2011-ben a Novoszibirszki Vegyi Koncentrátumgyár a világ lítium-7 izotóp fogyasztásának 70%-át (1300 kg) állította elő és értékesítette, ami új rekordot döntött az üzem történetében. Az NCCP által gyártott fő termék azonban a nukleáris üzemanyag.
Ez a kifejezés lenyűgöző és ijesztő hatással van a novoszibirszki lakosok tudatára, és arra készteti őket, hogy bármit elképzeljenek a vállalkozásról: a háromlábú munkásoktól és egy külön földalatti várostól a radioaktív szélig.
Tehát valójában mi rejtőzik Novoszibirszk legtitokzatosabb üzemének kerítései mögött, amely nukleáris üzemanyagot állít elő a városban?
Az OJSC "Novoszibirsk Chemical Concentrates Plant" a világ egyik vezető nukleáris üzemanyag-gyártója az atomerőművek és kutatóreaktorok számára Oroszországban és külföldi országok. Az egyetlen Orosz gyártó fém lítium és sói. A Rosatom State Corporation TVEL Fuel Company része.
Megérkeztünk a műhelybe, ahol fűtőelem-kazettákat készítenek - fűtőelem-kazettákat, amelyeket atomreaktorokba töltenek. Ez nukleáris üzemanyag az atomerőművek számára. A produkcióba való belépéshez köntöst, sapkát, szövet cipőhuzatot kell felvenni, és egy „sziromot” kell az arcára tenni.
Az urántartalmú anyagokkal kapcsolatos minden munka a műhelyben összpontosul. Ez technológiai komplexum az egyik fő az NCCP számára (az atomerőművek üzemanyag kazettái a szerkezet körülbelül 50%-át foglalják el eladott termékek OJSC "NZHK").
A vezérlőterem, ahonnan az urán-dioxid-por előállításának folyamatát irányítják, amelyből aztán tüzelőanyag-pellet készül.
A dolgozók rutin karbantartást végeznek: bizonyos időközönként a legújabb berendezéseket is leállítják és ellenőrzik. Maga a műhelyben mindig sok levegő van - az elszívó szellőztetés folyamatosan működik.
Az urán-dioxid port ilyen bikónokban tárolják. Összekeverik a port és a lágyítót, ami lehetővé teszi a tabletta jobb összenyomását.
Üzemanyag-pelletet tömörítő berendezés. Ahogyan a gyerekek húsvéti süteményeket készítenek homokból préseléssel, úgy itt is: nyomás alatt préselik az urántablettát.
Molibdén csónak tablettákkal, amelyek arra várnak, hogy a kemencébe küldjék izzításra. Az izzítás előtt a tabletták zöldes árnyalatúak és eltérő méretűek.
A por, tabletta és környezet minimálisra csökkentve: minden munkát dobozokban végeznek. Annak érdekében, hogy valamit kijavítsanak belülről, speciális kesztyűket építenek be a dobozokba.
A tetején lévő fáklyák hidrogént égetnek. A tablettákat kemencében, legalább 1750 fokos hőmérsékleten, hidrogén redukáló környezetben, több mint 20 órán keresztül lágyítják.
A fekete szekrények hidrogén magas hőmérsékletű kemencék, amelyekben a molibdén csónak különböző hőmérsékleti zónákon megy keresztül. A csappantyú kinyílik, és egy molibdén csónak belép a kemencébe, ahonnan lángok törnek fel.
A kész tablettákat polírozzák, mert szigorúan meghatározott méretűnek kell lenniük. A kijáratnál pedig az ellenőrök minden tablettát ellenőriznek, hogy nincsenek-e rajta forgácsok, repedések vagy hibák.
Egy 4,5 g tömegű tabletta energialeadása 640 kg tűzifának felel meg, 400 kg szén, 360 cc m gáz, 350 kg olaj.
Urán-dioxid tabletták hidrogénkemencében végzett izzítás után.
Itt a cirkónium csöveket urán-dioxid pelletekkel töltik meg. A kimeneten kész üzemanyagrudak (kb. 4 m hosszúak) vannak - fűtőelemek. A tüzelőanyag-rudakat már használják fűtőelem-kazetták, más szóval nukleáris üzemanyag összeszerelésére.
A város utcáin már nem találsz ilyen szódaszökőkutat, talán csak az NZHK-ban. Bár benne szovjet idők nagyon gyakoriak voltak.
Ebben a gépben az üveg mosható, majd feltölthető szénsavas, szénsavmentes vagy hűtött vízzel.
A Természeti Erőforrások és Környezetvédelmi Főosztály 2010-es értékelése szerint az NCCP nem gyakorol jelentős hatást a környezetszennyezésre.
Egy ilyen fajtatiszta tyúkpár folyamatosan él és tojik a műhely területén található kiváló minőségű fából készült kifutóban.
A munkások hegesztik az üzemanyag-kazetta keretét. A keretek az üzemanyag-kazetta módosításától függően eltérőek.
Az üzem 2277 főt foglalkoztat, az alkalmazottak átlagéletkora 44,3 év, 58%-a férfi. Átlagos bér meghaladja a 38 000 rubelt.
A nagy csövek a reaktorvédelmi vezérlőrendszer csatornái. Ezután 312 tüzelőanyag-rudat szerelnek be ebbe a keretbe.
Az NCCP mellett van a CHPP-4. Az erőmű képviselői környezetvédőkre hivatkozva arról számoltak be: évente egy hőerőmű 7,5-szer több radioaktív anyagot bocsát ki, mint az NCCP.
Viktor Pustozerov összeszerelő szerelő, az erőmű- és atomenergia-ipar veteránja, 2 Munka Dicsőségi Renddel rendelkezik
Fej és szár az üzemanyag-kazettákhoz. A legvégére kerülnek beépítésre, amikor már mind a 312 üzemanyagrúd a keretben van.
Végső ellenőrzés: a kész üzemanyag-kazettákat speciális szondákkal ellenőrzik, hogy a tüzelőanyag-rudak távolsága azonos legyen. Az irányítók leggyakrabban nők; ez nagyon fáradságos munka.
