Pagkuha ng nuclear fuel. Nuclear power plant

Nuclear power plant (NPP) - isang complex ng mga teknikal na istruktura na idinisenyo upang makabuo ng elektrikal na enerhiya sa pamamagitan ng paggamit ng enerhiya na inilabas sa panahon ng isang kontroladong nuclear reaction.

Ang uranium ay ginagamit bilang pangkaraniwang panggatong para sa mga nuclear power plant. Ang reaksyon ng fission ay isinasagawa sa pangunahing yunit ng isang nuclear power plant - isang nuclear reactor.

Ang reactor ay naka-mount sa isang steel case na idinisenyo para sa mataas na presyon- hanggang 1.6 x 107 Pa, o 160 atmospheres.
Ang mga pangunahing bahagi ng VVER-1000 ay:

1. Ang core, kung saan matatagpuan ang nuclear fuel, isang chain reaction ng nuclear fission proceeds at ang enerhiya ay inilabas.
2. Neutron reflector na nakapalibot sa core.
3. Coolant.
4. Protection control system (CPS).
5. Proteksyon sa radiation.

Ang init sa reactor ay inilabas dahil sa chain reaction fission ng nuclear fuel sa ilalim ng pagkilos ng thermal neutrons. Sa kasong ito, nabuo ang mga produkto ng nuclear fission, kung saan mayroong parehong mga solid at gas - xenon, krypton. Ang mga produktong fission ay may napakataas na radyaktibidad, kaya ang gasolina (uranium dioxide tablets) ay inilalagay sa mga selyadong zirconium tubes - mga TVEL (mga elemento ng gasolina). Ang mga tubo na ito ay pinagsama ang ilang piraso nang magkatabi sa isang solong pagpupulong ng gasolina. Upang kontrolin at protektahan ang isang nuclear reactor, ginagamit ang mga control rod na maaaring ilipat sa buong taas ng core. Ang mga rod ay ginawa mula sa mga sangkap na malakas na sumisipsip ng mga neutron, tulad ng boron o cadmium. Sa malalim na pagpapakilala ng mga rod, ang reaksyon ng kadena ay nagiging imposible, dahil ang mga neutron ay malakas na hinihigop at inalis mula sa zone ng reaksyon. Ang mga tungkod ay inilipat nang malayuan mula sa control panel. Sa isang maliit na paggalaw ng mga tungkod proseso ng kadena bubuo o maglalaho. Sa ganitong paraan, ang kapangyarihan ng reaktor ay kinokontrol.

Ang scheme ng istasyon ay dalawang-circuit. Ang una, radioactive, circuit ay binubuo ng isang VVER 1000 reactor at apat na circulation cooling loops. Ang pangalawang circuit, non-radioactive, ay kinabibilangan ng steam generator at water supply units at isang turbine unit na may kapasidad na 1030 MW. Ang pangunahing coolant ay mataas na kadalisayan na hindi kumukulo na tubig sa isang presyon ng 16 MPa kasama ang pagdaragdag ng isang solusyon ng boric acid, isang malakas na neutron absorber, na ginagamit upang kontrolin ang kapangyarihan ng reaktor.

1. Ang pangunahing sirkulasyon ay nagbobomba ng tubig sa pamamagitan ng reactor core, kung saan ito ay pinainit sa temperatura na 320 degrees dahil sa init na inilabas sa panahon ng isang nuclear reaction.
2. Ang pinainit na coolant ay naglalabas ng init nito sa tubig ng pangalawang circuit (nagtatrabahong likido), evaporating ito sa generator ng singaw.
3. Ang cooled coolant ay pumasok muli sa reactor.
4. Ang steam generator ay gumagawa ng saturated steam sa presyon na 6.4 MPa, na ibinibigay sa steam turbine.
5. Ang turbine ang nagtutulak sa rotor ng electric generator.
6. Ang tambutso na singaw ay pinalapot sa condenser at ibinabalik sa generator ng singaw ng condensate pump. Para sa pagsuporta patuloy na presyon ang isang steam compensator ay naka-install sa circuit.
7. Ang init ng steam condensation ay inalis mula sa condenser sa pamamagitan ng circulating water, na ibinibigay ng feed pump mula sa cooling pond.
8. Parehong ang una at pangalawang circuit ng reactor ay selyadong. Tinitiyak nito ang kaligtasan ng reaktor para sa mga tauhan at publiko.

Kung imposibleng gumamit ng malaking halaga ng tubig para sa steam condensation, sa halip na gumamit ng reservoir, ang tubig ay maaaring palamigin sa mga espesyal na cooling tower (cooling tower).

Ang kaligtasan at pagkamagiliw sa kapaligiran ng operasyon ng reaktor ay sinisiguro ng mahigpit na pagsunod sa mga regulasyon (mga tuntunin sa pagpapatakbo) at isang malaking bilang ng mga kagamitan sa kontrol. Ang lahat ng ito ay dinisenyo para sa maalalahanin at mahusay na kontrol ng reaktor.
Pang-emergency na proteksyon ng isang nuclear reactor - isang set ng mga aparato na idinisenyo upang mabilis na ihinto ang isang nuclear chain reaction sa reactor core.

Awtomatikong nati-trigger ang aktibong proteksyong pang-emerhensiya kapag ang isa sa mga parameter ng isang nuclear reactor ay umabot sa isang halaga na maaaring humantong sa isang aksidente. Ang ganitong mga parameter ay maaaring: temperatura, presyon at rate ng daloy ng coolant, antas at rate ng pagtaas ng kapangyarihan.

Ang mga ehekutibong elemento ng proteksyong pang-emerhensiya ay, sa karamihan ng mga kaso, mga tungkod na may sangkap na mahusay na sumisipsip ng mga neutron (boron o cadmium). Minsan ang isang likidong scavenger ay itinuturok sa coolant loop upang isara ang reaktor.

Bilang karagdagan sa aktibong proteksyon, maraming modernong disenyo ang nagsasama rin ng mga elemento ng passive na proteksyon. Halimbawa, kasama sa mga modernong bersyon ng VVER reactor ang "Emergency Core Cooling System" (ECCS) - mga espesyal na tangke na may boric acid sa itaas ng reactor. Kung sakaling magkaroon ng maximum na aksidente sa disenyo (pagkasira ng pangunahing circuit ng paglamig ng reaktor), ang mga nilalaman ng mga tangke na ito ay ayon sa gravity sa loob ng reactor core at ang nuclear chain reaction ay pinapatay ng isang malaking halaga ng isang boron-containing substance. na mahusay na sumisipsip ng mga neutron.

