Для чего используют ядерное топливо. Россия модернизирует ядерное топливо

Жизненный цикл ядерного топлива на основе урана или плутония начинается на добывающих предприятиях, химических комбинатах, в газовых центрифугах, и не заканчивается в момент выгрузки тепловыделяющей сборки из реактора, поскольку каждой ТВС предстоит пройти долгий путь утилизации, а затем и переработки.

Добыча сырья для ядерного топлива

Уран - самый тяжёлый металл на земле. Около 99,4% земного урана приходится на уран-238, и всего 0,6% - на уран-235. В докладе Международного агентства по атомной энергии под названием «Красная книга» содержатся данные о росте объёмов добычи и спроса на уран, несмотря на аварию на АЭС «Фукусима-1», которая заставила многих задуматься о перспективах ядерной энергетики. Только за последние несколько лет разведанные запасы урана выросли на 7%, что связано с открытием новых месторождений. Самыми крупными производителями остаются Казахстан, Канада и Австралия, они добывают до 63% мирового урана. Кроме этого запасы металла имеются в Австралии, Бразилии, Китае, Малави, России, Нигере, США, Украине, КНР и других странах. Ранее Пронедра писали, что за 2016 год в РФ было добыто 7,9 тысячи тонн урана.

В наши дни уран добывают тремя разными способами. Не теряет своей актуальности открытый метод. Он используется в тех случаях, когда залежи находятся близко к поверхности земли. При открытом способе бульдозеры создают карьер, затем руда с примесями грузится в самосвалы для транспортировки на перерабатывающие комплексы.

Часто рудное тело залегает на большой глубине, в таком случае используется подземный способ добычи. Вырывается шахта глубиной до двух километров, породу, путём сверления, добывают в горизонтальных штреках, перевозят наверх в грузовых лифтах.

Смесь, которая таким образом вывозится наверх, имеет множество составляющих. Породу необходимо измельчить, разбавить водой и удалить лишнее. Далее в смесь добавляют серную кислоту для проведения процесса выщелачивания. В ходе этой реакции химики получают осадок солей урана жёлтого цвета. Наконец, уран с примесями очищается на аффинажном производстве. Только после этого получается закись-окись урана, которой и торгуют на бирже.

Есть гораздо более безопасный, экологически чистый и экономически выгодный способ, который называют скважинным подземным выщелачиванием (СПВ).

При этом методе разработки месторождений территория остаётся безопасной для персонала, а радиационный фон соответствует фону в крупных городах. Чтобы добыть уран с помощью выщелачивания, необходимо пробурить 6 скважин по углам шестиугольника. Через эти скважины в залежи урана закачивают серную кислоту, она смешивается с его солями. Этот раствор добывают, а именно выкачивают через скважину в центре шестиугольника. Чтобы добиться нужной концентрации солей урана, смесь по нескольку раз пропускают через сорбционные колонны.

Производство ядерного топлива

Производство ядерного топлива невозможно представить без газовых центрифуг, которые используются для получения обогащённого урана. После достижения необходимой концентрации из диоксида урана прессуют так называемые таблетки. Их создают при помощи смазочных материалов, которые удаляются во время обжига в печах. Температура обжига достигает 1000 градусов. После этого таблетки проверяются на соответствие заявленным требованиям. Имеют значение качество поверхности, содержание влаги, соотношение кислорода и урана.

В это же время в другом цехе готовят трубчатые оболочки для тепловыделяющих элементов. Вышеназванные процессы, включая последующие дозировку и упаковку таблеток в оболочечные трубки, герметизацию, дезактивацию, называются фабрикацией топлива. В России созданием тепловыделяющих сборок (ТВС) занимаются предприятия «Машиностроительный завод» в Московской области, «Новосибирский завод химконцентратов» в Новосибирске, «Московский завод полиметаллов» и другие.

Каждая партия топливных сборок создаётся под реактор конкретного типа. Европейские ТВС делаются в форме квадрата, а российские - с шестиугольным сечением. В РФ широко распространены реакторы типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. Первые ТВЭЛы для ВВЭР-440 начали разрабатываться с 1963 года, а для ВВЭР-1000 - с 1978 года. Несмотря на то что в России активно внедряются новые реакторы с постфукусимскими технологиями безопасности, по стране и за её пределами функционирует много ядерных установок старого образца, поэтому одинаково актуальными остаются топливные сборки для разных типов реакторов.

Например, для обеспечения тепловыделяющими сборками одной активной зоны реактора РБМК-1000 необходимо свыше 200 тысяч комплектующих деталей из циркониевых сплавов, а также 14 млн спечённых таблеток из диоксида урана. Иногда стоимость изготовления топливной сборки может превосходить стоимость содержащегося в элементах топлива, поэтому так важно обеспечить высокую энергоотдачу с каждого килограмма урана.

Затраты на производственные процессы в %

Отдельно стоит сказать о топливных сборках для исследовательских реакторов. Они конструируются таким образом, чтобы сделать наблюдение и изучение процесса генерации нейтронов максимально комфортным. Такие ТВЭЛы для экспериментов в сферах ядерной физики, наработки изотопов, радиационной медицины в России производит «Новосибирский завод химических концентратов». ТВС создаются на основе бесшовных элементов с ураном и алюминием.

Производством ядерного топлива в РФ занимается топливная компания ТВЭЛ (подразделение «Росатома»). Предприятие работает над обогащением сырья, сборкой тепловыделяющих элементов, а также предоставляет услуги по лицензированию топлива. «Ковровский механический завод» во Владимирской области и «Уральский завод газовых центрифуг» в Свердловской области создают оборудование для российских ТВС.

Особенности транспортировки ТВЭЛов

Природный уран характеризуются низким уровнем радиоактивности, однако перед производством ТВС металл проходит процедуру обогащения. Содержание урана-235 в природной руде не превышает 0,7%, а радиоактивность составляет 25 беккерелей на 1 миллиграмм урана.

В урановых таблетках, которые помещаются в ТВС, находится уран с концентрацией урана-235 5%. Готовые ТВС с ядерным топливом перевозятся в специальных металлических контейнерах высокой прочности. Для транспортировки используется железнодорожный, автомобильный, морской и даже воздушный транспорт. В каждом контейнере размещают по две сборки. Перевозка не облучённого (свежего) топлива не представляет радиационной опасности, поскольку излучение не выходит за пределы циркониевых трубок, в которые помещаются прессованные таблетки из урана.

Для партии топлива разрабатывается специальный маршрут, груз перевозится в сопровождении охранного персонала производителя или заказчика (чаще), что связано прежде всего с дороговизной оборудования. За всю историю производства ядерного топлива не было зафиксировано ни одной транспортной аварии с участием ТВС, которая бы повлияла на радиационный фон окружающей среды или привела к жертвам.

Топливо в активной зоне реактора

Единица ядерного топлива - ТВЭЛ - способна выделять на протяжении долгого времени огромное количество энергии. С такими объёмами не сравнится ни уголь, ни газ. Жизненный цикл топлива на любой АЭС начинается с выгрузки, выемки и хранения на складе ТВС свежего топлива. Когда предыдущая партия топлива в реакторе выгорает, персонал комплектует ТВС для загрузки в активную зону (рабочую зону реактора, где происходит реакция распада). Как правило, топливо перезагружается частично.

Полностью топливо закладывается в активную зону только в момент первого запуска реактора. Это связано с тем, что ТВЭЛы в реакторе выгорают неравномерно, поскольку нейтронный поток различается по интенсивности в разных зонах реактора. Благодаря учётным приборам, персонал станции имеет возможность в режиме реального времени следить за степенью выгорания каждой единицы топлива и производить замену. Иногда вместо загрузки новых ТВС, сборки перемещаются между собой. В центре активной зоны выгорание происходит интенсивнее всего.

