Ce poți găti din calmar: rapid și gustos

O centrală nucleară, sau pe scurt CNP, este un complex de structuri tehnice concepute pentru a genera energie electrică prin utilizarea energiei eliberate în timpul unei reacții nucleare controlate.

În a doua jumătate a anilor 40, înainte de a lucra la crearea primului bombă atomică care a fost testat la 29 august 1949, oamenii de știință sovietici au început să dezvolte primele proiecte pentru utilizarea pașnică a energiei atomice. Obiectivul principal al proiectelor a fost energia electrică.

În mai 1950, lângă satul Obninskoye, regiunea Kaluga, a început construcția primei centrale nucleare din lume.

Pentru prima dată folosirea energiei electrice reactor nuclear primit la 20 decembrie 1951 în statul Idaho din SUA.

Pentru a-i testa funcționalitatea, generatorul a fost conectat la patru lămpi cu incandescență, dar nu mă așteptam să se aprindă lămpile.

Din acel moment, omenirea a început să folosească energia unui reactor nuclear pentru a produce electricitate.

Primele centrale nucleare

Construcția primei centrale nucleare din lume cu o capacitate de 5 MW a fost finalizată în 1954, iar la 27 iunie 1954 a fost lansată și a început să funcționeze.

În 1958, a fost pusă în funcțiune prima etapă a centralei nucleare din Siberia cu o capacitate de 100 MW.

Construcția centralei nucleare industriale de la Beloyarsk a început și în 1958. La 26 aprilie 1964, generatorul de treapta 1 a furnizat curent consumatorilor.

În septembrie 1964 a fost lansată prima unitate CNE Novovoronezh cu o capacitate de 210 MW. A doua unitate cu o capacitate de 350 MW a fost lansată în decembrie 1969.

În 1973, a fost lansată Centrala Nucleară Leningrad.

În alte țări, prima centrală nucleară industrială a fost pusă în funcțiune în 1956 la Calder Hall (Marea Britanie) cu o capacitate de 46 MW.

În 1957, în Shippingport (SUA) a intrat în funcțiune o centrală nucleară de 60 MW.

Liderii mondiali în producția de energie nucleară sunt:

1. SUA (788,6 miliarde kWh/an),
2. Franța (426,8 miliarde kWh/an),
3. Japonia (273,8 miliarde kWh/an),
4. Germania (158,4 miliarde kWh/an),
5. Rusia (154,7 miliarde kWh/an).

Clasificarea CNE

Centralele nucleare pot fi clasificate în mai multe moduri:

După tipul de reactor

• Reactoarele cu neutroni termici care folosesc moderatori speciali pentru a crește probabilitatea de absorbție a neutronilor de către nucleele atomilor de combustibil
• Reactoare cu apă ușoară
• Reactoare cu apă grea
• Reactoare rapide
• Reactoare subcritice care utilizează surse externe de neutroni
• Reactoare de fuziune

După tipul de energie eliberată

1. Centrale nucleare (CNP) concepute pentru a genera numai energie electrică
2. Centrale nucleare combinate de căldură și energie (CHP), care generează atât energie electrică, cât și energie termică

La centralele nucleare situate în Rusia există instalații de încălzire, acestea sunt necesare pentru încălzirea apei din rețea.

Tipuri de combustibil folosit la centralele nucleare

La centralele nucleare, este posibil să se utilizeze mai multe substanțe, datorită cărora este posibilă generarea de energie electrică nucleară, combustibilii pentru centralele nucleare moderne sunt uraniu, toriu și plutoniu.

Combustibilul cu toriu nu este folosit în centralele nucleare astăzi, din mai multe motive.

În primul rând, este mai dificil să se transforme în elemente de combustibil, elemente de combustibil prescurtate.

Barele de combustibil sunt tuburi metalice care sunt plasate în interiorul unui reactor nuclear. Interior

Elementele de combustibil conțin substanțe radioactive. Aceste tuburi sunt instalații de stocare a combustibilului nuclear.

În al doilea rând, utilizarea combustibilului cu toriu necesită o prelucrare complexă și costisitoare a acestuia după utilizarea la centralele nucleare.

Combustibilul cu plutoniu nu este, de asemenea, utilizat în inginerie nucleară, din cauza faptului că această substanță are o compoziție chimică foarte complexă, un sistem de utilizare completă și sigură nu a fost încă dezvoltat.

Combustibil cu uraniu

Principala substanță care produce energie la centralele nucleare este uraniul. Astăzi, uraniul este extras în mai multe moduri:

• minerit în cariera deschisă
• închis în mine
• leşierea subterană, folosind forajul minier.

Leșierea subterană, folosind forajul minelor, are loc prin plasarea unei soluții de acid sulfuric în puțurile subterane, soluția este saturată cu uraniu și pompată înapoi.

Cele mai mari rezerve de uraniu din lume se află în Australia, Kazahstan, Rusia și Canada.

Cele mai bogate zăcăminte sunt în Canada, Zair, Franța și Cehia. În aceste țări, dintr-o tonă de minereu se obțin până la 22 de kilograme de materie primă de uraniu.

În Rusia, dintr-o tonă de minereu se obține puțin mai mult de un kilogram și jumătate de uraniu. Siturile de exploatare a uraniului sunt neradioactive.

În forma sa pură, această substanță prezintă un pericol mic pentru oameni, un pericol mult mai mare este gazul radioactiv incolor, care se formează în timpul descompunerii naturale a uraniului.

Prepararea uraniului

Uraniul nu este folosit sub formă de minereu în centralele nucleare; minereul nu reacționează. Pentru a utiliza uraniul la centralele nucleare, materia primă este procesată în pulbere - oxid de uraniu, iar după aceea devine combustibil de uraniu.

Pulberea de uraniu este transformată în „tablete” metalice - este presată în baloane mici, îngrijite, care sunt arse în timpul zilei la temperaturi de peste 1500 de grade Celsius.

Aceste pelete de uraniu sunt cele care intră în reactoarele nucleare, unde încep să interacționeze între ele și, în cele din urmă, oferă oamenilor energie electrică.

Aproximativ 10 milioane de pelete de uraniu lucrează simultan într-un reactor nuclear.

Înainte de a introduce peletele de uraniu în reactor, acestea sunt plasate în tuburi metalice din aliaje de zirconiu - elemente de combustibil, tuburile sunt conectate între ele în mănunchiuri și formează ansambluri de combustibil - ansambluri de combustibil.

Ansamblurile de combustibil sunt numite combustibil pentru centrale nucleare.

Cum reprocesează combustibilul din centralele nucleare?

După un an de utilizare a uraniului în reactoare nucleare, este necesară înlocuirea acestuia.

Elementele de combustibil sunt răcite timp de câțiva ani și trimise spre tocare și dizolvare.

Ca urmare a extracției chimice, se eliberează uraniu și plutoniu, care sunt reutilizate și folosite pentru a produce combustibil nuclear proaspăt.

Produșii de descompunere ai uraniului și plutoniului sunt utilizați pentru fabricarea surselor de radiații ionizante, sunt folosiți în medicină și industrie.

Tot ceea ce rămâne după aceste manipulări este trimis la cuptor pentru încălzire, sticla este făcută din această masă, o astfel de sticlă este depozitată în spații speciale de depozitare.

Sticla nu este fabricată din reziduuri pentru utilizare în masă; sticla este folosită pentru depozitarea substanțelor radioactive.

Este dificil să extragi din sticlă resturile de elemente radioactive care pot dăuna mediului. A apărut recent mod nou eliminarea deșeurilor radioactive.

Reactoare nucleare rapide sau reactoare cu neutroni rapizi, care funcționează cu reziduuri de combustibil nuclear reprocesat.

Potrivit oamenilor de știință, rămășițele de combustibil nuclear, care sunt în prezent depozitate în depozite, sunt capabile să furnizeze combustibil pentru reactoare cu neutroni rapidi timp de 200 de ani.

În plus, noile reactoare rapide pot funcționa cu combustibil de uraniu, care este fabricat din uraniu 238, această substanță nu este utilizată în centralele nucleare convenționale; Este mai ușor pentru centralele nucleare de astăzi să proceseze 235 și 233 de uraniu, din care a mai rămas puțin în natură.

Astfel, noile reactoare sunt o oportunitate de a folosi zăcăminte uriașe de 238 de uraniu, care nu au fost folosite până acum.

Principiul de funcționare al centralelor nucleare

Principiul de funcționare al unei centrale nucleare bazată pe un reactor cu apă sub presiune cu dublu circuit (VVER).

Energia eliberată în miezul reactorului este transferată la agentul de răcire primar.

La ieșirea din turbine, aburul intră în condensator, unde este răcit de o cantitate mare de apă care vine din rezervor.

Compensatorul de presiune este o structură destul de complexă și greoaie care servește la egalizarea fluctuațiilor de presiune din circuit în timpul funcționării reactorului care apar din cauza expansiunii termice a lichidului de răcire. Presiunea din primul circuit poate ajunge până la 160 de atmosfere (VVER-1000).

Pe lângă apă, sodiul topit sau gazul poate fi folosit și ca agent de răcire în diferite reactoare.

