Cum se produce combustibilul nuclear (9 fotografii). Centrală nucleară: cum funcționează

Pagina 3

După perioada de îmbătrânire, cărucioarele cu tije de uraniu sunt mutate sub apă în partea acoperită rezervor Aici, muncitorii folosesc clești lungi de aluminiu pentru a îndepărta tijele de uraniu din apă și pentru a le hrăni la o mașină care le îndepărtează carcasa de aluminiu.

Pentru a produce energie atomică, ei folosesc un aparat special, care este adesea numit un cazan cu uraniu. Este o structură destul de mare în care barele de uraniu alternează cu straturi de moderator. Neutronii rapizi, eliberați în timpul fisiunii nucleelor de uraniu-235, intră în stratul moderator și, împingând între atomii săi, pierd majoritatea viteza sa.

Raportul & N1 / N, care exprimă secțiunea transversală efectivă a procesului de fisiune, depinde de energia neutronilor. Acest proces (numit moderare neutronică) se realizează prin introducerea în volumul reactorului de baghete de uraniu din anumite substanțe (apă grea, grafit etc.); în timpul ciocnirilor elastice cu nucleele acestor substanțe, neutronul pierde treptat energia cinetică până la valori corespunzătoare temperaturii reactorului.

Două grinzi profilate din oțel sunt situate lângă compartimentul central. Peste aceste grinzi se află o serie de grinzi paralele care se întind prin deschiderea superioară a rezervorului și susțin tijele de uraniu. Barele de oțel sunt acoperite cu cupru, nichel și crom pentru a preveni coroziunea. Dispunerea tijelor de uraniu într-o rețea pătrată poate fi schimbată prin modificarea distanței dintre barele corespunzătoare. Uraniul metalic sub formă de tije scurte poate fi plasat la înălțimea dorită în tevi de aluminiu, în capătul inferior al căruia sunt sudate dopuri.

În timpul fisiunii nucleelor de uraniu-235, neutronii rapizi, scăpând din tijele de uraniu, intră în grafit. Aici se ciocnesc cu nucleele de carbon care alcătuiesc grafitul, își pierd rapid viteza și cad din nou în alte tije de uraniu, deja încetinite.

Utilizarea acidului azotic este de preferat pentru dizolvarea oricăror elemente de combustibil, deoarece soluțiile rezultate pot fi trimise pentru procesare folosind un sistem de extracție standard. Tijele de uraniu, după îndepărtarea carcasei de aluminiu, se dizolvă rapid și complet fără eliberarea de hidrogen. Procesul decurge satisfăcător când cele mai înalte niveluri radiatii.

În cele din urmă, reactoarele de putere sunt proiectate să producă și să utilizeze energia nucleară. În fig. 21 dat diagramă tipică reactor nuclear de putere. Tijele de uraniu formează miezul reactorului. În aceeași zonă există tije care încetinesc neutronii.

Metalele refractare joacă un rol major în tehnologia nucleară. Oamenii de știință se concentrează pe cercetarea unui număr de carburi, în special carbură de siliciu, carbură de crom și carbură de hafniu. Aluminiul este un material de construcție important grad înalt puritate, care este folosit pentru a acoperi tijele reactoarelor cu uraniu pentru a le proteja de coroziune.

Reactoarele în care combustibilul și moderatorul sunt separate unul de celălalt se numesc eterogene. Un exemplu este reactorul uraniu-grafit. Când este folosit ca sursă de energie nucleară, reactorul (de exemplu, tijele de uraniu în sine) este pătruns de tuburi prin care circulă o substanță care elimină căldura. Această substanță - un lichid de răcire - ar trebui, dacă este posibil, să absoarbă puțini neutroni.

Cu toate acestea, în timpul funcționării unui reactor nuclear, ca urmare a fisiunii nucleelor de uraniu-235, în tijele de uraniu încep să se acumuleze produse de descompunere radioactivă sau, așa cum se numesc, fragmente de fisiune. Unele dintre aceste nuclee absorb cu lăcomie neutronii. Prin urmare, pe măsură ce fragmentele de fisiune se acumulează în tijele de uraniu, tot mai mulți neutroni eliberați ca urmare a reacției în lanț încep să se piardă, aceștia sunt capturați de nucleele fragmentelor de fisiune. Prin urmare, după ceva timp, tijele de uraniu sunt îndepărtate din reactor și în locul lor sunt introduse tije de uraniu noi, proaspete. Pentru ca reactorul să funcționeze continuu, barele de uraniu sunt înlocuite pe secțiuni. Prin urmare, într-un reactor nuclear, alături de cele vechi care ajung deja la sfârșitul duratei de viață, există întotdeauna tije tinere care au intrat abia recent în reactor.

