Jaderné palivo - materiály, které se používají v jaderných reaktorech k provádění řízené řetězové reakce jaderného štěpení . Jaderné palivo se zásadně liší od ostatních druhů paliv používaných lidstvem, je extrémně energeticky náročné, ale také velmi nebezpečné pro člověka, což z bezpečnostních důvodů klade mnohá omezení na jeho použití. Z tohoto a mnoha dalších důvodů je použití jaderného paliva mnohem obtížnější než jakýkoli druh fosilního paliva a vyžaduje mnoho speciálních technických a organizačních opatření pro jeho použití a také vysoce kvalifikovaný personál, který se jím zabývá.
Jaderná řetězová reakce je štěpení jádra na dvě části, nazývané štěpné fragmenty , se současným uvolněním několika (2-3) neutronů , které zase mohou způsobit štěpení následujících jader. K takovému štěpení dochází, když neutron vstoupí do jádra atomu původní látky. Fragmenty štěpení vytvořené během jaderného štěpení mají velkou kinetickou energii . Zpomalení štěpných úlomků ve hmotě je doprovázeno uvolňováním velkého množství tepla. Fragmenty štěpení jsou jádra vytvořená přímo v důsledku štěpení. Štěpné fragmenty a produkty jejich radioaktivního rozpadu se běžně označují jako štěpné produkty . Jádra, která se štěpí s neutrony jakékoli energie, se nazývají jaderné palivo (zpravidla se jedná o látky s lichým atomovým číslem). Existují jádra, která se štěpí pouze neutrony s energiemi nad určitou prahovou hodnotou (zpravidla se jedná o prvky se sudým atomovým číslem). Taková jádra se nazývají suroviny, protože když je neutron zachycen prahovým jádrem, tvoří se jádra jaderného paliva. Kombinace jaderného paliva a suroviny se nazývá jaderné palivo. Níže je uvedeno rozdělení štěpné energie jádra 235 U mezi různé štěpné produkty (v MeV ):
| Kinetická energie štěpných fragmentů | 162 | 81 % |
| Kinetická energie štěpných neutronů | 5 | 2,5 % |
| Energie γ-záření doprovázející záchyt neutronů | deset | 5 % |
| Energie γ-záření štěpných produktů | 6 | 3 % |
| Energie β-záření štěpných produktů | 5 | 2,5 % |
| Energie přenášená neutriny | jedenáct | 5,5 % |
| Celková energie štěpení | ~200 | 100 % |
|---|
Vzhledem k tomu, že energie neutrin je nenávratně odváděna, je k dispozici pouze 188 MeV / atom = 30 pJ / atom = 18 TJ / mol = 76,6 TJ / kg (podle jiných údajů (viz odkaz) 205,2 - 8,6 = 196,6 MeV /atom) [1] .
Přírodní uran se skládá ze tří izotopů: 238U (99,282 %), 235U ( 0,712 %) a 234U ( 0,006 % ). Ne vždy je vhodný jako jaderné palivo, zvláště pokud konstrukční materiály a moderátor značně pohlcují neutrony . V tomto případě je jaderné palivo vyrobeno na bázi obohaceného uranu. V tepelných reaktorech se používá uran s obohacením menším než 6 % a v rychlých a středních neutronových reaktorech obohacení uranu přesahuje 20 %. Obohacený uran se získává ve speciálních obohacovacích závodech.
Jedna „tableta“ paliva pro jaderné elektrárny o hmotnosti 4,5 gramu dává 10¹⁰ J tepelné energie [2] .
Jaderné palivo se dělí na dva druhy:
Podle chemického složení může být jaderné palivo:
Odrůdy: TRISO
Jaderné palivo se používá v jaderných reaktorech ve formě pelet o velikosti několika centimetrů, kde je obvykle umístěno v hermeticky uzavřených palivových článcích (TVEL), které jsou zase pro snadné použití spojeny do několika stovek do palivových souborů ( FA).
Na jaderné palivo jsou kladeny vysoké požadavky na chemickou kompatibilitu s pláštěm palivové tyče, musí mít dostatečnou teplotu tavení a vypařování, dobrou tepelnou vodivost , mírné zvětšení objemu při neutronovém ozařování a vyrobitelnost.
Kovový uran se jako jaderné palivo používá poměrně zřídka. Jeho maximální teplota je omezena na 660 °C. Při této teplotě dochází k fázovému přechodu, při kterém se mění krystalová struktura uranu. Fázový přechod je doprovázen nárůstem objemu uranu, což může vést k destrukci pláště palivové tyče . Při dlouhodobém ozařování v rozmezí teplot 200–500 °C uran podléhá radiačnímu růstu. Tento jev spočívá v tom, že se ozářená uranová tyč prodlužuje. Experimentálně bylo pozorováno zvýšení délky uranové tyče dvakrát až třikrát [3] .
Použití kovového uranu, zejména při teplotách nad 500 °C, je obtížné kvůli jeho bobtnání. Po jaderném štěpení vznikají dva štěpné fragmenty, jejichž celkový objem je větší než objem atomu uranu ( plutonia ). Součástí atomů - štěpných fragmentů jsou atomy plynu ( krypton , xenon atd.). Atomy plynu se hromadí v pórech uranu a vytvářejí vnitřní tlak, který se zvyšuje s rostoucí teplotou. Vlivem změny objemu atomů v procesu štěpení a zvýšení vnitřního tlaku plynů začnou uran a další jaderná paliva bobtnat. Bobtnání je chápáno jako relativní změna objemu jaderného paliva spojená s jaderným štěpením.
Bobtnání závisí na vyhoření a teplotě palivového článku . Počet štěpných fragmentů se zvyšuje s vyhořením a vnitřní tlak plynu se zvyšuje s vyhořením a teplotou. Bobtnání jaderného paliva může vést ke zničení pláště palivového článku . Jaderné palivo je méně náchylné k bobtnání, pokud má vysoké mechanické vlastnosti. Kovový uran se na takové materiály prostě nevztahuje. Proto použití kovového uranu jako jaderného paliva omezuje hloubku vyhoření, což je jedna z hlavních charakteristik jaderného paliva.
Radiační odolnost a mechanické vlastnosti paliva se zlepší po legování uranu , během kterého se do uranu přidávají malá množství molybdenu , hliníku a dalších kovů . Dopingová aditiva snižují počet štěpných neutronů na záchyt neutronů jaderným palivem. Legující přísady do uranu jsou proto vybírány z materiálů, které slabě absorbují neutrony.
Mezi dobrá jaderná paliva patří některé žáruvzdorné sloučeniny uranu: oxidy , karbidy a intermetalické sloučeniny. Nejpoužívanější keramika - oxid uraničitý UO 2 . Jeho bod tání je 2800 °C, hustota je 10,2 g/cm³. Oxid uraničitý nemá žádné fázové přechody a je méně náchylný k bobtnání než slitiny uranu. To vám umožní zvýšit vyhoření až o několik procent. Oxid uraničitý nereaguje se zirkonem , niobem , nerezovou ocelí a jinými materiály při vysokých teplotách. Hlavní nevýhodou keramiky je nízká tepelná vodivost - 4,5 kJ/(m K), což omezuje měrný výkon reaktoru z hlediska teploty tání. Maximální hustota tepelného toku v reaktorech VVER pro oxid uraničitý tedy nepřesahuje 1,4⋅10 3 kW/m², přičemž maximální teplota v palivových tyčích dosahuje 2200 °C. Horká keramika je navíc velmi křehká a může prasknout.
Plutonium je kov s nízkou teplotou tání. Jeho bod tání je 640 °C. Plutonium má špatné plastické vlastnosti, takže je téměř nemožné ho opracovat. Technologie výroby palivových tyčí je komplikována toxicitou plutonia. Pro přípravu jaderného paliva se obvykle používá oxid plutonium , směs karbidů plutonia s karbidy uranu a kovové slitiny plutonia.
