Pronalazak se odnosi na oblast atomske energije i može se koristiti za proizvodnju gorivih šipki za energetske reaktore. Tehnički cilj ovog izuma je kreiranje konstrukcije gorive šipke u kojoj se plutonij ili visoko obogaćeni uranijum u obliku legura ili dioksida može koristiti bez razrjeđivanja osiromašenim ili prirodnim uranijumom ili torijom uz osiguravanje potrebnog opterećenja, omjera fisioni i plodni nuklidi, povećavajući resurse i povećavajući pouzdanost rada, uključujući i u vanrednim situacijama. Kod gorivnog elementa, dio jezgre s masenim udjelom fisionih nuklida od 200 do 100% zatvoren je u jednu ili više zapečaćenih ampula različitih geometrijskih oblika, napravljenih od istog ili različitog strukturalnog materijala od obloge gorivnog elementa. Ampule imaju slobodan volumen za kompenzaciju bubrenja nuklearnog goriva i prikupljanje plinovitih fisionih fragmenata. Ostatak jezgra gorive šipke sadrži nuklearno gorivo s masenim udjelom fisilnih nuklida od 0,715% i plodnih nuklida od 0,01 do 100%. 5 plata, 4 il.
Pronalazak se odnosi na nuklearnu tehnologiju i može se koristiti u proizvodnji gorivnih elemenata (gorivih elemenata) sa nuklearnim gorivom od plutonijuma ili visoko obogaćenog uranijuma za energetske reaktore na termičkim neutronima. Svjetska nuklearna energetska industrija koristi termalne reaktore i reaktore na brze neutrone, ali 85% električne energije svih nuklearnih elektrana proizvodi se u reaktorima toplinskih neutrona s lakom vodom, od kojih većina koristi gorivne šipke tipa kontejnera. Takvi gorivni elementi su cilindrična metalna ljuska promjera 7 - 15 mm sa završnim poklopcima, unutar kojih je smješteno jezgro u obliku tableta ili vibracijski zbijenih granula od uran-dioksida ili mješavine uranijuma i plutonijum-dioksida, dok , po pravilu, maseni udio fisionih nuklida je uranijum-235, plutonijum-239 i plutonijum-241 čine manje od 6% ukupnog sadržaja uranijuma i plutonijuma u nuklearnom gorivu. Gorivi štapovi imaju slobodnu zapreminu da kompenzuju zapreminske promene u nuklearnom gorivu i sakupljaju gasovite fisione fragmente. Da bi se smanjio nivo temperature jezgara gorivih šipki, ponekad se prave rupe u peletima i slobodne zapremine se pune helijumom ili materijalima niskog taljenja, na primer natrijum, legura natrij-kalijum, legura olova i bizmuta, itd. / 1/. Pored gorivih šipki tipa kontejnera, u nuklearnim energetskim reaktorima, a u još većoj mjeri u istraživačkim reaktorima, koriste se gorivne šipke disperzijskog tipa, koje se karakteriziraju po tome što se njihovo jezgro sastoji od čestica nuklearnog goriva ravnomjerno raspoređenih u inertnoj matrici. . Ovakva struktura jezgra gorive šipke lokalizuje fragmente fisije u česticama nuklearnog goriva i tankim slojevima matriksa koji se nalaze uz njih, tako da u gorivim šipkama nema slobodnog volumena za sakupljanje gasovitih fisijskih fragmenata /2/. Gorivne šipke tipa kontejnera su jednostavne za proizvodnju i pouzdano rade na stacionarnim nivoima snage reaktora tokom 2-, 3- i rjeđe 4-godišnje kampanje s visokom stopom konverzije novog nuklearnog goriva (do 0,5). Proizvodnja energije takvih gorivih šipki ograničena je volumetrijskim promjenama u nuklearnom gorivu od akumuliranih fisijskih fragmenata, prijenosom mase nuklearnog goriva iz vruće (do 2000 o C) u hladnu zonu (oko 300 o C), korozivnim djelovanjem agresivni fisioni fragmenti na omotaču, te manevrisanje snage reaktora termomehaničkim naprezanjima u omotaču i jezgri, povezano s razlikom u njihovim temperaturnim razinama i koeficijentima toplinskog širenja materijala. Osim toga, visoka temperatura jezgra gorivne šipke, toplinska energija akumulirana u njemu i oslobađanje preostale topline u hitnim situacijama mogu dovesti do izgaranja obloge. Bez obzira na razlog smanjenja tlaka gorivnog elementa, bilo da je riječ o slučajnom, iscrpljenju vijeka trajanja gorivnog elementa ili hitnoj situaciji, fragmenti fisije oslobođeni iz nuklearnog goriva ulaze u rashladno sredstvo, a njegova radioaktivnost može premašiti maksimalno dopuštene vrijednosti. Kod disperzivnih gorivih elemenata, sa dobrom toplotnom provodljivošću matrice, koja obezbeđuje pouzdan termički kontakt između nuklearnog goriva i omotača, nivo temperature jezgre gorivnog elementa je značajno smanjen, na primer, temperaturna razlika u jezgru sa aluminijskom legurom matrica u gorivom elementu reaktora VVER-1000 može se smanjiti za otprilike jedan i pol reda veličine (sa 1500 o C na 100 o C). To vam omogućava da uspješno upravljate gorivim šipkama u manevarskim režimima, činite ih manje sigurnim u hitnim situacijama, a u slučaju smanjenja tlaka gorive šipke, smanjujete stupanj kontaminacije rashladne tekućine, jer će doći u kontakt s nuklearnim gorivom samo na lokacija 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, uranijum silicid, legura uran-molibdena, itd. Međutim, niža koncentracija u jezgro disperzivnog gorivnog elementa nuklearnog goriva zahtijeva povećanje masenog udjela fisivnog nuklida, što shodno tome smanjuje stopu konverzije novog nuklearnog goriva. Proizvodnja energije disperzivnih gorivih šipki ograničena je dopuštenim povećanjem promjera gorivne šipke ili dopuštenom deformacijom materijala za oblaganje. Kao rezultat orijentacije svjetske nuklearne energije na reaktore na laku vodu sa gorivim šipkama tipa kontejnera i dioksidnim gorivom, akumuliralo se nekoliko stotina tona plutonija poliizotopnog sastava s masenim brojevima 238, 239, 240, 241 i 242. Pojavio se problem skladištenja plutonijuma i njegove dalje upotrebe. Najefikasnija upotreba plutonijuma kao nuklearnog goriva je u reaktorima na brzim neutronima, ali je njihov broj u svetu ograničen, a program izgradnje novih reaktora kasni nekoliko decenija. Problemu upotrebe poliizotopnog plutonijuma pridodan je i problem brzog uništavanja oslobođenog uranijuma i plutonija kao rezultat razoružanja. Najčešće rješenje za korištenje plutonija u termalnim neutronskim reaktorima je razrjeđivanje osiromašenim ili prirodnim uranijumom, budući da za reaktore na termičke neutrone maseni udio plutonijuma treba biti oko 5%. Ovo gorivo se naziva uranijum-plutonijum ili mešano gorivo. Treba napomenuti da se samo neparni izotopi plutonijuma cijepaju u reaktorima na termalnim neutronima. Izotop plutonijum-241, čija koncentracija u poliizotopnom plutonijumu dostiže 14 tež.%, ima vreme poluraspada od oko 14 godina, dok sa tvrdim gama zračenjem formira americij 241, što otežava rad sa poliizotopskim plutonijumom tokom dugotrajnog perioda. skladištenje. Osim toga, postoje i gubici plutonijuma energetskog kvaliteta (oko 9% tokom 10 godina). Za razliku od poliizotopnog plutonijuma, plutonijum za oružje uglavnom sadrži izotop 239 i može se smatrati monoizotopom. Glavna poteškoća u proizvodnji mješovitog dioksidnog nuklearnog goriva je stvaranje homogene mješavine plutonijum-dioksida i uranij-dioksida iz koje se presuju pelete. Također se razmatra mogućnost i izvodljivost korištenja mikrosfernog dioksidnog miješanog goriva bilo direktno za proizvodnju gorivnih elemenata sa vibraciono zbijenom jezgrom, bilo za proizvodnju peleta od njih. Prednost upotrebe mikrosfera u odnosu na praškove je pogodniji oblik za rukovanje u svim fazama tehnološkog procesa i značajno manje stvaranja prašine, što operaterima osigurava sigurniji rad. Tehnologija proizvodnje peleta od praha koji sadrži oko 5% plutonijum dioksida, opremanje gorivih šipki peletima ili mikrosferama mešanog dioksidnog goriva, kao i dizajn gorivih šipki slični su onima koji se koriste za uranijumsko gorivo. Međutim, postoji suštinska razlika u organizaciji same proizvodnje za proizvodnju gorivnih elemenata s miješanim dioksidnim nuklearnim gorivom, posebno kada se koristi poliizotopski plutonij. Za stvaranje normalnog radijacijskog okruženja u proizvodnim prostorijama, sva oprema mora biti smještena u sigurno zatvorene komore, a cijeli tehnološki proces mora biti maksimalno automatiziran, uključujući i kontrolne operacije. Sve to dovodi do povećanja troškova proizvodnje gorivih šipki. Dizajn gorivog štapa kontejnerskog tipa koji je najbliži predloženom dizajnu gorivnog štapa je. Gorivni element se sastoji od cilindričnog omotača i završnih čepova od legure na bazi cirkonija, unutar kojih se nalazi jezgro u obliku sinterovanih peleta uran dioksida ili miješanog goriva sa sadržajem fisionih izotopa od oko 5% tež. i slobodan volumen za kompenzaciju njegovog bubrenja i prikupljanja plinovitih fisionih fragmenata. Da bi se poboljšao prijenos topline od nuklearnog goriva do ljuske, unutrašnji slobodni volumen je ispunjen helijumom /1, str. 45/. Nedostatak takvog gorivnog štapa s miješanim gorivom je što je cijena proizvodnje gorivne šipke 4-5 puta veća u odnosu na gorivu šipku s uranovim gorivom, što je povezano s osiguravanjem homogenosti mješavine dioksida i presovanjem peleta uz poštovanje sa zahtjevima radijacione sigurnosti i sanitarnim pravilima. Također treba napomenuti da je za pripremu smjese sa 5% plutonijum dioksida potrebno obraditi 20 puta više materijala koji sadrže plutonijum. Glavni tehnički cilj ovog izuma je stvaranje dizajna gorivnog štapa za reaktore na termičke neutrone, u kojima bi se kao nuklearno gorivo mogao koristiti poli- ili monoizotopski plutonij ili uranij sa masenim udjelom fisionih nuklida do 100%. Za razliku od poznatog dizajna kontejnerskog gorivnog elementa, čije se jezgro sastoji od homogene mješavine uranijuma i plutonijum dioksida, rješenje tehničkog problema postiže se zatvaranjem dijela jezgre gorivnog elementa masenog udjela od fisionih nuklida od 20 do 100% u jednoj ili više zapečaćenih ampula različitih geometrijskih oblika, napravljenih od istog ili različitog strukturnog materijala od omotača gorivnog elementa. Ampule imaju slobodan volumen za kompenzaciju bubrenja nuklearnog goriva u jezgri ampule i za prikupljanje plinovitih fisionih fragmenata. Ostatak jezgra gorive šipke sadrži nuklearno gorivo s masenim udjelom fisilnih nuklida do 0,715% i plodnih nuklida od 0,01 do 100%. Kako bi se osiguralo odvođenje topline iz ampula i nuklearnog goriva jezgre gorivne šipke, šupljine koje stvaraju ampule i nuklearno gorivo unutar omotača šipke za gorivo se popunjavaju kontaktnim materijalom. Tehnički rezultat postignut ovim izumom je da, pored smanjenja intenziteta rada i zapremine obrađenih materijala koji sadrže plutonijum, uvođenje ampula u jezgro gorive šipke, unutar kojih je koncentrisano više od 70% fisijskih fragmenata, i kontaktni materijal, koji smanjuje temperaturni nivo jezgra gorive šipke, osigurava pouzdan rad gorivne šipke u manevarskim režimima rada reaktora, stvara dodatne dvije faze zaštite glavnog izvora radioaktivnosti u slučaju smanjenja pritiska gorivih šipki, što čini gorivo štap manje opasan u hitnim situacijama. Predloženi dizajn gorivih šipki omogućava povećanje njegove proizvodnje energije, budući da će brzina i veličina volumetrijskih promjena u dijelu jezgre gorivne šipke s plodnim nuklidima biti značajno smanjeni u odnosu na jezgro gorive šipke starog dizajna napravljeno od miješanog goriva, budući da se zapreminske promjene u jezgri ampule u kojima se nakuplja najveći dio fisionih fragmenata kompenziraju u ampulama; štaviše, jezgro gorivnog štapa ima znatno nižu radnu temperaturu. Predloženo tehničko rješenje omogućava variranje dizajna i materijala ampula, materijala i oblika nuklearnog goriva ampula i jezgri gorivih šipki, omjera količina fisionih i fertilnih nuklida, korištenje istih ili različiti kontaktni materijali u ampulama i jezgrama gorivih šipki, upotreba po potrebi u ampulama i jezgrama gorivih šipki i u konstrukcijskom materijalu ampula zapaljivih apsorbera, upotreba gettera u ampulama. U gorivnim jezgrama ampula najpoželjnije je koristiti nuklearno gorivo u obliku čestica proizvoljnog (griz) ili ponavljajućeg (granule) oblika od plutonijum dioksida ili u obliku žice, traka ili granula od legura plutonijuma sa galijumom. kada se koristi monoizotopski plutonijum, au jezgru gorive šipke - hemijska jedinjenja ili legure uranijuma ili torija, na primer, dioksidi, silicidi, nitridi, legura uranijuma sa 9% molibdena, itd., dok geometrijski oblik i dimenzije nuklearnog gorivo u jezgri ampule i jezgru gorivne šipke može biti isto, na primjer, granulat, granule-granule ili različiti, na primjer, granule, granule, blokovi itd. Konstruktivno, 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 raznih spirala sa okruglim, ovalnim, trokutastim, kvadratnim, pravokutnog, poliedarskog, trostrukog ili višestrukog ili drugog poprečnog presjeka, uključujući rebra za samorazmak u jezgru gorivne šipke. Dužina jezgra goriva ampula može odgovarati dužini jezgra šipke goriva ili biti višekratna. Kompenzacijski volumen ampula može biti smješten u cijelosti u jezgru gorivne šipke ili djelomično pomaknut izvan njega sa istom ili izmijenjenom geometrijom ampule. Uz to, u kompenzacijski volumen se može postaviti getter. Ako je potrebno neravnomjerno puniti fisijske izotope po dužini jezgra gorivne šipke, to se može osigurati brojem i razmakom između ampula, punjenjem nuklearnog goriva u ampule čija je dužina jezgra višestruka od jezgre gorivne šipke dužine i promjenjivog poprečnog presjeka, koraka uvijanja ili namotaja s dužinom jezgra ampula koja odgovara dužini jezgra gorive šipke. Kao kontaktni materijali u jezgru gorivne šipke i jezgri ampule, materijali koji su u čvrstom stanju u radnim uslovima šipke za gorivo, na primjer, magnezijum, legure aluminijuma, itd., ili u tečnom stanju (legura olova sa bizmutom, natrijum , itd.), mogu se koristiti i to u bilo kojoj kombinaciji stanja (tečno-tečno, čvrsto-tečno, čvrsto-čvrsto, tečno-čvrsto) i hemijskih sastava. Materijal omotača 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 različiti, na primjer, cirkonij legura E-110 - nerđajući čelik EI-847 , legura cirkonijuma E-110 - legura cirkonijuma E-125, nerđajući čelik EI-844BU-ID, nerđajući čelik EI-852 itd. Po potrebi se mogu uvesti zapaljivi apsorberi gorivo gorivih šipki i ampula, i/ili u obliku mješavine čestica zapaljivog apsorbera sa česticama nuklearnog goriva gorivih šipki i ampula, i/ili u konstrukcijski materijal ampula, dok su hemijski iste ili različite sastav i/ili koncentracija apsorbirajućeg izotopa. Na primjer, u jezgri gorivne šipke nalazi se gadolinijev oksid u sastavu čestica nuklearnog goriva, u jezgru ampule - gadolinijev oksid u obliku čestica pomiješanih s česticama nuklearnog goriva, u materijalu ampule - bor u leguri cirkonija. Komparativna analiza predloženog tehničkog rješenja sa poznatim omogućava nam da utvrdimo usklađenost predloženog tehničkog rješenja sa zahtjevima za pronalaske. Pronalazak je ilustrovan crtežima. Na slici 1 prikazan je gorivni štap sa tri cilindrične ampule čija je jezgra dužine koja odgovara dužini jezgra gorivne šipke, kontaktnog materijala u jezgru gorivne šipke, koja je u čvrstom stanju u uslovima rada gorivne šipke. Na sl. Na slici 2 prikazan je goriv element sa cilindričnim ampulama sa jezgrom čija je dužina višekratna dužini jezgra gorivnog elementa i kontaktnim materijalima ampula i jezgara gorivnog elementa, koji su u tečnom stanju u radnim uslovima. Na slici 3 prikazan je goriv element sa jednom ampulom u obliku tordirane trake čija dužina jezgra odgovara dužini jezgra gorivnog elementa, sa kolektorom gasa koji se nalazi izvan jezgre gorivnog elementa. Na sl. Na slici 4 prikazan je goriv element sa jednom ampulom u obliku profilne trake, uvijen u cilindričnu spiralu, sa dužinom jezgra koja odgovara dužini jezgra gorivnog elementa, kolektorom gasa koji se nalazi izvan jezgre gorivnog elementa. Konstrukcija gorivnog elementa (vidi sliku 1) je školjka (1), zatvorena na krajevima čepovima (2), unutar koje se nalazi jezgro (3), koje se sastoji od vibraciono zbijene mješavine granula nuklearnog goriva koji sadrži plodne nuklide (4), i apsorber zapaljivih granula (5), u prazninama između kojih je postavljen kontaktni materijal (6), koji je u čvrstom stanju u uslovima rada gorivnog elementa. Tri cilindrične ampule (7) nalaze se u jezgru gorivne šipke u intervalima od 120 o. Između ampula i ljuske postoji razmak od najmanje 0,1 puta veći od prečnika ampula, a minimalni prečnik granula je najmanje 1,2 puta veći od razmaka. Ampula je cilindrična tankozidna cijev (8), zatvorena na krajevima čepovima (9), unutar koje se nalazi jezgro (10), koje se sastoji od vibracijski zbijene mješavine poroznih granula nuklearnog goriva koje sadrže fisijske nuklide (11 ), i getter (12). Maksimalna veličina granula nije veća od 0,3 unutrašnjeg prečnika ampule. Kompenzacioni volumen u ampuli (13) je intergranularna i intragranularna poroznost. Za poravnavanje početka jezgra šipke goriva i ampula, donji čep ima podlošku (14) sa utorima za ampule čija je debljina jednaka udaljenosti od kraja ampule do početka jezgra ampule. Iznad sloja jezgra gorivne šipke nalazi se čep (15) od inertnog materijala, čija je visina veća od izbočenog dijela ampule iznad jezgra gorivne šipke. Materijal kućišta i čepova za gorivo je legura cirkonija, na primjer, E-110, a materijal ampule i čepova je nehrđajući čelik, na primjer čelik EI-844BU-ID. Legure i spojevi osiromašenog ili prirodnog uranijuma ili torija sa molibdenom, cirkonijumom, dušikom, silicijumom, aluminijem itd. mogu se koristiti kao nuklearno gorivo za jezgro gorive šipke, ovisno o potrebnom omjeru fisionih i plodnih nuklida u gorivu. Jezgro ampula je plutonijum dioksid ili visoko obogaćeni uranijum. Kao zapaljivi apsorber mogu se koristiti gadolinijev oksid, bor karbid, gadolinij titanat itd. Kao kontaktni materijal jezgra gorivne šipke mogu se koristiti legure magnezijuma ili aluminijuma. Materijal za dobivanje koji se koristi su jedinjenja koja sadrže barij sa cirkonijumom, aluminijumom i niklom. Materijal plute su sinterovane čestice aluminijum oksida (zrna za mlevenje). Konstrukcija gorivnog elementa (vidi sliku 2) je školjka (1), zatvorena na krajevima čepovima (2), unutar koje se nalazi jezgro (3), koje se sastoji od nuklearnog goriva koje sadrži plodne nuklide (4) i koji imaju oblik cilindričnih blokova sa šest žljebova na svakih 60 o duž generatrisa cilindra i kontaktnog materijala (6), koji se nalazi u prazninama između blokova i omotača gorivnog elementa i nalazi se u tečnom stanju u radnim uslovima. Nivo kontaktnog materijala je 3-5 mm viši od nivoa posljednjeg bloka. Cilindrične ampule (7) nalaze se u žljebovima blokova. Ampula je cilindrična cijev tankog zida (8), zatvorena na krajevima čepovima (9), unutar koje se nalazi jezgro (10) koje se sastoji od nuklearnog goriva koje sadrži fisijske nuklide (11), u obliku granula sa prečnika ne većeg od 0,3 ili žice prečnika ne većeg od 0,7 unutrašnjeg prečnika ampule, i kontaktnog materijala (16), koji je u tečnom stanju u uslovima rada gorivnog elementa. Nivo kontaktnog materijala je 2 - 3 mm veći od nivoa nuklearnog goriva u ampuli. Kompenzacioni volumen u ampuli (13) je slobodna zapremina koja se nalazi iznad nivoa kontaktnog materijala. Za poravnavanje početka jezgra gorivne šipke i ampula, na donjem čepu šipke za gorivo nalazi se podloška (14) koja prati profil blokova, čija je debljina jednaka udaljenosti od kraja ampule do početak jezgra ampule. Ampule duž dužine gorivnog elementa smještene su tako da se u žljebovima svakog bloka, osim prvog, jezgra i kompenzacijski volumeni ampula izmjenjuju na svakih 60 o. To se postiže činjenicom da je dužina ampula jednaka visini parnog broja blokova (na slici 1 jednaka je dva bloka), dužina blokova jezgra gorivne šipke jednaka je dužini jezgro ampule, au prvom bloku simulatori ampule (17) dužine jednake polovini dužine su ugrađeni u tri žljeba ampule Za odvajanje ampula i blokova između njih i školjke, na vanjskoj površini ampula nalazi se spiralno namotana žica (18) promjera najmanje 0,1 prečnika ampule, čiji su krajevi zavareni u krajeve. od ampula. Za kompenzaciju zapreminskih promjena u jezgri gorivne šipke i prikupljanje gasovitih fisionih fragmenata koji se u njoj oslobađaju, postoji slobodna zapremina (19) iznad nivoa kontaktnog materijala. 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 može biti legure i spojevi osiromašenog ili prirodnog uranijuma ili torija sa molibdenom, cirkonijumom, silicijumom, aluminijumom itd., a materijal nuklearnog goriva jezgre ampule može biti legura plutonijuma sa galijumom ili legura visoko obogaćenog uranijuma sa molibdenom. Kontaktni materijal jezgra gorivne šipke može biti legura olovo-bizmut, a kontaktni materijal jezgra ampule također može biti legura olova i bizmuta ili natrij. Konstrukcija gorivnog elementa (vidi sliku 3) je školjka (1), zatvorena na krajevima čepovima (2), unutar koje se nalazi jezgro (3), koje se sastoji od vibraciono zbijene mješavine granula nuklearnog goriva (4) koji sadrži plodne nuklide, i sagorivi apsorber (5), u prazninama između kojih se nalazi kontaktni materijal (6), koji je u uslovima rada u čvrstom stanju. U sredini jezgra gorivne šipke nalazi se ampula (7). Ampula je šuplja traka (8), zapečaćena na donjem kraju čepom (9) i uvijena u odnosu na uzdužnu os, unutar koje se nalazi jezgro (10) koje se sastoji od vibracijski zbijenih granula nuklearnog goriva koje sadrži plodne nuklide. (11) sa maksimalnim prečnikom granula ne većim od 0,3 debljine jezgra, au gornjem dijelu ampule, izvan jezgre gorivne šipke, nalazi se hvatač (12). Za poravnanje početka šipke za gorivo i jezgra ampule postoji podloška (14) sa prorezom za ampulu čija je debljina jednaka udaljenosti od kraja ampule do početka jezgra ampule. Iznad sloja jezgra gorivne šipke nalazi se čep (15) od inertnog materijala, čija je visina jednaka rastojanju od jezgra gorivne šipke do kolektora gasa (20). Kompenzacioni volumen ampule (13) je intergranularna poroznost i kolektor gasa (20). Gorivo jezgro ampule je odvojeno od gasnog kolektora gasnopropusnim čahurom (21). Svi materijali ovog dizajna gorivih šipki slični su materijalima dizajna gorivih šipki prikazanih na Sl. 1. Međutim, za ovaj goriv element, legure aluminijuma se takođe mogu koristiti kao materijal omotača ampule. Konstrukcija gorivnog elementa (vidi sliku 4) je školjka (1), zatvorena na krajevima čepovima (2), unutar koje se nalazi jezgro (3), koje se sastoji od vibracijski zbijenih granula koje sadrže nuklearno gorivo sa plodnim nuklida (4) i zapaljivog apsorbera (5), u prazninama između kojih se nalazi kontaktni materijal (6), koji je u uslovima rada u čvrstom stanju. Ampula (7) se nalazi u jezgru gorivne šipke. Ampula je profilna traka namotana u obliku cilindrične spirale, na čijoj se vanjskoj površini nalazi rebro koje osigurava razmak između cilindričnog dijela ampule i školjke od najmanje 0,15 mm, a minimalni prečnik od granule jezgra gorive šipke su 1,2 puta veće od razmaka. Ampula je na dnu zatvorena čepom (9). Unutar ampule nalazi se jezgro (10) dužine koja odgovara dužini jezgra gorivne šipke, koje se sastoji od nuklearnog goriva koje sadrži fisijske nuklide (11). Za poravnanje početka šipke za gorivo i jezgra ampule postoji podloška (14) sa prorezom za ampulu čija je debljina jednaka udaljenosti od kraja ampule do početka jezgra ampule. Iznad sloja jezgra gorivne šipke nalazi se čep (15) od inertnog materijala, čija je visina jednaka rastojanju od jezgra gorivne šipke do kolektora gasa (20). Kompenzacioni volumen ampule (13) je intergranularna poroznost i kolektor gasa (20). Gorivo jezgro ampule je odvojeno od gasnog kolektora gasnopropusnim čahurom (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 omotača ampule mogu biti legure aluminija. Izrada gorivnog elementa prikazanog na sl. 1, ispitano u laboratorijskim uslovima. Školjka (1) prečnika 9,15 x 7,72 mm, dužine 950 mm i čepovi su izrađeni od legure cirkonijuma E-110. Ampule (7) su napravljene od kapilarnih cijevi (8) prečnika 1,5 x 1,26 mm. Kao materijal za ampule i njihove čepove korišten je čelik EI-844BU-ID. Ampule su sadržavale jezgro (10) napravljeno od vibraciono zbijene mješavine granula uran-dioksida od 98% tež. i legura barijuma sa cirkonijumom 2% mas. Granule uran dioksida imale su unutrašnju poroznost od 12-15%. Frakcijski sastav mješavine granula bio je -0,4+0,08 mm. Ukupna intragranularna i intergranularna poroznost, koja predstavlja kompenzacioni volumen (13), računa se na 50 - 55%. Dužina jezgra ampule bila je 900-5 mm. Za poravnanje jezgra ampula (10) i gorivne šipke (3) ugrađena je podloška (14) debljine 4 mm, izrađena od legure cirkonijuma E-110. Kao materijal jezgra gorive šipke (3) korištena je vibracijski zbijena mješavina granula uran dioksida (4) 95 tež.%. i gadolinijev oksid (5) 5% mas. frakcioni sastav -0,5 + 0,315 mm, impregniran kontaktnim materijalom (7) - legura aluminijuma sa 12% mas. silicijum Dužina jezgra gorivne šipke bila je 900 - 5 mm, a zapreminsko punjenje granulama 60 - 65 %. Iznad sloja jezgra gorivne šipke napravljen je čep (15) od čestica sinterovanog aluminij oksida okruglog oblika (mljevenog) frakcionog sastava 0,5 - 0,6 mm, koji je također impregniran kontaktnim materijalom. Ampule u jezgru gorivne šipke bile su smještene na razmacima od 120 o sa razmakom između ampula i omotača od 0,2 mm. Proizvodnja ampula odvijala se u sljedećem redoslijedu. Podrezivanje cijevi na veličinu, zaptivanje jednog kraja ampule, vibriranje, punjenje ampule helijumom i zaptivanje drugog kraja ampule, provjera nepropusnosti ampule i ravnomjerne raspodjele nuklearnog goriva po dužini ampule. Proizvodnja gorivnih elemenata uključivala je sljedeće tehnološke operacije. Obrezivanje cijevi na veličinu i zaptivanje jednog kraja, ugradnja podloške i ampula, vibriranje gorivne šipke, dodavanje čepa i impregniranje jezgra gorivne šipke i čepa rastopljenom aluminijskom legurom, zaptivanje drugog kraja gorivne šipke, presovanje šipke za gorivo sa helijumom i provjerom nepropusnosti, praćenjem raspodjele nuklearnog goriva u gorivu, kvalitetom impregnacije kontaktnog materijala i izgledom. Rezultati proizvodnje laboratorijskih uzoraka gorivih šipki pokazali su da neravnomjerna raspodjela nuklearnog goriva u ampulama ne prelazi 7%, au gorivim šipkama - 10%. Kvalitet impregnacije jezgra gorivih šipki je zadovoljavajući, a izgled gorivih šipki odgovara kontrolnim uzorcima. Tehnologija izrade za ostale date varijante dizajna gorivnih elemenata je slična prethodno datoj, samo u varijantama sa trakastim gorivim elementima i cijevi su profilisane i ispunjene ampule dobijaju traženi oblik. Time je prikazana realna mogućnost stvaranja gorivnih šipki predloženog dizajna, a kombinacija odabranih kompozicija nuklearnog goriva, strukturnih, kontaktnih i drugih materijala i dizajna ampula osigurat će povećanje resursa i povećati pouzdanost rada. gorivih šipki u manevarskim režimima u specifičnim uslovima rada reaktora. Prilikom implementacije gorivne šipke prema traženom izumu, mogu se koristiti drugi oblici, veličine i geometrije granula, strukturnih, nuklearnih, zapaljivih materijala i gettera i njihovo postavljanje u jezgro gorivne šipke, koji nisu razmatrani u gornjim primjerima. Upotreba gorivih šipki prema predmetnom pronalasku u energetskim reaktorima je ekonomičnija u odnosu na gorivne šipke koje koriste miješano gorivo i bolje zadovoljavaju zahtjeve ekologije, sanitacije i radijacijske sigurnosti. Korišteni izvori informacija 1. "Razvoj, proizvodnja i rad gorivnih 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", tom 1. Moskva, Energoizdat, 1982.
U članku se govori o tome šta su gorivne šipke, za šta su potrebne, gdje se koriste, kako nastaju i postoje li reaktori koji ne koriste gorivne šipke.
Atomic Age
Vjerojatno najmlađa grana energetike je nuklearna. Tek krajem 19. vijeka naučnici su uspjeli djelimično da shvate šta je radioaktivnost i koje supstance imaju ta svojstva. A ovo znanje je mnoge ljude koštalo života, budući da su destruktivni efekti zračenja na žive organizme dugo vremena ostali nepoznati.
Mnogo kasnije, radioaktivni materijali našli su primenu i u civilnom i vojnom životu. Trenutno sve razvijene zemlje imaju svoje nuklearno oružje i nuklearne elektrane, koje omogućavaju dobijanje velikih količina energije bez obzira na fosilna goriva ili prirodne resurse poput vode (reč je o hidroelektranama).
TVEL je...
Ali da biste gradili za proizvodnju električne energije ili druge svrhe, prvo morate napraviti odgovarajuće gorivo, jer iako prirodni uranijum ima radioaktivnost, njegova energija nije dovoljna. Stoga se u većini tipova reaktora koristi gorivo, koje se, pak, ubacuje u posebne uređaje koji se nazivaju gorivim šipkama. Gorivni element je poseban uređaj koji je dio nuklearnog reaktora i sadrži njihov dizajn i vrstu goriva, koje ćemo detaljnije analizirati.
Dizajn
Ovisno o vrsti reaktora, neki parametri gorivnih elemenata mogu varirati, ali njihov opći dizajn i princip dizajna su isti. Pojednostavljeno rečeno, gorivna šipka je šuplja cijev napravljena od nekih drugih metala, u koju se ugrađuju pelete goriva od uran-dioksida.
Gorivo
Uran je najrasprostranjeniji radioaktivni materijal, od njega se proizvode i mnogi drugi izotopi koji se koriste kako u industriji tako iu oružju. Njegovo vađenje se ne razlikuje mnogo od vađenja uglja, a u svom prirodnom stanju apsolutno je bezbjedno za ljude. Dakle, priče o tome gdje su zatvorenici prognani nisu ništa drugo do mit. Veća je vjerovatnoća da će osoba umrijeti od nedostatka sunčeve svjetlosti i teškog rada u rudniku nego od radijacijske bolesti.
Uranijum se vadi vrlo jednostavno - stijena se razbija eksplozijama, nakon čega se isporučuje na površinu, gdje se sortira i dalje prerađuje. Proces obogaćivanja uranijuma može se odvijati na različite načine, ali u Rusiji se to radi pomoću plinskih centrifuga. Prvo se uranijum pretvara u gasovito stanje, nakon čega se gas u centrifugama odvaja pod uticajem centrifugalne sile i odvajaju se potrebni izotopi. Nakon toga se pretvaraju u uranijum dioksid, presuju u tablete i pune u gorivne šipke. Ovo je najčešći način proizvodnje goriva za gorive elemente.
Aplikacija
Broj gorivih šipki u reaktoru ovisi o njegovoj veličini, vrsti i snazi. Nakon proizvodnje, utovaruju se u reaktor, gdje počinje reakcija nuklearnog raspada, uslijed čega dolazi do snažnog oslobađanja ogromne količine topline koja služi kao izvor energije. Takođe, snaga reaktora se može kontrolisati brojem gorivnih elemenata u radnom prostoru. S vremena na vrijeme, kako se koriste, zamjenjuju se novim, sa "svježim" tabletama uran dioksida. Sada znamo šta znače gorivi štapovi, kako se prave i za šta su potrebni. Međutim, svi nuklearni reaktori ne zahtijevaju takve elemente, a to su RTG.
RTG
Radioizotop je uređaj koji je u principu sličan nuklearnim reaktorima, ali se njihov proces ne zasniva na lančanoj reakciji raspada atoma, već na termalnoj. Jednostavno rečeno, to je velika instalacija koja proizvodi mnogo topline s radioaktivnim materijalom, koji se zauzvrat pretvara direktno u električnu energiju. Za razliku od nuklearnih reaktora, RTG-ovi nemaju pokretne dijelove i pouzdaniji su, kompaktniji i izdržljiviji. Ali u isto vrijeme imaju mnogo manju efikasnost.
Korišćene su uglavnom u onim uslovima kada je nemoguće dobiti energiju na druge načine, ili su ove metode veoma teške. Tokom godina SSSR-a, RTG-ovi su isporučeni istraživačkim i meteorološkim stanicama krajnjeg sjevera, obalnim svjetionicima, morskim plutačama itd.
Trenutno im je istekao vijek trajanja, ali neki od njih i dalje ostaju na svojim izvornim lokacijama i često nisu ni na koji način zaštićeni. Kao rezultat toga, dešavaju se nesreće, na primjer, lovci na obojene metale pokušali su da demontiraju nekoliko ovih instalacija i dobili su jako zračenje, au Gruziji su ih lokalni stanovnici koristili kao izvori topline i također su patili od radijacijske bolesti.
Dakle, sada znamo strukturu gorivnih elemenata i analizirali smo njihovu definiciju. Gorivne šipke su važni dijelovi reaktora, bez kojih je rad nemoguć.
Gorivni element (fuel element) je glavni strukturni dio heterogenih jezgara, što u velikoj mjeri određuje njihovu pouzdanost, veličinu i cijenu.
Obloga šipke za gorivo je dizajnirana da spriječi direktan kontakt rashladnog sredstva i goriva kako bi se spriječilo oslobađanje produkata fisije radioaktivnog goriva u rashladno sredstvo, kao i korozija i erozija jezgre goriva. Obloga je strukturni element koji gorivoj šipki daje potreban oblik i apsorbira sva opterećenja koja imaju tendenciju da unište gorivu šipku. Gorivne obloge su najkritičniji strukturni dijelovi aktivnih zona, koji rade u najtežim uvjetima. Da bi se smanjila apsorpcija neutrona u školjkama, poželjno je da budu što tanje. Debljina metalnih školjki, određena uvjetima čvrstoće i tehnologijom proizvodnje, obično je 0,3 - 0,8 mm.
Jedan od glavnih zahtjeva za materijal omotača reaktora s termalnim neutronima je mali poprečni presjek apsorpcije toplinskih neutrona, koji je neophodan za smanjenje gubitaka neutrona.
Trenutno se školjke od cirkonija i njegovih legura široko koriste u reaktorima toplinskih neutrona hlađenim vodom, što se objašnjava malim presjekom apsorpcije termičkih neutrona cirkonija (0,18 barn). Međutim, cirkonijum ima relativno niske karakteristike čvrstoće na temperaturama od 360 – 400°C.
Uz legure cirkonija, u energetskim reaktorima se koriste školjke od nehrđajućeg krom-nikl austenitnog čelika, koji u odnosu na cirkonij imaju znatno veću otpornost na toplinu, otpornost na koroziju, dobru obradivost i, osim toga, nižu cijenu. Međutim, glavni osnovni nedostatak čelika u odnosu na cirkonij je njihov veliki presjek apsorpcije toplinskih neutrona (2,7 - 2,9 barn), što zahtijeva više obogaćeno gorivo. Glavni nedostatak austenitnih nerđajućih čelika je i njihova sklonost korozijskom pucanju, koje nastaje kada postoje vlačna naprezanja u metalu i hloridima i kiseoniku u vodi za hlađenje. U tom smislu, brižljivo održavanje izuzetno niskog sadržaja hlorida i kiseonika, kao i drugih nečistoća u vodi, postaje od velike važnosti tokom rada reaktora.
Za visokotemperaturne reaktore koriste se vatrostalni metali niobij (tačka topljenja 2415°C), molibden (2622°C), volfram (3395°C), tantal (2996°C), kao i njihove legure, koje se mogu koristiti za oblaganje gorivnih elemenata na temperaturama do 800 – 1200°C u slučaju upotrebe helijuma ili tečnih metala kao rashladnog sredstva. Treba napomenuti da je u plinovima koji sadrže kisik (vazduh, ugljični dioksid i vodena para) otpornost ovih metala vrlo niska čak i na temperaturama od 500 – 600°C.
U toku rada reaktora dolazi do dubokih promjena u materijalima gorivnih elemenata pod utjecajem zračenja, cikličkih promjena temperature, izlaganja rashladnoj tekućini itd., što može uzrokovati njihovo uništenje. Potpuno uništenje gorivih šipki je izuzetno velika i potpuno neprihvatljiva nesreća, jer dovodi do teške kontaminacije primarnog kruga radioaktivnim fisionim fragmentima.
Najčešći gubitak zaptivanja gorivnih elemenata nastaje zbog pukotina u oblogi ili na mjestu zavarivanja zaptivnih čepova. Gubitak nepropusnosti dovodi do oslobađanja plinovitih fisionih produkata u rashladno sredstvo. Ulazak rashladnog sredstva u školjku, što rezultira korozijom i ispiranjem goriva, zauzvrat, povećava oslobađanje fisijskih fragmenata, što rezultira još značajnijim povećanjem radioaktivnosti rashladnog sredstva u krugu.
Pukotine na 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 i duž radijusa i duž dužine gorivnih elemenata;
Volumetrijske promjene u gorivu uzrokovane rastom zračenja, bubrenjem, faznim transformacijama goriva i dovode do pojave sila koje imaju tendenciju pucanja ljuske; neprihvatljivo povećanje tlaka unutar gorivih šipki plinovitih fisionih produkata;
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 vodonikom;
Dugotrajni korozivni i erozivni efekti rashladnog sredstva, kao i kao rezultat trans- i intergranularne korozije pod naponom u prisustvu jona hlora i slobodnog kiseonika (u reaktorima voda-voda kada se koriste ljuske od nerđajućeg čelika);
Nedostaci nastali prilikom izrade gorivih šipki (nehomogenost materijala za oblaganje, prisutnost ogrebotina na površini obloge, loša kvaliteta zavarivanja itd.).
U nekim slučajevima, pod utjecajem istih razloga, uočava 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 procesa procesa. i, kao posljedica toga, lokalno pregrijavanje i uništavanje gorivih šipki.
Zbog činjenice da su gorivne šipke tijela s unutarnjim izvorima topline i rade na visokim temperaturama i visokim specifičnim oslobađanjem energije, najveća opasnost za njih nastaje kada hlađenje naglo prestane. Zaustavljanje dovoda rashladnog sredstva u jezgru dovodi, po pravilu, do topljenja gorivnih elemenata zbog oslobađanja preostale energije (oslobađanje energije tokom radioaktivnog raspada akumuliranih fisionih fragmenata nuklearnog goriva). U zatvorenom reaktoru, zbog oslobađanja energije od radioaktivnog raspada fisionih fragmenata nakupljenih u gorivim elementima, potrebno ih je hladiti dugo vremena nakon gašenja. U suprotnom, jezgro se može rastopiti u reaktoru koji se gasi.
Prilikom rada PPU posebnu pažnju treba obratiti na organizovanje kontrole i održavanje potrebnog hemijskog režima vode.
Nedavno sam vam na svom blogu već rekao kako i gdje se proizvodi najskuplji metal na svijetu - California-252. Ali proizvodnja ove superskupe supstance nije jedina delatnost Naučno-istraživačkog instituta za atomske reaktore (NIIAR) u Dimitrovgradu. Od 70-ih, istraživački centar ima Odjel za tehnologije goriva, gdje razvijaju ekološki prihvatljive metode za proizvodnju granuliranog uranijum oksida i preradu već ozračenog nuklearnog goriva (uključujući plutonijum za oružje).
Osim toga, tamo se proizvode i gorivi sklopovi (FA) - uređaji dizajnirani da generiraju toplinsku energiju u reaktoru putem kontrolirane nuklearne reakcije. U suštini, to su baterije za reaktor. Želim govoriti o tome kako i od čega se prave u ovom članku. Pogledat ćemo u samu unutrašnjost “vruće” komore s visokim nivoom zračenja, vidjeti kako izgleda nuklearno gorivo uranijum oksid i saznati koliko može koštati staklo u neobičnom prozoru.
Neću ulaziti u detalje strukture i principa rada nuklearnog reaktora, ali da bismo lakše razumjeli, zamislite kućni bojler u koji teče hladna voda i izlazi topla voda, a zagrijava se električnim zavojnicama ( DESET). U nuklearnom reaktoru ne postoji električna spirala, ali postoje gorivi sklopovi - dugi šesterokuti, koji se sastoje od mnogih tankih metalnih cijevi - gorivnih elemenata (gorivih elemenata), koji sadrže tablete komprimovanog uran-oksida.
(izvor fotografije - sdelanounas.ru)
Zbog stalne fisije jezgri uranijuma oslobađa se velika količina topline koja zagrijava vodu ili drugu rashladnu tekućinu do visoke temperature. A onda prema šemi:
(izvor - lab-37.com)
Tipično, gorivni sklop je heksagonalni snop gorivnih elemenata dužine 2,5-3,5 m, što približno odgovara visini jezgra reaktora. FA su napravljeni od nerđajućeg čelika ili legure cirkonija (za smanjenje apsorpcije neutrona). Gorivni elementi (tanke cijevi) se sklapaju u gorivne sklopove kako bi se pojednostavilo obračun i kretanje nuklearnog goriva u reaktoru. Jedan gorivni sklop obično sadrži 18-350 gorivnih elemenata. Jezgro reaktora obično sadrži 200-1600 gorivih sklopova (u zavisnosti od tipa reaktora).
Ovako izgleda poklopac reaktora (kotla), ispod kojeg se nalaze gorivi sklopovi u okomitom položaju. Jedan kvadrat - jedan sklop. Jedan sklop - 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)
A ovako je raspoređena cijev šipke za gorivo koja čini gorivne sklopove:
Struktura gorivnog elementa reaktora RBMK: 1 - utikač; 2 — tablete uranijum dioksida; 3 - školjka od cirkonija; 4 - opruga; 5 - čahura; 6 - vrh.
Gorivni elementi (cijevi) i tijelo gorivnog sklopa:
I sve bi bilo u redu da se magične tablete uranijum oksida ne raspadnu na druge elemente tokom nuklearne reakcije. Kada se to dogodi, reaktivnost reaktora slabi i lančana reakcija spontano prestaje. Može se nastaviti tek nakon zamjene uranijuma u jezgru (gorivih elemenata). Sve što se nakupilo u cijevima mora biti istovareno iz reaktora i zakopano. Ili reciklirajte za ponovnu upotrebu, 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 možete, naprotiv, natjerati da zarade taj novac?
Upravo u ovom odjeljenju RIAR-a rade na tehnologijama za regeneraciju istrošenog nuklearnog goriva, razdvajanju radioaktivnog stajnjaka na korisne elemente i na ono što nikada nigdje neće biti korisno.
U tu svrhu najčešće se koriste metode hemijske separacije. Najjednostavnija opcija je ponovna obrada otopinom, ali ova metoda proizvodi najveću količinu tekućeg radioaktivnog otpada, pa je ova tehnologija bila popularna tek na samom početku nuklearne ere. Trenutno RIAR unaprjeđuje takozvane „suhe“ metode koje proizvode mnogo manje čvrstog otpada koji se mnogo lakše odlaže, pretvarajući ga u staklastu masu.
Sve moderne tehnološke sheme za preradu istrošenog nuklearnog goriva temelje se na procesima ekstrakcije koji se nazivaju Purex proces (od engleskog Pu U Recovery EXtraction), koji se sastoji u reduktivnoj ponovnoj ekstrakciji plutonija iz mješavine uranijuma s njegovim fisionim produktima. Plutonijum izolovan tokom ponovne obrade može se koristiti kao gorivo u mešavini sa uranijum oksidom. Ovo gorivo se naziva MOX (Mixed-Oxide fuel, MOX). Takođe se dobija u RIAR-u, na Odseku za tehnologije goriva. Ovo je gorivo koje obećava.
Sve istraživačke i proizvodne procese operateri provode na daljinu, u zatvorenim komorama i zaštitnim kutijama.
To izgleda otprilike ovako:
Uz pomoć ovakvih elektromehaničkih manipulatora, operateri kontrolišu specijalnu opremu u "vrućim" ćelijama. Operater je od visoke radioaktivnosti zaštićen samo metarskim olovnim staklom, koje se sastoji od 9-10 zasebnih ploča, debljine 10 cm.
Cijena samo jedne čaše uporediva je s cijenom stana u Uljanovsku, a cijela komora procjenjuje se na gotovo 100 miliona rubalja. Pod uticajem zračenja staklo postepeno gubi svoju prozirnost i potrebno ga je zamijeniti. Vidite li "ruku" manipulatora na fotografiji?
Da biste naučili kako majstorski upravljati manipulatorom, potrebne su vam godine obuke i iskustva. Ali uz njihovu pomoć, ponekad je potrebno izvršiti operacije poput odvrtanja i zatezanja malih matica unutar komore.
Na stolu u holu "vrućih" ćelija možete vidjeti uzorke nuklearnog goriva u staklenim kapsulama. Mnogi gosti laboratorije stalno iskosa gledaju u ovaj kofer i boje se prići bliže. Ali ovo je samo lutka, iako vrlo realistična. Upravo tako izgleda uran-dioksid od kojeg se prave magične gorivne pelete za gorivne šipke - sjajni crni prah.
Uran-dioksid nema fazne prelaze i manje je podložan onim nepoželjnim fizičkim procesima koji se dešavaju sa metalnim uranijumom na visokim temperaturama jezgra. Uran dioksid ne stupa u interakciju sa cirkonijumom, niobijumom, nerđajućim čelikom i drugim materijalima od kojih su napravljeni gorivi sklopovi i cevi za gorivo. Ova svojstva omogućavaju njegovu upotrebu u nuklearnim reaktorima, postižući visoke temperature i samim tim visoku efikasnost reaktora.
Kontrolna ploča manipulatora je nešto drugačija modifikacija. U ovoj ćeliji nema stakla, pa se nadzor vrši pomoću kamera postavljenih unutra.
Šta je ovo?! Čovek u vreloj ćeliji?! ali...
U redu je, to je "čista" kamera. Tokom održavanja, nivo zračenja u njemu ne prelazi dozvoljene vrednosti, tako da u njemu možete raditi i bez posebne radio zaštitne opreme. Očigledno, u ovoj komori se vrši konačna montaža gorivnih sklopova od gorivih šipki već napunjenih uranijumskim kuglicama.
S obzirom na ovu ne baš ugodnu blizinu otvorenog nuklearnog goriva, nivo radijacije u laboratoriji ne prelazi prirodne vrijednosti. Sve se to postiže strogim tehnikama zaštite od zračenja. Ljudi rade kao operateri decenijama bez štete po zdravlje.
Ne tako davno, na svom blogu, već sam govorio o tome kako i gdje se proizvodi najskuplji metal na svijetu - California-252. Ali proizvodnja ove superskupe supstance nije jedina delatnost Naučno-istraživačkog instituta za atomske reaktore (NIIAR) u Dimitrovgradu. Od 70-ih, istraživački centar ima Odjel za tehnologije goriva, gdje razvijaju ekološki prihvatljive metode za proizvodnju granuliranog uranijum oksida i preradu već ozračenog nuklearnog goriva (uključujući plutonijum za oružje).
Osim toga, tamo se proizvode i gorivi sklopovi (FA) - uređaji dizajnirani da generiraju toplinsku energiju u reaktoru putem kontrolirane nuklearne reakcije. U suštini, to su baterije za reaktor. Želim govoriti o tome kako i od čega se prave u ovom članku. Pogledat ćemo u samu unutrašnjost “vruće” komore s visokim nivoom zračenja, vidjeti kako izgleda nuklearno gorivo uranijum oksid i saznati koliko može koštati staklo u neobičnom prozoru.
Neću ulaziti u detalje strukture i principa rada nuklearnog reaktora, ali da bismo lakše razumjeli, zamislite kućni bojler u koji teče hladna voda i izlazi topla voda, a zagrijava se električnim zavojnicama ( DESET). U nuklearnom reaktoru ne postoji električna spirala, ali postoje gorivi sklopovi - dugi šesterokuti, koji se sastoje od mnogih tankih metalnih cijevi - gorivnih elemenata (gorivih elemenata), koji sadrže tablete komprimovanog uran-oksida.
(izvor fotografije - sdelanounas.ru)
Zbog stalne fisije jezgri uranijuma oslobađa se velika količina topline koja zagrijava vodu ili drugu rashladnu tekućinu do visoke temperature. A onda prema šemi:
(izvor - lab-37.com)
Tipično, gorivni sklop je heksagonalni snop gorivnih elemenata dužine 2,5–3,5 m, što približno odgovara visini jezgra reaktora. FA su napravljeni od nerđajućeg čelika ili legure cirkonija (za smanjenje apsorpcije neutrona). Gorivni elementi (tanke cijevi) se sklapaju u gorivne sklopove kako bi se pojednostavilo obračun i kretanje nuklearnog goriva u reaktoru. Jedan gorivni sklop obično sadrži 18-350 gorivnih elemenata. Jezgro reaktora obično sadrži 200–1600 gorivih sklopova (u zavisnosti od tipa reaktora).
Ovako izgleda poklopac reaktora (kotla), ispod kojeg se nalaze gorivi sklopovi u okomitom položaju. 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)
A ovako je raspoređena cijev šipke za gorivo koja čini gorivne sklopove:
Dizajn gorivnog elementa reaktora RBMK: 1 - utikač; 2 - tablete uranijum dioksida; 3 - školjka od cirkonija; 4 - opruga; 5 - čahura; 6 - vrh.
Gorivni elementi (cijevi) i tijelo gorivnog sklopa:
I sve bi bilo u redu da se magične tablete uranijum oksida ne raspadnu na druge elemente tokom nuklearne reakcije. Kada se to dogodi, reaktivnost reaktora slabi i lančana reakcija spontano prestaje. Može se nastaviti tek nakon zamjene uranijuma u jezgru (gorivih elemenata). Sve što se nakupilo u cijevima mora biti istovareno iz reaktora i zakopano. Ili reciklirajte za ponovnu upotrebu, 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 možete, naprotiv, natjerati da zarade taj novac?
Upravo u ovom odjeljenju RIAR-a rade na tehnologijama za regeneraciju istrošenog nuklearnog goriva, razdvajanju radioaktivnog stajnjaka na korisne elemente i na ono što nikada nigdje neće biti korisno.
U tu svrhu najčešće se koriste metode hemijske separacije. Najjednostavnija opcija je ponovna obrada otopinom, ali ova metoda proizvodi najveću količinu tekućeg radioaktivnog otpada, pa je ova tehnologija bila popularna tek na samom početku nuklearne ere. Trenutno RIAR unaprjeđuje takozvane „suhe“ metode koje proizvode mnogo manje čvrstog otpada koji se mnogo lakše odlaže, pretvarajući ga u staklastu masu.
Sve moderne tehnološke sheme za preradu istrošenog nuklearnog goriva temelje se na procesima ekstrakcije koji se nazivaju Purex proces (od engleskog Pu U Recovery EXtraction), koji se sastoji u reduktivnoj ponovnoj ekstrakciji plutonija iz mješavine uranijuma s njegovim fisionim produktima. Plutonijum izolovan tokom ponovne obrade može se koristiti kao gorivo u mešavini sa uranijum oksidom. Ovo gorivo se naziva MOX (Mixed-Oxide fuel, MOX). Takođe se dobija u RIAR-u, na Odseku za tehnologije goriva. Ovo je gorivo koje obećava.
Sve istraživačke i proizvodne procese operateri provode na daljinu, u zatvorenim komorama i zaštitnim kutijama.
To izgleda otprilike ovako:
Uz pomoć ovakvih elektromehaničkih manipulatora, operateri kontrolišu specijalnu opremu u "vrućim" ćelijama. Operater je od visoke radioaktivnosti zaštićen samo metarskim olovnim staklom, koje se sastoji od 9-10 zasebnih ploča, debljine 10 cm.
Cijena samo jedne čaše uporediva je s cijenom stana u Uljanovsku, a cijela komora procjenjuje se na gotovo 100 miliona rubalja. Pod uticajem zračenja staklo postepeno gubi svoju prozirnost i potrebno ga je zamijeniti. Vidite li "ruku" manipulatora na fotografiji?
Da biste naučili kako majstorski upravljati manipulatorom, potrebne su vam godine obuke i iskustva. Ali uz njihovu pomoć, ponekad je potrebno izvršiti operacije poput odvrtanja i zatezanja malih matica unutar komore.
Na stolu u holu "vrućih" ćelija možete vidjeti uzorke nuklearnog goriva u staklenim kapsulama. Mnogi gosti laboratorije stalno iskosa gledaju u ovaj kofer i boje se prići bliže. Ali ovo je samo lutka, iako vrlo realistična. Upravo tako izgleda uran-dioksid od kojeg se prave magične gorivne pelete za gorivne šipke - sjajni crni prah.
Uran-dioksid nema fazne prelaze i manje je podložan onim nepoželjnim fizičkim procesima koji se dešavaju sa metalnim uranijumom na visokim temperaturama jezgra. Uran dioksid ne stupa u interakciju sa cirkonijumom, niobijumom, nerđajućim čelikom i drugim materijalima od kojih su napravljeni gorivi sklopovi i cevi za gorivo. Ova svojstva omogućavaju njegovu upotrebu u nuklearnim reaktorima, postižući visoke temperature i samim tim visoku efikasnost reaktora.
Kontrolna ploča manipulatora je nešto drugačija modifikacija. U ovoj ćeliji nema stakla, pa se nadzor vrši pomoću kamera postavljenih unutra.
Šta je ovo?! Čovek u vreloj ćeliji?! Ali…
U redu je, to je "čista" kamera. Tokom održavanja, nivo zračenja u njemu ne prelazi dozvoljene vrednosti, tako da u njemu možete raditi i bez posebne radio zaštitne opreme. Očigledno, u ovoj komori se vrši konačna montaža gorivnih sklopova od gorivih šipki već napunjenih uranijumskim kuglicama.
S obzirom na ovu ne baš ugodnu blizinu otvorenog nuklearnog goriva, nivo radijacije u laboratoriji ne prelazi prirodne vrijednosti. Sve se to postiže strogim tehnikama zaštite od zračenja. Ljudi rade kao operateri decenijama bez štete po zdravlje.
