Vrste gorivih elemenata. Pogledajte što je gorivna šipka u drugim rječnicima. Kako se proizvodi električna energija?
Ne tako davno, na svom blogu već sam govorio o tome kako i gdje se proizvodi najskuplji metal na svijetu - California-252. No proizvodnja ove superskupe tvari nije jedina djelatnost Znanstveno-istraživačkog instituta za atomske reaktore (NIIAR) u Dimitrovgradu. Od 70-ih, istraživački centar ima Odjel za tehnologiju goriva, gdje razvijaju ekološki prihvatljive metode za proizvodnju granuliranog uranovog oksida i obradu već ozračenog nuklearnog goriva (uključujući plutonij za oružje).
Osim toga, ondje se proizvode i gorivni sklopovi (FA) - uređaji dizajnirani za stvaranje toplinske energije u reaktoru putem kontrolirane nuklearne reakcije. U biti, to su baterije za reaktor. Želim razgovarati o tome kako i od čega su napravljeni u ovom članku. Zavirit ćemo u samu unutrašnjost “vruće” komore s visokom razinom zračenja, vidjeti kako izgleda nuklearno gorivo uranov oksid i saznati koliko može stajati dvostruka stakla na neobičnom prozoru.
Neću ulaziti u detalje strukture i principa rada nuklearnog reaktora, ali radi lakšeg razumijevanja zamislite bojler za kućanstvo u koji teče hladna voda, a izlazi topla voda, a zagrijava ga električna zavojnica ( DESET). U nuklearnom reaktoru nema električne spirale, ali postoje gorivi sklopovi - dugi šesterokuti, koji se sastoje od mnogo tankih metalnih cijevi - gorivih elemenata (gorivih elemenata), koji sadrže tablete komprimiranog uranovog oksida.
(izvor fotografije - sdelanounas.ru)
Zbog stalne fisije jezgri urana oslobađa se velika količina topline koja zagrijava vodu ili drugu rashladnu tekućinu na visoku temperaturu. I onda prema shemi:
(izvor - lab-37.com)
Tipično, gorivni sklop je šesterokutni snop gorivih elemenata duljine 2,5-3,5 m, što približno odgovara visini jezgre reaktora. FA su izrađeni od nehrđajućeg čelika ili legure cirkonija (kako bi se smanjila apsorpcija neutrona). Gorivi elementi (tanke cijevi) sastavljeni su u gorivne sklopove kako bi se pojednostavilo obračunavanje i kretanje nuklearnog goriva u reaktoru. Jedan gorivi sklop obično sadrži 18-350 gorivih elemenata. Jezgra reaktora obično sadrži 200–1600 gorivnih sklopova (ovisno o vrsti reaktora).
Ovako izgleda poklopac reaktora (kotla) ispod kojeg se u okomitom položaju nalaze gorivi elementi. Jedan kvadrat - jedan sklop. Jedan sklop ima otprilike 36 cijevi (za reaktor RBMK, koji je prikazan na slici ispod; za ostale reaktore ima više cijevi, ali manje sklopova).
(izvor fotografije - visualrian.ru)
I ovako je raspoređena cijev gorivne šipke koja čini sklopove goriva:
Dizajn gorivnog elementa reaktora RBMK: 1 - čep; 2 - tablete uranovog dioksida; 3 - cirkonijeva ljuska; 4 - opruga; 5 - čahura; 6 - vrh.
Gorivi elementi (cijevi) i tijelo gorivnog sklopa:
I sve bi bilo u redu da se čarobne tablete uranovog oksida ne raspadnu na druge elemente tijekom nuklearne reakcije. Kada se to dogodi, reaktivnost reaktora slabi i lančana reakcija spontano prestaje. Može se nastaviti tek nakon zamjene urana u jezgri (gorivi elementi). Sve što se nakupilo u cijevima mora se istovariti iz reaktora i zakopati. Ili reciklirati za ponovnu uporabu, što je privlačnije, jer u nuklearnoj industriji svi teže proizvodnji i regeneraciji bez otpada
voki-tokiji. Zašto trošiti novac na skladištenje nuklearnog otpada ako ih, naprotiv, možete natjerati da zarade taj novac?
Upravo u ovom odjelu RIAR-a rade na tehnologijama regeneracije istrošenog nuklearnog goriva, odvajanju radioaktivnog gnoja na korisne elemente i na ono što nikada i nigdje neće biti korisno.
U tu svrhu najčešće se koriste metode kemijske separacije. Najjednostavnija opcija je ponovna obrada otopine, ali ova metoda proizvodi najveću količinu tekućeg radioaktivnog otpada, pa je ova tehnologija bila popularna tek na samom početku nuklearne ere. Trenutno RIAR poboljšava takozvane "suhe" metode, koje proizvode mnogo manje krutog otpada, koji se puno lakše zbrinjava, pretvarajući ga u staklastu masu.
Sve suvremene tehnološke sheme za preradu istrošenog nuklearnog goriva temelje se na ekstrakcijskim procesima koji se nazivaju Purex proces (od engleskog Pu U Recovery EXtraction), koji se sastoji u reduktivnoj ponovnoj ekstrakciji plutonija iz smjese urana s njegovim fisijskim produktima. Plutonij izoliran tijekom ponovne obrade može se koristiti kao gorivo u smjesi s uranovim oksidom. Ovo gorivo se naziva MOX (Mixed-Oxide fuel, MOX). Također se dobiva u RIAR-u, u Odjelu za tehnologije goriva. Ovo je gorivo koje obećava.
Sve procese istraživanja i proizvodnje provode operateri na daljinu, u zatvorenim komorama i zaštitnim kutijama.
Izgleda otprilike ovako:
Uz pomoć takvih elektromehaničkih manipulatora, operateri upravljaju posebnom opremom u "vrućim" ćelijama. Operater je zaštićen od visoke radioaktivnosti samo olovnim staklom debljine jednog metra, koje se sastoji od 9-10 zasebnih ploča debljine 10 cm.
Cijena samo jedne čaše usporediva je s cijenom stana u Uljanovsku, a cijela se komora procjenjuje na gotovo 100 milijuna rubalja. Staklo pod utjecajem zračenja postupno gubi svoju prozirnost i potrebno ga je zamijeniti. Vidite li na fotografiji “ruku” manipulatora?
Da biste naučili kako majstorski kontrolirati manipulatora, potrebne su vam godine obuke i iskustva. Ali uz njihovu pomoć ponekad je potrebno izvršiti radnje poput odvrtanja i zatezanja malih matica unutar komore.
Na stolu u dvorani “vrućih” ćelija možete vidjeti uzorke nuklearnog goriva u staklenim kapsulama. Mnogi gosti laboratorija neprestano gledaju postrance na ovaj kovčeg i boje se prići bliže. Ali ovo je samo lutka, iako vrlo realna. Upravo tako izgleda uranov dioksid od kojeg se prave čarobne gorivne kuglice za gorive šipke – sjajni crni prah.
Uranov dioksid nema faznih prijelaza i manje je osjetljiv na nepoželjne fizičke procese koji se događaju s metalnim uranom pri visokim temperaturama jezgre. Uranov dioksid ne stupa u interakciju s cirkonijem, niobijem, nehrđajućim čelikom i drugim materijalima od kojih su izrađeni gorivi sklopovi i cijevi gorivih šipki. Ova svojstva omogućuju njegovu upotrebu u nuklearnim reaktorima, postizanje visokih temperatura i, prema tome, visoku učinkovitost reaktora.
Upravljačka ploča manipulatora malo je drugačija modifikacija. U ovoj ćeliji nema stakla, pa se nadzor vrši pomoću kamera postavljenih unutra.
Što je to?! Čovjek u vrućoj ćeliji?! Ali…
U redu je, "čista" je kamera. Tijekom održavanja, razina zračenja u njemu ne prelazi dopuštene vrijednosti, tako da se u njemu može raditi i bez posebne radio-zaštitne opreme. Očigledno se u ovoj komori vrši završna montaža gorivnih sklopova od gorivih šipki već napunjenih uranovim kuglicama.
S obzirom na ovu ne baš ugodnu blizinu otvorenog nuklearnog goriva, razina zračenja u laboratoriju ne prelazi prirodne vrijednosti. Sve se to postiže strogim tehnikama zaštite od zračenja. Ljudi već desetljećima rade kao operateri bez štete po svoje zdravlje.
Gorivi element (gorivi element) glavni je strukturni dio heterogenih jezgri, koji uvelike određuje njihovu pouzdanost, veličinu i cijenu.