Disperzní paliva mají vysokou tepelnou vodivost a mechanické vlastnosti, ve kterých jsou jemné částice UO 2 , UC, PuO 2 a další sloučeniny uranu a plutonia umístěny heterogenně v kovové matrici hliníku , molybdenu , nerezové oceli atd. Materiál matrice určuje radiační odolnost a tepelnou vodivost disperzního paliva. Například disperzní palivo 1. JE sestávalo z částic slitiny uranu s 9 % molybdenu plněných hořčíkem .
V jaderných elektrárnách a dalších jaderných zařízeních přichází palivo ve formě poměrně složitých technických zařízení - palivových souborů (FA), které jsou v závislosti na typu reaktoru zatěžovány přímo během jeho provozu (jako v reaktorech typu RBMK v Rusku ) místo vyhořelých palivových souborů nebo výměna vyhořelých souborů velké skupiny během údržby (jako v ruských reaktorech VVER nebo jejich analogech v jiných zemích, PWR a dalších). V druhém případě se při každé nové vložce nejčastěji vymění třetina paliva a zcela se změní jeho uspořádání v AZ , nejvíce shořelé palivové soubory se vyloží ze středu AZ a druhá třetina souborů je umístěn na jejich místo, s průměrným vyhořením a umístěním. Na druhé straně jsou nahrazeny nejméně vyhořelými palivovými soubory z periferie aktivní zóny; zatímco periferie je zatížena čerstvým palivem. Takové schéma výměny paliva je tradiční a je způsobeno mnoha důvody, například snahou zajistit rovnoměrné uvolňování energie v palivu a maximální rezervu před krizí vodní výměny tepla na pláštích paliva.
Výše uvedený popis zavážení jaderného paliva do aktivní zóny reaktoru je stále velmi podmíněný, což umožňuje získat obecnou představu o tomto procesu. Ve skutečnosti je zavážení paliva prováděno sestavami s různým stupněm obohacení paliva a předcházejí mu nejsložitější jaderně-fyzikální výpočty konfigurace aktivní zóny reaktoru ve specializovaném softwaru [~ 2] , které jsou prováděny roky v urychlit a umožnit plánování palivových a opravárenských kampaní pro zvýšení ukazatelů výkonu Jaderná elektrárna, například KIUM . Pokud navíc konfigurace paliva nesplňuje určité požadavky, z nichž nejdůležitější jsou různé koeficienty nerovnoměrného uvolňování energie v aktivní zóně, reaktor nebude schopen provozu vůbec nebo bude neovladatelný. Kromě různého stupně obohacení různých palivových souborů se pro zajištění požadované konfigurace aktivní zóny a stability jejích charakteristik během palivové kampaně používají i jiná řešení, například palivové soubory, které namísto některých palivových článků obsahují absorpční prvky ( FEL), které kompenzují počáteční přebytečnou reaktivitu čerstvého paliva vyhoří v procesu. provoz reaktoru a jak se palivo používá, mají stále menší vliv na jeho reaktivitu, což nakonec vyrovná množství uvolněné energie v průběhu času po celou dobu provozu palivového souboru. V současnosti se v palivu průmyslových vodou chlazených reaktorů po celém světě prakticky přestaly používat PEL s absorbérem bóru, které byly dlouhou dobu téměř nespornými prvky, a přešly na progresivnější metodu [ ~ 3] - zavedení gadoliniového spalitelného absorbéru přímo do paliva za stejným účelem. tato metoda má mnoho důležitých výhod.
