Materiale de acoperire cu combustibil. Tijă de combustibil - enciclopedie fizică Începerea funcționării reactorului

Nu cu mult timp în urmă, pe blogul meu, v-am spus deja cum și unde se produce cel mai scump metal din lume - California-252. Dar producerea acestei substanțe super-costisitoare nu este singura activitate a Institutului de Cercetare Științifică a Reactorilor Atomici (NIIAR) din Dimitrovgrad. Începând cu anii '70, centrul de cercetare are un Departament de Tehnologii Combustibili, unde dezvoltă metode ecologice pentru producerea oxidului de uraniu granular și procesarea combustibilului nuclear deja iradiat (inclusiv plutoniu pentru arme).

În plus, acolo sunt fabricate și ansambluri de combustibil (FA) - dispozitive concepute pentru a genera energie termică într-un reactor printr-o reacție nucleară controlată. În esență, acestea sunt baterii pentru un reactor. Vreau să vorbesc despre cum și din ce sunt făcute în acest articol. Vom privi în interiorul unei camere „fierbinte” cu un nivel ridicat de radiație, vom vedea cum arată oxidul de uraniu combustibil nuclear și vom afla cât poate costa o fereastră cu geam dublu într-o fereastră neobișnuită.

Nu voi intra în detalii despre structura și principiul de funcționare al unui reactor nuclear, dar pentru a fi mai ușor de înțeles, imaginați-vă un încălzitor de apă de uz casnic în care curge apă rece și apa caldă curge și este încălzit de o bobină electrică ( ZECE). Într-un reactor nuclear nu există spirală electrică, dar există ansambluri de combustibil - hexagoane lungi, formate din multe tuburi subțiri de metal - elemente de combustibil (elemente de combustibil), care conțin tablete de oxid de uraniu comprimat.

(sursa foto - sdelanounas.ru)

Datorită fisiunii constante a nucleelor de uraniu, se eliberează o cantitate mare de căldură, care încălzește apa sau alt lichid de răcire la o temperatură ridicată. Și apoi conform schemei:

(sursa - lab-37.com)

De obicei, un ansamblu de combustibil este un mănunchi hexagonal de elemente de combustibil cu lungimea de 2,5-3,5 m, care corespunde aproximativ cu înălțimea miezului reactorului. FA sunt fabricate din oțel inoxidabil sau aliaj de zirconiu (pentru a reduce absorbția neutronilor). Elementele de combustibil (tuburi subțiri) sunt asamblate în ansambluri de combustibil pentru a simplifica contabilizarea și deplasarea combustibilului nuclear în reactor. Un ansamblu de combustibil conține de obicei 18-350 de elemente de combustibil. Miezul reactorului conține de obicei 200-1600 de ansambluri de combustibil (în funcție de tipul de reactor).

Așa arată capacul reactorului (cazanului), sub care ansamblurile de combustibil sunt situate în poziție verticală. Un pătrat - un ansamblu. Un ansamblu - aproximativ 36 de tuburi (pentru reactorul RBMK, care este prezentat în fotografia de mai jos; pentru alte reactoare există mai multe tuburi, dar mai puține ansambluri).

(sursa foto - visualrian.ru)

Și așa este aranjat tubul tijei de combustibil care alcătuiește ansamblurile de combustibil:

Structura elementului combustibil al reactorului RBMK: 1 - dop; 2 — tablete de dioxid de uraniu; 3 - carcasa de zirconiu; 4 - primăvară; 5 - bucșă; 6 - pont.

Elemente de combustibil (tuburi) și corpul ansamblului de combustibil:

Și totul ar fi bine dacă tabletele magice de oxid de uraniu nu s-ar descompune în alte elemente în timpul unei reacții nucleare. Când se întâmplă acest lucru, reactivitatea reactorului slăbește și reacția în lanț se oprește spontan. Poate fi reluat numai după înlocuirea uraniului din miez (elementele de combustibil). Tot ceea ce s-a acumulat în tuburi trebuie să fie descărcat din reactor și îngropat. Sau reciclați pentru reutilizare, ceea ce este mai atractiv, deoarece în industria nucleară toată lumea se străduiește pentru producție și regenerare fără deșeuri
walkie-talkie. De ce să cheltuiți bani pentru depozitarea deșeurilor nucleare dacă puteți, dimpotrivă, să îi faceți să câștige acești bani?