ТВС после атомной станции

Уран, который отработал в ядерном реакторе, называется облучённым или выгоревшим. А такие ТВС - отработавшим ядерным топливом. ОЯТ позиционируется отдельно от радиоактивных отходов, поскольку имеет как минимум 2 полезных компонента - это невыгоревший уран (глубина выгорания металла никогда не достигает 100%) и трансурановые радионуклиды.

В последнее время физики стали использовать в промышленности и медицине радиоактивные изотопы, накапливающиеся в ОЯТ. После того как топливо отработает свою кампанию (время нахождения сборки в активной зоне реактора в условиях работы на номинальной мощности), его отправляют в бассейн выдержки, затем в хранилище непосредственно в реакторном отделении, а после этого - на переработку или захоронение. Бассейн выдержки предназначен для отвода тепла и защиты от ионизирующего излучения, поскольку ТВС после извлечения из реактора остаётся опасной.

В США, Канаде или Швеции ОЯТ не отправляют на повторную переработку. Другие страны, среди них и Россия, работают над замкнутым топливным циклом. Он позволяет существенно сократить расходы на производство ядерного топлива, поскольку повторно используется часть ОЯТ.

Топливные стержни растворяются в кислоте, после чего исследователи выделяют из отходов плутоний и неиспользованный уран. Около 3% сырья эксплуатировать повторно невозможно, это высокоактивные отходы, которые проходят процедуры битумирования или остекловывания.

Из отработавшего ядерного топлива можно получить 1% плутония. Этот металл не требуется обогащать, Россия использует его в процессе производства инновационного MOX-топлива. Замкнутый топливный цикл позволяет сделать одну ТВС дешевле приблизительно на 3%, однако такая технология требует больших инвестиций на строительство промышленных узлов, поэтому пока не получила широкого распространения в мире. Тем не менее, топливная компания «Росатома» не прекращает исследования в этом направлении. Недавно Пронедра писали, что в Российской Федерации работают над топливом, способным в активной зоне реактора утилизировать изотопы америция, кюрия и нептуния, которые входят в те самые 3% высокорадиоактивных отходов.

Производители ядерного топлива: рейтинг

1. Французская компания Areva до недавнего времени обеспечивала 31% мирового рынка тепловыделяющих сборок. Фирма занимается производством ядерного топлива и сборкой комплектующих для АЭС. В 2017 году Areva пережила качественное обновление, в компанию пришли новые инвесторы, а колоссальный убыток 2015 года удалось сократить в 3 раза.
2. Westinghouse - американское подразделение японской компании Toshiba. Активно развивает рынок в восточной Европе, поставляет тепловыделяющие сборки на украинские АЭС. Вместе с Toshiba обеспечивает 26% мирового рынка производства ядерного топлива.
3. Топливная компания ТВЭЛ госкорпорации «Росатом» (Россия) расположилась на третьем месте. ТВЭЛ обеспечивает 17% мирового рынка, имеет десятилетний портфель контрактов на 30 млрд долларов и поставляет топливо на более чем 70 реакторов. ТВЭЛ разрабатывает ТВС для реакторов ВВЭР, а также выходит на рынок ядерных установок западного дизайна.
4. Japan Nuclear Fuel Limited , по последним данным, обеспечивает 16% мирового рынка, поставляет ТВС на большую часть ядерных реакторов в самой Японии.
5. Mitsubishi Heavy Industries - японский гигант, который производит турбины, танкеры, кондиционеры, а с недавних пор и ядерное топливо для реакторов западного образца. Mitsubishi Heavy Industries (подразделение головной компании) занимается строительством ядерных реакторов APWR, исследовательской деятельностью вместе с Areva. Именно эта компания выбрана японским правительством для разработки новых реакторов.

Уран - главный элемент атомной энергетики, используется как ядерное топливо, сырье для получения плутония и в ядерном оружии. Содержание урана в земной коре составляет 2,5-10 -4 %, а суммарное количество в слое литосферы толщиной 20 км доходит до 1,3-10 14 т. Минералы урана есть практически везде. Однако уран - рассеянный элемент. Это означает, что его концентрация в горных породах зачастую оказывается недостаточной для организации коммерчески оправданной добычи. Содержание урана в руде является одним из ключевых параметров, определяющих стоимость добычи. К бедным относят урановые руды, содержащие 0,03-0,10% урана, рядовым - 0,10-0,25%, средним - 0,25-0,5 %, к богатым - свыше 0,50 % 1 .

Уран имеет 14 изотопов, при этом только три из них встречаются в природе (табл. 1.6).

Таблица 1.6

По последним данным разведанный объем запасов урана, стоимость добычи которого не превышает 130 $/кг U, составляет 5 327 200 т. Для категории со стоимостью добычи менее 260 $/кг U - 7 096 600 т. Кроме того, количество урана в так называемых прогнозируемых и предполагаемых запасах достигает 10429100 т .

Таблица 1 .7

Страны, обладающие наибольшими разведанными запасами урана со стоимостью, не превышающей 130 $/кг U

В последние годы каргина распределения месторождений урана по странам несколько изменилась в связи с тем, что при исследовании ряда урановых месторождений были обнаружены дополнительные ресурсы в странах Африки (Ботсване, Замбии, Исламской Республике Мавритания, Малави, Мали, Намибии, Объединенной Республике Танзания). Также новые запасы были обнаружены в Гайане, Колумбии, Парагвае, Перуи Швеции.

Основными минералами, содержащими уран, являются уранинит (смесь оксидов урана и тория с обшей формулой (U, Th)0 2x), настуран (оксиды урана: U0 2 , U0 3 , также известен как урановая смолка), карнотит - К, (U0 2)2 (V0 4) 2 -3H 2 0, уранофан - Са (U0 2)Si0 3 (0Н) 2 -5Н 2 0 и другие 110].

Извлечение урана из горных пород осуществляется следующими способами:

• Карьерная добыча (открытый способ) используется для извлечения руды, которая находится на поверхности земной коры или залегает неглубоко. Способ заключается в создании котлованов, которые называются карьерами, или разрезами. К настоящему времени месторождения, допускающие добычу карьерным методом, практически исчерпаны. Добыча составляет 23 %;
• Шахтная добыча (закрытый способ) применяется для добычи полезных ископаемых, залегающих на значительной глубине, и подразумевает сооружение комплекса подземных горных выработок. Добыча - 32%;
• Подземное выщелачивание подразумевает закачивание в пласт под давлением водного раствора химического реагента, который, проходя через руду, избирательно растворяет природные соединения урана. Затем выщелачивающий раствор, содержащий уран и сопутствующие металлы, выводится на поверхность земли через откачные скважины. Добыча - 39%.
• Совместная добыча с рудами других металлов (уран в данном случае является побочным продуктом) - составляет 6 %.

Производство диоксидного топлива из урановой руды представляет собой сложный и дорогостоящий процесс, включающий в себя извлечение урана из руды, его концентрирование, очистку (аффинаж), конверсию (получение гексафторида урана, обогащение, деконверсию (перевод UF 6 b U0 2), изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов).

На первом этапе переработки урановой руды, добытой карьерным и шахтным способами, ее измельчают и сортируют по радиоактивности. После сортировки куски руды дополнительно дробят и направляют на выщелачивание для перевода урана в растворимую форму. Выбор химического раствора для вскрытия руды зависит от типа минерала, включающего уран. В некоторых случаях для вскрытия руды используют микробиологические методы.

