Твэл - физическая энциклопедия. Как делают твэлы для ядерного реактора Твэл расшифровка

Словарь терминов

Не так давно у себя в блоге я уже рассказывал, как и где производят самый дорогой металл в мире - Калифорний-252. Но производство этой супердорогой субстанции - не единственное занятие Научно-исследовательского института атомных реакторов (НИИАР) в Димитровграде. В научном центре с 70х годов действует Отделение топливных технологий, где занимаются развитием экологически чистых способов получения гранулированного оксида урана, и переработки уже облучённого ядерного топлива (в том числе и оружейного плутония).

Кроме этого, там же изготавливают и тепловыделяющие сборки (ТВС) - устройства, предназначенные для получения тепловой энергии в реакторе за счёт управляемой ядерной реакции. По сути, это батарейки для реактора. О том, как и из чего их делают, я и хочу рассказать в этой статье. Мы заглянем в самое нутро "горячей" камеры с высоким уровнем радиации, посмотрим, как выглядит ядерное топливо оксид урана, и узнаем, сколько может стоить стеклопакет в не совсем обычном окне.

Я не буду вдаваться в подробности устройства и принципа работы ядерного реактора, но для облегчения понимания представьте себе бытовой водонагреватель, в который поступает холодная, а вытекает горячая вода, и нагревает её электрическая спираль (ТЭН). В ядерном реакторе нет электрической спирали, а есть ТВС - длинные шестигранники, состоящие из множества тонких металлических трубок - тепловыделяющих элементов (твэл), в которых находятся таблетки из спрессованного оксида урана.

(источник фото - sdelanounas.ru)

За счёт постоянного деления ядер урана и выделяется большое количество тепла, которое нагревает воду или другой теплоноситель до высокой температуры. А далее по схеме:

(источник - lab-37.com)

Обычно ТВС представляет собой шестигранный пучок тепловыделяющих элементов длиной 2,5-3,5 м, что примерно соответствует высоте активной зоны реактора. Изготавливают ТВС из нержавеющей стали или сплава циркония (для уменьшения поглощения нейтронов). Тепловыделяющие элементы (тонкие трубки) собираются в ТВС для упрощения учёта и перемещения ядерного топлива в реакторе. В одной ТВС обычно содержится 18-350 тепловыделяющих элементов. В активную зону реактора обычно помещается 200-1600 ТВС (зависит от типа реактора).

Вот так выглядит крышка реактора (котла), под которой в вертикальном положении и находятся ТВС. Один квадратик - одна сборка. Одна сборка - примерно 36 трубок (для реактора РБМК, который и изображён на фото ниже, на других реакторах - трубок больше, но меньше сборок).

(источник фото - visualrian.ru)

А вот так устроена трубка твэла, из которых состоят ТВС:

Устройство твэла реактора РБМК: 1 — заглушка; 2 — таблетки диоксида урана; 3 — оболочка из циркония; 4 — пружина; 5 — втулка; 6 — наконечник.

Твэлы (трубки) и корпус ТВС:

И всё было бы прекрасно, если бы волшебные таблетки оксида урана не разлагались на другие элементы в процессе ядерной реакции. Когда это происходит, реактивность реактора ослабевает, и цепная реакция сама собой прекращается. Она может быть возобновлена только после замены урана в активной зоне (твэлов). Всё, что накопилось в трубках, необходимо выгрузить из реактора и захоронить. Или переработать для повторного использования, что более привлекательно, так как в ядерной промышленности все стремятся к безотходному производству и реген�
�рации. Зачем тратить деньги на хранение ядерных отходов, если можно заставить их, наоборот, эти деньги зарабатывать?

Вот в этом отделении НИИАР и занимаются технологиями регенерации отработанного ядерного топлива, разделяя радиоактивный навоз на полезные элементы и на то, что уже никогда и нигде не пригодится.

