Životni ciklus nuklearnog goriva na bazi uranijuma ili plutonijuma počinje u rudarskim preduzećima, hemijskim postrojenjima, u gasnim centrifugama i ne završava se u trenutku kada se gorivni sklop istovaruje iz reaktora, jer svaki gorivni sklop mora proći dug put. odlaganja, a zatim ponovne obrade.

Ekstrakcija sirovina za nuklearno gorivo

Uranijum je najteži metal na zemlji. Oko 99,4% zemaljskog uranijuma je uranijum-238, a samo 0,6% je uranijum-235. Izvještaj Međunarodne agencije za atomsku energiju o Crvenoj knjizi pokazuje da proizvodnja i potražnja uranijuma rastu uprkos nuklearnoj nesreći u Fukušimi, zbog čega se mnogi pitaju o izgledima za nuklearnu energiju. Samo u posljednjih nekoliko godina, dokazane rezerve uranijuma povećane su za 7%, što je povezano s otkrivanjem novih nalazišta. Najveći proizvođači ostaju Kazahstan, Kanada i Australija, oni iskopavaju do 63% svjetskog uranijuma. Osim toga, rezerve metala su dostupne u Australiji, Brazilu, Kini, Malaviju, Rusiji, Nigeru, SAD-u, Ukrajini, Kini i drugim zemljama. Pronedra je ranije pisao da je 2016. godine u Ruskoj Federaciji iskopano 7,9 hiljada tona uranijuma.

Danas se uranijum kopa na tri različita načina. Otvorena metoda ne gubi na važnosti. Koristi se u slučajevima kada su naslage blizu površine zemlje. Otvorenom metodom buldožeri stvaraju kamenolom, a zatim se ruda sa nečistoćama utovaruje u kipere za transport do prerađivačkih kompleksa.

Često rudno tijelo leži na velikoj dubini, u tom slučaju se koristi metoda podzemne eksploatacije. Rudnik se kopa u dubinu do dva kilometra, stijena se vadi bušenjem u horizontalnim nanosima i transportuje prema gore teretnim liftovima.

Smjesa koja se na ovaj način transportuje prema gore ima mnogo komponenti. Kamen se mora usitniti, razrijediti vodom i ukloniti višak. Zatim se u smjesu dodaje sumporna kiselina kako bi se izvršio proces luženja. Tokom ove reakcije, hemičari dobijaju žuti talog soli uranijuma. Konačno, uranijum sa nečistoćama se prečišćava u postrojenju za rafinaciju. Tek nakon toga se proizvodi uranijum oksid kojim se trguje na berzi.

Postoji mnogo sigurnija, ekološki prihvatljiva i isplativa metoda koja se zove bušotina in situ leaching (ISL).

Ovim načinom rudarenja, teritorija ostaje sigurna za osoblje, a radijacijska pozadina odgovara pozadini u velikim gradovima. Da biste kopali uranijum pomoću luženja, morate izbušiti 6 rupa na uglovima šesterokuta. Kroz ove bušotine, sumporna kiselina se upumpava u ležišta uranijuma i miješa sa njegovim solima. Ova otopina se ekstrahuje, odnosno pumpa kroz bunar u centru šesterokuta. Da bi se postigla potrebna koncentracija soli urana, smjesa se nekoliko puta propušta kroz sorpcione kolone.

Proizvodnja nuklearnog goriva

Nemoguće je zamisliti proizvodnju nuklearnog goriva bez plinskih centrifuga, koje se koriste za proizvodnju obogaćenog uranijuma. Nakon postizanja potrebne koncentracije, uran-dioksid se presuje u tzv. tablete. Nastaju pomoću maziva koji se uklanjaju tokom pečenja u pećima. Temperatura pečenja dostiže 1000 stepeni. Nakon toga, tablete se provjeravaju da li ispunjavaju navedene zahtjeve. Važni su kvalitet površine, sadržaj vlage i odnos kiseonika i uranijuma.

Istovremeno se u drugoj radionici pripremaju cijevne školjke za gorive elemente. Gore navedeni procesi, uključujući naknadno doziranje i pakovanje tableta u tube, zatvaranje, dekontaminaciju, nazivaju se proizvodnjom goriva. U Rusiji stvaranje gorivnih sklopova (FA) obavljaju Mašinostroitelni zavod u Moskovskoj oblasti, Novosibirska fabrika hemijskih koncentrata u Novosibirsku, Moskovska fabrika polimetala i drugi.

Svaka serija gorivih sklopova kreirana je za određeni tip reaktora. Evropski gorivni sklopovi su napravljeni u obliku kvadrata, dok ruski imaju šestougaoni poprečni presek. Reaktori tipa VVER-440 i VVER-1000 se široko koriste u Ruskoj Federaciji. Prvi gorivni elementi za VVER-440 počeli su se razvijati 1963. godine, a za VVER-1000 - 1978. godine. Unatoč činjenici da se u Rusiji aktivno uvode novi reaktori sa sigurnosnim tehnologijama nakon Fukušime, postoji mnogo starih nuklearnih instalacija koje rade u cijeloj zemlji i inozemstvu, tako da su gorivi sklopovi za različite tipove reaktora i dalje jednako relevantni.

Na primjer, za obezbjeđivanje gorivnih sklopova za jednu jezgru reaktora RBMK-1000 potrebno je preko 200 hiljada komponenti od legura cirkonijuma, kao i 14 miliona sinterovanih peleta uran dioksida. Ponekad troškovi proizvodnje gorivnog sklopa mogu premašiti cijenu goriva sadržanog u elementima, zbog čega je toliko važno osigurati visoku energetsku efikasnost po kilogramu uranijuma.

Troškovi proizvodnih procesa u %

Odvojeno, vrijedi spomenuti gorivne sklopove za istraživačke reaktore. Dizajnirani su na način da posmatranje i proučavanje procesa generisanja neutrona učine što ugodnijim. Takve gorivne šipke za eksperimente u oblastima nuklearne fizike, proizvodnje izotopa i radijacijske medicine proizvodi Novosibirska tvornica hemijskih koncentrata u Rusiji. FA su kreirani na bazi bešavnih elemenata sa uranijumom i aluminijumom.

