Për çfarë përdoret karburanti bërthamor? Si prodhohet karburanti bërthamor (9 foto). Nga shufra e karburantit tek montimi i karburantit

Energjia bërthamore përbëhet nga një numër i madh ndërmarrjesh për qëllime të ndryshme. Lëndët e para për këtë industri nxirren nga minierat e uraniumit. Më pas dërgohet në impiantet e prodhimit të karburantit.

Karburanti më pas transportohet në termocentralet bërthamore, ku hyn në bërthamën e reaktorit. Kur karburanti bërthamor arrin në fund të jetës së tij të dobishme, ai është subjekt i asgjësimit. Vlen të përmendet se mbetjet e rrezikshme shfaqen jo vetëm pas ripërpunimit të karburantit, por edhe në çdo fazë - nga miniera e uraniumit deri te puna në reaktor.

Karburanti bërthamor

Ka dy lloje të karburantit. I pari është uraniumi i nxjerrë në miniera, i cili është me origjinë natyrore. Ai përmban lëndë të para që mund të formojnë plutonium. E dyta është karburanti që krijohet artificialisht (sekondar).

Lënda nukleare ndahet edhe sipas përbërjes kimike: metalike, okside, karbite, nitride dhe të përziera.

Minierat e uraniumit dhe prodhimi i karburantit

Një pjesë e madhe e prodhimit të uraniumit ndodh në vetëm disa vende: Rusi, Francë, Australi, SHBA, Kanada dhe Afrikën e Jugut.

Uraniumi është elementi kryesor për karburant në termocentralet bërthamore. Për të hyrë në reaktor, ai kalon nëpër disa faza të përpunimit. Më shpesh, depozitat e uraniumit ndodhen pranë arit dhe bakrit, kështu që nxjerrja e tij kryhet me nxjerrjen e metaleve të çmuara.

Gjatë minierave, shëndeti i njeriut është në rrezik të madh sepse uraniumi është një material toksik dhe gazrat që shfaqen gjatë nxjerrjes së tij shkaktojnë forma të ndryshme kanceri. Edhe pse vetë xeherori përmban një sasi shumë të vogël të uraniumit - nga 0.1 në 1 për qind. Popullsia që jeton pranë minierave të uraniumit është gjithashtu në rrezik të madh.

Uraniumi i pasuruar është karburanti kryesor për termocentralet bërthamore, por pas përdorimit të tij mbetet një sasi e madhe mbetjesh radioaktive. Pavarësisht nga të gjitha rreziqet e tij, pasurimi i uraniumit është një proces integral i krijimit të karburantit bërthamor.

Në formën e tij natyrore, uraniumi praktikisht nuk mund të përdoret askund. Që të përdoret duhet pasuruar. Për pasurim përdoren centrifugat e gazit.

Uraniumi i pasuruar përdoret jo vetëm në energjinë bërthamore, por edhe në prodhimin e armëve.

Transporti

Në çdo fazë të ciklit të karburantit ka transport. Ajo kryhet me të gjitha mjetet në dispozicion: nga toka, deti, ajri. Ky është një rrezik i madh dhe një rrezik i madh jo vetëm për mjedisin, por edhe për njerëzit.

Gjatë transportit të lëndës djegëse bërthamore ose elementeve të tij, ndodhin shumë aksidente, me pasojë çlirimin e elementeve radioaktive. Kjo është një nga arsyet e shumta pse konsiderohet e pasigurt.

Dekompozimi i reaktorëve

Asnjë nga reaktorët nuk është çmontuar. Edhe Çernobili famëkeq E gjithë çështja është se, sipas ekspertëve, kostoja e çmontimit është e barabartë, apo edhe e tejkalon koston e ndërtimit të një reaktori të ri. Por askush nuk mund të thotë saktësisht se sa para do të nevojiten: kostoja u llogarit në bazë të përvojës së çmontimit të stacioneve të vogla për kërkime. Ekspertët ofrojnë dy mundësi:

1. Vendosni reaktorët dhe karburantin bërthamor të harxhuar në depo.
2. Ndërtoni sarkofagë mbi reaktorët e çaktivizuar.

Në dhjetë vitet e ardhshme, rreth 350 reaktorë në mbarë botën do të arrijnë fundin e jetës së tyre dhe duhet të hiqen jashtë funksionit. Por duke qenë se metoda më e përshtatshme për sigurinë dhe çmimin nuk është shpikur, kjo çështje është ende duke u zgjidhur.

Aktualisht operojnë 436 reaktorë në mbarë botën. Sigurisht, ky është një kontribut i madh për sistemin energjetik, por është shumë i pasigurt. Hulumtimet tregojnë se në 15-20 vjet, termocentralet bërthamore do të mund të zëvendësohen nga stacione që punojnë me energji të erës dhe panele diellore.

Mbeturina berthamore

Një sasi e madhe e mbetjeve bërthamore krijohet si rezultat i aktiviteteve të termocentraleve bërthamore. Ripërpunimi i karburantit bërthamor gjithashtu lë pas mbeturina të rrezikshme. Megjithatë, asnjë nga vendet nuk gjeti një zgjidhje për problemin.

Sot, mbetjet bërthamore mbahen në objekte magazinimi të përkohshëm, në pellgje uji ose groposen cekët nën tokë.

Metoda më e sigurt është ruajtja në ambiente të veçanta magazinimi, por rrjedhja e rrezatimit është gjithashtu e mundur këtu, si me metodat e tjera.

Në fakt, mbetjet bërthamore kanë njëfarë vlere, por kërkojnë respektim të rreptë të rregullave për ruajtjen e tyre. Dhe ky është problemi më urgjent.

Një faktor i rëndësishëm është koha gjatë së cilës mbetjet janë të rrezikshme. Secili ka periudhën e vet të kalbjes gjatë së cilës është toksik.

Llojet e mbetjeve bërthamore

Gjatë funksionimit të çdo centrali bërthamor, mbetjet e tij hyjnë në mjedis. Ky është ujë për ftohjen e turbinave dhe mbetjeve të gazta.

Mbetjet bërthamore ndahen në tre kategori:

1. Niveli i ulët - veshje e punonjësve të centralit bërthamor, pajisje laboratorike. Mbetje të tilla mund të vijnë edhe nga institucionet mjekësore dhe laboratorët shkencorë. Ato nuk paraqesin rrezik të madh, por kërkojnë respektimin e masave të sigurisë.
2. Niveli i ndërmjetëm - kontejnerë metalikë në të cilët transportohet karburanti. Niveli i tyre i rrezatimit është mjaft i lartë dhe ata që janë afër tyre duhet të mbrohen.
3. Niveli i lartë është shpenzuar karburanti bërthamor dhe produktet e tij të ripërpunimit. Niveli i radioaktivitetit po bie me shpejtësi. Mbetjet e nivelit të lartë janë shumë të vogla, rreth 3 përqind, por përmbajnë 95 përqind të të gjithë radioaktivitetit.

Për shkak të faktit se karburanti bërthamor është më efikas se të gjitha llojet e tjera të karburanteve që kemi sot, preferencë e madhe i jepet gjithçkaje që mund të funksionojë me ndihmën e centraleve bërthamore (centralet bërthamore, nëndetëset, anijet, etj.). Ne do të flasim më tej se si prodhohet karburanti bërthamor për reaktorët.

Uraniumi nxirret në dy mënyra kryesore:
1) Nxjerrja direkte në gurore ose miniera, nëse thellësia e uraniumit e lejon. Me këtë metodë, shpresoj se gjithçka është e qartë.
2) Shpëlarja në vend. Kjo është kur shpohen puse në vendin ku gjendet uranium, një zgjidhje e dobët e acidit sulfurik pompohet në to dhe tretësira ndërvepron me uraniumin, duke u kombinuar me të. Pastaj përzierja që rezulton pompohet në sipërfaqe dhe uraniumi ndahet prej tij duke përdorur metoda kimike.

Le të imagjinojmë se ne kemi nxjerrë tashmë uranium në minierë dhe e kemi përgatitur atë për transformime të mëtejshme. Fotografia më poshtë tregon të ashtuquajturin "yellowcake", U3O8. Në një fuçi për transport të mëtejshëm.