Az ilyen tartályokban üzemanyag-kazettákat küldenek a fogyasztónak - mindegyikben 2 kazettát. Belül saját, hangulatos filcágyuk van.
A JSC NCCP által gyártott atomerőművek üzemanyagát orosz atomerőművekben használják fel, és Ukrajnába, Bulgáriába, Kínába, Indiába és Iránba is szállítják. Az üzemanyag-kazetták költsége üzleti titok.
Az NCCP-nél dolgozni egyáltalán nem veszélyesebb, mint a munka bármelyiken ipari vállalkozás. A dolgozók egészségi állapotát folyamatosan ellenőrzik. Mögött utóbbi évek A munkavállalók körében egyetlen foglalkozási megbetegedést sem azonosítottak.
A nukleáris fűtőanyag reaktorokban energiatermelésre történő felhasználása a fizikai tulajdonságok és a folyamatok természete miatt számos jellemzővel bír. Ezek a jellemzők határozzák meg az atomenergia sajátosságait, a technológiai követelményeket, a speciális működési feltételeket, a gazdasági mutatókat és a környezetre gyakorolt hatást.
Először is meg kell jegyeznünk a nukleáris üzemanyag magas fűtőértékét. A szén égése (oxidációja) során például a C + O 2 → CO 2 reakcióban 4 eV energia szabadul fel minden kölcsönhatásra, és a keletkező szén-monoxid üvegházhatáshoz vezet, ami globális következményekkel jár a bolygóra nézve. Egy nukleáris üzemanyag atom hasadása körülbelül 200 MeV energiát szabadít fel. Az energiafelszabadulás ebben a két folyamatban 50 milliószor különbözik. Az egységnyi tömegben kifejezve az energiakibocsátások 2,5 milliószoros eltérést mutatnak.
A magas kalóriatartalom az adott energiamennyiség előállításához szükséges nukleáris üzemanyag tömegének és fizikai térfogatának meredek csökkenését okozza. Így az alapanyag (uránkoncentrátum) és a kész nukleáris üzemanyag tárolása és szállítása viszonylag alacsony költségeket igényel. Ennek következménye az atomerőművek elhelyezkedésének függetlensége a tüzelőanyag-előállítás és -termelés területétől, ami jelentősen befolyásolja a termelőerők gazdaságilag előnyös elhelyezkedésének megválasztását. Elmondhatjuk, hogy a nukleáris üzemanyag felhasználása korrigálni tudja a természet „igazságtalanságát” az energiaforrások rendkívül egyenetlen földrajzi eloszlásában. Megszűnnek az üzemanyag-szállítás és -ellátás szezonális éghajlati viszonyaival kapcsolatos nehézségek, amelyek folyamatosan felmerülnek Keleten és Távol-Északon. A nukleáris üzemanyag magas energiaintenzitása meghatározza, hogy a szerves üzemanyag kitermeléséhez és szállításához képest a fűtőelem kitermelésében, előállításában és fogyasztóhoz történő eljuttatásában viszonylag kevés dolgozó vesz részt a megtermelt energiaegységre vetítve, ami végső soron magas munkatermelékenységet biztosít az atomenergiában. energia.
A nukleáris üzemanyag fontos jellemzője a teljes elégetésének alapvető lehetetlensége. Ahhoz, hogy egy reaktort adott teljesítménnyel egy adott ideig üzemeltethessünk, a tüzelőanyag-terhelésnek a kritikus tömeg felett kell lennie. Ez a többlet olyan reakcióképességi határt biztosít, amely adott vagy számított mennyiségű, egységnyi térfogatra vagy tömegre leválasztott tüzelőanyaghoz szükséges, pl. adott kiégési mélység eléréséhez. Ennek az égésnek az elérése után, amikor a reaktivitási tartalék kimerült, a kiégett fűtőelemet újjal kell cserélni. A kirakott üzemanyag jelentős mennyiségű hasadó és termékeny anyagot tartalmaz, és a hasadási termékektől való megtisztítása után visszakerülhet az üzemanyagciklusba. Ebből következik, hogy a nukleáris fűtőanyagnak ismételten keringenie kell reaktorokon és nukleáris ipari vállalkozásokon: radiokémiai üzemeken és fűtőelem-rudak előállítására szolgáló gyárakon, ill. üzemanyag kazetták(TVS). Az urán és a plutónium újrahasznosításával (újrafelhasználásával) jelentősen csökken a természetes urán és üzemanyag-dúsító kapacitás iránti igény. Megjegyzendő, hogy az 1 GW villamos teljesítményű atomerőműnél az üzemanyagciklusban feldolgozandó nukleáris üzemanyag mennyisége a VVER-1000 esetében 20-30 tonna/év, az RBMK-1000 esetében pedig kb. 50 tonna/év.
Az a követelmény, hogy a reaktormagban állandóan nagy tömegű tüzelőanyagot kell tárolni, egy adott kiégést biztosító hosszú üzemidőre tervezve, jelentős egyszeri költséget jelent az első tüzelőanyag-betöltés és az azt követő, töltésre előkészített adagok kifizetéséhez. Ez egy igen jelentős és alapvető különbség az erőművi nukleáris tüzelőanyag felhasználási feltételeiben a szerves tüzelőanyaghoz képest.
A radioaktív hasadási termékek felhalmozódása a tüzelőanyagban a láncreakció befejeződése utáni bomlásuk során maradékhő-felszabaduláshoz vezet, amely az idő múlásával körülbelül egy teljesítménytörvény szerint csökken:
N(t) = 0,07N[t -0,2 – (t+ ) -0,2 ], (2,1)
Ahol N- a reaktor teljesítménye leállítás előtt, N(t) a hőleadási teljesítmény a reaktor leállítása után, az az idő, amikor a reaktor teljesítményen működik N a megállóig, t- megállás utáni idő. A (2.1) kifejezésből az következik, hogy közvetlenül a leállítás után a hőleadás a magban a névleges teljesítmény 7%-a. A maradékenergia-felszabadulás, a hűtőközeg és a reaktorzóna elemeinek aktivitása, a feltételezett veszélyhelyzetek figyelembevételének szükségessége különleges követelményeket támaszt az atomerőművek, a reaktorvédelmi és vezérlőrendszerek tervezésével, kivitelezésével és üzemeltetésével szemben. Ezeknek a követelményeknek nincs analógja a fosszilis tüzelőanyagokat használó hőenergia-technikában. Az atomerőművek biztonsági követelményeinek kielégítése a hagyományos hőerőművekhez képest 1,5-2-szeres tőkeköltség-növekedést okoz.