Proizvodnju nuklearnog goriva u Ruskoj Federaciji obavlja kompanija za gorivo TVEL (odjel Rosatoma). Kompanija radi na obogaćivanju sirovina, montaži gorivnih elemenata, a pruža i usluge licenciranja goriva. Mašinska fabrika Kovrov u Vladimirskoj oblasti i Uralska fabrika gasnih centrifuga u Sverdlovskoj oblasti stvaraju opremu za ruske gorivne sklopove.

Karakteristike transporta gorivih šipki

Prirodni uranijum karakteriše nizak nivo radioaktivnosti, međutim, pre proizvodnje gorivih sklopova, metal se podvrgava postupku obogaćivanja. Sadržaj uranijuma-235 u prirodnoj rudi ne prelazi 0,7%, a radioaktivnost je 25 bekerela na 1 miligram uranijuma.

Uranijumske pelete, koje se stavljaju u gorive sklopove, sadrže uranijum sa koncentracijom uranijuma-235 od 5%. Gotovi gorivi sklopovi sa nuklearnim gorivom transportuju se u posebnim metalnim kontejnerima visoke čvrstoće. Za transport se koristi železnički, drumski, pomorski, pa čak i vazdušni transport. Svaki kontejner sadrži dva sklopa. Transport neozračenog (svježeg) goriva ne predstavlja opasnost od zračenja, jer se zračenje ne proteže dalje od cirkonijskih cijevi u koje se stavljaju presovani uranijumski peleti.

Razvijena je posebna ruta za otpremu goriva u pratnji osoblja obezbeđenja od strane proizvođača ili kupca (češće), što je prvenstveno posledica visoke cene opreme. U čitavoj istoriji proizvodnje nuklearnog goriva nije zabilježena niti jedna saobraćajna nesreća sa gorivnim sklopovima koja bi uticala na radijacijsku pozadinu okoliša ili dovela do ljudskih žrtava.

Gorivo u jezgru reaktora

Jedinica nuklearnog goriva - TVEL - sposobna je da oslobodi ogromne količine energije tokom dugog vremenskog perioda. Ni ugalj ni gas se ne mogu porediti sa takvim količinama. Životni ciklus goriva u bilo kojoj nuklearnoj elektrani počinje istovarom, uklanjanjem i skladištenjem svježeg goriva u skladištu gorivnih sklopova. Kada prethodna serija goriva u reaktoru izgori, osoblje sastavlja gorive sklopove za punjenje u jezgro (radno područje reaktora u kojem se javlja reakcija raspadanja). U pravilu se gorivo djelimično puni.

Puno gorivo se dodaje u jezgru samo u trenutku prvog pokretanja reaktora. To je zbog činjenice da gorivne šipke u reaktoru neravnomjerno izgaraju, jer se tok neutrona razlikuje po intenzitetu u različitim zonama reaktora. Zahvaljujući mjernim uređajima, osoblje stanice ima mogućnost da prati stepen izgaranja svake jedinice goriva u realnom vremenu i izvrši zamjenu. Ponekad se, umjesto utovara novih gorivnih sklopova, sklopovi međusobno pomiču. U centru aktivne zone izgaranje se najintenzivnije javlja.

FA nakon nuklearne elektrane

Uranijum koji je potrošen u nuklearnom reaktoru naziva se ozračen ili spaljen. A takvi gorivni sklopovi su istrošeno nuklearno gorivo. SNF je pozicioniran odvojeno od radioaktivnog otpada, jer ima najmanje 2 korisne komponente - neizgoreni uranijum (dubina sagorevanja metala nikada ne dostiže 100%) i transuranijum radionuklide.

U posljednje vrijeme, fizičari su počeli koristiti radioaktivne izotope nakupljene u istrošenom nuklearnom gorivu u industriji i medicini. Nakon što gorivo završi svoju kampanju (vrijeme kada se sklop nalazi u jezgri reaktora pod radnim uslovima pri nazivnoj snazi), ono se šalje u rashladni bazen, zatim u skladište direktno u reaktorsku komoru, a nakon toga na preradu ili odlaganje. Bazen za hlađenje je dizajniran da odvodi toplinu i štiti od jonizujućeg zračenja, budući da gorivni sklop ostaje opasan nakon uklanjanja iz reaktora.

U SAD, Kanadi ili Švedskoj istrošeno gorivo se ne šalje na preradu. Druge zemlje, uključujući Rusiju, rade na zatvorenom ciklusu goriva. Omogućuje vam značajno smanjenje troškova proizvodnje nuklearnog goriva, jer se dio istrošenog goriva ponovno koristi.

Gorivne šipke se rastvaraju u kiselini, nakon čega istraživači odvajaju plutonijum i neiskorišćeni uranijum iz otpada. Oko 3% sirovina se ne može ponovo upotrijebiti, a riječ je o visokoaktivnom otpadu koji se podvrgava postupcima bituminizacije ili vitrifikacije.

1% plutonijuma se može dobiti iz istrošenog nuklearnog goriva. Ovaj metal ne treba obogaćivati ​​Rusija ga koristi u procesu proizvodnje inovativnog MOX goriva. Zatvoreni gorivni ciklus omogućava pojeftinjenje jednog gorivnog sklopa za približno 3%, ali ova tehnologija zahtijeva velika ulaganja u izgradnju industrijskih jedinica, tako da još nije postala rasprostranjena u svijetu. Međutim, kompanija za gorivo Rosatom ne zaustavlja istraživanja u tom pravcu. Pronedra je nedavno napisao da Ruska Federacija radi na gorivu sposobnom da reciklira izotope americijuma, kurijuma i neptunija u jezgri reaktora, koji su uključeni u istih 3% visoko radioaktivnog otpada.