В результате выщелачивания образуется продуктивный раствор, содержащий уран. При дальнейшей переработке продуктивного раствора методами ионного обмена, экстракции или осаждения происходит концентрирование урана и отделение нежелательных примесей (Na, К, Са, Mg, Fe, Mn, Ni и др.). Полученный продукт фильтруют, высушивают и нагревают до высокой температуры, при которой образуется закись- окись урана - желтый кек (U 3 0 8). Для глубокой очистки урана от примесей производят аффинаж, традиционная схема которого заключается в растворении U 3 0 8 в азотной кислоте и очистке методом экстракции (реже осаждения). При этом конечным продуктом аффинажной технологии является U 3 0 8 или триоксид урана U0 3 Полученный оксидный продукт переводят в газообразное состояние - UF 6 , наиболее удобное для обогащения. Данный процесс называется конверсией.

Измельченная урановая руда (см. рис. 1.10) поступает на завод по ее переработке. Концентрат руды (природный уран) направляется на завод для получения шестифтористого урана (UF 6).

Рис. 1.10.

В цикл добавляется уран с радиохимического завода по регенерации топлива. Шестифтористый уран отправляется на завод по обогащению природного и регенерированного урана для повышения содержания изотопа 235 U. Для разделения изотопов урана требуются специальные методы (газодиффузионный и газоцентрифужный), так как разделяемые изотопы 23:> и и 238 и представляют собой один химический элемент (т. е. не могут быть разделены химическими методами) и различаются только по массовому числу (235 и 238 а. е.м.). Эти методы чрезвычайно сложны и требуют значительных затрат энергии, времени и специального оборудования. Газодиффузионный метод основан на различии в скоростях проникновения гексафторидов урана-238 и урана-235 через пористые перегородки (мембраны). При пропускании газообразного урана через одну мембрану концентрациями изменяется всего на 0,43%, т. е. исходная концентрация 2Ъ и возрастаете 0,710 до 0,712%. Для значительного обогащения смеси 235 U процесс разделения необходимо многократно повторять. Так, для получения из природного урана смеси, обогащенной до 2,4% no 235 U, и концентрации 235 U в обедненном уране (отвале) 0,3 % требуется около 840 ступеней. Каскад для получения высокообогащенного урана (90% и выше) должен иметь 3000 ступеней.

Более эффективен газоцентрифужный метод, при котором гексафториды изотопов урана-235 и 238 вводятся в газовую центрифугу, которая вращается со скоростью 1500 оборотов в секунду. При этом возникает значительная центробежная сила, отжимающая уран-238 к стенке, а уран-235 концентрируется в зоне оси вращения. Для достижения требуемой степени обогащения газовые центрифуги объединяют в каскады, состоящие из десятков тысяч аппаратов.

Для перевода U F 6 после обогащения в диоксид урана U О, применяют «мокрый» (растворение в воде, осаждение и прокаливание) и «сухой» (сжигание UF 6 в водородном пламени) способы. Полученный порошок U0 2 прессуют в таблетки и спекают при температуре примерно 1750° С.

После обогащения два потока - обогащенный уран и обедненный уран - двигаются разными путями. Обедненный уран хранится на диффузионном заводе, а обогащенный превращается в диоксид урана (U0 2) и отправляется на завод для изготовления твэлов.

На этих заводах U0 2 , предназначенный для реакторов, переводят в топливные таблетки. Таблетки разогревают и спекают, чтобы получить твердую плотную консистенцию (рис. 1.11). После обработки их помешают в трубки (оболочки) из циркония, приваривают с торцов заглушки, и получается тепловыделяющий элемент. Определенное число твэлов собирают вместе в единую конструкцию - тепловыделяющую сборку (ТВС).

Рис. 1.11. Топливные таблетки из U0 2

Готовые ТВС доставляют на АЭС в специальных контейнерах железнодорожным, автомобильным или морским транспортом. В некоторых случаях используют воздушный транспорт.

Во всем мире ведутся работы по повышению технических и экономических характеристик ядерного топлива. Наиболее важным требованием с точки зрения экономической эффективности ядерного топлива является увеличение глубины выгорания. Для более полного использования урана топливо должно находиться в активной зоне реактора дольше (см. табл. 1.8). Для увеличения кампании топлива совершенствуются конструкционные материалы, которые должны работать в более длительных и тяжелых условиях эксплуатации; топливные композиции (для снижения выхода продуктов деления); повышается жесткость каркасов ТВС.

Таблица 1.8

Современные и перспективные топливные циклы ВВЭР на обогащенном природном уране

1.4. Ядер нов топливо

Для реакторов типа ВВЭР-1000 существуют два основных усовершенствованных вида ТВС (рис. 1.12): ТВСА(разработки ОКБМ имени И. И. Африкантова) и ТВС-2 М (разработки ОКБ «Гидропресс»),

Рис. 1.12. Тепловыделяющие сборки для реактора ВВЭР: а - ТВСА-PLUS, б - ТВС-2 М

Топливные сборки ТВСА-PLUS и ТВС-2 М обладают идентичными технико-экономическими характеристиками, обеспечивающими возможность повышения мощности РУ до 104% от номинальной, 18-месячный топливный цикл (подпитка 66 шт.), выгорание в твэле - 72 МВтсут/кг U, возможность эксплуатации в маневренном режиме, защиту от посторонних предметов.

Возрастающая доля выработки электроэнергии на АЭС в энергетическом балансе и переход к либеральному рынку электроэнергии потребует в ближайшие годы перевода части энергоблоков АЭС на работу в маневренном режиме. Такой режим эксплуатации, не использовавшийся раньше на АЭС, предъявляет и дополнительные требования к топливу и топливным циклам. Должно быть разработано топливо, сохраняющее высокие эксплуатационные характеристики в условиях переменных нагрузок.

• По данным совместного отчета МАГАТЭ и ОЭСР «Уран-2011: запасы, добыча и спрос».

Пример.
D-T синтез начинается с атома дейтерия и трития и заканчивается атомом гелия-4 и нейтроном. Начальная масса 2.013553 + 3.015500 = 5.029053. Конечная масса 4.001506 + 1.008665 = 5.010171. Вычитая второе из первого, найдём, что дефект массы равен 0.018882. Умножив на 931.494028 найдём полученную энергию, равную 17.58847 МэВ.

Частицы

Период полураспада трития составляет всего лишь 12.32 года, что немного затрудняет его использование в космосе, так как после двенадцати лет он наполовину распадётся на гелий-3. Именно поэтому не существует естественных месторождений трития. Большинство проектов реакторов, использующих тритий, полагаются на генераторы трития. Они обычно представляют из себя баки с жидким литием, окружающие реактор. Литий поглощает нейтроны и трансмутирует в свежий тритий и гелий-4.

Знаменитый гелий-3, который часто называют экономическим мотивом для покорения космоса, к сожалению, не так хорош, как можно было бы предположить. Во-первых, он отсутствует на Земле, из-за чего его трудно добывать. Некоторые энтузиасты хотят добывать его на Луне, не уточняя, его концентрация там очень мала. Для получения всего лишь тонны гелия-3, необходимо переработать 100 миллионов тонн лунного реголита. Как вариант, его можно вырабатывать на фабриках, но для этого необходимо большое количество нейтронов. В общих чертах, нужно получить тритий и ждать, пока он распадётся. Огромные количества гелия-3 доступны в атмосфере Сатурна и Урана, но для его добычи оттуда необходима соответствующая инфраструктура. Концентрация гелия-3 в их атмосферах может достигать десяти частей на миллион, что гораздо лучше, чем на Луне. Юпитер тоже содержит гелий-3 в своей атмосфере, но, из-за огромной гравитации, его добыча может быть сильно осложнена.

