Dobivanje nuklearnog goriva. Nuklearne elektrane

Nuklearna elektrana (NPP) je kompleks tehničkih struktura namijenjenih proizvodnji električne energije korištenjem energije oslobođene tijekom kontrolirane nuklearne reakcije.

Uran se koristi kao uobičajeno gorivo za nuklearne elektrane. Reakcija fisije odvija se u glavnoj jedinici nuklearne elektrane – nuklearnom reaktoru.

Reaktor je montiran u čelično kućište dizajnirano za visoki krvni tlak- do 1,6 x 107 Pa, odnosno 160 atmosfera.
Glavni dijelovi VVER-1000 su:

1. Aktivna zona, gdje se nalazi nuklearno gorivo, dolazi do lančane reakcije nuklearne fisije i oslobađanja energije.
2. Reflektor neutrona koji okružuje jezgru.
3. Rashladna tekućina.
4. Sustav upravljanja zaštitom (CPS).
5. Zaštita od zračenja.

Toplina u reaktoru se oslobađa zbog lančana reakcija fisija nuklearnog goriva pod utjecajem toplinskih neutrona. U ovom slučaju nastaju proizvodi nuklearne fisije, među kojima su i krutine i plinovi - ksenon, kripton. Produkti fisije imaju vrlo visoku radioaktivnost, pa se gorivo (kuglice uranovog dioksida) stavlja u zabrtvljene cirkonijeve cijevi - gorivne šipke (gorivi elementi). Ove cijevi su spojene u nekoliko dijelova jedan pored drugog u jedan sklop goriva. Za upravljanje i zaštitu nuklearnog reaktora koriste se kontrolne šipke koje se mogu pomicati po cijeloj visini jezgre. Šipke su napravljene od tvari koje snažno apsorbiraju neutrone - na primjer, bor ili kadmij. Kada su šipke duboko umetnute, lančana reakcija postaje nemoguća, jer se neutroni snažno apsorbiraju i uklanjaju iz reakcijske zone. Šipke se pomiču daljinski s upravljačke ploče. Uz lagano pomicanje šipki lančani proces ili će se razviti ili izblijedjeti. Na taj način se regulira snaga reaktora.

Raspored stanice je dvokružni. Prvi, radioaktivni, krug sastoji se od jednog reaktora VVER 1000 i četiri cirkulacijske rashladne petlje. Drugi krug, neradioaktivni, uključuje parogenerator i vodoopskrbnu jedinicu te jednu turbinsku jedinicu snage 1030 MW. Primarno rashladno sredstvo je voda koja ne kipuće visoke čistoće pod tlakom od 16 MPa s dodatkom otopine borne kiseline, jakog apsorbera neutrona, koja se koristi za regulaciju snage reaktora.

1. Glavne cirkulacijske crpke pumpaju vodu kroz jezgru reaktora, gdje se zagrijava do temperature od 320 stupnjeva zbog topline nastale tijekom nuklearne reakcije.
2. Zagrijana rashladna tekućina predaje svoju toplinu vodi sekundarnog kruga (radnoj tekućini), isparavajući je u generatoru pare.
3. Ohlađena rashladna tekućina ponovno ulazi u reaktor.
4. Generator pare proizvodi zasićenu paru pod pritiskom od 6,4 MPa, koja se dovodi u parna turbina.
5. Turbina pokreće rotor električnog generatora.
6. Ispušna para se kondenzira u kondenzatoru i pumpom za kondenzat ponovno dovodi u generator pare. Za održavanje stalni pritisak U krug je ugrađen kompenzator volumena pare.
7. Toplina kondenzacije pare odvodi se iz kondenzatora cirkulirajućom vodom, koja se dovodi pumpom za napajanje iz bazena hladnjaka.
8. I prvi i drugi krug reaktora su zabrtvljeni. Time se osigurava sigurnost reaktora za osoblje i javnost.

Ako nije moguće koristiti veliku količinu vode za kondenzaciju pare, umjesto u rezervoaru, voda se može hladiti u posebnim rashladnim tornjevima (rashladnim tornjevima).

Sigurnost i ekološka prihvatljivost rada reaktora osiguravaju se strogim pridržavanjem propisa (pogonskih pravila) i velikom količinom upravljačke opreme. Sve je to dizajnirano za promišljeno i učinkovito upravljanje reaktorom.
Hitna zaštita nuklearnog reaktora je skup uređaja namijenjenih brzom zaustavljanju lančane nuklearne reakcije u jezgri reaktora.

Aktivna zaštita od nužde automatski se aktivira kada jedan od parametara nuklearnog reaktora dosegne vrijednost koja bi mogla dovesti do nesreće. Takvi parametri mogu uključivati: temperaturu, tlak i protok rashladnog sredstva, razinu i brzinu povećanja snage.

Izvršni elementi zaštite u nuždi su u većini slučajeva šipke s tvari koja dobro apsorbira neutrone (bor ili kadmij). Ponekad se, kako bi se reaktor zatvorio, tekući apsorber ubrizgava u petlju rashladnog sredstva.