Proizvođači nuklearnog goriva: ocjena

1. Francuska kompanija Areva donedavno je osiguravala 31% globalnog tržišta gorivnih sklopova. Kompanija proizvodi nuklearno gorivo i sklapa komponente za nuklearne elektrane. U 2017. godini Areva je prošla kvalitetno renoviranje, u kompaniju su došli novi investitori, a kolosalan gubitak iz 2015. smanjen je za 3 puta.
2. Westinghouse je američki odjel japanske kompanije Toshiba. Aktivno razvija tržište u istočnoj Evropi, isporučujući gorive sklopove ukrajinskim nuklearnim elektranama. Zajedno sa Toshibom, osigurava 26% globalnog tržišta proizvodnje nuklearnog goriva.
3. Na trećem mjestu je kompanija za gorivo TVEL državne korporacije Rosatom (Rusija). TVEL osigurava 17% globalnog tržišta, ima desetogodišnji portfelj ugovora vrijedan 30 milijardi dolara i isporučuje gorivo za više od 70 reaktora. TVEL razvija gorivne sklopove za VVER reaktore, a također ulazi na tržište nuklearnih elektrana zapadnog dizajna.
4. Japan Nuclear Fuel Limited, prema posljednjim podacima, osigurava 16% svjetskog tržišta, opskrbljuje gorive sklopove većinu nuklearnih reaktora u samom Japanu.
5. Mitsubishi Heavy Industries je japanski gigant koji proizvodi turbine, tankere, klima uređaje i, odnedavno, nuklearno gorivo za reaktore zapadnog tipa. Mitsubishi Heavy Industries (odjel matične kompanije) bavi se izgradnjom nuklearnih reaktora APWR i istraživačkim aktivnostima zajedno sa Arevom. Ovu kompaniju odabrala je japanska vlada za razvoj novih reaktora.

Nuklearno gorivo je materijal koji se koristi u nuklearnim reaktorima za izvođenje kontrolirane lančane reakcije. Izuzetno je energetski intenzivan i nesiguran za ljude, što nameće niz ograničenja u njegovoj upotrebi. Danas ćemo naučiti šta je gorivo za nuklearne reaktore, kako se klasifikuje i proizvodi i gdje se koristi.

Napredak lančane reakcije

Tokom nuklearne lančane reakcije, jezgro se dijeli na dva dijela, koji se nazivaju fragmenti fisije. Istovremeno se oslobađa nekoliko (2-3) neutrona, koji naknadno izazivaju fisiju narednih jezgara. Proces se događa kada neutron udari u jezgro izvorne tvari. Fisijski fragmenti imaju visoku kinetičku energiju. Njihova inhibicija u materiji je praćena oslobađanjem ogromne količine topline.

Fragmenti fisije, zajedno sa njihovim produktima raspadanja, nazivaju se fisioni proizvodi. Jezgre koje dijele neutrone bilo koje energije nazivaju se nuklearnim gorivom. U pravilu su to tvari s neparnim brojem atoma. Neka jezgra se cijepaju isključivo neutronima čija je energija iznad određene granične vrijednosti. To su pretežno elementi s parnim brojem atoma. Takve jezgre nazivaju se sirovim materijalom, jer u trenutku hvatanja neutrona graničnim jezgrom nastaju jezgra goriva. Kombinacija zapaljivog materijala i sirovine naziva se nuklearno gorivo.

Klasifikacija

Nuklearno gorivo je podijeljeno u dvije klase:

1. Prirodni uranijum. Sadrži fisijske jezgre uranijuma-235 i sirovinu uranijuma-238, koja je sposobna da formira plutonijum-239 nakon hvatanja neutrona.
2. Sekundarno gorivo koje se ne nalazi u prirodi. To uključuje, između ostalog, plutonijum-239, koji se dobija iz prve vrste goriva, kao i uranijum-233, koji nastaje kada neutrone zarobe jezgra torijuma-232.

Sa stanovišta hemijskog sastava, postoje sledeće vrste nuklearnog goriva:

1. Metal (uključujući legure);
2. Oksid (na primjer, UO 2);
3. Karbid (na primjer PuC 1-x);
4. Mixed;
5. Nitride.

TVEL i TVS

Gorivo za nuklearne reaktore koristi se u obliku malih peleta. Postavljaju se u hermetički zatvorene gorivne elemente (gorivne elemente), koji se pak spajaju u nekoliko stotina gorivih sklopova (FA). Nuklearno gorivo podliježe visokim zahtjevima za kompatibilnost s oblogama gorivnih šipki. Mora imati dovoljnu temperaturu topljenja i isparavanja, dobru toplotnu provodljivost i ne mora se značajno povećati u zapremini pod neutronskim zračenjem. Uzima se u obzir i proizvodnost proizvodnje.

Aplikacija

Gorivo u nuklearne elektrane i druga nuklearna postrojenja dolazi u obliku gorivnih sklopova. Mogu se ubaciti u reaktor i tokom njegovog rada (na mjesto izgorjelih gorivnih sklopova) i tokom kampanje popravke. U potonjem slučaju, gorivni sklopovi se zamjenjuju u velikim grupama. U ovom slučaju, samo trećina goriva je potpuno zamijenjena. Najizgoreliji sklopovi se istovaruju iz centralnog dijela reaktora, a na njihovo mjesto postavljaju se djelimično izgorjeli sklopovi koji su se ranije nalazili u manje aktivnim područjima. Shodno tome, novi gorivni sklopovi se ugrađuju na mjesto potonjeg. Ova jednostavna shema preuređivanja smatra se tradicionalnom i ima niz prednosti, od kojih je glavna osiguravanje ujednačenog oslobađanja energije. Naravno, ovo je shematski dijagram koji daje samo opću ideju procesa.

Izvod

Nakon što se istrošeno nuklearno gorivo ukloni iz jezgre reaktora, ono se šalje u bazen za hlađenje, koji se obično nalazi u blizini. Činjenica je da sklopovi istrošenog goriva sadrže ogromnu količinu fragmenata fisije uranijuma. Nakon istovara iz reaktora, svaki gorivni štap sadrži oko 300 hiljada kirija radioaktivnih supstanci, oslobađajući 100 kW/sat energije. Zbog toga se gorivo samozagreva i postaje visoko radioaktivno.

Temperatura tek istovarenog goriva može dostići 300°C. Stoga se čuva 3-4 godine pod slojem vode čija se temperatura održava u utvrđenom rasponu. Kako se skladišti pod vodom, smanjuje se radioaktivnost goriva i snaga njegovih zaostalih emisija. Nakon otprilike tri godine, samozagrijavanje gorivnog sklopa dostiže 50-60°C. Zatim se gorivo uklanja iz bazena i šalje na preradu ili odlaganje.

