سوخت هسته ای برای چه مواردی استفاده می شود؟ نحوه تولید سوخت هسته ای (۹ عکس). از میله سوخت تا مونتاژ سوخت

انرژی هسته ای از تعداد زیادی شرکت برای اهداف مختلف تشکیل شده است. مواد اولیه این صنعت از معادن اورانیوم استخراج می شود. سپس به کارخانه های تولید سوخت تحویل داده می شود.

سپس سوخت به نیروگاه های هسته ای منتقل می شود و در آنجا وارد هسته راکتور می شود. هنگامی که سوخت هسته ای به پایان عمر مفید خود می رسد، در معرض دفع است. شایان ذکر است که زباله های خطرناک نه تنها پس از پردازش مجدد سوخت، بلکه در هر مرحله - از استخراج اورانیوم تا کار در راکتور - ظاهر می شوند.

سوخت هسته ای

دو نوع سوخت وجود دارد. اولین مورد اورانیوم استخراج شده در معادن است که منشاء طبیعی دارد. حاوی مواد خامی است که می تواند پلوتونیوم را تشکیل دهد. دوم سوختی است که به صورت مصنوعی (ثانویه) ایجاد می شود.

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 فقط در چند کشور انجام می شود: روسیه، فرانسه، استرالیا، ایالات متحده آمریکا، کانادا و آفریقای جنوبی.

اورانیوم عنصر اصلی سوخت 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 حین استخراج معادن، سلامت انسان در معرض خطر بزرگی قرار دارد، زیرا اورانیوم یک ماده سمی است و گازهایی که در حین استخراج آن ظاهر می شوند، اشکال مختلف سرطان را ایجاد می کنند. اگرچه خود سنگ معدن دارای 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 قرار دارند.

اورانیوم غنی شده سوخت اصلی نیروگاه های هسته ای است، اما پس از استفاده از آن مقدار زیادی زباله رادیواکتیو باقی می ماند. با وجود تمام خطرات، غنی‌سازی اورانیوم فرآیندی جدایی‌ناپذیر از تولید سوخت هسته‌ای است.

اورانیوم در شکل طبیعی خود عملاً در هیچ کجا قابل استفاده نیست. برای استفاده باید آن را غنی کرد. برای غنی سازی از سانتریفیوژهای گازی استفاده می شود.

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

حمل و نقل

در هر مرحله از چرخه سوخت حمل و نقل وجود دارد. با تمام ابزارهای موجود انجام می شود: زمین، دریا، هوا. این یک خطر بزرگ و یک خطر بزرگ نه تنها برای محیط زیست، بلکه برای انسان است.

در هنگام 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 راکتورها برچیده نشده است. حتی چرنوبیل بدنام تمام نکته این است که به گفته کارشناسان، هزینه برچیدن با هزینه ساخت یک راکتور جدید برابر یا حتی بیشتر از آن است. اما هیچ کس نمی تواند دقیقاً 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 مخازن قرار دهید.
2. بر روی راکتورهای از کار افتاده تابوت بسازید.

در ده سال آینده، حدود 350 راکتور در سراسر جهان به پایان عمر خود خواهند رسید و باید از مدار 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. تحقیقات 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 فعالیت 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 یا به صورت کم عمق در زیر زمین دفن می شوند.

امن ترین روش نگهداری 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 برای ذخیره سازی آن دارند. و این مهم ترین مشکل است.

یک عامل مهم مدت زمانی است که زباله ها خطرناک هستند. هر یک دوره پوسیدگی خاص خود را دارد که در طی آن سمی است.

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 نیروگاه هسته ای، تجهیزات آزمایشگاهی. چنین زباله هایی می توانند از موسسات پزشکی و آزمایشگاه های علمی نیز بیایند. آنها خطر بزرگی ایجاد نمی کنند، اما نیاز به رعایت اقدامات ایمنی 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 بالایی از سوخت هسته ای مصرف شده و محصولات بازفرآوری آن است. سطح رادیواکتیویته به سرعت در حال کاهش است. زباله های سطح بالا بسیار کوچک هستند، حدود 3 درصد، اما حاوی 95 درصد از کل رادیواکتیویته هستند.

با توجه به اینکه سوخت هسته ای از همه انواع سوختی که امروزه داریم کارآمدتر است، اولویت زیادی به هر چیزی که می تواند با کمک نیروگاه های هسته ای کار کند (نیروگاه های هسته ای، زیردریایی ها، کشتی ها و غیره) داده می شود. ما بیشتر در مورد چگونگی تولید سوخت هسته ای برای راکتورها صحبت خواهیم کرد.

اورانیوم به دو روش اصلی استخراج می شود:
1) استخراج مستقیم در معادن یا معادن در صورتی که عمق اورانیوم اجازه دهد. با این روش امیدوارم همه چیز روشن باشد.
2) شستشوی زیرزمینی. این زمانی است که چاه هایی در محلی که اورانیوم یافت می شود حفر می شود، محلول ضعیفی از اسید سولفوریک به داخل آنها پمپ می شود و محلول با اورانیوم تعامل می کند و با آن ترکیب می شود. سپس مخلوط حاصل به سطح پمپ می شود و اورانیوم با روش های شیمیایی از آن جدا می شود.

بیایید تصور کنیم که ما قبلاً اورانیوم را در معدن استخراج کرده ایم و آن را برای دگرگونی های بعدی آماده کرده ایم. عکس زیر به اصطلاح "کیک زرد"، U3O8 را نشان می دهد. در بشکه برای حمل و نقل بیشتر.

همه چیز خوب خواهد بود و از نظر تئوری می توان از این اورانیوم بلافاصله برای تولید سوخت نیروگاه های هسته ای استفاده کرد، اما افسوس. طبیعت مثل همیشه به ما کاری داد تا انجام دهیم. واقعیت این است که اورانیوم طبیعی از مخلوطی از سه ایزوتوپ تشکیل شده است. اینها U238 (99.2745٪)، U235 (0.72٪) و U234 (0.0055٪) هستند. ما در اینجا فقط به U235 علاقه مند هستیم - از آنجایی که کاملاً نوترون های حرارتی را در راکتور به اشتراک می گذارد، این است که به ما امکان می دهد از تمام مزایای واکنش زنجیره ای شکافت بهره مند شویم. متأسفانه غلظت طبیعی آن برای عملکرد پایدار و طولانی مدت یک راکتور مدرن نیروگاه هسته ای کافی نیست. اگرچه، تا آنجا که من می دانم، دستگاه RBMK به گونه ای طراحی شده است که می تواند با سوخت ساخته شده از اورانیوم طبیعی پرتاب شود، اما پایداری، دوام و ایمنی کار بر روی چنین سوختی به هیچ وجه تضمین نمی شود.
ما نیاز به غنی سازی اورانیوم داریم. یعنی غلظت U235 را از طبیعی به غلظت مورد استفاده در راکتور افزایش دهید.
به عنوان مثال، راکتور RBMK با اورانیوم غنی شده 2.8 درصد کار می کند، در حالی که راکتور VVER-1000 با اورانیوم 1.6 تا 5.0 درصد کار می کند. نیروگاه های هسته ای دریایی و دریایی سوخت غنی شده تا 20 درصد مصرف می کنند. و برخی از راکتورهای تحقیقاتی بر روی سوخت با غنی‌سازی 90 درصد کار می‌کنند (به عنوان مثال، IRT-T در تومسک).
در روسیه غنی سازی اورانیوم با استفاده از سانتریفیوژهای گازی انجام می شود. یعنی آن پودر زرد رنگی که قبلا در عکس بود به گاز هگزافلوراید اورانیوم UF6 تبدیل می شود. سپس این گاز به آبشاری از سانتریفیوژها وارد می شود. در خروجی از هر سانتریفیوژ، به دلیل تفاوت وزن هسته‌های U235 و U238، هگزا فلوراید اورانیوم را با مقدار کمی افزایش یافته از U235 به دست می‌آوریم. این فرآیند بارها تکرار می شود و در نهایت با غنی سازی مورد نیاز اورانیوم هگزا فلوراید بدست می آوریم. در عکس زیر فقط می توانید مقیاس آبشار سانتریفیوژها را ببینید - تعداد زیادی از آنها وجود دارد و تا فواصل دور گسترش می یابند.