Utilizarea sodiului face posibilă simplificarea designului carcasei miezului reactorului (spre deosebire de circuitul de apă, presiunea din circuitul de sodiu nu depășește presiunea atmosferică) și de a scăpa de compensatorul de presiune, dar își creează propriile dificultăți asociată cu activitatea chimică crescută a acestui metal.

Numărul total de circuite poate varia pentru diferite reactoare, diagrama din figură este prezentată pentru reactoare de tip VVER (Water-Water Energy Reactor).

Reactoarele de tip RBMK (High Power Channel Type Reactor) folosesc un circuit de apă, iar reactoarele BN (Fast Neutron Reactor) utilizează două circuite de sodiu și unul de apă.

Dacă nu este posibilă utilizarea unei cantități mari de apă pentru condensarea aburului, în loc să folosiți un rezervor, apa poate fi răcită în turnuri speciale de răcire, care, datorită dimensiunilor lor, sunt de obicei partea cea mai vizibilă a unei centrale nucleare.

Structura reactorului nuclear

Un reactor nuclear folosește un proces de fisiune nucleară în care un nucleu greu se rupe în două fragmente mai mici.

Aceste fragmente sunt într-o stare foarte excitată și emit neutroni, alte particule subatomice și fotoni.

Neutronii pot provoca noi fisiuni, ducând la emiterea mai multor dintre ele și așa mai departe.

O astfel de serie continuă de diviziuni auto-susținută se numește reacție în lanț.

Aceasta eliberează o cantitate mare de energie, a cărei producere este scopul utilizării centralelor nucleare.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear și al unei centrale nucleare este astfel încât aproximativ 85% din energia de fisiune este eliberată într-o perioadă foarte scurtă de timp după începerea reacției.

Restul este produs de dezintegrarea radioactivă a produselor de fisiune după ce au emis neutroni.

Dezintegrarea radioactivă este un proces în care un atom ajunge într-o stare mai stabilă. Continuă după ce diviziunea este finalizată.

Elementele de bază ale unui reactor nuclear

• Combustibil nuclear: uraniu îmbogățit, izotopi de uraniu și plutoniu. Cel mai des folosit este uraniul 235;
• Lichid de răcire pentru îndepărtarea energiei generate în timpul funcționării reactorului: apă, sodiu lichid etc.;
• Tije de control;
• moderator de neutroni;
• Manta de protectie impotriva radiatiilor.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear

În miezul reactorului există elemente de combustibil (elemente de combustibil) - combustibil nuclear.

Acestea sunt asamblate în casete care conțin câteva zeci de bare de combustibil. Lichidul de răcire curge prin canale prin fiecare casetă.

Barele de combustibil reglează puterea reactorului. O reacție nucleară este posibilă numai la o anumită masă (critică) a tijei de combustibil.

Masa fiecărei tije individual este sub cea critică. Reacția începe când toate tijele sunt în zona activă. Prin introducerea și îndepărtarea barelor de combustibil, reacția poate fi controlată.

Deci, atunci când masa critică este depășită, elementele de combustibil radioactiv emit neutroni care se ciocnesc cu atomii.

Ca urmare, se formează un izotop instabil, care se descompune imediat, eliberând energie sub formă de radiație gamma și căldură.

Particulele care se ciocnesc împart energie cinetică între ele, iar numărul dezintegrarilor crește exponențial.

Aceasta este o reacție în lanț - principiul funcționării unui reactor nuclear. Fără control, are loc cu viteza fulgerului, ceea ce duce la o explozie. Dar într-un reactor nuclear procesul este sub control.

Astfel, în miez este eliberată energie termică, care este transferată în apa care spală această zonă (circuit primar).

Aici temperatura apei este de 250-300 de grade. În continuare, apa transferă căldură către al doilea circuit și apoi către paletele turbinei care generează energie.

Conversia energiei nucleare în energie electrică poate fi reprezentată schematic:

• Energia internă a unui nucleu de uraniu
• Energia cinetică a fragmentelor de nuclee degradate și a neutronilor eliberați
• Energia internă a apei și aburului
• Energia cinetică a apei și aburului
• Energia cinetică a rotoarelor turbinei și generatoarelor
• Energie electrică

Miezul reactorului este format din sute de casete unite printr-o carcasă metalică. Acest înveliș joacă, de asemenea, rolul unui reflector de neutroni.

Printre casete sunt introduse tije de control pentru reglarea vitezei de reacție și tije de protecție în caz de urgență a reactorului.

Stație de alimentare cu căldură nucleară

Primele proiecte ale unor astfel de stații au fost dezvoltate încă din anii 70 ai secolului XX, dar din cauza revoltelor economice care au avut loc la sfârșitul anilor 80 și a opoziției publice severe, niciunul dintre ele nu a fost pe deplin implementat.

Excepție este centrala nucleară Bilibino de mică capacitate, care alimentează satul Bilibino din Arctica (10 mii de locuitori) și local întreprinderi miniere, precum și reactoare de apărare (produc plutoniu):

• Centrala nucleară din Siberia, care furnizează căldură la Seversk și Tomsk.
• Reactorul ADE-2 de la combinatul minier și chimic Krasnoyarsk, care furnizează energie termică și electrică orașului Zheleznogorsk din 1964.

La momentul crizei, începuse construcția mai multor AST-uri bazate pe reactoare similare cu VVER-1000:

• Voronezh AST
• Gorki AST
• Ivanovo AST (numai planificat)

Construcția acestor AST-uri a fost oprită în a doua jumătate a anilor 1980 sau începutul anilor 1990.

În 2006, concernul Rosenergoatom plănuia să construiască o centrală nucleară plutitoare pentru Arkhangelsk, Pevek și alte orașe polare, pe baza reactorului KLT-40, folosit la spărgătoarele de gheață nucleare.

Există un proiect de construcție a unei centrale nucleare nesupravegheate bazată pe reactorul Elena și a unei centrale mobile (pe cale ferată) cu reactor Angstrem.

Dezavantajele și avantajele centralelor nucleare

Orice proiect de inginerie are părțile sale pozitive și negative.

Aspecte pozitive ale centralelor nucleare:

• Fără emisii nocive;
• Emisiile de substanțe radioactive sunt de câteva ori mai mici decât energia electrică de cărbune. stații de putere similară (centralele termice cu cenușă de cărbune conțin un procent de uraniu și toriu suficient pentru extracția lor rentabilă);
• Volumul mic de combustibil folosit și posibilitatea reutilizarii acestuia după procesare;
• Putere mare: 1000-1600 MW per unitate de putere;
• Cost redus al energiei, în special al energiei termice.

Aspecte negative ale centralelor nucleare:

• Combustibilul iradiat este periculos și necesită măsuri complexe și costisitoare de reprocesare și depozitare;
• Funcționarea cu putere variabilă nu este de dorit pentru reactoarele cu neutroni termici;
• Consecințele unui posibil incident sunt extrem de grave, deși probabilitatea acestuia este destul de mică;
• Mare investitii de capital, atât specifice, la 1 MW de putere instalată pentru unitățile cu o capacitate mai mică de 700-800 MW, cât și generale, necesare construcției stației, infrastructurii acesteia, precum și în cazul unei eventuale lichidări.

Evoluții științifice în domeniul energiei nucleare

Desigur, există neajunsuri și preocupări, dar energia nucleară pare să fie cea mai promițătoare.

Metodele alternative de obținere a energiei din energia mareelor, vântului, soarelui, surselor geotermale etc. nu au în prezent nivel înalt energia primită și concentrația sa scăzută.

Tipurile necesare de producere a energiei au riscuri individuale pentru mediu și turism, de exemplu, producția de celule fotovoltaice, care poluează mediul, pericolul parcurilor eoliene pentru păsări și modificări ale dinamicii valurilor.

Oamenii de știință se dezvoltă proiecte internationale reactoare nucleare de nouă generație, de exemplu GT-MGR, care vor îmbunătăți siguranța și vor crește eficiența centralelor nucleare.

Rusia a început construcția primei centrale nucleare plutitoare din lume, care ajută la rezolvarea problemei deficitului de energie în zonele de coastă îndepărtate ale țării.

SUA și Japonia dezvoltă minicentrale nucleare cu o capacitate de aproximativ 10-20 MW în scopul alimentării cu energie termică și electrică a industriilor individuale, ansamblurilor rezidențiale și, în viitor, caselor individuale.

O scădere a capacității fabricii implică o creștere a nivelului de producție. Reactoarele de dimensiuni mici sunt create folosind tehnologii sigure care reduc foarte mult posibilitatea de scurgere nucleară.

Producția de hidrogen

Guvernul SUA a adoptat Inițiativa privind hidrogenul atomic. Impreuna cu Coreea de Sud Se lucrează la crearea unei noi generații de reactoare nucleare capabile să producă cantități mari de hidrogen.

INEEL (Idaho National Engineering Environmental Laboratory) prezice că o unitate a centralei nucleare de următoarea generație va produce hidrogen echivalent cu 750.000 de litri de benzină zilnic.

Sunt finanțate cercetări privind fezabilitatea producerii hidrogenului la centralele nucleare existente.

Energia de fuziune

O perspectivă și mai interesantă, deși relativ îndepărtată, este utilizarea energiei de fuziune nucleară.

Reactoarele termonucleare, conform calculelor, vor consuma mai puțin combustibil pe unitatea de energie și atât acest combustibil în sine (deuteriu, litiu, heliu-3), cât și produsele sintezei lor sunt neradioactive și, prin urmare, sigure pentru mediu.

