La ce se folosește combustibilul nuclear? Cum se face combustibilul nuclear (29 de fotografii). Sisteme cu configurație magnetică închisă

Exemplu.
sinteza D-Tîncepe cu un atom de deuteriu și tritiu și se termină cu un atom de heliu-4 și un neutron. Masa inițială 2,013553 + 3,015500 = 5,029053. Masa finală 4,001506 + 1,008665 = 5,010171. Scăzând al doilea din primul, constatăm că defectul de masă este egal cu 0,018882. Înmulțind cu 931,494028 găsim energia rezultată egală cu 17,58847 MeV.

Particule

Tritiul are un timp de înjumătățire de numai 12,32 ani, ceea ce îl face puțin dificil de utilizat în spațiu, deoarece după doisprezece ani se va descompune pe jumătate în heliu-3. Acesta este motivul pentru care nu există depozite naturale de tritiu. Majoritatea modelelor de reactoare care utilizează tritiu se bazează pe generatoare de tritiu. Acestea sunt de obicei rezervoare de litiu lichid care înconjoară reactorul. Litiul absoarbe neutronii și se transmută în tritiu proaspăt și heliu-4.

Celebrul heliu-3, care este adesea citat ca motiv economic pentru explorarea spațiului, din păcate, nu este atât de bun pe cât s-ar putea aștepta. În primul rând, nu se găsește pe Pământ, ceea ce face dificil de obținut. Unii entuziaști vor să-l mine pe Lună, fără să precizeze, concentrația lui acolo este foarte mică. Pentru a obține doar o tonă de heliu-3, este necesar să procesăm 100 de milioane de tone de regolit lunar. Alternativ, poate fi produs în fabrici, dar acest lucru necesită un număr mare de neutroni. ÎN schiță generală, trebuie să obțineți tritiu și să așteptați să se degradeze. Cantități uriașe de heliu-3 sunt disponibile în atmosferele lui Saturn și Uranus, dar este nevoie de infrastructura adecvată pentru a-l extrage de acolo. Concentrația de heliu-3 în atmosfera lor poate ajunge la zece părți pe milion, ceea ce este mult mai bun decât pe Lună. Jupiter conține și heliu-3 în atmosfera sa, dar datorită gravitației sale enorme, extracția sa poate fi foarte dificilă.

Introducere

Al doilea motiv este că, de fapt, toate sistemele de propulsie anterioare necesitau reacții complexe producând, în cea mai mare parte, particule încărcate. Acest lucru a fost necesar pentru a reduce pierderile de energie prin neutroni. Cele mai promițătoare au fost D-3 He și P-11 B. Dar aceste reacții necesită temperaturi mult mai ridicate ale plasmei și au fost ordine de mărime mai greu de realizat decât fuziunea D-T, care este mult mai accesibilă și este considerată singurul candidat pentru aplicare pe Pământ. . Deși sunt mai puțin profitabile, ele necesită totuși cantități enorme de energie pentru a menține arderea, ceea ce le face puțin mai bune decât reacțiile alternative de fisiune.

Ideile anterioare despre cum se utilizează energia de fuziune în sistemele de propulsie spațială trebuie regândite. Să ne uităm la ce oferă motoarele cu rachete chimice astfel de avantaje. Motivul principal este că energia obținută din reacția chimică de ardere poate fi atât de mare sau cât de mică se dorește. De la 13 GW pentru un vehicul greu de lansare Atlas, la 130 kW pentru o mașină. Este de remarcat faptul că, la energie mai mică, arderea este mai eficientă, deoarece temperatura poate fi crescută fără a vă face griji cu privire la necesitatea unei îndepărtari intensive a căldurii și a deteriorării termice care pot apărea cu funcționarea continuă pe termen lung.

După cum au arătat testele cu bombe atomice și cu hidrogen, arderea combustibilului nuclear poate produce energie cu multe ordine de mărime mai mare decât același Atlas. Problema este cum se controlează eliberarea energiei nucleare pentru a obține caracteristicile necesare zborurilor spațiale: un pana de mai mulți megawați, greutate specifică scăzută α (~ 1 kg/kW) cu impuls specific ridicat Isp (> 20000 m/s). S-a dovedit că, cel puțin pentru fisiunea nucleară, nu există nicio posibilitate de reducere la scara energetică necesară, deoarece este necesară o anumită masă critică (configurație critică) pentru ca reacția să înceapă auto-susținerea. Drept urmare, proiectele care utilizează reacții de fisiune nucleară, cum ar fi Orion, au produs în mod obișnuit milioane de tone de forță, care este potrivită numai pentru nave spațiale cu o masă de 107 kg și mai mult.

Din fericire, scara reacțiilor de fuziune poate fi mult mai mică, iar tehnici precum Magneto Inertial Fusion (MIF) pot produce cantități mari de energie din material nuclear în sisteme care pot găzdui sisteme de propulsie spațială în greutate, putere și cost.

Fizica motorului

Aș dori să remarc că, atunci când vine vorba de zboruri spațiale, indicatorul principal este Δv - increment de viteză (m/s sau km/s). Este o măsură a cantității de „efort” care este necesar pentru a trece de la o traiectorie la alta atunci când se efectuează o manevră orbitală. Pentru o navă spațială nu există concepte precum rezerva de combustibil, distanța maximă sau viteza maxima, există doar Δv. Δv maxim al unei nave poate fi reprezentat ca creșterea vitezei pe care o va primi după consumarea întregului combustibil. Este important de știut că o „misiune” poate fi caracterizată în funcție de ceea ce Δv este necesar pentru a o îndeplini. De exemplu, ascensiunea de pe Pământ, traiectoria lui Homan către Marte și aterizarea pe acesta necesită un buget Δv de 18 km/s. Dacă nava are o rezervă Δv mai mare sau egală cu misiunea Δv, atunci poate finaliza această misiune.