Введение

Вторая причина в том, что, фактически, все предыдущие системы двигательных установок требовали сложных реакций, производящих, по большей части, заряженные частицы. Это было необходимо для уменьшения энергетических потерь через нейтроны. Наиболее перспективными были D- 3 He и P- 11 B. Но эти реакции требуют гораздо больших температур плазмы и были на порядки более труднодостижимы, чем D-T синтез, который гораздо более доступен и рассматривается в качестве единственного кандидата для применения на Земле. Являясь менее выгодными они, тем не менее, требуют огромного количества энергии для поддержания горения, делая их не немного лучше, чем альтернативные реакции деления.

Необходимо переосмыслить прошлые представления о том, как использовать термоядерную энергию в космических двигательных установках. Давайте посмотрим, что даёт химическим ракетным двигателям такие преимущества. Основная причина в том, что энергия, получаемая из химической реакции горения, может быть как большой, так и малой, по желанию. От 13 ГВт у тяжёлой ракеты-носителя Атлас, до 130 кВт у автомобиля. Стоит отметить, что при более низкой энергии, горение более эффективно, так как можно повышать температуру, не беспокоясь о необходимости интенсивного отвода тепла и термальных повреждениях, которые могут возникнуть при длительном непрерывном функционировании.

Как показали испытания атомных и водородных бомб, горение ядерного горючего может производить энергию на много порядков большую, чем тот же Атлас. Проблема в том, как контролировать выделение ядерной энергии для получения характеристик, необходимых для космических полётов: факел на несколько мегаватт, низкая удельная масса α (~ 1 кг/кВт) при высоком удельном импульсе Isp (> 20000 м/c). Оказалось, что, по крайней мере для ядерного деления, не существует возможности масштабирования вниз до необходимого масштаба энергии, так как для начала самоподдерживающейся реакции требуется определённая критическая масса (критическая конфигурация). В итоге, проекты, использующие реакции ядерного деления, такие как Орион, обычно давали тягу в миллионы тонн, что подходит только для космических кораблей с массой от 10 7 кг и выше.

К счастью, масштабы термоядерных реакций могут быть гораздо меньше и такие методы, как Magneto Inertial Fusion (мангито-инерциальный термоядерный синтез, MIF), позволяют получать большие количества энергии из ядерного материала в системах, которые могут подойти для космических двигательных установок по их размерам, весу, мощности и стоимости.

Физика двигателя

Хочу отметить, что, когда дело доходит до космических полётов, основным показателем становится Δv - приращение скорости (м/с или км/с). Оно является мерой количества «усилий», которые необходимы для перехода от одной траектории на другую, при совершении орбитального маневра. Для космического корабля нет таких понятий, как запас топлива, максимальное расстояние, или максимальная скорость, есть только Δv. Максимальное Δv корабля может быть представлено, как то приращение скорости, которое он получит, израсходовав всё топливо. Важно знать, что «миссия» может быть охарактеризована, согласно тому, какое Δv требуется для её завершения. Для примера, подъём с Земли, гомановская траектория до Марса и посадка на него, требует бюджета Δv в 18 км/с. Если корабль имеет запас Δv больше, или равный Δv миссии, то он может выполнить эту миссию.

Для того, чтобы узнать Δv корабля, можно воспользоваться формулой Циолковского .

где:
V - конечная (после выработки всего топлива) скорость летательного аппарата (м/с);
I - удельный импульс ракетного двигателя (отношение тяги двигателя к секундному расходу массы топлива, скорость истечения рабочего тела из сопла, м/с);
M 1 - начальная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата + топливо, кг);
M 2 - конечная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция, кг).

Из этого следует очень важное заключение, которое может быть не очень очевидно на первый взгляд. Если Δv миссии меньше, или равно удельному импульсу, то относительная масса корабля велика и становится возможным транспортировка большего полезного груза. Однако, если Δv миссии больше удельного импульса, относительная масса начинает уменьшаться экспоненциально, делая из корабля огромный бак с топливом с крошечной полезной нагрузкой. Собственно, именно из-за этого межпланетные полёты при использовании обычных химических двигателей сильно затруднены.

План 210-дневного полёта на Марс и обратно.

90-дневная миссия на Марс (ΔV = 13.5 км/с)

• Отсутствует необходимость в дополнительных транспортных миссиях
• Упрощённая архитектура миссии
• Возможность привести все запасы в ходе одной миссии
• Низкая стоимость миссии
• Возможность начать миссию уже после единственного запуска с Земли

30-дневная миссия на Марс (ΔV = 40.9 км/с)

• Низкий риск
• Минимальное радиационное облучение
• Архитектура миссии типа Аполлон
• Ключ к регулярному посещению Марса
• Разработка технологий, необходимых для покорения глубокого космоса

В настоящее время NASA занимается разработкой системы космических запусков (Space Launch System, SLS) - сверхтяжёлой ракеты-носителя, способной выводить на низкую опорную орбиту от 70 до 130 тонн полезной нагрузки. Это делает возможной начала 90-дневной миссии к Марсу уже после одного запуска подобной ракеты-носителя.

Обе миссии имеют возможность непосредственной отмены и возврата на Землю.

Ключевые параметры миссии

Теги: Добавить метки

Современный автомобиль может ехать и на бензине с октановым числом 72 – но это будет печальная и медленная езда. Атомная электростанция способна работать и на топливе, разработанном 50 лет назад – но это будет работа в невыгодном режиме, реактор не сможет реализовать новые возможности, заложенные в него кнструкторами. С момента создания самой первой АЭС атомщики постоянно ведут кропотливую работу по улучшению качества ядерного топлива, увеличивая преимущества атомной энергетики.

Все мы видели и уже привыкли к тому, как выглядят атомные электростанции – гигантские сооружения, которые можно и нужно считать одним из символов современного этапа развития человеческой цивилизации. Громадные турбины, вращающийся ротор которых создает огромной силы электрический ток, могучие насосы, под большим давлением прогоняющие воду сквозь активную зону реактора, прочные корпуса реакторов, дополнительные герметичные оболочки, способные выдерживать землетрясения, падение на них самолетов. Трубопроводы первого и второго контуров, гигантские башни градирен, в которых остывает вода второго контура – тут все большое, порой колоссальное. Но сердце любого атомного реактора – совсем крошечное, ведь управляемая ядерная реакция деления происходит внутри совсем небольших топливных таблеток, содержащих обогащенный по изотопу-235 уран. Именно здесь, в небольших таблетках, происходит самое главное – выделение огромного количества тепла, для полезного использования которого и создается все, что мы видим на АЭС. Вот это все, большое и красивое, сложное, требующее огромных усилий при производстве и эксплуатации оборудование – всего лишь «обслуга» топливных таблеток.

Атомная энергетика без формул

Рассказывать о том, что же такое ядерное топливо АЭС достаточно сложно – в обычных случаях для описания требуются многоэтажные математические формулы, атомная физика и прочая квантовая механика. Попробуем обойтись без всего этого, чтобы понять каким образом наши атомщики укротили уран, сделав его надежным источником столь необходимой нам электрической энергии. Нам кажется, что логики и простого житейского здравого смысла для этого будет вполне достаточно, а отправной точкой станет школьное описание цепной реакции деления. Помните?

«Нейтрон налетает на ядро урана, выбивает из него сразу два нейтрона, те налетают теперь уже на пару ядер, выбивают сразу четыре…»

Цепная ядерная реакция

Говоря языком математическим, при коэффициенте размножения нейтронов, равным двум, управляемая цепная реакция невозможна. Количество свободных нейтронов и актов распада ядер урана нарастает настолько лавинообразно, что результат может быть только один – атомный взрыв. Для того, чтобы реакция шла плавно, чтобы ее можно было контролировать и регулировать, требуется добиться коэффициента размножения 1,02 – сто свободных «начальных» нейтронов должны вызывать появления 102 свободных нейтронов «второго поколения», все остальные должны быть устранены, поглощены, нейтрализованы – называйте этот процесс как угодно, но это обязательно должно произойти. Это пороговое значение было вычислено теоретически, за что отдельное огромное «спасибо» нашим ученым. Они выяснили, что природного содержания изотопа-235 недостаточно для того, чтобы коэффициент размножения превысил единицу. Другими словами, если нам требуется, чтобы реакция деления не прекратилась, нам нужно научиться повышать содержание этого изотопа до 3-4%, то есть в 5-6 раз выше того, что обеспечивает нам матушка-природа. Теоретики высчитали, а вот инженеры-практики сделали всю остальную работу, придумав способы использования в активной зоне реакторов материалов, поглощающих лишние нейтроны, изобрели «нейтрализаторы нейтронов».

Химия – это жизнь

Как происходит обогащение урана по содержанию изотопа-235, Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru уже рассказывал – сначала уран нужно превратить в газ, во фторид урана, потом при помощи газовых центрифуг «отсеять» тяжелые атомы, за счет чего станет больше число атомов легких (ядро основного изотопа урана содержит 238 протонов и нейтронов, такой атом весит на три атомных единицы больше, чем атом урана-235). Замечательно – фторид стал богаче ураном-235, все в порядке. А дальше – что и как? Путь ядерного топлива в реакторы АЭС начинается в заботливых руках химиков, выполняющих чрезвычайно важную работу – они превращают газ в твердое вещество, причем в такое, какое им «заказали» атомщики. Атомная энергетика тем и удивительна, что она не ограничивается только атомной физикой, здесь используются сразу десятки научных дисциплин, в Росатоме всегда есть место для химиков, материаловедов, металлургов и для многих-многих других специалистов.

А «заказывают» физики химикам диоксид урана – порошок из молекул, в составе которых один атом урана и два атома кислорода. Почему именно его? Да уж больно хороши многие свойства этих молекул. Температура плавления у диоксида урана – 2’840 градусов, заставить его расплавиться очень сложно, в истории атомной энергетики аварий, сопровождавшихся расплавом ядерного топлива, было всего три. Диоксид урана мало подвержен так называемому газовому распуханию – явлению интересному, но для атомной энергетики вредному. То, что происходит в активной зоне реактора – это ведь воплощение мечты средневековых алхимиков, там происходят превращения одних химических элементов в другие, совершенно от них отличные. Свободный нейтрон, который шмякает об ядро урана-235, не только выбивает из него дополнительные свободные нейтроны – он вызывает деление самого ядра на разные части. Как именно произойдет деление, какие новые ядра при этом образуются – дело случая, но статистика показывает, что в числе прочих осколков деления есть и газы. Они накапливаются внутри топливной таблетки и ведут себя так, как и положено газам – пытаются занять как можно больший объем, пытаются в буквальном смысле слова разорвать топливную таблетку в клочья. Согласитесь, ничего полезного в этом нет – топливная таблетка нам нужна целенькая и здоровенькая, чтобы она могла находиться в активной зоне как можно дольше, дабы передать нам всю энергию, которая содержится в ядрах атомов урана. Так что только хардкор, только диоксид урана – он позволяет использовать более высокие температуры, что повышает КПД атомной электростанции, он позволяет увеличить глубину выгорания топлива.

«Глубина выгорания ядерного топлива» термин вполне научно-технический, но для понимания того, что это такое, высшего физического образования не требуется. Глубина выгорания топлива – это доля ядер урана, которые испытали ядерное превращение при воздействии нейтронов. Выражается в процентах, чем процентов больше – тем большее число ядер урана мы смогли использовать в нужных нам целях, получив от них тепло, используемое для выработки электроэнергии. Глубина выгорания топлива, таким образом – один из основных экономических параметров АЭС. Если мы поместили в активную зону 100 килограмм урана-235, а по окончании топливной кампании извлекли из нее 99 кг его же – грош цена такой конструкции активной зоны, реактора и АЭС. А вот если обнаружится, что в извлеченной из активной зоне топливной таблетке урана-235 вообще не осталось – значит, конструкторы молодцы и настала пора срочно вручить каждому из них по Нобелевской премии, лучше – по две.

На самом деле глубина выгорания в 100% недостижима в принципе, но это не значит, что за нее не борются – сражения за каждый процент идут нешуточные. Чем больше глубина выгорания – тем меньше себестоимость полученной в результате электроэнергии, а конкуренцию с энергетикой, базирующейся на сжигании углеводородов, никто не отменял. Мало того – чем дольше по времени «горит» таблетка, тем реже реактору требуется перезарядка топлива. Конструкция ВВЭР (водно-водяного энергетического реактора) такова, что смена топлива происходит при полной остановке и расхолаживании реактора – так безопаснее. Чем меньше таких остановок – тем выше коэффициент использования установленной мощности, КИУМ – второй важнейший экономический показатель АЭС. В техническом паспорте вашего пылесоса написана его мощность – допустим, 1’200 Вт*час. Но 1’200 ватт вы получите, если пылесос будет работать именно час, в режиме полчаса работы – полчаса «что-то поясницу прихватило» вы получите всего 600 ватт, или, другими словами, КИУМ пылесоса составит всего 50%. Как и в случае с глубиной выгорания топлива заветная цель – 100%, и снова каждый процент на счету, ведь экономика атомного реактора должна быть выгоднее экономики тепловой электростанции и даже экономики ГЭС.

Казалось бы – как можно показать более выгодные экономические результаты, чем ГЭС, которой топлива вообще не требуется, где используется только энергия падающей воды? Да очень просто – вода не падает на гидроагрегаты 24 часа в сутки 365 дней в году, для этого нужен совершенно определенный объем воды в водохранилище. Пока этот объем не наберется – ГЭС будет «отдыхать», и АЭС, которая про такие паузы ничего не знает, успеет догнать и перегнать своего соперника. Вот и краткий итог – КПД, глубина выгорания, КИУМ любой атомной электростанции критически зависит от топливной таблетки, от ее материала. Химик, превращающий газ фторида урана в порошок диоксида урана, помни – от твоего мастерства зависит будущее атомной энергетики!

Топливные таблетки – шаг за шагом

Объяснить простыми словами можно очень многое, но сделать такое упражнение для того, чтобы описать работу химиков невозможно от слова «вообще», поэтому приготовьтесь. Газ фторида урана для начала пропускают через водный раствор и получают уранилфторид, который смешивают с аммиаком и кислотным остатком угольной кислоты. В итоге получается уранилкарбонат аммония, который выпадает в осадок – считайте, что полдела уже и сделано, у нас появилось хоть что-то твердое, а не газообразное. Суспензию пропускают через фильтр, промывают и отправляют в печь с кипящим слоем, где из-за высокой температуры все ненужные примеси распадаются, в сухом остатке получается порошок триоксида урана (на 1 атом урана в этой молекуле приходится три атома кислорода). Все, теперь он почти наш!

Участок изготовления порошка диоксида урана методом высокотемпературного пирогидролиза

Снова высокая температура – 500 градусов, но уже с прогонкой водорода, который забирает на себя лишний атом кислорода, и химики спокойно уходят на обеденный перерыв, позволяя физикам забрать вожделенный ими диоксид урана. Впрочем, радуются они рано – их тут же шлепают по протянутым загребущим рукам … металлурги, поскольку топливные таблетки производят методом порошковой металлургии. Порошок, получившийся в результате трудов химиков, дробят, просеивают и получают мелкодисперсный порошок – мельчат до состояния практически пыли. После добавления связующих и смазочных материалов таблетки прессуют, еще раз отправляют на отжиг, чтобы устранить ненужные примеси. После этого температура повышается до 1’750 градусов, таблетки становятся более плотными, более тяжелыми – теперь их уже можно обрабатывать механическими методами. В дело вступает круглошлифовальный станок, чтобы получить необходимые размеры – вот и все.

