La invención se refiere al campo de la energía atómica y puede utilizarse para la fabricación de barras de combustible para reactores de potencia. El objetivo técnico de la presente invención es crear un diseño de barra de combustible en el que se pueda utilizar plutonio o uranio altamente enriquecido en forma de aleaciones o dióxidos sin diluirlos con uranio o torio empobrecido o natural, garantizando al mismo tiempo la carga requerida, la relación de nucleidos fisionables y fértiles, aumentando el recurso y aumentando la confiabilidad de la operación, incluso en situaciones de emergencia. En un elemento combustible, una parte del núcleo con una fracción de masa de nucleidos fisionables del 200 al 100% está encerrada en una o más ampollas selladas de diversas formas geométricas, hechas del mismo o diferente material estructural que el revestimiento del elemento combustible. Las ampollas tienen un volumen libre para compensar el hinchamiento del combustible nuclear y recoger fragmentos gaseosos de fisión. El resto del núcleo de la barra de combustible contiene combustible nuclear con una fracción másica de nucleidos fisionables del 0,715% y de nucleidos fértiles del 0,01 al 100%. 5 salario, 4 enfermos.
La invención se refiere a la tecnología nuclear y puede utilizarse en la fabricación de elementos combustibles (elementos combustibles) con combustible nuclear a partir de plutonio o uranio altamente enriquecido para reactores de potencia de neutrones térmicos. La industria de la energía nuclear mundial utiliza reactores térmicos y de neutrones rápidos, pero el 85% de la electricidad de todas las centrales nucleares se genera en reactores térmicos de neutrones de agua ligera, la mayoría de los cuales utilizan barras de combustible de tipo contenedor. Dichos elementos combustibles son una carcasa metálica cilíndrica con un diámetro de 7 a 15 mm con tapas en los extremos, dentro de la cual se coloca un núcleo en forma de tabletas o gránulos compactados por vibración hechos de dióxido de uranio o una mezcla de dióxidos de uranio y plutonio, mientras que Por regla general, la fracción másica de los nucleidos fisionables es el uranio-235, el plutonio-239 y el plutonio-241 constituyen menos del 6% del contenido total de uranio y plutonio en el combustible nuclear. Las barras de combustible tienen volumen libre para compensar los cambios volumétricos del combustible nuclear y recoger fragmentos de fisión gaseosos. Para reducir el nivel de temperatura de los núcleos de las barras de combustible, a veces se hacen agujeros en los pellets y los volúmenes libres se llenan con helio o materiales de bajo punto de fusión, por ejemplo sodio, una aleación de sodio y potasio, una aleación de plomo y bismuto, etc. 1/. Además de las barras de combustible de tipo contenedor, en los reactores de energía nuclear y, en mayor medida, en los reactores de investigación, se utilizan barras de combustible de tipo dispersión, caracterizadas porque su núcleo está formado por partículas de combustible nuclear distribuidas uniformemente en una matriz inerte. . Esta estructura del núcleo de la barra de combustible localiza fragmentos de fisión en las partículas de combustible nuclear y en las delgadas capas de matriz adyacentes a ellas, por lo que no hay volumen libre en las barras de combustible para recolectar fragmentos de fisión gaseosos /2/. Las barras de combustible tipo contenedor son fáciles de fabricar y operar de manera confiable a niveles de potencia de reactores estacionarios durante una campaña de 2, 3 y, menos frecuentemente, 4 años con una alta tasa de conversión de nuevo combustible nuclear (hasta 0,5). La producción de energía de tales barras de combustible está limitada por los cambios volumétricos del combustible nuclear debido a los fragmentos de fisión acumulados, la transferencia de masa de combustible nuclear de la zona caliente (hasta 2000 o C) a la fría (alrededor de 300 o C), el efecto corrosivo de fragmentos de fisión agresivos en el revestimiento y maniobras de la potencia del reactor mediante tensiones termomecánicas en la cáscara y el núcleo, asociadas con la diferencia en sus niveles de temperatura y coeficientes de expansión térmica de los materiales. Además, la alta temperatura del núcleo de la barra de combustible, la energía térmica acumulada en él y la liberación de calor residual en situaciones de emergencia pueden provocar quemaduras en el revestimiento. Independientemente del motivo de la despresurización del elemento combustible, ya sea accidental, por agotamiento de la vida útil del elemento combustible o por una situación de emergencia, los fragmentos de fisión liberados del combustible nuclear ingresan al refrigerante y su radiactividad puede exceder los valores máximos permitidos. Para elementos combustibles dispersivos, con una buena conductividad térmica de la matriz, lo que garantiza un contacto térmico confiable entre el combustible nuclear y el revestimiento, el nivel de temperatura del núcleo del elemento combustible se reduce significativamente, por ejemplo, la diferencia de temperatura en el núcleo con una aleación de aluminio. La matriz en el elemento combustible del reactor VVER-1000 se puede reducir en aproximadamente un orden y medio de magnitud (de 1500 o C a 100 o C). Esto permite operar con éxito las barras de combustible en modos maniobrables, hacerlas menos seguras en situaciones de emergencia y, en caso de despresurización de las barras de combustible, reducir el grado de contaminación del refrigerante, ya que entrará en contacto con el combustible nuclear solo en el Ubicación del defecto. Además, a bajas temperaturas, el combustible nuclear está menos sujeto a cambios volumétricos debido a los fragmentos de fisión acumulados y es posible utilizar otros tipos de combustible nuclear, por ejemplo, siliciuro de uranio, aleación de uranio-molibdeno, etc. Sin embargo, la menor concentración en El núcleo del elemento combustible dispersivo del combustible nuclear requiere un aumento en la fracción de masa del nucleido fisible, lo que en consecuencia reduce la tasa de conversión del nuevo combustible nuclear. La producción de energía de las barras de combustible dispersivas está limitada por el aumento admisible del diámetro de la barra de combustible o la deformación admisible del material de revestimiento. Como resultado de la orientación de la energía nuclear mundial hacia reactores de agua ligera con barras de combustible tipo contenedor y combustible de dióxido, se han acumulado varios cientos de toneladas de plutonio, que tiene una composición poliisotópica con números de masa de 238, 239, 240, 241 y 242. Ha surgido el problema del almacenamiento de plutonio y su posterior utilización. El uso más eficaz del plutonio como combustible nuclear es en reactores de neutrones rápidos, pero su número en el mundo es limitado y el programa de construcción de nuevos reactores se ha retrasado durante varias décadas. Al problema del uso de plutonio poliisotópico se suma el de la rápida destrucción del uranio y el plutonio liberados como resultado del desarme. La solución más común para utilizar plutonio en reactores de neutrones térmicos es diluirlo con uranio empobrecido o natural, ya que para los reactores de neutrones térmicos la fracción de masa de plutonio debe ser de aproximadamente el 5%. Este combustible se llama uranio-plutonio o combustible mixto. Cabe señalar que en los reactores de neutrones térmicos sólo se fisionan los isótopos impares de plutonio. El isótopo plutonio-241, cuya concentración en el plutonio poliisotópico alcanza el 14% en peso, tiene una vida media de unos 14 años, mientras que el americio 241 se forma con radiación gamma dura, lo que complica el trabajo con plutonio poliisotópico a largo plazo. almacenamiento. Además, hay pérdidas de plutonio de calidad energética (alrededor del 9% en 10 años). A diferencia del plutonio poliisotópico, el plutonio