Tulenevalt asjaolust, et tuumkütus on efektiivsem kui kõik teised meil praegu kasutatavad kütuseliigid, eelistatakse väga kõike, mis tuumarajatiste abil (tuumaelektrijaamad, allveelaevad, laevad jne) suudab töötada. Sellest, kuidas reaktorite tuumakütust toodetakse, räägime hiljem.
Uraani kaevandatakse peamiselt kahel viisil:
1) Otsekaevandamine karjäärides või kaevandustes, kui uraani esinemise sügavus seda võimaldab. Loodan, et selle meetodiga on kõik selge.
2) Maa-alune leostumine. See on siis, kui uraani leiukohas puuritakse kaevud, pumbatakse neisse nõrk väävelhappe lahus ja lahus interakteerub juba uraaniga, ühinedes sellega. Seejärel pumbatakse saadud segu pinnale ja uraan ekstraheeritakse sellest keemiliste meetoditega.
Kujutage ette, et oleme kaevanduses juba uraani kaevandanud ja selle edasisteks muundamisteks ette valmistanud. Alloleval fotol - nn "kollane kook", U3O8. Tünnis edasiseks transportimiseks.
Kõik oleks hästi ja teoreetiliselt saaks seda uraani kohe kasutada tuumajaamade kütuse tootmiseks, aga paraku. Loodus, nagu alati, andis meile tööd. Fakt on see, et looduslik uraan koosneb kolme isotoobi segust. Need on U238 (99,2745%), U235 (0,72%) ja U234 (0,0055%). Meid huvitab siin ainult U235 – kuna see on reaktoris termiliste neutronitega suurepäraselt poolitatud, võimaldab just tema nautida kõiki lõhustumise ahelreaktsiooni eeliseid. Kahjuks ei piisa selle looduslikust kontsentratsioonist kaasaegse tuumajaama reaktori stabiilseks ja pikaajaliseks tööks. Kuigi minu teada on RBMK aparaat konstrueeritud nii, et see võib käivituda ka looduslikust uraanist pärit kütusel, kuid sellisel kütusel pole töö stabiilsus, pikaajalisus ja ohutus sugugi tagatud.
Peame uraani rikastama. See tähendab, et suurendada U235 kontsentratsiooni looduslikult reaktoris kasutatavale.
Näiteks RBMK reaktor töötab 2,8% rikastusega uraanil, VVER-1000 - rikastus 1,6-5,0%. Laevade ja laevade tuumaelektrijaamad tarbivad kuni 20% rikastatud kütust. Ja mõned uurimisreaktorid töötavad kütusel, mille rikastus on kuni 90% (näiteks IRT-T Tomskis).
Venemaal toimub uraani rikastamine gaasitsentrifuugides. See tähendab, et kollane pulber, mis oli fotol varem, muudetakse gaasiks, uraanheksafluoriidiks UF6. Seejärel läheb see gaas tervele tsentrifuugikaskaadile. Iga tsentrifuugi väljumisel saame U235 ja U238 tuumade massi erinevuse tõttu uraanheksafluoriidi, mille U235 sisaldus on veidi suurenenud. Protsessi korratakse mitu korda ja selle tulemusena saame vajaliku rikastusega uraanheksafluoriidi. Alloleval fotol näete lihtsalt tsentrifuugide kaskaadi ulatust - neid on palju ja need ulatuvad kaugele.
UF6 gaas muundatakse seejärel tagasi UO2-ks pulbri kujul. Lõppude lõpuks on keemia väga kasulik teadus ja võimaldab meil selliseid imesid luua.
Seda pulbrit pole aga nii lihtne reaktorisse valada. Õigemini saab magama jääda, aga midagi head sellest ei tule. See (pulber) tuleb viia sellisesse vormi, et saaksime selle pikaks ajaks, aastateks reaktorisse lasta. Sel juhul ei tohiks kütus ise jahutusvedelikuga kokku puutuda ja südamikust kaugemale minna. Ja kõige selle peale peab kütus vastu pidama väga-väga karmidele rõhkudele ja temperatuuridele, mis selles reaktoris töötades tekivad.
Muide, unustasin öelda, et pulber ka ei ole nagunii - see peab olema teatud suurusega, et pressimisel ja paagutamisel ei tekiks tarbetuid tühimikke ja pragusid. Esiteks valmistatakse pulbrist tabletid pressimise ja pikaajalise küpsetamise teel (tehnoloogia on tõesti keeruline, kui see katki läheb, siis kütusetablette ei saa kasutada). Alloleval fotol näitan tablettide variatsioone.
Tahvelarvutitel on vaja augud ja süvendid soojuspaisumise ja kiirgusdeformatsiooni kompenseerimiseks. Reaktoris aja jooksul tabletid paisuvad, painduvad, muudavad suurust ja kui midagi pole ette näha, võivad need kokku kukkuda ja see on halb.
Seejärel pakitakse valmis tabletid metalltorudesse (valmistatud terasest, tsirkooniumist ja selle sulamitest ning muudest metallidest). Torud on mõlemast otsast suletud ja suletud. Valmis toru kütusega nimetatakse kütuseelemendiks - kütuseelemendiks.
Erinevad reaktorid nõuavad erineva konstruktsiooni ja rikastusega kütusevardaid. RBMK kütusevarras näiteks 3,5 meetrit pikk. Kütusevardad, muide, pole ainult varras. nagu fotol. Need on lamell-, rõngakujulised, erinevat tüüpi ja modifikatsioonide meri.
Seejärel ühendatakse kütusevardad kütusesõlmedeks – kütusesõlmedeks. RBMK reaktori kütusesõlm koosneb 18 kütusevardast ja näeb välja umbes selline:
VVER-i reaktori kütusesõlm näeb välja selline:
Nagu näha, koosneb VVER reaktori FA palju suuremast arvust kütusevarrastest kui RBMK oma.
Valmis eritoode (FA) tarnitakse seejärel tuumaelektrijaama, järgides ettevaatusabinõusid. Miks võtta ettevaatusabinõusid? Tuumakütus, kuigi mitte veel radioaktiivne, on väga väärtuslik, kallis ja võib väga hooletu ümberkäimisel põhjustada palju probleeme. Seejärel viiakse läbi kütusesõlmede seisukorra lõplik kontroll ja - laadimine reaktorisse. See on kõik, uraan on läbinud pika tee maa-alusest maagist kuni kõrgtehnoloogilise seadmeni tuumareaktoris. Nüüd on tal teistsugune saatus - suruda mitu aastat reaktorisse ja vabastada väärtuslikku soojust, mille vesi (või mõni muu jahutusvedelik) talt võtab.
Tuumaenergiat kasutatakse soojusenergeetikas, kui energiat saadakse reaktorites olevast tuumakütusest soojusena. Seda kasutatakse elektri tootmiseks tuumaelektrijaamad (NPP), suurte merelaevade elektrijaamade jaoks, merevee magestamise jaoks.
Tuumaenergia võlgneb oma välimuse ennekõike 1932. aastal avastatud neutroni olemusele. Neutronid on osa kõigist aatomituumadest, välja arvatud vesiniku tuum. Seotud neutronid eksisteerivad tuumas lõputult. Vabal kujul on nad lühiealised, kuna nad kas lagunevad poolväärtusajaga 11,7 minutit, muutudes prootoniks ja kiirgades elektroni ja neutriino, või püüavad nad kiiresti kinni aatomituumade poolt.
Kaasaegne tuumaenergia põhineb loodusliku isotoobi lõhustumisel vabaneva energia kasutamisel uraan-235. Tuumaelektrijaamades viiakse läbi kontrollitud tuuma lõhustumise reaktsioon tuumareaktor. Tuuma lõhustumist tekitavate neutronite energia järgi eristada termilisi ja kiireid neutronreaktoreid.