سپس گاز UF6 به شکل پودر به UO2 تبدیل می شود. به هر حال، شیمی یک علم بسیار مفید است و به ما امکان می دهد چنین معجزاتی را ایجاد کنیم.
با این حال، این پودر را نمی توان به راحتی در راکتور ریخت. یا بهتر است بگوییم، شما می توانید به خواب بروید، اما هیچ چیز خوبی از آن حاصل نمی شود. آن (پودر) را باید به شکلی برسانیم که بتوانیم آن را برای مدت طولانی، سال‌ها در راکتور فرو ببریم. در این حالت خود سوخت نباید با مایع خنک کننده تماس پیدا کند و از هسته خارج شود. و علاوه بر همه اینها، سوخت باید فشارها و دماهای بسیار بسیار شدیدی را که در هنگام کار در داخل راکتور در آن ایجاد می شود، تحمل کند.
به هر حال، فراموش کردم بگویم که پودر نیز هر نوع نیست - باید اندازه خاصی داشته باشد تا در حین فشار دادن و پخت، حفره ها و ترک های غیر ضروری ایجاد نشود. ابتدا، قرص ها از پودر با فشار دادن و پخت طولانی مدت ساخته می شوند (تکنولوژی واقعا دشوار است، اگر نقض شود، قرص های سوخت قابل استفاده نخواهند بود). من تنوع تبلت ها را در عکس زیر نشان خواهم داد.

سوراخ ها و فرورفتگی هایی روی قرص ها برای جبران انبساط حرارتی و تغییرات تشعشع مورد نیاز است. در راکتور، با گذشت زمان، قرص ها متورم می شوند، خم می شوند، اندازه تغییر می کنند و اگر چیزی فراهم نشود، می توانند فرو بریزند و این بد است.

سپس قرص های تمام شده در لوله های فلزی (ساخته شده از فولاد، زیرکونیوم و آلیاژهای آن و سایر فلزات) بسته بندی می شوند. لوله ها در دو انتها بسته شده و مهر و موم شده اند. لوله تمام شده با سوخت عنصر سوخت نامیده می شود - عنصر سوخت.

راکتورهای مختلف به عناصر سوختی با طرح‌ها و غنی‌سازی‌های متفاوت نیاز دارند. برای مثال میله های سوخت RBMK 3.5 متر طول دارند. به هر حال، عناصر سوخت فقط میله نیستند. همانطور که در عکس است. آنها در نوع بشقاب، حلقه ای، و انواع مختلف و تغییرات مختلف هستند.
سپس عناصر سوخت در مجموعه های سوخت - FA ها ترکیب می شوند. مجموعه سوخت راکتور RBMK از 18 میله سوخت تشکیل شده است و چیزی شبیه به این است:

مجموعه سوخت یک راکتور VVER به شکل زیر است:
همانطور که می بینید، مجموعه سوخت راکتور VVER از تعداد بسیار بیشتری میله های سوخت نسبت به RBMK تشکیل شده است.
سپس محصول ویژه نهایی (FA) با رعایت نکات ایمنی به نیروگاه هسته ای تحویل داده می شود. چرا اقدامات احتیاطی؟ سوخت هسته ای اگرچه هنوز رادیواکتیو نیست، اما بسیار با ارزش، گران است و در صورت استفاده بسیار بی دقت می تواند مشکلات زیادی را ایجاد کند. سپس کنترل نهایی وضعیت مجموعه سوخت و بارگیری در راکتور انجام می شود. تمام است، اورانیوم از سنگ معدن زیرزمینی تا یک دستگاه با تکنولوژی بالا در داخل یک راکتور هسته ای راه طولانی را طی کرده است. اکنون او سرنوشت دیگری دارد - برای چندین سال در داخل راکتور فشار وارد کند و گرمای گرانبهایی را آزاد کند که آب (یا هر خنک کننده دیگر) از او می گیرد.

یک ماشین مدرن می تواند با بنزین با رتبه اکتان 72 کار کند - اما یک سواری غم انگیز و کند خواهد بود. یک نیروگاه هسته ای قادر به کار با سوخت 50 سال پیش است - اما این نیروگاه قادر نخواهد بود قابلیت های جدیدی را که توسط طراحانش در آن گنجانده شده است، درک کند. از زمان ایجاد اولین نیروگاه هسته ای، دانشمندان هسته ای به طور مداوم برای بهبود کیفیت سوخت هسته ای و افزایش مزایای انرژی هسته ای تلاش کرده اند.

همه ما دیده‌ایم و عادت کرده‌ایم که نیروگاه‌های هسته‌ای چگونه به نظر می‌رسند - ساختارهای غول‌پیکری که می‌توان و باید آنها را یکی از نمادهای مرحله مدرن توسعه تمدن بشری در نظر گرفت. توربین‌های عظیمی که روتور چرخان آن جریان الکتریکی عظیمی ایجاد می‌کند، پمپ‌های قدرتمندی که آب را در هسته راکتور تحت فشار بالا هدایت می‌کنند، رگ‌های راکتور بادوام، پوسته‌های مهر و موم شده اضافی که می‌توانند در برابر زلزله و سقوط هواپیماها مقاومت کنند. خطوط لوله مدارهای اولیه و ثانویه، برج های خنک کننده غول پیکر که در آنها آب مدار ثانویه خنک می شود - همه چیز در اینجا 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 رخ می دهد. 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. اینها همه، تجهیزات بزرگ و زیبا و پیچیده ای است که نیاز به تلاش زیادی در تولید و عملیات دارد - فقط "خدمات" برای گلوله های سوخت.

انرژی هسته ای بدون فرمول

صحبت در مورد اینکه سوخت هسته ای از یک نیروگاه هسته ای چیست بسیار دشوار است - در موارد معمولی، توصیف به فرمول های ریاضی چند سطحی، فیزیک اتمی و سایر مکانیک های کوانتومی نیاز دارد. بیایید سعی کنیم همه اینها را انجام دهیم تا بفهمیم چگونه دانشمندان هسته ای ما اورانیوم را رام کردند و آن را به منبع قابل اعتماد انرژی الکتریکی تبدیل کردند که به شدت به آن نیاز داریم. به نظر ما منطق و عقل سلیم ساده روزمره برای این کار کافی خواهد بود و نقطه شروع، توصیف مدرسه ای از واکنش زنجیره ای شکافت خواهد بود. یاد آوردن؟

"یک نوترون به هسته اورانیوم برخورد می کند، دو نوترون را به طور همزمان از آن خارج می کند، که اکنون به چند هسته برخورد می کند، و همزمان چهار نوترون را از بین می برد..."

