כיצד מיוצר דלק גרעיני? עקרון הפעולה של תחנת כוח גרעינית. התייחסות

בשל העובדה שדלק גרעיני יעיל יותר מכל סוגי הדלק האחרים שיש לנו היום, ניתנת עדיפות רבה לכל מה שיכול לעבוד בעזרת מתקנים גרעיניים (תחנות כוח גרעיניות, צוללות, ספינות וכו'). נדבר על האופן שבו מיוצר דלק גרעיני לכורים מאוחר יותר.

כורים אורניום בשתי דרכים עיקריות:
1) כרייה ישירה במחצבות או במכרות, אם עומק התרחשות האורניום מאפשר זאת. בשיטה זו, אני מקווה שהכל ברור.
2) שטיפה תת קרקעית. זה כאשר קודחים בארות במקום שבו נמצא אורניום, נשאבת לתוכם תמיסה חלשה של חומצה גופרתית, והתמיסה כבר מקיימת אינטראקציה עם אורניום, ומתחברת איתה. לאחר מכן נשאבת התערובת המתקבלת אל פני השטח, וממנה מופק אורניום בשיטות כימיות.

תארו לעצמכם שכבר כרינו אורניום במכרה והכנו אותו לטרנספורמציות נוספות. בתמונה למטה - מה שנקרא "עוגה צהובה", U3O8. בחבית להובלה נוספת.

הכל יהיה בסדר, ובתיאוריה האורניום הזה יכול לשמש מיד לייצור דלק לתחנות כוח גרעיניות, אבל אבוי. הטבע, כמו תמיד, נתן לנו עבודה. העובדה היא שאורניום טבעי מורכב מתערובת של שלושה איזוטופים. אלה הם U238 (99.2745%), U235 (0.72%) ו-U234 (0.0055%). אנחנו מתעניינים כאן רק ב-U235 - מכיוון שהוא מחולק בצורה מושלמת על ידי נויטרונים תרמיים בכור, הוא זה שמאפשר לנו ליהנות מכל היתרונות של תגובת שרשרת ביקוע. למרבה הצער, הריכוז הטבעי שלו אינו מספיק לפעולה יציבה וארוכת טווח של כור תחנת כוח גרעינית מודרנית. אמנם, עד כמה שידוע לי, מכשיר RBMK מתוכנן בצורה כזו שהוא יכול להתחיל בדלק מאורניום טבעי, אבל היציבות, טווח הארוך והבטיחות של הפעולה על דלק כזה אינן מובטחות כלל.
אנחנו צריכים להעשיר אורניום. כלומר, להגדיל את ריכוז ה-U235 מטבעי לזה המשמש בכור.
לדוגמה, הכור RBMK פועל על 2.8% אורניום העשרה, VVER-1000 - העשרה מ-1.6 ל-5.0%. תחנות כוח גרעיניות ספינות וספינות צורכות דלק המועשר עד 20%. וכמה מכורי מחקר פועלים על דלק עם עד 90% העשרה (דוגמה לכך היא IRT-T בטומסק).
ברוסיה, העשרת אורניום מתבצעת בצנטריפוגות גז. כלומר, האבקה הצהובה שהייתה בתמונה קודם לכן הופכת לגז, אורניום hexafluoride UF6. ואז הגז הזה עובר למפל שלם של צנטריפוגות. ביציאה מכל צנטריפוגה, עקב ההבדל במשקל הגרעינים U235 ו-U238, אנו מקבלים אורניום הקספלואוריד עם תכולה מוגברת מעט של U235. התהליך חוזר על עצמו פעמים רבות וכתוצאה מכך אנו מקבלים אורניום הקספלואוריד עם ההעשרה הדרושה לנו. בתמונה למטה, אתה יכול רק לראות את קנה המידה של מפל הצנטריפוגות - יש הרבה מהם והם נמתחים רחוק למרחקים.

לאחר מכן, הגז UF6 מומר בחזרה ל-UO2, בצורת אבקה. כימיה, אחרי הכל, היא מדע שימושי מאוד ומאפשרת לנו ליצור ניסים כאלה.
עם זאת, זה לא כל כך קל לשפוך אבקה זו לתוך הכור. או יותר נכון, אתה יכול להירדם, אבל שום דבר טוב לא ייצא מזה. יש להביא אותה (אבקה) לצורה כזו שנוכל להוריד אותה לכור לאורך זמן, במשך שנים. במקרה זה, הדלק עצמו לא צריך לבוא במגע עם נוזל הקירור ולעבור מעבר לליבה. ובנוסף לכל זה, על הדלק לעמוד בלחצים ובטמפרטורות המאוד מאוד קשות שיעלו בו בעת העבודה בתוך הכור.
אגב, שכחתי להגיד שגם הפודרה היא לא בכל מקרה - היא חייבת להיות בגודל מסוים כדי שלא יווצרו חללים וסדקים מיותרים במהלך הלחיצה והסינטר. ראשית, טבליות עשויות מהאבקה בלחיצה ואפייה ממושכת (הטכנולוגיה ממש קשה, אם היא נשברת, טבליות הדלק לא יהיו שמישות). אני אראה וריאציות של הטאבלטים בתמונה למטה.

יש צורך בחורים ושקעים בטבליות כדי לפצות על התפשטות תרמית ועיוות קרינה. בכור, עם הזמן, הטבליות מתנפחות, מתכופפות, משנות גודל, ואם לא צפוי כלום הן עלולות לקרוס, וזה רע.

לאחר מכן, הטבליות המוגמרות נארזות בצינורות מתכת (עשויים מפלדה, זירקוניום וסגסוגותיו ומתכות אחרות). הצינורות סגורים בשני הקצוות ואטומים. הצינור המוגמר עם דלק נקרא אלמנט דלק - אלמנט דלק.

כורים שונים דורשים מוטות דלק בעיצוב והעשרה שונים. מוט דלק RBMK למשל באורך 3.5 מטר. מוטות דלק, אגב, הם לא רק מוט. כמו בתמונה. הם lamellar, טבעת, הים של סוגים שונים ושינויים.
לאחר מכן מאחדים את מוטות הדלק למכלולי דלק - מכלולי דלק. מכלול הדלק של כור RBMK מורכב מ-18 מוטות דלק ונראה בערך כך:

מכלול הדלק של כור VVER נראה כך:
כפי שניתן לראות, ה-FA של כור ה-VVER מורכב ממספר גדול בהרבה של מוטות דלק מזה של ה-RBMK.
לאחר מכן, המוצר המיוחד המוגמר (FA) מועבר לתחנת הכוח הגרעינית בהתאם לאמצעי הזהירות. למה לנקוט באמצעי זהירות? דלק גרעיני, למרות שעדיין אינו רדיואקטיבי, הוא בעל ערך רב, יקר, ואם מטפלים בו בצורה מאוד לא זהירה, עלול לגרום לבעיות רבות. לאחר מכן מתבצעת הבקרה הסופית על מצב מכלולי הדלק ו- טעינה לכור. זהו, האורניום עבר דרך ארוכה מעפרות מתחת לאדמה למכשיר היי-טק בתוך כור גרעיני. עכשיו יש לו גורל אחר - לדחוף כמה שנים לתוך הכור ולשחרר חום יקר, שמי (או כל נוזל קירור אחר) ייקחו ממנו.

אנרגיה גרעינית משמשת בהנדסת חשמל תרמית, כאשר אנרגיה מתקבלת מדלק גרעיני בכורים בצורת חום. הוא משמש לייצור חשמל ב תחנות כוח גרעיניות (NPP), לתחנות כוח של כלי ים גדולים, להתפלת מי ים.

אנרגיה גרעינית חייבת את הופעתה, קודם כל, לטבעו של הנייטרון שהתגלה ב-1932. ניוטרונים הם חלק מכל גרעיני האטום, מלבד גרעין המימן. נויטרונים קשורים בגרעין קיימים ללא הגבלה. בצורתם החופשית, הם קצרי מועד, מכיוון שהם מתכלים עם זמן מחצית חיים של 11.7 דקות, הופכים לפרוטון ופולטים אלקטרון וניטרינו, או שנלכדים במהירות על ידי גרעיני האטומים.