2.2. A kiégés az energiatermelés mértéke
nukleáris üzemanyag
Bármely tüzelőanyag energetikai jellemzője a fűtőértéke, azaz. tömegegységenkénti hőleadás. A nukleáris fűtőanyag energiajellemzője a fajlagos energiatermelés - az adott izotópösszetételű nukleáris üzemanyag tömegegységére jutó hőenergia a reaktorban való tartózkodás teljes időtartama alatt. Fajlagos energiatermelés A nukleáris üzemanyagot (B) általában megawattnap per tonnában (MW nap/t) vagy megawattnapban kilogrammonként (MW nap/kg) mérik.
A reaktorban felszabaduló hőenergia a maghasadás eredménye, és kifejezhető az atommagok számával vagy a megosztott fűtőelem tömegének osztva a teljes számukkal. Ez az égés tömegegysége ( égési mélység Az 1) pontban kifejezhető százalékban, kg/t, g/kg stb. A B 1 érték a fűtőelemrudakban felhalmozódott hasadási termékek mennyiségét is jelöli. A fajlagos energiatermelés és a nukleáris fűtőanyag elégetése egyenértékű, eltérő méretű mennyiségek. Ezek a legfontosabb paraméterek, amelyek jellemzik a nukleáris üzemanyag reaktorokban való felhasználását. Az égési mélység nemcsak az atomerőművek műszaki-gazdasági mutatóira, hanem a teljes üzemanyagciklusra is nagy hatással van.
Határozzuk meg a B és B 1 közötti összefüggést az urán-dioxid - a modern erőművi reaktorok fűtőanyaga - esetében. Az uránmagok száma egy gramm urán-dioxidban egyenlő Avogadro-szám osztva a molekulatömeggel: 6,022·10 23 /270 = 2,32·10 21 1/g. Egy hasadási esemény során felszabaduló energia 3,2·10 -11 J. Az 1 MW·nap (8,64·10 10 J) előállításához szükséges hasadások száma 2,7·10 21 . Így 1 MW napi energia megszerzéséhez 1,16 g urán-dioxid hasadását kell biztosítani. Ezt a mennyiséget jelöli k, írjuk fel az energia és a tömegégés mértékegységei közötti kapcsolatot:
B 1 = k V. (2.2)
Ha egy tonna urán-dioxidban 1% uránatomot (2,32 10 25) választunk el, akkor az energiatermelés 2,32 10 25 / 2,7 10 21 = 8593 MW nap/t. A nehéz atomok 1%-ának kiégése urán-dioxid esetében 2,44·10 20 osztás/cm 3 -nek felel meg.
Ha csak az urán tömegét vesszük figyelembe, akkor k= 1,05. Ebben az esetben az 1%-os kiégés 9520 MW nap/t uránenergia-termelésnek felel meg. A termikus neutronreaktorokkal kapcsolatos további számításoknál fogjuk k= 1,05. Az égési mélység azonban nem határozza meg teljesen a hasadó nuklidok fogyasztását a reaktormagban. A maghasadás mellett végbemegy a sugárzás befogásának reakciója és a hasadó nuklidok nem hasadóvá alakulása. 235 U esetében körülbelül 0,15 a valószínűsége annak, hogy a neutront hasadás nélkül befogják és a 236 U izotóp keletkezik. Ez a hasadó izotóp elvesztését jelenti energia felszabadulása nélkül. A 239 Pu esetében a sugárzási befogás eredményeként a nem hasadó 240 Pu izotóppal való átalakulás valószínűsége 0,26. A hasadási folyamattal versengő sugárzás befogása a hasadó nuklidok felhasználásának hatástalan növekedéséhez vezet. Termikus neutronreaktorokban 1 MW napi hőenergia előállítása során nem 1,05 g, hanem 1,2-1,22 g 235 U fogy, ebből 0,15-0,17 g energiafelszabadulás nélkül, de 1%-os égésnél az urán energiatermelése 8300 MW nap/t. Mindezt figyelembe veszik a mag kiszámításakor és az üzemanyag hasadó izotóppal való szükséges dúsításának meghatározásakor.
Életciklus Az urán- vagy plutónium alapú nukleáris üzemanyag a bányaüzemekben, vegyi üzemekben, gázcentrifugákban kezdődik, és nem ér véget abban a pillanatban, amikor a fűtőanyag-kazettát kirakodják a reaktorból, mivel minden fűtőanyag-kazettán át kell esni. hosszú távonújrahasznosítás, majd újrahasznosítás.
Nukleáris üzemanyag nyersanyagának kitermelése
Az urán a legnehezebb fém a Földön. A Föld uránjának körülbelül 99,4%-a urán-238, és csak 0,6%-a urán-235. A Nemzetközi Atomenergia Ügynökség Vörös Könyves jelentése szerint az urántermelés és -kereslet a fukusimai atombaleset ellenére is növekszik, ami sokakat elgondolkodtatott az atomenergia kilátásairól. Csak az elmúlt néhány évben a bizonyított uránkészletek 7%-kal nőttek, ami az új lelőhelyek felfedezéséhez kapcsolódik. A legnagyobb termelők továbbra is Kazahsztán, Kanada és Ausztrália, ők bányászják a világ uránjának 63%-át. Ezenkívül fémtartalékok állnak rendelkezésre Ausztráliában, Brazíliában, Kínában, Malawiban, Oroszországban, Nigerben, az Egyesült Államokban, Ukrajnában, Kínában és más országokban. Korábban a Pronedra azt írta, hogy 2016-ban 7,9 ezer tonna uránt bányásztak az Orosz Föderációban.