Tuumaelektrijaama põhiseade on tuumareaktor, mille skeem on näidatud joonisel fig. 1. Energia saadakse tuumkütusest, mis seejärel viiakse soojusena üle teise töövedelikku (vesi, metalli- või orgaaniline vedelik, gaas); siis muudetakse see elektriks samamoodi nagu tavalistes.
Nad juhivad protsessi, säilitavad reaktsiooni, stabiliseerivad võimsust, käivitavad ja peatavad reaktori spetsiaalse mobiili abil kontrollvardad 6 ja 7 materjalidest, mis neelavad intensiivselt termilisi neutroneid. Neid juhib juhtimissüsteem 5 . Tegevused kontrollvardad avalduvad tuumas neutronvoo võimsuse muutumises. Kanalite järgi 10 vesi ringleb, jahutades bioloogilist kaitset betooni
Juhtvardad on valmistatud boorist või kaadmiumist, mis on termiliselt, kiirgus- ja korrosioonikindlad, mehaaniliselt tugevad ja heade soojusülekandeomadustega.
Massiivse terasest korpuse sees 3 on korv 8 kütuseelementidega 9 . Jahutusvedelik siseneb torujuhtme kaudu 2 , läbib südamikku, peseb kõik kütuseelemendid, soojeneb ja läbi torujuhtme 4 siseneb aurugeneraatorisse.
Riis. 1. Tuumareaktor
Reaktor asetatakse paksu betoonist bioloogilise isolatsiooniseadme sisse. 1 , mis kaitseb ümbritsevat ruumi neutronite, alfa-, beeta-, gammakiirguse voolu eest.
Kütuseelemendid (kütusevardad) on reaktori põhiosa. Neis toimub otse tuumareaktsioon ja soojus eraldub, kõik muud osad on soojuse isoleerimiseks, juhtimiseks ja eemaldamiseks. Struktuurselt võivad kütuseelemendid olla valmistatud vardast, plaadist, torukujulistest, sfäärilistest jne. Enamasti on need vardad, pikkusega kuni 1 meeter, läbimõõduga 10 mm. Tavaliselt on need kokku pandud uraanigraanulitest või lühikestest torudest ja plaatidest. Väljastpoolt on kütusevardad kaetud korrosioonikindla õhukese metallkestaga. Korpuse jaoks on kasutatud tsirkooniumi, alumiiniumi, magneesiumisulameid, aga ka legeeritud roostevaba terast.
Reaktori südamikus tuumareaktsiooni käigus eralduva soojuse ülekanne elektrijaamade mootori (turbiini) töövedelikule toimub üheahelalise, kaheahelalise ja kolmeahelalise skeemide järgi (joonis 2).
Riis. 2. Tuumaelektrijaam
a - üheahelalise skeemi järgi; b - vastavalt kaheahelalisele skeemile; c - vastavalt kolmeahelalisele skeemile
1 - reaktor; 2, 3 - bioloogiline kaitse; 4 - rõhuregulaator; 5 - turbiin; 6 - elektrigeneraator; 7 - kondensaator; 8 - pump; 9 - reservvõimsus; 10 – regeneratiivne kütteseade; 11 – aurugeneraator; 12 - pump; 13 - vahepealne soojusvaheti
Iga ahel on suletud süsteem. Reaktor 1 (kõigis soojusahelates), mis asetatakse primaarseadme sisse 2 ja teisejärguline 3 bioloogilised kaitsed. Kui tuumaelektrijaam on ehitatud üheahelalise soojusskeemi järgi, siis aur reaktorist läbi rõhuregulaatori 4 siseneb turbiini 5 . Turbiini võll on ühendatud generaatori võlliga 6 milles tekib elektrivool. Heitgaasi aur siseneb kondensaatorisse, kus see jahutatakse ja täielikult kondenseerub. Pump 8 suunab kondensaadi regeneratiivsesse küttekehasse 10 ja seejärel siseneb see reaktorisse.
Kaheahelalise skeemi korral siseneb reaktoris kuumutatud jahutusvedelik aurugeneraatorisse 11 , kus soojus kandub pinnaküttega üle töövedeliku jahutusvedelikule (sekundaarringi toitevesi). Surveveereaktorites jahutatakse aurugeneraatoris olevat jahutusvedelikku ligikaudu 15...40 °C ja seejärel tsirkulatsioonipumba abil. 12 tagasi reaktorisse.
Kolme ahelaga skeemi korral suunatakse reaktorist jahutusvedelik (tavaliselt vedel naatrium) vahesoojusvahetisse 13 ja sealt tsirkulatsioonipumba poolt 12 naaseb reaktorisse. Sekundaarringi jahutusvedelik on samuti vedel naatrium. See vooluahel ei ole kiiritatud ega ole seetõttu radioaktiivne. Teise ahela naatrium siseneb aurugeneraatorisse 11 , annab soojust töövedelikule ja seejärel suunatakse tsirkulatsioonipump tagasi vahesoojusvahetisse.
Ringlusringide arv määrab reaktori tüübi, kasutatava jahutusvedeliku, selle tuumafüüsikalised omadused ja radioaktiivsuse astme. Üheahelalist skeemi saab kasutada keeva vee reaktorites ja gaasjahutusega reaktorites. Kõige levinum kahekordne vooluring kui seda kasutatakse vee, gaasi ja orgaaniliste vedelike soojuskandjana. Kolmeahelalist skeemi kasutatakse kiirete neutronreaktoritega tuumaelektrijaamades, kus kasutatakse vedelaid metalli jahutusvedelikke (naatrium, kaalium, naatrium-kaaliumsulamid).
Tuumakütus võib olla uraan-235, uraan-233 ja plutoonium-232. Tooraine tuumkütuse saamiseks - looduslik uraan ja toorium. Ühe grammi lõhustuva materjali (uraan-235) tuumareaktsiooni käigus vabaneb energiat 22×10 3 kWh (19×10 6 cal). Selle energiahulga saamiseks on vaja põletada 1900 kg õli.
Uraan-235 on kergesti kättesaadav, selle energiavarud on ligikaudu samad kui fossiilkütustel. Nii madala efektiivsusega tuumkütust kasutades nagu praegu, ammenduvad aga olemasolevad uraaniallikad 50–100 aasta pärast. Samas on seal praktiliselt ammendamatud tuumakütuse "maardlad" – see on merevees lahustunud uraan. Seda leidub ookeanis sadu kordi rohkem kui maismaal. Ühe kilogrammi uraandioksiidi mereveest kättesaamise maksumus on umbes 60-80 dollarit ja tulevikus kahaneb see 30 dollarile ning maismaa rikkaimates maardlates toodetud uraandioksiidi maksumus on 10-20 dollarit. Seetõttu muutuvad mõne aja pärast kulud maismaal ja "mereveel" samas suurusjärgus.
Tuumakütuse maksumus on umbes poole väiksem kui fossiilse söe hind. Söeküttel töötavates elektrijaamades langeb kütuse osakaalule 50–70% elektrienergia maksumusest ja tuumaelektrijaamades 15–30%. Kaasaegne soojuselektrijaam võimsusega 2,3 miljonit kW (näiteks Samara GRES) tarbib päevas umbes 18 tonni kivisütt (6 rongi) või 12 tuhat tonni kütteõli (4 rongi). Sama võimsusega tuumakütus kulub ööpäeva jooksul vaid 11 kg ja aasta jooksul 4 tonni. Tuumaelektrijaam on aga ehituse, töötamise ja remondi poolest kallim kui soojusjaam. Näiteks 2–4 miljoni kW võimsusega tuumajaama ehitamine maksab ligikaudu 50–100% rohkem kui soojuselektrijaam.