כוח גרעיני מודרני מבוסס על שימוש באנרגיה המשתחררת במהלך הביקוע של איזוטופ טבעי אורניום-235. בתחנות כוח גרעיניות מתבצעת תגובת ביקוע גרעיני מבוקרת ב כור גרעיני. לפי האנרגיה של נויטרונים המייצרים ביקוע גרעיני, להבחין בין כורי נויטרונים תרמיים ומהירים.

היחידה העיקרית של תחנת כוח גרעינית היא כור גרעיני, שהתרשים שלו מוצג באיור. 1. אנרגיה מתקבלת מדלק גרעיני, ולאחר מכן היא מועברת לנוזל עבודה אחר (מים, נוזל מתכתי או אורגני, גז) בצורה של חום; לאחר מכן הוא מומר לחשמל באותו אופן כמו בקונבנציונליים.

הם שולטים בתהליך, שומרים על התגובה, מייצבים את הכוח, מפעילים ועוצרים את הכור באמצעות ניידת מיוחדת מוטות בקרה 6 ו 7 מחומרים שסופגים באופן אינטנסיבי נויטרונים תרמיים. הם מונעים על ידי מערכת בקרה 5 . פעולות מוטות בקרהבאים לידי ביטוי בשינוי בעוצמת שטף הנייטרונים בליבה. לפי ערוצים 10 מים זורמים, מקררים את בטון ההגנה הביולוגית

מוטות הבקרה עשויים בורון או קדמיום, שהם עמידים תרמית, קרינה וקורוזיה, חזקים מכנית, ובעלי תכונות העברת חום טובות.

בתוך מארז פלדה מסיבי 3 יש סל 8 עם רכיבי דלק 9 . נוזל הקירור נכנס דרך הצינור 2 , עובר דרך הליבה, שוטף את כל יסודות הדלק, מתחמם ודרך הצינור 4 נכנס למחולל הקיטור.

אורז. 1. כור גרעיני

הכור ממוקם בתוך מכשיר בלימה ביולוגי בטון עבה. 1 , המגן על החלל שמסביב מפני זרימת נויטרונים, קרינת אלפא, בטא, גמא.

יסודות דלק (מוטות דלק)הוא החלק העיקרי של הכור. תגובה גרעינית מתרחשת ישירות בהם ומשתחרר חום, כל שאר החלקים משמשים לבידוד, בקרה וסילוק חום. מבחינה מבנית, אלמנטים של דלק יכולים להיות עשויים ממוט, צלחת, צינורי, כדורי, וכו ' לרוב הם מוט, עד 1 מטר אורך, 10 מ"מ קוטר. לרוב הם מורכבים מכדורי אורניום או מצינורות וצלחות קצרים. בחוץ, מוטות הדלק מכוסים במעטפת מתכת דקיקה עמידה בפני קורוזיה. זירקוניום, אלומיניום, סגסוגות מגנזיום, כמו גם נירוסטה סגסוגת משמשים למעטפת.

העברת החום המשתחרר במהלך תגובה גרעינית בליבת הכור לנוזל העבודה של המנוע (הטורבינה) של תחנות כוח מתבצעת על פי תוכניות לולאה אחת, לולאה כפולה ושלוש לולאות (איור 2).

אורז. 2. תחנת כוח גרעינית
א - על פי תכנית חד-מעגלית; ב - על פי ערכת שני המעגלים; ג - לפי ערכת שלושת המעגלים
1 - כור; 2, 3 - הגנה ביולוגית; 4 - וסת לחץ; 5 - טורבינה; 6 - גנרטור חשמלי; 7 - קבלים; 8 - משאבה; 9 - קיבולת מילואים; 10 - מחמם רגנרטיבי; 11 - מחולל קיטור; 12 - משאבה; 13 - מחליף חום ביניים

כל מעגל הוא מערכת סגורה. כור 1 (בכל המעגלים התרמיים) ממוקם בתוך הראשוני 2 ומשני 3 הגנות ביולוגיות. אם תחנת הכוח הגרעינית בנויה על פי תכנית תרמית חד-מעגלית, הקיטור מהכור דרך ווסת הלחץ 4 נכנס לטורבינה 5 . ציר הטורבינה מחובר לציר הגנרטור 6 שבו נוצר זרם חשמלי. אדי הפליטה נכנסים למעבה, שם הוא מקורר ומתעבה לחלוטין. לִשְׁאוֹב 8 מפנה קונדנסט למחמם רגנרטיבי 10 , ואז הוא נכנס לכור.

עם ערכת שני מעגלים, נוזל הקירור המחומם בכור נכנס למחולל הקיטור 11 , שבו החום מועבר על ידי חימום פני השטח לנוזל הקירור של נוזל העבודה (מי הזנה של המעגל המשני). בכורי מים בלחץ, נוזל הקירור במחולל הקיטור מקורר בכ-15 ... 40 מעלות צלזיוס ולאחר מכן על ידי משאבת מחזור. 12 בחזרה לכור.

עם ערכת שלוש לולאות, נוזל הקירור (בדרך כלל נתרן נוזלי) מהכור נשלח למחליף חום ביניים 13 ומשם על ידי משאבת המחזור 12 חוזר לכור. נוזל הקירור במעגל המשני הוא גם נתרן נוזלי. מעגל זה אינו מוקרן ולכן אינו רדיואקטיבי. נתרן של המעגל השני נכנס למחולל הקיטור 11 , נותן חום לנוזל העבודה, ואז משאבת המחזור נשלחת חזרה למחליף חום הביניים.

מספר מעגלי המחזור קובע את סוג הכור, נוזל הקירור המשמש, תכונותיו הגרעיניות-פיזיקליות ומידת הרדיואקטיביות. ניתן להשתמש בשיטת הלולאה הבודדת בכורי מים רותחים ובכורים מקוררי גז. הכי נפוץ מעגל כפולכאשר משתמשים בו כמוביל חום של מים, גז ונוזלים אורגניים. ערכת שלושת המעגלים משמשת בתחנות כוח גרעיניות עם כורי נויטרונים מהירים המשתמשים בנוזלי קירור מתכת נוזליים (נתרן, אשלגן, סגסוגות נתרן-אשלגן).

דלק גרעיני יכול להיות אורניום-235, אורניום-233 ופלוטוניום-232. חומרי גלם להשגת דלק גרעיני - אורניום ותוריום טבעיים. במהלך התגובה הגרעינית של גרם אחד של חומר בקיע (אורניום-235), משתחררת אנרגיה שווה ערך ל-22×10 3 קוט"ש (19×10 6 cal). כדי להשיג כמות זו של אנרגיה, יש צורך לשרוף 1900 ק"ג שמן.

אורניום-235 זמין בקלות, עתודות האנרגיה שלו זהות בערך לדלק מאובנים. עם זאת, שימוש בדלק גרעיני ביעילות כה נמוכה כפי שהוא כעת, מקורות האורניום הזמינים יתרוקנו בעוד 50-100 שנים. יחד עם זאת, יש כמעט "משקעים" בלתי נדלים של דלק גרעיני - זהו אורניום מומס במי ים. הוא שופע מאות מונים בים מאשר ביבשה. עלות השגת קילוגרם אחד של אורניום דו-חמצני ממי הים היא כ-60-80 דולר, ובעתיד היא תרד ל-30 דולר, בעוד שעלות האורניום דו-חמצני המיוצר במרבצים העשירים ביותר ביבשה היא 10-20 דולר. לפיכך, לאחר זמן מה, העלויות ביבשה ו"במי הים" יהפכו לאותו סדר.

עלות הדלק הגרעיני היא כמחצית מזו של פחמים מאובנים. בתחנות כוח פחמיות 50-70% מעלות החשמל נופלת לחלק הדלק, ובתחנות כוח גרעיניות - 15-30%. תחנת כוח תרמית מודרנית בהספק של 2.3 מיליון קילוואט (לדוגמה, Samara GRES) צורכת כ-18 טון פחם (6 רכבות) או 12 אלף טון מזוט (4 רכבות) מדי יום. הגרעיני, בעל אותה הספק, צורך רק 11 ק"ג דלק גרעיני במהלך היום, ו-4 טון במהלך השנה. עם זאת, תחנת כוח גרעינית יקרה יותר מתחנת כוח תרמית מבחינת בנייה, תפעול ותיקון. לדוגמה, הקמת תחנת כוח גרעינית בהספק של 2-4 מיליון קילוואט עולה כ-50-100% יותר מאשר תרמית.

