Tuumaenergiat kasutatakse soojusenergeetikas, kui energiat saadakse reaktorites olevast tuumakütusest soojusena. Seda kasutatakse elektri tootmiseks tuumaelektrijaamad (NPP), suurte merelaevade elektrijaamadele, merevee magestamise jaoks.
Tuumaenergia võlgneb oma välimuse ennekõike 1932. aastal avastatud neutroni olemusele. Neutronid on osa kõigist aatomituumadest, välja arvatud vesiniku tuum. Seotud neutronid eksisteerivad tuumas lõputult. Vabal kujul on nad lühiealised, kuna nad kas lagunevad poolväärtusajaga 11,7 minutit, muutudes prootoniks ja kiirgades elektroni ja neutriino, või püüavad nad kiiresti kinni aatomituumade poolt.
Kaasaegne tuumaenergia põhineb loodusliku isotoobi lõhustumisel vabaneva energia kasutamisel uraan-235. Tuumaelektrijaamades viiakse läbi kontrollitud tuuma lõhustumise reaktsioon tuumareaktor. Tuuma lõhustumist tekitavate neutronite energia järgi eristada termilisi ja kiireid neutronreaktoreid.
Tuumaelektrijaama põhiseade on tuumareaktor, mille skeem on näidatud joonisel fig. 1. Tuumkütusest saadakse energiat, mis seejärel viiakse soojusena üle teise töövedelikku (vesi, metalli- või orgaaniline vedelik, gaas); siis muudetakse see elektriks samamoodi nagu tavalistes.
Nad juhivad protsessi, toetavad reaktsiooni, stabiliseerivad võimsust, käivitavad ja peatavad reaktori spetsiaalse mobiili abil kontrollvardad 6 ja 7 materjalidest, mis neelavad intensiivselt termilisi neutroneid. Neid juhib juhtimissüsteem 5 . Tegevused kontrollvardad avalduvad tuumas neutronvoo võimsuse muutumises. Kanalite järgi 10 vesi ringleb, jahutades bioloogilist kaitset betooni
Juhtvardad on valmistatud boorist või kaadmiumist, mis on termiliselt, kiirgus- ja korrosioonikindlad, mehaaniliselt tugevad ja heade soojusülekandeomadustega.
Massiivse terasest korpuse sees 3 on korv 8 kütuseelementidega 9 . Jahutusvedelik siseneb torujuhtme kaudu 2 , läbib südamikku, peseb kõik kütuseelemendid, soojeneb ja läbi torujuhtme 4 siseneb aurugeneraatorisse.
Riis. 1. Tuumareaktor
Reaktor asetatakse paksu betoonist bioloogilise isolatsiooniseadme sisse. 1 , mis kaitseb ümbritsevat ruumi neutronite, alfa-, beeta-, gammakiirguse voolu eest.
Kütuseelemendid (kütusevardad) on reaktori põhiosa. Neis toimub otse tuumareaktsioon ja soojus eraldub, kõik muud osad on soojuse isoleerimiseks, juhtimiseks ja eemaldamiseks. Struktuurselt võivad kütuseelemendid olla valmistatud vardast, plaadist, torukujulistest, sfäärilistest jne. Enamasti on need vardad, pikkusega kuni 1 meeter, läbimõõduga 10 mm. Tavaliselt on need kokku pandud uraanigraanulitest või lühikestest torudest ja plaatidest. Väljastpoolt on kütusevardad kaetud korrosioonikindla õhukese metallkestaga. Korpuse jaoks on kasutatud tsirkooniumi, alumiiniumi, magneesiumisulameid, aga ka legeeritud roostevaba terast.
Tuumareaktsiooni käigus reaktori südamikus eralduva soojuse ülekanne elektrijaamade mootori (turbiini) töövedelikule toimub üheahelalise, kaheahelalise ja kolmeahelalise skeemide järgi (joonis 2).
Riis. 2. Tuumaelektrijaam
a - üheahelalise skeemi järgi; b - vastavalt kaheahelalisele skeemile; c - vastavalt kolmeahelalisele skeemile
1 - reaktor; 2, 3 - bioloogiline kaitse; 4 - rõhuregulaator; 5 - turbiin; 6 - elektrigeneraator; 7 - kondensaator; 8 - pump; 9 - reservvõimsus; 10 – regeneratiivne kütteseade; 11 – aurugeneraator; 12 - pump; 13 - vahepealne soojusvaheti
Iga ahel on suletud süsteem. Reaktor 1 (kõigis soojusahelates), mis asetatakse primaarseadme sisse 2 ja teisejärguline 3 bioloogilised kaitsed. Kui tuumaelektrijaam on ehitatud üheahelalise soojusskeemi järgi, siis aur reaktorist läbi rõhuregulaatori 4 siseneb turbiini 5 . Turbiini võll on ühendatud generaatori võlliga 6 milles tekib elektrivool. Heitgaasi aur siseneb kondensaatorisse, kus see jahutatakse ja täielikult kondenseerub. Pump 8 suunab kondensaadi regeneratiivsesse küttekehasse 10 ja seejärel siseneb see reaktorisse.
Kaheahelalise skeemi korral siseneb reaktoris kuumutatud jahutusvedelik aurugeneraatorisse 11 , kus soojus kandub pinnaküttega üle töövedeliku jahutusvedelikule (sekundaarringi toitevesi). Surveveereaktorites jahutatakse aurugeneraatoris olevat jahutusvedelikku ligikaudu 15...40 °C ja seejärel tsirkulatsioonipumba abil. 12 tagasi reaktorisse.
Kolme ahelaga skeemi korral suunatakse reaktorist jahutusvedelik (tavaliselt vedel naatrium) vahesoojusvahetisse 13 ja sealt edasi tsirkulatsioonipumba poolt 12 naaseb reaktorisse. Sekundaarringi jahutusvedelik on samuti vedel naatrium. See vooluahel ei ole kiiritatud ega ole seetõttu radioaktiivne. Teise ahela naatrium siseneb aurugeneraatorisse 11 , annab soojust töövedelikule ja seejärel suunatakse tsirkulatsioonipump tagasi vahesoojusvahetisse.
Ringlusringide arv määrab reaktori tüübi, kasutatava jahutusvedeliku, selle tuumafüüsikalised omadused ja radioaktiivsuse astme. Üheahelalist skeemi saab kasutada keeva vee reaktorites ja gaasjahutusega reaktorites. Kõige levinum kahekordne vooluring kui seda kasutatakse vee, gaasi ja orgaaniliste vedelike soojuskandjana. Kolmeahelalist skeemi kasutatakse kiirneutronreaktoritega tuumaelektrijaamades, kus kasutatakse vedelaid metalli jahutusvedelikke (naatrium, kaalium, naatrium-kaaliumsulamid).
Tuumakütus võib olla uraan-235, uraan-233 ja plutoonium-232. Tooraine tuumkütuse saamiseks - looduslik uraan ja toorium. Ühe grammi lõhustuva materjali (uraan-235) tuumareaktsiooni käigus vabaneb energiat 22×10 3 kWh (19×10 6 cal). Sellise energiahulga saamiseks on vaja põletada 1900 kg õli.
Uraan-235 on kergesti kättesaadav, selle energiavarud on ligikaudu samad kui fossiilkütustel. Nii madala efektiivsusega tuumkütust kasutades nagu praegu, ammenduvad aga olemasolevad uraaniallikad 50–100 aasta pärast. Samas on seal praktiliselt ammendamatud tuumakütuse "maardlad" – see on merevees lahustunud uraan. Seda leidub ookeanis sadu kordi rohkem kui maismaal. Ühe kilogrammi uraandioksiidi mereveest kättesaamise maksumus on umbes 60-80 dollarit ja tulevikus kahaneb see 30 dollarile ning maismaa rikkaimates maardlates toodetud uraandioksiidi maksumus on 10-20 dollarit. Seetõttu muutuvad mõne aja pärast kulud maismaal ja "mereveel" samas suurusjärgus.
Tuumakütuse hind on umbes poole väiksem kui fossiilse söe hind. Söeküttel töötavates elektrijaamades langeb kütuse osakaalule 50–70% elektrienergia maksumusest ja tuumaelektrijaamades 15–30%. Kaasaegne soojuselektrijaam võimsusega 2,3 miljonit kW (näiteks Samara GRES) tarbib päevas umbes 18 tonni kivisütt (6 rongi) või 12 tuhat tonni kütteõli (4 rongi). Sama võimsusega tuumakütus kulub ööpäeva jooksul vaid 11 kg ja aasta jooksul 4 tonni. Tuumaelektrijaam on aga ehituse, töötamise ja remondi poolest kallim kui soojusjaam. Näiteks 2–4 miljoni kW võimsusega tuumajaama ehitamine maksab ligikaudu 50–100% rohkem kui soojuselektrijaam.
Tuumaelektrijaama ehitamise kapitalikulusid on võimalik vähendada:
- seadmete standardimine ja ühtlustamine;
- kompaktsete reaktoriprojektide väljatöötamine;
- juhtimis- ja reguleerimissüsteemide täiustamine;
- reaktori tankimise ajaks seiskamise kestuse vähendamine.
Tuumaelektrijaamade (tuumareaktori) oluline omadus on kütusetsükli efektiivsus. Kütusetsükli ökonoomsuse parandamiseks peaksite:
- suurendada tuumkütuse põlemise sügavust;
- tõsta plutooniumi sigimise suhet.
Iga uraan-235 tuuma lõhustumisega eraldub 2-3 neutronit. Neist ainult ühte kasutatakse edasiseks reaktsiooniks, ülejäänud lähevad kaotsi. Küll aga on võimalik neid kasutada tuumkütuse taastootmiseks, luues kiirneutronreaktoreid. Kui reaktor töötab kiiretel neutronitel, on 1 kg põletatud uraan-235 kohta võimalik samaaegselt saada ligikaudu 1,7 kg plutoonium-239. Nii saab katta tuumajaamade madala soojusliku kasuteguri.
Kiirneutronreaktorid on (tuumkütuse kasutamise osas) kümme korda tõhusamad kui kütuseneutronreaktorid. Neil pole moderaatorit ja nad kasutavad kõrgelt rikastatud tuumakütust. Südamikust eralduvad neutronid ei neela mitte konstruktsioonimaterjalid, vaid nende ümber paiknevad uraan-238 või toorium-232.
Tulevikus on tuumaelektrijaamade peamised lõhustuvad materjalid plutoonium-239 ja uraan-233, mis saadakse vastavalt kiirneutronreaktorites uraan-238-st ja toorium-232-st. Reaktorites uraan-238 muundamine plutoonium-239-ks suurendab tuumakütuse ressursse umbes 100 korda ja toorium-232 uraan-233-ks 200 korda.
Joonisel fig. Joonisel 3 on kujutatud kiirneutronite tuumaelektrijaama diagramm.
Kiiretel neutronitel oleva tuumaelektrijaama iseloomulikud tunnused on:
- tuumareaktori kriitilisuse muutmine toimub osa tuumakütuse lõhustumisneutronitest peegeldades perifeeriast tagasi tuumani, kasutades reflektoreid 3 ;
- helkurid 3 suudab pöörata, muutes neutronite leket ja sellest tulenevalt ka lõhustumisreaktsioonide intensiivsust;
- taastoodetakse tuumakütust;
- üleliigse soojusenergia eemaldamine reaktorist toimub jahuti-radiaatori abil 6 .
Riis. 3. Kiiretel neutronitel tuumaelektrijaama skeem:
1 - kütuseelemendid; 2 – taastuv tuumkütus; 3 – kiirneutronreflektorid; 4 - tuumareaktor; 5 - elektrienergia tarbija; 6 - külmik-emitter; 7 - soojusenergia muundur elektrienergiaks; 8 - kiirguskaitse.
Soojusenergia muundurid elektrienergiaks
Tuumaelektrijaamas toodetud soojusenergia kasutamise põhimõtte kohaselt võib muundurid jagada kahte klassi:
- masin (dünaamiline);
- masinateta (otsemuundurid).
Masinamuundurites ühendatakse reaktoriga tavaliselt gaasiturbiinijaam, milles töövedelikuks võib olla vesinik, heelium, heelium-ksenooni segu. Otse turbogeneraatorisse tarnitava soojuse elektrienergiaks muundamise kasutegur on üsna kõrge - muunduri kasutegur η = 0,7-0,75.
Dünaamilise gaasiturbiini (masina) muunduriga tuumaelektrijaama skeem on näidatud joonisel fig. 4.
Teist tüüpi masinamuundurid on magnetogasdünaamiline või magnetohüdrodünaamiline generaator (MGDG). Sellise generaatori skeem on näidatud joonisel fig. 5. Generaator on ristkülikukujulise ristlõikega kanal, mille kaks seina on valmistatud dielektrikust ja kaks elektrit juhtivast materjalist. Läbi kanalite liigub elektrit juhtiv töövedelik – vedel või gaasiline, millesse tungib magnetväli. Nagu teate, tekib juhi liikumisel magnetväljas EMF, mis piki elektroode 2 üle elektritarbijale 3 . Töötava soojusvoo energiaallikaks on tuumareaktoris vabanev soojus. See soojusenergia kulub laengute liikumisele magnetväljas, s.o. muundatakse voolu juhtiva joa kineetiliseks energiaks ja kineetiline energia elektrienergiaks.
Riis. 4. Gaasiturbiini muunduriga tuumaelektrijaama skeem:
1 - reaktor; 2 – ahel vedela metalli jahutusvedelikuga; 3 – soojusvaheti gaasi soojuse varustamiseks; 4 - turbiin; 5 - elektrigeneraator; 6 - kompressor; 7 - radiaator-radiaator; 8 – soojuse eemaldamise ahel; 9 - tsirkulatsioonipump; 10 - soojusvaheti soojuse eemaldamiseks; 11 - soojusvaheti-regeneraator; 12 - ahel gaasiturbiini muunduri töövedelikuga.
Soojusenergia otsemuundurid (masinateta) elektrienergiaks jagunevad:
- termoelektriline;
- termiline;
- elektrokeemiline.
Termoelektrilised generaatorid (TEG) põhinevad Seebecki põhimõttel, mis seisneb selles, et erinevatest materjalidest koosnevas suletud ahelas tekib termoelektriline võimsus, kui nende materjalide kokkupuutepunktides säilib temperatuuride erinevus (joonis 6). . Elektri tootmiseks on soovitav kasutada pooljuht-TEG-sid, millel on suurem kasutegur, kusjuures kuuma ristmiku temperatuur tuleb viia 1400 K-ni ja kõrgemale.
Termomuundurid (TEC) võimaldavad saada elektrit kõrge temperatuurini kuumutatud katoodist elektronide emissiooni tulemusena (joonis 7).
Riis. 5. Magnetogasdünaamiline generaator:
1 – magnetväli; 2 - elektroodid; 3 - elektrienergia tarbija; 4 - dielektriline; 5 - dirigent; 6 - töövedelik (gaas).
Riis. 6. Termoelektrilise generaatori töö skeem
Riis. 7. Termomuunduri tööskeem
Emissioonivoolu säilitamiseks antakse katoodile soojust Küks . Katoodi poolt emiteeritud elektronid, ületades vaakumpilu, jõuavad anoodile ja neelduvad selles. Elektronide "kondenseerumisel" anoodil vabaneb energia, mis võrdub vastupidise märgiga elektronide tööfunktsiooniga. Kui tagame pideva soojuse juurdevoolu katoodile ja selle eemaldamise anoodilt, siis läbi koormuse R hakkab voolama alalisvool. Elektronide emissioon toimub tõhusalt katoodide temperatuuril üle 2200 K.
TEJ töö ohutus ja töökindlus
Tuumaenergeetika arendamise üks põhiküsimusi on tuumajaamade töökindluse ja ohutuse tagamine.
Kiirgusohutuse tagavad:
- töökindlate struktuuride ja seadmete loomine personali bioloogiliseks kaitseks kiirgusega kokkupuute eest;
- TEJ ruumidest väljuva õhu ja vee puhastamine väljaspool selle piire;
- radioaktiivse saaste eraldamine ja usaldusväärne lokaliseerimine;
- TEJ ruumide igapäevane dosimeetriline kontroll ja personali individuaalne dosimeetriline kontroll.
Tuumaelektrijaama ruumid jagunevad sõltuvalt töörežiimist ja neisse paigaldatud seadmetest kolme kategooriasse:
- range režiimiga tsoon;
- piiranguvöönd;
- tavarežiimi tsoon.
Kolmanda kategooria ruumides viibib pidevalt personal, need jaama ruumid on kiirguskindlad.
Tuumaelektrijaamades tekivad tahked, vedelad ja gaasilised radioaktiivsed jäätmed. Need tuleb utiliseerida nii, et ei tekiks keskkonnareostust.
Ventilatsiooni käigus ruumist eemaldatavad gaasid võivad sisaldada radioaktiivseid aineid aerosoolide, radioaktiivse tolmu ja radioaktiivsete gaaside kujul. Jaama ventilatsioon on ehitatud selliselt, et õhuvoolud liiguvad kõige “puhtamalt” “saastunuks” ning ristvoolud vastupidises suunas on välistatud. Jaama kõigis ruumides toimub õhu täielik asendamine mitte rohkem kui ühe tunni jooksul.
Tuumaelektrijaamade töötamise käigus tekib radioaktiivsete jäätmete äraveo ja kõrvaldamise probleem. Reaktorites kulutatud kütusevardad peavad vastu teatud aja veekogudes otse tuumaelektrijaamades, kuni toimub lühikese poolestusajaga isotoopide stabiliseerumine, misjärel kütusevardad saadetakse regenereerimiseks spetsiaalsetesse radiokeemilistesse tehastesse. Seal ammutatakse kütusevarrastest tuumkütust ja radioaktiivsed jäätmed maetakse.
Uraanil või plutooniumil põhineva tuumkütuse elutsükkel algab kaevandusettevõtetes, keemiatehastes, gaasitsentrifuugides ega lõpe hetkel, mil kütuseagregaat reaktorist maha laaditakse, kuna iga kütuseagregaat peab läbima pika tee. kõrvaldamine ja seejärel ümbertöötlemine.
Tuumakütuse tooraine kaevandamine
Uraan on maakera raskeim metall. Umbes 99,4% maakera uraanist on uraan-238 ja ainult 0,6% uraan-235. Rahvusvahelise Aatomienergiaagentuuri "Punase raamatu" aruanne näitab uraani tootmise ja nõudluse kasvu vaatamata Fukushima-1 õnnetusele, mis pani paljusid mõtlema tuumaenergia väljavaadete üle. Ainuüksi viimase paari aasta jooksul on uuritud uraanivarud kasvanud 7%, mis on seotud uute maardlate avastamisega. Suurimateks tootjateks on jätkuvalt Kasahstan, Kanada ja Austraalia, kes toodavad kuni 63% maailma uraanist. Lisaks on metallivarusid Austraalias, Brasiilias, Hiinas, Malawis, Venemaal, Nigeris, USA-s, Ukrainas, Hiinas ja teistes riikides. Varem on Pronedra kirjutanud, et 2016. aastal kaevandati Vene Föderatsioonis 7,9 tuhat tonni uraani.
Tänapäeval kaevandatakse uraani kolmel erineval viisil. Avatud meetod ei kaota oma tähtsust. Seda kasutatakse juhtudel, kui hoiused on maapinna lähedal. Avatud kaevu meetodil loovad buldooserid karjääri, seejärel laaditakse lisanditega maak kallurautodesse, et transportida töötlemiskompleksidesse.
Sageli asub maagikeha suurtes sügavustes, sel juhul kasutatakse allmaakaevandamise meetodit. Kaevandus murrab välja kuni kahe kilomeetri sügavuselt, kivim kaevandatakse puurimise teel horisontaalsetes triivides, mis transporditakse kaubaliftides ülespoole.
Segu, mis niimoodi välja viiakse, sisaldab palju komponente. Kivi tuleb purustada, lahjendada veega ja eemaldada liigne. Järgmisena lisatakse segule leostumisprotsessi läbiviimiseks väävelhapet. Selle reaktsiooni käigus saavad keemikud uraanisoolade kollase sademe. Lõpuks rafineeritakse rafineerimistehases uraan koos lisanditega. Alles pärast seda saadakse uraanoksiid, millega kaubeldakse börsil.
On olemas palju turvalisem, keskkonnasõbralikum ja kulutõhusam viis, mida nimetatakse puuraugu in situ leotuseks (SIL).
Selle väljaarendusmeetodiga jääb territoorium personalile ohutuks ja kiirgusfoon vastab suurlinnade foonile. Uraani kaevandamiseks leostumise teel tuleb kuusnurga nurkadesse puurida 6 auku. Väävelhape pumbatakse nende kaevude kaudu uraanimaardlatesse, see seguneb oma sooladega. See lahus ekstraheeritakse, nimelt pumbatakse see välja kuusnurga keskel oleva kaevu kaudu. Uraanisoolade soovitud kontsentratsiooni saavutamiseks lastakse segu mitu korda läbi sorptsioonikolonnide.
Tuumakütuse tootmine
Tuumakütuse tootmine on mõeldamatu ilma gaasitsentrifuugideta, mida kasutatakse rikastatud uraani tootmiseks. Pärast vajaliku kontsentratsiooni saavutamist pressitakse uraandioksiidist nn tabletid. Nende loomisel kasutatakse määrdeaineid, mis eemaldatakse ahjudes põletamise ajal. Põletustemperatuur ulatub 1000 kraadini. Pärast seda kontrollitakse tablettide vastavust märgitud nõuetele. Pinna kvaliteet, niiskusesisaldus, hapniku ja uraani aine suhe.
Samal ajal valmistatakse teises töökojas kütuseelementide torukujulisi kestasid. Ülaltoodud protsesse, sealhulgas järgnevat tablettide doseerimist ja pakkimist kestaga torudesse, sulgemist, saastest puhastamist, nimetatakse kütuse valmistamiseks. Venemaal tegelevad kütusesõlmede (FA) loomisega Moskva piirkonna masinaehitustehas, Novosibirskis asuv Novosibirski keemiliste kontsentraatide tehas, Moskva polümetallitehas ja teised.
Iga kütusekomplektide partii luuakse kindlat tüüpi reaktori jaoks. Euroopa kütusesõlmed on valmistatud ruudu kujul ja venekeelsed - kuusnurkse sektsiooniga. Vene Föderatsioonis kasutatakse laialdaselt VVER-440 ja VVER-1000 tüüpi reaktoreid. Esimesi kütuseelemente VVER-440 jaoks hakati välja töötama 1963. aastal ja VVER-1000 jaoks 1978. aastal. Hoolimata asjaolust, et Venemaal võetakse aktiivselt kasutusele uusi Fukushima järgsete ohutustehnoloogiatega reaktoreid, töötab nii riigis kui ka välismaal palju vanaaegseid tuumarajatisi, mistõttu on erinevat tüüpi reaktorite kütusesõlmed endiselt aktuaalsed.
Näiteks RBMK-1000 reaktori ühe aktiivse tsooni kütusesõlmede varustamiseks on vaja rohkem kui 200 tuhat tsirkooniumisulamitest valmistatud komponenti ja 14 miljonit uraandioksiidi paagutatud graanulit. Mõnikord võib kütusesõlme valmistamise maksumus ületada elementides sisalduva kütuse maksumust, mistõttu on nii oluline tagada iga uraanikilogrammi kõrge energiatagastus.
