Навіщо використовують ядерне паливо. Як виробляють ядерне паливо (9 фото). Від твела – до ТВС

Атомна енергетика складається із великої кількості підприємств різного призначення. Сировина цієї індустрії видобувається на уранових рудниках. Після цього воно доставляється на підприємства з виготовлення палива.

Далі паливо транспортують на атомні станції, де воно потрапляє до активної зони реактора. Коли ядерне паливо відпрацьовує свій термін, його підлягають похованню. Варто зазначити, що небезпечні відходи з'являються не лише після переробки палива, а й на будь-якому етапі – від видобутку урану до роботи в реакторі.

Ядерне паливо

Паливо буває двох видів. Перше – це уран, здобутий у шахтах, відповідно, природного походження. Він містить сировину, яка здатна утворити плутоній. Друге – це паливо, яке створено штучно (вторинне).

Також ядерне паливо ділиться за хімічним складом: металеве, оксидне, карбідне, нітридне та змішане.

Видобуток урану та виробництво палива

Велика частка видобутку урану припадає лише на кілька країн: Росію, Францію, Австралію, США, Канаду та ПАР.

Уран – це основний елемент для палива на атомних електростанціях. Щоб потрапити до реактора, він проходить кілька стадій обробки. Найчастіше поклади урану знаходяться поруч із золотом та міддю, тому його видобуток здійснюють із видобутком дорогоцінних металів.

На розробках здоров'я людей наражається на велику небезпеку, тому що уран - токсичний матеріал, і гази, які з'являються в процесі його видобутку, викликають різноманітні форми раку. Хоча в самій руді міститься дуже мала урану - від 0,1 до 1 відсотка. Також великий ризик наражається на населення, яке проживає поряд з урановими шахтами.

Збагачений уран - головне паливо для атомних станцій, але після використання залишається величезна кількість радіоактивних відходів. Незважаючи на всю небезпеку, збагачення урану є невід'ємним процесом створення ядерного палива.

У природному вигляді уран практично не можна ніде застосувати. Для того, щоб використовувати його потрібно збагатити. Для збагачення використовують газові центрифуги.

Збагачений уран використовують у атомній енергетиці, а й у виробництві зброї.

Транспортування

На будь-якому етапі паливного циклу є транспортування. Вона здійснюється всіма доступними способами: землею, морем, повітрям. Це великий ризик і небезпека як для екології, але й людини.

Під час перевезення ядерного палива чи його елементів трапляється чимало аварій, наслідком яких є викид радіоактивних елементів. Це одна з багатьох причин, через яку вважають небезпечною.

Виведення з ладу реакторів

Жоден із реакторів не демонтовано. Навіть сумнозвісна Чорнобильська Вся справа в тому, що за підрахунками експертів ціна демонтажу дорівнює, а то й перевищує ціну будівництва нового реактора. Але точно ніхто не може сказати, скільки знадобиться коштів: вартість розраховувалася на досвід демонтажу невеликих станцій для дослідження. Фахівці пропонують два варіанти:

1. Поміщати реактори та відпрацьоване ядерне паливо у могильники.
2. Будувати над реакторами саркофаги, що вийшли з експлуатації.

У найближчі десять років близько 350 реакторів у всьому світі вироблять свій ресурс і мають бути виведені з ладу. Але оскільки найбільш відповідного з безпеки та ціни способу не вигадали, це питання ще вирішується.

Зараз у всьому світі працюють 436 реакторів. Безумовно, це великий внесок у енергосистему, але дуже небезпечний. Дослідження показують, що через 15-20 років АЕС зможуть замінити станціями, які працюють на енергії вітру та сонячних батареях.

Ядерні відходи

Величезна кількість ядерних відходів утворюється внаслідок діяльності АЕС. Переробка ядерного палива також залишає по собі небезпечні відходи. При цьому жодна з країн не знайшла вирішення проблеми.

Сьогодні ядерні відходи містяться у тимчасових сховищах, у басейнах із водою чи захоронюються неглибоко під землею.

Найбільш безпечний спосіб - це зберігання в спеціальних сховищах, але тут також можливий витік радіації, як і за інших способів.

Насправді ядерні відходи мають певну цінність, але потребують суворо дотримання правил їх зберігання. І це найгостріша проблема.

Важливим фактором є час, протягом якого небезпечні відходи. У кожного свій термін розпаду, протягом якого воно токсичне.

Види ядерних відходів

При експлуатації будь-якої атомної електростанції її відходи потрапляють у довкілля. Це вода для охолодження турбін та газоподібні відходи.

Ядерні відходи ділять на три категорії:

1. Низький рівень – одяг співробітників АЕС, лабораторне обладнання. Такі відходи можуть надходити з медичних закладів, наукових лабораторій. Вони не становлять великої небезпеки, але вимагають дотримання заходів безпеки.
2. Проміжного рівня – металеві ємності, в яких перевозять паливо. Рівень радіації досить високий, і ті, хто знаходиться від них недалеко, повинні бути захищені.
3. Високого рівня – це відпрацьоване ядерне паливо та продукти його переробки. Рівень радіоактивності швидко зменшується. Відходів високого рівня дуже мало, близько 3 відсотків, але вони містять 95 відсотків усієї радіоактивності.

З огляду на те, що ядерне паливо ефективніше від інших видів палива, які ми маємо сьогодні, величезне перевага надається всьому з того що здатне працювати з допомогою атомних установок (АЕС, підводні човни, кораблі тощо). Про те, як виробляють ядерне паливо для реакторів, ми поговоримо далі.

Видобувають уран двома основними способами:
1) Прямий видобуток у кар'єрах або шахтах, якщо дозволяє глибина залягання урану. Із цим методом, сподіваюся, все зрозуміло.
2) Підземне вилуговування. Це коли на тому місці, де знайдено уран, буряться свердловини, в них закачується слабкий розчин сірчаної кислоти, а розчин взаємодіє з ураном, з'єднуючись з ним. Потім суміш, що вийшла, відкачується наверх, на поверхню, і з неї хімічними методами виділяється уран.

Уявімо, ніби ми вже видобули на копальні уран і підготували його для подальших перетворень. На фото нижче – так званий "жовтий кек", U3O8. У бочці для подальшого перевезення.