În prezent, cu participarea Rusiei, construcția reactorului termonuclear experimental internațional ITER este în curs de desfășurare în sudul Franței.

Ce este eficienta

Coeficient acțiune utilă(eficiență) - o caracteristică a eficienței unui sistem sau dispozitiv în raport cu conversia sau transmiterea energiei.

Este determinată de raportul dintre energia utilizată util și cantitatea totală de energie primită de sistem. Eficiența este o mărime adimensională și este adesea măsurată ca procent.

Eficiența centralei nucleare

Cea mai mare randament (92-95%) este avantajul hidrocentralelor. Acestea generează 14% din energia electrică a lumii.

Cu toate acestea, acest tip de stație este cel mai solicitant în ceea ce privește șantierul și, după cum a demonstrat practica, este foarte sensibil la respectarea regulilor de funcționare.

Exemplul evenimentelor de la CHE Sayano-Shushenskaya a arătat ce consecințe tragice pot rezulta din neglijarea regulilor de funcționare într-un efort de a reduce costurile de exploatare.

Centralele nucleare au randament ridicat (80%). Ponderea lor în producția globală de energie electrică este de 22%.

Dar centralele nucleare necesită o atenție sporită la problema siguranței, atât în ​​faza de proiectare, în timpul construcției, cât și în timpul funcționării.

Cea mai mică abatere de la reglementările stricte de siguranță pentru centralele nucleare este plină de consecințe fatale pentru întreaga umanitate.

Pe lângă pericolul imediat în caz de accident, utilizarea centralelor nucleare este însoțită de probleme de siguranță asociate cu eliminarea sau eliminarea combustibilului nuclear uzat.

Eficiența centralelor termice nu depășește 34% ele generează până la șaizeci la sută din energia electrică mondială.

Pe lângă energie electrică, termocentralele produc energie termică, care sub formă de abur fierbinte sau apă caldă poate fi transmisă consumatorilor pe o distanță de 20-25 de kilometri. Asemenea stații se numesc CHP (Heat Electric Central).

TPP-urile și centralele combinate de căldură și energie nu sunt costisitoare de construit, dar dacă nu se iau măsuri speciale, acestea au un impact negativ asupra mediului.

Impactul negativ asupra mediului depinde de ce combustibil este utilizat în unitățile termice.

Cele mai dăunătoare produse sunt arderea cărbunelui și a produselor petroliere grele; gazele naturale sunt mai puțin agresive.

Centralele termice sunt principalele surse de energie electrică în Rusia, SUA și majoritatea țărilor europene.

Cu toate acestea, există și excepții, de exemplu, în Norvegia, electricitatea este generată în principal de centrale hidroelectrice, iar în Franța, 70% din electricitate este generată de centrale nucleare.

Prima centrală electrică din lume

Prima centrală electrică centrală, Pearl Street, a fost pusă în funcțiune pe 4 septembrie 1882 în New York City.

Stația a fost construită cu sprijinul Edison Illuminating Company, care a fost condusă de Thomas Edison.

Pe el au fost instalate mai multe generatoare Edison cu o capacitate totală de peste 500 kW.

Stația a furnizat energie electrică unei întregi zone din New York cu o suprafață de aproximativ 2,5 kilometri pătrați.

Stația a ars din temelii în 1890, doar o dinam a supraviețuit, care se află acum în Greenfield Village Museum, Michigan.

La 30 septembrie 1882, prima centrală hidroelectrică, strada Vulcan din Wisconsin, a început să funcționeze. Autorul proiectului a fost G.D. Rogers, șeful Appleton Paper & Pulp Company.

La stație a fost instalat un generator cu o putere de aproximativ 12,5 kW. Era suficientă electricitate pentru a alimenta casa lui Rogers și cele două fabrici de hârtie ale lui.

Centrala electrică din Gloucester Road. Brighton a fost unul dintre primele orașe din Marea Britanie care a avut o sursă de energie neîntreruptă.

În 1882, Robert Hammond a fondat Hammond Electric Light Company, iar la 27 februarie 1882 a deschis centrala electrică Gloucester Road.

Stația a constat dintr-un dinam cu perii, care a fost folosit pentru a acționa șaisprezece lămpi cu arc.

În 1885, Gloucester Power Station a fost achiziționată de Brighton Electric Light Company. Ulterior, pe acest teritoriu a fost construită o nouă stație, formată din trei dinamo de perii cu 40 de lămpi.

Centrala Electrică a Palatului de Iarnă

În 1886, în una din curțile Schitului Nou a fost construită o centrală electrică.

Centrala electrică a fost cea mai mare din toată Europa, nu doar la momentul construcției, ci și în următorii 15 ani.

Anterior, lumânările erau folosite pentru a ilumina Palatul de iarnă, în 1861, au început să fie folosite lămpi cu gaz. Deoarece lămpile electrice aveau un avantaj mai mare, au început dezvoltările pentru introducerea iluminatului electric.

Înainte ca clădirea să fie transformată complet la energie electrică, iluminatul cu lampă a fost folosit pentru a ilumina sălile palatului în timpul Crăciunului și Sărbătorile de Anul Nou 1885.

La 9 noiembrie 1885, proiectul pentru construirea unei „fabrici de electricitate” a fost aprobat de împăratul Alexandru al III-lea. Proiectul a inclus electrificarea Palatului de Iarnă, a clădirilor Schitului, a curții și a împrejurimilor pe parcursul a trei ani până în 1888.

Era nevoie de eliminarea posibilității de vibrație a clădirii din funcționarea motoarelor cu abur, centrala electrică a fost amplasată într-un pavilion separat din sticlă și metal. A fost amplasată în a doua curte a Schitului, numită de atunci „Electric”.

Cum arăta stația

Clădirea gării a ocupat o suprafață de 630 m² și a fost compusă dintr-o sală de mașini cu 6 cazane, 4 mașini cu abur și 2 locomotive și o cameră cu 36 dinamo electrice. Puterea totală a ajuns la 445 CP.

O parte din încăperile din față au fost primele iluminate:

• Anticameră
• Sala Petrovsky
• Sala Mareșalului Mareșal
• Sala Armorialului
• Sala Sf. Gheorghe

Au fost oferite trei moduri de iluminare:

• aprindere completă (de vacanță) de cinci ori pe an (4888 de lămpi cu incandescență și 10 lumânări Yablochkov);
• de lucru – 230 lămpi cu incandescență;
• taxă (noapte) - 304 lămpi cu incandescență.
  Stația consuma aproximativ 30 de mii de puds (520 de tone) de cărbune pe an.

Mari centrale termice, centrale nucleare și hidrocentrale din Rusia

Cele mai mari centrale electrice din Rusia după districtul federal:

Central:

• Centrala electrică a districtului de stat Kostroma, care funcționează cu păcură;
• Stația Ryazan, principalul combustibil pentru care este cărbunele;
• Konakovskaya, care poate funcționa cu gaz și păcură;

Ural:

• Surgutskaya 1 și Surgutskaya 2. Stații, care sunt una dintre cele mai mari centrale electrice din Federația Rusă. Ambele funcționează cu gaze naturale;
• Reftinskaya, care funcționează pe cărbune și este una dintre cele mai mari centrale electrice din Urali;
• Troitskaya, tot pe cărbune;
• Iriklinskaya, principala sursă de combustibil pentru care este păcura;

Privolzhsky:

• Centrala electrică din districtul de stat Zainskaya, care funcționează cu păcură;

Districtul Federal Siberian:

• Centrala electrică din districtul de stat Nazarovo, care consumă păcură;

Sudul:

• Stavropolskaya, care poate funcționa și cu combustibil combinat sub formă de gaz și păcură;

Nord-Vest:

• Kirishskaya cu păcură.

Lista centralelor rusești care generează energie folosind apă, situate pe teritoriul cascadei Angara-Yenisei:

Yenisei:

• Sayano-Shushenskaya
• Centrala hidroelectrică Krasnoyarsk;

Angara:

• Irkutsk
• Bratskaya
• Ust-Ilimskaya.

Centrale nucleare din Rusia

CNE Balakovo

Situat lângă orașul Balakovo, regiunea Saratov, pe malul stâng al lacului de acumulare Saratov. Este format din patru unități VVER-1000, puse în funcțiune în 1985, 1987, 1988 și 1993.

CNE Beloyarsk

Situat în orașul Zarechny, în Regiunea Sverdlovsk, a doua centrală nucleară industrială din țară (după Siberia).

La stație au fost construite patru unități de putere: două cu reactoare cu neutroni termici și două cu reactoare cu neutroni rapizi.

În prezent, unitățile de putere în exploatare sunt a 3-a și a 4-a unități de putere cu reactoare BN-600 și BN-800 cu o putere electrică de 600 MW, respectiv 880 MW.

BN-600 a fost pus în funcțiune în aprilie 1980 - prima unitate de putere la scară industrială din lume cu un reactor cu neutroni rapid.

BN-800 livrat la operare industrialaîn noiembrie 2016. Este, de asemenea, cea mai mare unitate de putere cu reactor rapid din lume.