Instalațiile pentru separarea chimică a plutoniului deservesc mai multe reactoare nucleare. Echipamentele din aceste fabrici sunt găzduite în încăperi cu grosime ziduri de beton situat aproape în întregime sub pământ. Aici vin tije de uraniu prelucrate în reactoare nucleare și păstrate o perioadă de timp în depozite speciale. Cu toate acestea, chiar și după perioada de îmbătrânire, tijele de uraniu conțin cantități mari de produse radioactive de fisiune și sunt extrem de periculoase pentru oameni. Prin urmare, toate operațiunile pentru transportul și procesarea lor sunt controlate de la distanță folosind dispozitive speciale.

Gazul, probabil He, C02, S02 sau altul cu curent alternativ scăzut la energii termice, este folosit ca lichid de răcire pentru o instalație eterogenă. Acest gaz curge în goluri cilindrice în jurul tijelor de uraniu, dintre care unul (servește drept control) este prezentat parțial alungit. Grosimea protecției din jurul cazanului este doar aproximativ o treime din protecția din jurul reactorului însuși. Pentru a extrage produsele de fisiune, este necesar să îndepărtați tijele de uraniu și să le tratați chimic, și nu în modul simplificat prezentat în schiță.

Generarea de energie nucleară este o metodă modernă și în dezvoltare rapidă de producere a energiei electrice. Știți cum funcționează centralele nucleare? Care este principiul de funcționare al unei centrale nucleare? Ce tipuri de reactoare nucleare există astăzi? Vom încerca să luăm în considerare în detaliu schema de funcționare a unei centrale nucleare, să ne aprofundăm în proiectarea unui reactor nuclear și să aflăm cât de sigură este metoda nucleară de generare a energiei electrice.

Orice stație este o zonă închisă departe de o zonă rezidențială. Pe teritoriul său există mai multe clădiri. Cea mai importantă structură este clădirea reactorului, alături este camera turbinelor din care este controlat reactorul și clădirea de siguranță.

Schema este imposibilă fără un reactor nuclear. Un reactor atomic (nuclear) este un dispozitiv de centrală nucleară care este conceput pentru a organiza o reacție în lanț de fisiune a neutronilor cu eliberarea obligatorie de energie în timpul acestui proces. Dar care este principiul de funcționare al unei centrale nucleare?

Întreaga instalație a reactorului este găzduită în clădirea reactorului, un turn mare de beton care ascunde reactorul și va conține toți produsele reacției nucleare în cazul unui accident. Acest turn mare se numește reținere, înveliș ermetic sau zonă de reținere.

Zona ermetică din reactoarele noi are 2 pereți groși de beton - învelișuri.
Învelișul exterior, gros de 80 cm, protejează zona de izolare de influențele externe.

Carcasa interioară, de 1 metru și 20 cm grosime, are cabluri speciale din oțel care măresc rezistența betonului de aproape trei ori și vor preveni prăbușirea structurii. CU interior este căptușită cu o foaie subțire de oțel special, care este concepută pentru a servi drept protecție suplimentară pentru izolarea și, în caz de accident, pentru a nu elibera conținutul reactorului în afara zonei de izolare.

Acest design al centralei nucleare îi permite să reziste unui accident de avion cu o greutate de până la 200 de tone, unui cutremur cu magnitudinea 8, unei tornade și unui tsunami.

Prima carcasă sub presiune a fost construită la centrala nucleară americană Connecticut Yankee în 1968.

Înălțimea totală a zonei de izolare este de 50-60 de metri.

În ce constă un reactor nuclear?

Pentru a înțelege principiul de funcționare al unui reactor nuclear și, prin urmare, principiul de funcționare al unei centrale nucleare, trebuie să înțelegeți componentele reactorului.