În acest departament al RIAR se lucrează la tehnologii pentru regenerarea combustibilului nuclear uzat, separând gunoiul de grajd radioactiv în elemente utile și în ceea ce nu va fi niciodată util nicăieri.

În acest scop, cele mai des sunt utilizate metode de separare chimică. Cea mai simplă opțiune este reprocesarea soluției, dar această metodă produce cea mai mare cantitate de deșeuri radioactive lichide, așa că această tehnologie a fost populară abia la începutul erei nucleare. În prezent, RIAR îmbunătățește așa-numitele metode „uscate”, care produc mult mai puține deșeuri solide, care sunt mult mai ușor de eliminat, transformându-le într-o masă sticloasă.

Toate schemele tehnologice moderne de reprocesare a combustibilului nuclear uzat se bazează pe procese de extracție numite procesul Purex (din engleza Pu U Recovery EXtraction), care constă în reextracția reductivă a plutoniului dintr-un amestec de uraniu cu produsele sale de fisiune. Plutoniul izolat în timpul reprocesării poate fi folosit ca combustibil într-un amestec cu oxid de uraniu. Acest combustibil se numește MOX (Mixed-Oxide fuel, MOX). Se obține și la RIAR, în cadrul Departamentului de Tehnologii Combustibili. Acesta este un combustibil promițător.

Toate procesele de cercetare și producție sunt efectuate de către operatori de la distanță, în camere închise și cutii de protecție.

Arata cam asa:

Cu ajutorul unor astfel de manipulatoare electromecanice, operatorii controlează echipamente speciale în celule „fierbinți”. Operatorul este protejat de radioactivitate ridicată doar prin sticlă de plumb grosimea unui metru, constând din 9-10 plăci separate, de 10 cm grosime.

Costul unui singur pahar este comparabil cu costul unui apartament din Ulyanovsk, iar întreaga cameră este estimată la aproape 100 de milioane de ruble. Sub influența radiațiilor, sticla își pierde treptat transparența și trebuie înlocuită. Puteți vedea „mâna” manipulatorului în fotografie?

Pentru a învăța cum să controlezi cu măiestrie un manipulator, ai nevoie de ani de pregătire și experiență. Dar cu ajutorul lor, uneori este necesar să se efectueze operațiuni precum deșurubarea și strângerea piulițelor mici în interiorul camerei.

Pe masa din holul celulelor „fierbinte”, puteți vedea mostre de combustibil nuclear în capsule de sticlă. Mulți oaspeți din laborator aruncă în mod constant privirea laterală la această valiză și se tem să se apropie. Dar acesta este doar un manechin, deși unul foarte realist. Exact așa arată dioxidul de uraniu, din care se fac granule magice de combustibil pentru barele de combustibil - o pulbere neagră strălucitoare.

Dioxidul de uraniu nu are tranziții de fază și este mai puțin susceptibil la acele procese fizice nedorite care apar cu uraniul metal la temperaturi ridicate ale miezului. Dioxidul de uraniu nu interacționează cu zirconiul, niobiul, oțelul inoxidabil și alte materiale din care sunt fabricate ansamblurile de combustibil și tuburile barei de combustibil. Aceste proprietăți fac posibilă utilizarea în reactoare nucleare, obținându-se temperaturi ridicate și, prin urmare, eficiență ridicată a reactorului.

Panoul de control al manipulatorului este o modificare ușor diferită. Nu există sticlă în această celulă, așa că supravegherea se realizează cu ajutorul camerelor instalate în interior.

Ce este asta?! Un bărbat într-o celulă fierbinte?! Dar...

