Za što se koristi nuklearno gorivo? Kako se proizvodi nuklearno gorivo (9 fotografija). Od gorivne šipke do gorivnog sklopa

Nuklearna energija sastoji se od velikog broja poduzeća različite 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 ne pojavljuje 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 glavno je gorivo za nuklearne elektrane, ali nakon njegove upotrebe ostaje ogromna količina radioaktivnog otpada. 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. Provodi se svim raspoloživim sredstvima: 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, ali je i ovdje, kao i kod drugih metoda, moguće curenje zračenja.

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

Važan faktor 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.

Zbog činjenice da je nuklearno gorivo učinkovitije od svih drugih vrsta goriva koje danas imamo, velika se prednost daje svemu što može raditi uz pomoć nuklearnih postrojenja (nuklearne elektrane, podmornice, brodovi itd.). Dalje ćemo govoriti o tome kako se proizvodi nuklearno gorivo za reaktore.

Uran se vadi na dva glavna načina:
1) Izravno rudarenje u kamenolomima ili rudnicima, ako dubina urana to dopušta. S ovom metodom, nadam se da je sve jasno.
2) Podzemno ispiranje. To je kada se buše bušotine na mjestu gdje se nalazi uran, u njih se pumpa slaba otopina sumporne kiseline, a otopina stupa u interakciju s uranom, spajajući se s njim. Zatim se dobivena smjesa ispumpava na površinu, a iz nje se kemijskim metodama izdvaja uran.

Zamislimo da smo u rudniku već izvadili uran i pripremili ga za daljnje prerade. Fotografija ispod prikazuje takozvani “žuti kolač”, U3O8. U bačvi za daljnji transport.

Sve bi bilo u redu i teoretski bi se ovaj uran mogao odmah koristiti za proizvodnju goriva za nuklearne elektrane, ali nažalost. Priroda nam je, kao i uvijek, dala posla. Činjenica je da se prirodni uran sastoji od mješavine tri izotopa. To su U238 (99,2745%), U235 (0,72%) i U234 (0,0055%). Ovdje nas zanima samo U235 - budući da savršeno dijeli toplinske neutrone u reaktoru, on nam omogućuje da uživamo u svim blagodatima lančane reakcije fisije. Nažalost, njegova prirodna koncentracija nije dovoljna za stabilan i dugotrajan rad suvremenog reaktora nuklearne elektrane. Iako je, koliko ja znam, RBMK aparat dizajniran tako da može lansirati na gorivo od prirodnog urana, ali stabilnost, trajnost i sigurnost rada na takvom gorivu uopće nije zajamčena.
Moramo obogatiti uran. Odnosno, povećati koncentraciju U235 s prirodne na onu koja se koristi u reaktoru.
Na primjer, reaktor RBMK radi na uranu obogaćenom 2,8%, dok reaktor VVER-1000 radi na uranu obogaćenom 1,6 do 5,0%. Brodske i pomorske nuklearne elektrane troše gorivo obogaćeno do 20%. A neki istraživački reaktori rade na gorivu s 90% obogaćenjem (na primjer, IRT-T u Tomsku).
U Rusiji se obogaćivanje urana provodi pomoću plinskih centrifuga. Odnosno, onaj žuti prah koji je ranije bio na fotografiji pretvara se u plin, uranov heksafluorid UF6. Ovaj plin se zatim dovodi u kaskadu centrifuga. Na izlazu iz svake centrifuge, zbog razlike u težini jezgri U235 i U238, dobivamo uranov heksafluorid s nešto povećanim udjelom U235. Proces se ponavlja mnogo puta i na kraju dobijemo uranov heksafluorid s potrebnim obogaćenjem. Na slici ispod možete samo vidjeti razmjere kaskade centrifuga - ima ih puno i protežu se u daleke daljine.