Soubory vyhořelého paliva obsahují velké množství štěpných fragmentů uranu, každý palivový článek obsahuje bezprostředně po vyložení v průměru 300 000 Curie radioaktivních látek, jejichž rozpad vede k samovolnému zahřátí na značné teploty (nedávno vyložené palivo se může zahřát až na 300 ° C ve vzduchu ) a vytvářejí nebezpečné úrovně ionizujícího záření . Vyhořelé palivo je proto vykládáno z aktivní zóny reaktoru pod vrstvu vody a umísťuje se do speciálního bazénu vyhořelého paliva v bezprostřední blízkosti reaktoru. Voda chrání personál před ionizujícím zářením a samotné sestavy před přehřátím. Jak se expozice v bazénu snižuje radioaktivita paliva a síla jeho uvolnění zbytkové energie . O několik let později, když se samoohřev palivových souborů sníží na 50-60 °C, je vyjmut z bazénu a odeslán k dlouhodobému suchému skladování nebo zpracování [4] [5] [6] [7] . Studují se i možnosti konečného uložení vyhořelého jaderného paliva bez přepracování, avšak tato řešení zatím nenašla praktickou realizaci kvůli obrovskému radiačnímu riziku nerafinovaného vyhořelého jaderného paliva, které se odhaduje na statisíce let.
Uranové jaderné palivo se získává zpracováním rud. Proces probíhá v několika fázích:
Uranová ruda , přírodní stav
Koncentrát oxidu dusného uranu (U 3 O 8 ) [8]
Hexafluorid uranu (UF 6 )
Oxid uranu (UO 2 ) ve formě palivové pelety
Thorium se v současné době nepoužívá jako surovina pro výrobu jaderného paliva z následujících důvodů:
Jaderné palivo plutonium se také v současnosti nepoužívá kvůli jeho extrémně složité chemii. V průběhu dlouhé historie jaderného průmyslu byly opakovaně činěny pokusy využít plutonium jak ve formě čistých sloučenin, tak ve směsích se sloučeninami uranu, ale nebyly úspěšné. Palivo pro jaderné elektrárny obsahující plutonium se nazývá palivo MOX (oxidy uranu a plutonia) a MNOF (nitridy uranu a plutonia) [9] . Jeho použití v reaktorech VVER je nepraktické z důvodu zkrácení doby zrychlení asi 2x [~ 5] , na což nejsou standardní řídicí systémy reaktoru navrženy .
Při provozu jaderného reaktoru nedochází k úplnému vyhoření paliva, probíhá proces reprodukce jednotlivých izotopů (Pu). V tomto ohledu jsou vyhořelé palivové tyče odesílány ke zpracování pro regeneraci paliva a opětovné použití.
V současné době je pro tyto účely nejrozšířenější proces pyurex , jehož podstata je následující: palivové články jsou nařezány na kousky a rozpuštěny v kyselině dusičné , poté je roztok čištěn od štěpných produktů a obalových prvků a čistého U a Izolují se Pu sloučeniny. Poté je výsledný oxid plutoničitý PuO 2 odeslán do výroby nových jader a uran je buď použit pro výrobu jader, nebo pro obohacení o 235 U.
Zpracování a regenerace vysoce radioaktivních látek je složitý a nákladný proces. Po vyjmutí z reaktorů jsou palivové tyče uchovávány několik let (obvykle 3–6 let) ve speciálních skladovacích zařízeních. Potíže způsobuje i zpracování a likvidace odpadů nevhodných k regeneraci. Náklady na všechna tato opatření mají významný vliv na ekonomickou efektivitu jaderných elektráren.
| Jaderné technologie | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Inženýrství | |||||||
| materiálů | |||||||
| Jaderná energie |
| ||||||
| nukleární medicína |
| ||||||
| Jaderná zbraň |
| ||||||
| |||||||
| Energie | |||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| struktura podle produktů a odvětví | |||||||||||||||||||||||||||
| Energetika : elektřina |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Zásobování teplem : tepelná energie |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Palivový průmysl : palivo |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Slibná energie : |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Portál: Energie | |||||||||||||||||||||||||||