Jaderné palivo: typy, výroba, zpracování. Uran 235

Jaderné palivo je materiál používaný v jaderných reaktorech pro provádění řízené řetězové reakce. Je to pro člověka extrémně energeticky náročná a nebezpečná, což způsobuje řadu omezení. Dnes se dozvíme, co je palivo jaderného reaktoru, jak je klasifikováno a vyráběno, kde se používá.

Řetězová reakce

Během jaderné řetězové reakce je jádro rozděleno na dvě části, které se nazývají štěpné fragmenty. Současně se uvolňuje několik (2 - 3) neutronů, které následně způsobují štěpení následujících jader. Proces nastává, když neutron vstupuje do jádra původní látky. Štěpné fragmenty jsou velké kinetické energie. Jejich inhibice ve hmotě je doprovázena uvolněním obrovského množství tepla.

Štěpkové fragmenty společně s jejich produkty rozpadu se nazývají štěpné produkty. Jádra, které jsou děleny neutrony jakékoli energie, se nazývají jaderné palivo. Obvykle jsou to látky s lichým počtem atomů. Některé jádra jsou děleny čistě neutrony, jejichž energie je nad určitou prahovou hodnotou. Tito jsou převážně prvky se sudým počtem atomů. Taková jádra se nazývají suroviny, protože v okamžiku zachycení neutronů vzniká jádro prahových jader. Kombinace paliva a surovin se tak nazývá jaderné palivo.

Klasifikace

Jaderné palivo je rozděleno do dvou tříd:

1. Přírodní uran. Obsahuje štěpné jádro uranu-235 a suroviny uranu-238, které jsou schopné tvořit plutonium-239, když je zachycen neutron.
2. Sekundární palivo, které se v přírodě nenachází. To zahrnuje mimo jiné i plutonium-239, které se získává z paliva prvního typu, stejně jako uranu-233, který vzniká při zachycování neutronů jádry thoria 232.

Pokud jde o chemické složení, existují tyto typy jaderného paliva:

1. Kov (včetně slitin);
2. Oxid (například UO ₂ );
3. Karbid (například PuC _1-x );
4. Smíšené;
5. Nitrid.

TVEL a TVS

Palivo pro jaderných reaktorů ve formě malých tablet. Jsou umístěny v hermeticky utěsněných palivových článcích (TVEL), které jsou naopak několik set kombinovány do palivových článků (FA). Jaderné palivo má vysoké požadavky na kompatibilitu s obložením paliva. Mělo by mít dostatečnou teplotu tavení a odpařování, dobrou tepelnou vodivost a výrazné zvýšení objemu během ozáření neutrony. Také se přihlédne k výrobě výroby.

Aplikace

Zapnuto jaderné elektrárny a jiná jaderná zařízení pocházejí z pohonných hmot. Mohou být naloženy do reaktoru jak během provozu (namísto vyhořelých palivových souborů) tak během opravy. V druhém případě se pohonné jednotky mění ve velkých skupinách. Jen třetina paliva je však zcela nahrazena. Nejvíce spálené sestavy jsou vyloženy ze střední části reaktoru a částečně spálené sestavy, které byly předtím umístěny v méně aktivních oblastech, jsou umístěny na své místo. V důsledku toho jsou namontovány nové palivové sestavy namísto druhého. Tato jednoduchá schéma uspořádání je považována za tradiční a má řadu výhod, jejichž hlavním cílem je zajistit jednotné uvolňování energie. Samozřejmě, že jde o konvenční schéma, které dává obecné představy o tomto procesu.

Expozice

Po odstranění vyhořelého jaderného paliva z jádra reaktoru se vysílá do bazénu, který se zpravidla nachází poblíž. Faktem je, že sestavy vyhořelého paliva obsahují obrovské množství fragmentů štěpení uranu. Po vykládce z reaktoru obsahuje každý TVEL přibližně 300 tisíc kurie radioaktivních látek, které vypouštějí 100 kW / hodinu energie. Díky tomu se palivo samoohřeje a stává se vysoce radioaktivní.

Teplota nově vykládaného paliva může dosáhnout 300 ° C. Proto se udržuje po dobu 3-4 let pod vrstvou vody, jejíž teplota je udržována v předepsaném rozmezí. Při skladování pod vodou se snižuje radioaktivita paliva a výkon jeho zbytkového výboje. Po zhruba třech letech se palivová souprava samozahřívá již 50-60 ° C. Potom je palivo odstraněno z bazénů a posláno k recyklaci nebo likvidaci.

Kovový uran

Kovový uran se používá poměrně vzácně jako palivo pro jaderné reaktory. Když látka dosáhne teploty 660 ° C, dochází k fázovému přechodu spolu se změnou její struktury. Jednoduše řečeno, uran zvyšuje objem, což může vést ke zničení palivového prvku. V případě dlouhodobého ozařování při teplotě 200-500 ° C je látka vystavena radiačnímu růstu. Podstatou tohoto jevu je prodloužení ozářené uranové tyče o 2-3 krát.

Použití kovového uranu při teplotách nad 500 ° C je z důvodu jeho otoku ztěžováno. Po rozdělení jádra se tvoří dva fragmenty, jejichž celkový objem přesahuje objem samotného jádra. Některé štěpné fragmenty představují atomy plynu (xenon, krypton atd.). Plyn se hromadí v pórech uranu a vytváří vnitřní tlak, který se zvyšuje se zvyšující se teplotou. Tím, že se zvyšuje objem atomů a zvyšuje se tlak plynů, jaderné palivo začíná bobtnat. To znamená relativní změnu objemu spojeného s jaderným štěpením.

Pevnost otoku závisí na teplotě palivových tyčí a vyhoření. S nárůstem vyhoření se zvyšuje počet štěpných fragmentů as nárůstem teploty a vyhoření je vnitřní tlak plynů. Pokud má palivo vyšší mechanické vlastnosti, je méně náchylné k otoku. Kovový uran se na tyto materiály nevztahuje. Proto jeho použití jako palivo pro jaderné reaktory omezuje hloubku vyhoření, což je jedna z hlavních charakteristik takového paliva.

Mechanické vlastnosti uranu a jeho odolnost vůči radiaci se zlepšuje dopováním materiálu. Tento proces zahrnuje přidávání hliníku, molybdenu a dalších kovů. V důsledku dopingových přísad je počet štěpných neutronů požadovaných zachycení snížen. Proto se pro tyto účely používají materiály, které slabě absorbují neutrony.

Žáruvzdorné sloučeniny

Některé sloučeniny žáruvzdorné uranu se považují za dobré jaderné palivo: karbidy, oxidy a intermetalické sloučeniny. Nejběžnější z nich je oxid uraničitý (keramika). Jeho teplota tání je 2800 ° C a jeho hustota je 10,2 g / cm3.

Vzhledem k tomu, že tento materiál nemá fázové přechody, je méně náchylný k otoku než slitiny uranu. V důsledku této funkce může být teplota vyhoření zvýšena o několik procent. Při vysokých teplotách keramika nereaguje s niobem, zirkonem, nerezovou ocelí a jinými materiály. Jeho hlavní nevýhodou je nízká tepelná vodivost - 4,5 kJ (m * K), která omezuje hustotu výkonu reaktoru. Kromě toho je horká keramika náchylná k praskání.

Plutonium

Plutonium se považuje za kov s nízkým bodem tání. Roztaví se při 640 ° C. Vzhledem k špatným vlastnostem plastů je prakticky nemožné obrábět. Toxicita látky komplikuje výrobní technologii palivových článků. In jaderného průmyslu Pokusy o použití plutonia a jeho sloučenin byly opakovaně vyrobeny, ale byly neúspěšné. Použití paliva pro jaderné elektrárny obsahující plutonium je nepraktické z důvodu přibližně dvojnásobného snížení doby zrychlení, které nejsou pro standardní řídicí systémy reaktorů určeny.

Pro výrobu jaderného paliva se zpravidla používá oxid plutonitý, slitiny plutonia s minerály a směs karbidů plutonia s karbidy uranu. Disperzní paliva mají vysoké mechanické vlastnosti a tepelnou vodivost, v nichž jsou částice uranu a plutonia umístěny v kovové matrici z molybdenu, hliníku, nerezové oceli a dalších kovů. Odpor záření a tepelná vodivost disperzního paliva závisí na materiálu matrice. Například u první jaderné elektrárny disperzní palivo sestávalo z částic slitiny uranu s 9% molybdenu, které byly zaplaveny molybdenem.

Co se týče toriového paliva, dnes se nepoužívá z důvodu potíží při výrobě a zpracování palivových článků.

Těžba

Významné objemy hlavní suroviny pro jaderné palivo - uran jsou soustředěny v několika zemích: Rusku, USA, Francii, Kanadě a Jižní Africe. Jejich ložiska se zpravidla nacházejí v blízkosti zlata a mědi, proto se všechny tyto materiály současně těží.

Zdraví lidí pracujících na vývoji je vystaveno velkému nebezpečí. Faktem je, že uran je toxický materiál a plyny uvolněné během jeho extrakce mohou způsobit rakovinu. A to navzdory skutečnosti, že ruda neobsahuje více než 1% této látky.

Získání

Výroba jaderného paliva z uranové rudy zahrnuje následující etapy:

1. Hydrometalurgické zpracování. Zahrnuje loužení, drcení a extrakci nebo extrakci sorpcí. Výsledkem hydrometalurgického zpracování je čištěná suspenze hydroxyhydroxyurenu, diuranátu sodného nebo diuranátu amonného.
2. Přenos látky z oxidu na tetrafluorid nebo hexafluorid, používaný k obohacení uranu-235.
3. Obohacení látky centrifugací nebo tepelnou difúzí plynu.
4. Převedení obohaceného materiálu na oxid uhličitý, z něhož jsou vyrobeny pilulky TVEL.

Regenerace

Během provozu jaderného reaktoru nelze palivo úplně vyhořit, proto se reprodukují volné izotopy. V tomto ohledu jsou vyhořelé palivové články předmětem regenerace pro opětovné použití.

V současné době je tento problém vyřešen pyrexovým procesem sestávajícím z následujících etap:

1. Řezání palivových tyčí na dvě části a jejich rozpouštění v kyselině dusičné;
2. Čištění roztoku z produktů štěpení a částí pláště;
3. Izolace sloučenin čistého uranu a plutonia.

Poté se získá získaný oxid plutonia k výrobě nových jader a uranu - k obohacení nebo také k výrobě jader. Přepracování jaderného paliva je komplexní a drahý proces. Jeho náklady mají významný dopad na ekonomickou životaschopnost využívání jaderných elektráren. Totéž lze říci o likvidaci odpadního jaderného paliva, které není vhodné pro regeneraci.