Osim aktivne zaštite, mnoge moderne izvedbe uključuju i elemente pasivne zaštite. Na primjer, moderne verzije reaktora VVER uključuju "sustav hlađenja jezgre u hitnim slučajevima" (ECCS) - posebne spremnike s borna kiselina koji se nalazi iznad reaktora. U slučaju najveće projektirane nesreće (puknuće prvog kruga hlađenja reaktora), sadržaj ovih spremnika gravitacijom završi unutar jezgre reaktora, a lančana nuklearna reakcija se gasi velikom količinom tvari koja sadrži bor, što dobro apsorbira neutrone.

Prema “Pravilima nuklearne sigurnosti za reaktorska postrojenja nuklearnih elektrana” barem jedan od predviđenih sustava za gašenje reaktora mora obavljati funkciju zaštite od nužde (EP). Zaštita u nuždi mora imati najmanje dvije samostalne skupine radnih tijela. Na signal AZ, radni dijelovi AZ moraju se aktivirati iz bilo kojeg radnog ili međupoložaja.
AZ oprema mora se sastojati od najmanje dva neovisna kompleta.

Svaki komplet AZ opreme mora biti projektiran na način da je osigurana zaštita u rasponu promjena gustoće toka neutrona od 7% do 120% nominalne:
1. Po gustoći toka neutrona - ne manje od tri neovisna kanala;
2. Prema brzini povećanja gustoće toka neutrona - ne manje od tri neovisna kanala.

Svaki komplet opreme za zaštitu od nužde mora biti projektiran na način da se u cijelom rasponu promjena tehnoloških parametara utvrđenih u projektu reaktorskog postrojenja (RP) zaštita od nužde osigura s najmanje tri neovisna kanala za svaki tehnološki parametar. za koje je potrebna zaštita.

Upravljačke naredbe svakog skupa za AZ aktuatore moraju se prenositi kroz najmanje dva kanala. Kada se jedan kanal u jednom od skupova AZ opreme isključi iz rada, a da se ovaj set ne isključi iz rada, treba automatski generirati alarmni signal za taj kanal.

Zaštita u nuždi mora se aktivirati barem u sljedećim slučajevima:
1. Nakon postizanja AZ postavke za gustoću toka neutrona.
2. Nakon postizanja AZ postavke za brzinu povećanja gustoće toka neutrona.
3. Ako napon nestane u bilo kojem kompletu opreme za zaštitu od nužde i CPS sabirnicama za napajanje koje nisu isključene iz pogona.
4. U slučaju kvara bilo koja dva od tri zaštitna kanala za gustoću toka neutrona ili za brzinu porasta toka neutrona u bilo kojem kompletu AZ opreme koji nije povučen iz uporabe.
5. Kada su AZ postavke dostignute tehnološkim parametrima za koje je potrebno provesti zaštitu.
6. Prilikom aktiviranja AZ ključem iz kontrolne točke bloka (BCP) ili rezervne kontrolne točke (RCP).

Materijal su pripremili online urednici www.rian.ru na temelju informacija RIA Novosti i otvorenih izvora

Nuklearna energija sastoji se od velikog broja poduzeća za razne namjene. Sirovine za ovu industriju vade se iz rudnika urana. Zatim se isporučuje u pogone za proizvodnju goriva.

Gorivo se zatim transportira u nuklearne elektrane, gdje ulazi u jezgru reaktora. Kada nuklearno gorivo dođe do kraja svog korisnog vijeka, podliježe zbrinjavanju. Važno je napomenuti da se opasni otpad ne pojavljuje samo nakon prerade goriva, već iu bilo kojoj fazi - od rudarenja urana do rada u reaktoru.

Nuklearno gorivo

Postoje dvije vrste goriva. Prvi je uran koji se vadi u rudnicima, odnosno prirodno podrijetlo. Sadrži sirovine koje mogu tvoriti plutonij. Drugo je gorivo koje se stvara umjetno (sekundarno).

Nuklearno gorivo se također dijeli prema kemijski sastav: metalni, oksidni, karbidni, nitridni i mješoviti.

Eksploatacija urana i proizvodnja goriva

Velik udio proizvodnje urana odvija se u samo nekoliko zemalja: Rusiji, Francuskoj, Australiji, SAD-u, Kanadi i Južnoj Africi.

Uran je glavni element za gorivo u nuklearnim elektranama. Da bi ušao u reaktor, prolazi kroz nekoliko faza obrade. Najčešće se nalazišta urana nalaze uz zlato i bakar, pa se njegovo vađenje provodi uz vađenje plemenitih metala.

U rudarstvu je zdravlje ljudi u velikom riziku jer je uran otrovan materijal, a plinovi koji se pojavljuju pri njegovom rudarenju uzrokuju razne oblike raka. Iako sama ruda sadrži vrlo malu količinu urana – od 0,1 do 1 posto. Stanovništvo koje živi u blizini rudnika urana također je u velikom riziku.

Obogaćeni uran je glavno gorivo za nuklearne elektrane, ali nakon upotrebe ostaje ogroman iznos radioaktivni otpad. Unatoč svim svojim opasnostima, obogaćivanje urana sastavni je proces stvaranja nuklearnog goriva.

U svom prirodnom obliku uran se praktički ne može nigdje koristiti. Da bi se mogla koristiti, mora se obogatiti. Za obogaćivanje se koriste plinske centrifuge.