Manapság háromban bányásznak uránt különböző utak. Nem veszíti el relevanciáját nyilvános módszer. Olyan esetekben használják, amikor a lerakódások közel vannak a föld felszínéhez. Nál nél nyílt módszer A buldózerek kőbányát hoznak létre, majd a szennyeződéseket tartalmazó ércet dömperekbe rakják, hogy a feldolgozó komplexumokhoz szállítsák.
Az érctest gyakran nagy mélységben fekszik, ilyenkor a földalatti bányászati módszert alkalmazzák. Aknát ásnak két kilométer mélységig, a kőzetet vízszintes sodródásban fúrással nyerik ki, és teherliftekkel szállítják felfelé.
Az így felfelé szállított keveréknek sok összetevője van. A kőzetet össze kell törni, vízzel hígítani és a felesleget eltávolítani. Ezután kénsavat adnak a keverékhez a kilúgozási folyamat végrehajtása érdekében. A reakció során a vegyészek uránsó-csapadékot kapnak sárga szín. Végül a szennyeződéseket tartalmazó uránt egy finomítóban tisztítják. Csak ezt követően állítják elő az urán-oxidot, amivel a tőzsdén kereskednek.
Van egy sokkal biztonságosabb, környezetbarát és gazdaságosabb jövedelmező módon, amelyet fúrólyuk in situ kimosódásnak (ISI) neveznek.
Ezzel a terepi fejlesztési módszerrel a terület biztonságos marad a személyzet számára, és a sugárzási háttér megfelel a beltéri háttérnek nagyobb városok. Az urán kioldással történő bányászásához 6 lyukat kell fúrnia a hatszög sarkainál. Ezeken a kutakon keresztül a kénsavat az uránlelőhelyekbe szivattyúzzák, és összekeverik a sóival. Ezt az oldatot kivonják, nevezetesen a hatszög közepén lévő kúton átszivattyúzzák. Az uránsók kívánt koncentrációjának elérése érdekében a keveréket többször átengedik szorpciós oszlopokon.
Nukleáris üzemanyag gyártás
Lehetetlen elképzelni a nukleáris üzemanyag előállítását gázcentrifugák nélkül, amelyeket dúsított urán előállítására használnak. A kívánt koncentráció elérése után az urán-dioxidot úgynevezett tablettákká préselik. felhasználásával jönnek létre kenőanyagok, amelyeket a kemencékben történő tüzelés során eltávolítanak. Az égetési hőmérséklet eléri az 1000 fokot. Ezt követően a tablettákat ellenőrzik, hogy megfelelnek-e a megadott követelményeknek. Fontos a felület minősége, nedvességtartalma, valamint az oxigén és az urán aránya.
Ezzel egyidejűleg egy másik műhelyben készülnek a fűtőelemek cső alakú héjai. A fenti folyamatokat, beleértve a tabletták utólagos adagolását és csomagolását a héjcsőbe, a lezárást, a szennyeződésmentesítést, üzemanyaggyártásnak nevezzük. Oroszországban az üzemanyag-kazetták (FA) létrehozását vállalkozások végzik. Gépgyártó üzem"a moszkvai régióban a "Novoszibirszki Vegyi Koncentrátum Üzem" Novoszibirszkben, a "Moszkvai Polifémgyár" és mások.
A tüzelőanyag-kazetták minden tétele egy adott típusú reaktorhoz készült. Az európai üzemanyag-kazetták négyzet alakúak, míg az oroszok hatszögletű keresztmetszetűek. A VVER-440 és VVER-1000 típusú reaktorokat széles körben használják az Orosz Föderációban. Az első fűtőelemeket a VVER-440-hez 1963-ban, a VVER-1000-hez pedig 1978-ban kezdték fejleszteni. Annak ellenére, hogy Oroszországban aktívan bevezetik a Fukusima utáni biztonsági technológiát alkalmazó új reaktorokat, számos régi típusú nukleáris létesítmény működik országszerte és külföldön is, így a fűtőelemek ugyanolyan fontosak maradnak különböző típusok reaktorok.
Például az RBMK-1000 reaktor egy zónájának üzemanyag-kazettáinak biztosításához több mint 200 ezer cirkóniumötvözetből készült alkatrészre, valamint 14 millió szinterezett urán-dioxid-pelletre van szükség. Néha az üzemanyag-kazetta gyártási költsége meghaladhatja az elemekben lévő üzemanyag költségét, ezért olyan fontos az uránkilogrammonkénti magas energiahatékonyság biztosítása.
Költségek a termelési folyamatok V %
Külön érdemes megemlíteni a kutatóreaktorok fűtőelemei. Úgy tervezték őket, hogy a lehető legkényelmesebbé tegyék a neutronképző folyamat megfigyelését és tanulmányozását. Az atomfizika, az izotópgyártás és a sugárgyógyászat területén végzett kísérletekhez szükséges ilyen üzemanyagrudakat Oroszországban a Novoszibirszki Vegyi Koncentrátumgyár állítja elő. Az FA-kat uránnal és alumíniummal varrat nélküli elemek alapján hozzák létre.
Az Orosz Föderációban a nukleáris üzemanyag előállítását a TVEL (a Rosatom egyik részlege) üzemanyag-vállalat végzi. A cég nyersanyagok dúsításával, fűtőelemek összeszerelésével foglalkozik, valamint üzemanyag-engedélyezési szolgáltatásokat is nyújt. "Kovrovszkij gépészeti üzem"Vlagyimir régióban és a szverdlovszki uráli gázcentrifuga üzemben orosz üzemanyag-kazetták számára gyártanak berendezéseket.
Az üzemanyagrudak szállításának jellemzői
A természetes uránt alacsony radioaktivitás jellemzi, azonban az üzemanyag-kazetták gyártása előtt a fém dúsítási eljáráson megy keresztül. A természetes érc urán-235 tartalma nem haladja meg a 0,7%-ot, a radioaktivitás pedig 25 becquerel/1 milligramm urán.
