Матеріали оболонок твелів. Твел - фізична енциклопедія Початок роботи реактора

Нещодавно у себе в блозі я вже розповідав, як і де виробляють найдорожчий метал у світі - Каліфорній-252. Але виробництво цієї супердорогої субстанції – не єдине заняття Науково-дослідного інституту атомних реакторів (НДІАР) у Димитровграді. У науковому центрі з 70-х років діє Відділення паливних технологій, де займаються розвитком екологічно чистих способів одержання гранульованого оксиду урану та переробки вже опроміненого ядерного палива (у тому числі і збройового плутонію).

Крім цього, там же виготовляють і тепловиділяючі зборки (ТВС) - пристрої, призначені для отримання теплової енергії в реакторі за рахунок ядерної реакції, що керується. По суті це батарейки для реактора. Про те, як і з чого їх роблять, я хочу розповісти в цій статті. Ми заглянемо в нутро "гарячої" камери з високим рівнем радіації, подивимося, як виглядає ядерне паливо оксид урану, і дізнаємося, скільки може коштувати склопакет у не зовсім звичайному вікні.

Я не вдаватимуся в подробиці пристрою і принципу роботи ядерного реактора, але для полегшення розуміння уявіть собі побутовий водонагрівач, який надходить холодна, а витікає гаряча вода, і нагріває її електрична спіраль (ТЕН). У ядерному реакторі немає електричної спіралі, а є ТВС - довгі шестигранники, що складаються з безлічі тонких металевих трубок - тепловиділяючих елементів (твел), в яких знаходяться таблетки із спресованого оксиду урану.

(джерело фото - sdelanounas.ru)

За рахунок постійного поділу ядер урану виділяється велика кількість тепла, яке нагріває воду або інший теплоносій до високої температури. А далі за схемою:

(джерело - lab-37.com)

Зазвичай ТВС є шестигранний пучок тепловиділяючих елементів довжиною 2,5-3,5 м, що приблизно відповідає висоті активної зони реактора. Виготовляють ТВС із нержавіючої сталі або сплаву цирконію (для зменшення поглинання нейтронів). Тепловиділяючі елементи (тонкі трубки) збираються в ТВС для спрощення обліку та переміщення ядерного палива в реакторі. В одній ТВС зазвичай міститься 18-350 тепловиділяючих елементів. В активну зону реактора зазвичай міститься 200-1600 ТВС (залежить від типу реактора).

Ось так виглядає кришка реактора (котла), під якою у вертикальному положенні і знаходяться ТВС. Один квадратик – одна збірка. Одна збірка - приблизно 36 трубок (для реактора РБМК, який і зображений на фото нижче, інших реакторах - трубок більше, але менше збірок).

(джерело фото - visualrian.ru)

А ось так влаштована трубка твела, з яких складаються ТВС:

Влаштування твела реактора РБМК: 1 - заглушка; 2 - таблетки діоксиду урану; 3 - оболонка з цирконію; 4 - пружина; 5 - втулка; 6 - наконечник.

Твели (трубки) та корпус ТВС:

І все було б чудово, якби чарівні пігулки оксиду урану не розкладалися на інші елементи в процесі ядерної реакції. Коли це відбувається, реактивність реактора слабшає, і ланцюгова реакція сама припиняється. Вона може бути відновлена лише після заміни урану в активній зоні (Твел). Все, що накопичилося у трубках, необхідно вивантажити з реактора та поховати. Або переробити для повторного використання, що більш привабливо, тому що в ядерній промисловості всі прагнуть безвідходного виробництва і регенерації.
Поради. Навіщо витрачати гроші на зберігання ядерних відходів, якщо можна змусити їх, навпаки, заробляти ці гроші?

Ось у цьому відділенні НДІАР і займаються технологіями регенерації відпрацьованого ядерного палива, поділяючи радіоактивний гній на корисні елементи і те, що ніколи й ніде не знадобиться.

Для цього найчастіше застосовуються хімічні методи розподілу. Найпростіший варіант - це переробка в розчинах, проте цей метод дає найбільшу кількість рідких радіоактивних відходів, тому ця технологія була популярна лише на початку ядерної ери. В даний час в НДІАР удосконалюються так звані "сухі" способи, в процесі яких виходить набагато менше вже твердих відходів, які набагато простіше утилізувати, перетворюючи на склоподібну масу.