Tootmisprotsessi kulud %
Eraldi tuleks öelda uurimisreaktorite kütusesõlmede kohta. Need on konstrueeritud nii, et neutronite tekkeprotsessi jälgimine ja uurimine oleks võimalikult mugav. Selliseid kütusevardaid katseteks tuumafüüsika, isotoopide tootmise ja kiirgusmeditsiini valdkondades Venemaal toodab Novosibirski keemiakontsentraatide tehas. TVS on loodud õmblusteta elementide baasil uraani ja alumiiniumiga.
Tuumakütuse tootmisega tegeleb Venemaa Föderatsioonis kütusefirma TVEL (Rosatomi osakond). Ettevõte tegeleb tooraine rikastamise, kütuseelementide montaaži kallal ning osutab ka kütuselitsentsimisteenust. Kovrovi mehaanikatehas Vladimiri oblastis ja Uurali gaasitsentrifuugitehas Sverdlovski oblastis loovad seadmeid Venemaa kütusesõlmede jaoks.
Kütusevardade transportimise omadused
Looduslikku uraani iseloomustab madal radioaktiivsus, kuid enne kütusesõlmede tootmist läbib metall rikastamisprotseduuri. Uraan-235 sisaldus looduslikus maagis ei ületa 0,7% ja radioaktiivsus on 25 bekerelli 1 milligrammi uraani kohta.
Kütusesõlmedesse paigutatud uraanigraanulid sisaldavad uraani uraan-235 kontsentratsiooniga 5%. Tuumakütusega valmiskütuse komplekte transporditakse spetsiaalsetes kõrgtugevast metallist konteinerites. Transpordiks kasutatakse raudtee-, maantee-, mere- ja isegi õhutransporti. Iga konteiner sisaldab kahte komplekti. Kiiritamata (värske) kütuse transportimine ei kujuta endast kiirgusohtu, kuna kiirgus ei ulatu kaugemale tsirkooniumtorudest, millesse surutud uraanigraanulid asetatakse.
Kütusepartii jaoks töötatakse välja spetsiaalne marsruut, lasti transporditakse tootja või tellija turvatöötajate saatel (sagedamini), mis on eelkõige tingitud seadmete kõrgest hinnast. Kogu tuumkütuse tootmise ajaloo jooksul ei ole registreeritud ühtegi kütusesõlmedega transpordiõnnetust, mis mõjutaks keskkonna kiirgusfooni või tooks kaasa inimohvreid.
Kütus reaktori südamikus
Tuumakütuse ühik - TVEL - on võimeline eraldama pikka aega tohutul hulgal energiat. Selliste mahtudega ei saa võrrelda ei kivisütt ega gaasi. Kütuse elutsükkel igas tuumaelektrijaamas algab värske kütuse mahalaadimisest, eemaldamisest ja ladustamisest kütusekomplektide laos. Kui eelmine kütusepartii reaktoris läbi põleb, komplekteerivad töötajad südamikusse (reaktori töötsooni, kus toimub lagunemisreaktsioon) laadimiseks kütusesõlmed. Reeglina laaditakse kütus osaliselt ümber.
Kütus laaditakse täielikult südamikku alles reaktori esmakordsel käivitamisel. Selle põhjuseks on asjaolu, et kütuseelemendid reaktoris põlevad läbi ebaühtlaselt, kuna neutronivoo intensiivsus on reaktori erinevates tsoonides erinev. Tänu arvestusseadmetele on jaama personalil võimalus jälgida reaalajas iga kütuseühiku põlemisastet ja seda asendada. Mõnikord teisaldatakse uute kütusesõlmede laadimise asemel komplekte omavahel. Aktiivse tsooni keskel toimub läbipõlemine kõige intensiivsemalt.
TVS pärast tuumaelektrijaama
Tuumareaktoris välja töötanud uraani nimetatakse kiiritatud või läbipõlenud. Ja sellised kütusesõlmed - kasutatud tuumakütus. SNF on paigutatud radioaktiivsetest jäätmetest eraldi, kuna sellel on vähemalt 2 kasulikku komponenti - põletamata uraan (metalli läbipõlemine ei ulatu kunagi 100%) ja transuraani radionukliidid.
Viimasel ajal on füüsikud hakanud SNF-i kogunenud radioaktiivseid isotoope kasutama tööstuses ja meditsiinis. Kui kütus on oma kampaania läbi teinud (aeg, mil sõlme on reaktori südamikus nimivõimsusel töötamise tingimustes), suunatakse see kasutatud tuumkütuse basseini, sealt otse reaktoriruumi hoidlasse ja pärast seda - töötlemine või kõrvaldamine. Jahutusbassein on mõeldud soojuse eemaldamiseks ja kaitseks ioniseeriva kiirguse eest, kuna kütusesõlmed jäävad pärast reaktorist eemaldamist ohtlikuks.
USA-s, Kanadas ega Rootsis SNF-i ümbertöötlemiseks ei saadeta. Teised riigid, sealhulgas Venemaa, töötavad suletud kütusetsükli kallal. See võimaldab oluliselt vähendada tuumkütuse tootmise omahinda, kuna osa SNF-ist taaskasutatakse.
Kütusevardad lahustatakse happes, misjärel eraldavad teadlased jäätmetest plutooniumi ja kasutamata uraani. Ligikaudu 3% toorainest ei ole taaskasutatav, need on kõrge radioaktiivsusega jäätmed, mis läbivad bituumenimis- või klaasistamisprotseduurid.
Kasutatud tuumkütusest saab 1% plutooniumi. Seda metalli ei ole vaja rikastada, Venemaa kasutab seda uuendusliku MOX-kütuse tootmisel. Suletud kütusetsükkel võimaldab muuta ühe kütusesõlme ligikaudu 3% odavamaks, see tehnoloogia nõuab aga suuri investeeringuid tööstussõlmede ehitusse, mistõttu pole see maailmas veel levinud. Sellest hoolimata ei lõpeta Rosatomi kütusefirma sellesuunalisi uuringuid. Pronedra kirjutas hiljuti, et Venemaa Föderatsioon töötab kütuse kallal, mis suudaks kasutada reaktori südamikus ameriitsiumi, kuuriumi ja neptuuniumi isotoope, mis sisalduvad väga radioaktiivsete jäätmete hulgas.
Tuumakütuse tootjad: hinnang
- Prantsuse ettevõte Areva andis kuni viimase ajani 31% maailma kütusekomplektide turust. Ettevõte tegeleb tuumakütuse tootmise ja tuumaelektrijaamade komponentide komplekteerimisega. 2017. aastal toimus Arevas kvalitatiivne uuendus, ettevõttesse tulid uued investorid ning 2015. aasta kolossaalne kahjum vähenes 3 korda.
- Westinghouse on Jaapani ettevõtte Toshiba Ameerika divisjon. Ta arendab aktiivselt turgu Ida-Euroopas, tarnib Ukraina tuumaelektrijaamadele kütusekomplekte. Koos Toshibaga annab see 26% maailma tuumakütuse tootmise turust.
- Kolmandal kohal on riikliku korporatsiooni Rosatom (Venemaa) kütusefirma TVEL. TVEL annab 17% maailmaturust, tal on kümneaastane lepinguportfell väärtusega 30 miljardit dollarit ja ta varustab kütusega enam kui 70 reaktorit. TVEL arendab VVER reaktorite kütuseagregaate ning siseneb ka lääne disainiga tuumaseadmete turule.
- Japan Nuclear Fuel Limited annab viimastel andmetel 16% maailmaturust, tarnib enamikku Jaapani tuumareaktoritest kütusekomplekte.
- Mitsubishi Heavy Industries on Jaapani hiiglane, mis toodab turbiine, tankereid, kliimaseadmeid ja viimasel ajal ka tuumakütust lääne tüüpi reaktorite jaoks. Mitsubishi Heavy Industries (emaettevõtte divisjon) tegeleb APWR tuumareaktorite ehitamisega, teadustegevusega koos Arevaga. Just selle ettevõtte valis Jaapani valitsus uute reaktorite väljatöötamiseks.
Tuumaenergia on kaasaegne ja kiiresti arenev viis elektrienergia tootmiseks. Kas teate, kuidas tuumajaamad on paigutatud? Mis on tuumajaama tööpõhimõte? Mis tüüpi tuumareaktorid on tänapäeval olemas? Püüame üksikasjalikult käsitleda tuumaelektrijaama tööskeemi, süveneda tuumareaktori struktuuri ja teada saada, kui ohutu on elektrienergia tootmise aatomi meetod.
Kuidas on tuumaelektrijaam korraldatud?
Iga jaam on elamurajoonist kaugel asuv suletud ala. Selle territooriumil on mitu hoonet. Tähtsaim hoone on reaktorihoone, selle kõrval on turbiinihall, millest juhitakse reaktorit, ja ohutushoone.
Skeem on võimatu ilma tuumareaktorita. Aatomi (tuuma)reaktor on tuumaelektrijaama seade, mis on ette nähtud neutronite lõhustumise ahelreaktsiooni korraldamiseks koos selles protsessis kohustusliku energia vabanemisega. Mis on aga tuumajaama tööpõhimõte?
Kogu reaktorijaam on paigutatud reaktorihoonesse, suurde betoontorni, mis varjab reaktorit ja sisaldab õnnetuse korral kõiki tuumareaktsiooni saadusi. Seda suurt torni nimetatakse isolatsiooniks, hermeetiliseks kestaks või isolatsiooniks.
Uute reaktorite kaitsevööndis on 2 paksu betoonseina – kestad.
80 cm paksune väliskest kaitseb isolatsiooniala välismõjude eest.
1 meeter 20 cm paksuse sisekesta seadmes on spetsiaalsed terastrossid, mis suurendavad betooni tugevust ligi kolm korda ega lase konstruktsioonil mureneda. Seest on see vooderdatud õhukese spetsiaalsest terasest lehega, mis on mõeldud isolatsiooni täiendavaks kaitseks ja õnnetuse korral takistab reaktori sisu sattumist väljapoole isoleeritud ala.
Selline tuumajaama seade talub kuni 200 tonni kaaluva lennuki kukkumist, 8-pallist maavärinat, tornaadot ja tsunamit.
Esimene rõhu all olev korpus ehitati Ameerika tuumaelektrijaamas Connecticut Yankee 1968. aastal.
Piirdeala kogukõrgus on 50-60 meetrit.
Millest on tehtud tuumareaktor?
Tuumareaktori tööpõhimõtte ja seega ka tuumaelektrijaama tööpõhimõtte mõistmiseks peate mõistma reaktori komponente. 
- aktiivne tsoon. See on ala, kuhu asetatakse tuumkütus (soojuse vabastaja) ja moderaator. Kütuse aatomid (enamasti on kütus uraan) viivad läbi lõhustumisahelreaktsiooni. Moderaator on loodud lõhustumisprotsessi juhtimiseks ja võimaldab teil läbi viia kiiruse ja tugevuse osas vajalikku reaktsiooni.
- Neutronide reflektor. Reflektor ümbritseb aktiivset tsooni. See koosneb samast materjalist, mis moderaator. Tegelikult on see kast, mille põhieesmärk on takistada neutronite tuumast väljumist ja keskkonda sattumist.
- Jahutusvedelik. Jahutusvedelik peab absorbeerima soojust, mis vabanes kütuseaatomite lõhustumisel, ja kandma selle üle teistele ainetele. Jahutusvedelik määrab suuresti tuumajaama projekteerimise. Tänapäeval on kõige populaarsem jahutusvedelik vesi.
Reaktori juhtimissüsteem. Andurid ja mehhanismid, mis panevad tuumajaama reaktori tööle.
Kütus tuumaelektrijaamadele
Mida teeb tuumaelektrijaam? Tuumaelektrijaamade kütus on radioaktiivsete omadustega keemilised elemendid. Kõigis tuumaelektrijaamades on uraan selline element.
Jaamade konstruktsioon eeldab, et tuumaelektrijaamad töötavad keerulisel komposiitkütusel, mitte puhtal keemilisel elemendil. Ja tuumareaktorisse laaditavast looduslikust uraanist uraanikütuse eraldamiseks peate tegema palju manipuleerimisi.
Rikastatud uraan
Uraan koosneb kahest isotoobist, see tähendab, et see sisaldab erineva massiga tuumasid. Neid nimetati prootonite ja neutronite arvu järgi isotoobiks -235 ja isotoobiks-238. 20. sajandi teadlased hakkasid maagist ekstraheerima uraani 235, kuna. seda oli lihtsam lagundada ja teisendada. Selgus, et sellist uraani on looduses vaid 0,7% (ülejäänud protsendid läksid 238. isotoobile).
Mida sel juhul teha? Nad otsustasid uraani rikastada. Uraani rikastamine on protsess, kus selles on palju vajalikke 235x isotoope ja vähe tarbetuid 238x isotoope. Uraanirikastajate ülesanne on valmistada 0,7%-st peaaegu 100% uraan-235.
Uraani saab rikastada kahe tehnoloogia abil – gaasi difusioon või gaasitsentrifuug. Nende kasutamiseks muudetakse maagist eraldatud uraan gaasiliseks. Gaasi kujul on see rikastatud.
uraani pulber
Rikastatud uraangaas muudetakse tahkeks olekuks - uraandioksiidiks. See puhas tahke uraan 235 näeb välja nagu suured valged kristallid, mis hiljem purustatakse uraanipulbriks.
Uraani tabletid
Uraanigraanulid on paari sentimeetri pikkused tahked metallseibid. Uraanipulbrist selliste tablettide vormimiseks segatakse see ainega - plastifikaatoriga, see parandab tableti pressimise kvaliteeti.
Pressitud seibid küpsetatakse temperatuuril 1200 kraadi Celsiuse järgi üle päeva, et anda tablettidele eriline tugevus ja vastupidavus kõrgetele temperatuuridele. Tuumaelektrijaama tööviis sõltub otseselt sellest, kui hästi uraanikütust kokku surutakse ja küpsetatakse. 
Tablette küpsetatakse molübdeenkarpides, sest. ainult see metall on võimeline mitte sulama "põrgulikul" temperatuuril üle pooleteise tuhande kraadi. Pärast seda loetakse tuumaelektrijaamade uraanikütus valmis.
Mis on TVEL ja TVS?
Reaktori südamik näeb välja nagu tohutu ketas või toru, mille seintes on augud (olenevalt reaktori tüübist), mis on 5 korda suurem kui inimkeha. Need augud sisaldavad uraanikütust, mille aatomid viivad läbi soovitud reaktsiooni.
On võimatu lihtsalt kütust reaktorisse visata, noh, kui te ei taha saada plahvatust kogu jaamas ja õnnetust, mille tagajärjed on paaris lähedalasuvas osariigis. Seetõttu asetatakse uraanikütus kütusevarrastesse ja kogutakse seejärel kütusesõlmedesse. Mida need lühendid tähendavad?
- TVEL - kütuseelement (mitte segi ajada neid tootva Venemaa ettevõtte sama nimega). Tegelikult on see õhuke ja pikk tsirkooniumisulamitest valmistatud tsirkooniumtoru, millesse asetatakse uraanigraanulid. Just kütusevarrastes hakkavad uraani aatomid omavahel suhtlema, eraldades reaktsiooni käigus soojust.
Tsirkoonium valiti kütusevarraste valmistamise materjaliks selle tulekindluse ja korrosioonivastaste omaduste tõttu.
Kütuseelementide tüüp sõltub reaktori tüübist ja struktuurist. Kütusevarraste struktuur ja otstarve reeglina ei muutu, toru pikkus ja laius võivad olla erinevad. 
Masin laadib ühte tsirkooniumtorusse üle 200 uraanigraanuli. Kokku töötab reaktoris samaaegselt umbes 10 miljonit uraanigraanulit.
FA - kütuseagregaat. TUJ töötajad nimetavad kütusesõlmesid kimpudeks.
Tegelikult on need mitu TVEL-i, mis on kokku kinnitatud. Kütusesõlmed on valmis tuumakütus, millega tuumajaam töötab. Need on kütusesõlmed, mis laaditakse tuumareaktorisse. Ühte reaktorisse on paigutatud umbes 150-400 kütusekomplekti.
Olenevalt sellest, millises reaktoris kütuseagregaat töötab, on need erineva kujuga. Mõnikord volditakse kimbud kuubikujuliseks, mõnikord silindriliseks, mõnikord kuusnurkseks.
Üks kütusesõlm 4 tööaasta jooksul toodab sama palju energiat kui põletades 670 vaguni kivisütt, 730 paaki maagaasiga või 900 tanki, mis on täidetud naftaga.
Tänapäeval toodetakse kütusekomplekte peamiselt Venemaa, Prantsusmaa, USA ja Jaapani tehastes.
Tuumajaamade kütuse tarnimiseks teistesse riikidesse suletakse kütusesõlmed pikkadesse ja laiadesse metalltorudesse, torudest pumbatakse õhk välja ja toimetatakse kaubalennukite pardale spetsiaalsete masinatega.
Tuumaelektrijaamade tuumakütus kaalub meeletult palju, tk. uraan on üks raskemaid metalle planeedil. Selle erikaal on 2,5 korda suurem kui terasel.
Tuumaelektrijaam: tööpõhimõte
Mis on tuumajaama tööpõhimõte? Tuumaelektrijaamade tööpõhimõte põhineb radioaktiivse aine - uraani - aatomite lõhustumise ahelreaktsioonil. See reaktsioon toimub tuumareaktori südamikus.
Kui te ei lasku tuumafüüsika keerukustesse, näeb tuumaelektrijaama tööpõhimõte välja järgmine:
Pärast tuumareaktori käivitamist eemaldatakse kütusevarrastelt neelavad vardad, mis takistavad uraani reageerimist.
Niipea kui vardad eemaldatakse, hakkavad uraani neutronid üksteisega suhtlema.
Neutronite põrkumisel toimub aatomitasandil miniplahvatus, energia vabaneb ja uued neutronid sünnivad, hakkab toimuma ahelreaktsioon. See protsess eraldab soojust.
Soojus kantakse üle jahutusvedelikule. Sõltuvalt jahutusvedeliku tüübist muutub see auruks või gaasiks, mis pöörab turbiini.
Turbiin käitab elektrigeneraatorit. Tema on see, kes tegelikult toodab elektrit.
Kui protsessi ei järgita, võivad uraani neutronid omavahel kokku põrgata, kuni reaktor õhku lastakse ja kogu tuumajaam puruks lendab. Protsessi juhivad arvutiandurid. Need tuvastavad temperatuuri tõusu või rõhu muutuse reaktoris ja võivad reaktsioonid automaatselt peatada.
Mis vahe on tuumaelektrijaamade ja soojuselektrijaamade (soojuselektrijaamade) tööpõhimõttel?
Erinevused töös on alles esimestel etappidel. Tuumaelektrijaamades saab jahutusvedelik soojust uraanikütuse aatomite lõhustumisel, soojuselektrijaamades aga orgaanilise kütuse (kivisüsi, gaas või õli) põlemisel tekkivat soojust. Pärast seda, kui uraani aatomid või gaas koos kivisöega on soojust eraldanud, on tuumaelektrijaamade ja soojuselektrijaamade tööskeemid samad.
Tuumareaktorite tüübid
Tuumaelektrijaama tööpõhimõte sõltub sellest, kuidas selle tuumareaktor töötab. Tänapäeval on kaks peamist tüüpi reaktoreid, mis klassifitseeritakse neuronite spektri järgi:
Aeglane neutronreaktor, mida nimetatakse ka termiliseks reaktoriks.
Selle tööks kasutatakse 235 uraani, mis läbib rikastamise, uraanitablettide valmistamise jne etapid. Tänapäeval on aeglaste neutronreaktorid valdavas enamuses.
Kiire neutronreaktor.
Need reaktorid on tulevik, sest nad töötavad uraan-238 peal, mida on oma olemuselt kümmekond peenraha ja seda elementi pole vaja rikastada. Selliste reaktorite puuduseks on vaid väga kõrged projekteerimis-, ehitus- ja käivitamiskulud. Tänapäeval töötavad kiirneutronreaktorid ainult Venemaal.
Kiirete neutronreaktorite jahutusvedelik on elavhõbe, gaas, naatrium või plii. 
Ka aeglaseid neutronreaktoreid, mida tänapäeval kasutavad kõik maailma tuumajaamad, on mitut tüüpi.
IAEA organisatsioon (Rahvusvaheline Aatomienergiaagentuur) on loonud oma klassifikatsiooni, mida kasutatakse kõige sagedamini maailma tuumatööstuses. Kuna tuumajaama tööpõhimõte sõltub suuresti jahutusvedeliku ja aeglusti valikust, on IAEA klassifitseerimisel lähtunud just nendest erinevustest.
Keemilisest seisukohast on deuteeriumoksiid ideaalne moderaator ja jahutusvedelik, sest selle aatomid interakteeruvad teiste ainetega võrreldes kõige tõhusamalt uraani neutronitega. Lihtsamalt öeldes täidab raske vesi oma ülesannet minimaalsete kadude ja maksimaalsete tulemustega. Selle tootmine maksab aga raha, samas kui meile tavalist “kerget” ja tuttavat vett on palju lihtsam kasutada.
Mõned faktid tuumareaktorite kohta...
Huvitav, et ühte tuumajaama reaktorit ehitatakse vähemalt 3 aastat!
Reaktori ehitamiseks on vaja seadmeid, mis töötavad 210 kiloamprise elektrivooluga, mis on miljon korda suurem kui vool, mis võib inimese tappa.
Tuumareaktori üks kest (konstruktsioonielement) kaalub 150 tonni. Ühes reaktoris on 6 sellist elementi.
Survevee reaktor
Oleme juba uurinud, kuidas tuumajaam üldiselt töötab, et “asjad korda saada” vaatame, kuidas töötab kõige populaarsem survevee tuumareaktor.
Tänapäeval kasutatakse kõikjal maailmas 3+ põlvkonna surveveereaktoreid. Neid peetakse kõige usaldusväärsemaks ja ohutumaks.
Kõik maailma surveveereaktorid on kõigi oma tööaastate jooksul kokku saanud juba üle 1000 aasta tõrgeteta töö ja pole kunagi andnud tõsiseid kõrvalekaldeid. 
Surveveereaktoritel põhinevate tuumaelektrijaamade struktuur eeldab, et kütusevarraste vahel ringleb destilleeritud vesi, mis on kuumutatud 320 kraadini. Et see ei läheks auruolekusse, hoitakse seda 160 atmosfääri rõhu all. Tuumaelektrijaama skeem nimetab seda primaarseks veeks.
Kuumutatud vesi siseneb aurugeneraatorisse ja annab oma soojuse ära sekundaarringi veele, misjärel “naaseb” uuesti reaktorisse. Väliselt tundub, et primaarveeringi torud on kontaktis teiste torudega - teise vooluringi veega, need edastavad soojust üksteisele, kuid veed ei puutu kokku. Torud on kontaktis.
Seega on välistatud kiirguse sattumine sekundaarahela vette, mis osaleb edaspidi elektritootmise protsessis.
Tuumaelektrijaama ohutus
Olles õppinud tuumaelektrijaamade tööpõhimõtteid, peame mõistma, kuidas ohutus on korraldatud. Tuumaelektrijaamade projekteerimine nõuab tänapäeval suuremat tähelepanu ohutusreeglitele.
Tuumaelektrijaama ohutuse maksumus moodustab ligikaudu 40% jaama enda kogumaksumusest. 
TEJ skeem sisaldab 4 füüsilist barjääri, mis takistavad radioaktiivsete ainete eraldumist. Mida need tõkked tegema peaksid? Õigel ajal osata peatada tuumareaktsioon, tagada pidev soojuse eemaldamine südamikust ja reaktorist endast ning vältida radionukliidide vabanemist isolatsioonist (tõketustsoonist).
