Как производят ядерное топливо

Автор:
NikoniX
Печать
дата:
15 января 2016 00:11
Просмотров:
2507
Комментариев:
11
В силу того, что ядерное топливо эффективнее всех остальных видов топлива, которым мы располагаем сегодня, огромное предпочтение отдается всему тому, что способно работать с помощью атомных установок (АЭС, подводные лодки, корабли и прочее). О том, как производят ядерное топливо для реакторов, мы поговорим далее.

Как производят ядерное топливо


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.

Как производят ядерное топливо



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.

Как производят ядерное топливо



Всё бы хорошо, и этот уран в теории можно было бы сразу использовать для производства топлива для АЭС, но увы. 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.


Как производят ядерное топливо



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.

Как производят ядерное топливо



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.

Как производят ядерное топливо



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.

Как производят ядерное топливо



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:

Как производят ядерное топливо



ТВС реактора ВВЭР выглядит вот так:
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).

Как производят ядерное топливо

0 не понравился
54 понравился пост
 
Незарегистрированные посетители не могут оценивать посты
 
 
 
 

 
 
 
 

Комментарии

 
 

 
 
 
Vanioka
Дата:
(15 января 2016 00:59)
#1
Ядерное горючее, хоть пока и нерадиоактивно,
Дык обогащенный уран не радиоактивен? И ребятишки которые там трудятся не мрут как мухи? dntknw Это вопрос требует уточнения.
Самарская область > Самара [ссылка]
0 / 5
 
 
 
 
 
 
ufo
Дата:
(15 января 2016 02:08)
#2
Простите за глупый вопрос, но в какой момент и за счёт чего там появляется радиоактивность?
 
Смешно, как тужатся мыслители -
то громогласно, то бесшумно -
забыв, что разум недействителен,
когда действительность безумна.

Игорь Губерман
Томск [ссылка]
1 / 0
 
 
 
 
 
 
Barret
Дата:
(15 января 2016 10:23)
#3
Цитата: ufo
Простите за глупый вопрос, но в какой момент и за счёт чего там появляется радиоактивность?

Если уже действующий реактор - там всегда уже есть наведенная радиоактивность на старых сборках.
А вот для начала работы нового реактора применяют для начала реакции специальный радиоактивный "электрод" - например из кобальта-60.
Томск [ссылка]
0 / 0
 
 
 
 
 
 
driver45
Дата:
(15 января 2016 10:31)
#4
Руда находящаяся в ТВЭЛе имеет фон несколько больше природного, но тем не менее этот фон не опасен для человека. В процессе течения реакции деления внутри реактора образуются хренова туча изотопов - продуктов реакции деления, которые не стабильны и охренеть как фонят. Эту гадость как раз и называют радиактивными отходами...
Томская область > Северск [ссылка]
2 / 0
 
 
 
 
 
 
muxa89
Дата:
(15 января 2016 10:33)
#5
А мы, дураки, в первом отделе тетради прошивали с секретными лекциями.
Автор, глянь под окном волгарь черный не стоит?
Москва [ссылка]
2 / 0
 
 
 
 
 
 
Вячус
Дата:
(15 января 2016 11:08)
#6
Цитата: Vanioka
Ядерное горючее, хоть пока и нерадиоактивно,
Дык обогащенный уран не радиоактивен? И ребятишки которые там трудятся не мрут как мухи? dntknw Это вопрос требует уточнения.

Ну, вероятно, имеется в виду, что радиационный фон в допустимых пределах. Все вокруг нас ведь фонит. Насколько мне известно, губительная для живого организма радиация - это гамма-лучи, т. е. поток нейтронов, которые выделяются с момента запуска цепной реакции. Но я думаю, что работа с неактивным обогащенным ураном тоже далеко не укрепляет здоровье и не улучшает аппетит.
Республика Алтай > Горно-Алтайск [ссылка]
1 / 0
 
 
 
 
 
 
Loshad
Дата:
(15 января 2016 15:35)
#7
Цитата: Вячус
Цитата: Vanioka
Ядерное горючее, хоть пока и нерадиоактивно,
Дык обогащенный уран не радиоактивен? И ребятишки которые там трудятся не мрут как мухи? dntknw Это вопрос требует уточнения.

Ну, вероятно, имеется в виду, что радиационный фон в допустимых пределах. Все вокруг нас ведь фонит. Насколько мне известно, губительная для живого организма радиация - это гамма-лучи, т. е. поток нейтронов, которые выделяются с момента запуска цепной реакции. Но я думаю, что работа с неактивным обогащенным ураном тоже далеко не укрепляет здоровье и не улучшает аппетит.

Излучния 3 (альфа бета гамма). Природный(не вступивший в реакцию) 235 и 238 в основном излучают альфу(элементарная одежда или легкий комбинезон защитит полностью) и бета(чуть по мощнее и защита чуть серьезней но далеко не смертельно). Главное его нельзя есть. Так что если предложат наспор сожрать урана даже 238, не ведитесь, это развод.
Томск [ссылка]
1 / 0
 
 
 
 
 
 
Sender
Дата:
(15 января 2016 18:17)
#8
Сброд гуманитариев - ну кто ещё высрется?
Начнём с того, что в ядерном топливе 4 вида излучения, кроме альфа-бетта-гамма ещё нейтроны образующиеся при спонтанном делении ядер урана. Оно действительно слаборадиоактивно, в оболочке твэла - абсолютно безопасно, если не ковырять не глотать и не вдыхать.
Ребятишки которые там трудятся (на производстве топлива и добыче) ничуть не больше страдают, чем на производстве любых тяжёлых металлов - медь, свинец, вольфрам и т.д., наркоманом быть гораздо вреднее, чем работать с ураном. Пост поверхностный, но годный для школьников и гуманитариев.
 
Никогда не поздно встать на путь воина.
Новосибирск [ссылка]
0 / 5
 
 
 
 
 
 
Barret
Дата:
(15 января 2016 20:21)
#9
Цитата: Вячус
Цитата: Vanioka
Ядерное горючее, хоть пока и нерадиоактивно,
Дык обогащенный уран не радиоактивен? И ребятишки которые там трудятся не мрут как мухи? dntknw Это вопрос требует уточнения.

Ну, вероятно, имеется в виду, что радиационный фон в допустимых пределах. Все вокруг нас ведь фонит. Насколько мне известно, губительная для живого организма радиация - это гамма-лучи, т. е. поток нейтронов, которые выделяются с момента запуска цепной реакции. Но я думаю, что работа с неактивным обогащенным ураном тоже далеко не укрепляет здоровье и не улучшает аппетит.

Гамма-лучи - это электромагнитное излучение. Типа Рентгеновского, только еще выше частота колебаний или короче длина волны.
А нейтроны и их потоки в виде излучения - это отдельная элементарная частитца.
Это я к тому, что между ними ставить "т.е." нельзя. Гамма-лучи и поток нейтронов это не тоже самое.
Ну и для всех еще добавлю
Бета-излучение - это простой поток электронов. Его очень быстро остановит обычный воздух, не говоря об материалах.
Альфа-излучение - это поток ядер гелия, т.е. два протона и два нейтрона в связке.
Томск [ссылка]
3 / 0
 
 
 
 
 
 
Вячус
Дата:
(16 января 2016 23:15)
#10

Цитата: Barret
Цитата: Вячус
Цитата: Vanioka
Ядерное горючее, хоть пока и нерадиоактивно,
Дык обогащенный уран не радиоактивен? И ребятишки которые там трудятся не мрут как мухи? dntknw Это вопрос требует уточнения.

Ну, вероятно, имеется в виду, что радиационный фон в допустимых пределах. Все вокруг нас ведь фонит. Насколько мне известно, губительная для живого организма радиация - это гамма-лучи, т. е. поток нейтронов, которые выделяются с момента запуска цепной реакции. Но я думаю, что работа с неактивным обогащенным ураном тоже далеко не укрепляет здоровье и не улучшает аппетит.

Гамма-лучи - это электромагнитное излучение. Типа Рентгеновского, только еще выше частота колебаний или короче длина волны.
А нейтроны и их потоки в виде излучения - это отдельная элементарная частитца.
Это я к тому, что между ними ставить "т.е." нельзя. Гамма-лучи и поток нейтронов это не тоже самое.
Ну и для всех еще добавлю
Бета-излучение - это простой поток электронов. Его очень быстро остановит обычный воздух, не говоря об материалах.
Альфа-излучение - это поток ядер гелия, т.е. два протона и два нейтрона в связке.

Спасибо. Развеяли мое заблуждение. biggrin
Самарская область > Самара [ссылка]
1 / 0
 
 
 
 
 
 
Barret
Дата:
(17 января 2016 17:45)
#11
Я еще добавлю про радиацию и облучение - почитайте про "банановый эквивалент". Много чего нового и развеивающего разного рода заблуждения и опасения про радиацию узнаете.
Кому лень читать сообщу, что речь идет о природной радиоактивности калия, который находится внутри клетки любого организма, т.к. жизнь - это разница концентраций калия и натрия внутри клетки и снаружи ее.
Томск [ссылка]
0 / 0
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

Информация

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Оставлять свои CRAZY комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
Пожалуйста пройдите простую процедуру регистрации или авторизируйтесь под своим логином. Также вы можете войти на сайт, используя существующий профиль в социальных сетях (Вконтакте, Одноклассники, Facebook, Twitter и другие)

 
 
 
 
 
Наверх