วัสดุหุ้มเชื้อเพลิง ก้านเชื้อเพลิง - สารานุกรมกายภาพ เริ่มการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์

เมื่อไม่นานมานี้ในบล็อกของฉัน ฉันได้บอกคุณไปแล้วว่าโลหะที่แพงที่สุดในโลกผลิตได้อย่างไรและที่ไหน - California-252 แต่การผลิตสารที่มีราคาแพงมากนี้ไม่ใช่กิจกรรมเดียวของสถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู (NIIAR) ในเมืองดิมิทรอฟกราด ตั้งแต่ทศวรรษที่ 70 ศูนย์วิจัยมีแผนกเทคโนโลยีเชื้อเพลิง ซึ่งพวกเขากำลังพัฒนาวิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในการผลิตยูเรเนียมออกไซด์แบบเม็ด และการแปรรูปเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ผ่านการฉายรังสีแล้ว (รวมถึงพลูโตเนียมเกรดอาวุธ)

นอกจากนี้ ยังมีการผลิตส่วนประกอบเชื้อเพลิง (FA) ที่นั่นด้วย ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อสร้างพลังงานความร้อนในเครื่องปฏิกรณ์ผ่านปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ควบคุม โดยพื้นฐานแล้ว เหล่านี้เป็นแบตเตอรี่สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ ฉันต้องการพูดคุยเกี่ยวกับวิธีการและสิ่งที่พวกเขาทำจากบทความนี้ เราจะมองเข้าไปด้านในของห้อง "ร้อน" ซึ่งมีการแผ่รังสีในระดับสูง ดูว่ายูเรเนียมออกไซด์ของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มีลักษณะอย่างไร และดูว่าหน้าต่างกระจกสองชั้นในหน้าต่างที่ผิดปกติมีราคาเท่าใด

ฉันจะไม่ลงรายละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างและหลักการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แต่เพื่อให้เข้าใจได้ง่ายขึ้น ลองจินตนาการถึงเครื่องทำน้ำอุ่นในครัวเรือนที่มีน้ำเย็นไหลและน้ำร้อนไหลออกมา และถูกทำให้ร้อนด้วยขดลวดไฟฟ้า ( สิบ). ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ไม่มีเกลียวไฟฟ้า แต่มีชุดเชื้อเพลิง - รูปหกเหลี่ยมยาวประกอบด้วยท่อโลหะบาง ๆ จำนวนมาก - องค์ประกอบเชื้อเพลิง (องค์ประกอบเชื้อเพลิง) ซึ่งมีเม็ดยายูเรเนียมออกไซด์ที่ถูกบีบอัด

(แหล่งรูปภาพ - sdelanounas.ru)

เนื่องจากการแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมอย่างต่อเนื่อง ความร้อนจำนวนมากจึงถูกปล่อยออกมา ซึ่งทำให้น้ำหรือสารหล่อเย็นอื่น ๆ มีอุณหภูมิสูงขึ้น แล้วตามแบบแผน:

(ที่มา - lab-37.com)

โดยปกติแล้ว ส่วนประกอบเชื้อเพลิงจะเป็นมัดหกเหลี่ยมของส่วนประกอบเชื้อเพลิงที่มีความยาว 2.5-3.5 ม. ซึ่งสอดคล้องกับความสูงของแกนเครื่องปฏิกรณ์โดยประมาณ FAs ทำจากสแตนเลสหรือโลหะผสมเซอร์โคเนียม (เพื่อลดการดูดซึมนิวตรอน) ส่วนประกอบเชื้อเพลิง (ท่อบาง) ถูกประกอบเข้าเป็นส่วนประกอบเชื้อเพลิง เพื่อลดความซับซ้อนในการทำบัญชีและการเคลื่อนย้ายเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์ ชุดเชื้อเพลิงหนึ่งชุดมักประกอบด้วยองค์ประกอบเชื้อเพลิง 18-350 ชิ้น แกนเครื่องปฏิกรณ์มักจะมีส่วนประกอบเชื้อเพลิง 200-1600 ชิ้น (ขึ้นอยู่กับประเภทของเครื่องปฏิกรณ์)

นี่คือลักษณะของฝาเครื่องปฏิกรณ์ (หม้อต้ม) ซึ่งชุดเชื้อเพลิงตั้งอยู่ในแนวตั้ง หนึ่งสี่เหลี่ยม - หนึ่งชุด ชุดประกอบหนึ่งชุด - ประมาณ 36 หลอด (สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ RBMK ซึ่งแสดงในภาพด้านล่าง สำหรับเครื่องปฏิกรณ์อื่น ๆ จะมีหลอดมากกว่า แต่มีชุดประกอบน้อยกว่า)