CNE Bilibino

Situat lângă orașul Bilibino, regiunea autonomă Chukotka. Este format din patru unități EGP-6 cu o capacitate de 12 MW fiecare, puse în funcțiune în 1974 (două unități), 1975 și 1976.

Produce energie electrică și termică.

CNE Kalinin

Este situat în nordul regiunii Tver, pe malul sudic al lacului Udomlya și în apropierea orașului cu același nume.

Este format din patru unități de putere cu reactoare de tip VVER-1000 cu o capacitate electrică de 1000 MW, care au fost puse în funcțiune în 1984, 1986, 2004 și 2011.

La 4 iunie 2006, a fost semnat un acord privind construcția celei de-a patra unități de putere, care a fost pusă în funcțiune în 2011.

CNE Kola

Situat lângă orașul Polyarnye Zori, regiunea Murmansk, pe malul lacului Imandra.

Este format din patru unități VVER-440, puse în funcțiune în 1973, 1974, 1981 și 1984.
Puterea stației este de 1760 MW.

CNE Kursk

Una dintre cele mai mari patru centrale nucleare din Rusia, cu aceeași capacitate de 4000 MW.

Situat lângă orașul Kurchatov, regiunea Kursk, pe malul râului Seim.

Este format din patru unități RBMK-1000, puse în funcțiune în 1976, 1979, 1983 și 1985.

Puterea stației este de 4000 MW.

CNE Leningrad

Una dintre cele mai mari patru centrale nucleare din Rusia, cu aceeași capacitate de 4000 MW.

Situat lângă orașul Sosnovy Bor, regiunea Leningrad, pe coasta Golfului Finlandei.

Este format din patru unități RBMK-1000, puse în funcțiune în 1973, 1975, 1979 și 1981.

Puterea stației este de 4 GW. În 2007, producția a fost de 24,635 miliarde kWh.

CNE Novovoronezh

Situat în regiunea Voronezh, lângă orașul Voronezh, pe malul stâng al râului Don. Constă din două unități VVER.

Oferă 85% Regiunea Voronej energie electrica, asigură căldură 50% din orașul Novovoronezh.

Puterea stației (excluzând ) este de 1440 MW.

CNE Rostov

Situat în regiunea Rostov, lângă orașul Volgodonsk. Puterea electrică a primei unități de putere este de 1000 MW în 2010, a doua unitate de putere a stației a fost conectată la rețea.

În 2001-2010, stația a fost numită CNE Volgodonsk odată cu lansarea celei de-a doua unități de energie a CNE, stația a fost redenumită oficial CNE Rostov.

În 2008, centrala nucleară a produs 8,12 miliarde kWh de energie electrică. Factorul de utilizare a capacității instalate (IUR) a fost de 92,45%. De la lansare (2001), a generat peste 60 de miliarde de kWh de energie electrică.

CNE Smolensk

Situat în apropierea orașului Desnogorsk, regiunea Smolensk. Stația este formată din trei unități de putere cu reactoare de tip RBMK-1000, care au fost puse în funcțiune în 1982, 1985 și 1990.

Fiecare unitate de putere include: un reactor cu o putere termică de 3200 MW și două turbogeneratoare cu o putere electrică de 500 MW fiecare.

centrale nucleare din SUA

Centrala nucleară Shippingport, cu o capacitate nominală de 60 MW, a fost deschisă în 1958 în Pennsylvania. După 1965, au avut loc construcții intensive centrale nucleare pe tot cuprinsul Statelor Unite.

Cea mai mare parte a centralelor nucleare din America au fost construite în cei 15 ani de după 1965, înainte de primul accident grav la o centrală nucleară de pe planetă.

Dacă accidentul de la centrala nucleară de la Cernobîl este amintit ca fiind primul accident, atunci nu este așa.

Cauza accidentului au fost nereguli în sistemul de răcire a reactorului și numeroase erori ale personalului de exploatare. Drept urmare, combustibilul nuclear s-a topit. A fost nevoie de aproximativ un miliard de dolari pentru a elimina consecințele accidentului, procesul de lichidare a durat 14 ani.

După accident, guvernul Statelor Unite ale Americii a ajustat condițiile de siguranță pentru funcționarea tuturor centralelor nucleare din stat.

Acest lucru a dus, în consecință, la continuarea perioadei de construcție și la o creștere semnificativă a prețului instalațiilor „atomi pașnici”. Astfel de schimbări au încetinit dezvoltarea industriei generale în Statele Unite.

La sfârșitul secolului al XX-lea, Statele Unite aveau 104 reactoare în funcțiune. Astăzi, Statele Unite se află pe primul loc pe pământ în ceea ce privește numărul de reactoare nucleare.

De la începutul secolului al XXI-lea, patru reactoare au fost închise în America din 2013, iar construcția altor patru a început.

De fapt, astăzi în Statele Unite funcționează 100 de reactoare la 62 de centrale nucleare, care produc 20% din toată energia din stat.

Ultimul reactor construit în Statele Unite a intrat în funcțiune în 1996 la centrala electrică Watts Bar.

Autoritățile americane au adoptat noi linii directoare de politică energetică în 2001. Include un vector de dezvoltare energie nucleară, prin dezvoltarea de noi tipuri de reactoare, cu un factor de eficiență mai potrivit, noi opțiuni de reprocesare a combustibilului nuclear uzat.

Planurile până în 2020 au inclus construcția a câteva zeci de reactoare nucleare noi, cu o capacitate totală de 50.000 MW. În plus, să se realizeze o creștere a capacității centralelor nucleare existente cu aproximativ 10.000 MW.

SUA este lider în număr de centrale nucleare din lume

Datorită implementării acestui program, în America a început în 2013 construcția a patru noi reactoare - dintre care două la centrala nucleară Vogtl, iar celelalte două la VC Summer.

Aceste patru reactoare sunt cel mai recent tip - AP-1000, fabricate de Westinghouse.

Ciclu de viață combustibilul nuclear pe bază de uraniu sau plutoniu începe la întreprinderile miniere, uzinele chimice, în centrifuge cu gaz și nu se termină în momentul în care ansamblul combustibil este descărcat din reactor, deoarece fiecare ansamblu combustibil trebuie să parcurgă o cale lungă de eliminare și apoi reprocesare.

Extracția materiilor prime pentru combustibil nuclear

Uranus este cel mai mult metal greu pe pământ. Aproximativ 99,4% din uraniul pământului este uraniu-238 și doar 0,6% este uraniu-235. Raportul Cartei Roșii al Agenției Internaționale pentru Energie Atomică arată că producția și cererea de uraniu sunt în creștere, în ciuda accidentului nuclear de la Fukushima, care i-a lăsat pe mulți să se întrebe despre perspectivele energiei nucleare. Numai în ultimii ani, rezervele dovedite de uraniu au crescut cu 7%, ceea ce este asociat cu descoperirea de noi zăcăminte. Cel mai mult marii producatori Kazahstanul, Canada și Australia rămân până la 63% din uraniul mondial. În plus, rezervele de metale sunt disponibile în Australia, Brazilia, China, Malawi, Rusia, Niger, SUA, Ucraina, China și alte țări. Anterior, Pronedra a scris că în 2016 au fost extrase 7,9 mii de tone de uraniu în Federația Rusă.

În zilele noastre, uraniul este extras în trei în moduri diferite. Metoda deschisă nu își pierde relevanța. Este utilizat în cazurile în care depozitele sunt aproape de suprafața pământului. La metoda deschisa buldozerele creează o carieră, apoi minereul cu impurități este încărcat în basculante pentru transport la complexele de procesare.

Adesea corpul de minereu se află la mare adâncime, caz în care se folosește metoda de exploatare subterană. O mină este săpată până la doi kilometri adâncime, roca este extrasă prin forare în drifturi orizontale și transportată în sus în lifturile de marfă.

Amestecul care este transportat în sus în acest fel are multe componente. Roca trebuie zdrobită, diluată cu apă și îndepărtat excesul. Apoi, se adaugă acid sulfuric la amestec pentru a efectua procesul de leșiere. În timpul acestei reacții, chimiștii obțin un precipitat galben de săruri de uraniu. În cele din urmă, uraniul cu impurități este purificat într-o instalație de rafinare. Abia după aceasta se produce oxid de uraniu, care este tranzacționat la bursă.

Există o metodă mult mai sigură, ecologică și eficientă din punct de vedere al costurilor, numită foraj de leșiere in situ (ISL).

Cu această metodă de exploatare, teritoriul rămâne sigur pentru personal, iar fondul de radiații corespunde fondului din orașele mari. Pentru a extrage uraniu folosind leșierea, trebuie să forați 6 găuri la colțurile hexagonului. Prin aceste puțuri, acidul sulfuric este pompat în depozitele de uraniu și amestecat cu sărurile sale. Această soluție este extrasă, și anume, pompată printr-un puț din centrul hexagonului. Pentru a obține concentrația necesară de săruri de uraniu, amestecul este trecut de mai multe ori prin coloane de sorbție.

Producția de combustibil nuclear

Este imposibil să ne imaginăm producția de combustibil nuclear fără centrifuge cu gaz, care sunt folosite pentru a produce uraniu îmbogățit. După atingerea concentrației necesare, dioxidul de uraniu este presat în așa-numitele tablete. Sunt create folosind lubrifianți care sunt îndepărtați în timpul arderii în cuptoare. Temperatura de ardere ajunge la 1000 de grade. După aceasta, tabletele sunt verificate pentru a se asigura că îndeplinesc cerințele menționate. Calitatea suprafeței, conținutul de umiditate și raportul dintre oxigen și uraniu sunt importante.

