Главная | Обратная связь

Что представляет собой топливо для реакторов АЭС?

«опрос

 

Конструктивной основой ядерного топлива реакторов является тепловыделяющий элемент (твэл) - герметичная металлическая трубка, в кото­рой размещается делящийся, или расщепляющийся мате­риал (чаще всего - спечен­ный диоксид урана) в виде цилиндрических таблеток.

Топливные таблетки

Сто вопросов и ответов об атомной энергетике 59

hr// ./-

Какие материалы, кроме урана, используются при производстве ' твэлов?

г

Твэлы конструкционно объединяются в те­пловыделяющие сборки (ТВС). Для придания жесткости конструкции, подачи теплоносителя и проведения операций по загрузке и замене топлива ТВС снабжена дополнительными эле­ментами (дистанцирующие решетки, хвосто­вик, головка).

Конструкция и размеры твэлов для реак­торов разных типов различаются. Например, твэлы основного российского энергетического реактора ВВЭР-1000 имеют длину более 3,5 м при диаметре 9,1 мм. Их оболочка выполнена из цирконий-ниобиевого сплава, а расщепля-

ющийся материал представляет собой таблетки спеченного диоксида урана с обогащением 1,6-5% и массой урана около 1,6 кг на 1 твэл.

Общая загрузка активной зоны для реакто­ра ВВЭР-1000 составляет 163 ТВС (примерно 80 тонн топливного диоксида урана), для РБМК-1000 - 3386 ТВС (около 220 тонн). Необходи­мым свойством ТВС является их унификация, т. е. возможность их загрузки в активную зону, планового перемещения по ее объему, уда­ления оттуда по мере выгорания и замены на свежее топливо без изменения конструктивных параметров активной зоны.

Во-первых, это конструкционные материалы, используемые для изготовления оболочек твэлов. Для реакторов ВВЭР и РМБК основой таких материалов являются сплавы на основе циркония. Оболочки твэлов для реактора БН-600 выполняются из коррозионно-стойких сталей специального состава. А в производ-

Вопрос

стве твэлов для исследовательских реакторов широко применяются также сплавы на основе алюминия.

Во-вторых, это материалы, вводимые в небольших количествах непосредственно в состав топлива для улучшения эксплуата­ционных характеристик реактора. Таковы,

 

Общий вид ТВС

'Й§

Устройство ТВЭЛа

оксид слабообогащенного урана

 

\ 60 Сто вопросов и ответов об атомной энергетике

Сто вопросов и ответов об атомной энергетике

Насколько радиоактивен диоксид урана, используемый в ядерном топливе? Что имеет большую удельную (на единицу массы урана) активность: урановая руда или диоксид урана?

например, выгорающие поглотители - при­меси на основе материалов, интенсивно поглощающих нейтроны. Для этого исполь­зуются оксиды редкоземельных материалов: в топливе для реакторов ВВЭР - гадолиния, РМБК - эрбия. Их добавление в топливо по-

Вопрос

Еще супруги Кюри обнаружили, что удельная активность урановых руд (в пересчете на содер­жащийся в них уран) значительно превосходит активность выделенного из них химически чи­стого урана. Причина этого заключается в том, что в рудах, помимо урана, содержатся менее долгоживущие продукты его распада. Они об-

зволяет сущеавенно повысить главный тех­нико-экономический показатель работы энер­гетического реактора - глубину выгорания топлива, а также обеспечить такие физические характеристики активных зон, которые делают эксплуатацию реакторов более безопасной.

разуют так называемые радиоактивные цепочки, или ряды, и находятся в состоянии радиацион­ного равновесия (сколько ядер любого члена ряда в единицу времени образуется, столько же и распадется). При этом активность любого чле­на ряда равна активности исходного материала (урана), а количество ядер обратно пропорцио-

нально периоду полураспада. Поэтому удельная активность урановой руды возрастает, в сравне­нии с чистым ураном, во столько раз, сколько радиоактивных ядер в рассматриваемом ряду -14 у урана-238 и 11 - у урана-235. Среди них -открытые Пьером и Марией Кюри полоний и радий, а также самый тяжелый инертный газ -радон. Заканчиваются оба ряда стабильными изотопами свинца.

Для установления радиационного рав­новесия необходимо время, в несколько раз превышающее период полураспада наиболее долгоживущего члена ряда. В природе такое время у изотопов урана было - возраст Зем­ли составляет, по современным представле­ниям, свыше десяти миллиардов лет. Однако если выполнить химическую очистку урана от дочерних радионуклидов (а именно это и происходит на одном из начальных эта­пов и производства ядерного топлива), то в нем за относительно короткое время его хранения накопятся только короткоживу-

щие члены ряда, непосредственно следу­ющие за ядрами урана. В ряду урана-238 таких два (торий-234 и протактиний-234), в ряду урана-235 - один (торий-231). Со­ответственно уменьшается и удельная ак­тивность, которая у топливного урана при­близительно в 5 раз меньше, чем у руды (в пересчете на уран). У топлива для реакто­ров ВВЭР-1000 и РБМК-1000 она равна 0,14 и 0,086 МБк/г, соответственно.

Интенсивность же излучения, измеряе­мая внешними детекторами, упадет для то­пливного урана еще гораздо сильнее, чем для руды, так как она обусловлена в основ­ном гамма-излучением. Испускающие же его дочерние продукты распада чистого то­пливного урана (в частности, радий) смогут достичь равновесных количеств в материале топлива лишь через несколько миллионов лет. Сам же уран гамма-излучения почти не испускает, а его альфа-излучение целиком задерживается самим материалом.

 

Сто вопросов и ответов об атомной энергетике

Сто вопросов и ответов об атомной энергетике

 

 

Представляет ли радиационную опасность ядерное топливо перед его загрузкой?

Какова энергоемкость ядерного топлива в сравнении с органическим?

48

Ропрос

Ядерное топливо до загрузки в реактор не представляет радиационной опасности. Альфа-излучение обоих изотопов урана, а также слабые бета- и гамма-излучение трех их короткоживущих дочерних нукли­дов, содержащихся в топливных таблетках, практически полностью поглощается в них самих и в оболочке твэла, что исключает шнее воздействие излучения. Мощность \ внешнего гамма-излучения 1 кг свеже-

го ядерного топлива реакторов ВВЭР-1000 и РБМК-1000 на расстоянии 1 м составля­ет 0,29 и 0,17 мкЗв/час соответственно, что в первом случае не превышает максималь­ных значений внешнего радиационного фона в Москве, а во втором - близко к его средней величине. Герметичность оболочки предотвращает возможность радиоактив­ного загрязнения кожи, а также попадания радиоактивных веществ внутрь организма.

ядерными взаимодействиями, а не химиче­скими реакциями. Во-вторых, на ТЭС сгорает все органическое топливо, подаваемое в топку -«несгораемых запасов» при этом не образует­ся. В цепной же реакции деления, проходящей в ядерном реакторе, выгорает не весь расще­пляющийся материал (уран-235), а только его избыток над критической массой для данной

активной зоны. Однако невыгоревший уран после регенерации может быть снова (в отли­чие от золы и шлаков органического топлива) использован в качестве топлива. Наконец, при облучении урана в ядерном топливе образует­ся новый делящийся материал - плутоний, ко­торый также можно использовать в качестве топлива.

Вопрос

 

вопрос

ДА В чем главные отличия процессов ^■^ сгорания ядерного