Все б добре, і цей уран теоретично можна було б відразу використовувати для виробництва палива для АЕС, але на жаль. Природа, як завжди, підкинула нам роботи. Справа в тому, що природний уран складається з суміші трьох ізотопів. Це U238 (99.2745%), U235 (0.72%) та U234(0.0055%). Нас цікавить тут лише U235 - оскільки він відмінно ділиться тепловими нейтронами в реакторі, саме він дозволяє нам користуватися всіма благами ланцюгової реакції поділу. На жаль, його природної концентрації не вистачить для стабільної та тривалої роботи сучасного реактора АЕС. Хоча, наскільки я знаю, апарат РБМК спроектований так, що запуститися на паливі з природного урану зможе, але стабільність, довготривалість та безпека роботи на такому паливі абсолютно не гарантується.
Уран нам треба збагатити. Тобто підвищити концентрацію U235 від природної до тієї, що використовується у реакторі.
Наприклад, реактор РБМК працює на урані збагачення 2.8%, ВВЕР-1000 - збагачення від 1.6 до 5.0%. Суднові та корабельні ядерні енергетичні установки є паливо зі збагаченням до 20%. А деякі дослідні реактори працюють на паливі аж із 90% збагаченням (приклад – ІРТ-Т у Томську).
У Росії її збагачення урану проводиться на газових центрифугах. Т. е. той жовтий порошок, що був на фото раніше, перетворюють на газ, гексафторид урану UF6. Потім цей газ надходить на цілий каскад центрифуг. На виході з кожної центрифуги, через різницю ваги ядер U235 і U238, ми отримуємо гексафторид урану з трохи підвищеним вмістом U235. Процес повторюється багаторазово і в результаті ми отримуємо гексафторид урану з необхідним збагаченням. На фото нижче можна побачити масштаб каскаду центрифуг - їх дуже багато і простягаються вони в далекі дали.

Потім газ UF6 перетворюють назад на UO2, у вигляді порошку. Хімія все-таки дуже корисна наука і дозволяє нам творити такі дива.
Однак цей порошок у реактор так просто не засипати. Точніше, засипати можна, але нічого хорошого з цього не вийде. Його (порошок) треба привести до такого виду, щоб ми могли надовго на роки опустити його в реактор. При цьому саме пальне не повинно контактувати з теплоносієм та виходити за межі активної зони. І ще до всього цього паливо має витримувати дуже суворі тиски та температури, які виникнуть у ньому під час роботи всередині реактора.
Забув, до речі, сказати що порошок теж не аби який - він має бути певних розмірів, щоби при спресуванні та спіканні не утворювалося непотрібних порожнин і тріщин. Спочатку з порошку роблять пігулки, шляхом спресування та довгого випікання (технологія справді непроста, якщо її порушити - паливні пігулки не будуть придатні до використання). Варіації пігулок покажу на фото нижче.

Отвори та виїмки на таблетках потрібні для компенсації теплового розширення та радіаційних формозмін. У реакторі згодом пігулки пухнуть, вигинаються, змінюють розміри, і якщо нічого не передбачити – можуть зруйнуватися, а це погано.

Готові таблетки потім упаковують у металеві трубки (зі сталі, цирконію та його сплавів та інших металів). Трубки закривають з обох кінців та герметизують. Готова трубка з паливом називається твел - тепловиділяючий елемент.

Для різних реакторів потрібні твели різної конструкції та збагачення. Твел РБМК, наприклад, завдовжки 3.5 метри. Твели, до речі, бувають не лише стрижневі. як на фото. Вони бувають пластинчасті, кільцеві, море різних видів та модифікацій.
Твели потім об'єднують у тепловиділяючі зборки - ТВС. ТВС реактора РБМК складається з 18 твелів і виглядає приблизно так:

ТВС реактора ВВЕР виглядає так:
Як видно, ТВС реактора ВВЕР складається з набагато більшої кількості твелів, ніж у РБМК.
Готовий спецвиріб (ТВС) потім з дотриманням запобіжних заходів доставляється на АЕС. Навіщо застереження? Ядерне пальне, хоч поки що й нерадіоактивне, дуже цінне, дороге, і за дуже неакуратного поводження здатне викликати багато проблем. Потім проводиться фінальний контроль стану ТВС і завантаження в реактор. Все, уран пройшов довгий шлях від руди під землею до високотехнологічного устрою всередині ядерного реактора. Тепер у нього інша доля – кілька років тужитися всередині реактора та виділяти дорогоцінне тепло, яке у нього забиратиме вода (або будь-який інший теплоносій).

Сучасний автомобіль може їхати і на бензині з октановим числом 72 – але це буде сумна та повільна їзда. Атомна електростанція здатна працювати і на паливі, розробленому 50 років тому - але це буде робота в невигідному режимі, реактор не зможе реалізувати нові можливості, закладені в нього кнструкторами. З моменту створення найпершої АЕС атомники постійно ведуть кропітку роботу щодо покращення якості ядерного палива, збільшуючи переваги атомної енергетики.

Всі ми бачили і вже звикли до того, як виглядають атомні електростанції – гігантські споруди, які можна і слід вважати одним із символів сучасного етапу розвитку людської цивілізації. Величезні турбіни, що обертається ротор яких створює величезної сили електричний струм, могутні насоси, що під великим тиском проганяють воду крізь активну зону реактора, міцні корпуси реакторів, додаткові герметичні оболонки, здатні витримувати землетруси, падіння на них літаків. Трубопроводи першого та другого контурів, гігантські вежі градирень, в яких остигає вода другого контуру – тут все велике, часом колосальне. Але серце будь-якого атомного реактора – зовсім крихітне, адже керована ядерна реакція поділу відбувається всередині зовсім невеликих паливних таблеток, що містять збагачений ізотопом-235 уран. Саме тут, у невеликих таблетках, відбувається найголовніше – виділення величезної кількості тепла, для корисного використання якого створюється все, що ми бачимо на АЕС. Ось це все, велике і красиве, складне обладнання, що вимагає величезних зусиль при виробництві та експлуатації, - лише «обслуга» паливних таблеток.

Атомна енергетика без формул

Розповідати про те, що таке ядерне паливо АЕС досить складно – у звичайних випадках для опису потрібні багатоповерхові математичні формули, атомна фізика та інша квантова механіка. Спробуємо обійтися без цього, щоб зрозуміти яким чином наші атомники приборкали уран, зробивши його надійним джерелом настільки необхідної нам електричної енергії. Нам здається, що логіки та простого життєвого здорового глузду для цього буде цілком достатньо, а відправною точкою стане шкільний опис ланцюгової реакції поділу. Пам'ятаєте?

"Нейтрон налітає на ядро ​​урану, вибиває з нього відразу два нейтрони, ті налітають тепер уже на пару ядер, вибивають відразу чотири..."