Ayon sa "Nuclear Safety Rules for Reactor Installations of Nuclear Power Plants", hindi bababa sa isa sa mga ibinigay na reactor shutdown system ang dapat gumanap ng function ng emergency protection (EP). Ang proteksyong pang-emerhensiya ay dapat magkaroon ng hindi bababa sa dalawang independiyenteng grupo ng mga nagtatrabahong katawan. Sa signal ng AZ, ang mga gumaganang katawan ng AZ ay dapat na kumilos mula sa anumang nagtatrabaho o intermediate na posisyon.
Ang kagamitan ng AZ ay dapat na binubuo ng hindi bababa sa dalawang independiyenteng hanay.

Ang bawat set ng AZ equipment ay dapat na idinisenyo sa paraang, sa hanay ng neutron flux density ay nagbabago mula 7% hanggang 120% ng nominal na halaga, ang proteksyon ay ibinibigay para sa:
1. Ayon sa density ng neutron flux - hindi bababa sa tatlong independiyenteng mga channel;
2. Ayon sa rate ng pagtaas ng density ng neutron flux - sa pamamagitan ng hindi bababa sa tatlong independiyenteng mga channel.

Ang bawat set ng AZ equipment ay dapat na idinisenyo sa paraang, sa buong hanay ng mga pagbabago sa parameter ng proseso na itinatag sa disenyo ng reactor plant (RP), ang proteksyong pang-emerhensiya ay ibinibigay ng hindi bababa sa tatlong independiyenteng mga channel para sa bawat parameter ng proseso kung saan ang proteksyon ay kailangan.

Ang mga control command ng bawat set para sa mga AZ actuator ay dapat na maipadala sa hindi bababa sa dalawang channel. Kapag ang isang channel ay inalis sa pagpapatakbo sa isa sa mga AZ equipment set nang hindi inaalis ang hanay na ito sa pagpapatakbo, isang alarm signal ay dapat na awtomatikong mabuo para sa channel na ito.

Ang pag-trip ng emergency na proteksyon ay dapat mangyari kahit man lang sa mga sumusunod na kaso:
1. Sa pag-abot sa AZ setpoint sa mga tuntunin ng neutron flux density.
2. Sa pag-abot sa AZ setpoint sa mga tuntunin ng rate ng pagtaas sa density ng neutron flux.
3. Kung sakaling magkaroon ng power failure sa anumang hanay ng AZ equipment at CPS power supply bus na hindi naalis sa operasyon.
4. Sa kaso ng pagkabigo ng alinman sa dalawa sa tatlong mga channel ng proteksyon sa mga tuntunin ng neutron flux density o sa mga tuntunin ng neutron flux increase rate sa anumang hanay ng AZ equipment na hindi na-decommissioned.
5. Kapag ang mga setting ng AZ ay naabot ng mga teknolohikal na parameter, ayon sa kung saan kinakailangan upang magsagawa ng proteksyon.
6. Kapag sinimulan ang operasyon ng AZ mula sa susi mula sa block control point (BCR) o sa backup control point (RCP).

Ang materyal ay inihanda ng mga online na editor www.rian.ru batay sa impormasyon mula sa RIA Novosti at mga bukas na mapagkukunan

Ang industriya ng nuclear power ay binubuo ng isang malaking bilang ng mga negosyo para sa iba't ibang layunin. Ang mga hilaw na materyales para sa industriyang ito ay kinukuha mula sa mga minahan ng uranium. Pagkatapos nito, ihahatid ito sa mga negosyo sa pagmamanupaktura ng gasolina.

Dagdag pa, ang gasolina ay dinadala sa mga nuclear power plant, kung saan ito pumapasok sa reactor core. Kapag natupad ng nuclear fuel ang termino nito, ito ay napapailalim sa pagtatapon. Dapat pansinin na ang mga mapanganib na basura ay lumilitaw hindi lamang pagkatapos ng pagproseso ng gasolina, kundi pati na rin sa anumang yugto - mula sa pagmimina ng uranium hanggang sa gumana sa isang reaktor.

Nuclear fuel

Ang gasolina ay may dalawang uri. Ang una ay minahan ng uranium sa mga minahan, ayon sa pagkakabanggit, likas na pinagmulan. Naglalaman ito ng mga hilaw na materyales na may kakayahang bumuo ng plutonium. Ang pangalawa ay isang gasolina na artipisyal na nilikha (pangalawang).

Gayundin, ang nuclear fuel ay nahahati ayon sa komposisyong kemikal: metal, oxide, carbide, nitride at halo-halong.

Pagmimina ng uranium at paggawa ng gasolina

Ang isang malaking bahagi ng produksyon ng uranium ay isinasaalang-alang ng ilang mga bansa lamang: Russia, France, Australia, USA, Canada at South Africa.

Ang uranium ay ang pangunahing elemento para sa gasolina sa mga nuclear power plant. Upang makapasok sa reaktor, dumaan ito sa ilang yugto ng pagproseso. Kadalasan, ang mga deposito ng uranium ay matatagpuan sa tabi ng ginto at tanso, kaya ang pagkuha nito ay isinasagawa sa pagkuha ng mga mahalagang metal.

Sa pagmimina, ang kalusugan ng mga tao ay nasa malaking panganib dahil ang uranium ay isang nakakalason na materyal, at ang mga gas na inilabas sa panahon ng pagmimina nito ay nagdudulot ng iba't ibang uri ng kanser. Kahit na ang ore mismo ay naglalaman ng napakaliit na halaga ng uranium - mula 0.1 hanggang 1 porsiyento. Ang populasyon na nakatira malapit sa mga minahan ng uranium ay nasa malaking panganib din.

Ang enriched uranium ay ang pangunahing gasolina para sa mga nuclear power plant, ngunit pagkatapos gamitin ito ay nananatili malaking halaga radioactive na basura. Sa kabila ng lahat ng panganib nito, ang pagpapayaman ng uranium ay isang mahalagang proseso ng paglikha ng nuclear fuel.

Sa likas na anyo nito, ang uranium ay halos imposibleng gamitin kahit saan. Upang magamit ito, dapat itong pagyamanin. Ang mga gas centrifuges ay ginagamit para sa pagpapayaman.