Plin UF6 zatim se pretvara natrag u UO2, u obliku praha. Kemija je, na kraju krajeva, vrlo korisna znanost i omogućuje nam stvaranje takvih čuda.
Međutim, ovaj prah se ne može lako uliti u reaktor. Ili bolje rečeno, možete zaspati, ali od toga neće biti ništa dobro. On (prah) mora biti doveden u takav oblik da ga možemo spuštati u reaktor dugo, godinama. U tom slučaju samo gorivo ne bi trebalo doći u dodir s rashladnom tekućinom i izaći izvan jezgre. I povrh svega toga, gorivo mora izdržati vrlo, vrlo jake pritiske i temperature koje će nastati u njemu tijekom rada unutar reaktora.
Usput, zaboravio sam reći da prah također nije bilo kakav - mora biti određene veličine kako se tijekom prešanja i sinteriranja ne bi stvorile nepotrebne praznine i pukotine. Prvo se od praha prešanjem i dugotrajnim pečenjem rade tablete (tehnologija stvarno nije laka, ako se prekrši, gorive tablete neće biti za korištenje). Prikazat ću varijante tableta na fotografiji ispod.

Rupe i urezi na tabletama potrebni su za kompenzaciju toplinskog širenja i promjena zračenja. U reaktoru tablete s vremenom bubre, savijaju se, mijenjaju veličinu i ako se ništa ne predvidi mogu se srušiti, a to je loše.

Gotove tablete zatim se pakiraju u metalne cijevi (od čelika, cirkonija i njegovih legura te drugih metala). Cijevi su zatvorene na oba kraja i zapečaćene. Gotova cijev s gorivom naziva se gorivi element - gorivi element.

Različiti reaktori zahtijevaju gorivne elemente različitih dizajna i obogaćenja. Gorivne šipke RBMK, na primjer, duge su 3,5 metara. Gorivi elementi, usput, nisu samo štapni. kao na fotografiji. Dolaze u obliku ploče, prstenastog tipa i u raznim vrstama i modifikacijama.
Gorivi elementi se zatim kombiniraju u gorivne sklopove - FA. Gorivni sklop reaktora RBMK sastoji se od 18 gorivih šipki i izgleda otprilike ovako:

Gorivni sklop VVER reaktora izgleda ovako:
Kao što možete vidjeti, gorivni sklop reaktora VVER sastoji se od mnogo većeg broja gorivih šipki nego kod RBMK.
Gotov specijalni proizvod (FA) zatim se uz poštivanje sigurnosnih mjera isporučuje u nuklearnu elektranu. Zašto mjere opreza? Nuklearno gorivo, iako još nije radioaktivno, vrlo je vrijedno, skupo i ako se njime nepažljivo rukuje može uzrokovati mnoge probleme. Zatim se provodi završna kontrola stanja gorivnog sklopa i utovar u reaktor. To je to, uran je prošao dug put od podzemne rude do visokotehnološke naprave unutar nuklearnog reaktora. Sada ima drugačiju sudbinu - nekoliko godina naprezati se unutar reaktora i oslobađati dragocjenu toplinu koju će mu voda (ili bilo koja druga rashladna tekućina) uzeti.

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 nerentabilnom režimu; reaktor neće moći ostvariti nove mogućnosti koje su u njega ugradili njegovi dizajneri. Od nastanka prve nuklearne elektrane, nuklearni znanstvenici neprestano marljivo rade na poboljšanju kvalitete nuklearnog goriva, povećavajući prednosti nuklearne energije.

Svi smo vidjeli i već smo navikli na to kako izgledaju nuklearne elektrane - gigantske građevine koje se mogu i trebaju smatrati jednim od simbola suvremenog stupnja razvoja ljudske civilizacije. Ogromne turbine, čiji rotirajući rotor stvara ogromnu električnu struju, snažne pumpe koje tjeraju vodu kroz jezgru reaktora pod visokim tlakom, izdržljive reaktorske posude, dodatne zapečaćene školjke 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 učiniti bez svega ovoga kako bismo razumjeli kako su naši nuklearni znanstvenici ukrotili uran, učinivši ga pouzdanim izvorom električne energije koja nam je očajnički potrebna. Čini nam se da će za to biti sasvim dovoljni logika i jednostavan svakodnevni zdrav razum, a polazište će biti 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 Rekao sam vam već 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 obavljaju iznimno važan posao - pretvaraju plin u čvrstu tvar, i to u onakvu kakvu su im nuklearni znanstvenici “naredili”. Ono što čini nuklearnu energiju 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; 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 jednih kemijskih elemenata u druge, potpuno različite od njih. Slobodni neutron koji pogodi jezgru urana-235 ne samo da izbacuje dodatne slobodne neutrone iz nje – 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 nije potrebno visoko obrazovanje fizike da bi se razumjelo o čemu se radi. 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 u gorivoj kuglici izvađenoj iz jezgre više nema urana-235, onda su konstruktori dobro postupili i došlo je vrijeme da se svakom od njih hitno dodijeli Nobelova nagrada, ili još bolje, dvije.