Metalni uranijum

Metalni uran se relativno rijetko koristi kao gorivo za nuklearne reaktore. Kada tvar dostigne temperaturu od 660°C, dolazi do faznog prijelaza, praćenog promjenom njegove strukture. Jednostavno rečeno, uranijum se povećava u zapremini, što može dovesti do uništenja gorivih šipki. U slučaju produženog zračenja na temperaturi od 200-500°C, tvar podliježe radijacijskom rastu. Suština ovog fenomena je izduženje ozračenog uranijumskog štapa za 2-3 puta.

Upotreba metalnog uranijuma na temperaturama iznad 500°C otežana je zbog njegovog bubrenja. Nakon nuklearne fisije formiraju se dva fragmenta čija ukupna zapremina premašuje zapreminu samog jezgra. Neki fisioni fragmenti su predstavljeni atomima gasa (ksenon, kripton, itd.). Plin se akumulira u porama uranijuma i formira unutrašnji pritisak, koji raste kako temperatura raste. Zbog povećanja volumena atoma i povećanja tlaka plina, nuklearno gorivo počinje bubriti. Dakle, ovo se odnosi na relativnu promjenu volumena povezanu s nuklearnom fisijom.

Jačina bubrenja zavisi od temperature gorivih šipki i pregorevanja. Sa povećanjem izgaranja, broj fisijskih fragmenata se povećava, a sa povećanjem temperature i sagorevanja, unutrašnji pritisak gasa raste. Ako gorivo ima veća mehanička svojstva, onda je manje podložno bubrenju. Metalni uranijum nije jedan od ovih materijala. Stoga njegova upotreba kao goriva za nuklearne reaktore ograničava izgaranje, što je jedna od glavnih karakteristika takvog goriva.

Mehanička svojstva uranijuma i njegova otpornost na zračenje poboljšavaju se legiranjem materijala. Ovaj proces uključuje dodavanje aluminija, molibdena i drugih metala. Zahvaljujući doping aditivima, broj fisijskih neutrona potrebnih po hvatanju je smanjen. Stoga se u ove svrhe koriste materijali koji slabo apsorbiraju neutrone.

Vatrostalna jedinjenja

Neka vatrostalna jedinjenja uranijuma smatraju se dobrim nuklearnim gorivom: karbidi, oksidi i intermetalna jedinjenja. Najčešći od njih je uran-dioksid (keramika). Tačka topljenja mu je 2800°C, a gustina 10,2 g/cm 3 .

Pošto ovaj materijal ne prolazi kroz fazne prelaze, manje je podložan bubrenju od legura uranijuma. Zahvaljujući ovoj osobini, temperatura sagorevanja može se povećati za nekoliko procenata. Na visokim temperaturama keramika ne stupa u interakciju sa niobijem, cirkonijumom, nerđajućim čelikom i drugim materijalima. Njegov glavni nedostatak je niska toplotna provodljivost - 4,5 kJ (m*K), što ograničava specifičnu snagu reaktora. Osim toga, vruća keramika je sklona pucanju.

Plutonijum

Plutonijum se smatra metalom niskog topljenja. Topi se na temperaturi od 640°C. Zbog loših plastičnih svojstava, praktički ga je nemoguće strojno obrađivati. Toksičnost tvari komplicira tehnologiju proizvodnje gorivih šipki. Nuklearna industrija je u više navrata pokušavala koristiti plutonij i njegove spojeve, ali nisu bili uspješni. Nepraktično je koristiti gorivo za nuklearne elektrane koje sadrži plutonijum zbog približno 2 puta smanjenja perioda ubrzanja, za šta standardni sistemi upravljanja reaktorima nisu dizajnirani.

Za proizvodnju nuklearnog goriva u pravilu se koriste plutonij dioksid, legure plutonijuma s mineralima i mješavina plutonijum karbida i uranijum karbida. Disperziona goriva, u kojima su čestice jedinjenja uranijuma i plutonijuma smeštene u metalnu matricu molibdena, aluminijuma, nerđajućeg čelika i drugih metala, imaju visoka mehanička svojstva i toplotnu provodljivost. Otpornost na zračenje i toplotna provodljivost disperzijskog goriva zavise od materijala matrice. Na primjer, u prvoj nuklearnoj elektrani disperzivno gorivo se sastojalo od čestica legure uranijuma sa 9% molibdena, koje su bile punjene molibdenom.

Što se tiče torijumskog goriva, ono se danas ne koristi zbog poteškoća u proizvodnji i preradi gorivih šipki.

Proizvodnja

Značajne količine glavne sirovine za nuklearno gorivo - uranijuma - koncentrisane su u nekoliko zemalja: Rusiji, SAD, Francuskoj, Kanadi i Južnoj Africi. Njena ležišta se obično nalaze u blizini zlata i bakra, tako da se svi ovi materijali kopaju u isto vrijeme.

Zdravlje ljudi koji rade u rudarstvu je u velikoj opasnosti. Činjenica je da je uranijum otrovan materijal, a gasovi koji se oslobađaju tokom njegovog iskopavanja mogu izazvati rak. I to unatoč činjenici da ruda ne sadrži više od 1% ove tvari.

Potvrda

Proizvodnja nuklearnog goriva iz rude uranijuma uključuje sljedeće faze:

1. Hidrometalurška obrada. Uključuje ispiranje, drobljenje i ekstrakciju ili obnavljanje sorpcije. Rezultat hidrometalurške obrade je pročišćena suspenzija oksiuranijum oksida, natrijum diuranata ili amonijum diuranata.
2. Pretvaranje supstance iz oksida u tetrafluorid ili heksafluorid, koji se koristi za obogaćivanje uranijuma-235.
3. Obogaćivanje supstance centrifugiranjem ili toplotnom difuzijom gasa.
4. Pretvaranje obogaćenog materijala u dioksid, od kojeg se proizvode „peleti“ gorivnih šipki.

Regeneracija

Tokom rada nuklearnog reaktora gorivo ne može u potpunosti izgorjeti, pa se slobodni izotopi reproduciraju. U tom smislu, istrošene gorivne šipke podliježu regeneraciji u svrhu ponovne upotrebe.

