TVEL е горивен елемент. Ядрен реактор
Въпреки че днес ядрената енергия не е напълно безопасна, реакторите и електроцентралите по света се строят повече от закриването. Така в Съединените американски щати броят на действащите реактори е надвишил сто, във Франция (вторият по големина брой мирни атоми на планетата) - около 60, и те осигуряват около 80% от произведената електроенергия в страната.
Гориво за ядрен реактор обслужва tel. Това е елемент, в който контролираната реакционна верига директно тече. Как се произвеждат "дърва за огрев" на ядрения котел и какво се случва с горивото в сърцето на централата?
Какво е ядрена верижна реакция
Известно е, че атомните ядра се състоят от протони и неутрони. Например, ядрото на урановия атом съдържа 92 протона и 143 или 146 неутрона. Отблъскващата сила между положително заредените протони в урановото ядро е просто огромна, около 100 кгс в единичен (!) Атом. Но ядрените сили не отстъпват на ядрото. Когато свободният неутрон влезе в ядрото на урана (само една неутрална частица е способна да се приближи до ядрото), последният се деформира и се разпространява в две половини плюс два или три свободни неутрона.
Тези свободни неутрони атакуват ядрата на други атоми и т. Н. Така броят на сблъсъците нараства експоненциално и за част от секундата цялата маса на радиоактивния метал се разпада. Това разпадане е съпроводено от разпръскване на фрагменти при всякакви скорости във всички посоки и техните сблъсъци с молекули на околната среда причиняват нагряване до няколко милиона градуса. Това е картина на обичайното. ядрена експлозия. TVEL насочва това явление към мирен курс. Как става това?
Контролирана ядрена реакция
За да се запази ядрената реакция, да се превърне в верига, е необходимо достатъчно количество радиоактивно гориво (т.нар. „Критична маса“). В ядрените оръжия този въпрос е решен просто: два слитъка от оръжейния метал (уран 235, плутоний 239 и т.н.) с маса, която е малко по-малка от критичната, се комбинират чрез експлозия на обикновен тротил.
За мирна употреба на атома, този метод не е подходящ. Фигурата показва схематично устройството на най-простия атомни реактори. Всеки горивен елемент (горивен елемент - ураново гориво) е по-малко критичен от неговата маса, но общото им тегло надвишава тази марка. Тъй като са в непосредствена близост един до друг, горивните пръти "обменят" свободни неутрони. Поради такова взаимно неутронно бомбардиране в реактора, ядрената верижна реакция се поддържа. Графитните пръчки играят ролята на вид "спирачки" на ядрения процес. Графитът е добър неутронен абсорбер, реакцията угасва, когато прътите от този материал се поставят между горивните елементи. Това напълно спира обмена на свободни неутрони.
По този начин реакцията е под постоянен контрол на автоматизацията. Разпадът е съпроводен с движение в средата на охлаждащите части на урановите ядра, които го загряват до желаната температура.
Как се произвежда електричество
Допълнително устройство атомна електроцентрала не се различава много от обичайната топлина, работеща на газ, мазут или въглища. Разликата е, че топлината се генерира в когенерационна централа чрез изгаряне на изкопаеми въглеводороди, докато в ядрена централа топлоносителят се нагрява от горивен елемент от ядрени реактори.
Охлаждащата течност довежда до температура 500–800 ° C (прегрятата вода, разтопените соли и дори течните метали могат да изиграят своята роля) в специален топлообменник, загрява водата, превръщайки я в суха пара. Парата върти турбина, монтирана на един вал с генератор, в който се генерира електрически ток.
Какви са те
Първите ядрени реактори бяха хомогенни устройства. Това бяха котлите, в които ядрено гориво (по-често течност, по-рядко газообразна). Това е стопилка на уранови соли или слаба обогатен уран понякога суспензии на уран прах и др. Процесът се регулира чрез въвеждане в активната зона на модератор под формата на плочи или пръчки, изработени от материал, който забавя свободните неутрони добре. Топлината се прехвърля във вода чрез топлообменници, разположени директно в активната зона, като решетките в пещ с въглища.
Фигурата ни показва хетерогенен ядрен реактор, който сега е абсолютно мнозинство в света. Такива "ядрени котли" са по-лесни за поддръжка, смяна на горивото в тях, ремонт, по-безопасни и по-надеждни от старите хомогенни.
Друг бонус от използването на уранови горивни елементи е генерирането на уранови ядра в такъв елемент като плутоний 239 в резултат на неутронно облъчване, което след това се използва като гориво за малки ядрени реактори, както и като метален оръжие.
Къде е горивото за атомни електроцентрали
Уранът се добива в много страни по света чрез открит (кариерен) или минен метод. Първоначално рудата дори не съдържа сам уран, а неговият оксид. Екстракцията на метали от оксид е най-сложната верига от химически трансформации. Не всяка страна в света може да си позволи да придобие предприятия за производство на ядрено гориво.
Друга задача е обогатяването на добития уран. По-малко от 1% уран 235 се съдържа в естествения материал, а останалото е изотоп 238. Изключително трудно е тези два елемента да бъдат разделени. Центрофугите за обогатяване на уран са най-сложните устройства.
За да може уранът да се обогати силно (съдържанието на изотопа 235 се увеличи до 20%), той ще трябва да се превърне в газ и да се превърне в хиляда етапи на обработка.
Как е TVEL
Инженерите попадат в ръцете на инженерите, обогатили уран, но все още са на ядрено гориво. Производството на това гориво е сходно с праховата металургия. Прахообразният метал (или неговите химични съединения) се пресова в малки таблетки с диаметър около сантиметър.
Продуктите, изработени от метален уран, са по-добре пригодени да издържат на адски условия в реактора, но чистият елемент е много скъп за производство. Урановият диоксид е много по-евтин, но за да не се разпадне от огромното налягане и топлина е необходимо да се пече под огромно налягане при температура над 1000 ° С.
TVEL е комплект от такива шайби с дължина около 2-4 метра, поставени в тръба, изработена от стомана или сплави на желязо с молибден. Самите TVEL се набират в сноп от няколко десетки или дори стотици. Такъв комплект се нарича горивна система (горивна система).
ФА се инсталират директно в сърцето на атомния реактор. В един реактор броят им може да достигне няколкостотин. Тъй като уранът се разпада, горивните елементи губят способността си да произвеждат топлина, след което се подменят. Но един килограм технически уран, обогатен с 4% изотопно съдържание, има време да произведе толкова енергия в ядрен реактор, колкото би изгарял 300 стандартни двесталитрови бъчви.