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 faktor iskorištenja instalirane snage 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

Mnogo toga se može objasniti jednostavnim riječima, ali izvođenje takve vježbe kako bi se opisao 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 potrebne 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, 360 kubnih metara prirodnog plina ili 350 kg nafte.

Proizvodnja i tehnička kontrola nuklearno 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 vanjsko okruženje sa svim posljedičnim neugodnim posljedicama.

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? To nije opcija; mnogo je razumnije osigurati da su kuglice goriva stacionarne, duž kojih struja vode prolazi pod pritiskom, oduzimajući toplinsku energiju koja se stvara tijekom nuklearnih reakcija. 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 1855 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 gorivih 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 je kratak opis gorive šipke sa sadržajem unutra. Duljina – 3,8 metara, vanjski promjer – 9,1 mm. Unutar su tablete uranovog dioksida vanjskog promjera 7,57 mm i visine 20 mm, u sredini svake tablete nalazi se rupa promjera 1,2 mm. Kugla ne dodiruje stijenke gorive šipke; razmak i rupa unutar kuglice su dizajnirani 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, tolika masa urana nije dovoljna za dugotrajan rad. Sljedeća faza u formiranju nuklearnog goriva je formiranje gorivnih sklopova i gorivnih sklopova. Za najrasprostranjeniji reaktor u Rusiji, VVER-1000, 312 gorivih šipki sastavljeno je u jedan gorivni sklop, a između njih su ostavljeni razmaci za ulaz 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 distantnih rešetki

U gornjem dijelu, gorivne šipke su pričvršćene na glavu preko opružnog bloka - štiti gorivne šipke od plutanja tijekom rada reaktora. Da, uran je težak element, cirkonij se također ne može nazvati laganim, ali vrijedi zapamtiti da je nazivni protok vode kroz gorive sklopove 500 kubičnih metara na sat, voda se kreće duž gorivnih šipki brzinom od 200 km / h u smjeru odozdo prema gore - takav protok će natjerati bilo što da iskoči. 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 - kako stoje stvari s ovim problemom u zapadnim zemljama. 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 dizajnerskim biroima odjednom, kako bi kao rezultat borbe između dva dobra projekta pobjeda pripala najboljem. 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 UTVS se počeo koristiti u nuklearnim elektranama s povećanim zahtjevima za seizmičku otpornost - u kineskom Tianwanu, u iranskom Bushehr-u. , 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, Fabrika 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 borbe između dva dizajnerska biroa fascinantan je spektakl, ali ima toliko mnogo tehničkih detalja da će biti potreban napor profesionalnih prevoditelja. 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 da se ravnopravno natječemo s energijom ugljikovodika u smislu cijene proizvedene električne energije, a izglede za razvoj nuklearne energije čini 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 jedna 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 je izradio „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. Najbolji način da uvjerite 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. Povećanje ekonomskih pokazatelja pogonskih jedinica zbog korištenja novog goriva bez značajnih promjena u kompletu opreme toliko je značajno da postoji uvjerenje da razmišljanje neće dugo trajati. Ostaje nam samo pratiti daljnji razvoj događaja i još jednom čestitati 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 energije i kakve rezultate daju pri njihovoj uporabi 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

Uran je glavni element nuklearne energije, koristi se kao nuklearno gorivo, sirovina za proizvodnju plutonija i u nuklearnom oružju. Sadržaj urana u zemljinoj kori iznosi 2,5-10 -4%, a ukupna količina u sloju litosfere debljine 20 km doseže 1,3-10 14 tona Minerali urana nalaze se gotovo posvuda. Međutim, uran je element u tragovima. To znači da je njegova koncentracija u stijenama često nedovoljna za komercijalno isplativu proizvodnju. Sadržaj urana u rudi jedan je od ključnih parametara koji određuju trošak proizvodnje. Uranove rude koje sadrže 0,03-0,10% urana smatraju se siromašnima, obične - 0,10-0,25%, prosječne - 0,25-0,5%, bogate - preko 0,50% 1.