Ang enriched uranium ay ginagamit hindi lamang sa nuclear energy, kundi pati na rin sa paggawa ng mga armas.

Transportasyon

Sa anumang yugto ng ikot ng gasolina ay may transportasyon. Isinasagawa ito sa lahat ng magagamit na paraan: sa pamamagitan ng lupa, sa dagat, sa hangin. Ito ay isang malaking panganib at malaking panganib hindi lamang para sa kapaligiran, kundi pati na rin sa mga tao.

Sa panahon ng transportasyon ng nuclear fuel o mga elemento nito, maraming aksidente ang nangyayari, na nagreresulta sa paglabas ng mga radioactive na elemento. Isa ito sa maraming dahilan kung bakit ito ay itinuturing na hindi ligtas.

Pag-decommissioning ng mga reactor

Wala sa mga reactor ang na-dismantle. Kahit na ang kasumpa-sumpa na Chernobyl Ang bagay ay, ayon sa mga eksperto, ang halaga ng pagtatanggal-tanggal ay katumbas, o kahit na lumampas, sa presyo ng pagtatayo ng bagong reaktor. Ngunit walang sinuman ang makapagsasabi kung gaano karaming pera ang kakailanganin: ang gastos ay kinakalkula batay sa karanasan ng pagbuwag sa maliliit na istasyon para sa pananaliksik. Nag-aalok ang mga eksperto ng dalawang pagpipilian:

Maglagay ng mga reactor at ginastos na nuclear fuel sa mga libingan.
Bumuo ng sarcophagi sa mga decommissioned na reactor.

Sa susunod na sampung taon, humigit-kumulang 350 reactors sa buong mundo ang magtatapos sa kanilang buhay at kailangang i-decommissioned. Ngunit dahil ang pinaka-angkop na paraan sa mga tuntunin ng kaligtasan at presyo ay hindi naimbento, ang isyu na ito ay nalutas pa rin.

Sa kasalukuyan ay may 436 na reactor na tumatakbo sa buong mundo. Siyempre, ito ay isang malaking kontribusyon sa sistema ng enerhiya, ngunit ito ay lubhang hindi ligtas. Ipinapakita ng mga pag-aaral na sa loob ng 15-20 taon, ang mga nuclear power plant ay mapapalitan ng mga istasyon na nagpapatakbo sa wind energy at solar panels.

Nuclear waste

Ang isang malaking halaga ng nuclear waste ay nabuo bilang isang resulta ng mga nuclear power plant. Ang muling pagproseso ng nuclear fuel ay nag-iiwan din ng mga mapanganib na basura. Gayunpaman, wala sa mga bansa ang nakahanap ng solusyon sa problema.

Sa ngayon, ang mga basurang nuklear ay itinatabi sa mga pansamantalang pasilidad ng imbakan, sa mga pool ng tubig, o ibinaon sa mababaw na ilalim ng lupa.

Karamihan ligtas na paraan- ito ay imbakan sa mga espesyal na pasilidad ng imbakan, ngunit posible rin ang pagtagas ng radiation dito, tulad ng iba pang mga pamamaraan.

Sa katunayan, ang nuclear waste ay may ilang halaga, ngunit nangangailangan ng mahigpit na pagsunod sa mga patakaran para sa pag-iimbak nito. At ito ang pinakamabigat na problema.

Ang isang mahalagang kadahilanan ay ang oras kung kailan mapanganib ang basura. Ang bawat isa ay may sariling oras ng pagkabulok, kung saan ito ay nakakalason.

Mga uri ng basurang nukleyar

Sa panahon ng operasyon ng anumang nuclear power plant, ang mga basura nito ay nahuhulog kapaligiran. Ito ay tubig para sa paglamig ng mga turbine at gas na basura.

Ang nuclear waste ay nahahati sa tatlong kategorya:

Mababang antas - damit ng mga empleyado ng NPP, kagamitan sa laboratoryo. Maaari ring magmula ang naturang basura mga institusyong medikal, mga siyentipikong laboratoryo. Hindi sila nagdudulot ng malaking panganib, ngunit nangangailangan ng pagsunod sa mga hakbang sa seguridad.
Intermediate level - mga lalagyan ng metal kung saan dinadala ang gasolina. Ang kanilang antas ng radiation ay medyo mataas, at ang mga malapit sa kanila ay dapat na protektado.
Mataas na antas - ito ay ginugol nuclear fuel at mga produkto ng pagproseso nito. Ang antas ng radyaktibidad ay mabilis na bumababa. Napakakaunting basura na may mataas na antas, mga 3 porsiyento, ngunit naglalaman ito ng 95 porsiyento ng lahat ng radyaktibidad.

Ang enerhiyang nuklear ay ginagamit sa thermal power engineering, kapag ang enerhiya ay nakuha mula sa nuclear fuel sa mga reactor sa anyo ng init. Ito ay ginagamit upang makabuo ng kuryente sa nuclear power plants (NPP), para sa malalaking planta ng kuryente mga sasakyang-dagat, para sa desalination ng tubig dagat.

Ang enerhiya ng nuklear ay may utang sa hitsura nito, una sa lahat, sa likas na katangian ng neutron na natuklasan noong 1932. Ang mga neutron ay bahagi ng lahat atomic nuclei maliban sa hydrogen nucleus. Ang mga nakatali na neutron sa nucleus ay umiiral nang walang katiyakan. Sa kanilang libreng anyo, sila ay maikli ang buhay, dahil sila ay nabubulok na may kalahating buhay na 11.7 minuto, nagiging isang proton at naglalabas ng isang electron at isang neutrino, o mabilis na nakuha ng nuclei ng mga atomo.

Ang modernong nuclear power ay batay sa paggamit ng enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ng isang natural na isotope uranium-235. Sa mga nuclear power plant, ang isang kinokontrol na nuclear fission reaction ay isinasagawa sa nuclear reactor. Ayon sa enerhiya ng mga neutron na gumagawa ng nuclear fission, makilala sa pagitan ng thermal at fast neutron reactors.

Ang pangunahing yunit ng isang nuclear power plant ay isang nuclear reactor, ang diagram kung saan ay ipinapakita sa fig. 1. Ang enerhiya ay nakuha mula sa nuclear fuel, at pagkatapos ay inilipat ito sa isa pang gumaganang likido (tubig, metal o organikong likido, gas) sa anyo ng init; pagkatapos ito ay na-convert sa kuryente sa parehong paraan tulad ng sa mga maginoo.

