TVEL jest elementem paliwowym. Reaktor jądrowy

Chociaż energia jądrowa nie jest dziś całkowicie bezpieczna, reaktory i elektrownie na całym świecie budują więcej niż zamykanie. Tak więc w Stanach Zjednoczonych liczba działających reaktorów przekroczyła właśnie sto, we Francji (druga co do wielkości liczba pokojowych atomów na świecie) - około 60, i zapewniają one około 80% energii elektrycznej wytworzonej w kraju.

Paliwo dla reaktor jądrowy służy tel. Jest to element, w którym kontrolowany łańcuch reakcji przepływa bezpośrednio. Jak są "drewno opałowe" kotła jądrowego, w jaki sposób są wytwarzane i co dzieje się z paliwem w sercu elektrowni?

Co to jest reakcja łańcuchowa jądra atomowego

Wiadomo, że jądra atomowe składają się z protonów i neutronów. Na przykład jądro atomu uranu zawiera 92 protony i 143 lub 146 neutronów. Siła odpychająca pomiędzy dodatnio naładowanymi protonami w jądrze uranu jest po prostu olbrzymia, około 100 kgf w pojedynczym (!) Atomie. Jednak siły jądrowe nie ustępują rdzenia. Kiedy wolny neutron wchodzi do jądra uranu (tylko neutralna cząsteczka jest w stanie zbliżyć się do jądra), ta ostatnia jest zdeformowana i rozprzestrzenia się na dwie połówki plus dwa lub trzy wolne neutrony.

Te wolne neutrony atakują jądra innych atomów itd. Tak więc liczba zderzeń wzrasta wykładniczo iw ułamku sekundy cała masa radioaktywnego metalu rozpada się. Rozpadowi temu towarzyszy rozpraszanie fragmentów we wszystkich prędkościach we wszystkich kierunkach, a ich zderzenia z cząsteczkami środowiskowymi powodują nagrzewanie do kilku milionów stopni. To jest obraz zwykłego. eksplozja jądrowa. TVEL kieruje to zjawisko na spokojny kurs. Jak to działa?

Kontrolowana reakcja jądrowa

Aby reakcja jądrowa mogła się utrzymać, stać się łańcuchem, potrzebna jest wystarczająca ilość radioaktywnego paliwa (tak zwana "masa krytyczna"). W przypadku broni jądrowej problem ten rozwiązuje się w prosty sposób: dwie sztaby metalu o uzbrojeniu (uran 235, pluton 239 itd.) O masie nieco mniejszej od krytycznej łączy się za pomocą eksplozji zwykłego trotylu.

Dla pokojowego użycia atomu ta metoda nie jest odpowiednia. Rysunek pokazuje schematycznie urządzenie najprostszego reaktora atomowego. Każdy element paliwowy (element paliwowy - paliwo uranowe) jest mniej krytyczny niż jego masa, ale ich łączna waga przekracza ten znak. Będąc w bliskim sąsiedztwie, pręty paliwowe "wymieniają" wolne neutrony. Z powodu takiego wzajemnego bombardowania neutronami w reaktorze zachowana jest reakcja łańcuchowa jądra. Pręty grafitowe pełnią rolę swoistych "hamulców" procesu jądrowego. Grafit jest dobrym absorberem neutronów, reakcja gaśnie, gdy pręty tego materiału są umieszczone pomiędzy elementami paliwowymi. To całkowicie zatrzymuje wymianę wolnych neutronów.

Tak więc reakcja znajduje się pod stałą kontrolą automatyzacji. Rozpadowi towarzyszy ruch w ośrodku chłodzącym fragmenty jądra uranu, które ogrzewają go do wymaganej temperatury.

Jak wytwarza się energię elektryczną

Dalsze urządzenie elektrownia jądrowa niewiele różni się od zwykłego ciepła, napędzanego gazem, olejem opałowym lub węglem. Różnica polega na tym, że ciepło wytwarzane jest w elektrociepłowni poprzez spalanie paliw kopalnych, podczas gdy w elektrowni jądrowej czynnik chłodzący jest podgrzewany przez element paliwowy reaktorów jądrowych.