Участок изготовления урановых таблеток

Нет, ну не совсем «все», потому как сразу после этого в цех являются контролеры, чтобы проверить геометрические размеры, качество поверхности, содержание влаги, соотношение атомов кислорода и урана. Обратите внимание, что проверять соотношение атомов урана-235 и урана-238 не требуется – какие бы манипуляции не выполняли химики, их действия не влияют на состав атомных ядер. Итог всей этой работы – топливные таблетки весом всего в 4,5 грамма, но в этих крохотульках содержится столько же энергии, как и в 400 кг каменного угля, в 360 кубометрах природного газа или в 350 кг нефти.

Производственно-технический контроль таблеток ядерного керамического топлива

Номенклатура таблеток, производимых на российских атомных предприятиях, входящих в состав Топливной компании ТВЭЛ – более 40 разновидностей, разных размеров, разной степени обогащения по урану-235. Но неизменным остается одно – в качестве топлива атомная энергетика продолжает использовать именно диоксид урана, который сам по себе является одним из барьеров на пути распространения радиоактивности. При рабочих температурах этот материал удерживает внутри себя 98% продуктов распада, снижая нагрузку по герметизации до минимума. Чтобы топливо выполняло свои «барьерные» функции, важно, чтобы взаимодействие топлива с теплоносителем было минимальным – иначе радиоактивные продукты распада получают шанс вырваться во внешнюю среду со всеми вытекающими неприятными последствиями.

Твэл – это не просто «длинная трубочка»

Ладно, таблетки изготовили, что дальше? Идея атомного реактора проста – теплоноситель должен «снять» все тепло, выделяемое в результате ядерных реакций. Снять не разово, этот съем должен происходить на протяжении всей топливной сессии – времени нахождения топлива в активной зоне реактора. В реакторах ВВЭР эту работу выполняет вода, проходящая по активной зоне под высоким давлением. Накидать в активную зону топливные таблетки, как пельмени в кипящую воду? Не вариант, гораздо разумнее обеспечить неподвижное положение топливных таблеток, вдоль которых проходит поток воды под напором, забирая образовавшуюся при ядерных реакциях тепловую энергию. Следовательно, нужен некий «фиксатор», который призван обеспечить неподвижное расположение топлива – им и стала полая тонкостенная трубка, внутри которой и содержатся топливные таблетки – твэл, тепловыделяющий элемент.

Тепловыделяющие элементы (твэл), Фото: wikimedia.org

Почему именно тонкостенный? Чтобы тепло, образующееся в топливных таблетках, могло быть почти беспрепятственно «снято» водой, то есть первое требование к материалу стенок твэлов – как можно более высокая теплопроводность. Взял – отдал, взял – отдал. Второе требование тоже совершенно очевидно – внешняя сторона стенок твэла постоянно находится в воде, потому ее материал не должен бояться коррозии. Третье условие тоже очевидно – материал должен выдерживать постоянную высокую радиоактивность, при этом не причиняя вреда основным, ядерным процессам. Он должен поглощать как можно меньшее количество нейтронов, чтобы не прервать ядерную реакцию, чтобы не заставить производить уран с более высокой степенью обогащения по изотопу-235. Диаметр трубки, как и диаметр топливных таблеток должен быть как можно меньше – иначе тепло, которое образуется в центральных сегментах, не дойдет до теплоносителя. Вот такой набор требований, которому должна соответствовать такая «простенькая» вещь, как тоненькая стеночка твэла.

На этапе становления атомной энергетики таким материалом стала нержавеющая сталь, но продолжалось это недолго – выяснилось, что сталь забирает слишком много свободных нейтронов, нужно что-то менее прожорливое. К этому времени атомщики основательно поработали и нашли металл, обладающий минимальным сечением захвата нейтронов – цирконий. В данном случае слово «сечение» заменяет слово «вероятность». Вероятность того, что пролетающий нейтрон будет захвачен в свои тенета ядром атома циркония минимальна, при этом у циркония отличный коэффициент теплопередачи, он не взаимодействует с водой, он плавится только при температуре свыше 1’855 градусов, у него очень низкий коэффициент теплового расширения – вместо того, чтобы «распухать» при нагревании, он просто «сбрасывает» тепло во внешнюю среду. Согласитесь – просто идеальный материал для атомной энергетики, если суметь добиться получения его в идеальной химической чистоте, поскольку любая примесь норовит активно «подъедать» свободные нейтроны.

Цех производства твэл и ТВС

Как только металлурги объявили, что они научились справляться этой задачей, атомная энергетика перешла на цирконий. Единственное предприятие на территории России и одно из трех в мире, имеющее полный цикл производств циркония и его сплавов – Чепецкий механический завод (город Глазов, Удмуртия), входящий в состав топливной компании ТВЭЛ. С 1986 года ЧМЗ перешел на изготовление корпусов твэлов из сплава Э-110 – к цирконию добавляют один процент ниобия, и эта малая прибавка значительно увеличивает коррозионную стойкость материала. Еще лучше механические свойства у применяемого в настоящее время сплава Э-365, в котором, помимо циркония и ниобия, присутствуют железо и олово. Каждый шаг в производстве твэлов чрезвычайно важен, присутствие этих элементов позволяет лучше справляться со сваркой, с другими методами соединения разных материалов. Производимые в России твэлы соответствуют всем требованиям МАГАТЭ, показывают прекрасные эксплуатационные свойства, позволяют поднимать экономические показатели атомной энергетики.

То, что может показаться «простенькой механической деталью» таковой, конечно, не является.

Твэл в разрезе, Рис.: heuristic.su

Вот краткое описание твэла с содержимым внутри. Длина – 3,8 метра, внешний диаметр – 9,1 мм. Внутри – таблетки диоксида урана с наружным диаметром 7,57 мм и высотой 20 мм, в центре каждой таблетки имеется отверстие диаметром 1,2 мм. Таблетка не касается стенок твэла, зазор и отверстие внутри таблеток предназначены для того, чтобы твэл мог удерживать внутри себя радиоактивные газы, образующиеся в процессе ядерного распада. Таблетки зафиксированы внутри твэла втулками, общая длина столбика таблеток – 3,53 метра, во время топливной сессии длина увеличивается на 30 мм. Да, все измеряется в миллиметрах и даже в их долях – ведь атомная энергетика имеет дело с мельчайшими частицами вещества.

Вот таблетка диаметром меньше 8 мм – казалось бы, что в ней может быть интересного? Но во время ядерных реакций температура в центральной части таблетки достигает 1’500-1’600 градусов, а на внешней поверхности – всего 470. Перепад в тысячу градусов на расстоянии в 3-4 миллиметра, металл, становящийся газом – такие вот чудеса внутри крошечной таблетки.

От твэла – к ТВС

Таблетки сделали, в твэле их разместили – все? Разумеется, нет – трубка вместе с топливом весит всего 2,1 кг, такой массы урана на долгую работу не хватит. Следующий этап формирования ядерного топлива – формирование ТВС, тепловыделяющих сборок. Для самого распространенного пока в России реактора ВВЭР-1000 в одну ТВС собирают 312 твэлов, между ними оставляют зазоры для входа стержней системы управления и защиты, заполненных таким эффективным поглотителем нейтронов, как бор. В нижней части ТВС расположен так называемый хвостовик – место, к которому крепятся твэлы.

Изготовление каркаса – сварка каналов и дистанционирующих решёток

В верхней части твэлы крепятся к головке через блок пружин – он предохраняет твэлы от всплытия во время работы реактора. Да, уран – тяжелый элемент, цирконий тоже легким назвать не получится, но стоит помнить о том, что номинальный расход воды через ТВС составляет 500 кубометров в час, вода движется вдоль твэлов со скоростью 200 км/час в направлении снизу вверх – такой поток заставит всплыть что угодно. Твэлы разделены между собой при помощи дистанцирующих решеток, которые удерживают эти трубочки на штатных местах, обеспечивая максимально эффективный теплосъем. Дистанцирующих решеток на ТВС разных конструкций – от 12 до 15 штук, только такое их количество позволяет воде выполнить работу по снятию полезного тепла.

Каналы и дистанционирующие решётки, контроль качества

И, тем не менее, даже это не спасало полностью от проблемы искривления твэлов и ТВС. Наши сборки не выдерживали механических осевых нагрузок – почти четыре метра длины при толщине оболочки в 0,65 мм, мощный поток воды, высокие температуры делали свое дело. В 1993 году стало окончательно ясно – с этой проблемой что-то нужно делать, находить способы избавиться от нее. Минатом сделал соответствующий запрос в МАГАТЭ – как обстоят дела с этой проблемой в западных странах. МАГТЭ провела соответствующий опрос у эксплуатирующих организаций, и никакой сенсации не обнаружило – эта проблема имеется и у западных атомщиков, они тоже ищут способы с ней справиться.

Вот теперь извините, но нам в очередной раз придется коснуться главного мифа либеральной экномики – об эффективности частного собственника по сравнению с неповоротливым, инерционным государственным сектором экономики. Частных собственников АЭС на Западе, и особенно в США – немалое количество, но проблему они решить не смогли. Минатом поступил в соответствии с традициями Минсредмаша – поручил решение проблемы сразу двум конструкторским бюро, чтобы в результате борьбы двух хороших проектов победа досталась лучшему. Участниками капиталистического соревнования стало подольское ОКБ (опытно-конструкторское бюро) «Гидропресс» и нижегородское ОКБМ (ОКБ Машиностроения) им. Африкантова. Оба КБ в настоящее время входят в машиностроительный холдинг «Атомэнергомаш», но накала конкурентной борьбы это нисколько не снижает.

Конкуренция – двигатель прогресса

Нижегородцы разработали конструкцию ТВС, получившую аббревиатуру ТВСА, по мере разработки появлялись друг за другом модификации ТВСА-12, ТВСА-PLUS, ТВСА-T. Основная ее характерная особенность – к дистанцирующим решеткам для повышения жесткости конструкции стали приваривать уголки, а вот «Гидропресс» эту концепцию не принял – лишнее количество циркония, из которого выполнены уголки, в активной зоне, по мнению специалистов, может негативно сказаться на нейтронных характеристиках активной зоны реактора. В созданной на «Гидропрессе» модификация с аббревиатурой УТВС (Усовершенствованная ТВС) не используется жесткая сварка дистанцирующих решеток и направляющих каналов, УТВС стали использовать на АЭС с повышенными требованиями по сейсмоустойчивости – на китайской «Тяньвань», на иранской «Бушер», на индийской «Куданкулам». Впрочем, заявить, что эта разработка была сделана только сотрудниками ОКБ «Гидропресс» – неверно, в этой работе приняли участие Курчатовский институт, обнинский Физико-Энергетический Институт, Новосибирский завод химконцентратов, НИИ им. Бочвара. Но важен результат – опытная проверка на Ростовской АЭС показала отличные результаты, зарубежные заказчики были чрезвычайно довольны повышением надежности УТВС.

Сборка пучка

Наблюдение за подробностями борьбы двух конструкторских бюро – завораживающее зрелище, но тут столько технических подробностей, что тут понадобятся усилия профессиональных переводчиков. Решетки широкие и узкие, разреженные решетки, турбулизаторы и дефлекторы, решетки с косыми каналами, интенсификаторы теплообмена, скорость загрузки кассет в активную зону, сочетание с работой перегрузочных машин, терминология из гидродинамики и термомеханики – это действительно совсем уж отдельный язык… Для атомной энергетики важен результат, которого достигли оба конструкторских бюро, научный и творческий спор которых продолжается и сейчас. Улучшения и модификации позволяют использовать топливо с более высоким обогащением по содержанию урана-235 – этот показатель для ВВЭР-1000 увеличился с 3,77% до 4,95%. Казалось бы, разница совершенно несущественна, но в результате глубина выгорания топлива увеличилась с 40 МВт в сутки с килограмма урана до 58 МВт с килограмма, почти на 50%. А вот это результат уже весьма существенный, он позволяет на равных сражаться с углеводородной энергетикой по себестоимости производимой электроэнергии, делает перспективы развития энергетики атомной все более обнадеживающими. Одно из достижений – увеличение мощности действующих реакторов ВВЭР на 4-7% без изменения их конструкции базируется именно на оптимизации ядерного топлива и ТВС стало еще одним конкурентным преимуществом на международном рынке.

Готовая ТВС

Разумеется, УТВС не стали неким «финалом» усовершенствования топливных сборок. Основной выигрыш УТВС по сравнению с топливом предыдущего поколения был обеспечен переходом от нержавеющей стали к цирконию, к сплаву Э-110. Разработчики смогли увеличить жесткость конструкции без применения уголков – они усилили дистанционные решетки и стали использовать точечную сварку для увеличения устойчивости к формоизменению во время эксплуатации. Им удалось увеличить длину топливного столба – теперь в активной зоне реактора размещается больше урана, стали продолжительнее топливные сессии, перегрузки топлива можно осуществлять реже, что означает рост КИУМа.

Новое топливо для Ирана

С начала 2014 года начался переговорный процесс между ТВЭЛ и иранским заказчиком в лице Организации по атомной энергетике Ирана (AEOI) и Компании по производству и развитию атомной энергии Ирана (NPPD) по переходу АЭС «Бушер» на новые топливные кассеты – ТВС-2М. Для обеспечения переговорного процесса ТВЭЛ разработал «Технико-экономическое обоснование внедрения ТВС-2М на АЭС «Бушер», в котором заказичку предоставлялся полный объем информации для анализа и принятия решения о таком переходе. Самый лучший способ убедить потенциального заказчика – не навязчивый маркетинг, в атомной энергетике такой подход почти никогда не приносит результата. Российская топливная компания просто свела в единое целое анализ результатов внедрения ТВС-2М на российских ВВЭР-1000 и на АЭС «Тяньвань» в Китае – реакторах такого же типа, как и работающий в составе энергетического блока на АЭС «Бушер». В Китае на ТВС-2М в 18-месячном топливном цикле работают первые два блока Тяньваньской АЭС. И иранские атомщики смогли убедиться в том, что увеличилась глубина выгорания топлива, длительность топливных кампаний, вырос КИУМ.

Проанализировав полученные результаты, проверив их на месте, иранские заказчики сделали ответный ход – разработали перечень работ российских предприятий, который необходим для обеспечения лицензирования нового топлива в атомных надзорных органах. Дальнейшая работа была уже совместной – наши и иранские специалисты вместе составили список необходимых модернизаций оборудования энергоблока на АЭС «Бушер», которые необходимо было выполнить для того, чтобы реактор мог принять в активную зону ТВС-2М. Собственно говоря, работа наших ВВЭР-1000 на новом топливе показала такие результаты, что полный переход на ТВС-2М стал просто неизбежным – выгорание топлива увеличилось на 20%, а топливная составляющая себестоимости производства электроэнергии уменьшилась почти на 9%.