Plašt gorive šipke dizajniran je tako da spriječi izravan kontakt rashladne tekućine i goriva kako bi se spriječilo otpuštanje produkata fisije radioaktivnog goriva u rashladnu tekućinu, kao i korozija i erozija jezgre goriva. Plašt je konstruktivni element koji gorivoj šipki daje potreban oblik i preuzima sva opterećenja koja teže uništenju gorivne šipke. Oklopi goriva najkritičniji su strukturni dijelovi aktivnih zona koji rade u najtežim uvjetima. Kako bi se smanjila apsorpcija neutrona u ljuskama, poželjno je da budu što tanje. Debljina metalnih ljuski, određena uvjetima čvrstoće i tehnologijom proizvodnje, obično je 0,3 - 0,8 mm.
Jedan od glavnih zahtjeva za materijal ljuske za reaktore s toplinskim neutronima je mali presjek apsorpcije toplinskih neutrona, koji je neophodan za smanjenje gubitaka neutrona.
Trenutno se ljuske izrađene od cirkonija i njegovih legura naširoko koriste u reaktorima toplinskih neutrona hlađenih vodom, što se objašnjava malim presjekom apsorpcije toplinskih neutrona cirkonija (0,18 barna). Međutim, cirkonij ima relativno niska svojstva čvrstoće na temperaturama od 360 – 400°C.
Zajedno s cirkonijevim legurama, energetski reaktori koriste ljuske izrađene od nehrđajućih krom-nikal austenitnih čelika, koji u usporedbi s cirkonijem imaju znatno veću toplinsku otpornost, otpornost na koroziju, dobru proizvodljivost i, osim toga, nižu cijenu. Međutim, glavni temeljni nedostatak čelika u usporedbi s cirkonijem je njihov veliki poprečni presjek apsorpcije toplinskih neutrona (2,7 - 2,9 barna), što zahtijeva više visoko obogaćenog goriva. Veliki nedostatak austenitnih nehrđajućih čelika također je njihova sklonost korozijskom pucanju, koje se događa kada postoje vlačna naprezanja u metalu te kloridi i kisik u vodi za hlađenje. S tim u vezi, pažljivo održavanje ekstremno niskih sadržaja klorida i kisika, kao i drugih nečistoća u vodi, postaje od velike važnosti tijekom rada reaktora.
Za visokotemperaturne reaktore koriste se vatrostalni metali niobij (talište 2415°C), molibden (2622°C), volfram (3395°C), tantal (2996°C), kao i njihove legure, koje se mogu koristiti za obloga gorivnog elementa na temperaturama do 800 – 1200°C u slučaju korištenja helija ili tekućih metala kao rashladnog sredstva. Treba napomenuti da je u plinovima koji sadržavaju kisik (zrak, ugljični dioksid i vodena para) otpor ovih metala vrlo nizak čak i pri temperaturama od 500 – 600°C.
Tijekom rada reaktora dolazi do dubokih promjena u materijalima gorivih elemenata pod utjecajem zračenja, cikličkih promjena temperature, izlaganja rashladnoj tekućini itd., što može uzrokovati njihovo uništenje. Potpuno uništenje gorivih šipki iznimno je velika i potpuno neprihvatljiva nesreća, jer dovodi do teške kontaminacije primarnog kruga radioaktivnim fisijskim fragmentima.
Najčešći gubitak brtvljenja gorivih elemenata je zbog pukotina u omotaču ili na mjestu zavarivanja brtvenih čepova. Gubitak nepropusnosti dovodi do ispuštanja plinovitih produkata fisije u rashladno sredstvo. Ulazak rashladne tekućine u ljusku, što rezultira korozijom i ispiranjem goriva, zauzvrat povećava oslobađanje fisijskih fragmenata, što rezultira još značajnijim povećanjem radioaktivnosti rashladne tekućine u krugu.
Pukotine u školjkama mogu nastati kao rezultat sljedećih razloga:
Pojava neprihvatljivih unutarnjih naprezanja povezanih s djelovanjem statičkih, dinamičkih i vibracijskih opterećenja, temperaturnih naprezanja uzrokovanih prisutnošću oštrih temperaturnih gradijenata duž radijusa i duž duljine gorivih elemenata;
Volumetrijske promjene u gorivu uzrokovane rastom zračenja, bubrenjem, faznim transformacijama goriva i dovode do pojave sila koje teže pucanju omotača; neprihvatljivo povećanje tlaka unutar gorivih šipki plinovitih fisijskih proizvoda;
Promjene u strukturi i fizičkim i mehaničkim svojstvima materijala ljuske pod utjecajem zračenja ili kao rezultat difuzijske interakcije materijala goriva i rashladnog sredstva s ljuskom, na primjer, zasićenje ljuski vodikom;
Dugotrajni korozivni i erozivni učinci rashladnog sredstva, kao i kao rezultat trans- i intergranularne korozije naprezanja u prisutnosti iona klora i slobodnog kisika (u reaktorima voda-voda kada se koriste ljuske od nehrđajućeg čelika);
Greške nastale tijekom proizvodnje gorivih šipki (nehomogenost materijala obloge, prisutnost ogrebotina na površini obloge, loša kvaliteta zavarivanja itd.).
U nekim slučajevima, pod utjecajem istih razloga, opaža se promjena oblika i veličine gorivih šipki, na primjer, zakrivljenost, što može dovesti do značajnih općih i lokalnih promjena u distribuciji goriva i rashladne tekućine duž procesnog kanala. te, kao posljedica, lokalno pregrijavanje i uništavanje gorivih šipki.
S obzirom na to da su gorivne šipke tijela s unutarnjim izvorima topline i rade na visokim temperaturama i visokim specifičnim oslobađanjima energije, najveća opasnost za njih nastaje kada naglo prestane hlađenje. Zaustavljanje dovoda rashladne tekućine u jezgru dovodi, u pravilu, do taljenja gorivih elemenata zbog oslobađanja zaostale energije (oslobađanje energije tijekom radioaktivnog raspada akumuliranih fisijskih fragmenata nuklearnog goriva). U zaustavljenom reaktoru, zbog oslobađanja energije iz radioaktivnog raspada fisijskih fragmenata nakupljenih u gorivim elementima, potrebno je potonje hladiti dugo vremena nakon gašenja. Inače bi se jezgra mogla otopiti u reaktoru koji se gasi.
Prilikom rada PPU posebnu pozornost treba posvetiti organiziranju kontrole i održavanju potrebnog kemijskog režima vode.
Izum se odnosi na područje atomske energetike i može se koristiti za izradu gorivih šipki za energetske reaktore. Tehnički cilj ovog izuma je stvoriti konstrukciju gorivne šipke u kojoj se plutonij ili visoko obogaćeni uran u obliku legura ili dioksida mogu koristiti bez razrjeđivanja s osiromašenim ili prirodnim uranom ili torijem, uz osiguranje potrebnog opterećenja, omjera fisibilnih i oplodnih nuklida, povećavajući resurs i povećavajući pouzdanost rada, uključujući i u izvanrednim situacijama. Kod gorivnog elementa, dio jezgre s masenim udjelom fisijskih nuklida od 200 do 100% zatvoren je u jednoj ili više zatvorenih ampula različitih geometrijskih oblika, izrađenih od istog ili različitog strukturnog materijala od omotača gorivnog elementa. Ampule imaju slobodni volumen za kompenzaciju bubrenja nuklearnog goriva i prikupljanje fragmenata plinovite fisije. Ostatak jezgre gorivne šipke sadrži nuklearno gorivo s masenim udjelom fisijskih nuklida od 0,715% i fertilnih nuklida od 0,01 do 100%. 5 plaća, 4 bol.
