Palivové obkladové materiály. Palivová tyč - fyzikální encyklopedie Zahájení provozu reaktoru

Není to tak dávno, co jsem vám na svém blogu řekl, jak a kde se vyrábí nejdražší kov na světě - California-252. Výroba této superdrahé látky ale není jedinou činností Vědeckého výzkumného ústavu atomových reaktorů (NIIAR) v Dimitrovgradu. Od 70. let má výzkumné centrum oddělení palivových technologií, kde vyvíjejí ekologicky šetrné metody výroby granulovaného oxidu uranu a zpracování již ozářeného jaderného paliva (včetně zbrojního plutonia).

Kromě toho se tam vyrábějí i palivové soubory (FA) - zařízení určená k výrobě tepelné energie v reaktoru prostřednictvím řízené jaderné reakce. V podstatě se jedná o baterie pro reaktor. O tom, jak a z čeho se vyrábějí, chci v tomto článku mluvit. Nahlédneme do samotného nitra „horké“ komory s vysokou úrovní radiace, uvidíme, jak vypadá oxid uranu v jaderném palivu, a zjistíme, kolik může stát okno s dvojitým zasklením v neobvyklém okně.

Nebudu zabíhat do detailů konstrukce a principu fungování jaderného reaktoru, ale pro snazší pochopení si představte domácí ohřívač vody, do kterého teče studená voda a vytéká horká voda a je ohříván elektrickou spirálou ( DESET). V jaderném reaktoru není elektrická spirála, ale jsou zde palivové soubory - dlouhé šestiúhelníky, sestávající z mnoha tenkých kovových trubek - palivových článků (palivových článků), které obsahují tablety stlačeného oxidu uranu.

(zdroj fotografií - sdelanounas.ru)

Díky neustálému štěpení jader uranu se uvolňuje velké množství tepla, které ohřívá vodu nebo jiné chladivo na vysokou teplotu. A pak podle schématu:

(zdroj - lab-37.com)

Palivový soubor je typicky šestiúhelníkový svazek palivových článků o délce 2,5-3,5 m, což přibližně odpovídá výšce aktivní zóny reaktoru. FA jsou vyrobeny z nerezové oceli nebo slitiny zirkonia (pro snížení absorpce neutronů). Palivové články (tenké trubky) jsou sestaveny do palivových souborů pro zjednodušení evidence a pohybu jaderného paliva v reaktoru. Jeden palivový soubor obvykle obsahuje 18-350 palivových článků. Aktivní zóna reaktoru obvykle obsahuje 200-1600 palivových souborů (v závislosti na typu reaktoru).

Takto vypadá víko reaktoru (kotle), pod kterým jsou ve svislé poloze umístěny palivové soubory. Jeden čtverec – jedna sestava. Jedna sestava - přibližně 36 trubek (pro reaktor RBMK, který je na fotografii níže; pro ostatní reaktory je trubek více, ale sestav méně).

(zdroj fotografie - visualrian.ru)

A takto je uspořádána trubka palivové tyče, která tvoří palivové soubory:

Struktura palivového článku reaktoru RBMK: 1 - zátka; 2 — tablety oxidu uraničitého; 3 - zirkonový plášť; 4 - pružina; 5 - průchodka; 6 - špička.

Palivové články (trubky) a těleso palivového článku:

A vše by bylo v pořádku, kdyby se magické tablety oxidu uranu při jaderné reakci nerozkládaly na další prvky. Když k tomu dojde, reaktivita reaktoru slábne a řetězová reakce se samovolně zastaví. Lze jej obnovit až po výměně uranu v aktivní zóně (palivové prvky). Vše, co se nahromadilo v trubkách, musí být vyloženo z reaktoru a pohřbeno. Nebo recyklovat pro opětovné použití, což je atraktivnější, protože v jaderném průmyslu každý usiluje o výrobu a regeneraci bez odpadu
vysílačky. Proč utrácet peníze za skladování jaderného odpadu, když je můžete naopak přimět, aby ty peníze vydělali?

Právě v tomto oddělení RIARu se pracuje na technologiích pro regeneraci vyhořelého jaderného paliva, separaci radioaktivního hnoje na užitečné prvky a na to, co se nikdy a nikde nebude hodit.

K tomuto účelu se nejčastěji používají chemické separační metody. Nejjednodušší možností je přepracování roztoku, ale tato metoda produkuje největší množství kapalného radioaktivního odpadu, takže tato technologie byla populární pouze na samém počátku jaderné éry. V současné době RIAR zdokonaluje tzv. „suché“ metody, které produkují mnohem méně pevného odpadu, který se mnohem snadněji likviduje a přeměňuje jej na sklovitou hmotu.