ניתן להפחית את עלויות ההון לבניית NPP על ידי:

1. תקינה ואיחוד של ציוד;
2. פיתוח עיצובי כורים קומפקטיים;
3. שיפור מערכות הניהול והרגולציה;
4. צמצום משך השבתת הכור לתדלוק.

מאפיין חשוב של תחנות כוח גרעיניות (כור גרעיני) הוא יעילות מחזור הדלק. כדי לשפר את הכלכלה של מחזור הדלק, עליך:

• להגדיל את עומק שריפת הדלק הגרעיני;
• להעלות את יחס הרבייה של פלוטוניום.

בכל ביקוע של גרעין אורניום-235 משתחררים 2-3 נויטרונים. מתוכם, רק אחד משמש לתגובה נוספת, השאר אבודים. עם זאת, ניתן להשתמש בהם להתרבות של דלק גרעיני על ידי יצירת כורי נויטרונים מהירים. כאשר הכור פועל על נויטרונים מהירים, ניתן להשיג בו זמנית כ-1.7 ק"ג פלוטוניום-239 עבור 1 ק"ג אורניום-235 שרוף. בדרך זו ניתן לכסות את היעילות התרמית הנמוכה של תחנות כוח גרעיניות.

כורי נויטרונים מהירים יעילים פי עשרה (מבחינת השימוש בדלק גרעיני) מכורי נויטרונים בדלק. אין להם מנחה והם משתמשים בדלק גרעיני מועשר מאוד. ניוטרונים הנפלטים מהליבה נספגים לא על ידי חומרים מבניים, אלא על ידי אורניום-238 או תוריום-232 הממוקמים מסביב.

בעתיד, החומרים הבקיעים העיקריים לתחנות כוח גרעיניות יהיו פלוטוניום-239 ואורניום-233, המתקבלים בהתאמה מאורניום-238 ותוריום-232 בכורי נויטרונים מהירים. הפיכת אורניום-238 לפלוטוניום-239 בכורים תגדיל את משאבי הדלק הגרעיני בכ-100, ואת תוריום-232 לאורניום-233 פי 200.

על איור. איור 3 מציג תרשים של תחנת כוח גרעינית ניוטרונים מהירה.

מאפיינים ייחודיים של תחנת כוח גרעינית על נויטרונים מהירים הם:

1. השינוי בקריטיות של כור גרעיני מתבצע על ידי שיקוף חלק מניוטרוני הביקוע של דלק גרעיני מהפריפריה חזרה לליבה באמצעות רפלקטורים 3 ;
2. מחזירי אור 3 יכול להסתובב, לשנות את דליפת הנייטרונים, וכתוצאה מכך, את עוצמת תגובות הביקוע;
3. דלק גרעיני מוחזר;
4. הסרת אנרגיה תרמית עודפת מהכור מתבצעת באמצעות מצנן-רדיאטור 6 .

אורז. 3. תכנית של תחנת כוח גרעינית על נויטרונים מהירים:
1 - יסודות דלק; 2 - דלק גרעיני מתחדש; 3 - מחזירי ניוטרונים מהירים; 4 - כור גרעיני; 5 - צרכן חשמל; 6 - פולט מקרר; 7 - ממיר אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית; 8 - הגנה מפני קרינה.

ממירים של אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית

על פי עקרון השימוש באנרגיה תרמית שנוצרת על ידי תחנת כוח גרעינית, ניתן לחלק ממירים ל-2 מחלקות:

1. מכונה (דינמית);
2. ללא מכונות (ממירים ישירים).

בממירי מכונות, מפעל טורבינת גז מחובר בדרך כלל לכור, שבו נוזל העבודה יכול להיות מימן, הליום, תערובת הליום-קסנון. היעילות של המרת חום המסופק ישירות לטורבוגנרטור לחשמל היא די גבוהה - היעילות של הממיר η = 0,7-0,75.

תרשים של תחנת כוח גרעינית עם ממיר דינמי של טורבינת גז (מכונה) מוצג באיור. ארבע.

סוג נוסף של ממיר מכונה הוא מחולל מגנו-גזדינמי או מגנטו-הידרו-דינמי (MGDG). תרשים של גנרטור כזה מוצג באיור. 5. הגנרטור הוא תעלה בחתך מלבני, ששני קירות שלה עשויים מדיאלקטרי, ושניים מהם עשויים מחומר מוליך חשמלי. נוזל עבודה מוליך חשמלי נע דרך התעלות - נוזלי או גזי, אשר חודר על ידי שדה מגנטי. כפי שאתה יודע, כאשר מוליך נע בשדה מגנטי, נוצר EMF, אשר לאורך האלקטרודות 2 מועבר לצרכן החשמל 3 . מקור האנרגיה של זרימת החום הפועלת הוא החום המשתחרר בכור הגרעיני. אנרגיה תרמית זו מושקעת על תנועת מטענים בשדה מגנטי, כלומר. מומרת לאנרגיה הקינטית של הסילון נושא הזרם, והאנרגיה הקינטית מומרת לאנרגיה חשמלית.

אורז. 4. תכנית תחנת כוח גרעינית עם ממיר טורבינת גז:
1 - כור; 2 - מעגל עם נוזל קירור מתכת נוזלי; 3 - מחליף חום לאספקת חום לגז; 4 - טורבינה; 5 - גנרטור חשמלי; 6 - מדחס; 7 - רדיאטור-רדיאטור; 8 - מעגל הסרת חום; 9 - משאבת מחזור; 10 - מחליף חום להסרת חום; 11 - מחליף חום-מחדש; 12 - מעגל עם נוזל העבודה של ממיר טורבינת הגז.

ממירים ישירים (ללא מכונות) של אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית מחולקים ל:

1. תרמו-אלקטרי;
2. תרמיוני;
3. אלקטרוכימיים.

גנרטורים תרמו-אלקטריים (TEGs) מבוססים על עקרון Seebeck, כלומר במעגל סגור המורכב מחומרים לא דומים, נוצר כוח תרמו-אלקטרי אם נשמר הפרש טמפרטורה בנקודות המגע של חומרים אלה (איור 6). להפקת חשמל, רצוי להשתמש ב-TEG מוליכים למחצה, בעלי יעילות גבוהה יותר, בעוד שיש להעלות את הטמפרטורה של הצומת החם ל-1400 K ומעלה.

ממירים תרמיונים (TEC) מאפשרים לקבל חשמל כתוצאה מפליטת אלקטרונים מקתודה מחוממת לטמפרטורות גבוהות (איור 7).

אורז. 5. מחולל מגנטוגזדינמי:
1 - שדה מגנטי; 2 - אלקטרודות; 3 - צרכן חשמל; 4 - דיאלקטרי; 5 - מנצח; 6 - נוזל עבודה (גז).

אורז. 6. תכנית פעולת הגנרטור התרמו-אלקטרי

אורז. 7. תוכנית הפעולה של הממיר התרמיוני

כדי לשמור על זרם הפליטה, חום מסופק לקתודה שאחד . האלקטרונים הנפלטים מהקתודה, לאחר שהתגברו על פער הוואקום, מגיעים לאנודה ונספגים בה. במהלך ה"עיבוי" של אלקטרונים באנודה, משתחררת אנרגיה השווה לתפקוד העבודה של אלקטרונים בעלי הסימן ההפוך. אם נבטיח אספקה ​​רציפה של חום לקתודה והוצאתה מהאנודה, אז דרך העומס רזרם ישר יזרום. פליטת אלקטרונים ממשיכה ביעילות בטמפרטורות קתודה מעל 2200 K.

בטיחות ואמינות של פעולת NPP

אחד הנושאים המרכזיים בפיתוח אנרגיה גרעינית הוא הבטחת האמינות והבטיחות של תחנות כוח גרעיניות.