Pentru a afla Δv al navei, puteți folosi formula Tsiolkovsky.

Unde:
V este viteza finală (după ce tot combustibilul a fost consumat) a aeronavei (m/s);
I este impulsul specific al motorului rachetă (raportul dintre forța motorului și consumul de masă al celui de-al doilea combustibil, viteza fluidului de lucru care iese din duză, m/s);
M 1 - masa inițială a aeronavei (sarcină utilă + proiectarea vehiculului + combustibil, kg);
M 2 - masa finală a aeronavei (sarcină utilă + structură, kg).

De aici rezultă o concluzie foarte importantă, care poate să nu fie foarte evidentă la prima vedere. Dacă Δv al misiunii este mai mic sau egal cu impulsul specific, atunci masa relativă a navei este mare și devine posibil să se transporte o sarcină utilă mai mare. Cu toate acestea, dacă Δv al misiunii este mai mare decât impulsul specific, masa relativă începe să scadă exponențial, făcând nava un rezervor uriaș de combustibil cu o sarcină utilă mică. De fapt, tocmai din această cauză zborurile interplanetare cu motoare chimice convenționale sunt foarte dificile.

Planificați un zbor de 210 de zile către Marte și retur.

Misiune de 90 de zile pe Marte (ΔV = 13,5 km/s)

• Nu este nevoie de misiuni de transport suplimentare
• Arhitectura misiunii simplificată
• Abilitatea de a aduce toate proviziile în timpul unei misiuni
• Cost redus de misiune
• Posibilitatea de a începe o misiune după o singură lansare de pe Pământ

Misiune de 30 de zile pe Marte (ΔV = 40,9 km/s)

• Risc scăzut
• Expunere minimă la radiații
• Arhitectura misiunii Apollo
• Cheia pentru a vizita în mod regulat Marte
• Dezvoltarea tehnologiilor necesare pentru a cuceri spațiul adânc

NASA dezvoltă în prezent Space Launch System (SLS), un vehicul de lansare super-greu capabil să lanseze 70 până la 130 de tone de sarcină utilă pe o orbită joasă de referință. Acest lucru face posibilă începerea unei misiuni de 90 de zile pe Marte după o singură lansare a unui astfel de vehicul de lansare.

Ambele misiuni au capacitatea de a anula imediat și de a se întoarce pe Pământ.

Parametrii cheie ai misiunii

Etichete: Adăugați etichete

Uraniul este principalul element al energiei nucleare, folosit ca combustibil nuclear, materie primă pentru producerea plutoniului și în arme nucleare. Conținutul de uraniu din scoarța terestră este de 2,5-10 -4%, iar cantitatea totală dintr-un strat gros de 20 km al litosferei ajunge la 1,3-10 14 tone de minerale de uraniu se găsesc aproape peste tot. Cu toate acestea, uraniul este un oligoelement. Aceasta înseamnă că concentrația sa în roci este adesea insuficientă pentru o producție viabilă din punct de vedere comercial. Conținutul de uraniu din minereu este unul dintre parametrii cheie care determină costul de producție. Minereurile de uraniu care conțin 0,03-0,10% uraniu sunt considerate sărace, obișnuite - 0,10-0,25%, medii - 0,25-0,5%, bogate - peste 0,50% 1.

Uraniul are 14 izotopi, dar doar trei dintre ei apar în natură (Tabelul 1.6).

Tabelul 1.6

Conform ultimelor date, volumul explorat de rezerve de uraniu, al cărui cost de producție nu depășește 130 USD/kg U, este de 5.327.200 tone pentru categoria cu un cost de producție mai mic de 260 USD/kg U - 7.096.600 tone În plus, cantitatea de uraniu din așa-numitele rezerve prognozate și estimate ajunge la 10.429.100 de tone.

Tabelul 1.7

Țări cu cele mai mari rezerve dovedite de uraniu, cu o valoare care nu depășește 130 USD/kg U

ÎN ultimii ani Modelul de distribuție a zăcămintelor de uraniu pe țară s-a schimbat oarecum datorită faptului că în timpul studierii unui număr de zăcăminte de uraniu au fost descoperite resurse suplimentare în țări africane (Botswana, Zambia, Republica Islamică Mauritania, Malawi, Mali, Namibia). , Republica Unită Tanzania). De asemenea, au fost descoperite noi rezerve în Guyana, Columbia, Paraguay, Peru și Suedia.

Principalele minerale care conțin uraniu sunt uraninitul (un amestec de oxizi de uraniu și toriu cu formula generală (U, Th)0 2x), pitchblenda (oxizi de uraniu: U0 2, U0 3, cunoscut și sub denumirea de gudron de uraniu), carnotita - K , (U0 2)2 (V0 4) 2 -3H 2 0, uranofan - Ca (U0 2)Si0 3 (0H) 2 -5H 2 0 şi alţii 110].