Tuumaelektrijaama ehitamise kapitalikulusid on võimalik vähendada:
- seadmete standardimine ja ühtlustamine;
- kompaktsete reaktoriprojektide väljatöötamine;
- juhtimis- ja reguleerimissüsteemide täiustamine;
- reaktori tankimise ajaks seiskamise kestuse vähendamine.
Tuumaelektrijaamade (tuumareaktori) oluline omadus on kütusetsükli efektiivsus. Kütusetsükli ökonoomsuse parandamiseks peaksite:
- suurendada tuumkütuse põlemise sügavust;
- tõsta plutooniumi sigimise suhet.
Iga uraan-235 tuuma lõhustumisega eraldub 2-3 neutronit. Neist ainult ühte kasutatakse edasiseks reaktsiooniks, ülejäänud lähevad kaotsi. Küll aga on võimalik neid kasutada tuumkütuse taastootmiseks, luues kiirneutronreaktoreid. Kui reaktor töötab kiiretel neutronitel, on 1 kg põletatud uraan-235 kohta võimalik samaaegselt saada ligikaudu 1,7 kg plutoonium-239. Nii saab katta tuumajaamade madala soojusliku kasuteguri.
Kiirneutronreaktorid on (tuumakütuse kasutamise osas) kümme korda tõhusamad kui kütuseneutronreaktorid. Neil puudub moderaator ja nad kasutavad kõrgelt rikastatud tuumakütust. Südamikust eralduvaid neutroneid neelavad mitte konstruktsioonimaterjalid, vaid nende ümber paiknevad uraan-238 või toorium-232.
Tulevikus on tuumaelektrijaamade peamised lõhustuvad materjalid plutoonium-239 ja uraan-233, mis saadakse vastavalt kiirneutronreaktorites uraan-238-st ja toorium-232-st. Reaktorites uraan-238 muundamine plutoonium-239-ks suurendab tuumkütuse ressursse umbes 100 korda ja toorium-232 uraan-233-ks 200 korda.
Joonisel fig. Joonisel 3 on kujutatud kiirete neutronite tuumaelektrijaama diagramm.
Kiiretel neutronitel oleva tuumaelektrijaama iseloomulikud tunnused on:
- tuumareaktori kriitilisuse muutmine toimub osa tuumakütuse lõhustumisneutronitest peegeldades perifeeriast tagasi tuumani, kasutades reflektoreid 3 ;
- helkurid 3 suudab pöörata, muutes neutronite leket ja sellest tulenevalt ka lõhustumisreaktsioonide intensiivsust;
- taastoodetakse tuumakütust;
- liigse soojusenergia eemaldamine reaktorist toimub jahuti-radiaatori abil 6 .
Riis. 3. Kiiretel neutronitel tuumaelektrijaama skeem:
1 - kütuseelemendid; 2 – taastuv tuumkütus; 3 – kiirneutronreflektorid; 4 - tuumareaktor; 5 - elektrienergia tarbija; 6 - külmik-emitter; 7 - soojusenergia muundur elektrienergiaks; 8 - kiirguskaitse.
Soojusenergia muundurid elektrienergiaks
Tuumaelektrijaamas toodetud soojusenergia kasutamise põhimõtte kohaselt võib muundurid jagada kahte klassi:
- masin (dünaamiline);
- masinateta (otsemuundurid).
Masinamuundurites on reaktoriga tavaliselt ühendatud gaasiturbiinijaam, milles töövedelikuks võib olla vesinik, heelium, heelium-ksenooni segu. Otse turbogeneraatorisse tarnitava soojuse elektrienergiaks muundamise kasutegur on üsna kõrge - muunduri kasutegur η = 0,7-0,75.
Dünaamilise gaasiturbiini (masina) muunduriga tuumaelektrijaama skeem on näidatud joonisel fig. neli.
Teist tüüpi masinamuundurid on magnetogasdünaamiline või magnetohüdrodünaamiline generaator (MGDG). Sellise generaatori skeem on näidatud joonisel fig. 5. Generaator on ristkülikukujulise ristlõikega kanal, mille kaks seina on valmistatud dielektrikust ja kaks elektrit juhtivast materjalist. Läbi kanalite liigub elektrit juhtiv töövedelik – vedel või gaasiline, millesse tungib magnetväli. Nagu teate, tekib juhi liikumisel magnetväljas EMF, mis piki elektroode 2 üle elektritarbijale 3 . Töötava soojusvoo energiaallikaks on tuumareaktoris vabanev soojus. See soojusenergia kulub laengute liikumisele magnetväljas, s.t. muundatakse voolu juhtiva joa kineetiliseks energiaks ja kineetiline energia elektrienergiaks.
Riis. 4. Gaasiturbiinmuunduriga tuumaelektrijaama skeem:
1 - reaktor; 2 – ahel vedela metalli jahutusvedelikuga; 3 – soojusvaheti gaasi soojuse varustamiseks; 4 - turbiin; 5 - elektrigeneraator; 6 - kompressor; 7 - radiaator-radiaator; 8 – soojuse eemaldamise ahel; 9 - tsirkulatsioonipump; 10 - soojusvaheti soojuse eemaldamiseks; 11 - soojusvaheti-regeneraator; 12 - ahel gaasiturbiini muunduri töövedelikuga.
Soojusenergia otsemuundurid (masinateta) elektrienergiaks jagunevad:
- termoelektriline;
- termiline;
- elektrokeemiline.
Termoelektrilised generaatorid (TEG) põhinevad Seebecki põhimõttel, mis seisneb selles, et erinevatest materjalidest koosnevas suletud ahelas tekib termoelektriline võimsus, kui nende materjalide kokkupuutepunktides säilib temperatuuride erinevus (joonis 6). . Elektri tootmiseks on soovitav kasutada pooljuht-TEG-sid, millel on suurem kasutegur, kusjuures kuuma ristmiku temperatuur tuleb viia 1400 K-ni ja kõrgemale.
Termomuundurid (TEC) võimaldavad saada elektrit kõrge temperatuurini kuumutatud katoodist elektronide emissiooni tulemusena (joonis 7).
Riis. 5. Magnetogasdünaamiline generaator:
1 – magnetväli; 2 - elektroodid; 3 - elektrienergia tarbija; 4 - dielektriline; 5 - dirigent; 6 - töövedelik (gaas).
Riis. 6. Termoelektrilise generaatori töö skeem
Riis. 7. Termomuunduri tööskeem
Emissioonivoolu säilitamiseks antakse katoodile soojust Küks . Katoodi poolt emiteeritud elektronid, ületades vaakumpilu, jõuavad anoodile ja neelduvad selles. Elektronide "kondenseerumisel" anoodil vabaneb energia, mis võrdub vastupidise märgiga elektronide tööfunktsiooniga. Kui tagame pideva soojuse juurdevoolu katoodile ja selle eemaldamise anoodilt, siis läbi koormuse R hakkab voolama alalisvool. Elektronide emissioon toimub tõhusalt katoodide temperatuuril üle 2200 K.
TEJ töö ohutus ja töökindlus
Tuumaenergeetika arendamise üks põhiküsimusi on tuumajaamade töökindluse ja ohutuse tagamine.