Danas se ovaj problem rješava kroz Purex proces koji se sastoji od sljedećih faza:

1. Rezanje gorivih šipki na dva dijela i njihovo otapanje u dušičnoj kiselini;
2. Čišćenje otopine od fisionih proizvoda i dijelova školjke;
3. Izolacija čistih jedinjenja uranijuma i plutonijuma.

Nakon toga, nastali plutonijum dioksid se koristi za proizvodnju novih jezgara, a uranijum se koristi za obogaćivanje ili takođe za proizvodnju jezgara. Ponovna prerada nuklearnog goriva je složen i skup proces. Njegova cijena ima značajan utjecaj na ekonomsku izvodljivost korištenja nuklearnih elektrana. Isto se može reći i za odlaganje otpada od nuklearnog goriva koje nije pogodno za regeneraciju.

Evropski i američki naučnici zajednički su razvili novu vrstu termonuklearnog goriva, koje je za red veličine superiornije od svih postojećih analoga u energetskoj efikasnosti. Istraživanje je provedeno na bazi ultramodernih tokamaka Alcator C-Mod i JET.

Istraživači sa Massachusetts Institute of Technology (MIT), zajedno sa kolegama iz SAD-a i Brisela, razvili su novu vrstu termonuklearnog goriva. Uz njegovu pomoć možete dobiti deset puta više energije nego iz svih postojećih uzoraka. Novo gorivo sadrži tri vrste jona - čestice čiji se naboj mijenja ovisno o gubitku ili dobitku elektrona. Za proučavanje goriva koristi se tokamak - toroidna komora za magnetno ograničavanje plazme, stvarajući uvjete za kontroliranu termonuklearnu fuziju. Eksperimenti sa novim proizvodom izvode se na bazi tokamaka Alcator C-Mod, u vlasništvu MIT-a, koji obezbeđuje najveći napon magnetnog polja i pritisak plazme tokom testiranja.

Tajna novog goriva

Alcator C-Mod je posljednji put lansiran još u septembru 2016. godine, ali su podaci dobijeni kao rezultat eksperimenata dešifrovani tek nedavno. Zahvaljujući njima, naučnici su uspjeli razviti novu, jedinstvenu vrstu termonuklearnog goriva koje značajno povećava energiju jona u plazmi. Rezultati su bili toliko ohrabrujući da su istraživači koji su radili na Joint European Tor (JET, još jedan moderni tokamak) u Oxfordshireu, SAD, proveli vlastiti eksperiment i postigli isto povećanje u proizvodnji energije. Studija sa detaljima o nalazima nedavno je objavljena u časopisu Nature Physics.

Ključ za povećanje efikasnosti nuklearnog goriva bio je dodavanje sićušnih količina helijuma-3, stabilnog izotopa helijuma koji ima samo jedan umjesto dva neutrona. Nuklearno gorivo korišteno u Alcator C-Mod ranije je sadržavalo samo dvije vrste jona, deuterijum i ione vodika. Deuterijum, stabilan izotop vodonika sa jednim neutronom u jezgru (običan vodonik uopšte nema neutrona), zauzima oko 95% ukupnog sastava goriva.

Istraživači iz MIT centra za plazmu i fuziju (PSFC) koristili su radiofrekventno grijanje kako bi zapalili gorivo koje se drži u suspenziji industrijskim magnetima. Ova metoda se zasniva na korištenju antena izvan tokamaka, koje utječu na gorivo pomoću radio valova određenih frekvencija. Kalibrirani su da pogode samo materijal čija je količina u suspenziji najmanja od svih ostalih (u ovom slučaju vodonik). Vodonik ima samo mali dio ukupne gustine goriva, tako da fokusiranje radiofrekventnog zagrijavanja na njegove ione omogućava postizanje ekstremno visokih temperatura. Pobuđeni vodikovi joni tada stupaju u interakciju s ionima deuterija, a nastale čestice bombardiraju vanjsku ljusku reaktora, oslobađajući ogromne količine topline i električne energije.

Šta je sa helijumom-3? Novo gorivo sadrži manje od 1%, ali su njegovi joni ti koji igraju odlučujuću ulogu. Fokusirajući radiofrekventno zagrijavanje na tako malu količinu materije, istraživači su podigli energiju eona na nivoe megaelektronvolta (MeV). Elektron volt je količina energije koja se dobije/izgubi kao rezultat prijelaza elektrona s jedne tačke električnog potencijala na nivo za 1 volt viši. Do sada su megaelektronvolti u eksperimentima s termonuklearnim gorivom bili samo krajnji san naučnika - ovo je red veličine veći od energije svih do sada dobijenih uzoraka.

Tokamak: istraživanje termonuklearnih reakcija

Alcatre C-Mod i JET su eksperimentalne fuzijske komore sa sposobnošću postizanja istih pritisaka i temperatura plazme koje bi bile potrebne u punom fuzijskom reaktoru. Vrijedi napomenuti, međutim, da su manje veličine i ne proizvode ono što istraživači nazivaju "aktiviranom fuzijom" - fuzijom čija se energija direktno pretvara u energiju koja se može koristiti za druge potrebe. Fino podešavanje sastava goriva, radio frekvencije, magnetnih polja i drugih varijabli u ovim eksperimentima omogućava istraživačima da pažljivo odaberu najefikasniji proces fuzije, koji se zatim može replicirati u industrijskoj skali.

Kao što je već spomenuto, američki naučnici koji rade u JET-u uspjeli su ne samo da postignu iste rezultate, već i da ih uporede sa radom svojih zapadnih kolega, zbog čega je naučna zajednica dobila jedinstvene podatke mjerenja različitih svojstava nevjerovatno složenih reakcija. koji se javljaju u pregrijanoj plazmi. Na MIT-u, istraživači su koristili metodu za snimanje reakcije pomoću fazno-kontrastne mikroskopije, koja pretvara faze elektromagnetnih valova u kontraste intenziteta. Zauzvrat, JET naučnici su uspjeli preciznije izmjeriti energiju nastalih čestica, što je rezultiralo boljom slikom onoga što se dešava tokom fuzijskih reakcija.