Extracția uraniului din roci se realizează în următoarele moduri:

• Exploatarea în carieră(metoda deschisă) este folosită pentru extragerea minereului care se află pe suprafața scoarței terestre sau care se află la mică adâncime. Metoda presupune crearea de gropi numite cariere sau tăieturi. Până în prezent, zăcămintele care pot fi exploatate prin minerit în cariere au fost practic epuizate. Productia este de 23%;
• Mine de mine(metoda închisă) este utilizată pentru extracția mineralelor situate la adâncimi semnificative și presupune construirea unui complex de lucrări miniere subterane. Productie - 32%;
• Leşiere in situ presupune pomparea în formațiune sub presiune a unei soluții apoase a unui reactiv chimic, care, trecând prin minereu, dizolvă selectiv compușii naturali de uraniu. Soluția de leșiere, care conține uraniu și metale asociate, este apoi adusă la suprafața pământului prin puțuri de extracție. Productie - 39%.
• Exploatarea în comun cu minereuri din alte metale(uraniul în acest caz este un produs secundar) - este de 6%.

Producția de dioxid de combustibil din minereu de uraniu este un proces complex și costisitor, incluzând extracția uraniului din minereu, concentrarea acestuia, purificarea (rafinarea), conversia (producția de hexafluorură de uraniu, îmbogățirea, deconversia (traducere UF) 6 b U0 2), producerea elementelor de combustibil (barele de combustibil).

În prima etapă de prelucrare a minereului de uraniu extras prin metode de carieră și mină, acesta este zdrobit și sortat prin radioactivitate. După sortare, bucățile de minereu sunt în continuare zdrobite și trimise la levigare pentru a transforma uraniul într-o formă solubilă. Alegerea soluției chimice pentru deschiderea minereului depinde de tipul de mineral care include uraniu. În unele cazuri, pentru deschiderea minereului se folosesc metode microbiologice.

Ca urmare a leșierii, se formează o soluție productivă care conține uraniu. În timpul prelucrării ulterioare a soluției productive prin metode de schimb ionic, extracție sau precipitare, uraniul este concentrat și impuritățile nedorite (Na, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Ni etc.) sunt separate. Produsul rezultat este filtrat, uscat și încălzit la o temperatură ridicată, la care se formează oxid de uraniu - turtă galbenă (U 3 0 8). Pentru purificarea profundă a uraniului de impurități, se efectuează rafinarea, a cărei schemă tradițională este dizolvarea U 3 0 8 în acid azotic și purificarea acestuia prin extracție (mai puțin frecvent, precipitare). În acest caz, produsul final al tehnologiei de rafinare este U 3 0 8 sau trioxidul de uraniu U0 3. Produsul de oxid rezultat este transformat într-o stare gazoasă - UF 6, care este cel mai convenabil pentru îmbogățire. Acest proces se numește conversie.

Minereul de uraniu zdrobit (vezi Fig. 1.10) este furnizat unei fabrici de procesare. Concentratul de minereu (uraniu natural) este trimis la uzină pentru a produce hexafluorură de uraniu (UF 6).

Orez. 1.10.

Uraniul dintr-o instalație de regenerare a combustibilului radiochimic este adăugat la ciclu. Hexafluorura de uraniu este trimisă la o instalație pentru îmbogățirea uraniului natural și regenerat pentru a crește conținutul de izotop 235 U Pentru a separa izotopii de uraniu, sunt necesare metode speciale (difuziunea gazului și centrifugarea cu gaz), deoarece izotopii 23:> și separați. 238 sunt unul element chimic(adică nu poate fi împărțit metode chimice) și diferă doar prin numărul de masă (235 și 238 amu). Aceste metode sunt extrem de complexe și necesită cantități semnificative de energie, timp și echipamente speciale. Metoda de difuzie a gazelor se bazează pe diferența dintre ratele de penetrare a hexafluorurilor de uraniu-238 și uraniu-235 prin pereții poroase (membrane). Când uraniul gazos este trecut printr-o membrană, concentrațiile se modifică cu doar 0,43%, adică concentrația inițială este 2b și crește de la 0,710 la 0,712%. Pentru a îmbogăți semnificativ amestecul cu 235 U, procesul de separare trebuie repetat de mai multe ori. Astfel, pentru a obține un amestec din uraniu natural îmbogățit la 2,4% nu 235 U, și o concentrație de 235 U în uraniu sărăcit (deșeuri) de 0,3%, sunt necesare aproximativ 840 de pași. Cascada pentru producerea uraniului foarte îmbogățit (90% și mai mult) trebuie să aibă 3000 de etape.

Mai eficientă este metoda centrifugei cu gaz, în care hexafluorurile izotopilor de uraniu-235 și 238 sunt introduse într-o centrifugă cu gaz, care se rotește cu o viteză de 1500 de rotații pe secundă. În acest caz, apare o forță centrifugă semnificativă, împingând uraniul-238 spre perete, iar uraniul-235 este concentrat în zona axei de rotație. Pentru a obține gradul de îmbogățire necesar, centrifugele cu gaz sunt combinate în cascade formate din zeci de mii de dispozitive.

Pentru a transforma UF 6 după îmbogățire în dioxid de uraniu U O, se folosesc metodele „umed” (dizolvare în apă, precipitare și calcinare) și „uscat” (combustia UF 6 într-o flacără de hidrogen). Pulberea de U02 rezultată este presată în tablete și sinterizată la o temperatură de aproximativ 1750°C.

După îmbogățire, cele două fluxuri - uraniu îmbogățit și uraniu sărăcit - urmează căi diferite. Uraniul sărăcit este stocat într-o instalație de difuzie, iar uraniul îmbogățit este transformat în dioxid de uraniu (U0 2) și trimis la uzină pentru fabricarea elementelor combustibile.