Kiirgusohutuse tagavad:
- töökindlate struktuuride ja seadmete loomine personali bioloogiliseks kaitseks kiirgusega kokkupuute eest;
- TEJ ruumidest väljuva õhu ja vee puhastamine väljaspool selle piire;
- radioaktiivse saaste eraldamine ja usaldusväärne lokaliseerimine;
- TEJ ruumide igapäevane dosimeetriline kontroll ja personali individuaalne dosimeetriline kontroll.
Tuumaelektrijaama ruumid jagunevad sõltuvalt töörežiimist ja neisse paigaldatud seadmetest kolme kategooriasse:
- range režiimiga tsoon;
- piiranguvöönd;
- tavarežiimi tsoon.
Kolmanda kategooria ruumides viibib pidevalt personal, need jaama ruumid on kiirguskindlad.
Tuumaelektrijaamades tekivad tahked, vedelad ja gaasilised radioaktiivsed jäätmed. Need tuleb utiliseerida nii, et ei tekiks keskkonnareostust.
Ventilatsiooni käigus ruumist eemaldatavad gaasid võivad sisaldada radioaktiivseid aineid aerosoolide, radioaktiivse tolmu ja radioaktiivsete gaaside kujul. Jaama ventilatsioon on ehitatud selliselt, et õhuvoolud liiguvad kõige “puhtamalt” “saastunuks” ning vastassuunalised ristvoolud on välistatud. Jaama kõigis ruumides toimub õhu täielik asendamine mitte rohkem kui ühe tunni jooksul.
Tuumaelektrijaamade töö käigus kerkib esile radioaktiivsete jäätmete äraveo ja kõrvaldamise probleem. Reaktorites kulutatud kütusevardad peavad vastu teatud aja veebasseinides otse tuumaelektrijaamades, kuni toimub lühikese poolestusajaga isotoopide stabiliseerumine, misjärel kütusevardad saadetakse regenereerimiseks spetsiaalsetesse radiokeemilistesse tehastesse. Seal ammutatakse kütusevarrastest tuumkütust ja radioaktiivsed jäätmed maetakse.
Tuumakütus on materjal, mida kasutatakse tuumareaktorites kontrollitud ahelreaktsiooni läbiviimiseks. See on äärmiselt energiamahukas ja inimestele ohtlik, mis seab selle kasutamisele mitmeid piiranguid. Täna saame teada, mis on tuumareaktori kütus, kuidas seda klassifitseeritakse ja toodetakse, kus seda kasutatakse.
Ahelreaktsiooni kulg
Tuuma ahelreaktsiooni käigus jaguneb tuum kaheks osaks, mida nimetatakse lõhustumisfragmentideks. Samal ajal vabaneb mitu (2-3) neutronit, mis põhjustavad järgnevate tuumade lõhustumise. Protsess toimub siis, kui neutron siseneb algaine tuuma. Lõhustumisfragmentidel on kõrge kineetiline energia. Nende aine aeglustumisega kaasneb tohutu hulga soojuse eraldumine.
Lõhustumisfragmente koos nende lagunemissaadustega nimetatakse lõhustumisproduktideks. Tuumasid, mis lõhustuvad mis tahes energiaga neutronitega, nimetatakse tuumakütuseks. Reeglina on need paaritu arvu aatomitega ained. Mõned tuumad lõhustuvad puhtalt neutronitega, mille energia on üle teatud läve. Need on valdavalt paarisarvu aatomitega elemendid. Selliseid tuumasid nimetatakse tooraineteks, kuna lävituuma poolt neutronite kinnipüüdmise hetkel moodustuvad kütuse tuumad. Kütuse ja tooraine kombinatsiooni nimetatakse seega tuumakütuseks.
Klassifikatsioon
Tuumakütus jaguneb kahte klassi:
- looduslik uraan. See sisaldab lõhustuvaid uraan-235 tuumasid ja toorainet uraan-238, mis on neutronite püüdmisel võimeline moodustama plutoonium-239.
- Sekundaarset kütust looduses ei leidu. Muuhulgas sisaldab see plutoonium-239, mida saadakse esimest tüüpi kütusest, aga ka uraan-233, mis tekib neutronite püüdmisel toorium-232 tuumade poolt.
Keemilise koostise poolest eristatakse järgmist tüüpi tuumkütust:
- Metall (sh sulamid);
- oksiid (näiteks UO 2);
- Karbiid (näiteks PuC 1-x);
- segatud;
- Nitriid.
TVEL ja TVS
Tuumareaktorite kütust kasutatakse väikeste graanulite kujul. Need asetatakse hermeetiliselt suletud kütuseelementidesse (TVEL), mis omakorda on ühendatud mitmesaja kütusesõlmega (FA). Tuumakütusele kehtivad kõrged nõuded ühilduvusele kütusevarda kattega. Sellel peaks olema piisav sulamis- ja aurustumistemperatuur, hea soojusjuhtivus ja see ei tohiks neutronkiirguse mõjul oluliselt suureneda. Arvesse võetakse ka toodangu valmistatavust.
Rakendus
Tuumaelektrijaamad ja muud tuumarajatised saavad kütust kütusesõlmede kujul. Neid saab reaktorisse laadida nii selle töötamise ajal (põlenud kütusesõlmede asemel) kui ka remondikampaania ajal. Viimasel juhul vahetatakse kütusekomplekte suurte rühmadena. Sel juhul asendatakse täielikult ainult kolmandik kütusest. Enim läbipõlenud sõlmed laaditakse maha reaktori keskosast ning asemele asetatakse osaliselt läbipõlenud sõlmed, mis varem asusid vähemaktiivsetel aladel. Sellest tulenevalt paigaldatakse viimaste asemele uued kütusesõlmed. Seda lihtsat ümberkorraldusskeemi peetakse traditsiooniliseks ja sellel on mitmeid eeliseid, millest peamine on tagada ühtlane energia vabanemine. Loomulikult on see tingimuslik skeem, mis annab protsessi kohta ainult üldisi ideid.
Väljavõte
Pärast kasutatud tuumkütuse eemaldamist reaktori südamikust suunatakse see kasutatud tuumkütuse basseini, mis reeglina asub selle läheduses. Fakt on see, et kasutatud tuumkütuse komplektid sisaldavad suur summa uraani lõhustumise killud. Pärast reaktorist mahalaadimist sisaldab iga kütuseelement umbes 300 tuhat Curie radioaktiivset ainet, vabastades 100 kW/h energiat. Tänu sellele kuumeneb kütus ise ja muutub väga radioaktiivseks.
Hiljuti mahalaaditud kütuse temperatuur võib ulatuda 300°C-ni. Seetõttu hoitakse seda 3-4 aastat veekihi all, mille temperatuuri hoitakse kehtestatud vahemikus. Kütuse ladustamisel vee all väheneb kütuse radioaktiivsus ja jääkheitmete võimsus. Umbes kolm aastat hiljem küünib kütusesõlmede isekuumenemine juba 50–60°C-ni. Seejärel eemaldatakse kütus basseinidest ja saadetakse töötlemiseks või kõrvaldamiseks.
Metalliline uraan
Metallist uraani kasutatakse tuumareaktorite kütusena suhteliselt harva. Kui aine jõuab temperatuurini 660°C, toimub faasiüleminek, millega kaasneb muutus selle struktuuris. Lihtsamalt öeldes suureneb uraani maht, mis võib viia kütuseelemendi hävimiseni. Pikaajalisel kiiritamisel temperatuuril 200-500°C toimub aines kiirguse kasv. Selle nähtuse olemus on kiiritatud uraanipulga pikenemine 2-3 korda.