Kinokontrol nila ang proseso, pinapanatili ang reaksyon, pinapatatag ang kapangyarihan, simulan at itigil ang reaktor gamit ang espesyal na mobile control rods 6 At 7 mula sa mga materyales na masinsinang sumisipsip ng mga thermal neutron. Ang mga ito ay hinihimok ng isang control system 5 . Mga aksyon control rods ay ipinahayag sa isang pagbabago sa kapangyarihan ng neutron flux sa core. Sa pamamagitan ng mga channel 10 tubig circulates, paglamig ng biological proteksyon kongkreto

Ang mga control rod ay gawa sa boron o cadmium, na thermally, radiation at corrosion resistant, mechanically strong, at may magandang heat transfer properties.

Sa loob ng isang napakalaking kaso ng bakal 3 may basket 8 na may mga elemento ng gasolina 9 . Ang coolant ay pumapasok sa pamamagitan ng pipeline 2 , dumadaan sa core, naghuhugas ng lahat ng elemento ng gasolina, nagpapainit at sa pamamagitan ng pipeline 4 pumapasok sa steam generator.

kanin. 1. Nuclear reactor

Ang reaktor ay inilalagay sa loob ng isang makapal na konkretong biological containment device. 1 , na nagpoprotekta sa nakapalibot na espasyo mula sa daloy ng mga neutron, alpha, beta, gamma radiation.

Mga elemento ng panggatong (fuel rods) ay ang pangunahing bahagi ng reaktor. Ang isang reaksyong nuklear ay direktang nagaganap sa kanila at ang init ay inilabas, ang lahat ng iba pang bahagi ay nagsisilbing insulate, kontrolin at alisin ang init. Sa istruktura, ang mga elemento ng gasolina ay maaaring gawin ng baras, plato, tubular, spherical, atbp. Kadalasan ang mga ito ay baras, hanggang 1 metro ang haba, 10 mm ang lapad. Ang mga ito ay karaniwang binuo mula sa uranium pellets o mula sa maikling tubes at plates. Sa labas, ang mga fuel rod ay natatakpan ng corrosion-resistant, manipis na metal sheath. Ang zirconium, aluminum, magnesium alloys, pati na rin ang alloyed stainless steel ay ginagamit para sa shell.

Ang paglipat ng init na inilabas sa panahon ng isang nuclear reaction sa reactor core sa working fluid ng engine (turbine) ng mga power plant ay isinasagawa ayon sa single-loop, double-loop at three-loop schemes (Fig. 2).

kanin. 2. Nuclear power plant
a - ayon sa isang single-circuit scheme; b - ayon sa two-circuit scheme; c - ayon sa three-circuit scheme
1 - reaktor; 2, 3 - biological na proteksyon; 4 - regulator ng presyon; 5 - turbina; 6 - electric generator; 7 - kapasitor; 8 - bomba; 9 - kapasidad ng reserba; 10 - regenerative heater; 11 – generator ng singaw; 12 - bomba; 13 - intermediate heat exchanger

Ang bawat circuit ay saradong sistema. Reaktor 1 (sa lahat ng thermal circuits) na inilagay sa loob ng primary 2 at pangalawa 3 mga biyolohikal na depensa. Kung ang planta ng nuclear power ay binuo ayon sa isang single-circuit thermal scheme, ang singaw mula sa reactor sa pamamagitan ng pressure regulator 4 pumapasok sa turbine 5 . Ang turbine shaft ay konektado sa generator shaft 6 , na gumagawa kuryente. Ang singaw ng tambutso ay pumapasok sa condenser, kung saan ito ay pinalamig at ganap na na-condensed. Pump 8 nagdidirekta ng condensate sa isang regenerative heater 10 , at pagkatapos ay pumapasok ito sa reaktor.

Sa pamamagitan ng two-circuit scheme, ang coolant na pinainit sa reactor ay pumapasok sa steam generator 11 , kung saan ang init ay inililipat sa pamamagitan ng pag-init sa ibabaw sa coolant ng working fluid (feed water ng pangalawang circuit). Sa pressurized water reactors, ang coolant sa steam generator ay pinalamig ng humigit-kumulang 15 ... 40 ° C at pagkatapos ay sa pamamagitan ng isang circulation pump 12 bumalik sa reactor.

Sa pamamagitan ng three-loop scheme, ang coolant (karaniwang likidong sodium) mula sa reactor ay ipinapadala sa isang intermediate heat exchanger 13 at mula doon sa pamamagitan ng circulation pump 12 babalik sa reactor. Ang coolant sa pangalawang circuit ay likidong sodium din. Ang circuit na ito ay hindi irradiated at samakatuwid ay hindi radioactive. Ang sodium ng pangalawang circuit ay pumapasok sa generator ng singaw 11 , nagbibigay ng init sa gumaganang likido, at pagkatapos ay ibabalik ang circulation pump sa intermediate heat exchanger.

Tinutukoy ng bilang ng mga circulation circuit ang uri ng reactor, ang coolant na ginamit, ang nuclear-physical properties nito, at ang antas ng radioactivity. Ang single-loop scheme ay maaaring gamitin sa kumukulong tubig reactors at sa gas-cooled reactors. Ang pinakalaganap dobleng circuit kapag ginamit bilang tagadala ng init ng tubig, gas at mga organikong likido. Ang three-circuit scheme ay ginagamit sa mga nuclear power plant na may mabilis na neutron reactors gamit ang mga likidong metal coolant (sodium, potassium, sodium-potassium alloys).

Ang nuclear fuel ay maaaring uranium-235, uranium-233 at plutonium-232. Mga hilaw na materyales para sa pagkuha ng nuclear fuel - natural na uranium at thorium. Sa panahon ng nuclear reaction ng isang gramo ng fissile material (uranium-235), ang enerhiya na katumbas ng 22×10 3 kWh (19×10 6 cal) ay inilabas. Upang makuha ang halagang ito ng enerhiya, kinakailangang magsunog ng 1900 kg ng langis.

Ang Uranium-235 ay madaling magagamit, ang mga reserbang enerhiya nito ay halos kapareho ng mga fossil fuel. Gayunpaman, gamit ang nuclear fuel na may mababang kahusayan tulad ng ngayon, ang magagamit na mga mapagkukunan ng uranium ay mauubos sa 50-100 taon. Kasabay nito, ang "mga deposito" ng nuclear fuel ay halos hindi mauubos - ito ay uranium na natunaw sa tubig dagat. Ito ay daan-daang beses na mas masagana sa karagatan kaysa sa lupa. Ang halaga ng pagkuha ng isang kilo ng uranium dioxide mula sa tubig dagat ay humigit-kumulang $60-80, at sa hinaharap ay bababa ito sa $30, habang ang halaga ng uranium dioxide na ginawa sa pinakamayamang deposito sa lupa ay $10-20. Samakatuwid, pagkaraan ng ilang panahon, ang mga gastos sa lupa at "sa tubig sa dagat" ay magiging magkaparehong pagkakasunud-sunod.

Ang halaga ng nuclear fuel ay halos kalahati ng halaga ng fossil coals. Sa coal-fired power plant, 50-70% ng halaga ng kuryente ay bumababa sa bahagi ng gasolina, at sa nuclear power plant - 15-30%. Ang isang modernong thermal power plant na may kapasidad na 2.3 milyong kW (halimbawa, Samara GRES) ay kumokonsumo ng humigit-kumulang 18 tonelada ng karbon (6 na tren) o 12 libong tonelada ng langis ng gasolina (4 na tren) araw-araw. Ang nuclear one, na may parehong kapangyarihan, ay kumokonsumo lamang ng 11 kg ng nuclear fuel sa araw, at 4 na tonelada sa taon. Gayunpaman, ang isang nuclear power plant ay mas mahal kaysa sa isang thermal sa mga tuntunin ng konstruksiyon, operasyon, at pagkumpuni. Halimbawa, ang pagtatayo ng isang nuclear power plant na may kapasidad na 2–4 milyong kW ay nagkakahalaga ng humigit-kumulang 50–100% higit pa kaysa sa thermal one.

Posibleng bawasan ang mga gastos sa kapital para sa pagtatayo ng NPP sa pamamagitan ng:

standardisasyon at pag-iisa ng mga kagamitan;
pagbuo ng mga compact na disenyo ng reaktor;
pagpapabuti ng mga sistema ng pamamahala at regulasyon;
binabawasan ang tagal ng pagsara ng reaktor para sa paglalagay ng gasolina.

Ang isang mahalagang katangian ng mga nuclear power plant (nuclear reactor) ay ang kahusayan ng fuel cycle. Upang mapabuti ang ekonomiya ng ikot ng gasolina, dapat mong:

upang madagdagan ang lalim ng nuclear fuel burnup;
taasan ang breeding ratio ng plutonium.

Sa bawat fission ng uranium-235 nucleus, 2-3 neutron ang pinakawalan. Sa mga ito, isa lamang ang ginagamit para sa karagdagang reaksyon, ang iba ay nawala. Gayunpaman, posible na gamitin ang mga ito para sa pagpaparami ng nuclear fuel sa pamamagitan ng paglikha ng mabilis na neutron reactors. Kapag ang reactor ay tumatakbo sa mabilis na mga neutron, posible na sabay na makakuha ng humigit-kumulang 1.7 kg ng plutonium-239 para sa 1 kg ng sinunog na uranium-235. Sa ganitong paraan, maaaring masakop ang mababang thermal efficiency ng mga nuclear power plant.

Ang mga fast neutron reactor ay sampung beses na mas mahusay (sa mga tuntunin ng paggamit ng nuclear fuel) kaysa sa fuel neutron reactors. Wala silang moderator at gumagamit sila ng napakayaman na nuclear fuel. Ang mga neutron na ibinubuga mula sa core ay hinihigop hindi ng mga materyales sa istruktura, ngunit sa pamamagitan ng uranium-238 o thorium-232 na matatagpuan sa paligid.

Sa hinaharap, ang pangunahing fissile na materyales para sa mga nuclear power plant ay ang plutonium-239 at uranium-233, na nakuha ayon sa pagkakabanggit mula sa uranium-238 at thorium-232 sa mga fast neutron reactor. Ang conversion ng uranium-238 sa plutonium-239 sa mga reactor ay tataas ang mga mapagkukunan ng nuclear fuel ng halos 100 beses, at thorium-232 sa uranium-233 ng 200 beses.

Sa fig. Ang 3 ay nagpapakita ng diagram ng isang nuklear planta ng kuryente sa mabilis na mga neutron.

Ang mga natatanging katangian ng isang nuclear power plant sa mga fast neutron ay:

ang pagbabago sa pagiging kritikal ng isang nuclear reactor ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagpapakita ng bahagi ng fission neutrons ng nuclear fuel mula sa periphery pabalik sa core gamit ang mga reflector. 3 ;
mga reflector 3 maaaring paikutin, binabago ang pagtagas ng mga neutron at, dahil dito, ang intensity ng mga reaksyon ng fission;
ang nuclear fuel ay muling ginawa;
ang pag-alis ng labis na thermal energy mula sa reactor ay isinasagawa gamit ang isang cooler-radiator 6 .

kanin. 3. Scheme ng nuclear power plant sa fast neutrons:
1 - mga elemento ng gasolina; 2 – nababagong nuclear fuel; 3 - mabilis na mga reflector ng neutron; 4 - nuclear reactor; 5 - mamimili ng kuryente; 6 - refrigerator-emitter; 7 - converter ng thermal energy sa electrical energy; 8 - proteksyon sa radiation.

Mga nagko-convert ng thermal energy sa electrical energy

Ayon sa prinsipyo ng paggamit ng thermal energy na nabuo ng isang nuclear power plant, ang mga converter ay maaaring nahahati sa 2 klase:

makina (dynamic);
walang makina (direct converters).

Sa machine converters, ang reactor ay karaniwang nauugnay planta ng gas turbine, kung saan ang gumaganang likido ay maaaring hydrogen, helium, helium-xenon mixture. Ang kahusayan ng pag-convert ng init na direktang ibinibigay sa turbogenerator sa kuryente ay medyo mataas - ang kahusayan ng converter η = 0,7-0,75.

Ang isang diagram ng isang nuclear power plant na may dynamic na gas turbine (machine) converter ay ipinapakita sa fig. 4.