واکنش زنجیره ای هسته ای

از نظر ریاضی، با ضریب ضرب نوترون برابر با دو، یک واکنش زنجیره ای کنترل شده غیرممکن است. تعداد نوترون‌های آزاد و رویدادهای فروپاشی هسته‌های اورانیوم چنان 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 "ابتدای" آزاد باید منجر به ظهور 102 نوترون آزاد "دوم" شود. نسل»، بقیه باید حذف شوند، جذب شوند، خنثی شوند - این فرآیند را هر چه می خواهید بنامید، اما باید اتفاق بیفتد. این مقدار آستانه از نظر تئوری محاسبه شد، که برای آن "متشکرم" ویژه 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 محاسبات را انجام دادند، اما مهندسان عملی بقیه کار را انجام دادند و روش هایی را برای استفاده از موادی که نوترون های اضافی را در هسته راکتور جذب می کنند، ابداع کردند و "خنثی کننده های نوترونی" را اختراع کردند.

شیمی زندگی است

چگونه اورانیوم بر اساس محتوای ایزوتوپ 235 غنی می شود، مجله آنلاین تحلیلی Geoenergetics.ruمن قبلاً به شما گفتم که ابتدا اورانیوم باید به گاز تبدیل شود، به فلوراید اورانیوم، سپس با استفاده از سانتریفیوژهای گازی اتم‌های سنگین را "از بین ببرید"، به همین دلیل تعداد اتم‌های سبک افزایش می‌یابد (هسته ایزوتوپ اصلی اورانیوم). حاوی 238 پروتون و نوترون است، چنین اتمی سه واحد اتمی بزرگتر از اتم اورانیوم 235 وزن دارد. عالی - فلوراید در اورانیوم 235 غنی تر شده است، همه چیز خوب است. و سپس - چه و چگونه؟ مسیر سوخت هسته ای به راکتورهای نیروگاه هسته ای در دستان دلسوز شیمیدانانی آغاز می شود که کارهای بسیار مهمی را انجام می دهند - آنها گاز را به یک ماده جامد تبدیل می کنند و به نوعی که دانشمندان هسته ای به آنها "سفارش" کردند. آنچه انرژی هسته ای را بسیار شگفت انگیز می کند این است که فقط به فیزیک اتمی محدود نمی شود، از ده ها رشته علمی به طور همزمان استفاده می کند 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 های حاوی یک اتم اورانیوم و دو اتم اکسیژن. چرا او؟ بله، بسیاری از خواص این مولکول ها به طرز دردناکی خوب است. نقطه ذوب دی اکسید اورانیوم 2840 درجه است. دی اکسید اورانیوم نسبت به به اصطلاح تورم گاز حساس نیست - یک پدیده جالب، اما برای انرژی هسته ای مضر است. آنچه در هسته راکتور اتفاق می افتد تجسم رویای کیمیاگران قرون وسطی است که برخی از عناصر شیمیایی به عناصر دیگر کاملاً متفاوت از آنها در آنجا اتفاق می افتد. 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 دقیقاً چگونه شکافت رخ می‌دهد و چه هسته‌های جدیدی تشکیل می‌شوند، یک موضوع شانسی است، اما آمار نشان می‌دهد که در میان دیگر قطعات شکافت، گازهایی نیز وجود دارد. آنها در داخل گلوله سوخت جمع می شوند و همانطور که گازها باید رفتار می کنند - آنها سعی می کنند تا حد ممکن حجم را اشغال کنند، آنها سعی می کنند به معنای واقعی کلمه گلوله سوخت را تکه تکه کنند. موافقم، هیچ چیز مفیدی در این کار وجود ندارد - ما نیاز داریم که گلوله سوخت دست نخورده و سالم باشد تا بتواند تا زمانی که ممکن است در هسته باقی 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 نیازی به تحصیلات عالی فیزیک نیست. سوختن سوخت بخشی از هسته‌های اورانیوم است که در مواجهه با نوترون‌ها دچار دگرگونی هسته‌ای شده‌اند. 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 و گرمایی را از آنها دریافت کنیم که برای تولید برق استفاده می شد. بنابراین سوزاندن سوخت یکی از پارامترهای اقتصادی اصلی یک نیروگاه هسته ای است. اگر 100 کیلوگرم اورانیوم 235 را در هسته قرار دهیم و در پایان کارزار سوخت 99 کیلوگرم از آن را از آن خارج کنیم - چنین طراحی هسته، راکتور و نیروگاه هسته ای بی ارزش است. اما اگر معلوم شود که هیچ اورانیوم 235 در گلوله سوختی که از هسته برداشته شده است باقی نمانده است، پس طراحان به خوبی عمل کرده اند و زمان آن فرا رسیده است که به هر یک از آنها یک جایزه نوبل یا بهتر است بگوییم دو جایزه اعطا کنند.

در واقع، نرخ فرسودگی 100٪ در اصل دست نیافتنی است، اما این بدان معنا نیست که آنها برای آن نمی جنگند - برای هر درصد نبردهای جدی وجود دارد. هر چه عمق سوختن بیشتر باشد، هزینه الکتریسیته حاصله کمتر است و رقابت با انرژی مبتنی بر احتراق هیدروکربن‌ها لغو نشده است. علاوه بر این، هر چه قرص طولانی‌تر می‌سوزد، راکتور کمتر به شارژ مجدد سوخت نیاز دارد. طراحی VVER (راکتور قدرت آب خنک شده با آب خنک) به گونه ای است که وقتی راکتور کاملا متوقف شده و خنک می شود سوخت تغییر می کند - ایمن تر است. هر چه این خاموشی ها کمتر باشد، ضریب ظرفیت بهره برداری از ظرفیت نصب شده، دومین شاخص اقتصادی مهم یک نیروگاه هسته ای است. برگه اطلاعات فنی جاروبرقی شما قدرت آن را بیان می کند - مثلاً 1200 وات ساعت. اما اگر جاروبرقی دقیقاً یک ساعت کار کند، 1200 وات دریافت خواهید کرد، در حالت کار نیم ساعت - نیم ساعت "چیزی کمر شما را گرفت" فقط 600 وات دریافت خواهید کرد، یا به عبارت دیگر، ظرفیت جاروبرقی تنها 50٪ 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 صرفه اقتصادی یک نیروگاه حرارتی و حتی اقتصادی یک نیروگاه برق آبی سودآورتر باشد. .

به نظر می رسد - چگونه می توانید نتایج اقتصادی سودآورتری نسبت به یک نیروگاه برق آبی نشان دهید 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 هیدرولیک نمی ریزد، این به حجم بسیار خاصی از آب در مخزن نیاز دارد. 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، سوخت و 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 های سوخت - گام به گام

خیلی چیزها را می توان با کلمات ساده توضیح داد، اما انجام چنین تمرینی برای توصیف کار شیمیدانان از کلمه "به طور کلی" غیرممکن است، بنابراین آماده باشید. گاز فلوراید اورانیوم ابتدا از یک محلول آبی عبور داده می شود تا فلوراید اورانیل به دست آید که با آمونیاک و باقی مانده اسید کربنیک اسید مخلوط می شود. نتیجه آمونیوم اورانیل کربنات است که رسوب می کند - در نظر بگیرید که نیمی از نبرد قبلاً انجام شده است، ما حداقل چیزی جامد داریم، نه گازی. سوسپانسیون از یک فیلتر عبور داده می شود، شسته می شود و به کوره بستر سیال فرستاده می شود، جایی که به دلیل دمای بالا، تمام ناخالصی های غیر ضروری متلاشی می شوند و پسماند خشکی از پودر تری اکسید اورانیوم باقی می ماند (به ازای هر 1 اتم اورانیوم در این مولکول، 3 عدد وجود دارد. اتم های اکسیژن). همین، حالا او تقریباً مال ماست!