Metallilise uraani kasutamine temperatuuril üle 500 °C on selle paisumise tõttu keeruline. Pärast tuuma lõhustumist moodustub kaks fragmenti, mille kogumaht ületab sama tuuma ruumala. Osa lõhustumisfragmentidest on esindatud gaasiaatomitega (ksenoon, krüptoon jne). Gaas koguneb uraani pooridesse ja moodustab siserõhu, mis temperatuuri tõustes suureneb. Aatomite mahu suurenemise ja gaasirõhu suurenemise tõttu hakkab tuumkütus paisuma. Seega viitab see tuuma lõhustumisega seotud suhtelisele mahu muutusele.
Paisumisjõud sõltub kütusevarraste temperatuurist ja põlemisest. Põlemise suurenemisega suureneb lõhustumisfragmentide arv ning temperatuuri ja põlemise tõustes suureneb gaaside siserõhk. Kui kütusel on kõrgemad mehaanilised omadused, on see vähem paisuv. Metalliline uraan ei kuulu nende materjalide hulka. Seetõttu piirab selle kasutamine tuumareaktorite kütusena põlemissügavust, mis on sellise kütuse üks peamisi omadusi.
Uraani mehaanilised omadused ja kiirguskindlus paranevad materjali dopinguga. See protsess hõlmab alumiiniumi, molübdeeni ja muude metallide lisamist sellele. Tänu dopantidele väheneb ühe püüdmise kohta vajalike lõhustumisneutronite arv. Seetõttu kasutatakse nendel eesmärkidel materjale, mis neelavad neutroneid nõrgalt.
Tulekindlad ühendid
Mõnda tulekindlat uraaniühendit peetakse heaks tuumakütuseks: karbiide, oksiide ja intermetallilisi ühendeid. Kõige tavalisem neist on uraandioksiid (keraamiline). Selle sulamistemperatuur on 2800 °C ja tihedus 10,2 g/cm 3 .
Kuna sellel materjalil ei ole faasisiirdeid, on see vähem paisuv kui uraanisulamid. Tänu sellele funktsioonile saab läbipõlemistemperatuuri mitme protsendi võrra tõsta. Kõrgel temperatuuril ei puutu keraamika kokku nioobiumi, tsirkooniumi, roostevaba terase ja muude materjalidega. Selle peamiseks puuduseks on madal soojusjuhtivus - 4,5 kJ (m * K), mis piirab reaktori erivõimsust. Lisaks on kuum keraamika altid pragunemisele.
Plutoonium
Plutooniumi peetakse madala sulamistemperatuuriga metalliks. See sulab temperatuuril 640 ° C. Kehvade plastiliste omaduste tõttu ei ole see praktiliselt töödeldav. Aine mürgisus muudab kütusevarda valmistamise tehnoloogia keerulisemaks. Tuumatööstuses on korduvalt püütud kasutada plutooniumi ja selle ühendeid, kuid need pole olnud edukad. Plutooniumi sisaldavate tuumaelektrijaamade kütuse kasutamine on ebaotstarbekas kiirendusperioodi ligikaudu 2-kordse vähenemise tõttu, mis ei ole mõeldud tavaliste reaktori juhtimissüsteemide jaoks.
Tuumakütuse tootmiseks kasutatakse reeglina plutooniumdioksiidi, plutooniumisulameid mineraalidega ning plutooniumkarbiidide ja uraankarbiidide segu. Dispersioonkütustel, milles uraani ja plutooniumiühendite osakesed asetatakse molübdeeni, alumiiniumi, roostevaba terase ja muude metallide metallmaatriksisse, on kõrged mehaanilised omadused ja soojusjuhtivus. Dispersioonkütuse kiirgustakistus ja soojusjuhtivus sõltuvad maatriksi materjalist. Näiteks esimeses tuumaelektrijaamas koosnes dispersioonkütus 9% molübdeeniga uraanisulami osakestest, mis täideti molübdeeniga.
Mis puutub tooriumkütusesse, siis seda praegu ei kasutata kütusevarraste tootmise ja töötlemise raskuste tõttu.
Kaevandamine
Märkimisväärsed kogused tuumakütuse peamist toorainet - uraani - on koondunud mitmesse riiki: Venemaale, USA-sse, Prantsusmaale, Kanadasse ja Lõuna-Aafrikasse. Selle maardlaid leidub tavaliselt kulla ja vase läheduses, nii et kõiki neid materjale kaevandatakse samal ajal.
Kaevandamisel töötavate inimeste tervis on suures ohus. Fakt on see, et uraan on mürgine materjal ja selle kaevandamisel eralduvad gaasid võivad põhjustada vähki. Ja seda hoolimata asjaolust, et maak ei sisalda seda ainet rohkem kui 1%.
Kviitung
Tuumakütuse tootmine uraanimaagist hõlmab järgmisi etappe:
- Hüdrometallurgiline töötlemine. Hõlmab leostamist, purustamist ja ekstraheerimist või sorptsiooniga ekstraheerimist. Hüdrometallurgilise töötlemise tulemuseks on oksüuraanoksiidi, naatriumdiuranaadi või ammooniumdiuranaadi puhastatud suspensioon.
- Aine muundamine oksiidist uraan-235 rikastamiseks kasutatavaks tetrafluoriidiks või heksafluoriidiks.
- Aine rikastamine tsentrifuugimise või gaasilise termilise difusiooni teel.
- Rikastatud materjali muundamine dioksiidiks, millest toodetakse kütusevarraste "pillid".
Regeneratsioon
Tuumareaktori töötamise ajal ei saa kütus täielikult läbi põleda, mistõttu vabad isotoobid taastoodetakse. Sellega seoses tuleb kasutatud kütusevardad taaskasutamise eesmärgil regenereerida.
Tänapäeval lahendab selle probleemi Purexi protsess, mis koosneb järgmistest sammudest:
- Kütusevarraste lõikamine kaheks osaks ja lahustamine lämmastikhappes;
- Lahuse puhastamine lõhustumisproduktidest ja kesta osadest;
- Uraani ja plutooniumi puhaste ühendite eraldamine.
Seejärel kasutatakse tekkivat plutooniumdioksiidi uute südamike tootmiseks ning uraani kasutatakse rikastamiseks või ka südamike valmistamiseks. Tuumakütuse ümbertöötlemine on keeruline ja kulukas protsess. Selle maksumusel on oluline mõju tuumaelektrijaamade kasutamise majanduslikule otstarbekusele. Sama võib öelda ka regenereerimiseks sobimatute tuumkütusejäätmete kõrvaldamise kohta.
TVS (kütusekomplekt)
Tuumakütus– materjalid, mida kasutatakse tuumareaktorites kontrollitud tuuma lõhustumise ahelreaktsiooni läbiviimiseks. Tuumakütus erineb põhimõtteliselt teistest inimkonna poolt kasutatavatest kütuseliikidest, on äärmiselt energiamahukas, aga ka inimesele väga ohtlik, mis seab selle kasutamisele ohutuse huvides palju piiranguid. Sel ja paljudel muudel põhjustel on tuumkütust palju keerulisem kasutada kui mis tahes tüüpi fossiilkütust ning selle kasutamiseks on vaja palju tehnilisi ja organisatsioonilisi erimeetmeid ning sellega tegelevaid kõrgelt kvalifitseeritud töötajaid.