E în regulă, este o cameră „curată”. În timpul întreținerii, nivelul de radiații din acesta nu depășește valorile admise, astfel încât puteți lucra în el chiar și fără echipament special de protecție radio. Aparent, în această cameră se realizează asamblarea finală a ansamblurilor de combustibil din bare de combustibil deja încărcate cu pelete de uraniu.

Având în vedere această apropiere nu foarte confortabilă de combustibilul nuclear deschis, nivelul de radiație în laborator nu depășește valorile naturale. Toate acestea se realizează prin tehnici stricte de siguranță a radiațiilor. Oamenii lucrează ca operatori de zeci de ani fără să le afecteze sănătatea.

Deși energia nucleară nu este complet sigură astăzi, mai multe reactoare și centrale electrice din întreaga lume sunt construite decât închise. Așadar, în Statele Unite ale Americii numărul de reactoare în funcțiune tocmai a depășit o sută, în Franța (al doilea cel mai mare număr de atomi pașnici de pe planetă) - aproximativ 60, iar acestea furnizează aproximativ 80% din energia electrică generată în țară.

Combustibilul pentru un reactor nuclear sunt barele de combustibil. Acesta este un element în care are loc direct o reacție în lanț controlată. Cum funcționează „lemnul de foc” al unui cazan nuclear, cum sunt făcute și ce se întâmplă cu combustibilul din inima centralei electrice?

Ce este o reacție nucleară în lanț

Se știe că nucleele atomilor constau din protoni și neutroni. De exemplu, nucleul unui atom de uraniu conține 92 de protoni și 143 sau 146 de neutroni. Forța de respingere dintre protonii încărcați pozitiv din nucleul de uraniu este pur și simplu enormă, aproximativ 100 kgf într-un singur atom (!). Cu toate acestea, forțele intranucleare împiedică nucleul să zboare separat. Când un neutron liber lovește un nucleu de uraniu (numai o particulă neutră se poate apropia de nucleu), acesta din urmă este deformat și se împrăștie în două jumătăți plus doi sau trei neutroni liberi.

Acești neutroni foarte liberi atacă nucleele altor atomi etc. Astfel, numărul de ciocniri crește exponențial și într-o fracțiune de secundă întreaga masă a metalului radioactiv se dezintegrează. Această dezintegrare este însoțită de împrăștierea fragmentelor la viteze apropiate de lumina în toate direcțiile; coliziunile lor cu moleculele din mediu provoacă încălzire de până la câteva milioane de grade. Aceasta este o imagine a unei explozii nucleare obișnuite. TVEL orientează acest fenomen într-o direcție pașnică. Cum se întâmplă asta?

Reacție nucleară controlată

Pentru ca o reacție nucleară să se poată susține și să devină o reacție în lanț, este necesară o cantitate suficientă de combustibil radioactiv (așa-numita „masă critică”). În armele nucleare, această problemă este rezolvată simplu: două lingouri de metal de calitate pentru arme (uraniu 235, plutoniu 239 etc.) cu o masă a fiecăruia puțin mai mică decât critică sunt combinate într-un singur întreg folosind explozia de TNT obișnuit.

Această metodă nu este potrivită pentru utilizarea pașnică a atomului. Figura prezintă schematic structura unui reactor nuclear simplu. Fiecare element de combustibil (element de combustibil - combustibil de uraniu) este mai puțin decât critic în masă, dar greutatea lor totală depășește acest marcaj. Fiind în apropiere una de cealaltă, barele de combustibil „schimbă” neutroni liberi. Datorită acestui bombardament reciproc cu neutroni, în reactor se menține o reacție nucleară în lanț. Tijele de grafit joacă rolul unui fel de „frâne” ale procesului nuclear. Grafitul este un bun absorbant de neutroni; reacția este amortizată atunci când barele din acest material sunt plasate între barele de combustibil. Acest lucru oprește complet schimbul de neutroni liberi.

Astfel, reacția este sub control automat constant. Dezintegrarea este însoțită de mișcarea fragmentelor de nuclee de uraniu în mediul de răcire, care îl încălzesc la temperatura necesară.

Cum se generează electricitatea?

Proiectarea ulterioară a unei centrale nucleare nu este mult diferită de una termică convențională care funcționează pe gaz, păcură sau cărbune. Diferența este că într-o centrală termică căldura se obține prin arderea hidrocarburilor fosile, în timp ce într-o centrală nucleară lichidul de răcire este încălzit de barele de combustibil ale reactoarelor nucleare.

Lichidul de răcire adus la o temperatură de 500-800 °C (poate fi apă supraîncălzită, săruri topite și chiar metale lichide) încălzește apa într-un schimbător de căldură special, transformând-o în abur uscat. Aburul rotește o turbină montată pe același arbore cu un generator, care generează curent electric.

Ce sunt ei?

Primele reactoare nucleare au fost dispozitive omogene. Erau cazane care conţineau combustibil nuclear (de obicei lichid, mai rar gazos). Aceasta este o topire a sărurilor de uraniu sau a uraniului slab îmbogățit, uneori o suspensie de praf de uraniu etc. Procesul a fost reglementat prin introducerea unui moderator în miez sub formă de plăci sau tije dintr-un material care încetinește bine neutronii liberi. Căldura era transferată în apă prin schimbătoare de căldură situate direct în miez, ca grătarele într-un cuptor cu cărbune.

Desenul nostru arată un reactor nuclear eterogen, din care acum există o majoritate absolută în lume. Astfel de „cazane nucleare” sunt mai ușor de întreținut, schimbați combustibilul din ele, reparați-le, sunt mai sigure și mai fiabile decât vechile omogene.

Un alt avantaj al utilizării barelor de combustibil cu uraniu este generarea în ele, ca urmare a iradierii cu neutroni a nucleelor de uraniu, a unui element precum plutoniul 239, care este apoi folosit ca combustibil pentru reactoare nucleare de dimensiuni mici, precum și ca armă. metal.

De unde provine combustibilul pentru centralele nucleare?

Uraniul este extras în multe țări ale lumii prin metode de exploatare în carieră sau în cariera. Inițial, minereul nici măcar nu conține uraniu în sine, ci oxidul său. Separarea metalului de oxid este un lanț complex de transformări chimice. Nu fiecare țară din lume își poate permite să achiziționeze întreprinderi pentru producția de combustibil nuclear.

Sarcina suplimentară este de a îmbogăți uraniul extras. Mai puțin de 1% din uraniul 235 se găsește în materialul natural, restul este izotopul 238. Separarea acestor două elemente este extrem de dificilă. Centrifugile pentru îmbogățirea uraniului sunt dispozitive extrem de complexe.

Pentru ca uraniul să devină foarte îmbogățit (conținutul izotopului 235 a crescut la 20%), va trebui să treacă prin până la o mie de etape de procesare după ce se transformă în gaz.

Cum funcționează TVEL?

Uraniul îmbogățit cade în mâinile inginerilor, dar acesta este încă folosit pentru combustibil nuclear. Producția acestui combustibil este asemănătoare metalurgiei pulberilor. Metalul sub formă de pulbere (sau compușii săi chimici) este presat în tablete mici de aproximativ un centimetru în diametru.

Produsele fabricate din uraniu metalic sunt mai potrivite pentru a rezista la condițiile infernale din interiorul unui reactor, dar elementul pur este foarte scump de produs. Dioxidul de uraniu este mult mai ieftin, dar pentru a nu se prăbuși sub presiune și căldură enormă, trebuie copt sub presiune enormă la o temperatură de peste 1000 °C.

Un TVEL este un set de astfel de șaibe lungi de aproximativ 2-4 metri, plasate într-un tub din oțel sau aliaje fier-molibden. Tijele de combustibil în sine sunt asamblate într-un pachet de câteva zeci sau chiar sute. Acest set se numește ansamblu de combustibil (FA).

FA-urile sunt instalate direct în inima unui reactor nuclear. Într-un reactor numărul lor poate ajunge la câteva sute. Pe măsură ce uraniul se descompune, barele de combustibil își pierd capacitatea de a produce căldură, apoi sunt înlocuite. Dar un kilogram de uraniu tehnic, îmbogățit la un conținut de 235 izotopi 4%, în timpul vieții sale într-un reactor nuclear reușește să producă aceeași cantitate de energie ca și cum ar fi obținută prin arderea a 300 de butoaie standard de două sute de litri de ulei de încălzire.

Nu cu mult timp în urmă, pe blogul meu, am vorbit deja despre cum și unde este produs cel mai scump metal din lume - California-252. Dar producerea acestei substanțe super-costisitoare nu este singura activitate a Institutului de Cercetare Științifică a Reactorilor Atomici (NIIAR) din Dimitrovgrad. Începând cu anii '70, centrul de cercetare are un Departament de Tehnologii Combustibili, unde dezvoltă metode ecologice pentru producerea oxidului de uraniu granular și procesarea combustibilului nuclear deja iradiat (inclusiv plutoniu pentru arme).

(sursa foto - sdelanounas.ru)

(sursa - lab-37.com)

De obicei, un ansamblu de combustibil este un mănunchi hexagonal de elemente de combustibil cu lungimea de 2,5–3,5 m, care corespunde aproximativ cu înălțimea miezului reactorului. FA sunt fabricate din oțel inoxidabil sau aliaj de zirconiu (pentru a reduce absorbția neutronilor). Elementele de combustibil (tuburi subțiri) sunt asamblate în ansambluri de combustibil pentru a simplifica contabilizarea și deplasarea combustibilului nuclear în reactor. Un ansamblu de combustibil conține de obicei 18-350 de elemente de combustibil. Miezul reactorului conține de obicei 200–1600 de ansambluri de combustibil (în funcție de tipul de reactor).

Așa arată capacul reactorului (cazanului), sub care ansamblurile de combustibil sunt situate în poziție verticală. Un pătrat - un ansamblu. Un ansamblu este de aproximativ 36 de tuburi (pentru reactorul RBMK, care este prezentat în fotografia de mai jos; pentru alte reactoare există mai multe tuburi, dar mai puține ansambluri).

(sursa foto - visualrian.ru)

Și așa este aranjat tubul tijei de combustibil care alcătuiește ansamblurile de combustibil:

Proiectare element combustibil reactor RBMK: 1 - dop; 2 - tablete de dioxid de uraniu; 3 - carcasa de zirconiu; 4 - primăvară; 5 - bucșă; 6 - pont.

Elemente de combustibil (tuburi) și corpul ansamblului de combustibil:

Toate procesele de cercetare și producție sunt efectuate de către operatori de la distanță, în camere închise și cutii de protecție.

Arata cam asa:

Panoul de control al manipulatorului este o modificare ușor diferită. Nu există sticlă în această celulă, așa că supravegherea se realizează cu ajutorul camerelor instalate în interior.

Ce este asta?! Un bărbat într-o celulă fierbinte?! Dar…

Articolul vorbește despre ce sunt barele de combustibil, pentru ce sunt necesare, unde sunt folosite, cum sunt create și dacă există reactoare care nu folosesc bare de combustibil.

Epoca Atomică

Probabil cea mai tânără ramură a energiei este nucleară. Abia la sfârșitul secolului al XIX-lea oamenii de știință au putut înțelege parțial ce este radioactivitatea și ce substanțe au aceste proprietăți. Și această cunoaștere le-a costat viața multor oameni, deoarece efectele distructive ale radiațiilor asupra organismelor vii au rămas necunoscute mult timp.

Mult mai târziu, materialele radioactive și-au găsit aplicații atât în viața civilă, cât și în cea militară. În prezent, toate țările dezvoltate au propriile lor arme nucleare și centrale nucleare, care fac posibilă obținerea unor cantități mari de energie indiferent de combustibilii fosili sau de resurse naturale precum apa (vorbim de hidrocentrale).

TVEL este...

Dar pentru a construi pentru producerea de electricitate sau alte scopuri, mai întâi trebuie să faceți combustibilul adecvat, deoarece, deși uraniul natural are radioactivitate, energia sa nu este suficientă. Prin urmare, în majoritatea tipurilor de reactoare se utilizează combustibil, care, la rândul său, este încărcat în dispozitive speciale numite bare de combustibil. Un element de combustibil este un dispozitiv special care face parte dintr-un reactor nuclear și conține designul și tipul de combustibil al acestora, pe care îl vom analiza mai detaliat.