Для этого чаще всего применяются химические методы разделения. Самый просто вариант - это переработка в растворах, однако этот метод даёт наибольшее количество жидких радиоактивных отходов, поэтому эта технология была популярна только в самом начале ядерной эры. В настоящее время в НИИАР совершенствуются так называемые "сухие" способы, в процессе которых получается гораздо меньше уже твёрдых отходов, которые намного проще утилизировать, превращая в стекловидную массу.

В основе всех современных технологических схем переработки отработанного ядерного топлива лежат экстракционные процессы, называемые Пьюрекс-процессом (от англ. Pu U Recovery EXtraction), который заключается в восстановительной реэкстракции плутония из смеси урана с его продуктами деления. Плутоний, выделенный при переработке, может быть использован в виде топлива в смеси с оксидом урана. Это топливо имеет название МОКС (англ. Mixed-Oxide fuel, MOX). Его получением также занимаются в НИИАР, в Отделе топливных технологий. Это перспективное топливо.

Все исследования и производственный процесс выполняются операторами дистанционно, в закрытых камерах и защитных боксах.

Выглядит это примерно так:

С помощью вот таких электромеханических манипуляторов операторы управляют специальным оборудованием в "горячих" камерах. От высокой радиоактивности оператора отделяет только свинцовое стекло метровой толщины, состоящее из 9-10 отдельных пластин, толщиной в 10 см.

Стоимость только одного стекла сопоставима со стоимостью квартиры в Ульяновске, а вся камера оценивается почти в 100 млн. рублей. Под действием радиации стёкла постепенно теряют свою прозрачность и они нуждаются в замене. Сможете на фото разглядеть "руку" манипулятора?

Чтобы научиться виртуозно управлять манипулятором, нужны годы тренировок и опыта. А ведь с их помощью иногда требуется выполнять операции из разряда откручивания и закручивания маленьких гаек внутри камеры.

На столе, в зале "горячих" камер, можно увидеть образцы ядерного топлива в стеклянных капсулах. Многие гости лаборатории постоянно косятся на этот чемоданчик и боятся подходить ближе. Но это всего лишь муляж, хотя и очень реалистичный. Именно так выглядит двуокись урана, из которой делают волшебные топливные таблетки для твэлов - блестящий порошок чёрного цвета.

У диоксида урана нет фазовых переходов, он менее подвержен тем нежелательным физическим процессам, которые происходят с металлическим ураном при высоких температурах активной зоны. Диоксид урана не взаимодействует с цирконием, ниобием, нержавеющей сталью и другими материалами, из которых изготовлены ТВС и трубки твэлов. Эти свойства позволяют применять его в ядерных реакторах, получая высокие температуры и, следовательно, высокий КПД реактора.

Пульт управления манипулятором немного другой модификации. В этой камере нет стёкол, поэтому наблюдение ведётся с помощью установленных внутри камер.

Что это?! Человек в "горячей" камере?! Но...

Ничего страшного, это "чистая" камера. Во время технического обслуживания уровень радиации в ней не превышает допустимых значений, поэтому в неё можно работать даже без специальных средств радиозащиты. Судя по всему, именно в этой камере и производят окончательную сборку ТВС из уже заряженных урановыми таблетками твэлов.

При таком не очень уютном соседстве с открытым ядерным топливом уровень радиации в лаборатории не превышает природных значений. Всё это достигается за счёт жёсткой техники радиационной безопасности. Люди десятилетиями работают операторами без вреда для здоровья.

В статье рассказывается о том, что такое ТВЭЛ, для чего он нужен, где применяется, как создается и есть ли реакторы, не использующие ТВЭЛ.

Атомная эпоха

Наверное, наиболее молодой отраслью энергетики является атомная. Лишь в конце XIX века ученые смогли частично разобраться с тем, что такое радиоактивность, и какие вещества обладают этими свойствами. И многим эти знания стоили жизни, так как губительное влияние радиации на живые организмы долгое время оставалось неизвестным.

