Нуклеарно гориво: врсте, производња, прерада. Уранијум-235

5. 5. 2019.

Нуклеарно гориво је материјал који се користи у нуклеарним реакторима за провођење контролисане ланчане реакције. Изузетно је енергетски интензиван и несигуран за људе, што намеће бројна ограничења у његовој употреби. Данас ћемо сазнати шта је то гориво за нуклеарни реактор, како се он класифицира и производи, гдје се користи.

Нуклеарно гориво

Цхаин реацтион

Током нуклеарне ланчане реакције, језгро је подељено на два дела, која се називају фрагменти фисије. Истовремено се ослобађа неколико (2-3) неутрона, који затим узрокују фисију следећих језгара. Процес се дешава када неутрон уђе у језгро оригиналне супстанце. Дијелови фисије имају велики кинетичка енергија. Њихова инхибиција у материји је праћена ослобађањем велике количине топлоте.

Фразни фрагменти, заједно са њиховим производима распада, називају се производи фисије. Нуклеуси, подељени са неутронима било које енергије, називају се нуклеарно гориво. По правилу, то су супстанце са непарним бројем атома. Неке језгре су подијељене чистим неутронима, чија је енергија изнад одређене граничне вриједности. То су претежно елементи са парним бројем атома. Такве језгре се називају сировинама, јер у тренутку када неутрон заузме језгро горивног језгра прага. Комбинација горива и сировина се тако назива нуклеарним горивом.

Уранијум-235

Класификација

Нуклеарно гориво је подијељено у двије класе:

  1. Натурал ураниум. Садржи фисијске језгре уранијума-235 и сировине уранијума-238, које су способне да формирају плутонијум-239 када се ухвати неутрон.
  2. Секундарно гориво које се не налази у природи. Ту спадају, између осталог, плутонијум-239, који се добија из горива првог типа, као и уранијум-233, који се формира за време хватања неутрона језгром торијума-232.

У погледу хемијског састава, постоје ове врсте нуклеарног горива:

  1. Метали (укључујући легуре);
  2. Оксид (на пример, УО 2 );
  3. Карбид (на пример ПуЦ 1-к );
  4. Микед;
  5. Нитриде.

ТВЕЛ и ТВС

Фуел фор нуклеарних реактора користи се у облику малих таблета. Они се налазе у херметички затвореним горивним елементима (ТВЕЛ), који се, са своје стране, неколико стотина комбинују у горивне елементе (ФА). Нуклеарно гориво има високе захтјеве за компатибилност с горивом. Требало би да има довољну температуру топљења и испаравања, добру топлотну проводљивост и да се не увећава у запремини током неутронског зрачења. Такође је узета у обзир и производност производње.

Гориво језгра реактора

Апплицатион

Он нуклеарне електране и друга нуклеарна постројења за гориво долазе у облику горивних склопова. Могу се убацивати у реактор и током рада (уместо изгорјелих горивих склопова) и током кампање поправке. У овом другом случају, гориви склопови се мењају у великим групама. Међутим, само трећина горива се потпуно замењује. Највише изгорених склопова се истовара из централног дијела реактора, а на њихово мјесто стављају се дјеломично спаљени склопови, који су се раније налазили у мање активним подручјима. Као посљедица тога, нови горивни склопови се инсталирају на мјесто посљедњег. Ова једноставна схема преуређивања сматра се традиционалном и има бројне предности, од којих је главни да осигура јединствено ослобађање енергије. Наравно, ово је конвенционална шема, која даје само опште идеје о процесу.

Изложеност

Након уклањања истрошеног нуклеарног горива из језгра реактора, он се шаље у базен, који се по правилу налази у близини. Чињеница је да склопови истрошеног горива садрже велику количину фрагмената фисије уранијума. Након истовара из реактора, сваки ТВЕЛ садржи око 300 хиљада курија радиоактивних супстанци које емитују 100 кВ / сат енергије. Због тога се гориво самозагрева и постаје високо радиоактивно.

Температура новооткривеног горива може да достигне 300 ° Ц. Због тога се чува 3-4 године под слојем воде чија се температура одржава у прописаном распону. Како се складишти под водом, смањује се радиоактивност горива и снага њеног заосталог испуштања. Након отприлике три године, загревање горивног склопа већ достиже 50-60 ° Ц. Затим се гориво уклања из базена и шаље на рециклирање или одлагање.

Потрошено нуклеарно гориво

Уранијум метал

Метални уранијум се релативно ријетко користи као гориво за нуклеарне реакторе. Када супстанца достигне температуру од 660 ° Ц, долази до фазног прелаза, праћеног променом његове структуре. Једноставно речено, уранијум се повећава, што може довести до уништења горивог елемента. У случају продуженог зрачења на температури од 200-500 ° Ц, супстанца је изложена расту зрачења. Суштина овог феномена је издужење озраченог штапа уранијума 2-3 пута.

Употреба металног урана на температурама изнад 500 ° Ц је отежана због његовог бубрења. Након подјеле језгра формирају се два фрагмента, чији укупни волумен премашује волумен самог језгра. Неки фрагменти фисије су представљени атомима гаса (ксенон, криптон, итд.). Гас се накупља у порама уранијума и формира унутрашњи притисак који се повећава са повећањем температуре. Повећањем запремине атома и повећањем притиска гасова, нуклеарно гориво почиње да бубри. Дакле, ово подразумева релативну промену запремине која је повезана са нуклеарном фисијом.