בטיחות קרינה מובטחת על ידי:

1. יצירת מבנים ומכשירים אמינים להגנה ביולוגית של כוח אדם מפני חשיפה לקרינה;
2. טיהור אוויר ומים היוצאים משטחי ה- NPP מעבר לגבולותיו;
3. מיצוי ולוקליזציה אמינה של זיהום רדיואקטיבי;
4. בקרה דוסימטרית יומית של שטחי NPP ובקרה דוסימטרית פרטנית של כוח אדם.

שטחי NPP, בהתאם למצב הפעולה והציוד המותקן בהם, מחולקים ל-3 קטגוריות:

1. אזור משטר קפדני;
2. אזור מוגבל;
3. אזור מצב רגיל.

כוח אדם נמצא כל הזמן בחדרים מהקטגוריה השלישית, חדרים אלה בתחנה בטוחים בקרינה.

תחנות כוח גרעיניות מייצרות פסולת רדיואקטיבית מוצקה, נוזלית וגזית. יש להשליך אותם באופן שלא ייווצר זיהום הסביבה.

הגזים המורחקים מהחדר במהלך האוורור עשויים להכיל חומרים רדיואקטיביים בצורת אירוסולים, אבק רדיואקטיבי וגזים רדיואקטיביים. האוורור של התחנה בנוי באופן שזרימות האוויר עוברות מה"נקי" ביותר ל"מזוהם", וזרימות צולבות בכיוון ההפוך אינן נכללות. בכל חדרי התחנה מתבצעת החלפה מלאה של אוויר תוך לא יותר משעה.

במהלך הפעלת תחנות כוח גרעיניות מתעוררת בעיית פינוי וסילוק פסולת רדיואקטיבית. יסודות הדלק המושקעים בכורים עומדים לזמן מסוים בבריכות מים ישירות בתחנות כוח גרעיניות עד שמתרחש התייצבות של איזוטופים עם זמן מחצית חיים קצר, ולאחר מכן נשלחים יסודות הדלק למפעלים רדיוכימיים מיוחדים לצורך התחדשות. שם מופק דלק גרעיני ממוטות הדלק ופסולת רדיואקטיבית נתונה לקבורה.

דלק גרעיני הוא החומר המשמש בכורים גרעיניים לביצוע תגובת שרשרת מבוקרת. הוא עתיר אנרגיה ואינו בטוח לבני אדם, מה שמטיל מספר הגבלות על השימוש בו. היום נגלה מהו דלק בכור גרעיני, כיצד הוא מסווג ומייצר, היכן הוא משמש.

מהלך תגובת השרשרת

במהלך תגובת שרשרת גרעינית, הגרעין מחולק לשני חלקים, הנקראים שברי ביקוע. במקביל, משתחררים מספר (2-3) נויטרונים, אשר גורמים לאחר מכן לביקוע של הגרעינים הבאים. התהליך מתרחש כאשר נויטרון חודר לגרעין החומר המקורי. לשברי ביקוע יש אנרגיה קינטית גבוהה. האטה שלהם בחומר מלווה בשחרור של כמות עצומה של חום.

שברי ביקוע, יחד עם תוצרי הריקבון שלהם, נקראים תוצרי ביקוע. גרעינים שמתפצלים עם נויטרונים מכל אנרגיה נקראים דלק גרעיני. ככלל, הם חומרים עם מספר אי זוגי של אטומים. חלק מהגרעינים מתפצלים אך ורק על ידי נויטרונים שהאנרגיה שלהם היא מעל סף מסוים. אלו הם בעיקר יסודות עם מספר זוגי של אטומים. גרעינים כאלה נקראים חומרי גלם, שכן ברגע של לכידת נויטרונים על ידי גרעין הסף, נוצרים גרעיני דלק. השילוב של דלק וחומר גלם נקרא אפוא דלק גרעיני.

מִיוּן

דלק גרעיני מתחלק לשני סוגים:

1. אורניום טבעי. הוא מכיל גרעיני אורניום-235 בקיע וחומר גלם אורניום-238, המסוגל ליצור פלוטוניום-239 עם לכידת נויטרונים.
2. דלק משני לא נמצא בטבע. בין היתר הוא כולל פלוטוניום-239, המתקבל מהדלק מהסוג הראשון, וכן אורניום-233, שנוצר במהלך לכידת נויטרונים על ידי גרעיני תוריום-232.

במונחים של הרכב כימי, ישנם סוגים כאלה של דלק גרעיני:

1. מתכת (כולל סגסוגות);
2. תחמוצת (לדוגמה, UO 2);
3. קרביד (לדוגמה PuC 1-x);
4. מעורב;
5. ניטריד.

TVEL ו-TVS

דלק לכורים גרעיניים משמש בצורה של כדורים קטנים. הם ממוקמים באלמנטי דלק אטומים הרמטית (TVELs), אשר, בתורם, משולבים לכמה מאות מכלולי דלק (FAs). דלק גרעיני כפוף לדרישות גבוהות לתאימות עם חיפוי מוטות דלק. צריך להיות לו טמפרטורת התכה ואידוי מספקת, מוליכות תרמית טובה, ולא להגדיל באופן משמעותי את נפחו תחת קרינת נויטרונים. גם יכולת הייצור של הייצור נלקחת בחשבון.

יישום

תחנות כוח גרעיניות ומתקנים גרעיניים אחרים מקבלים דלק בצורה של מכלולי דלק. ניתן להטעין אותם לכור הן במהלך פעולתו (במקום מכלולי דלק שרופים) והן במהלך מסע התיקון. במקרה האחרון, מכלולי הדלק מוחלפים בקבוצות גדולות. במקרה זה, רק שליש מהדלק מוחלף לחלוטין. המכלולים השרופים ביותר נפרקים מהחלק המרכזי של הכור, ובמקומם שמים מכלולים שרופים חלקית שהיו ממוקמים בעבר באזורים פחות פעילים. כתוצאה מכך, מותקנים מכלולי דלק חדשים במקום האחרונים. תוכנית סידור מחדש פשוטה זו נחשבת למסורתית ויש לה מספר יתרונות, שהעיקרי שבהם הוא הבטחת שחרור אנרגיה אחיד. כמובן, זוהי תכנית מותנית שנותנת רק רעיונות כלליים לגבי התהליך.

קטע

לאחר הסרת הדלק הגרעיני המושקע מליבת הכור, הוא נשלח לבריכת הדלק המושקע, אשר, ככלל, ממוקמת בקרבת מקום. העובדה היא כי מכלולי דלק בילה מכילים כמות גדולהשברי ביקוע של אורניום. לאחר פריקה מהכור, כל יסוד דלק מכיל כ-300 אלף קורי של חומרים רדיואקטיביים, המשחררים 100 קילוואט-שעה של אנרגיה. בשל כך, הדלק מתחמם בעצמו והופך לרדיואקטיבי מאוד.

הטמפרטורה של דלק שנפרק לאחרונה יכולה להגיע ל-300 מעלות צלזיוס. לכן, הוא נשמר במשך 3-4 שנים מתחת לשכבת מים, שהטמפרטורה שלה נשמרת בטווח הקבוע. ככל שהדלק מאוחסן מתחת למים, פוחתת הרדיואקטיביות של הדלק ועוצמת הפליטות השיוריות שלו. כשלוש שנים מאוחר יותר, החימום העצמי של מכלולי הדלק כבר מגיע ל-50-60 מעלות צלזיוס. לאחר מכן הדלק מוסר מהבריכות ונשלח לעיבוד או סילוק.

אורניום מתכתי

אורניום מתכתי משמש לעתים רחוקות יחסית כדלק לכורים גרעיניים. כאשר חומר מגיע לטמפרטורה של 660 מעלות צלזיוס, מתרחש מעבר פאזה, המלווה בשינוי במבנה שלו. במילים פשוטות, האורניום גדל בנפח, מה שעלול להוביל להרס של יסוד הדלק. במקרה של הקרנה ממושכת בטמפרטורה של 200-500 מעלות צלזיוס, החומר עובר גידול קרינה. המהות של תופעה זו היא התארכות מוט האורניום המוקרן פי 2-3.