Obogaćeni uran koristi se ne samo u nuklearnoj energiji, već iu proizvodnji oružja.

Prijevoz

U bilo kojoj fazi ciklusa goriva postoji transport. Provodi se svim raspoloživim sredstvima: kopnom, morem, zrakom. Ovo je veliki rizik i velika opasnost ne samo za okoliš, već i za ljude.

Tijekom transporta nuklearnog goriva ili njegovih elemenata dolazi do mnogih nesreća koje rezultiraju ispuštanjem radioaktivnih elemenata. Ovo je jedan od mnogih razloga zašto se smatra nesigurnim.

Dekomisija reaktora

Nijedan od reaktora nije rastavljen. Čak i zloglasni Černobil. Cijela stvar je u tome što je, prema stručnjacima, trošak demontaže jednak ili čak veći od troška izgradnje novog reaktora. Ali nitko ne može točno reći koliko će novca biti potrebno: trošak je izračunat na temelju iskustva rastavljanja malih stanica za istraživanje. Stručnjaci nude dvije mogućnosti:

  1. Smjestiti reaktore i istrošeno nuklearno gorivo u odlagališta.
  2. Graditi sarkofage nad povučenim reaktorima.

U sljedećih deset godina oko 350 reaktora diljem svijeta doći će do kraja svog životnog vijeka i morat će se povući iz upotrebe. Ali budući da najprikladnija metoda u smislu sigurnosti i cijene nije izmišljena, ovo se pitanje još uvijek rješava.

Trenutno u svijetu radi 436 reaktora. Naravno, to je veliki doprinos energetskom sustavu, ali je vrlo nesiguran. Istraživanja pokazuju da će za 15-20 godina nuklearne elektrane moći zamijeniti stanice koje rade na energiju vjetra i solarne ploče.

Nuklearni otpad

Ogromna količina nuklearnog otpada nastaje kao rezultat rada nuklearnih elektrana. Ponovnom preradom nuklearnog goriva također ostaje opasan otpad. Međutim, niti jedna država nije pronašla rješenje problema.

Danas se nuklearni otpad čuva u privremenim skladištima, u bazenima ili zakopava plitko pod zemlju.

Većina siguran način- radi se o skladištenju u posebnim skladištima, ali i ovdje je moguće curenje zračenja, kao i kod drugih metoda.

Zapravo, nuklearni otpad ima određenu vrijednost, ali zahtijeva strogo poštivanje pravila za njegovo skladištenje. A ovo je najhitniji problem.

Važan čimbenik je vrijeme u kojem je otpad opasan. Svaki ima svoj period raspadanja tijekom kojeg je otrovan.

Vrste nuklearnog otpada

Tijekom rada bilo koje nuklearne elektrane njen otpad ulazi u okruženje. To je voda za hlađenje turbina i plinoviti otpad.

Nuklearni otpad se dijeli u tri kategorije:

  1. Niska razina - odjeća zaposlenika nuklearne elektrane, laboratorijska oprema. Takav otpad također može potjecati iz medicinske ustanove, znanstveni laboratoriji. Ne predstavljaju veliku opasnost, ali zahtijevaju poštivanje sigurnosnih mjera.
  2. Srednja razina - metalni spremnici u kojima se prevozi gorivo. Njihova je radijacija prilično visoka, a oni koji su im blizu moraju biti zaštićeni.
  3. Visoka razina je istrošeno nuklearno gorivo i proizvodi njegove prerade. Razina radioaktivnosti se brzo smanjuje. Visokoradioaktivni otpad je vrlo mali, oko 3 posto, ali sadrži 95 posto sve radioaktivnosti.

Nuklearna energija se koristi u termoenergetici, kada se iz nuklearnog goriva u reaktorima dobiva energija u obliku topline. Koristi se za proizvodnju električne energije u nuklearne elektrane (NPP), za velike elektrane morskih brodova, za desalinizaciju morske vode.

Nuklearna energija duguje svoju pojavu, prije svega, prirodi neutrona, otkrivenog 1932. godine. Neutroni su dio svega atomske jezgre osim jezgre vodika. Vezani neutroni u jezgri postoje neograničeno dugo. U svom slobodnom obliku oni su kratkog vijeka, jer se ili raspadaju s vremenom poluraspada od 11,7 minuta, pretvarajući se u proton i emitirajući elektron i neutrino, ili ih brzo hvataju jezgre atoma.

Suvremena nuklearna energija temelji se na korištenju energije koja se oslobađa tijekom fisije prirodnog izotopa uran-235. U nuklearnim elektranama provodi se kontrolirana reakcija nuklearne fisije nuklearni reaktor. Prema energiji neutrona koji proizvode nuklearnu fisiju, razlikovati toplinske i brze neutronske reaktore.

Glavna jedinica nuklearne elektrane je nuklearni reaktor, čiji je dijagram prikazan na sl. 1. Energiju dobivaju iz nuklearnog goriva, a zatim je u obliku topline predaju drugom radnom fluidu (vodi, metalnoj ili organskoj tekućini, plinu); zatim se pretvara u električnu energiju prema istoj shemi kao u konvencionalnim.