Üldine informatsioon
Tuuma ahelreaktsioon on tuuma lõhustumine kaheks osaks, nn lõhustumise killud, mitme (2-3) neutroni samaaegse vabanemisega, mis omakorda võib põhjustada järgmiste tuumade lõhustumist. Selline lõhustumine toimub siis, kui neutron siseneb algaine aatomi tuuma. Tuuma lõhustumise käigus tekkinud lõhustumisfragmentidel on suur kineetiline energia. Aine lõhustumise fragmentide aeglustumisega kaasneb suure hulga soojuse eraldumine. Lõhustumisfragmendid on tuumad, mis tekivad vahetult lõhustumise tulemusena. Lõhustumise fragmente ja nende radioaktiivseid lagunemissaadusi nimetatakse tavaliselt lõhustumisproduktid. Tuumasid, mis lõhustuvad mis tahes energiaga neutronitega, nimetatakse tuumakütuseks (reeglina on need paaritu aatomnumbriga ained). On tuumasid, mis lõhustuvad ainult neutronite abil, mille energia ületab teatud läviväärtuse (reeglina on need paarisaatomarvuga elemendid). Selliseid tuumasid nimetatakse toormaterjalideks, kuna kui lävituum haarab neutroni, moodustuvad tuumakütuse tuumad. Tuumakütuse ja tooraine kombinatsiooni nimetatakse tuumakütuseks. Allpool on toodud 235 U tuuma tuuma lõhustumisenergia jaotus erinevate lõhustumisproduktide vahel (MeV-des):
| Lõhustumisfragmentide kineetiline energia | 162 | 81% |
| Lõhustumisneutronite kineetiline energia | 5 | 2,5% |
| Neutronite püüdmisega kaasneva γ-kiirguse energia | 10 | 5% |
| Lõhustumisproduktide γ-kiirguse energia | 6 | 3% |
| Lõhustumisproduktide β-kiirguse energia | 5 | 2,5% |
| Neutriinode poolt kaasa viidud energia | 11 | 5,5% |
| Lõhustumise koguenergia | ~200 | 100% |
|---|
Kuna neutriino energia kandub ära pöördumatult, on kasutamiseks saadaval vaid 188 MeV/aatom = 30 pJ/aatom = 18 TJ/mol = 76,6 TJ/kg (teistel andmetel (vt link) 205,2 - 8,6 = 196 ,6 MeV) /aatom) .
Looduslik uraan koosneb kolmest isotoobist: 238U (99,282%), 235U (0,712%) ja 234U (0,006%). See ei sobi alati tuumkütuseks, eriti kui konstruktsioonimaterjalid ja moderaator neelavad ulatuslikult neutroneid. Sel juhul valmistatakse tuumkütust rikastatud uraani baasil. Termoreaktorites kasutatakse uraani, mille rikastus on alla 6%, kiir- ja vahepealsetes neutronreaktorites ületab uraani rikastamine 20%. Rikastatud uraani saadakse spetsiaalsetes rikastustehastes.
Klassifikatsioon
Tuumakütus jaguneb kahte tüüpi:
- Looduslik uraan, mis sisaldab 235 U lõhustuvaid tuumasid, samuti 238 U toorainet, mis on neutroni hõivamisel võimeline moodustama plutooniumi 239 Pu;
- Teisene kütus, mida looduses ei esine, sealhulgas 239 Pu, mis on saadud esimest tüüpi kütusest, samuti 233 U isotoopi, mis on tekkinud neutronite püüdmisel 232 Th tooriumi tuumaga.
Vastavalt keemilisele koostisele võib tuumkütus olla:
- Metall, sh sulamid;
- oksiid (näiteks UO 2);
- Karbiid (nt PuC 1-x)
- Segatud (PuO 2 + UO 2)
Rakenduse teoreetilised aspektid
Tuumakütust kasutatakse tuumareaktorites mõne sentimeetri suuruste graanulite kujul, kus see tavaliselt paikneb hermeetiliselt suletud kütuseelementides (TVEL), mis omakorda on kasutusmugavuse huvides kombineeritud mitmesaja kütusesõlme (FA) kujul. ).
Tuumakütusele kehtivad kõrged nõuded keemilisele ühilduvusele kütusevarda kattekihiga, sellel peab olema piisav sulamis- ja aurustumistemperatuur, hea soojusjuhtivus, neutronkiirguse ajal kerge ruumala suurenemine ja valmistatavus.
Metallilise uraani kasutamine, eriti temperatuuril üle 500 °C, on selle paisumise tõttu keeruline. Pärast tuuma lõhustumist moodustub kaks lõhustumise fragmenti, mille kogumaht on suurem kui uraani (plutooniumi) aatomi maht. Osa aatomitest - lõhustumisfragmendid on gaaside (krüptoon, ksenoon jne) aatomid. Gaasi aatomid kogunevad uraani pooridesse ja tekitavad siserõhu, mis tõuseb temperatuuri tõustes. Aatomite mahu muutumise tõttu lõhustumise protsessis ja gaaside siserõhu suurenemise tõttu hakkavad uraan ja teised tuumakütused paisuma. Turse all mõistetakse tuuma lõhustumisega seotud tuumakütuse mahu suhtelist muutust.
Turse oleneb põlemisest ja kütuseelemendi temperatuurist. Lõhustumisfragmentide arv suureneb põlemisel ning gaasi siserõhk tõuseb põlemise ja temperatuuri tõustes. Tuumkütuse paisumine võib põhjustada kütuseelemendi katte hävimise. Tuumakütusel on kõrgete mehaaniliste omadustega paisumine väiksem. Metalliline uraan lihtsalt ei kehti selliste materjalide puhul. Seetõttu piirab metallilise uraani kasutamine tuumkütusena põlemissügavust, mis on tuumakütuse üks peamisi omadusi.
Kütuse kiirguskindlust ja mehaanilisi omadusi parandab uraani doping, mille käigus lisatakse uraanile vähesel määral molübdeeni, alumiiniumi ja muid metalle. Dopingulisandid vähendavad lõhustumise neutronite arvu tuumakütusega neutronite püüdmise kohta. Seetõttu valitakse uraani legeerivad lisandid materjalide hulgast, mis neelavad nõrgalt neutroneid.
Heade tuumakütuste hulka kuuluvad mõned uraani tulekindlad ühendid: oksiidid, karbiidid ja metallidevahelised ühendid. Kõige laialdasemalt kasutatav keraamika - uraandioksiid UO 2 . Selle sulamistemperatuur on 2800 °C, tihedus 10,2 g/cm³. Uraandioksiidil ei ole faasisiirdeid ja see on vähem altid paisumisele kui uraanisulamid. See võimaldab suurendada läbipõlemist kuni mitme protsendini. Uraandioksiid ei interakteeru kõrgel temperatuuril tsirkooniumi, nioobiumi, roostevaba terase ja muude materjalidega. Keraamika peamiseks puuduseks on madal soojusjuhtivus - 4,5 kJ/(m·K), mis piirab reaktori erivõimsust sulamistemperatuuri osas. Seega ei ületa uraandioksiidi maksimaalne soojusvoo tihedus VVER reaktorites 1,4⋅10 3 kW/m², samas kui maksimaalne temperatuur kütusevarrastes ulatub 2200 °C-ni. Lisaks on kuum keraamika väga rabe ja võib praguneda.
Praktiline kasutamine
Kviitung
uraani kütus
Uraani tuumakütust saadakse maakide töötlemisel. Protsess toimub mitmes etapis:
- Kehvade hoiuste jaoks: Kaasaegses tööstuses kasutatakse rikaste uraanimaakide puudumise tõttu (erandiks on Kanada ja Austraalia mittevastavuse tüüpi maardlad, milles uraani kontsentratsioon ulatub 3%) maakide maa-aluse leostumise meetodil. See välistab kuluka maagi kaevandamise. Esialgne ettevalmistus läheb otse maa alla. Läbi süstimiskaevud väävelhapet pumbatakse maa alla maardla kohale, mõnikord lisades sellele raudsoolasid (uraani U (IV) oksüdeerimiseks U (VI)-ks), kuigi maagid sisaldavad sageli rauda ja pürolusiiti, mis hõlbustavad oksüdatsiooni. Läbi kaevandamiskaevud väävelhappe lahus uraaniga tõuseb spetsiaalsete pumpadega pinnale. Seejärel läheb see otse sorptsioonile, hüdrometallurgilisele ekstraheerimisele ja samaaegsele uraani rikastamisele.