Zona activă. Aceasta este zona în care sunt amplasate combustibilul nuclear (generatorul de combustibil) și moderatorul. Atomii de combustibil (cel mai adesea uraniul este combustibilul) suferă o reacție de fisiune în lanț. Moderatorul este conceput pentru a controla procesul de fisiune și permite reacția necesară în ceea ce privește viteza și puterea.
Reflector de neutroni. Un reflector înconjoară miezul. Este alcătuit din același material ca și moderatorul. În esență, aceasta este o cutie, al cărei scop principal este de a împiedica neutronii să părăsească nucleul și să intre în mediu.
Lichidul de răcire. Lichidul de răcire trebuie să absoarbă căldura care este eliberată în timpul fisiunii atomilor de combustibil și să o transfere altor substanțe. Lichidul de răcire determină în mare măsură modul în care este proiectată o centrală nucleară. Cel mai popular lichid de răcire astăzi este apa.
Sistem de control al reactorului. Senzori și mecanisme care alimentează un reactor al unei centrale nucleare.

Combustibil pentru centrale nucleare

Pe ce funcționează o centrală nucleară? Combustibilul pentru centralele nucleare este elemente chimice cu proprietăți radioactive. La toate centralele nucleare, acest element este uraniul.

Proiectarea stațiilor implică faptul că centralele nucleare funcționează cu combustibil compozit complex, și nu pe pur element chimic. Și pentru a extrage combustibilul uraniu din uraniul natural, care este încărcat într-un reactor nuclear, trebuie efectuate multe manipulări.

Uraniu îmbogățit

Uraniul este format din doi izotopi, adică conține nuclee cu greutăți diferite. Au fost denumiți după numărul de protoni și neutroni izotop -235 și izotop-238. Cercetătorii secolului al XX-lea au început să extragă uraniu 235 din minereu, deoarece... era mai ușor să se descompună și să se transforme. S-a dovedit că există doar 0,7% din un astfel de uraniu în natură (procentul rămas merge la izotopul 238).

Ce să faci în acest caz? Au decis să îmbogățească uraniul. Îmbogățirea uraniului este un proces în care o mulțime de izotopi 235x necesari rămân în el și puțini izotopi 238x inutili. Sarcina îmbogățitorilor de uraniu este de a transforma 0,7% în aproape 100% uraniu-235.

Uraniul poate fi îmbogățit folosind două tehnologii: difuzie de gaz sau centrifugare cu gaz. Pentru a le folosi, uraniul extras din minereu este transformat în stare gazoasă. Este îmbogățit sub formă de gaz.

Pulbere de uraniu

Gazul de uraniu îmbogățit este transformat într-o stare solidă - dioxid de uraniu. Acest uraniu solid pur 235 apare ca cristale albe mari, care sunt ulterior zdrobite în pulbere de uraniu.

Tablete de uraniu

Tabletele de uraniu sunt discuri metalice solide, lungi de câțiva centimetri. Pentru a forma astfel de tablete din pulbere de uraniu, se amestecă cu o substanță - un plastifiant, care îmbunătățește calitatea presării tabletelor.

Puturile presate sunt coapte la o temperatură de 1200 de grade Celsius mai mult de o zi pentru a conferi tabletelor o rezistență deosebită și rezistență la temperaturi ridicate. Modul în care funcționează o centrală nucleară depinde direct de cât de bine este comprimat și copt combustibilul cu uraniu.

Tabletele sunt coapte în cutii de molibden, deoarece doar acest metal este capabil să nu se topească la temperaturi „infernale” de peste o mie și jumătate de grade. După aceasta, combustibilul cu uraniu pentru centralele nucleare este considerat gata.

Ce sunt TTEL și FA?

Miezul reactorului arată ca un disc uriaș sau o țeavă cu găuri în pereți (în funcție de tipul de reactor), de 5 ori mai mare decât corpul uman. Aceste găuri conțin combustibil de uraniu, ai cărui atomi efectuează reacția dorită.

Este imposibil să arunci combustibil în reactor, ei bine, dacă nu vrei să provoci o explozie a întregii stații și un accident cu consecințe pentru câteva state din apropiere. Prin urmare, combustibilul cu uraniu este plasat în bare de combustibil și apoi colectat în ansambluri de combustibil. Ce înseamnă aceste abrevieri?

TVEL – element de combustibil (a nu se confunda cu același nume firma ruseasca, care le produce). Este în esență un tub de zirconiu subțire și lung, fabricat din aliaje de zirconiu în care sunt plasate tablete de uraniu. În barele de combustibil, atomii de uraniu încep să interacționeze între ei, eliberând căldură în timpul reacției.

Zirconiul a fost ales ca material pentru producerea barelor de combustibil datorită proprietăților sale refractare și anticorozive.