La aceste centrale, U0 2 destinat reactoarelor este transformat în pelete de combustibil. Tabletele sunt încălzite și sinterizate pentru a obține o consistență tare, densă (Fig. 1.11). După prelucrare, acestea sunt așezate în tuburi (cochilii) din zirconiu, dopurile sunt sudate la capete, iar rezultatul este element de combustibil. Un anumit număr de bare de combustibil sunt asamblate într-o singură structură - ansamblu combustibil(TVS).

Orez. 1.11. Peleți de combustibil de la U0 2

Ansamblurile de combustibil finite sunt livrate centralelor nucleare în containere speciale prin transport feroviar, rutier sau maritim. În unele cazuri, se utilizează transportul aerian.

În întreaga lume, se lucrează pentru îmbunătățirea caracteristicilor tehnice și economice ale combustibilului nuclear. Cea mai importantă cerință din punct de vedere al eficienței economice a combustibilului nuclear este creșterea consumului de combustibil. Pentru o utilizare mai completă a uraniului, combustibilul trebuie să rămână în miezul reactorului mai mult timp (a se vedea tabelul 1.8). Pentru a crește durata de viață a combustibilului, se îmbunătățesc materialele structurale, care trebuie să funcționeze în condiții de funcționare mai lungi și mai severe; compozițiile combustibilului (pentru a reduce randamentul produselor de fisiune); rigiditatea cadrelor ansamblului combustibil crește.

Tabelul 1.8

Cicluri de combustibil VVER moderne și promițătoare care utilizează uraniu natural îmbogățit

1.4. Yader combustibil nou

Pentru reactoarele de tip VVER-1000, există două tipuri principale îmbunătățite de ansambluri de combustibil (Fig. 1.12): TVSA (dezvoltat de OKBM numit după I. I. Afrikantov) și TVS-2 M (dezvoltat de OKB Gidropress),

Orez. 1.12. Ansambluri de combustibil pentru reactorul VVER: O- TVSA-PLUS, b- TVS-2 M

Ansamblurile de combustibil TVSA-PLUS și TVS-2 M au caracteristici tehnice și economice identice, oferind capacitatea de a crește puterea centralei reactorului până la 104% din ciclul nominal de combustibil de 18 luni (combustibil 66 de bucăți), combustibil ardere - 72 MW zi/kg U, posibilitate de funcționare în regim manevrabil, protecție împotriva obiectelor străine.

Ponderea din ce în ce mai mare a producției de energie electrică la centralele nucleare în balanța energetică și tranziția către o piață liberală a energiei electrice va necesita în următorii ani trecerea unor unități nucleare la funcționarea în mod flexibil. Acest mod de funcționare, care nu a fost folosit până acum la centralele nucleare, prezintă și cerințe suplimentare la combustibili și ciclurile combustibilului. Trebuie dezvoltat un combustibil care să mențină caracteristici de înaltă performanță în condiții de încărcare variabilă.

• Potrivit raportului comun al AIEA și OCDE „Uraniu 2011: rezerve, producție și cerere”.

Combustibilul nuclear este un material folosit în reactoarele nucleare pentru a desfășura o reacție în lanț controlată. Este extrem de consumator de energie și nesigur pentru oameni, ceea ce impune o serie de restricții privind utilizarea sa. Astăzi vom afla ce este combustibilul pentru reactoare nucleare, cum este clasificat și produs și unde este utilizat.

Progresul reacției în lanț

În timpul unei reacții nucleare în lanț, nucleul este împărțit în două părți, care se numesc fragmente de fisiune. În același timp, sunt eliberați mai mulți (2-3) neutroni, care ulterior provoacă fisiunea nucleelor ​​ulterioare. Procesul are loc atunci când un neutron intră în nucleul substanței originale. Fragmentele de fisiune au energie cinetică mare. Inhibarea lor în materie este însoțită de eliberarea unei cantități uriașe de căldură.

Fragmentele de fisiune, împreună cu produsele lor de descompunere, se numesc produse de fisiune. Nucleele care împart neutroni de orice energie se numesc combustibil nuclear. De regulă, acestea sunt substanțe cu un număr impar de atomi. Unele nuclee sunt fisionate pur de neutroni a căror energie este peste o anumită valoare de prag. Acestea sunt predominant elemente cu un număr par de atomi. Astfel de nuclee se numesc materii prime, deoarece în momentul captării unui neutron de către un nucleu de prag, se formează nuclee de combustibil. Combinația de combustibil și materie primă se numește combustibil nuclear.

Clasificare

Combustibilul nuclear este împărțit în două clase:

1. Uraniu natural. Conține nuclee de uraniu-235 fisionabile și materie primă de uraniu-238, care este capabilă să formeze plutoniu-239 la captarea neutronilor.
2. Un combustibil secundar care nu se găsește în natură. Aceasta include, printre altele, plutoniul-239, care este obținut din primul tip de combustibil, precum și uraniul-233, care se formează atunci când neutronii sunt capturați de nucleele de toriu-232.