Uran ima 14 izotopa, ali se samo tri pojavljuju u prirodi (tablica 1.6).

Tablica 1.6

Prema posljednjim podacima, istraženi volumen zaliha urana, čija proizvodnja ne prelazi 130 USD/kg U, iznosi 5 327 200 tona za kategoriju s proizvodnim troškom manjim od 260 USD/kg U Osim toga, količina urana u takozvanim predviđenim i procijenjenim rezervama doseže 10.429.100 tona.

stol 1.7

Zemlje s najvećim dokazanim rezervama urana čija vrijednost ne prelazi 130 USD/kg U

Posljednjih godina distribucija ležišta urana po zemljama donekle se promijenila zbog činjenice da su tijekom proučavanja niza ležišta urana otkriveni dodatni resursi u afričkim zemljama (Bocvana, Zambija, Islamska Republika Mauritanija, Malavi, Mali , Namibija, Ujedinjena Republika Tanzanija). Također, otkrivene su nove rezerve u Gvajani, Kolumbiji, Paragvaju, Peruu i Švedskoj.

Glavni minerali koji sadrže uran su uraninit (mješavina uranovih i torijevih oksida opće formule (U, Th)0 2x), smola (uranovi oksidi: U0 2, U0 3, poznati i kao uranova smola), karnotit - K, (U0 2)2 (V0 4) 2 -3H 2 0, uranofan - Ca (U0 2)Si0 3 (0H) 2 -5H 2 0 i drugi 110].

Ekstrakcija urana iz stijena provodi se na sljedeće načine:

• Rudarstvo u kamenolomu(otvorena metoda) vadi se ruda koja se nalazi na površini zemljine kore ili leži plitko. Metoda uključuje stvaranje jama koje se nazivaju kamenolomi ili usjeci. Do danas su praktički iscrpljena ležišta koja se mogu eksploatirati površinskom eksploatacijom. Proizvodnja je 23%;
• Rudarstvo(zatvorena metoda) koristi se za vađenje minerala koji se nalaze na značajnim dubinama, a uključuje izgradnju kompleksa podzemnih rudarskih radova. Proizvodnja - 32%;
• Ispiranje na licu mjesta uključuje pumpanje u formaciju pod tlakom vodene otopine kemijskog reagensa, koji, prolazeći kroz rudu, selektivno otapa spojeve prirodnog urana. Otopina za ispiranje, koja sadrži uran i povezane metale, zatim se dovodi na površinu zemlje kroz ekstrakcijske bušotine. Proizvodnja - 39%.
• Zajedničko rudarenje s rudama drugih metala(uran je u ovom slučaju nusproizvod) - iznosi 6%.

Proizvodnja dioksidnog goriva iz uranove rude složen je i skup proces koji uključuje ekstrakciju urana iz rude, njegovu koncentraciju, pročišćavanje (rafiniranje), konverziju (proizvodnja uranovog heksafluorida, obogaćivanje, dekonverzija (UF prijevod) 6 b U0 2), proizvodnja gorivih elemenata (gorivih šipki).

U prvoj fazi prerade uranove rude iskopane metodama kamenoloma i rudnika, ona se drobi i razvrstava prema radioaktivnosti. Nakon sortiranja komadi rude se dalje drobe i šalju na ispiranje kako bi se uran preveo u topljivi oblik. Izbor kemijske otopine za otvaranje rude ovisi o vrsti minerala koji sadrži uran. U nekim slučajevima koriste se mikrobiološke metode za otvaranje rude.

