Tez neytronli reaktorlar uchun yoqilg’i ishlab chiqarishning maxsus jihatlari

Turli hisob-kitoblarga ko’ra, atom energiyasining ulushi dunyodagi barcha energiya resurslarining kamida 10-16% ni tashkil qiladi. Ba’zi mamlakatlarda, masalan, Frantsiyada, atom energiyasi yuqori o’rinda turadi – 71,6%. Xitoyda atom energiyasining ulushi 4 foizdan oshmaydi. Yadro energiyasidan foydalanish munozarali masala, chunki u bilan bir qator real va mumkin bo’lgan muammolar bog’liq:

radioaktiv chiqindilarni utilizatsiya qilish zarurati;
ekologik ofatlarga olib keladigan avariyalar (Chernobil va Fukusimadagi atom elektr stansiyalari);
atom elektr stantsiyalari terroristik hujumlarga duchor bo’lishi mumkin va ommaviy qirg’in quroli hisoblanadi;
yadroviy qurol ishlab chiqarishda atom elektr stantsiyasi yoqilg’isidan foydalanish mumkin.

Ammo har qanday xavf-xatarlarga qaramay, atom energiyasini hozirgi vaqtda boshqa manbalar bilan to‘liq almashtirib bo‘lmasligi va yaqin kelajakda insoniyat foydalanishi hayot haqiqati. Shu sababli, hozirgi bosqichda atom elektr stantsiyalarini ishlatish bilan bog’liq gipotetik va real xavflarni kamaytirish vazifasi dolzarbligicha qolmoqda.

Yadro energiyasini ishlab chiqarishning tipik sxemasi

Yadro yoqilg’isini ishlab chiqarish uran qazib olishdan boshlanadi. Ikkinchi bosqichda uran boyitiladi, buning natijasida uran-238 ning og’irroq atomlari uran-235 ning engil atomlaridan ajratiladi. Bu zarur, chunki faqat uran-235 yadrolari termal-neytron bo’linishiga moyil. Quvvatli reaktorning normal ishlashi uchun uran-235 izotopining ulushi kamida 5% bo’lishi kerak (boyitishdan oldin uran-235 ulushi taxminan 0,7% ni tashkil qiladi). Boyitilgan uran gazni qattiq holga keltiradi, plastifikator bilan aralashtiriladi va granulalar hosil qilish uchun siqiladi. Ushbu granulalar yuqori haroratlarda qo’shimcha ravishda sinterlanadi. Granulalarning og’irligi bir necha gramm, lekin ular 400 kg ko’mir, 250 kg neft yoki 360 m3 gazga teng keladigan yuqori energiya salohiyatiga ega.

Palaflar zirkonyum qotishmasidan yasalgan muhrlangan quvurlarni tashkil etuvchi issiqlik ishlab chiqaruvchi elementlarga (yoqilg’i tayoqchalari) joylashtiriladi. Yoqilg’i tayoqlari alohida kassetalarga yig’iladi. Bitta kassetada bir necha yuz yonilg’i elementi, yadroviy reaktor yadrosida esa bir necha yuz kassetalar bo’lishi mumkin.

Kassetalarni reaktorga qo’ygandan so’ng, boshqariladigan yadro reaktsiyasi boshlanadi, uning davomida uran yadrolari katta miqdordagi issiqlik bilan ajralib chiqadi. Yadro reaktsiyasini saqlab turish uchun energiya spektrining termal qismidan neytronlar qo’llaniladi; shuning uchun bu reaksiya sodir bo’ladigan yadro reaktorlari termal-neytron reaktorlari deb ataladi.

Olingan issiqlik bir nechta halqalar yordamida yonilg’i novdalarining qoplamasi orqali suvga o’tkaziladi. Bosim ostida isitiladigan suv bug’ga aylanadi, bu esa bug ‘turbinasi aylanishiga olib keladi. Birinchidan, bug ‘energiyasi mexanik ishga, so’ngra mexanik ish quvvat generatori yordamida elektr energiyasiga aylanadi.

Termal-neytron reaktorlarining ishlashi natijasida ishlatilgan yadro yoqilg’isi – qisman yonib ketgan yoqilg’i tarkibiga ega kasseta hosil bo’ladi. Ushbu tarkibda uran-235 ning qolgan miqdori juda kichik va uran-238 ning ulushi kamida 90% ni tashkil qiladi. Yoqilg’i reaktordan chiqariladi va foydalanilgan yoqilg’i saqlash havzalariga yuboriladi, u erda bir necha yil saqlanadi, keyin u atom elektr stantsiyasidan utilizatsiya qilish uchun chiqariladi yoki chiqindilarni ko’mish uchun maxsus sharoitlarni talab qiladi. Shunday qilib, atom energiyasini ishlab chiqarishning odatiy sxemasi muammoli va ekologik xavfli chiqindilarning shakllanishiga olib keladi. Shu sababli, olimlar o’zlariga yopiq tsiklni tashkil qilish bo’yicha savol berishni boshladilar, bu erda ishlatilgan yadro yoqilg’isi yadro reaktorlarining yangi yoqilg’isiga aylanadi. Bu ishlatilgan yoqilg’i tarkibida ustun bo’lgan uran-238 ning boshqariladigan yadro bo’linish reaktsiyasini talab qiladi. Ma’lum bo’lishicha, bu vazifani tez neytronli reaktorlar yordamida hal qilish mumkin.

Tez neytronli reaktor

Neytronlarning harakat tezligi dastlab uranning yadroviy bo’linishida juda yuqori. Bunday neytronlar “tez” deb ataladi. Ammo issiqlik tashuvchisi sifatida ishlatiladigan suvdan o’tib, neytron sezilarli darajada sekinlashadi va “sekin” (termik) bo’ladi. Termal neytron faqat uran-235 ning yadroviy bo’linishiga olib keladi, uran-238 yadrolari esa parchalanmagan. Ammo agar tez neytronlar sekin bo’lsa, uran-238 yadrolari ajralib chiqadigan energiya bilan bo’linib, plutoniy-239 ni hosil qiladi, undan reaksiya dvigateli yoqilg’isi sifatida ham foydalanish mumkin. Buning uchun suvni neytronlarni yutmaydigan yoki sekinlashtiruvchi vosita bilan almashtirish kerak. Hozirgi vaqtda natriy tez-tez neytronli reaktorni amalga oshirishga imkon beradigan bu maqsadda ishlatiladi.

Bunday uskunada tez neytronlar uran-238 bilan o’zaro ta’sir qiladi, shundan so’ng plutoniy-239 hosil bo’ladi. Plutoniy-239 keyinchalik termal (sekin) neytron reaktorlari uchun yoqilg’i ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkin. Tez neytronli reaktorlar yadro energiyasi ishlab chiqarish tsiklini yopish imkonini beradi: ishlatilgan yoqilg’i qayta ishlanadi va termal reaktorlarga qaytariladi. Uran-238 ni o’z ichiga olgan ilgari ko’milgan juda ko’p yadroviy reaktsiya dvigatellari yoqilg’isi chiqindilari mavjud va dastlabki hisob-kitoblarga ko’ra, bu chiqindilar bir necha yuz yillar davomida etarli bo’ladi.

Keling, tez neytronli reaktorlar uchun yoqilg’ini ishlab chiqarish va ishlatishning alohida jihatlarini muhokama qilaylik.

Tez neytronli reaktorlar uchun yoqilg’i

Tez neytronli reaktorlar uchun aralash uran va plutoniy yoqilg’isini ishlab chiqarish texnologiyasi uch bosqichni o’z ichiga oladi:

qoliplash kukunini tayyorlash;
granulalarni siqish bilan shakllantirish;
granulalarni sinterlash.

Agar granulalar bir nechta komponentlar, masalan, uran va plutoniy dioksidlari asosida tayyorlangan bo’lsa, kukunlarni maydalash va aralashtirish kerak. Ushbu bosqichda reaktorda yadro yoqilg’isining ishlashi katta darajada ta’minlanadi, bu aralashmaning bir xilligi, don zichligi, don hajmi, mikro tuzilishi va boshqalarga bog’liq.

Reaktor uran va plutoniy yoqilg’isini ishlab chiqarish uchun mavjud texnologik liniyalarda dastlabki kukunlarni avval aralashtirish va keyin maydalash yoki bir vaqtning o’zida aralashtirish va maydalash mumkin. Buning uchun to’p yoki bolg’a tegirmonlari ishlatiladi. Ammo bunday tegirmonlar dastlabki kukunlarni maydalash va aralashtirishning past samaradorligini ko’rsatadi; shuning uchun granulalar sinterlangandan so’ng, kerakli bir hillikning yo’qligini ko’rsatadigan ikki fazaning aniq ajralishi kuzatilishi mumkin. Bundan tashqari, jarayonning o’zi ko’p vaqt talab etadi va bir necha soatdan o’nlab soatgacha davom etadi. dan foydalanish ferromagnit zarralar vorteks qatlami qurilmasi muqobil sifatida qaraladi.

Aralash uran va plutoniy yoqilg’isini ishlab chiqarishda ferromagnit zarralar vorteks qatlami qurilmasi

Ferromagnit zarralar vorteks qatlami qurilmalari shar va bolg’a tegirmonlari bilan solishtirganda moddalarga ta’sir qilishning tubdan farqli usulini qo’llaydi. Bunday qurilmaning ishlash printsipi 1-rasm yordamida kuzatilishi mumkin.

1-rasm – Ferromagnit zarrachalarning vorteks qatlami (AVS) bo’lgan qurilma: 1 – himoya vtulka; 2 – aylanuvchi elektromagnit maydonning induktori; 3 – induktor korpusi; 4 – magnit bo’lmagan materialdan tayyorlangan ish kamerasi; 5 – ferromagnit zarralar

Titan va plutoniy dioksidlarining dastlabki kukunlari ferromagnit zarrachalar bilan birga5 operatsion kameraga joylashtirilgan titanli idishga solinadi4 tomonidan ishlab chiqarilgan AVSP-100 qurilmasining GlobeCore. Qurilma ishga tushirilgandan so’ng, konteyner eksenel o’zaro harakatni amalga oshiradi. Induktor2 aylanadigan elektromagnit maydon hosil qiladi, bu esa ferromagnit zarrachalarning murakkab traektoriyalar bo‘ylab harakatlana boshlashiga va doimiy ravishda qayta ishlangan kukun zarralari, ish kamerasi devorlari bilan to‘qnashishiga va yo‘lda bir-biri bilan vorteks qatlamini hosil qiladi. Shu bilan birga, ish kamerasida qayta ishlangan kukunlarga bir nechta omillar ta’sir qiladi:

aylanuvchi elektromagnit maydon;
ferromagnit zarralarning bevosita ta’siri;
ferromagnit zarrachalarning to’qnashuvi natijasida yuzaga keladigan akustik va ultratovushli tebranishlar;
ferromagnit zarrachalarning magnitostriktsiyasi va boshqalar.

Yuqoridagi omillarning keng qamrovli ta’siri dastlabki kukunlarning tez tarqalishini va bir hil holga kelishini ta’minlaydi, ya’ni granulalar ishlab chiqarish uchun yuqori sifatli qoliplash kukuni olinadi.

Texnik xizmat ko’rsatuvchi xodimlarga xavf tug’dirish, dastlabki komponentlar va ferromagnit zarralarni kiritish, shuningdek, komponentlarni sovutish va olib tashlash avtomatik ravishda amalga oshiriladi.

Vorteks qatlamli qurilmalarning afzalliklari

tomonidan ishlab chiqarilgan vorteks qatlami qurilmalari GlobeCore Reaksiyali dvigatel yonilg’isini ishlab chiqarishning texnologik jarayonlarida foydalanilganda quyidagi afzalliklarga ega:

ular pellet bo’ylab bir tekis taqsimlanishini ta’minlaydigan dastlabki kukunli komponentlarni to’g’ri maydalaydi va aralashtiradi;
ular tarkibiy qismlarni maydalashadi va aralashtiradilar, shuningdek ularni faollashtiradilar; kutilgan natija – yoqilg’ining yonishini ko’paytirish;
vorteks qatlami qurilmasida qayta ishlangan kukunlar asosida olingan granulalar reaktsiya dvigatelining yoqilg’isini qayta tiklash uchun muhim bo’lgan nitrat kislotada to’liq eriydi;
to’p va bolg’a tegirmonlaridan farqli o’laroq, komponentlar soat yoki o’nlab soatlarda emas, balki bir necha daqiqada qayta ishlanadi;
qurilmalar o’lchamlari bo’yicha ixcham va reaktsiya dvigatellari yoqilg’isini ishlab chiqarishning mavjud texnologik liniyalariga integratsiya qilish oson;
qurilma nozik dispers kukunlar va bir hil aralashmalarni olishda tez va sekin neytronli reaktorlar uchun yadro yoqilg’isini ishlab chiqarishning turli sxemalarida qo’llanilishi mumkin.