Tipul de bare de combustibil depinde de tipul și structura reactorului. De regulă, structura și scopul tijelor de combustibil nu se modifică, lungimea și lățimea tubului pot fi diferite.

Mașina încarcă mai mult de 200 de pelete de uraniu într-un tub de zirconiu. În total, aproximativ 10 milioane de pelete de uraniu lucrează simultan în reactor.
FA – ansamblu combustibil. Lucrătorii CNE numesc pachete de combustibil.

În esență, acestea sunt mai multe bare de combustibil fixate împreună. FA este combustibil nuclear finit, cu ce funcționează o centrală nucleară. Ansamblurile de combustibil sunt încărcate în reactorul nuclear. Într-un reactor sunt plasate aproximativ 150 – 400 de ansambluri de combustibil.
În funcție de reactorul în care vor funcționa ansamblurile combustibile, acestea pot fi forme diferite. Uneori pachetele sunt pliate într-o formă cubică, alteori într-o formă cilindrice, alteori într-o formă hexagonală.

Un ansamblu de combustibil pe o perioadă de 4 ani de funcționare produce aceeași cantitate de energie ca atunci când ard 670 de vagoane de cărbune, 730 de rezervoare cu gaz natural sau 900 de tancuri încărcate cu ulei.
Astăzi, ansamblurile de combustibil sunt produse în principal în fabrici din Rusia, Franța, SUA și Japonia.

Pentru a livra combustibil pentru centralele nucleare în alte țări, ansamblurile de combustibil sunt sigilate în lung și lat tevi metalice, aerul este pompat din conducte și livrat de mașini speciale la bordul avioanelor de marfă.

Combustibilul nuclear pentru centralele nucleare cântărește prohibitiv, pentru că... uraniul este unul dintre cele mai multe metale grele pe planetă. Lui greutate specifică De 2,5 ori mai mult decât oțelul.

Centrală nucleară: principiu de funcționare

Care este principiul de funcționare al unei centrale nucleare? Principiul de funcționare al centralelor nucleare se bazează pe o reacție în lanț de fisiune a atomilor unei substanțe radioactive - uraniu. Această reacție are loc în miezul unui reactor nuclear.

IMPORTANT DE ȘTIUT:

Fără a intra în complexitățile fizicii nucleare, principiul de funcționare al unei centrale nucleare arată astfel:
După pornirea unui reactor nuclear, barele de absorbție sunt îndepărtate din barele de combustibil, care împiedică reacția uraniului.

Odată ce tijele sunt îndepărtate, neutronii de uraniu încep să interacționeze între ei.

Când neutronii se ciocnesc, are loc o mini-explozie la nivel atomic, se eliberează energie și se nasc noi neutroni, începe să aibă loc o reacție în lanț. Acest proces generează căldură.

Căldura este transferată la lichidul de răcire. În funcție de tipul de lichid de răcire, acesta se transformă în abur sau gaz, care rotește turbina.

Turbina antrenează un generator electric. El este cel care generează efectiv curentul electric.

Dacă nu monitorizați procesul, neutronii de uraniu se pot ciocni între ei până când explodează reactorul și distrug întreaga centrală nucleară în bucăți. Procesul este controlat de senzori de calculator. Ele detectează o creștere a temperaturii sau schimbarea presiunii în reactor și pot opri automat reacțiile.

Prin ce diferă principiul de funcționare al centralelor nucleare de centralele termice (centrale termice)?

Există diferențe în muncă doar în primele etape. Într-o centrală nucleară, lichidul de răcire primește căldură din fisiunea atomilor de combustibil de uraniu într-o centrală termică, lichidul de răcire primește căldură din arderea combustibilului organic (cărbune, gaz sau petrol). După ce fie atomii de uraniu, fie gazul și cărbunele au eliberat căldură, schemele de funcționare ale centralelor nucleare și ale centralelor termice sunt aceleași.

Tipuri de reactoare nucleare

Modul în care funcționează o centrală nucleară depinde de modul în care funcționează reactor nuclear. Astăzi există două tipuri principale de reactoare, care sunt clasificate în funcție de spectrul neuronilor:
Un reactor cu neutroni lent, numit și reactor termic.

Pentru funcționarea sa se folosește uraniul 235, care trece prin etapele de îmbogățire, creare de pelete de uraniu etc. Astăzi, marea majoritate a reactoarelor folosesc neutroni lenți.
Reactor rapid cu neutroni.