Oni kontroliraju proces, održavaju reakciju, stabiliziraju snagu, pokreću i zaustavljaju reaktor pomoću posebnih pokreta kontrolne šipke 6 I 7 od materijala koji intenzivno apsorbiraju toplinske neutrone. Pokreće ih kontrolni sustav 5 . Radnje kontrolne šipke očituju se u promjeni snage neutronskog toka u jezgri. Po kanalima 10 voda cirkulira hladeći biološki zaštitni beton

Upravljačke šipke izrađene su od bora ili kadmija, koji su otporni na toplinu, zračenje i koroziju, mehanički jaki i imaju dobra svojstva prijenosa topline.

Unutar masivnog čeličnog kućišta 3 postoji košara 8 sa gorivim elementima 9 . Rashladna tekućina ulazi kroz cjevovod 2 , prolazi kroz jezgru, pere sve gorive elemente, zagrijava i kroz cjevovod 4 ulazi u generator pare.

Riža. 1. Nuklearni reaktor

Reaktor je smješten unutar debelog betonskog uređaja za biološko zadržavanje 1 , koji štiti okolni prostor od protoka neutrona, alfa, beta, gama zračenja.

Gorivi elementi (gorivne šipke)- glavni dio reaktora. U njima se izravno događa nuklearna reakcija i oslobađa se toplina; svi ostali dijelovi služe za izolaciju, kontrolu i odvođenje topline. Strukturno, gorivi elementi mogu biti izrađeni od šipke, ploče, cjevaste, sferne itd. Najčešće su šipke, duljine do 1 metra, promjera 10 mm. Obično se sastavljaju od kuglica urana ili od kratkih cijevi i ploča. S vanjske strane, gorivi elementi prekriveni su tankim metalnim omotačem otpornim na koroziju. Za školjku se koriste legure cirkonija, aluminija, magnezija, kao i legirani nehrđajući čelik.

Prijenos topline koja se oslobađa tijekom nuklearne reakcije u jezgri reaktora na radno tijelo motora (turbine) elektrana provodi se prema shemama s jednim krugom, dvostrukim i trostrukim krugom (slika 2).

Riža. 2. Nuklearna elektrana
a – prema shemi s jednim krugom; b – prema shemi dvostrukog kruga; c – prema shemi s tri kruga
1 – reaktor; 2, 3 – biološka zaštita; 4 – regulator pritiska; 5 – turbina; 6 – električni generator; 7 – kondenzator; 8 – pumpa; 9 – rezervni kapacitet; 10 – regenerativni grijač; 11 – generator pare; 12 – pumpa; 13 – međuizmjenjivač topline

Svaki sklop je zatvoreni sustav. Reaktor 1 (u svim toplinskim krugovima) koji se nalazi unutar primara 2 i sekundarni 3 biološka zaštita. Ako je nuklearna elektrana izgrađena prema jednokružnom toplinskom krugu, para iz reaktora kroz regulator tlaka 4 ulazi u turbinu 5 . Osovina turbine spojena je na osovinu elektrogeneratora 6 , u kojem se proizvodi električna struja. Ispušna para ulazi u kondenzator, gdje se hladi i potpuno kondenzira. Pumpa 8 usmjerava kondenzat u regenerativni grijač 10 , a zatim ulazi u reaktor.

U shemi s dva kruga, rashladno sredstvo zagrijano u reaktoru ulazi u generator pare 11 , gdje se toplina površinskim zagrijavanjem prenosi na rashladno sredstvo radnog fluida (napojna voda sekundarnog kruga). U reaktorima hlađenim vodom, rashladno sredstvo u generatoru pare se hladi za približno 15...40 o C, a zatim pomoću cirkulacijske pumpe 12 šalje se natrag u reaktor.


U dizajnu s tri kruga, rashladno sredstvo (obično tekući natrij) iz reaktora usmjerava se u međuizmjenjivač topline 13 a odatle cirkulacijskom pumpom 12 vraća u reaktor. Rashladno sredstvo u drugom krugu također je tekući natrij. Ovaj krug nije ozračen i stoga je neradioaktivan. Natrij sekundarnog kruga ulazi u generator pare 11 , predaje toplinu radnom fluidu, a zatim ga cirkulacijska pumpa šalje natrag u međuizmjenjivač topline.

Broj cirkulacijskih krugova određuje vrstu reaktora, rashladno sredstvo koje se koristi, njegova nuklearna fizikalna svojstva i stupanj radioaktivnosti. Krug s jednom petljom može se koristiti u reaktorima s kipućom vodom i plinom hlađenim reaktorima. Najrašireniji dvostruki krug kada koristite vodu, plin i organske tekućine kao rashladno sredstvo. Shema s tri kruga koristi se u nuklearnim elektranama s brzim neutronskim reaktorima koji koriste tekuće metalne rashladne tekućine (natrij, kalij, natrij-kalijeve legure).

Nuklearno gorivo može biti uran-235, uran-233 i plutonij-232. Sirovine za dobivanje nuklearnog goriva - prirodni uran i torij. Nuklearna reakcija jednog grama fisibilnog materijala (uran-235) oslobađa energiju ekvivalentnu 22 × 10 3 kW × h (19 × 10 6 cal). Za dobivanje te količine energije potrebno je sagorjeti 1900 kg nafte.