Ланцюгова ядерна реакція

Говорячи математичною мовою, при коефіцієнті розмноження нейтронів, рівним двом, керована ланцюгова реакція неможлива. Кількість вільних нейтронів та актів розпаду ядер урану наростає настільки лавиноподібно, що результат може бути лише один – атомний вибух. Для того, щоб реакція йшла плавно, щоб її можна було контролювати і регулювати, потрібно добитися коефіцієнта розмноження 1,02 – сто вільних «початкових» нейтронів повинні викликати появу 102 вільних нейтронів «другого покоління», всі інші повинні бути усунені, поглинені, нейтралізовані – називайте цей процес як завгодно, але це обов'язково має статися. Це граничне значення було обчислено теоретично, за що окреме величезне «дякую» нашим ученим. Вони з'ясували, що природного вмісту ізотопу-235 недостатньо для того, щоб коефіцієнт розмноження перевищив одиницю. Іншими словами, якщо нам потрібно, щоб реакція поділу не припинилася, нам потрібно навчитися підвищувати вміст цього ізотопу до 3-4%, тобто в 5-6 разів вище за те, що забезпечує нам матінка-природа. Теоретики вирахували, а ось інженери-практики зробили решту роботи, придумавши способи використання в активній зоні реакторів матеріалів, що поглинають зайві нейтрони, винайшли «нейтралізатори нейтронів».

Хімія – це життя

Як відбувається збагачення урану за вмістом ізотопу-235, Аналітичний онлайн-журнал Геоенергетика.ruвже розповідав – спочатку уран потрібно перетворити на газ, у фторид урану, потім за допомогою газових центрифуг «відсіяти» важкі атоми, за рахунок чого стане більше число атомів легень (ядро основного ізотопу урану містить 238 протонів та нейтронів, такий атом важить на три атомні). одиниці більше, ніж атом урану-235). Чудово - фторид став багатшим ураном-235, все гаразд. А далі – що та як? Шлях ядерного палива в реактори АЕС починається в дбайливих руках хіміків, які виконують надзвичайно важливу роботу – вони перетворюють газ на тверду речовину, причому на таку, яку їм «замовили» атомники. Атомна енергетика тим і дивовижна, що вона не обмежується тільки атомною фізикою, тут використовуються одразу десятки наукових дисциплін. Росатомезавжди є місце для хіміків, матеріалознавців, металургів і для багатьох інших фахівців.

А «замовляють» фізики хімікам діоксид урану – порошок із молекул, у складі яких один атом урану та два атоми кисню. Чому саме його? Аж надто хороші багато властивостей цих молекул. Температура плавлення у діоксиду урану – 2'840 градусів, змусити його розплавитись дуже складно, в історії атомної енергетики аварій, що супроводжувалися розплавом ядерного палива, було лише три. Діоксид урану мало схильний до так званого газового розпухання - явища цікавого, але для атомної енергетики шкідливому. Те, що відбувається в активній зоні реактора - адже це втілення мрії середньовічних алхіміків, там відбуваються перетворення одних хімічних елементів на інші, зовсім від них відмінні. Вільний нейтрон, який шмякає об ядро ​​урану-235, не тільки вибиває з нього додаткові вільні нейтрони – він викликає розподіл самого ядра на різні частини. Як саме відбудеться поділ, які нові ядра при цьому утворюються - справа випадку, але статистика показує, що серед інших уламків поділу є гази. Вони накопичуються всередині паливної таблетки і поводяться так, як і належить газам - намагаються зайняти якомога більший обсяг, намагаються буквально розірвати паливну таблетку на шматки. Погодьтеся, нічого корисного в цьому немає - паливна пігулка нам потрібна ціла і здорова, щоб вона могла знаходитися в активній зоні якомога довше, щоб передати нам всю енергію, яка міститься в ядрах атомів урану. Так що тільки хардкор, тільки діоксид урану – він дозволяє використовувати вищі температури, що підвищує ККД атомної електростанції, він дозволяє збільшити глибину вигоряння палива.

"Глибина вигоряння ядерного палива" термін цілком науково-технічний, але для розуміння того, що це таке, вищої фізичної освіти не потрібно. Глибина вигоряння палива – це частка ядер урану, які зазнали ядерного перетворення під впливом нейтронів. Виражається у відсотках, чим відсотків більше – тим більше ядер урану ми змогли використати у потрібних нам цілях, отримавши від них тепло, що використовується для вироблення електроенергії. Глибина вигоряння палива, у такий спосіб – один із основних економічних параметрів АЕС. Якщо ми помістили в активну зону 100 кілограмів урану-235, а після закінчення паливної кампанії витягли з неї 99 кг його ж – гріш ціна такої конструкції активної зони, реактора та АЕС. А от якщо виявиться, що у вилученій з активної зони паливній пігулці урану-235 взагалі не залишилося – отже, конструктори молодці і настав час терміново вручити кожному з них за Нобелівською премією, краще – по дві.

Насправді глибина вигоряння у 100% недосяжна в принципі, але це не означає, що за неї не борються – битви за кожний відсоток ідуть неабиякі. Чим більша глибина вигоряння – тим менша собівартість отриманої в результаті електроенергії, а конкуренцію з енергетикою, що базується на спалюванні вуглеводнів, ніхто не скасовував. Мало того – чим довше за часом «горить» таблетка, тим рідше реактор потребує перезаряджання палива. Конструкція ВВЕР (водно-водяного енергетичного реактора) така, що зміна палива відбувається при повній зупинці та розхолодженні реактора – так безпечніше. Чим менше таких зупинок – тим вищий коефіцієнт використання встановленої потужності, КВВМ – другий найважливіший економічний показник АЕС. У технічному паспорті вашого пилососа написана його потужність - припустимо, 1'200 Вт * год. Але 1'200 ватів ви отримаєте, якщо пилосос буде працювати саме годину, в режимі півгодини роботи – півгодини «щось поперек прихопило» ви отримаєте всього 600 ватів, або, іншими словами, КВВП пилососа складе всього 50%. Як і у випадку з глибиною вигоряння палива заповітна мета – 100%, і знову кожен відсоток на рахунку, адже економіка атомного реактора має бути вигіднішою за економіку теплової електростанції і навіть економіки ГЕС.

Здавалося б – як можна показати вигідніші економічні результати, ніж ГЕС, якій палива взагалі не потрібне, де використовується лише енергія падаючої води? Так дуже просто - вода не падає на гідроагрегати 24 години на добу 365 днів на рік, для цього потрібен певний об'єм води у водосховищі. Поки що цей обсяг не набереться – ГЕС «відпочиватиме», і АЕС, яка про такі паузи нічого не знає, встигне наздогнати та перегнати свого суперника. Ось і короткий результат - ККД, глибина вигоряння, КВВМ будь-якої атомної електростанції критично залежить від паливної таблетки, від її матеріалу. Хімік, що перетворює газ фториду урану на порошок діоксиду урану, пам'ятай – від твоєї майстерності залежить майбутнє атомної енергетики!

Паливні таблетки – крок за кроком

Пояснити простими словами можна дуже багато, але зробити таку вправу для того, щоб описати роботу хіміків неможливо від слова "взагалі", тому приготуйтеся. Газ фториду урану спочатку пропускають через водний розчин і отримують уранілфторид, який змішують з аміаком і кислотним залишком вугільної кислоти. У результаті виходить уранілкарбонат амонію, який випадає в осад - вважайте, що півсправи вже і зроблено, у нас з'явилося хоч щось тверде, а не газоподібне. Суспензію пропускають через фільтр, промивають і відправляють у піч з киплячим шаром, де через високу температуру всі непотрібні домішки розпадаються, в сухому залишку виходить порошок триоксиду урану (на 1 атом урану в цій молекулі припадає три атоми кисню). Все, тепер він майже наш!