Гораздо позже радиоактивным материалам нашли применение как в мирной жизни, так и военной. В настоящее время все развитые страны обладают своим ядерным оружием и атомными электростанциями, которые позволяют получать большое количество энергии независимо от ископаемого топлива или природных ресурсов, таких как вода (речь идет о гидроэлектростанциях).

ТВЭЛ - это…

Но для того чтобы построить для производства электричества или иных целей, для начала нужно сделать соответствующее топливо, ведь природный уран хоть и обладает радиоактивностью, но ее энергии недостаточно. Потому в большинстве типов реакторов используют топливо на основе а оно, в свою очередь, загружается в специальные устройства под названием ТВЭЛ. ТВЭЛ - это специальное устройство, которое является частью атомного реактора и содержит в себе Их конструкцию и тип топлива мы и разберем более подробно.

Конструкция

В зависимости от типа реактора некоторые параметры тепловыделяющих элементов могут разниться, но общая их конструкция и принцип устройства одинаковые. Если говорить упрощенно, то ТВЭЛ - это пустотелая трубка из с некоторыми другими металлами, в которую установлены таблетки топлива из диоксида урана.

Топливо

Уран является наиболее «ходовым» радиоактивным материалом, на его основе производят множество иных изотопов, применяемых как в промышленности, так и в оружии. Добыча его мало чем отличается от добычи каменного угля, а в природном, естественном состоянии он абсолютно безопасен для людей. Так что рассказы про куда ссылают заключенных, не более чем миф. Человек скорее умрет от недостатка солнечного света и тяжелой работы в шахте, чем от лучевой болезни.

Добывают уран очень просто - взрывами разбивают породу, после чего она доставляется на поверхность, где проходит сортировку и дальнейшую обработку. Процесс обогащения урана может производиться различными способами, но в России это делается с помощью газовых центрифуг. Сначала уран переводят в газообразное состояние, после чего газ в центрифугах под действием центробежной силы разделяется и сепарируются нужные изотопы. После этого их превращают в диоксид урана, прессуют в таблетки и загружают в ТВЭЛ. Это наиболее распространенный способ производства топлива для тепловыделяющих элементов.

Применение

Количество ТВЭЛов в реакторе зависит от его размера, типа и мощности. После изготовления их загружают в реактор, где и начинает протекать реакция ядерного распада, в результате которой происходит мощное выделение огромного количества тепла, которое и служит источником энергии. Также мощность реактора можно контролировать количеством тепловыделяющих элементов в рабочей зоне. Время от времени по мере эксплуатации их заменяют на новые, со «свежими» таблетками из диоксида урана. Так что теперь мы знаем, что значит ТВЭЛ, как их изготавливают и для чего они вообще нужны. Однако не все атомные реакторы нуждаются в таких элементах, и это РИТЭГи.

РИТЭГ

Радиоизотопный - это устройство, которое по своему принципу схоже с атомными реакторами, но процесс их основан не на цепной реакции распада атомов, а на тепловой. Говоря проще, это большая установка, производящая много тепла радиоактивным веществом, которое, в свою очередь, преобразуется напрямую в электроэнергию. В отличие от атомных реакторов РИТЭГи не имеют подвижных частей, более надежны, компактны и долговечны. Но при этом обладают гораздо меньшим КПД.

Использовали их в основном в тех условиях, где невозможно получить энергию иными путями, или же способы эти весьма затруднительны. В годы СССР РИТЭГами снабжались исследовательские и метеорологические станции Крайнего Севера, прибрежные маяки, морские бакены и т. п.

В настоящее время срок их службы истек, но часть из них до сих пор остается на местах изначального базирования и часто даже никак не охраняется. В результате этого происходят несчастные случаю, к примеру, несколько таких установок охотники за цветным металлом пытались разобрать и получили сильное облучение, а в Грузии местные жители использовали их как источники тепла и тоже подверглись лучевой болезни.