השימוש באורניום מתכתי בטמפרטורות מעל 500 מעלות צלזיוס קשה בגלל התנפחותו. לאחר ביקוע הגרעין נוצרים שני שברים שנפחם הכולל עולה על נפח אותו גרעין. חלק משברי הביקוע מיוצג על ידי אטומי גז (קסנון, קריפטון וכו'). הגז מצטבר בנקבוביות האורניום ויוצר לחץ פנימי שעולה ככל שהטמפרטורה עולה. עקב הגידול בנפח האטומים והעלייה בלחץ הגז, הדלק הגרעיני מתחיל להתנפח. לפיכך, זה מתייחס לשינוי היחסי בנפח הקשור לביקוע גרעיני.

כוח הנפיחות תלוי בטמפרטורה של מוטות הדלק ובשריפה. עם עלייה בצריבה, מספר שברי הביקוע עולה, ועם עלייה בטמפרטורה ובצריבה, הלחץ הפנימי של הגזים עולה. אם לדלק יש תכונות מכניות גבוהות יותר, אז הוא נוטה פחות לנפיחות. אורניום מתכתי אינו אחד מהחומרים הללו. לכן, השימוש בו כדלק לכורים גרעיניים מגביל את עומק השריפה, שהוא אחד המאפיינים העיקריים של דלק כזה.

התכונות המכניות של האורניום ועמידות הקרינה שלו משתפרים על ידי סימום החומר. תהליך זה כולל הוספת אלומיניום, מוליבדן ומתכות נוספות אליו. הודות לדופנטים, מספר נויטרונים הביקוע הנדרשים לכל לכידה מצטמצם. לכן, למטרות אלו משתמשים בחומרים הסופגים נויטרונים בצורה חלשה.

תרכובות עקשן

כמה תרכובות עקשן של אורניום נחשבות לדלק גרעיני טוב: קרבידים, תחמוצות ותרכובות בין-מתכתיות. הנפוץ שבהם הוא אורניום דו חמצני (קרמי). נקודת ההיתוך שלו היא 2800 מעלות צלזיוס וצפיפותו היא 10.2 גרם/ס"מ 3 .

מכיוון שלחומר זה אין מעברי פאזה, הוא נוטה פחות להתנפח מאשר סגסוגות אורניום. הודות לתכונה זו, ניתן להעלות את טמפרטורת השחיקה בכמה אחוזים. בטמפרטורות גבוהות, קרמיקה אינה מקיימת אינטראקציה עם ניוביום, זירקוניום, נירוסטה וחומרים אחרים. החיסרון העיקרי שלו הוא המוליכות התרמית הנמוכה שלו - 4.5 קילו-ג'יי (מ * K), המגביל את ההספק הספציפי של הכור. בנוסף, קרמיקה חמה נוטה להיסדק.

פּלוּטוֹנִיוּם

פלוטוניום נחשב למתכת בעלת התכה נמוכה. הוא נמס ב-640 מעלות צלזיוס. בשל תכונות פלסטיות גרועות, הוא כמעט אינו ניתן לעיבוד שבבי. הרעילות של החומר מסבכת את טכנולוגיית ייצור מוטות הדלק. בתעשייה הגרעינית נעשו שוב ושוב ניסיונות להשתמש בפלוטוניום ובתרכובותיו, אך הם לא צלחו. זה לא מעשי להשתמש בדלק לתחנות כוח גרעיניות המכילות פלוטוניום בגלל הירידה בערך פי 2 בתקופת ההאצה, שאינה מיועדת למערכות בקרת כורים סטנדרטיות.

לייצור דלק גרעיני, ככלל, נעשה שימוש בפלוטוניום דו חמצני, סגסוגות פלוטוניום עם מינרלים ותערובת של פלוטוניום קרבידים עם קרבידים של אורניום. דלקי פיזור, שבהם חלקיקים של תרכובות אורניום ופלוטוניום ממוקמות במטריצת מתכת של מוליבדן, אלומיניום, נירוסטה ומתכות אחרות, הם בעלי תכונות מכניות גבוהות ומוליכות תרמית. התנגדות הקרינה והמוליכות התרמית של דלק הפיזור תלויים בחומר המטריצה. לדוגמה, בתחנת הכוח הגרעינית הראשונה, דלק הפיזור היה מורכב מחלקיקים של סגסוגת אורניום עם 9% מוליבדן, שהיו מלאים מוליבדן.

באשר לדלק תוריום, הוא אינו בשימוש כיום עקב קשיים בייצור ועיבוד של מוטות דלק.

כְּרִיָה

כמויות משמעותיות של חומר הגלם העיקרי לדלק גרעיני - אורניום - מרוכזים במספר מדינות: רוסיה, ארה"ב, צרפת, קנדה ודרום אפריקה. המרבצים שלו נמצאים בדרך כלל ליד זהב ונחושת, ולכן כל החומרים הללו נכרים בו-זמנית.

בריאותם של אנשים העובדים בכרייה נמצאת בסיכון גדול. העובדה היא שאורניום הוא חומר רעיל, והגזים המשתחררים במהלך הכרייה שלו עלולים לגרום לסרטן. וזאת למרות העובדה שהעפרה מכילה לא יותר מ-1% מהחומר הזה.

קַבָּלָה

ייצור דלק גרעיני מעפרות אורניום כולל שלבים כמו:

1. עיבוד הידרומטלורגי. כולל שטיפה, ריסוק ומיצוי או מיצוי ספיגה. התוצאה של עיבוד הידרומטלורגי היא תרחיף מטוהר של תחמוצת אוקסיאורניום, נתרן דיורנאט או אמוניום דיורנאט.
2. המרת חומר מתחמוצת לטטראפלואוריד או הקספלואוריד המשמש להעשרת אורניום-235.
3. העשרה של חומר באמצעות צנטריפוגה או דיפוזיה תרמית גזית.
4. הפיכת החומר המועשר לדו-חמצני, ממנו מפיקים את ה"כדורים" של מוטות הדלק.

הִתחַדְשׁוּת

במהלך פעולתו של כור גרעיני, הדלק אינו יכול להישרף לחלוטין, ולכן מתרבים איזוטופים חופשיים. בהקשר זה, מוטות דלק בשימוש כפופים להתחדשות לצורך שימוש חוזר.

כיום, בעיה זו נפתרת על ידי תהליך Purex, המורכב מהשלבים הבאים:

1. חיתוך מוטות דלק לשני חלקים והמסתם בחומצה חנקתית;
2. טיהור התמיסה ממוצרי ביקוע וחלקים מהקליפה;
3. בידוד של תרכובות טהורות של אורניום ופלוטוניום.

לאחר מכן, הפלוטוניום דו חמצני שנוצר משמש לייצור ליבות חדשות, והאורניום משמש להעשרה או גם לייצור ליבות. עיבוד מחדש של דלק גרעיני הוא תהליך מורכב ויקר. לעלותו יש השפעה משמעותית על ההיתכנות הכלכלית של שימוש בתחנות כוח גרעיניות. אותו הדבר ניתן לומר על פינוי פסולת דלק גרעיני שאינו מתאים להתחדשות.

TVS (הרכבת דלק)

דלק גרעיני- חומרים המשמשים בכורים גרעיניים לביצוע תגובת שרשרת ביקוע גרעיני מבוקרת. דלק גרעיני שונה מהותית מסוגי דלק אחרים המשמשים את האנושות, הוא עתיר אנרגיה, אך גם מסוכן מאוד לבני אדם, מה שמטיל הגבלות רבות על השימוש בו מטעמי בטיחות. מסיבה זו ומסיבות רבות אחרות, דלק גרעיני קשה הרבה יותר לשימוש מכל סוג של דלק מאובנים, ודורש הרבה אמצעים טכניים וארגוניים מיוחדים לשימוש בו, כמו גם כוח אדם מיומן העוסק בו.

