ядерное топливо

Постов: 2 Рейтинг: 2822
899

Ядерное топливо. Что же происходит с ним внутри реактора?

Развернуть
Ядерное топливо. Что же происходит с ним внутри реактора?
Всё-таки, когда ядерное топливо становится радиоактивным? И почему свежее топливо вполне себе можно трогать, обнимать, холить и лелеять?
Всё дело в том, что само ядерное топливо, до тех пор пока не побывает в реакторе, не очень-то и радиоактивно. Да, уран-235 и 238, конечно, распадаются, но период полураспада у них огромен, а значит количество распадов в секунду будет минимальным. Прочие реакции, самопроизвольно происходящие в ядерном топливе (спонтанное деление, распад продуктов деления и т.д.) в расчёт брать не будем. Их происходит очень мало.
Соответственно, вполне можно держать в руках и сам свежий уран (но лучше в перчатках, уран токсичен), так и тепловыделяющие элементы и сборки. И да, я сам лично видел и трогал свежие ТВС для РБМК, ничего, руки пока на месте (и количество их пока не превышает среднее для человека).
Но вот наступает момент, когда нашу свежую, чистенькую и слаборадиоактивную ТВС загружают в реактор. Причем для нагнетания атмосферы, пусть это будет реактор РБМК, работающий на 100% мощности. Загружать, кстати, будет вот эта прелестная машина, называемая РЗМ. Именно она позволяет проводить подобные операции, не останавливая и даже не разгружая реактор.
Ядерное топливо. Что же происходит с ним внутри реактора?
Наша ТВС постепенно погружается внутрь реактора, внутри которого очень, очень большая плотность потока нейтронов. Нейтроны сразу начнут взаимодействовать с топливом, содержащимся в ТВС. 
Нейтронных реакций, кстати, в мире существует огромное количество. При поглощении нейтрона ядро может:
г) поглотить и поделиться (при этом получается 2 ядра - осколка деления, перегруженных нейтронами и плюс к этому целая масса различных частиц;
д) и так далее, возможных исходов десятки и даже сотни.

Основная реакция, делающая топливо радиоактивным, одна - это деление. В работающем реакторе происходит огромное количество делений в секунду, при этом появляется два новых ядра с различной массой и свойствами. Причем заранее определить, что именно получится - невозможно. Единственное что мы знаем - это вероятность появления осколка с той или иной массой. Есть даже красивый график, показывающий эту вероятность. Называется он "двугорбая кривая зависимости выхода продуктов деления от массового числа". Приведу его тут:
Ядерное топливо. Что же происходит с ним внутри реактора?
По оси Х у нас возможная масса получившегося осколка, по оси Y - вероятность его появления, в процентах.
Кроме реакции деления есть еще много других реакций, которые в меньшей мере, но тоже способствуют образованию новых ядер в топливе. Как пример одной из них - реакция образования плутония-239 из урана-238. Ядро урана-238 захватывает нейтрон, превращается в нептуний-239, а затем, путём испускания электрона, превращается в плутоний-239. А последний, кстати, тоже делится нейтронами.

За все годы работы топлива в реакторе, в нём образуется чуть ли не вся таблица Менделеева. Этот ядерный зоопарк дико фонит, причем испускает практически все виды излучения - альфа, бета, гамма, нейтронное, нейтринное и т.д.
Такое топливо не то чтобы трогать нельзя, на него даже смотреть опасно. Ну, если только оно находится не под слоем воды, или не за специальным просвинцованным стеклом.
После извлечения из реактора, топливо выдерживается в специальном приреакторном хранилище. Дело в том, что радиоактивный распад, ко всем проблемам, еще и сильно греет топливо - это называется "остаточное тепловыделение". А выдержка топлива позволяет довольно сильно уменьшить его радиоактивность за счет распада короткоживущих нуклидов.
Было, кстати, видео, о том как люди ходят по развалинам РБМК ЧАЭС-4, снимая и покореженное топливо, и реакторный графит. Да, спустя почти 30 лет после катастрофы, фон снизился настолько, что ходить там стало возможно. Пользы для здоровья, конечно, никакой, но по крайней мере это теперь это не настолько смертельно, как было.
Оп, а вот и видео, кстати:
Что же, теперь вы чуть больше знаете о том, когда ядерного топлива бояться стоит, а когда с ним можно дружить.
1923

Ядерное топливо. Что это, как это, куда это и почему.

Развернуть
Ядерное топливо. Что это, как это, куда это и почему.
В наше время электроэнергию умеют добывать множеством разных способов. Из воды (гидро, приливные электростанции), из воздуха, из солнечного света, из природных ископаемых (газ, уголь) и даже из ядер делящегося вещества.
ТЭС, работающие на угле, потребляют невероятное количество топлива в сутки - это десятки тысяч тонн угля в сутки для мощных станций. Этот уголь надо ежедневно добыть, погрузить в вагоны, перевезти к станции и выгрузить там. С газом попроще - его добыча и транспортировка к электростанции выглядит проще, да и современные парогазовые турбоустановки работают очень эффективно.
Если же говорить про атомные электростанции, то их серьезное отличие в том, что единица ядерного топлива (твэл) способна выделять огромное количество энергии (тепла) долгое время. Про ядерное топливо мы сегодня и поговорим.

Добывают уран двумя основными способами:
1) Прямая добыча в карьерах или шахтах, если позволяет глубина залегания урана. С этим методом, надеюсь, всё понятно.
2) Подземное выщелачивание. Это когда на том месте, где найден уран, бурятся скважины, в них закачивается слабый раствор серной кислоты, а уже раствор взаимодействует с ураном, соединяясь с ним. Затем получившаяся смесь откачивается наверх, на поверхность, и из неё химическими методами выделяется уран.
Ядерное топливо. Что это, как это, куда это и почему.
Представим, будто мы уже добыли на руднике уран и подготовили его для дальнейших преобразований. На фото ниже - так называемый "желтый кек", U3O8. В бочке для дальнейшей перевозки.
Ядерное топливо. Что это, как это, куда это и почему.
Всё бы хорошо, и этот уран в теории можно было бы сразу использовать для производства топлива для АЭС, но увы нам. Природа, как всегда, подкинула нам работы. Дело в том что природный уран состоит из смеси трех изотопов. Это U238 (99.2745%), U235 (0.72%) и U234(0.0055%). Нас интересует здесь лишь U235 - так как он отлично делится тепловыми нейтронами в реакторе, именно он позволяет нам пользоваться всеми благами цепной реакции деления. К сожалению, его природной концентрации не хватит для стабильной и долгой работы современного реактора АЭС. Хотя, насколько я знаю, аппарат РБМК спроектирован так, что запуститься на топливе из природного урана сможет, но вот стабильность, долговременность и безопасность работы на таком топливе совершенно не гарантируется.

Уран нам надо обогатить. То есть повысить концентрацию U235 от природной до той, которая используется в реакторе.
Для примера, реактор РБМК работает на уране обогащения 2.8%, ВВЭР-1000 - обогащение от 1.6 до 5.0%. Судовые и корабельные ядерные энергетические установки кушают топливо с обогащением до 20%. А некоторые исследовательские реакторы работают на топливе аж с 90% обогащением (пример - ИРТ-Т в Томске).

В России обогащение урана проводится на газовых центрифугах. Т.е. тот желтый порошок, что был на фото ранее, превращают в газ, гексафторид урана UF6. Затем этот газ поступает на целый каскад центрифуг. На выходе из каждой центрифуги, из-за разности веса ядер U235 и U238, мы получаем гексафторид урана с чуть повышенным содержанием U235. Процесс повторяется многократно и в итоге мы получаем гексафторид урана с нужным нам обогащением. На фото ниже как раз можно увидеть масштаб каскада центрифуг - их очень много и простираются они в далекие дали.
Ядерное топливо. Что это, как это, куда это и почему.
Затем газ UF6 превращают обратно в UO2, в виде порошка. Химия, всё-таки, очень полезная наука и позволяет нам творить такие чудеса.
Однако этот порошок в реактор так просто не засыпать. Вернее, засыпать-то можно, но ничего хорошего из этого не выйдет. Его (порошок) надо привести к такому виду, чтобы мы могли надолго, на годы, опустить его в реактор. При этом само горючее не должно контактировать с теплоносителем и выходить за пределы активной зоны. И еще ко всему этому топливо должно выдерживать очень и очень суровые давления и температуры, которые возникнут в нём при работе внутри реактора.

Забыл, кстати, сказать что порошок тоже не абы какой - он должен быть определенных размеров, чтобы при спрессовывании и спекании не образовывалось ненужных пустот и трещин. Сначала из порошка делают таблетки, путем спрессовывания и долгого выпекания (технология действительно непростая, если её нарушить - топливные таблетки не будут годны к использованию). Вариации таблеток покажу на фото ниже.
Ядерное топливо. Что это, как это, куда это и почему.
Ядерное топливо. Что это, как это, куда это и почему.
Отверстия и выемки на таблетках нужны для компенсации теплового расширения и радиационных формоизменений. В реакторе со временем таблетки пухнут, выгибаются, изменяют размеры, и если ничего не предусмотреть - могут разрушиться, а это плохо.

Готовые таблетки затем упаковывают в металлические трубки (из стали, циркония и его сплавов и других металлов). Трубки закрывают с обоих концов и герметизируют. Готовая трубка с топливом называется твэл - тепловыделяющий элемент.
Ядерное топливо. Что это, как это, куда это и почему.
Для разных реакторов требуются твэлы разной конструкции и обогащения. Твэл РБМК, например, длиной 3.5 метра. Твэлы, кстати, бывают не только стержневые. как на фото. Они бывают пластинчатые, кольцевые, море различных видов и модификаций.

Твэлы затем объединяют в тепловыделяющие сборки - ТВС. ТВС реактора РБМК состоит из 18 твэлов и выглядит примерно вот так:
Ядерное топливо. Что это, как это, куда это и почему.
ТВС реактора ВВЭР выглядит вот так:
Ядерное топливо. Что это, как это, куда это и почему.
Как видно, ТВС реактора ВВЭР состоит из гораздо большего количества твэлов, чем у РБМК.

Готовое специзделие (ТВС) затем с соблюдением мер предосторожности доставляется на АЭС. Зачем предосторожности? Ядерное горючее, хоть пока и нерадиоактивно, очень ценное, дорогое, и при очень неаккуратном обращении способно вызвать много проблем. Затем проводится финальный контроль состояния ТВС и - загрузка в реактор. Всё, уран прошел долгий путь от руды под землей к высокотехнологичному устройству внутри ядерного реактора. Теперь у него другая судьба - несколько лет тужиться внутри реактора и выделять драгоценное тепло, которое у него будет забирать вода (или любой другой теплоноситель).

Когда пишу, каждый раз понимаю что нюансов и просто информации - очень много. Но самые основы описал и даже, надеюсь, правильно. Ваши вопросы и замечания всегда приветствуются.
Все фотографии взяты из интернета, авторам, если узнают своё творение, огромное спасибо.