apto para armas contiene principalmente el isótopo 239 y puede considerarse monoisotópico. La principal dificultad en la producción de combustible nuclear de dióxido mixto es la creación de una mezcla homogénea de plutonio y dióxido de uranio a partir de la cual se prensan los pellets. También se está considerando la posibilidad y viabilidad de utilizar combustible mixto de dióxido microesférico directamente para la fabricación de elementos combustibles con un núcleo compactado por vibración o para la fabricación de pellets a partir de ellos. La ventaja de utilizar microesferas sobre polvos es una forma más cómoda de manipulación en todas las etapas del proceso tecnológico y una formación de polvo significativamente menor, lo que garantiza un trabajo más seguro para los operadores. La tecnología para fabricar pastillas a partir de polvos que contienen aproximadamente un 5% de dióxido de plutonio, equipar las barras de combustible con pastillas o microesferas de combustible de dióxido mixto y el diseño de las barras de combustible son similares a las utilizadas para el combustible de uranio. Sin embargo, existe una diferencia fundamental en la organización de la producción en sí para la producción de elementos combustibles con combustible nuclear de dióxido mixto, especialmente cuando se utiliza plutonio poliisotópico. Para crear un ambiente de radiación normal en las instalaciones de producción, todos los equipos deben colocarse en cámaras selladas de forma segura y todo el proceso tecnológico debe automatizarse al máximo posible, incluidas las operaciones de control. Todo esto conduce a un aumento del coste de fabricación de barras de combustible. El diseño de la barra de combustible tipo contenedor que más se acerca al diseño de barra de combustible propuesto es. El elemento combustible consta de una carcasa cilíndrica y tapones terminales hechos de una aleación a base de circonio, en cuyo interior se encuentra un núcleo en forma de pastillas sinterizadas de dióxido de uranio o combustible mixto con un contenido de isótopos fisionables de aproximadamente el 5% en peso. y volumen libre para compensar su hinchazón y acumulación de fragmentos de fisión gaseosos. Para mejorar la transferencia de calor del combustible nuclear a la coraza, el volumen libre interno se llena con helio /1, p. 45/. La desventaja de una barra de combustible de este tipo con combustible mixto es que el costo de fabricar una barra de combustible es 4-5 veces mayor en comparación con una barra de combustible con combustible de uranio, lo que está asociado con garantizar la homogeneidad de la mezcla de dióxidos y prensar los pellets cumpliendo con las normas. con los requisitos de seguridad radiológica y las normas sanitarias. También cabe señalar que para preparar una mezcla con un 5% de dióxido de plutonio, es necesario procesar 20 veces más materiales que contienen plutonio. El principal objetivo técnico de la presente invención es crear un diseño de barra de combustible para reactores de potencia de neutrones térmicos, en el que se pueda utilizar como combustible nuclear plutonio o uranio poliisotópico o monoisotópico con una fracción de masa de nucleidos fisibles de hasta el 100%. A diferencia de la configuración conocida de un elemento combustible en forma de contenedor, cuyo núcleo está compuesto por una mezcla homogénea de dióxidos de uranio y plutonio, la solución al problema técnico se consigue encerrando una parte del núcleo del elemento combustible con una fracción de masa de nucleidos fisionables del 20 al 100% en una o varias ampollas selladas de diversas formas geométricas, fabricadas con el mismo o diferente material estructural del revestimiento del elemento combustible. Las ampollas tienen un volumen libre para compensar el hinchamiento del combustible nuclear del núcleo de la ampolla y recoger fragmentos de fisión gaseosos. El resto del núcleo de la barra de combustible contiene combustible nuclear con una fracción de masa de nucleidos fisionables de hasta el 0,715% y nucleidos fértiles del 0,01 al 100%. Para asegurar la eliminación de calor de las ampollas y el combustible nuclear del núcleo de la barra de combustible, los huecos formados por las ampollas y el combustible nuclear dentro del revestimiento de la barra de combustible se llenan con material de contacto. El resultado técnico logrado por la invención reivindicada es que, además de reducir la intensidad de mano de obra y el volumen de materiales procesados que contienen plutonio, también es posible introducir en el núcleo de la barra de combustible ampollas en las que se concentran más del 70% de los fragmentos de fisión, y material de contacto, que reduce el nivel de temperatura del núcleo de la barra de combustible, garantiza un funcionamiento confiable de la barra de combustible en modos de operación maniobrables del reactor, crea dos etapas adicionales de protección para la fuente principal de radiactividad en caso de despresurización de la barra de combustible, lo que hace que el combustible varilla menos peligrosa en situaciones de emergencia. El diseño de barra de combustible propuesto permite aumentar su producción de energía, ya que la tasa y magnitud de los cambios volumétricos en la parte del núcleo de la barra de combustible con nucleidos fértiles se reducirá significativamente en comparación con el núcleo de la barra de combustible del diseño anterior hecho de mezcla. combustible, ya que los cambios volumétricos en los núcleos de las ampollas en los que se acumula la mayor parte de los fragmentos de fisión se compensan en las ampollas; además, el núcleo de la barra de combustible tiene una temperatura de funcionamiento significativamente más baja. La solución técnica propuesta permite variar los diseños y materiales de las ampollas, los materiales y la forma del combustible nuclear de las ampollas y los núcleos de las barras de combustible, la relación entre las cantidades de nucleidos fisionables y fértiles, el uso de los mismos o diferentes materiales de contacto en las ampollas y núcleos de barras de combustible, el uso, en caso necesario, en las ampollas y núcleos de barras de combustible y en el material de construcción de las ampollas de absorbentes combustibles, el uso de getters en las ampollas. En los núcleos de combustible de las ampollas, lo más recomendable es utilizar combustible nuclear en forma de partículas de forma arbitraria (granos) o repetidas (gránulos) de dióxido de plutonio o en forma de alambre, cintas o gránulos de aleaciones de plutonio con galio. cuando se utiliza plutonio monoisotópico, y en el núcleo de la barra de combustible: compuestos químicos o aleaciones de uranio o torio, por ejemplo, dióxidos, siliciuros, nitruros, una aleación de uranio con 9% de molibdeno, etc., mientras que la forma geométrica y las dimensiones de la energía nuclear El combustible en los núcleos de ampolla y el núcleo de la barra de combustible puede ser el mismo, por ejemplo, grano-grano, gránulos-gránulos o diferente, por ejemplo, gránulos, gránulos, bloques, etc. Estructuralmente, las ampollas se pueden fabricar en forma de bolas, discos, anillos, placas poliédricas o perfiladas, rectas, retorcidas con respecto al eje longitudinal, o cintas o varillas enrolladas en forma de varias espirales con puntas redondas, ovaladas, triangulares, cuadradas, sección transversal rectangular, poliédrica, de tres o múltiples pétalos o de otro tipo, incluso con nervaduras para mantener el espaciado en el núcleo de la barra de combustible. La longitud del núcleo de combustible de las ampollas puede coincidir o ser un múltiplo de la longitud del núcleo de la barra de combustible. El volumen de compensación de las ampollas puede estar alojado íntegramente en el núcleo de la barra de combustible o desplazarse parcialmente fuera del mismo con la misma geometría de ampolla o una modificada. Además, se puede colocar un captador en el volumen de compensación. Si es necesario cargar isótopos fisibles de manera desigual a lo largo del núcleo de la barra de combustible, se puede garantizar mediante el número y el espaciado de las ampollas, cargando combustible nuclear en ampollas con una longitud del núcleo que sea un múltiplo del núcleo de la barra de combustible. de longitud, y una sección transversal, un paso de torsión o de bobinado variables, correspondiendo la longitud de los núcleos de las ampollas a la longitud del núcleo de la barra de combustible. Como materiales de contacto en el núcleo de la barra de combustible y en los núcleos de las ampollas, se pueden utilizar materiales que se encuentran en estado sólido en las condiciones de funcionamiento de la barra de combustible, por ejemplo, aleaciones de magnesio, aluminio, etc., o en estado líquido (aleación de plomo con bismuto, sodio , etc.), pueden utilizarse, y en cualquier combinación de estados (líquido-líquido, sólido-líquido, sólido-sólido, líquido-sólido) y composiciones químicas. El material del revestimiento del elemento combustible y de la ampolla puede ser el mismo, por ejemplo, aleación de circonio E-110 - aleación de circonio E-110, acero inoxidable EI-847 - acero inoxidable EI-847 o diferente, por ejemplo circonio. aleación E-110 - acero inoxidable EI-847, aleación de circonio E-110 - aleación de circonio E-125, acero inoxidable EI-844BU-ID, acero inoxidable EI-852, etc. Si es necesario, se pueden introducir absorbentes combustibles en la central nuclear. combustible de barras de combustible y ampollas, y/o en forma de una mezcla de partículas de absorbente combustible con partículas de combustible nuclear de barras de combustible y ampollas, y/o en el material estructural de ampollas, mientras sean iguales o diferentes en cuanto a composición química composición y/o concentración del isótopo absorbente. Por ejemplo, en el núcleo de la barra de combustible hay óxido de gadolinio en la composición de partículas de combustible nuclear, en el núcleo de la ampolla, óxido de gadolinio en forma de partículas mezcladas con partículas de combustible nuclear, en el material de la ampolla, boro en una aleación de circonio. Un análisis comparativo de la solución técnica propuesta con la conocida nos permite establecer el cumplimiento de la solución técnica propuesta con los requisitos de las invenciones. La invención se ilustra mediante dibujos. La Figura 1 muestra una barra de combustible con tres ampollas cilíndricas que tienen núcleos de longitud correspondiente a la longitud del núcleo de la barra de combustible, material de contacto en el núcleo de la barra de combustible, que está en estado sólido en las condiciones operativas de la barra de combustible. En la Fig. La Figura 2 muestra un elemento combustible con ampollas cilíndricas con núcleos que tienen una longitud que es un múltiplo de la longitud del núcleo del elemento combustible, y materiales de contacto de las ampollas y núcleos del elemento combustible, que están en estado líquido en condiciones de operación. La Figura 3 muestra un elemento combustible con una ampolla en forma de cinta retorcida con una longitud de núcleo correspondiente a la longitud del núcleo del elemento combustible, con un colector de gas ubicado fuera del núcleo del elemento combustible. En la Fig. La figura 4 muestra un elemento combustible con una ampolla en forma de cinta perfilada, retorcida en una espiral cilíndrica, con una longitud de núcleo correspondiente a la longitud del núcleo del elemento combustible, un colector de gas ubicado fuera del núcleo del elemento combustible. El diseño del elemento combustible (ver Fig. 1) es una carcasa (1), sellada en los extremos con tapones (2), dentro de la cual se encuentra un núcleo (3), que consiste en una mezcla de gránulos de combustible nuclear compactada por vibración. que contiene nucleidos fértiles (4) y un absorbente de gránulos combustibles (5), en cuyos espacios se coloca material de contacto (6), que se encuentra en estado sólido en las condiciones de funcionamiento del elemento combustible. En el núcleo de la barra de combustible se encuentran tres ampollas cilíndricas (7) a intervalos de 120º. Hay un espacio entre las ampollas y la cubierta de al menos 0,1 veces el diámetro de las ampollas, y el diámetro mínimo de los gránulos es al menos 1,2 veces el espacio. La ampolla es un tubo cilíndrico de paredes delgadas (8), sellado en los extremos con tapones (9), dentro del cual hay un núcleo (10), que consiste en una mezcla compactada por vibración de gránulos porosos de combustible nuclear que contienen nucleidos fisionables (11). ), y un captador (12). El tamaño máximo de gránulo no es más de 0,3 del diámetro interno de la ampolla. El volumen de compensación en la ampolla (13) es la porosidad intergranular e intragranular. Para alinear el inicio del núcleo de la barra de combustible y las ampollas, el tapón inferior tiene una arandela (14) con ranuras para ampollas, cuyo espesor es igual a la distancia desde el extremo de la ampolla hasta el inicio del núcleo de la ampolla. Por encima de la capa del núcleo de la barra de combustible hay un tapón (15) hecho de material inerte, cuya altura es mayor que la parte que sobresale de la ampolla por encima del núcleo de la barra de combustible. El material de la carcasa y los tapones de las barras de combustible es una aleación de circonio, por ejemplo, E-110, y el material de la ampolla y los tapones es acero inoxidable, por ejemplo, acero EI-844BU-ID. Como combustible nuclear para el núcleo de la barra de combustible se pueden utilizar aleaciones y compuestos de uranio o torio empobrecido o natural con molibdeno, circonio, nitrógeno, silicio, aluminio, etc., dependiendo de la proporción requerida de nucleidos fisionables y fértiles en la barra de combustible. El núcleo de las ampollas es dióxido de plutonio o uranio altamente enriquecido. Como absorbentes combustibles se pueden utilizar óxido de gadolinio, carburo de boro, titanato de gadolinio, etc., y como material de contacto del núcleo de la barra de combustible se pueden utilizar aleaciones de magnesio o aluminio. Como material getter se utilizan compuestos que contienen bario con circonio, aluminio y níquel. El material del corcho son partículas de óxido de aluminio sinterizadas (grano abrasivo). El diseño del elemento combustible (ver Fig. 2) es una carcasa (1), sellada en los extremos con tapones (2), dentro de la cual se encuentra un núcleo (3), que consiste en combustible nuclear que contiene nucleidos fértiles (4) y que tienen forma de bloques cilíndricos con seis ranuras cada 60 o a lo largo de las generatrices del cilindro, y material de contacto (6), colocado en los espacios entre los bloques y la carcasa del elemento combustible y que se encuentra en estado líquido en condiciones de operación. El nivel del material de contacto es 3-5 mm más alto que el nivel del último bloque. En las ranuras de los bloques se encuentran ampollas cilíndricas (7). La ampolla es un tubo cilíndrico de paredes delgadas (8), sellado en los extremos con tapones (9), en cuyo interior se encuentra un núcleo (10) que consiste en combustible nuclear que contiene nucleidos fisionables (11), en forma de gránulos con una diámetro no mayor a 0,3 o un alambre con un diámetro no mayor a 0,7 del diámetro interno de la ampolla, y el material de contacto (16), que se encuentra en estado líquido en las condiciones de funcionamiento del elemento combustible. El nivel del material de contacto es de 2 a 3 mm más alto que el nivel de combustible nuclear en la ampolla. El volumen de compensación en la ampolla (13) es el volumen libre situado por encima del nivel del material de contacto. Para alinear el inicio del núcleo de la barra de combustible y las ampollas, en el tapón inferior de la barra de combustible se encuentra una arandela (14) que sigue el perfil de los bloques, cuyo espesor es igual a la distancia desde el extremo de la ampolla hasta el comienzo del núcleo de la ampolla. Las ampollas a lo largo del elemento combustible están ubicadas de modo que en las ranuras de cada bloque, excepto el primero, los núcleos y los volúmenes de compensación de las ampollas se alternan cada 60 o. Esto se logra por el hecho de que la longitud de las ampollas es igual a la altura de un número par de bloques (en la Fig. 1 es igual a dos bloques), la longitud de los bloques del núcleo de la barra de combustible es igual a la longitud de el núcleo de las ampollas, y en el primer bloque, se instalan en tres ranuras los simuladores de ampollas (17) con una longitud igual a la mitad de la longitud de la ampolla. Para distanciar las ampollas y los bloques entre sí y el casquillo, en la superficie exterior de las ampollas hay un alambre enrollado en espiral (18) con un diámetro de al menos 0,1 del diámetro de la ampolla, cuyos extremos están soldados a los extremos. de las ampollas. Para compensar los cambios volumétricos en el núcleo de la barra de combustible y recoger los fragmentos gaseosos de fisión liberados en él, se deja un volumen libre (19) por encima del nivel del material de contacto. Los materiales de la carcasa y los tapones de las barras de combustible y las ampollas pueden ser los mismos que los de la barra de combustible que se muestra en la figura 1. El material de combustible nuclear del núcleo de la barra de combustible puede ser aleaciones y compuestos de uranio o torio empobrecido o natural con molibdeno, circonio, silicio, aluminio, etc., y el material de combustible nuclear del núcleo de la ampolla puede ser una aleación de plutonio con galio. o una aleación de uranio altamente enriquecido con molibdeno. El material de contacto del núcleo de la barra de combustible puede ser una aleación de plomo-bismuto, y el material de contacto del núcleo de la ampolla también puede ser una aleación de plomo-bismuto o sodio. El diseño del elemento combustible (ver Fig. 3) es una carcasa (1), sellada en los extremos con tapones (2), dentro de la cual se encuentra un núcleo (3), que consiste en una mezcla de gránulos de combustible nuclear compactada por vibración. (4) que contiene nucleidos fértiles, y un absorbente combustible (5), en cuyos espacios hay un material de contacto (6), que se encuentra en estado sólido en condiciones de funcionamiento. En el centro del núcleo de la barra de combustible se encuentra una ampolla (7). La ampolla es una cinta hueca (8), sellada en el extremo inferior con un tapón (9) y retorcida con respecto al eje longitudinal, dentro de la cual se encuentra un núcleo (10) que consiste en gránulos de combustible nuclear compactados por vibración que contienen nucleidos fértiles. (11) con un diámetro máximo de gránulo no mayor a 0,3 de espesor del núcleo, y en la parte superior de la ampolla, fuera del núcleo de la barra de combustible, se ubica un getter (12). Para alinear el inicio de la barra de combustible y los núcleos de la ampolla, se dispone de una arandela (14) con una ranura para la ampolla, cuyo espesor es igual a la distancia desde el extremo de la ampolla hasta el inicio del núcleo de la ampolla. Por encima de la capa del núcleo de la barra de combustible hay un tapón (15) hecho de material inerte, cuya altura es igual a la distancia desde el núcleo de la barra de combustible al colector de gas (20). El volumen de compensación de la ampolla (13) es el colector de porosidad intergranular y gas (20). El núcleo de combustible de la ampolla está separado del colector de gas por un taco permeable al gas (21). Todos los materiales de este diseño de barra de combustible son similares a los materiales del diseño de barra de combustible que se muestra en la Fig. 1. Sin embargo, para este elemento combustible también se pueden utilizar aleaciones de aluminio como material de la carcasa de la ampolla. El diseño del elemento combustible (ver Fig.4) es una carcasa (1), sellada en los extremos con tapones (2), dentro de la cual hay un núcleo (3), que consiste en gránulos compactados por vibración que contienen combustible nuclear con fértil. nucleidos (4) y un absorbente quemable (5), en cuyos espacios hay material de contacto (6), que se encuentra en estado sólido en condiciones de funcionamiento. En el núcleo de la barra de combustible se encuentra una ampolla (7). Una ampolla es una cinta perfilada enrollada en forma de espiral cilíndrica, en cuya superficie exterior hay una nervadura que proporciona un espacio entre la parte cilíndrica de la ampolla y el casquillo de al menos 0,15 mm, y el diámetro mínimo de los gránulos del núcleo de la barra de combustible son 1,2 veces más grandes que el espacio. La ampolla se cierra en el fondo con un tapón (9). En el interior de la ampolla se encuentra un núcleo (10) con una longitud correspondiente a la longitud del núcleo de la barra de combustible, compuesto de combustible nuclear que contiene nucleidos fisionables (11). Para alinear el inicio de la barra de combustible y los núcleos de la ampolla, se dispone de una arandela (14) con una ranura para la ampolla, cuyo espesor es igual a la distancia desde el extremo de la ampolla hasta el inicio del núcleo de la ampolla. Por encima de la capa del núcleo de la barra de combustible hay un tapón (15) hecho de material inerte, cuya altura es igual a la distancia desde el núcleo de la barra de combustible al colector de gas (20). El volumen de compensación de la ampolla (13) es el colector de porosidad intergranular y gas (20). El núcleo de combustible de la ampolla está separado del colector de gas por un taco permeable al gas (21). Todos los materiales de las barras de combustible son similares a los materiales del diseño de las barras de combustible que se muestran en la Fig. 1, teniendo en cuenta que en este diseño de elemento combustible, el material de la carcasa de la ampolla pueden ser aleaciones de aluminio. Fabricación del elemento combustible que se muestra en la Fig. 1, probado en condiciones de laboratorio. La carcasa (1) con un diámetro de 9,15 x 7,72 mm, una longitud de 950 mm y los tapones estaban hechos de aleación de circonio E-110. Las ampollas (7) se fabricaron a partir de tubos capilares (8) con un diámetro de 1,5 x 1,26 mm. Se utilizó acero EI-844BU-ID como material para las ampollas y sus tapones. Las ampollas contenían un núcleo (10) hecho de una mezcla compactada por vibración de gránulos de dióxido de uranio al 98% en peso. y aleación de bario con circonio al 2% en peso. Los gránulos de dióxido de uranio tenían una porosidad interna del 12-15%. La composición fraccionada de la mezcla de granulados fue -0,4+0,08 mm. La porosidad intragranular e intergranular total, que es el volumen de compensación (13), se calcula en 50 - 55%. La longitud del núcleo de la ampolla era de 900 a 5 mm. Para alinear los núcleos de las ampollas (10) y la barra de combustible (3) se instaló una arandela (14) de 4 mm de espesor, fabricada en aleación de circonio E-110. Como material del núcleo de la barra de combustible (3) se utilizó una mezcla compactada por vibración de gránulos de dióxido de uranio (4) al 95% en peso. y óxido de gadolinio (5) 5% en peso. composición fraccionada -0,5 + 0,315 mm, impregnada con material de contacto (7) - aleación de aluminio con 12% en peso. silicio La longitud del núcleo de la barra de combustible era de 900 a 5 mm y el llenado volumétrico con gránulos era de 60 a 65%. Sobre la capa del núcleo de la barra de combustible, se creó un tapón (15) a partir de partículas de óxido de aluminio sinterizado de forma redonda (molienda) con una composición fraccionada de 0,5 a 0,6 mm, que también se impregnó con material de contacto. Las ampollas en el núcleo de la barra de combustible se ubicaron a intervalos de 120 o con un espacio entre las ampollas y el revestimiento de 0,2 mm. La producción de ampollas se llevó a cabo en la siguiente secuencia. Recortar el tubo al tamaño adecuado, sellar un extremo de la ampolla, vibrar, llenar la ampolla con helio y sellar el segundo extremo de la ampolla, comprobar la estanqueidad de la ampolla y la distribución uniforme del combustible nuclear a lo largo de la ampolla. La fabricación de elementos combustibles incluyó las siguientes operaciones tecnológicas. Recortar el tubo al tamaño adecuado y sellar un extremo, instalar una arandela y ampollas, hacer vibrar la barra de combustible, agregar un tapón e impregnar el núcleo de la barra de combustible y el tapón con aleación de aluminio fundido, sellar el segundo extremo de la barra de combustible y engarzar la barra de combustible. con helio y control de estanqueidad, control de la distribución del combustible nuclear en la barra de combustible, calidad del material de contacto de impregnación y apariencia. Los resultados de la fabricación de muestras de laboratorio de barras de combustible mostraron que la distribución desigual del combustible nuclear en ampollas no supera el 7% y en las barras de combustible, el 10%. La calidad de la impregnación de los núcleos de las barras de combustible es satisfactoria y el aspecto de las barras de combustible corresponde a las muestras de control. La tecnología de fabricación para otras variantes de diseños de elementos combustibles es similar a la indicada anteriormente, sólo que en las variantes con elementos combustibles en tiras, los tubos también están perfilados y las ampollas llenas reciben la forma requerida. De esta manera, se ha demostrado la posibilidad real de crear barras de combustible del diseño propuesto, y la combinación de composiciones seleccionadas de combustible nuclear, materiales estructurales, de contacto y otros y diseños de ampollas garantizará un aumento en el recurso y aumentará la confiabilidad de la operación. de barras de combustible en modos maniobrables en condiciones específicas de funcionamiento del reactor. Al implementar una barra de combustible según la invención reivindicada, se pueden utilizar otras formas, tamaños y geometrías de gránulos, materiales estructurales, nucleares, combustibles y captadores y su colocación en el núcleo de la barra de combustible, no considerados en los ejemplos anteriores. El uso de barras de combustible según la invención reivindicada en reactores de potencia es más económico en comparación con barras de combustible que utilizan combustible mixto y satisface mejor los requisitos de ecología, saneamiento y seguridad radiológica. Fuentes de información utilizadas 1. "Desarrollo, producción y operación de elementos combustibles para reactores de potencia", libro 1. Moscú, Energoatomizdat, 1995 (Prototipo en la p. 45). 2. A. G. Samoilov, A. I. Kashtanov, V. S. Volkov. "Elementos combustibles dispersos de reactores nucleares", volumen 1. Moscú, Energoizdat, 1982.
El artículo habla de qué son las barras de combustible, para qué se necesitan, dónde se utilizan, cómo se crean y si existen reactores que no utilicen barras de combustible.
Era atómica
Probablemente la rama de energía más joven sea la nuclear. Sólo a finales del siglo XIX los científicos pudieron comprender parcialmente qué es la radiactividad y qué sustancias tienen estas propiedades. Y este conocimiento le costó la vida a muchas personas, ya que los efectos destructivos de la radiación en los organismos vivos permanecieron desconocidos durante mucho tiempo.
Mucho más tarde, los materiales radiactivos encontraron aplicación tanto en la vida civil como en la militar. Actualmente, todos los países desarrollados cuentan con sus propias armas nucleares y centrales nucleares, que permiten obtener grandes cantidades de energía independientemente de los combustibles fósiles o de recursos naturales como el agua (estamos hablando de centrales hidroeléctricas).
TVEL es...
Pero para construir para producir electricidad u otros fines, primero es necesario fabricar el combustible adecuado, porque aunque el uranio natural tiene radiactividad, su energía no es suficiente. Por lo tanto, en la mayoría de los tipos de reactores se utiliza combustible que, a su vez, se carga en dispositivos especiales llamados barras de combustible. Un elemento combustible es un dispositivo especial que forma parte de un reactor nuclear y contiene su diseño y tipo de combustible, que analizaremos con más detalle.
Diseño
Dependiendo del tipo de reactor, algunos parámetros de los elementos combustibles pueden variar, pero su diseño general y principio de diseño son los mismos. En pocas palabras, una barra de combustible es un tubo hueco hecho de otros metales, en el que se instalan pastillas de combustible de dióxido de uranio.
Combustible
El uranio es el material radiactivo más utilizado; a partir de él se producen muchos otros isótopos que se utilizan tanto en la industria como en armas. Su extracción no es muy diferente a la extracción de carbón y en su estado natural es absolutamente seguro para las personas. Entonces las historias sobre dónde son exiliados los prisioneros no son más que un mito. Es más probable que una persona muera por falta de luz solar y por trabajar duro en una mina que por enfermedad por radiación.
La extracción de uranio es muy sencilla: la roca se rompe mediante explosiones, después de lo cual se lleva a la superficie, donde se clasifica y se procesa posteriormente. El proceso de enriquecimiento de uranio se puede llevar a cabo de varias maneras, pero en Rusia se realiza mediante centrifugadoras de gas. Primero, el uranio se convierte a un estado gaseoso, después de lo cual el gas se separa en centrífugas bajo la influencia de la fuerza centrífuga y se separan los isótopos necesarios. Después, se convierten en dióxido de uranio, se prensan en tabletas y se cargan en barras de combustible. Este es el método más común de producir combustible para elementos combustibles.
Solicitud
El número de barras de combustible en un reactor depende de su tamaño, tipo y potencia. Después de la fabricación, se cargan en un reactor, donde comienza a tener lugar una reacción de desintegración nuclear, como resultado de lo cual se produce una poderosa liberación de una gran cantidad de calor, que sirve como fuente de energía. Además, la potencia del reactor puede controlarse mediante el número de elementos combustibles en el área de trabajo. De vez en cuando, a medida que se van utilizando, se van sustituyendo por otras nuevas, por pastillas de dióxido de uranio “frescas”. Ahora sabemos qué significan las barras de combustible, cómo se fabrican y para qué sirven. Sin embargo, no todos los reactores nucleares requieren tales elementos, y estos son RTG.
RTG
Un radioisótopo es un dispositivo que en principio es similar a los reactores nucleares, pero su proceso no se basa en una reacción en cadena de desintegración de átomos, sino térmica. En pocas palabras, se trata de una gran instalación que produce mucho calor con material radiactivo, que a su vez se convierte directamente en electricidad. A diferencia de los reactores nucleares, los RTG no tienen piezas móviles y son más fiables, compactos y duraderos. Pero al mismo tiempo tienen una eficiencia mucho menor.
Se utilizaron principalmente en aquellas condiciones en las que es imposible obtener energía de otras formas, o estos métodos son muy difíciles. Durante los años de la URSS, los RTG se suministraron a estaciones meteorológicas y de investigación del Extremo Norte, faros costeros, boyas marinas, etc.
Actualmente su vida útil ha expirado, pero algunos de ellos aún permanecen en su ubicación original y muchas veces ni siquiera están protegidos de ninguna manera. Como resultado de esto, se producen accidentes, por ejemplo, los cazadores de metales no ferrosos intentaron desmantelar varias de estas instalaciones y recibieron una fuerte radiación, y en Georgia los residentes locales las utilizaron como fuentes de calor y también sufrieron enfermedades por radiación.
Ahora conocemos la estructura de los elementos combustibles y hemos analizado su definición. Las barras de combustible son partes importantes del reactor, sin las cuales el funcionamiento es imposible.
El elemento combustible (elemento combustible) es la parte estructural principal de núcleos heterogéneos, lo que determina en gran medida su confiabilidad, tamaño y costo.
El revestimiento de la barra de combustible está diseñado para evitar el contacto directo del refrigerante y el combustible con el fin de evitar la liberación de productos de fisión del combustible radiactivo en el refrigerante, así como la corrosión y erosión del núcleo de combustible. El revestimiento es un elemento estructural que da a la barra de combustible la forma requerida y absorbe todas las cargas que tienden a destruir la barra de combustible. Los revestimientos de combustible son las partes estructurales más críticas de las zonas activas y operan en las condiciones más severas. Para reducir la absorción de neutrones en las capas, es conveniente hacerlas lo más delgadas posible. El espesor de las carcasas metálicas, determinado por las condiciones de resistencia y la tecnología de fabricación, suele ser de 0,3 a 0,8 mm.
Uno de los principales requisitos para el material de la carcasa de los reactores de neutrones térmicos es una pequeña sección transversal de absorción de neutrones térmicos, necesaria para reducir las pérdidas de neutrones.
Actualmente, las carcasas de circonio y sus aleaciones se utilizan ampliamente en los reactores de neutrones térmicos refrigerados por agua, lo que se explica por la pequeña sección transversal de absorción de neutrones térmicos del circonio (0,18 barn). Sin embargo, el circonio tiene propiedades de resistencia relativamente bajas a temperaturas de 360 a 400 °C.
Junto con las aleaciones de circonio, los reactores de potencia utilizan carcasas hechas de aceros austeníticos inoxidables al cromo-níquel que, en comparación con el circonio, tienen una resistencia al calor y a la corrosión significativamente mayor, una buena capacidad de fabricación y, además, un menor costo. Sin embargo, la principal desventaja fundamental de los aceros en comparación con el circonio es su gran sección transversal de absorción de neutrones térmicos (2,7 - 2,9 barn), lo que requiere un combustible más enriquecido. Una desventaja importante de los aceros inoxidables austeníticos es también su tendencia al agrietamiento por corrosión, que se produce cuando hay tensiones de tracción en el metal y cloruros y oxígeno en el agua de refrigeración. En este sentido, durante el funcionamiento de los reactores adquiere gran importancia el mantenimiento cuidadoso de contenidos extremadamente bajos de cloruros y oxígeno, así como de otras impurezas en el agua.
Para los reactores de alta temperatura, los metales refractarios niobio (punto de fusión 2415°C), molibdeno (2622°C), tungsteno (3395°C), tantalio (2996°C), así como sus aleaciones, que pueden utilizarse para revestimiento del elemento combustible a temperaturas de hasta 800 – 1200°C en el caso de utilizar helio o metales líquidos como refrigerante. Cabe señalar que en los gases que contienen oxígeno (aire, dióxido de carbono y vapor de agua), la resistencia de estos metales es muy baja incluso a temperaturas de 500 a 600°C.
Durante el funcionamiento de los reactores se producen cambios profundos en los materiales de los elementos combustibles bajo la influencia de la irradiación, cambios cíclicos de temperatura, exposición al refrigerante, etc., que pueden provocar su destrucción. La destrucción total de las barras de combustible es un accidente extremadamente grave y completamente inaceptable, ya que provoca una grave contaminación del circuito primario con fragmentos de fisión radiactiva.
La pérdida más común de estanqueidad de los elementos combustibles se debe a grietas en el revestimiento o en el lugar de soldadura de los tapones de estanqueidad. La pérdida de estanqueidad provoca la liberación de productos de fisión gaseosos al refrigerante. La entrada de refrigerante en la carcasa, lo que provoca corrosión y lixiviación de combustible, a su vez aumenta la liberación de fragmentos de fisión, lo que resulta en un aumento aún más significativo de la radiactividad del refrigerante en el circuito.
Las grietas en los depósitos pueden ocurrir como resultado de las siguientes razones:
La aparición de tensiones internas inaceptables asociadas con la acción de cargas estáticas, dinámicas y vibratorias, tensiones de temperatura provocadas por la presencia de gradientes bruscos de temperatura tanto a lo largo del radio como a lo largo de los elementos combustibles;
Cambios volumétricos en el combustible causados por el crecimiento de la radiación, la hinchazón, las transformaciones de fase del combustible y que conducen a la aparición de fuerzas que tienden a romper la cáscara; aumento inaceptable de la presión dentro de las barras de combustible de productos de fisión gaseosos;
Cambios en la estructura y propiedades físicas y mecánicas del material de la carcasa bajo la influencia de la irradiación o como resultado de la interacción por difusión de los materiales combustibles y refrigerantes con la carcasa, por ejemplo, saturación de las carcasas con hidrógeno;
Efectos corrosivos y erosivos a largo plazo del refrigerante, así como como resultado de la corrosión bajo tensión trans e intergranular en presencia de iones de cloro y oxígeno libre (en reactores agua-agua cuando se utilizan carcasas de acero inoxidable);
Defectos producidos durante la fabricación de barras de combustible (falta de homogeneidad del material del revestimiento, presencia de rayones en la superficie del revestimiento, mala calidad de la soldadura, etc.).
En algunos casos, bajo la influencia de las mismas razones, se observa un cambio en la forma y el tamaño de las barras de combustible, por ejemplo, la curvatura, lo que puede conducir a cambios generales y locales significativos en la distribución del combustible y el refrigerante a lo largo del canal de proceso. y, como consecuencia, sobrecalentamiento local y destrucción de las barras de combustible.
Debido a que las barras de combustible son cuerpos con fuentes de calor internas y funcionan a altas temperaturas y con una elevada liberación de energía específica, el mayor peligro para ellas surge cuando el enfriamiento se detiene repentinamente. La interrupción del suministro de refrigerante al núcleo conduce, por regla general, a la fusión de los elementos combustibles debido a la liberación de energía residual (liberación de energía durante la desintegración radiactiva de los fragmentos de fisión acumulados del combustible nuclear). En un reactor parado, debido a la liberación de energía procedente de la desintegración radiactiva de los fragmentos de fisión acumulados en los elementos combustibles, es necesario enfriar estos últimos durante un largo tiempo después de la parada. De lo contrario, el núcleo podría fundirse en un reactor apagado.
Al operar PPU, se debe prestar especial atención a organizar el control y mantener el régimen químico del agua requerido.
No hace mucho, en mi blog, ya os conté cómo y dónde se produce el metal más caro del mundo: el California-252. Pero la producción de esta sustancia carísima no es la única actividad del Instituto de Investigación Científica de Reactores Atómicos (NIIAR) de Dimitrovgrad. Desde los años 70, el centro de investigación cuenta con un Departamento de Tecnologías de Combustibles, donde se desarrollan métodos respetuosos con el medio ambiente para producir óxido de uranio granular y procesar combustible nuclear ya irradiado (incluido el plutonio apto para armas).
Además, allí también se fabrican conjuntos combustibles (FA), dispositivos diseñados para generar energía térmica en un reactor mediante una reacción nuclear controlada. Básicamente, se trata de baterías para un reactor. Quiero hablar sobre cómo y de qué están hechos en este artículo. Miraremos el interior de una cámara "caliente" con un alto nivel de radiación, veremos cómo se ve el óxido de uranio del combustible nuclear y descubriremos cuánto puede costar una ventana de doble acristalamiento en una ventana inusual.
No entraré en detalles sobre la estructura y el principio de funcionamiento de un reactor nuclear, pero para que sea más fácil de entender, imaginemos un calentador de agua doméstico en el que fluye agua fría y sale agua caliente, y se calienta mediante un serpentín eléctrico ( DIEZ). En un reactor nuclear no hay espiral eléctrica, pero hay conjuntos combustibles, hexágonos largos que consisten en muchos tubos metálicos delgados, elementos combustibles (elementos combustibles), que contienen tabletas de óxido de uranio comprimido.
(fuente de la foto - sdelanounas.ru)
Debido a la fisión constante de los núcleos de uranio, se libera una gran cantidad de calor que calienta el agua u otro refrigerante a una temperatura alta. Y luego según el esquema:
(fuente - lab-37.com)
Normalmente, un conjunto combustible es un haz hexagonal de elementos combustibles de 2,5 a 3,5 m de largo, que corresponde aproximadamente a la altura del núcleo del reactor. Los FA están hechos de acero inoxidable o aleación de circonio (para reducir la absorción de neutrones). Los elementos combustibles (tubos delgados) se ensamblan en conjuntos combustibles para simplificar la contabilidad y el movimiento del combustible nuclear en el reactor. Un conjunto combustible suele contener entre 18 y 350 elementos combustibles. El núcleo del reactor suele contener entre 200 y 1.600 elementos combustibles (según el tipo de reactor).
Así es como se ve la tapa del reactor (caldera), debajo de la cual se encuentran los conjuntos combustibles en posición vertical. Un cuadrado, un conjunto. Un conjunto: aproximadamente 36 tubos (para el reactor RBMK, que se muestra en la foto a continuación; para otros reactores hay más tubos, pero menos conjuntos).
(fuente de la foto - visualrian.ru)
Y así es como se dispone el tubo de barras combustibles que conforma los conjuntos combustibles:
Estructura del elemento combustible del reactor RBMK: 1 - tapón; 2 — pastillas de dióxido de uranio; 3 - carcasa de circonio; 4 - primavera; 5 - casquillo; 6 - propina.
Elementos combustibles (tubos) y cuerpo del conjunto combustible:
Y todo estaría bien si las tabletas mágicas de óxido de uranio no se descompusieran en otros elementos durante una reacción nuclear. Cuando esto sucede, la reactividad del reactor se debilita y la reacción en cadena se detiene espontáneamente. Sólo se puede reanudar después de reemplazar el uranio en el núcleo (elementos combustibles). Todo lo que se haya acumulado en los tubos hay que descargarlo del reactor y enterrarlo. O reciclar para reutilizar, lo cual es más atractivo, ya que en la industria nuclear todo el mundo se esfuerza por lograr una producción y regeneración sin residuos.
walkie-talkies. ¿Por qué gastar dinero en almacenar residuos nucleares si, por el contrario, puedes hacer que ganen ese dinero?
Es en este departamento de la RIAR donde se trabaja en tecnologías para la regeneración del combustible nuclear gastado, separando el estiércol radiactivo en elementos útiles y en lo que nunca será útil en ninguna parte.
Para ello, se utilizan con mayor frecuencia métodos de separación química. La opción más sencilla es el reprocesamiento de la solución, pero este método produce la mayor cantidad de desechos radiactivos líquidos, por lo que esta tecnología fue popular solo al comienzo de la era nuclear. Actualmente, RIAR está mejorando los métodos llamados “secos”, que producen muchos menos residuos sólidos, que son mucho más fáciles de eliminar, convirtiéndolos en una masa vítrea.
Todos los esquemas tecnológicos modernos para el reprocesamiento de combustible nuclear gastado se basan en procesos de extracción denominados proceso Purex (del inglés Pu U Recovery EXtraction), que consiste en la reextracción reductiva de plutonio a partir de una mezcla de uranio con sus productos de fisión. El plutonio aislado durante el reprocesamiento se puede utilizar como combustible en mezcla con óxido de uranio. Este combustible se llama MOX (combustible de óxidos mixtos, MOX). También se obtiene en RIAR, en el Departamento de Tecnologías de Combustibles. Este es un combustible prometedor.
Todos los procesos de investigación y producción son realizados por operadores de forma remota, en cámaras cerradas y cajas protectoras.
Se parece a esto:
Con la ayuda de estos manipuladores electromecánicos, los operadores controlan equipos especiales en celdas "calientes". El operador está protegido de la alta radiactividad únicamente por un vidrio de plomo de un metro de espesor, que consta de 9 a 10 placas separadas de 10 cm de espesor.
El costo de un solo vaso es comparable al costo de un apartamento en Ulyanovsk, y la cámara completa se estima en casi 100 millones de rublos. Bajo la influencia de la radiación, el vidrio pierde gradualmente su transparencia y es necesario sustituirlo. ¿Puedes ver la “mano” del manipulador en la foto?
Para aprender a controlar con maestría un manipulador, se necesitan años de formación y experiencia. Pero con su ayuda, a veces es necesario realizar operaciones como desenroscar y apretar pequeñas tuercas dentro de la cámara.
En la mesa de la sala de las celdas “calientes” se pueden ver muestras de combustible nuclear en cápsulas de vidrio. Muchos invitados al laboratorio miran constantemente de reojo esta maleta y tienen miedo de acercarse. Pero esto es sólo un muñeco, aunque muy realista. Así es exactamente el dióxido de uranio, a partir del cual se fabrican las mágicas pastillas de combustible para las barras de combustible: un polvo negro brillante.
El dióxido de uranio no tiene transiciones de fase y es menos susceptible a los procesos físicos indeseables que ocurren con el uranio metálico a altas temperaturas del núcleo. El dióxido de uranio no interactúa con el circonio, el niobio, el acero inoxidable y otros materiales con los que se fabrican los conjuntos combustibles y los tubos de las barras de combustible. Estas propiedades hacen posible su uso en reactores nucleares, obteniendo altas temperaturas y, por tanto, una alta eficiencia del reactor.
El panel de control del manipulador es una modificación ligeramente diferente. En esta celda no hay cristales, por lo que la vigilancia se realiza mediante cámaras instaladas en el interior.
¡¿Qué es esto?! ¿Un hombre en una celda caliente? Pero...
Está bien, es una cámara "limpia". Durante el mantenimiento, el nivel de radiación no excede los valores permitidos, por lo que es posible trabajar en él incluso sin equipo especial de radioprotección. Al parecer, es en esta cámara donde se realiza el montaje final de los elementos combustibles a partir de barras de combustible ya cargadas con pastillas de uranio.
Dada esta proximidad poco cómoda al combustible nuclear abierto, el nivel de radiación en el laboratorio no supera los valores naturales. Todo esto se logra mediante estrictas técnicas de seguridad radiológica. Las personas llevan décadas trabajando como operadores sin perjudicar su salud.
No hace mucho, en mi blog, ya hablé sobre cómo y dónde se produce el metal más caro del mundo: California-252. Pero la producción de esta sustancia carísima no es la única actividad del Instituto de Investigación Científica de Reactores Atómicos (NIIAR) de Dimitrovgrad. Desde los años 70, el centro de investigación cuenta con un Departamento de Tecnologías de Combustibles, donde se desarrollan métodos respetuosos con el medio ambiente para producir óxido de uranio granular y procesar combustible nuclear ya irradiado (incluido el plutonio apto para armas).
Además, allí también se fabrican conjuntos combustibles (FA), dispositivos diseñados para generar energía térmica en un reactor mediante una reacción nuclear controlada. Básicamente, se trata de baterías para un reactor. Quiero hablar sobre cómo y de qué están hechos en este artículo. Miraremos el interior de una cámara "caliente" con un alto nivel de radiación, veremos cómo se ve el óxido de uranio del combustible nuclear y descubriremos cuánto puede costar una ventana de doble acristalamiento en una ventana inusual.
No entraré en detalles sobre la estructura y el principio de funcionamiento de un reactor nuclear, pero para que sea más fácil de entender, imaginemos un calentador de agua doméstico en el que fluye agua fría y sale agua caliente, y se calienta mediante un serpentín eléctrico ( DIEZ). En un reactor nuclear no hay espiral eléctrica, pero hay conjuntos combustibles, hexágonos largos que consisten en muchos tubos metálicos delgados, elementos combustibles (elementos combustibles), que contienen tabletas de óxido de uranio comprimido.
(fuente de la foto - sdelanounas.ru)
Debido a la fisión constante de los núcleos de uranio, se libera una gran cantidad de calor que calienta el agua u otro refrigerante a una temperatura alta. Y luego según el esquema:
(fuente - lab-37.com)
Normalmente, un conjunto combustible es un haz hexagonal de elementos combustibles de 2,5 a 3,5 m de largo, que corresponde aproximadamente a la altura del núcleo del reactor. Los FA están hechos de acero inoxidable o aleación de circonio (para reducir la absorción de neutrones). Los elementos combustibles (tubos delgados) se ensamblan en conjuntos combustibles para simplificar la contabilidad y el movimiento del combustible nuclear en el reactor. Un conjunto combustible suele contener entre 18 y 350 elementos combustibles. El núcleo del reactor suele contener entre 200 y 1600 conjuntos combustibles (según el tipo de reactor).
Así es como se ve la tapa del reactor (caldera), debajo de la cual se encuentran los conjuntos combustibles en posición vertical. Un cuadrado, un conjunto. Un conjunto tiene aproximadamente 36 tubos (para el reactor RBMK, que se muestra en la foto a continuación; para otros reactores hay más tubos, pero menos conjuntos).
(fuente de la foto - visualrian.ru)
Y así es como se dispone el tubo de barras combustibles que conforma los conjuntos combustibles:
Diseño del elemento combustible del reactor RBMK: 1 - bujía; 2 - tabletas de dióxido de uranio; 3 - carcasa de circonio; 4 - primavera; 5 - casquillo; 6 - propina.
Elementos combustibles (tubos) y cuerpo del conjunto combustible:
Y todo estaría bien si las tabletas mágicas de óxido de uranio no se descompusieran en otros elementos durante una reacción nuclear. Cuando esto sucede, la reactividad del reactor se debilita y la reacción en cadena se detiene espontáneamente. Sólo se puede reanudar después de reemplazar el uranio en el núcleo (elementos combustibles). Todo lo que se haya acumulado en los tubos hay que descargarlo del reactor y enterrarlo. O reciclar para reutilizar, lo cual es más atractivo, ya que en la industria nuclear todo el mundo se esfuerza por lograr una producción y regeneración sin residuos.
walkie-talkies. ¿Por qué gastar dinero en almacenar residuos nucleares si, por el contrario, puedes hacer que ganen ese dinero?
Es en este departamento de la RIAR donde se trabaja en tecnologías para la regeneración del combustible nuclear gastado, separando el estiércol radiactivo en elementos útiles y en lo que nunca será útil en ninguna parte.
Para ello, se utilizan con mayor frecuencia métodos de separación química. La opción más sencilla es el reprocesamiento de la solución, pero este método produce la mayor cantidad de residuos radiactivos líquidos, por lo que esta tecnología sólo fue popular al comienzo de la era nuclear. Actualmente, RIAR está mejorando los métodos llamados “secos”, que producen muchos menos residuos sólidos, que son mucho más fáciles de eliminar, convirtiéndolos en una masa vítrea.
Todos los esquemas tecnológicos modernos para el reprocesamiento de combustible nuclear gastado se basan en procesos de extracción denominados proceso Purex (del inglés Pu U Recovery EXtraction), que consiste en la reextracción reductiva de plutonio a partir de una mezcla de uranio con sus productos de fisión. El plutonio aislado durante el reprocesamiento se puede utilizar como combustible en mezcla con óxido de uranio. Este combustible se llama MOX (combustible de óxidos mixtos, MOX). También se obtiene en RIAR, en el Departamento de Tecnologías de Combustibles. Este es un combustible prometedor.
Todos los procesos de investigación y producción son realizados por operadores de forma remota, en cámaras cerradas y cajas protectoras.
Se parece a esto:
Con la ayuda de estos manipuladores electromecánicos, los operadores controlan equipos especiales en celdas "calientes". El operador está protegido de la alta radiactividad únicamente por un vidrio de plomo de un metro de espesor, que consta de 9 a 10 placas separadas de 10 cm de espesor.
El costo de un solo vaso es comparable al costo de un apartamento en Ulyanovsk, y la cámara completa se estima en casi 100 millones de rublos. Bajo la influencia de la radiación, el vidrio pierde gradualmente su transparencia y es necesario sustituirlo. ¿Puedes ver la “mano” del manipulador en la foto?
Para aprender a controlar con maestría un manipulador, se necesitan años de formación y experiencia. Pero con su ayuda, a veces es necesario realizar operaciones como desenroscar y apretar pequeñas tuercas dentro de la cámara.
En la mesa de la sala de las celdas “calientes” se pueden ver muestras de combustible nuclear en cápsulas de vidrio. Muchos invitados al laboratorio miran constantemente de reojo esta maleta y tienen miedo de acercarse. Pero esto es sólo un muñeco, aunque muy realista. Así es exactamente el dióxido de uranio, a partir del cual se fabrican las mágicas pastillas de combustible para las barras de combustible: un polvo negro brillante.
El dióxido de uranio no tiene transiciones de fase y es menos susceptible a los procesos físicos indeseables que ocurren con el uranio metálico a altas temperaturas del núcleo. El dióxido de uranio no interactúa con el circonio, el niobio, el acero inoxidable y otros materiales con los que se fabrican los conjuntos combustibles y los tubos de las barras de combustible. Estas propiedades hacen posible su uso en reactores nucleares, obteniendo altas temperaturas y, por tanto, una alta eficiencia del reactor.
El panel de control del manipulador es una modificación ligeramente diferente. En esta celda no hay cristales, por lo que la vigilancia se realiza mediante cámaras instaladas en el interior.
¡¿Qué es esto?! ¿Un hombre en una celda caliente? Pero…
Está bien, es una cámara "limpia". Durante el mantenimiento, el nivel de radiación no excede los valores permitidos, por lo que es posible trabajar en él incluso sin equipo especial de radioprotección. Al parecer, es en esta cámara donde se realiza el montaje final de los elementos combustibles a partir de barras de combustible ya cargadas con pastillas de uranio.
Dada esta proximidad poco cómoda al combustible nuclear abierto, el nivel de radiación en el laboratorio no supera los valores naturales. Todo esto se logra mediante estrictas técnicas de seguridad radiológica. Las personas llevan décadas trabajando como operadores sin perjudicar su salud.
