Viitorul puterii nucleare

1 VIITORUL ENERGIEI NUCLEARE. Reactoare rapide

dacă ($ this-> show_pages_images $ page_num doc ['images_node_id']) // $ snip = Bibliotecă :: get_smart_snippet ($ text, DocShare_Docs :: CHARS_LIMIT_PAGE_IMAGE_TITLE); $ snips = Bibliotecă :: get_text_chunks ($ text, 4); ?>

Viitorul puterii nucleare







5 Neutronii zonele active și active ale reactoarelor moderne sunt autodeterminarea fisiunii de reacție în lanțul B a nucleelor ​​de uraniu. Schematic, acest procedeu este prezentat în Figura 1, care prezintă imaginea grafică a fisiunii unui nucleu unic de uraniu și în Figura 2, care prezintă o reacție în lanț. Rețineți că miezul din figura 1 este împărțit în două fragmente sub acțiunea unui singur neutron, dar cu emisia a doi sau trei neutroni. Ei, la rândul lor, se încadrează în nucleele de uraniu vecine, provocând împărțirea lor, iar reacția câștigă impuls. Cercetătorii nucleari au învățat cum să gestioneze acest proces și să îl folosească pentru a genera energie electrică. Fragmentele de fisiune ale nucleelor ​​de uraniu au o energie cinetică ridicată, care, atunci când este inhibată, este transferată la combustibil. Ca rezultat, se încălzește, se încălzește și se evaporă apa care intră în contact cu combustibilul, iar aburul rezultat rotește turbogeneratorul. Energia electrică produsă pe acesta este transferată consumatorului. Figura 1 Procesul de fisiune nucleară a uraniului-235 3

6 Figura 2 Reacția de fisiune a lanțului de nuclee de uraniu 4

7 Cu toate acestea, este necesar să se facă o rafinare: sub influența neutronilor, numai nucleele de uraniu-235 sunt împărțite. În amestecul natural de izotopi de uraniu este de aproximativ 0,7% (Figura 3), iar în combustibilul nuclear 4-5% (Figura 4). Restul este uraniul-238, care nu este împărțit și, prin urmare, nu participă la producția de energie electrică. Desigur, dorința naturală a specialiștilor a fost să învețe cum să folosească acest "balast", deoarece atunci eficiența combustibilului va crește de mai multe ori! Mai întâi am acordat atenție proprietăților neutronilor emise în timpul fisiunii. Inițial, se mișcă foarte repede, deci se numesc neutroni rapizi. Apoi, trecând prin apa, care este un transportator de căldură, acestea încetinesc. Energia neutronilor scade de sute de milioane de ori. Astfel devin lent sau termic. Figura 3 Uraniu natural (ponderea uraniului-235 0,7%) Figura 4 Combustibil nuclear uraniu îmbogățit (ponderea uraniului-235 5%) 5

Așa cum am menționat mai sus, neutronii lenți provoacă doar fisiunea nucleilor de uraniu-235. În ceea ce privește nucleele de uraniu-238 foarte rar, când se întâlnesc cu un neutron, ele se transformă în nucleul plutoniului-239. Acesta din urmă poate fi, de asemenea, utilizat ca combustibil nuclear. Dar cum să obțineți în cantități suficiente? Rezolvarea acestor două probleme (utilizarea uraniului-238 și producția de plutoniu-239) se poate realiza utilizând neutronii rapizi. Se pare că sub acțiunea neutronilor rapizi, uraniul-238 împarte și eliberează energie și, de asemenea, absoarbe neutronii rapizi prin formarea plutoniului-239. Dar acum apa care este folosită ca lichid de răcire devine un obstacol: la urma urmei, aceasta încetinește neutronii, însă necesită particule în mișcare rapidă. Cum să înlocuiți apa? O substanță care este lichidă sau gazoasă la temperaturile existente în reactor nu a absorbit sau a încetinit neutronii. 6

9 Problemele cu apa sunt rezolvate de sodiu. Unele metale (sodiu, potasiu, plumb, bismut) si gaze (de exemplu heliul) indeplinesc aceste cerinte. Până în prezent, sodiul a fost cel mai utilizat (Figura 5). Acesta este un metal reactiv care reacționează viguros cu apă (chiar și cu vaporii săi în aer), și cu o ușoară încălzire se aprinde. Pe celelalte proprietăți, a fost convenabil, astfel încât dezvoltatorii s-au dus la un risc deliberat, sugerând utilizarea sodiului ca lichid de răcire. Mai întâi, sodiul nu încetinește neutronii. În al doilea rând, apa ca agent de răcire necesită crearea unei presiuni înalte în vasul de reacție și conducte, altfel nu poate fi încălzită la temperatura dorită. De exemplu, la ieșirea reactorului VVER-1200, temperatura apei este de 330 ° C, iar presiunea sa este de aproximativ 160 atmosfere. Sodiul poate fi încălzit în condiții de siguranță la temperaturi de aproximativ 600 ° C, iar presiunea din reactor se ridică puțin peste atmosferic. Astfel, există un beneficiu direct din utilizarea sodiului ca agent de răcire: reactorul funcționează la presiune scăzută, iar acest lucru este mult mai sigur. Este posibil să se instaleze un corp mai puțin gros în comparație cu reactoarele în care lichidul de răcire este apă (de exemplu, VVER-1200), ceea ce înseamnă că consumul de oțeluri destul de scumpe este redus. În al treilea rând, sodiul practic nu provoacă coroziunea materialelor structurale, din care sunt fabricate echipamentele din reactor și conducte. Bineînțeles, sodiul în acest sens câștigă din nou de apă. În plus, sodiul are proprietăți termofizice excelente: este bine, conduce și dă căldură. 7

