Combustibile nucleare: tipi, produzione, trasformazione. Uranio-235

Il combustibile nucleare è un materiale utilizzato nei reattori nucleari per condurre una reazione a catena controllata. È estremamente energivoro e pericoloso per gli esseri umani, il che impone una serie di restrizioni al suo utilizzo. Oggi impareremo cos'è un combustibile per reattori nucleari, come viene classificato e prodotto, dove viene usato.

Reazione a catena

Durante una reazione a catena nucleare, il nucleo è diviso in due parti, che sono chiamate frammenti di fissione. Allo stesso tempo, vengono rilasciati diversi (2-3) neutroni, che successivamente causano la fissione dei seguenti nuclei. Il processo si verifica quando un neutrone entra nel nucleo della sostanza originale. I frammenti di fissione hanno un grande energia cinetica. La loro inibizione nella materia è accompagnata dal rilascio di un'enorme quantità di calore.

I frammenti di fissione, insieme ai loro prodotti di decadimento, sono chiamati prodotti di fissione. I nuclei, che sono divisi da neutroni di qualsiasi energia, sono chiamati combustibili nucleari. Di regola, sono sostanze con un numero dispari di atomi. Alcuni nuclei sono divisi da puramente neutroni, la cui energia è superiore ad un certo valore di soglia. Questi sono prevalentemente elementi con un numero pari di atomi. Tali nuclei sono chiamati materie prime, dal momento che al momento della cattura di neutroni si forma un nucleo di nuclei di combustibile del nucleo di soglia. La combinazione di combustibile e materia prima viene quindi definita combustibile nucleare.

classificazione

Il combustibile nucleare è diviso in due classi:

1. Uranio naturale. Contiene nuclei fissili di uranio-235 e materie prime dell'uranio-238, che è in grado di formare plutonio-239 quando viene catturato un neutrone.
2. Combustibile secondario non trovato in natura. Ciò include, tra le altre cose, il plutonio-239, che è ottenuto dal combustibile del primo tipo, così come l'uranio-233, formato durante la cattura di neutroni da parte dei nuclei del torio-232.

In termini di composizione chimica, ci sono questi tipi di combustibile nucleare:

1. Metallo (comprese le leghe);
2. Ossido (ad esempio UO ₂ );
3. Carburo (ad esempio PuC _1-x );
4. misto;
5. Nitride.

TVEL e TV

Carburante per reattori nucleari usato sotto forma di piccole compresse. Sono collocati in elementi di combustibile sigillati ermeticamente (TVEL), che, a loro volta, diverse centinaia sono combinati in gruppi carburante (FA). Il combustibile nucleare ha requisiti elevati per la compatibilità con i rivestimenti di carburante. Deve avere una temperatura di fusione e di evaporazione sufficiente, una buona conduttività termica e non aumentare notevolmente il volume durante l'irradiazione di neutroni. Anche tenuto conto della producibilità della produzione.

applicazione

su centrali nucleari e altri combustibili di installazioni nucleari si presentano sotto forma di gruppi di combustibile. Possono essere caricati nel reattore sia durante il suo funzionamento (al posto del combustibile bruciato) e durante la campagna di riparazione. In quest'ultimo caso, i gruppi di carburante cambiano in grandi gruppi. Tuttavia, solo un terzo del carburante viene completamente sostituito. Gli assemblaggi più bruciati vengono scaricati dalla parte centrale del reattore e gli assemblaggi parzialmente bruciati, che in precedenza si trovavano in aree meno attive, sono stati collocati al loro posto. Di conseguenza, nuovi gruppi carburante sono installati al posto di quest'ultimo. Questo schema di riorganizzazione semplice è considerato tradizionale e presenta una serie di vantaggi, il principale dei quali è garantire un rilascio di energia uniforme. Naturalmente, questo è uno schema convenzionale, che fornisce solo idee generali sul processo.

estratto

Dopo la rimozione del combustibile nucleare esaurito dal nucleo del reattore, viene inviato alla piscina, che, di regola, si trova nelle vicinanze. Il fatto è che gli assemblaggi di combustibile esaurito contengono un'enorme quantità di frammenti di fissione di uranio. Dopo lo scarico dal reattore, ogni TVEL contiene circa 300mila sostanze radioattive che emettono 100 kW / ora di energia. A causa di ciò, il carburante si autoriscalda e diventa altamente radioattivo.

