TVEL je gorivni element. Jedrski reaktor

Čeprav jedrska energija danes še ni popolnoma varna, reaktorji in elektrarne po vsem svetu gradijo več kot le zaprtje. Tako je v Združenih državah Amerike število obratujočih reaktorjev že preseglo sto, v Franciji (drugo največje število mirnih atomov na planetu) - približno 60, in zagotavljajo približno 80% električne energije, proizvedene v državi.

Gorivo za jedrski reaktor služi tel. To je element, v katerem nadzorovana reakcijska veriga neposredno teče. Kako so "drva" jedrskega kotla, kako so izdelana in kaj se zgodi z gorivom v srcu elektrarne?

Kaj je jedrna verižna reakcija

Znano je, da atomska jedra sestojijo iz protonov in nevtronov. Na primer, jedro uranovega atoma vsebuje 92 protonov in 143 ali 146 nevtronov. Odmikalna sila med pozitivno nabitimi protoni v jedru urana je preprosto ogromna, približno 100 kg v enem (!) Atomu. Vendar jedrske sile ne odstopajo od jedra. Ko prosti nevtron vstopi v jedro urana (samo nevtralni delci se lahko približajo jedru), se slednji deformira in razširi v dve polovici plus dva ali tri proste nevtrone.

Ti prosti nevtroni napadajo jedra drugih atomov in tako naprej, zato se število trkov eksponentno poveča in v delčku sekunde celotna masa radioaktivne kovine razpade. To razpadanje spremlja sipanje fragmentov pri vseh hitrostih v vseh smereh, njihovi trki z okoljskimi molekulami povzročajo segrevanje na več milijonov stopinj. To je slika običajnega. jedrska eksplozija. TVEL usmerja ta pojav k mirnemu tečaju. Kako se to dogaja?

Nadzorovana jedrska reakcija

Da bi se jedrska reakcija vzdrževala, postala veriga, je potrebna zadostna količina radioaktivnega goriva (tako imenovana "kritična masa"). Pri jedrskem orožju se to vprašanje rešuje preprosto: dva ingota kovine orožnega razreda (uran 235, plutonij 239 itd.) Z maso vsakega nekoliko manjšega od kritičnega se kombinirajo z eksplozijo običajnega trotila.

Za miroljubno uporabo atoma ta metoda ni primerna. Slika shematično prikazuje napravo najpreprostejšega atomskega reaktorja. Vsak gorivni element (gorivni element - uranovo gorivo) je manj kritičen od njegove mase, vendar njihova skupna teža presega to oznako. Ker so gorivne palice v neposredni bližini med seboj, "izmenjujejo" proste nevtrone. Zaradi takšnega medsebojnega nevtronskega bombardiranja v reaktorju se ohranja jedrska verižna reakcija. Grafitne palice igrajo vlogo neke vrste "zavor" jedrskega procesa. Grafit je dober nevtronski absorber, reakcija ugasne, ko so palice tega materiala nameščene med gorivnimi elementi. To popolnoma ustavi izmenjavo prostih nevtronov.

Tako je reakcija pod stalnim nadzorom avtomatizacije. Razpad spremlja gibanje v sredstvu drobcev hladilne tekočine jeder urana, ki ga segrejejo na želeno temperaturo.

Kako se proizvaja električna energija

Nadaljnja naprava jedrske elektrarne se ne razlikuje veliko od običajne toplote, ki deluje na plin, kurilno olje ali premog. Razlika je v tem, da se toplota proizvede v SPTE-napravi s sežiganjem fosilnih ogljikovodikov, medtem ko se v jedrski elektrarni hladilno sredstvo segreva z gorivnimi palicami jedrskih reaktorjev.

Hladilna tekočina, ki se vnese v temperaturo 500–800 ° C (pregreta voda, staljene soli in celo tekoče kovine lahko igrajo svojo vlogo) v posebnem toplotnem izmenjevalniku, ogreje vodo in jo pretvarja v suho paro. Para zavrti turbino, ki je nameščena na eni gredi z generatorjem, v katerem nastane električni tok.

Kaj so

Prvi jedrski reaktorji so bili homogene naprave. To so bili kotli, v katerih jedrskega goriva (pogosteje tekočina, manj pogosto plinasta). To je talina uranovih soli ali šibka obogateni uran včasih suspenzije uranovega prahu itd. Postopek je bil reguliran z uvedbo moderatorja v aktivno cono v obliki plošč ali palic, izdelanih iz materiala, ki dobro zavira proste nevtrone. Toplota je bila prenesena v vodo s pomočjo izmenjevalnikov toplote, ki se nahajajo neposredno v aktivni coni, kot so rešetke v peči za premog.

Naša slika prikazuje heterogeni jedrski reaktor, ki je zdaj absolutna večina na svetu. Takšni "jedrski kotli" se lažje vzdržujejo, spreminjajo gorivo, popravljajo, so varnejši in zanesljivejši od starih homogenih.

Dodatna prednost uporabe uranovih gorivnih elementov je ustvarjanje jeder urana v takšnem elementu, kot je plutonij 239, ki je posledica nevtronskega obsevanja, ki se nato uporablja kot gorivo za majhne jedrske reaktorje in tudi kot kovina za orožje.

Kje je gorivo za jedrske elektrarne

Uran se v mnogih državah po svetu koplje z odprto (kamnolomsko) ali rudarsko metodo. Sprva ruda ne vsebuje niti urana, ampak njegov oksid. Ekstrakcija kovin iz oksida je najbolj zapletena veriga kemijskih transformacij. Vsaka država na svetu si ne more privoščiti, da bi pridobila podjetja za proizvodnjo jedrskega goriva.

Nadaljnja naloga je obogatitev izkopanega urana. Manj kot 1% urana 235 je v naravnem materialu, ostalo je izotop 238. Izredno težko je ločiti ta dva elementa. Centrifuge za obogatitev urana so najbolj zapletene naprave.

Da bi se uran visoko obogatil (vsebnost izotopa 235 se je povečala na 20%), se bo morala spremeniti v plin in se podati do tisoč stopenj predelave.

Kako deluje TVEL

Inženirji pridejo v roke inženirjev, ki so obogatili uran, vendar je še vedno na jedrskem gorivu. Proizvodnja tega goriva je podobna metalurgiji prahu. Kovinski prah (ali njegove kemične spojine) se stisne v majhne tablete s premerom približno centimeter.

Izdelki iz kovinskega urana so bolje prilagojeni, da zdržijo peklenske razmere v reaktorju, vendar je čist element zelo drag. Uranov dioksid je veliko cenejši, vendar zato, da se ne razpade od ogromnega tlaka in toplote, je treba peči pod ogromnim pritiskom pri temperaturi nad 1000 ° C.

TVEL je niz takih podložk, dolgih približno 2-4 metre, nameščenih v cevi iz jekla ali zlitin železa z molibdenom. Sami TVEL-i se zaposlijo v snop več deset ali celo stotin. Tak nabor se imenuje gorivni sklop (gorivni sklop).

Faze so nameščene neposredno v središču atomskega reaktorja. V enem reaktorju lahko njihovo število doseže več sto. Ko uran razpade, gorivni elementi izgubijo sposobnost za proizvodnjo toplote, nato pa se zamenjajo. Toda en kilogram tehničnega urana, obogaten z vsebnostjo izotopov 235 odstotkov, ima čas, da v jedrskem reaktorju proizvede toliko energije, kot bi jo imela, če bi zažgala 300 standardnih dvestolitrskih sodčkov za gorivo.