Chłodziwo doprowadzone do temperatury 500-800 ° C (przegrzana woda, stopione sole, a nawet ciekłe metale mogą odgrywać swoją rolę) w specjalnym wymienniku ciepła podgrzewa wodę, zamieniając ją w suchą parę. Para obraca turbinę, zamontowaną na jednym wale z generatorem, w którym generowany jest prąd elektryczny.

Kim oni są

Pierwsze reaktory jądrowe były urządzeniami jednorodnymi. Były to kotły, w których paliwo jądrowe (częściej ciekły, rzadziej gazowy). Jest to stop soli uranu lub słaby wzbogacony uran czasami zawiesiny pyłu uranowego itp. Proces regulowano wprowadzając do strefy aktywnej moderator w postaci płytek lub prętów wykonanych z materiału, który dobrze spowalnia wolne neutrony. Ciepło było przekazywane do wody przez wymienniki ciepła umieszczone bezpośrednio w strefie aktywnej, takie jak ruszty w piecu węglowym.

Nasza figura pokazuje heterogeniczny reaktor jądrowy, który jest obecnie absolutną większością na świecie. Takie "kotły jądrowe" są łatwiejsze w utrzymaniu, zmieniają w nich paliwo, naprawiają, są bezpieczniejsze i bardziej niezawodne niż stare jednorodne.

Inną zaletą stosowania uranowych elementów paliwowych jest generowanie zarodków uranu w takim elemencie, jak pluton 239 w wyniku napromieniania neutronami, który jest następnie wykorzystywany jako paliwo do małych reaktorów jądrowych, a także jako metal broń.

Gdzie jest paliwo dla elektrowni jądrowych

Uran jest wydobywany w wielu krajach na świecie metodą odkrywkową (kamieniołom) lub metodą wydobywczą. Początkowo ruda nie zawiera nawet samego uranu, lecz jego tlenek. Ekstrakcja metalu z tlenku jest najbardziej skomplikowanym łańcuchem przemian chemicznych. Nie każdy kraj na świecie może sobie pozwolić na pozyskiwanie przedsiębiorstw do produkcji paliwa jądrowego.

Kolejnym zadaniem jest wzbogacenie wydobywanego uranu. Mniej niż 1% uranu 235 znajduje się w materiale naturalnym, reszta to izotop 238. Niezwykle trudno jest oddzielić te dwa elementy. Wirówki do wzbogacania uranu są najbardziej złożonymi urządzeniami.

Aby uran stał się wysoce wzbogacony (zawartość izotopu 235 wzrósł do 20%), będzie musiał przekształcić się w gaz i przejść do tysiąca etapów przetwarzania.

Jak działa TVEL

Inżynierowie dostają się w ręce inżynierów wzbogaconych uranem, ale wciąż jest to paliwo jądrowe. Produkcja tego paliwa jest zbliżona do metalurgii proszków. Sproszkowany metal (lub jego związki chemiczne) prasuje się w małe tabletki o średnicy około jednego centymetra.

Produkty wykonane z uranu metalicznego są lepiej przystosowane do wytrzymania piekielnych warunków wewnątrz reaktora, ale czysty element jest bardzo drogi w produkcji. Ditlenek uranu jest znacznie tańszy, ale tak, że nie kruszy się z ogromnego ciśnienia i ciepła, konieczne jest pieczenie pod ogromnym ciśnieniem w temperaturze ponad 1000 ° C.

TVEL to zestaw takich spryskiwaczy o długości około 2-4 metrów, umieszczonych w rurze wykonanej ze stali lub stopów żelaza z molibdenem. Same TVEL rekrutowane są w pakiet kilkudziesięciu, a nawet setek. Taki zestaw nazywany jest zespołem paliwowym (zespół paliwowy).

FA są instalowane bezpośrednio w sercu reaktora atomowego. W jednym reaktorze ich liczba może osiągnąć kilkaset. W miarę rozpadu uranu elementy paliwowe tracą zdolność do wytwarzania ciepła, a następnie są zastępowane. Ale jeden kilogram technicznego uranu, wzbogacony o zawartość izotopu 235 na poziomie 4%, ma czas na wyprodukowanie tak dużej ilości energii w reaktorze jądrowym, jak przy spalaniu 300 standardowych dwustolitrowych beczek z olejem napędowym.