Nuklearno gorivo: vrste, proizvodnja, prerada. Uranij-235

Nuklearno gorivo je materijal koji se koristi u nuklearnim reaktorima za provođenje kontrolirane lančane reakcije. Izuzetno je energetski intenzivan i nesiguran za ljude, što nameće brojna ograničenja njegove uporabe. Danas ćemo saznati što je to gorivo za nuklearni reaktor, kako se ono klasificira i proizvodi, gdje se koristi.

Lančana reakcija

Tijekom nuklearne lančane reakcije, jezgra je podijeljena na dva dijela, koji se nazivaju fragmenti fisije. Istodobno se oslobađa nekoliko (2-3) neutrona, koji zatim uzrokuju fisiju sljedećih jezgri. Proces se događa kada neutron ulazi u jezgru izvorne tvari. Fionski fragmenti imaju veliki kinetička energija. Njihovu inhibiciju u tvari prati oslobađanje velike količine topline.

Frazijski fragmenti, zajedno s njihovim proizvodima raspada, nazivaju se proizvodi fisije. Jezgre, koje su podijeljene neutronima bilo koje energije, nazivaju se nuklearnim gorivom. U pravilu, to su tvari s neparnim brojem atoma. Neke jezgre podijeljene su čisto neutronima, čija je energija iznad određene granične vrijednosti. To su pretežno elementi s parnim brojem atoma. Takve se jezgre nazivaju sirovine, jer u trenutku kada neutron zauzme oblik jezgre gorivnog jezgre. Kombinacija goriva i sirovina se tako naziva nuklearnim gorivom.

klasifikacija

Nuklearno gorivo je podijeljeno u dvije klase:

1. Prirodni uran. Sadrži fisijske jezgre urana-235 i sirovine uranija-238, koje mogu formirati plutonij-239 kada se uhvati neutron.
2. Sekundarno gorivo koje se ne nalazi u prirodi. To uključuje, između ostalog, plutonij-239, koji se dobiva iz goriva prvog tipa, kao i uranij-233, nastao za vrijeme hvatanja neutrona jezgrom torija-232.

U pogledu kemijskog sastava, postoje ove vrste nuklearnog goriva:

1. Metal (uključujući legure);
2. Oksid (na primjer, UO2);
3. Karbid (na primjer PuCi _-x );
4. pomiješaju;
5. Nitrid.

TVEL i TVS

Gorivo za nuklearni reaktori u obliku malih tableta. Oni su smješteni u hermetički zatvorenim gorivnim elementima (TVEL), koji se, pak, nekoliko stotina kombiniraju u gorivne elemente (FA). Nuklearno gorivo ima visoke zahtjeve za kompatibilnost s oblogama goriva. Trebala bi imati dovoljnu temperaturu taljenja i isparavanja, dobru toplinsku provodljivost, a ne znatno povećanje volumena tijekom neutronskog zračenja. Također uzeti u obzir proizvodnost proizvodnje.

primjena

na nuklearne elektrane i druga nuklearna postrojenja dobivaju gorivo u obliku gorivnih sklopova. Mogu se puniti u reaktor i tijekom rada (umjesto izgorjelih gorivih sklopova) i tijekom kampanje popravka. U potonjem slučaju, gorivi sklopovi se mijenjaju u velikim skupinama. Međutim, samo se trećina goriva u potpunosti zamijeni. Najviše izgorjelih sklopova se istovara iz središnjeg dijela reaktora, a na njihovo mjesto stavljaju se djelomično spaljeni sklopovi, koji su se ranije nalazili u manje aktivnim područjima. Kao posljedica toga, novi gorivi sklopovi se instaliraju umjesto njih. Ova jednostavna shema preraspodjele smatra se tradicionalnom i ima brojne prednosti, od kojih je glavno osigurati jednoobrazno oslobađanje energije. Naravno, ovo je konvencionalna shema, koja daje samo opće ideje o procesu.

izvod

Nakon uklanjanja istrošenog nuklearnog goriva iz jezgre reaktora, on se šalje u bazen, koji se u pravilu nalazi u blizini. Činjenica je da sklopovi istrošenog goriva sadrže veliku količinu ulomaka uranijeve fisije. Nakon istovara iz reaktora, svaki TVEL sadrži oko 300 tisuća Curie radioaktivnih tvari koje emitiraju 100 kW / sat energije. Zbog toga se gorivo samozagrijava i postaje visoko radioaktivno.