10 Figura 5 Metal de sodiu proaspăt tăiat Deci, agentul de răcire de sodiu face posibilă realizarea unui reactor cu neutroni rapizi. 8

11 Combustibil reutilizabil Efectele pozitive ale utilizării sodiului ca agent de răcire sunt clare. Și ce alte avantaje sunt caracteristice unui reactor cu neutroni rapizi? Principalul avantaj este că acesta poate produce combustibil pentru reactoare termonucleare cu neutroni. La urma urmei, uraniul-238 din nucleul unui reactor nuclear este transformat în plutoniu-239, un combustibil nuclear eficient. Prin urmare, este posibilă iradierea uraniului-238 într-un reactor cu neutroni rapizi și izolarea chimică a plutoniului pur, din care, la rândul său, este posibil să se producă combustibil pentru reactoare cu neutroni termici. Figura 6 Combustibil nuclear uraniu îmbogățit (uraniu-235 5%) Figura 7 Uraniu iradiat combustibil nuclear uzat (Pu plutoniu, produse de fisiune PD) 9

12 Aceasta este o sarcină foarte urgentă, deoarece majoritatea covârșitoare a unităților nucleare din lume lucrează la neutronii termici. Combustibilul pentru ele este uraniu cu un grad scăzut de îmbogățire, în care cota de uraniu-235 este de câteva procente, restul fiind uraniul-238 (Figura 6). După ce carburantul a lucrat într-un reactor nuclear pe neutroni termici, uraniul-235 este deja mic, dar izotopul cu o masă de 238 este suficient pentru mai mult de 90% (Figura 7). Și dacă selectați chimic întregul uraniu din combustibilul nuclear uzat (SNF), îl transformați într-un nou combustibil nuclear și îl iradiați într-un reactor cu neutroni rapizi? Apoi primim plutoniu, din care este posibil să producem combustibil nuclear pentru reactor pe neutronii lenți. Ciclul este închis (Figura 8). Nu mai este necesar să extrageți uraniul de pe pământ și să îl purificați de substanțele asociate, nu mai este nevoie să distrugeți natura. Am acumulat deja o mulțime de uraniu-238 sub formă de SNF și hexafluorură de uraniu sărăcit (DUFU), "cozile" instalațiilor de îmbogățire. Conform estimărilor disponibile, va dura câteva sute de ani. Acum uraniul este încă destul de ieftin. Din punct de vedere economic, este mai profitabil să-l extrageți de la sol, să-i îmbogățiți și să-l utilizați în reactoarele pe neutronii termici din lume prin majoritatea covârșitoare a acestora. Tehnologia reactoarelor rapide cu neutroni este deja suficient de dezvoltată, mai ales în țara noastră, dar construcția lor în serie nu este încă organizată, deci sunt relativ scumpe. În plus, ar trebui organizată o producție radiochemică de plutoniu pe scară largă; acest lucru dă costuri suplimentare. Deci, nu este încă profitabilă. Dar experții spun că până la mijlocul secolului uraniul va deveni mai dificil de a mea (depozitele sunt epuizate), prețul pentru acesta va crește semnificativ. Atunci va veni epoca "energiei rapide". 10







13 Figura 8 Închiderea ciclului de combustibil 11

14 Vor dispărea reactoarele termice? Bineînțeles că nu. Cel mai probabil, pe un amplasament va exista un reactor cu neutroni rapizi și mai mulți reactoare termonucleare cu neutroni termici, precum și o producție radiochimică. Un reactor rapid va produce plutoniu termic. Dar ce va mânca el însuși? Iată un alt avantaj al reactoarelor rapide cu neutroni. Un reactor rapid este capabil să producă mai mult combustibil decât consumă! Deci, folosind 100 kilograme de izotop fisionabil, puteți obține kilograme de combustibil nuclear proaspăt. Datorită acestei caracteristici, reactoarele cu neutroni rapizi se numesc crescători (de la crescătorul - crescătorul englez). Deci, crescătorul produce plutoniu nu doar pentru vecinii care lucrează la neutronii termici, ci și pentru sine! 12