Ділянка виготовлення порошку діоксиду урану методом високотемпературного пірогідролізу

Знову висока температура - 500 градусів, але вже з прогонкою водню, який забирає на себе зайвий атом кисню, і хіміки спокійно йдуть на обідню перерву, дозволяючи фізикам забрати оксид урану. Втім, радіють вони рано – їх одразу шльопають по простягнутих рук, що загребають… металурги, оскільки паливні таблетки виробляють методом порошкової металургії. Порошок, що вийшов в результаті праць хіміків, дроблять, просівають і отримують дрібнодисперсний порошок - дрібніють до стану практично пилу. Після додавання сполучних та мастильних матеріалів таблетки пресують, ще раз відправляють на відпал, щоб усунути непотрібні домішки. Після цього температура підвищується до 1'750 градусів, таблетки стають більш щільними, важчими – тепер їх можна обробляти механічними методами. У справу входить круглошліфувальний верстат, щоб отримати необхідні розміри – ось і все.

Ділянка виготовлення уранових таблеток

Ні, ну не зовсім «все», тому що відразу після цього в цех є контролери, щоб перевірити геометричні розміри, якість поверхні, вміст вологи, співвідношення атомів кисню та урану. Зверніть увагу, що перевіряти співвідношення атомів урану-235 та урану-238 не потрібно – які б маніпуляції не виконували хіміки, їх дії не впливають на склад атомних ядер. Підсумок усієї цієї роботи – паливні таблетки вагою всього 4,5 грама, але в цих крихітульках міститься стільки ж енергії, як і 400 кг кам'яного вугілля, 360 кубометрів природного газу або 350 кг нафти.

Виробничо-технічний контроль таблеток ядерного керамічного палива

Номенклатура таблеток, що виробляються на російських атомних підприємствах, що входять до складу Паливної компанії ТВЕЛ- Більше 40 різновидів, різних розмірів, різного ступеня збагачення за ураном-235. Але незмінним залишається одне – як паливо атомна енергетика продовжує використовувати саме діоксид урану, який сам по собі є одним із бар'єрів на шляху розповсюдження радіоактивності. При робочих температурах цей матеріал утримує в собі 98% продуктів розпаду, знижуючи навантаження по герметизації до мінімуму. Щоб паливо виконувало свої «бар'єрні» функції, важливо, щоб взаємодія палива з теплоносієм була мінімальною – інакше радіоактивні продукти розпаду отримують шанс вирватися у зовнішнє середовище з усіма неприємними наслідками.

Твел - це не просто "довга трубочка"

Гаразд, пігулки виготовили, що далі? Ідея атомного реактора проста – теплоносій повинен «зняти» все тепло, яке виділяється в результаті ядерних реакцій. Зняти не разово, це знімання має відбуватися протягом усієї паливної сесії – часу знаходження палива в активній зоні реактора. У реакторах ВВЕР цю роботу виконує вода, що проходить активною зоною під високим тиском. Накидати в активну зону паливні пігулки, як пельмені у киплячу воду? Не варіант, набагато розумніше забезпечити нерухоме положення паливних таблеток, вздовж яких проходить потік води під натиском, забираючи теплову енергію, що утворилася при ядерних реакціях. Отже, потрібен якийсь «фіксатор», який покликаний забезпечити нерухоме розташування палива – ним і стала порожниста тонкостінна трубка, всередині якої і містяться паливні таблетки – твел, тепловиділяючий елемент.

Тепловиділяючі елементи (твел), Фото: wikimedia.org

Чому саме тонкостінний? Щоб тепло, що утворюється в паливних таблетках, могло бути майже безперешкодно знято водою, тобто перша вимога до матеріалу стінок твелів - якомога вища теплопровідність. Взяв – віддав, взяв – віддав. Друга вимога теж цілком очевидна - зовнішня сторона стінок твела постійно знаходиться у воді, тому її матеріал не повинен боятися корозії. Третя умова також очевидна – матеріал повинен витримувати постійну високу радіоактивність, при цьому не завдаючи шкоди основним, ядерним процесам. Він повинен поглинати якнайменшу кількість нейтронів, щоб не перервати ядерну реакцію, щоб не змусити виробляти уран з більш високим ступенем збагачення ізотопом-235. Діаметр трубки, як і діаметр паливних таблеток має бути якнайменше – інакше тепло, яке утворюється в центральних сегментах, не дійде до теплоносія. Ось такий набір вимог, якому має відповідати така «простенька» річ, як тоненька стінка твела.

На етапі становлення атомної енергетики таким матеріалом стала нержавіюча сталь, але тривало це недовго – з'ясувалося, що сталь забирає дуже багато вільних нейтронів, потрібно щось менш ненажерливе. До цього часу атомники ґрунтовно попрацювали та знайшли метал, який має мінімальний переріз захоплення нейтронів – цирконій. У разі слово «перетин» замінює слово «імовірність». Імовірність того, що нейтрон, що пролітає, буде захоплений у свої мережі ядром атома цирконію мінімальна, при цьому у цирконію відмінний коефіцієнт теплопередачі, він не взаємодіє з водою, він плавиться тільки при температурі понад 1'855 градусів, у нього дуже низький коефіцієнт теплового розширення - замість того, щоб "розпухати" при нагріванні, він просто "скидає" тепло у зовнішнє середовище. Погодьтеся - просто ідеальний матеріал для атомної енергетики, якщо зуміти домогтися отримання його в ідеальній хімічній чистоті, оскільки будь-яка домішка намагається активно «під'їдати» вільні нейтрони.

Цех виробництва твел та ТВС

Щойно металурги оголосили, що вони навчилися справлятися з цим завданням, атомна енергетика перейшла на цирконій. Єдине підприємство на території Росії та одне з трьох у світі, що має повний цикл виробництв цирконію та його сплавів – Чепецький механічний завод (місто Глазів, Удмуртія), що входить до складу паливної компанії ТВЕЛ. З 1986 року ЧМЗ перейшов на виготовлення корпусів твелів зі сплаву Е-110 – до цирконію додають один відсоток ніобію, і ця мала добавка значно збільшує корозійну стійкість матеріалу. Ще краще механічні властивості у сплаву Е-365, що застосовується в даний час, в якому, крім цирконію і ніобію, присутні залізо і олово. Кожен крок у виробництві твелів надзвичайно важливий, наявність цих елементів дозволяє краще справлятися зі зварюванням, з іншими методами з'єднання різних матеріалів. Твели, що виробляються в Росії, відповідають усім вимогам МАГАТЕ, показують прекрасні експлуатаційні властивості, дозволяють піднімати економічні показники атомної енергетики.