Nuklearna fuzija: revolucija u energetici

Šta ovo znači za tebe i mene? U najmanju ruku, značajan napredak u tehnološkom polju. Nuklearna fuzija, koja se koristi u industrijske svrhe, mogla bi revolucionirati proizvodnju energije. Njegov energetski potencijal je neverovatno visok, a njegovo gorivo se sastoji od najzastupljenijih elemenata u Sunčevom sistemu - vodonika i helijuma. Osim toga, nakon sagorijevanja termonuklearnog goriva ne nastaje otpad opasan po okolinu i ljude.

Kako Nature napominje, rezultati ovih eksperimenata će također pomoći astronomima da bolje razumiju ulogu helijuma-3 u solarnoj aktivnosti - na kraju krajeva, sunčeve baklje koje predstavljaju prijetnju Zemljinoj energiji i satelitima blizu Zemlje nisu ništa drugo do rezultat termonuklearna reakcija s kolosalnim toplinskim i elektromagnetnim zračenjem.

Zbog činjenice da je nuklearno gorivo efikasnije od svih drugih vrsta goriva koje danas imamo, velika se prednost daje svemu što može raditi uz pomoć nuklearnih elektrana (nuklearne elektrane, podmornice, brodovi itd.). Dalje ćemo govoriti o tome kako se proizvodi nuklearno gorivo za reaktore.

Uranijum se kopa na dva glavna načina:
1) Direktno rudarenje u kamenolomima ili rudnicima, ako dubina uranijuma to dozvoljava. Sa ovom metodom, nadam se da je sve jasno.
2) Podzemno ispiranje. To je kada se na mjestu gdje se nalazi uranijum izbuše bunari, u njih se upumpava slaba otopina sumporne kiseline i otopina stupa u interakciju s uranijumom, spajajući se s njim. Zatim se dobivena smjesa ispumpava na površinu, a uranijum se odvaja od nje hemijskim metodama.

Zamislimo da smo već izvukli uranijum iz rudnika i pripremili ga za dalje transformacije. Fotografija ispod prikazuje takozvani "žuti kolač", U3O8. U buretu za dalji transport.

Sve bi bilo u redu, teoretski bi ovaj uranijum mogao odmah da se iskoristi za proizvodnju goriva za nuklearne elektrane, ali avaj. Priroda nam je, kao i uvijek, dala posao. Činjenica je da se prirodni uranijum sastoji od mješavine tri izotopa. To su U238 (99,2745%), U235 (0,72%) i U234 (0,0055%). Ovdje nas samo zanima U235 - budući da savršeno dijeli termalne neutrone u reaktoru, on nam omogućava da uživamo u svim prednostima lančane reakcije fisije. Nažalost, njegova prirodna koncentracija nije dovoljna za stabilan i dugotrajan rad modernog reaktora nuklearne elektrane. Iako je, koliko je meni poznato, aparat RBMK konstruisan tako da može da se pokreće na gorivo od prirodnog uranijuma, ali stabilnost, trajnost i sigurnost rada na takvom gorivu uopšte nije zagarantovana.
Moramo obogatiti uranijum. Odnosno, povećati koncentraciju U235 sa prirodne na onu koja se koristi u reaktoru.
Na primjer, reaktor RBMK radi na 2,8% obogaćenog uranijuma, dok reaktor VVER-1000 radi na 1,6 do 5,0% obogaćenog uranijuma. Pomorske i pomorske nuklearne elektrane troše gorivo obogaćeno do 20%. A neki istraživački reaktori rade na gorivu sa 90% obogaćenja (na primjer, IRT-T u Tomsku).
U Rusiji se obogaćivanje uranijuma vrši pomoću plinskih centrifuga. Odnosno, onaj žuti prah koji je ranije bio na fotografiji pretvara se u gas, uranijum heksafluorid UF6. Ovaj plin se zatim dovodi u kaskadu centrifuga. Na izlazu iz svake centrifuge, zbog razlike u težini jezgara U235 i U238, dobijamo uranijum heksafluorid sa blago povećanim sadržajem U235. Proces se ponavlja mnogo puta i na kraju dobijemo uranijum heksafluorid sa obogaćenjem koje nam je potrebno. Na fotografiji ispod možete vidjeti samo razmjere kaskade centrifuga - ima ih puno i protežu se na daleke udaljenosti.

Gas UF6 se zatim ponovo pretvara u UO2, u obliku praha. Hemija je, na kraju krajeva, veoma korisna nauka i omogućava nam da stvaramo takva čuda.
Međutim, ovaj prah se ne može lako sipati u reaktor. Tačnije, možete zaspati, ali ništa dobro od toga neće biti. To (prašak) mora biti dovedeno u takav oblik da ga možemo spuštati u reaktor dugo, godinama. U tom slučaju, samo gorivo ne bi trebalo doći u kontakt s rashladnom tekućinom i ići dalje od jezgre. A uz sve to, gorivo mora izdržati vrlo, vrlo teške pritiske i temperature koje će u njemu nastati pri radu unutar reaktora.
Inače, zaboravio sam reći da prašak također nije bilo kakav - mora biti određene veličine kako se prilikom presovanja i sinteriranja ne bi stvarale nepotrebne šupljine i pukotine. Prvo, tablete se prave od praha pritiskom i pečenjem dugo vremena (tehnologija zaista nije laka, ako se prekrši, tablete goriva neće biti upotrebljive). Prikazat ću varijacije tableta na fotografiji ispod.

Rupe i urezi na tabletama su potrebni za kompenzaciju toplinskog širenja i promjena zračenja. U reaktoru s vremenom tablete nabubre, savijaju se, mijenjaju veličinu, a ako ništa nije predviđeno, mogu se srušiti, a to je loše.

Gotove tablete se zatim pakuju u metalne cijevi (od čelika, cirkonija i njegovih legura i drugih metala). Cijevi su zatvorene na oba kraja i zapečaćene. Gotova cijev s gorivom naziva se gorivi element - gorivni element.