- Esimene barjäär on uraanigraanulite tugevus. On oluline, et need ei laguneks tuumareaktoris kõrgete temperatuuride mõjul. Tuumaelektrijaama tööpõhimõte sõltub paljuski sellest, kuidas uraanigraanulid tootmise algfaasis "küpsetati". Kui uraani kütusegraanuleid küpsetatakse valesti, on uraani aatomite reaktsioonid reaktoris ettearvamatud.
- Teine takistus on kütusevarraste tihedus. Tsirkooniumtorud peavad olema tihedalt suletud, kui tihedus on katki, siis parimal juhul saab reaktor kahjustada ja töö seiskub, halvimal juhul lendab kõik õhku.
- Kolmas barjäär on tugev terasest reaktorianum a, (see sama suur torn – kaitseala), mis "hoiab" endas kõiki radioaktiivseid protsesse. Kere on kahjustatud – kiirgust paiskub atmosfääri.
- Neljandaks tõkkeks on hädakaitsevardad. Aktiivse tsooni kohal on magnetitel riputatud moderaatoritega vardad, mis suudavad 2 sekundiga neelata kõik neutronid ja peatada ahelreaktsiooni.
Kui vaatamata paljude kaitseastmetega tuumajaama ehitamisele ei õnnestu reaktori südamikku õigel ajal jahutada ning kütuse temperatuur tõuseb 2600 kraadini, siis tuleb mängu ohutussüsteemi viimane lootus. - nn sulalõks.
Fakt on see, et sellisel temperatuuril reaktorianuma põhi sulab ning kõik tuumakütuse jäänused ja sulastruktuurid voolavad reaktori südamiku kohal rippuvasse spetsiaalsesse "klaasi".
Sulamispüüdur on jahutatud ja tulekindel. See on täidetud nn "ohvrimaterjaliga", mis peatab järk-järgult lõhustumise ahelreaktsiooni.
Seega hõlmab tuumaelektrijaama skeem mitut kaitseastet, mis peaaegu täielikult välistab igasuguse õnnetuse võimaluse.
Kasutatud tuumakütus on tuumareaktoris töötanud uraan, mis sisaldab radioaktiivseid lõhustumisprodukte. Seetõttu nimetatakse seda ka kiiritatud või põletatud tuumakütuseks.
Mille poolest SNF erineb radioaktiivsetest jäätmetest (RW)? Esiteks asjaolu, et SNF on väärtuslik toode, mis sisaldab 2 kasulikku komponenti - põletamata uraani ja transuraani elemente. Lisaks sisaldavad lõhustumisproduktid radionukliide (radioaktiivseid isotoope), mida saab edukalt kasutada tööstuses, meditsiinis ja ka teadusuuringutes.
Pärast reaktorist eemaldamist säilitab kasutatud tuumkütus (SNF) radioaktiivsust ja eraldab soojust. Seetõttu hoitakse sellist kütust mõnda aega vee all basseinides, et eemaldada soojust ja kaitsta ioniseeriva kiirguse eest. Järgmine samm võib olla:
- lõplik kõrvaldamine on avatud kütusetsükli lõpuleviimine, nagu seda tehakse USA-s, Kanadas ja Rootsis.
- kasutatud tuumkütuse ümbertöötlemine edasiseks kasutamiseks – suletud kütusetsükkel. Suletud kütusetsükli tee valisid Venemaa, Suurbritannia, Prantsusmaa ja Jaapan.
Kasutatud tuumakütust hoiustatakse esialgu otse reaktorihoones. Seejärel viiakse see teise kohta spetsiaalsetesse "kuivladudesse". Tänapäeva kergveereaktorite suletud kütusetsüklis liigub kütus täpselt sama teed. Alates uraanikaevandustest ja tehastest läbib uraan reaktorikütuse tootmiseks kõik muundamise ja rikastamise etapid.Pärast kütuse eemaldamist reaktorist töödeldakse kütusevardaid rafineerimistehastes, kus need purustatakse ja lahustatakse happes. Pärast spetsiaalset keemilist töötlust eraldatakse kasutatud tuumkütusest kaks väärtuslikku toodet: plutoonium ja kasutamata uraan. Ligikaudu 3% kütusest jääb kõrgaktiivsete jäätmetena. Pärast bituumenimist, betoneerimist või klaasistamist tuleb need väga radioaktiivsed materjalid pikaajaliselt kõrvaldada.
Kasutatud tuumkütus sisaldab umbes 1% plutooniumi. See on väga hea tuumkütus, mis ei vaja rikastamist. Plutooniumi saab segada vaesestatud uraaniga, et moodustada segatud oksiid või MOX kütus, mida tarnitakse värske kütusekomplektidena reaktoritesse laadimiseks. Seda saab kasutada reaktoritesse laadimiseks. Taaskasutatud uraani saab tagastada täiendavaks rikastamiseks või tarnida töötavatesse reaktoritesse värske kütusena. Suletud kütusetsükkel on tõhusam süsteem uraani kasutamise maksimeerimiseks ilma täiendava kaevandamiseta (energiaühikutes on sääst umbes 30%). Ja kuigi tööstus kiitis selle lähenemisviisi kohe heaks, ei ole sellised kasutatud tuumkütuse töötlemise skeemid veel laialt levinud.
Uraani võimaluste sellise mittetäieliku ärakasutamise üheks põhjuseks on see, et suurem osa olemasolevatest tööstusreaktoritest kuulub nn kergeveeliste LWR reaktorite hulka. Need on mitmes mõttes head, kuid need ei ole mõeldud kütusest kogu energia viimase vatini välja pigistama. Siiski on ka teist tüüpi reaktoreid – niinimetatud "kiired" (kiireneutronreaktorid), mis on võimelised kasutatud tuumkütust "töötlema", et ammutada palju rohkem energiat.
TVS (kütusekomplekt)
Tuumakütus– materjalid, mida kasutatakse tuumareaktorites kontrollitud tuuma lõhustumise ahelreaktsiooni läbiviimiseks. Tuumakütus erineb põhimõtteliselt teistest inimkonna poolt kasutatavatest kütuseliikidest, see on äärmiselt energiamahukas, kuid samas ka inimesele väga ohtlik, mis seab selle kasutamisele ohutuse huvides palju piiranguid. Sel ja paljudel muudel põhjustel on tuumkütust palju keerulisem kasutada kui mis tahes tüüpi fossiilkütust ning selle kasutamiseks on vaja palju tehnilisi ja organisatsioonilisi erimeetmeid ning sellega tegelevaid kõrgelt kvalifitseeritud töötajaid.
Üldine informatsioon
Tuuma ahelreaktsioon on tuuma lõhustumine kaheks osaks, nn lõhustumise killud, mitme (2-3) neutroni samaaegse vabanemisega, mis omakorda võib põhjustada järgmiste tuumade lõhustumist. Selline lõhustumine toimub siis, kui neutron siseneb algaine aatomi tuuma. Tuuma lõhustumise käigus tekkinud lõhustumisfragmentidel on suur kineetiline energia. Aine lõhustumise fragmentide aeglustumisega kaasneb suure hulga soojuse eraldumine. Lõhustumisfragmendid on tuumad, mis tekivad vahetult lõhustumise tulemusena. Lõhustumise fragmente ja nende radioaktiivseid lagunemissaadusi nimetatakse tavaliselt lõhustumisproduktid. Tuumasid, mis lõhustuvad mis tahes energiaga neutronitega, nimetatakse tuumakütuseks (reeglina on need paaritu aatomnumbriga ained). On tuumasid, mis lõhustuvad ainult neutronite abil, mille energia ületab teatud läviväärtuse (reeglina on need paarisaatomarvuga elemendid). Selliseid tuumasid nimetatakse toormaterjalideks, kuna kui lävituum haarab neutroni, moodustuvad tuumakütuse tuumad. Tuumakütuse ja tooraine kombinatsiooni nimetatakse tuumakütuseks. Allpool on toodud 235 U tuuma tuuma lõhustumisenergia jaotus erinevate lõhustumisproduktide vahel (MeV-des):
| Lõhustumisfragmentide kineetiline energia | 162 | 81% |
| Lõhustumisneutronite kineetiline energia | 5 | 2,5% |
| Neutronite püüdmisega kaasneva γ-kiirguse energia | 10 | 5% |
| Lõhustumisproduktide γ-kiirguse energia | 6 | 3% |
| Lõhustumisproduktide β-kiirguse energia | 5 | 2,5% |
| Neutriinode poolt kaasa viidud energia | 11 | 5,5% |
| Lõhustumise koguenergia | ~200 | 100% |
|---|
Kuna neutriino energia kandub ära pöördumatult, on kasutamiseks saadaval vaid 188 MeV/aatom = 30 pJ/aatom = 18 TJ/mol = 76,6 TJ/kg (teistel andmetel (vt link) 205,2 - 8,6 = 196 ,6 MeV) /aatom) .
Looduslik uraan koosneb kolmest isotoobist: 238U (99,282%), 235U (0,712%) ja 234U (0,006%). See ei sobi alati tuumkütuseks, eriti kui konstruktsioonimaterjalid ja moderaator neelavad ulatuslikult neutroneid. Sel juhul valmistatakse tuumkütust rikastatud uraani baasil. Termoreaktorites kasutatakse uraani, mille rikastus on alla 6% ning kiir- ja vahepealsetes neutronreaktorites ületab uraani rikastamine 20%. Rikastatud uraani saadakse spetsiaalsetes rikastustehastes.
Klassifikatsioon
Tuumakütus jaguneb kahte tüüpi:
- Looduslik uraan, mis sisaldab 235 U lõhustuvaid tuumasid, samuti 238 U toorainet, mis on neutroni hõivamisel võimeline moodustama plutooniumi 239 Pu;
- Sekundaarne kütus, mida looduses ei esine, sealhulgas 239 Pu, mis on saadud esimest tüüpi kütusest, samuti 233 U isotoopi, mis on tekkinud neutronite püüdmisel 232 Th tooriumi tuumaga.
Vastavalt keemilisele koostisele võib tuumkütus olla:
- Metall, sh sulamid;
- oksiid (näiteks UO 2);
- Karbiid (nt PuC 1-x)
- Segatud (PuO 2 + UO 2)
Rakenduse teoreetilised aspektid
Tuumakütust kasutatakse tuumareaktorites mõne sentimeetri suuruste graanulitena, kus see tavaliselt paikneb hermeetiliselt suletud kütuseelementides (TVEL), mis omakorda kombineeritakse kasutusmugavuse huvides mitmesajaliseks kütusesõlmedeks ( FA-d).
Tuumakütusele kehtivad kõrged nõuded keemilisele ühilduvusele kütusevarda kattekihiga, sellel peab olema piisav sulamis- ja aurustumistemperatuur, hea soojusjuhtivus, neutronkiirguse ajal kerge ruumala suurenemine ja valmistatavus.
Metallilise uraani kasutamine, eriti temperatuuril üle 500 °C, on selle paisumise tõttu keeruline. Pärast tuuma lõhustumist moodustub kaks lõhustumise fragmenti, mille kogumaht on suurem kui uraani (plutooniumi) aatomi maht. Osa aatomitest - lõhustumisfragmendid on gaaside (krüptoon, ksenoon jne) aatomid. Gaasi aatomid kogunevad uraani pooridesse ja tekitavad siserõhu, mis tõuseb temperatuuri tõustes. Aatomite mahu muutumise tõttu lõhustumise protsessis ja gaaside siserõhu suurenemise tõttu hakkavad uraan ja teised tuumakütused paisuma. Turse all mõistetakse tuuma lõhustumisega seotud suhtelist muutust tuumakütuse mahus.
Turse oleneb põlemisest ja kütuseelemendi temperatuurist. Lõhustumisfragmentide arv suureneb põlemisel ning gaasi siserõhk tõuseb põlemise ja temperatuuri tõustes. Tuumkütuse paisumine võib põhjustada kütuseelemendi katte hävimise. Tuumakütusel on kõrgete mehaaniliste omadustega paisumine väiksem. Metalliline uraan lihtsalt ei kehti selliste materjalide puhul. Seetõttu piirab metallilise uraani kasutamine tuumkütusena põlemissügavust, mis on tuumakütuse üks peamisi omadusi.
Kütuse kiirguskindlus ja mehaanilised omadused paranevad pärast uraani legeerimist, mille käigus lisatakse uraanile vähesel määral molübdeeni, alumiiniumi ja muid metalle. Dopingulisandid vähendavad lõhustumise neutronite arvu tuumakütusega neutronite püüdmise kohta. Seetõttu valitakse uraani legeerivad lisandid materjalide hulgast, mis neelavad nõrgalt neutroneid.
Heade tuumakütuste hulka kuuluvad mõned uraani tulekindlad ühendid: oksiidid, karbiidid ja metallidevahelised ühendid. Enim kasutatav keraamika - uraandioksiid UO 2 . Selle sulamistemperatuur on 2800 °C, tihedus 10,2 g/cm³. Uraandioksiidil ei ole faasisiirdeid ja see on vähem altid paisumisele kui uraanisulamid. See võimaldab suurendada läbipõlemist kuni mitme protsendini. Uraanidioksiid ei interakteeru kõrgel temperatuuril tsirkooniumi, nioobiumi, roostevaba terase ja muude materjalidega. Keraamika peamiseks puuduseks on madal soojusjuhtivus - 4,5 kJ/(m·K), mis piirab reaktori erivõimsust sulamistemperatuuri osas. Seega ei ületa uraandioksiidi maksimaalne soojusvoo tihedus VVER reaktorites 1,4⋅10 3 kW/m², kütusevarraste maksimaalne temperatuur aga ulatub 2200 °C-ni. Lisaks on kuum keraamika väga rabe ja võib praguneda.
Praktiline kasutamine
Kviitung
uraani kütus
Uraani tuumakütust saadakse maakide töötlemisel. Protsess toimub mitmes etapis:
- Kehvade hoiuste jaoks: Kaasaegses tööstuses kasutatakse rikaste uraanimaakide puudumise tõttu (erandiks on Kanada ja Austraalia mittevastavustüüpi maardlad, milles uraani kontsentratsioon ulatub 3%) maakide maa-aluse leostumise meetodit. See välistab kuluka maagi kaevandamise. Esialgne ettevalmistus läheb otse maa alla. Läbi süstimiskaevud väävelhapet pumbatakse maa alla maardla kohale, mõnikord lisades sellele raudsoolasid (uraani U (IV) oksüdeerimiseks U (VI)-ks), kuigi maagid sisaldavad sageli rauda ja pürolusiiti, mis hõlbustavad oksüdatsiooni. Läbi kaevandamiskaevud väävelhappe lahus uraaniga tõuseb spetsiaalsete pumpadega pinnale. Seejärel läheb see otse sorptsioonile, hüdrometallurgilisele ekstraheerimisele ja samaaegsele uraani rikastamisele.
- Maagimaardlate jaoks: kasutage maagi kontsentratsiooni ja radiomeetrilist maagi kontsentratsiooni.
- Hüdrometallurgiline töötlemine - uraani purustamine, leostumine, sorptsioon või ekstraheerimine puhastatud uraanoksiidi (U 3 O 8), naatriumdiuranaadi (Na 2 U 2 O 7) või ammooniumdiuranaadi ((NH 4) 2 U 2 O 7) saamiseks.
- Uraani ülekandmine oksiidist UF 4 tetrafluoriidiks või oksiididest otse UF 6 heksafluoriidi saamiseks, mida kasutatakse uraani rikastamiseks isotoobis 235.
- Rikastamine gaasi termilise difusiooni või tsentrifuugimisega.
- 235 isotoobiga rikastatud UF 6 muundatakse UO 2 dioksiidiks, millest valmistatakse kütusevarraste “pillid” või saadakse samal eesmärgil muid uraaniühendeid.