Ang isa pang uri ng machine converter ay isang magnetogasdynamic o magnetohydrodynamic generator (MGDG). Ang isang diagram ng naturang generator ay ipinapakita sa fig. 5. Ang generator ay isang channel ng rectangular cross section, ang dalawang pader nito ay gawa sa isang dielectric, at ang dalawa ay gawa sa isang electrically conductive material. Ang isang electrically conductive working fluid ay gumagalaw sa mga channel - likido o gas, na natagos magnetic field. Tulad ng alam mo, kapag ang isang konduktor ay gumagalaw sa isang magnetic field, isang EMF ang lumitaw, na kasama ang mga electrodes 2 inilipat sa mamimili ng kuryente 3 . Ang pinagmumulan ng enerhiya ng gumaganang daloy ng init ay ang init na inilabas sa nuclear reactor. Ito thermal energy ay ginugol sa paggalaw ng mga singil sa isang magnetic field, i.e. ay na-convert sa kinetic energy ng kasalukuyang-carrying jet, at ang kinetic energy ay na-convert sa electrical energy.

kanin. 4. Scheme ng isang nuclear power plant na may gas turbine converter:
1 - reaktor; 2 - circuit na may likidong metal coolant; 3 – heat exchanger para sa supply ng init sa gas; 4 - turbina; 5 - electric generator; 6 - tagapiga; 7 - radiator-radiator; 8 - circuit ng pag-alis ng init; 9 - sirkulasyon ng bomba; 10 - heat exchanger para sa pag-alis ng init; 11 - init exchanger-regenerator; 12 - circuit na may gumaganang likido ng gas turbine converter.

Ang mga direktang nagko-convert (walang makina) ng thermal energy sa electrical energy ay nahahati sa:

thermoelectric;
thermionic;
electrochemical.

Ang mga Thermoelectric generators (TEGs) ay batay sa prinsipyo ng Seebeck, na nangangahulugan na sa isang closed circuit na binubuo ng hindi magkatulad na mga materyales, ang isang thermoelectric na kapangyarihan ay lumitaw kung ang isang pagkakaiba sa temperatura ay pinananatili sa mga punto ng contact ng mga materyales na ito (Larawan 6). Upang makabuo ng kuryente, ipinapayong gumamit ng mga semiconductor na TEG, na may mas mataas na kahusayan, habang ang temperatura ng mainit na kantong ay dapat na dalhin hanggang sa 1400 K at mas mataas.

Ginagawang posible ng mga Thermionic converter (TEC) na makakuha ng kuryente bilang resulta ng paglabas ng mga electron mula sa isang pinainit hanggang sa mataas na temperatura katod (Larawan 7).

kanin. 5. Magnetogasdynamic generator:
1 – magnetic field; 2 - mga electrodes; 3 - mamimili ng kuryente; 4 - dielectric; 5 - konduktor; 6 - gumaganang likido (gas).

kanin. 6. Scheme ng thermoelectric generator operation

kanin. 7. Scheme ng pagpapatakbo ng thermionic converter

Upang mapanatili ang kasalukuyang paglabas, ang init ay ibinibigay sa katod Q 1 . Ang mga electron na ibinubuga ng katod, na nagtagumpay sa vacuum gap, ay umaabot sa anode at nasisipsip nito. Sa panahon ng "condensation" ng mga electron sa anode, ang enerhiya ay inilabas na katumbas ng work function ng mga electron na may kabaligtaran na tanda. Kung tinitiyak namin ang isang tuluy-tuloy na supply ng init sa katod at ang pag-alis nito mula sa anode, pagkatapos ay sa pamamagitan ng pagkarga R direktang agos ang dadaloy. Ang paglabas ng elektron ay mahusay na nagpapatuloy sa mga temperatura ng cathode na higit sa 2200 K.

Kaligtasan at pagiging maaasahan ng operasyon ng NPP

Isa sa mga pangunahing isyu sa pag-unlad enerhiyang nuklear ay upang matiyak ang pagiging maaasahan at kaligtasan ng operasyon ng NPP.

Ang kaligtasan ng radiation ay sinisiguro ng:

paglikha maaasahang mga disenyo at mga aparato para sa biyolohikal na proteksyon ng mga tauhan mula sa pagkakalantad;
paglilinis ng hangin at tubig na umaalis sa mga lugar ng NPP na lampas sa mga limitasyon nito;
pagkuha at maaasahang lokalisasyon ng radioactive contamination;
pang-araw-araw na dosimetric na kontrol ng mga lugar ng NPP at indibidwal na dosimetric na kontrol ng mga tauhan.

Ang mga lugar ng NPP, depende sa mode ng operasyon at kagamitan na naka-install sa kanila, ay nahahati sa 3 kategorya:

mahigpit na sona ng rehimen;
restricted zone;
normal na mode zone.

Ang mga tauhan ay palaging nasa mga silid ng ikatlong kategorya; ang mga silid na ito sa istasyon ay ligtas sa radiation.

Ang mga nuclear power plant ay gumagawa ng solid, liquid at gaseous radioactive waste. Dapat itong itapon sa paraang walang nalilikhang polusyon sa kapaligiran.

Ang mga gas na inalis mula sa silid sa panahon ng bentilasyon ay maaaring maglaman ng mga radioactive substance sa anyo ng mga aerosol, radioactive dust at radioactive gas. Ang bentilasyon ng istasyon ay itinayo sa paraang ang mga daloy ng hangin ay pumasa mula sa pinaka "malinis" hanggang sa "marumi", at ang mga cross-flow sa tapat na direksyon ay hindi kasama. Sa lahat ng lugar ng istasyon kumpletong kapalit ang hangin ay ginawa nang hindi hihigit sa isang oras.

Sa panahon ng pagpapatakbo ng mga nuclear power plant, ang problema sa pag-alis at pagtatapon ng radioactive na basura ay lumitaw. Ang mga elemento ng gasolina na ginugol sa mga reactor ay nakatiis tiyak na oras sa mga water pool nang direkta sa mga nuclear power plant hanggang sa maganap ang stabilization ng mga isotopes na may maikling kalahating buhay, pagkatapos nito ang mga fuel rod ay ipinadala sa mga espesyal na radiochemical plant para sa pagbabagong-buhay. Doon, ang nuclear fuel ay kinukuha mula sa fuel rods, at ang radioactive waste ay napapailalim sa libing.