Uran-235 je lako dostupan, a njegove energetske rezerve približno su jednake onima fosilnih goriva. Međutim, ako se nuklearno gorivo koristi s tako niskom učinkovitošću kakva je trenutno dostupna, raspoloživi izvori urana bit će iscrpljeni u roku od 50-100 godina. U isto vrijeme, "naslage" nuklearnog goriva su praktički neiscrpne - to je uran otopljen u morska voda. U oceanu ga ima stotinama puta više nego na kopnu. Cijena dobivanja jednog kilograma uranovog dioksida iz morske vode je oko 60-80 dolara, au budućnosti će pasti na 30 dolara, a cijena uranovog dioksida iskopanog u najbogatijim nalazištima na kopnu je 10-20 dolara. Stoga će nakon nekog vremena troškovi na kopnu i “na morskoj vodi” postati istog reda.

Cijena nuklearnog goriva približno je dva puta niža od cijene fosilnog ugljena. U elektranama na ugljen udio goriva pada 50-70% cijene električne energije, au nuklearnim elektranama - 15-30%. Moderna termoelektrana s kapacitetom od 2,3 milijuna kW (na primjer, Državna elektrana Samara) dnevno troši oko 18 tona ugljena (6 vlakova) ili 12 tisuća tona loživog ulja (4 vlaka). Nuklearna, iste snage, dnevno troši samo 11 kg nuklearnog goriva, a godišnje 4 tone. Međutim, nuklearna elektrana je skuplja od termoelektrane u smislu izgradnje, rada i popravka. Na primjer, izgradnja nuklearne elektrane snage 2 - 4 milijuna kW košta otprilike 50-100% više od termoelektrane.

Moguće je smanjiti kapitalne troškove za izgradnju nuklearnih elektrana zbog:

  1. standardizacija i unifikacija opreme;
  2. razvoj dizajna kompaktnih reaktora;
  3. poboljšanje sustava upravljanja i regulacije;
  4. smanjenje trajanja zaustavljanja reaktora radi punjenja gorivom.

Važna karakteristika nuklearnih elektrana (nuklearnih reaktora) je učinkovitost gorivnog ciklusa. Kako biste poboljšali učinkovitost ciklusa goriva, trebali biste:

  • povećati sagorijevanje nuklearnog goriva;
  • povećati stopu razmnožavanja plutonija.

Svakom fisijom jezgre urana-235 oslobađaju se 2-3 neutrona. Od njih se samo jedan koristi za daljnju reakciju, ostali su izgubljeni. Međutim, moguće ih je koristiti za reprodukciju nuklearnog goriva, stvarajući brze neutronske reaktore. Pri radu reaktora brzih neutrona moguće je istovremeno dobiti približno 1,7 kg plutonija-239 po 1 kg spaljenog urana-235. Na taj način može se pokriti niska toplinska učinkovitost nuklearnih elektrana.

Reaktori na brze neutrone desetke su puta učinkovitiji (u smislu korištenja nuklearnog goriva) od reaktora na neutrone s gorivom. Ne sadrže moderator i koriste visoko obogaćeno nuklearno gorivo. Neutrone koji izlaze iz jezgre ne apsorbiraju strukturni materijali, već uran-238 ili torij-232 koji se nalaze oko njih.

U budućnosti će glavni fisijski materijali za nuklearne elektrane biti plutonij-239 i uran-233, dobiveni iz urana-238 i torija-232 u reaktorima na brzim neutronima. Pretvaranje urana-238 u plutonij-239 u reaktorima će povećati resurse nuklearnog goriva za oko 100 puta, a torija-232 u uran-233 za 200 puta.

Na sl. 3 prikazuje dijagram nuklearnog elektrana na brzim neutronima.

Karakteristike nuklearne elektrane na brze neutrone su:

  1. promjena kritičnosti nuklearnog reaktora provodi se reflektiranjem dijela fisijskih neutrona nuklearnog goriva s periferije natrag u jezgru pomoću reflektora 3 ;
  2. reflektori 3 može rotirati, mijenjajući curenje neutrona i, prema tome, intenzitet reakcija fisije;
  3. nuklearno gorivo se reproducira;
  4. Višak toplinske energije uklanja se iz reaktora pomoću radijatorskog hladnjaka 6 .

Riža. 3. Dijagram nuklearne elektrane koja koristi brze neutrone:
1 – gorivi elementi; 2 – ponovljivo nuklearno gorivo; 3 – reflektori brzih neutrona; 4 – nuklearni reaktor; 5 – potrošač električne energije; 6 – hladnjak-emiter; 7 – pretvarač toplinske energije u električnu energiju; 8 – zaštita od zračenja.

Pretvarači toplinske energije u električnu energiju

Prema principu korištenja toplinske energije proizvedene u nuklearnoj elektrani pretvarači se mogu podijeliti u 2 razreda:

  1. stroj (dinamički);
  2. bez stroja (izravni pretvarači).

Kod strojnih pretvarača reaktor je obično spojen plinska turbinska jedinica, u kojima radni fluid može biti vodik, helij ili mješavina helija i ksenona. Učinkovitost pretvaranja topline dovedene izravno u turbogenerator u električnu energiju je prilično visoka - učinkovitost pretvarača η = 0,7-0,75.