Všechna moderní technologická schémata přepracování vyhořelého jaderného paliva jsou založena na extrakčních procesech nazývaných proces Purex (z anglického Pu U Recovery EXtraction), který spočívá v reduktivní reextrakci plutonia ze směsi uranu s jeho štěpnými produkty. Plutonium izolované při přepracování lze použít jako palivo ve směsi s oxidem uranu. Toto palivo se nazývá MOX (Mixed-Oxide fuel, MOX). Získává se také v RIAR na katedře technologií paliv. To je slibné palivo.

Veškeré výzkumné a výrobní procesy provádějí operátoři na dálku, v uzavřených komorách a ochranných boxech.

Vypadá to nějak takto:

Pomocí těchto elektromechanických manipulátorů operátoři ovládají speciální zařízení v „horkých“ článcích. Obsluhu před vysokou radioaktivitou chrání pouze metr silné olověné sklo, skládající se z 9-10 samostatných desek o tloušťce 10 cm.

Náklady na pouhou jednu sklenici jsou srovnatelné s náklady na byt v Uljanovsku a celá komora se odhaduje na téměř 100 milionů rublů. Sklo vlivem záření postupně ztrácí svou průhlednost a je třeba jej vyměnit. Vidíte na fotografii „ruku“ manipulátora?

Abyste se naučili mistrně ovládat manipulátora, potřebujete roky výcviku a zkušeností. Ale s jejich pomocí je někdy nutné provést operace, jako je odšroubování a utažení malých matic uvnitř komory.

Na stole v hale „horkých“ článků můžete vidět vzorky jaderného paliva ve skleněných kapslích. Mnoho laboratorních hostů neustále úkosem kouká na tento kufr a bojí se přijít blíž. Ale to je jen figurína, i když velmi realistická. Přesně tak vypadá oxid uraničitý, ze kterého se vyrábějí kouzelné palivové pelety pro palivové tyče – lesklý černý prášek.

Oxid uraničitý nemá žádné fázové přechody a je méně náchylný k těm nežádoucím fyzikálním procesům, ke kterým dochází u kovového uranu při vysokých teplotách jádra. Oxid uraničitý neinteraguje se zirkoniem, niobem, nerezovou ocelí a jinými materiály, ze kterých jsou vyrobeny palivové soubory a trubky palivových tyčí. Tyto vlastnosti umožňují jeho použití v jaderných reaktorech, dosahování vysokých teplot a následně vysoké účinnosti reaktoru.

Ovládací panel manipulátoru je mírně odlišná modifikace. V této cele není žádné sklo, takže dohled je prováděn pomocí kamer instalovaných uvnitř.

co to je?! Muž v horké cele?! Ale...

Nevadí, je to „čistý“ fotoaparát. Při údržbě v něm úroveň radiace nepřekračuje přípustné hodnoty, takže v něm můžete pracovat i bez speciálního vybavení radiové ochrany. Zřejmě právě v této komoře se provádí konečná montáž palivových souborů z palivových proutků již naplněných uranovými peletami.

Vzhledem k této nepříliš pohodlné blízkosti otevřeného jaderného paliva úroveň radiace v laboratoři nepřekračuje přirozené hodnoty. Toho všeho je dosaženo díky přísným technikám radiační bezpečnosti. Lidé pracují jako operátoři desítky let bez újmy na zdraví.

Přestože jaderná energetika dnes není zcela bezpečná, po celém světě se staví více reaktorů a elektráren, než se zavírá. Takže ve Spojených státech amerických počet fungujících reaktorů právě překročil stovku, ve Francii (druhý největší počet mírových atomů na planetě) - asi 60 a poskytují asi 80 % elektřiny vyrobené v zemi.

Palivem pro jaderný reaktor jsou palivové tyče. Jedná se o prvek, ve kterém přímo probíhá řízená řetězová reakce. Jak funguje „palivové dřevo“ jaderného kotle, jak se vyrábí a co se děje s palivem v srdci elektrárny?

Co je to jaderná řetězová reakce

Je známo, že jádra atomů se skládají z protonů a neutronů. Například jádro atomu uranu obsahuje 92 protonů a 143 nebo 146 neutronů. Odpudivá síla mezi kladně nabitými protony v jádře uranu je prostě obrovská, asi 100 kgf v jednom jediném (!) atomu. Vnitrojaderné síly však brání rozlétnutí jádra. Když volný neutron narazí na jádro uranu (k jádru se může přiblížit pouze neutrální částice), toto jádro se deformuje a rozptýlí se na dvě poloviny plus dva nebo tři volné neutrony.

Tyto velmi volné neutrony napadají jádra jiných atomů atd. Počet srážek se tedy exponenciálně zvyšuje a ve zlomku vteřiny se celá hmota radioaktivního kovu rozpadne. Tento rozpad je doprovázen rozptylem úlomků rychlostí blízkou rychlosti do všech směrů, jejich srážky s molekulami okolního prostředí způsobují zahřátí až na několik milionů stupňů. Toto je obrázek obyčejného jaderného výbuchu. TVEL směřuje tento fenomén mírovým směrem. Jak se to stane?

Řízená jaderná reakce

Aby se jaderná reakce dokázala udržet a stala se řetězovou reakcí, je zapotřebí dostatečné množství radioaktivního paliva (tzv. „kritické množství“). U jaderných zbraní je tento problém vyřešen jednoduše: dva ingoty zbrojního kovu (uran 235, plutonium 239 atd.) s hmotností každého o něco menší než kritická jsou spojeny do jednoho celku pomocí exploze obyčejného TNT.

Tato metoda není vhodná pro mírové využití atomu. Na obrázku je schematicky znázorněna konstrukce jednoduchého jaderného reaktoru. Každý palivový prvek (palivový prvek - uranové palivo) má menší než kritickou hmotnost, ale jejich celková hmotnost tuto značku překračuje. Palivové tyče, které jsou ve vzájemné těsné blízkosti, si „vyměňují“ volné neutrony. Díky tomuto vzájemnému ostřelování neutrony se v reaktoru udržuje jaderná řetězová reakce. Grafitové tyčinky hrají roli jakési „brzdy“ jaderného procesu. Grafit je dobrý pohlcovač neutronů, reakce je tlumena, když jsou tyče z tohoto materiálu umístěny mezi palivové tyče. Tím se výměna volných neutronů úplně zastaví.

Reakce je tedy pod neustálou automatickou kontrolou. Rozpad je doprovázen pohybem úlomků jader uranu v chladicím médiu, které jej zahřejí na požadovanou teplotu.

Jak se vyrábí elektřina?

Další konstrukce jaderné elektrárny se příliš neliší od konvenční tepelné elektrárny na plyn, topný olej nebo uhlí. Rozdíl je v tom, že v tepelné elektrárně se teplo získává spalováním fosilních uhlovodíků, zatímco v jaderné elektrárně je chladivo ohříváno palivovými tyčemi jaderných reaktorů.

Chladivo přivedené na teplotu 500-800 °C (může to být přehřátá voda, roztavené soli a dokonce i tekuté kovy) ohřívá vodu ve speciálním výměníku tepla a mění ji na suchou páru. Pára otáčí turbínou namontovanou na stejné hřídeli jako generátor, která generuje elektrický proud.

Co jsou?

První jaderné reaktory byly homogenní zařízení. Byly to kotle obsahující jaderné palivo (obvykle kapalné, méně často plynné). Jedná se o taveninu solí uranu nebo slabě obohaceného uranu, někdy suspenzi uranového prachu apod. Proces byl regulován zavedením moderátoru do jádra v podobě desek nebo tyčí z materiálu, který dobře zpomaluje volné neutrony. Teplo se do vody předávalo přes tepelné výměníky umístěné přímo v aktivní zóně jako rošty v uhelném topeništi.

Náš výkres ukazuje heterogenní jaderný reaktor, kterých je nyní na světě naprostá většina. Takové „jaderné kotle“ se snadněji udržují, mění se v nich palivo, opravují je, jsou bezpečnější a spolehlivější než staré homogenní.

Dalším bonusem použití uranových palivových tyčí je, že se v nich v důsledku neutronového ozařování jader uranu vytváří prvek, jako je plutonium 239, které se pak používá jako palivo pro malé jaderné reaktory a také jako zbraň. kov.

Odkud pochází palivo pro jaderné elektrárny?

Uran se těží v mnoha zemích světa povrchovou (lomovou) nebo těžební metodou. Zpočátku ruda neobsahuje ani samotný uran, ale jeho oxid. Separace kovu od oxidu je složitý řetězec chemických přeměn. Ne každá země na světě si může dovolit získat podniky na výrobu jaderného paliva.

Dalším úkolem je obohacování těženého uranu. Méně než 1 % uranu 235 se nachází v přírodním materiálu, zbytek je izotop 238. Oddělit tyto dva prvky je extrémně obtížné. Centrifugy pro obohacování uranu jsou velmi složitá zařízení.