În același timp, învelișurile tubulare pentru elementele de combustibil sunt pregătite într-un alt atelier. Procesele de mai sus, inclusiv dozarea și ambalarea ulterioară a tabletelor în tuburi de înveliș, etanșarea, decontaminarea, se numesc fabricarea combustibilului. În Rusia, crearea ansamblurilor de combustibil (FA) este realizată de întreprinderile „Uzina de construcție de mașini” din regiunea Moscova, „Uzina de concentrate chimice Novosibirsk” din Novosibirsk, „Uzina de polimetal din Moscova” și altele.

Fiecare lot de ansambluri de combustibil este creat pentru un anumit tip de reactor. Ansamblurile de combustibili europene sunt realizate în formă de pătrat, în timp ce cele rusești au o secțiune transversală hexagonală. Reactoarele de tip VVER-440 și VVER-1000 sunt utilizate pe scară largă în Federația Rusă. Primele elemente de combustibil pentru VVER-440 au început să fie dezvoltate în 1963, iar pentru VVER-1000 - în 1978. În ciuda faptului că noi reactoare cu tehnologii de siguranță post-Fukushima sunt introduse în mod activ în Rusia, există multe instalații nucleare de stil vechi care funcționează în întreaga țară și în străinătate, astfel încât ansamblurile de combustibil rămân la fel de relevante pentru diferite tipuri reactoare.

De exemplu, pentru a furniza ansambluri de combustibil pentru un miez al reactorului RBMK-1000, sunt necesare peste 200 de mii de componente din aliaje de zirconiu, precum și 14 milioane de pelete de dioxid de uraniu sinterizat. Uneori, costul de fabricație a unui ansamblu combustibil poate depăși costul combustibilului conținut în elemente, motiv pentru care este atât de important să se asigure o eficiență energetică ridicată per kilogram de uraniu.

Costuri pentru procesele de productie V %

Separat, merită menționate ansamblurile de combustibil pentru reactoarele de cercetare. Ele sunt concepute astfel încât să facă observarea și studiul procesului de generare a neutronilor cât mai confortabile. Astfel de bare de combustibil pentru experimente în domeniile fizicii nucleare, producția de izotopi și medicina radiațiilor sunt produse în Rusia de uzina de concentrate chimice din Novosibirsk. FA-urile sunt create pe baza elementelor fără sudură cu uraniu și aluminiu.

Producția de combustibil nuclear în Federația Rusă este realizată de compania de combustibil TVEL (o divizie a Rosatom). Compania lucrează la îmbogățirea materiilor prime, asamblarea elementelor combustibile și oferă, de asemenea, servicii de autorizare a combustibilului. Uzina mecanică Kovrov din regiunea Vladimir și uzina de centrifugare a gazelor Ural din regiunea Sverdlovsk creează echipamente pentru ansamblurile de combustibil rusești.

Caracteristici ale transportului barelor de combustibil

Uraniul natural se caracterizează printr-un nivel scăzut de radioactivitate, totuși, înainte de producerea ansamblurilor de combustibil, metalul este supus unei proceduri de îmbogățire. Conținutul de uraniu-235 din minereul natural nu depășește 0,7%, iar radioactivitatea este de 25 becquerelli la 1 miligram de uraniu.

Peleții de uraniu, care sunt plasați în ansambluri de combustibil, conțin uraniu cu o concentrație de uraniu-235 de 5%. Ansamblurile combustibile finite cu combustibil nuclear se transportă în mod special recipiente metalice rezistență ridicată. Pentru transport se utilizează transportul feroviar, rutier, maritim și chiar aerian. Fiecare container conține două ansambluri. Transportul combustibilului neiradiat (proaspăt) nu prezintă un pericol de radiație, deoarece radiația nu se extinde dincolo de tuburile de zirconiu în care sunt plasate granulele de uraniu presate.

Se dezvoltă o rută specială pentru transportul de combustibil; încărcătura este transportată însoțită de personal de securitate de la producător sau client (mai des), ceea ce se datorează în primul rând costului ridicat al echipamentului. În întreaga istorie a producției de combustibil nuclear, nu a fost înregistrat niciun accident de transport care să implice ansambluri de combustibil care să fi afectat fondul de radiații al mediului sau să fi dus la victime.

Combustibil în miezul reactorului

O unitate de combustibil nuclear - un TTEL - este capabilă să elibereze cantități enorme de energie pe o perioadă lungă de timp. Nici cărbunele, nici gazul nu se pot compara cu astfel de volume. Ciclul de viață al combustibilului la orice centrală nucleară începe cu descărcarea, îndepărtarea și depozitarea combustibilului proaspăt în depozitul de ansamblu de combustibil. Când lotul anterior de combustibil din reactor se arde, personalul asamblează ansamblurile de combustibil pentru încărcare în miez (zona de lucru a reactorului unde are loc reacția de descompunere). De regulă, combustibilul este reîncărcat parțial.

Combustibilul complet este adăugat în miez numai în momentul primei porniri a reactorului. Acest lucru se datorează faptului că barele de combustibil din reactor ard în mod neuniform, deoarece fluxul de neutroni variază în intensitate în diferite zone ale reactorului. Datorită dispozitivelor de contorizare, personalul stației are posibilitatea de a monitoriza în timp real gradul de ardere al fiecărei unități de combustibil și de a efectua înlocuiri. Uneori, în loc să încarce noi ansambluri de combustibil, ansamblurile sunt mutate între ele. În centrul zonei active, epuizarea apare cel mai intens.

FA după o centrală nucleară

Uraniul care a fost cheltuit într-un reactor nuclear se numește iradiat sau ars. Și astfel de ansambluri de combustibil sunt combustibil nuclear uzat. SNF este poziționat separat de deșeurile radioactive, deoarece are cel puțin 2 componente utile - uraniu nears (adâncimea de ardere a metalului nu atinge niciodată 100%) și radionuclizi transuraniu.

ÎN în ultima vreme fizicienii au început să folosească izotopii radioactivi acumulați în combustibilul nuclear uzat în industrie și medicină. După ce combustibilul și-a încheiat campania (timpul în care ansamblul se află în miezul reactorului în condiții de funcționare la puterea nominală), acesta este trimis în piscina de răcire, apoi spre depozitare direct în compartimentul reactorului, iar după aceea pentru reprocesare sau eliminare. Piscina de răcire este proiectată pentru a elimina căldura și a proteja împotriva radiațiilor ionizante, deoarece ansamblul combustibilului rămâne periculos după scoaterea din reactor.

În SUA, Canada sau Suedia, combustibilul uzat nu este trimis spre reprocesare. Alte țări, inclusiv Rusia, lucrează la un ciclu închis al combustibilului. Vă permite să reduceți semnificativ costul de producere a combustibilului nuclear, deoarece o parte din combustibilul uzat este reutilizată.

Barele de combustibil sunt dizolvate în acid, după care cercetătorii separă plutoniul și uraniul neutilizat de deșeuri. Aproximativ 3% din materii prime nu pot fi refolosite; acestea sunt deșeuri de mare activitate care sunt supuse unor proceduri de bituminizare sau vitrificare.

1% plutoniu poate fi recuperat din combustibilul nuclear uzat. Acest metal nu trebuie să fie îmbogățit; Rusia îl folosește în procesul de producere a combustibilului inovator MOX. Un ciclu de combustibil închis face posibilă realizarea unui ansamblu de combustibil cu aproximativ 3% mai ieftin, dar această tehnologie necesită investiții mari în construcția de unități industriale, așa că nu a devenit încă răspândită în lume. Cu toate acestea, compania de combustibil Rosatom nu oprește cercetările în această direcție. Pronedra a scris recent că în Federația Rusă lucrează la combustibil capabil să recicleze izotopi de americiu, curiu și neptuniu din miezul reactorului, care sunt incluși în aceleași 3% din deșeurile foarte radioactive.

Producători de combustibili nucleari: rating

1. Compania franceză Areva a furnizat până de curând 31% din piața globală a ansamblurilor de combustibil. Compania produce combustibil nuclear și asamblează componente pentru centralele nucleare. În 2017, Areva a suferit o renovare calitativă, noi investitori au venit în companie, iar pierderea colosală a anului 2015 a fost redusă de 3 ori.
2. Westinghouse - divizia americană companie japoneză Toshiba. Ea dezvoltă activ piața din Europa de Est, furnizând ansambluri de combustibil pentru centralele nucleare din Ucraina. Împreună cu Toshiba, oferă 26% din piața globală de producție a combustibilului nuclear.
3. Pe locul trei se află compania de combustibili TVEL a corporației de stat Rosatom (Rusia). TVEL furnizează 17% din piața globală, are un portofoliu de contracte pe zece ani în valoare de 30 de miliarde de dolari și furnizează combustibil la peste 70 de reactoare. TVEL dezvoltă ansambluri de combustibil pentru reactoare VVER și intră, de asemenea, pe piața centralelor nucleare de design occidental.
4. Japan Nuclear Fuel Limited, conform celor mai recente date, furnizează 16% din piața mondială și furnizează ansambluri de combustibil pentru majoritatea reactoarelor nucleare din Japonia.
5. Mitsubishi Heavy Industries este un gigant japonez care produce turbine, cisterne, aparate de aer condiționat și, mai recent, combustibil nuclear pentru reactoare în stil occidental. Mitsubishi Heavy Industries (o divizie a companiei-mamă) este angajată în construcția de reactoare nucleare APWR și activități de cercetare împreună cu Areva. Această companie a fost aleasă de guvernul japonez pentru a dezvolta noi reactoare.