Figura 11 Schema unității energetice nucleare cu reactorul cu neutroni rapizi BN-600 (Beloyarsk NPP), iar aburul trece în turbină. Apoi, totul se întâmplă ca pe o instalație obișnuită de energie nucleară sau termică (Figura 11). Este prevăzut un circuit intermediar (al doilea) pentru a se asigura că apa nu poate în nici un caz să intre în contact cu sodiul radioactiv circulând prin zona activă a reactorului. Lichidul de răcire al celui de-al doilea circuit îndeplinește doar rolul unui intermediar, nu mai mult. Este sub presiune crescută, astfel încât sodiul radioactiv din circuitul primar nu poate pătrunde în cel de-al doilea și apoi în cel de-al treilea circuit. 15

Viitorul puterii nucleare

19 Figura 12 Enrico Fermi () 17

22 Figura 14 Unitatea de putere cu reactorul BN-350 BR-5 (Institutul de Fizică și Energie, Obninsk) a efectuat cele mai importante cercetări în domeniul fizicii și tehnologiei sodiului radioactiv și a eficienței elementelor combustibile. Nevoia de a efectua astfel de studii este de înțeles: oamenii de știință nu au suficiente informații despre modul în care se comportă diferite materiale în condițiile reactorului, cât de fiabile sunt și cum să le poată trata în cele din urmă. Reactorul BOR-60 (Institutul de Cercetări Științifice al Reactorilor Atomici, Dimitrovgrad) a fost utilizat pentru testarea combustibilului nuclear, testarea noilor tehnologii. Apoi, după ce au acumulat experiență, s-au mutat într-o instalație industrială mare: reactorul BN-350 (Figura 14) a fost comandat în 1972 în Aktau (Shevchenko, Kazahstan). Nu numai că a produs energie electrică, dar a fost folosit și pentru desalinizarea apei din Marea Caspică, a devenit o bază experimentală pentru dezvoltarea pe scară largă a tehnologiei de sodiu, cercetarea fizică și testarea ansamblurilor de combustibil și a altor elemente ale nucleului. Rezultate 20

23 Figura 15 NPP Beloyarsk 21

24 din funcționarea sa au fost utilizate ca bază pentru cel mai de succes proiect al reactorului de putere cu neutroni rapizi BN-600. Acest reactor funcționează cu succes la centrala nucleară Beloyarsk timp de 30 de ani (Zarechny, regiunea Sverdlovsk, figura 15); experiența exploatării sale astăzi evocă un interes deosebit al oamenilor de știință și al inginerilor străini. 22

25 Drumul către viitor Tu, desigur, ați auzit că dezvoltarea economiei mondiale necesită din ce în ce mai multă energie și foarte curând omenirea se va confrunta cu o criză energetică globală. Dezvoltarea producției și a serviciilor nu are suficientă electricitate, economia va încetini, ceea ce va avea și o serie de consecințe neplăcute. "Inevitabilitatea crizei energetice globale este acum pe deplin realizată și, prin urmare, problema energetică pentru tehnologie și știință a devenit problema numărul unu", a spus PL. Kapitsa. O parte din problema lipsei de energie poate fi rezolvată prin dezvoltarea unei energii nucleare sigure care să utilizeze în mod eficient rezervele de uraniu ale Pământului. Dacă păstrăm imaginea actuală a energiei nucleare cu reactoare termonucleare cu neutroni termici, atunci uraniul va fi suficient doar până la capăt.

27 Figura 17 Stația de construcție a centralei cu reactorul BN-800 (Beloyarsk NPP) 25

29 Ar trebui să se menționeze, de asemenea, designul intern al reactorului BREST cu un agent de răcire cu plumb. Împreună cu SVBR-100 aparțin celei de a patra generații de reactoare, caracterizate ca dispozitive cu siguranță naturală. Acest termen înseamnă utilizarea unor astfel de materiale și a unor soluții tehnice care, pur și simplu, nu sunt în mod inerent capabile să ducă la accidente. Lipsa implementării la scară largă a reactoarelor pe neutronii rapizi se datorează nu atât tehnologiei subdezvoltării, cât și lipsei instalațiilor mari de reprocesare a SNF. După cum sa menționat deja, astfel de întreprinderi sunt necesare pentru a extrage uraniul și plutoniul din combustibil; acestea reprezintă o legătură importantă care asigură închiderea ciclului combustibilului nuclear. Până în prezent, reprelucrarea industrială a SNF este efectuată doar în patru țări (Franța, Marea Britanie, Rusia și Japonia). Combustibilul principal este combustibilul reactoarelor cu neutroni termici, din care se extrage uraniul și plutoniul. Astăzi, Figura 19 Dispozitivul reactorului SVBR-100 este asamblat într-o cutie de beton 27