- Maagimaardlate jaoks: kasutage maagi kontsentratsiooni ja radiomeetrilist maagi kontsentratsiooni.
- Hüdrometallurgiline töötlemine - uraani purustamine, leostumine, sorptsioon või ekstraheerimine puhastatud uraanoksiidi (U 3 O 8), naatriumdiuranaadi (Na 2 U 2 O 7) või ammooniumdiuranaadi ((NH 4) 2 U 2 O 7) saamiseks.
- Uraani ülekandmine oksiidist UF 4 tetrafluoriidiks või oksiididest otse UF 6 heksafluoriidi saamiseks, mida kasutatakse uraani rikastamiseks isotoobis 235.
- Rikastamine gaasi termilise difusiooni või tsentrifuugimisega.
- 235 isotoobiga rikastatud UF 6 muundatakse UO 2 dioksiidiks, millest valmistatakse kütusevarraste “pillid” või saadakse samal eesmärgil muid uraaniühendeid.
Uraanil või plutooniumil põhineva tuumkütuse elutsükkel algab kaevandusettevõtetes, keemiatehastes, gaasitsentrifuugides ega lõpe hetkel, mil kütuseagregaat reaktorist maha laaditakse, kuna iga kütuseagregaat peab läbima pika tee. kõrvaldamine ja seejärel ümbertöötlemine.
Tuumakütuse tooraine kaevandamine
Uraan on maakera raskeim metall. Umbes 99,4% maakera uraanist on uraan-238 ja ainult 0,6% uraan-235. Rahvusvahelise Aatomienergiaagentuuri "Punase raamatu" aruanne näitab uraani tootmise ja nõudluse kasvu vaatamata Fukushima-1 õnnetusele, mis pani paljusid mõtlema tuumaenergia väljavaadete üle. Ainuüksi viimase paari aasta jooksul on uuritud uraanivarud kasvanud 7%, mis on seotud uute maardlate avastamisega. Suurimateks tootjateks on jätkuvalt Kasahstan, Kanada ja Austraalia, kes toodavad kuni 63% maailma uraanist. Lisaks on metallivarusid Austraalias, Brasiilias, Hiinas, Malawis, Venemaal, Nigeris, USA-s, Ukrainas, Hiinas ja teistes riikides. Varem on Pronedra kirjutanud, et 2016. aastal kaevandati Vene Föderatsioonis 7,9 tuhat tonni uraani.
Tänapäeval kaevandatakse uraani kolmel erineval viisil. Avatud meetod ei kaota oma tähtsust. Seda kasutatakse juhtudel, kui hoiused on maapinna lähedal. Avatud kaevu meetodil loovad buldooserid karjääri, seejärel laaditakse lisanditega maak kallurautodesse, et transportida töötlemiskompleksidesse.
Sageli asub maagikeha suurtes sügavustes, sel juhul kasutatakse allmaakaevandamise meetodit. Kaevandus murrab välja kuni kahe kilomeetri sügavuselt, kivim kaevandatakse puurimise teel horisontaalsetes triivides, mis transporditakse kaubaliftides ülespoole.
Segul, mis sel viisil välja viiakse, on palju komponente. Kivi tuleb purustada, lahjendada veega ja eemaldada liigne. Järgmisena lisatakse segule leostumisprotsessi läbiviimiseks väävelhapet. Selle reaktsiooni käigus saavad keemikud uraanisoolade kollase sademe. Lõpuks rafineeritakse rafineerimistehases uraan koos lisanditega. Alles pärast seda saadakse uraanoksiid, millega kaubeldakse börsil.
On olemas palju turvalisem, keskkonnasõbralikum ja kulutõhusam viis, mida nimetatakse puuraugu in situ leotuseks (SIL).
Selle väljaarendusmeetodiga jääb territoorium personalile ohutuks ja kiirgusfoon vastab suurlinnade taustale. Uraani kaevandamiseks leostumise teel tuleb kuusnurga nurkadesse puurida 6 auku. Väävelhape pumbatakse nende kaevude kaudu uraanimaardlatesse, see seguneb oma sooladega. See lahus ekstraheeritakse, nimelt pumbatakse see välja kuusnurga keskel oleva kaevu kaudu. Uraanisoolade soovitud kontsentratsiooni saavutamiseks lastakse segu mitu korda läbi sorptsioonikolonnide.
Tuumakütuse tootmine
Tuumakütuse tootmine on mõeldamatu ilma gaasitsentrifuugideta, mida kasutatakse rikastatud uraani tootmiseks. Pärast vajaliku kontsentratsiooni saavutamist pressitakse uraandioksiidist nn tabletid. Nende loomisel kasutatakse määrdeaineid, mis eemaldatakse ahjudes põletamise ajal. Põletustemperatuur ulatub 1000 kraadini. Pärast seda kontrollitakse tablettide vastavust märgitud nõuetele. Pinna kvaliteet, niiskusesisaldus, hapniku ja uraani aine suhe.
Samal ajal valmistatakse teises töökojas kütuseelementide torukujulisi kestasid. Ülaltoodud protsesse, sealhulgas tablettide järgnevat doseerimist ja pakkimist korpusega torudesse, sulgemist, saastest puhastamist, nimetatakse kütuse tootmiseks. Venemaal tegelevad kütusesõlmede (FA) loomisega Moskva piirkonna ettevõtted "masinaehitustehas", Novosibirskis "Novosibirski keemiliste kontsentraatide tehas", "Moskva polümetallitehas" ja teised.
Iga kütusekomplektide partii luuakse kindlat tüüpi reaktori jaoks. Euroopa kütusesõlmed on valmistatud ruudu kujul ja venekeelsed - kuusnurkse sektsiooniga. Vene Föderatsioonis kasutatakse laialdaselt VVER-440 ja VVER-1000 tüüpi reaktoreid. Esimesi kütuseelemente VVER-440 jaoks hakati välja töötama 1963. aastal ja VVER-1000 jaoks 1978. aastal. Hoolimata asjaolust, et Venemaal võetakse aktiivselt kasutusele uusi Fukushima järgsete ohutustehnoloogiatega reaktoreid, töötab nii riigis kui ka välismaal palju vanaaegseid tuumarajatisi, mistõttu on erinevat tüüpi reaktorite kütusekomplektid sama olulised.
Näiteks RBMK-1000 reaktori ühe aktiivse tsooni kütusesõlmede varustamiseks on vaja rohkem kui 200 tuhat tsirkooniumisulamitest valmistatud komponenti, samuti 14 miljonit uraandioksiidi paagutatud graanulit. Mõnikord võib kütusesõlme valmistamise maksumus ületada elementides sisalduva kütuse maksumust, mistõttu on nii oluline tagada iga uraani kilogrammi kõrge energiatagastus.
Tootmisprotsessi kulud %
Eraldi tuleks öelda uurimisreaktorite kütusesõlmede kohta. Need on konstrueeritud nii, et neutronite tekkeprotsessi jälgimine ja uurimine oleks võimalikult mugav. Selliseid kütusevardaid katseteks tuumafüüsika, isotoopide tootmise ja kiirgusmeditsiini valdkondades Venemaal toodab Novosibirski keemiakontsentraatide tehas. TVS on loodud õmblusteta elementide baasil uraani ja alumiiniumiga.