Так что теперь мы знаем устройство тепловыделяющих элементов и разобрали их определение. ТВЭЛ являются важными деталями реактора, работа без которых невозможна.

Тепловыделяющий элемент (твэл) – основная конструкционная деталь гетерогенных активных зон, в значительной степени определяющая их надежность, размеры и стоимость.

Оболочка твэла предназначена для предотвращения непосредственного контакта теплоносителя и топлива с целью исключения выхода радиоактивных продуктов деления топлива в теплоноситель, а также коррозии и эрозии топливного сердечника. Оболочка является конструктивным элементом, придающим твэлу необходимую форму и воспринимающим на себя все нагрузки, стремящиеся разрушить твэл. Оболочки твэлов – наиболее ответственные конструкционные детали активных зон, работающие в самых тяжелых условиях. Для уменьшения поглощения нейтронов в оболочках желательно делать их как можно тоньше. Толщина металлических оболочек, определяемая по условиям прочности и технологии изготовления, обычно составляет 0,3 – 0,8 мм.

Одно из основных требований, предъявляемых к материалу оболочек для реакторов на тепловых нейтронах – малое сечение поглощения тепловых нейтронов, что необходимо для уменьшения потерь нейтронов.

В настоящее время в энергетических водо-водяных реакторах на тепловых нейтронах широко используются оболочки из циркония и его сплавов, что объясняется малым сечением поглощения тепловых нейтронов у циркония (0,18 барн). Однако цирконий обладает относительно низкими прочностными показателями при температуре 360 – 400°С.

Наряду с циркониевыми сплавами в энергетических реакторах применяются оболочки из нержавеющих хромоникелевых аустенитных сталей, которые по сравнению с цирконием обладают значительно более высокими жаропрочностью, коррозионной стойкостью, хорошей технологичностью и, кроме того, меньшей стоимостью. Однако основной принципиальный недостаток сталей по сравнению с цирконием, заключается в их большом сечении поглощения тепловых нейтронов (2,7 – 2,9 барн), что требует более высоко обогащенного топлива. Крупным недостатком аустенитных нержавеющих сталей также является склонность к коррозионному растрескиванию, возникающему при наличии в металле растягивающих напряжений, а в охлаждающей воде – хлоридов и кислорода. Большое значение при эксплуатации реакторов в связи с этим приобретает тщательное поддержание предельно низкого содержания в воде хлоридов и кислорода, а также других примесей.

Для высокотемпературных реакторов особый интерес представляют тугоплавкие металлы ниобий (температура плавления 2415°С), молибден (2622°С), вольфрам (3395°С), тантал (2996°С), а также их сплавы, которые можно применять для оболочек твэлов при температуре до 800 – 1200°С в случае использования в качестве теплоносителя гелия или жидких металлов. Следует отметить, что в кислородсодержащих газах (воздухе, углекислом газе и парах воды) стойкость этих металлов весьма низка уже при температуре 500 – 600°С.

В процессе эксплуатации реакторов в материалах твэлов под действием облучения, циклических изменений температуры, воздействия теплоносителя и т. п. происходят глубокие изменения, которые могут стать причиной их разрушения. Полное разрушение твэлов является чрезвычайно крупной и совершенно недопустимой аварией, так как приводит к сильному загрязнению первого контура радиоактивными осколками деления.

Наиболее часто наблюдается потеря герметичности твэлов из-за возникновения трещин в оболочке или в месте приварки герметизирующих пробок. Потеря герметичности ведёт к выходу газообразных продуктов деления в теплоноситель. Попадание теплоносителя внутрь оболочки, обусловленные этим коррозия и вымывание топлива, в свою очередь, усиливают выход осколков деления, в результате чего ещё более существенно повышается радиоактивность теплоносителя в контуре.