Utilizarea combustibilului nuclear în reactoare pentru producerea de energie are o serie de caracteristici datorită proprietăților fizice și naturii proceselor care au loc. Aceste caracteristici determină specificul energiei nucleare, cerințele tehnologice, condițiile speciale de funcționare, indicatorii economici și impactul asupra mediului.

În primul rând, remarcăm puterea calorică ridicată a combustibilului nuclear. În timpul arderii (oxidării), de exemplu, a carbonului în reacția C + O 2 → CO 2, se eliberează 4 eV de energie pentru fiecare interacțiune, iar monoxidul de carbon rezultat duce la un efect de seră cu consecințe globale pentru planetă. Fisiunea unui atom de combustibil nuclear eliberează aproximativ 200 MeV de energie. Eliberarea de energie în aceste două procese diferă de 50 de milioane de ori. În ceea ce privește unitatea de masă, degajările de energie diferă cu un factor de 2,5 milioane.

Conținutul caloric ridicat determină o reducere bruscă atât a masei, cât și a volumelor fizice de combustibil nuclear necesar pentru a produce o anumită cantitate de energie. Astfel, depozitarea și transportul materiei prime (concentrat de uraniu) și combustibilului nuclear finit necesită costuri relativ scăzute. Consecința acestui fapt este independența amplasării centralelor nucleare față de zonele de producție și producție de combustibil, care influențează semnificativ alegerea locației avantajoase din punct de vedere economic a forțelor productive. Putem spune că utilizarea combustibilului nuclear poate corecta „nedreptatea” naturii în distribuția geografică extrem de inegală a resurselor energetice. Dificultățile asociate cu condițiile climatice sezoniere de livrare și aprovizionare cu combustibil, care apar în mod constant în est și nordul îndepărtat, sunt eliminate. Intensitatea energetică mare a combustibilului nuclear determină numărul relativ mic de lucrători implicați în extracția, producerea și livrarea combustibilului către consumator pe unitatea de energie produsă în comparație cu extracția și transportul combustibilului organic, ceea ce asigură, în final, o productivitate ridicată a muncii în domeniul nuclear. energie.

O caracteristică importantă a combustibilului nuclear este imposibilitatea fundamentală a arderii sale complete. Pentru a funcționa un reactor la o putere dată pentru un timp dat, sarcina de combustibil trebuie să fie peste o masă critică. Acest exces oferă o marjă de reactivitate care este necesară pentru o cantitate dată sau calculată de combustibil separată pe unitate de volum sau masă, de ex. pentru a atinge o anumită adâncime de ardere. Odată atinsă această ardere, când rezerva de reactivitate este epuizată, este necesară înlocuirea combustibilului uzat cu combustibil nou. Combustibilul descărcat conține o cantitate semnificativă de materiale fisionabile și fertile și, după ce a fost purificat din produsele de fisiune, poate fi reîntors în ciclul combustibilului. De aici rezultă că combustibilul nuclear trebuie să circule în mod repetat prin reactoare și întreprinderi din industria nucleară: uzine radiochimice și fabrici pentru producția de bare de combustibil și ansambluri de combustibil(TVS). Prin reciclarea (reutilizarea) uraniului și plutoniului, nevoia de uraniu natural și capacitatea de îmbogățire a combustibilului este redusă semnificativ. Rețineți că cantitatea de combustibil nuclear de prelucrat în ciclul combustibilului pentru o centrală nucleară cu o putere electrică de 1 GW este de 20-30 de tone/an pentru VVER-1000 și de aproximativ 50 de tone/an pentru RBMK-1000.

Cerința de a conține în mod constant o masă mare de combustibil în miezul reactorului, proiectat pentru o perioadă lungă de funcționare pentru a asigura o ardere dată, provoacă costuri unice semnificative pentru plata primei încărcături de combustibil și a loturilor ulterioare pregătite pentru încărcare. Aceasta este o diferență foarte semnificativă și fundamentală în condițiile de utilizare a combustibilului nuclear în centralele electrice față de combustibilul organic.

Acumularea de produse radioactive de fisiune în combustibil în timpul dezintegrarii lor ulterioare după terminarea reacției în lanț duce la eliberarea de căldură reziduală, care scade cu timpul aproximativ conform unei legi de putere:

N(t) = 0,07N[t -0,2 – (t+ ) -0,2 ], (2,1)

Unde N- puterea reactorului înainte de oprire, N(t) este puterea de eliberare a căldurii după oprirea reactorului,  este timpul de funcționare a reactorului la putere N pana la oprire, t- timpul după oprire. Din expresia (2.1) rezultă că imediat după oprire, degajarea de căldură în miez este de 7% din puterea nominală. Eliberarea de energie reziduală, activitatea lichidului de răcire și a elementelor miezului reactorului, necesitatea luării în considerare a situațiilor de urgență ipotetice impun cerințe speciale privind proiectarea, construcția și exploatarea centralelor nucleare, sistemelor de protecție și control al reactoarelor. Aceste cerințe nu au analogi în ingineria energiei termice care utilizează combustibili fosili. Satisfacerea cerințelor de siguranță ale centralelor nucleare determină o creștere a costurilor de capital de 1,5-2 ori față de centralele termice tradiționale.

2.2. Burn-up este o măsură a producției de energie

combustibil nuclear

Caracteristica energetică a oricărui combustibil este sa putere calorica, adică degajare de căldură pe unitate de masă. Caracteristica energetică a combustibilului nuclear este producția de energie specifică - energie termică care poate fi eliberată pe unitatea de masă de combustibil nuclear cu o compoziție izotopică dată pe toată perioada de ședere în reactor. Producția specifică de energie Combustibilul nuclear (B) se măsoară de obicei în megawați-zi pe tonă (MW zi/t) sau în megawați-zi pe kilogram (MW zi/kg).

Eliberarea de energie termică într-un reactor este rezultatul fisiunii nucleare și poate fi exprimată prin numărul de nuclee sau masa combustibilului fisurat împărțit la nivelul lor. număr total. Această unitate de masă a arderii ( adâncimea de ardere La 1) se poate exprima ca procent, kg/t, g/kg etc. Valoarea B 1 indică, de asemenea, cantitatea de produse de fisiune acumulată în barele de combustibil. Producția specifică de energie și arderea combustibilului nuclear sunt cantități echivalente cu dimensiuni diferite. Aceștia sunt cei mai importanți parametri care caracterizează utilizarea combustibilului nuclear în reactoare. Adâncimea de ardere are o mare influență asupra indicatorilor tehnici și economici nu numai ai centralelor nucleare, ci și a întregului ciclu al combustibilului.

Să determinăm relația dintre B și B 1 pentru dioxidul de uraniu - combustibilul reactoarelor de putere moderne. Numărul de nuclee de uraniu dintr-un gram de dioxid de uraniu este egal cu numărul lui Avogadro împărțit la greutatea moleculară: 6,022·10 23 /270 = 2,32·10 21 1/g. Energia eliberată în timpul unui eveniment de fisiune este de 3,2·10 -11 J. Numărul de fisiuni necesare pentru a produce 1 MW·zi (8,64·10 10 J) este de 2,7·10 21 . Astfel, pentru a obține energie de 1 MW zi, este necesar să se asigure fisiunea a 1,16 g dioxid de uraniu. Notând această cantitate prin k, să notăm relația dintre energie și unitățile de ardere a masei:

B 1 = k V. (2.2)

Dacă într-o tonă de dioxid de uraniu se separă 1% din atomii de uraniu (2,32 10 25), atunci producția de energie va fi de 2,32 10 25 / 2,7 10 21 = 8593 MW zi/t. Burningul a 1% din atomii grei corespunde pentru dioxid de uraniu la 2,44·10 20 diviziuni/cm 3 .

Dacă luăm în considerare greutatea doar a uraniului, atunci k= 1,05. În acest caz, o ardere de 1% corespunde unei producții de energie de uraniu de 9520 MW zi/t. În calculele ulterioare legate de reactoarele cu neutroni termici, vom lua k= 1,05. Cu toate acestea, adâncimea de ardere nu determină complet consumul de nuclizi fisionali în miezul reactorului. Odată cu fisiunea nucleară are loc reacția de captare a radiațiilor și transformarea nuclizilor fisionali în cei nefisionali. Pentru 235 U, probabilitatea de a capta un neutron fără fisiune și de a produce izotopul de 236 U este de aproximativ 0,15. Aceasta înseamnă pierderea unui izotop fisionabil fără eliberarea de energie. Pentru 239 Pu, transformarea în izotopul nefisionabil 240 Pu ca urmare a captării radiative are o probabilitate de 0,26. Prezența captării radiațiilor concurente cu procesul de fisiune duce la o creștere ineficientă a consumului de nuclizi fisionali. În reactoarele cu neutroni termici, când se produc 1 MW zi de energie termică, se consumă nu 1,05 g, ci 1,2-1,22 g de 235 U, inclusiv 0,15-0,17 g fără eliberare de energie, dar cu ardere de 1%, producția de energie de uraniu este de 8300 MW zi/t. Toate acestea sunt luate în considerare la calcularea miezului și la determinarea îmbogățirii necesare a combustibilului cu izotop fisionabil.

