Как сделать ядерное топливо
Добавил пользователь Cypher Обновлено: 18.09.2024
Атомная энергетика для большинства из нас нечто таинственное и чертовски опасное. Все знают, что последствия аварии на атомной электростанции весьма плачевны как минимум из-за распространения радиации. Но откуда вообще берется топливо для ядерных реакторов, и почему на его производстве никто не получает смертельные дозы радиации?
Существует три вида ядерного топлива — плутониевое, ториевое и урановое. Но в силу сложности производства и переработки первых двух и больших запасов последнего, в качестве топлива для АЭС используют именно уран — самый тяжелый металл на нашей планете.
В 1938 году ученые выяснили, что этот элемент можно расщеплять с помощью управляемой цепной ядерной реакции — деления ядра на две части, называемые осколками деления, с одновременным выделением двух-трех нейтронов, которые, в свою очередь, могут вызвать деление следующих ядер. В осколках деления сконцентрировано большое количество кинетической энергией, а их торможение в веществе сопровождается выделением огромного количества тепла. В свою очередь, это тепло нагревает воду, превращая ее в пар, а тот в свою очередь крутит уже турбины электростанции.
Свой путь к ректору АЭС ядерное топливо начинает с залежей руды. Ее добывают либо в шахтах месторождения, либо открытым способом, когда бульдозерами снимается верхняя часть грунта и происходит выемка породы. В руде уран и продукты его распада находятся в радиоактивном равновесии. Но при добыче есть риск получить внутреннее облучение радиоактивным газом радоном, продуктами его распада, а также внешним гамма- и бета-излучениями.
Для минимизации воздействия радиации на персонал используют эффективное вентилирование шахт и ограничение времени работы непосредственно в шахте. В Канаде на одном из крупнейших в мире месторождений урановой руды в Саскачеване вовсю используют труд роботов и технику с дистанционным управлением, дабы максимально обезопасить рабочих от радиации. На открытых разработках, разумеется, дозовые нагрузки существенно меньше, но и вред для окружающей среды такой метод приносит куда более существенный.
Кстати, в 1972 году в урановом месторождении Окло, что в Габоне (Центральная Африка) был обнаружен природный ядерный реактор, в котором проходила самопроизвольная цепная ядерная реакция. Правда, этот реактор трудился около 1,8 миллиардов лет назад, а в наши дни запасы топлива нужной концентрации в этом месторождении уже истощились.
Оптимальным способом добычи урана сегодня считается выщелачивающий метод. В горной породе бурят скважины, через которые в недра закачивается выщелачивающий реагент на основе серной кислоты, обладающий особым химическим составом. Он растворяется в недрах рудных залежей и насыщается соединениями урана, который потом выкачивается и отправляется на обогащение.
Из очищенного с помощью химических реакций урана в виде порошка получают урановый ангидрид или диоксид урана, который как раз-таки является ядерным топливом. Сам по себе металлический уран редко используют в качестве топлива. У него низкая максимальная температура фазового перехода, вдобавок, процесс цепной реакции сопровождается увеличением объема металла. Толи дело диоксид урана: у него нет фазовых переходов, он менее подвержен распуханию.
На электростанции в активной зоне реактора находятся сотни топливных элементов, которые выделяют огромное количество энергии, но их ресурсы не бесконечны. Периодически персонал АЭС перезагружает ядерное топливо. Процесс выгорания элементов происходит неравномерно, иногда топливные элементы меняют местами, так как в центре активной зоны реакция проходит интенсивнее.
Отработанные элементы отправляют в специальный бассейн для выдержки, который обычно располагается в непосредственной близости от реактора. В отработавших топливных элементах содержится большое количество осколков деления урана, сразу после извлечения из реактора элемент очень сильно фонит. Поэтому его хранят три-четыре года в бассейнах с определенным температурным режимом под слоем воды, защищающим персонал от радиационного излучения продуктов распада урана. После этого отработавшие элементы со слабым излучением либо отправляют на утилизацию, либо перерабатывают, так как уран никогда не выгорает полностью и можно выделить его остатки, вдобавок из отходов можно получить плутоний (до 1% от всей массы отработанного ядерного топлива). Но это очень дорого, опасно и трудоемко, так что большинство стран-поставщиков обогащенного урана пока пока не отправляют ядерные отходы на переработку.
ЧУДО психоанализа: заработать на модных профессиях не прочь даже бывший священник
26 актеров второго плана, которые всех переиграли и стали главным украшением фильма
Тиктокерша в подарок годовалому сыну привела домой огромного медведя и попала под проверку
"Минировавших" красноярские школы подростков отправили в СИЗО
В Таиланде банкет обезьян закончился массовым бегством приматов
Водитель и пассажир чудом избежали смерти, когда спортивный Lotus влетел в фонарный столб
Дом студента, или храм науки: что представляет собой главный университет страны
Найдена древняя игра, правила которой для современников пока еще под завесой тайны
Робот-пылесос, сбежав из отеля, повеселил пользователей соцсетей
Секунды до полуночи: кто и зачем переставляет стрелки на часах судного дня
Туры по льду Байкала пользуются ажиотажным спросом
"Мы без России и месяца не проживем": Кадыров рассказал о сумме ежегодных дотаций для Чечни
В японском зоопарке макака впервые стала "альфа-самкой"
35 фото разных классных штук, которыми поделились пользователи сети
Миллион долларов за селфи: индонезиец удачно продал архив университетских фото
Рассмеши меня: о чем спрашивают на собеседовании будущих бортпроводников
Смешная, но глуповатая подборка каламбуров и лингвошуток
Восьмилетняя девочка погибла от рук матери в Крыму
В Нидерландах механик разбил редчайший Ferrari Enzo, врезавшись в пень во время тест-драйва
С вами точно всё в полном порядке, а вот с нашей реальностью не очень
Как выглядел бы ваш город, если бы он был человеком
Уникальный трёхколёсный мокик-самоделка от мотолюбителя из Японии
Как 19-летняя летчица стала самой молодой кругосветной путешественницей в истории
"Человек ошибся, вот и всё": у пенсионера отобрали пенсию, так как официально он мёртв
На россиянку приставы повесили многомиллионные долги 400 незнакомых ей людей
Подсмотрено в заМКАДье, или житейские хитрости для комфортной жизни
Круто, но дорого: впечатления от шлема виртуальной реальности
Пользователи Твиттера показали, как они видят Россию
"А ведь был еще живой": неудачная спасательная операция во Владимирской области попала на видео
Новосибирский завод химконцентратов в 2011 году произвел и реализовал 70% мирового потребления изотопа лития-7 (1300 кг), поставив новый рекорд в истории завода. Однако основным продуктом производства НЗХК является ядерное топливо.
Это словосочетание действует на сознание новосибирцев впечатляюще и пугающе, заставляя воображать о предприятии все, что угодно: начиная от трехногих рабочих и отдельного подземного города и заканчивая радиоактивным ветром.
Так что же на самом деле скрывается за заборами самого таинственного завода Новосибирска, производящего ядерное топливо в черте города?
Операторская, откуда идет управление процессом производства порошка диоксида урана, из которого затем изготавливают топливные таблетки.
Рабочие проводят регламентные работы: через определенные промежутки времени даже самое новое оборудование останавливают и проверяют. В самом цехе всегда достаточно много воздуха — постоянно работает вытяжная вентиляция.
В таких биконусах хранится порошок диоксида урана. В них происходит перемешивание порошка и пластификатора, который позволяет таблетке лучше спрессоваться.
Установка, которая производит прессование топливных таблеток. Как из песка дети делают куличики, надавливая на формочку, так и здесь: урановая таблетка прессуется под давлением.
Молибденовая лодочка с таблетками, которые ждут отправления в печь на отжиг. До отжига у таблеток зеленоватый оттенок и другой размер.
Контакт порошка, таблетки и окружающей среды сведен к минимуму: все работы ведутся в боксах. Для того чтобы что-то поправлять внутри, в боксы встроены специальные перчатки.
Факелы сверху — это догорающий водород. Таблетки отжигаются в печах при температуре не менее 1750 градусов в водородной восстановительной среде в течение 20 с лишним часов.
