TVEL è un elemento di combustibile. Reattore nucleare

Sebbene oggi l'energia nucleare non sia completamente sicura, i reattori e le centrali elettriche in tutto il mondo stanno costruendo più che chiudendo. Così negli Stati Uniti d'America, il numero di reattori operativi ha appena superato il centinaio, in Francia (il secondo più grande numero di atomi pacifici del pianeta) - circa 60, e forniscono circa l'80% dell'elettricità generata nel paese.

Carburante per reattore nucleare serve tel. Questo è un elemento in cui scorre direttamente la catena di reazione controllata. Come sono "la legna da ardere" della caldaia nucleare, come sono fatti e cosa succede al combustibile nel cuore della centrale elettrica?

Cos'è una reazione a catena nucleare

È noto che i nuclei atomici sono costituiti da protoni e neutroni. Ad esempio, il nucleo dell'atomo di uranio contiene 92 protoni e 143 o 146 neutroni. La forza repulsiva tra i protoni caricati positivamente nel nucleo dell'uranio è semplicemente enorme, circa 100 kgf in un singolo (!) Atomo. Tuttavia, le forze nucleari non lasciano il posto al nucleo. Quando un neutrone libero entra nel nucleo dell'uranio (solo una particella neutra è in grado di avvicinarsi al nucleo), quest'ultimo viene deformato e si diffonde in due metà più due o tre neutroni liberi.

Questi neutroni liberi attaccano i nuclei di altri atomi e così via, quindi il numero di collisioni aumenta esponenzialmente e in una frazione di secondo l'intera massa dei decadimenti metallici radioattivi. Questo decadimento è accompagnato dalla dispersione di frammenti a tutte le velocità in tutte le direzioni e le loro collisioni con le molecole ambientali causano il riscaldamento a diversi milioni di gradi. Questa è una foto del solito. esplosione nucleare. TVEL dirige questo fenomeno in modo pacifico. Come sta andando?

Reazione nucleare controllata

Perché una reazione nucleare si sostenga, diventi una catena, è necessaria una quantità sufficiente di combustibile radioattivo (la cosiddetta "massa critica"). Nelle armi nucleari, questo problema è risolto semplicemente: due lingotti del metallo di grado militare (uranio 235, plutonio 239, ecc.) Con una massa di ciascuno leggermente più piccola di quella critica sono combinati per mezzo di un'esplosione di trotile ordinario.

Per un uso pacifico dell'atomo, questo metodo non è adatto. La figura mostra schematicamente il dispositivo del più semplice reattore atomico. Ogni elemento di combustibile (elemento combustibile - combustibile di uranio) è meno critico della sua massa, ma il loro peso totale supera questo segno. Essendo in stretta vicinanza l'uno con l'altro, le barre di combustibile "scambiano" neutroni liberi. A causa di tale bombardamento reciproco di neutroni nel reattore, viene mantenuta la reazione a catena nucleare. Le aste di grafite svolgono il ruolo di una sorta di "freno" del processo nucleare. La grafite è un buon assorbitore di neutroni, la reazione si estingue quando le barre di questo materiale vengono posizionate tra gli elementi di combustibile. Questo interrompe completamente lo scambio di neutroni liberi.

Quindi, la reazione è sotto il controllo costante dell'automazione. Il decadimento è accompagnato dal movimento nel mezzo dei frammenti di refrigerante dei nuclei di uranio, che lo riscaldano alla temperatura richiesta.

Come viene prodotta l'elettricità

Ulteriore dispositivo centrale nucleare non molto diverso dal solito calore, a gas, petrolio o carbone. La differenza è che il calore viene generato in un impianto di cogenerazione bruciando idrocarburi fossili, mentre in una centrale nucleare, il refrigerante viene riscaldato da un elemento di combustibile dei reattori nucleari.

Il refrigerante portato ad una temperatura di 500-800 ° C (acqua surriscaldata, sali fusi e anche metalli liquidi possono svolgere il suo ruolo) in uno speciale scambiatore di calore riscalda l'acqua, trasformandola in vapore secco. Il vapore ruota una turbina, montata su un albero con un generatore, in cui viene generata corrente elettrica.

Cosa sono

I primi reattori nucleari erano dispositivi omogenei. Erano le caldaie in cui combustibile nucleare (più spesso liquido, meno spesso gassoso). È una fusione di sali di uranio o debole uranio arricchito a volte sospensioni di polvere di uranio, ecc. Il processo è stato regolato introducendo nella zona attiva un moderatore sotto forma di piastre o barre fatte di un materiale che rallenta bene i neutroni liberi. Il calore è stato trasferito all'acqua attraverso scambiatori di calore situati direttamente nella zona attiva, come griglie in un forno a carbone.

La nostra figura mostra un reattore nucleare eterogeneo, che ora è la maggioranza assoluta al mondo. Tali "caldaie nucleari" sono più facili da mantenere, cambiano il carburante in esse, riparano, sono più sicure e più affidabili di quelle vecchie e omogenee.

Un altro vantaggio dell'utilizzo di elementi di combustibile uranio è la generazione di nuclei di uranio in un elemento come il plutonio 239 come risultato dell'irradiazione di neutroni, che viene poi utilizzato come combustibile per reattori nucleari di piccole dimensioni, e anche come arma.

Dov'è il carburante per le centrali nucleari

L'uranio viene estratto in molti paesi del mondo con metodi a cielo aperto (cava) o minerario. Inizialmente, il minerale non contiene nemmeno l'uranio stesso, ma il suo ossido. L'estrazione del metallo dall'ossido è la più complicata catena di trasformazioni chimiche. Non tutti i paesi del mondo possono permettersi di acquisire imprese per la produzione di combustibile nucleare.

Un ulteriore compito è l'arricchimento dell'uranio estratto. Meno dell'1% dell'uranio 235 è contenuto in materiale naturale, il resto è l'isotopo 238. È estremamente difficile separare questi due elementi. Le centrifughe per l'arricchimento dell'uranio sono i dispositivi più complessi.

Affinché l'uranio si arricchisca notevolmente (il contenuto dell'isotopo 235 aumentato al 20%), dovrà trasformarsi in gas e salire a mille fasi di lavorazione.

Come funziona TVEL

Gli ingegneri arrivano nelle mani di ingegneri arricchiti di uranio, ma è ancora a combustibile nucleare. La produzione di questo combustibile è simile alla metallurgia delle polveri. Il metallo in polvere (oi suoi composti chimici) viene pressato in piccole compresse con un diametro di circa un centimetro.

I prodotti in uranio metallico sono più adatti a sopportare le condizioni infernali all'interno del reattore, ma l'elemento pulito è molto costoso da produrre. Il diossido di uranio è molto più economico, ma in modo che non si sbricioli dall'enorme pressione e calore è necessario infornare sotto un'enorme pressione ad una temperatura superiore a 1000 ° C.

TVEL è un insieme di rondelle di circa 2-4 metri, poste in un tubo di acciaio o leghe di ferro con molibdeno. Gli stessi TVEL sono reclutati in un fascio di diverse decine o addirittura centinaia. Un tale set è chiamato un gruppo carburante (gruppo carburante).

I FA sono installati direttamente nel cuore di un reattore atomico. In un reattore, il loro numero può raggiungere diverse centinaia. Quando l'uranio decade, gli elementi di combustibile perdono la loro capacità di produrre calore, quindi vengono sostituiti. Ma un chilogrammo di uranio tecnico, arricchito con un contenuto di isotopi del 235% del 4%, ha il tempo di produrre tanta energia in un reattore nucleare come avrebbe se bruciasse 300 barili standard da 200 litri.