Temperatura novo iskorištenog goriva može doseći 300 ° C. Stoga se čuva 3-4 godine pod slojem vode, čija se temperatura održava u propisanom rasponu. Kako se skladišti pod vodom, smanjuje se radioaktivnost goriva i snaga njezinog zaostalog ispuštanja. Nakon otprilike tri godine, zagrijavanje gorivnog sklopa već dostiže 50-60 ° C. Zatim se gorivo uklanja iz bazena i šalje na recikliranje ili odlaganje.

Uranijev metal

Metalni uran se relativno rijetko koristi kao gorivo za nuklearne reaktore. Kada tvar dosegne temperaturu od 660 ° C, dolazi do faznog prijelaza, praćenog promjenom njegove strukture. Jednostavno rečeno, uranij se povećava u volumenu, što može dovesti do uništenja gorivog elementa. U slučaju produljenog zračenja na temperaturi od 200-500 ° C, tvar se izlaže rastu zračenja. Bit ovog fenomena je izduženje ozračenog štapa uranija 2-3 puta.

Uporaba metalnog urana na temperaturama iznad 500 ° C otežana je zbog njegovog bubrenja. Nakon podjele jezgre formiraju se dva fragmenta, čiji ukupni volumen premašuje volumen same jezgre. Neki fragmenti fisije su predstavljeni atomima plina (ksenon, kripton, itd.). Plin se nakuplja u porama urana i tvori unutarnji tlak koji se povećava s povećanjem temperature. Povećanjem volumena atoma i povećanjem tlaka plinova, nuklearno gorivo počinje bubriti. Dakle, to podrazumijeva relativnu promjenu volumena povezanu s nuklearnom fisijom.

Jačina bubrenja ovisi o temperaturi gorivnih šipki i izgaranju. Povećanjem sagorijevanja povećava se broj fragmenata fisije, a uz povećanje temperature i izgaranja, unutarnji tlak plinova. Ako gorivo ima veća mehanička svojstva, manje je osjetljivo na oticanje. Metalni uran se ne odnosi na takve materijale. Stoga, njegova uporaba kao goriva za nuklearne reaktore ograničava dubinu sagorijevanja, što je jedna od glavnih karakteristika takvog goriva.

Dopingom materijala poboljšavaju se mehanička svojstva urana i njegova otpornost na zračenje. Ovaj proces uključuje dodavanje aluminija, molibdena i drugih metala. Zbog doping aditiva, smanjen je broj potrebnih fisijskih neutrona po hvatanju. Stoga se za te namjene koriste materijali koji slabo apsorbiraju neutrone.

Vatrostalni spojevi

Određeni vatrostalni spojevi urana smatraju se dobrim nuklearnim gorivom: karbidi, oksidi i intermetalni spojevi. Najčešći od njih je uranijev dioksid (keramika). Točka taljenja je 2800 ° C, a gustoća je 10,2 g / cm3.