מידע כללי

תגובת שרשרת גרעינית היא ביקוע של גרעין לשני חלקים, הנקרא שברי ביקוע, עם שחרור בו זמנית של מספר (2-3) נויטרונים, אשר, בתורו, עלול לגרום לביקוע של הגרעינים הבאים. ביקוע כזה מתרחש כאשר נויטרון נכנס לגרעין של אטום של החומר המקורי. לשברי הביקוע שנוצרו במהלך הביקוע הגרעיני יש אנרגיה קינטית גדולה. האטה של ​​שברי ביקוע בחומר מלווה בשחרור של כמות גדולה של חום. שברי ביקוע הם גרעינים הנוצרים ישירות כתוצאה מביקוע. שברי ביקוע ותוצרי ההתפרקות הרדיואקטיביים שלהם מכונים בדרך כלל מוצרי ביקוע. גרעינים שמתפצלים עם נויטרונים מכל אנרגיה נקראים דלק גרעיני (ככלל, אלו חומרים בעלי מספר אטומי אי זוגי). ישנם גרעינים שמתפצלים רק על ידי נויטרונים בעלי אנרגיות מעל ערך סף מסוים (ככלל, אלו יסודות בעלי מספר אטומי זוגי). גרעינים כאלה נקראים חומרי גלם, שכן כאשר נויטרון נתפס על ידי גרעין סף, נוצרים גרעינים של דלק גרעיני. השילוב של דלק גרעיני וחומר גלם נקרא דלק גרעיני. להלן התפלגות אנרגיית הביקוע של גרעין 235 U בין תוצרי ביקוע שונים (ב-MeV):

אנרגיה קינטית של שברי ביקוע	162	81%
אנרגיה קינטית של נויטרונים ביקוע	5	2,5%
אנרגיה של קרינת γ המלווה בלכידת נויטרונים	10	5%
אנרגיה של קרינת γ של תוצרי ביקוע	6	3%
אנרגיה של קרינת β של תוצרי ביקוע	5	2,5%
אנרגיה נישאת על ידי נייטרינו	11	5,5%
אנרגיית ביקוע כוללת	~200	100%

כיוון שאנרגיית הניטרינו נסחפת באופן בלתי הפיך, רק 188 MeV/אטום = 30 pJ/atom = 18 TJ/mol = 76.6 TJ/kg זמינים לשימוש (לפי נתונים אחרים (ראה קישור) 205.2 - 8.6 = 196 .6 MeV /אטום).

אורניום טבעי מורכב משלושה איזוטופים: 238U (99.282%), 235U (0.712%) ו-234U (0.006%). הוא לא תמיד מתאים כדלק גרעיני, במיוחד אם החומרים המבניים והמנחה סופגים נויטרונים באופן נרחב. במקרה זה, דלק גרעיני נעשה על בסיס אורניום מועשר. בכורים תרמיים משתמשים באורניום עם העשרה של פחות מ-6% ובכורי נויטרונים מהירים ובינוניים העשרת האורניום עולה על 20%. אורניום מועשר מתקבל במפעלי העשרה מיוחדים.

מִיוּן

דלק גרעיני מתחלק לשני סוגים:

• אורניום טבעי, המכיל גרעינים בקיעים 235 U, וכן חומרי גלם 238 U, המסוגלים ליצור פלוטוניום 239 Pu בעת לכידת נויטרון;
• דלק משני שאינו מופיע בטבע, כולל 239 Pu המתקבל מדלק מהסוג הראשון, וכן 233 איזוטופים U שנוצרו במהלך לכידת נויטרונים על ידי גרעיני 232 Th תוריום.

על פי ההרכב הכימי, דלק גרעיני יכול להיות:

• מתכתי, כולל סגסוגות;
• תחמוצת (לדוגמה, UO 2);
• קרביד (למשל PuC 1-x)
• מעורב (PuO 2 + UO 2)

היבטים תיאורטיים של יישום

דלק גרעיני משמש בכורים גרעיניים בצורה של כדורים בגודל של סנטימטרים בודדים, שם הוא ממוקם בדרך כלל באלמנטי דלק אטומים הרמטית (TVELs), שבתורם, לנוחות השימוש, משולבים לכמה מאות לתוך מכלולי דלק ( FAs).

דלק גרעיני כפוף לדרישות גבוהות לתאימות כימית עם חיפוי מוטות דלק, עליו להיות בעל טמפרטורת התכה ואידוי מספקת, מוליכות תרמית טובה, עלייה קלה בנפח במהלך הקרנת נויטרונים ויכולת ייצור.

השימוש באורניום מתכתי, במיוחד בטמפרטורות מעל 500 מעלות צלזיוס, קשה בגלל התנפחותו. לאחר ביקוע גרעיני נוצרים שני שברי ביקוע שנפחם הכולל גדול מנפח אטום אורניום (פלוטוניום). חלק מהאטומים - שברי ביקוע הם אטומים של גזים (קריפטון, קסנון וכו'). אטומי גז מצטברים בנקבוביות האורניום ויוצרים לחץ פנימי שגדל עם עליית הטמפרטורה. עקב שינוי בנפח האטומים בתהליך הביקוע ועלייה בלחץ הפנימי של גזים, אורניום ודלקים גרעיניים אחרים מתחילים להתנפח. נפיחות מובנת כשינוי היחסי בנפח הדלק הגרעיני הקשור לביקוע גרעיני.

הנפיחות תלויה בצריבה ובטמפרטורת אלמנט הדלק. מספר שברי הביקוע עולה עם השריפה, והלחץ הפנימי של הגז עולה עם השריפה והטמפרטורה. התנפחות הדלק הגרעיני עלולה להוביל להרס של חיפוי אלמנט הדלק. דלק גרעיני נוטה פחות להתנפח אם יש לו תכונות מכניות גבוהות. אורניום מתכתי פשוט לא חל על חומרים כאלה. לכן, השימוש באורניום מתכתי כדלק גרעיני מגביל את עומק השריפה, שהוא אחד המאפיינים העיקריים של דלק גרעיני.

עמידות הקרינה והתכונות המכניות של הדלק משתפרות לאחר סגסוגת אורניום, במהלכה מתווספות לאורניום כמויות קטנות של מוליבדן, אלומיניום ומתכות אחרות. תוספי סימום מפחיתים את מספר נויטרונים הביקוע לכל לכידת נויטרונים על ידי דלק גרעיני. לכן, תוספות סגסוגות לאורניום נוטות להיבחר מחומרים שסופגים נויטרונים בצורה חלשה.

דלקים גרעיניים טובים כוללים חלק מהתרכובות העמידות של אורניום: תחמוצות, קרבידים ותרכובות בין-מתכתיות. הקרמיקה הנפוצה ביותר - אורניום דו חמצני UO 2 . נקודת ההיתוך שלו היא 2800 מעלות צלזיוס, הצפיפות היא 10.2 גרם/ס"מ³. לאורניום דו חמצני אין מעברי פאזה והוא נוטה פחות להתנפח מסגסוגות אורניום. זה מאפשר לך להגביר את השחיקה עד כמה אחוזים. אורניום דו חמצני אינו יוצר אינטראקציה עם זירקוניום, ניוביום, נירוסטה וחומרים אחרים בטמפרטורות גבוהות. החיסרון העיקרי של קרמיקה הוא מוליכות תרמית נמוכה - 4.5 kJ/(m·K), המגביל את ההספק הספציפי של הכור מבחינת טמפרטורת ההיתוך. לפיכך, צפיפות שטף החום המקסימלית בכורי VVER עבור אורניום דו חמצני אינה עולה על 1.4⋅10 3 קילוואט/מ"ר, בעוד שהטמפרטורה המקסימלית במוטות דלק מגיעה ל-2200 מעלות צלזיוס. בנוסף, קרמיקה חמה שבירה מאוד ועלולה להיסדק.