(แหล่งที่มาของรูปภาพ - Visualrian.ru)

และนี่คือวิธีการจัดเรียงท่อแท่งเชื้อเพลิงที่ประกอบเป็นชุดเชื้อเพลิง:

โครงสร้างองค์ประกอบเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ RBMK: 1 - ปลั๊ก; 2 — เม็ดยูเรเนียมไดออกไซด์; 3 - เปลือกเซอร์โคเนียม; 4 - สปริง; 5 - บุชชิ่ง; 6 - เคล็ดลับ

ส่วนประกอบเชื้อเพลิง (ท่อ) และตัวประกอบเชื้อเพลิง:

และทุกอย่างจะเรียบร้อยดีถ้าเม็ดยูเรเนียมออกไซด์วิเศษไม่สลายตัวเป็นองค์ประกอบอื่นระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น ปฏิกิริยาของเครื่องปฏิกรณ์จะลดลงและปฏิกิริยาลูกโซ่จะหยุดลงเองตามธรรมชาติ สามารถกลับมาทำงานต่อได้หลังจากเปลี่ยนยูเรเนียมในแกนกลาง (องค์ประกอบเชื้อเพลิง) เท่านั้น ทุกสิ่งที่สะสมอยู่ในท่อจะต้องขนออกจากเครื่องปฏิกรณ์และฝังไว้ หรือรีไซเคิลเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ซึ่งน่าสนใจกว่าเนื่องจากในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ทุกคนต่างมุ่งมั่นที่จะผลิตและฟื้นฟูแบบไร้ขยะ
เครื่องส่งรับวิทยุ เหตุใดจึงต้องใช้เงินในการจัดเก็บกากนิวเคลียร์ ในถ้าคุณทำได้ ในทางกลับกัน ให้พวกเขาได้รับเงินจำนวนนั้น?

อยู่ในแผนกนี้ของ RIAR ที่พวกเขากำลังทำงานเกี่ยวกับเทคโนโลยีสำหรับการฟื้นฟูเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว โดยแยกปุ๋ยกัมมันตภาพรังสีออกเป็นองค์ประกอบที่มีประโยชน์และเป็นสิ่งที่จะไม่มีประโยชน์ในทุกที่

เพื่อจุดประสงค์นี้มักใช้วิธีการแยกสารเคมีบ่อยที่สุด ตัวเลือกที่ง่ายที่สุดคือการนำสารละลายไปแปรรูปใหม่ แต่วิธีนี้ทำให้เกิดกากกัมมันตภาพรังสีเหลวจำนวนมากที่สุด ดังนั้นเทคโนโลยีนี้จึงได้รับความนิยมในช่วงเริ่มต้นของยุคนิวเคลียร์เท่านั้น ปัจจุบัน RIAR กำลังปรับปรุงวิธีการที่เรียกว่า "แห้ง" ซึ่งผลิตขยะมูลฝอยน้อยลงมาก ซึ่งง่ายกว่ามากในการกำจัด โดยเปลี่ยนให้กลายเป็นมวลแก้ว

แผนงานทางเทคโนโลยีสมัยใหม่ทั้งหมดสำหรับการนำเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วไปแปรรูปใหม่นั้นขึ้นอยู่กับกระบวนการสกัดที่เรียกว่ากระบวนการ Purex (จากภาษาอังกฤษ Pu U Recovery EXtraction) ซึ่งประกอบด้วยการสกัดพลูโตเนียมซ้ำแบบลดปริมาณจากส่วนผสมของยูเรเนียมกับผลิตภัณฑ์จากฟิชชันของมัน พลูโตเนียมที่แยกได้ในระหว่างการแปรรูปใหม่สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในการผสมกับยูเรเนียมออกไซด์ได้ เชื้อเพลิงชนิดนี้เรียกว่า MOX (เชื้อเพลิงผสมออกไซด์ MOX) สามารถรับได้ที่ RIAR ในภาควิชาเทคโนโลยีเชื้อเพลิง นี่เป็นเชื้อเพลิงที่มีแนวโน้ม

กระบวนการวิจัยและการผลิตทั้งหมดดำเนินการโดยผู้ปฏิบัติงานจากระยะไกลในห้องปิดและกล่องป้องกัน

มีลักษณะดังนี้:

ด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์ควบคุมระบบเครื่องกลไฟฟ้า ผู้ปฏิบัติงานจึงควบคุมอุปกรณ์พิเศษในเซลล์ "ร้อน" ผู้ปฏิบัติงานได้รับการปกป้องจากกัมมันตภาพรังสีสูงด้วยกระจกตะกั่วหนาเมตรเท่านั้น ซึ่งประกอบด้วยแผ่นแยก 9-10 แผ่น หนา 10 ซม.