Datorită faptului că combustibilul nuclear este mai eficient decât toate celelalte tipuri de combustibil pe care le avem astăzi, se acordă o mare preferință tot ceea ce poate funcționa cu ajutorul centralelor nucleare (centrale nucleare, submarine, nave etc.). Vom vorbi în continuare despre cum este produs combustibilul nuclear pentru reactoare.

Uraniul este extras în două moduri principale:
1) Exploatarea directă în cariere sau mine, dacă adâncimea uraniului o permite. Cu această metodă, sper că totul este clar.
2) Leșiere in situ. Acesta este momentul în care puțurile sunt forate în locul în care se găsește uraniul, o soluție slabă de acid sulfuric este pompată în ele, iar soluția interacționează cu uraniul, combinându-se cu acesta. Apoi amestecul rezultat este pompat la suprafață, iar uraniul este separat de acesta prin metode chimice.

Să ne imaginăm că am extras deja uraniu la mină și l-am pregătit pentru transformări ulterioare. Fotografia de mai jos arată așa-numitul „tort galben”, U3O8. Într-un butoi pentru transport suplimentar.

Totul ar fi bine, iar teoretic acest uraniu ar putea fi folosit imediat pentru a produce combustibil pentru centralele nucleare, dar vai. Natura, ca întotdeauna, ne-a dat de lucru. Faptul este că uraniul natural constă dintr-un amestec de trei izotopi. Acestea sunt U238 (99,2745%), U235 (0,72%) și U234 (0,0055%). Aici ne interesează doar U235 - deoarece împarte perfect neutronii termici în reactor, acesta ne permite să ne bucurăm de toate beneficiile reacției în lanț de fisiune. Din păcate, concentrația sa naturală nu este suficientă pentru stabil și muncă îndelungată reactor modern al centralei nucleare. Deși, din câte știu, aparatul RBMK este proiectat în așa fel încât să se poată lansa pe combustibil produs din uraniu natural, însă stabilitatea, durabilitatea și siguranța funcționării cu un astfel de combustibil nu este deloc garantată.
Trebuie să îmbogățim uraniul. Adică, crește concentrația de U235 de la natural la cea utilizată în reactor.
De exemplu, reactorul RBMK funcționează cu uraniu îmbogățit cu 2,8%, VVER-1000 - îmbogățit de la 1,6 la 5,0%. Centralele nucleare maritime și navale consumă combustibil îmbogățit cu până la 20%. Și unele reactoare de cercetare funcționează cu combustibil cu o îmbogățire de 90% (de exemplu, IRT-T din Tomsk).
În Rusia, îmbogățirea uraniului se realizează cu ajutorul centrifugelor cu gaz. Adică, acea pulbere galbenă care era în fotografie mai devreme este transformată în gaz, hexafluorură de uraniu UF6. Acest gaz este apoi alimentat într-o cascadă de centrifuge. La iesirea din fiecare centrifuga, datorita diferentei de greutate a nucleelor ​​U235 si U238, obtinem hexafluorura de uraniu cu un continut usor crescut de U235. Procesul se repeta de multe ori si in final obtinem hexafluorura de uraniu cu imbogatirea de care avem nevoie. În fotografia de mai jos puteți vedea doar scara cascadei de centrifuge - sunt multe și se extind la distanțe îndepărtate.

Gazul UF6 este apoi convertit înapoi în UO2, sub formă de pulbere. La urma urmei, chimia este o știință foarte utilă și ne permite să creăm astfel de miracole.
Cu toate acestea, această pulbere nu poate fi turnată ușor în reactor. Sau, mai degrabă, poți adormi, dar nu va ieși nimic bun din asta. Ea (pulberea) trebuie adusă într-o asemenea formă încât să o putem coborî în reactor mult timp, ani de zile. În acest caz, combustibilul în sine nu ar trebui să intre în contact cu lichidul de răcire și să depășească miezul. Și pe lângă toate acestea, combustibilul trebuie să reziste la presiuni și temperaturi foarte, foarte severe care vor apărea în el atunci când se lucrează în interiorul reactorului.
Apropo, am uitat să spun că pulberea nu este, de asemenea, orice fel - trebuie să aibă o anumită dimensiune, astfel încât în ​​timpul presării și sinterizării să nu se formeze goluri și fisuri inutile. În primul rând, tabletele sunt făcute din pulbere prin presare și coacere pentru o lungă perioadă de timp (tehnologia este cu adevărat dificilă, dacă este încălcată, tabletele de combustibil nu vor fi utilizabile). Voi arăta variantele tabletelor în fotografia de mai jos.

Găurile și adânciturile de pe tablete sunt necesare pentru a compensa expansiunea termică și modificările radiațiilor. În reactor, în timp, tabletele se umflă, se îndoaie, își schimbă dimensiunile și, dacă nu este prevăzut nimic, se pot prăbuși, iar acest lucru este rău.

Tabletele finite sunt apoi ambalate în tuburi metalice (din oțel, zirconiu și aliajele acestuia și alte metale). Tuburile sunt închise la ambele capete și sigilate. Tubul finit cu combustibil se numește element de combustibil - un element de combustibil.

Reactoarele diferite necesită elemente de combustibil de diferite modele și îmbogățiri. Tijele de combustibil RBMK, de exemplu, au 3,5 metri lungime. Elementele de combustibil, apropo, nu sunt doar ale tijei. ca in fotografie. Sunt farfurie, inel, mare diverse tipuri si modificari.
Elementele de combustibil sunt apoi combinate în ansambluri de combustibil - FA. Ansamblul combustibil al reactorului RBMK este format din 18 bare de combustibil și arată cam așa:

Ansamblul combustibil al unui reactor VVER arată astfel:
După cum puteți vedea, ansamblul combustibil al reactorului VVER constă dintr-un număr mult mai mare de bare de combustibil decât cel al RBMK.
Produsul special finit (FA) este apoi livrat la centrala nucleară cu respectarea măsurilor de siguranță. De ce măsuri de precauție? Combustibilul nuclear, deși nu este încă radioactiv, este foarte valoros, scump și, dacă este manipulat foarte neglijent, poate cauza multe probleme. Apoi se efectuează controlul final al stării ansamblului de combustibil și se încarcă în reactor. Gata, uraniul a parcurs un drum lung de la minereu subteran la un dispozitiv de înaltă tehnologie în interiorul unui reactor nuclear. Acum are o altă soartă - să se strecoare în interiorul reactorului timp de câțiva ani și să elibereze căldură prețioasă, pe care apa (sau orice alt lichid de răcire) o va lua de la el.

Combustibilul nuclear este un material utilizat în reactoarele nucleare pentru a efectua o reacție în lanț controlată. Este extrem de consumator de energie și nesigur pentru oameni, ceea ce impune o serie de restricții privind utilizarea sa. Astăzi vom afla ce este combustibilul pentru reactoare nucleare, cum este clasificat și produs și unde este utilizat.

Progresul reacției în lanț

În timpul unei reacții nucleare în lanț, nucleul este împărțit în două părți, care se numesc fragmente de fisiune. În același timp, sunt eliberați mai mulți (2-3) neutroni, care ulterior provoacă fisiunea nucleelor ​​ulterioare. Procesul are loc atunci când un neutron lovește nucleul substanței originale. Fragmentele de fisiune au energie cinetică mare. Inhibarea lor în materie este însoțită de eliberarea unei cantități uriașe de căldură.

Fragmentele de fisiune, împreună cu produsele lor de descompunere, se numesc produse de fisiune. Nucleele care împart neutroni de orice energie se numesc combustibil nuclear. De regulă, acestea sunt substanțe cu un număr impar de atomi. Unele nuclee sunt fisionate pur de neutroni a căror energie este peste o anumită valoare de prag. Acestea sunt predominant elemente cu un număr par de atomi. Astfel de nuclee se numesc materii prime, deoarece în momentul captării unui neutron de către un nucleu de prag, se formează nuclee de combustibil. Combinația de combustibil și materie primă se numește combustibil nuclear.

Clasificare

Combustibilul nuclear este împărțit în două clase:

1. Uraniu natural. Conține nuclee de uraniu-235 fisionabile și materie primă de uraniu-238, care este capabilă să formeze plutoniu-239 la captarea neutronilor.
2. Un combustibil secundar care nu se găsește în natură. Aceasta include, printre altele, plutoniul-239, care este obținut din combustibil de primul tip, precum și uraniul-233, care se formează atunci când neutronii sunt capturați de nucleele de toriu-232.

Din punct de vedere compozitia chimica, există următoarele tipuri de combustibil nuclear:

1. Metal (inclusiv aliaje);
2. Oxid (de exemplu, UO2);
3. Carbură (de exemplu PuC 1-x);
4. Amestecat;
5. Nitrură.

TVEL și TVS

Combustibilul pentru reactoare nucleare este folosit sub formă de pelete mici. Ele sunt plasate în elemente de combustibil închise ermetic (elemente de combustibil), care, la rândul lor, sunt combinate în câteva sute de ansambluri de combustibil (FA). Cerințe de combustibil nuclear exigențe mariîn ceea ce priveşte compatibilitatea cu placarea barelor de combustibil. Trebuie să aibă o temperatură suficientă de topire și evaporare, o conductivitate termică bună și să nu crească foarte mult în volum sub iradiere cu neutroni. Se ia în considerare și fabricabilitatea producției.

Aplicație

Combustibilul vine la centralele nucleare și la alte instalații nucleare sub formă de ansambluri de combustibil. Ele pot fi încărcate în reactor atât în ​​timpul funcționării acestuia (în locul ansamblurilor de combustibil ars), cât și în timpul unei campanii de reparații. În acest din urmă caz, ansamblurile de combustibil sunt înlocuite în grupuri mari. În acest caz, doar o treime din combustibil este înlocuită complet. Cele mai arse ansambluri sunt descărcate din partea centrală a reactorului, iar în locul lor sunt amplasate ansambluri parțial arse care anterior erau amplasate în zone mai puțin active. În consecință, în locul acestuia din urmă sunt instalate noi ansambluri de combustibil. Această schemă simplă de rearanjare este considerată tradițională și are o serie de avantaje, dintre care principalul este asigurarea eliberării uniforme de energie. Desigur, aceasta este o diagramă schematică care oferă doar o idee generală a procesului.

Extras

După ce combustibilul nuclear uzat este îndepărtat din miezul reactorului, acesta este trimis într-un bazin de răcire, care este de obicei situat în apropiere. Faptul este că ansamblurile de combustibil uzat conțin o cantitate imensă de fragmente de fisiune de uraniu. După descărcarea din reactor, fiecare bară de combustibil conține aproximativ 300 de mii de Curies de substanțe radioactive, eliberând 100 kW/oră de energie. Din acest motiv, combustibilul se autoincalzeste si devine foarte radioactiv.

Temperatura combustibilului nou descărcat poate atinge 300°C. Prin urmare, se ține 3-4 ani sub un strat de apă, a cărui temperatură se menține în intervalul stabilit. Pe măsură ce este stocat sub apă, radioactivitatea combustibilului și puterea emisiilor sale reziduale scade. După aproximativ trei ani, autoîncălzirea ansamblului combustibil ajunge la 50-60°C. Apoi combustibilul este îndepărtat din piscine și trimis pentru procesare sau eliminare.

Uraniu metal

Uraniul metalic este folosit relativ rar ca combustibil pentru reactoare nucleare. Când o substanță atinge o temperatură de 660°C, are loc o tranziție de fază, însoțită de o modificare a structurii sale. Mai simplu spus, uraniul crește în volum, ceea ce poate duce la distrugerea barelor de combustibil. În cazul iradierii prelungite la o temperatură de 200-500°C, substanța suferă creșterea radiațiilor. Esența acestui fenomen este alungirea tijei de uraniu iradiat de 2-3 ori.

Utilizarea uraniului metalic la temperaturi peste 500°C este dificilă din cauza umflării acestuia. După fisiunea nucleară, se formează două fragmente, al căror volum total depășește volumul acelui nucleu. Unele fragmente de fisiune sunt reprezentate de atomi de gaz (xenon, cripton etc.). Gazul se acumulează în porii uraniului și formează presiune internă, care crește pe măsură ce temperatura crește. Datorită creșterii volumului atomilor și creșterii presiunii gazului, combustibilul nuclear începe să se umfle. Astfel, aceasta se referă la modificarea relativă a volumului asociată cu fisiunea nucleară.

Puterea umflăturii depinde de temperatura tijelor de combustibil și de ardere. Odată cu creșterea arderii, numărul fragmentelor de fisiune crește, iar odată cu creșterea temperaturii și a arderii, presiunea internă a gazului crește. Dacă combustibilul are proprietăți mecanice mai mari, atunci este mai puțin susceptibil la umflare. Uraniul metal nu este unul dintre aceste materiale. Prin urmare, utilizarea sa ca combustibil pentru reactoarele nucleare limitează arderea, care este una dintre principalele caracteristici ale unui astfel de combustibil.

Proprietățile mecanice ale uraniului și rezistența acestuia la radiații sunt îmbunătățite prin alierea materialului. Acest proces implică adăugarea de aluminiu, molibden și alte metale. Datorită aditivilor dopanți, numărul de neutroni de fisiune necesar pentru fiecare captură este redus. Prin urmare, materialele care absorb slab neutronii sunt folosite în aceste scopuri.

Compuși refractari

Unii compuși refractari ai uraniului sunt considerați combustibil nuclear bun: carburi, oxizi și compuși intermetalici. Cel mai comun dintre acestea este dioxidul de uraniu (ceramica). Punctul său de topire este de 2800°C, iar densitatea sa este de 10,2 g/cm3.

Deoarece acest material nu suferă tranziții de fază, este mai puțin susceptibil la umflare decât aliajele de uraniu. Datorită acestei caracteristici, temperatura de ardere poate fi crescută cu câteva procente. La temperaturi ridicate, ceramica nu interacționează cu niobiul, zirconiul, oțelul inoxidabil și alte materiale. Principalul său dezavantaj este conductivitatea termică scăzută - 4,5 kJ (m*K), care limitează puterea specifică a reactorului. În plus, ceramica fierbinte este predispusă la crăpare.

Plutoniu

Plutoniul este considerat un metal cu punct de topire scăzut. Se topește la o temperatură de 640°C. Datorită proprietăților sale plastice slabe, este practic imposibil prelucrare. Toxicitatea substanței complică tehnologia de fabricație a barelor de combustibil. Industria nucleară a încercat în mod repetat să folosească plutoniul și compușii săi, dar nu au avut succes. Nu este recomandabil să se utilizeze combustibil pentru centralele nucleare care conțin plutoniu din cauza unei reduceri de aproximativ 2 ori a perioadei de accelerare, pentru care sistemele standard de control al reactoarelor nu sunt proiectate.

Pentru fabricarea combustibilului nuclear, de regulă, se utilizează dioxid de plutoniu, aliaje de plutoniu cu minerale și un amestec de carburi de plutoniu și carburi de uraniu. Combustibilii de dispersie, în care particulele de compuși de uraniu și plutoniu sunt plasate într-o matrice metalică de molibden, aluminiu, oțel inoxidabil și alte metale, au proprietăți mecanice ridicate și conductivitate termică. Rezistența la radiații și conductivitatea termică a combustibilului de dispersie depind de materialul matricei. De exemplu, la prima centrală nucleară, combustibilul dispersat era format din particule dintr-un aliaj de uraniu cu 9% molibden, care erau umplute cu molibden.

În ceea ce privește combustibilul cu toriu, acesta nu este utilizat astăzi din cauza dificultăților în producerea și prelucrarea barelor de combustibil.

Productie

Volume importante din principala materie primă pentru combustibilul nuclear - uraniul - sunt concentrate în mai multe țări: Rusia, SUA, Franța, Canada și Africa de Sud. Depozitele sale sunt de obicei situate lângă aur și cupru, astfel încât toate aceste materiale sunt extrase în același timp.

Sănătatea oamenilor care lucrează în minerit este în mare pericol. Cert este că uraniul este un material toxic, iar gazele eliberate în timpul exploatării sale pot provoca cancer. Și asta în ciuda faptului că minereul nu conține mai mult de 1% din această substanță.

Chitanță

Producția de combustibil nuclear din minereu de uraniu include următoarele etape:

1. Prelucrare hidrometalurgică. Include leșierea, zdrobirea și extracția sau recuperarea sorbției. Rezultatul prelucrării hidrometalurgice este o suspensie purificată de oxid de oxiuraniu, diuranat de sodiu sau diuranat de amoniu.
2. Conversia unei substanțe din oxid în tetrafluorura sau hexafluorura, utilizată pentru îmbogățirea uraniului-235.
3. Îmbogățirea unei substanțe prin centrifugare sau difuzie termică gazoasă.
4. Transformarea materialului îmbogățit în dioxid, din care se produc „pelete” de tije de combustibil.

Regenerare

În timpul funcționării unui reactor nuclear, combustibilul nu poate fi ars complet, astfel încât izotopii liberi sunt reproduși. În acest sens, barele de combustibil uzat sunt supuse regenerării în scopul reutilizării.

Astăzi, această problemă este rezolvată prin procesul Purex, constând din următoarele etape:

1. Tăierea barelor de combustibil în două părți și dizolvarea lor în acid azotic;
2. Curățarea soluției de produse de fisiune și părți de coajă;
3. Izolarea compușilor puri ai uraniului și plutoniului.

După aceasta, dioxidul de plutoniu rezultat este folosit pentru producerea de noi miezuri, iar uraniul este folosit pentru îmbogățire sau și pentru producerea de miezuri. Reprocesarea combustibilului nuclear este un proces complex și costisitor. Costul său are un impact semnificativ asupra fezabilitate economică utilizarea centralelor nucleare. Același lucru se poate spune despre eliminarea deșeurilor de combustibil nuclear care nu sunt adecvate pentru regenerare.