منطقه تولید پودر دی اکسید اورانیوم با استفاده از هیدرولیز حرارتی با دمای بالا

دما دوباره بالا است - 500 درجه، اما این بار با عبور هیدروژن، که اتم اکسیژن اضافی را می گیرد، و شیمیدان ها با آرامش به یک استراحت ناهار می روند و به فیزیکدانان اجازه می دهند تا دی اکسید اورانیوم مورد علاقه خود را بگیرند. با این حال، آنها زود خوشحال می شوند - بلافاصله توسط متالورژی ها به دست های دراز شده شان سیلی می زنند، زیرا قرص 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 - تقریباً تا حد گرد و غبار خرد می شود. پس از افزودن چسب ها و روان کننده ها، قرص ها مجددا فشرده و بازپخت می شوند تا ناخالصی های غیر ضروری از بین بروند. پس از این، دما به 1750 درجه افزایش می یابد، قرص ها متراکم تر، سنگین تر می شوند - اکنون می توان آنها را با استفاده از روش های مکانیکی پردازش کرد. آسیاب استوانه ای برای بدست آوردن ابعاد مورد نیاز وارد بازی می شود - همین.

منطقه تولید گلوله اورانیوم

نه، خوب، نه کاملاً "همه"، زیرا بلافاصله پس از این بازرسان برای بررسی ابعاد هندسی، کیفیت سطح، رطوبت و نسبت اتم های اکسیژن و اورانیوم به کارگاه می آیند. لطفاً توجه داشته باشید که بررسی نسبت اتم های اورانیوم-235 و اورانیوم-238 ضروری نیست - مهم نیست شیمیدان ها چه دستکاری هایی انجام می دهند، اقدامات آنها بر ترکیب هسته های اتمی تأثیر نمی گذارد. نتیجه همه این کارها قرص های سوختی با وزن تنها 4.5 گرم است، اما این گلوله های ریز حاوی انرژی برابر با 400 کیلوگرم زغال سنگ، 360 متر مکعب گاز طبیعی یا 350 کیلوگرم نفت هستند.

تولید و کنترل فنی گلوله های سوخت سرامیکی هسته ای

طیف وسیعی از تبلت 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 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 درصد از محصولات تجزیه را در داخل خود 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 خنک کننده حداقل باشد - در غیر این صورت محصولات پوسیدگی رادیواکتیو با تمام عواقب ناخوشایند ناشی از آن فرصتی برای فرار به محیط خارجی دارند.

میله سوخت فقط یک "لوله بلند" نیست

خوب، تبلت ها ساخته شده اند، بعد چه؟ ایده یک راکتور هسته ای ساده است - خنک کننده باید تمام گرمای آزاد شده در نتیجه واکنش های هسته ای را "حذف کند". این حذف یکباره نیست. در راکتورهای VVER این کار با عبور آب از هسته تحت فشار بالا انجام می شود. قرص‌های سوخت را مانند کوفته‌ها در داخل آب جوش بریزید؟ این یک گزینه بسیار معقول تر است که مطمئن شویم گلوله های سوخت ساکن هستند، که در امتداد آن جریانی از آب تحت فشار عبور می کند و انرژی حرارتی تولید شده در طی واکنش های هسته ای را از بین می برد. در نتیجه، نوعی "گیره" مورد نیاز است که برای اطمینان از محل ثابت سوخت طراحی شده است - این یک لوله با دیواره نازک توخالی است که در داخل آن گلوله های سوخت قرار دارد - میله سوخت، عنصر سوخت.

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

چرا دیوار نازک؟ به طوری که گرمای تولید شده در گلوله های سوخت را می توان تقریباً بدون مانع توسط آب "حذف" کرد، 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 عنصر سوخت به طور مداوم در آب است، بنابراین مواد آن نباید از خوردگی بترسد. شرط سوم نیز واضح است - این ماده باید در برابر رادیواکتیویته بالای ثابت مقاومت کند، بدون اینکه به فرآیندهای هسته ای اساسی آسیب برساند. 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. این مجموعه الزاماتی است که یک چیز "ساده" مانند دیواره نازک میله سوخت باید برآورده شود.

در مرحله توسعه انرژی هسته ای، فولاد ضد زنگ به چنین ماده ای تبدیل شد، اما این مدت طولانی طول نکشید - معلوم شد که فولاد بیش از حد نوترون های آزاد را می گیرد، چیزی کمتر حریصانه مورد نیاز است. در این زمان، دانشمندان هسته ای به طور کامل کار کرده بودند و فلزی با حداقل سطح مقطع جذب نوترون - زیرکونیوم - پیدا کردند. در این صورت کلمه «بخش» جایگزین کلمه «احتمال» می شود. احتمال اینکه یک نوترون عبوری در دام خود توسط هسته اتم زیرکونیوم گرفتار شود حداقل است، در حالی که زیرکونیوم دارای ضریب انتقال حرارت عالی است، با آب برهمکنش نمی کند، فقط در دمای بالای 1855 درجه ذوب می شود. ضریب انبساط حرارتی بسیار پایینی دارد - در عوض برای اینکه هنگام گرم شدن "متورم" شود، به سادگی گرما را به محیط خارجی "تخلیه" می کند. موافقم - این به سادگی یک ماده ایده آل برای انرژی هسته ای است، اگر بتوانید با خلوص شیمیایی ایده آل به آن دست یابید، زیرا هر ناخالصی تمایل دارد به طور فعال نوترون های آزاد را "خورد".

کارگاه تولید میله سوخت و مونتاژ سوخت

به محض اینکه متالوژیست ها اعلام کردند که یاد گرفته اند با این کار کنار بیایند، انرژی هسته ای به زیرکونیوم تبدیل شد. 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 تولید پوشش های عنصر سوخت از آلیاژ E-110 روی آورد - یک درصد نیوبیم به زیرکونیوم اضافه می شود و این افزایش اندک به طور قابل توجهی مقاومت در برابر خوردگی مواد را افزایش می دهد. خواص مکانیکی آلیاژ مورد استفاده کنونی E-365 که علاوه بر زیرکونیوم و نیوبیم حاوی آهن و قلع است، از خواص مکانیکی بهتری نیز برخوردار است. هر مرحله در تولید میله های سوخت بسیار مهم است، وجود این عناصر باعث می شود که بتوان با جوشکاری و سایر روش های اتصال مواد مختلف بهتر کنار آمد. عناصر سوخت تولید شده در روسیه تمام الزامات آژانس بین المللی انرژی اتمی را برآورده می کند، عملکرد عالی را نشان می دهد و بهبود شاخص های اقتصادی انرژی هسته ای را ممکن می سازد.

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

میله سوخت در بخش، شکل: heuristic.su

در اینجا توضیح مختصری از میله سوخت با محتویات داخل آن آورده شده است. طول - 3.8 متر، قطر بیرونی - 9.1 میلی متر. در داخل قرص های دی اکسید اورانیوم با قطر بیرونی 7.57 میلی متر و ارتفاع 20 میلی متر در مرکز هر قرص سوراخی به قطر 1.2 میلی متر وجود دارد. گلوله دیواره های میله سوخت را لمس نمی کند، شکاف و سوراخ داخل گلوله ها به گونه ای طراحی شده اند که میله سوخت می تواند گازهای رادیواکتیو تشکیل شده در هنگام فروپاشی هسته ای را حفظ کند. گلوله ها در داخل عنصر سوخت با بوشینگ ثابت می شوند، طول کل ستون گلوله ها 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 چیزی جالب در آن وجود داشته باشد؟ اما در طول واکنش های هسته ای، دما در قسمت مرکزی قرص به 1500-1600 درجه می رسد و در سطح بیرونی - فقط 470 درجه. اختلاف هزار درجه در فاصله 3-4 میلی متری، فلز تبدیل می شود. گاز - معجزات درون قرص های کوچک از این قبیل است.