Din punct de vedere al compoziției chimice, există următoarele tipuri de combustibil nuclear:

1. Metal (inclusiv aliaje);
2. Oxid (de exemplu, UO2);
3. Carbură (de exemplu PuC 1-x);
4. Amestecat;
5. Nitrură.

TVEL și TVS

Combustibilul pentru reactoare nucleare este utilizat sub formă de pelete mici. Ele sunt plasate în elemente de combustibil închise ermetic (elemente de combustibil), care, la rândul lor, sunt combinate în câteva sute de ansambluri de combustibil (FA). Combustibilul nuclear este supus unor cerințe ridicate de compatibilitate cu placarea barelor de combustibil. Trebuie să aibă o temperatură suficientă de topire și evaporare, o conductivitate termică bună și să nu crească foarte mult în volum sub iradiere cu neutroni. Se ia în considerare și fabricabilitatea producției.

Aplicație

Combustibilul vine la centralele nucleare și la alte instalații nucleare sub formă de ansambluri de combustibil. Ele pot fi încărcate în reactor atât în ​​timpul funcționării acestuia (în locul ansamblurilor de combustibil ars), cât și în timpul unei campanii de reparații. În acest din urmă caz, ansamblurile de combustibil sunt înlocuite în grupuri mari. În acest caz, doar o treime din combustibil este înlocuită complet. Cele mai arse ansambluri sunt descărcate din partea centrală a reactorului, iar în locul lor sunt amplasate ansambluri parțial arse care anterior erau amplasate în zone mai puțin active. În consecință, în locul acestuia din urmă sunt instalate noi ansambluri de combustibil. Această schemă simplă de rearanjare este considerată tradițională și are o serie de avantaje, dintre care principalul este asigurarea eliberării uniforme de energie. Desigur, aceasta este o schemă condiționată care doar dă idei generale despre proces.

Extras

După ce combustibilul nuclear uzat este îndepărtat din miezul reactorului, acesta este trimis într-un bazin de răcire, care este de obicei situat în apropiere. Faptul este că ansamblurile de combustibil uzat conțin o cantitate imensă de fragmente de fisiune de uraniu. După descărcarea din reactor, fiecare bară de combustibil conține aproximativ 300 de mii de Curies de substanțe radioactive, eliberând 100 kW/oră de energie. Din acest motiv, combustibilul se autoincalzeste si devine foarte radioactiv.

Temperatura combustibilului nou descărcat poate atinge 300°C. Prin urmare, se ține 3-4 ani sub un strat de apă, a cărui temperatură se menține în intervalul stabilit. Pe măsură ce este stocat sub apă, radioactivitatea combustibilului și puterea emisiilor sale reziduale scade. După aproximativ trei ani, autoîncălzirea ansamblului combustibil ajunge la 50-60°C. Apoi combustibilul este îndepărtat din piscine și trimis pentru procesare sau eliminare.

Uraniu metal

Uraniul metalic este folosit relativ rar ca combustibil pentru reactoare nucleare. Când o substanță atinge o temperatură de 660°C, are loc o tranziție de fază, însoțită de o modificare a structurii sale. Mai simplu spus, uraniul crește în volum, ceea ce poate duce la distrugerea barelor de combustibil. În cazul iradierii prelungite la o temperatură de 200-500°C, substanța suferă creșterea radiațiilor. Esența acestui fenomen este alungirea tijei de uraniu iradiat de 2-3 ori.

Utilizarea uraniului metalic la temperaturi peste 500°C este dificilă din cauza umflării acestuia. După fisiunea nucleară, se formează două fragmente, al căror volum total depășește volumul acelui nucleu. Unele fragmente de fisiune sunt reprezentate de atomi de gaz (xenon, cripton etc.). Gazul se acumulează în porii uraniului și formează presiune internă, care crește pe măsură ce temperatura crește. Datorită creșterii volumului atomilor și creșterii presiunii gazului, combustibilul nuclear începe să se umfle. Astfel, aceasta se referă la modificarea relativă a volumului asociată cu fisiunea nucleară.

Puterea umflăturii depinde de temperatura tijelor de combustibil și de ardere. Odată cu creșterea arderii, numărul fragmentelor de fisiune crește, iar odată cu creșterea temperaturii și a arderii, presiunea internă a gazului crește. Dacă combustibilul are proprietăți mecanice mai mari, atunci este mai puțin susceptibil la umflare. Uraniul metal nu este unul dintre aceste materiale. Prin urmare, utilizarea sa ca combustibil pentru reactoarele nucleare limitează arderea, care este una dintre principalele caracteristici ale unui astfel de combustibil.

Proprietățile mecanice ale uraniului și rezistența acestuia la radiații sunt îmbunătățite prin alierea materialului. Acest proces implică adăugarea de aluminiu, molibden și alte metale. Datorită aditivilor dopanți, numărul de neutroni de fisiune necesar pentru fiecare captură este redus. Prin urmare, materialele care absorb slab neutronii sunt folosite în aceste scopuri.

Compuși refractari

Unii compuși refractari ai uraniului sunt considerați combustibil nuclear bun: carburi, oxizi și compuși intermetalici. Cel mai comun dintre acestea este dioxidul de uraniu (ceramica). Punctul său de topire este de 2800°C, iar densitatea sa este de 10,2 g/cm 3 .

Deoarece acest material nu suferă tranziții de fază, este mai puțin susceptibil la umflare decât aliajele de uraniu. Datorită acestei caracteristici, temperatura de ardere poate fi crescută cu câteva procente. Pe temperaturi ridicate ceramica nu interacționează cu niobiul, zirconiul, oțelul inoxidabil și alte materiale. Principalul său dezavantaj este conductivitatea termică scăzută - 4,5 kJ (m*K), care limitează puterea specifică a reactorului. În plus, ceramica fierbinte este predispusă la crăpare.