Те, що може здатися «простенькою механічною деталлю» такою, звичайно, не є.

Твел у розрізі, Рис.: heuristic.su

Ось короткий опис твела з вмістом усередині. Довжина – 3,8 метра, зовнішній діаметр – 9,1 мм. Усередині – таблетки діоксиду урану із зовнішнім діаметром 7,57 мм та висотою 20 мм, у центрі кожної таблетки є отвір діаметром 1,2 мм. Таблетка не стосується стінок твела, зазор і отвір усередині таблеток призначені для того, щоб твел міг утримувати в собі радіоактивні гази, що утворюються в процесі ядерного розпаду. Таблетки зафіксовані всередині твела втулками, загальна довжина стовпчика таблеток – 3,53 метри, під час паливної сесії довжина збільшується на 30 мм. Так, все вимірюється в міліметрах і навіть у їхніх частках – адже атомна енергетика має справу з найдрібнішими частинками речовини.

Ось таблетка діаметром менше 8 мм – здавалося б, що може бути цікавого? Але під час ядерних реакцій температура в центральній частині таблетки досягає 1'500-1'600 градусів, а на зовнішній поверхні – всього 470. Перепад у тисячу градусів на відстані 3-4 міліметри, метал, що стає газом – такі ось дива всередині крихітної таблетки.

Від твела – до ТВС

Пігулки зробили, у твелі їх розмістили – все? Зрозуміло, ні – трубка разом із паливом важить лише 2,1 кг, такої маси урану на довгу роботу не вистачить. Наступний етап формування ядерного палива - формування ТВС, тепловиділяючих збірок. Для найпоширенішого поки що в Росії реактора ВВЕР-1000 в одну ТВС збирають 312 твелів, між ними залишають зазори для входу стрижнів системи управління та захисту, заповнених таким ефективним поглиначем нейтронів, як бор. У нижній частині ТВС розташований так званий хвостовик - місце, до якого кріпляться твели.

Виготовлення каркасу – зварювання каналів та дистанційних ґрат

У верхній частині твели кріпляться до голівки через блок пружин – він оберігає твели від спливу під час роботи реактора. Так, уран – важкий елемент, цирконій теж легким назвати не вийде, але варто пам'ятати про те, що номінальна витрата води через ТВС становить 500 кубометрів на годину, вода рухається вздовж твелів зі швидкістю 200 км/год у напрямку знизу нагору – такий потік змусить спливти будь-що. Твели розділені між собою за допомогою решіток, що дистанціюють, які утримують ці трубочки на штатних місцях, забезпечуючи максимально ефективне теплознімання. Дистанційних ґрат на ТВС різних конструкцій – від 12 до 15 штук, тільки така їх кількість дозволяє воді виконати роботу зі зняття корисного тепла.

Канали та дистанційні грати, контроль якості

І, тим не менш, навіть це не повністю рятувало від проблеми викривлення твелів і ТВС. Наші зборки не витримували механічних осьових навантажень – майже чотири метри довжини при товщині оболонки 0,65 мм, потужний потік води, високі температури робили свою справу. У 1993 році стало остаточно ясно - з цією проблемою щось потрібно робити, знаходити способи позбутися її. Мінатом зробив відповідний запит до МАГАТЕ – як справи з цією проблемою в західних країнах. МАГТЕ провела відповідне опитування в експлуатуючих організацій, і ніякої сенсації не виявило – ця проблема є і в західних атомників, вони теж шукають способи впоратися з нею.

Ось тепер вибачте, але нам вкотре доведеться торкнутися головного міфу ліберальної економіки – про ефективність приватного власника порівняно з неповоротким, інерційним державним сектором економіки. Приватних власників АЕС на Заході, і особливо в США, чимала кількість, але проблему вони вирішити не змогли. Мінатом надійшов відповідно до традицій Мінсередмашу – доручив вирішення проблеми одразу двом конструкторським бюро, щоб у результаті боротьби двох хороших проектів перемога дісталася кращому. Учасниками капіталістичного змагання стало подільське ОКБ (дослідно-конструкторське бюро) «Гідропрес» та нижегородське ОКБМ (ОКБ Машинобудування) ім. Африкантова. Обидва КБ нині входять до машинобудівного холдингу «Атоменергомаш», але напруження конкурентної боротьби це анітрохи не знижує.

Конкуренція – двигун прогресу

Нижегородці розробили конструкцію ТВС, яка отримала абревіатуру ТВСА, у міру розробки з'являлися один за одним модифікації ТВСА-12, ТВСА-PLUS, ТВСА-T. Основна її характерна особливість – до дистанційних ґрат для підвищення жорсткості конструкції стали приварювати куточки, а ось «Гідропрес» цю концепцію не прийняв – зайва кількість цирконію, з якого виконані куточки, в активній зоні, на думку фахівців, може негативно позначитися на нейтронних характеристиках активної зони реактора У створеній на «Гідропресі» модифікація з абревіатурою УТВС (Удосконалена ТВС) не використовується жорстке зварювання дистанційних решіток та напрямних каналів, УТВС стали використовувати на АЕС з підвищеними вимогами щодо сейсмостійкості – на китайській «Тяньвань», на іранській «Бушер» Куданкулам». Втім, заявити, що ця технологія була зроблена тільки співробітниками ОКБ «Гідропрес» - невірно, в цій роботі взяли участь Курчатівський інститут, Обнінський Фізико-Енергетичний Інститут, Новосибірський завод хімконцентратів, НДІ ім. Бочвар. Але важливим є результат – досвідчена перевірка на Ростовській АЕС показала відмінні результати, закордонні замовники були надзвичайно задоволені підвищенням надійності УТВЗ.

Складання пучка

Спостереження за подробицями боротьби двох конструкторських бюро – чарівне видовище, але тут стільки технічних подробиць, що знадобляться зусилля професійних перекладачів. Грати широкі і вузькі, розріджені решітки, турбулізатори і дефлектори, решітки з косими каналами, інтенсифікатори теплообміну, швидкість завантаження касет в активну зону, поєднання з роботою перевантажувальних машин, термінологія з гідродинаміки і термомеханіки - це дійсно зовсім окрема мова ... Для атомної енергії результат, якого досягли обидва конструкторські бюро, наукова і творча суперечка яких триває і зараз. Поліпшення та модифікації дозволяють використовувати паливо з більш високим збагаченням за вмістом урану-235 – цей показник для ВВЕР-1000 збільшився з 3,77 до 4,95%. Здавалося б, різниця зовсім несуттєва, але в результаті глибина вигоряння палива збільшилася з 40 МВт на добу з кілограма урану до 58 МВт з кілограма майже на 50%. А ось цей результат вже дуже суттєвий, він дозволяє на рівних боротися з вуглеводневою енергетикою за собівартістю виробленої електроенергії, робить перспективи розвитку атомної енергетики все більш обнадійливими. Одне з досягнень – збільшення потужності діючих реакторів ВВЕР на 4-7% без зміни їхньої конструкції базується саме на оптимізації ядерного палива та ТВС стало ще однією конкурентною перевагою на міжнародному ринку.