از میله سوخت تا مونتاژ سوخت

آنها قرص ها را ساختند، آنها را در میله سوخت قرار دادند - این است؟ البته نه - لوله همراه با سوخت تنها 2.1 کیلوگرم وزن دارد، چنین جرم اورانیوم برای عملیات طولانی مدت کافی نیست. مرحله بعدی در تشکیل سوخت هسته ای، تشکیل مجموعه های سوخت و مجموعه های سوخت است. برای گسترده ترین راکتور در روسیه، VVER-1000، میله های سوخت 312 در یک مجموعه سوخت مونتاژ می شوند و 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 یک به اصطلاح ساقه وجود 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 فنری به سر متصل می شوند - میله های سوخت را از شناور شدن در حین کار راکتور محافظت می کند. بله، اورانیوم یک عنصر سنگین است، زیرکونیوم را نیز نمی توان سبک نامید، اما لازم به یادآوری است که دبی نامی آب از طریق مجموعه های سوخت 500 متر مکعب در ساعت است، آب در امتداد میله های سوخت با سرعت 200 کیلومتر در حرکت می کند. h در جهت از پایین به بالا - چنین جریانی هر چیزی را مجبور می کند ظاهر شود. میله‌های سوخت با استفاده از شبکه‌های اسپیسر از یکدیگر جدا می‌شوند که این لوله‌ها را در مکان‌های منظم خود نگه می‌دارند و کارآمدترین حذف گرما را تضمین 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 شبکه های اسپیسر، کنترل کیفیت

و با این وجود، حتی این نیز ما را به طور کامل از مشکل خم شدن میله های سوخت و مجموعه های سوخت نجات نداد. مجموعه‌های ما نمی‌توانستند بارهای محوری مکانیکی را تحمل کنند - تقریباً چهار متر طول با ضخامت پوسته 0.65 میلی‌متر، جریان قدرتمند آب و دمای بالا کار خود را انجام دادند. در سال 1993، سرانجام 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 - وضعیت با این مشکل در کشورهای غربی چگونه است. IAGTE نظرسنجی مربوطه را 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 - کارایی مالک خصوصی در مقایسه با بخش دولتی ناشیانه 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 وزارت ماشین سازی متوسط ​​عمل کرد - حل مشکل را همزمان به دو دفتر طراحی سپرد تا در نتیجه کشمکش بین دو پروژه خوب، پیروزی نصیب بهترین ها شود. شرکت کنندگان در رقابت سرمایه داری Podolsk OKB (دفتر طراحی آزمایشی) "Gidropress" و نیژنی نووگورود OKBM (OKB Mashinostroeniya) بودند. آفریکانتوا. هر دو دفتر طراحی در حال حاضر بخشی از هلدینگ ماشین سازی آتومنارگوماش هستند، اما این از شدت رقابت نمی کاهد.

رقابت موتور پیشرفت است

ساکنان نیژنی نووگورود یک طرح TVS را توسعه دادند که با پیشرفت توسعه، مخفف TVSA را دریافت کرد، تغییرات TVSA-12، TVSA-PLUS، TVSA-T یکی پس از دیگری ظاهر شد. ویژگی اصلی آن این است که گوشه ها شروع به جوش دادن به شبکه های فاصله ساز برای افزایش استحکام سازه کردند، اما Gidropress این مفهوم را نپذیرفت - مقدار اضافی زیرکونیوم، که گوشه ها از آن ساخته شده اند، در هسته، با توجه به کارشناسان، می توانند بر ویژگی های نوترونی مناطق هسته راکتور تأثیر منفی بگذارند. اصلاحات ایجاد شده در Gidropress با نام اختصاری UTVS (Advanced TVS) از جوشکاری صلب شبکه‌های فاصله‌دهنده و کانال‌های راهنما استفاده نمی‌کند. در کودانکولام هند." با این حال، اینکه بگوییم این توسعه فقط توسط کارمندان دفتر طراحی Gidropress انجام شده است، نادرست است. بوچوارا. اما نتیجه مهم است - آزمایش آزمایشی در NPP روستوف نتایج عالی را نشان داد، مشتریان خارجی از افزایش قابلیت اطمینان UTVS بسیار خوشحال بودند.

مونتاژ تیر

تماشای جزییات جدال بین دو دفتر طراحی، منظره جذابی است، اما جزئیات فنی آنقدر زیاد است که به تلاش مترجمان حرفه ای نیاز است. توری های عریض و باریک، گریتینگ های پراکنده، توربولاتورها و منحرف کننده ها، گریتینگ ها با کانال های مورب، تقویت کننده های انتقال حرارت، سرعت بارگذاری کاست ها در هسته، ترکیب با عملکرد ماشین های بارگذاری مجدد، اصطلاحات هیدرودینامیک و ترمومکانیک - این واقعاً یک کاملاً مجزا است. زبان ... برای انرژی هسته ای مهم نتیجه ای که هر دو دفتر طراحی به دست آوردند که اختلاف علمی و خلاقانه آنها تا امروز ادامه دارد. بهبودها و اصلاحات امکان استفاده از سوخت با غنی‌سازی بیشتر در محتوای اورانیوم 235 را فراهم می‌کند - این رقم 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 و به ما امکان می دهد در شرایط برابر با انرژی هیدروکربنی از نظر هزینه برق تولید شده رقابت کنیم و چشم انداز توسعه انرژی هسته ای را بیش از پیش دلگرم کننده 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 که به مزیت رقابتی دیگری در بازار بین المللی تبدیل شده است.

مونتاژ سوخت به پایان رسید

البته UTVS به نوعی "نهایی" برای بهبود مجموعه های سوخت تبدیل نشد. مزیت اصلی UTVS در مقایسه با سوخت نسل قبلی با انتقال از فولاد ضد زنگ به زیرکونیوم به آلیاژ E-110 ارائه شد. توسعه دهندگان توانستند استحکام ساختار را بدون استفاده از گوشه ها افزایش دهند - آنها شبکه های فاصله دهنده 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 ظرفیت است.

سوخت جدید برای ایران

از ابتدای سال 2014، روند مذاکرات بین این دو آغاز شد TVELو مشتری ایرانی با نمایندگی سازمان انرژی اتمی ایران (AEOI)و شرکت تولید و توسعه نیروی هسته ای ایران (NPPD)در مورد انتقال نیروگاه بوشهر به کاست های سوخت جدید - TVS-2M. برای اطمینان از روند مذاکره TVELیک "مطالعه امکان سنجی برای اجرای 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. بهترین راه برای متقاعد کردن یک مشتری بالقوه، بازاریابی سرزده در انرژی هسته ای نیست، این رویکرد تقریباً هرگز نتیجه نمی دهد. شرکت سوخت روسیه به سادگی تجزیه و تحلیلی از نتایج اجرای TVS-2M در VVER-1000 روسی و در نیروگاه تیانوان در چین - راکتورهایی از همان نوع که به عنوان بخشی از واحد نیرو در بوشهر کار می کنند 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 تأیید کنند که سوخت سوزی افزایش یافته، مدت زمان کمپین های سوخت افزایش یافته و ضریب ظرفیت افزایش یافته است.