Plutoniu

Plutoniul este considerat un metal cu punct de topire scăzut. Se topește la o temperatură de 640°C. Datorită proprietăților sale slabe din plastic, este practic imposibil de prelucrat. Toxicitatea substanței complică tehnologia de fabricație a barelor de combustibil. Industria nucleară a încercat în mod repetat să folosească plutoniul și compușii săi, dar nu au avut succes. Nu este practic să se utilizeze combustibil pentru centralele nucleare care conțin plutoniu din cauza unei reduceri de aproximativ de două ori a perioadei de accelerare, pentru care sistemele standard de control al reactorului nu sunt proiectate.

Pentru fabricarea combustibilului nuclear, de regulă, se utilizează dioxid de plutoniu, aliaje de plutoniu cu minerale și un amestec de carburi de plutoniu și carburi de uraniu. Combustibilii de dispersie, în care particulele de compuși de uraniu și plutoniu sunt plasate într-o matrice metalică de molibden, aluminiu, oțel inoxidabil și alte metale, au proprietăți mecanice ridicate și conductivitate termică. Rezistența la radiații și conductivitatea termică a combustibilului de dispersie depind de materialul matricei. De exemplu, la prima centrală nucleară, combustibilul dispersiv era format din particule dintr-un aliaj de uraniu cu 9% molibden, care erau umplute cu molibden.

În ceea ce privește combustibilul cu toriu, acesta nu este utilizat astăzi din cauza dificultăților în producerea și prelucrarea barelor de combustibil.

Productie

Volume importante din principala materie primă pentru combustibilul nuclear - uraniul - sunt concentrate în mai multe țări: Rusia, SUA, Franța, Canada și Africa de Sud. Depozitele sale sunt de obicei situate lângă aur și cupru, astfel încât toate aceste materiale sunt extrase în același timp.

Sănătatea oamenilor care lucrează în minerit este în mare pericol. Cert este că uraniul este un material toxic, iar gazele eliberate în timpul exploatării sale pot provoca cancer. Și asta în ciuda faptului că minereul nu conține mai mult de 1% din această substanță.

Chitanță

Producția de combustibil nuclear din minereu de uraniu include următoarele etape:

1. Prelucrare hidrometalurgică. Include leșierea, zdrobirea și extracția sau recuperarea sorbției. Rezultatul prelucrării hidrometalurgice este o suspensie purificată de oxid de oxiuraniu, diuranat de sodiu sau diuranat de amoniu.
2. Conversia unei substanțe din oxid în tetrafluorura sau hexafluorura, utilizată pentru îmbogățirea uraniului-235.
3. Îmbogățirea unei substanțe prin centrifugare sau difuzie termică gazoasă.
4. Transformarea materialului îmbogățit în dioxid, din care se produc „pelete” de tije de combustibil.

Regenerare

În timpul funcționării unui reactor nuclear, combustibilul nu poate fi ars complet, astfel încât izotopii liberi sunt reproduși. În acest sens, barele de combustibil uzat sunt supuse regenerării în scopul reutilizării.

Astăzi, această problemă este rezolvată prin procesul Purex, constând din următoarele etape:

1. Tăierea barelor de combustibil în două părți și dizolvarea lor în acid azotic;
2. Curățarea soluției de produse de fisiune și părți de coajă;
3. Izolarea compușilor puri ai uraniului și plutoniului.

După aceasta, dioxidul de plutoniu rezultat este folosit pentru producerea de noi miezuri, iar uraniul este folosit pentru îmbogățire sau și pentru producerea de miezuri. Reprocesarea combustibilului nuclear este un proces complex și costisitor. Costul său are un impact semnificativ asupra fezabilității economice a utilizării centralelor nucleare. Același lucru se poate spune despre eliminarea deșeurilor de combustibil nuclear care nu sunt adecvate pentru regenerare.

Datorită faptului că combustibilul nuclear este mai eficient decât toate celelalte tipuri de combustibil pe care le avem astăzi, se acordă o mare preferință tot ceea ce poate funcționa cu ajutorul centralelor nucleare (centrale nucleare, submarine, nave etc.). Vom vorbi în continuare despre cum este produs combustibilul nuclear pentru reactoare.

Uraniul este extras în două moduri principale:
1) Exploatarea directă în cariere sau mine, dacă adâncimea uraniului o permite. Cu această metodă, sper că totul este clar.
2) Leşierea subterană. Acesta este momentul în care puțurile sunt forate în locul în care se găsește uraniul, o soluție slabă de acid sulfuric este pompată în ele, iar soluția interacționează cu uraniul, combinându-se cu acesta. Apoi amestecul rezultat este pompat la suprafață, iar uraniul este separat de acesta prin metode chimice.

Să ne imaginăm că am extras deja uraniu din mină și l-am pregătit pentru transformări ulterioare. Fotografia de mai jos arată așa-numitul „tort galben”, U3O8. Într-un butoi pentru transport suplimentar.