ราคาเพียงแก้วเดียวเทียบได้กับราคาอพาร์ทเมนต์ใน Ulyanovsk และทั้งห้องมีราคาประมาณเกือบ 100 ล้านรูเบิล ภายใต้อิทธิพลของรังสี กระจกจะค่อยๆ สูญเสียความโปร่งใสและจำเป็นต้องเปลี่ยนใหม่ คุณเห็น “มือ” ของจอมบงการในภาพนี้ไหม?

หากต้องการเรียนรู้วิธีควบคุมจอมบงการอย่างเชี่ยวชาญ คุณต้องได้รับการฝึกอบรมและประสบการณ์หลายปี แต่ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา บางครั้งจำเป็นต้องดำเนินการต่างๆ เช่น การคลายเกลียวและขันน็อตขนาดเล็กภายในห้องให้แน่น

บนโต๊ะในห้องโถงห้องขัง "ร้อน" คุณสามารถดูตัวอย่างเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในแคปซูลแก้ว แขกในห้องปฏิบัติการหลายคนมองไปด้านข้างที่กระเป๋าเดินทางนี้ตลอดเวลาและกลัวที่จะเข้ามาใกล้ แต่นี่เป็นเพียงสิ่งจำลอง แม้ว่าจะเป็นสิ่งที่สมจริงมากก็ตาม นี่คือลักษณะของยูเรเนียมไดออกไซด์ที่ใช้สร้างเม็ดเชื้อเพลิงวิเศษสำหรับแท่งเชื้อเพลิง - ผงสีดำมันวาว

ยูเรเนียมไดออกไซด์ไม่มีการเปลี่ยนเฟสและมีความไวน้อยกว่าต่อกระบวนการทางกายภาพที่ไม่พึงประสงค์ซึ่งเกิดขึ้นกับโลหะยูเรเนียมที่อุณหภูมิแกนกลางสูง ยูเรเนียมไดออกไซด์ไม่ทำปฏิกิริยากับเซอร์โคเนียม ไนโอเบียม สแตนเลส และวัสดุอื่นๆ ที่ใช้ในการผลิตส่วนประกอบเชื้อเพลิงและท่อแท่งเชื้อเพลิง คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้สามารถนำไปใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้ โดยได้รับอุณหภูมิสูง และส่งผลให้ประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์สูง

แผงควบคุมของ manipulator มีการปรับเปลี่ยนที่แตกต่างกันเล็กน้อย ห้องนี้ไม่มีกระจก ดังนั้นการเฝ้าระวังจึงดำเนินการโดยใช้กล้องที่ติดตั้งอยู่ภายใน

นี่คืออะไร?! ผู้ชายในมือถือสุดฮอต?! แต่...

ไม่เป็นไรกล้อง "สะอาด" ในระหว่างการบำรุงรักษาระดับรังสีในนั้นจะไม่เกินค่าที่อนุญาตดังนั้นคุณจึงสามารถทำงานได้แม้ว่าจะไม่มีอุปกรณ์ป้องกันวิทยุพิเศษก็ตาม เห็นได้ชัดว่าอยู่ในห้องนี้ที่การประกอบขั้นสุดท้ายของชุดเชื้อเพลิงจะดำเนินการจากแท่งเชื้อเพลิงที่ชาร์จด้วยเม็ดยูเรเนียมแล้ว

เนื่องจากระยะใกล้กับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์แบบเปิดไม่สะดวกนัก ระดับรังสีในห้องปฏิบัติการจึงไม่เกินค่าธรรมชาติ ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นได้ด้วยเทคนิคความปลอดภัยจากรังสีที่เข้มงวด ผู้คนทำงานเป็นผู้ปฏิบัติงานมาหลายทศวรรษโดยไม่เป็นอันตรายต่อสุขภาพ

แม้ว่าพลังงานนิวเคลียร์ในปัจจุบันจะไม่ปลอดภัยอย่างสมบูรณ์ แต่ก็มีการสร้างเครื่องปฏิกรณ์และโรงไฟฟ้าทั่วโลกมากกว่าที่ปิด ดังนั้นในสหรัฐอเมริกา จำนวนเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้งานอยู่เกินร้อยเครื่องในฝรั่งเศส (จำนวนอะตอมสงบมากเป็นอันดับสองของโลก) - ประมาณ 60 เครื่อง และให้พลังงานไฟฟ้าประมาณ 80% ที่ผลิตได้ในประเทศ

เชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์คือแท่งเชื้อเพลิง นี่คือองค์ประกอบที่เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่แบบควบคุมโดยตรง “ฟืน” ของหม้อต้มน้ำนิวเคลียร์ทำงานอย่างไร ผลิตอย่างไร และเกิดอะไรขึ้นกับเชื้อเพลิงในใจกลางโรงไฟฟ้า

ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์คืออะไร

เป็นที่ทราบกันว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ตัวอย่างเช่น นิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียมประกอบด้วยโปรตอน 92 ตัว และนิวตรอน 143 หรือ 146 ตัว แรงผลักกันระหว่างโปรตอนที่มีประจุบวกในนิวเคลียสของยูเรเนียมนั้นมีขนาดใหญ่มาก ประมาณ 100 กิโลกรัมต่อวินาทีในอะตอมเดี่ยว (!) อย่างไรก็ตาม กองกำลังภายในนิวเคลียร์ขัดขวางไม่ให้นิวเคลียสแยกออกจากกัน เมื่อนิวตรอนอิสระชนนิวเคลียสของยูเรเนียม (มีเพียงอนุภาคที่เป็นกลางเท่านั้นที่สามารถเข้าใกล้นิวเคลียสได้) นิวเคลียสจะมีรูปร่างผิดปกติและกระจายออกเป็นสองซีกบวกกับนิวตรอนอิสระสองหรือสามตัว

นิวตรอนอิสระมากเหล่านี้โจมตีนิวเคลียสของอะตอมอื่น ฯลฯ ดังนั้นจำนวนการชนจึงเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณและในเสี้ยววินาทีมวลของโลหะกัมมันตภาพรังสีทั้งหมดจะสลายตัว การสลายตัวนี้มาพร้อมกับการกระเจิงของชิ้นส่วนด้วยความเร็วใกล้แสงในทุกทิศทางการชนกับโมเลกุลของสิ่งแวดล้อมทำให้เกิดความร้อนสูงถึงหลายล้านองศา นี่คือภาพของการระเบิดนิวเคลียร์ธรรมดา TVEL กำลังกำกับปรากฏการณ์นี้ไปในทิศทางที่สันติ สิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร?

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ถูกควบคุม

เพื่อให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์สามารถดำรงอยู่ได้และกลายเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ จำเป็นต้องมีเชื้อเพลิงกัมมันตภาพรังสีในปริมาณที่เพียงพอ (ที่เรียกว่า "มวลวิกฤต") ในอาวุธนิวเคลียร์ ปัญหานี้แก้ไขได้ง่ายๆ: แท่งโลหะเกรดอาวุธสองแท่ง (ยูเรเนียม 235, พลูโทเนียม 239 ฯลฯ) ซึ่งมีมวลน้อยกว่าวิกฤตเล็กน้อยรวมกันเป็นแท่งเดียวโดยใช้การระเบิดของ TNT ธรรมดา

วิธีนี้ไม่เหมาะกับการใช้อะตอมอย่างสันติ แผนภาพแสดงโครงสร้างของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อย่างง่าย องค์ประกอบเชื้อเพลิงแต่ละองค์ประกอบ (องค์ประกอบเชื้อเพลิง - เชื้อเพลิงยูเรเนียม) มีมวลน้อยกว่าวิกฤต แต่น้ำหนักรวมเกินเครื่องหมายนี้ เมื่ออยู่ใกล้กัน แท่งเชื้อเพลิงจะ "แลกเปลี่ยน" นิวตรอนอิสระ ต้องขอบคุณการระดมยิงนิวตรอนร่วมกันนี้ ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์จึงยังคงอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์ แท่งกราไฟท์มีบทบาทเป็น "เบรก" ของกระบวนการนิวเคลียร์ กราไฟต์เป็นตัวดูดซับนิวตรอนที่ดี ปฏิกิริยาจะลดลงเมื่อแท่งของวัสดุนี้วางอยู่ระหว่างแท่งเชื้อเพลิง สิ่งนี้จะหยุดการแลกเปลี่ยนนิวตรอนอิสระโดยสิ้นเชิง

ดังนั้นปฏิกิริยาจึงอยู่ภายใต้การควบคุมอัตโนมัติอย่างต่อเนื่อง การสลายตัวจะมาพร้อมกับการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนของนิวเคลียสยูเรเนียมในตัวกลางของสารหล่อเย็นซึ่งทำให้ร้อนจนถึงอุณหภูมิที่ต้องการ

ไฟฟ้าเกิดขึ้นได้อย่างไร?

การออกแบบโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เพิ่มเติมไม่ได้แตกต่างไปจากโรงไฟฟ้าพลังความร้อนทั่วไปที่ใช้ก๊าซ น้ำมันเตา หรือถ่านหินมากนัก ข้อแตกต่างก็คือความร้อนในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนได้มาจากการเผาไหม้ฟอสซิลไฮโดรคาร์บอน ในขณะที่ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ สารหล่อเย็นจะได้รับความร้อนจากแท่งเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

สารหล่อเย็นนำไปที่อุณหภูมิ 500-800 °C (อาจเป็นน้ำร้อนยวดยิ่ง เกลือหลอมเหลว และแม้แต่โลหะเหลว) จะทำให้น้ำร้อนในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพิเศษ และเปลี่ยนเป็นไอน้ำแห้ง ไอน้ำจะหมุนกังหันที่ติดตั้งอยู่บนเพลาเดียวกันกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งสร้างกระแสไฟฟ้า

พวกเขาคืออะไร?

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกเป็นอุปกรณ์ที่เป็นเนื้อเดียวกัน เป็นหม้อไอน้ำที่บรรจุเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (โดยปกติจะเป็นของเหลวและมักเป็นก๊าซน้อยกว่า) นี่คือการละลายของเกลือยูเรเนียมหรือยูเรเนียมเสริมสมรรถนะอ่อน บางครั้งเป็นการแขวนลอยของฝุ่นยูเรเนียม เป็นต้น กระบวนการนี้ควบคุมโดยการแนะนำตัวหน่วงเข้าไปในแกนกลางในรูปแบบของแผ่นหรือแท่งที่ทำจากวัสดุที่ทำให้นิวตรอนอิสระช้าลงอย่างดี ความร้อนถูกถ่ายโอนไปยังน้ำผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่อยู่ในแกนกลางโดยตรง เหมือนกับตะแกรงในเตาถ่านหิน

ภาพวาดของเราแสดงให้เห็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิดต่างชนิดกัน ซึ่งปัจจุบันมีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ส่วนใหญ่ในโลกนี้ “ หม้อต้มนิวเคลียร์” ดังกล่าวนั้นง่ายต่อการบำรุงรักษาเปลี่ยนเชื้อเพลิงในนั้นซ่อมแซมได้ปลอดภัยกว่าและเชื่อถือได้มากกว่าหม้อต้มที่เป็นเนื้อเดียวกันแบบเก่า

ข้อดีอีกประการหนึ่งของการใช้แท่งเชื้อเพลิงยูเรเนียมคือการสร้างองค์ประกอบเช่นพลูโทเนียม 239 ซึ่งเป็นผลมาจากการฉายรังสีนิวตรอนของนิวเคลียสยูเรเนียม ซึ่งต่อมาใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็ก เช่นเดียวกับอาวุธ โลหะ.

เชื้อเพลิงสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์มาจากไหน?

ยูเรเนียมถูกขุดในหลายประเทศทั่วโลกโดยวิธีหลุมเปิด (เหมืองหิน) หรือวิธีการขุด เริ่มแรกแร่ไม่มียูเรเนียมด้วยซ้ำ แต่มีออกไซด์ การแยกโลหะออกจากออกไซด์เป็นห่วงโซ่การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ซับซ้อน ไม่ใช่ทุกประเทศในโลกที่จะสามารถซื้อกิจการเพื่อผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้

ภารกิจต่อไปคือการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมที่ขุดได้ พบยูเรเนียม 235 น้อยกว่า 1% ในวัสดุธรรมชาติ ส่วนที่เหลือคือไอโซโทป 238 การแยกองค์ประกอบทั้งสองนี้เป็นเรื่องยากมาก เครื่องหมุนเหวี่ยงสำหรับการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมเป็นอุปกรณ์ที่มีความซับซ้อนสูง

เพื่อให้ยูเรเนียมมีสมรรถนะสูง (ปริมาณไอโซโทป 235 เพิ่มขึ้นเป็น 20%) จะต้องผ่านขั้นตอนการประมวลผลมากถึงหนึ่งพันขั้นตอนหลังจากกลายเป็นก๊าซ

TVEL ทำงานอย่างไร?

ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะตกไปอยู่ในมือของวิศวกร แต่ยังคงใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ การผลิตเชื้อเพลิงนี้คล้ายกับโลหะผง โลหะที่เป็นผง (หรือสารประกอบทางเคมี) จะถูกอัดเป็นเม็ดเล็กๆ มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 เซนติเมตร

ผลิตภัณฑ์ที่ทำจากโลหะยูเรเนียมเหมาะกว่าที่จะทนทานต่อสภาวะที่เลวร้ายภายในเครื่องปฏิกรณ์ แต่ธาตุบริสุทธิ์นั้นมีราคาแพงมากในการผลิต ยูเรเนียมไดออกไซด์มีราคาถูกกว่ามาก แต่เพื่อไม่ให้แตกสลายภายใต้แรงกดดันและความร้อนมหาศาล จึงจำเป็นต้องอบภายใต้แรงกดดันมหาศาลที่อุณหภูมิมากกว่า 1,000 °C

TVEL คือชุดแหวนรองดังกล่าวที่มีความยาวประมาณ 2-4 เมตร ซึ่งวางอยู่ในท่อที่ทำจากโลหะผสมเหล็กหรือเหล็ก-โมลิบดีนัม แท่งเชื้อเพลิงนั้นประกอบกันเป็นมัดหลายสิบหรือหลายร้อยด้วยซ้ำ ชุดนี้เรียกว่าชุดประกอบเชื้อเพลิง (FA)

FAs ได้รับการติดตั้งโดยตรงในใจกลางเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ในเครื่องปฏิกรณ์เครื่องหนึ่งอาจมีจำนวนถึงหลายร้อยเครื่อง เมื่อยูเรเนียมสลายตัว แท่งเชื้อเพลิงจะสูญเสียความสามารถในการผลิตความร้อน จากนั้นจึงถูกแทนที่ แต่ยูเรเนียมทางเทคนิคหนึ่งกิโลกรัมซึ่งมีไอโซโทป 235 หรือ 4% เสริมสมรรถนะตลอดอายุการใช้งานในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถผลิตพลังงานได้ในปริมาณเท่ากันกับที่ได้จากการเผาไหม้น้ำมันให้ความร้อนสองร้อยลิตรมาตรฐาน 300 บาร์เรล

เมื่อไม่นานมานี้ในบล็อกของฉัน ฉันได้พูดคุยไปแล้วเกี่ยวกับวิธีการและแหล่งผลิตโลหะที่แพงที่สุดในโลก - California-252 แต่การผลิตสารที่มีราคาแพงมากนี้ไม่ใช่กิจกรรมเดียวของสถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู (NIIAR) ในเมืองดิมิทรอฟกราด ตั้งแต่ทศวรรษที่ 70 ศูนย์วิจัยมีแผนกเทคโนโลยีเชื้อเพลิง ซึ่งพวกเขากำลังพัฒนาวิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในการผลิตยูเรเนียมออกไซด์แบบเม็ด และการแปรรูปเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ผ่านการฉายรังสีแล้ว (รวมถึงพลูโตเนียมเกรดอาวุธ)

(แหล่งรูปภาพ - sdelanounas.ru)

(ที่มา - lab-37.com)

โดยปกติแล้ว ชุดประกอบเชื้อเพลิงคือชุดส่วนประกอบเชื้อเพลิงหกเหลี่ยมที่มีความยาว 2.5–3.5 ม. ซึ่งสอดคล้องกับความสูงของแกนเครื่องปฏิกรณ์โดยประมาณ FAs ทำจากสแตนเลสหรือโลหะผสมเซอร์โคเนียม (เพื่อลดการดูดซึมนิวตรอน) ส่วนประกอบเชื้อเพลิง (ท่อบาง) ถูกประกอบเข้าเป็นส่วนประกอบเชื้อเพลิง เพื่อลดความซับซ้อนในการทำบัญชีและการเคลื่อนย้ายเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์ ส่วนประกอบเชื้อเพลิงหนึ่งชุดมักประกอบด้วยองค์ประกอบเชื้อเพลิง 18–350 ชิ้น แกนเครื่องปฏิกรณ์มักจะประกอบด้วยส่วนประกอบเชื้อเพลิง 200–1600 ชิ้น (ขึ้นอยู่กับประเภทของเครื่องปฏิกรณ์)