В основі всіх сучасних технологічних схем переробки відпрацьованого ядерного палива лежать екстракційні процеси, які називають П'юрекс-процесом (від англ. Pu U Recovery EXtraction), який полягає у відновній реестракції плутонію з суміші урану з його продуктами поділу. Плутоній, виділений при переробці, може бути використаний у вигляді палива у суміші з оксидом урану. Це паливо має назву МОКС (англ. Mixed-Oxide fuel, MOX). Його отриманням також займаються у НДІАР, у Відділі паливних технологій. Це перспективне паливо.

Всі дослідження та виробничий процес виконуються операторами дистанційно, у закритих камерах та захисних боксах.

Виглядає це приблизно так:

За допомогою таких електромеханічних маніпуляторів оператори керують спеціальним обладнанням в "гарячих" камерах. Від високої радіоактивності оператора відокремлює лише свинцеве скло метрової товщини, що складається з 9-10 окремих пластин, товщиною 10 см.

Вартість лише одного скла можна порівняти з вартістю квартири в Ульяновську, а вся камера оцінюється майже в 100 млн. рублів. Під дією радіації скла поступово втрачають свою прозорість і вони потребують заміни. Чи зможете на фото розглянути "руку" маніпулятора?

Щоб навчитися віртуозно керувати маніпулятором, потрібні роки тренувань та досвіду. Адже з їх допомогою іноді потрібно виконувати операції з розряду відкручування та закручування маленьких гайок усередині камери.

На столі, у залі "гарячих" камер, можна побачити зразки ядерного палива у скляних капсулах. Багато гостей лабораторії постійно косяться на цю валізку і бояться підходити ближче. Але це лише муляж, хоч і дуже реалістичний. Саме так виглядає двоокис урану, з якого роблять чарівні паливні пігулки для твелів – блискучий порошок чорного кольору.

У діоксиду урану немає фазових переходів, він менш схильний до тих небажаних фізичних процесів, які відбуваються з металевим ураном при високих температурах активної зони. Діоксид урану не взаємодіє з цирконієм, ніобієм, нержавіючою сталлю та іншими матеріалами, з яких виготовлені ТВС та трубки твелів. Ці властивості дозволяють застосовувати його в ядерних реакторах, отримуючи високі температури та, отже, високий ККД реактора.

Пульт керування маніпулятором трохи іншої модифікації. У цій камері немає скла, тому спостереження ведеться за допомогою встановлених усередині камер.

Що це?! Людина у "гарячій" камері?! Але...

Нічого страшного, це "чиста" камера. Під час технічного обслуговування рівень радіації в ній не перевищує допустимих значень, тому можна працювати навіть без спеціальних засобів радіозахисту. Зважаючи на все, саме в цій камері й роблять остаточне складання ТВС із уже заряджених урановими пігулками твелів.

За такого не дуже затишного сусідства з відкритим ядерним паливом рівень радіації в лабораторії не перевищує природних значень. Усе це досягається рахунок жорсткої техніки радіаційної безпеки. Люди десятиліттями працюють операторами без шкоди здоров'ю.

Хоча атомна енергетика не є на сьогоднішній день повністю безпечною, реакторів та електростанцій у всьому світі більше будується, ніж закривається. Так у Сполучених Штатах Америки кількість діючих реакторів тільки-но перевалило за сотню, у Франції (друге місце за кількістю мирного атома на планеті) - близько 60, і забезпечують вони близько 80% від електрики, що виробляється в країні.

Паливом для ядерного реактора є ТВЕЛ. Це елемент, в якому безпосередньо протікає реакція, що керується ціп'яка. Як влаштовані дрова атомного котла, як вони виготовляються і що відбувається з паливом у серці електростанції?

Що таке ланцюгова ядерна реакція

Відомо, що ядра атомів складаються з протонів та нейтронів. Наприклад, в ядрі атома урану міститься 92 протони та 143 або 146 нейтронів. Сила відштовхування між позитивно зарядженими протонами в ядрі урану просто величезна, близько 100 кгс в одному єдиному (!) Атомі. Однак розлітатися ядру не дають внутрішньоядерних сил. При попаданні в ядро урану вільного нейтрону (тільки нейтральна частка здатна наблизитися до ядра) останнє деформується і розлітається на дві половинки плюс два-три вільні нейтрони.

Ці вільні нейтрони атакують ядра інших атомів, і т. д. Таким чином, кількість зіткнень збільшується в геометричній прогресії і в частки секунди вся маса радіоактивного металу розпадається. Цей розпад супроводжується розльотом на навколосвітлових швидкостях на всі боки уламків, їх зіткнення з молекулами довкілля викликають нагрівання до кількох мільйонів градусів. Це картина звичайного ядерного вибуху. ТВЕЛ це явище спрямовує у мирне русло. Як це відбувається?