Na, sa turn, ay maaaring maging sanhi ng fission ng sumusunod na nuclei. Ang nasabing fission ay nangyayari kapag ang isang neutron ay pumasok sa nucleus ng isang atom ng orihinal na sangkap. Ang mga fragment ng fission na nabuo sa panahon ng nuclear fission ay may malaking . Ang pagbabawas ng bilis ng mga fragment ng fission sa bagay ay sinamahan ng pagpapalabas ng isang malaking halaga ng init. Ang mga fragment ng fission ay mga nuclei na direktang nabuo bilang resulta ng fission. Ang mga fragment ng fission at ang kanilang mga radioactive decay na produkto ay karaniwang tinutukoy bilang mga produktong fission. Nuclei na ang fission sa mga neutron ng anumang enerhiya ay tinatawag na nuclear fuel (bilang panuntunan, ito ay mga sangkap na may kakaibang atomic number). May mga nuclei na nag-fission lamang sa mga neutron na may mga enerhiya na higit sa isang tiyak halaga ng threshold(bilang panuntunan, ito ay mga elemento na may pantay na atomic number). Ang nasabing nuclei ay tinatawag na hilaw na materyales, dahil kapag ang isang neutron ay nakuha ng isang threshold nucleus, ang nuclei ng nuclear fuel ay nabuo. Ang kumbinasyon ng nuclear fuel at raw material ay tinatawag na nuclear fuel. Nasa ibaba ang pamamahagi ng enerhiya ng fission ng 235 U nucleus sa pagitan ng iba't ibang produkto ng fission (sa MeV):

Ang natural na uranium ay binubuo ng tatlong isotopes: 238 U (99.282%), 235 U (0.712%) at 234 U (0.006%). Ito ay hindi palaging angkop bilang isang nuclear fuel, lalo na kung ang structural materyales at sumipsip intensively. Sa kasong ito, ang nuclear fuel ay inihanda sa batayan ng enriched uranium. Sa mga planta ng kuryente, ang uranium na may pagpapayaman na mas mababa sa 10% ay ginagamit, at sa mga reaktor batay sa mga neutron at uranium, ang pagpapayaman ng uranium ay lumampas sa 20%. Ang enriched uranium ay nakukuha sa mga espesyal na enrichment plants.

Pag-uuri

Ang nuclear fuel ay nahahati sa dalawang uri:

Natural, na naglalaman ng fissile nuclei 235 U, pati na rin ang mga hilaw na materyales 238 U, na may kakayahang bumuo ng 239 Pu kapag kumukuha ng neutron;
Ang pangalawang gasolina na hindi nangyayari sa kalikasan, kabilang ang 239 Pu na nakuha mula sa gasolina ng unang uri, pati na rin ang 233 U isotopes na nabuo sa panahon ng pagkuha ng mga neutron ng 232 Th nuclei.

Ayon sa komposisyon ng kemikal, ang nuclear fuel ay maaaring:

, kasama ang ;
(Halimbawa, );
(Halimbawa, )
Mixed (PuO 2 + UO 2)

Aplikasyon

Ang nuclear fuel ay ginagamit sa, kung saan ito ay karaniwang matatagpuan sa hermetically sealed fuel elements () sa anyo ng mga tablet na ilang sentimetro ang laki.

Ang nuclear fuel ay napapailalim sa mataas na mga kinakailangan para sa chemical compatibility sa fuel rod cladding, dapat itong magkaroon ng sapat na temperatura ng pagkatunaw at pagsingaw, isang mahusay, maliit na pagtaas sa volume sa panahon ng pag-iilaw, at paggawa.

Resibo

uranium fuel

Ang nuclear fuel ay nakukuha sa pamamagitan ng pagproseso ng mga ores. Ang proseso ay nagaganap sa maraming yugto:

Para sa mahihirap na deposito: Sa modernong industriya, dahil sa kakulangan ng mayaman na uranium ores (mga pagbubukod ay ang Canadian unconformity deposits, kung saan ang konsentrasyon ng uranium ay umabot sa 30% at mga deposito ng Australia na may uranium na nilalaman hanggang sa 3%), ang paraan ng underground leaching ng ores ay ginagamit. Tinatanggal nito ang magastos na pagmimina ng ore. Paunang paghahanda direkta sa ilalim ng lupa. Sa pamamagitan ng mga tubo ng iniksyon ito ay pumped sa ilalim ng lupa sa itaas ng deposito, kung minsan ay may pagdaragdag ng ferric salts (upang i-oxidize ang uranium U (IV) sa U (VI)), bagaman ang mga ores ay madalas na naglalaman ng bakal at pyrolusite, na nagpapadali sa oksihenasyon. Sa pamamagitan ng mga tubo ng tambutso isang solusyon ng sulfuric acid na may uranium ay tumataas sa ibabaw na may mga espesyal na bomba. Pagkatapos ay direktang pumunta ito sa sorption, hydrometallurgical extraction at sabay-sabay na konsentrasyon ng uranium.
Para sa mga deposito ng mineral: gamitin at .
Hydrometallurgical processing - pagdurog, pag-leaching, o pagkuha ng uranium upang makakuha ng purified uranium oxide U 3 O 8 o sodium diuranate Na 2 U 2 O 7 o ammonium diuranate.
Ang paglipat ng uranium mula sa oxide patungo sa tetrafluoride, o mula sa mga oxide nang direkta upang makakuha ng hexafluoride, na ginagamit upang pagyamanin ang uranium sa 235 isotope.
Pagpapayaman sa pamamagitan ng gaseous thermal diffusion o centrifugation (Tingnan ang )
Ang UF 6 ay pinayaman sa 235

Pahina 3

Pagkatapos ng isang panahon ng pagtanda, ang mga troli na may mga uranium rod ay inililipat sa ilalim ng tubig sa sakop na bahagi ng reservoir. Dito, ang mga manggagawa ay gumagamit ng mahahabang sipit ng aluminyo upang alisin ang mga uranium rods mula sa tubig at ipakain ang mga ito sa isang makina na nag-aalis ng mga aluminyo na shell mula sa kanila.

Para sa pagmimina atomic energy gumamit ng isang espesyal na kagamitan, na kadalasang tinatawag na uranium boiler. Ito ay isang medyo malaking istraktura kung saan ang mga uranium rod ay kahalili ng mga layer ng moderator. Ang mga mabilis na neutron na tumatakas sa panahon ng fission ng uranium-235 nuclei ay pumapasok sa moderator layer at, na nagtutulak sa pagitan ng mga atomo nito, nawawala. karamihan ang bilis nito.