Готова ТВС

Зрозуміло, УТВС не стали якимось «фіналом» удосконалення паливних зборок. Основний виграш УТВС у порівнянні з паливом попереднього покоління був забезпечений переходом від нержавіючої сталі до цирконію, сплаву Е-110. Розробники змогли збільшити жорсткість конструкції без застосування куточків – вони посилили дистанційні ґрати та почали використовувати точкове зварювання для збільшення стійкості до формозміни під час експлуатації. Їм вдалося збільшити довжину паливного стовпа – тепер в активній зоні реактора розміщується більше урану, стали тривалішими за паливні сесії, перевантаження палива можна здійснювати рідше, що означає зростання КІУМу.

Нове паливо для Ірану

З початку 2014 року розпочався переговорний процес між ТВЕЛта іранським замовником в особі Організації з атомної енергетики Ірану (AEOI)і Компанії з виробництва та розвитку атомної енергії Ірану (NPPD)щодо переходу АЕС «Бушер» на нові паливні касети – ТВС-2М. Для забезпечення переговорного процесу ТВЕЛрозробив «Техніко-економічне обґрунтування впровадження ТВС-2М на АЕС «Бушер», в якому замовнику надавалася повна інформація для аналізу та прийняття рішення про такий перехід. Найкращий спосіб переконати потенційного замовника – не нав'язливий маркетинг, в атомній енергетиці такий підхід майже ніколи не дає результату. Російська паливна компанія просто звела в єдине ціле аналіз результатів впровадження ТВС-2М на російських ВВЕР-1000 та на АЕС «Тяньвань» у Китаї – реакторах такого ж типу, як і працюючий у складі енергетичного блоку на АЕС «Бушер». У Китаї на ТВС-2М у 18-місячному паливному циклі працюють перші два блоки Тяньванської АЕС. І іранські атомники змогли переконатися, що збільшилася глибина вигоряння палива, тривалість паливних кампаній, виріс КІУМ.

Проаналізувавши отримані результати, перевіривши їх на місці, іранські замовники зробили хід у відповідь – розробили перелік робіт російських підприємств, який необхідний для забезпечення ліцензування нового палива в атомних наглядових органах. Подальша робота була вже спільною – наші та іранські фахівці разом склали список необхідних модернізацій обладнання енергоблоку на АЕС «Бушер», яке необхідно було виконати для того, щоб реактор міг прийняти до активної зони ТВС-2М. Власне кажучи, робота наших ВВЕР-1000 на новому паливі показала такі результати, що повний перехід на ТВС-2М став неминучим – вигоряння палива збільшилося на 20%, а паливна складова собівартості виробництва електроенергії зменшилася майже на 9%.

Підсумок переговорів із іранським замовником цілком закономірний. У квітні цього року ТВЕЛпідписав з AEOIі NPPDдодаткова угода до чинного контракту на паливозабезпечення АЕС «Бушер» – з 2020 року ТВЕЛпочне постачання до Ірану ТВС-2М. Жодного поспіху, ніякої суєти - просто і наш, і підтримуваний нами іранський атомні проекти продовжують послідовно розвиватися, забезпечуючи споживачів електроенергією в необхідних їм обсягах. Що думають із цього приводу замовники в Індії та Китаї, ми напевно дізнаємося найближчим часом. Зростання економічних показників енергоблоків за рахунок використання нового палива без істотної зміни комплекту обладнання настільки показове, що є впевненість у тому, що роздуми не будуть довгими. Нам залишається лише стежити за подальшим розвитком подій та ще раз привітати ТВЕЛ, ОКБ «Гідропрес» та весь колектив розробників з тим, що їхнє нове паливо отримало тепер уже міжнародне визнання.

Звичайно, сьогоднішня розповідь про розробки ядерного палива далеко не повна – у цій частині зміни відбуваються постійно. Розроблено паливо для ВВЕР-1200, йдуть дослідно-конструкторські розробки палива для інших типів реакторів, ТВЕЛпродовжує виробляти паливо для реакторів західного дизайну спільно з французькими партнерами, ТВЕЛсамостійно розробив паливо «ТВС-Квадрат», яке проходить випробування на шведській АЕС «Рінгхальс» та ліцензується для американського ринку. Підприємства ТВЕЛавиробляють паливо для БН-800, випущено дослідну партію РЕМІКС-палива, для перспективного реактора зі свинцевим теплоносієм закінчується розробка нітридного палива. Росатомі не думає, що може дозволити собі спочивати на лаврах.

Ядерне паливо – «серце» атомної енергетики, стежити за тим, як створюються нові види, які вони дають результати при їх використанні корисно вже тим, що дозволяє порівнювати собівартість генерації електроенергії на АЕС і на теплових електростанціях. Крім того, на цей раз ми не торкнулися того, якими результатами можуть похвалитися розробники нових видів палива в ОКБМ ім. Африкантова - а їхні ідеї теж дуже активно використовуються Росатомом. Одним словом – навряд чи сьогоднішня розповідь про атомне паливо залишиться єдиною.

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

Вконтакте

Уран - головний елемент атомної енергетики, що використовується як ядерне паливо, сировина для отримання плутонію та в ядерній зброї. Зміст урану в земній корі становить 2,5-10 -4 %, а сумарна кількість у шарі літосфери товщиною 20 км сягає 1,3-10 14 т. Мінерали урану є майже скрізь. Однак уран – розсіяний елемент. Це означає, що його концентрація в гірських породах найчастіше виявляється недостатньою для організації комерційно виправданого видобутку. Зміст урану в руді одна із ключових параметрів, визначальних вартість видобутку. До бідних відносять уранові руди, що містять 0,03-0,10% урану, рядовим - 0,10-0,25%, середнім - 0,25-0,5%, багатим - понад 0,50% 1 .

Уран має 14 ізотопів, у своїй лише три їх зустрічаються у природі (табл. 1.6).

Таблиця 1.6

За останніми даними розвіданий обсяг запасів урану, вартість видобутку якого не перевищує 130 $/кг U, становить 5 327 200 т. Для категорії з вартістю видобутку менше 260 $/кг U - 7 096 600 т. Крім того, кількість урану в так званих прогнозованих та передбачуваних запасах досягає 10429100 т.