Керована ядерна реакція

Щоб ядерна реакція змогла підтримувати себе сама, стала ланцюговою, потрібна достатня кількість радіоактивного палива (т.з. «критична маса»). У ядерній зброї це питання вирішується просто: два зливки збройового металу (урану 235, плутонію 239 і т. д.) з масою кожного трохи менше критичної в одне ціле з'єднують за допомогою вибуху звичайного тротилу.

Для мирного використання атома цей спосіб годиться. На малюнку схематично показано пристрій найпростішого атомного реактора. Кожен ТВЕЛ (тепловиділяючий елемент – уранове паливо) за масою менший за критичну, сумарна ж їхня вага перевищує цю позначку. Перебуваючи в безпосередній близькості один від одного, ТВЕЛ «обмінюються» вільними нейтронами. Завдяки такому взаємному нейтронному бомбардування в реакторі підтримується ланцюгова ядерна реакція. Графітові стрижні грають роль своєрідних «гальм» ядерного процесу. Графіт - добрий поглинач нейтронів, реакція згасає, коли стрижні з цього матеріалу поміщаються між ТВЕЛ. Це повністю зупиняє обмін вільними нейтронами.

Отже, реакція перебуває під постійним контролем автоматики. Розпад супроводжується рухом у середовищі теплоносія уламків ядер урану, які розігрівають його до необхідної температури.

Як виробляється електроенергія

Подальший пристрій атомної електростанції мало чим відрізняється від звичайної теплової, що працює на газі, мазуті чи вугіллі. Різниця полягає в тому, що в ТЕЦ тепло виходить при спалюванні викопних вуглеводнів, а в АЕС теплоносій нагрівається ТВЕЛ ядерних реакторів.

Доведений до температури 500-800 °C теплоносій (у його ролі можуть виступати перегріта вода, розплави солей, і навіть рідкі метали) у спеціальному теплообміннику розігріває воду, перетворюючи її на суху пару. Пара обертає турбіну, посаджену на один вал з генератором, в якому виробляється електричний струм.

Які вони бувають

Першими ядерними реакторами були гомогенні пристрої. Вони являли собою котли, в яких знаходилося ядерне паливо (частіше рідке, рідше газоподібне). Це розплав солей урану або слабо збагаченого урану, іноді суспензії уранового пилу і т. д. Процес регулювався введенням в активну зону сповільнювача у вигляді пластин або стрижнів з матеріалу, який добре уповільнює вільні нейтрони. Тепло передавалося воді за допомогою розташованих прямо в активній зоні теплообмінників, на зразок колосників у вугільній печі.

На нашому ж малюнку зображено гетерогенний ядерний реактор, яких зараз у світі є абсолютна більшість. Такі «атомні котли» легше обслуговувати, міняти в них паливо, ремонтувати, вони безпечніші і надійніші за старі гомогенні.

Ще одним бонусом використання уранових ТВЕЛ є генерація в них в результаті опромінення нейтронами ядер урану такого елемента, як плутоній 239, який потім використовується як паливо для малогабаритних ядерних реакторів, а також як збройовий метал.

Де береться паливо для атомних електростанцій

Уран видобувають у багатьох країнах світу відкритим (кар'єрним) чи шахтним способом. Спочатку в руді міститься навіть не сам уран, яке оксид. Виділення металу з оксиду - найскладніший ланцюг хімічних перетворень. Далеко не кожна країна світу може дозволити собі придбати підприємства з виробництва ядерного палива.

Подальше завдання – збагачення видобутого урану. Менше 1% урану 235 міститься в природному матеріалі, решта - ізотоп 238. Розділити ці два елементи надзвичайно важко. Центрифуги зі збагачення урану – це найскладніші пристрої.

Щоб уран став високозбагаченим (зміст ізотопу 235 підвищився до 20%) йому належить, перетворившись на газ, пройти до тисячі ступенів переробки.

Як влаштований ТВЕЛ

До рук інженерів потрапляє інженерів збагачений уран, але це поки що на ядерне паливо. Виробництво цього палива схоже на порошкову металургію. Порошкоподібний метал (або його хімічних сполук) пресується невеликі таблетки діаметром близько сантиметра.

