Ядрено гориво: видове, производство, преработка. Уран-235

Ядреното гориво е материал, използван в ядрени реактори за провеждане на контролирана верижна реакция. Той е изключително енергоемък и небезопасен за хората, което налага редица ограничения за неговото използване. Днес ще научим какво е горивото на ядрения реактор, как се класифицира и произвежда, където се използва.

Верижна реакция

По време на ядрена верижна реакция ядрото се разделя на две части, които се наричат ​​фрагменти на делене. В същото време се освобождават няколко (2-3) неутрона, които впоследствие причиняват делене на следните ядра. Процесът се случва, когато неутронът навлезе в ядрото на първоначалното вещество. Фрагментите на делене имат голям кинетична енергия. Тяхното потискане в материята е съпроводено с освобождаване на огромно количество топлина.

Фрагменти на делене, заедно с техните продукти на разпад, се наричат ​​продукти на делене. Ядрата, разделени от неутрони на всякаква енергия, се наричат ​​ядрено гориво. Като правило те са вещества с нечетен брой атоми. Някои ядра са разделени от чисто неутрони, чиято енергия е над определена прагова стойност. Те са предимно елементи с четен брой атоми. Такива ядра се наричат ​​суровини, тъй като в момента на неутронното улавяне се образува горивен ядрен праг. Комбинацията от гориво и суровина се нарича ядрено гориво.

класификация

Ядреното гориво е разделено на два класа:

1. Естествен уран. Той съдържа делящи се ядра от уран-235 и суровини от уран-238, който е способен да образува плутоний-239 при улавяне на неутрони.
2. Второто гориво не се среща в природата. Това включва, наред с други неща, плутоний-239, който се получава от горивото от първия тип, както и уран-233, образувани при улавянето на неутрони от ядрата на торий-232.

По отношение на химическия състав съществуват тези видове ядрено гориво:

1. Метали (включително сплави);
2. Оксид (например, UO ₂ );
3. Карбид (например PuC _1-x );
4. смесена;
5. Нитрид.

TVEL и TVS

Гориво за ядрени реактори използва се под формата на малки таблетки. Те се поставят в херметически затворени горивни елементи (TVEL), които на свой ред се комбинират в горивни касети (FA). Ядреното гориво има високи изисквания за съвместимост с горивните облицовки. Тя трябва да има достатъчна температура на топене и изпарение, добра топлопроводимост и да не се увеличава значително в обема по време на неутронно облъчване. Също така са взети предвид технологичността на производството.

приложение

за атомни електроцентрали и други ядрени инсталации горивото идва под формата на горивни касети. Те могат да бъдат зареждани в реактора както по време на експлоатацията му (на мястото на изгорелите горивни касети), така и по време на ремонтната кампания. В последния случай горивните касети се променят в големи групи. Въпреки това, само една трета от горивото се заменя напълно. Най-изгорелите комплекти се разтоварват от централната част на реактора, а на тяхно място се поставят частично изгорели възли, които преди това са били разположени в по-малко активни зони. Следователно, на мястото на последната са монтирани нови горивни касети. Тази проста прегрупираща схема се счита за традиционна и има редица предимства, основната от които е да се осигури равномерно освобождаване на енергия. Разбира се, това е конвенционална схема, която дава само общи идеи за процеса.

откъс

След изваждането на отработеното ядрено гориво от активната зона на реактора, той се изпраща в басейна, който по принцип се намира наблизо. Факт е, че касетите с отработено гориво съдържат огромно количество фрагменти на делене на уран. След разтоварване от реактора, всеки ТВЕЛ съдържа около 300 хил. Кюри радиоактивни вещества, които излъчват 100 kW / час енергия. Поради това горивото се самонагрява и става силно радиоактивно.

Температурата на новоразтовареното гориво може да достигне 300 ° С. Ето защо, тя се съхранява в продължение на 3-4 години под слой вода, чиято температура се поддържа в предписания диапазон. Тъй като се съхранява под вода, намалява радиоактивността на горивото и мощността на остатъчния му разряд. След около три години самонагряване на горивния агрегат достига 50-60 ° C. След това горивото се изважда от басейните и се изпраща за рециклиране или обезвреждане.

Метал на уран

Металическият уран се използва сравнително рядко като гориво за ядрени реактори. Когато веществото достигне температура от 660 ° C, настъпва фазов преход, придружен от промяна в неговата структура. Казано просто, уранът се увеличава по обем, което може да доведе до разрушаване на горивния елемент. В случай на продължително облъчване при температура от 200-500 ° C, веществото се подлага на растеж на радиация. Същността на това явление е удължаването на облъчения уранов прът по 2-3 пъти.

Употребата на метален уран при температури над 500 ° C се затруднява поради набъбването му. След разделяне на ядрото се образуват два фрагмента, чийто общ обем надвишава обема на самото ядро. Някои фрагменти на делене са представени от газови атоми (ксенон, криптон и др.). Газът се натрупва в порите на урана и образува вътрешно налягане, което се увеличава с увеличаване на температурата. Чрез увеличаване на обема на атомите и увеличаване на налягането на газовете ядреното гориво започва да набъбва. По този начин това предполага относителна промяна в обема, свързана с ядреното делене.

