TVEL je gorivi element. Nuklearni reaktor

Iako nuklearna energija danas nije potpuno sigurna, reaktori i elektrane diljem svijeta grade više od zatvaranja. Tako je u Sjedinjenim Američkim Državama broj operativnih reaktora upravo prešao stotinu, u Francuskoj (drugi najveći broj mirnih atoma na planeti) - oko 60, a oni osiguravaju oko 80% proizvedene električne energije u zemlji.

Gorivo za nuklearni reaktor služi tel. To je element u kojem kontrolirani reakcijski lanac izravno teče. Kako su "drva za ogrjev" nuklearnog kotla, kako se prave i što se događa s gorivom u srcu elektrane?

Što je nuklearna lančana reakcija

Poznato je da se atomske jezgre sastoje od protona i neutrona. Na primjer, jezgra atoma urana sadrži 92 protona i 143 ili 146 neutrona. Repulsivna sila između pozitivno nabijenih protona u jezgri uranija je jednostavno ogromna, oko 100 kg u jednom (!) Atomu. Međutim, nuklearne sile ne popuštaju suštini. Kada slobodni neutron uđe u jezgru uranija (samo se neutralna čestica može približiti jezgri), potonje se deformira i širi u dvije polovice plus dva ili tri slobodna neutrona.

Ovi slobodni neutroni napadaju jezgre drugih atoma i tako dalje, tako da se broj sudara eksponencijalno povećava, au djeliću sekunde cijela masa radioaktivnog metala raspada. Ovo propadanje prati rasipanje fragmenata pri svim brzinama u svim smjerovima, a njihovi sudari s molekulama okoliša uzrokuju zagrijavanje na nekoliko milijuna stupnjeva. Ovo je slika uobičajenog. nuklearna eksplozija. TVEL usmjerava ovaj fenomen na miran smjer. Kako to ide?

Kontrolirana nuklearna reakcija

Da bi se nuklearna reakcija održala sama, postala lanac, potrebna je dovoljna količina radioaktivnog goriva (takozvana "kritična masa"). U nuklearnom oružju ovo je pitanje jednostavno riješeno: dva ingota metala oružja (uran 235, plutonij 239, itd.) S masom svakog manjeg od kritičnog kombiniraju se eksplozijom običnog trotila.

Za mirno korištenje atoma ova metoda nije prikladna. Slika prikazuje shematski uređaj najjednostavnijeg atomskog reaktora. Svaki gorivi element (gorivi element - uranovo gorivo) manje je kritičan od njegove mase, ali njihova ukupna masa prelazi tu oznaku. Budući da se nalaze u neposrednoj blizini, gorivne šipke "razmjenjuju" slobodne neutrone. Zbog takvog međusobnog neutronskog bombardiranja u reaktoru, održava se nuklearna lančana reakcija. Grafitne šipke igraju ulogu neke vrste "kočnica" nuklearnog procesa. Grafit je dobar neutronski apsorber, reakcija izumire kada se šipke tog materijala smjeste između gorivnih elemenata. To u potpunosti zaustavlja razmjenu slobodnih neutrona.

Dakle, reakcija je pod stalnom kontrolom automatizacije. Raspad prati kretanje u mediju fragmenata rashladne tekućine uranijevih jezgri koje ga zagrijavaju do željene temperature.

Kako se proizvodi električna energija

Daljnji uređaj nuklearna elektrana ne razlikuje se mnogo od uobičajene topline koja radi na plin, loživo ulje ili ugljen. Razlika je u tome što se toplina generira u kogeneracijskom postrojenju spaljivanjem fosilnih ugljikovodika, dok se u nuklearnoj elektrani rashladno sredstvo zagrijava gorivom u nuklearnim reaktorima.

Rashladno sredstvo dovedeno na temperaturu od 500–800 ° C (pregrijana voda, rastopljene soli, pa čak i tekući metali mogu igrati svoju ulogu) u posebnom izmjenjivaču topline zagrijava vodu, pretvarajući je u suhu paru. Para rotira turbinu, postavljenu na jednu osovinu s generatorom u kojem se generira električna struja.

Što su oni

Prvi nuklearni reaktori bili su homogeni uređaji. To su bili kotlovi u kojima nuklearno gorivo (češće tekućina, rjeđe plinovita). To je topljenje uranijevih soli ili slaba obogaćeni uran ponekad suspenzije uranijeve prašine, itd. Postupak je reguliran uvođenjem u aktivnu zonu moderatora u obliku ploča ili šipki izrađenih od materijala koji dobro usporava slobodne neutrone. Toplina je prenesena u vodu kroz izmjenjivače topline koji se nalaze izravno u aktivnoj zoni, poput rešetki u peći za ugljen.

Naša brojka pokazuje heterogeni nuklearni reaktor, koji je sada apsolutna većina u svijetu. Takvi "nuklearni kotlovi" lakše se održavaju, mijenjaju u njima gorivo, popravljaju, sigurniji su i pouzdaniji od starih homogenih.

Još jedna prednost korištenja uranovih gorivnih elemenata je stvaranje jezgri uranija u elementu kao što je plutonij 239 kao rezultat neutronskog zračenja, koje se tada koristi kao gorivo za male nuklearne reaktore, a također i kao metal od oružja.

Gdje je gorivo za nuklearne elektrane

Uran se u mnogim zemljama svijeta kopa otvorenom (kamenolomnom) ili rudarskom metodom. U početku, ruda ne sadrži niti sam uran, već njegov oksid. Ekstrakcija metala iz oksida je najsloženiji lanac kemijskih transformacija. Ne može svaka zemlja na svijetu kupiti poduzeća za proizvodnju nuklearnog goriva.

Daljnji zadatak je obogaćivanje miniranog urana. U prirodnom materijalu nalazi se manje od 1% urana 235, ostatak je izotop 238. Iznimno je teško odvojiti ta dva elementa. Centrifuge za obogaćivanje urana najsloženije su naprave.

Da bi uran bio visoko obogaćen (sadržaj izotopa 235 povećan na 20%), morat će se pretvoriti u plin i ići do tisuću stupnjeva obrade.

Kako radi TVEL

Inženjeri ulaze u ruke inženjera obogaćenog urana, ali još uvijek su na nuklearnom gorivu. Proizvodnja ovog goriva je slična metalurgiji praha. Metalni prah (ili njegovi kemijski spojevi) se preša u male tablete promjera oko centimetra.

Proizvodi izrađeni od metala uranija bolje su prilagođeni da izdrže paklene uvjete unutar reaktora, ali je čisti element vrlo skup za proizvodnju. Uranov dioksid je mnogo jeftiniji, ali tako da se ne raspada od ogromnog tlaka i topline potrebno je peći pod ogromnim tlakom na temperaturi većoj od 1000 ° C.

TVEL je skup takvih podložnih pločica duljine 2-4 metra, smješten u cijev od čelika ili legura željeza s molibdenom. Sami TVEL-i se regrutiraju u snop od nekoliko desetaka ili čak stotina. Takav skup se naziva gorivi sklop (sklop goriva).

FA se instaliraju izravno u srce atomskog reaktora. U jednom reaktoru njihov broj može doseći nekoliko stotina. Kako uran propada, gorivi elementi gube sposobnost proizvodnje topline, a zatim se zamjenjuju. No, jedan kilogram tehničkog urana, obogaćen do sadržaja izotopa od 235%, ima vremena proizvesti toliko energije u nuklearnom reaktoru kao što bi to bilo ako bi se zapalilo 300 standardnih bačava na naftno ulje dvjesto litara.