TVEL je palivový prvek. Jaderný reaktor

4. 5. 2019

Přestože jaderná energie dnes není zcela bezpečná, reaktory a elektrárny na celém světě stavějí víc než jen uzavírat. Ve Spojených státech amerických tedy počet provozních reaktorů přesáhl sto, ve Francii (druhý největší počet mírových atomů na planetě) - asi 60, a poskytují asi 80% elektřiny vyrobené v zemi.

Palivo pro jaderného reaktoru slouží tel. Jedná se o prvek, ve kterém přímo proudí řízený reakční řetězec. Jak jsou "palivové dříví" jaderného kotle, jak jsou vyrobeny a co se stane s palivem v srdci elektrárny?

jaderné elektrárny

Co je jaderná řetězová reakce

Je známo, že atomová jádra se skládají z protónů a neutronů. Například jádro atomu uranu obsahuje 92 protonů a 143 nebo 146 neutronů. Odrazivá síla mezi kladně nabitými protony v jádře uranu je prostě obrovská, asi 100 kgf v jediném atomu (!). Jaderné síly se však jádru nedotýkají. Když volný neutron vstoupí do jádra uranu (pouze neutrální částice jsou schopny se blížit k jádru), je deformován a rozkládá se na dvě poloviny plus dva nebo tři volné neutrony.

Tyto volné neutrony napadají jádra jiných atomů a tak dále. Počet kolizí se tak exponenciálně zvyšuje a za zlomek sekundy se celá hmota radioaktivního kovu rozpadá. Tento úpadek je doprovázen rozptylem fragmentů ve všech rychlostech ve všech směrech a jejich srážky s molekulami prostředí způsobují ohřívání na několik milionů stupňů. Toto je obraz obvyklého. jaderné exploze. TVEL řídí tento jev do míru. Jak to jde?

Kontrolovaná jaderná reakce

Pro jadernou reakci, která se sama udrží, se stane řetěz, je zapotřebí dostatečné množství radioaktivního paliva (takzvaná "kritická masa"). V jaderných zbraních se tato otázka řeší jednoduše: dva ingoty kovového druhu zbraní (uran 235, plutonium 239 atd.) S hmotností každého o něco menší než kritický jsou spojeny pomocí výbuchu obyčejného trotula.

jaderného reaktoru

Pro mírové využití atomu není tato metoda vhodná. Obrázek znázorňuje schematicky zařízení nejjednoduššího atomového reaktoru. Každý palivový prvek (palivový prvek - uranové palivo) je méně kritický než jeho hmotnost, ale jejich celková hmotnost přesahuje tuto značku. V těsné blízkosti jsou palivové tyče "vyměňovány" volné neutrony. V důsledku takového vzájemného bombardování neutronů v reaktoru je jaderná řetězová reakce zachována. Grafitové tyče hrají roli druhů "brzd" jaderného procesu. Grafit je dobrý absorbér neutronů, reakce zmizí, když jsou tyče tohoto materiálu umístěny mezi palivovými články. To zcela zastaví výměnu volných neutronů.

Reakce je tedy pod konstantní kontrolou automatizace. Rozpad je doprovázen pohybem v prostředí chladicích fragmentů uranových jader, které ho ohřívají na požadovanou teplotu.

Jak se vyrábí elektřina

Další zařízení jaderné elektrárny není příliš odlišné od obvyklého tepla, běžícího na plyn, topný olej nebo uhlí. Rozdíl spočívá v tom, že teplo je generováno v zařízení CHP spalováním fosilních uhlovodíků, zatímco v jaderné elektrárně je chladicí kapalina ohřívána palivovou tyčí jaderných reaktorů.

Chladicí kapalina přivedená na teplotu 500-800 ° C (přehřátá voda, roztavené soli a dokonce tekuté kovy mohou hrát svou roli) ve speciálním výměníku tepla ohřívá vodu a přemění ji na suchou páru. Pára otáčí turbínu, namontovanou na jednom hřídeli s generátorem, ve kterém je generován elektrický proud.

jaderné řetězové reakce

Co to jsou

První jaderné reaktory byly homogenní zařízení. Byly to kotle, ve kterých jsou jaderné palivo (častěji tekutý, méně často plynný). Je to tavenina solí uranu nebo slabá obohacený uran někdy i suspenze uranového prachu atd. Proces byl regulován zavedením moderátora do aktivní zóny ve formě desek nebo prutů vyrobených z materiálu, který zpomaluje volné neutrony. Teplo bylo přeneseno do vody přes výměníky tepla umístěné přímo v aktivní zóně, jako jsou rošty v uhelné peci.

Naše číslo ukazuje heterogenní jaderný reaktor, který je nyní absolutní většinou na světě. Takové "jaderné kotle" se snadněji udržují, mění se v nich palivo, opravují, jsou bezpečnější a spolehlivější než staré homogenní kotle.

Dalším přínosem uranových palivových článků je výroba jader uranu v takovém prvku, jako je plutonium 239, který se pak používá jako palivo pro malé jaderné reaktory, stejně jako kovové zbraně.

polotovary pro vybavení TVEL

Kde je palivo pro jaderné elektrárny

Uran se v mnoha zemích světa těží pomocí otevřeného (lomového) nebo těžebního postupu. Zpočátku ruda neobsahuje ani samotný uran, ale jeho oxid. Kovová extrakce z oxidu je nejkomplikovanějším řetězcem chemických transformací. Ne každá země na světě si může dovolit získat podniky na výrobu jaderného paliva.

Dalším úkolem je obohacování těženého uranu. Méně než 1% uranu 235 je obsaženo v přírodním materiálu, zbytek je izotop 238. Je obtížné tyto dva prvky oddělit. Centrifugy pro obohacování uranu jsou nejsložitější zařízení.

Aby se uran stal vysoce obohacen (obsah izotopu 235 se zvýšil na 20%), bude muset být převeden na plyn a převeden na tisíc stupňů zpracování.

Jak TVEL

Inženýři se dostanou do rukou inženýrů obohacených uranem, ale stále jsou na jaderném palivu. Výroba tohoto paliva je podobná práškové metalurgii. Práškový kov (nebo jeho chemické sloučeniny) se lisuje na malé tablety o průměru asi centimetru.

Výrobky vyrobené z kovového uranu jsou lépe přizpůsobeny tak, aby odolaly pekelným podmínkám uvnitř reaktoru, ale čistý prvek je velmi nákladný k výrobě. Oxid uraničitý je mnohem levnější, ale aby se nerozpadl z obrovského tlaku a tepla, je nutné ho pečeme za obrovského tlaku při teplotě vyšší než 1000 ° C.

TVEL je soubor takových podložek o délce 2-4 metrů, umístěných v trubce z oceli nebo slitin železa s molybdenem. Samotné TVEL jsou přijímány do svazku několika desítek nebo dokonce stovek. Taková sada se nazývá palivová souprava (palivová sestava).

sudů uhlovodíků

FA jsou instalovány přímo v srdci atomového reaktoru. V jednom reaktoru může jejich počet dosáhnout několika set. Jak uran rozpadá, palivové články ztrácejí schopnost produkovat teplo, pak jsou nahrazeny. Jeden kilogram technického uranu, obohaceného o obsah izotopů 235% o 4%, má čas vyrábět v jaderném reaktoru tolik energie, kolik by mohlo mít při spalování 300 standardních dvoustolových sudů topného oleje.