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

نتیجه مذاکرات با مشتری ایرانی کاملا طبیعی است. در فروردین امسال TVELامضا شده با AEOIو NPPDموافقتنامه الحاقی به قرارداد فعلی تامین سوخت نیروگاه بوشهر - از سال 2020 TVELعرضه TVS-2M به ایران را آغاز خواهد کرد. هیچ عجله ای وجود ندارد، هیچ هیاهویی وجود ندارد - صرفاً پروژه های هسته ای ما و ایران که ما از آنها حمایت می کنیم، به طور مداوم توسعه می یابند و به مصرف کنندگان برق در حجم مورد نیازشان ارائه می کنند. احتمالاً در آینده نزدیک متوجه خواهیم شد که مشتریان هند و چین در این مورد چه فکری می کنند. افزایش شاخص های اقتصادی واحدهای نیرو به دلیل استفاده از سوخت جدید بدون تغییرات قابل توجه در مجموعه تجهیزات به قدری قابل توجه است که این اطمینان وجود دارد که بازتاب زیاد طول نخواهد کشید. ما فقط می توانیم تحولات بعدی رویدادها را دنبال کنیم و یک بار دیگر تبریک بگوییم 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 در این بخش به طور مداوم در حال رخ دادن است. سوخت برای VVER-1200 توسعه یافته است، توسعه سوخت برای انواع دیگر راکتورها در حال انجام است، TVELبه همراه شرکای فرانسوی به تولید سوخت برای راکتورهای طراحی غربی ادامه می دهد. TVELسوخت TVS-Kvadrat به طور مستقل توسعه یافته است، که در نیروگاه هسته ای Ringhals سوئد آزمایش می شود و برای بازار آمریکا مجوز دارد. شرکت ها TVELدر حال تولید سوخت برای BN-800 هستند، یک دسته آزمایشی از سوخت REMIX تولید شده است، و توسعه سوخت نیترید برای یک راکتور امیدوار کننده خنک‌کننده سرب در حال تکمیل است. Rosatomو فکر نمی‌کند که بتواند از پس آن برآید.

سوخت هسته‌ای «قلب» انرژی هسته‌ای است که نظارت بر نحوه ایجاد انواع جدید آن و نتایجی که هنگام استفاده از آن‌ها به دست می‌دهد، از این جهت مفید است که به شما امکان می‌دهد هزینه‌های تولید برق در نیروگاه‌های هسته‌ای و نیروگاه‌های حرارتی را مقایسه کنید. . علاوه بر این، این بار ما به نتایج توسعه دهندگان انواع جدید سوخت در OKBM im اشاره نکردیم. Afrikantova - و ایده های آنها نیز بسیار فعال استفاده می شود Rosatom. در یک کلام، داستان امروز در مورد سوخت هسته ای بعید است که تنها مورد باقی بماند.

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

در تماس با

اورانیوم عنصر اصلی انرژی هسته ای است که به عنوان سوخت هسته ای، ماده خام برای تولید پلوتونیوم و در سلاح های هسته ای استفاده می شود. محتوای اورانیوم در پوسته زمین 2.5-10 -4٪ است و مقدار کل در یک لایه 20 کیلومتری ضخیم از لیتوسفر به 1.3-10 14 تن می رسد. با این حال، اورانیوم یک عنصر کمیاب است. این بدان معنی است که غلظت آن در سنگ ها اغلب برای تولید تجاری قابل دوام کافی نیست. محتوای اورانیوم در سنگ معدن یکی از پارامترهای کلیدی است که هزینه تولید را تعیین می کند. سنگ معدن اورانیوم حاوی 0.03-0.10٪ اورانیوم ضعیف، معمولی - 0.10-0.25٪، متوسط ​​- 0.25-0.5٪، غنی - بیش از 0.50٪ 1 در نظر گرفته می شود.

اورانیوم دارای 14 ایزوتوپ است، اما تنها سه مورد از آنها در طبیعت وجود دارد (جدول 1.6).

جدول 1.6

بر اساس آخرین داده ها، حجم ذخایر اورانیوم اکتشاف شده که هزینه تولید آن از 130 دلار به ازای هر کیلوگرم U بیشتر نیست، برای دسته ای با هزینه تولید کمتر از 260 دلار در کیلوگرم U-7،096،000 تن است همچنین میزان اورانیوم موجود در ذخایر به اصطلاح پیش بینی شده و تخمینی به 10429100 تن می رسد.

میز 1.7

کشورهای دارای بزرگترین ذخایر اثبات شده اورانیوم با ارزش بیش از 130 دلار / کیلوگرم U.

در سال‌های اخیر، توزیع ذخایر اورانیوم به تفکیک کشورها تا حدودی تغییر کرده است، زیرا طی بررسی تعدادی از ذخایر اورانیوم، منابع اضافی در کشورهای آفریقایی (بوتسوانا، زامبیا، جمهوری اسلامی موریتانی، مالاوی، مالی) کشف شد. ، نامیبیا، جمهوری متحد تانزانیا). همچنین ذخایر جدیدی در گویان، کلمبیا، پاراگوئه، پرو و ​​سوئد کشف شد.

مواد معدنی اصلی حاوی اورانیوم عبارتند از: اورانینیت (مخلوطی از اکسیدهای اورانیوم و توریم با فرمول عمومی (U, Th)0 2x)، پیچبلند (اکسیدهای اورانیوم: U0 2، U0 3، همچنین به عنوان زمین اورانیوم شناخته می شود)، کارنویت - K، (U0 2)2 (V0 4) 2 -3H 2 0، اورانوفان - Ca (U0 2)Si0 3 (0H) 2 -5H 2 0 و دیگران 110].

استخراج اورانیوم از سنگ ها به روش های زیر انجام می شود:

• استخراج معادن معدن(روش باز) برای استخراج سنگ معدنی که در سطح پوسته زمین قرار دارد یا کم عمق است استفاده می شود. این روش شامل ایجاد گودال هایی به نام معدن یا برش است. تا به امروز، ذخایری که می توان با استخراج روباز استخراج کرد، عملاً تمام شده است. تولید 23 درصد است.
• استخراج معدن(روش بسته) برای استخراج مواد معدنی واقع در اعماق قابل توجه استفاده می شود و شامل ساخت مجموعه ای از معادن زیرزمینی است. تولید - 32%;
• شستشوی درجاشامل پمپاژ یک محلول آبی از یک معرف شیمیایی در سازند تحت فشار است که با عبور از سنگ معدن، ترکیبات اورانیوم طبیعی را به طور انتخابی حل می کند. محلول شسته‌شوی حاوی اورانیوم و فلزات مرتبط، سپس از طریق چاه‌های استخراج به سطح زمین آورده می‌شود. تولید - 39٪.
• استخراج مشترک با سنگ معدن سایر فلزات(اورانیوم در این مورد یک محصول جانبی است) - 6٪ است.

تولید سوخت دی اکسید از سنگ معدن اورانیوم یک فرآیند پیچیده و پرهزینه است، از جمله استخراج اورانیوم از سنگ معدن، غلظت آن، تصفیه (پالایش)، تبدیل (تولید هگزافلوورید اورانیوم، غنی سازی، تبدیل (ترجمه UF) 6 b U0 2)، تولید عناصر سوخت (میله های سوخت).

در مرحله اول فرآوری سنگ معدن اورانیوم استخراج شده به روش های معدنی و معدنی، توسط رادیواکتیویته خرد و دسته بندی می شود. پس از جداسازی، قطعات سنگ معدن بیشتر خرد شده و برای شستشو فرستاده می شوند تا اورانیوم به شکل محلول تبدیل شود. انتخاب محلول شیمیایی برای باز کردن سنگ معدن بستگی به نوع ماده معدنی شامل اورانیوم دارد. در برخی موارد از روش های میکروبیولوژیکی برای باز کردن سنگ معدن استفاده می شود.