Снага бубрења зависи од температуре горивних шипки и изгарања. Са повећањем сагоревања, повећава се број делова фисије, а са повећањем температуре и сагоревања, унутрашњи притисак гасова. Ако гориво има већа механичка својства, мање је подложно бубрењу. Метални уранијум се не односи на такве материјале. Стога, његова употреба као горива за нуклеарне реакторе ограничава дубину сагоревања, што је једна од главних карактеристика таквог горива.

Уран - нуклеарно гориво

Механичка својства уранијума и његова отпорност на зрачење побољшавају се допирањем материјала. Овај процес укључује додавање алуминијума, молибдена и других метала. Због допинг адитива, смањује се број неутрона потребних за хватање. Због тога се у те сврхе користе материјали који слабо апсорбују неутроне.

Ватростални спојеви

Одређена ватростална једињења уранијума сматрају се добрим нуклеарним горивом: карбиди, оксиди и интерметални спојеви. Најчешћи од њих је уранијум диоксид (керамика). Тачка топљења је 2800 ° Ц, а густина је 10,2 г / цм3.

Пошто овај материјал нема фазних прелаза, мање је подложан бубрењу од уранијумских легура. Због тога се температура сагоревања може повећати за неколико посто. При високим температурама, керамика не ступа у интеракцију с ниобијумом, цирконијем, нехрђајућим челиком и другим материјалима. Његов главни недостатак је ниска топлотна проводљивост - 4.5 кЈ (м * К), која ограничава густину снаге реактора. Поред тога, врућа керамика је склона пуцању.

Плутонијум

Плутонијум се сматра металом који се слабо топи. Топи се на 640 ° Ц. Због својих лоших пластичних својстава, практично је немогуће обрадити. Токсичност супстанце компликује технологију производње горивних елемената. Ин нуклеарне индустрије Покушаји да се користи плутонијум и његова једињења су опетовано направљени, али су били неуспешни. Употреба горива за нуклеарне електране која садржи плутонијум је непрактична због приближно двоструког смањења у периоду убрзања, за који стандардни системи управљања реакторима нису предвиђени.

Отпад нуклеарног горива

За производњу нуклеарног горива користе се, по правилу, плутонијум диоксид, плутонијумске легуре са минералима и мешавина плутонијум карбида са уранијум карбидима. Дисперзиона горива имају високе механичке особине и топлотну проводљивост, при чему се честице урановог и плутонијумског једињења налазе у металној матрици молибдена, алуминијума, нерђајућег челика и других метала. Отпорност на зрачење и топлотна проводљивост дисперзионог горива зависе од материјала матрице. На пример, у првој нуклеарној електрани, дисперзивно гориво се састојало од честица уранијумске легуре са 9% молибдена, које су биле преплављене молибденом.

Што се тиче горива са торијем, данас се не користи због потешкоћа у производњи и преради горивних елемената.

Рударство

Значајне количине главне сировине за нуклеарно гориво - уранијум концентрисане су у неколико земаља: Русији, САД-у, Француској, Канади и Јужној Африци. Његове наслаге, по правилу, налазе се у близини злата и бакра, стога се сви ови материјали истовремено копају.

Здравље људи који раде на развоју је изложено великој опасности. Чињеница је да је уран токсичан материјал, а гасови који се ослобађају током његове екстракције могу изазвати рак. И то упркос чињеници да руда садржи више од 1% ове супстанце.

Геттинг

Производња нуклеарног горива из уранове руде обухвата следеће фазе:

  1. Хидрометалуршка обрада. Укључује испирање, дробљење и екстракцију или екстракцију сорпције. Резултат хидрометалуршке обраде је пречишћена суспензија хидроксихидроксиурена, натријум диураната или амонијум диураната.
  2. Пренос супстанце из оксида у тетрафлуорид или хексафлуорид, који се користи за обогаћивање уранијума 235.
  3. Обогаћивање супстанце центрифугирањем или гасном термичком дифузијом.
  4. Конверзија обогаћеног материјала у диоксид, из којег се производе ТВЕЛ пилуле.

Врсте нуклеарног горива

Регенерација

Током рада нуклеарног реактора, гориво не може потпуно да изгори, па се репродукују слободни изотопи. У том смислу, истрошени гориви елементи подлежу регенерацији за поновну употребу.

Тренутно је овај проблем ријешен пурекс процесом који се састоји од сљедећих фаза:

  1. Резање горивних шипки на два дела и њихово растварање у азотну киселину;
  2. Чишћење раствора из фисијских продуката и делова љуске;
  3. Изолација чистог уранијума и једињења плутонијума.

Након тога, добијени плутонијум-диоксид иде у производњу нових језгара, а уранијум - за обогаћивање или производњу језгара. Прерада нуклеарног горива је сложен и скуп процес. Њени трошкови имају значајан утицај на економску одрживост коришћења нуклеарних електрана. Исто се може рећи и за одлагање отпадног нуклеарног горива које није погодно за регенерацију.