Različiti reaktori zahtijevaju gorive elemente različitog dizajna i obogaćenja. RBMK gorivne šipke, na primjer, dugačke su 3,5 metara. Gorivi elementi, inače, nisu samo štapni. kao na fotografiji. Dolaze u obliku ploča, prstenastih i raznih vrsta i modifikacija.
Gorivni elementi se zatim kombinuju u gorivne sklopove - FA. Gorivni sklop reaktora RBMK sastoji se od 18 gorivih šipki i izgleda otprilike ovako:

Sklop goriva VVER reaktora izgleda ovako:
Kao što vidite, gorivni sklop reaktora VVER sastoji se od mnogo većeg broja gorivih šipki nego kod RBMK.
Gotov specijalni proizvod (FA) se zatim isporučuje u nuklearnu elektranu uz poštovanje sigurnosnih mjera opreza. Zašto mjere opreza? Nuklearno gorivo, iako još nije radioaktivno, vrlo je vrijedno, skupo i ako se njime nepažljivo rukuje može uzrokovati mnoge probleme. Zatim se vrši konačna kontrola stanja gorivnog sklopa i utovar u reaktor. To je to, uranijum je prešao dug put od rude pod zemljom do visokotehnološkog uređaja unutar nuklearnog reaktora. Sada ima drugačiju sudbinu - da se napreže unutar reaktora nekoliko godina i oslobodi dragocjenu toplinu koju će mu voda (ili bilo koja druga rashladna tekućina) uzeti.

Uranijum je glavni element nuklearne energije, koristi se kao nuklearno gorivo, sirovina za proizvodnju plutonija i u nuklearnom oružju. Sadržaj uranijuma u zemljinoj kori je 2,5-10-4%, a ukupna količina u 20 km debelom sloju litosfere dostiže 1,3-10 14 tona. Minerali urana se nalaze skoro svuda. Međutim, uranijum je element u tragovima. To znači da je njegova koncentracija u stijenama često nedovoljna za komercijalno održivu proizvodnju. Sadržaj uranijuma u rudi jedan je od ključnih parametara koji određuju troškove proizvodnje. Rude uranijuma koje sadrže 0,03-0,10% uranijuma smatraju se siromašnim, obične - 0,10-0,25%, prosječne - 0,25-0,5%, bogate - preko 0,50% 1.

Uranijum ima 14 izotopa, ali se samo tri nalaze u prirodi (tabela 1.6).

Tabela 1.6

Prema poslednjim podacima, istraženi obim rezervi uranijuma, čija proizvodnja ne prelazi 130 dolara/kg U, iznosi 5.327.200 tona za kategoriju sa troškovima proizvodnje manjim od 260.600 tona Osim toga, količina uranijuma u takozvanim predviđenim i procijenjenim rezervama dostiže 10.429.100 tona.

Tabela 1.7

Zemlje s najvećim dokazanim rezervama uranijuma čija vrijednost ne prelazi 130 USD/kg U

Posljednjih godina distribucija ležišta uranijuma po zemljama se donekle promijenila zbog činjenice da su tokom proučavanja niza nalazišta uranijuma otkriveni dodatni resursi u afričkim zemljama (Bocvana, Zambija, Islamska Republika Mauritanija, Malavi, Mali , Namibija, Ujedinjena Republika Tanzanija). Također, nove rezerve otkrivene su u Gvajani, Kolumbiji, Paragvaju, Peruu i Švedskoj.

Glavni minerali koji sadrže uranijum su uraninit (mešavina oksida uranijuma i torijuma sa opštom formulom (U, Th)0 2x), smola (uranijum oksidi: U0 2, U0 3, poznati i kao uranijumska smola), karnotit - K, (U0 2)2 (V0 4) 2 -3H 2 0, uranofan - Ca (U0 2)Si0 3 (0H) 2 -5H 2 0 i drugi 110].

Ekstrakcija uranijuma iz stijena vrši se na sljedeće načine:

• Rudarstvo u kamenolomu(otvorena metoda) se koristi za vađenje rude koja se nalazi na površini zemljine kore ili leži plitko. Metoda uključuje stvaranje jama koje se nazivaju kamenolomi ili usjeci. Do danas su ležišta koja se mogu eksploatisati otvorenim kopom praktično iscrpljena. Proizvodnja je 23%;
• Mine mining(zatvorena metoda) koristi se za vađenje minerala koji se nalaze na značajnim dubinama, a podrazumijeva izgradnju kompleksa podzemnih rudarskih radova. Proizvodnja - 32%;
• In-situ ispiranje uključuje pumpanje u formaciju pod pritiskom vodenog rastvora hemijskog reagensa, koji, prolazeći kroz rudu, selektivno otapa prirodna jedinjenja uranijuma. Rastvor za luženje, koji sadrži uranijum i pripadajuće metale, zatim se dovodi na površinu zemlje kroz bušotine za ekstrakciju. Proizvodnja - 39%.
• Zajedničko rudarenje sa rudama drugih metala(uranijum je u ovom slučaju nusproizvod) - iznosi 6%.

Proizvodnja dioksidnog goriva iz rude uranijuma je složen i skup proces, uključujući ekstrakciju uranijuma iz rude, njegovu koncentraciju, prečišćavanje (rafiniranje), konverziju (proizvodnja uran heksafluorida, obogaćivanje, dekonverzija (UF prevod) 6 b U0 2), proizvodnja gorivnih elemenata (gorivih šipki).

U prvoj fazi prerade ruda uranijuma iskopana kamenolomnim i rudničkim metodama se usitnjava i sortira radioaktivno. Nakon sortiranja, komadi rude se dalje drobe i šalju na ispiranje kako bi se uranijum pretvorio u rastvorljiv oblik. Izbor hemijskog rastvora za otvaranje rude zavisi od vrste minerala koji uključuje uranijum. U nekim slučajevima se koriste mikrobiološke metode za otvaranje rude.

Kao rezultat luženja, formira se produktivna otopina koja sadrži uran. Prilikom dalje prerade produktivnog rastvora metodama jonske razmene, ekstrakcije ili precipitacije, uranijum se koncentriše i odvajaju neželjene nečistoće (Na, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Ni itd.). Dobiveni proizvod se filtrira, suši i zagrijava na visoku temperaturu, na kojoj nastaje uranijum oksid – žuti kolač (U 3 0 8). Za dubinsko pročišćavanje uranijuma od nečistoća provodi se rafiniranje, čija je tradicionalna shema otapanje U 3 0 8 u dušičnoj kiselini i njegovo pročišćavanje ekstrakcijom (rjeđe, taloženjem). U ovom slučaju, konačni proizvod tehnologije rafiniranja je U 3 0 8 ili uranijum trioksid U0 3. Dobijeni oksidni proizvod se pretvara u gasovito stanje - UF 6, koje je najpogodnije za obogaćivanje. Ovaj proces se naziva konverzija.