Aceste reactoare sunt viitorul, pentru că... Ei lucrează pe uraniu-238, care este un ban pe duzină în natură și nu este nevoie să îmbogățiți acest element. Singurul dezavantaj al unor astfel de reactoare este costurile foarte mari de proiectare, construcție și pornire. Astăzi, reactoarele cu neutroni rapidi funcționează numai în Rusia.

Lichidul de răcire din reactoarele cu neutroni rapidi este mercur, gaz, sodiu sau plumb.

Reactoarele cu neutroni lenți, pe care toate centralele nucleare din lume le folosesc astăzi, vin și în mai multe tipuri.

Organizația AIEA (Agenția Internațională pentru Energie Atomică) și-a creat propria clasificare, care este cel mai des folosită în industria mondială a energiei nucleare. Deoarece principiul de funcționare al unei centrale nucleare depinde în mare măsură de alegerea lichidului de răcire și a moderatorului, AIEA și-a bazat clasificarea pe aceste diferențe.

Din punct de vedere chimic, oxidul de deuteriu este un moderator și lichid de răcire ideal, deoarece atomii săi interacționează cel mai eficient cu neutronii de uraniu în comparație cu alte substanțe. Pur și simplu, apa grea își îndeplinește sarcina cu pierderi minime și rezultate maxime. Cu toate acestea, producția sa costă bani, în timp ce apa obișnuită „ușoară” și familiară este mult mai ușor de utilizat.

Câteva fapte despre reactoarele nucleare...

Este interesant că un reactor al unei centrale nucleare durează cel puțin 3 ani pentru a se construi!
Pentru a construi un reactor aveți nevoie de echipamente care să funcționeze curent electric la 210 kilo Amperi, care este de un milion de ori mai mare decât curentul care poate ucide o persoană.

O carcasă (element structural) al unui reactor nuclear cântărește 150 de tone. Există 6 astfel de elemente într-un reactor.

Reactor cu apă sub presiune

Am aflat deja cum funcționează o centrală nucleară în general, pentru a pune totul în perspectivă, să vedem cum funcționează cel mai popular reactor nuclear cu apă sub presiune.
În întreaga lume, astăzi, sunt utilizate reactoare cu apă sub presiune de generația 3+. Sunt considerate cele mai fiabile și sigure.

Toate reactoarele cu apă sub presiune din lume, de-a lungul tuturor anilor de funcționare, au acumulat deja peste 1000 de ani de funcționare fără probleme și nu au dat niciodată abateri serioase.

Structura centralelor nucleare care utilizează reactoare cu apă presurizată implică faptul că apa distilată încălzită la 320 de grade circulă între barele de combustibil. Pentru a preveni intrarea în stare de vapori, este ținut sub presiune de 160 de atmosfere. Schema centralei nucleare o numește apă din circuitul primar.

Apa încălzită intră în generatorul de abur și își renunță căldura apei din circuitul secundar, după care se „întoarce” din nou în reactor. În exterior, se pare că tuburile de apă ale primului circuit sunt în contact cu alte tuburi - apa celui de-al doilea circuit, transferă căldură între ele, dar apele nu intră în contact. Tuburile sunt în contact.

Astfel, este exclusă posibilitatea ca radiația să pătrundă în apa circuitului secundar, care va participa în continuare la procesul de generare a energiei electrice.

Siguranța în exploatare a CNE

După ce am învățat principiul funcționării centralelor nucleare, trebuie să înțelegem cum funcționează siguranța. Construcția centralelor nucleare necesită astăzi o atenție sporită acordată regulilor de siguranță.
Costurile pentru siguranța CNE reprezintă aproximativ 40% din costul total al centralei în sine.

Proiectarea centralei nucleare include 4 bariere fizice care împiedică eliberarea de substanțe radioactive. Ce ar trebui să facă aceste bariere? Să te poţi opri la momentul potrivit reacție nucleară, asigură îndepărtarea constantă a căldurii din miez și din reactor însuși și împiedică eliberarea de radionuclizi în afara rezervorului (zona ermetică).

Prima barieră este rezistența peletelor de uraniu. Este important ca acestea să nu fie distruse prin expunere temperaturi ridicateîntr-un reactor nuclear. O mare parte din modul în care funcționează o centrală nucleară depinde de modul în care peleții de uraniu sunt „coapți” în timpul etapei inițiale de fabricație. Dacă peletele de combustibil de uraniu nu sunt coapte corect, reacțiile atomilor de uraniu din reactor vor fi imprevizibile.
A doua barieră este etanșeitatea barelor de combustibil. Tuburile de zirconiu trebuie să fie etanșate, dacă sigiliul este rupt cel mai bun scenariu reactorul va fi avariat și lucrările vor fi oprite, în cel mai rău caz, totul va zbura în aer.
A treia barieră este un vas reactor din oțel durabil a, (același turn mare - zonă ermetică) care „deține” toate procesele radioactive. Dacă carcasa este deteriorată, radiațiile vor scăpa în atmosferă.
A patra barieră sunt tijele de protecție în caz de urgență. Tijele cu moderatori sunt suspendate deasupra miezului de magneți, care pot absorbi toți neutronii în 2 secunde și pot opri reacția în lanț.

Dacă, în ciuda proiectării unei centrale nucleare cu multe grade de protecție, nu este posibilă răcirea miezului reactorului la momentul potrivit, iar temperatura combustibilului crește la 2600 de grade, atunci intră în joc ultima speranță a sistemului de siguranță. - așa-numita capcană de topire.

Faptul este că la această temperatură fundul vasului reactorului se va topi și toate rămășițele de combustibil nuclear și structurile topite vor curge într-o „sticlă” specială suspendată deasupra miezului reactorului.

Capcana de topire este refrigerată și ignifugă. Este umplut cu așa-numitul „material de sacrificiu”, care oprește treptat reacția în lanț de fisiune.

Astfel, proiectarea centralei nucleare presupune mai multe grade de protecție, care elimină aproape complet orice posibilitate de accident.

Care, la rândul său, poate provoca fisiunea nucleelor ulterioare. Această fisiune are loc atunci când un neutron lovește nucleul unui atom al substanței originale. Fragmentele de fisiune formate în timpul fisiunii nucleare sunt mari. Inhibarea fragmentelor de fisiune dintr-o substanță este însoțită de eliberare cantitate mare căldură. Fragmentele de fisiune sunt nuclee formate direct ca urmare a fisiunii. Fragmentele de fisiune și produsele lor de descompunere radioactivă sunt de obicei numite produse de fisiune. Nucleele fisionabile de neutroni de orice energie se numesc combustibil nuclear (de regulă, acestea sunt substanțe cu un număr atomic impar). Există nuclee care sunt fisionate doar de neutroni cu energii peste o anumită valoare de prag (de obicei elemente cu număr atomic par). Astfel de nuclee se numesc materie primă, deoarece atunci când un neutron este captat de un nucleu de prag, se formează nuclee de combustibil nuclear. Combinația dintre combustibil nuclear și materie primă se numește combustibil nuclear. Mai jos este distribuția energiei de fisiune a nucleului de 235 U între diferitele produse de fisiune (în MeV):

Uraniul natural este format din trei izotopi: 238 U (99,282%), 235 U (0,712%) și 234 U (0,006%). Nu este întotdeauna potrivit ca combustibil nuclear, mai ales dacă materialele de construcție absorb intens. În acest caz, combustibilul nuclear este preparat din uraniu îmbogățit. În centralele electrice se folosește uraniu cu o îmbogățire mai mică de 10%, iar în reactoarele nucleare și cu neutroni îmbogățirea uraniului depășește 20%. Uraniul îmbogățit este produs la instalații speciale de îmbogățire.

Clasificare

Combustibilul nuclear este împărțit în două tipuri:

Naturale, care conțin nuclee fisionabile 235 U, precum și materii prime 238 U, capabile să formeze 239 Pu la captarea neutronilor;
Combustibil secundar care nu se găsește în natură, inclusiv 239 Pu, obținut din combustibil de primul tip, precum și izotopi de 233 U formați atunci când neutronii sunt capturați de nucleele 232 Th.

De compozitia chimica, combustibilul nuclear poate fi:

, inclusiv ;
(De exemplu, );
(De exemplu, )
Mixt (PuO 2 + UO 2)

Aplicație

Combustibilul nuclear este utilizat în, unde este de obicei situat în elemente de combustibil închise ermetic () sub formă de tablete de câțiva centimetri în dimensiune.

Combustibilul nuclear este supus unor cerințe ridicate de compatibilitate chimică cu placarea barelor de combustibil trebuie să aibă temperaturi suficiente de topire și evaporare, o temperatură bună, o ușoară creștere a volumului în timpul iradierii și capacitatea de fabricație.

Chitanță

Combustibil cu uraniu

Combustibilul nuclear se obține prin prelucrarea minereurilor. Procesul are loc în mai multe etape:

Pentru câmpurile sărace: În industria modernă, din cauza lipsei de minereuri bogate de uraniu (excepție fac zăcămintele canadiene de neconformitate, unde concentrația de uraniu ajunge la 30% și zăcămintele australiene cu un conținut de uraniu de până la 3%), metoda de levigare subterană a se folosesc minereuri. Acest lucru elimină extracția de minereu costisitoare. Pregătirea preliminară intră direct în subteran. Prin conducte de injectieîn subteran deasupra zăcământului este pompat, uneori cu adăugarea de săruri ferice (pentru a oxida uraniul U(IV) la U(VI)), deși minereurile conțin adesea fier și piroluzit, care facilitează oxidarea. Prin conducte de pompare Folosind pompe speciale, o soluție de acid sulfuric cu uraniu iese la suprafață. Apoi, se trece direct la sorbție, extracție hidrometalurgică și concentrare simultană a uraniului.
Pentru zăcămintele de minereu: folosiți și .
Prelucrarea hidrometalurgică este zdrobirea, levigarea sau extracția uraniului pentru a produce oxid de uraniu purificat U 3 O 8 sau diuranat de sodiu Na 2 U 2 O 7 sau diuranat de amoniu.
Conversia uraniului din oxid în tetrafluorură, sau direct din oxizi pentru a produce hexafluorură, care este folosită pentru a îmbogăți uraniul în izotopul 235.
Îmbogățirea prin metode de difuzie termică a gazelor sau centrifugare (vezi)
UF 6 îmbogățit la 235

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 în sus, la suprafață și de pe acesta metode chimice se eliberează uraniu.

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 stabil și muncă îndelungată reactor modern al centralei 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 ieșirea din fiecare centrifugă, datorită diferenței de greutate a nucleelor U235 și U238, obținem hexafluorură de uraniu cu un conținut ușor 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 nu este într-adevăr ușoară, dacă este încălcată, tabletele de combustibil nu vor fi utilizabile). Voi arăta variantele tabletelor în fotografia de mai jos.

Găurile și crestăturile 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, iar dacă nu se prevede 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 bare de combustibil modele diferiteși îmbogățire. 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 puteți vedea, ansamblul combustibil al reactorului VVER constă dintr-un număr mult mai mare de bare de combustibil decât cel al 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. Asta este, 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.

În 2011, uzina de concentrate chimice din Novosibirsk a produs și vândut 70% din consumul mondial de izotop litiu-7 (1300 kg), stabilind un nou record în istoria fabricii. Cu toate acestea, principalul produs produs de NCCP este combustibilul nuclear.

Această frază are un efect impresionant și înfricoșător asupra conștiinței locuitorilor din Novosibirsk, forțându-i să-și imagineze orice despre întreprindere: de la muncitori cu trei picioare și un separat oraș subteranși terminând cu vânt radioactiv.

Deci, ce se ascunde de fapt în spatele gardurilor celei mai misterioase fabrici din Novosibirsk, care produce combustibil nuclear în oraș?

OJSC „Uzina de concentrate chimice Novosibirsk” este unul dintre cei mai importanți producători mondiali de combustibil nuclear pentru centrale nucleare și reactoare de cercetare din Rusia și ţări străine. Singurul producator rus litiu metalic și sărurile sale. Face parte din TVEL Fuel Company a Rosatom State Corporation.

Am venit la atelierul unde se fac ansambluri de combustibil - ansambluri de combustibil, care sunt încărcate în reactoare nucleare. Acesta este combustibilul nuclear pentru centralele nucleare. Pentru a intra în producție, trebuie să puneți un halat, o șapcă, huse de pantofi din material textil și o „Petală” pe față.

Toate lucrările legate de materialele care conțin uraniu sunt concentrate în atelier. Acest complex tehnologic este unul dintre principalele pentru NCCP (ansamblurile de combustibil pentru centralele nucleare ocupă aproximativ 50% din structură produsele vândute OJSC „NZHK”).

Sala de control, de unde se controlează procesul de producere a pulberii de dioxid de uraniu, din care se produc apoi pelete de combustibil.

Lucrătorii efectuează întreținerea de rutină: la anumite intervale, chiar și cele mai noi echipamente sunt oprite și verificate. Există întotdeauna mult aer în atelier în sine - ventilația de evacuare funcționează în mod constant.