Tuumakütuse tootmisega tegeleb Venemaa Föderatsioonis kütusefirma TVEL (Rosatomi osakond). Ettevõte tegeleb tooraine rikastamise, kütuseelementide montaaži kallal ning osutab ka kütuselitsentsiteenuseid. Kovrovi mehaanikatehas Vladimiri oblastis ja Uurali gaasitsentrifuugitehas Sverdlovski oblastis loovad seadmeid Venemaa kütusesõlmede jaoks.
Kütusevardade transportimise omadused
Looduslikku uraani iseloomustab madal radioaktiivsus, kuid enne kütusesõlmede tootmist läbib metall rikastamisprotseduuri. Uraan-235 sisaldus looduslikus maagis ei ületa 0,7% ja radioaktiivsus on 25 bekerelli 1 milligrammi uraani kohta.
Kütusesõlmedesse paigutatud uraanigraanulid sisaldavad uraani uraan-235 kontsentratsiooniga 5%. Tuumakütusega valmis kütusekomplekte transporditakse spetsiaalsetes kõrgtugevast metallist konteinerites. Transpordiks kasutatakse raudtee-, maantee-, mere- ja isegi õhutransporti. Iga konteiner sisaldab kahte komplekti. Kiiritamata (värske) kütuse transportimine ei kujuta endast kiirgusohtu, kuna kiirgus ei ulatu kaugemale tsirkooniumtorudest, millesse surutud uraanigraanulid asetatakse.
Kütusepartii jaoks töötatakse välja spetsiaalne marsruut, lasti transporditakse tootja või tellija turvatöötajate saatel (sagedamini), mis on eelkõige tingitud seadmete kõrgest maksumusest. Kogu tuumkütuse tootmise ajaloo jooksul ei ole registreeritud ühtegi kütusesõlmedega transpordiõnnetust, mis mõjutaks keskkonna kiirgusfooni või tooks kaasa inimohvreid.
Kütus reaktori südamikus
Tuumakütuse ühik - TVEL - on võimeline vabastama pikka aega tohutul hulgal energiat. Selliste mahtudega ei saa võrrelda ei kivisütt ega gaasi. Kütuse elutsükkel igas tuumaelektrijaamas algab värske kütuse mahalaadimisest, eemaldamisest ja ladustamisest kütusekomplektide laos. Kui eelmine kütusepartii reaktoris läbi põleb, komplekteerivad töötajad südamikusse (reaktori töötsooni, kus toimub lagunemisreaktsioon) laadimiseks kütusesõlmed. Reeglina laaditakse kütus osaliselt ümber.
Kütus laaditakse südamikusse täielikult alles reaktori esmakordsel käivitamisel. Selle põhjuseks on asjaolu, et reaktoris põlevad kütuseelemendid ebaühtlaselt läbi, kuna neutronivoo intensiivsus on reaktori erinevates tsoonides erinev. Tänu arvestusseadmetele on jaama personalil võimalus jälgida reaalajas iga kütuseühiku põlemisastet ja seda asendada. Mõnikord teisaldatakse uute kütusesõlmede laadimise asemel komplekte omavahel. Aktiivse tsooni keskel toimub läbipõlemine kõige intensiivsemalt.
TVS pärast tuumaelektrijaama
Tuumareaktoris välja töötanud uraani nimetatakse kiiritatud või läbipõlenud. Ja sellised kütusesõlmed - kasutatud tuumakütus. SNF on paigutatud radioaktiivsetest jäätmetest eraldi, kuna sellel on vähemalt 2 kasulikku komponenti - põletamata uraan (metalli läbipõlemine ei ulatu kunagi 100%) ja transuraani radionukliidid.
Viimasel ajal on füüsikud hakanud SNF-i kogunenud radioaktiivseid isotoope kasutama tööstuses ja meditsiinis. Kui kütus on oma kampaania läbi teinud (aeg, mil sõlme on reaktori südamikus nimivõimsusel töötamise tingimustes), suunatakse see kasutatud tuumkütuse basseini, sealt otse reaktoriruumi hoidlasse ja pärast seda - töötlemine või kõrvaldamine. Jahutusbassein on mõeldud soojuse eemaldamiseks ja ioniseeriva kiirguse eest kaitsmiseks, kuna kütusesõlmed jäävad pärast reaktorist eemaldamist ohtlikuks.
USA-s, Kanadas ega Rootsis SNF-i ümbertöötlemiseks ei saadeta. Teised riigid, sealhulgas Venemaa, töötavad suletud kütusetsükli kallal. See võimaldab oluliselt vähendada tuumkütuse tootmise omahinda, kuna osa SNF-ist taaskasutatakse.
Kütusevardad lahustatakse happes, misjärel eraldavad teadlased jäätmetest plutooniumi ja kasutamata uraani. Umbes 3% toorainest ei saa taaskasutada, need on kõrge radioaktiivsusega jäätmed, mis läbivad bituumenimise või klaasistamise protseduuri.
Kasutatud tuumkütusest saab 1% plutooniumi. Seda metalli ei ole vaja rikastada, Venemaa kasutab seda uuendusliku MOX-kütuse tootmisel. Suletud kütusetsükkel võimaldab muuta ühe kütusesõlme ligikaudu 3% odavamaks, samas nõuab see tehnoloogia suuri investeeringuid tööstusplokkide ehitusse, mistõttu pole see maailmas veel levinud. Sellest hoolimata ei lõpeta Rosatomi kütusefirma sellesuunalisi uuringuid. Pronedra kirjutas hiljuti, et Venemaa Föderatsioon töötab kütuse kallal, mis suudab kasutada reaktori südamikus ameritsiumi, kuuriumi ja neptuuniumi isotoope, mis sisalduvad väga radioaktiivsete jäätmete hulgas.
Tuumakütuse tootjad: hinnang
- Kuni viimase ajani andis Prantsuse ettevõte Areva 31% maailma kütusekomplektide turust. Ettevõte tegeleb tuumakütuse tootmise ja tuumaelektrijaamade komponentide komplekteerimisega. 2017. aastal toimus Arevas kvalitatiivne uuendus, ettevõttesse tulid uued investorid ning 2015. aasta kolossaalne kahjum vähenes 3 korda.
- Westinghouse on Jaapani ettevõtte Toshiba Ameerika divisjon. Ta arendab aktiivselt turgu Ida-Euroopas, tarnib Ukraina tuumaelektrijaamadele kütusekomplekte. Koos Toshibaga annab see 26% maailma tuumakütuse tootmise turust.
- Kolmandal kohal on riigikorporatsiooni Rosatom (Venemaa) kütusefirma TVEL. TVEL annab 17% maailmaturust, tal on kümneaastane lepinguportfell väärtusega 30 miljardit dollarit ja ta varustab kütusega enam kui 70 reaktorit. TVEL arendab kütusekomplekte VVER reaktorite jaoks ning siseneb ka lääne disainiga tuumaseadmete turule.
- Japan Nuclear Fuel Limited annab viimastel andmetel 16% maailmaturust, tarnib enamikku Jaapani enda tuumareaktoritest kütusekomplekte.
- Mitsubishi Heavy Industries on Jaapani hiiglane, mis toodab turbiine, tankereid, kliimaseadmeid ja viimasel ajal ka tuumakütust lääne tüüpi reaktorite jaoks. Mitsubishi Heavy Industries (emaettevõtte divisjon) tegeleb APWR tuumareaktorite ehitamisega, teadustegevusega koos Arevaga. Just selle ettevõtte valis Jaapani valitsus uute reaktorite väljatöötamiseks.