Kao rezultat ispiranja nastaje produktivna otopina koja sadrži uran. Tijekom daljnje obrade proizvodne otopine metodama ionske izmjene, ekstrakcije ili taloženja, uran se koncentrira i odvajaju nepoželjne nečistoće (Na, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Ni itd.). Dobiveni produkt se filtrira, suši i zagrijava do visoke temperature pri čemu nastaje uranov oksid - žuti kolač (U 3 0 8). Za duboko pročišćavanje urana od nečistoća provodi se rafinacija, čija je tradicionalna shema otapanje U 3 0 8 u dušičnoj kiselini i pročišćavanje ekstrakcijom (rjeđe, taloženjem). U ovom slučaju konačni proizvod tehnologije rafiniranja je U 3 0 8 ili uranov trioksid U0 3. Dobiveni oksidni produkt se prevodi u plinovito stanje - UF 6, koje je najprikladnije za obogaćivanje. Taj se proces naziva konverzija.

Zdrobljena uranova rudača (vidi sliku 1.10) isporučuje se u pogon za preradu. Koncentrat rude (prirodni uran) šalje se u postrojenje za proizvodnju uranovog heksafluorida (UF 6).

Riža. 1.10.

Ciklusu se dodaje uran iz postrojenja za radiokemijsku regeneraciju goriva. Uranov heksafluorid šalje se u postrojenje za obogaćivanje prirodnog i regeneriranog urana kako bi se povećao sadržaj izotopa 235 U. Za odvajanje izotopa urana potrebne su posebne metode (plinska difuzija i plinska centrifuga), budući da se izdvojeni izotopi 23:> i. i 238 predstavljaju jedan kemijski element (tj. ne mogu se odvojiti kemijskim metodama) i razlikuju se samo u masenom broju (235 i 238 amu). Ove metode su izuzetno složene i zahtijevaju značajne količine energije, vremena i posebne opreme. Metoda plinske difuzije temelji se na razlici u brzinama prodiranja heksafluorida urana-238 i urana-235 kroz porozne pregrade (membrane). Kada plinoviti uran prođe kroz jednu membranu, koncentracije se mijenjaju samo za 0,43%, tj. početna koncentracija je 2b i raste od 0,710 do 0,712%. Da bi se smjesa značajno obogatila s 235 U, postupak separacije mora se ponoviti mnogo puta. Dakle, za dobivanje smjese od prirodnog urana obogaćenog na 2,4% bez 235 U, i koncentracije 235 U u osiromašenom uranu (otpad) od 0,3%, potrebno je oko 840 koraka. Kaskada za proizvodnju visoko obogaćenog urana (90% i više) mora imati 3000 stupnjeva.

Učinkovitija je metoda plinske centrifuge, u kojoj se heksafluoridi izotopa urana-235 i 238 uvode u plinsku centrifugu, koja se okreće brzinom od 1500 okretaja u sekundi. U tom slučaju nastaje značajna centrifugalna sila koja gura uran-238 prema zidu, a uran-235 se koncentrira u području osi rotacije. Da bi se postigao potreban stupanj obogaćivanja, plinske centrifuge se spajaju u kaskade koje se sastoje od desetaka tisuća uređaja.

Za pretvorbu UF 6 nakon obogaćivanja u uranov dioksid U O koriste se "mokre" (otapanje u vodi, taloženje i kalcinacija) i "suhe" (izgaranje UF 6 u plamenu vodika) metode. Dobiveni prah U0 2 preša se u tablete i sinterira na temperaturi od približno 1750°C.

Nakon obogaćivanja, dva toka - obogaćeni uran i osiromašeni uran - slijede različite putanje. Osiromašeni uran se skladišti u difuzijskom postrojenju, a obogaćeni uran pretvara se u uranov dioksid (U0 2) i šalje u postrojenje za proizvodnju gorivih šipki.

U tim se postrojenjima U0 2 namijenjen reaktorima pretvara u gorivne kuglice. Tablete se zagrijavaju i sinteriraju kako bi se dobila tvrda, gusta konzistencija (slika 1.11). Nakon obrade stavljaju se u cijevi (ljuske) od cirkonija, na krajevima se zavaruju čepovi, a rezultat je gorivi element. Određeni broj gorivih šipki spojen je u jednu strukturu - sklop goriva(TVS).

Riža. 1.11. Peleti za gorivo od U0 2

Gotovi gorivni elementi dopremaju se u nuklearne elektrane u posebnim kontejnerima željezničkim, cestovnim ili pomorskim prijevozom. U nekim slučajevima koristi se zračni prijevoz.