Zdrobljena ruda uranijuma (vidi sliku 1.10) se isporučuje u pogon za preradu. Koncentrat rude (prirodni uran) šalje se u postrojenje za proizvodnju uranijum heksafluorida (UF 6).

Rice. 1.10.

Uranijum iz postrojenja za regeneraciju radiohemijskog goriva se dodaje u ciklus. Uranijum heksafluorid se šalje u postrojenje za obogaćivanje prirodnog i regenerisanog uranijuma kako bi se povećao sadržaj izotopa 235 U. Za odvajanje izotopa uranijuma potrebne su posebne metode (difuzija gasa i gasna centrifuga), budući da se izdvajaju izotopi 23:> i. i 238 predstavljaju jedan hemijski element (tj. ne mogu se razdvojiti hemijskim metodama) i razlikuju se samo po masenom broju (235 i 238 amu). Ove metode su izuzetno složene i zahtijevaju značajnu energiju, vrijeme i posebnu opremu. Metoda gasne difuzije zasniva se na razlici u stopama prodiranja heksafluorida uranijuma-238 i uranijum-235 kroz porozne pregrade (membrane). Kada se gasoviti uranijum prođe kroz jednu membranu, koncentracije se menjaju za samo 0,43%, odnosno početna koncentracija je 2b i raste sa 0,710 na 0,712%. Da bi se smjesa značajno obogatila sa 235 U, proces separacije se mora ponoviti mnogo puta. Dakle, da bi se dobila mješavina prirodnog uranijuma obogaćenog na 2,4% bez 235 U, i koncentracije od 235 U u osiromašenom uranijumu (otpadu) od 0,3%, potrebno je oko 840 koraka. Kaskada za proizvodnju visoko obogaćenog uranijuma (90% i više) mora imati 3000 stupnjeva.

Efikasnija je metoda plinske centrifuge, u kojoj se heksafluoridi izotopa uranijuma-235 i 238 unose u plinsku centrifugu, koja se rotira brzinom od 1500 okretaja u sekundi. U tom slučaju nastaje značajna centrifugalna sila koja gura uran-238 prema zidu, a uran-235 se koncentriše u području ose rotacije. Da bi se postigao potreban stepen obogaćivanja, gasne centrifuge se kombinuju u kaskade koje se sastoje od desetina hiljada uređaja.

Za pretvaranje UF 6 nakon obogaćivanja u uran dioksid U O, koriste se “mokre” (otapanje u vodi, taloženje i kalcinacija) i “suhe” (sagorijevanje UF 6 u plamenu vodika). Dobijeni prah U0 2 se presuje u tablete i sinteruje na temperaturi od približno 1750°C.

Nakon obogaćivanja, dva toka – obogaćeni uranijum i osiromašeni uranijum – slijede različite puteve. Osiromašeni uranijum se skladišti u postrojenju za difuziju, a obogaćeni uranijum se pretvara u uranijum dioksid (U0 2) i šalje u postrojenje za proizvodnju gorivnih elemenata.

U ovim postrojenjima se U0 2 namijenjen reaktorima pretvara u gorivne pelete. Tablete se zagrevaju i sinteruju da bi se dobila tvrda, gusta konzistencija (slika 1.11). Nakon obrade stavljaju se u cijevi (ljuske) od cirkonija, na krajevima se zavaruju čepovi, a rezultat je goriv element. Određeni broj gorivih šipki je sastavljen zajedno u jednu strukturu - sklop goriva(TVS).

Rice. 1.11. Gorivo pelet od U0 2

Gotovi gorivi sklopovi se dopremaju u nuklearne elektrane u posebnim kontejnerima željezničkim, cestovnim ili pomorskim transportom. U nekim slučajevima se koristi vazdušni transport.

U cijelom svijetu se radi na poboljšanju tehničkih i ekonomskih karakteristika nuklearnog goriva. Najvažniji zahtjev sa stanovišta ekonomske efikasnosti nuklearnog goriva je povećanje sagorijevanja. Za potpuniju upotrebu uranijuma, gorivo mora duže ostati u jezgri reaktora (vidi tabelu 1.8). Kako bi se produžio vijek trajanja goriva, poboljšavaju se konstrukcijski materijali koji moraju raditi u dužim i težim uvjetima rada; kompozicije goriva (za smanjenje prinosa proizvoda fisije); povećava se krutost okvira gorivnog sklopa.

Tabela 1.8

Moderni i perspektivni VVER ciklusi goriva koji koriste obogaćeni prirodni uranijum

1.4. Yader novo gorivo

Za reaktore tipa VVER-1000 postoje dva glavna poboljšana tipa gorivih sklopova (slika 1.12): TVSA (razvijen od strane OKBM po imenu I. I. Afrikantov) i TVS-2 M (razvijen od OKB Gidropress),

Rice. 1.12. Gorivni sklopovi za VVER reaktor: A- TVSA-PLUS, b- TVS-2 M

Gorivi sklopovi TVSA-PLUS i TVS-2 M imaju identične tehničko-ekonomske karakteristike, omogućavajući povećanje snage reaktorskog postrojenja do 104% od nominalnog, 18-mesečni gorivni ciklus (napuna 66 jedinica), gorivo izgaranje - 72 MW dan/kg U, mogućnost rada u manevarskog režima, zaštita od stranih tela.

Sve veći udio proizvodnje električne energije u nuklearnim elektranama u energetskom bilansu i prelazak na liberalno tržište električne energije zahtijevat će u narednim godinama prelazak pojedinih nuklearnih blokova u rad na fleksibilan način. Ovaj način rada, koji do sada nije korišćen u nuklearnim elektranama, takođe nameće dodatne zahteve za gorivo i gorivne cikluse. Mora se razviti gorivo koje održava visoke karakteristike performansi pod promjenjivim uvjetima opterećenja.

• Prema zajedničkom izvještaju IAEA i OECD-a „Uranijum 2011: rezerve, proizvodnja i potražnja“.