Черные шкафы — это водородные высокотемпературные печи, в которых молибденовая лодочка проходит различные температурные зоны. Открывается заслонка, и в печь, откуда вырываются языки пламени, заходит молибденовая лодочка.
Готовые таблетки шлифуются, поскольку они должны быть строго определенного размера. И на выходе контролеры проверяют каждую таблетку, чтобы не было ни сколов, ни трещин, никаких дефектов.
Одна таблетка весом 4,5 г по энерговыделению эквивалентна 640 кг дров, 400 кг каменного угля, 360 куб. м газа, 350 кг нефти.
Таблетки диоксида урана после отжига в водородной печи.
Здесь циркониевые трубки заполняют таблетками диоксида урана. На выходе имеем готовые твэлы (около 4 м в длину) — тепловыделяющие элементы. Из твэлов уже собирают ТВС, иначе говоря, ядерное топливо.
Таких автоматов с газировкой на улицах города уже не встретить, пожалуй, только на НЗХК. Хотя в советские времена они были очень распространены.
В этом автомате стакан можно помыть, а затем наполнить газированной, негазированной или охлажденной водой.
По оценке департамента природных ресурсов и охраны окружающей среды, высказанной в 2010 году, НЗХК не оказывает значимого влияния на загрязнение окружающей среды.
Пара таких породистых куриц постоянно проживает и откладывает яйца в добротном деревянном вольере, который находится на территории цеха.
Рабочие сваривают каркас для тепловыделяющей сборки. Каркасы бывают разные, в зависимости от модификации ТВС.
На заводе работают 2277 человек, средний возраст персонала — 44,3 года, 58 % — мужчины. Средняя заработная плата превышает 38 000 руб.
Большие трубки — это каналы для системы управления защиты реактора. В этот каркас затем установят 312 твэлов.
По соседству с НЗХК расположилась ТЭЦ-4. Со ссылкой на экологов представители завода сообщили: в год одна ТЭЦ выбрасывает радиоактивных веществ в 7,5 раз больше, чем НЗХК.
Слесарь-сборщик Виктор Пустозеров, ветеран завода и атомной энергетики, имеет 2 ордена Трудовой Славы
Головка и хвостовик для ТВС. Их устанавливают в самом конце, когда в каркасе уже стоят все 312 твэлов.
Финальный контроль: готовые ТВС проверяют специальными щупами, чтобы расстояние между твэлами было одинаковое. Контролеры чаще всего женщины, это очень кропотливая работа.
В таких контейнерах ТВС отправляются потребителю — по 2 кассеты в каждом. Внутри у них свое уютное войлочное ложе.
Работа на НЗХК ничуть не опаснее работы на любом промышленном предприятии. За состоянием здоровья работников ведется постоянный контроль. За последние годы не выявлено ни одного случая профзаболеваний среди работников.
Ядерное топливо – материал, используемый в ядерных реакторах для проведения управляемой цепной реакции. Оно чрезвычайно энергоемко и небезопасно для человека, что накладывает ряд ограничений на его использование. Сегодня мы с вами узнаем, что собой представляет топливо ядерного реактора, как оно классифицируется и производится, где применяется.
Ход цепной реакции
Во время цепной ядерной реакции, ядро делится на две части, которые называют осколками деления. Одновременно с этим выделяется несколько (2-3) нейтронов, которые впоследствии вызывают деление следующих ядер. Процесс происходит при попадании нейтрона в ядро исходного вещества. Осколки деления имеют большую кинетическую энергию. Их торможение в веществе сопровождается выделением огромного количества тепла.
Осколки деления, вместе с продуктами их распада, называют продуктами деления. Ядра, которые делятся нейтронами любой энергии, называют ядерным горючим. Как правило, они представляют собой вещества с нечетным количеством атомов. Некоторые ядра делятся сугубо нейтронами, энергия которых выше определенного порогового значения. Это преимущественно элементы с четным числом атомов. Такие ядра называют сырьевым материалом, так как в момент захвата нейтрона пороговым ядром образуются ядра горючего. Комбинация горючего и сырьевого материала называется тем самым ядерным топливом.