Diljem svijeta radi se na poboljšanju tehničkih i ekonomskih karakteristika nuklearnog goriva. Najvažniji zahtjev sa stajališta ekonomske učinkovitosti nuklearnog goriva je povećanje izgaranja. Za potpunije korištenje urana, gorivo mora dulje ostati u jezgri reaktora (vidi tablicu 1.8). Kako bi se produžio životni vijek goriva, poboljšavaju se konstrukcijski materijali koji moraju raditi u duljim i težim radnim uvjetima; sastavi goriva (za smanjenje prinosa produkata fisije); povećava se krutost okvira gorivnog sklopa.

Tablica 1.8

Moderni i obećavajući VVER gorivni ciklusi koji koriste obogaćeni prirodni uran

1.4. Nuklearno gorivo

Za reaktore tipa VVER-1000 postoje dva glavna poboljšana tipa gorivnih sklopova (slika 1.12): TVSA (razvio OKBM nazvan po I. I. Afrikantovu) i TVS-2 M (razvio OKB Gidropress),

Riža. 1.12. Gorivni sklopovi za reaktor VVER: A- TVSA-PLUS, b- TVS-2 M

Gorivni sklopovi TVSA-PLUS i TVS-2 M imaju identične tehničke i ekonomske karakteristike, omogućujući povećanje snage reaktorskog postrojenja do 104% nominalne, 18-mjesečni ciklus goriva (nadopuna 66 jedinica), gorivo izgaranje - 72 MW dan/kg U, mogućnost rada u manevarskom načinu rada, zaštita od stranih tijela.

Sve veći udio proizvodnje električne energije u nuklearnim elektranama u energetskoj bilanci i prelazak na liberalno tržište električne energije zahtijevat će u nadolazećim godinama prelazak dijela nuklearnih elektrana na rad u fleksibilnom režimu. Ovaj način rada, koji dosad nije korišten u nuklearnim elektranama, također nameće dodatne zahtjeve na gorivo i gorive cikluse. Mora se razviti gorivo koje održava karakteristike visokih performansi pod promjenjivim uvjetima opterećenja.

• Prema zajedničkom izvješću IAEA-e i OECD-a “Uran 2011: rezerve, proizvodnja i potražnja”.

Istraživači s Massachusetts Institute of Technology (MIT) zajedno s kolegama iz SAD-a i Bruxellesa razvili su novu vrstu termonuklearnog goriva. Uz njegovu pomoć možete dobiti deset puta više energije nego iz svih postojećih uzoraka. Novo gorivo sadrži tri vrste iona – čestica čiji se naboj mijenja ovisno o gubitku ili dobitku elektrona. Za proučavanje goriva koristi se tokamak - toroidalna komora za magnetsko zadržavanje plazme, stvarajući uvjete za kontrolirana termonuklearna fuzija. Eksperimenti s novim proizvodom provode se na temelju tokamaka Alcator C-Mod, u vlasništvu MIT-a, koji osigurava najveći napon magnetskog polja i tlak plazme tijekom testiranja.

Tajna novog goriva

Alcator C-Mod posljednji je put lansiran još u rujnu 2016., no podaci dobiveni kao rezultat eksperimenata dešifrirani su tek nedavno. Upravo zahvaljujući njima znanstvenici su uspjeli razviti novu, jedinstvenu vrstu termonuklearnog goriva koje značajno povećava energiju iona u plazmi. Rezultati su bili toliko ohrabrujući da su istraživači radili na Ujedinjena europska Tora (JET, još jedan moderni tokamak) u Oxfordshireu, SAD, proveli su vlastiti eksperiment i postigli isto povećanje proizvodnje energije. Nedavno je objavljena studija koja detaljno opisuje nalaze Fizika prirode .

Ključ povećanja učinkovitosti nuklearnog goriva bilo je dodavanje malenih količina helija-3, stabilnog izotopa helija koji ima samo jedan umjesto dva neutrona. Nuklearno gorivo korišteno u Alcatoru C-Mod prije je sadržavalo samo dvije vrste iona, ione deuterija i vodika. Deuterij, stabilni izotop vodika s jednim neutronom u jezgri (obični vodik uopće nema neutrone), zauzima oko 95% ukupnog sastava goriva.

Istraživači u MIT centru za plazmu i fuziju (PSFC) upotrijebili su radiofrekvencijsko zagrijavanje kako bi zapalili gorivo koje su suspendirali industrijski magneti. Ova metoda se temelji na korištenju antena izvan tokamaka, koje utječu na gorivo pomoću radio valova određenih frekvencija. Kalibrirani su da pogađaju samo materijal čija je količina u suspenziji najmanja od svih ostalih (u ovom slučaju vodik). Vodik ima samo mali dio ukupne gustoće goriva, tako da fokusiranje radiofrekvencijskog zagrijavanja na njegove ione omogućuje postizanje ekstremno visokih temperatura. Pobuđeni ioni vodika tada stupaju u interakciju s ionima deuterija, a nastale čestice bombardiraju vanjsku ljusku reaktora, oslobađajući ogromne količine topline i elektriciteta.

Pa što? helij-3? Novo gorivo sadrži manje od 1%, ali njegovi ioni igraju odlučujuću ulogu. Fokusiranjem radiofrekvencijskog zagrijavanja na tako malu količinu materije, istraživači su podigli energiju eona na razinu megaelektronvolta (MeV). Elektronvolt je količina energije dobivena/izgubljena kao rezultat kretanja elektrona s jedne točke električnog potencijala na razinu 1 volt višu. Do sada su megaelektronvolti u eksperimentima s termonuklearnim gorivom bili samo ultimativni san znanstvenika - to je red veličine veći od energije svih dosad dobivenih uzoraka.

Tokamak: istraživanje termonuklearnih reakcija

Alcatre C-Mod i JET su eksperimentalne fuzijske komore sa sposobnošću postizanja istih tlakova i temperatura plazme koji bi bili potrebni u fuzionom reaktoru punog opsega. Međutim, vrijedno je napomenuti da su manji i ne proizvode ono što istraživači nazivaju "aktiviranom fuzijom"—fuzijom čija se energija izravno pretvara u energiju koja se može koristiti u druge svrhe. Fino podešavanje sastava goriva, radiofrekvencije, magnetskih polja i drugih varijabli u ovim eksperimentima omogućuje istraživačima da pažljivo odaberu najučinkovitiji proces fuzije, koji se zatim može replicirati na industrijskoj razini.

Kao što je već spomenuto, američki znanstvenici koji rade u JET-u uspjeli su ne samo postići iste rezultate, već i usporediti ih s radom svojih zapadnih kolega, kao rezultat čega je znanstvena zajednica dobila jedinstvene podatke mjerenja različitih svojstava nevjerojatno složenih reakcija. nastaju u pregrijanoj plazmi. Na MIT-u su istraživači upotrijebili tehniku ​​za oslikavanje reakcije pomoću fazno kontrastne mikroskopije, koja prevodi faze elektromagnetskih valova u kontrast intenziteta. Zauzvrat, znanstvenici JET-a uspjeli su točnije izmjeriti energiju nastalih čestica, što je rezultiralo potpunijom slikom onoga što se događa tijekom reakcija fuzije.

Nuklearna fuzija: revolucija u energetici

Što to znači za tebe i mene? U najmanju ruku, značajan iskorak na tehnološkom polju. Nuklearna fuzija, iskorištena u industrijske svrhe, mogla bi revolucionirati proizvodnju energije. Njegov energetski potencijal je nevjerojatno visok, a gorivo se sastoji od najzastupljenijih elemenata u Sunčevom sustavu – vodika i helija. Osim toga, nakon izgaranja termonuklearnog goriva ne nastaje otpad opasan za okoliš i ljude.

Kao što je navedeno Priroda, rezultati ovih eksperimenata također će pomoći astronomima da bolje razumiju ulogu helija-3 u solarnoj aktivnosti - na kraju krajeva, solarne baklje koje predstavljaju prijetnju Zemljinoj energiji i satelitima u blizini Zemlje nisu ništa drugo nego rezultat termonuklearne reakcije s kolosalno toplinsko i elektromagnetsko zračenje.