Dijagram nuklearne elektrane s dinamičkim pretvaračem plinske turbine (stroja) prikazan je na sl. 4.

Druga vrsta strojnog pretvarača je magnetoplinskodinamički ili magnetohidrodinamički generator (MGDG). Dijagram takvog generatora prikazan je na sl. 5. Generator je pravokutni kanal čije su dvije stijenke od dielektrika, a dvije od elektroprovodljivog materijala. Kroz kanale se kreće elektrovodljivi radni fluid - tekući ili plinoviti, koji se probija magnetsko polje. Kao što je poznato, kada se vodič kreće u magnetskom polju, nastaje emf, koji preko elektroda 2 prenosi potrošaču električne energije 3 . Izvor energije za radni toplinski tok je toplina koja se oslobađa u nuklearnom reaktoru. Ovaj toplinska energija troši se na kretanje naboja u magnetskom polju, tj. se pretvara u kinetičku energiju mlaza koji vodi struju, a kinetička energija u električnu energiju.

Riža. 4. Shema nuklearne elektrane s pretvaračem plinske turbine:
1 – reaktor; 2 – krug s tekućim metalnim rashladnim sredstvom; 3 – izmjenjivač topline za dovod topline plina; 4 – turbina; 5 – električni generator; 6 – kompresor; 7 – hladnjak-emiter; 8 – krug odvođenja topline; 9 – cirkulacijska pumpa; 10 – izmjenjivač topline za odvođenje topline; 11 – izmjenjivač topline-regenerator; 12 – krug s radnim fluidom pretvarača plinske turbine.

Direktni pretvarači (bezstrojni) toplinske energije u električnu dijele se na:

  1. termoelektrični;
  2. termički;
  3. elektrokemijski.

Termoelektrični generatori (TEG) temelje se na Seebeckovom principu, koji se sastoji u činjenici da u zatvorenom krugu koji se sastoji od različitih materijala nastaje termo-EMF ako se održava temperaturna razlika na mjestima kontakta tih materijala (slika 6. ). Za proizvodnju električne energije preporučljivo je koristiti poluvodičke TEG-ove veće učinkovitosti, dok temperaturu toplog spoja treba podići na 1400 K i više.

Termionski pretvarači (TEC) omogućuju stvaranje električne energije kao rezultat emisije elektrona iz zagrijanih u visoke temperature katoda (slika 7).

Riža. 5. Magnetogasdinamički generator:
1 – magnetsko polje; 2 – elektrode; 3 – potrošač električne energije; 4 – dielektrik; 5 – vodič; 6 – radni fluid (plin).

Riža. 6. Shema rada termoelektričnog generatora

Riža. 7. Shema rada termoeničkog pretvarača

Da bi se održala struja emisije, toplina se dovodi na katodu Q 1. Elektroni koje emitira katoda, nakon što su prevladali vakuumski procjep, dolaze do anode i apsorbiraju se od nje. Kada se elektroni “kondenziraju” na anodi, oslobađa se energija jednaka izlaznom radu elektrona suprotnog predznaka. Ako katodi osiguramo kontinuirani dovod topline i odvodimo je od anode, tada kroz opterećenje R teći će istosmjerna struja. Emisija elektrona se učinkovito odvija na temperaturama katode iznad 2200 K.

Sigurnost i pouzdanost nuklearnih elektrana

Jedno od glavnih pitanja razvoja nuklearna energija je osigurati pouzdanost i sigurnost nuklearnih elektrana.

Sigurnost od zračenja osigurava se:

  1. stvaranje pouzdani dizajni i uređaji za biološku zaštitu osoblja od zračenja;
  2. pročišćavanje zraka i vode koja izlazi iz prostora nuklearne elektrane;
  3. ekstrakcija i pouzdana lokalizacija radioaktivne kontaminacije;
  4. dnevni nadzor zračenja prostora nuklearne elektrane i individualni nadzor zračenja osoblja.

Prostorije NEK, ovisno o načinu rada i opremi koja je u njima ugrađena, dijele se u 3 kategorije:

  1. zona visoke sigurnosti;
  2. zabranjeno područje;
  3. zona normalnog načina rada.

Osoblje je stalno smješteno u prostorijama treće kategorije;

Tijekom rada nuklearnih elektrana nastaje kruti, tekući i plinoviti radioaktivni otpad. Moraju se zbrinuti na način koji ne zagađuje okoliš.

Plinovi koji se uklanjaju iz prostora tijekom ventilacije mogu sadržavati radioaktivne tvari u obliku aerosola, radioaktivne prašine i radioaktivnih plinova. Ventilacija stanice izgrađena je na takav način da protok zraka prolazi od "najčistijeg" do "zagađenog", a protok u suprotnom smjeru je isključen. U svim dijelovima kolodvora potpuna zamjena zrak se proizvodi unutar najviše jednog sata.

Tijekom rada nuklearnih elektrana javlja se problem zbrinjavanja i odlaganja radioaktivnog otpada. Gorivi elementi potrošeni u reaktorima mogu izdržati određeno vrijeme u bazenima vode izravno u nuklearnoj elektrani dok se izotopi s kratkim poluživotom ne stabiliziraju, nakon čega se gorivi elementi šalju u posebna radiokemijska postrojenja na regeneraciju. Tamo se iz gorivnih šipki izdvaja nuklearno gorivo, a radioaktivni otpad se zakopava.