A tüzelőanyag-kazettákba helyezett uránpelletek 5%-os urán-235 koncentrációjú uránt tartalmaznak. A nukleáris üzemanyaggal kész fűtőelem-kazettákat speciális, nagy szilárdságú fémtartályokban szállítják. Szállításhoz, vasúti, közúti, tengeri és akár légi közlekedés. Minden tartály két szerelvényt tartalmaz. A nem besugárzott (friss) tüzelőanyag szállítása nem jelent sugárzási veszélyt, mivel a sugárzás nem terjed túl azon cirkóniumcsöveken, amelyekbe a préselt uránpelleteket helyezik.
Az üzemanyag-szállításhoz speciális útvonalat dolgoznak ki, a rakományt a gyártó vagy a megrendelő biztonsági személyzete kíséri (gyakrabban), ami elsősorban a berendezések magas költségének köszönhető. A nukleáris fűtőanyag-gyártás teljes története során egyetlen olyan fűtőelem-kazettát érintő közlekedési balesetet sem jegyeztek fel, amely a környezet sugárzási hátterét befolyásolta volna, vagy emberáldozattal járt volna.
Üzemanyag a reaktormagban
Egy egységnyi nukleáris üzemanyag - egy TVEL - képes hosszú időn keresztül hatalmas mennyiségű energia felszabadítására. Sem a szén, sem a gáz nem hasonlítható össze ilyen mennyiségekkel. A tüzelőanyag-életciklus minden atomerőműben a friss fűtőanyag kirakodásával, eltávolításával és az üzemanyag-kazetta raktárban történő tárolásával kezdődik. Amikor a reaktorban lévő előző adag üzemanyag kiég, a személyzet befejezi az üzemanyag-kazettákat a zónába való betöltéshez ( munkaterület reaktor, ahol a bomlási reakció végbemegy). Általában az üzemanyagot részben újratöltik.
A teljes tüzelőanyagot csak a reaktor első beindításakor töltik a zónába. Ennek oka az a tény, hogy a reaktorban lévő fűtőelem-rudak egyenetlenül égnek ki, mivel a neutronfluxus intenzitása a reaktor különböző zónáiban változik. Az adagolóberendezéseknek köszönhetően az állomás személyzetének lehetősége van az egyes üzemanyagegységek kiégési fokának valós időben történő nyomon követésére és cseréjére. Néha az új üzemanyag-kazetták betöltése helyett a kazettákat egymás között mozgatják. Az aktív zóna közepén fordul elő legintenzívebben a kiégés.
FA atomerőmű után
Az atomreaktorban elköltött uránt besugárzottnak vagy elégetettnek nevezik. Az ilyen fűtőelem-kazettákat pedig kiégett nukleáris üzemanyagként használják. Az SNF-t a radioaktív hulladéktól elkülönítve helyezik el, mivel legalább 2 hasznos komponense van - az el nem égett urán (a fém égési mélysége soha nem éri el a 100%-ot) és a transzurán radionuklidok.
A közelmúltban a fizikusok elkezdték az iparban és az orvostudományban felhasználni a kiégett nukleáris üzemanyagban felhalmozódott radioaktív izotópokat. Miután a tüzelőanyag befejezte kampányát (ameddig a szerelvény a reaktorzónában van névleges teljesítmény mellett), a hűtőmedencébe kerül, majd közvetlenül a reaktortérben tárolóba, majd ezt követően újrafeldolgozásra vagy ártalmatlanításra. A hűtőmedencét úgy tervezték, hogy eltávolítsa a hőt és megvédje az ionizáló sugárzástól, mivel az üzemanyag-kazetta a reaktorból való eltávolítás után is veszélyes marad.
Az USA-ban, Kanadában vagy Svédországban a kiégett fűtőelemeket nem küldik újrafeldolgozásra. Más országok, köztük Oroszország, zárt üzemanyagcikluson dolgoznak. Lehetővé teszi a nukleáris üzemanyag előállítási költségeinek jelentős csökkentését, mivel a kiégett fűtőelemek egy részét újra felhasználják.
Az üzemanyagrudakat savban oldják, majd a kutatók a plutóniumot és a fel nem használt uránt elkülönítik a hulladéktól. A nyersanyagok körülbelül 3%-a nem használható fel újra;
1% plutónium nyerhető vissza a kiégett nukleáris üzemanyagból. Ezt a fémet nem kell dúsítani, Oroszország az innovatív MOX-üzemanyag gyártása során használja fel. A zárt üzemanyagciklus lehetővé teszi egy kazetta körülbelül 3%-kal olcsóbbá tételét, de ez a technológia nagy beruházásokat igényel az ipari blokkok építésében, így még nem terjedt el a világon. A Rosatom üzemanyaggyártó cég azonban nem hagyja abba az ilyen irányú kutatásokat. Pronedra nemrég ezt írta Orosz Föderáció olyan üzemanyagon dolgoznak, amely képes újrahasznosítani az americium, a kúrium és a neptunium izotópjait a reaktormagban, amelyek az erősen radioaktív hulladék ugyanazon 3%-ában találhatók.
Nukleáris üzemanyag-gyártók: minősítés
- A francia Areva a közelmúltig az üzemanyag-kazetták globális piacának 31%-át biztosította. A cég nukleáris fűtőanyagot gyárt és atomerőművek alkatrészeket szerel össze. 2017-ben az Areva minőségi felújításon esett át, új befektetők érkeztek a céghez, és a 2015-ös kolosszális veszteség háromszorosára csökkent.
- A Westinghouse a japán Toshiba cég amerikai részlege. A piac aktív fejlesztése Kelet-Európa, üzemanyag-kazettákat szállít ukrán atomerőműveknek. A Toshibával együtt a globális nukleáris üzemanyag-termelési piac 26%-át biztosítja.
- A harmadik helyen a Rosatom állami vállalat (Oroszország) üzemanyag-vállalata, a TVEL áll. A TVEL a világpiac 17%-át adja, tíz évre szóló szerződésportfólióval rendelkezik 30 milliárd dollár értékben, és több mint 70 reaktort lát el üzemanyaggal. A TVEL VVER reaktorokhoz fejleszt fűtőelem-kazettákat, és belép a nyugati tervezésű atomerőművek piacára is.
- A Japan Nuclear Fuel Limited a legfrissebb adatok szerint a világpiac 16%-át adja, és magában Japánban szállít fűtőanyag-kazettákat a legtöbb atomreaktorhoz.
- A Mitsubishi Heavy Industries egy japán óriás, amely turbinákat, tankereket, klímaberendezéseket és újabban nukleáris üzemanyagot gyárt nyugati típusú reaktorokhoz. A Mitsubishi Heavy Industries (az anyavállalat részlege) APWR atomreaktorok építésével foglalkozik, kutatási tevékenységek Arevával együtt. Ezt a céget választotta a japán kormány új reaktorok fejlesztésére.
Energia mag nukleáris reaktor(a.z.EYAR)- térfogatának ez az a része, amelyben szerkezetileg meg vannak szervezve a feltételek a nukleáris üzemanyag hasadásának folyamatos önfenntartó láncreakciójának és a benne keletkező hő kiegyensúlyozott eltávolításának a későbbi felhasználása érdekében.
Átgondolva ennek a definíciónak a jelentését a termikus atomreaktor zónájával kapcsolatban, megérthetjük, hogy az ilyen zóna alapvető összetevői a nukleáris üzemanyag, a moderátor, a hűtőközeg és más szerkezeti anyagok. Ez utóbbiak objektíven szükségesek, mivel a nukleáris a zónában lévő tüzelőanyagot és moderátort, valamint magát a zónát a reaktorban fixen rögzíteni kell, lehetőség szerint szétszerelhető technológiai egységet képviselve.
A nukleáris üzemanyag alatt általában a magban található hasadó nuklidok összességét értjük. Az atomerőművekben a működés kezdeti szakaszában használt termikus atomreaktorok többsége tiszta urántüzelőanyaggal működik, de a kampány során jelentős mennyiségű másodlagos nukleáris üzemanyagot - plutónium-239-et - reprodukálnak, amely közvetlenül kialakulása után bekerül a a neutronszaporodás folyamata a reaktorban . Ezért az ilyen atomreaktorokban a fűtőanyagot a kampány tetszőleges pillanatában három hasadó komponens kombinációjának kell tekinteni: 235 U, 238 U és 239 Pu. Az urán-235-öt és a plutónium-239-et a reaktor spektrumában lévő tetszőleges energiájú neutronok hasítják, és a 238 U-t, amint már említettük, csak gyorsan küszöbérték feletti (E > 1,1 MeV) neutronok hasítják.
Az urán nukleáris üzemanyag fő jellemzője a kezdeti dúsítás (x), ami az urán-235 atommagok arányát (vagy százalékát) jelenti az összes uránmag között. És mivel az urán több mint 99,99%-a két izotópból áll - 235 U és 238 U, a dúsítási érték:
x = N 5 /N U = N 5 / (N 5 + N 8) (4.1.1.)
A természetes urán fém körülbelül 0,71% 235 U atommagot tartalmaz, és több mint 99,28% 238 U. Az urán egyéb izotópjai (233 U, 234 U, 236 U és 237 U) olyan kis mennyiségben vannak jelen a természetes uránban, hogy nem feltétlenül figyelembe kell venni.
Atomerőművi reaktorokban 1,8 ÷ 5,2%-ra dúsított uránt használnak a tengeri szállító atomerőművek reaktoraiban, a nukleáris üzemanyag kezdeti dúsítása 20 ÷ 45%. Az alacsony dúsítású fűtőanyag atomerőművekben történő felhasználását gazdasági megfontolások magyarázzák: a dúsított fűtőelemek előállításának technológiája összetett, energiaigényes, összetett és terjedelmes berendezéseket igényel, ezért költséges technológia.
Az urán fém termikusan instabil, viszonylag alacsony hőmérsékleten allotróp átalakulásnak van kitéve, kémiailag instabil, ezért elfogadhatatlan az erőművi reaktorok üzemanyagaként. Ezért az uránt a reaktorokban nem kizárólagosan használják fel fém forma, hanem kémiai (vagy kohászati) vegyületek formájában más kémiai elemekkel. Ezeket a kapcsolatokat ún üzemanyag kompozíciók.
A reaktortechnológiában a leggyakoribb üzemanyag-összetételek a következők:
UO 2, U 3 O 8, UC, UC 2, UN, U 3 Si, (UAl 3) Si, UBe 13.
Az üzemanyag-összetétel másik kémiai eleme(i) ún üzemanyag hígító.
A felsorolt tüzelőanyag-összetételek közül az első kettőben a hígítóanyag oxigén, a második kettőben - szén, a továbbiakban nitrogén, szilícium, alumínium szilíciummal és berillium.
A hígítószerrel szemben támasztott alapkövetelmények megegyeznek a reaktorban lévő moderátorral: nagy mikrometszettel kell rendelkeznie a rugalmas szórás érdekében, és lehetőleg alacsonyabb mikrometszettel kell rendelkeznie a termikus és rezonáns neutronok abszorpciójához.
Az atomerőművi reaktorokban a leggyakoribb üzemanyag-összetétel az urán-dioxid(UO 2), és hígítója - oxigén - minden említett követelménynek teljes mértékben megfelel .
A dioxid olvadáspontja (2800 o C) és nagy termikus stabilitása lehetővé teszi magas hőmérsékletű 2200 o C-ig megengedett üzemi hőmérsékletű üzemanyag.
A nukleáris üzemanyag olyan anyag, amelyet az atomreaktorokban használnak szabályozott láncreakció végrehajtására. Rendkívül energiaigényes és nem biztonságos az emberek számára, ami számos korlátozást támaszt a használatára vonatkozóan. Ma megtudjuk, mi az atomreaktorok fűtőanyaga, hogyan osztályozzák és állítják elő, és hol használják.
A láncreakció előrehaladása
A nukleáris láncreakció során az atommag két részre szakad, ezeket hasadási fragmentumoknak nevezzük. Ugyanakkor több (2-3) neutron szabadul fel, amelyek ezt követően a következő atommagok hasadását okozzák. A folyamat akkor következik be, amikor egy neutron az eredeti anyag magjába ütközik. A hasadási töredékek nagy kinetikus energiával rendelkeznek. Anyagban való gátlásuk hatalmas mennyiségű hő felszabadulásával jár.
A hasadási töredékeket bomlástermékeikkel együtt hasadási termékeknek nevezzük. Azokat az atommagokat, amelyek bármilyen energiájú neutronon osztoznak, nukleáris üzemanyagnak nevezik. Általában páratlan számú atommal rendelkező anyagok. Egyes atommagokat tisztán neutronok hasadják, amelyek energiája egy bizonyos küszöbérték felett van. Ezek túlnyomórészt páros számú atommal rendelkező elemek. Az ilyen atommagokat nyersanyagoknak nevezik, mivel a neutron küszöbmag általi befogásának pillanatában üzemanyag-magok képződnek. Az éghető anyag és a nyersanyag kombinációját nukleáris üzemanyagnak nevezik.
Osztályozás
A nukleáris üzemanyagot két osztályra osztják:
- Természetes urán. Hasadó urán-235 atommagokat és urán-238 alapanyagot tartalmaz, amely neutronbefogáskor plutónium-239 képzésére képes.
- A természetben nem található másodlagos tüzelőanyag. Ide tartozik többek között a plutónium-239, amelyet az első típusú üzemanyagból nyernek, valamint az urán-233, amely akkor képződik, amikor a tórium-232 atommagok befogják a neutronokat.
A kémiai összetétel szempontjából a következő típusú nukleáris üzemanyagok különböztethetők meg:
- Fém (beleértve az ötvözeteket);
- Oxid (például UO 2);
- Keményfém (például PuC 1-x);
- Vegyes;
- Nitrid.
TVEL és TVS
Az atomreaktorok üzemanyagát kis méretű pellet formájában használják fel. Ezeket hermetikusan lezárt fűtőelemekbe (fűtőelemekbe) helyezik, amelyek viszont több száz üzemanyag-kazettává (FA) egyesülnek. A nukleáris üzemanyagra magas követelmények vonatkoznak a tüzelőanyag-rudak burkolatával való kompatibilitásra vonatkozóan. Megfelelő olvadási és párolgási hőmérséklettel, jó hővezető képességgel kell rendelkeznie, és nem nőhet nagymértékben térfogata neutronsugárzás hatására. A termelés gyárthatóságát is figyelembe veszik.
Alkalmazás
Atomerőműveknek és másoknak nukleáris létesítmények az üzemanyag tüzelőanyag-kazetták formájában érkezik. A reaktorba mind annak működése során (kiégett fűtőelem-kazetták helyett), mind a javítási kampány során be lehet tölteni. Ez utóbbi esetben az üzemanyag-kazetták cseréje nagy csoportokban történik. Ebben az esetben az üzemanyagnak csak egyharmada cserélődik ki teljesen. A leginkább kiégett szerelvényeket a reaktor középső részéből rakják ki, és helyükre olyan részlegesen kiégett szerelvényeket helyeznek el, amelyek korábban kevésbé aktív területeken helyezkedtek el. Következésképpen az utóbbiak helyére új tüzelőanyag-kazettákat szerelnek be. Ezt az egyszerű átrendezési sémát hagyományosnak tekintik, és számos előnnyel rendelkezik, amelyek közül a fő az egyenletes energialeadás biztosítása. Természetesen ez egy sematikus diagram, amely csak általános képet ad a folyamatról.
Kivonat
Miután a kiégett nukleáris üzemanyagot eltávolították a reaktor zónájából, egy hűtőmedencébe küldik, amely általában a közelben található. A tény az, hogy a kiégett fűtőelem-kazetták hatalmas mennyiségű uránhasadási töredéket tartalmaznak. A reaktorból való kirakodás után minden fűtőanyag rúd körülbelül 300 ezer Curie radioaktív anyagot tartalmaz, ami 100 kW/óra energiát szabadít fel. Emiatt az üzemanyag magától felmelegszik és erősen radioaktívvá válik.
Az újonnan kirakott üzemanyag hőmérséklete elérheti a 300°C-ot. Ezért 3-4 évig vízréteg alatt tartják, amelynek hőmérsékletét a megállapított tartományban tartják. A víz alatti tárolás során az üzemanyag radioaktivitása és maradék kibocsátásának ereje csökken. Körülbelül három év elteltével az üzemanyag-kazetta önmelegedése eléri az 50-60 °C-ot. Ezután az üzemanyagot eltávolítják a medencékből, és feldolgozásra vagy ártalmatlanításra küldik.
Urán fém
Az urán fémet viszonylag ritkán használják atomreaktorok üzemanyagaként. Amikor egy anyag eléri a 660°C hőmérsékletet, fázisátalakulás következik be, amihez szerkezete megváltozik. Egyszerűen fogalmazva, az urán térfogata megnövekszik, ami az üzemanyagrudak tönkremeneteléhez vezethet. Hosszan tartó, 200-500°C-os besugárzás esetén az anyag sugárzásnövekedésen megy keresztül. Ennek a jelenségnek a lényege a besugárzott uránrúd 2-3-szoros megnyúlása.
Az uránfém alkalmazása 500°C feletti hőmérsékleten duzzadása miatt nehézkes. A maghasadás után két töredék keletkezik, amelyek össztérfogata meghaladja az adott mag térfogatát. Egyes hasadási töredékeket gázatomok (xenon, kripton stb.) képviselnek. A gáz felhalmozódik az urán pórusaiban, és belső nyomást képez, amely a hőmérséklet emelkedésével nő. Az atomok térfogatának növekedése és a gáznyomás növekedése miatt a nukleáris üzemanyag duzzadni kezd. Ez tehát a maghasadáshoz kapcsolódó relatív térfogatváltozásra utal.
A duzzadás erőssége a tüzelőanyag-rudak hőmérsékletétől és a kiégéstől függ. Az égés növekedésével a hasadási töredékek száma nő, a hőmérséklet és az égés növekedésével pedig a belső gáznyomás nő. Ha az üzemanyag magasabb mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, akkor kevésbé érzékeny a duzzadásra. Az urán fém nem tartozik ezek közé az anyagok közé. Ezért az atomreaktorok fűtőanyagaként való felhasználása korlátozza az égést, ami az ilyen fűtőelemek egyik fő jellemzője.
Az urán mechanikai tulajdonságai és sugárzásállósága javul az anyag ötvözésével. Ez az eljárás magában foglalja az alumínium, molibdén és más fémek hozzáadását. A dopping adalékoknak köszönhetően csökken az egy befogáshoz szükséges hasadási neutronok száma. Ezért a neutronokat gyengén elnyelő anyagokat használnak erre a célra.
Tűzálló vegyületek
Néhány tűzálló uránvegyületet jó nukleáris üzemanyagnak tekintenek: karbidokat, oxidokat és intermetallikus vegyületeket. Ezek közül a leggyakoribb az urán-dioxid (kerámia). Olvadáspontja 2800°C, sűrűsége 10,2 g/cm 3 .
Mivel ez az anyag nem megy át fázisátalakulásokon, kevésbé érzékeny a duzzadásra, mint az uránötvözetek. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően a kiégési hőmérséklet több százalékkal növelhető. Magas hőmérsékleten a kerámia nem lép kölcsönhatásba nióbiummal, cirkóniummal, rozsdamentes acéllal és más anyagokkal. Fő hátránya az alacsony hővezető képessége - 4,5 kJ (m*K), ami korlátozza a reaktor fajlagos teljesítményét. Ezenkívül a forró kerámiák hajlamosak a repedésre.
Plutónium
A plutónium alacsony olvadáspontú fémnek számít. 640°C hőmérsékleten olvad. A rossz miatt műanyag tulajdonságok gyakorlatilag nem alkalmas mechanikai feldolgozásra. Az anyag toxicitása megnehezíti az üzemanyag-rudak gyártási technológiáját. Az atomipar többször is megkísérelte a plutónium és vegyületeinek felhasználását, de nem jártak sikerrel. Plutóniumot tartalmazó atomerőművekben nem célszerű üzemanyagot használni a gyorsítási periódus körülbelül 2-szeres csökkenése miatt, amelyre a szabványos reaktorvezérlő rendszereket nem tervezték.
A nukleáris üzemanyag gyártásához általában plutónium-dioxidot, plutónium ötvözeteit ásványi anyagokkal, valamint plutónium-karbidok és uránkarbidok keverékét használják. Magas mechanikai tulajdonságokés hővezető képességgel rendelkeznek a diszperziós üzemanyagok, amelyekben az urán- és plutóniumvegyület részecskéket molibdénből, alumíniumból, rozsdamentes acélból és más fémekből álló fémmátrixba helyezik. A diszperziós tüzelőanyag sugárzásállósága és hővezető képessége a mátrix anyagától függ. Például az első atomerőműben a diszpergált üzemanyag egy 9% molibdéntartalmú uránötvözet részecskéiből állt, amelyeket molibdénnel töltöttek meg.
Ami a tóriumos tüzelőanyagot illeti, ma nem használják az üzemanyagrudak gyártása és feldolgozása során felmerülő nehézségek miatt.
Kitermelés
A nukleáris üzemanyag fő nyersanyaga - az urán - jelentős mennyiségben koncentrálódik több országban: Oroszországban, az USA-ban, Franciaországban, Kanadában és Dél-Afrikában. Lelőhelyei általában az arany és a réz közelében találhatók, így mindezeket az anyagokat egyszerre bányászják.
A bányászatban dolgozók egészsége nagy veszélyben van. Az a tény, hogy az urán mérgező anyag, és a bányászata során felszabaduló gázok rákot okozhatnak. És ez annak ellenére, hogy az érc legfeljebb 1% -ot tartalmaz ebből az anyagból.
Nyugta
A nukleáris üzemanyag uránércből történő előállítása a következő szakaszokból áll:
- Hidrometallurgiai feldolgozás. Tartalmazza a kilúgozást, aprítást és az extrakciót vagy a szorpciós visszanyerést. A hidrometallurgiai feldolgozás eredménye oxiurán-oxid, nátrium-diuranát vagy ammónium-diuranát tisztított szuszpenziója.
- Anyag átalakítása oxidból tetrafluoriddá vagy hexafluoriddá, urán-235 dúsítására.
- Anyag dúsítása centrifugálással vagy gáztermikus diffúzióval.
- A dúsított anyag dioxiddá történő átalakítása, amelyből üzemanyagrúd „pellet” készül.
Regeneráció
Az atomreaktor működése során az üzemanyagot nem lehet teljesen kiégetni, így a szabad izotópok reprodukálódnak. E tekintetben a kiégett fűtőelem-rudakat újrafelhasználás céljából regenerálni kell.
Ma ezt a problémát a Purex eljárással oldják meg, amely a következő szakaszokból áll:
- Az üzemanyagrudak két részre vágása és salétromsavban való feloldása;
- Az oldat megtisztítása a hasadási termékektől és a héjrészektől;
- Az urán és a plutónium tiszta vegyületeinek izolálása.
Ezt követően a keletkező plutónium-dioxidot új magok előállítására, az uránt pedig dúsításra vagy magok előállítására használják fel. A nukleáris üzemanyag újrafeldolgozása összetett és költséges folyamat. Költsége jelentősen befolyásolja gazdasági megvalósíthatóság atomerőművek használata. Ugyanez mondható el a regenerálásra alkalmatlan nukleáris üzemanyag-hulladék elhelyezéséről is.