La temperatura del carburante appena scaricato può raggiungere i 300 ° C. Pertanto, viene mantenuto per 3-4 anni sotto uno strato di acqua, la cui temperatura viene mantenuta nell'intervallo prescritto. Poiché viene immagazzinato sott'acqua, la radioattività del carburante e la potenza della sua scarica residua diminuiscono. Dopo circa tre anni, l'autoriscaldamento del gruppo del combustibile raggiunge già 50-60 ° C. Quindi il carburante viene rimosso dalle piscine e inviato per il riciclaggio o lo smaltimento.

Uranio metallico

L'uranio metallico è usato relativamente raramente come combustibile per i reattori nucleari. Quando la sostanza raggiunge una temperatura di 660 ° C, si verifica una transizione di fase, accompagnata da un cambiamento nella sua struttura. In poche parole, l'uranio aumenta di volume, il che può portare alla distruzione dell'elemento combustibile. In caso di irradiazione prolungata a una temperatura di 200-500 ° C, la sostanza è soggetta a crescita di radiazioni. L'essenza di questo fenomeno è l'allungamento dell'asta di uranio irradiato di 2-3 volte.

L'uso dell'uranio metallico a temperature superiori a 500 ° C è ostacolato a causa del suo gonfiore. Dopo la divisione del nucleo, si formano due frammenti, il cui volume totale supera il volume del nucleo stesso. Alcuni frammenti di fissione sono rappresentati da atomi di gas (xeno, kripton, ecc.). Il gas si accumula nei pori dell'uranio e forma una pressione interna che aumenta all'aumentare della temperatura. Aumentando il volume degli atomi e aumentando la pressione dei gas, il combustibile nucleare inizia a gonfiarsi. Quindi, ciò implica un cambiamento relativo nel volume associato alla fissione nucleare.

La forza del rigonfiamento dipende dalla temperatura delle barre di combustibile e dal burnout. Con un aumento del burnout, il numero di frammenti di fissione aumenta, e con un aumento della temperatura e del burnout, la pressione interna dei gas. Se il carburante ha proprietà meccaniche più elevate, è meno suscettibile al gonfiore. L'uranio metallico non si applica a tali materiali. Pertanto, il suo uso come combustibile per i reattori nucleari limita la profondità di burnout, che è una delle caratteristiche principali di tale combustibile.

Le proprietà meccaniche dell'uranio e la sua resistenza alle radiazioni sono migliorate dal drogaggio del materiale. Questo processo comporta l'aggiunta di alluminio, molibdeno e altri metalli. A causa degli additivi antidoping, il numero di neutroni di fissione richiesti per cattura è ridotto. Pertanto, i materiali che assorbono debolmente i neutroni vengono utilizzati per questi scopi.

Composti refrattari

Alcuni composti dell'uranio refrattario sono considerati buoni combustibili nucleari: carburi, ossidi e composti intermetallici. Il più comune di questi è il biossido di uranio (ceramica). Il suo punto di fusione è 2800 ° С e la sua densità è di 10,2 g / cm ³ .