นี่คือลักษณะของฝาเครื่องปฏิกรณ์ (หม้อต้ม) ซึ่งชุดเชื้อเพลิงตั้งอยู่ในแนวตั้ง หนึ่งสี่เหลี่ยม - หนึ่งชุด ส่วนประกอบหนึ่งประกอบด้วยหลอดประมาณ 36 หลอด (สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ RBMK ซึ่งแสดงไว้ในรูปภาพด้านล่าง สำหรับเครื่องปฏิกรณ์อื่นๆ จะมีหลอดมากกว่า แต่มีส่วนประกอบน้อยกว่า)

(แหล่งที่มาของรูปภาพ - Visualrian.ru)

การออกแบบองค์ประกอบเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ RBMK: 1 - ปลั๊ก; 2 - เม็ดยูเรเนียมไดออกไซด์; 3 - เปลือกเซอร์โคเนียม; 4 - สปริง; 5 - บุชชิ่ง; 6 - เคล็ดลับ

ส่วนประกอบเชื้อเพลิง (ท่อ) และตัวประกอบเชื้อเพลิง:

มีลักษณะดังนี้:

นี่คืออะไร?! ผู้ชายในมือถือสุดฮอต?! แต่…

บทความนี้พูดถึงว่าแท่งเชื้อเพลิงคืออะไร จำเป็นสำหรับสิ่งใด ใช้ที่ไหน วิธีสร้างแท่งเชื้อเพลิง และมีเครื่องปฏิกรณ์ที่ไม่ใช้แท่งเชื้อเพลิงหรือไม่

ยุคอะตอม

อาจเป็นสาขาพลังงานที่อายุน้อยที่สุดคือนิวเคลียร์ ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์สามารถเข้าใจได้บางส่วนว่ากัมมันตภาพรังสีคืออะไรและสารใดมีคุณสมบัติเหล่านี้ และความรู้นี้คร่าชีวิตผู้คนจำนวนมากเนื่องจากผลการทำลายล้างของรังสีต่อสิ่งมีชีวิตยังไม่ทราบมาเป็นเวลานาน

ในเวลาต่อมา วัสดุกัมมันตภาพรังสีพบการประยุกต์ใช้ในชีวิตทั้งพลเรือนและทหาร ในปัจจุบัน ประเทศที่พัฒนาแล้วทุกประเทศมีอาวุธนิวเคลียร์และโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เป็นของตัวเอง ซึ่งทำให้สามารถรับพลังงานจำนวนมากได้โดยไม่คำนึงถึงเชื้อเพลิงฟอสซิลหรือทรัพยากรธรรมชาติ เช่น น้ำ (เรากำลังพูดถึงโรงไฟฟ้าพลังน้ำ)

ทีวีเอลคือ...

แต่การที่จะสร้างเพื่อผลิตไฟฟ้าหรือวัตถุประสงค์อื่น ๆ คุณต้องสร้างเชื้อเพลิงที่เหมาะสมก่อน เพราะถึงแม้ยูเรเนียมธรรมชาติจะมีกัมมันตภาพรังสี แต่พลังงานของมันก็ไม่เพียงพอ ดังนั้นในเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ เชื้อเพลิงจะถูกใช้ ซึ่งในทางกลับกันจะถูกบรรจุลงในอุปกรณ์พิเศษที่เรียกว่าแท่งเชื้อเพลิง องค์ประกอบเชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์พิเศษที่เป็นส่วนหนึ่งของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และมีการออกแบบและประเภทของเชื้อเพลิงซึ่งเราจะวิเคราะห์โดยละเอียดเพิ่มเติม

ออกแบบ

ขึ้นอยู่กับประเภทของเครื่องปฏิกรณ์ พารามิเตอร์บางอย่างขององค์ประกอบเชื้อเพลิงอาจแตกต่างกันไป แต่การออกแบบทั่วไปและหลักการออกแบบจะเหมือนกัน พูดง่ายๆ ก็คือ แท่งเชื้อเพลิงคือท่อกลวงที่ทำจากโลหะอื่นๆ เพื่อใช้ติดตั้งเม็ดเชื้อเพลิงยูเรเนียมไดออกไซด์

เชื้อเพลิง

ยูเรเนียมเป็นวัสดุกัมมันตภาพรังสีที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยมีไอโซโทปอื่นๆ อีกมากมายที่ผลิตจากมัน ใช้ทั้งในอุตสาหกรรมและในอาวุธ การสกัดมันไม่แตกต่างจากการสกัดถ่านหินมากนักและในสภาพธรรมชาตินั้นปลอดภัยสำหรับผู้คนอย่างแน่นอน ดังนั้นเรื่องราวเกี่ยวกับสถานที่ซึ่งนักโทษถูกเนรเทศจึงไม่มีอะไรมากไปกว่าตำนาน บุคคลมีแนวโน้มที่จะเสียชีวิตจากการขาดแสงแดดและการทำงานหนักในเหมืองมากกว่าจากการเจ็บป่วยจากรังสี