Вироби з металевого урану краще пристосовані витримувати пекельні умови всередині реактора, але чистий елемент дуже дорогий у виробництві. Набагато дешевше діоксид урану, але щоб він не розсипався від величезного тиску і спека доводиться запікати під величезним тиском при температурі понад 1000 °C.

ТВЕЛ - це набір таких шайб довжиною близько 2-4 метрів, поміщений у трубку із сталі або сплавів заліза з молібденом. Самі ТВЕЛи набираються в пучок із кількох десятків або навіть сотень. Такий набір називають тепловиділяючої збіркою (ТВЗ).

ТВС встановлюються у серце атомного реактора. В одному реакторі їх кількість може досягати кількох сотень. У міру розпаду урану ТВЕЛи втрачають свою здатність виробляти тепло, тоді їх замінюють. Але один кілограм технічного урану, збагаченого до вмісту 235 ізотопу 4%, за своє життя в атомному реакторі встигає виробити стільки ж енергії, скільки вийшло б при спалюванні 300 стандартних двосотлітрових бочок топкового мазуту.

Нещодавно у себе в блозі я вже розповідав, як і де виробляють найдорожчий метал у світі — Каліфорній-252. Але виробництво цієї супердорогої субстанції — не єдине заняття Науково-дослідного інституту атомних реакторів (НДІАР) у Димитровграді. У науковому центрі з 70-х років діє Відділення паливних технологій, де займаються розвитком екологічно чистих способів одержання гранульованого оксиду урану та переробки вже опроміненого ядерного палива (у тому числі і збройового плутонію).

Крім цього, там же виготовляють і тепловиділяючі зборки (ТВЗ) - пристрої, призначені для отримання теплової енергії в реакторі за рахунок ядерної реакції, що керується. По суті це батарейки для реактора. Про те, як і з чого їх роблять, я хочу розповісти в цій статті. Ми заглянемо в нутро «гарячої» камери з високим рівнем радіації, подивимося, як виглядає ядерне паливо оксид урану, і дізнаємося, скільки може коштувати склопакет у не зовсім звичайному вікні.

(Джерело фото - sdelanounas.ru)

(джерело - lab-37.com)

Ось так виглядає кришка реактора (котла), під якою у вертикальному положенні і знаходяться ТВС. Один квадратик - одне збирання. Одна збірка - приблизно 36 трубок (для реактора РБМК, який і зображений на фото нижче, на інших реакторах - трубок більше, але менше збірок).

(джерело фото - visualrian.ru)

А ось так влаштована трубка твела, з яких складаються ТВС:

Влаштування твела реактора РБМК: 1 - заглушка; 2 – таблетки діоксиду урану; 3 – оболонка з цирконію; 4 – пружина; 5 – втулка; 6 – наконечник.

Твели (трубки) та корпус ТВС:

Для цього найчастіше застосовуються хімічні методи розподілу. Найпростіший варіант — це переробка в розчинах, проте цей метод дає найбільшу кількість рідких радіоактивних відходів, тому ця технологія була популярна лише на початку ядерної ери. В даний час в НДІАР удосконалюються так звані «сухі» способи, в процесі яких виходить набагато менше вже твердих відходів, які набагато простіше утилізувати, перетворюючи на склоподібну масу.

Виглядає це приблизно так:

За допомогою таких електромеханічних маніпуляторів оператори керують спеціальним обладнанням в «гарячих» камерах. Від високої радіоактивності оператора відокремлює лише свинцеве скло метрової товщини, що складається з 9-10 окремих пластин, товщиною 10 см.

На столі, в залі гарячих камер, можна побачити зразки ядерного палива в скляних капсулах. Багато гостей лабораторії постійно косяться на цю валізку і бояться підходити ближче. Але це лише муляж, хоч і дуже реалістичний. Саме так виглядає двоокис урану, з якого роблять чарівні паливні пігулки для твелів – блискучий порошок чорного кольору.

Що це?! Людина у «гарячій» камері?! Але...

Нічого страшного, це чиста камера. Під час технічного обслуговування рівень радіації в ній не перевищує допустимих значень, тому можна працювати навіть без спеціальних засобів радіозахисту. Зважаючи на все, саме в цій камері й роблять остаточне складання ТВС із уже заряджених урановими пігулками твелів.

У статті розповідається про те, що таке ТВЕЛ, для чого він потрібен, де застосовується, як створюється і чи є реактори, які не використовують ТВЕЛ.