Таблиця 1.7

Країни, які мають найбільші розвідані запаси урану з вартістю, що не перевищує 130 $/кг U

В останні роки каргіна розподілу родовищ урану країнами дещо змінилася у зв'язку з тим, що при дослідженні ряду уранових родовищ були виявлені додаткові ресурси в країнах Африки (Ботсвані, Замбії, Ісламській Республіці Мавританія, Малаві, Малі, Намібії, Об'єднаній Республіці Танзанія). Також нові запаси були виявлені у Гайані, Колумбії, Парагваї, Перу Швеції.

Основними мінералами, що містять уран, є уранініт (суміш оксидів урану і торію з загальною формулою (U, Th)0 2x), настуран (оксиди урану: U0 2 , U0 3 також відомий як уранова смолка), карнотит - К, (U0 2)2 (V0 4) 2 -3H 2 0, уранофан - Са (U0 2)Si0 3 (0Н) 2 -5Н 2 0 та інші 110].

Вилучення урану з гірських порід здійснюється такими способами:

• Кар'єрний видобуток(Відкритий спосіб) використовується для вилучення руди, яка знаходиться на поверхні земної кори або залягає неглибоко. Спосіб полягає у створенні котлованів, які називаються кар'єрами, або розрізами. До теперішнього часу родовища, що допускають видобуток кар'єрним методом, практично вичерпані. Видобуток становить 23%;
• Шахтний видобуток(закритий спосіб) застосовується для видобутку корисних копалин, що залягають на значній глибині, і передбачає спорудження комплексу підземних гірничих виробок. Видобуток - 32%;
• Підземне вилуговуванняпередбачає закачування пласт під тиском водного розчину хімічного реагенту, який, проходячи через руду, вибірково розчиняє природні сполуки урану. Потім вилуговуючий розчин, що містить уран і супутні метали, виводиться на поверхню землі через свердловини, що відкачують. Видобуток – 39%.
• Спільний видобуток з рудами інших металів(Уран у разі є побічним продуктом) - становить 6 %.

Виробництво діоксидного палива з уранової руди є складним і дорогим процесом, що включає вилучення урану з руди, його концентрування, очищення (афінаж), конверсію (отримання гексафториду урану, збагачення, деконверсію (переклад UF 6 b U0 2), виготовлення тепловиділяючих елементів (Твел).

На першому етапі переробки уранової руди, здобутої кар'єрним та шахтним способами, її подрібнюють та сортують за радіоактивністю. Після сортування шматки руди додатково дроблять і направляють на вилуговування для перекладу урану розчинну форму. Вибір хімічного розчину для розтину руди залежить від типу мінералу, що включає уран. У деяких випадках для розтину руди використовують мікробіологічні методи.

В результаті вилуговування утворюється продуктивний розчин, що містить уран. При подальшій переробці продуктивного розчину методами іонного обміну, екстракції або осадження відбувається концентрування урану та відділення небажаних домішок (Na, К, Са, Mg, Fe, Mn, Ni та ін.). Отриманий продукт фільтрують, висушують і нагрівають до високої температури, при якій утворюється оксид урану - жовтий кек (U 3 0 8). Для глибокого очищення урану від домішок виробляють афінаж, традиційна схема якого полягає в розчиненні U 3 0 8 в азотній кислоті та очищенні методом екстракції (рідше осадження). При цьому кінцевим продуктом афінажної технології є U 3 0 8 або триоксид урану U0 3 Отриманий оксидний продукт переводять у газоподібний стан - UF 6 найбільш зручне для збагачення. Цей процес називається конверсією.

Подрібнена уранова руда (див. рис. 1.10) надходить на завод з її переробки. Концентрат руди (природний уран) прямує на завод для отримання шестифтористого урану (UF 6).

Мал. 1.10.

У цикл додається уран із радіохімічного заводу з регенерації палива. Шестифтористий уран відправляється на завод зі збагачення природного і регенерованого урану для підвищення вмісту ізотопу 235 U. Для розділення ізотопів урану потрібні спеціальні методи (газодифузійний і газоцентрифужний), так як ізотопи 23:> і і 2 . е. не можуть бути розділені хімічними методами) і розрізняються тільки за масовим числом (235 і 238 а. е.м.). Ці методи надзвичайно складні та вимагають значних витрат енергії, часу та спеціального обладнання. Газодифузійний метод заснований на відмінності у швидкостях проникнення гексафторидів урану-238 та урану-235 через пористі перегородки (мембрани). При пропущенні газоподібного урану через одну мембрану концентраціями змінюється всього на 0,43%, тобто вихідна концентрація 2 і зростаєте 0,710 до 0,712%. Для значного збагачення суміші 235 U процес поділу необхідно багаторазово повторювати. Так, для отримання з природного урану суміші, збагаченої до 2,4% no 235 U, та концентрації 235 U в збідненому урані (відвалі) 0,3% потрібно близько 840 ступенів. Каскад для отримання високозбагаченого урану (90% і вище) повинен мати 3000 ступенів.

Більш ефективний газоцентрифужний метод, при якому гексафториди ізотопів урану-235 і 238 вводяться в газову центрифугу, яка обертається зі швидкістю 1500 обертів на секунду. При цьому виникає значна відцентрова сила, що віджимає уран-238 до стінки, а уран-235 концентрується у зоні осі обертання. Досягнення необхідного ступеня збагачення газові центрифуги об'єднують у каскади, які з десятків тисяч апаратів.

Для перекладу U F 6 після збагачення в діоксид урану U О застосовують "мокрий" (розчинення у воді, осадження і прожарювання) і "сухий" (спалювання UF 6 у водневому полум'ї) способи. Отриманий порошок U0 2 пресують таблетки і спікають при температурі приблизно 1750° С.

Після збагачення два потоки - збагачений уран та збіднений уран - рухаються різними шляхами. Збіднений уран зберігається на дифузійному заводі, а збагачений перетворюється на діоксид урану (U0 2) і відправляється на завод для виготовлення твелів.

На цих заводах U0 2 призначений для реакторів, переводять в паливні таблетки. Таблетки розігрівають і спікають, щоб одержати тверду щільну консистенцію (рис. 1.11). Після обробки їх завадять у трубки (оболонки) з цирконію, приварюють з торців заглушки, і виходить тепловиділяючий елемент.Певну кількість твелів збирають разом у єдину конструкцію - тепловиділяюче складання(ТВЗ).

Мал. 1.11. Паливні таблетки з U0 2

Готові ТВС доставляють на АЕС у спеціальних контейнерах залізничним, автомобільним чи морським транспортом. У деяких випадках використовують повітряний транспорт.

У всьому світі ведуться роботи щодо підвищення технічних та економічних характеристик ядерного палива. Найбільш важливою вимогою з погляду економічної ефективності ядерного палива є збільшення глибини вигоряння. Для більш повного використання урану паливо має бути в активній зоні реактора довше (див. табл. 1.8). Для збільшення кампанії палива удосконалюються конструкційні матеріали, які мають працювати у більш тривалих та важких умовах експлуатації; паливні композиції (для зниження виходу продуктів поділу); підвищується жорсткість каркасів ТВС.