ยูเรเนียมถูกขุดง่ายมาก - หินถูกทำลายด้วยการระเบิดหลังจากนั้นจะถูกส่งไปยังพื้นผิวซึ่งจะถูกคัดแยกและดำเนินการต่อไป กระบวนการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมสามารถทำได้หลายวิธี แต่ในรัสเซียทำได้โดยใช้เครื่องหมุนเหวี่ยงแก๊ส ขั้นแรก ยูเรเนียมจะถูกแปลงเป็นสถานะก๊าซ หลังจากนั้นก๊าซจะถูกแยกออกด้วยเครื่องหมุนเหวี่ยงภายใต้อิทธิพลของแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ และไอโซโทปที่จำเป็นจะถูกแยกออก หลังจากนั้น พวกมันจะถูกแปลงเป็นยูเรเนียมไดออกไซด์ กดเป็นเม็ด และบรรจุลงในแท่งเชื้อเพลิง นี่เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตเชื้อเพลิงสำหรับส่วนประกอบเชื้อเพลิง

แอปพลิเคชัน

จำนวนแท่งเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์ขึ้นอยู่กับขนาด ชนิด และกำลังของเครื่องปฏิกรณ์ หลังจากการผลิต พวกเขาจะถูกโหลดเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งเริ่มเกิดปฏิกิริยาการสลายตัวของนิวเคลียร์ ซึ่งเป็นผลมาจากการปล่อยความร้อนจำนวนมหาศาลซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงาน นอกจากนี้พลังงานของเครื่องปฏิกรณ์สามารถควบคุมได้โดยจำนวนองค์ประกอบเชื้อเพลิงในพื้นที่ทำงาน ในบางครั้งเมื่อมีการใช้พวกเขาจะถูกแทนที่ด้วยเม็ดใหม่ด้วยเม็ดยูเรเนียมไดออกไซด์ "สด" ตอนนี้เรารู้แล้วว่าแท่งเชื้อเพลิงหมายถึงอะไร ผลิตขึ้นมาอย่างไร และจำเป็นสำหรับอะไร อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทุกเครื่องจะต้องการองค์ประกอบดังกล่าว และสิ่งเหล่านี้คือ RTG

RTG

ไอโซโทปรังสีเป็นอุปกรณ์ที่มีหลักการคล้ายกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แต่กระบวนการของพวกมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาลูกโซ่ของการสลายตัวของอะตอม แต่เป็นปฏิกิริยาทางความร้อน พูดง่ายๆ ก็คือเป็นการติดตั้งขนาดใหญ่ที่สร้างความร้อนได้มากจากวัสดุกัมมันตรังสีซึ่งจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้าโดยตรง RTG ต่างจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ตรงที่ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว และมีความน่าเชื่อถือ กะทัดรัด และทนทานมากกว่า แต่ในขณะเดียวกันก็มีประสิทธิภาพต่ำกว่ามาก

ส่วนใหญ่จะใช้ในสภาวะที่ไม่สามารถรับพลังงานด้วยวิธีอื่นหรือวิธีการเหล่านี้ยากมาก ในช่วงหลายปีของสหภาพโซเวียต RTG ถูกส่งไปยังสถานีวิจัยและอุตุนิยมวิทยาของ Far North ประภาคารชายฝั่ง ทุ่นทะเล ฯลฯ

ปัจจุบันอายุการใช้งานหมดลงแล้ว แต่บางส่วนยังคงอยู่ในตำแหน่งเดิมและมักไม่ได้รับการปกป้องแต่อย่างใด ด้วยเหตุนี้จึงเกิดอุบัติเหตุขึ้นเช่นนักล่าโลหะที่ไม่ใช่เหล็กพยายามรื้อถอนสิ่งปลูกสร้างเหล่านี้หลายแห่งและได้รับรังสีที่รุนแรงและในจอร์เจียชาวบ้านใช้พวกมันเป็นแหล่งความร้อนและยังต้องทนทุกข์ทรมานจากการเจ็บป่วยจากรังสี

ตอนนี้เรารู้โครงสร้างขององค์ประกอบเชื้อเพลิงแล้วและได้วิเคราะห์คำจำกัดความแล้ว แท่งเชื้อเพลิงเป็นส่วนสำคัญของเครื่องปฏิกรณ์ โดยที่การดำเนินการดังกล่าวจะไม่สามารถทำได้