Što zauzvrat može uzrokovati fisiju sljedećih jezgri. Ova fisija se događa kada neutron pogodi jezgru atoma izvorne tvari. Fisijski fragmenti nastali tijekom nuklearne fisije su veliki. Inhibicija fisijskih fragmenata u tvari popraćena je oslobađanjem velike količine topline. Fisijski fragmenti su jezgre nastale izravno kao rezultat fisije. Obično se nazivaju fisijski fragmenti i njihovi produkti radioaktivnog raspada produkti fisije. Jezgre koje se fisiraju neutronima bilo koje energije nazivaju se nuklearnim gorivom (u pravilu su to tvari s neparnim atomskim brojem). Postoje jezgre koje cijepaju samo neutroni s energijama iznad određene granična vrijednost(obično su to elementi s parnim atomskim brojem). Takve se jezgre nazivaju sirovim materijalom, jer kada se neutron uhvati jezgrom praga, nastaju jezgre nuklearnog goriva. Kombinacija nuklearnog goriva i sirovina naziva se nuklearno gorivo. Ispod je raspodjela fisijske energije jezgre 235 U između različitih fisijskih proizvoda (u MeV):

Prirodni uran sastoji se od tri izotopa: 238 U (99,282%), 235 U (0,712%) i 234 U (0,006%). Nije uvijek prikladno kao nuklearno gorivo, osobito ako građevinski materijali intenzivno upijaju . U ovom slučaju nuklearno gorivo se priprema od obogaćenog urana. U elektranama se koristi uran s obogaćenjem manjim od 10%, au nuklearnim i neutronskim reaktorima obogaćenje urana prelazi 20%. Obogaćeni uran proizvodi se u posebnim postrojenjima za obogaćivanje.

Klasifikacija

Nuklearno gorivo se dijeli na dvije vrste:

  • Prirodne, koje sadrže fisijske jezgre 235 U, kao i sirovine 238 U, koje mogu formirati 239 Pu nakon hvatanja neutrona;
  • Sekundarno gorivo koje se ne pojavljuje u prirodi, uključujući 239 Pu, dobiveno iz goriva prve vrste, kao i izotope 233 U koji nastaju kada neutrone uhvate jezgre 232 Th.

Prema kemijskom sastavu nuklearno gorivo može biti:

  • , uključujući ;
  • (Na primjer, );
  • (Na primjer, )
  • Mješoviti (PuO 2 + UO 2)

Primjena

Nuklearno gorivo se koristi u, gdje se obično nalazi u hermetički zatvorenim gorivim elementima () u obliku tableta veličine nekoliko centimetara.

Nuklearno gorivo podliježe visokim zahtjevima za kemijsku kompatibilnost s omotačima gorivih šipki; mora imati dovoljne temperature taljenja i isparavanja, dobru temperaturu, neznatno povećanje volumena tijekom ozračivanja i mogućnost izrade.

Potvrda o primitku

Uransko gorivo

Nuklearno gorivo dobiva se preradom ruda. Proces se odvija u nekoliko faza:

  • Za siromašna polja: U modernoj industriji, zbog nedostatka ruda bogatih uranom (iznimka su kanadska nalazišta nesklada, gdje koncentracija urana doseže 30% i australska nalazišta s udjelom urana do 3%), metoda podzemnog ispiranja koriste se rude. Ovo eliminira skupo rudarenje rude. Preliminarna priprema ide direktno u podzemlje. Kroz cijevi za ubrizgavanje pod zemljom iznad ležišta crpi se, ponekad s dodatkom soli željeza (za oksidaciju urana U(IV) u U(VI)), iako rude često sadrže željezo i piroluzit, koji olakšavaju oksidaciju. Kroz pumpne cijevi Pomoću posebnih pumpi na površinu se diže otopina sumporne kiseline s uranom. Zatim se izravno ide na sorpciju, hidrometaluršku ekstrakciju i istovremeno koncentriranje urana.
  • Za ležišta rude: koristiti i .
  • Hidrometalurška obrada - drobljenje, ispiranje ili ekstrakcija urana da se dobije pročišćeni uranov oksid U 3 O 8 ili natrijev diuranat Na 2 U 2 O 7 ili amonijev diuranat.
  • Pretvorba urana iz oksida u tetrafluorid, ili iz oksida izravno u proizvodnju heksafluorida, koji se koristi za obogaćivanje urana u izotopu 235.
  • Obogaćivanje metodama plinske toplinske difuzije ili centrifugiranja (vidi)
  • UF 6 obogaćen na 235

stranica 3


Nakon razdoblja odležavanja, kolica s uranovim šipkama se pomiču pod vodom u natkriveni dio rezervoara. Ovdje radnici koriste duge aluminijske kliješta za vađenje uranovih šipki iz vode i unose ih u stroj koji im skida aluminijske čahure.  

Za rudarenje atomska energija Oni koriste poseban aparat, koji se često naziva uranovim kotlom. To je prilično velika struktura u kojoj se uranove šipke izmjenjuju sa slojevima moderatora. Brzi neutroni, koji se oslobađaju tijekom fisije jezgri urana-235, ulaze u moderatorski sloj i, gurajući se između njegovih atoma, gube većina njegovu brzinu.  