Таблиця 1.8

Сучасні та перспективні паливні цикли ВВЕР на збагаченому природному урані

1.4. Ядер новий паливо

Для реакторів типу ВВЕР-1000 існують два основні вдосконалені види ТВС (рис. 1.12): ТВСА (розробки ОКБМ імені І. І. Африкантова) і ТВС-2 М (розробки ОКБ «Гідропрес»),

Мал. 1.12. Тепловиділяючі збірки для реактора ВВЕР: а- ТВСА-PLUS, б- ТВС-2 М

Паливні зборки ТВСА-PLUS і ТВС-2 М мають ідентичні техніко-економічні характеристики, що забезпечують можливість підвищення потужності РУ до 104% від номінальної, 18-місячний паливний цикл (підживлення 66 шт.), вигоряння в твелі - 72 МВтсут/кг U, можливість експлуатації у маневреному режимі, захист від сторонніх предметів.

Зростаюча частка вироблення електроенергії на АЕС в енергетичному балансі та перехід до ліберального ринку електроенергії вимагатиме найближчими роками переведення частини енергоблоків АЕС на роботу в маневреному режимі. Такий режим експлуатації, що не використовувався раніше на АЕС, висуває і додаткові вимоги до палива та паливних циклів. Повинно бути розроблено паливо, що зберігає високі експлуатаційні характеристики за умов змінних навантажень.

• За даними спільного звіту МАГАТЕ та ОЕСР «Уран-2011: запаси, видобуток та попит».

Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) спільно з колегами із США та Брюсселя розробили новий тип термоядерного палива. З його допомогою можна отримати вдесятеро більше енергії, ніж із усіх існуючих зразків. Нове паливо містить три види іонів - частинок, заряд яких змінюється в залежності від втрати або придбання електрона. Для вивчення палива використовується токамак - тороїдальна камера для магнітного утримання плазми, що створює умови для керованого термоядерного синтезу. Експерименти з новинкою проводяться на базі токамака Alcator C-Mod, що належить MIT, який забезпечує найвищу напругу магнітного поля та тиск плазми під час випробувань.

Секрет нового палива

Alcator C-Mod востаннє запустили ще у вересні 2016 року, але дані, отримані в результаті проведених експериментів, були розшифровані лише недавно. Саме завдяки їм вченим і вдалося розробити новий, унікальний тип термоядерного палива, яке значно збільшує енергію іонів у плазмі. Результати були настільки обнадійливими, що дослідники, які працюють на Об'єднаному європейському торі (JET, ще один сучасний токамак) в Оксфордширі, США, провели власний експеримент і досягли такого ж збільшення виробітку енергії. Дослідження, в якому детально викладено результати роботи, було нещодавно опубліковано у Nature Physics .

Ключем до підвищення ефективності ядерного палива було додавання незначної кількості гелію-3 — стабільного ізотопу гелію, який замість двох нейтронів має лише один. Ядерне паливо, що використовується в Alcator C-Mod, раніше містило лише два типи іонів, іони дейтерію та водню. Дейтерій, стабільний ізотоп водню з одним нейтроном ядрі (звичайний водень нейтронів немає зовсім), займає близько 95% від загального складу палива.

Дослідники з Центру плазми та синтезу MIT (PSFC) використовували радіочастотне нагрівання для того, щоб спалахнути паливо, що утримується у формі суспензії промисловими магнітами. Цей метод заснований на використанні антен поза струмами, які впливають на паливо за допомогою радіохвиль певних частот. Вони калібруються так, щоб уражати лише матеріал, кількість якого в суспензії менша від усіх інших (в даному випадку це водень). Водень має лише малу частку від загальної щільності палива, а тому фокусування радіочастотного нагріву на його іонах дозволяє досягти екстремально високих температур. Збуджені іони водню потім взаємодіють з іонами дейтерію, і отримані в результаті взаємодії частинки бомбардують зовнішню оболонку реактора, виділяючи величезну кількість тепла та електроенергії.

А що ж гелій-3? У новому паливі його менше 1%, але саме його іони відіграють вирішальну роль. Сфокусувавши радіочастотне нагрівання на такій незначній кількості речовини, дослідники підняли енергію еонів до рівня мегаелектроноволь (МеВ). Електроновольт - це кількість енергії, отримана втрачене в результаті переходу електрона від однієї точки електричного потенціалу на рівень в 1 вольт вище. Досі мегаелектронвольти в експериментах з термоядерним паливом були лише межею мрій вчених — це значно більше, ніж енергія всіх зразків, отриманих досі.

Токамак: дослідження термоядерних реакцій

Alcatre C-Mod і JET є експериментальними камерами термоядерного синтезу з можливістю досягнення тих же плазмових тисків і температур, які будуть потрібні в повномасштабному реакторі синтезу. Варто зазначити, що вони менші за розмірами і не дають того, що дослідники називають «активованим синтезом» — синтезу, енергія якого безпосередньо перетворюється на енергію, яку можна використовувати для інших потреб. Тонка настройка складу палива, частоти радіохвиль, магнітних полів та інших змінних у цих експериментах дозволяють дослідникам ретельно вибрати найбільш ефективний процес синтезу, який потім можна буде відтворити у промисловому масштабі.

Як уже було сказано, американським вченим, які працюють на JET, вдалося не просто досягти тих же результатів, а й порівняти їх із роботою західних колег, внаслідок чого наукова спільнота отримала унікальні дані вимірювань різних властивостей неймовірно складних реакцій, що відбуваються у перегрітій плазмі. У MIT дослідники використовували метод отримання зображень реакції за допомогою фазово-контрастної мікроскопії, завдяки якому фази електромагнітних хвиль трансформуються на контраст інтенсивності. У свою чергу, вчені JET мали можливість більш точно вимірювати енергію отриманих частинок, і в результаті картина того, що відбувається під час реакцій синтезу, вийшла найбільш повною.

Ядерний синтез: революція в енергетиці

Що це означає для нас із вами? Як мінімум значний прорив у технологічній сфері. Ядерний синтез, поставлений потреби промисловості, може зробити революцію у виробництві енергії. Його енергетичний потенціал неймовірно високий, а паливо складається із найпоширеніших елементів у Сонячній системі — водню та гелію. До того ж, після згоряння термоядерного палива не утворюється небезпечних для екології та людини відходів.

Як зазначає Nature, Результати цих експериментів також допоможуть астрономам краще зрозуміти роль гелію-3 в сонячній активності - адже сонячні спалахи, що несуть загрозу для земної енергетики та навколоземних супутників, є ні що інше, як результат протікання термоядерної реакції з колосальним тепловим та електромагнітним випромінюванням.