Izum se odnosi na nuklearnu tehnologiju i može se koristiti u proizvodnji gorivih elemenata (gorivih elemenata) s nuklearnim gorivom od plutonija ili visoko obogaćenog urana za reaktore toplinskih neutrona. Svjetska nuklearna industrija koristi reaktore na toplinske i brze neutrone, ali 85% električne energije svih nuklearnih elektrana proizvodi se u reaktorima s toplinskim neutronima na laku vodu, od kojih većina koristi gorivne šipke tipa kontejnera. Takvi gorivi elementi su cilindrični metalni omotač promjera 7 - 15 mm s završnim poklopcima, unutar kojih je smještena jezgra u obliku tableta ili vibracijski zbijenih granula od uranovog dioksida ili mješavine uranovog i plutonijevog dioksida, s , u pravilu, maseni udio fisijskih nuklida urana-235, plutonija-239 i plutonija-241 čini manje od 6% ukupnog sadržaja urana i plutonija u nuklearnom gorivu. Gorive šipke imaju slobodni volumen za kompenzaciju volumetrijskih promjena u nuklearnom gorivu i prikupljanje fragmenata plinovite fisije. Kako bi se smanjila razina temperature jezgri gorivih šipki, ponekad se naprave rupe u kuglicama, a slobodni volumeni se napune helijem ili materijalima s niskim talištem, na primjer natrijem, legurom natrija i kalija, legurom olova i bizmuta itd. / 1/. Osim gorivih šipki kontejnerskog tipa, u nuklearnim reaktorima, a još više u istraživačkim reaktorima, koriste se gorive šipke disperzijskog tipa, naznačene time što se njihova jezgra sastoji od čestica nuklearnog goriva jednoliko raspoređenih u inertnoj matrici. . Ovakva struktura jezgre gorivne šipke lokalizira fisijske fragmente u česticama nuklearnog goriva i tankim slojevima matrice uz njih, stoga u gorivim šipkama nema slobodnog volumena za skupljanje plinovitih fisijskih fragmenata /2/. Gorivne šipke kontejnerskog tipa je lako proizvesti i pouzdano rade na stacionarnim razinama snage reaktora tijekom 2-, 3-, a rjeđe 4-godišnje kampanje s visokom stopom konverzije novog nuklearnog goriva (do 0,5). Proizvodnja energije takvim gorivim šipkama ograničena je volumetrijskim promjenama nuklearnog goriva od akumuliranih fisijskih fragmenata, prijenosom mase nuklearnog goriva iz vruće (do 2000 o C) u hladnu zonu (oko 300 o C), korozivnim učinkom agresivni fisijski fragmenti na ovojnici i manevriranje snagom reaktora termomehaničkim naprezanjima u omotaču i jezgri, povezanim s razlikom u njihovim temperaturnim razinama i koeficijentima toplinskog širenja materijala. Osim toga, visoka temperatura jezgre gorivne šipke, toplinska energija akumulirana u njoj i oslobađanje zaostale topline u hitnim situacijama mogu dovesti do progaranja obloge. Bez obzira na razlog pada tlaka gorivnog elementa, bilo da se radi o nesreći, iscrpljenosti životnog vijeka gorivnog elementa ili hitnoj situaciji, fisijski fragmenti oslobođeni iz nuklearnog goriva ulaze u rashladno sredstvo, a njegova radioaktivnost može premašiti najveće dopuštene vrijednosti. Za disperzivne gorive elemente, s dobrom toplinskom vodljivošću matrice, koja osigurava pouzdan toplinski kontakt između nuklearnog goriva i omotača, razina temperature jezgre gorivnog elementa značajno je smanjena, na primjer, temperaturna razlika u jezgri s aluminijskom legurom matrice u gorivom elementu reaktora VVER-1000 može se smanjiti za otprilike jedan i pol red veličine (od 1500 o C do 100 o C). To vam omogućuje da uspješno upravljate gorivim šipkama u manevarskim načinima rada, učinite ih manje sigurnima u hitnim situacijama, au slučaju pada tlaka gorivne šipke, smanjite stupanj kontaminacije rashladne tekućine, jer će doći u dodir s nuklearnim gorivom samo na mjesto kvara. Osim toga, pri niskim temperaturama nuklearno gorivo je manje podložno volumetrijskim promjenama od akumuliranih fisijskih fragmenata i postaje moguće koristiti druge vrste nuklearnog goriva, na primjer, uran silicid, uran-molibden legura, itd. Međutim, niža koncentracija u jezgra disperzivnog gorivnog elementa nuklearnog goriva zahtijeva povećanje masenog udjela fisibilnog nuklida, što sukladno tome smanjuje stopu konverzije novog nuklearnog goriva. Proizvodnja energije disperzivnih gorivih šipki ograničena je dopuštenim povećanjem promjera gorivne šipke ili dopuštenom deformacijom materijala plašta. Uslijed usmjerenosti svjetske nuklearne energetike prema lakovodnim reaktorima s kontejnerskim gorivim šipkama i dioksidnim gorivom nakupilo se nekoliko stotina tona plutonija poliizotopnog sastava masenih brojeva 238, 239, 240, 241 i 242. Pojavio se problem skladištenja plutonija i njegove daljnje uporabe. Najučinkovitije korištenje plutonija kao nuklearnog goriva je u reaktorima na brze neutrone, ali njihov je broj u svijetu ograničen, a program izgradnje novih reaktora kasni već nekoliko desetljeća. Problemu korištenja poliizotopnog plutonija pridodaje se problem brzog uništavanja oslobođenog urana i plutonija kao rezultat razoružanja. Najčešće rješenje za korištenje plutonija u reaktorima s toplinskim neutronima je njegovo razrjeđivanje s osiromašenim ili prirodnim uranom, budući da bi za reaktore s toplinskim neutronima maseni udio plutonija trebao biti oko 5%. Ovo gorivo se naziva uran-plutonij ili miješano gorivo. Treba napomenuti da se samo neparni izotopi plutonija cijepaju u reaktorima s toplinskim neutronima. Izotop plutonija-241, čija koncentracija u poliizotopnom plutoniju doseže 14 tež.%, Ima poluživot od oko 14 godina, dok stvara americij 241 s jakim gama zračenjem, što komplicira rad s poliizotopnim plutonijem tijekom dugotrajnog rada. skladištenje. Osim toga, postoje gubici energetskog plutonija (oko 9% tijekom 10 godina). Za razliku od poliizotopnog plutonija, plutonij za oružje uglavnom sadrži izotop 239 i može se smatrati monoizotopnim. Glavna poteškoća u proizvodnji miješanog dioksidnog nuklearnog goriva je stvaranje homogene smjese plutonijevog i uranovog dioksida iz koje se prešaju kuglice. Također se razmatra mogućnost i izvedivost korištenja miješanog goriva mikrosferičnog dioksida bilo izravno za proizvodnju gorivih elemenata s vibracijom zbijenom jezgrom, bilo za proizvodnju peleta iz njih. Prednost korištenja mikrosfera u odnosu na prah je praktičniji oblik za rukovanje u svim fazama tehnološkog procesa i znatno manje stvaranje prašine, što osigurava sigurniji rad operatera. Tehnologija proizvodnje kuglica od praha koji sadrži oko 5% plutonijevog dioksida, opremanje gorivih šipki kuglicama ili mikrosferama miješanog dioksidnog goriva i dizajn gorivih šipki slični su onima koji se koriste za uranovo gorivo. Međutim, postoji temeljna razlika u organizaciji same proizvodnje za proizvodnju gorivih elemenata s miješanim dioksidnim nuklearnim gorivom, posebice pri uporabi poliizotopnog plutonija. Za stvaranje normalne radijacijske okoline u proizvodnim prostorijama sva oprema mora biti smještena u sigurno zatvorene komore, a cijeli tehnološki proces mora biti maksimalno automatiziran, uključujući i upravljačke operacije. Sve to dovodi do poskupljenja proizvodnje gorivnih šipki. Dizajn gorivne šipke tipa kontejnera koji je najbliži predloženom dizajnu gorivne šipke je. Gorivi element sastoji se od cilindričnog omotača i čepova izrađenih od legure na bazi cirkonija, unutar kojih se nalazi jezgra u obliku sinteriranih kuglica uranovog dioksida ili mješavine goriva s udjelom fisibilnih izotopa od oko 5% tež. i slobodni volumen za kompenzaciju njegovog bubrenja i skupljanja fragmenata plinovite fisije. Da bi se poboljšao prijenos topline s nuklearnog goriva na ljusku, unutarnji slobodni volumen ispunjen je helijem /1, str. 45/. Nedostatak takve gorivne šipke s miješanim gorivom je što je trošak proizvodnje gorivne šipke 4-5 puta veći u usporedbi s gorivom šipkom s uranovim gorivom, povezan s osiguranjem homogenosti smjese dioksida i prešanjem peleta uz pridržavanje sa zahtjevima radijacijske sigurnosti i sanitarnim pravilima. Također treba napomenuti da je za pripremu smjese s 5% plutonijevog dioksida potrebno obraditi 20 puta više materijala koji sadrže plutonij. Glavni tehnički cilj ovog izuma je stvoriti konstrukciju gorivne šipke za energetske reaktore s toplinskim neutronom, u kojima bi se poli- ili monoizotopni plutonij ili uran s masenim udjelom fisijskih nuklida do 100 % mogli koristiti kao nuklearno gorivo. Za razliku od poznate izvedbe kontejnerskog gorivnog elementa, čija se jezgra sastoji od homogene smjese uranovog i plutonijevog dioksida, rješenje tehničkog problema postiže se zatvaranjem dijela jezgre gorivnog elementa s masenim udjelom od fisijskih nuklida od 20 do 100% u jednoj ili više zatvorenih ampula različitih geometrijskih oblika, izrađenih od istog ili različitog strukturnog materijala od omotača gorivnog elementa. Ampule imaju slobodni volumen za kompenzaciju bubrenja nuklearnog goriva jezgre ampule i za prikupljanje fragmenata plinovite fisije. Ostatak jezgre gorivne šipke sadrži nuklearno gorivo s masenim udjelom fisijskih nuklida do 0,715% i fertilnih nuklida od 0,01 do 100%. Kako bi se osiguralo odvođenje topline iz ampula i nuklearnog goriva jezgre gorivne šipke, praznine formirane od ampula i nuklearnog goriva unutar omotača gorivne šipke ispunjene su kontaktnim materijalom. Tehnički rezultat koji se postiže predmetnim izumom je da, osim smanjenja radnog intenziteta i volumena obrađenih materijala koji sadrže plutonij, uvođenje ampula u jezgru gorivne šipke, unutar kojih je koncentrirano više od 70% fisijskih fragmenata, i kontaktni materijal, koji smanjuje razinu temperature jezgre gorivne šipke, osigurava pouzdan rad gorivne šipke u manevarskim režimima rada reaktora, stvara dodatna dva stupnja zaštite za glavni izvor radioaktivnosti u slučaju depresurizacije gorivne šipke, što čini gorivo štap manje opasan u hitnim situacijama. Predloženi dizajn gorivne šipke omogućuje povećanje njegove proizvodnje energije, budući da će brzina i veličina volumenskih promjena u dijelu jezgre gorivne šipke s oplodnim nuklidima biti značajno smanjena u usporedbi s jezgrom gorivne šipke starog dizajna izrađenom od miješanih goriva, budući da se volumetrijske promjene u jezgrama ampula u kojima se nakuplja većina fisijskih fragmenata kompenzira u ampulama; štoviše, jezgra gorivne šipke ima znatno nižu radnu temperaturu. Predloženo tehničko rješenje omogućuje variranje dizajna i materijala ampula, materijala i oblika nuklearnog goriva ampula i jezgri gorivnih šipki, omjera količina fisibilnih i fertilnih nuklida, korištenje istih odn. različiti kontaktni materijali u ampulama i jezgrama gorivih šipki, uporaba, ako je potrebno, u ampulama i jezgrama gorivih šipki iu konstrukcijskom materijalu ampula gorljivih apsorbera, uporaba getera u ampulama. U gorivim jezgrama ampula najpoželjnije je koristiti nuklearno gorivo u obliku čestica proizvoljnog (zrna) ili ponavljajućeg (granule) oblika od plutonijevog dioksida ili u obliku žice, trake ili granula od slitine plutonija s galijem. kada se koristi monoizotopni plutonij, au jezgri gorivne šipke - kemijski spojevi ili legure urana ili torija, na primjer, dioksidi, silicidi, nitridi, legura urana s 9% molibdena itd., dok su geometrijski oblik i dimenzije nuklearne gorivo u jezgri ampule i jezgri gorivne šipke može biti isto, na primjer, grit-grit, granule-granule ili različite, na primjer, granule, granule, blokovi itd. Strukturno, ampule mogu biti izrađene u obliku kuglica, diskova, prstenova, poliedarskih ili oblikovanih ploča, ravnih, uvijenih u odnosu na uzdužnu os, ili traka ili šipki namotanih u obliku različitih spirala s okruglim, ovalnim, trokutastim, kvadratnim, pravokutnog, poliedarskog, tro- ili višekrakog ili drugog poprečnog presjeka, uključujući rebra za samo-razmak u jezgri gorivne šipke. Duljina gorive jezgre ampula može odgovarati ili biti višekratnik duljine jezgre gorive šipke. Kompenzacijski volumen ampula može se u cijelosti nalaziti u jezgri gorivne šipke ili djelomično pomaknuti izvan nje s istom ili modificiranom geometrijom ampule. Osim toga, getter se može postaviti u kompenzacijski volumen. Ako je potrebno neravnomjerno punjenje fisijskih izotopa po duljini jezgre gorivne šipke, to se može osigurati brojem i razmakom ampula, punjenjem nuklearnog goriva u ampule čija je duljina jezgre višekratnik jezgre gorivne šipke. duljine i promjenjivog poprečnog presjeka, koraka uvijanja ili namotavanja s duljinom jezgre ampule koja odgovara duljini jezgre gorivne šipke. Kao kontaktni materijali u jezgri gorivne šipke i jezgri ampule mogu se koristiti materijali koji su u radnim uvjetima gorivne šipke u čvrstom stanju, npr. magnezij, aluminijske legure itd., ili u tekućem stanju (legura olova s bizmutom, natrijem , itd.), mogu se koristiti, i to u bilo kojoj kombinaciji stanja (tekuće-tekuće, kruto-tekuće, kruto-kruto, tekuće-kruto) i kemijskih sastava. Materijal obloge gorivnog elementa i ampule može biti isti, na primjer, legura cirkonija E-110 - legura cirkonija E-110, nehrđajući čelik EI-847 - nehrđajući čelik EI-847 ili različit, na primjer, cirkonij legura E-110 - nehrđajući čelik EI-847, legura cirkonija E-110 - legura cirkonija E-125, nehrđajući čelik EI-844BU-ID, nehrđajući čelik EI-852, itd. Ako je potrebno, gorljivi apsorberi mogu se uvesti u nuklearnu goriva gorivih šipki i ampula, i/ili u obliku smjese čestica gorljivog apsorbera s česticama nuklearnog goriva gorivih šipki i ampula, i/ili u konstrukcijski materijal ampula, a kemijski su isti ili različiti. sastav i/ili koncentracija apsorbirajućeg izotopa. Na primjer, u jezgri gorivne šipke nalazi se gadolinijev oksid u sastavu čestica nuklearnog goriva, u jezgri ampule - gadolinijev oksid u obliku čestica pomiješanih s česticama nuklearnog goriva, u materijalu ampule - bor u cirkonijevoj slitini. Usporedna analiza predloženog tehničkog rješenja s poznatim omogućuje nam da utvrdimo usklađenost predloženog tehničkog rješenja sa zahtjevima za izume. Izum je ilustriran crtežima. Slika 1 prikazuje gorivu šipku s tri cilindrične ampule s jezgrama duljine koja odgovara duljini jezgre gorivne šipke, kontaktni materijal u jezgri gorivne šipke, koji je u krutom stanju u uvjetima rada gorivne šipke. Na sl. Slika 2 prikazuje gorivi element s cilindričnim ampulama s jezgrama čija je duljina višekratnik duljine jezgre gorivnog elementa i kontaktne materijale ampula i jezgre gorivnog elementa, koji su u tekućem stanju u radnim uvjetima. Slika 3 prikazuje gorivi element s jednom ampulom u obliku upletene trake s duljinom jezgre koja odgovara duljini jezgre gorivog elementa, s kolektorom plina koji se nalazi izvan jezgre gorivog elementa. Na sl. Slika 4 prikazuje gorivi element s jednom ampulom u obliku profilne trake, uvijene u cilindričnu spiralu, s duljinom jezgre koja odgovara duljini jezgre gorivnog elementa, kolektor plina koji se nalazi izvan jezgre gorivnog elementa. Dizajn gorivnog elementa (vidi sliku 1) je ljuska (1), zapečaćena na krajevima čepovima (2), unutar koje se nalazi jezgra (3), koja se sastoji od vibracijski zbijene mješavine granula nuklearnog goriva koji sadrži fertilne nuklide (4) i apsorber sa spaljivim granulama (5), u međuprostore između kojih je postavljen kontaktni materijal (6) koji je u uvjetima rada gorivnog elementa u čvrstom stanju. Tri cilindrične ampule (7) smještene su u jezgri gorivne šipke u razmacima od 120o. Između ampula i ovojnice postoji razmak od najmanje 0,1 promjera ampule, a minimalni promjer granula je najmanje 1,2 promjera. Ampula je cilindrična cijev tankih stijenki (8), na krajevima zatvorena čepovima (9), unutar koje se nalazi jezgra (10), koja se sastoji od vibracijom zbijene mješavine poroznih granula nuklearnog goriva koje sadrže fisibilne nuklide (11). ), i geter (12). Maksimalna veličina granula nije veća od 0,3 unutarnjeg promjera ampule. Kompenzacijski volumen u ampuli (13) je intergranularna i intragranularna poroznost. Za poravnavanje početka jezgre gorivne šipke i ampula, donji čep ima podlošku (14) s utorima za ampule, čija je debljina jednaka udaljenosti od kraja ampule do početka jezgre ampule. Iznad sloja jezgre gorivne šipke nalazi se čep (15) od inertnog materijala, čija je visina veća od izbočenog dijela ampule iznad jezgre gorivne šipke. Materijal omotača i čepova gorivne šipke je legura cirkonija, na primjer E-110, a materijal ampule i čepova je nehrđajući čelik, na primjer čelik EI-844BU-ID. Kao nuklearno gorivo za jezgru gorivne šipke mogu se koristiti legure i spojevi osiromašenog ili prirodnog urana ili torija s molibdenom, cirkonijem, dušikom, silicijem, aluminijem itd., ovisno o potrebnom omjeru fisibilnih i fertilnih nuklida u gorivoj šipci. Jezgra ampula je plutonijev dioksid ili visoko obogaćeni uran. Gadolinijev oksid, bor karbid, gadolinijev titanat itd. mogu se koristiti kao zapaljivi apsorberi magnezija ili legure aluminija mogu se koristiti kao kontaktni materijal jezgre gorive šipke. Materijal koji se koristi su spojevi koji sadrže barij s cirkonijem, aluminijem i niklom. Materijal pluta su sinterirane čestice aluminijevog oksida (zrno za mljevenje). Dizajn gorivnog elementa (vidi sliku 2) je ljuska (1), zapečaćena na krajevima čepovima (2), unutar koje se nalazi jezgra (3), koja se sastoji od nuklearnog goriva koje sadrži plodne nuklide (4) i koji ima oblik cilindričnih blokova sa šest utora svakih 60° duž generatrisa cilindra, i kontaktni materijal (6), postavljen u raspore između blokova i ljuske gorivnog elementa i nalazi se u tekućem stanju u radnim uvjetima. Razina kontaktnog materijala je 3-5 mm viša od razine zadnjeg bloka. Cilindrične ampule (7) nalaze se u utorima blokova. Ampula je cilindrična cijev tankih stijenki (8), na krajevima zatvorena čepovima (9), unutar koje se nalazi jezgra (10) koja se sastoji od nuklearnog goriva koje sadrži fisibilne nuklide (11), u obliku granula s promjera ne većeg od 0,3 ili žice promjera ne većeg od 0,7 unutarnjeg promjera ampule, te kontaktni materijal (16) koji je u tekućim uvjetima u uvjetima rada gorivnog elementa. Razina kontaktnog materijala je 2 - 3 mm viša od razine nuklearnog goriva u ampuli. Kompenzacijski volumen u ampuli (13) je slobodni volumen koji se nalazi iznad razine kontaktnog materijala. Za poravnavanje početka jezgre gorivne šipke i ampula, na donjem čepu gorivne šipke nalazi se podloška (14) koja prati profil blokova, čija je debljina jednaka udaljenosti od kraja ampule. do početka jezgre ampule. Ampule po dužini gorivnog elementa smještene su tako da se u utorima svakog bloka, osim prvog, jezgre i kompenzacijski volumeni ampula izmjenjuju svakih 60 o. To se postiže činjenicom da je duljina ampula jednaka visini parnog broja blokova (na slici 1. jednaka je dva bloka), duljina blokova jezgre gorivne šipke jednaka je duljini jezgra ampule, au prvom bloku u tri žlijeba ampula ugrađeni su simulatori ampule (17) duljine jednake polovici duljine. Za razmak ampula i blokova između njih i omotača, na vanjskoj površini ampula nalazi se spiralno namotana žica (18) promjera najmanje 0,1 promjera ampule, čiji su krajevi zavareni u krajeve od ampula. Da bi se kompenzirale volumetrijske promjene u jezgri gorivne šipke i prikupili otpušteni plinoviti fisijski fragmenti, iznad razine kontaktnog materijala nalazi se slobodni volumen (19). Materijali omotača i čepova gorivih šipki i ampula mogu biti isti kao i za gorivu šipku prikazanu na sl.1. Materijal nuklearnog goriva jezgre gorivne šipke mogu biti legure i spojevi osiromašenog ili prirodnog urana ili torija s molibdenom, cirkonijem, silicijem, aluminijem itd., a materijal nuklearnog goriva jezgre ampule može biti legura plutonija s galijem ili legura visoko obogaćenog urana s molibdenom. Kontaktni materijal jezgre gorivne šipke može biti legura olova i bizmuta, a kontaktni materijal jezgre ampule također može biti legura olova i bizmuta ili natrij. Dizajn gorivnog elementa (vidi sliku 3) je ljuska (1), zapečaćena na krajevima čepovima (2), unutar koje se nalazi jezgra (3), koja se sastoji od vibracijski zbijene mješavine granula nuklearnog goriva (4) koji sadrži fertilne nuklide i gorljivi apsorber (5), u međuprostorima između kojih se nalazi kontaktni materijal (6), koji je u radnim uvjetima u čvrstom stanju. U središtu jezgre gorivne šipke nalazi se ampula (7). Ampula je šuplja traka (8), na donjem kraju zapečaćena čepom (9) i uvrnuta u odnosu na uzdužnu os, unutar koje se nalazi jezgra (10) koja se sastoji od vibracijski zbijenih granula nuklearnog goriva koje sadrži fertilne nuklide (11) s najvećim promjerom granule ne većim od 0,3 debljine jezgre, au gornjem dijelu ampule, izvan jezgre gorivne šipke, nalazi se geter (12). Za poravnanje početka gorivne šipke i jezgre ampule postoji podloška (14) s utorom za ampulu čija je debljina jednaka udaljenosti od kraja ampule do početka jezgre ampule. Iznad sloja jezgre gorivne šipke nalazi se čep (15) od inertnog materijala, čija je visina jednaka udaljenosti od jezgre gorivne šipke do kolektora plina (20). Kompenzacijski volumen ampule (13) je intergranularna poroznost i kolektor plina (20). Gorivna jezgra ampule odvojena je od plinskog kolektora plinopropusnom vatom (21). Svi materijali ove konstrukcije gorivne šipke slični su materijalima konstrukcije gorivne šipke prikazane na Sl. 1. Međutim, za ovaj gorivi element, aluminijske legure također se mogu koristiti kao materijal omotača ampule. Dizajn gorivnog elementa (vidi sliku 4) je ljuska (1), zapečaćena na krajevima čepovima (2), unutar koje se nalazi jezgra (3), koja se sastoji od vibracijski zbijenih granula koje sadrže nuklearno gorivo s plodnim nuklida (4) i gorljivog apsorbera (5), u čijim se međuprostorima nalazi kontaktni materijal (6) koji je u pogonskim uvjetima u čvrstom stanju. U jezgri gorivne šipke nalazi se ampula (7). Ampula je profilna traka namotana u obliku cilindrične spirale, na čijoj se vanjskoj površini nalazi rebro koje osigurava razmak između cilindričnog dijela ampule i ovojnice od najmanje 0,15 mm, a minimalni promjer od granule jezgre gorivne šipke su 1,2 puta veće od razmaka. Ampula je s donje strane zatvorena čepom (9). Unutar ampule nalazi se jezgra (10) duljine koja odgovara duljini jezgre gorivne šipke, a sastoji se od nuklearnog goriva koje sadrži fisijske nuklide (11). Za poravnanje početka gorivne šipke i jezgre ampule postoji podloška (14) s utorom za ampulu čija je debljina jednaka udaljenosti od kraja ampule do početka jezgre ampule. Iznad sloja jezgre gorivne šipke nalazi se čep (15) od inertnog materijala, čija je visina jednaka udaljenosti od jezgre gorivne šipke do kolektora plina (20). Kompenzacijski volumen ampule (13) je intergranularna poroznost i kolektor plina (20). Gorivna jezgra ampule odvojena je od plinskog kolektora plinopropusnom vatom (21). Svi materijali gorivih šipki slični su materijalima dizajna gorivih šipki prikazanih na Sl. 1, uzimajući u obzir da u ovom dizajnu gorivnog elementa materijal ljuske ampule može biti aluminijska slitina. Izrada gorivnog elementa prikazanog na sl. 1, ispitan u laboratorijskim uvjetima. Čahura (1) promjera 9,15 x 7,72 mm, duljine 950 mm i čepovi izrađeni su od legure cirkonija E-110. Ampule (7) su izrađene od kapilarnih cijevi (8) promjera 1,5 x 1,26 mm. Kao materijal za ampule i njihove čepove korišten je čelik EI-844BU-ID. Ampule su sadržavale jezgru (10) načinjenu od vibracijom zbijene smjese granula uranovog dioksida od 98% tež. i legura barija s cirkonijem 2% tež. Granule uranovog dioksida imale su unutarnju poroznost od 12-15%. Frakcijski sastav smjese granula bio je -0,4+0,08 mm. Ukupna intragranularna i intergranularna poroznost, koja je kompenzacijski volumen (13), izračunata je na 50 - 55%. Duljina jezgre ampule bila je 900-5 mm. Za poravnavanje jezgri ampula (10) i gorivne šipke (3) ugrađena je podloška (14) debljine 4 mm od legure cirkonija E-110. Kao materijal jezgre gorivne šipke (3) korištena je vibracijski zbijena smjesa granula uranovog dioksida (4) 95 tež.%. i gadolinijevog oksida (5) 5% tež. frakcijski sastav -0,5 + 0,315 mm, impregniran kontaktnim materijalom (7) - legura aluminija s 12% mas. silicij Duljina jezgre gorivne šipke bila je 900 - 5 mm, a volumetrijsko punjenje granulama 60 - 65%. Iznad sloja jezgre gorivne šipke izrađen je čep (15) od čestica sinteriranog aluminijevog oksida okruglog oblika (mljevenje) frakcijskog sastava 0,5 - 0,6 mm, koji je također impregniran kontaktnim materijalom. Ampule u jezgri gorivne šipke smještene su u intervalima od 120 o s razmakom između ampula i omotača od 0,2 mm. Proizvodnja ampula provedena je sljedećim redoslijedom. Podrezivanje cijevi na mjeru, brtvljenje jednog kraja ampule, vibriranje, punjenje ampule helijem i brtvljenje drugog kraja ampule, provjera nepropusnosti ampule i ravnomjerne raspodjele nuklearnog goriva po duljini ampule. Proizvodnja gorivih elemenata uključivala je sljedeće tehnološke operacije. Podrezivanje cijevi na mjeru i brtvljenje jednog kraja, postavljanje podloške i ampula, vibriranje gorivne šipke, dodavanje čepa i impregniranje jezgre gorivne šipke i čepa rastaljenom aluminijskom legurom, brtvljenje drugog kraja gorivne šipke, presovanje gorivne šipke helijem i provjera nepropusnosti, praćenje rasporeda nuklearnog goriva u gorivoj šipci, kvaliteta impregnacije kontaktnog materijala i izgleda. Rezultati proizvodnih laboratorijskih uzoraka gorivih šipki pokazali su da neravnomjerna raspodjela nuklearnog goriva u ampulama ne prelazi 7%, au gorivim šipkama - 10%. Kvaliteta impregnacije jezgri gorivnih šipki je zadovoljavajuća, a izgled gorivih šipki odgovara kontrolnim uzorcima. Tehnologija izrade za ostale date varijante izvedbi gorivih elemenata slična je gore navedenoj, samo u varijantama s trakastim gorivim elementima cijevi se također profiliraju, a napunjene ampule dobivaju željeni oblik. Time je prikazana stvarna mogućnost izrade gorivih šipki predloženog dizajna, a kombinacija odabranih sastava nuklearnog goriva, konstrukcijskih, kontaktnih i drugih materijala te dizajna ampula osigurat će povećanje resursa i povećati pouzdanost rada. gorivih šipki u manevarskim načinima rada u određenim uvjetima rada reaktora. Kod implementacije gorivne šipke prema izumu za koji se zahtijeva zaštita, mogu se koristiti drugi oblici, veličine i geometrije granula, strukturnih, nuklearnih, gorljivih materijala i hvatača i njihovo postavljanje u jezgru gorivne šipke, koji nisu uzeti u obzir u gornjim primjerima. Primjena gorivih šipki prema predmetnom izumu u energetskim reaktorima je ekonomičnija u usporedbi s gorivim šipkama koje koriste miješano gorivo i bolje zadovoljava zahtjeve ekologije, sanitarne i radijacijske sigurnosti. Korišteni izvori informacija 1. "Razvoj, proizvodnja i rad gorivih elemenata za energetske reaktore", knjiga 1. Moskva, Energoatomizdat, 1995. (Prototip na str. 45). 2. A. G. Samoilov, A. I. Kashtanov, V. S. Volkov. "Raspršeni gorivi elementi nuklearnih reaktora", svezak 1. Moskva, Energoizdat, 1982.
Sadrži nuklearno gorivo, nuklearno gorivo a toplina se stvara zbog nuklearna fizija. Naib. Uobičajene su gorivne šipke u obliku tankih (promjera nekoliko mm) šipki koje se protežu cijelom visinom jezgre reaktora. Jezgra sadrži tisuće gorivih šipki iste vrste, koje tvore pravilnu rešetku. Rashladna tekućina (tekućina ili plin) koja uklanja energiju pumpa se između njih. Gorive šipke koriste metal U (legiran za povećanje stabilnosti) ili U okside u obliku keramike, ponekad s dodatkom Pu. Takozvani disperzivno gorivo, u kojem su zrnca goriva uključena u matricu nefisibilnog materijala visoke toplinske vodljivosti i otpornosti na zračenje (vidi. Otpornost materijala na zračenje). Hermetička ljuska štiti gorivo od kontakta s rashladnim sredstvom i daje gorivoj šipci potrebnu mehaničku čvrstoću. snaga. Materijal ljuske (legure cirkonija, nehrđajući čelik i dr.) ima mali presjek hvatanja neutrona, tzv. reaktorski spektar, ima dobru kompatibilnost s gorivom i rashladnom tekućinom u rasponu radnih temperatura, mehanički se malo mijenja. svojstva u neutronskom polju. Svi materijali gorivih šipki podliježu visokim zahtjevima čistoće, prvenstveno odsutnosti nečistoća koje snažno apsorbiraju neutrone.
Parametri energetske gorivne šipke. reaktori: gornja radna temperatura (temperatura ljuske) za reaktore s vodenim rashladnim sredstvom 300 °C, za reaktore s tekućim Na cca. 600-700 °C; takozvani linearni toplinski intenzitet do 500-600 W po 1 cm duljine šipke; izgaranje goriva (udio atoma goriva koji su izgorjeli do kraja radnog razdoblja) u toplinskim reaktorima je 3-5%, u brzim reaktorima 7-10% (1% izgaranja odgovara proizvodnji 10 4 MW. dan toplinske energije po 1 toni goriva).
Goriva šipka brzog reaktora: 1
- jezgreni dio (nuklearno gorivo); 2, 3
- završni zasloni (iscrpljeniuran); 4
- kolektor plina; 5
- školjka (nehrđajući čelik)rezanje čelika).
Na sl. prikazano shematski. presjek gorivne šipke brzog reaktora (vidi. Breeder reaktor). Osim aktivnog dijela koji sadrži nuklearno gorivo, ima završne zaslone od osiromašenog urana za recikliranje neutrona koji napuštaju jezgru, kao i šupljinu za skupljanje plinova koji izlaze iz goriva kako bi se smanjilo unutarnje izgaranje. tlak tijekom dubokog izgaranja.
Nakon postizanja nominalnog izgaranja i završetka kampanje (radnog razdoblja), gorivne šipke se istovaruju iz reaktora i zamjenjuju. Trajanje kampanje izračunava se prema vremenu rada reaktora u punoj snazi i iznosi mjesecima ili godinama. Povećanje kampanje i, prema tome, izgaranja ograničeno je pogoršanjem sposobnosti održavanja fisijske lančane reakcije zbog izgaranja goriva i nakupljanja fragmenata koji apsorbiraju neutrone i opasnosti od uništenja gorivnog elementa pod utjecajem trajanja . intenzivno zračenje i visoka temperatura u reaktoru. Dopuštene su stotinke (ili tisućinke) postotka vjerojatnosti kvara gorivne šipke.
: ... prilično banalno, ali ipak još uvijek nisam pronašao informaciju u probavljivom obliku - kako nuklearni reaktor POČINJE s radom. Sve o principu i strukturi rada je već prožvakano preko 300 puta i jasno je, ali evo kako se dobiva gorivo i od čega i zašto nije toliko opasno dok nije u reaktoru i zašto ne reagira prije nego što bude uronjen u reaktor! - uostalom, zagrijava se samo iznutra, međutim, prije utovara gorivo je hladno i sve je u redu, tako da što uzrokuje zagrijavanje elemenata nije sasvim jasno, kako na njih utječe i tako dalje, po mogućnosti ne znanstveno).
Teško je, naravno, takvu temu oblikovati na neznanstveni način, ali pokušat ću. Prvo shvatimo što su te gorive šipke.
Nuklearno gorivo su crne tablete promjera oko 1 cm i visine oko 1,5 cm. Sadrže 2% urana 235 i 98% urana 238, 236, 239. U svim slučajevima, s bilo kojom količinom nuklearnog goriva, a. nuklearna eksplozija se ne može razviti, jer je za brzu fisijsku reakciju poput lavine karakterističnu za nuklearnu eksploziju potrebna koncentracija urana 235 veća od 60%.
Dvije stotine kuglica nuklearnog goriva utovareno je u cijev izrađenu od metalnog cirkonija. Duljina ove cijevi je 3,5 m. promjera 1,35 cm Ova cijev se naziva gorivi element - gorivi element. 36 gorivih šipki sastavljeno je u kasetu (drugi naziv je "sklop").
Dizajn gorivnog elementa reaktora RBMK: 1 - čep; 2 - tablete uranovog dioksida; 3 - cirkonijeva ljuska; 4 - opruga; 5 - čahura; 6 - vrh.
Pretvorbu tvari prati oslobađanje slobodne energije samo ako tvar ima rezervu energije. Potonje znači da su mikročestice tvari u stanju s energijom mirovanja većom nego u drugom mogućem stanju u koje prijelaz postoji. Spontani prijelaz uvijek je spriječen energetskom barijerom, za čije prevladavanje mikročestica mora primiti određenu količinu energije izvana - energiju pobude. Egzoenergetska reakcija sastoji se u činjenici da se u transformaciji nakon pobuđivanja oslobađa više energije nego što je potrebno za pobuđivanje procesa. Postoje dva načina prevladavanja energetske barijere: ili zahvaljujući kinetičkoj energiji čestica koje se sudaraju, ili zahvaljujući energiji vezivanja čestice koja se spaja.
Ako imamo na umu makroskopsku ljestvicu oslobađanja energije, tada sve ili u početku barem neki dio čestica tvari moraju imati kinetičku energiju potrebnu za pobuđivanje reakcija. To je moguće postići samo povećanjem temperature medija do vrijednosti pri kojoj se energija toplinskog gibanja približava energetskom pragu koji ograničava tijek procesa. U slučaju molekularnih transformacija, odnosno kemijskih reakcija, takav porast obično iznosi stotine stupnjeva Kelvina, ali u slučaju nuklearnih reakcija iznosi najmanje 107 K zbog vrlo visoke visine Coulombovih barijera sudarajućih jezgri. Toplinska ekscitacija nuklearnih reakcija provodi se u praksi samo tijekom sinteze najlakših jezgri, kod kojih su Coulombove barijere minimalne (termonuklearna fuzija).
Pobuda spajanjem čestica ne zahtijeva veliku kinetičku energiju, pa stoga ne ovisi o temperaturi medija, budući da nastaje zbog neiskorištenih veza svojstvenih privlačnim silama čestica. Ali za pobuđivanje reakcija potrebne su same čestice. A ako opet ne mislimo na zaseban čin reakcije, već na proizvodnju energije na makroskopskoj razini, onda je to moguće samo kada se dogodi lančana reakcija. Potonje se događa kada se čestice koje pobuđuju reakciju ponovno pojave kao produkti egzoenergetske reakcije.
Za upravljanje i zaštitu nuklearnog reaktora koriste se kontrolne šipke koje se mogu pomicati po cijeloj visini jezgre. Šipke su napravljene od tvari koje snažno apsorbiraju neutrone - na primjer, bor ili kadmij. Kada su šipke duboko umetnute, lančana reakcija postaje nemoguća, jer se neutroni snažno apsorbiraju i uklanjaju iz reakcijske zone.
Šipke se pomiču daljinski s upravljačke ploče. S laganim pomicanjem šipki, proces lanca će se ili razviti ili izblijedjeti. Na taj način se regulira snaga reaktora.
Lenjingradska nuklearna elektrana, reaktor RBMK
Početak rada reaktora:
U početnom trenutku nakon prvog punjenja goriva u reaktoru nema fisijske lančane reakcije, reaktor je u subkritičnom stanju. Temperatura rashladnog sredstva znatno je niža od radne temperature.
Kao što smo već spomenuli ovdje, da bi započela lančana reakcija, fisijski materijal mora formirati kritičnu masu - dovoljnu količinu spontano fisibilnog materijala u dovoljno malom prostoru, uvjet pod kojim broj neutrona oslobođenih tijekom nuklearne fisije mora biti veći od broja apsorbiranih neutrona. To se može učiniti povećanjem sadržaja urana-235 (količina ubačenih gorivih šipki) ili usporavanjem brzine neutrona tako da ne lete pokraj jezgri urana-235.
Reaktor se pokreće u nekoliko stupnjeva. Pomoću regulatora reaktivnosti reaktor se prebacuje u superkritično stanje Kef>1 i snaga reaktora se povećava na razinu od 1-2% nazivne. U ovoj fazi reaktor se zagrijava do radnih parametara rashladnog sredstva, a brzina zagrijavanja je ograničena. Tijekom procesa grijanja, kontrole održavaju snagu na konstantnoj razini. Zatim se pokreću cirkulacijske crpke i pušta se u rad sustav za uklanjanje topline. Nakon toga se snaga reaktora može povećati na bilo koju razinu u rasponu od 2 do 100% nazivne snage.
Kada se reaktor zagrije, reaktivnost se mijenja zbog promjena u temperaturi i gustoći materijala jezgre. Ponekad se tijekom zagrijavanja mijenja relativni položaj jezgre i upravljačkih elemenata koji ulaze ili izlaze iz jezgre, što uzrokuje učinak reaktivnosti u odsutnosti aktivnog kretanja upravljačkih elemenata.
Regulacija čvrstim pokretnim upijajućim elementima
Za brzu promjenu reaktivnosti u velikoj većini slučajeva koriste se čvrsti pomični apsorberi. U reaktoru RBMK, upravljačke šipke sadrže čahure od bor karbida zatvorene u cijevi od aluminijske legure promjera 50 ili 70 mm. Svaka kontrolna šipka smještena je u posebnom kanalu i hladi se vodom iz kruga sustava upravljanja i zaštite (sustava upravljanja i zaštite) na prosječnoj temperaturi od 50 °C. Prema namjeni šipke se dijele na AZ (zaštitne u slučaju opasnosti). ) šipke; u RBMK postoje 24 takve šipke. Automatske upravljačke šipke - 12 komada, lokalne automatske upravljačke šipke - 12 komada, ručne upravljačke šipke - 131, te 32 skraćene amortizerske šipke (USP). Ukupno ima 211 šipki. Štoviše, skraćene šipke umetnute su u jezgru odozdo, a ostatak odozgo.
VVER 1000 reaktor 1 - pogon sustava upravljanja; 2 - poklopac reaktora; 3 - tijelo reaktora; 4 - blok zaštitnih cijevi (BZT); 5 - osovina; 6 - kućište jezgre; 7 - sklopovi goriva (FA) i upravljačke šipke;
Zapaljivi upijajući elementi.
Kako bi se kompenzirala prekomjerna reaktivnost nakon utovara svježeg goriva, često se koriste spaljivi apsorberi. Čiji je princip rada da oni, poput goriva, nakon hvatanja neutrona naknadno prestaju apsorbirati neutrone (izgaraju). Štoviše, stopa smanjenja kao rezultat apsorpcije neutrona od strane apsorberskih jezgri manja je ili jednaka brzini smanjenja kao rezultat fisije jezgri goriva. Ako jezgru reaktora napunimo gorivom predviđenim za rad godinu dana, onda je očito da će broj jezgri fisijskih goriva na početku rada biti veći nego na kraju, a višak reaktivnosti moramo kompenzirati postavljanjem apsorbera. u jezgri. Ako se u tu svrhu koriste kontrolne šipke, moramo ih stalno pomicati kako se smanjuje broj jezgri goriva. Korištenje zapaljivih apsorbera smanjuje upotrebu pokretnih šipki. Danas se zapaljivi apsorbenti često dodaju izravno u pelete goriva tijekom njihove proizvodnje.
Kontrola reaktivnosti tekućine.
Takva se regulacija koristi, posebno, tijekom rada reaktora tipa VVER, borna kiselina H3BO3 koja sadrži 10B jezgre koje apsorbiraju neutrone uvodi se u rashladno sredstvo. Promjenom koncentracije borne kiseline u rashladnom putu mijenjamo reaktivnost u jezgri. U početnom razdoblju rada reaktora, kada ima mnogo jezgri goriva, koncentracija kiseline je maksimalna. Kako gorivo izgara, koncentracija kiseline se smanjuje.
Mehanizam lančane reakcije
Nuklearni reaktor može dugo raditi na zadanoj snazi samo ako ima rezervu reaktivnosti na početku rada. Izuzetak su subkritični reaktori s vanjskim izvorom toplinskih neutrona. Oslobađanje vezane reaktivnosti koja se smanjuje zbog prirodnih razloga osigurava održavanje kritičnog stanja reaktora u svakom trenutku njegova rada. Početna rezerva reaktivnosti stvara se izgradnjom jezgre dimenzija znatno većih od kritičnih. Kako bi se spriječilo da reaktor postane superkritičan, k0 medija za uzgoj se istodobno umjetno smanjuje. To se postiže uvođenjem tvari apsorbera neutrona u jezgru, koje se naknadno mogu ukloniti iz jezgre. Kao iu elementima upravljanja lančanom reakcijom, upijajuće tvari uključene su u materijal šipki jednog ili drugog presjeka koji se kreću kroz odgovarajuće kanale u jezgri. Ali ako su za regulaciju dovoljne jedna ili dvije ili nekoliko šipki, tada za kompenzaciju početne prekomjerne reaktivnosti broj šipki može doseći stotine. Ove šipke se nazivaju kompenzacijske šipke. Upravljačka i kompenzacijska šipka ne predstavljaju nužno različite elemente dizajna. Brojne kompenzacijske šipke mogu biti kontrolne šipke, ali funkcije obje su različite. Upravljačke šipke dizajnirane su za održavanje kritičnog stanja u bilo kojem trenutku, za zaustavljanje i pokretanje reaktora te za prijelaz s jedne razine snage na drugu. Sve ove operacije zahtijevaju male promjene u reaktivnosti. Kompenzacijske šipke postupno se uklanjaju iz jezgre reaktora, osiguravajući kritično stanje tijekom cijelog vremena njegovog rada.
Ponekad se kontrolne šipke ne izrađuju od upijajućih materijala, već od fisijskih materijala ili materijala za raspršivanje. U toplinskim reaktorima to su uglavnom apsorberi neutrona; nema učinkovitih apsorbera brzih neutrona. Apsorberi kao što su kadmij, hafnij i drugi snažno apsorbiraju samo toplinske neutrone zbog blizine prve rezonancije toplinskom području, a izvan potonjeg se ne razlikuju od drugih tvari u svojim apsorbirajućim svojstvima. Izuzetak je bor, čiji presjek apsorpcije neutrona opada s energijom znatno sporije nego kod navedenih tvari, prema zakonu l/v. Stoga bor apsorbira brze neutrone, iako slabo, ali nešto bolje od drugih tvari. Materijal apsorbera u brzom neutronskom reaktoru može biti samo bor, po mogućnosti obogaćen izotopom 10B. Osim bora, fisibilni materijali koriste se i za kontrolne šipke u reaktorima na brzim neutronima. Kompenzacijska šipka izrađena od fisibilnog materijala ima istu funkciju kao i šipka za apsorbiranje neutrona: povećava reaktivnost reaktora, dok ona prirodno opada. Međutim, za razliku od apsorbera, takva šipka se na početku rada reaktora nalazi izvan jezgre, a zatim se uvodi u jezgru.
Materijali raspršivača koji se koriste u brzim reaktorima su nikal, koji ima presjek raspršenja za brze neutrone koji je malo veći od presjeka drugih tvari. Šipke raspršivača nalaze se duž periferije jezgre i njihovo uranjanje u odgovarajući kanal uzrokuje smanjenje curenja neutrona iz jezgre i, posljedično, povećanje reaktivnosti. U nekim posebnim slučajevima, u svrhu upravljanja lančanom reakcijom služe pokretni dijelovi neutronskih reflektora, koji pri pomicanju mijenjaju istjecanje neutrona iz jezgre. Upravljačke, kompenzacijske i sigurnosne šipke, zajedno sa svom opremom koja osigurava njihov normalan rad, čine sustav upravljanja i zaštite reaktora (CPS).
Hitna zaštita:
Hitna zaštita nuklearnog reaktora je skup uređaja namijenjenih brzom zaustavljanju lančane nuklearne reakcije u jezgri reaktora.
Aktivna zaštita od nužde automatski se aktivira kada jedan od parametara nuklearnog reaktora dosegne vrijednost koja bi mogla dovesti do nesreće. Takvi parametri mogu uključivati: temperaturu, tlak i protok rashladnog sredstva, razinu i brzinu povećanja snage.
Izvršni elementi zaštite u nuždi su u većini slučajeva šipke s tvari koja dobro apsorbira neutrone (bor ili kadmij). Ponekad se, kako bi se reaktor zatvorio, tekući apsorber ubrizgava u petlju rashladnog sredstva.
Osim aktivne zaštite, mnoge moderne izvedbe uključuju i elemente pasivne zaštite. Na primjer, moderne verzije VVER reaktora uključuju "Sustav hlađenja jezgre u hitnim slučajevima" (ECCS) - posebne spremnike s bornom kiselinom koji se nalaze iznad reaktora. U slučaju najveće projektirane nesreće (puknuće prvog rashladnog kruga reaktora), sadržaj ovih spremnika gravitacijom završava u jezgri reaktora, a lančana nuklearna reakcija se gasi velikom količinom tvari koja sadrži bor , koji dobro apsorbira neutrone.
Prema “Pravilima nuklearne sigurnosti za reaktorska postrojenja nuklearnih elektrana” barem jedan od predviđenih sustava za gašenje reaktora mora obavljati funkciju zaštite od nužde (EP). Zaštita u nuždi mora imati najmanje dvije neovisne skupine radnih elemenata. Na signal AZ, radni dijelovi AZ moraju se aktivirati iz bilo kojeg radnog ili međupoložaja.
AZ oprema mora se sastojati od najmanje dva neovisna kompleta.
Svaki komplet AZ opreme mora biti projektiran na način da je osigurana zaštita u rasponu promjena gustoće toka neutrona od 7% do 120% nominalne:
1. Po gustoći toka neutrona - ne manje od tri neovisna kanala;
2. Prema brzini povećanja gustoće toka neutrona - ne manje od tri neovisna kanala.
Svaki komplet opreme za zaštitu od nužde mora biti projektiran na način da se u cijelom rasponu promjena tehnoloških parametara utvrđenih u projektu reaktorskog postrojenja (RP) zaštita od nužde osigura s najmanje tri neovisna kanala za svaki tehnološki parametar. za koje je neophodna zaštita.
Upravljačke naredbe svakog skupa za AZ aktuatore moraju se prenositi kroz najmanje dva kanala. Kada se jedan kanal u jednom od skupova AZ opreme isključi iz rada, a da se ovaj set ne isključi iz rada, treba automatski generirati alarmni signal za taj kanal.
Zaštita u nuždi mora se aktivirati barem u sljedećim slučajevima:
1. Nakon postizanja AZ postavke za gustoću toka neutrona.
2. Nakon postizanja AZ postavke za brzinu povećanja gustoće toka neutrona.
3. Ako napon nestane u bilo kojem kompletu opreme za zaštitu od nužde i CPS sabirnicama za napajanje koje nisu isključene iz pogona.
4. U slučaju kvara bilo koja dva od tri zaštitna kanala za gustoću toka neutrona ili za brzinu porasta toka neutrona u bilo kojem kompletu AZ opreme koji nije isključen iz rada.
5. Kada su AZ postavke dostignute tehnološkim parametrima za koje je potrebno provesti zaštitu.
6. Prilikom aktiviranja AZ ključem iz kontrolne točke bloka (BCP) ili rezervne kontrolne točke (RCP).
Možda netko može još manje znanstveno ukratko objasniti kako blok nuklearne elektrane počinje s radom? :-)
Sjeti se teme poput Izvorni članak nalazi se na web stranici InfoGlaz.rf Link na članak iz kojeg je napravljena ova kopija -