Классификация
Ядерное топливо делится на два класса:
- Природное урановое. Оно содержит делящиеся ядра урана-235 и сырье урана-238, которое способно образовывать плутоний-239 при захвате нейтрона.
- Вторичное топливо, не встречающееся в природе. К нему, кроме всего прочего, относится плутоний-239, который получается из топлива первого вида, а также уран-233, образующийся при захвате нейтронов ядрами тория-232.
С точки зрения химического состава, бывают такие виды ядерного топлива:
- Металлическое (в том числе сплавы);
- Оксидное (к примеру, UO2);
- Карбидное (к примеру PuC1-x);
- Смешанное;
- Нитридное.
ТВЭЛ и ТВС
Топливо для ядерных реакторов используется в виде таблеток небольшого размера. Они помещаются в герметично-закрытые тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), которые, в свою очередь, по несколько сотен объединяются в тепловыделяющие сборки (ТВС). К ядерному топливу предъявляются высокие требования по совместимости с оболочками ТВЭЛов. Оно должно иметь достаточную температуру плавления и испарения, хорошую теплопроводность и не сильно увеличиваться в объеме при нейтронном облучении. Также во внимание берется технологичность производства.
Применение
На атомные электростанции и другие ядерные установки топливо приходит в виде ТВС. Они могут загружаться в реактор как во время его работы (на место выгоревших ТВС), так и во время ремонтной кампании. В последнем случае тепловыделяющие сборки меняют крупными группами. При этом лишь третья часть топлива заменяется полностью. Наиболее выгоревшие сборки выгружаются из центральной части реактора, а на их место ставятся частично выгоревшие сборки, которые ранее находились в менее активных областях. Следовательно, на место последних устанавливаются новые ТВС. Эта нехитрая схема перестановки считается традиционной и имеет ряд преимуществ, главным из которых является обеспечение равномерного энерговыделения. Конечно же, это условная схема, которая дает лишь общие представления о процессе.
Выдержка
После изъятия отработанного ядерного топлива из активной зоны реактора, его отправляют в бассейн выдержки, который, как правило, находится неподалеку. Дело в том, что в отработанных ТВС содержится огромное количество осколков деления урана. После выгрузки из реактора каждый ТВЭЛ содержит порядка 300 тысяч Кюри радиоактивных веществ, выделяющих 100 кВт/час энергии. За счет нее топливо саморазогревается и становится высокорадиоактивным.
Температура недавно выгруженного топлива может достигать 300°С. Поэтому его выдерживают на протяжении 3-4 лет под слоем воды, температура которой поддерживается в установленном диапазоне. По мере хранения под водой, радиоактивность топлива и мощность его остаточных выделений падает. Примерно через три года саморазогрев ТВС доходит уже до 50-60°С. Тогда топливо извлекают из бассейнов и отправляют на переработку или захоронение.
Металлический уран
Металлический уран используется в качестве топлива для ядерных реакторов относительно редко. Когда вещество достигает температуры 660°С, происходит фазовый переход, сопровождающийся изменением его структуры. Попросту говоря, уран увеличивается в объеме, что может привести к разрушению ТВЭЛа. В случае длительного облучения при температуре 200-500°С вещество подвергается радиационному росту. Суть этого явления заключается в удлинении облученного уранового стержня в 2-3 раза.
Применение металлического урана при температуре более 500°С затрудняется из-за его распухания. После деления ядра образуется два осколка, суммарный объем которых превышает объем того самого ядра. Часть осколков деления представлена атомами газов (ксенон, криптон и др.). Газ накапливается в порах урана и формирует внутреннее давление, которое растет по мере увеличения температуры. За счет увеличения объема атомов и повышения давления газов ядерное топливо начинает распухать. Таким образом, под этим подразумевается относительное изменение объема, связанное с делением ядер.