Omjer & N1 / N, koji izražava efektivni presjek procesa fisije, ovisi o energiji neutrona. Ovaj proces (nazvan moderacija neutrona) provodi se postavljanjem uranovih šipki određenih tvari (teška voda, grafit itd.) u volumen reaktora; tijekom elastičnih sudara s jezgrama tih tvari, neutron postupno gubi kinetičku energiju do vrijednosti koje odgovaraju temperaturi reaktora.  

Dvije čelične profilirane grede nalaze se u blizini središnjeg odjeljka. Preko ovih greda nalazi se niz paralelnih greda koje premošćuju gornji otvor spremnika i podupiru uranove šipke. Čelične šipke presvučene su bakrom, niklom i kromom kako bi se spriječila korozija. Raspored uranovih šipki u kvadratnoj rešetki može se promijeniti promjenom udaljenosti između odgovarajućih šipki. Metalni uran u obliku kratkih šipki može se postaviti na željenu visinu u aluminijske cijevi s čepovima zavarenim na donjem kraju.  

Tijekom fisije jezgri urana-235, brzi neutroni, izlazeći iz uranovih šipki, ulaze u grafit. Ovdje se sudaraju s jezgrama ugljika koje čine grafit, brzo gube brzinu i ponovno padaju u druge uranove šipke, već usporene.  

Korištenje dušična kiselina poželjno je za otapanje bilo kojeg gorivnog elementa, budući da se dobivene otopine mogu poslati na obradu korištenjem standardnog ekstrakcijskog sustava. Uranove šipke se nakon uklanjanja aluminijskih omotača brzo i potpuno otapaju bez oslobađanja vodika. Proces se odvija zadovoljavajuće kada najviše razine zračenje.  

Konačno, energetski reaktori dizajnirani su za proizvodnju i korištenje nuklearne energije. Na sl. Slika 21 prikazuje tipični dijagram nuklearnog reaktora. Uranove šipke čine jezgru reaktora. U istoj zoni nalaze se štapići koji usporavaju neutrone.  

Vatrostalni metali imaju veliku ulogu u nuklearnoj tehnologiji. Znanstvenici su usredotočeni na istraživanje niza karbida, posebno silicijevog karbida, kromovog karbida i hafnijevog karbida. Aluminij je važan građevinski materijal visok stupanjčistoće, koji se koristi za premazivanje šipki uranovih reaktora radi zaštite od korozije.  

Reaktori u kojima su gorivo i moderator odvojeni jedan od drugog nazivaju se heterogeni. Primjer je uran-grafitni reaktor. Kada se koristi kao izvor nuklearne energije, reaktor (na primjer, same uranijske šipke) prožimaju cijevi kroz koje cirkulira tvar koja odvodi toplinu. Ova tvar - rashladna tekućina - trebala bi, ako je moguće, apsorbirati malo neutrona.  

Međutim, tijekom rada nuklearnog reaktora, kao rezultat fisije jezgri urana-235, proizvodi radioaktivnog raspada ili, kako ih nazivaju, fisijski fragmenti, počinju se nakupljati u uranovim šipkama. Neke od tih jezgri pohlepno apsorbiraju neutrone. Stoga, kako se fisijski fragmenti nakupljaju u uranovim šipkama, sve više i više više Neutroni koji se oslobađaju kao rezultat lančane reakcije počinju odlaziti u otpad, hvataju ih jezgre fisijskih fragmenata. Stoga se nakon nekog vremena uranove šipke vade iz reaktora, a na njihovo mjesto umeću nove, svježe uranove šipke. Kako bi reaktor kontinuirano radio, uranijske šipke se mijenjaju po sekcijama. Stoga u nuklearnom reaktoru, uz stare kojima je već životni vijek, uvijek ima i mladih šipki koje su tek nedavno ušle u reaktor.  

Postrojenja za kemijsko odvajanje plutonija opslužuju nekoliko nuklearnih reaktora. Oprema u tim tvornicama smještena je u prostorijama s debelim betonskim zidovima koje su smještene gotovo potpuno pod zemljom. Ovdje dolaze uranove šipke prerađene u nuklearnim reaktorima i neko vrijeme čuvane u posebnim skladištima. Međutim, čak i nakon razdoblja starenja, uranove šipke sadrže veliki broj proizvodi radioaktivne fisije i izuzetno su opasni za ljude. Stoga se svim operacijama njihovog transporta i obrade upravlja daljinski pomoću posebnih uređaja.  

Plin, vjerojatno He, C02, S02 ili neki drugi s niskom izmjeničnom toplinskom energijom, koristi se kao rashladno sredstvo za heterogene instalacije. Ovaj plin teče u cilindričnim otvorima oko uranovih šipki, od kojih je jedna (služi kao kontrola) prikazana djelomično izdužena. Debljina zaštite oko kotla je samo oko jedne trećine zaštite koja okružuje sam reaktor. Za izdvajanje produkata fisije potrebno je izvaditi uranove šipke i tretirati ih kemijski, a ne na pojednostavljeni način prikazan na skici.