در نتیجه شستشو، محلول تولیدی حاوی اورانیوم تشکیل می شود. در طی پردازش بیشتر محلول تولیدی با روش های تبادل یونی، استخراج یا رسوب، اورانیوم غلیظ شده و ناخالصی های نامطلوب (سدیم، پتاسیم، کلسیم، منیزیم، آهن، منگنز، نیکل و غیره) جدا می شود. محصول به دست آمده فیلتر شده، خشک می شود و تا دمای بالا گرم می شود، که در آن اکسید اورانیوم - کیک زرد (U 3 0 8) تشکیل می شود. برای خالص‌سازی عمیق اورانیوم از ناخالصی‌ها، پالایش انجام می‌شود که طرح سنتی آن حل کردن U 3 0 8 در اسید نیتریک و خالص‌سازی آن با استخراج (به‌ندرت، رسوب) است. در این مورد، محصول نهایی فناوری پالایش U 3 0 8 یا تری اکسید اورانیوم U0 3 است. محصول اکسید حاصل به حالت گازی تبدیل می شود - UF 6 که برای غنی سازی راحت ترین است. به این فرآیند تبدیل می گویند.

سنگ معدن اورانیوم خرد شده (نگاه کنید به شکل 1.10) به یک کارخانه فرآوری عرضه می شود. کنسانتره سنگ معدن (اورانیوم طبیعی) برای تولید هگزا فلوراید اورانیوم (UF 6) به کارخانه فرستاده می شود.

برنج. 1.10.

اورانیوم از یک کارخانه احیای سوخت رادیو شیمیایی به چرخه اضافه می شود. هگزا فلوراید اورانیوم برای غنی‌سازی اورانیوم طبیعی و احیا شده به کارخانه فرستاده می‌شود تا محتوای ایزوتوپ 235 U را افزایش دهد. و 238 یک عنصر شیمیایی را نشان می دهد (یعنی نمی توان آن را با روش های شیمیایی جدا کرد) و فقط در تعداد جرمی (235 و 238 amu) متفاوت است. این روش ها بسیار پیچیده هستند و به انرژی، زمان و تجهیزات ویژه ای نیاز دارند. روش انتشار گاز بر اساس تفاوت در نرخ نفوذ هگزافلوئوریدهای اورانیوم-238 و اورانیوم-235 از طریق پارتیشن های متخلخل (غشا) است. هنگامی که اورانیوم گازی از یک غشاء عبور می کند، غلظت آن تنها 0.43٪ تغییر می کند، یعنی غلظت اولیه 2b است و از 0.710 به 0.712٪ افزایش می یابد. برای غنی سازی قابل توجه مخلوط با 235 U، فرآیند جداسازی باید چندین بار تکرار شود. بنابراین، برای به دست آوردن مخلوطی از اورانیوم طبیعی غنی شده به 2.4٪ بدون 235 U، و غلظت 235 U در اورانیوم ضعیف شده (ضایعات) 0.3٪، حدود 840 مرحله مورد نیاز است. آبشار تولید اورانیوم بسیار غنی شده (90 درصد و بالاتر) باید 3000 مرحله داشته باشد.

روش سانتریفیوژ گاز موثرتر است که در آن هگزا فلوریدهای ایزوتوپ های اورانیوم 235 و 238 وارد یک سانتریفیوژ گاز می شوند که با سرعت 1500 دور در ثانیه می چرخد. در این حالت، نیروی گریز از مرکز قابل توجهی ایجاد می شود که اورانیوم 238 را به سمت دیوار هل می دهد و اورانیوم 235 در ناحیه محور چرخش متمرکز می شود. برای دستیابی به درجه غنی‌سازی مورد نیاز، سانتریفیوژهای گاز در آبشارهایی متشکل از ده‌ها هزار دستگاه ترکیب می‌شوند.

برای تبدیل UF 6 پس از غنی سازی به دی اکسید اورانیوم U O از روش های "تر" (انحلال در آب، رسوب و تکلیس) و "خشک" (احتراق UF6 در شعله هیدروژن) استفاده می شود. پودر U0 2 به دست آمده به صورت قرص فشرده شده و در دمای تقریبی 1750 درجه سانتیگراد پخته می شود.

پس از غنی سازی، دو جریان اورانیوم غنی شده و اورانیوم ضعیف شده مسیرهای متفاوتی را دنبال می کنند. اورانیوم ضعیف شده در یک کارخانه انتشار ذخیره می شود و اورانیوم غنی شده به دی اکسید اورانیوم (U0 2) تبدیل می شود و برای ساخت عناصر سوختی به کارخانه ارسال می شود.

در این نیروگاه ها، U0 2 در نظر گرفته شده برای راکتورها به گلوله های سوخت تبدیل می شود. قرص ها حرارت داده شده و زینتر می شوند تا یک قوام سخت و متراکم به دست آید (شکل 1.11). پس از پردازش، آنها را در لوله های (پوسته) ساخته شده از زیرکونیوم قرار می دهند، شاخه ها را در انتها جوش می دهند و نتیجه عنصر سوختتعداد معینی از میله های سوخت با هم در یک ساختار واحد جمع می شوند - مونتاژ سوخت(TVS).

برنج. 1.11. گلوله های سوخت از U0 2

مجموعه های سوخت تمام شده در کانتینرهای مخصوص از طریق حمل و نقل ریلی، جاده ای یا دریایی به نیروگاه های هسته ای تحویل داده می شود. در برخی موارد از حمل و نقل هوایی استفاده می شود.

کار در سراسر جهان برای بهبود ویژگی های فنی و اقتصادی سوخت هسته ای در حال انجام است. مهمترین نیاز از نقطه نظر بازده اقتصادی سوخت هسته ای افزایش سوختن است. برای استفاده کاملتر از اورانیوم، سوخت باید مدت بیشتری در هسته راکتور باقی بماند (جدول 1.8 را ببینید). برای افزایش عمر سوخت، مواد ساختاری در حال بهبود هستند، که باید در شرایط عملیاتی طولانی تر و شدیدتر کار کنند. ترکیبات سوخت (برای کاهش بازده محصولات شکافت)؛ سفتی قاب های مجموعه سوخت افزایش می یابد.

جدول 1.8

چرخه های سوخت مدرن و امیدوارکننده VVER با استفاده از اورانیوم طبیعی غنی شده

1.4. سوخت هسته ای

برای راکتورهای نوع VVER-1000، دو نوع اصلی مجموعه سوخت بهبود یافته وجود دارد (شکل 1.12): TVSA (توسعه یافته توسط OKBM به نام I. I. Afrikantov) و TVS-2 M (توسعه یافته توسط OKB Gidropress).

برنج. 1.12. مجموعه های سوخت برای راکتور VVER: آ- TVSA-PLUS، ب- TVS-2 M

مجموعه های سوخت TVSA-PLUS و TVS-2 M دارای مشخصات فنی و اقتصادی یکسانی هستند و توانایی افزایش قدرت نیروگاه راکتور را تا 104٪ از چرخه سوخت 18 ماهه اسمی (آرایش 66 قطعه)، سوخت فراهم می کنند. سوختن - 72 مگاوات روز/کیلوگرم U، امکان کارکرد در حالت مانورپذیر، محافظت در برابر اجسام خارجی.

افزایش سهم تولید برق در نیروگاه‌های هسته‌ای در تراز انرژی و گذار به بازار آزاد برق نیازمند انتقال برخی از واحدهای هسته‌ای به حالت انعطاف‌پذیر در سال‌های آینده است. این حالت عملیاتی که قبلاً در نیروگاه های هسته ای استفاده نشده است، همچنین الزامات اضافی را بر چرخه سوخت و سوخت تحمیل می کند. سوختی باید توسعه یابد که ویژگی های عملکرد بالا را تحت شرایط بار متغیر حفظ کند.