Сила распухания зависит от температуры ТВЭЛов и выгорания. С увеличением выгорания, возрастает количество осколков деления, а с увеличение температуры и выгорания – внутреннее давление газов. Если топливо обладает более высокими механическими качествами, то оно менее подвержено распуханию. Металлический уран к таким материалам не относится. Поэтому его применение в качестве топлива для ядерных реакторов ограничивает глубину выгорания, являющуюся одной из главных характеристик такого топлива.
Механические свойства урана и его радиационная стойкость улучшаются путем легирования материала. Это процесс предполагает добавление к нему алюминия, молибдена и других металлов. Благодаря легирующим добавкам, число нейтронов деления, необходимое на один захват, снижается. Поэтому для этих целей используются материалы, которые слабо поглощают нейтроны.
Тугоплавкие соединения
Хорошим ядерным топливом считаются некоторые тугоплавкие соединения урана: карбиды, окислы и интерметаллические соединения. Наиболее распространенным из них является диоксид урана (керамика). Его температура плавления составляет 2800°С, а плотность – 10,2 г/см 3 .
Так как у этого материала нет фазовых переходов, он менее подвержен распуханию, нежели сплавы урана. Благодаря этой особенности температуру выгорания можно повысить на несколько процентов. На высоких температурах керамика не взаимодействует с ниобием, цирконием, нержавеющей сталью и прочими материалами. Ее главный недостаток заключается в низкой теплопроводности – 4,5 кДж (м*К), ограничивающей удельную мощность реактора. Кроме того, горячая керамика склонна к растрескиванию.
Плутоний
Плутоний считается низкоплавким металлом. Он плавится при температуре 640°С. Из-за плохих пластических свойств он практически не поддается механической обработке. Токсичность вещества усложняет технологию изготовления ТВЭЛов. В атомной промышленности неоднократно предпринимались попытки использования плутония и его соединений, однако они не увенчались успехом. Использовать топливо для атомных электростанций, содержащее плутоний, нецелесообразно из-за примерно 2-кратного уменьшения периода разгона, на что не рассчитаны стандартные системы управления реакторами.
Для изготовления ядерного топлива, как правило, используют диоксид плутония, сплавы плутония с минералами, а также смесь карбидов плутония с карбидами урана. Высокими механическими свойствами и теплопроводностью обладают дисперсионные топлива, в которые частицы соединений урана и плутония размещаются в металлической матрице из молибдена, алюминия, нержавеющей стали и прочих металлов. От материала матрицы зависит радиационная стойкость и теплопроводность дисперсионного топлива. К примеру, на первой АЭС дисперсионное топливо состояло из частиц уранового сплава с 9% молибдена, которые были залиты молибденом.
Что касается ториевого топлива, то оно на сегодня не используется в силу трудностей производства и переработки ТВЭЛов.
Добыча
Значительные объемы основного сырья для ядерного топлива – урана сконцентрированы в нескольких странах: Россия, США, Франция, Канада и ЮАР. Его залежи, как правило, находятся около золота и меди, поэтому все эти материалы добывают одновременно.
Здоровье людей, работающих на разработках, подвержено большой опасности. Дело в том, что уран является токсичным материалом, и газы, выделяющиеся в процессе его добычи, могут вызывать рак. И это притом, что в руде содержится не более 1% этого вещества.
Получение
Производство ядерного топлива из урановой руды включает в себя такие стадии, как:
Регенерация
Во время работы ядерного реактора топливо не может полностью выгорать, поэтому воспроизводятся свободные изотопы. В этой связи отработанные ТВЭЛЫ подлежат регенерации с целью повторного использования.
На сегодня эту задачу решают путем пьюрекс-процесса, состоящего из таких этапов, как:
- Разрезание ТВЭЛов на две части и растворение их в азотной кислоте;
- Очистка раствора от продуктов деления и частей оболочки;
- Выделение чистых соединений урана и плутония.
После этого полученный диоксид плутония идет на производство новых сердечников, а уран – на обогащение или также изготовление сердечников. Переработка ядерного топлива является сложным и дорогостоящим процессом. Ее стоимость оказывает существенное влияние на экономическую целесообразность использования атомных электростанций. То же самое можно сказать и про захоронение отходов ядерного топлива, не пригодных к регенерации.
Читайте также: