Топливом для ядерного реактора служит ТВЭЛ. Это элемент, в котором непосредственно протекает управляемая цепня реакция. Как устроены «дрова» атомного котла, как они изготавливаются и что происходит с топливом в сердце электростанции?
Известно, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Например, в ядре атома урана содержится 92 протона и 143 или 146 нейтронов. Сила отталкивания между положительно заряженными протонами в ядре урана просто громадна, около 100 кгс в одном единственном (!) атоме. Однако разлетаться ядру не дают внутриядерные силы. При попадании в ядро урана свободного нейтрона (только нейтральная частица способна приблизиться к ядру) последнее деформируется и разлетается на две половинки плюс два-три свободных нейтрона.
Эти самые свободные нейтроны атакуют ядра других атомов, и т. д. Таким образом, количество столкновений увеличивается в геометрической прогрессии и в доли секунды вся масса радиоактивного металла распадается. Этот распад сопровождается разлетом на околосветовых скоростях во все стороны осколков, их столкновения с молекулами окружающей среды вызывают нагревание до нескольких миллионов градусов. Это картина обычного ядерного взрыва. ТВЭЛ это явление направляет в мирное русло. Как это происходит?
Таким образом, реакция находится под постоянным контролем автоматики. Распад сопровождается движением в среде теплоносителя осколков ядер урана, которые разогревают его до необходимой температуры.
Как вырабатывается электроэнергия
Дальнейшее устройство атомной электростанции мало чем отличается от обычной тепловой, работающей на газе, мазуте или угле. Разница состоит в том, что в ТЭЦ тепло получается при сжигании ископаемых углеводородов, в АЭС же теплоноситель нагревается ТВЭЛ ядерных реакторов.
Доведенный до температуры в 500–800 °C теплоноситель (в его роли могут выступать перегретая вода, расплавы солей, и даже жидкие металлы) в специальном теплообменнике разогревает воду, превращая ее в сухой пар. Пар вращает турбину, посаженную на один вал с генератором, в котором и вырабатывается электрический ток.
Какие они бывают
Еще одним бонусом использования урановых ТВЭЛов является генерация в них в результате облучения нейтронами ядер урана такого элемента, как плутоний 239, который затем используется как топливо для малогабаритных ядерных реакторов, а так же в качестве оружейного металла.
Где берется топливо для атомных электростанций
Уран добывают во многих странах мира открытым (карьерным) или шахтным способом. Изначально в руде содержится даже не сам уран, а его оксид. Выделение металла из окисла – сложнейшая цепь химических превращений. Далеко не каждая страна мира может позволить себе обзавестись предприятиями по производству ядерного топлива.
Чтобы уран стал высокообогащенным (содержание изотопа 235 повысилось до 20 %) ему предстоит, превратившись в газ, пройти до тысячи ступеней переработки.
Как устроен ТВЭЛ
Изделия из металлического урана лучше приспособлены выдерживать адские условия внутри реактора, но чистый элемент очень дорог в производстве. Намного дешевле диоксид урана, но чтобы он не рассыпался от огромных давления и жара приходится запекать под громадным давлением при температуре более 1000 °C.
ТВС устанавливаются непосредственно в сердце атомного реактора. В одном реакторе их количество может достигать нескольких сотен. По мере распада урана ТВЭЛы теряют свою способность производить тепло, тогда их заменяют. Но один килограмм технического урана, обогащенного до содержания 235 изотопа 4%, за свою жизнь в атомном реакторе успевает произвести столько же энергии, сколько получилось бы при сжигании 300 стандартных двухсотлитровых бочек топочного мазута.
Ключевой элемент
Признавая, что нынешние конструкции топлива уязвимы к тяжелым авариям, возобновляется интерес к проектам альтернативного топлива, которые будут более устойчивыми к отказу и производству водорода, как главному фактору, который приводит к этому отказу. Такие новые конструкции топлива должны быть совместимы с существующими топливными и реакторными системами и соответствовать всем нормативным требованиям современной атомной энергетики.
Немного к истокам и нынешнее положение дел
Такая вот обобщенная статистика для понимания энергоемкости ядерного топлива.
Входной контроль ТВС «западного» дизайна на АЭС
Считается, что цирконий в качестве оболочки ТВЭЛ впервые был предложен адмиралом Хайманом Риковером в июне 1946, для программы транспортных реакторов морского флота США. Данный материал обладает нужными свойствами и прекрасно зарекомендовал себя за долгое время.
0,71%) или слабообогащенный.
При сохранении перечисленных общих черт на протяжении последних десятилетий происходило постепенное изменение «вторичных» конструктивных признаков тепловыделяющих сборок. Это улучшало потребительские свойства топлива, его надежность и безопасность, обеспечивая ощутимое конкурентное преимущество с ранними версиями ТВС.
Вот некоторые из них:
Выше перечислены далеко не все, а скорее самые основные изменения в конструкции топлива, которые произошли с момента фабрикации первых ТВС.
Камень преткновения
Учитывая колоссальную удельную мощность энерговыделения активной зоны легководного реактора
150 Вт / см3, в сочетании с возможностью введения положительной реактивности или потерей охлаждения в этой сложной системе, инженеры, проектирующие реакторы ещё с самого начала понимали важность проектирования систем безопасности.
Чтобы разработать стратегию смягчения последствий, при возникновении аварий, за основу для проектирования систем безопасности были взяты два вида событий: события, основанные на положительном вводе реактивности (reactivity insertion accident (RIA)) и события основанные на потере теплоносителя (loss-of-coolant accident (LOCA)). Основные системы безопасности специально проектировались для реагирования на данные проектные события.
Но опыт таких аварий как на АЭС Три Майл Айленд и Фукусима-Дайичи доказал, что при множественных отказах и наложениях исходных событий, активные системы безопасности не в состоянии справится с возложенными на них функциями, в особенности отводе остаточного тепла от ТВС, находящихся в активной зоне.
Уравнение теплопереноса в его простой форме хорошо объясняет происходящее в ядерном реакторе при развитии аварии с потерей теплоотвода:
Во время протекания вышеупомянутых событий, нарушается режим охлаждения активной зоны, первое слагаемое правой части становится численно меньше и тепло Q постепенно вызывает увеличение температуры. С того момента, как активная зона реактора становится частично или полностью оголенной (падает уровень воды, вода сменяется паром), резко падает эффективность теплоотвода от активной зоны, температуры ТВЭЛ продолжают расти, что служит началу химической и физической деградации ТВЭЛов. Физическая деградация оболочки ТВЭЛ начинается при температурах (700-1000 ̊С) и вызывает вздутие и разрыв оболочек.
Химическая деградация выражается, главным образом, путем парового окисления циркония. Ключевым фактором является экзотермичность данной реакции. И конечно же, продуктом данной реакции является взрывоопасный водород. Для примера,
125 кг циркония в каждой топливной сборке реактора под давлением производят около 820 МДж тепла и более чем 2700 моль газообразного водорода при реакции с паром.
В зависимости от проекта легководного реактора, около 25-40 тонн циркония присутствует в активной зоне, при полном окислении которого будет произведено огромное количество тепла, в добавок к остаточному (в лучшем случае) энерговыделению самого топлива.
Величина тепловой мощности системы в зависимости от времени останова реактора с учетом экзотермической реакции окисления циркония
Сгенерированный водород, в свою очередь, не будет мирно скапливаться, и без должного срабатывания систем по его утилизации, приведет к масштабному взрыву или пожару, пока активная зона может проплавить корпус и взяться за бетон реакторного отделения.
Концепция топлива, устойчивого к авариям
Описанный выше апокалиптический сценарий в основных чертах повторяет события на АЭС «Фукусима» в 2011 году. Данное событие привело к пересмотру ряда стандартов ядерной безопасности, особенно касающихся серьезных проектных и запроектных аварий (с полным обесточиванием реакторной установки и потерей теплоносителя). В том числе благодаря этой аварии во многих регионах мира обострилась конкуренция АЭС с другими энергоисточниками, что значительно повышает требования к экономике атомных станций, а также их безопасности (при равных или порой проигрышных экономических показателях проектов инвесторы могут отдать предпочтение неядерным источникам энергии).
В основе философии изменений конструкции ТВС лежит замены материалов основных компонентов ядерного топлива, в основном оболочек ТВЭЛ и топливных таблеток на материалы, которые будут более устойчивы к процессам, происходящим в момент протекания аварии.
Оболочка ТВЭЛ
Скорость параболического окисления для различных материалов в паре в зависимости от температуры
Как видно из графика, скорость окисления этих материалов, которые образуют и соответственно защищены своими оксидными пленками на два порядка ниже чем скорость окисления циркония. Снижение скорости парового окисления непосредственно влияет на скорость выделения тепла и водорода при тяжелой LOCA в активной зоне реактора.
Покрытие оболочек ТВЭЛ металлическим хромом ныне считается самой перспективной технологией для дальнейшего развития. Также перспективными считаются оболочки ТВЭЛ без использования циркония, например материалы FeCrAl, и SiC/SiC.
Тестирование кремниевой оболочки топлива EnCore (Westinghouse) при температуре выше 1300ºC
Топливные элементы
Вторым по значимости направлением в развитии ATF топлива является выбор и обоснование материала топливной матрицы, которая будет обладать лучшей, по сравнению с классической керамикой, теплопроводностью. Это, в свою очередь, требует решения ряда возникающих проблем: предотвращения химических реакций оболочки и топлива, распухания и повреждений оболочки топливом, локализации продуктов деления и т. д.
Институт атомной энергии Южной Кореи (KAERI) работает над созданием микроэлементных таблеток (microcell) для увеличения способности удержания продуктов деления и лучшей, по сравнению с обычными таблетками диоксида урана, теплопроводности.
Концепт микроэлементной топливной таблетки
На рисунке показана концептуальная иллюстрация, где видно, что зерна или гранулы UO2 окружены тонкой стенкой. Главной задачей создания таких таблеток является уменьшение выхода продуктов деления из таблетки. Улучшенная возможность удерживать продукты деления уменьшает коррозионное растрескивание под напряжением с внутренней стороны ТВЭЛ, вызванное йодом и цезием.
Ожидается, что это может положительно влиять на прочность топливных стержней. Также микроэлементная структура предотвратит массированную фрагментацию таблетки при аварии, тем самым обеспечив дополнительное удержание радиоактивных продуктов деления.
Теплопроводность таких таблеток можно повысить с помощью добавления материалов с высоким коэффициентом теплопроводности, например, используя металлы в виде стенки одного элемента.
Типичная структура микроэлементных таблеток с металлом
Данное изменение позволит снизить температуру в центре таблетки при нормальных и аварийных условиях эксплуатации ТВЭЛ.
Для понимания того, как вышеупомянутые нововведения реализуются на практике, приведу следующий пример. Westinghouse создает толерантное топливо под маркой EnCore, которое представляет собой таблетки силицида урана U3Si2, заключенные поначалу (на первом этапе данной программы) в оболочку из хромированного циркониевого сплава Zirlo.
Как ожидается, топливо из силицида урана превзойдет традиционное диоксидное более чем в 5 раз по теплопроводности и на
1/5 по плотности, а поглощение нейтронов карбидокремниевой оболочкой должно быть на
1/4 меньше, чем у сплавов циркония.
Итоги
Изменения, описанные выше являются частью фактически реализуемых проектов сейчас. Возможно, в будущем мы станем свидетелями внедрения более экзотических решений.
Пока только стоит отметить, что появление на рынке экономически выгодных и новых, с точки зрения безопасности, проектов ядерного топлива поможет укрепить позиции атомной энергетики в мире.
Источники:
Kurt A. Terrani «Accident tolerant fuel cladding development: Promise, status, and challenges»;
IAEA-TECDOC-1797 «Accident Tolerant Fuel Concepts for Light Water Reactors»;
Материалы журнала «Атомный эксперт» №3, май 2018.
В этой статье указаны элементы с помощью которой осуществляется структура работы АЭС
Описание: Не указано
Справа ТВС, большинство ее трубок — ТВЭЛы. Слева ТВЭЛ, оболочка вскрыта и видны топливные таблетки
ТВЭЛ состоит из топливного сердечника, оболочки и установочных деталей. Несколько ТВЭЛов и крепёжно-установочные элементы объединяются в единую конструкцию, которая называется тепловыделяющая сборка (ТВС). Конструкция и материалы ТВЭЛа определяются конструкцией реактора: гидродинамикой и химическим составом теплоносителя, температурными режимами, требованиями к нейтронному потоку. В большинстве реакторов ТВЭЛ представляет собой герметичную трубку из стали или циркониевых сплавов внешним диаметром около сантиметра и длиной десятки — сотни сантиметров, заполненную таблетками ядерного топлива.
Устройство твэла реактора РБМК: 1 — заглушка; 2 — таблетки диоксида урана; 3 — оболочка из циркония; 4 — пружина; 5 — втулка; 6 — наконечник.
Содержание
Устройство [ ]
Устройство твэла реактора РБМК: 1 — заглушка; 2 — таблетки диоксида урана; 3 — оболочка из циркония; 4 — пружина; 5 — втулка; 6 — наконечник.
Внутри ТВЭЛов происходит выделение тепла за счёт ядерной реакции деления топлива и взаимодействия нейтронов с веществом материалов активной зоны и теплоносителя, которое передаётся теплоносителю. Конструктивно каждый твэл состоит из сердечника и герметичной оболочки.
Помимо делящегося вещества ( 233 U, 235 U, 239 Pu), сердечник может содержать вещество, обеспечивающее воспроизводство ядерного топлива ( 238 U, 232 Th).
Сердечник [ ]
Сердечники бывают металлическими, металлокерамическими или керамическими. Для металлических сердечников используются чистые уран, торий или плутоний, а также их сплавы с алюминием, цирконием, хромом, цинком. Материалом металлокерамических сердечников служат спрессованные смеси порошков урана и алюминия. Для керамических сердечников спекают или сплавляют оксиды или карбиды урана или тория (UO2, ThC2).
В большинстве энергетических реакторов обычно применяют керамические сердечники из диоксида урана (UO2), которые не деформируются в течение рабочего цикла выгорания топлива. Другое важное свойство этого соединения — отсутствие реакции с водой, которая может привести в случае разгерметизации оболочки твэла к попаданию радиоактивных элементов в теплоноситель. Также, к достоинствам диоксида урана можно отнести то, что его плотность близка к плотности самого урана, что обеспечивает нужный поток нейтронов в активной зоне.
Оболочка [ ]
Хорошая герметизация оболочки твэлов необходима для исключения попадания продуктов деления топлива в теплоноситель, что может повлечь распространение радиоактивных элементов в активную зону и первый контур охлаждения реактора. Контроль герметичности оболочек на работающем реакторе производится по уровню этих элементов в первом контуре реактора. Также химическая реакция урана, плутония и их соединений с теплоносителем может повлечь деформацию твэла и другие нежелательные последствия.
Материал оболочки твэлов должен обладать следующими свойствами:
Оболочки твэлов в настоящее время изготавливают из сплавов алюминия, циркония, нержавеющей стали. Сплавы алюминия используются в реакторах с температурой активной зоны менее 250—270 °C, сплавы Zr — в энергетических реакторах при температурах 350—400 °C, а нержавеющая сталь, которая интенсивно поглощает нейтроны, — в реакторах с температурой более 400 °C. Иногда используют и другие материалы, например, графит.
В случае использования керамических сердечников, между ними и оболочкой оставляют небольшой зазор, необходимый для учёта различных коэффициентов теплового расширения материалов, а для улучшения теплообмена оболочку твэла вместе с сердечниками заполняют газом, который хорошо проводит тепло, чаще всего для этих целей используют гелий. В процессе работы твэла исходный зазор (примерно 100 мкм по радиусу) уменьшается, вплоть до полного исчезновения.
Конструктивное исполнение [ ]
Твэл реактора ВВЭР-1000 представляет собой трубку, заполненную таблетками из диоксида урана UO2 и герметично уплотненную. Трубка твэла изготовлена из рекристализованного циркония, легированного 1 % ниобия (сплав Zr1Nb). Плотность сплава 6,55 г/см³, температура плавления 1860 °C. Для сплава Zr1Nb температура 350 °C является своеобразной критической точкой, после которой прочностные свойства сплава ухудшаются, а пластические увеличиваются. Наиболее резко свойства изменяются при температурах 400—500 °C. При температуре выше 1000 °C цирконий взаимодействует с водяным паром, при 1200 °C эта реакция протекает быстро (минуты) (при этом выделяющееся тепло реакции разогревает оболочку до температуры плавления (1860 °C) и образуется водород).
Наружный диаметр трубки твэла 9,1±0,05 мм, толщина 0,65±0,03 мм, внутренний диаметр — 7,72 +0,08 мм.
В трубку с зазором 0,19—0,32 мм на диаметр помещены таблетки диоксида урана высотой 9-12 мм и диаметром 7,57 −0,03 мм. В середине таблеток имеются отверстия диаметром 2,3 мм, а края скруглены фасками. В холодном состоянии общая длина столба таблеток в твэле составляет 3530 мм. Длина трубки твэла составляет 3800 мм, положение столба топливных таблеток зафиксировано разрезными втулками из нержавеющей стали и пружиной, не препятствующими тепловым перемещениям.
При герметизации твэла его внутренняя полость заполняется гелием под давлением 20—25 атм. Внутренний объём твэла (в холодном состоянии 181 см³) на 70 % заполнен таблетками топлива. Длина твэла 3837 мм, масса топлива 0.93-1.52 кг, на нижней концевой пробке имеется поперечное отверстие для крепления к нижней опорной решетке тепловыделяющей сборки.
Герметичность каждого твэла проверяется гелиевым течеискателем. Герметизирующие элементы твэла (трубка и концевые детали) образуют оболочку, а таблетки диоксида урана — топливный сердечник.
Цирконий удачно сочетает ядерные и физические характеристики с механическими свойствами, коррозионностоек в большинстве сред, применяемых в качестве теплоносителей ядерных реакторов и достаточно технологичен.
Таблетки диоксида урана имеют высокую температуру плавления (около 2800 °C), не взаимодействуют с водой и паром даже при высоких температурах, совместимы с материалом оболочки твэла.
Диоксид урана имеет низкую теплопроводность (в 40 раз меньше, чем у стали). Плотность диоксида урана 10,4—10,7 г/см³. При протекании цепной реакции в объёме топливных таблеток равномерно выделяется энергия до 0,45 кВт/см³ (450 кВт/л).
Это тепло отводится из объёма таблеток к поверхности трубок (оболочек), охлаждаемых водой, поэтому наибольшая температура устанавливается на оси симметрии таблеток.
При номинальной мощности реактора температура на оси твэла составляет около 1600 °C, а на поверхности таблеток — около 470 °C. Максимальная температура достигает соответственно 1940 и 900 °C. Перепад температуры на газовом зазоре между таблетками и трубкой (оболочкой) в среднем составляет 100 °C, на оболочке — 23 °C. Температура наружной поверхности трубки твэла составляет около 350 °C. Удельный тепловой поток составляет 0,6 МВт/м², а линейный тепловой поток — 17 кВт/м трубки.
При номинальной мощности давление гелия достигает 80—100 атм, а топливный сердечник твэла удлиняется от нагрева на 30 мм.
Содержание делящегося 235 U в массе топливных таблеток составляет до 5 % в начале кампании и всего лишь 3 % урана может быть израсходовано от этой доли.
Для загрузки в реактор твэлы объединяются в так называемые тепловыделяющие сборки (ТВС), которые в случае твёрдого замедлителя размещают в специальных каналах, по которым протекает теплоноситель. В реакторах с жидким замедлителем сборки размещаются непосредственно в его объёме.
Характеристики [ ]
Основной параметр твэла — глубина выгорания топлива. В современных ВВЭР глубина выгорания достигает 50-60 МВт·сут/кг за 4,5—5 лет (3 кампании по 1,5 года или 5 по году).
kak_eto_sdelano
kak_eto_sdelano Как это сделано, как это работает, как это устроено
Самое познавательное сообщество Живого Журнала
За счёт постоянного деления ядер урана и выделяется большое количество тепла, которое нагревает воду или другой теплоноситель до высокой температуры. А далее по схеме:
Обычно ТВС представляет собой шестигранный пучок тепловыделяющих элементов длиной 2,5–3,5 м, что примерно соответствует высоте активной зоны реактора. Изготавливают ТВС из нержавеющей стали или сплава циркония (для уменьшения поглощения нейтронов). Тепловыделяющие элементы (тонкие трубки) собираются в ТВС для упрощения учёта и перемещения ядерного топлива в реакторе. В одной ТВС обычно содержится 18–350 тепловыделяющих элементов. В активную зону реактора обычно помещается 200–1600 ТВС (зависит от типа реактора).
А вот так устроена трубка твэла, из которых состоят ТВС:
Устройство твэла реактора РБМК: 1 — заглушка; 2 — таблетки диоксида урана; 3 — оболочка из циркония; 4 — пружина; 5 — втулка; 6 — наконечник.
Твэлы (трубки) и корпус ТВС:
И всё было бы прекрасно, если бы волшебные таблетки оксида урана не разлагались на другие элементы в процессе ядерной реакции. Когда это происходит, реактивность реактора ослабевает, и цепная реакция сама собой прекращается. Она может быть возобновлена только после замены урана в активной зоне (твэлов). Всё, что накопилось в трубках, необходимо выгрузить из реактора и захоронить. Или переработать для повторного использования, что более привлекательно, так как в ядерной промышленности все стремятся к безотходному производству и реген�
�рации. Зачем тратить деньги на хранение ядерных отходов, если можно заставить их, наоборот, эти деньги зарабатывать?
Вот в этом отделении НИИАР и занимаются технологиями регенерации отработанного ядерного топлива, разделяя радиоактивный навоз на полезные элементы и на то, что уже никогда и нигде не пригодится.
В основе всех современных технологических схем переработки отработанного ядерного топлива лежат экстракционные процессы, называемые Пьюрекс-процессом (от англ. Pu U Recovery EXtraction), который заключается в восстановительной реэкстракции плутония из смеси урана с его продуктами деления. Плутоний, выделенный при переработке, может быть использован в виде топлива в смеси с оксидом урана. Это топливо имеет название МОКС (англ. Mixed-Oxide fuel, MOX). Его получением также занимаются в НИИАР, в Отделе топливных технологий. Это перспективное топливо.
Все исследования и производственный процесс выполняются операторами дистанционно, в закрытых камерах и защитных боксах.
Выглядит это примерно так:
С помощью вот таких электромеханических манипуляторов операторы управляют специальным оборудованием в «горячих» камерах. От высокой радиоактивности оператора отделяет только свинцовое стекло метровой толщины, состоящее из 9-10 отдельных пластин, толщиной в 10 см.
Стоимость только одного стекла сопоставима со стоимостью квартиры в Ульяновске, а вся камера оценивается почти в 100 млн. рублей. Под действием радиации стёкла постепенно теряют свою прозрачность и они нуждаются в замене. Сможете на фото разглядеть «руку» манипулятора?
Чтобы научиться виртуозно управлять манипулятором, нужны годы тренировок и опыта. А ведь с их помощью иногда требуется выполнять операции из разряда откручивания и закручивания маленьких гаек внутри камеры.
У диоксида урана нет фазовых переходов, он менее подвержен тем нежелательным физическим процессам, которые происходят с металлическим ураном при высоких температурах активной зоны. Диоксид урана не взаимодействует с цирконием, ниобием, нержавеющей сталью и другими материалами, из которых изготовлены ТВС и трубки твэлов. Эти свойства позволяют применять его в ядерных реакторах, получая высокие температуры и, следовательно, высокий КПД реактора.
Пульт управления манипулятором немного другой модификации. В этой камере нет стёкол, поэтому наблюдение ведётся с помощью установленных внутри камер.
Что это?! Человек в «горячей» камере?! Но.
Ничего страшного, это «чистая» камера. Во время технического обслуживания уровень радиации в ней не превышает допустимых значений, поэтому в неё можно работать даже без специальных средств радиозащиты. Судя по всему, именно в этой камере и производят окончательную сборку ТВС из уже заряженных урановыми таблетками твэлов.
При таком не очень уютном соседстве с открытым ядерным топливом уровень радиации в лаборатории не превышает природных значений. Всё это достигается за счёт жёсткой техники радиационной безопасности. Люди десятилетиями работают операторами без вреда для здоровья.