Totul ar fi bine, iar teoretic acest uraniu ar putea fi folosit imediat pentru a produce combustibil pentru centralele nucleare, dar vai. Natura, ca întotdeauna, ne-a dat de lucru. Faptul este că uraniul natural constă dintr-un amestec de trei izotopi. Acestea sunt U238 (99,2745%), U235 (0,72%) și U234 (0,0055%). Aici ne interesează doar U235 - deoarece împarte perfect neutronii termici în reactor, acesta ne permite să ne bucurăm de toate beneficiile reacției în lanț de fisiune. Din păcate, concentrația sa naturală nu este suficientă pentru funcționarea stabilă și pe termen lung a unui reactor modern al unei centrale nucleare. Deși, din câte știu, aparatul RBMK este proiectat în așa fel încât să se poată lansa pe combustibil produs din uraniu natural, însă stabilitatea, durabilitatea și siguranța funcționării cu un astfel de combustibil nu este deloc garantată.
Trebuie să îmbogățim uraniul. Adică, crește concentrația de U235 de la natural la cea utilizată în reactor.
De exemplu, reactorul RBMK funcționează cu uraniu îmbogățit cu 2,8%, VVER-1000 - îmbogățit de la 1,6 la 5,0%. Centralele nucleare maritime și navale consumă combustibil îmbogățit cu până la 20%. Și unele reactoare de cercetare funcționează cu combustibil cu o îmbogățire de 90% (de exemplu, IRT-T din Tomsk).
În Rusia, îmbogățirea uraniului se realizează cu ajutorul centrifugelor cu gaz. Adică, acea pulbere galbenă care era în fotografie mai devreme este transformată în gaz, hexafluorură de uraniu UF6. Acest gaz este apoi alimentat într-o cascadă de centrifuge. La iesirea din fiecare centrifuga, datorita diferentei de greutate a nucleelor ​​U235 si U238, obtinem hexafluorura de uraniu cu un continut usor crescut de U235. Procesul se repeta de multe ori si in final obtinem hexafluorura de uraniu cu imbogatirea de care avem nevoie. În fotografia de mai jos puteți vedea doar scara cascadei de centrifuge - sunt multe și se extind la distanțe îndepărtate.

Gazul UF6 este apoi convertit înapoi în UO2, sub formă de pulbere. La urma urmei, chimia este o știință foarte utilă și ne permite să creăm astfel de miracole.
Cu toate acestea, această pulbere nu poate fi turnată ușor în reactor. Sau, mai degrabă, poți adormi, dar nu va ieși nimic bun din asta. Ea (pulberea) trebuie adusă într-o asemenea formă încât să o putem coborî în reactor mult timp, ani de zile. În acest caz, combustibilul în sine nu ar trebui să intre în contact cu lichidul de răcire și să depășească miezul. Și pe lângă toate acestea, combustibilul trebuie să reziste la presiunile și temperaturile foarte, foarte severe care vor apărea în el atunci când se lucrează în interiorul reactorului.
Apropo, am uitat să spun că pulberea nu este, de asemenea, orice fel - trebuie să aibă o anumită dimensiune, astfel încât în ​​timpul presării și sinterizării să nu se formeze goluri și fisuri inutile. În primul rând, tabletele sunt făcute din pulbere prin presare și coacere pentru o lungă perioadă de timp (tehnologia este cu adevărat dificilă, dacă este încălcată, tabletele de combustibil nu vor fi utilizabile). Voi arăta variantele tabletelor în fotografia de mai jos.

Găurile și adânciturile de pe tablete sunt necesare pentru a compensa expansiunea termică și modificările radiațiilor. În reactor, în timp, tabletele se umflă, se îndoaie, își schimbă dimensiunile și, dacă nu este prevăzut nimic, se pot prăbuși, iar acest lucru este rău.

Tabletele finite sunt apoi ambalate în tuburi metalice (din oțel, zirconiu și aliajele acestuia și alte metale). Tuburile sunt închise la ambele capete și sigilate. Tubul finit cu combustibil se numește element de combustibil - un element de combustibil.

Reactoarele diferite necesită elemente de combustibil de diferite modele și îmbogățiri. Tijele de combustibil RBMK, de exemplu, au 3,5 metri lungime. Elementele de combustibil, apropo, nu sunt doar ale tijei. ca in fotografie. Sunt farfurie, inel, mare diverse tipuri si modificari.
Elementele de combustibil sunt apoi combinate în ansambluri de combustibil - FA. Ansamblul combustibil al reactorului RBMK este format din 18 bare de combustibil și arată cam așa:

Ansamblul combustibil al unui reactor VVER arată astfel:
După cum se poate vedea, ansamblul combustibil al unui reactor VVER constă din mult Mai mult tije de combustibil decât RBMK.
Produsul special finit (FA) este apoi livrat la centrala nucleară cu respectarea măsurilor de siguranță. De ce măsuri de precauție? Combustibilul nuclear, deși nu este încă radioactiv, este foarte valoros, scump și, dacă este manipulat foarte neglijent, poate cauza multe probleme. Apoi se efectuează controlul final al stării ansamblului de combustibil și se încarcă în reactor. Gata, uraniul a parcurs un drum lung de la minereu subteran la un dispozitiv de înaltă tehnologie în interiorul unui reactor nuclear. Acum are o altă soartă - să se strecoare în interiorul reactorului timp de câțiva ani și să elibereze căldură prețioasă, pe care apa (sau orice alt lichid de răcire) o va lua de la el.

Energia nucleară este formată din cantitati mariîntreprinderi în diverse scopuri. Materiile prime pentru această industrie sunt extrase din minele de uraniu. Apoi este livrat la fabricile de producere a combustibilului.

Combustibilul este apoi transportat la centralele nucleare, unde intră în miezul reactorului. Când combustibilul nuclear ajunge la sfârșitul duratei de viață utilă, acesta este supus eliminării. Este de remarcat faptul că deșeurile periculoase apar nu numai după reprocesarea combustibilului, ci și în orice etapă - de la extracția uraniului până la lucrul în reactor.