30 plutoniu nu găsește aplicații și, la urma urmei, ar putea fi ars în ameliorator cu beneficii. Uraniul extras din combustibilul nuclear uzat poate fi de asemenea utilizat într-un reactor rapid cu neutroni pentru a genera un nou plutoniu. Un alt potențial avantaj al amelioratorului: este un instrument puternic pentru prelucrarea deșeurilor radioactive. Atunci când se reprocesează combustibil, se generează deșeuri radioactive, pentru care este necesar să se construiască spații de depozitare destul de scumpe, care să poată asigura izolarea lor de mediul înconjurător pentru câțiva milioane de ani. Și dacă iradiați astfel de substanțe radioactive cu neutroni rapizi, timpul necesar izolării lor va scădea drastic. Și costurile sunt mai puțin, iar beneficiile pentru mediu sunt evidente! 28

31 Abordarea inovatoare Modernizarea economiei ruse va afecta, fără îndoială, energia nucleară. Introducerea unor abordări inovatoare în proiectarea, construcția și exploatarea centralelor nucleare este o cerință a timpului. De exemplu, dezvoltarea tehnologiei cu reactoare rapide cu neutroni, așa cum am spus deja, permite rezolvarea mai multor sarcini importante, cum ar fi asigurarea siguranței centralelor nucleare și utilizarea eficientă a combustibilului nuclear. Mai mult, "energia rapidă" este cheia pentru o serie de probleme din industria nucleară legate de securitatea națională și protecția mediului. În primul rând, ca urmare a utilizării mai profunde și mai profunde a uraniului la crescători, nevoia de extracție a acestuia este redusă și, prin urmare, impactul asupra mediului. Măsurile suplimentare vor opri, în general, extracția uraniului pentru o perioadă destul de lungă. Acesta va fi primit din combustibil nuclear uzat (SNF) și hexafluorură de uraniu sărăcit (DUHF), ale căror rezerve sunt mai mult decât suficiente. În al doilea rând, impactul asupra mediului al gestionării deșeurilor radioactive este redus. Deșeurile radioactive necesită instalarea de echipamente de stocare scumpe pentru a se asigura că acestea sunt izolate de mediul îndelungat. Producătorii pot reduce dramatic timpul necesar pentru a le izola și pentru a reduce pericolul potențial al deșeurilor. În al treilea rând, plutonia produsă în timpul reprocesării reactoarelor de combustibil nuclear uzat pe neutroni termici poate fi, de asemenea, eliminată la crescători. Abordarea opusă (stocare 29

32 și eliminarea finală a plutoniului ca deșeu radioactiv) necesită măsuri speciale pentru a asigura siguranța și, în consecință, costurile ridicate. Astfel, avantajele reactoarelor rapide sunt evidente. Ei sunt conștienți de și în străinătate, deci astăzi Rusia ca lider mondial în acest domeniu deschide o nouă piață, pentru care putem furniza tehnologie și echipamente de înaltă tehnologie. Cu toate acestea, există riscul de a pierde în cursa tehnologiei "rapide" în China sau India, deci este necesar să stimuleze această dezvoltare în industria rusească a energiei nucleare. Nu avem dreptul să ne împărtășim cu o conducere meritată, nu numai din punct de vedere economic, ci din respect pentru specialiștii care au câștigat-o cu talentul și munca enormă. Cine știe, poate că rezolvarea unor astfel de sarcini ambițioase va face parte din cariera viitoare? 30

33 Link-uri utile de stat Atomic Energy Corporation „Rosatom“ ramură a „Rosenergoatom Kontserev“ Plant Beloyarsk Nuclear Power (curent BN-600, BN-800 în construcție) Federal de Stat Unitar Enterprise „Stat Centrul Științific al Federației Ruse de Fizică și Institutul de Inginerie de putere numit după AI Leipunsky "(gestionarea științifică a proiectelor de reactoare cu neutroni rapizi) JSC" Biroul de proiectare experimentală de inginerie mecanică numit după. II Afrikantov „(desen sau model industrial de reactoare cu neutroni rapizi), SA“ Stat Centrul științific al Institutului de Cercetări Științifice Atomică „Reactoarele (60 borfreze, materiale de construcții de testare) de“ Ordinul Lenin Cercetare Științifică și Institutul de Proiectare de putere pentru a le. NA Dollezhal "(proiect de reactor BREST) ​​de" Akme-inginerie "(lucru manual privind crearea unei instalații reactor de putere MTBF 100) OJSC" OKB Gidropress „(proiecte de instalații de reactoare MTBF) belnpp.rosenergoatom.ru

36 Centre de informare pentru energia nucleară







Articole similare

Trimiteți-le prietenilor: