연료 요소의 유형. 다른 사전에서 연료봉이 무엇인지 확인하십시오. 전기는 어떻게 생성되나요?

얼마 전 제 블로그에서 저는 세계에서 가장 비싼 금속인 California-252가 어떻게, 어디서 생산되는지에 대해 이미 이야기했습니다. 그러나 이 초고가 물질의 생산은 디미트로프그라드에 있는 원자로 과학 연구소(NIIAR)의 유일한 활동이 아닙니다. 70년대부터 연구 센터에는 연료 기술 부서가 있어 과립형 우라늄 산화물을 생산하고 이미 조사된 핵연료(무기 등급 플루토늄 포함)를 처리하는 환경 친화적인 방법을 개발하고 있습니다.

또한 제어된 핵 반응을 통해 원자로에서 열에너지를 생성하도록 설계된 장치인 연료 집합체(FA)도 이곳에서 제조됩니다. 본질적으로 이들은 원자로용 배터리입니다. 이 기사에서는 그것이 어떻게 그리고 무엇으로 만들어지는지에 대해 이야기하고 싶습니다. 우리는 방사능 수준이 높은 "뜨거운" 챔버 내부를 직접 조사하고, 핵연료인 우라늄 산화물이 어떻게 생겼는지 확인하고, 특이한 창문에 이중창을 설치하는 데 드는 비용이 얼마나 되는지 알아볼 것입니다.

원자로의 구조와 작동 원리에 대해 자세히 설명하지는 않겠지만, 이해를 돕기 위해 찬물이 흐르고 뜨거운 물이 나가며 전기 코일에 의해 가열되는 가정용 온수기를 상상해 보겠습니다. 십). 원자로에는 전기 나선형이 없지만 연료 집합체(긴 육각형, 많은 얇은 금속 튜브로 구성됨), 압축 우라늄 산화물 정제가 포함된 연료 요소(연료 요소)가 있습니다.

(사진 출처 - sdelanounas.ru)

우라늄 핵의 지속적인 핵분열로 인해 많은 양의 열이 방출되어 물이나 기타 냉각수를 고온으로 가열합니다. 그런 다음 계획에 따르면 다음과 같습니다.

(출처 - lab-37.com)

일반적으로 핵연료 집합체는 대략 원자로 노심의 높이에 해당하는 길이 2.5~3.5m의 육각형 연료 요소 다발입니다. FA는 스테인리스강이나 지르코늄 합금으로 만들어집니다(중성자 흡수를 줄이기 위해). 연료 요소(얇은 튜브)는 원자로에서 핵연료의 계산 및 이동을 단순화하기 위해 연료 집합체로 조립됩니다. 하나의 연료 집합체에는 일반적으로 18~350개의 연료 요소가 포함됩니다. 원자로 노심에는 일반적으로 200~1600개의 연료 집합체가 포함됩니다(원자로 유형에 따라 다름).

이것은 원자로 (보일러) 뚜껑의 모습이며 그 아래에 연료 집합체가 수직 위치에 있습니다. 하나의 사각형 - 하나의 어셈블리. 하나의 어셈블리는 약 36개의 튜브입니다(아래 사진에 표시된 RBMK 반응기의 경우, 다른 반응기의 경우 튜브는 더 많지만 어셈블리 수는 적습니다).

(사진 출처-visualrian.ru)

그리고 연료 집합체를 구성하는 연료봉 튜브는 다음과 같이 배열됩니다.

RBMK 원자로 연료 요소 설계: 1 - 플러그; 2 - 이산화우라늄 정제; 3 - 지르코늄 껍질; 4 - 봄; 5 - 부싱; 6 - 팁.

연료 요소(튜브) 및 연료 집합체 본체:

그리고 마법의 산화 우라늄 정제가 핵 반응 중에 다른 원소로 분해되지 않으면 모든 것이 잘 될 것입니다. 이런 일이 발생하면 원자로의 반응성이 약해지고 연쇄반응이 저절로 중단됩니다. 노심(연료요소)의 우라늄을 교체한 후에만 재개할 수 있다. 튜브에 쌓인 모든 것은 원자로에서 내려 묻어 묻어야 합니다. 또는 재사용을 위해 재활용하는 것이 더 매력적입니다. 원자력 산업에서는 모두가 폐기물 없는 생산과 재생을 위해 노력하고 있기 때문입니다.
무전기. 반대로 핵폐기물을 보관하는 데 돈을 쓸 이유가 무엇입니까? 반대로 그 돈을 벌 수 있다면?

RIAR의 이 부서에서는 방사성 분뇨를 유용한 요소와 결코 유용하지 않은 요소로 분리하여 사용후 핵연료 재생 기술을 연구하고 있습니다.

이를 위해 화학적 분리 방법이 가장 많이 사용됩니다. 가장 간단한 방법은 용액 재처리이지만 이 방법은 가장 많은 양의 액체 방사성 폐기물을 생성하므로 이 기술은 원자력 시대 초기에만 널리 사용되었습니다. 현재 RIAR은 소위 "건식" 방법을 개선하고 있습니다. 이 방법은 고형 폐기물을 훨씬 적게 생성하고 처리하기가 훨씬 쉬워서 유리 덩어리로 변환합니다.

사용후 핵연료 재처리를 위한 모든 현대 기술 계획은 우라늄과 핵분열 생성물의 혼합물에서 플루토늄을 환원적으로 재추출하는 Purex 공정(영어 Pu U Recovery EXtraction에서 따옴)이라는 추출 공정을 기반으로 합니다. 재처리 과정에서 분리된 플루토늄은 산화우라늄과 혼합되어 연료로 사용될 수 있습니다. 이 연료를 MOX(Mixed-Oxide Fuel, MOX)라고 합니다. 이는 또한 연료 기술부의 RIAR에서도 얻습니다. 이것은 유망한 연료입니다.

모든 연구 및 생산 과정은 운영자가 폐쇄된 챔버와 보호 상자에서 원격으로 수행됩니다.

다음과 같이 보입니다.

이러한 전기 기계 조작기의 도움으로 작업자는 "뜨거운" 셀의 특수 장비를 제어합니다. 작업자는 10cm 두께의 9-10개의 별도 판으로 구성된 미터 두께의 납유리에 의해서만 높은 방사능으로부터 보호됩니다.

단 하나의 유리 비용은 Ulyanovsk의 아파트 비용과 비슷하며 전체 챔버는 거의 1 억 루블로 추산됩니다. 방사선의 영향으로 유리는 점차 투명도를 잃어 교체해야 합니다. 사진에서 조작자의 "손"이 보이나요?

조작기를 능숙하게 제어하는 ​​방법을 배우려면 수년간의 훈련과 경험이 필요합니다. 그러나 그들의 도움으로 때로는 챔버 내부의 작은 너트를 풀고 조이는 것과 같은 작업을 수행해야 할 때가 있습니다.

"뜨거운" 셀 홀의 테이블에서 유리 캡슐에 담긴 핵연료 샘플을 볼 수 있습니다. 많은 연구실 방문객들은 이 여행가방을 계속해서 옆으로 바라보며 가까이 다가가는 것을 두려워합니다. 그러나 이것은 비록 매우 현실적이긴 하지만 단지 더미일 뿐입니다. 이것이 바로 연료봉용 마법의 연료 알갱이가 만들어지는 이산화우라늄의 모습입니다. 반짝이는 검은색 분말입니다.

이산화우라늄은 상전이가 없으며 높은 중심 온도에서 우라늄 금속에서 발생하는 바람직하지 않은 물리적 과정에 덜 민감합니다. 이산화우라늄은 지르코늄, 니오븀, 스테인리스강 및 연료 집합체와 연료봉 튜브를 만드는 데 사용되는 기타 재료와 상호 작용하지 않습니다. 이러한 특성으로 인해 원자로에 사용하여 고온을 얻을 수 있으므로 원자로 효율이 높아집니다.

조작기 제어판은 약간 다른 수정입니다. 이 감방에는 유리가 없기 때문에 내부에 설치된 카메라를 이용해 감시가 이루어진다.

이게 뭔가요?! 핫셀 안에 남자가?! 하지만…

괜찮아, "깨끗한" 카메라야. 유지 관리 중에는 방사선 수준이 허용치를 초과하지 않으므로 특별한 무선 보호 장비 없이도 작업이 가능합니다. 분명히 우라늄 펠릿이 이미 충전된 연료봉에서 연료 집합체의 최종 조립이 수행되는 곳은 바로 이 챔버입니다.

개방된 핵연료에 근접하기가 쉽지 않다는 점을 감안할 때 실험실의 방사선 수준은 자연 수치를 초과하지 않습니다. 이 모든 것은 엄격한 방사선 안전 기술을 통해 달성됩니다. 사람들은 건강에 해를 끼치 지 않고 수십 년 동안 운영자로 일해 왔습니다.

연료 요소(연료 요소)는 이종 코어의 주요 구조적 부분으로 신뢰성, 크기 및 비용을 크게 결정합니다.

연료봉 피복재는 방사성 연료분열 생성물이 냉각수로 방출되는 것을 방지하고 연료심의 부식 및 침식을 방지하기 위해 냉각수와 연료가 직접 접촉하는 것을 방지하도록 설계되었습니다. 클래딩은 연료봉에 필요한 모양을 부여하고 연료봉을 파괴하는 경향이 있는 모든 하중을 흡수하는 구조 요소입니다. 연료 피복재는 가장 가혹한 조건에서 작동하는 활성 구역의 가장 중요한 구조적 부분입니다. 껍질의 중성자 흡수를 줄이려면 껍질을 최대한 얇게 만드는 것이 바람직합니다. 강도 조건과 제조 기술에 따라 결정되는 금속 쉘의 두께는 일반적으로 0.3 - 0.8mm입니다.

열중성자로용 쉘 재료의 주요 요구 사항 중 하나는 중성자 손실을 줄이는 데 필요한 작은 열 중성자 흡수 단면적입니다.

현재 지르코늄 및 그 합금으로 만들어진 쉘은 전력 수냉식 열 중성자 원자로에 널리 사용되며 이는 지르코늄의 작은 열 중성자 흡수 단면적(0.18 barn)으로 설명됩니다. 그러나 지르코늄은 360~400°C의 온도에서 상대적으로 낮은 강도 특성을 갖습니다.

지르코늄 합금과 함께 전력 원자로는 스테인레스 크롬-니켈 오스테나이트 강철로 만든 쉘을 사용하는데, 이는 지르코늄에 비해 훨씬 더 높은 내열성, 내식성, 우수한 제조 가능성 및 더 낮은 비용을 제공합니다. 그러나 지르코늄에 비해 강의 주요 근본적인 단점은 열 중성자 흡수 단면적이 크며(2.7 - 2.9 barn) 더 농축된 연료가 필요하다는 것입니다. 오스테나이트계 스테인리스 강의 주요 단점은 부식 균열이 발생하는 경향이 있다는 것입니다. 이는 금속에 인장 응력이 가해지고 냉각수에 염화물과 산소가 있을 때 발생합니다. 이와 관련하여, 원자로 작동 중에 물 속의 매우 낮은 함량의 염화물과 산소 및 기타 불순물을 주의 깊게 유지하는 것이 매우 중요합니다.

고온 원자로의 경우 내화 금속인 니오븀(용융점 2415°C), 몰리브덴(2622°C), 텅스텐(3395°C), 탄탈륨(2996°C) 및 이들의 합금이 사용됩니다. 헬륨이나 액체 금속을 냉각수로 사용하는 경우 최대 800~1200°C의 온도에서 연료 요소 피복재를 사용합니다. 산소 함유 가스(공기, 이산화탄소 및 수증기)에서 이러한 금속의 저항은 500~600°C의 온도에서도 매우 낮다는 점에 유의해야 합니다.

원자로 작동 중에 방사선 조사, 주기적인 온도 변화, 냉각수 노출 등의 영향으로 연료 요소 재료에 심각한 변화가 발생하여 파괴될 수 있습니다. 연료봉의 완전한 파괴는 방사성 핵분열 파편으로 인해 1차 회로가 심각하게 오염되기 때문에 매우 크고 완전히 용납할 수 없는 사고입니다.

연료 요소 밀봉의 가장 일반적인 손실은 클래딩 또는 밀봉 플러그 용접 부위의 균열로 인해 발생합니다. 견고성이 상실되면 기체 핵분열 생성물이 냉각수로 방출됩니다. 냉각수가 쉘에 유입되어 연료가 부식되고 침출되어 핵분열 파편의 방출이 증가하여 회로에서 냉각수의 방사능이 훨씬 더 크게 증가합니다.

껍질에 균열이 생기는 이유는 다음과 같습니다.

정적, 동적 및 진동 하중의 작용과 관련된 허용할 수 없는 내부 응력의 출현, 연료 요소의 반경과 길이를 따라 급격한 온도 구배의 존재로 인해 발생하는 온도 응력

방사선 성장, 팽창, 연료의 상 변화 및 쉘을 파열시키는 경향이 있는 힘의 출현으로 인한 연료의 부피 변화 기체 핵분열 생성물의 연료봉 내부 압력의 허용할 수 없는 증가;

방사선 조사의 영향 또는 연료 및 냉각수 재료와 쉘의 확산 상호작용(예: 쉘이 수소로 포화됨)의 결과로 쉘 재료의 구조 및 물리적, 기계적 특성의 변화

냉각수의 장기적인 부식 및 침식 효과는 물론 염소 이온 및 유리 산소가 존재할 때 입계 및 입계 응력 부식의 결과(스테인리스강 쉘을 사용할 때 수-수 반응기에서)

연료봉 제조시 발생한 결함(피복재의 불균일, 피복재 표면의 스크래치 존재, 용접 품질 불량 등)

어떤 경우에는 동일한 이유의 영향으로 연료봉의 모양과 크기의 변화(예: 곡률)가 관찰되어 공정 채널을 따라 연료 및 냉각수 분포에 중대한 일반적 및 국지적 변화를 초래할 수 있습니다. 결과적으로 연료봉의 국지적 과열 및 파괴가 발생합니다.

연료봉은 내부 열원이 있는 몸체이고 고온 및 높은 비에너지 방출에서 작동한다는 사실로 인해 냉각이 갑자기 중단될 때 가장 큰 위험이 발생합니다. 노심으로의 냉각수 공급을 중단하면 일반적으로 잔류 에너지 방출(핵연료의 축적된 핵분열 파편의 방사성 붕괴 중 에너지 방출)로 인해 연료 요소가 녹게 됩니다. 정지 원자로에서는 연료 요소에 축적된 핵분열 파편의 방사성 붕괴로 인한 에너지 방출로 인해 정지 후 오랫동안 후자를 냉각해야 합니다. 그렇지 않으면 정지된 원자로에서 노심이 녹을 수 있습니다.

PPU를 작동할 때는 제어를 조직하고 필요한 수질 화학 체제를 유지하는 데 특별한 주의를 기울여야 합니다.

본 발명은 원자력 분야에 관한 것이며 동력로용 연료봉의 제조에 사용될 수 있다. 본 발명의 기술적 목적은 플루토늄이나 합금이나 이산화물 형태의 고농축 우라늄을 열화 또는 천연 우라늄이나 토륨으로 희석하지 않고 필요한 부하, 핵분열성 및 비옥한 핵종을 처리하여 자원을 늘리고 비상 상황을 포함한 운영의 신뢰성을 높입니다. 연료 요소에서, 핵분열성 핵종의 질량 분율이 200~100%인 노심의 일부는 연료 요소 클래딩과 동일하거나 다른 구조 재료로 만들어진 다양한 기하학적 모양의 하나 이상의 밀봉된 앰플에 둘러싸여 있습니다. 앰풀은 핵연료의 팽창을 보상하고 기체 핵분열 파편을 수집하기 위한 자유 부피를 갖습니다. 연료봉 코어의 나머지 부분에는 핵분열성 핵종의 질량 분율이 0.715%이고 핵연료 핵종이 0.01~100%인 핵연료가 포함되어 있습니다. 급여 5개, 병 4개.

본 발명은 핵 기술에 관한 것이며 열 중성자 동력로용 플루토늄 또는 고농축 우라늄으로부터 핵 연료를 사용하여 연료 요소(연료 요소)를 제조하는 데 사용될 수 있습니다. 세계 원자력 산업은 열 및 고속 중성자로를 사용하지만 전체 원자력발전소 전력의 85%는 경수형 열중성자로에서 생산되며, 대부분이 컨테이너형 연료봉을 사용한다. 이러한 연료 요소는 엔드 캡이 있는 직경 7~15mm의 원통형 금속 껍질로, 내부에는 이산화우라늄 또는 이산화우라늄과 이산화플루토늄의 혼합물로 만들어진 정제 또는 진동 압축 과립 형태의 코어가 배치되어 있습니다. , 일반적으로 핵분열성 핵종 우라늄-235, 플루토늄-239 및 플루토늄-241의 질량 분율은 핵연료의 우라늄 및 플루토늄 총 함량의 6% 미만을 구성합니다. 연료봉은 핵연료의 부피 변화를 보상하고 기체 핵분열 파편을 수집하기 위해 자유 부피를 가지고 있습니다. 연료봉 코어의 온도 수준을 낮추기 위해 때로는 펠릿에 구멍을 뚫고 자유 부피에 헬륨이나 저융점 물질, 예를 들어 나트륨, 나트륨-칼륨 합금, 납-비스무트 합금 등을 채우는 경우가 있습니다./ 1/. 컨테이너형 연료봉 외에도 원자력 발전용 원자로, 그리고 훨씬 더 연구용 원자로에서는 분산형 연료봉이 사용되며, 그 코어는 불활성 매트릭스에 균일하게 분포된 핵 연료 입자로 구성된다는 점을 특징으로 합니다. . 연료봉 코어의 이러한 구조는 핵연료 입자와 이에 인접한 얇은 매트릭스 층에 핵분열 파편이 국한되어 있으므로 기체 핵분열 파편을 수집하기 위한 연료봉에 자유 부피가 없습니다 /2/. 컨테이너형 연료봉은 제조가 쉽고 새로운 핵연료의 높은 전환율(최대 0.5)로 2년, 3년 및 덜 자주 4년 동안 고정 원자로 전력 수준에서 안정적으로 작동합니다. 이러한 연료봉의 에너지 생산은 축적된 핵분열 파편으로 인한 핵연료의 부피 변화, 뜨거운 지역(최대 2000oC)에서 차가운 지역(약 300oC)으로의 핵연료의 질량 이동, 피복재의 공격적인 핵분열 파편, 온도 수준 및 재료의 열팽창 계수의 차이와 관련된 쉘과 노심의 열기계적 응력에 의한 원자로 출력의 조종. 또한, 연료봉 코어의 높은 온도 수준, 연료봉 코어에 축적된 열에너지 및 비상 상황 시 잔류 열 방출로 인해 피복재가 연소될 수 있습니다. 우발적, 연료 요소 수명의 고갈, 비상 상황 등 연료 요소의 감압 이유와 관계없이 핵연료에서 방출된 핵분열 파편이 냉각수에 들어가고 방사능이 최대 허용치를 초과할 수 있습니다. 핵연료와 클래딩 사이의 안정적인 열 접촉을 보장하는 매트릭스의 열전도율이 좋은 분산형 연료 요소의 경우 연료 요소 코어의 온도 수준이 크게 감소합니다(예: 알루미늄 합금과 코어의 온도 차이). VVER-1000 원자로 연료 요소의 매트릭스는 약 1.5배 크기(1500oC에서 100oC로)만큼 감소할 수 있습니다. 이를 통해 조종 가능한 모드에서 연료봉을 성공적으로 작동하고 비상 상황에서 안전성을 떨어뜨리며 연료봉 감압 시 냉각수 오염 정도를 줄일 수 있습니다. 냉각수는 핵 연료와만 접촉하기 때문입니다. 결함의 위치. 또한 저온에서 핵연료는 축적된 핵분열 파편으로 인한 부피 변화를 덜 받고 우라늄 규화물, 우라늄-몰리브덴 합금 등과 같은 다른 유형의 핵연료를 사용하는 것이 가능해집니다. 핵연료의 분산형 연료요소의 핵심은 핵분열성 핵종의 질량 분율의 증가를 요구하며, 이에 따라 새로운 핵연료의 전환율이 감소합니다. 분산형 연료봉의 에너지 생산은 연료봉 직경의 허용 가능한 증가 또는 피복재의 허용 가능한 변형에 의해 제한됩니다. 컨테이너형 연료봉과 이산화물 연료를 사용하는 경수로를 향한 세계 원자력 에너지의 방향으로 인해 질량수가 238, 239, 240, 241 및 242인 다동위원소 구성을 갖는 수백 톤의 플루토늄이 축적되었습니다. 플루토늄 저장 및 추가 사용 문제가 발생했습니다. 플루토늄을 핵연료로 사용하는 가장 효과적인 곳은 고속 중성자로이지만 세계적으로 그 수는 제한되어 있으며 새로운 원자로 건설 프로그램은 수십 년 동안 지연되었습니다. 다동위원소 플루토늄을 사용하는 문제에 더해 군축으로 인해 방출된 우라늄과 플루토늄이 빠르게 파괴된다는 문제도 있습니다. 열중성자 원자로에서 플루토늄을 사용하는 가장 일반적인 해결책은 열중성자 원자로에서 플루토늄의 질량 분율이 약 5%가 되어야 하기 때문에 이를 감손 우라늄 또는 천연 우라늄으로 희석하는 것입니다. 이 연료를 우라늄-플루토늄 또는 혼합 연료라고 합니다. 열 중성자 원자로에서는 홀수의 플루토늄 동위원소만 핵분열된다는 점에 유의해야 합니다. 다동위원소 플루토늄의 농도가 14wt.%에 도달하는 플루토늄-241의 동위원소는 약 14년의 반감기를 갖는 반면, 경질 감마 방사선으로 아메리슘 241을 형성하므로 장기간에 걸쳐 다동위원소 플루토늄 작업이 복잡해집니다. 저장. 또한, 에너지급 플루토늄의 손실이 있습니다(10년에 걸쳐 약 9%). 다동위원소 플루토늄과 달리 무기급 플루토늄은 주로 239 동위원소를 포함하며 단일동위원소로 간주될 수 있습니다. 혼합 이산화물 핵연료 생산의 가장 큰 어려움은 펠렛이 압축되는 플루토늄과 이산화우라늄의 균질한 혼합물을 생성하는 것입니다. 진동 압축 코어를 갖춘 연료 요소를 직접 제조하거나 이로부터 펠렛을 제조하기 위해 미소구형 이산화물 혼합 연료를 사용할 가능성과 실현 가능성도 고려되고 있습니다. 분말보다 미세구를 사용하면 기술 공정의 모든 단계에서 취급하기가 더 편리하고 먼지 형성이 훨씬 적어 작업자의 안전한 작업이 보장된다는 장점이 있습니다. 약 5%의 이산화플루토늄을 함유한 분말로 펠릿을 제조하는 기술, 연료봉에 혼합 이산화연료의 펠릿 또는 미소구체를 장착하는 기술, 연료봉의 설계는 우라늄 연료에 사용되는 것과 유사합니다. 그러나 특히 다동위원소 플루토늄을 사용할 때 혼합 이산화물 핵연료를 사용하여 연료 요소를 생산하기 위한 생산 조직 자체에는 근본적인 차이가 있습니다. 생산 현장에서 정상적인 방사선 환경을 조성하려면 모든 장비를 안전하게 밀봉된 챔버에 배치해야 하며 제어 작업을 포함하여 전체 기술 프로세스를 최대한 자동화해야 합니다. 이 모든 것이 연료봉 제조 비용의 증가로 이어집니다. 제안된 연료봉 설계에 가장 가까운 컨테이너형 연료봉 설계는 다음과 같다. 연료 요소는 지르코늄 기반 합금으로 만들어진 원통형 쉘과 엔드 플러그로 구성되며, 내부에는 이산화우라늄의 소결 펠렛 형태의 코어 또는 핵분열성 동위원소 함량이 약 5% 중량인 혼합 연료가 있습니다. 그리고 기체 핵분열 파편의 팽창과 수집을 보상하기 위한 자유 부피. 핵연료에서 껍질로의 열 전달을 개선하기 위해 내부 자유 부피는 헬륨 /1, p로 채워집니다. 45/. 이러한 혼합연료봉의 단점은 이산화물 혼합물의 균질성을 보장하고 규정을 준수하면서 펠릿을 압축하는 것과 관련하여 연료봉 제조 비용이 우라늄 연료봉에 비해 4~5배 높다는 점입니다. 방사선 안전 요구 사항 및 위생 규칙을 준수합니다. 또한 5% 이산화플루토늄과의 혼합물을 제조하려면 플루토늄 함유 물질을 20배 더 많이 처리해야 한다는 점에 유의해야 합니다. 본 발명의 주요 기술적 목적은 핵분열성 핵종의 질량 분율이 최대 100%인 다동위원소 또는 단일동위원소 플루토늄 또는 우라늄을 핵연료로 사용할 수 있는 열중성자 동력로용 연료봉 설계를 만드는 것입니다. 우라늄과 이산화플루토늄의 균질 혼합물로 구성된 코어를 갖는 컨테이너형 연료 요소의 공지된 설계와 달리, 기술적 문제에 대한 해결책은 연료 요소 코어의 일부를 질량 분율로 둘러싸서 달성됩니다. 연료봉 클래딩과 동일하거나 다른 구조 재료로 만들어진 다양한 기하학적 모양의 하나 또는 여러 개의 밀봉된 앰풀에 20~100%의 핵분열성 핵종. 앰플은 앰플 코어의 핵연료 팽창을 보상하고 기체 핵분열 파편을 수집하기 위한 자유 부피를 갖습니다. 연료봉 코어의 나머지 부분에는 핵분열성 핵종의 질량 분율이 최대 0.715%이고 핵연료가 0.01~100%인 핵연료가 포함되어 있습니다. 연료봉 코어의 앰플과 핵연료의 열 제거를 보장하기 위해 연료봉 클래딩 내부의 앰플과 핵연료에 의해 형성된 공극은 접촉 물질로 채워집니다. 청구발명에 의해 달성되는 기술적 결과는 가공된 플루토늄 함유 물질의 노동강도와 부피를 감소시키는 것 외에, 핵분열 파편의 70% 이상이 집중되어 있는 앰플의 연료봉 코어에 도입되며, 연료봉 코어의 온도 수준을 낮추는 접촉 물질은 조종 가능한 원자로 작동 모드에서 연료봉의 안정적인 작동을 보장하고 연료봉 감압 시 주요 방사능 소스에 대한 추가 2단계 보호를 생성하여 연료를 비상 상황에서는 막대가 덜 위험합니다. 제안된 연료봉 설계는 연료봉 코어 부분의 비옥한 핵종의 부피 변화 속도와 크기가 혼합 연료로 만들어진 기존 설계의 연료봉 코어에 비해 크게 줄어들기 때문에 에너지 생산량을 증가시키는 것을 가능하게 합니다. 연료, 핵분열 파편의 대부분이 축적되는 앰플 코어의 부피 변화가 앰플에서 보상되기 때문에 연료봉 코어의 작동 온도가 상당히 낮습니다. 제안된 기술 솔루션을 사용하면 앰플의 설계 및 재료, 앰플 및 연료봉 코어의 핵연료 재료 및 모양, 핵분열성 핵종과 핵종의 양 비율, 동일 또는 핵종의 사용을 다양하게 할 수 있습니다. 앰플과 연료봉 코어의 다양한 접촉 물질, 필요한 경우 앰플과 연료봉 코어 및 가연성 흡수제 앰플의 구성 재료에 사용, 앰플에 게터 사용. 앰풀의 연료 코어에서는 이산화플루토늄의 임의(그릿) 또는 반복(과립) 모양의 입자 형태 또는 플루토늄과 갈륨 합금의 와이어, 테이프 또는 과립 형태의 핵연료를 사용하는 것이 가장 좋습니다. 단일 동위원소 플루토늄을 사용하는 경우 및 연료봉 코어에서 우라늄 또는 토륨의 화학적 화합물 또는 합금(예: 이산화물, 규화물, 질화물, 우라늄과 9% 몰리브덴 합금 등), 핵의 기하학적 모양 및 크기 앰플 코어와 연료봉 코어의 연료는 모래-그릿, 과립-과립과 같이 동일하거나 과립-과립, 과립-블록 등과 같이 다를 수 있습니다. 구조적으로 앰플은 볼, 디스크, 링, 다면체 또는 모양의 판, 직선, 세로 축에 대해 꼬인 형태 또는 원형, 타원형, 삼각형, 정사각형, 연료봉 코어에 자체 간격을 두기 위한 리브가 포함된 직사각형, 다면체, 3엽 또는 다중 잎 또는 기타 단면. 앰플의 연료 코어 길이는 연료봉 코어 길이와 일치하거나 그 길이의 배수일 수 있습니다. 앰플의 보상 부피는 연료봉 코어에 완전히 위치할 수도 있고, 동일하거나 수정된 ​​앰플 형상을 사용하여 부분적으로 연료봉 코어 외부로 이동할 수도 있습니다. 또한 보상 볼륨에 게터를 배치할 수도 있습니다. 연료봉 코어의 길이를 따라 핵분열성 동위원소를 불균일하게 장전할 필요가 있는 경우, 핵연료를 연료봉 코어의 배수인 코어 길이의 앰플에 핵연료를 장전함으로써 앰플의 수와 간격으로 보장할 수 있습니다. 길이, 연료봉 코어 길이에 해당하는 앰플 코어 길이에 따른 가변 단면, 꼬임 또는 권선 피치. 연료봉 코어 및 앰플 코어의 접촉물질로는 연료봉 작동 조건에서 고체 상태인 물질, 예를 들어 마그네슘, 알루미늄 합금 등 또는 액체 상태인 물질(비스무트, 나트륨과 납합금, 나트륨)을 들 수 있다. 등)을 사용할 수 있으며 상태(액체-액체, 고체-액체, 고체-고체, 액체-고체) 및 화학적 조성의 모든 조합으로 사용할 수 있습니다. 연료 요소와 앰플의 클래딩 재료는 동일할 수 있습니다(예: 지르코늄 합금 E-110 - 지르코늄 합금 E-110, 스테인레스 스틸 EI-847 - 스테인레스 스틸 EI-847 또는 다른 예: 지르코늄). 합금 E-110 - 스테인리스강 EI-847 , 지르코늄 합금 E-110 - 지르코늄 합금 E-125, 스테인리스강 EI-844BU-ID, 스테인리스강 EI-852 등 필요한 경우 가연성 흡수체를 핵에 도입할 수 있습니다. 연료봉 및 앰플의 연료 및/또는 연료봉 및 앰플의 핵연료 입자와 가연성 흡수제의 혼합 입자 형태 및/또는 앰플의 구조 재료로 들어가지만 화학적으로는 동일하거나 다릅니다. 흡수 동위원소의 조성 및/또는 농도. 예를 들어, 연료봉 코어에는 핵 연료 입자 구성의 산화 가돌리늄, 앰플 코어에는 핵 연료 입자와 혼합된 입자 형태의 산화 가돌리늄, 앰플 재료에는 지르코늄 합금의 붕소가 있습니다. 제안된 기술 솔루션과 알려진 솔루션을 비교 분석하면 제안된 기술 솔루션이 발명 요구 사항을 준수하는지 확인할 수 있습니다. 본 발명은 도면으로 예시된다. 도 1은 연료봉 코어의 길이에 상응하는 길이의 코어를 갖는 3개의 원통형 앰플을 갖는 연료봉을 도시하며, 연료봉 코어의 접촉 물질은 연료봉 작동 조건에서 고체 상태이다. 그림에서. 도 2는 연료 요소 코어 길이의 배수인 길이를 갖는 코어를 갖는 원통형 앰플과, 작동 조건에서 액체 상태인 앰플과 연료 요소 코어의 접촉 물질을 도시한다. 그림 3은 연료 요소 코어의 길이에 해당하는 코어 길이를 갖는 꼬인 테이프 형태의 1개의 앰플이 있고 연료 요소 코어 외부에 가스 수집기가 있는 연료 요소를 보여줍니다. 그림에서. 그림 4는 원통형 나선형으로 꼬인 프로파일 테이프 형태의 1개의 앰플이 있는 연료 요소를 보여줍니다. 코어 길이는 연료 요소 코어의 길이에 해당하며, 가스 수집기는 연료 요소 코어 외부에 위치합니다. 연료 요소의 설계(그림 1 참조)는 끝 부분이 플러그(2)로 밀봉된 쉘(1)이며 내부에는 핵 연료 과립의 진동 압축 혼합물로 구성된 코어(3)가 있습니다. 연료 요소의 작동 조건에서 고체 상태인 접촉 물질(6)이 배치되는 간격에 핵종(4)과 가연성 과립 흡수체(5)가 포함되어 있습니다. 연료봉 코어에는 3개의 원통형 앰플(7)이 120o 간격으로 위치한다. 앰플과 껍질 사이에는 앰플 직경의 0.1배 이상의 간격이 있고, 과립의 최소 직경은 간격의 1.2배 이상입니다. 앰플은 끝이 플러그(9)로 밀봉된 원통형의 얇은 벽 튜브(8)이며 내부에는 핵분열성 핵종(11)을 포함하는 다공성 핵연료 과립의 진동 압축 혼합물로 구성된 코어(10)가 있습니다. ) 및 게터(12). 최대 과립 크기는 앰플 내부 직경의 0.3 이하입니다. 앰플(13)의 보상 부피는 입계 및 입내 다공성입니다. 연료봉 코어의 시작 부분과 앰플을 정렬하기 위해 하단 플러그에는 앰플용 슬롯이 있는 와셔(14)가 있으며, 그 두께는 앰플 끝에서 앰플 코어 시작 부분까지의 거리와 같습니다. 연료봉 코어의 층 위에는 불활성 물질로 만들어진 플러그(15)가 있고, 그 높이는 연료봉 코어 위의 앰플의 돌출 부분보다 크다. 쉘과 연료봉 플러그의 재질은 지르코늄 합금(예: E-110)이고, 앰플과 플러그의 재질은 스테인레스 스틸(예: EI-844BU-ID 강철)입니다. 열화 또는 천연 우라늄 또는 토륨과 몰리브덴, 지르코늄, 질소, 실리콘, 알루미늄 등과의 합금 및 화합물은 연료봉의 핵분열성 핵종과 핵종의 필수 비율에 따라 연료봉 코어의 핵 연료로 사용될 수 있습니다. 앰풀의 핵심은 이산화플루토늄 또는 고농축 우라늄입니다. 가연성 흡수재로는 산화가돌리늄, 탄화붕소, 티탄산가돌리늄 등을 사용할 수 있으며, 연료봉 노심의 접촉재료로는 마그네슘이나 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 사용된 게터 재료는 지르코늄, 알루미늄 및 니켈과 함께 바륨 함유 화합물입니다. 코르크 소재는 산화알루미늄 입자를 소결(분쇄)한 것입니다. 연료 요소의 설계(그림 2 참조)는 끝 부분이 플러그(2)로 밀봉된 쉘(1)이며, 내부에는 핵종(3)이 있고 핵종(4)을 포함하는 핵연료로 구성되어 있습니다. 실린더의 모선을 따라 60°마다 6개의 홈이 있는 원통형 블록 형태를 가지며 접촉 물질(6)이 블록과 연료 요소 쉘 사이의 간격에 배치되고 작동 조건에서 액체 상태로 존재합니다. 접점 재료의 레벨은 마지막 블록의 레벨보다 3-5mm 더 높습니다. 원통형 앰플(7)은 블록의 홈에 위치합니다. 앰풀은 끝이 플러그(9)로 밀봉된 원통형의 얇은 벽 튜브(8)이며, 내부에는 핵분열성 핵종(11)을 포함하는 핵연료로 구성된 코어(10)가 있으며, 과립 형태입니다. 0.3 이하의 직경 또는 앰플 내부 직경의 0.7 이하의 직경을 갖는 와이어 및 연료 요소의 작동 조건에서 액체 상태인 접촉 물질(16). 접촉 물질의 수준은 앰플의 핵연료 수준보다 2~3mm 더 높습니다. 앰플(13)의 보상 부피는 접촉 물질 수준 위에 위치한 자유 부피입니다. 연료봉 코어와 앰플의 시작 부분을 정렬하기 위해 블록의 프로파일을 따르는 하부 연료봉 플러그에 와셔(14)가 있으며, 그 두께는 앰플 끝에서 앰풀까지의 거리와 같습니다. 앰플 코어의 시작 연료 요소의 길이를 따라 앰플은 첫 번째 블록을 제외한 각 블록의 홈에서 앰플의 코어와 보상 볼륨이 60o마다 교대로 배치됩니다. 이는 앰플의 길이가 짝수 블록의 높이와 같고(그림 1에서는 두 개의 블록과 동일함) 연료봉 코어 블록의 길이가 앰플 코어, 첫 번째 블록에는 길이의 절반에 해당하는 길이의 앰플 시뮬레이터(17)가 3개의 홈 앰플에 설치됩니다. 앰플과 블록 사이에 앰플과 블록의 거리를 두기 위해 앰플의 외부 표면에는 직경이 앰플 직경의 0.1 이상인 나선형으로 감긴 와이어(18)가 있으며, 그 끝은 끝 부분에 용접됩니다. 앰플의. 연료봉 노심의 체적 변화를 보상하고 그 안에 방출된 기체 핵분열 파편을 수집하기 위해 접촉 물질 수준 위에 자유 체적(19)이 있습니다. 연료봉과 앰플의 쉘과 플러그의 재질은 그림 1에 표시된 연료봉과 동일할 수 있습니다. 연료봉 코어의 핵 연료 물질은 열화 또는 천연 우라늄 또는 토륨과 몰리브덴, 지르코늄, 실리콘, 알루미늄 등과의 합금 및 화합물일 수 있으며, 앰플 코어의 핵 연료 물질은 플루토늄과 갈륨의 합금일 수 있습니다. 또는 고농축 우라늄과 몰리브덴의 합금입니다. 연료봉 코어의 접촉 재료는 납-비스무트 합금일 수 있고, 앰플 코어의 접촉 재료는 납-비스무트 합금 또는 나트륨일 수도 있다. 연료 요소의 설계(그림 3 참조)는 끝 부분이 플러그(2)로 밀봉된 쉘(1)이며 내부에는 핵 연료 과립의 진동 압축 혼합물로 구성된 코어(3)가 있습니다. (4) 핵종을 포함하는 가연성 흡수체(5), 사이에 작동 조건에서 고체 상태인 접촉 물질(6)이 있음. 연료봉 코어의 중앙에는 앰플(7)이 있다. 앰플은 하단이 플러그(9)로 밀봉되고 종축을 기준으로 꼬인 중공 테이프(8)이며, 내부에는 핵연료를 함유한 진동 압축 핵연료 과립으로 구성된 코어(10)가 있습니다. (11) 최대 과립 직경은 코어 두께가 0.3 이하이고 앰플 상부, 연료봉 코어 외부에는 게터(12)가 위치합니다. 연료봉의 시작 부분과 앰플 코어를 정렬하기 위해 앰플용 슬롯이 있는 와셔(14)가 있으며, 그 두께는 앰플 끝에서 앰플 코어 시작 부분까지의 거리와 같습니다. 연료봉 코어 층 위에는 불활성 재료로 만들어진 플러그(15)가 있으며, 그 높이는 연료봉 코어에서 가스 수집기(20)까지의 거리와 동일합니다. 앰플(13)의 보상 부피는 입계 다공성과 가스 수집기(20)이다. 앰플의 연료 코어는 가스 투과성 뭉치(21)에 의해 가스 수집기로부터 분리됩니다. 이 연료봉 설계의 모든 재료는 그림 1에 표시된 연료봉 설계의 재료와 유사합니다. 1. 그러나 이 연료 요소의 경우 알루미늄 합금을 앰플 외피 재료로 사용할 수도 있습니다. 연료 요소의 설계(그림 4 참조)는 끝 부분이 플러그(2)로 밀봉된 쉘(1)이며 내부에는 핵 연료를 포함하는 진동 압축 과립으로 구성된 코어(3)가 있습니다. 핵종(4)과 가연성 흡수체(5), 그 사이에 작동 조건에서 고체 상태인 접촉 물질(6)이 있습니다. 앰플(7)은 연료봉 코어에 위치합니다. 앰플은 원통형 나선 형태로 감긴 프로파일 테이프로, 외부 표면에는 앰플의 원통형 부분과 껍질 사이에 최소 0.15mm의 간격을 제공하는 리브가 있고 최소 직경은 연료봉 코어 과립은 간격보다 1.2배 더 크다. 앰풀은 바닥이 플러그(9)로 밀봉되어 있습니다. 앰플 내부에는 핵분열성 핵종(11)을 함유한 핵연료로 구성된 연료봉 코어의 길이에 해당하는 길이를 갖는 코어(10)가 있습니다. 연료봉의 시작 부분과 앰플 코어를 정렬하기 위해 앰플용 슬롯이 있는 와셔(14)가 있으며, 그 두께는 앰플 끝에서 앰플 코어 시작 부분까지의 거리와 같습니다. 연료봉 코어 층 위에는 불활성 재료로 만들어진 플러그(15)가 있으며, 그 높이는 연료봉 코어에서 가스 수집기(20)까지의 거리와 동일합니다. 앰플(13)의 보상 부피는 입계 다공성과 가스 수집기(20)이다. 앰플의 연료 코어는 가스 투과성 뭉치(21)에 의해 가스 수집기로부터 분리됩니다. 모든 연료봉 재료는 그림 1에 표시된 연료봉 디자인의 재료와 유사합니다. 1에 따르면, 이 연료 요소 설계에서 앰플 쉘의 재료는 알루미늄 합금일 수 있습니다. 그림에 표시된 연료 요소의 제조 1, 실험실 조건에서 테스트되었습니다. 직경 9.15 x 7.72 mm, 길이 950 mm 및 플러그를 갖는 쉘(1)은 E-110 지르코늄 합금으로 만들어졌습니다. 앰플(7)은 직경이 1.5 x 1.26mm인 모세관(8)으로 만들어졌습니다. 앰플과 플러그의 재료로는 EI-844BU-ID 강철이 사용되었습니다. 앰플에는 98% 중량의 이산화우라늄 과립의 진동 압축 혼합물로 만들어진 코어(10)가 포함되어 있습니다. 및 지르코늄 2% 중량을 갖는 바륨 합금. 이산화우라늄 과립의 내부 다공도는 12~15%였습니다. 과립 혼합물의 분획 조성은 -0.4+0.08mm였다. 보상량(13)인 총 입계 및 입계 다공도는 50~55%로 계산됩니다. 앰플 코어의 길이는 900-5mm였다. 앰플(10)과 연료봉(3)의 코어를 정렬하기 위해 E-110 지르코늄 합금으로 제작된 4mm 두께의 와셔(14)를 설치하였다. 연료봉 심재(3)로는 이산화우라늄 과립(4) 95중량%의 진동 압축 혼합물을 사용하였다. 및 산화가돌리늄(5) 5중량%. 분수 조성 -0.5 + 0.315 mm, 접점 재료(7) 함침 - 12% 중량의 알루미늄 합금. 규소 연료봉 코어의 길이는 900~5mm이고, 과립의 부피 충전량은 60~65%였다. 연료봉 코어 층 위에는 0.5 - 0.6 mm의 분율 조성을 갖는 둥근 모양(연삭)의 소결 산화알루미늄 입자로 플러그(15)가 생성되었으며, 여기에도 접촉 물질이 함침되었습니다. 연료봉 코어의 앰플은 앰플과 피복재 사이의 간격이 0.2mm로 120o 간격으로 배치되었습니다. 앰플의 생산은 다음과 같은 순서로 진행되었다. 파이프를 크기에 맞게 다듬고, 앰플의 한쪽 끝을 밀봉하고, 진동시키고, 앰플을 헬륨으로 채우고, 앰플의 두 번째 끝을 밀봉하고, 앰플의 견고성과 앰플 길이를 따라 핵연료가 균일하게 분포되어 있는지 확인합니다. 연료 요소의 제조에는 다음과 같은 기술 작업이 포함되었습니다. 파이프를 크기에 맞게 다듬고 한쪽 끝을 밀봉하고, 와셔와 앰플을 설치하고, 연료봉을 진동시키고, 플러그를 추가하고 연료봉 코어와 플러그에 용융 알루미늄 합금을 함침시키고, 연료봉 두 번째 끝을 밀봉하고, 연료봉 압착을 한다. 헬륨으로 기밀성 검사, 연료봉 내 핵연료 분포 모니터링, 함침 접촉 재료 품질 및 외관 모니터링. 연료봉의 실험실 샘플을 제조한 결과, 앰플 내 핵연료의 고르지 못한 분포는 7%를 초과하지 않고, 연료봉 내에서는 10%를 초과하지 않는 것으로 나타났습니다. 연료봉 코어의 함침 품질은 양호하며 연료봉의 외관은 대조 샘플과 일치합니다. 연료 요소 설계의 다른 특정 변형에 대한 제조 기술은 위에 제공된 것과 유사합니다. 단, 스트립 연료 요소가 있는 변형에서만 튜브도 프로파일링되고 충전된 앰플에 필요한 모양이 제공됩니다. 따라서 제안된 설계의 연료봉을 만들 수 있는 실제 가능성이 나타났으며 선택된 핵연료 구성, 구조, 접촉 및 기타 재료와 앰풀 설계의 조합은 자원의 증가를 보장하고 작동의 신뢰성을 높일 것입니다. 원자로의 특정 작동 조건 하에서 조종 가능한 모드의 연료봉. 청구된 발명에 따른 연료봉을 구현하는 경우, 위의 예에서 고려되지 않은 과립, 구조적, 핵, 가연성 물질 및 게터의 다른 모양, 크기 및 기하학적 구조와 연료봉 코어에서의 배치가 사용될 수 있습니다. 동력로에서 청구된 발명에 따른 연료봉을 사용하는 것은 혼합 연료를 사용하는 연료봉에 비해 더 경제적이며 생태학, 위생 및 방사선 안전에 대한 요구 사항을 더 잘 충족시킵니다. 사용된 정보 출처 1. "발전용 원자로용 연료 요소의 개발, 생산 및 운영", 서적 1. Moscow, Energoatomizdat, 1995(프로토타입 페이지 45). 2. A. G. Samoilov, A. I. Kashtanov, V. S. Volkov. "원자로의 분산 연료 요소", 1권. 모스크바, Energoizdat, 1982.

핵연료가 들어있고, 핵연료그리고 이로 인해 열이 발생합니다. 핵분열. 나이브. 연료봉은 원자로 노심의 전체 높이에 걸쳐 뻗어 있는 얇은(직경 수 mm) 봉 형태로 일반적입니다. 코어에는 동일한 유형의 연료봉 수천 개가 포함되어 규칙적인 격자를 형성합니다. 에너지를 제거하는 냉각수(액체 또는 기체)가 그 사이로 펌핑됩니다. 연료봉은 금속 U(안정성을 높이기 위해 합금) 또는 세라믹 형태의 U 산화물을 사용하며 때로는 Pu를 첨가합니다. 소위 열 전도성과 방사선 저항성이 높은 비핵분열성 물질의 매트릭스에 연료 입자가 포함되어 있는 분산형 연료(참조: 재료의 방사선 저항). 밀폐형 쉘은 연료가 냉각수와 접촉하는 것을 방지하고 연료봉에 필요한 기계적 강도를 제공합니다. 힘. 쉘 재료(지르코늄 합금, 스테인레스 스틸 등)는 소위 중성자 포획 단면적이 낮습니다. 원자로 스펙트럼은 작동 온도 범위에서 연료 및 냉각수와의 호환성이 좋으며 기계적으로 거의 변하지 않습니다. 중성자 장의 특성. 모든 연료봉 재료는 고순도 요건을 충족해야 하며, 주로 중성자를 강력하게 흡수하는 불순물이 없어야 합니다.

에너지 연료봉 매개변수. 원자로: 물 냉각제를 사용하는 원자로의 작동 상부 온도(쉘 온도)는 300°C, 액체 Na를 사용하는 원자로의 경우 약 300°C입니다. 600-700℃; 소위 막대 길이 1cm 당 최대 500-600W의 선형 열 강도; 열 원자로의 연료 연소율(작동 기간이 끝날 때까지 연소된 연료 원자의 비율)은 3-5%, 고속 원자로의 경우 7-10%입니다(1% 연소는 10 4 MW의 생산에 해당합니다. 일 열의 연료 1톤당 에너지).

고속로 연료봉: 1 - 핵심 섹션 (핵연료); 2, 3 - 최종 화면(소진됨우라늄); 4 - 가스 수집기; 5 - 쉘(스테인리스 스틸)강철).

그림에서. 개략적으로 표시됩니다. 고속로 연료봉의 단면(참조: 증식로) 핵연료를 포함하는 활성 부품 외에도 노심에서 나오는 중성자를 재활용하기 위해 열화 우라늄으로 만들어진 엔드 스크린과 내부 연소를 줄이기 위해 연료에서 빠져나가는 조각화 가스를 수집하는 공동이 있습니다. 깊은 소진 중 압력.

명목 연소도에 도달하고 캠페인(작업 기간)이 끝나면 연료봉이 원자로에서 내려져 교체됩니다. 캠페인 기간은 최대 출력을 기준으로 원자로의 작동 시간을 기준으로 계산되며 수개월 또는 수년에 달합니다. 캠페인의 증가 및 이에 따른 연소도는 연료 연소 및 중성자 흡수 파편의 축적으로 인한 핵분열 연쇄 반응을 유지하는 능력 저하 및 지속 시간의 영향으로 연료 요소 파괴 위험으로 인해 제한됩니다. . 반응기의 강렬한 조사 및 고온. 연료봉 고장 확률의 100분의 1(또는 1000분의 1)이 허용됩니다.

: ... 꽤 진부하지만 그럼에도 불구하고 나는 원자로가 어떻게 작동하기 시작하는지에 대한 소화 가능한 형태의 정보를 아직 찾지 못했습니다. 작업의 원리와 구조에 대한 모든 내용은 이미 300번 이상 씹어봤고 명확합니다. 하지만 여기에 연료를 얻는 방법과 연료가 원자로에 들어갈 때까지 그렇게 위험하지 않은 이유와 연료가 되기 전에 반응하지 않는 이유는 다음과 같습니다. 반응기에 빠져들다! -결국 내부에서만 가열되지만 연료를 장전하기 전에는 차갑고 모든 것이 정상이므로 요소 가열의 원인이 완전히 명확하지 않고 요소가 어떻게 영향을 받는지 등은 과학적으로 바람직하지 않습니다.