שימוש מעשי

קַבָּלָה

דלק אורניום

דלק גרעיני אורניום מתקבל על ידי עיבוד עפרות. התהליך מתרחש במספר שלבים:

• עבור פיקדונות גרועים: בתעשייה המודרנית, בשל היעדר עפרות אורניום עשירות (יוצאים מן הכלל הם מרבצים קנדיים ואוסטרליים מסוג אי-קונפורמיות, בהם ריכוז האורניום מגיע ל-3%), משתמשים בשיטה של ​​שטיפה תת-קרקעית של עפרות. זה מבטל כריית עפרות יקר. ההכנה המוקדמת יורדת ישירות למחתרת. דרך בארות הזרקהחומצה גופרתית נשאבת מתחת לאדמה מעל המשקע, לפעמים בתוספת מלחי ברזל (כדי לחמצן אורניום U (IV) ל-U (VI)), אם כי עפרות מכילות לרוב ברזל ופירולוזיט, המקלים על החמצון. דרך בארות מיצויתמיסה של חומצה גופרתית עם אורניום עולה אל פני השטח עם משאבות מיוחדות. ואז זה עובר ישירות לספיחה, מיצוי הידרופטלורגי והעשרת אורניום בו זמנית.
• עבור מרבצי עפרות: השתמש בריכוז עפרות ובריכוז עפרות רדיומטרי.
• עיבוד הידרומטלורגי - ריסוק, שטיפה, ספיגה או מיצוי של אורניום להשגת תחמוצת אורניום מטוהרת (U 3 O 8), נתרן דיורנאט (Na 2 U 2 O 7) או אמוניום דיורנאט ((NH 4) 2 U 2 O 7).
• העברת אורניום מתחמוצת ל-UF 4 טטרפלואוריד, או מתחמוצות ישירות לקבלת UF 6 hexafluoride, המשמש להעשרת אורניום באיזוטופ 235.
• העשרה על ידי דיפוזיה תרמית של גז או צנטריפוגה.
• UF 6 המועשר באיזוטופ 235 הופך ל-UO 2 דו חמצני, שממנו מייצרים "גלולות" מוט דלק או מתקבלות תרכובות אורניום אחרות לאותה מטרה.

מחזור החיים של דלק גרעיני המבוסס על אורניום או פלוטוניום מתחיל במפעלי כרייה, מפעלים כימיים, בצנטריפוגות גז, ואינו מסתיים ברגע שבו מפרקים את מכלול הדלק מהכור, שכן לכל מכלול דלק יש דרך ארוכה לעבור. סילוק ולאחר מכן עיבוד מחדש.

הפקת חומרי גלם לדלק גרעיני

אורניום היא המתכת הכבדה ביותר על פני כדור הארץ. כ-99.4% מהאורניום של כדור הארץ הוא אורניום-238, ורק 0.6% הוא אורניום-235. דו"ח של הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית בשם "הספר האדום" מכיל נתונים על גידול הייצור והביקוש לאורניום, למרות התאונה בתחנת הכוח הגרעינית Fukushima-1, שגרמה לרבים לחשוב על סיכויי האנרגיה הגרעינית. רק בשנים האחרונות, מאגרי האורניום הנחקרים גדלו ב-7%, מה שקשור לגילוי מרבצים חדשים. קזחסטן, קנדה ואוסטרליה נותרו היצרניות הגדולות ביותר, ומייצרות עד 63% מהאורניום בעולם. בנוסף, ישנן עתודות מתכות באוסטרליה, ברזיל, סין, מלאווי, רוסיה, ניז'ר, ארה"ב, אוקראינה, סין ומדינות נוספות. מוקדם יותר, כתבה פרונדרה שבשנת 2016 נכרו בפדרציה הרוסית 7.9 אלף טונות של אורניום.

כיום כורים אורניום בשלוש דרכים שונות. השיטה הפתוחה לא מאבדת מהרלוונטיות שלה. הוא משמש במקרים בהם המרבצים קרובים לפני השטח של כדור הארץ. בשיטת הבור הפתוח, דחפורים יוצרים מחצבה, ולאחר מכן מעמיסים את העפרה עם זיהומים למשאיות מזבלה להובלה למתחמי עיבוד.

לעתים קרובות גוף העפר נמצא בעומק רב, ובמקרה זה נעשה שימוש בשיטת כרייה תת-קרקעית. מוקש פורץ לעומק של עד שני קילומטרים, הסלע, על ידי קידוח, נכרה בסחפות אופקיות, מועבר כלפי מעלה במעליות משא.

לתערובת, שנלקחת כך למעלה, יש מרכיבים רבים. יש לרסק את הסלע, לדלל במים ולהסיר עודפים. לאחר מכן, מוסיפים חומצה גופרתית לתערובת כדי לבצע את תהליך השטיפה. במהלך תגובה זו, כימאים מקבלים משקע צהוב של מלחי אורניום. לבסוף, אורניום עם זיהומים מזוקק בבית הזיקוק. רק לאחר מכן מתקבלת תחמוצת אורניום הנסחרת בבורסה.

יש דרך הרבה יותר בטוחה, ידידותית לסביבה וחסכונית, הנקראת שטיפת קידוח במקום (SIL).

בשיטה זו של פיתוח שדה, השטח נשאר בטוח לאנשי, ורקע הקרינה תואם לרקע בערים הגדולות. כדי לכרות אורניום על ידי שטיפה, עליך לקדוח 6 חורים בפינות המשושה. חומצה גופרתית נשאבת לתוך מרבצי האורניום דרך בארות אלה, היא מתערבבת עם המלחים שלה. תמיסה זו מופקת, כלומר היא נשאבת החוצה דרך באר במרכז המשושה. כדי להגיע לריכוז הרצוי של מלחי אורניום, התערובת מועברת מספר פעמים דרך עמודי ספיגה.

ייצור דלק גרעיני

ייצור דלק גרעיני הוא בלתי נתפס ללא צנטריפוגות גז, המשמשות לייצור אורניום מועשר. לאחר הגעה לריכוז הנדרש, מה שנקרא טבליות נלחצים מאורניום דו חמצני. הם נוצרים באמצעות חומרי סיכה שמוסרים במהלך השריפה בתנורים. טמפרטורת השריפה מגיעה ל-1000 מעלות. לאחר מכן, הטאבלטים נבדקים אם הם עומדים בדרישות המוצהרות. איכות המשטח, תכולת הלחות, היחס בין חמצן וחומר אורניום.

במקביל מכינים בבית מלאכה אחר קונכיות צינוריות לאלמנטי דלק. התהליכים הנ"ל, כולל מינון ואריזה לאחר מכן של טבליות בשפופרות מעטפת, איטום, טיהור, נקראים ייצור דלק. ברוסיה, יצירת מכלולי דלק (FA) מתבצעת על ידי המפעלים "מפעל בניית מכונות" באזור מוסקבה, "מפעל נובוסיבירסק של תרכיזים כימיים" בנובוסיבירסק, "מפעל פולימתכות במוסקבה" ואחרים.

כל אצווה של מכלולי דלק נוצרת עבור סוג מסוים של כור. מכלולי דלק אירופיים עשויים בצורה של ריבוע, ורוסית - עם חתך משושה. בפדרציה הרוסית, נעשה שימוש נרחב בכורים מסוג VVER-440 ו-VVER-1000. יסודות הדלק הראשונים ל-VVER-440 החלו להתפתח ב-1963, ול-VVER-1000 - ב-1978. למרות העובדה שכורים חדשים עם טכנולוגיות בטיחות לאחר פוקושימה מוצגים באופן פעיל ברוסיה, ישנם מתקנים גרעיניים רבים בסגנון ישן הפועלים ברחבי הארץ ומחוצה לה, כך שמכלולי דלק עבור סוגים שונים של כורים נשארים רלוונטיים באותה מידה.

לדוגמה, כדי לספק מכלולי דלק לאזור פעיל אחד של הכור RBMK-1000, יש צורך ביותר מ-200 אלף רכיבים העשויים מסגסוגות זירקוניום, כמו גם 14 מיליון כדורי אורניום דו-חמצני סונטרים. לפעמים עלות ייצור מכלול דלק יכולה לעלות על עלות הדלק הכלול בתאים, ולכן חשוב כל כך להבטיח החזר אנרגיה גבוה מכל קילוגרם של אורניום.

עלויות תהליך הייצור באחוזים

בנפרד, יש לומר על מכלולי דלק לכורי מחקר. הם מתוכננים בצורה כזו שיהפכו את התצפית והלימוד של תהליך יצירת הנייטרונים נוחים ככל האפשר. מוטות דלק כאלה לניסויים בתחומי הפיזיקה הגרעינית, ייצור איזוטופים, רפואת קרינה ברוסיה מיוצרים על ידי מפעל נובוסיבירסק של תרכיזים כימיים. טלוויזיות נוצרות על בסיס אלמנטים חלקים עם אורניום ואלומיניום.

