaktoru odvija se kontrolirana termonuklearna reakcija u pulsirajućem načinu (frakcije mikrosekunde s frekvencijom od 1-10 Hz), uz periodičnu kompresiju i zagrijavanje mikrometa koji sadrže termonuklearno gorivo. U početku se planiralo koristiti laserski fuzijski motor (LTYARD). Takav LTE je posebno predložen za međuzvjezdanu automatsku sondu u projektu Daedalus. Njegov glavni dio je reaktor koji radi u pulsirajućem načinu rada. Termonuklearno gorivo (na primjer, deuterij i tricij) dovodi se u sferičnu komoru reaktora u obliku meta - složenog dizajna sfera iz mješavine smrznutih komponenti goriva u ljusci promjera nekoliko milimetara. Na vanjskom dijelu komore nalaze se moćni - reda veličine stotina teravata - laseri, čiji nanosekundni puls zračenja pogađa metu kroz optički prozirne prozore u zidovima komore. U tom slučaju se na površini mete trenutno stvara temperatura veća od 100 milijuna stupnjeva pri tlaku od oko milijun atmosfera - uvjeti dovoljni za početak termonuklearne reakcije. Dolazi do termonuklearne mikroeksplozije snage nekoliko stotina kilograma TNT-a. Učestalost takvih eksplozija u komori u projektu Daedalus je oko 250 u sekundi, što je zahtijevalo punjenje goriva metama brzinom većom od 10 km/s pomoću EM topa. Ekspandirajuća plazma struji iz otvorenog dijela reaktorske komore kroz mlaznicu odgovarajućeg dizajna, stvarajući mlazni potisak. Sada je to teorijski i praktično dokazano laserska metoda kompresija/grijanje mikrometa je slijepa ulica - uključujući gotovo nemoguće izgraditi lasere takve snage s dovoljnim resursom. Stoga se za inercijalnu sintezu trenutno razmatra opcija s kompresijom/zagrijavanjem mikrometa ionskim snopom, jer je učinkovitija, kompaktnija i s puno duljim resursom.

Pa ipak, postoji mišljenje da je TURE temeljena na principu inercijskog pulsa preglomazna zbog vrlo velikih snaga koje kruže u njoj, s lošijim specifičnim impulsom i potiskom od TURE s magnetskim ograničenjem, što je uzrokovano pulsom -periodični tip njegovog djelovanja . Ideološki, eksplozivne rakete temeljene na termonuklearnim punjenjima kao što je projekt Orion susjedne su TURE-ima temeljenim na principu inercijskog pulsa.

Vrste reakcija i fuzijska goriva

TJARD može koristiti različite vrste termonuklearne reakcije ovisno o vrsti goriva koje se koristi. Konkretno, sljedeće vrste reakcija trenutno su načelno izvedive:

Reakcija deuterija + tricija (D-T gorivo)

2 H + 3 H = 4 He + n pri izlaznoj energiji od 17,6 MeV

Ova reakcija je najlakše izvediva sa stajališta moderne tehnologije, osigurava značajan učinak energije, komponente goriva su relativno jeftine. Nedostatak mu je vrlo velika izlazna količina neželjenog (i beskorisnog za izravno stvaranje potiska) neutronskog zračenja, koje odnosi većinu snage reakcije i naglo smanjuje učinkovitost motora. Tricij je radioaktivan, vrijeme poluraspada mu je oko 12 godina, odnosno nemoguće je njegovo dugoročno skladištenje. Istodobno, moguće je okružiti reaktor deuterij-tricij omotačem koji sadrži litij: potonji, ozračen strujom neutrona, pretvara se u tricij, koji u određenoj mjeri zatvara ciklus goriva, budući da reaktor radi u oplođivaču. način rada. Dakle, gorivo za D-T reaktor su zapravo deuterij i litij.

Reakcija deuterij + helij-3

2 H + 3 He = 4 He + str. s izlaznom energijom od 18,3 MeV

Uvjeti za njegovo postizanje mnogo su kompliciraniji. Helij-3 je također rijedak i izuzetno skup izotop. U industrijsko mjerilo trenutno se ne proizvodi. Iako izlazna energija D-T reakcije gore, D-3He reakcija ima sljedeće prednosti:

Smanjeni tok neutrona, reakcija se može klasificirati kao "bez neutrona",

Manja zaštitna masa od zračenja,

Manja težina magnetskih zavojnica reaktora.

Tijekom D-3 He reakcije, samo oko 5% snage se oslobađa u obliku neutrona (nasuprot 80% za D-T reakciju). Oko 20% se oslobađa u obliku x-zraka. Sva preostala energija može se izravno koristiti za stvaranje mlaznog potiska. Dakle, reakcija D-3He mnogo više obećava za upotrebu u nuklearnom reaktoru.

Ostale vrste reakcija

Reakcija između jezgri deuterija (D-D, monopropelant) D + D -> 3 He + n s energetskim prinosom od 3,3 MeV, i

D + D -> T + p+ s izlaznom energijom od 4 MeV. Prinos neutrona u ovoj reakciji je prilično značajan.

Moguće su i neke druge vrste reakcija:

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

U gornjim reakcijama nema prinosa neutrona.

Izbor goriva ovisi o mnogim čimbenicima - njegovoj dostupnosti i niskoj cijeni, izlaznoj energiji, lakoći postizanja uvjeta potrebnih za reakciju termonuklearne fuzije (prvenstveno temperaturi), potrebnim karakteristikama dizajna reaktora itd. Najperspektivniji za implementaciju nuklearnih raketnih motora su tzv. reakcije bez neutrona, budući da tok neutrona nastao termonuklearnom fuzijom (primjerice u reakciji deuterij-tricij) odnosi značajan dio snage i ne može se koristiti za stvaranje potiska. Osim toga, neutronsko zračenje stvara induciranu radioaktivnost u strukturi reaktora i broda, stvarajući opasnost za posadu. Reakcija deuterij-helij-3 je obećavajuća zbog nedostatka prinosa neutrona. Trenutno je predložen drugi koncept TNRE - korištenje malih količina antimaterije kao katalizatora za termonuklearnu reakciju.

Povijest, sadašnje stanje i perspektive razvoja TURD-a

Ideja o stvaranju TNRE pojavila se gotovo odmah nakon prvih termonuklearnih reakcija (ispitivanje termonuklearnih naboja). Jedna od prvih publikacija na temu razvoja TURD-a bio je članak J. Rossa objavljen 1958. godine. Trenutačno su u tijeku teorijski razvoj takvih tipova motora (osobito na temelju laserske termonuklearne fuzije) i, općenito, opsežna praktična istraživanja u području kontrolirane termonuklearne fuzije. Postoje solidni teorijski i inženjerski preduvjeti za implementaciju ovog tipa motora u dogledno vrijeme. Na temelju izračunatih karakteristika TNRE-a, takvi će motori moći osigurati stvaranje brzog i učinkovitog međuplanetarnog transporta za istraživanje Sunčevog sustava. Međutim, pravi uzorci TNRE-a još nisu stvoreni u ovom trenutku (2012.).

vidi također

Linkovi

• Kozmonautika XXI stoljeća: termonuklearni motori // novine “Za znanost”, 2003.
• New Scientist Space (01/23/2003): Nuklearna fuzija mogla bi pokretati NASA-ine svemirske letjelice (engleski)
• Fizička enciklopedija, tom 4, članak “termonuklearne reakcije”, na stranici 102, Moskva, “Big Russian Encyclopedia”, 1994., 704 str.