물론 그러한 주제를 비과학적 방식으로 구성하는 것은 어렵지만 시도해 보겠습니다. 먼저 이 연료봉이 무엇인지 알아봅시다.

핵연료는 직경 약 1cm, 높이 약 1.5cm의 검정색 정제로, 2%의 이산화우라늄 235와 98%의 우라늄 238, 236, 239를 함유하고 있습니다. 모든 경우에 핵연료의 양에 관계없이 핵폭발은 일어날 수 없습니다. 왜냐하면 핵폭발의 특징인 산사태와 같은 급속한 핵분열 반응을 위해서는 60% 이상의 우라늄 235 농도가 필요하기 때문입니다.

200개의 핵연료 알갱이가 지르코늄 금속으로 만들어진 튜브에 적재됩니다. 이 튜브의 길이는 3.5m이다. 직경 1.35cm. 이 튜브를 연료 요소-연료 요소라고합니다. 36개의 연료봉이 카세트로 조립됩니다(다른 이름은 "조립"입니다).

RBMK 원자로 연료 요소 설계: 1 - 플러그; 2 - 이산화우라늄 정제; 3 - 지르코늄 껍질; 4 - 봄; 5 - 부싱; 6 - 팁.

물질의 변형은 물질에 예비 에너지가 있는 경우에만 자유 에너지의 방출을 동반합니다. 후자는 물질의 미립자가 전이가 존재하는 다른 가능한 상태보다 정지 에너지가 더 큰 상태에 있음을 의미합니다. 자발적인 전이는 항상 에너지 장벽에 의해 방지되며, 이를 극복하기 위해 미세입자는 외부로부터 일정량의 에너지(여기 에너지)를 받아야 합니다. 에너지 외력 반응은 여기 이후의 변환에서 그 과정을 자극하는 데 필요한 것보다 더 많은 에너지가 방출된다는 사실로 구성됩니다. 에너지 장벽을 극복하는 방법에는 충돌하는 입자의 운동 에너지로 인해 또는 결합 입자의 결합 에너지로 인해 두 가지 방법이 있습니다.

에너지 방출의 거시적 규모를 염두에 둔다면, 물질 입자의 전체 또는 초기에 적어도 일부는 반응을 자극하는 데 필요한 운동 에너지를 가져야 합니다. 이는 열 운동 에너지가 공정 과정을 제한하는 에너지 임계값에 접근하는 값으로 매체의 온도를 증가시킴으로써만 달성할 수 있습니다. 분자 변형, 즉 화학 반응의 경우 이러한 증가는 일반적으로 수백 켈빈이지만 핵 반응의 경우 충돌 핵의 쿨롱 장벽 높이가 매우 높기 때문에 최소 107K입니다. 핵 반응의 열 여기는 실제로 쿨롱 장벽이 최소인(열핵 융합) 가장 가벼운 핵의 합성 중에만 수행됩니다.

입자 결합에 의한 여기는 큰 운동 에너지를 필요로 하지 않으며, 따라서 입자의 인력에 내재된 미사용 결합으로 인해 발생하므로 매질의 온도에 의존하지 않습니다. 그러나 반응을 일으키려면 입자 자체가 필요합니다. 그리고 다시 별도의 반응 행위가 아니라 거시적 규모의 에너지 생산을 의미한다면 이는 연쇄 반응이 발생할 때만 가능합니다. 후자는 반응을 자극하는 입자가 에너지 방출 반응의 산물로 다시 나타날 때 발생합니다.

원자로를 제어하고 보호하기 위해 노심 전체 높이를 따라 이동할 수 있는 제어봉이 사용됩니다. 막대는 중성자를 강하게 흡수하는 물질(예: 붕소 또는 카드뮴)로 만들어집니다. 막대가 깊게 삽입되면 중성자가 강하게 흡수되어 반응 영역에서 제거되므로 연쇄 반응이 불가능해집니다.

막대는 제어판에서 원격으로 이동됩니다. 막대가 약간 움직이면 체인 프로세스가 발전하거나 희미해집니다. 이런 방식으로 원자로의 출력이 조절됩니다.

레닌그라드 NPP, RBMK 원자로

원자로 가동 시작:

첫 번째 연료 장전 후 초기 순간에는 원자로에서 핵분열 연쇄 반응이 없으며 원자로는 아임계 상태에 있습니다. 냉각수 온도는 작동 온도보다 훨씬 낮습니다.

여기서 이미 언급했듯이, 연쇄 반응이 시작되려면 핵분열성 물질이 임계질량, 즉 충분히 작은 공간에 충분한 양의 자발적인 핵분열성 물질을 형성해야 하며, 핵분열 중에 방출되는 중성자의 수가 다음과 같아야 합니다. 흡수된 중성자 수보다 많다. 이는 우라늄-235 함량(장전된 연료봉의 양)을 늘리거나 중성자 속도를 줄여 우라늄-235 핵을 지나 날아가지 않도록 함으로써 이루어질 수 있습니다.

원자로는 여러 단계를 거쳐 전력을 공급받습니다. 반응도 조절기의 도움으로 원자로는 초임계 상태 Kef>1로 전환되고 원자로 출력은 공칭 출력의 1-2% 수준으로 증가합니다. 이 단계에서 원자로는 냉각수의 작동 매개변수까지 가열되며 가열 속도는 제한됩니다. 가열 과정에서 제어 장치는 전력을 일정한 수준으로 유지합니다. 그런 다음 순환 펌프가 시동되고 열 제거 시스템이 작동됩니다. 그 후, 원자로 출력은 정격 출력의 2~100% 범위 내에서 임의의 수준으로 증가될 수 있습니다.

원자로가 가열되면 노심 물질의 온도와 밀도 변화로 인해 반응성이 변합니다. 때로는 가열 중에 코어와 코어에 들어가거나 나가는 제어 요소의 상대적 위치가 변경되어 제어 요소의 활성 이동이 없을 때 반응성 효과가 발생합니다.

단단하고 움직이는 흡수 요소에 의한 조절

반응성을 빠르게 변경하기 위해 대부분의 경우 고체 이동식 흡수체가 사용됩니다. RBMK 원자로에서 제어봉에는 직경 50mm 또는 70mm의 알루미늄 합금 튜브에 둘러싸인 탄화붕소 부싱이 포함되어 있습니다. 각 제어봉은 별도의 채널에 배치되며 평균 온도 50 ° C에서 제어 및 보호 시스템 (제어 및 보호 시스템) 회로의 물로 냉각됩니다. 목적에 따라 막대는 AZ (비상 보호) ) 막대; RBMK에는 24개의 막대가 있습니다. 자동 제어봉 - 12개, 국부 자동 제어봉 - 12개, 수동 제어봉 - 131개, 단축 흡수봉(USP) 32개. 총 211개의 막대가 있습니다. 또한 단축된 막대는 아래쪽에서 코어에 삽입되고 나머지는 위쪽에서 삽입됩니다.

VVER 1000 리액터 1 - 제어 시스템 구동; 2 - 반응기 덮개; 3 - 원자로 본체; 4 - 보호 파이프 블록 (BZT); 5 - 샤프트; 6 - 코어 인클로저; 7 - 연료 집합체(FA) 및 제어봉;

가연성 흡수 요소.

새로운 연료를 장전한 후 과도한 반응성을 보상하기 위해 가연성 흡수제가 종종 사용됩니다. 작동 원리는 연료와 마찬가지로 중성자를 포획한 후 중성자 흡수를 중단한다는 것입니다(연소). 더욱이, 흡수체 핵에 의한 중성자의 흡수로 인한 감소율은 연료핵의 핵분열로 인한 감소율보다 작거나 같습니다. 1년 동안 작동하도록 설계된 연료를 원자로 노심에 장전하면 작동 시작 시 핵분열성 연료핵의 수가 종료 시보다 커질 것이 분명하며, 흡수체를 배치하여 과도한 반응도를 보상해야 합니다. 핵심에. 이러한 목적으로 제어봉을 사용하는 경우 연료핵 수가 감소함에 따라 제어봉을 지속적으로 움직여야 합니다. 가연성 흡수재를 사용하면 움직이는 막대의 사용이 줄어듭니다. 요즘에는 가연성 흡수제가 제조 과정에서 연료 펠릿에 직접 첨가되는 경우가 많습니다.

유체 반응성 제어.

이러한 조절은 특히 VVER형 원자로의 작동 중에 10B 중성자 흡수 핵을 포함하는 붕산 H3BO3이 냉각수에 도입되는 데 사용됩니다. 냉각수 경로의 붕산 농도를 변경함으로써 노심의 반응성을 변경합니다. 원자로 운전 초기에는 연료핵이 많을 때 산 농도가 최대가 된다. 연료가 연소됨에 따라 산 농도가 감소합니다.

연쇄반응 메커니즘

원자로는 가동 초기에 반응도 예비력이 있어야만 주어진 전력으로 오랫동안 가동될 수 있습니다. 외부 열중성자 공급원을 갖춘 아임계 원자로는 예외입니다. 자연적인 이유로 감소하는 결합 반응도의 방출은 원자로 작동의 모든 순간에 원자로의 임계 상태를 유지하는 것을 보장합니다. 초기 반응도 예비력은 임계 크기를 훨씬 초과하는 크기의 노심을 구성하여 생성됩니다. 원자로가 초임계화되는 것을 방지하기 위해 육종배지의 k0를 동시에 인위적으로 감소시킵니다. 이는 중성자 흡수 물질을 코어에 도입함으로써 달성되며, 이후에 이를 코어에서 제거할 수 있습니다. 연쇄 반응 제어 요소와 마찬가지로 흡수성 물질은 코어의 해당 채널을 통해 이동하는 하나 또는 다른 단면의 막대 재료에 포함됩니다. 그러나 하나, 두 개 또는 여러 개의 막대로 조절하기에 충분하다면 초기 과잉 반응성을 보상하기 위해 막대의 수가 수백 개에 달할 수 있습니다. 이러한 막대를 보상 막대라고 합니다. 제어봉과 보상봉이 반드시 서로 다른 설계 요소를 나타내는 것은 아닙니다. 다수의 보상봉이 제어봉이 될 수 있지만 둘의 기능은 서로 다릅니다. 제어봉은 언제든지 임계상태를 유지하고 원자로를 정지 및 시동하며 한 출력 수준에서 다른 출력 수준으로 전환하도록 설계되었습니다. 이러한 모든 작업에는 반응성에 작은 변화가 필요합니다. 보상봉은 원자로 노심에서 점차적으로 제거되어 전체 작동 시간 동안 임계 상태를 보장합니다.

때로는 제어봉이 흡수성 물질이 아닌 핵분열성 물질이나 산란 물질로 만들어지는 경우도 있습니다. 열 원자로에서는 주로 중성자 흡수체이며 효과적인 고속 중성자 흡수체는 없습니다. 카드뮴, 하프늄 등과 같은 흡수체는 첫 번째 공명이 열 영역에 가깝기 때문에 열 중성자만 강력하게 흡수하며, 후자 외부에서는 흡수 특성이 다른 물질과 다르지 않습니다. 예외는 l / v 법칙에 따라 표시된 물질보다 훨씬 더 천천히 에너지에 따라 중성자 흡수 단면적이 감소하는 붕소입니다. 따라서 붕소는 약하지만 다른 물질보다 빠른 중성자를 흡수합니다. 고속 중성자로의 흡수재는 가능한 경우 10B 동위원소가 풍부한 붕소만 사용할 수 있습니다. 붕소 외에도 핵분열성 물질은 고속 중성자로의 제어봉에도 사용됩니다. 핵분열성 물질로 만들어진 보상봉은 중성자 흡수봉과 동일한 기능을 수행합니다. 원자로의 반응성은 자연적으로 감소하는 반면 원자로의 반응성은 증가합니다. 그러나 이러한 막대는 흡수체와 달리 원자로 운전 초기에 노심 외부에 위치했다가 노심 내부로 유입된다.

고속 원자로에 사용되는 산란 물질은 니켈이며, 이는 다른 물질의 단면적보다 약간 큰 고속 중성자의 산란 단면적을 갖습니다. 산란 막대는 코어 주변을 따라 위치하며 해당 채널에 담그면 코어에서 중성자 누출이 감소하고 결과적으로 반응성이 증가합니다. 일부 특수한 경우, 연쇄 반응 제어의 목적은 중성자 반사판의 움직이는 부분에 의해 제공되며, 움직일 때 노심에서 중성자의 누출이 변경됩니다. 제어, 보상 및 비상봉은 정상적인 기능을 보장하는 모든 장비와 함께 원자로 제어 및 보호 시스템(CPS)을 구성합니다.

긴급 보호:

원자로의 비상 보호는 원자로 노심에서 핵 연쇄 반응을 신속하게 중단하도록 설계된 일련의 장치입니다.

원자로의 매개변수 중 하나가 사고로 이어질 수 있는 값에 도달하면 능동형 비상 보호가 자동으로 실행됩니다. 이러한 매개변수에는 온도, 압력 및 냉각수 흐름, 전력 증가 수준 및 속도가 포함될 수 있습니다.

비상 보호의 실행 요소는 대부분의 경우 중성자를 잘 흡수하는 물질(붕소 또는 카드뮴)이 포함된 막대입니다. 때로는 원자로를 정지시키기 위해 액체 흡수제가 냉각수 루프에 주입되기도 합니다.

능동 보호 외에도 많은 현대 설계에는 수동 보호 요소도 포함되어 있습니다. 예를 들어, VVER 원자로의 최신 버전에는 "비상 노심 냉각 시스템"(ECCS)이 포함되어 있습니다. 이는 원자로 위에 붕산이 들어 있는 특수 탱크입니다. 최대설계기준사고(원자로 1차 냉각회로 파열)가 발생할 경우 이들 탱크의 내용물은 중력에 의해 노심 내부로 들어가게 되고 다량의 붕소 함유 물질에 의해 핵연쇄반응이 소멸된다. , 중성자를 잘 흡수합니다.

“원전 원자로 시설에 대한 원자력 안전규칙”에 따르면, 제공된 원자로 정지 시스템 중 적어도 하나는 비상 보호(EP) 기능을 수행해야 합니다. 비상 보호에는 최소한 두 개의 독립적인 작업 요소 그룹이 있어야 합니다. AZ 신호에서 AZ 작동 부품은 모든 작업 위치 또는 중간 위치에서 활성화되어야 합니다.

AZ 장비는 최소한 두 개의 독립적인 세트로 구성되어야 합니다.

각 AZ 장비 세트는 공칭 값의 7%에서 120%까지 중성자 자속 밀도 변화 범위에서 보호가 제공되도록 설계해야 합니다.

1. 중성자 자속 밀도에 따라 - 3개 이상의 독립 채널;
2. 중성자 자속 밀도의 증가율에 따라 - 3개 이상의 독립 채널.

각 비상 보호 장비 세트는 원자로 설비(RP) 설계에 설정된 기술 매개변수의 전체 변경 범위에 걸쳐 각 기술 매개변수에 대해 최소 3개의 독립적인 채널을 통해 비상 보호가 제공되도록 설계되어야 합니다. 보호가 필요한 것입니다.

AZ 액추에이터에 대한 각 세트의 제어 명령은 최소 두 개의 채널을 통해 전송되어야 합니다. AZ 장비 세트 중 하나의 채널이 이 세트의 작동을 중단하지 않고 작동 중단되면 이 채널에 대해 경보 신호가 자동으로 생성되어야 합니다.

최소한 다음과 같은 경우에는 비상 보호가 실행되어야 합니다.

1. 중성자 자속 밀도의 AZ 설정에 도달한 경우.
2. 중성자 자속 밀도 증가율에 대한 AZ 설정에 도달한 경우.
3. 비상 보호 장비 세트 및 작동이 중단되지 않은 CPS 전원 공급 버스에서 전압이 사라진 경우.
4. 작동을 중단하지 않은 AZ 장비 세트의 중성자 자속 밀도 또는 중성자 자속 증가율에 대한 보호 채널 3개 중 2개에 오류가 발생한 경우.
5. 보호를 수행해야 하는 기술 매개변수가 AZ 설정에 도달한 경우.
6. BCP(블록 제어 지점) 또는 RCP(예비 제어 지점)의 키에서 AZ를 트리거하는 경우.

어쩌면 누군가가 원자력 발전소가 어떻게 작동을 시작하는지 덜 과학적인 방식으로 간략하게 설명할 수 있을까요? :-)

다음과 같은 주제를 기억해 보세요. 원문은 홈페이지에 있습니다 InfoGlaz.rf이 사본이 작성된 기사에 대한 링크 -