Budući da ovaj materijal nema faznih prijelaza, manje je osjetljiv na bubrenje od uranijevih legura. Zbog toga se temperatura izgaranja može povećati za nekoliko posto. Pri visokim temperaturama keramika nije u interakciji s niobijem, cirkonijem, nehrđajućim čelikom i drugim materijalima. Njegov glavni nedostatak je niska toplinska vodljivost - 4.5 kJ (m * K), koja ograničava gustoću snage reaktora. Osim toga, vruća keramika je sklona pucanju.

plutonijum

Plutonij se smatra metalom koji se slabo topi. Topi se na 640 ° C. Zbog svojih loših plastičnih svojstava, praktički je nemoguće strojno obraditi. Toksičnost tvari komplicira tehnologiju proizvodnje gorivnih elemenata. атомной промышленности nuklearna industrija Pokušaji korištenja plutonija i njegovih spojeva bili su opetovano napravljeni, ali su bili neuspješni. Uporaba goriva za nuklearne elektrane koja sadrži plutonij nije praktična zbog približno dvostrukog smanjenja u razdoblju ubrzanja, za koje standardni sustavi za upravljanje reaktorima nisu namijenjeni.

Za proizvodnju nuklearnog goriva koriste se, u pravilu, plutonijev dioksid, plutonijeve legure s mineralima i mješavina plutonijevih karbida s uranijevim karbidima. Disperzijska goriva imaju visoka mehanička svojstva i toplinsku provodljivost, pri čemu se čestice uranovog i plutonijevog spoja stavljaju u metalnu matricu molibdena, aluminija, nehrđajućeg čelika i drugih metala. Otpornost na zračenje i toplinska vodljivost disperzijskog goriva ovisi o materijalu matrice. Na primjer, u prvoj nuklearnoj elektrani, disperzijsko gorivo se sastojalo od čestica uranijeve legure s 9% molibdena, koje su bile potopljene molibdenom.

Što se tiče goriva iz torija, danas se ne koristi zbog poteškoća u proizvodnji i preradi gorivnih elemenata.

vađenje

Značajne količine glavne sirovine za nuklearno gorivo - uranij koncentrirane su u nekoliko zemalja: Rusiji, SAD-u, Francuskoj, Kanadi i Južnoj Africi. Njegovi se nalazi, u pravilu, nalaze u blizini zlata i bakra, stoga se svi ovi materijali istodobno miniraju.

Zdravlje ljudi koji rade na razvoju podložno je velikoj opasnosti. Činjenica je da je uran toksičan materijal, a plinovi koji se oslobađaju tijekom njegove ekstrakcije mogu uzrokovati rak. I to unatoč činjenici da ruda sadrži ne više od 1% ove tvari.

recepcija

Proizvodnja nuklearnog goriva iz uranove rude uključuje sljedeće faze:

1. Hidrometalurška obrada. Uključuje ekstrakciju ispiranja, drobljenje i ekstrakciju ili sorpciju. Rezultat hidrometalurške obrade je pročišćena suspenzija hidroksihidroksiurena, natrijevog diuranata ili amonij diuranata.
2. Prijenos tvari iz oksida u tetrafluorid ili heksafluorid, koji se koristi za obogaćivanje urana-235.
3. Obogaćivanje tvari centrifugiranjem ili plinskom toplinskom difuzijom.
4. Pretvorba obogaćenog materijala u dioksid, iz kojeg se proizvode TVEL pilule.

regeneracija

Tijekom rada nuklearnog reaktora, gorivo ne može potpuno izgorjeti, stoga se reproduciraju slobodni izotopi. U tom smislu, istrošeni gorivi elementi podliježu regeneraciji za ponovnu uporabu.

Trenutno se ovaj problem rješava pyurex procesom koji se sastoji od sljedećih faza:

1. Rezanje gorivih šipki na dva dijela i njihovo otapanje u dušičnoj kiselini;
2. Čišćenje otopine iz fisijskih produkata i dijelova ljuske;
3. Izolacija čistog urana i spojeva plutonija.

Nakon toga, dobiveni plutonijev dioksid ide u proizvodnju novih jezgri, a uran - za obogaćivanje ili proizvodnju jezgri. Prerada nuklearnog goriva je složen i skup proces. Njegova cijena ima značajan utjecaj na ekonomsku održivost korištenja nuklearnih elektrana. Isto se može reći i za odlaganje otpadnog nuklearnog goriva koje nije pogodno za regeneraciju.