Proiecta

În funcție de tipul de reactor, unii parametri ai elementelor de combustibil pot varia, dar proiectarea generală și principiul lor de proiectare sunt aceleași. Pentru a spune simplu, o tijă de combustibil este un tub gol din alte metale, în care sunt instalate peleți de combustibil cu dioxid de uraniu.

Combustibil

Uraniul este cel mai utilizat material radioactiv; din acesta sunt produși mulți alți izotopi, folosiți atât în industrie, cât și în armament. Extracția sa nu este mult diferită de extracția cărbunelui, iar în starea sa naturală este absolut sigur pentru oameni. Așa că poveștile despre locul în care sunt exilați prizonierii nu sunt altceva decât un mit. Este mai probabil ca o persoană să moară din cauza lipsei de lumină solară și a muncii grele într-o mină decât din cauza radiațiilor.

Uraniul este extras foarte simplu - roca este spartă de explozii, după care este livrată la suprafață, unde este supusă sortării și procesării ulterioare. Procesul de îmbogățire a uraniului poate fi efectuat în diferite moduri, dar în Rusia acest lucru se realizează folosind centrifuge cu gaz. În primul rând, uraniul este transformat într-o stare gazoasă, după care gazul este separat în centrifuge sub influența forței centrifuge și izotopii necesari sunt separați. După aceasta, ele sunt transformate în dioxid de uraniu, presate în tablete și încărcate în bare de combustibil. Aceasta este cea mai comună metodă de producere a combustibilului pentru elementele de combustibil.

Aplicație

Numărul de bare de combustibil dintr-un reactor depinde de mărimea, tipul și puterea acestuia. După fabricare, acestea sunt încărcate într-un reactor, unde începe să aibă loc o reacție de descompunere nucleară, în urma căreia are loc o eliberare puternică a unei cantități uriașe de căldură, care servește ca sursă de energie. De asemenea, puterea reactorului poate fi controlată de numărul de elemente de combustibil din zona de lucru. Din când în când, pe măsură ce sunt folosite, sunt înlocuite cu altele noi, cu tablete „proaspete” de dioxid de uraniu. Așa că acum știm ce înseamnă barele de combustibil, cum sunt făcute și pentru ce sunt necesare. Cu toate acestea, nu toate reactoarele nucleare necesită astfel de elemente, iar acestea sunt RTG-uri.

RTG

Un radioizotop este un dispozitiv asemănător în principiu cu reactoarele nucleare, dar procesul lor se bazează nu pe o reacție în lanț de dezintegrare a atomilor, ci pe una termică. Mai simplu spus, este o instalație mare care produce multă căldură cu material radioactiv, care la rândul său este transformat direct în energie electrică. Spre deosebire de reactoarele nucleare, RTG-urile nu au piese mobile și sunt mai fiabile, compacte și durabile. Dar în același timp au o eficiență mult mai mică.

Au fost folosite mai ales în acele condiții în care este imposibil să obțineți energie în alte moduri, sau aceste metode sunt foarte dificile. În anii URSS, RTG-urile au fost furnizate stațiilor de cercetare și meteorologice din Nordul Îndepărtat, farurilor de coastă, geamanduri marine etc.

În prezent, durata lor de viață a expirat, dar unele dintre ele rămân încă în locațiile inițiale și adesea nici măcar nu sunt protejate în vreun fel. Ca urmare a acestui fapt, au loc accidente, de exemplu, vânătorii de metale neferoase au încercat să demonteze mai multe dintre aceste instalații și au primit radiații severe, iar în Georgia localnicii le-au folosit ca surse de căldură și au suferit, de asemenea, de radiații.

Deci acum cunoaștem structura elementelor de combustibil și am analizat definiția acestora. Barele de combustibil sunt părți importante ale reactorului, fără de care funcționarea este imposibilă.