Gjithçka do të ishte në rregull dhe teorikisht ky uranium mund të përdoret menjëherë për të prodhuar karburant për termocentralet bërthamore, por mjerisht. Natyra, si gjithmonë, na dha punë për të bërë. Fakti është se uraniumi natyror përbëhet nga një përzierje e tre izotopeve. Këto janë U238 (99,2745%), U235 (0,72%) dhe U234 (0,0055%). Ne jemi të interesuar vetëm për U235 këtu - meqenëse ai ndan në mënyrë të përsosur neutronet termike në reaktor, është ai që na lejon të shijojmë të gjitha përfitimet e reaksionit të zinxhirit të ndarjes. Fatkeqësisht, përqendrimi i tij natyror nuk është i mjaftueshëm për funksionimin e qëndrueshëm dhe afatgjatë të një reaktori modern të centralit bërthamor. Edhe pse, me sa di unë, aparati RBMK është projektuar në atë mënyrë që të mund të lëshohet në karburant të bërë nga uraniumi natyror, por stabiliteti, qëndrueshmëria dhe siguria e funksionimit në një karburant të tillë nuk garantohen aspak.
Duhet të pasurojmë uranium. Kjo do të thotë, rrisni përqendrimin e U235 nga natyral në atë të përdorur në reaktor.
Për shembull, reaktori RBMK operon me uranium të pasuruar 2,8%, ndërsa reaktori VVER-1000 operon me uranium të pasuruar 1,6 deri në 5,0%. Termocentralet bërthamore detare dhe detare konsumojnë karburant të pasuruar deri në 20%. Dhe disa reaktorë kërkimorë funksionojnë me karburant me pasurim 90% (për shembull, IRT-T në Tomsk).
Në Rusi, pasurimi i uraniumit kryhet duke përdorur centrifuga gazi. Domethënë, ai pluhur i verdhë që ishte në foto më herët është konvertuar në gaz, heksafluorid uranium UF6. Ky gaz më pas futet në një kaskadë centrifugash. Në dalje nga secila centrifugë, për shkak të ndryshimit në peshë të bërthamave U235 dhe U238, marrim heksafluorid uranium me një përmbajtje paksa të rritur të U235. Procesi përsëritet shumë herë dhe në fund fitojmë heksafluorurin e uraniumit me pasurimin që na nevojitet. Në foton më poshtë mund të shihni vetëm shkallën e kaskadës së centrifugave - ka shumë prej tyre dhe ato shtrihen në distanca të largëta.

Gazi UF6 konvertohet përsëri në UO2, në formë pluhuri. Kimia, në fund të fundit, është një shkencë shumë e dobishme dhe na lejon të krijojmë mrekulli të tilla.
Megjithatë, ky pluhur nuk mund të derdhet lehtësisht në reaktor. Ose më mirë, mund të biesh në gjumë, por asgjë e mirë nuk do të vijë prej saj. Ai (pluhuri) duhet të sillet në një formë të tillë që të mund ta ulim në reaktor për një kohë të gjatë, me vite. Në këtë rast, vetë karburanti nuk duhet të hyjë në kontakt me ftohësin dhe të shkojë përtej bërthamës. Dhe mbi të gjitha këto, karburanti duhet të përballojë presionet dhe temperaturat shumë, shumë të rënda që do të lindin në të kur punon brenda reaktorit.
Nga rruga, harrova të them se pluhuri gjithashtu nuk është i çdo lloji - ai duhet të jetë i një madhësie të caktuar në mënyrë që gjatë shtypjes dhe shkrirjes të mos krijohen zbrazëti dhe çarje të panevojshme. Së pari, tabletat bëhen nga pluhuri duke shtypur dhe pjekur për një kohë të gjatë (teknologjia nuk është vërtet e lehtë, nëse shkelet, tabletat e karburantit nuk do të jenë të përdorshme). Unë do të tregoj variacionet e tabletave në foton më poshtë.

Vrimat dhe prerjet në tableta janë të nevojshme për të kompensuar zgjerimin termik dhe ndryshimet e rrezatimit. Në reaktor, me kalimin e kohës, tabletat fryhen, përkulen, ndryshojnë madhësi dhe nëse nuk parashikohet asgjë, ato mund të shemben, dhe kjo është e keqe.

Tabletat e përfunduara paketohen më pas në tuba metalikë (të bërë prej çeliku, zirkon dhe lidhjet e tij dhe metale të tjera). Tubat mbyllen në të dy skajet dhe mbyllen. Tubi i përfunduar me karburant quhet një element karburanti - një element karburanti.

Reaktorë të ndryshëm kërkojnë elementë karburanti me dizajne dhe pasurime të ndryshme. Shufrat e karburantit RBMK, për shembull, janë të gjata 3.5 metra. Elementet e karburantit, nga rruga, nuk janë vetëm ato me shufra. si ne foto. Ato vijnë në llojin e pjatës, të tipit unazor dhe një sërë llojesh dhe modifikimesh të ndryshme.
Më pas, elementët e karburantit kombinohen në njësitë e karburantit - FA. Asambleja e karburantit të reaktorit RBMK përbëhet nga 18 shufra karburanti dhe duket diçka si kjo:

Asambleja e karburantit të një reaktori VVER duket si kjo:
Siç mund ta shihni, montimi i karburantit të reaktorit VVER përbëhet nga një numër shumë më i madh shufrash karburanti sesa ai i RBMK.
Produkti special i përfunduar (FA) më pas dorëzohet në termocentralin bërthamor në përputhje me masat paraprake të sigurisë. Pse masa paraprake? Karburanti nuklear, edhe pse ende jo radioaktiv, është shumë i vlefshëm, i shtrenjtë dhe nëse trajtohet me shumë pakujdesi mund të shkaktojë shumë probleme. Pastaj kryhet kontrolli përfundimtar i gjendjes së montimit të karburantit dhe ngarkimi në reaktor. Kjo është e gjitha, uraniumi ka bërë një rrugë të gjatë nga minerali nëntokësor në një pajisje të teknologjisë së lartë brenda një reaktori bërthamor. Tani ai ka një fat tjetër - të tendoset brenda reaktorit për disa vjet dhe të lëshojë nxehtësi të çmuar, të cilën uji (ose ndonjë ftohës tjetër) do t'i marrë.

Një makinë moderne mund të funksionojë me benzinë ​​me një vlerësim oktani prej 72 - por do të jetë një udhëtim i trishtuar dhe i ngadaltë. Një termocentral bërthamor është i aftë të funksionojë me karburant të zhvilluar 50 vjet më parë - por do të funksionojë në një mënyrë joprofitabile, reaktori nuk do të jetë në gjendje të realizojë aftësitë e reja të përfshira në të nga projektuesit e tij. Që nga krijimi i termocentralit të parë bërthamor, shkencëtarët bërthamorë kanë punuar vazhdimisht shumë për të përmirësuar cilësinë e karburantit bërthamor, duke rritur avantazhet e energjisë bërthamore.

Të gjithë e kemi parë dhe tashmë jemi mësuar me atë se si duken termocentralet bërthamore - struktura gjigante që mund dhe duhet të konsiderohen si një nga simbolet e fazës moderne të zhvillimit të qytetërimit njerëzor. Turbina të mëdha, rotori rrotullues i të cilave krijon një rrymë të madhe elektrike, pompa të fuqishme që drejtojnë ujin përmes bërthamës së reaktorit nën presion të lartë, enë reaktorësh të qëndrueshme, predha shtesë të mbyllura që mund t'i rezistojnë tërmeteve dhe aeroplanëve që bien mbi to. Tubacionet e qarqeve parësore dhe dytësore, kullat gjigante ftohëse në të cilat uji i qarkut sekondar ftohet - gjithçka këtu është e madhe, ndonjëherë kolosale. Por zemra e çdo reaktori bërthamor është shumë e vogël, sepse reaksioni i kontrolluar i ndarjes bërthamore ndodh brenda peletave shumë të vogla të karburantit që përmbajnë uranium të pasuruar në izotopin-235. Është këtu, në tableta të vogla, që ndodh gjëja më e rëndësishme - lëshimi i një sasie të madhe nxehtësie, për përdorimin e dobishëm të së cilës krijohet gjithçka që shohim në termocentralet bërthamore. Kjo është e gjitha, e madhe dhe e bukur, pajisje komplekse që kërkon përpjekje të mëdha në prodhim dhe funksionim - vetëm "shërbim" për peletat e karburantit.

Energjia bërthamore pa formula

Është mjaft e vështirë të flitet se çfarë është karburanti bërthamor nga një termocentral bërthamor - në raste të zakonshme, përshkrimi kërkon formula matematikore me shumë nivele, fizikë atomike dhe mekanikë të tjera kuantike. Le të përpiqemi të bëjmë pa të gjitha këto në mënyrë që të kuptojmë se si shkencëtarët tanë bërthamorë zbutën uraniumin, duke e bërë atë një burim të besueshëm të energjisë elektrike që na nevojitet dëshpërimisht. Na duket se logjika dhe sensi i thjeshtë i zakonshëm i përditshëm do të mjaftojnë për këtë, dhe pikënisja do të jetë një përshkrim shkollor i reaksionit zinxhir të ndarjes. E mbani mend?

"Një neutron godet një bërthamë uraniumi, nxjerr dy neutrone nga ajo menjëherë, të cilat tani godasin disa bërthama, duke rrëzuar katër menjëherë ..."

Reaksioni zinxhir bërthamor

Në terma matematikorë, me një faktor shumëzimi neutron të barabartë me dy, një reaksion zinxhir i kontrolluar është i pamundur. Numri i neutroneve të lira dhe ngjarjeve të kalbjes së bërthamave të uraniumit po rritet aq në formë orteku sa mund të ketë vetëm një rezultat - një shpërthim atomik. Në mënyrë që reagimi të vazhdojë pa probleme, në mënyrë që të mund të kontrollohet dhe rregullohet, është e nevojshme të arrihet një faktor shumëzimi prej 1.02 - njëqind neutrone "fillestare" të lira duhet të krijojnë shfaqjen e 102 neutroneve të lirë të "të dytës". brezi”, të gjitha të tjerat duhet të eliminohen, të përthithen, të neutralizohen – quani këtë proces si të doni, por duhet të ndodhë. Kjo vlerë pragu është llogaritur teorikisht, për të cilën një "faleminderit" e veçantë për shkencëtarët tanë. Ata zbuluan se përmbajtja natyrore e izotopit-235 nuk mjafton që faktori i shumëzimit të kalojë një. Me fjalë të tjera, nëse duam që reaksioni i ndarjes të vazhdojë, duhet të mësojmë se si ta rrisim përmbajtjen e këtij izotopi në 3-4%, pra 5-6 herë më i lartë se sa na ofron Nëna Natyrë. Teoricienët bënë llogaritjet, por inxhinierët praktikë bënë pjesën tjetër të punës, duke gjetur mënyra për të përdorur materiale që thithin neutronet e tepërta në bërthamën e reaktorit dhe shpikën "neutronizuesit".

Kimia është jeta

Si pasurohet uraniumi bazuar në përmbajtjen e izotopit-235, revista analitike në internet Geoenergetics.ru Unë tashmë ju thashë që së pari uraniumi duhet të kthehet në gaz, në fluorid uraniumi, pastaj të përdoren centrifugat e gazit për të "zhdukur" atomet e rënda, për shkak të së cilës do të rritet numri i atomeve të lehta (bërthama e izotopit kryesor të uraniumit përmban 238 protone dhe neutrone, një atom i tillë peshon tre njësi atomike më të mëdha se atomi i uraniumit-235). E shkëlqyeshme - fluori është bërë më i pasur me uranium-235, gjithçka është në rregull. Dhe pastaj - çfarë dhe si? Rruga e karburantit bërthamor në reaktorët e termocentraleve bërthamore fillon në duart e kujdesshme të kimistëve që kryejnë punë jashtëzakonisht të rëndësishme - ata e kthejnë gazin në një substancë të ngurtë dhe në llojin që shkencëtarët bërthamorë "i urdhëruan". Ajo që e bën energjinë bërthamore kaq të habitshme është se ajo nuk kufizohet vetëm në fizikën atomike, ajo përdor dhjetëra disiplina shkencore në të njëjtën kohë; Rosatom Gjithmonë ka vend për kimistët, shkencëtarët e materialeve, metalurgët dhe shumë e shumë specialistë të tjerë.

Dhe fizikanët "urdhërojnë" kimistët dioksid uraniumi - një pluhur molekulash që përmban një atom uranium dhe dy atome oksigjen. Pse ai? Po, shumë nga vetitë e këtyre molekulave janë shumë të mira. Pika e shkrirjes së dioksidit të uraniumit është 2,840 gradë, është shumë e vështirë për ta bërë atë të shkrihet, ka pasur vetëm tre aksidente që përfshijnë shkrirjen e karburantit; Dioksidi i uraniumit është pak i ndjeshëm ndaj të ashtuquajturës ënjtje të gazit - një fenomen interesant, por i dëmshëm për energjinë bërthamore. Ajo që ndodh në bërthamën e reaktorit është mishërimi i ëndrrës së alkimistëve mesjetarë, shndërrimet e disa elementëve kimikë në të tjerë, krejtësisht të ndryshëm nga ata. Një neutron i lirë që godet një bërthamë të uraniumit-235 jo vetëm që rrëzon neutronet e lira shtesë prej saj - por bën që vetë bërthama të ndahet në pjesë të ndryshme. Se si ndodh saktësisht ndarja dhe çfarë bërthamash të reja formohen është çështje rastësie, por statistikat tregojnë se mes fragmenteve të tjera të ndarjes ka edhe gazra. Ata grumbullohen brenda peletit të karburantit dhe sillen ashtu siç duhet të gazrave - ata përpiqen të zënë sa më shumë vëllim që të jetë e mundur, ata përpiqen të grisin fjalë për fjalë peletin e karburantit në copa. Pajtohem, nuk ka asgjë të dobishme në këtë - ne kemi nevojë që peleti i karburantit të jetë i paprekur dhe i shëndetshëm, në mënyrë që të mund të qëndrojë në bërthamë për aq kohë sa të jetë e mundur, në mënyrë që të na transferojë të gjithë energjinë që përmbahet në bërthamat e atomeve të uraniumit. Pra, vetëm hardcore, vetëm dioksid uraniumi - ju lejon të përdorni temperatura më të larta, gjë që rrit efikasitetin e një termocentrali bërthamor, ju lejon të rritni djegien e karburantit.

"Djegia e karburantit bërthamor" është një term tërësisht shkencor dhe teknik, por nuk kërkohet një arsim i lartë fizik për të kuptuar se çfarë është. Djegia e karburantit është pjesa e bërthamave të uraniumit që kanë pësuar transformim bërthamor kur ekspozohen ndaj neutroneve. E shprehur në përqindje, sa më e lartë të jetë përqindja, aq më i madh ishte numri i bërthamave të uraniumit që ne mund të përdornim për qëllimet që na nevojiteshin, duke marrë nxehtësi prej tyre që përdorej për të prodhuar energji elektrike. Rrjedhimisht, djegia e karburantit është një nga parametrat kryesorë ekonomikë të një termocentrali bërthamor. Nëse vendosnim 100 kilogramë uranium-235 në bërthamë dhe në fund të fushatës së karburantit hoqëm 99 kg prej tij - një dizajn i tillë i bërthamës, reaktorit dhe termocentralit bërthamor është i pavlefshëm. Por nëse rezulton se nuk ka mbetur uranium-235 në peletin e karburantit të hequr nga bërthama, atëherë projektuesit kanë bërë mirë dhe ka ardhur koha që secilit prej tyre t'i japin urgjentisht një çmim Nobel, ose më mirë, dy.

Në fakt, një shkallë e djegies prej 100% është në parim e paarritshme, por kjo nuk do të thotë se ata nuk po luftojnë për të - ka beteja serioze për çdo përqindje. Sa më e madhe të jetë thellësia e djegies, aq më e ulët është kostoja e energjisë elektrike që rezulton dhe konkurrenca me energjinë e bazuar në djegien e hidrokarbureve nuk është anuluar. Për më tepër, sa më gjatë të "digjet" tableta, aq më rrallë reaktori duhet të rimbushë karburantin. Dizajni i VVER (reaktori i energjisë me ftohur me ujë) është i tillë që karburanti ndryshohet kur reaktori ndalet plotësisht dhe ftohet - është më i sigurt. Sa më pak mbyllje të tilla, aq më i lartë faktori i shfrytëzimit të kapacitetit të instaluar është treguesi i dytë më i rëndësishëm ekonomik i një centrali bërthamor. Fleta e të dhënave teknike të fshesë me korrent tregon fuqinë e saj - le të themi, 1200 Wh. Por ju do të merrni 1200 vat nëse fshesa me korrent punon për saktësisht një orë, në modalitetin e funksionimit gjysmë ore - gjysmë ore "diçka ju ka kapur pjesën e poshtme të shpinës" do të merrni vetëm 600 vat, ose, me fjalë të tjera, kapacitetin e fshesa me korrent do të jetë vetëm 50%. Ashtu si në rastin e djegies së karburantit, qëllimi i dashur është 100%, dhe përsëri, çdo për qind ka rëndësi, sepse ekonomia e një reaktori bërthamor duhet të jetë më fitimprurës sesa ekonomia e një termocentrali dhe madje edhe ekonomia e një hidrocentrali. .

Duket - si mund të tregosh rezultate ekonomike më fitimprurëse sesa një hidrocentral, i cili nuk kërkon fare karburant, ku përdoret vetëm energjia e ujit që bie? Po, është shumë e thjeshtë - uji nuk bie mbi njësitë hidraulike 24 orë në ditë, 365 ditë në vit, kjo kërkon një vëllim shumë specifik të ujit në rezervuar. Derisa të arrihet ky vëllim, hidrocentrali do të "pushojë" dhe termocentrali bërthamor, i cili nuk di asgjë për pauza të tilla, do të ketë kohë të arrijë dhe të kapërcejë rivalin e tij. Këtu është një përmbledhje e shkurtër - efikasiteti, djegia dhe faktori i kapacitetit të çdo centrali bërthamor varen në mënyrë kritike nga peleti i karburantit dhe materiali i tij. Një kimist që e kthen gazin e fluorit të uraniumit në pluhur dioksid uraniumi, mbani mend - e ardhmja e energjisë bërthamore varet nga aftësia juaj!

Tabletat e karburantit - hap pas hapi

Shumë mund të shpjegohen me fjalë të thjeshta, por bërja e një ushtrimi të tillë për të përshkruar punën e kimistëve është e pamundur nga fjala "në përgjithësi", prandaj bëhuni gati. Gazi i fluorit të uraniumit kalohet fillimisht përmes një tretësire ujore për të marrë fluorid uranil, i cili përzihet me amoniak dhe mbetjen acide të acidit karbonik. Rezultati është karbonat uranil amonit, i cili precipiton - konsideroni se gjysma e betejës tashmë është bërë, ne kemi të paktën diçka të ngurtë, jo të gaztë. Pezullimi kalohet përmes një filtri, lahet dhe dërgohet në një furrë me shtrat të lëngshëm, ku për shkak të temperaturës së lartë, të gjitha papastërtitë e panevojshme shpërbëhen, duke lënë një mbetje të thatë të pluhurit të trioksidit të uraniumit (për çdo 1 atom uranium në këtë molekulë ka tre atomet e oksigjenit). Kjo është ajo, tani ai është pothuajse i yni!

Zona për prodhimin e pluhurit të dioksidit të uraniumit duke përdorur pirohidrolizë me temperaturë të lartë

Temperatura është përsëri e lartë - 500 gradë, por këtë herë me kalimin e hidrogjenit, i cili merr atomin shtesë të oksigjenit, dhe kimistët me qetësi shkojnë në një pushim dreke, duke i lejuar fizikanët të marrin dioksidin e uraniumit që lakmojnë. Megjithatë, ata gëzohen herët - ata goditen menjëherë në duart e shtrira me gërvishtje ... nga metalurgët, pasi tabletat e karburantit prodhohen nga metalurgjia pluhur. Pluhuri që rezulton nga puna e kimistëve grimcohet, sitet dhe fitohet një pluhur i imët - i grimcuar deri në pluhur. Pas shtimit të lidhësve dhe lubrifikantëve, tabletat shtypen dhe pjekja përsëri për të hequr papastërtitë e panevojshme. Pas kësaj, temperatura rritet në 1750 gradë, tabletat bëhen më të dendura, më të rënda - tani ato mund të përpunohen duke përdorur metoda mekanike. Mulli cilindrike hyn në lojë për të marrë dimensionet e kërkuara - kjo është e gjitha.

Zona e prodhimit të peletit të uraniumit

Jo, mirë, jo plotësisht "të gjitha", sepse menjëherë pas kësaj inspektorët vijnë në punishte për të kontrolluar dimensionet gjeometrike, cilësinë e sipërfaqes, përmbajtjen e lagështisë dhe raportin e atomeve të oksigjenit dhe uraniumit. Ju lutemi vini re se nuk është e nevojshme të kontrolloni raportin e atomeve të uraniumit-235 dhe uranium-238 - pavarësisht se çfarë manipulimesh kryejnë kimistët, veprimet e tyre nuk ndikojnë në përbërjen e bërthamave atomike. Rezultati i gjithë kësaj pune janë tabletat e karburantit që peshojnë vetëm 4.5 gram, por këto fishekë të vegjël përmbajnë të njëjtën sasi energjie si 400 kg qymyr, 360 metra kub gaz natyror ose 350 kg naftë.

Prodhimi dhe kontrolli teknik i peletave të karburantit qeramik bërthamor

Gama e tabletave të prodhuara në ndërmarrjet bërthamore ruse që janë pjesë e Kompania e karburanteve TVEL– më shumë se 40 lloje, madhësi të ndryshme, shkallë të ndryshme pasurimi të uraniumit-235. Por një gjë mbetet e pandryshuar - energjia bërthamore vazhdon të përdorë dioksidin e uraniumit si lëndë djegëse, e cila në vetvete është një nga pengesat për përhapjen e radioaktivitetit. Në temperaturat e funksionimit, ky material ruan 98% të produkteve të dekompozimit brenda vetes, duke reduktuar ngarkesën e vulosjes në minimum. Në mënyrë që karburanti të kryejë funksionet e tij "pengesë", është e rëndësishme që ndërveprimi i karburantit me ftohësin të jetë minimal - përndryshe produktet e kalbjes radioaktive kanë një shans për të shpëtuar në mjedisin e jashtëm me të gjitha pasojat e pakëndshme që pasojnë.

Një shufër karburanti nuk është thjesht një "tub i gjatë"

Mirë, tabletat janë bërë, çfarë më pas? Ideja e një reaktori bërthamor është e thjeshtë - ftohësi duhet të "heqë" të gjithë nxehtësinë e lëshuar si rezultat i reaksioneve bërthamore. Kjo heqje nuk është një herë, kjo heqje duhet të ndodhë gjatë gjithë seancës së karburantit - në kohën kur karburanti është në bërthamën e reaktorit. Në reaktorët VVER, kjo punë kryhet nga uji që kalon përmes bërthamës nën presion të lartë. Hidhni tabletat e karburantit në bërthamë si petë në ujë të valë? Ky nuk është një opsion, është shumë më e arsyeshme të sigurohet që peletat e karburantit të jenë të palëvizshme, përgjatë të cilave një rrymë uji kalon nën presion, duke hequr energjinë termike të krijuar gjatë reaksioneve bërthamore. Rrjedhimisht, nevojitet një lloj "kapsi", i cili është krijuar për të siguruar një vendndodhje të palëvizshme të karburantit - ky është një tub i uritur me mure të hollë, brenda të cilit gjenden fishekët e karburantit - shufra e karburantit, elementi i karburantit.

Elementet e karburantit (elementet e karburantit), Foto: wikimedia.org

Pse me mure të hollë? Kështu që nxehtësia e gjeneruar në peletat e karburantit mund të "largohet" pothuajse e papenguar nga uji, domethënë, kërkesa e parë për materialin e mureve të shufrës së karburantit është përçueshmëria më e lartë termike e mundshme. Mori - dha, mori - dha. Kërkesa e dytë është gjithashtu mjaft e dukshme - ana e jashtme e mureve të elementit të karburantit është vazhdimisht në ujë, prandaj materiali i tij nuk duhet të ketë frikë nga korrozioni. Kushti i tretë është gjithashtu i dukshëm - materiali duhet t'i rezistojë radioaktivitetit të lartë të vazhdueshëm, pa shkaktuar dëme në proceset bazë bërthamore. Ai duhet të thithë sa më pak neutrone që të mos ndërpresë reaksionin bërthamor, në mënyrë që të mos detyrojë prodhimin e uraniumit me një shkallë më të lartë pasurimi në izotopin-235. Diametri i tubit, si dhe diametri i fishekëve të karburantit, duhet të jetë sa më i vogël - përndryshe nxehtësia që krijohet në segmentet qendrore nuk do të arrijë ftohësin. Ky është grupi i kërkesave që duhet të plotësojë një gjë e tillë "e thjeshtë" si një mur i hollë i një shufre karburanti.

Në fazën e zhvillimit të energjisë bërthamore, çeliku inox u bë një material i tillë, por kjo nuk zgjati shumë - doli që çeliku merr shumë neutrone të lira, nevojitet diçka më pak e pangopur. Në këtë kohë, shkencëtarët bërthamorë kishin punuar plotësisht dhe gjetën një metal me një seksion kryq të kapjes minimale të neutronit - zirkonium. Në këtë rast, fjala "seksion" zëvendëson fjalën "probabilitet". Probabiliteti që një neutron që kalon të kapet në rrjetën e tij nga bërthama e një atomi të zirkonit është minimale, ndërsa zirkonium ka një koeficient të shkëlqyer të transferimit të nxehtësisë, ai nuk ndërvepron me ujin, shkrihet vetëm në temperatura mbi 1'855 gradë. ka një koeficient shumë të ulët të zgjerimit termik - në vend të kësaj, për të "fryrë" kur nxehet, ai thjesht "shkarkon" nxehtësinë në mjedisin e jashtëm. Pajtohem - është thjesht një material ideal për energjinë bërthamore, nëse mund ta arrini atë në pastërtinë ideale kimike, pasi çdo papastërti ka tendencë të "hapë" në mënyrë aktive neutronet e lira.

Punëtori e prodhimit të shufrës së karburantit dhe montimit të karburantit

Sapo metalurgët njoftuan se kishin mësuar të përballonin këtë detyrë, energjia bërthamore kaloi në zirkon. Ndërmarrja e vetme në Rusi dhe një nga tre në botë që ka një cikël të plotë të prodhimit të zirkonit dhe lidhjeve të tij është Fabrika Mekanike Chepetsk (Glazov, Udmurtia), e cila është pjesë e kompanisë së karburanteve TVEL. Që nga viti 1986, ChMP kaloi në prodhimin e veshjeve të elementeve të karburantit nga aliazh E-110 - një për qind e niobiumit i shtohet zirkonit dhe kjo rritje e vogël rrit ndjeshëm rezistencën ndaj korrozionit të materialit. Vetitë mekanike të aliazhit aktualisht të përdorur E-365, i cili përveç zirkonit dhe niobiumit përmban hekur dhe kallaj, kanë veti mekanike edhe më të mira. Çdo hap në prodhimin e shufrave të karburantit është jashtëzakonisht i rëndësishëm prania e këtyre elementeve bën të mundur përballimin më të mirë të saldimit dhe metodave të tjera të bashkimit të materialeve. Elementet e karburantit të prodhuar në Rusi plotësojnë të gjitha kërkesat e IAEA, tregojnë karakteristika të shkëlqyera të performancës dhe bëjnë të mundur përmirësimin e treguesve ekonomikë të energjisë bërthamore.