Pulberea de dioxid de uraniu este depozitată în astfel de biconuri. Acestea amestecă pulberea și plastifiantul, ceea ce permite comprimarea mai bună a tabletei.

O instalație care comprimă peleți de combustibil. Așa cum copiii fac prăjituri de Paște din nisip prin apăsarea pe o matriță, la fel și aici: o tabletă de uraniu este presată sub presiune.

O barcă de molibden cu tablete care așteaptă să fie trimise la cuptor pentru recoacere. Înainte de recoacere, tabletele au o nuanță verzuie și o dimensiune diferită.

Contact de pulbere, tablete și mediu redus la minimum: toate lucrările se desfășoară în cutii. Pentru a corecta ceva în interior, în cutii sunt încorporate mănuși speciale.

Torțele de deasupra ard hidrogen. Tabletele sunt recoapte în cuptoare la o temperatură de cel puțin 1750 de grade într-un mediu reducător de hidrogen pentru mai mult de 20 de ore.

Dulapurile negre sunt cuptoare cu hidrogen la temperatură înaltă în care barca cu molibden trece prin diferite zone de temperatură. Amortizorul se deschide, iar o barcă din molibden intră în cuptor, de unde izbucnesc flăcările.

Tabletele finite sunt lustruite deoarece trebuie să aibă o dimensiune strict definită. Iar la ieșire, inspectorii verifică fiecare tabletă pentru a se asigura că nu există așchii, fisuri sau defecte.

O tabletă care cântărește 4,5 g este echivalentă ca eliberare de energie cu 640 kg lemn de foc, 400 kg cărbune, 360 cmc m gaz, 350 kg ulei.

Tablete de dioxid de uraniu după recoacere într-un cuptor cu hidrogen.

Aici, tuburile de zirconiu sunt umplute cu pelete de dioxid de uraniu. La ieșire avem tije de combustibil terminate (aproximativ 4 m lungime) - elemente de combustibil. Tijele de combustibil sunt deja folosite pentru asamblarea ansamblurilor de combustibil, cu alte cuvinte, combustibil nuclear.

Nu veți mai găsi astfel de fântâni de sifon pe străzile orașului, poate doar la NCCP. Deși în vremurile sovietice erau foarte comune.

În această mașină, paharul poate fi spălat și apoi umplut cu apă gazoasă, plată sau rece.

Potrivit departamentului resurse naturaleși protecția mediului, exprimată în 2010, NCCP nu are un impact semnificativ asupra poluării mediului.

O pereche de astfel de găini de rasă pură trăiește în mod constant și depune ouă într-o incintă din lemn de înaltă calitate, care se află pe teritoriul atelierului.

Muncitorii sudează cadrul pentru ansamblul combustibil. Ramele sunt diferite, în funcție de modificarea ansamblului de combustibil.

Fabrica are 2.277 de angajați, varsta mijlocie personal - 44,3 ani, 58% sunt bărbați. Medie salariile depășește 38.000 de ruble.

Tuburile mari sunt canale pentru sistemul de control al protecției reactorului. În acest cadru vor fi apoi instalate 312 tije de combustibil.

Lângă NCCP există CHPP-4. Referitor la ecologiști, reprezentanții centralei au raportat: pe an, o centrală termică emite de 7,5 ori mai multe substanțe radioactive decât NCCP.

Montator-asamblator Viktor Pustozerov, un veteran al uzinei și energie nucleară, are 2 Ordine de Gloria Muncii

Cap și tijă pentru ansambluri de combustibil. Sunt instalate la sfârșit, când toate cele 312 tije de combustibil sunt deja în cadru.

Control final: ansamblurile combustibile finite sunt verificate cu sonde speciale, astfel încât distanța dintre barele de combustibil să fie aceeași. Controlorii sunt de cele mai multe ori femei;

În astfel de containere, ansamblurile de combustibil sunt trimise consumatorului - câte 2 casete în fiecare. Înăuntru au propriul lor pat confortabil din pâslă.

Combustibilul pentru centralele nucleare produs la JSC NCCP este utilizat la centralele nucleare rusești și este, de asemenea, furnizat în Ucraina, Bulgaria, China, India și Iran. Costul ansamblurilor de combustibil este un secret comercial.

Munca la NCCP nu este deloc mai periculos decât munca pe oricare întreprindere industrială. Starea de sănătate a lucrătorilor este monitorizată permanent. Pentru ultimii ani Nu a fost identificat niciun caz de boli profesionale în rândul lucrătorilor.