ייצור הדלק הגרעיני בפדרציה הרוסית מתבצע על ידי חברת הדלק TVEL (חטיבה של Rosatom). המיזם עוסק בהעשרת חומרי גלם, הרכבת אלמנטים של דלק וכן מספק שירותי רישוי דלק. המפעל המכני של קוברוב באזור ולדימיר ומפעל צנטריפוגות הגז אוראל באזור סברדלובסק יוצרים ציוד למכלולי דלק רוסיים.

תכונות של הובלה של מוטות דלק

אורניום טבעי מאופיין ברמת רדיואקטיביות נמוכה, אולם לפני ייצור מכלולי הדלק, המתכת עוברת הליך העשרה. תכולת האורניום-235 בעפרה טבעית אינה עולה על 0.7%, והרדיואקטיביות היא 25 בקרל למיליגרם אורניום.

כדורי האורניום המונחים במכלולי הדלק מכילים אורניום בריכוז אורניום-235 של 5%. מכלולי דלק מוגמרים עם דלק גרעיני מועברים במיכלי מתכת מיוחדים בעלי חוזק גבוה. לתחבורה משתמשים בהובלה ברכבת, בכביש, בים ואפילו באוויר. כל מיכל מכיל שני מכלולים. הובלת דלק לא מוקרן (טרי) אינה מהווה סכנת קרינה, שכן הקרינה אינה חורגת מעבר לצינורות הזירקוניום אליהם מכניסים כדורי אורניום דחוסים.

פותח מסלול מיוחד למנת דלק, הובלת המטען מתבצעת בליווי אנשי האבטחה של היצרן או הלקוח (לעתים קרובות יותר), דבר הנובע בעיקר מהעלות הגבוהה של הציוד. בכל ההיסטוריה של ייצור דלק גרעיני, לא נרשמה תאונת תחבורה אחת שבה היו מעורבים מכלולי דלק שתשפיע על רקע הקרינה של הסביבה או תוביל לנפגעים.

דלק בליבת הכור

יחידת דלק גרעיני - TVEL - מסוגלת לשחרר כמות עצומה של אנרגיה לאורך זמן. לא פחם ולא גז יכולים להשוות עם נפחים כאלה. מחזור החיים של הדלק בכל תחנת כוח גרעינית מתחיל בפריקה, פינוי ואחסון של דלק טרי במחסן מכלולי הדלק. כאשר אצווה הדלק הקודמת בכור נשרפת, הצוות משלים את מכלולי הדלק לטעינה לליבה (אזור העבודה של הכור, בו מתרחשת תגובת הריקבון). ככלל, הדלק נטען מחדש באופן חלקי.

הדלק נטען במלואו לליבה רק בזמן ההפעלה הראשונה של הכור. זאת בשל העובדה שאלמנטי הדלק בכור נשרפים בצורה לא אחידה, מכיוון ששטף הנייטרונים משתנה בעוצמתו באזורים שונים של הכור. הודות למכשירי הנהלת חשבונות, לצוות התחנה יש את היכולת לנטר את מידת השריפה של כל יחידת דלק בזמן אמת ולהחליף אותה. לפעמים, במקום להעמיס מכלולי דלק חדשים, מעבירים מכלולים בינם לבין עצמם. במרכז האזור הפעיל, השחיקה מתרחשת בצורה האינטנסיבית ביותר.

טלוויזיה לאחר תחנת כוח גרעינית

אורניום שהתפתח בכור גרעיני נקרא מוקרן או שרוף. וכללי דלק כאלה - דלק גרעיני בילה. SNF ממוקם בנפרד מפסולת רדיואקטיבית, מכיוון שיש לו לפחות 2 מרכיבים שימושיים - אורניום לא נשרף (שריפת מתכת אף פעם לא מגיעה ל-100%) וטרנסאורניום רדיונוקלידים.

לאחרונה החלו פיזיקאים להשתמש באיזוטופים רדיואקטיביים שהצטברו ב-SNF בתעשייה וברפואה. לאחר שהדלק עבד את הקמפיין שלו (הזמן ששהה המכלול בליבת הכור בתנאי פעולה בהספק נקוב), הוא נשלח לבריכת הדלק המושקע, לאחר מכן לאחסון ישירות בתא הכור, ולאחר מכן - לעיבוד או לסילוק. בריכת הקירור נועדה להסיר חום ולהגן מפני קרינה מייננת, שכן מכלולי הדלק נותרים מסוכנים לאחר הוצאתם מהכור.

בארה"ב, קנדה או שוודיה, SNF לא נשלח לעיבוד מחדש. מדינות אחרות, כולל רוסיה, עובדות על מחזור דלק סגור. זה מאפשר להפחית באופן משמעותי את העלות של ייצור דלק גרעיני, שכן חלק מה-SNF נעשה שימוש חוזר.

מוטות הדלק מומסים בחומצה, ולאחר מכן מפרידים החוקרים פלוטוניום ואורניום לא בשימוש מהפסולת. כ-3% מחומרי הגלם אינם ניתנים לשימוש חוזר; מדובר בפסולת ברמה גבוהה שעוברת הליכי ביטומיניזציה או זיגוג.

מדלק גרעיני מושקע ניתן להשיג 1% מהפלוטוניום. אין צורך להעשיר את המתכת הזו, רוסיה משתמשת בה בתהליך של ייצור דלק MOX חדשני. מחזור דלק סגור מאפשר להוזיל מכלול דלק אחד בכ-3%, אך טכנולוגיה זו מצריכה השקעות גדולות בבניית יחידות תעשייתיות, ולכן היא טרם הפכה לנפוצה בעולם. עם זאת, חברת הדלק Rosatom לא עוצרת מחקר בכיוון זה. לאחרונה כתבה פרונדרה שהפדרציה הרוסית עובדת על דלק המסוגל לנצל איזוטופים אמריקיום, קוריום ונפטוניום בליבת הכור, הנכללים ב-3% מאוד של הפסולת הרדיואקטיבית.

יצרני דלק גרעיני: דירוג

1. עד לאחרונה חברת Areva הצרפתית סיפקה 31% משוק מכלולי הדלק העולמיים. החברה עוסקת בייצור דלק גרעיני והרכבת רכיבים לתחנות כוח גרעיניות. בשנת 2017, חווה ארבה שדרוג איכותי, משקיעים חדשים הגיעו לחברה וההפסד האדיר של 2015 צומצם פי 3.
2. Westinghouse היא החטיבה האמריקאית של חברת טושיבה היפנית. היא מפתחת באופן פעיל את השוק במזרח אירופה, מספקת מכלולי דלק לתחנת כוח אוקראינית. יחד עם טושיבה, היא מספקת 26% מהשוק העולמי לייצור דלק גרעיני.
3. חברת הדלק TVEL של התאגיד הממלכתי Rosatom (רוסיה) נמצאת במקום השלישי. TVEL מספקת 17% מהשוק העולמי, יש לה תיק חוזים לעשר שנים בשווי 30 מיליארד דולר ומספקת דלק ליותר מ-70 כורים. TVEL מפתחת מכלולי דלק לכורי VVER, וכן נכנסת לשוק של מתקנים גרעיניים בתכנון מערבי.
4. Japan Nuclear Fuel Limited, לפי הנתונים העדכניים ביותר, מספקת 16% מהשוק העולמי, מספקת מכלולי דלק לרוב הכורים הגרעיניים ביפן עצמה.
5. מיצובישי תעשיות כבדות היא ענקית יפנית המייצרת טורבינות, מיכליות, מזגנים, ולאחרונה גם דלק גרעיני לכורים בסגנון מערבי. מיצובישי תעשיות כבדות (חטיבה של חברת האם) עוסקת בבניית כורים גרעיניים של APWR, פעילות מחקר יחד עם Areva. החברה הזו היא שנבחרה על ידי ממשלת יפן לפתח כורים חדשים.