Aby se uran stal vysoce obohaceným (obsah izotopu 235 se zvýšil na 20 %), bude muset po přeměně na plyn projít až tisíci zpracovatelskými kroky.

Jak funguje TVEL?

Obohacený uran se dostává do rukou inženýrů, ale ten se stále používá pro jaderné palivo. Výroba tohoto paliva je obdobou práškové metalurgie. Práškový kov (nebo jeho chemické sloučeniny) se lisuje do malých tablet o průměru asi centimetr.

Produkty vyrobené z kovového uranu jsou vhodnější, aby vydržely pekelné podmínky uvnitř reaktoru, ale výroba čistého prvku je velmi drahá. Oxid uraničitý je mnohem levnější, ale aby se nedrolil pod obrovským tlakem a žárem, musí se péct pod obrovským tlakem při teplotě více než 1000 °C.

TVEL je soubor takových podložek o délce cca 2-4 metry, uložených v trubce z oceli nebo slitin železa a molybdenu. Samotné palivové tyče jsou sestaveny do svazku několika desítek nebo dokonce stovek. Tato sada se nazývá palivová sestava (FA).

FA jsou instalovány přímo v srdci jaderného reaktoru. V jednom reaktoru může jejich počet dosáhnout několika stovek. Jak se uran rozpadá, palivové tyče ztrácejí schopnost produkovat teplo, pak jsou nahrazeny. Ale jeden kilogram technického uranu, obohaceného na obsah 235 izotopů 4 %, stihne za svůj život v jaderném reaktoru vyrobit stejné množství energie, jaké by se získalo spálením 300 standardních dvousetlitrových barelů topného oleje.

Není to tak dávno, co jsem na svém blogu mluvil o tom, jak a kde se vyrábí nejdražší kov na světě - California-252. Výroba této superdrahé látky ale není jedinou činností Vědeckého výzkumného ústavu atomových reaktorů (NIIAR) v Dimitrovgradu. Od 70. let má výzkumné centrum oddělení palivových technologií, kde vyvíjejí ekologicky šetrné metody výroby granulovaného oxidu uranu a zpracování již ozářeného jaderného paliva (včetně zbrojního plutonia).

(zdroj fotografií - sdelanounas.ru)

Díky neustálému štěpení jader uranu se uvolňuje velké množství tepla, které ohřívá vodu nebo jiné chladivo na vysokou teplotu. A pak podle schématu:

(zdroj - lab-37.com)

Palivový soubor je typicky šestiúhelníkový svazek palivových článků o délce 2,5–3,5 m, což přibližně odpovídá výšce aktivní zóny reaktoru. FA jsou vyrobeny z nerezové oceli nebo slitiny zirkonia (pro snížení absorpce neutronů). Palivové články (tenké trubky) jsou sestaveny do palivových souborů pro zjednodušení evidence a pohybu jaderného paliva v reaktoru. Jeden palivový soubor obvykle obsahuje 18–350 palivových článků. Aktivní zóna reaktoru obvykle obsahuje 200–1600 palivových souborů (v závislosti na typu reaktoru).

Takto vypadá víko reaktoru (kotle), pod kterým jsou ve svislé poloze umístěny palivové soubory. Jeden čtverec – jedna sestava. Jedna sestava je přibližně 36 trubek (u reaktoru RBMK, který je na fotografii níže; u ostatních reaktorů je trubek více, ale sestav méně).

(zdroj fotografie - visualrian.ru)

A takto je uspořádána trubka palivové tyče, která tvoří palivové soubory:

Konstrukce palivového článku reaktoru RBMK: 1 - zátka; 2 - tablety oxidu uraničitého; 3 - zirkonový plášť; 4 - pružina; 5 - průchodka; 6 - špička.

Palivové články (trubky) a těleso palivového článku:

Veškeré výzkumné a výrobní procesy provádějí operátoři na dálku, v uzavřených komorách a ochranných boxech.

Vypadá to nějak takto:

Ovládací panel manipulátoru je mírně odlišná modifikace. V této cele není žádné sklo, takže dohled je prováděn pomocí kamer instalovaných uvnitř.

co to je?! Muž v horké cele?! Ale…

Článek hovoří o tom, co jsou palivové proutky, k čemu jsou potřeba, kde se používají, jak vznikají a zda existují reaktory, které palivové proutky nepoužívají.