• بر اساس گزارش مشترک آژانس بین المللی انرژی اتمی و OECD "اورانیوم 2011: ذخایر، تولید و تقاضا".

محققان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) به همراه همکارانی از ایالات متحده آمریکا و بروکسل، نوع جدیدی از سوخت گرما هسته ای را توسعه داده اند. با کمک آن می توانید ده برابر بیشتر از تمام نمونه های موجود انرژی دریافت کنید. سوخت جدید شامل سه نوع یون است - ذراتی که بار آنها بسته به از دست دادن یا افزایش یک الکترون تغییر می کند. برای مطالعه سوخت، از یک توکامک استفاده می شود - یک محفظه حلقوی برای محصور کردن پلاسما به صورت مغناطیسی، ایجاد شرایط برای همجوشی حرارتی کنترل شده. آزمایشات با محصول جدید بر اساس یک توکامک انجام می شود Alcator C-Mod، متعلق به MIT است که بالاترین ولتاژ میدان مغناطیسی و فشار پلاسما را در طول آزمایش فراهم می کند.

راز سوخت جدید

Alcator C-Mod آخرین بار در سپتامبر 2016 راه اندازی شد، اما داده های به دست آمده در نتیجه آزمایش ها اخیرا رمزگشایی شده است. به لطف آنها بود که دانشمندان توانستند نوع جدید و منحصر به فردی از سوخت گرما هسته ای را ایجاد کنند که انرژی یون ها را در پلاسما به طور قابل توجهی افزایش می دهد. نتایج آنقدر دلگرم کننده بود که محققان روی آن کار کردند تورات متحد اروپا (جت، یکی دیگر از توکاماک مدرن) در آکسفوردشایر، ایالات متحده، آزمایش خود را انجام دادند و به همان افزایش تولید انرژی دست یافتند. اخیراً مطالعه ای با جزئیات این یافته ها در منتشر شده است فیزیک طبیعت .

کلید افزایش کارایی سوخت هسته ای، افزودن مقادیر اندکی از هلیوم-3 بود، ایزوتوپ پایدار هلیوم که به جای دو نوترون، تنها یک نوترون دارد. سوخت هسته ای مورد استفاده در Alcator C-Mod قبلا فقط شامل دو نوع یون بود، دوتریوم و یون هیدروژن. دوتریوم، ایزوتوپ پایدار هیدروژن با یک نوترون در هسته آن (هیدروژن معمولی اصلا نوترون ندارد)، حدود 95 درصد از ترکیب کل سوخت را اشغال می کند.

محققان مرکز پلاسما و همجوشی MIT (PSFC) از گرمایش فرکانس رادیویی برای احتراق سوختی که توسط آهنرباهای صنعتی به حالت تعلیق در آمده بود، استفاده کردند. این روش مبتنی بر استفاده از آنتن هایی در خارج از توکامک است که با استفاده از امواج رادیویی فرکانس های خاص بر سوخت تأثیر می گذارد. آنها به گونه ای کالیبره شده اند که فقط موادی را که مقدار آن در سوسپانسیون کمتر از بقیه است (در این مورد هیدروژن) باشد. هیدروژن تنها بخش کوچکی از چگالی کلی سوخت را دارد، بنابراین تمرکز گرمایش با فرکانس رادیویی روی یون‌های آن باعث می‌شود تا دمای بسیار بالایی حاصل شود. سپس یون‌های هیدروژن برانگیخته شده با یون‌های دوتریوم برهم‌کنش می‌کنند و ذرات به دست آمده پوسته بیرونی راکتور را بمباران می‌کنند و مقادیر زیادی گرما و الکتریسیته آزاد می‌کنند.

پس چی؟ هلیوم-3? سوخت جدید حاوی کمتر از 1٪ است، اما یون های آن هستند که نقش تعیین کننده ای دارند. محققان با تمرکز گرمایش با فرکانس رادیویی روی چنین مقدار کمی از ماده، انرژی اعصار را به سطوح مگاالکترون ولت (MeV) رساندند. الکترون ولت مقدار انرژی است که در نتیجه حرکت الکترون از یک نقطه پتانسیل الکتریکی به سطح 1 ولت بالاتر به دست می آید/از دست می رود. تا به حال، مگاالکترون ولت در آزمایش‌ها با سوخت گرما هسته‌ای تنها رویای نهایی دانشمندان بود - این مرتبه بزرگ‌تر از انرژی تمام نمونه‌های به‌دست‌آمده تا کنون است.

توکامک: تحقیق در مورد واکنش های گرما هسته ای

Alcatre C-Mod و JET محفظه های همجوشی آزمایشی با توانایی دستیابی به فشارها و دماهای مشابهی هستند که در یک راکتور همجوشی در مقیاس کامل مورد نیاز است. با این حال، شایان ذکر است که آنها کوچکتر هستند و چیزی را که محققان "همجوشی فعال" می نامند تولید نمی کنند - همجوشی که انرژی آن مستقیماً به انرژی تبدیل می شود که می تواند برای اهداف دیگر استفاده شود. تنظیم دقیق ترکیب سوخت، فرکانس رادیویی، میدان‌های مغناطیسی و سایر متغیرها در این آزمایش‌ها به محققان اجازه می‌دهد تا کارآمدترین فرآیند همجوشی را با دقت انتخاب کنند، که سپس می‌تواند در مقیاس صنعتی تکرار شود.

همانطور که قبلاً ذکر شد، دانشمندان آمریکایی که در JET کار می کردند نه تنها به نتایج مشابهی دست یافتند، بلکه آنها را با کار همکاران غربی خود نیز مقایسه کردند، در نتیجه جامعه علمی داده های اندازه گیری منحصر به فردی از خواص مختلف واکنش های فوق العاده پیچیده را دریافت کرد. در پلاسمای فوق گرم رخ می دهد. در MIT، محققان از تکنیکی برای تصویربرداری از واکنش با استفاده از میکروسکوپ کنتراست فاز استفاده کردند که فازهای امواج الکترومغناطیسی را به کنتراست شدت تبدیل می‌کند. به نوبه خود، دانشمندان JET توانستند انرژی ذرات حاصل را با دقت بیشتری اندازه گیری کنند و در نتیجه تصویر کامل تری از آنچه در طی واکنش های همجوشی اتفاق می افتد به دست آورند.

همجوشی هسته ای: انقلابی در انرژی

این برای من و شما چه معنایی دارد؟ حداقل یک پیشرفت قابل توجه در زمینه فن آوری. همجوشی هسته ای که برای مقاصد صنعتی مهار می شود، می تواند تولید انرژی را متحول کند. پتانسیل انرژی آن فوق العاده بالا است و سوخت از فراوان ترین عناصر منظومه شمسی - هیدروژن و هلیوم - تشکیل شده است. علاوه بر این، پس از احتراق سوخت گرما هسته ای، هیچ گونه زباله خطرناکی برای محیط زیست و انسان ایجاد نمی شود.

همانطور که اشاره شد طبیعتنتایج این آزمایش‌ها همچنین به اخترشناسان کمک می‌کند تا نقش هلیوم-3 را در فعالیت‌های خورشیدی بهتر درک کنند - هر چه باشد، شراره‌های خورشیدی که تهدیدی برای انرژی زمین و ماهواره‌های نزدیک به زمین هستند، چیزی بیش از یک واکنش گرما هسته‌ای نیستند. تشعشعات گرمایی و الکترومغناطیسی عظیم