Атомна епоха

Напевно, наймолодшою галуззю енергетики є атомна. Лише наприкінці XIX століття вчені змогли частково розібратися з тим, що таке радіоактивність, і які речовини мають ці властивості. І багатьом ці знання коштували життя, оскільки згубний вплив радіації живі організми тривалий час залишалося невідомим.

Набагато пізніше радіоактивних матеріалів знайшли застосування як у мирному житті, так і військовому. В даний час всі розвинені країни мають свою ядерну зброю і атомні електростанції, які дозволяють отримувати велику кількість енергії незалежно від викопного палива або природних ресурсів, таких як вода (йдеться про гідроелектростанції).

ТВЕЛ – це…

Але для того, щоб побудувати для виробництва електрики або інших цілей, для початку потрібно зробити відповідне паливо, адже природний уран хоч і має радіоактивність, але її енергії недостатньо. Тому в більшості типів реакторів використовують паливо на основі, а воно, у свою чергу, завантажується в спеціальні пристрої під назвою ТВЕЛ. ТВЕЛ - це спеціальний пристрій, який є частиною атомного реактора і містить у собі їх конструкцію та тип палива ми і розберемо докладніше.

Конструкція

Залежно від типу реактора деякі параметри тепловиділяючих елементів можуть відрізнятися, але їх загальна конструкція і принцип пристрою однакові. Якщо говорити спрощено, то ТВЕЛ - це пустотіла трубка з деякими іншими металами, в яку встановлені таблетки палива з діоксиду урану.

Паливо

Уран є найбільш «ходовим» радіоактивним матеріалом, на його основі виробляють безліч інших ізотопів, що застосовуються як у промисловості, так і у зброї. Видобуток його мало чим відрізняється від видобутку кам'яного вугілля, а в природному стані він абсолютно безпечний для людей. Тож розповіді про куди посилають ув'язнених, не більше ніж міф. Людина швидше помре від нестачі сонячного світла та важкої роботи в шахті, ніж від променевої хвороби.

Видобувають уран дуже просто - вибухами розбивають породу, після чого вона доставляється на поверхню, де проходить сортування та подальшу обробку. Процес збагачення урану може здійснюватися у різний спосіб, але у Росії це робиться з допомогою газових центрифуг. Спочатку уран переводять у газоподібний стан, після чого газ у центрифугах під дією відцентрової сили поділяється та сепаруються потрібні ізотопи. Після цього їх перетворюють на діоксид урану, пресують у таблетки і завантажують у ТВЕЛ. Це найпоширеніший спосіб виробництва палива для тепловиділяючих елементів.

Застосування

Кількість ТВЕЛ в реакторі залежить від його розміру, типу та потужності. Після виготовлення їх завантажують у реактор, де і починає протікати реакція ядерного розпаду, в результаті якої відбувається потужне виділення величезної кількості тепла, яке є джерелом енергії. Також потужність реактора можна контролювати кількістю тепловиділяючих елементів у робочій зоні. Іноді в міру експлуатації їх замінюють на нові, зі «свіжими» пігулками з діоксиду урану. Отже, тепер ми знаємо, що означає ТВЕЛ, як їх виготовляють і для чого вони взагалі потрібні. Однак не всі атомні реактори потребують таких елементів, і це РІТЕГи.

РІТЕГ

Радіоізотопний - це пристрій, який за своїм принципом схожий на атомні реактори, але процес їх заснований не на ланцюговій реакції розпаду атомів, а на тепловій. Простіше кажучи, це велика установка, що виробляє багато тепла радіоактивною речовиною, яка, у свою чергу, перетворюється безпосередньо в електроенергію. На відміну від атомних реакторів РИТЕГи немає рухливих частин, більш надійні, компактні і довговічні. Але при цьому мають набагато менший ККД.

Використовували їх в основному в тих умовах, де неможливо отримати енергію іншими шляхами, або ці способи дуже скрутні. У роки СРСР РІТЕГами забезпечувалися дослідницькі та метеорологічні станції Крайньої Півночі, прибережні маяки, морські бакени тощо.

В даний час термін їхньої служби минув, але частина з них досі залишається на місцях початкового базування і часто навіть ніяк не охороняється. В результаті цього відбуваються нещасні нагоди, наприклад, кілька таких установок мисливці за кольоровим металом намагалися розібрати і отримали сильне опромінення, а в Грузії місцеві жителі використовували їх як джерела тепла і теж зазнали променевої хвороби.

Отже, тепер ми знаємо пристрій тепловиділяючих елементів і розібрали їх визначення. ТВЕЛ є важливими деталями реактора, робота без яких неможлива.