Силата на набъбване зависи от температурата на горивните пръчки и изгарянето. С увеличаване на изгарянето се увеличава броят на фрагментите на делене и с повишаване на температурата и изгарянето, вътрешното налягане на газовете. Ако горивото има по-високи механични свойства, то е по-малко податливо на подуване. Метален уран не се прилага за такива материали. Ето защо неговото използване като гориво за ядрени реактори ограничава дълбочината на изгаряне, което е една от основните характеристики на такова гориво.

Механичните свойства на урана и неговата радиационна устойчивост се подобряват чрез допиране на материала. Този процес включва добавянето на алуминий, молибден и други метали. Поради добавките на допинг се намалява броят на неутроновете на делене, необходими за улавяне. Затова за тези цели се използват материали, които слабо абсорбират неутроните.

Огнеупорни съединения

Някои огнеупорни уранови съединения се считат за добро ядрено гориво: карбиди, оксиди и интерметални съединения. Най-често срещаният е урановият диоксид (керамика). Точката на топене е 2800 ° С, а плътността му е 10,2 г / см ³ .

Тъй като този материал няма фазови преходи, той е по-малко податлив на подуване от урановите сплави. Поради тази функция температурата на изгаряне може да се увеличи с няколко процента. При високи температури керамиката не взаимодейства с ниобий, цирконий, неръждаема стомана и други материали. Неговият основен недостатък е ниската топлопроводимост - 4.5 kJ (m * K), която ограничава плътността на мощността на реактора. В допълнение, горещата керамика е склонна към напукване.

плутоний

Плутоний се смята за нископлавящ метал. То се топи при 640 ° С. Поради лошите си пластични свойства е практически невъзможно да се обработи. Токсичността на веществото усложнява технологията на производство на горивни елементи. Най- ядрена индустрия Опитите да се използва плутоний и неговите съединения се правят многократно, но те са неуспешни. Използването на гориво за атомни електроцентрали, съдържащи плутоний, е непрактично поради приблизително 2-кратно намаляване на периода на ускорение, за което не са предназначени стандартните системи за управление на реактора.

За производството на ядрено гориво, като правило се използват плутониев диоксид, плутониеви сплави с минерали и смес от плутониеви карбиди с уранови карбиди. Дисперсионните горива притежават високи механични свойства и топлопроводимост, в които частиците на ураново и плутониево съединение се поставят в метална матрица от молибден, алуминий, неръждаема стомана и други метали. Радиационната устойчивост и топлопроводимостта на дисперсионното гориво зависят от материала на матрицата. Например в първата атомна електроцентрала дисперсионното гориво се състои от частици от урановата сплав с 9% молибден, които са били наводнени с молибден.

Що се отнася до торийното гориво, днес не се използва поради трудности при производството и преработката на горивни елементи.

екстракция

Значителни обеми на основната суровина за ядрено гориво - уран са концентрирани в няколко страни: Русия, САЩ, Франция, Канада и Южна Африка. Нейните депозити, като правило, са разположени близо до злато и мед, затова всички тези материали се добиват едновременно.

Здравето на хората, които работят по развитието, е изложено на голяма опасност. Факт е, че уранът е токсичен материал, а газовете, отделяни при неговото извличане, могат да причинят рак. И това въпреки факта, че рудата съдържа не повече от 1% от това вещество.

приемане

Производството на ядрено гориво от урановата руда включва следните етапи:

1. Хидрометалургична обработка. Включва извличане, раздробяване и екстракция или сорбционна екстракция. Резултатът от хидрометалургичната обработка е пречистена суспензия на хидроксихидроксиурен, натриев диуранат или амониев диуранат.
2. Прехвърляне на вещество от оксид към тетрафлуорид или хексафлуорид, използвано за обогатяване на уран-235.
3. Обогатяване на веществото чрез центрофугиране или газови термична дифузия.
4. Превръщане на обогатен материал в диоксид, от който се произвеждат хапчета ТВЕЛ.

регенерация

По време на експлоатацията на ядрен реактор, горивото не може напълно да изгаря, поради което се възпроизвеждат свободни изотопи. В тази връзка, отработените горивни елементи подлежат на регенерация за повторна употреба.

Понастоящем този проблем се решава чрез пирекс процес, състоящ се от етапи като:

1. Отрязване на горивните пръчки на две части и разтварянето им в азотна киселина;
2. Почистване на разтвора от продуктите на делене и части от черупката;
3. Изолиране на чист уран и плутониеви съединения.

След това полученият плутониев диоксид преминава в производството на нови ядра, а уранът - за обогатяване или производство на ядра. Преработването на ядрено гориво е сложен и скъп процес. Цената му оказва значително влияние върху икономическата жизнеспособност на използването на атомни електроцентрали. Същото може да се каже и за изхвърлянето на отпадъчно ядрено гориво, което не е подходящо за регенерация.