Ang ratio & N1 / N, na nagpapahayag ng epektibong cross section ng proseso ng fission, ay nakasalalay sa neutron energy. Ang prosesong ito (tinatawag na neutron moderation) ay isinasagawa sa pamamagitan ng paglalagay ng ilang mga sangkap (mabigat na tubig, grapayt, atbp.) sa dami ng reaktor, kung saan matatagpuan ang mga uranium rod; sa nababanat na pagbangga sa nuclei ng mga sangkap na ito, ang neutron ay unti-unting nawawala ang kinetic energy nito sa mga halaga na tumutugma sa temperatura ng reaktor.

Dalawang steel profiled beam ang matatagpuan malapit sa gitnang kompartimento. Sa kabila ng mga beam na ito ay tumatakbo ang isang serye ng mga parallel bar na sumasaklaw sa itaas na pagbubukas ng tangke at sumusuporta sa mga uranium rod. Ang mga bakal na bar ay nilagyan ng tanso, nikel at chrome upang maiwasan ang kaagnasan. Ang pag-aayos ng mga uranium rod sa isang parisukat na sala-sala ay maaaring mabago sa pamamagitan ng pagbabago ng distansya sa pagitan ng kaukulang mga bar. Ang metalikong uranium sa anyo ng mga maikling rod ay maaaring ilagay sa nais na taas sa mga tubo ng aluminyo na may mga plug na hinangin sa ibabang dulo.

Sa panahon ng fission ng uranium-235 nuclei, ang mga mabilis na neutron, na lumilipad palabas ng uranium rods, ay nahulog sa grapayt. Dito sila bumangga sa carbon nuclei na bumubuo sa grapayt, mabilis na nawalan ng bilis at muling nahuhulog sa iba pang mga uranium rod na bumagal na.

Paggamit nitric acid mas mabuti para sa pagtunaw ng anumang mga elemento ng gasolina, dahil ang mga resultang solusyon ay maaaring ipadala para sa pagproseso gamit ang isang karaniwang sistema ng pagkuha. Ang mga uranium rods pagkatapos alisin ang mga aluminum shell ay mabilis at ganap na natutunaw nang walang hydrogen evolution. Ang proseso ay nagpapatuloy nang kasiya-siya pinakamataas na antas radiation.

Sa wakas, ang mga power reactor ay inilaan para sa produksyon at pagtatapon ng nuclear energy. Sa fig. Ang 21 ay nagpapakita ng isang tipikal na diagram ng isang nuclear power reactor. Ang mga uranium rod ay bumubuo sa reactor core. Sa parehong zone mayroong mga rod na nagpapabagal sa mga neutron.

Ang mga refractory metal ay may mahalagang papel sa teknolohiyang nuklear. Ang pokus ng mga siyentipiko ay ang pag-aaral ng isang bilang ng mga carbide, lalo na ang silicon carbide, chromium carbide, hafnium carbide. Ang aluminyo ay isang mahalagang materyal sa istruktura. mataas na antas kadalisayan, na pinahiran ng uranium rods ng mga reactor upang maprotektahan ang mga ito mula sa kaagnasan.

Ang mga reactor kung saan ang gasolina at moderator ay pinaghihiwalay sa isa't isa ay tinatawag na heterogenous. Ang isang halimbawa ay ang uranium-graphite reactor. Kapag ginamit ito bilang pinagmumulan ng nuclear energy, ang reactor (halimbawa, ang uranium rods mismo) ay tinutusok ng mga tubo kung saan dumadaloy ang isang substance na nag-aalis ng init. Ang sangkap na ito - ang coolant - ay dapat, kung maaari, sumipsip ng mga neutron nang kaunti hangga't maaari.

Gayunpaman, sa panahon ng pagpapatakbo ng isang nuclear reactor, bilang isang resulta ng fission ng uranium-235 nuclei, ang mga radioactive decay na produkto, o, bilang sila ay tinatawag na, fission fragment, ay nagsisimulang maipon sa uranium rods. Ang ilan sa mga nuclei na ito ay matakaw na sumisipsip ng mga neutron. Samakatuwid, habang ang mga fragment ng fission ay naipon sa mga uranium rod, higit pa at higit pa malaking dami Ang mga neutron na inilabas bilang isang resulta ng reaksyon ng kadena ay nagsisimulang maubos, sila ay nakuha ng nuclei ng mga fragment ng fission. Samakatuwid, pagkaraan ng ilang oras, ang mga uranium rod ay tinanggal mula sa reaktor, at ang mga bago, sariwang uranium rod ay ipinasok sa kanilang lugar. Upang magpatuloy ang pagpapatakbo ng reaktor, ang pagpapalit ng mga uranium rod ay isinasagawa sa mga seksyon. Samakatuwid, sa isang nuclear reactor, kasama ang mga luma, na nagtatapos na sa kanilang buhay ng serbisyo, mayroon ding mga batang baras na kamakailan lamang ay pumasok sa reaktor.

Ang mga planta ng paghihiwalay ng kemikal ng plutonium ay nagsisilbi sa ilang mga nuclear reactor. Ang mga kagamitan sa mga halaman na ito ay nakalagay sa makakapal na mga silid na may pader na konkreto na halos nasa ilalim ng lupa. Narito ang mga uranium rod na naproseso sa mga nuclear reactor at natanda nang ilang panahon sa mga espesyal na pasilidad ng imbakan. Gayunpaman, kahit na pagkatapos ng panahon ng pagtanda, naglalaman ang mga uranium rod malaking bilang ng radioactive fission products at lubhang mapanganib sa mga tao. Samakatuwid, ang pamamahala ng lahat ng mga operasyon para sa kanilang transportasyon at pagproseso ay isinasagawa sa malayo gamit ang mga espesyal na aparato.

Ang gas, siguro He, CO2, SO2 o iba pang may mababang ac sa thermal energies, ay ginamit bilang heat carrier ng isang heterogenous installation. Ang gas na ito ay dumadaloy sa cylindrical gaps sa paligid ng uranium rods, ang isa sa mga ito (nagsisilbing kontrol) ay ipinapakita na bahagyang pinalawak. Ang kapal ng kalasag sa paligid ng boiler ay halos isang-katlo lamang ng kalasag na nakapalibot sa reaktor mismo. Upang kunin ang mga produkto ng fission, kinakailangan na kunin ang mga uranium rod at iproseso ang mga ito sa kemikal, at hindi tulad ng ipinapakita lamang sa sketch.