Ajo që mund të duket si një "pjesë e thjeshtë mekanike", natyrisht, nuk është.

Shufra e karburantit në seksion, Fig.: heuristik.su

Këtu është një përshkrim i shkurtër i shufrës së karburantit me përmbajtjen brenda. Gjatësia - 3,8 metra, diametri i jashtëm - 9,1 mm. Brenda janë tableta të dioksidit të uraniumit me diametër të jashtëm 7,57 mm dhe lartësi 20 mm në qendër të çdo tablete ka një vrimë me diametër 1,2 mm; Peleti nuk prek muret e shufrës së karburantit, hendeku dhe vrima brenda peletave janë krijuar në mënyrë që shufra e karburantit të mbajë gazrat radioaktivë të formuar gjatë prishjes bërthamore. Peletat fiksohen brenda elementit të karburantit me tufa, gjatësia totale e kolonës së peletit është 3.53 metra, gjatë seancës së karburantit gjatësia rritet me 30 mm. Po, gjithçka matet në milimetra dhe madje edhe në fraksionet e tyre - në fund të fundit, energjia bërthamore merret me grimcat më të vogla të materies.

Këtu është një tabletë me një diametër më të vogël se 8 mm - do të duket se mund të ketë diçka interesante në të? Por gjatë reaksioneve bërthamore, temperatura në pjesën qendrore të tabletës arrin 1'500-1'600 gradë, dhe në sipërfaqen e jashtme - vetëm 470. Një ndryshim prej njëmijë gradë në një distancë prej 3-4 milimetra, metali bëhet gaz - të tilla janë mrekullitë brenda pilulave të vogla.

Nga shufra e karburantit tek montimi i karburantit

Ata i bënë fishekët, i vendosën në shufrën e karburantit - kjo është ajo? Sigurisht që jo - tubi së bashku me karburantin peshon vetëm 2.1 kg, një masë e tillë uraniumi nuk mjafton për punë afatgjatë. Faza tjetër në formimin e karburantit bërthamor është formimi i asambleve të karburantit dhe asambleve të karburantit. Për reaktorin më të përhapur në Rusi, VVER-1000, 312 shufra karburanti janë mbledhur në një asamble karburanti dhe lihen boshllëqe midis tyre për hyrjen e shufrave të sistemit të kontrollit dhe mbrojtjes të mbushura me një absorbues kaq efektiv neutron si bor. Në fund të montimit të karburantit ka një të ashtuquajtur bosht - vendi në të cilin janë ngjitur shufrat e karburantit.

Prodhimi i kornizës - saldimi i kanaleve dhe rrjetave ndarëse

Në pjesën e sipërme, shufrat e karburantit janë ngjitur në kokë përmes një blloku pranveror - mbron shufrat e karburantit nga notimi gjatë funksionimit të reaktorit. Po, uraniumi është një element i rëndë, as zirkonium nuk mund të quhet i lehtë, por ia vlen të kujtojmë se shkalla nominale e rrjedhës së ujit nëpër asambletë e karburantit është 500 metra kub në orë, uji lëviz përgjatë shufrave të karburantit me një shpejtësi prej 200 km/ h në drejtim nga poshtë lart - një rrjedhë e tillë do të detyrojë të shfaqet çdo gjë. Shufrat e karburantit ndahen nga njëri-tjetri duke përdorur rrjeta ndarëse, të cilat i mbajnë këta tuba në vendet e tyre të rregullta, duke siguruar heqjen më efikase të nxehtësisë. Ka nga 12 deri në 15 rrjeta ndarëse në asambletë e karburantit me dizajne të ndryshme, vetëm ky numër lejon që uji të bëjë punën e heqjes së nxehtësisë së dobishme.

Kanalet dhe rrjetat ndarëse, kontrolli i cilësisë

Dhe, megjithatë, edhe kjo nuk na shpëtoi plotësisht nga problemi i lakimit të shufrave të karburantit dhe montimeve të karburantit. Asambletë tona nuk mund t'i rezistonin ngarkesave mekanike boshtore - pothuajse katër metra në gjatësi me një trashësi guaskë prej 0,65 mm, një rrjedhje të fuqishme uji dhe temperatura të larta bënë punën e tyre. Në vitin 1993, përfundimisht u bë e qartë se duhej bërë diçka për këtë problem, për të gjetur mënyra për ta hequr qafe atë. Minatom bëri një kërkesë përkatëse në IAEA - si qëndrojnë gjërat me këtë problem në vendet perëndimore. IAGTE kreu një sondazh përkatës me organizatat operative dhe nuk gjeti ndonjë ndjesi - shkencëtarët bërthamorë perëndimorë gjithashtu e kanë këtë problem, ata gjithashtu po kërkojnë mënyra për ta përballuar atë.

Tani, më falni, por edhe një herë do të duhet të prekim mitin kryesor të ekonomisë liberale - efikasitetin e pronarit privat në krahasim me sektorin e ngathët, inercial shtetëror të ekonomisë. Ka një numër të konsiderueshëm pronarësh privatë të termocentraleve bërthamore në Perëndim dhe veçanërisht në SHBA, por ata nuk e zgjidhën dot problemin. Minatom veproi në përputhje me traditat e Ministrisë së Ndërtimit të Makinave të Mesme - ia besoi zgjidhjen e problemit dy zyrave të projektimit menjëherë, në mënyrë që si rezultat i luftës midis dy projekteve të mira, fitorja të shkonte për më të mirën. Pjesëmarrës në konkursin kapitalist ishin Podolsk OKB (zyra eksperimentale e projektimit) "Gidropress" dhe Nizhny Novgorod OKBM (OKB Mashinostroeniya) me emrin. Afrikantova. Të dy zyrat e projektimit janë aktualisht pjesë e ndërmarrjes së makinerive Atomenergomash, por kjo nuk e zvogëlon intensitetin e konkurrencës.

Konkurrenca është motori i përparimit

Banorët e Nizhny Novgorod zhvilluan një dizajn TVS, i cili mori shkurtesën TVSA ndërsa zhvillimi përparonte, modifikimet e TVSA-12, TVSA-PLUS, TVSA-T u shfaqën njëra pas tjetrës. Karakteristika e tij kryesore karakteristike është se qoshet filluan të ngjiten në rrjetat ndarëse për të rritur ngurtësinë e strukturës, por Gidropress nuk e pranoi këtë koncept - sasinë e tepërt të zirkonit, nga i cili janë bërë qoshet, në bërthamë, sipas ekspertët, mund të ndikojë negativisht në karakteristikat e neutroneve të zonave bërthamore të reaktorit. Modifikimi i krijuar në Gidropress me shkurtesën UTVS (Advanced TVS) nuk përdor saldim të ngurtë të rrjeteve ndarëse dhe kanaleve udhëzuese UTVS filloi të përdoret në termocentralet bërthamore me kërkesa të shtuara për rezistencën sizmike - në Tianwan kinez, në Bushehr iranian. , në Kudankulam indian." Sidoqoftë, të thuash se ky zhvillim u bë vetëm nga punonjësit e Byrosë së Dizajnit Gidropress është e pasaktë nga Instituti Kurchatov, Instituti i Fizikës dhe Energjisë në Obninsk, Uzina e Koncentrateve Kimike në Novosibirsk, Instituti i Kërkimeve me emrin; Boçvara. Por rezultati është i rëndësishëm - testi pilot në NPP Rostov tregoi rezultate të shkëlqyera, klientët e huaj ishin jashtëzakonisht të kënaqur me rritjen e besueshmërisë së UTVS.

Montimi i trarëve

Shikimi i detajeve të luftës midis dy zyrave të projektimit është një spektakël magjepsës, por ka aq shumë detaje teknike sa do të nevojiten përpjekjet e përkthyesve profesionistë. Rrjeta të gjera dhe të ngushta, grila të rralla, turbulatorë dhe deflektorë, grila me kanale të zhdrejtë, intensifikues të transferimit të nxehtësisë, shpejtësia e ngarkimit të kasetave në bërthamë, kombinimi me funksionimin e makinave rimbushëse, terminologjia nga hidrodinamika dhe termomekanika - kjo është me të vërtetë një krejtësisht e veçantë gjuha... E rëndësishme për energjinë bërthamore rezultati i arritur nga të dy byrotë e projektimit, debati shkencor dhe krijues i të cilave vazhdon edhe sot e kësaj dite. Përmirësimet dhe modifikimet lejojnë përdorimin e karburantit me pasurim më të lartë në përmbajtjen e uraniumit-235 - kjo shifër për VVER-1000 u rrit nga 3.77% në 4.95%. Duket se ndryshimi është krejtësisht i parëndësishëm, por si rezultat, djegia e karburantit u rrit nga 40 MW në ditë për kilogram uranium në 58 MW për kilogram, pothuajse 50%. Por ky rezultat është tashmë shumë domethënës, ai na lejon të konkurrojmë në mënyrë të barabartë me energjinë hidrokarbure për sa i përket kostos së energjisë elektrike të prodhuar dhe i bën perspektivat për zhvillimin e energjisë bërthamore gjithnjë e më inkurajuese. Një nga arritjet - rritja e fuqisë së reaktorëve ekzistues VVER me 4-7% pa ndryshuar dizajnin e tyre bazohet pikërisht në optimizimin e asambleve të karburantit bërthamor dhe karburantit është bërë një avantazh tjetër konkurrues në tregun ndërkombëtar.

Montimi i përfunduar i karburantit

Sigurisht, UTVS nuk u bë një lloj "final" për përmirësimin e asambleve të karburantit. Avantazhi kryesor i UTVS në krahasim me karburantin e gjeneratës së mëparshme u sigurua nga kalimi nga çeliku inox në zirkon, në aliazhin E-110. Zhvilluesit ishin në gjendje të rrisnin ngurtësinë e strukturës pa përdorimin e qosheve - ata forcuan rrjetat ndarëse dhe filluan të përdorin saldimin në vend për të rritur rezistencën ndaj deformimit gjatë funksionimit. Ata arritën të rrisin gjatësinë e kolonës së karburantit - tani më shumë uranium vendoset në bërthamën e reaktorit, seancat e karburantit janë bërë më të gjata, furnizimi me karburant mund të kryhet më rrallë, që do të thotë një rritje e kapacitetit.

Karburanti i ri për Iranin

Që nga fillimi i vitit 2014, procesi i negociatave filloi ndërmjet TVEL dhe klienti iranian i përfaqësuar nga Organizata e Energjisë Atomike e Iranit (AEOI) Dhe Kompania e prodhimit dhe zhvillimit të energjisë bërthamore të Iranit (NPPD) mbi kalimin e NPP-së Bushehr në kasetat e reja të karburantit - TVS-2M. Për të siguruar procesin e negociatave TVEL zhvilloi një "Studim fizibiliteti për zbatimin e TVS-2M në NPP Bushehr", në të cilin klientit iu dha një sasi e plotë informacioni për analiza dhe vendimmarrje për një tranzicion të tillë. Mënyra më e mirë për të bindur një klient të mundshëm nuk është marketingu ndërhyrës në energjinë bërthamore, kjo qasje pothuajse kurrë nuk sjell rezultate. Kompania ruse e karburantit thjesht bashkoi një analizë të rezultateve të zbatimit të TVS-2M në rusin VVER-1000 dhe në NPP Tianwan në Kinë - reaktorë të të njëjtit lloj si ata që veprojnë si pjesë e njësisë së energjisë në Bushehr NPP. Në Kinë, dy njësitë e para të NPP Tianwan funksionojnë në TVS-2M në një cikël karburanti 18-mujor. Dhe shkencëtarët bërthamorë iranianë ishin në gjendje të verifikonin se djegia e karburantit u rrit, kohëzgjatja e fushatave të karburantit u rrit dhe faktori i kapacitetit u rrit.

Pas analizimit të rezultateve të marra dhe kontrollimit të tyre në vend, klientët iranianë dhanë një përgjigje - ata zhvilluan një listë të punimeve nga ndërmarrjet ruse, e cila është e nevojshme për të siguruar licencimin e karburantit të ri nga autoritetet rregullatore bërthamore. Puna e mëtejshme ishte tashmë e përbashkët - specialistët tanë dhe iranianë së bashku përpiluan një listë të azhurnimeve të nevojshme për pajisjet e njësisë së energjisë në NPP Bushehr, e cila duhej të kryhej në mënyrë që reaktori të mund të pranonte TVS-2M në thelb. Në fakt, funksionimi i VVER-1000 tonë në karburantin e ri tregoi rezultate të tilla që një kalim i plotë në TVS-2M u bë thjesht i pashmangshëm - djegia e karburantit u rrit me 20%, dhe komponenti i karburantit i kostos së prodhimit të energjisë elektrike u ul. me gati 9%.

Rezultati i negociatave me klientin iranian është krejt i natyrshëm. Në prill të këtij viti TVEL nënshkruar me AEOI Dhe NPPD marrëveshje shtesë për kontratën aktuale për furnizimin me karburant të NPP-së Bushehr - nga viti 2020 TVEL do të fillojë furnizimet e TVS-2M në Iran. Nuk ka nxitim, asnjë zhurmë - thjesht projektet tona dhe ato iraniane bërthamore që ne mbështesim vazhdojnë të zhvillohen vazhdimisht, duke u ofruar konsumatorëve energji elektrike në vëllimet që u nevojiten. Ne ndoshta do të zbulojmë se çfarë mendojnë klientët në Indi dhe Kinë për këtë në të ardhmen e afërt. Rritja e treguesve ekonomikë të njësive të energjisë për shkak të përdorimit të karburantit të ri pa ndryshime të rëndësishme në grupin e pajisjeve është aq domethënëse sa ekziston besimi se reflektimi nuk do të zgjasë shumë. Na mbetet vetëm të ndjekim zhvillimet e mëtejshme të ngjarjeve dhe të urojmë edhe një herë TVEL, OKB Gidropress dhe i gjithë ekipi i zhvillimit me faktin se karburanti i tyre i ri tashmë ka marrë njohje ndërkombëtare.

Natyrisht, historia e sotme për zhvillimin e karburantit bërthamor është larg të qenit e plotë - ndryshimet në këtë pjesë po ndodhin vazhdimisht. Karburanti për VVER-1200 është zhvilluar, zhvillimi i karburantit për llojet e tjera të reaktorëve është duke u zhvilluar, TVEL vazhdon të prodhojë karburant për reaktorët e dizajnit perëndimor së bashku me partnerët francezë, TVEL Karburanti i zhvilluar në mënyrë të pavarur TVS-Kvadrat, i cili po testohet në termocentralin suedez Ringhals dhe është i licencuar për tregun amerikan. Ndërmarrjet TVEL po prodhojnë karburant për BN-800, është prodhuar një grup pilot i karburantit REMIX dhe zhvillimi i karburantit nitrik është afër përfundimit për një reaktor premtues të ftohur me plumb - Rosatom dhe nuk mendon se mund të përballojë të pushojë mbi dafinat e tij.

Karburanti bërthamor është "zemra" e energjisë bërthamore, monitorimi se si krijohen llojet e reja të saj dhe çfarë rezultatesh japin kur i përdorin ato, është i dobishëm në atë që ju lejon të krahasoni koston e prodhimit të energjisë elektrike në termocentralet bërthamore; . Për më tepër, këtë herë ne nuk prekëm se çfarë rezulton nga zhvilluesit e llojeve të reja të karburantit në OKBM im. Afrikantova - dhe idetë e tyre përdoren gjithashtu në mënyrë shumë aktive Rosatom. Me një fjalë, historia e sotme për karburantin bërthamor nuk ka gjasa të mbetet e vetmja.

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

Në kontakt me

Uraniumi është elementi kryesor i energjisë bërthamore, i përdorur si lëndë djegëse bërthamore, lëndë e parë për prodhimin e plutoniumit dhe në armët bërthamore. Përmbajtja e uraniumit në koren e tokës është 2.5-10 -4%, dhe sasia totale në një shtresë të trashë 20 km të litosferës arrin 1.3-10 14 ton minerale uraniumi gjenden pothuajse kudo. Megjithatë, uraniumi është një element gjurmë. Kjo do të thotë se përqendrimi i tij në shkëmbinj është shpesh i pamjaftueshëm për prodhim komercialisht të qëndrueshëm. Përmbajtja e uraniumit në xehe është një nga parametrat kryesorë që përcakton koston e prodhimit. Xeherorët e uraniumit që përmbajnë 0,03-0,10% uranium konsiderohen të varfër, të zakonshëm - 0,10-0,25%, mesatarisht - 0,25-0,5%, të pasura - mbi 0,50% 1.

Uraniumi ka 14 izotope, por vetëm tre prej tyre gjenden në natyrë (Tabela 1.6).

Tabela 1.6

Sipas të dhënave më të fundit, vëllimi i eksploruar i rezervave të uraniumit, kostoja e prodhimit të të cilit nuk i kalon 130 $/kg U, është 5,327,200 ton për kategorinë me kosto prodhimi më pak se 260 $/kg U Përveç kësaj, sasia e uraniumit në të ashtuquajturat rezerva të parashikuara dhe të vlerësuara arrin në 10,429,100 tonë.

Tabela 1.7

Vendet me rezervat më të mëdha të provuara të uraniumit me një vlerë jo më të madhe se $130/kg U

Vitet e fundit, shpërndarja e depozitave të uraniumit sipas vendit ka ndryshuar disi për faktin se gjatë studimit të një numri depozitash uraniumi, burime shtesë u zbuluan në vendet afrikane (Botsvana, Zambia, Republika Islamike e Mauritanisë, Malavi, Mali , Namibia, Republika e Bashkuar e Tanzanisë). Gjithashtu, rezerva të reja u zbuluan në Guajana, Kolumbi, Paraguaj, Peru dhe Suedi.

Mineralet kryesore që përmbajnë uranium janë uraniniti (përzierje e oksideve të uraniumit dhe toriumit me formulën e përgjithshme (U, Th)0 2x), pitchblende (oksidet e uraniumit: U0 2, U0 3, i njohur edhe si katran i uraniumit), karnotit - K, (U0 2)2 (V0 4) 2 -3H 2 0, uranofani - Ca (U0 2)Si0 3 (0H) 2 -5H 2 0 dhe të tjerët 110].

Nxjerrja e uraniumit nga shkëmbinjtë kryhet në mënyrat e mëposhtme:

• Nxjerrja e gurores(metodë e hapur) përdoret për nxjerrjen e mineralit që ndodhet në sipërfaqen e kores së tokës ose shtrihet i cekët. Metoda përfshin krijimin e gropave të quajtura gurore ose prerje. Deri më sot, depozitat që mund të nxirren nga minierat në gropë janë shteruar praktikisht. Prodhimi është 23%;
• Minierat e minierave(metodë e mbyllur) përdoret për nxjerrjen e mineraleve të vendosura në thellësi të konsiderueshme, dhe përfshin ndërtimin e një kompleksi punimesh nëntokësore minierash. Prodhimi - 32%;
• Shpëlarja në vend përfshin pompimin në formimin nën presion të një solucioni ujor të një reagjenti kimik, i cili, duke kaluar nëpër mineral, shpërndan në mënyrë selektive përbërjet natyrore të uraniumit. Zgjidhja e kullimit, që përmban uranium dhe metale të lidhura, më pas sillet në sipërfaqen e tokës përmes puseve të nxjerrjes. Prodhimi - 39%.
• Nxjerrja e përbashkët me xehe të metaleve të tjera(uraniumi në këtë rast është nënprodukt) - është 6%.

Prodhimi i karburantit të dioksidit nga minerali i uraniumit është një proces kompleks dhe i shtrenjtë, duke përfshirë nxjerrjen e uraniumit nga minerali, përqendrimin e tij, pastrimin (rafinimin), shndërrimin (prodhimi i heksafluoridit të uraniumit, pasurimi, dekonvertimi (përkthimi i UF) 6 b U0 2), prodhimi i elementeve të karburantit (shkopinjtë e karburantit).

Në fazën e parë të përpunimit të mineralit të uraniumit, i nxjerrë me metoda guroreje dhe minierash, ai grimcohet dhe renditet nga radioaktiviteti. Pas klasifikimit, copat e xehes grimcohen më tej dhe dërgohen për shpëlarje për të kthyer uraniumin në një formë të tretshme. Zgjedhja e tretësirës kimike për hapjen e mineralit varet nga lloji i mineralit që përfshin uraniumin. Në disa raste përdoren metoda mikrobiologjike për hapjen e mineralit.

Si rezultat i shpëlarjes, formohet një zgjidhje produktive që përmban uranium. Gjatë përpunimit të mëtejshëm të tretësirës prodhuese me metoda të shkëmbimit të joneve, nxjerrjes ose precipitimit, uraniumi përqendrohet dhe ndahen papastërtitë e padëshiruara (Na, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Ni, etj.). Produkti që rezulton filtrohet, thahet dhe nxehet në një temperaturë të lartë, në të cilën formohet oksidi i uraniumit - torta e verdhë (U 3 0 8). Për të pastruar thellësisht uraniumin nga papastërtitë, kryhet rafinimi, skema tradicionale e të cilit është shpërbërja e U 3 0 8 në acidin nitrik dhe pastrimi i tij me nxjerrje (më rrallë, reshje). Në këtë rast, produkti përfundimtar i teknologjisë së rafinimit është U 3 0 8 ose trioksidi i uraniumit U0 3. Produkti i oksidit që rezulton konvertohet në një gjendje të gaztë - UF 6, e cila është më e përshtatshme për pasurim. Ky proces quhet konvertim.

Xeherori i grimcuar i uraniumit (shih Fig. 1.10) furnizohet në një fabrikë përpunimi. Koncentrati i xehes (uraniumi natyror) dërgohet në fabrikë për të prodhuar heksafluorid uranium (UF 6).

Oriz. 1.10.

Uraniumi nga një impiant i rigjenerimit të karburantit radiokimik i shtohet ciklit. Heksafluoridi i uraniumit dërgohet në një fabrikë për pasurimin e uraniumit natyror dhe të rigjeneruar për të rritur përmbajtjen e izotopit 235 U për të ndarë izotopet e uraniumit, kërkohen metoda të veçanta (difuzioni i gazit dhe centrifugimi i gazit), pasi izotopet e ndara 23:> dhe. dhe 238 përfaqësojnë një element kimik (d.m.th. nuk mund të ndahet me metoda kimike) dhe ndryshojnë vetëm në numrin masiv (235 dhe 238 amu). Këto metoda janë jashtëzakonisht komplekse dhe kërkojnë sasi të konsiderueshme energjie, kohë dhe pajisje speciale. Metoda e difuzionit të gazit bazohet në ndryshimin në shkallët e depërtimit të heksafluorideve të uranium-238 dhe uranium-235 përmes ndarjeve poroze (membranave). Kur uraniumi i gaztë kalon nëpër një membranë, përqendrimet ndryshojnë me vetëm 0,43%, d.m.th., përqendrimi fillestar është 2b dhe rritet nga 0,710 në 0,712%. Për të pasuruar ndjeshëm përzierjen me 235 U, procesi i ndarjes duhet të përsëritet shumë herë. Kështu, për të marrë një përzierje nga uraniumi natyror i pasuruar në 2,4% jo 235 U, dhe një përqendrim prej 235 U në uraniumin e varfëruar (mbeturinat) prej 0,3%, nevojiten rreth 840 hapa. Kaskada për prodhimin e uraniumit shumë të pasuruar (90% e lart) duhet të ketë 3000 faza.

Metoda e centrifugës së gazit është më efektive, në të cilën heksafluoridet e izotopeve të uraniumit-235 dhe 238 futen në një centrifugë gazi, e cila rrotullohet me një shpejtësi prej 1500 rrotullimesh në sekondë. Në këtë rast, lind një forcë e konsiderueshme centrifugale, duke shtyrë uranium-238 drejt murit, dhe uraniumi-235 është i përqendruar në zonën e boshtit të rrotullimit. Për të arritur shkallën e kërkuar të pasurimit, centrifugat e gazit kombinohen në kaskada që përbëhen nga dhjetëra mijëra pajisje.

Për të kthyer UF 6 pas pasurimit në dioksid uraniumi U O, përdoren metodat "e lagësht" (shpërbërja në ujë, precipitimi dhe kalcinimi) dhe "e thatë" (djegia e UF 6 në një flakë hidrogjeni). Pluhuri që rezulton U0 2 shtypet në tableta dhe shkrihet në një temperaturë prej afërsisht 1750°C.

Pas pasurimit, dy rrjedhat - uraniumi i pasuruar dhe uraniumi i varfëruar - ndjekin rrugë të ndryshme. Uraniumi i varfëruar ruhet në një fabrikë difuzioni, dhe uraniumi i pasuruar konvertohet në dioksid uraniumi (U0 2) dhe dërgohet në fabrikë për prodhimin e shufrave të karburantit.

Në këto impiante, U0 2 e destinuar për reaktorë shndërrohet në pelet karburanti. Tabletat nxehen dhe sinterohen për të marrë një konsistencë të fortë dhe të dendur (Fig. 1.11). Pas përpunimit vendosen në tuba (guaska) prej zirkoniumi, saldohen prizat në skajet dhe rezultati është elementi i karburantit. Një numër i caktuar shufrash të karburantit janë mbledhur së bashku në një strukturë të vetme - montimi i karburantit(TVS).

Oriz. 1.11. Peletat e karburantit nga U0 2

Asambletë e përfunduara të karburantit dërgohen në termocentralet bërthamore në kontejnerë të veçantë me transport hekurudhor, rrugor ose detar. Në disa raste, përdoret transporti ajror.

Në të gjithë botën po punohet për përmirësimin e karakteristikave teknike dhe ekonomike të karburantit bërthamor. Kërkesa më e rëndësishme nga pikëpamja e efikasitetit ekonomik të karburantit bërthamor është rritja e djegies. Për përdorim më të plotë të uraniumit, karburanti duhet të qëndrojë më gjatë në bërthamën e reaktorit (shih Tabelën 1.8). Për të rritur jetëgjatësinë e karburantit, po përmirësohen materialet strukturore, të cilat duhet të funksionojnë në kushte më të gjata dhe më të rënda funksionimi; përbërjet e karburantit (për të zvogëluar rendimentin e produkteve të ndarjes); ngurtësia e kornizave të montimit të karburantit rritet.

Tabela 1.8

Ciklet moderne dhe premtuese të karburantit VVER duke përdorur uranium natyror të pasuruar

1.4. Karburanti bërthamor

Për reaktorët e tipit VVER-1000, ekzistojnë dy lloje kryesore të përmirësuara të montimeve të karburantit (Fig. 1.12): TVSA (zhvilluar nga OKBM me emrin I. I. Afrikantov) dhe TVS-2 M (zhvilluar nga OKB Gidropress).

Oriz. 1.12. Asambletë e karburantit për reaktorin VVER: A- TVSA-PLUS, b- TVS-2 M

Asambletë e karburantit TVSA-PLUS dhe TVS-2 M kanë karakteristika identike teknike dhe ekonomike, duke siguruar aftësinë për të rritur fuqinë e impiantit të reaktorit deri në 104% të ciklit nominal, 18-mujor të karburantit (përbërja 66 njësi), karburanti djegia - 72 MW ditë/kg U, mundësia e funksionimit në gjendje të manovrueshme, mbrojtje nga objektet e huaja.

Rritja e peshës së prodhimit të energjisë elektrike në termocentralet bërthamore në bilancin energjetik dhe kalimi në një treg liberal të energjisë elektrike do të kërkojë në vitet e ardhshme transferimin e disa njësive të energjisë bërthamore në funksionim në një mënyrë fleksibël. Kjo mënyrë funksionimi, e cila nuk është përdorur më parë në termocentralet bërthamore, imponon gjithashtu kërkesa shtesë për ciklet e karburantit dhe karburantit. Duhet të zhvillohet një karburant që ruan karakteristika të larta të performancës në kushte të ndryshueshme të ngarkesës.

• Sipas raportit të përbashkët të IAEA dhe OECD “Uranium 2011: Rezervat, prodhimi dhe kërkesa”.

Studiuesit nga Instituti i Teknologjisë në Masaçusets (MIT), së bashku me kolegë nga SHBA dhe Brukseli, kanë zhvilluar një lloj të ri karburanti termonuklear. Me ndihmën e tij, ju mund të merrni dhjetë herë më shumë energji sesa nga të gjitha mostrat ekzistuese. Karburanti i ri përmban tre lloje të joneve - grimca ngarkesa e të cilave ndryshon në varësi të humbjes ose fitimit të një elektroni. Për të studiuar karburantin, përdoret një tokamak - një dhomë toroidale për kufizimin magnetik të plazmës, duke krijuar kushte për shkrirja termonukleare e kontrolluar. Eksperimentet me produktin e ri kryhen në bazë të një tokamak Alcator C-Mod, në pronësi të MIT, e cila siguron tensionin më të lartë të fushës magnetike dhe presionin e plazmës gjatë testimit.

Sekreti i karburantit të ri

Alcator C-Mod u lançua për herë të fundit në shtator 2016, por të dhënat e marra si rezultat i eksperimenteve u deshifruan vetëm kohët e fundit. Ishte falë tyre që shkencëtarët ishin në gjendje të zhvillonin një lloj të ri, unik të karburantit termonuklear që rrit ndjeshëm energjinë e joneve në plazmë. Rezultatet ishin aq inkurajuese saqë studiuesit po punonin për të Tora e Bashkuar Evropiane (JET, një tjetër tokamak modern) në Oxfordshire, SHBA, kryen eksperimentin e tyre dhe arritën të njëjtën rritje të prodhimit të energjisë. Një studim që detajon gjetjet u botua së fundmi në Fizika e Natyrës .

Çelësi për rritjen e efikasitetit të karburantit bërthamor ishte shtimi i sasive të vogla të helium-3, një izotop i qëndrueshëm i heliumit që ka vetëm një në vend të dy neutroneve. Karburanti bërthamor i përdorur në Alcator C-Mod më parë përmbante vetëm dy lloje jonesh, jone deuterium dhe hidrogjen. Deuteriumi, një izotop i qëndrueshëm i hidrogjenit me një neutron në bërthamën e tij (hidrogjeni i zakonshëm nuk ka fare neutrone), zë rreth 95% të përbërjes totale të karburantit.

Studiuesit në MIT Plasma and Fusion Center (PSFC) përdorën ngrohjen me radiofrekuencë për të ndezur karburantin e mbajtur në pezullim nga magnetët industrialë. Kjo metodë bazohet në përdorimin e antenave jashtë tokamakit, të cilat ndikojnë në karburant duke përdorur valë radio të frekuencave të caktuara. Ato janë të kalibruara për të goditur vetëm materialin, sasia e të cilit në pezullim është më e pakta nga të gjithë të tjerët (në këtë rast, hidrogjeni). Hidrogjeni ka vetëm një pjesë të vogël të densitetit të përgjithshëm të karburantit, kështu që fokusimi i ngrohjes së radiofrekuencës në jonet e tij lejon që të arrihen temperatura jashtëzakonisht të larta. Jonet e ngacmuara të hidrogjenit ndërveprojnë më pas me jonet e deuteriumit dhe grimcat që rezultojnë bombardojnë shtresën e jashtme të reaktorit, duke çliruar sasi të mëdha nxehtësie dhe energjie elektrike.

Edhe çfarë? helium-3? Karburanti i ri përmban më pak se 1%, por janë jonet e tij që luajnë një rol vendimtar. Duke e fokusuar ngrohjen me radiofrekuencë në një sasi kaq të vogël të materies, studiuesit e ngritën energjinë e eoneve në nivele megaelektronvolt (MeV). Një elektron volt është sasia e energjisë së fituar/humbur si rezultat i lëvizjes së një elektroni nga një pikë e potencialit elektrik në një nivel 1 volt më të lartë. Deri më tani, megaelektronvolt në eksperimentet me karburantin termonuklear ishin vetëm ëndrra përfundimtare e shkencëtarëve - kjo është një renditje e madhësisë më e madhe se energjia e të gjitha mostrave të marra deri më tani.

Tokamak: hulumtimi në reaksionet termonukleare

Alcatre C-Mod dhe JET janë dhoma të shkrirjes eksperimentale me aftësinë për të arritur të njëjtat presione dhe temperatura të plazmës që do të kërkoheshin në një reaktor shkrirjeje në shkallë të plotë. Sidoqoftë, vlen të përmendet se ato janë më të vogla dhe nuk prodhojnë atë që studiuesit e quajnë "bashkim i aktivizuar" - shkrirje, energjia e të cilit konvertohet drejtpërdrejt në energji që mund të përdoret për qëllime të tjera. Rregullimi i saktë i përbërjes së karburantit, frekuencave radio, fushave magnetike dhe variablave të tjerë në këto eksperimente i lejon studiuesit të zgjedhin me kujdes procesin më efikas të shkrirjes, i cili më pas mund të përsëritet në një shkallë industriale.

Siç është përmendur tashmë, shkencëtarët amerikanë që punojnë në JET arritën jo vetëm të arrijnë të njëjtat rezultate, por edhe t'i krahasojnë ato me punën e kolegëve të tyre perëndimorë, si rezultat i së cilës komuniteti shkencor mori të dhëna unike të matjes së vetive të ndryshme të reagimeve tepër komplekse. që ndodhin në plazmën e mbinxehur. Në MIT, studiuesit përdorën një teknikë për imazhin e reagimit duke përdorur mikroskopin e kontrastit fazor, i cili përkthen fazat e valëve elektromagnetike në kontrast të intensitetit. Nga ana tjetër, shkencëtarët e JET ishin në gjendje të masin më saktë energjinë e grimcave që rezultojnë, duke rezultuar në një pamje më të plotë të asaj që ndodh gjatë reaksioneve të shkrirjes.

Fusioni bërthamor: një revolucion në energji

Çfarë do të thotë kjo për ju dhe mua? Së paku, një përparim i rëndësishëm në fushën teknologjike. Fusioni bërthamor, i shfrytëzuar për qëllime industriale, mund të revolucionarizojë prodhimin e energjisë. Potenciali i tij energjetik është tepër i lartë, dhe karburanti përbëhet nga elementët më të bollshëm në sistemin diellor - hidrogjeni dhe heliumi. Përveç kësaj, pas djegies së karburantit termonuklear, nuk krijohen mbetje të rrezikshme për mjedisin dhe njerëzit.

Siç u vu re Natyra, rezultatet e këtyre eksperimenteve do të ndihmojnë gjithashtu astronomët të kuptojnë më mirë rolin e helium-3 në aktivitetin diellor - në fund të fundit, ndezjet diellore që përbëjnë një kërcënim për energjinë e Tokës dhe satelitët afër Tokës nuk janë gjë tjetër veçse rezultat i një reaksioni termonuklear me rrezatimi kolosal termik dhe elektromagnetik.