Jedrsko gorivo: vrste, proizvodnja, predelava. Uran-235

Jedrsko gorivo je material, ki se uporablja v jedrskih reaktorjih za izvajanje nadzorovane verižne reakcije. Je izjemno energetsko intenzivna in nevarna za ljudi, kar pomeni veliko omejitev pri njeni uporabi. Danes se bomo naučili, kaj je gorivo jedrskega reaktorja, kako ga razvrstimo in proizvedemo, kjer ga uporabljamo.

Verižna reakcija

V jedrski verižni reakciji je jedro razdeljeno na dva dela, ki se imenujejo fragmenti fisije. Istočasno se sprosti več (2-3) nevtronov, ki posledično povzročijo cepitev naslednjih jeder. Postopek se zgodi, ko nevtron vstopi v jedro prvotne snovi. Fiončni fragmenti imajo veliko kinetična energija. Njihovo zaviranje v snovi spremlja sproščanje ogromne količine toplote.

Fiončni fragmenti se skupaj z njihovimi razpadnimi proizvodi imenujejo fisijski produkti. Jedra, ki jih delimo z nevtroni katere koli energije, imenujemo jedrsko gorivo. Praviloma so snovi s čudnim številom atomov. Nekatera jedra delimo s čisto nevtroni, katerih energija je nad določeno mejno vrednostjo. To so pretežno elementi s sodim številom atomov. Takšna jedra se imenujejo surovine, ker v trenutku nevtronov zajamejo jedrsko gorivo jedra praga. Kombinacija goriva in surovin se tako imenuje jedrsko gorivo.

Razvrstitev

Jedrsko gorivo je razdeljeno na dva razreda:

1. Naravni uran. Vsebuje cepljiva jedra urana-235 in surovine urana-238, ki lahko tvorijo plutonij-239, ko je nevtron zajet.
2. Sekundarno gorivo ni v naravi. To med drugim vključuje plutonij-239, ki se pridobiva iz goriva prvega tipa, in urana-233, ki nastane med zajemanjem nevtronov s torijem-232 jedri.

Glede na kemično sestavo obstajajo te vrste jedrskega goriva:

1. Kovine (vključno zlitine);
2. Oksid (npr. UO ₂ );
3. Karbid (npr. PuC _1-x );
4. Mešano;
5. Nitrid.

TVEL in TVS

Gorivo za jedrskih reaktorjev v obliki majhnih tablet. Postavljeni so v hermetično zaprtih gorivnih elementih (TVEL), ki jih je več sto kombiniranih v gorivne sklope (FA). Jedrsko gorivo ima visoke zahteve po združljivosti z oblogami goriva. Imeti mora zadostno temperaturo taljenja in izhlapevanja, dobro toplotno prevodnost in ne bistveno povečati prostornine med obsevanjem nevtronov. Upoštevana je tudi proizvodnost proizvodnje.

Uporaba

Vklop jedrskih elektrarn gorivo prihaja v obliki gorivnih elementov. Lahko se naložijo v reaktor tako med delovanjem (namesto izgorelih gorivnih elementov) kot med akcijo popravila. V slednjem primeru se gorivni elementi spreminjajo v velikih skupinah. Vendar se le tretjina goriva popolnoma zamenja. Najbolj izgoreli sklopi so razloženi iz osrednjega dela reaktorja, na njihovo mesto pa so postavljeni delno zgoreni sklopi, ki so se prej nahajali na manj aktivnih območjih. Zato se namesto slednjih namestijo novi gorivni elementi. Ta preprosta preureditvena shema se šteje za tradicionalno in ima številne prednosti, katere glavna naloga je zagotoviti enotno sproščanje energije. Seveda je to običajna shema, ki daje samo splošne predstave o procesu.

Izpostavljenost

Po odstranitvi izrabljenega jedrskega goriva iz reaktorskega središča se pošlje v bazen, ki se praviloma nahaja v bližini. Dejstvo je, da izrabljeni gorivni sklopi vsebujejo veliko količino fragmentov uranijevega razpada. Po raztovarjanju iz reaktorja vsak TVEL vsebuje okoli 300 tisoč Curie radioaktivnih snovi, ki oddajajo 100 kW / uro energije. Zaradi tega se gorivo samosegreva in postane zelo radioaktivno.

Temperatura na novo raztovorjenega goriva lahko doseže 300 ° C. Zato se hrani 3-4 leta pod plastjo vode, katere temperatura se vzdržuje v predpisanem območju. Ker se hrani pod vodo, se zmanjša radioaktivnost goriva in moč preostalega pretoka. Po približno treh letih samoregulacija gorivnega sklopa doseže 50-60 ° C. Nato se gorivo odstrani iz bazenov in pošlje v recikliranje ali odstranjevanje.

Uranova kovina

Kovinski uran se relativno redko uporablja kot gorivo za jedrske reaktorje. Ko snov doseže temperaturo 660 ° C, pride do faznega prehoda, ki ga spremlja njegova struktura. Preprosto povedano, uran poveča volumen, kar lahko privede do uničenja gorivnega elementa. V primeru daljšega sevanja pri temperaturi 200-500 ° C se snov izpostavi rasti sevanja. Bistvo tega pojava je podaljšanje obsevanega uranovega droga 2-3 krat.

Uporaba kovinskega urana pri temperaturah nad 500 ° C je ovirana zaradi nabrekanja. Po delitvi jedra nastanejo dva fragmenta, katerih skupna prostornina presega volumen samega jedra. Nekateri fragmenti fisije predstavljajo atomi plina (ksenon, kripton itd.). Plin se nabira v pore urana in tvori notranji tlak, ki se povečuje z naraščanjem temperature. Z naraščanjem prostornine atomov in povečanjem tlaka plinov se začne nabrekniti jedrsko gorivo. To pomeni relativno spremembo volumna, povezano z jedrsko cepitvijo.

Jakost nabrekanja je odvisna od temperature gorivnih palic in izgorelosti. S povečanjem izgorelosti se poveča število fragmentov fisije in s povečanjem temperature in izgorelosti notranji tlak plinov. Če ima gorivo višje mehanske lastnosti, je manj dovzetna za nabrekanje. Kovinski uran se ne uporablja za take materiale. Zato njegova uporaba kot goriva za jedrske reaktorje omejuje globino izgorevanja, kar je ena glavnih značilnosti takega goriva.

Mehanske lastnosti urana in njegove odpornosti na sevanje se izboljšajo z dopiranjem materiala. Ta postopek vključuje dodajanje aluminija, molibdena in drugih kovin. Zaradi doping dodatkov se zmanjša število potrebnih fisijskih nevtronov na zajetje. Zato se za te namene uporabljajo materiali, ki slabo absorbirajo nevtrone.

Ognjevzdržne spojine

Nekatere ognjevzdržne uranove spojine veljajo za dobro jedrsko gorivo: karbidi, oksidi in intermetalne spojine. Najpogostejši od teh je uranov dioksid (keramika). Tališče je 2800 ° C, gostota pa 10,2 g / cm3.

Ker ta material nima faznih prehodov, je manj dovzeten za nabrekanje kot uranove zlitine. Zaradi tega se lahko temperatura izgorevanja poveča za nekaj odstotkov. Pri visokih temperaturah keramika ne vpliva na niobij, cirkonij, nerjavno jeklo in druge materiale. Njegova glavna pomanjkljivost je nizka toplotna prevodnost - 4,5 kJ (m * K), ki omejuje gostoto moči reaktorja. Poleg tega je vroča keramika nagnjena k razpokanju.

Plutonij

Plutonij se šteje za kovino z nizko stopnjo taljenja. Topi se pri 640 ° C. Zaradi slabih plastičnih lastnosti je praktično nemogoče strojno obdelati. Toksičnost snovi otežuje proizvodno tehnologijo gorivnih elementov. V jedrske industrije Poskusi uporabe plutonija in njegovih spojin so bili večkrat narejeni, vendar so bili neuspešni. Uporaba goriva za jedrske elektrarne, ki vsebujejo plutonij, je nepraktična zaradi približno 2-kratnega zmanjšanja pospeška, za katerega niso namenjeni standardni kontrolni sistemi reaktorja.

Za proizvodnjo jedrskega goriva se praviloma uporabljajo plutonijev dioksid, plutonijeve zlitine z minerali in mešanica plutonijevih karbidov z uranovimi karbidi. Disperzijska goriva imajo visoke mehanske lastnosti in toplotno prevodnost, pri čemer se delci uranove in plutonijeve spojine dajo v kovinsko matrico molibdena, aluminija, nerjavnega jekla in drugih kovin. Odpornost proti sevanju in toplotna prevodnost disperzijskega goriva je odvisna od materiala matrice. Na prvi jedrski elektrarni je bila disperzijsko gorivo sestavljena iz delcev uranijeve zlitine z 9% molibdena, ki so bili poplavljeni z molibdenom.

Kot pri torijevem gorivu se danes ne uporablja zaradi težav pri proizvodnji in predelavi gorivnih elementov.

Rudarstvo

Znatne količine glavne surovine za jedrsko gorivo - uran so koncentrirane v več državah: Rusiji, ZDA, Franciji, Kanadi in Južni Afriki. Njene vloge se praviloma nahajajo v bližini zlata in bakra, zato se vsi ti materiali hkrati kopljejo.

Zdravje ljudi, ki delajo na razvoju, je izpostavljeno velikim nevarnostim. Dejstvo je, da je uran strupena snov, pri čemer lahko izpuščeni plini pri njegovi ekstrakciji povzročijo raka. In to kljub dejstvu, da ruda ne vsebuje več kot 1% te snovi.

Pridobivanje

Proizvodnja jedrskega goriva iz uranove rude vključuje naslednje faze: t

1. Hidrometalurška obdelava. Vključuje izpiranje, drobljenje in ekstrakcijo ali ekstrakcijo sorpcije. Rezultat hidrometalurške obdelave je očiščena suspenzija hidroksihidroksiurena, natrijevega diuranata ali amonijevega diuranata.
2. Prenos snovi iz oksida v tetrafluorid ali heksafluorid, ki se uporablja za obogatitev urana 235.
3. Obogatitev snovi s centrifugiranjem ali plinsko termično difuzijo.
4. Pretvorba obogatenega materiala v dioksid, iz katerega se proizvajajo tablete TVEL.

Regeneracija

Med delovanjem jedrskega reaktorja gorivo ne more popolnoma izgorevati, zato se reproducirajo prosti izotopi. V zvezi s tem so izrabljeni gorivni elementi predmet regeneracije za ponovno uporabo.

Trenutno je ta problem rešen s pireksnim procesom, ki sestoji iz:

1. Rezanje gorivnih palic na dva dela in njihovo raztapljanje v dušikovi kislini;
2. Čiščenje raztopine iz fisijskih produktov in delov lupine;
3. Izolacija čistih uranovih in plutonijevih spojin.

Nato pridobljeni plutonijev dioksid gre v proizvodnjo novih jeder, uran pa za obogatitev ali izdelavo jeder. Ponovna predelava jedrskega goriva je zapleten in drag postopek. Njegovi stroški pomembno vplivajo na ekonomsko upravičenost uporabe jedrskih elektrarn. Enako velja za odlaganje odpadnega jedrskega goriva, ki ni primerno za regeneracijo.