Итог переговоров с иранским заказчиком вполне закономерен. В апреле этого года ТВЭЛ подписал с AEOI и NPPD дополнительное соглашение к действующему контракту на топливообеспечение АЭС «Бушер» – с 2020 года ТВЭЛ начнет поставки в Иран ТВС-2М. Никакой спешки, никакой суеты – просто и наш, и поддерживаемый нами иранский атомные проекты продолжают последовательно развиваться, обеспечивая потребителей электроэнергией в необходимых им объемах. Что думают по этому поводу заказчики в Индии и в Китае, мы наверняка узнаем в ближайшее время. Рост экономических показателей энергоблоков за счет использования нового топлива без существенного изменения комплекта оборудования настолько показателен, что есть уверенность в том, что размышления не будут долгими. Нам остается только следить за дальнейшим развитием событий и еще раз поздравить ТВЭЛ , ОКБ «Гидропресс» и весь коллектив разработчиков с тем, что их новое топливо получило теперь уже международное признание.

Конечно, сегодняшний рассказ о разработках ядерного топлива далеко не полон – в этой части изменения происходят постоянно. Разработано топливо для ВВЭР-1200, идут опытно-конструкторские разработки топлива для других типов реакторов, ТВЭЛ продолжает производить топливо для реакторов западного дизайна совместно с французскими партнерами, ТВЭЛ самостоятельно разработал топливо «ТВС-Квадрат», которое проходит испытания на шведской АЭС «Рингхальс» и лицензируется для американского рынка. Предприятия ТВЭЛа производят топливо для БН-800, выпущена опытная партия РЕМИКС-топлива, для перспективного реактора со свинцовым теплоносителем заканчивается разработка нитридного топлива – Росатом и не думает, что может позволить себе почивать на лаврах.

Ядерное топливо – «сердце» атомной энергетики, следить за тем, как создаются новые его виды, какие они дают результаты при их использовании полезно уже тем, что позволяет сравнивать себестоимость генерации электроэнергии на АЭС и на тепловых электростанциях. Кроме того, в этот раз мы не коснулись того, какими результатами могут похвастаться разработчики новых видов топлива в ОКБМ им. Африкантова – а их идеи тоже весьма активно используются Росатомом . Одним словом – вряд ли сегодняшний рассказ об атомном топливе останется единственным.

Фото: zaochnik.ru, kak-eto-sdelano.livejournal.com

Вконтакте

Европейские и американские ученые совместно разработали новый тип термоядерного топлива, на порядок превосходящего все существующие аналоги по энергетической эффективности. Исследования проводились на базе ультрасовременных токамаков Alcator C-Mod и JET.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) совместно с коллегами из США и Брюсселя разработали новый тип термоядерного топлива. С его помощью можно получить в десять раз больше энергии, чем из всех существующих образцов. Новое топливо содержит три вида ионов - частиц, заряд которых изменяется в зависимости от потери или приобретения электрона. Для изучения топлива используется токамак - тороидальная камера для магнитного удержания плазмы, создающая условия для управляемого термоядерного синтеза. Эксперименты с новинкой проводятся на базе токамака Alcator C-Mod, принадлежащего MIT, который обеспечивает наивысшее напряжение магнитного поля и давление плазмы во время испытаний.

Секрет нового топлива

Alcator C-Mod последний раз был запущен еще в сентябре 2016 года, но данные, полученные в результате проведенных экспериментов, были расшифрованы лишь недавно. Именно благодаря им ученым и удалось разработать новый, уникальный тип термоядерного топлива, значительно увеличивающего энергию ионов в плазме. Результаты были настолько обнадеживающими, что исследователи, работающие на Объединенном европейском торе (JET, еще один современный токамак) в Оксфордшире, США, провели собственный эксперимент и достигли такого же увеличения выработки энергии. Исследование, в котором подробно изложены результаты работы, было недавно опубликовано в Nature Physics.

Ключом к повышению эффективности ядерного топлива было добавление незначительного количества гелия-3 - стабильного изотопа гелия, который вместо двух нейтронов обладает лишь одним. Ядерное топливо, используемое в Alcator C-Mod, ранее содержало только два типа ионов, ионы дейтерия и водорода. Дейтерий, стабильный изотоп водорода с одним нейтроном ядре (у обычного водорода нейтронов нет совсем), занимает порядка 95% от общего состава топлива.

Исследователи из Центра плазмы и синтеза MIT (PSFC) использовали радиочастотный нагрев для того, чтобы воспламенить топливо, удерживаемое в форме суспензии промышленными магнитами. Этот метод основан на использовании антенн вне токамака, которые воздействуют на топливо с помощью радиоволн определенных частот. Они калибруются так, чтобы поражать лишь материал, количество которого в суспензии меньше всех прочих (в данном случае это водород). Водород обладает лишь малой долей от общей плотности топлива, а потому фокусировка радиочастотного нагрева на его ионах позволяет достичь экстремально высоких температур. Возбужденные ионы водорода затем взаимодействуют с ионами дейтерия, и полученные в результате из взаимодействия частицы бомбардируют наружную оболочку реактора, выделяя огромное количество тепла и электроэнергии.

А что же гелий-3? В новом топливе его меньше 1%, но именно его ионы играют решающую роль. Сфокусировав радиочастотный нагрев на столь незначительном количестве вещества, исследователи подняли энергию эонов до уровня мегаэлектроноволь (МэВ). Электроновольт - это количество энергии, полученное\потерянное в результате перехода электрона от одной точки электрического потенциала на уровень в 1 вольт выше. До сих пор мегаэлектронвольты в экспериментах с термоядерным топливом были лишь пределом мечтаний ученых - это на порядок больше, чем энергия всех образцов, полученных до сих пор.

Токамак: исследование термоядерных реакций

Alcatre C-Mod и JET представляют собой экспериментальные камеры термоядерного синтеза с возможностью достижения тех же плазменных давлений и температур, которые потребуются в полномасштабном реакторе синтеза. Стоит отметить, впрочем, что они меньше по размерам и не дают того, что исследователи называют «активированным синтезом» - синтеза, энергия которого напрямую преобразуется в энергию, которую можно использовать для других нужд. Тонкая настройка состава топлива, частоты радиоволн, магнитных полей и других переменных в этих экспериментах позволяют исследователям тщательно выбрать наиболее эффективный процесс синтеза, который потом можно будет воспроизвести в промышленном масштабе.

Как уже было сказано, американским ученым, работающим на JET, удалось не просто достичь тех же результатов, но и сравнить их с работой западных коллег, в результате чего научное сообщество получило уникальные данные измерений различных свойств невероятно сложных реакций, происходящих в перегретой плазме. В MIT исследователи использовали метод получения изображений реакции с помощью фазово-контрастной микроскопии, благодаря которому фазы электромагнитных волн трансформируются в контраст интенсивности. В свою очередь, ученые JET обладали возможностью более точно измерять энергию полученных частиц, и в результате картина того, что происходит во время реакций синтеза, получилась наиболее

Ядерный синтез: революция в энергетике

Что это значит для нас с вами? Как минимум значительный прорыв в технологической сфере. Ядерный синтез, поставленный на нужды промышленности, может произвести революцию в производстве энергии. Его энергетический потенциал невероятно высок, а топливо состоит из самых распространенных элементов в Солнечной системе - водорода и гелия. К тому же, после сгорания термоядерного топлива не образуется опасных для экологии и человека отходов.

Как отмечает Nature, результаты этих экспериментов также помогут астрономам лучше понять роль гелия-3 в солнечной активности - ведь солнечные вспышки, несущие угрозу для земной энергетики и околоземных спутников, есть ни что иное, как результат протекания термоядерной реакции с колоссальным тепловым и электромагнитным излучением.