Ядерное топливо - что, как и почему

В наше время электроэнергию умеют добывать множеством разных способов. Из воды (гидро, приливные электростанции), из воздуха, из солнечного света, из природных ископаемых (газ, уголь) и даже из ядер делящегося вещества.
ТЭС, работающие на угле, потребляют невероятное количество топлива в сутки - это десятки тысяч тонн угля в сутки для мощных станций. Этот уголь надо ежедневно добыть, погрузить в вагоны, перевезти к станции и выгрузить там. С газом попроще - его добыча и транспортировка к электростанции выглядит проще, да и современные парогазовые турбоустановки работают очень эффективно.

Если же говорить про атомные электростанции, то их серьезное отличие в том, что единица ядерного топлива (твэл) способна выделять огромное количество энергии (тепла) долгое время. Вот про ядерное топливо давайте и поговорим.

Добывают уран двумя основными способами:
1) Прямая добыча в карьерах или шахтах, если позволяет глубина залегания урана. С этим методом, надеюсь, всё понятно.
2) Подземное выщелачивание. Это когда на том месте, где найден уран, бурятся скважины, в них закачивается слабый раствор серной кислоты, а уже раствор взаимодействует с ураном, соединяясь с ним. Затем получившаяся смесь откачивается наверх, на поверхность, и из неё химическими методами выделяется уран.

Представим, будто мы уже добыли на руднике уран и подготовили его для дальнейших преобразований. На фото ниже - так называемый "желтый кек", U3O8. В бочке для дальнейшей перевозки.

Всё бы хорошо, и этот уран в теории можно было бы сразу использовать для производства топлива для АЭС, но увы нам. Природа, как всегда, подкинула нам работы. Дело в том что природный уран состоит из смеси трех изотопов. Это U238 (99.2745%), U235 (0.72%) и U234(0.0055%). Нас интересует здесь лишь U235 - так как он отлично делится тепловыми нейтронами в реакторе, именно он позволяет нам пользоваться всеми благами цепной реакции деления. К сожалению, его природной концентрации не хватит для стабильной и долгой работы современного реактора АЭС. Хотя, насколько я знаю, аппарат РБМК спроектирован так, что запуститься на топливе из природного урана сможет, но вот стабильность, долговременность и безопасность работы на таком топливе совершенно не гарантируется.

Уран нам надо обогатить. То есть повысить концентрацию U235 от природной до той, которая используется в реакторе.
Для примера, реактор РБМК работает на уране обогащения 2.8%, ВВЭР-1000 - обогащение от 1.6 до 5.0%. Судовые и корабельные ядерные энергетические установки кушают топливо с обогащением до 20%. А некоторые исследовательские реакторы работают на топливе аж с 90% обогащением (пример - ИРТ-Т в Томске).

В России обогащение урана проводится на газовых центрифугах. Т.е. тот желтый порошок, что был на фото ранее, превращают в газ, гексафторид урана UF6. Затем этот газ поступает на целый каскад центрифуг. На выходе из каждой центрифуги, из-за разности веса ядер U235 и U238, мы получаем гексафторид урана с чуть повышенным содержанием U235. Процесс повторяется многократно и в итоге мы получаем гексафторид урана с нужным нам обогащением. На фото ниже как раз можно увидеть масштаб каскада центрифуг - их очень много и простираются они в далекие дали.

Затем газ UF6 превращают обратно в UO2, в виде порошка. Химия, всё-таки, очень полезная наука и позволяет нам творить такие чудеса.
Однако этот порошок в реактор так просто не засыпать. Вернее, засыпать-то можно, но ничего хорошего из этого не выйдет. Его (порошок) надо привести к такому виду, чтобы мы могли надолго, на годы, опустить его в реактор. При этом само горючее не должно контактировать с теплоносителем и выходить за пределы активной зоны. И еще ко всему этому топливо должно выдерживать очень и очень суровые давления и температуры, которые возникнут в нём при работе внутри реактора.

Забыл, кстати, сказать что порошок тоже не абы какой - он должен быть определенных размеров, чтобы при спрессовывании и спекании не образовывалось ненужных пустот и трещин. Сначала из порошка делают таблетки, путем спрессовывания и долгого выпекания (технология действительно непростая, если её нарушить - топливные таблетки не будут годны к использованию). Вариации таблеток покажу на фото ниже.

Отверстия и выемки на таблетках нужны для компенсации теплового расширения и радиационных формоизменений. В реакторе со временем таблетки пухнут, выгибаются, изменяют размеры, и если ничего не предусмотреть - могут разрушиться, а это плохо.

Готовые таблетки затем упаковывают в металлические трубки (из стали, циркония и его сплавов и других металлов). Трубки закрывают с обоих концов и герметизируют. Готовая трубка с топливом называется твэл - тепловыделяющий элемент.

Для разных реакторов требуются твэлы разной конструкции и обогащения. Твэл РБМК, например, длиной 3.5 метра. Твэлы, кстати, бывают не только стержневые. как на фото. Они бывают пластинчатые, кольцевые, море различных видов и модификаций.

Твэлы затем объединяют в тепловыделяющие сборки - ТВС. ТВС реактора РБМК состоит из 18 твэлов и выглядит примерно вот так:

ТВС реактора ВВЭР выглядит вот так:

Как видно, ТВС реактора ВВЭР состоит из гораздо большего количества твэлов, чем у РБМК.

Готовое специзделие (ТВС) затем с соблюдением мер предосторожности доставляется на АЭС. Зачем предосторожности? Ядерное горючее, хоть пока и нерадиоактивно, очень ценное, дорогое, и при очень неаккуратном обращении способно вызвать много проблем. Затем проводится финальный контроль состояния ТВС и - загрузка в реактор. Всё, уран прошел долгий путь от руды под землей к высокотехнологичному устройству внутри ядерного реактора. Теперь у него другая судьба - несколько лет тужиться внутри реактора и выделять драгоценное тепло, которое у него будет забирать вода (или любой другой теплоноситель).

© Семецкий

... а когда ТВЭЛы расплавляются, то получается Слоновая Нога...

Ядерное горючее, хоть пока и нерадиоактивно...
Вот оно как, Михалыч! А я то думал...

Это сообщение отредактировал Rukozhop - 14.01.2016 - 08:38

Столько гемора ппц)

... и куча книжек серии "Сталкер"

Я правильно понял, копипаста, что оранжевая руда и таблетки еще не радиоактивны (их вон в перчатках обычных щупают), а радиоактивными они становятся в реакторе только??

Как бы то ни было, в сухом остатке, электроэнергия АЭС самая экологически чистая и дешевая.

Сразу видно гуманитарий:
"именно он позволяет нам пользоваться всеми благами цепной реакции деления"


Это сообщение отредактировал makstex - 14.01.2016 - 08:43

сам в эту бочку лопатой кидал! и это диуранат аммония (NH4)2U2O7

Природный уран всего в 1000 раз радиоактивнее гранита. Это совсем немного, если постоянно в руках, конечно, не держать

Смею спросить, а что в этой фразе не так?

Слоновлья нога это не твэл расплавившийся. Это топливосодержащая масса. Там таки всё, и бетон, и сталь, и всякая другая хуйня.

Сам по себе уран 238, из которого в основном и состоит топливо малорадиоактивен из-за огромного периода полураспада (четыре миллиарда лет). Уран 235 более активен, но в топливе его изначально немного. Вот и получается, что в нормальных условиях ядерное топливо не сильно опасно в плане радиоактивности.

Это сообщение отредактировал UncleShiyck - 14.01.2016 - 08:49

уран слаборадиоактивен. И пока нет реакции там альфа, которая даже кожу то не прошибёт. Во время работы реактора выробатывается плутоний(в основном) вот именно он и светит

Ты не поверишь, но именно "цепной реакции деления". Правда управляемой. Так что гуманитарий или хреновый технарь - ты :(

А че тебя не устроило? В ядерном реакторе идет именно цепная реакция деления. Для тебя это новость?

Автор сломал моё представление об урановых рудниках, как о чем то нечеловеческом!

Хмм... Я думал топливо в ТВЭЛах радиоактивное... А как тогда они тепло выделяют?