Combustibil nuclear

Există două tipuri de combustibil. Primul este uraniul extras în mine, care este de origine naturală. Conține materii prime care sunt capabile să formeze plutoniu. Al doilea este combustibilul care este creat artificial (secundar).

Combustibilul nuclear este, de asemenea, împărțit în funcție de compozitia chimica: metal, oxid, carbură, nitrură și mixt.

Extracția uraniului și producția de combustibil

O mare parte din producția de uraniu provine din doar câteva țări: Rusia, Franța, Australia, SUA, Canada și Africa de Sud.

Uraniul este principalul element de combustibil în centralele nucleare. Pentru a intra în reactor, acesta trece prin mai multe etape de procesare. Cel mai adesea, zăcămintele de uraniu sunt situate lângă aur și cupru, astfel încât extracția acestuia se realizează cu extracția metalelor prețioase.

În minerit, sănătatea umană este în mare risc deoarece uraniul este un material toxic, iar gazele care apar în timpul exploatării sale provoacă diverse forme de cancer. Deși minereul în sine conține o cantitate foarte mică de uraniu - de la 0,1 la 1 la sută. Populația care locuiește în apropierea minelor de uraniu este, de asemenea, expusă unui mare risc.

Uraniul îmbogățit este principalul combustibil pentru centralele nucleare, dar după utilizarea lui rămâne o cantitate imensă de deșeuri radioactive. În ciuda tuturor pericolelor sale, îmbogățirea uraniului este un proces integral de creare a combustibilului nuclear.

În forma sa naturală, uraniul practic nu poate fi folosit nicăieri. Pentru a fi folosit, trebuie să fie îmbogățit. Pentru îmbogățire se folosesc centrifugele cu gaz.

Uraniul îmbogățit este folosit nu numai în energie nucleară, dar și în producția de arme.

Transport

În orice etapă a ciclului combustibilului există transport. Se realizează prin toate mijloacele disponibile: pe uscat, pe mare, pe aer. Acesta este un risc mare și un pericol mare nu numai pentru mediu, ci și pentru oameni.

În timpul transportului combustibilului nuclear sau a elementelor acestuia, au loc multe accidente, având ca rezultat eliberarea de elemente radioactive. Acesta este unul dintre numeroasele motive pentru care este considerat nesigur.

Dezafectarea reactoarelor

Niciunul dintre reactoare nu a fost demontat. Chiar și infamul Cernobîl. Ideea este că, potrivit experților, costul dezmembrării este egal cu, sau chiar depășește, costul construirii unui nou reactor. Dar nimeni nu poate spune cu exactitate de câți bani va fi nevoie: costul a fost calculat pe baza experienței de demontare a stațiilor mici pentru cercetare. Experții oferă două opțiuni:

1. Puneți reactoarele și combustibilul nuclear uzat în depozite.
2. Construiți sarcofage peste reactoare dezafectate.

În următorii zece ani, aproximativ 350 de reactoare din întreaga lume vor ajunge la sfârșitul duratei de viață și trebuie scoase din funcțiune. Dar din moment ce cea mai potrivită metodă din punct de vedere al siguranței și prețului nu a fost inventată, această problemă este încă în curs de rezolvare.

În prezent, în întreaga lume funcționează 436 de reactoare. Desigur, aceasta este o mare contribuție la sistemul energetic, dar este foarte nesigur. Cercetările arată că în 15-20 de ani, centralele nucleare vor putea fi înlocuite cu stații care funcționează cu energie eoliană și panouri solare.

Deșeuri nucleare

O cantitate imensă de deșeuri nucleare este generată ca urmare a activităților centralelor nucleare. Reprocesarea combustibilului nuclear lasă în urmă și deșeuri periculoase. Cu toate acestea, niciuna dintre țări nu a găsit o soluție la problemă.

Astăzi, deșeurile nucleare sunt păstrate în depozite temporare, în bazine de apă sau îngropate la mică adâncime sub pământ.

Cea mai sigură metodă este depozitarea în spații speciale de depozitare, dar și scurgerea radiațiilor este posibilă aici, ca și în cazul altor metode.

De fapt, deșeurile nucleare au o anumită valoare, dar necesită respectarea strictă a regulilor de depozitare a acestora. Și aceasta este cea mai presantă problemă.

Un factor important este timpul în care deșeurile sunt periculoase. Fiecare are propria sa perioadă de degradare în care este toxic.

Tipuri de deșeuri nucleare

În timpul funcționării oricărei centrale nucleare, deșeurile acesteia intră în mediu. Aceasta este apă pentru turbine de răcire și deșeuri gazoase.

Deșeurile nucleare sunt împărțite în trei categorii:

1. Nivel scăzut - îmbrăcămintea angajaților centralei nucleare, echipamente de laborator. Astfel de deșeuri pot proveni și de la instituții medicale și laboratoare științifice. Nu prezintă un mare pericol, dar necesită respectarea măsurilor de siguranță.
2. Nivel intermediar - containere metalice în care se transportă combustibil. Nivelul lor de radiații este destul de ridicat, iar cei care sunt aproape de ei trebuie protejați.
3. Nivelul ridicat este combustibilul nuclear uzat și produsele sale de reprocesare. Nivelul de radioactivitate scade rapid. Deşeuri nivel înalt foarte puțin, aproximativ 3 la sută, dar conțin 95 la sută din toată radioactivitatea.