Poiché questo materiale non ha transizioni di fase, è meno suscettibile al gonfiore rispetto alle leghe di uranio. A causa di questa caratteristica, la temperatura di burnout può essere aumentata di diversi punti percentuali. A temperature elevate, le ceramiche non interagiscono con niobio, zirconio, acciaio inossidabile e altri materiali. Il suo principale svantaggio è la bassa conduttività termica - 4,5 kJ (m * K), che limita la densità di potenza del reattore. Inoltre, la ceramica calda è soggetta a screpolature.

plutonio

Il plutonio è considerato un metallo a basso punto di fusione. Si scioglie a 640 ° C. A causa delle sue scarse proprietà plastiche, è praticamente impossibile essere lavorati. La tossicità della sostanza complica la tecnologia di produzione degli elementi di combustibile. il industria nucleare I tentativi di usare il plutonio e i suoi composti sono stati ripetutamente effettuati, ma non hanno avuto successo. L'uso di combustibile per centrali nucleari contenenti plutonio non è pratico a causa di una riduzione di circa 2 volte del periodo di accelerazione, che i sistemi di controllo del reattore standard non sono progettati per.

Per la produzione di combustibile nucleare, di norma vengono utilizzati biossido di plutonio, leghe di plutonio con minerali e una miscela di carburi di plutonio con carburi di uranio. I carburanti dispersi possiedono elevate proprietà meccaniche e conducibilità termica, in cui particelle di uranio e composti di plutonio sono posti in una matrice metallica di molibdeno, alluminio, acciaio inossidabile e altri metalli. La resistenza alle radiazioni e la conduttività termica del combustibile per dispersione dipendono dal materiale della matrice. Ad esempio, nella prima centrale nucleare, il combustibile per dispersione consisteva in particelle di lega di uranio con il 9% di molibdeno, che erano allagate con molibdeno.

Per quanto riguarda il carburante al torio, oggi non viene utilizzato a causa di difficoltà nella produzione e nella lavorazione di elementi di combustibile.

estrazione

Volumi significativi della principale materia prima per il combustibile nucleare - l'uranio si concentra in diversi paesi: Russia, Stati Uniti, Francia, Canada e Sudafrica. I suoi depositi, di regola, si trovano vicino all'oro e al rame, quindi tutti questi materiali vengono estratti simultaneamente.

La salute delle persone che lavorano allo sviluppo è soggetta a un grande pericolo. Il fatto è che l'uranio è un materiale tossico e che i gas rilasciati durante la sua estrazione possono provocare il cancro. E questo nonostante il fatto che il minerale non contenga più dell'1% di questa sostanza.

reception

La produzione di combustibile nucleare da minerale di uranio comprende le seguenti fasi:

1. Elaborazione idrometallurgica. Include lisciviazione, frantumazione ed estrazione o sorption. Il risultato del trattamento idrometallurgico è una sospensione purificata di idrossi-idrossururene, diuranato di sodio o diuranato di ammonio.
2. Il trasferimento di una sostanza dall'ossido al tetrafluoruro o esafluoruro, usato per arricchire l'uranio-235.
3. Arricchimento della sostanza mediante centrifugazione o diffusione termica del gas.
4. Conversione di materiale arricchito in diossido, da cui vengono prodotte le pillole TVEL.

rigenerazione

Durante il funzionamento di un reattore nucleare, il carburante non può bruciarsi completamente, pertanto vengono riprodotti isotopi liberi. A questo proposito, gli elementi di combustibile esaurito sono soggetti a rigenerazione per il riutilizzo.

Allo stato attuale, questo problema è risolto da un processo di pyurex che consiste in fasi come:

1. Taglio di barre di combustibile in due parti e dissolvendole in acido nitrico;
2. Pulizia della soluzione dai prodotti di fissione e parti della shell;
3. Isolamento di uranio puro e composti di plutonio.

Dopodiché, il biossido di plutonio ottenuto passa alla produzione di nuovi nuclei e all'uranio per arricchire o anche produrre anime. Il ritrattamento del combustibile nucleare è un processo complesso e costoso. Il suo costo ha un impatto significativo sulla redditività economica dell'utilizzo di centrali nucleari. Lo stesso si può dire sullo smaltimento del combustibile nucleare di rifiuti che non è adatto per la rigenerazione.