Atomový věk

Asi nejmladším odvětvím energetiky je jaderná energetika. Teprve na konci 19. století byli vědci schopni částečně pochopit, co je radioaktivita a jaké látky mají tyto vlastnosti. A tyto znalosti stály mnoho lidí život, protože ničivé účinky záření na živé organismy zůstávaly dlouho neznámé.

Mnohem později našly radioaktivní materiály uplatnění v civilním i vojenském životě. V současnosti mají všechny vyspělé země vlastní jaderné zbraně a jaderné elektrárny, které umožňují získávat velké množství energie bez ohledu na fosilní paliva nebo přírodní zdroje jako je voda (mluvíme o vodních elektrárnách).

TVEL je...

Ale abyste mohli stavět pro výrobu elektřiny nebo pro jiné účely, musíte nejprve vyrobit příslušné palivo, protože přírodní uran má sice radioaktivitu, ale jeho energie nestačí. Proto se ve většině typů reaktorů používá palivo, které se zase nakládá do speciálních zařízení zvaných palivové tyče. Palivový článek je speciální zařízení, které je součástí jaderného reaktoru a obsahuje jejich konstrukci a typ paliva, které si blíže rozebereme.

Design

V závislosti na typu reaktoru se mohou některé parametry palivových článků lišit, ale jejich obecná konstrukce a princip konstrukce jsou stejné. Zjednodušeně řečeno, palivová tyč je dutá trubka z některých jiných kovů, do které jsou instalovány palivové pelety oxidu uraničitého.

Palivo

Uran je nejrozšířenějším radioaktivním materiálem, vyrábí se z něj řada dalších izotopů používaných jak v průmyslu, tak ve zbraních. Jeho těžba se příliš neliší od těžby uhlí a v přirozeném stavu je pro lidi naprosto bezpečná. Takže příběhy o tom, kam jsou vězni deportováni, nejsou nic jiného než mýtus. Člověk s větší pravděpodobností zemře na nedostatek slunečního světla a těžkou práci v dole než na nemoc z ozáření.

Uran se těží velmi jednoduše – hornina se rozbíjí výbuchy, poté se dostává na povrch, kde prochází tříděním a dalším zpracováním. Proces obohacování uranu lze provádět různými způsoby, ale v Rusku se to provádí pomocí plynových odstředivek. Nejprve se uran převede do plynného skupenství, načež se plyn pod vlivem odstředivé síly oddělí v odstředivkách a oddělí se potřebné izotopy. Poté jsou přeměněny na oxid uraničitý, lisovány do tablet a plněny do palivových tyčí. Toto je nejběžnější způsob výroby paliva pro palivové články.

aplikace

Počet palivových tyčí v reaktoru závisí na jeho velikosti, typu a výkonu. Po vyrobení jsou naloženy do reaktoru, kde začne docházet k reakci jaderného rozpadu, v důsledku čehož dochází k mohutnému uvolňování obrovského množství tepla, které slouží jako zdroj energie. Výkon reaktoru lze také řídit počtem palivových článků v pracovní oblasti. Čas od času, jak se používají, jsou nahrazeny novými, s „čerstvými“ tabletami oxidu uraničitého. Nyní tedy víme, co palivové tyče znamenají, jak se vyrábějí a k čemu jsou potřeba. Ne všechny jaderné reaktory však takové prvky vyžadují, a to jsou RTG.

RTG

Radioizotop je zařízení, které je principiálně podobné jaderným reaktorům, ale jejich proces není založen na řetězové reakci rozpadu atomů, ale na tepelné. Jednoduše řečeno, je to velká instalace, která produkuje velké množství tepla s radioaktivním materiálem, který se zase přeměňuje přímo na elektřinu. Na rozdíl od jaderných reaktorů nemají RTG žádné pohyblivé části a jsou spolehlivější, kompaktnější a odolnější. Ale zároveň mají mnohem nižší účinnost.

Používaly se především v těch podmínkách, kde není možné získat energii jinými způsoby, nebo jsou tyto metody velmi obtížné. Během let SSSR byly RTG dodávány výzkumným a meteorologickým stanicím Dálného severu, pobřežním majákům, mořským bójím atd.

V současné době jejich životnost vypršela, ale některé z nich stále zůstávají na svých původních místech a často nejsou ani nijak chráněny. V důsledku toho dochází k nehodám, například lovci neželezných kovů se pokusili několik těchto zařízení rozebrat a dostali silné záření, v Gruzii je místní obyvatelé používali jako zdroje tepla a také trpěli nemocí z ozáření.

Nyní tedy známe strukturu palivových článků a analyzovali jsme jejich definici. Palivové tyče jsou důležitou součástí reaktoru, bez kterých není provoz možný.