Трещины в оболочках могут возникать в результате следующих причин:

Появления недопустимых внутренних напряжений, связанных с действием статических, динамических и вибрационных нагрузок, температурных напряжений, обусловленных наличием резких температурных градиентов как по радиусу, так и по длине твэлов;

Объёмных изменений топлива, обусловленных радиационным ростом, распуханием, фазовыми превращениями горючего и приводящих к появлению сил, стремящихся разорвать оболочку; недопустимого повышения давления внутри твэлов газообразных продуктов деления;

Изменения структуры и физико-механических свойств материала оболочки под действием облучения или в результате диффузионного взаимодействия материалов топлива и теплоносителя с оболочкой, например насыщения оболочек водородом;

Длительного коррозионного и эрозионного воздействия теплоносителя, а также в результате транс- и межкристаллитной коррозии под напряжением в присутствии ионов хлора и свободного кислорода (в водоводяных ректорах при использовании оболочек из нержавеющих сталей);

Дефектов, допущенных при изготовлении твэлов (неоднородность материала оболочки, наличие рисок на поверхности оболочки, низкое качество сварки и т. п.).

В некоторых случаях под действием тех же причин наблюдается изменение формы и размеров твэлов, например искривление, что может приводить к значительным общим и локальным изменениям в распределении топлива и теплоносителя по технологическому каналу и, как следствие, местным перегревам и разрушению твэлов.

В связи с тем, что твэлы представляют собой тела с внутренними источниками тепла и работают при высоких температурах и больших удельных энерговыделениях, наибольшая опасность для них возникает при внезапном прекращении охлаждения. Прекращение подачи теплоносителя в активную зону приводит, как правило, к расплавлению твэлов за счёт остаточного энерговыделения (выделение энергии в процессе радиоактивного распада накопленных осколков деления ядерного топлива). В остановленном реакторе вследствие выделения энергии радиоактивного распада осколков деления, накопленных в твэлах, необходимо охлаждение последних в течение длительного времени после остановки. В противном случае возможно расплавление активной зоны в остановленном реакторе.

Особое внимание при эксплуатации ППУ должно быть обращено на организацию контроля и поддержание требуемого водно-химического режима.

В к-ром находится ядерное топливо, ядерное горючее и генерируется тепло за счёт деления ядер . Наиб. распространены ТВЭЛы в виде тонких (диаметр неск. мм) стержней, простирающихся на всю высоту активной зоны реактора. Активная зона содержит тысячи однотипных ТВЭЛов, образующих правильную решётку. Между ними прокачивается отводящий энергию теплоноситель (жидкость или газ). В ТВЭЛах используется металлический U (легированный для повышения стабильности) или окислы U в виде керамик, иногда с добавкой Рu. Также применяют т. н. д и с п е р с и о н н о е т о п л и в о, в к-ром крупицы топлива включаются в матрицу из неделящегося материала с высокими теплопроводностью и радиационной стойкостью (см. Радиационная стойкость материалов) . Герметичная оболочка предохраняет топливо от контакта с теплоносителем и придаёт ТВЭЛу необходимую механич. прочность. Материал оболочки (сплавы циркония, нержавеющая сталь и др.) имеет низкое сечение захвата нейтронов т. н. реакторного спектра, обладает хорошей совместимостью с топливом и теплоносителем в рабочем интервале темп-р, мало изменяет механич. свойства в нейтронном поле. Ко всем материалам ТВЭЛов предъявляются высокие требования к чистоте, в первую очередь отсутствие примесей, сильно поглощающих нейтроны.

Параметры ТВЭЛа энергетич. реакторов: рабочая верхняя темп-ра (темп-pa оболочки) для реакторов с водяным теплоносителем 300 °С, для реакторов с жидким Na прибл. 600-700 °С; т. н. линейная теплонапряжённость до 500-600 Вт на 1 см длины стержня; выгорание топлива (доля выгоревших к концу рабочего периода атомов топлива) в тепловых реакторах 3-5%, в быстрых реакторах 7-10% (1% выгорания соответствует выработке 10 4 МВт. сут тепловой энергии на 1 т топлива).

ТВЭЛ быстрого реактора: 1 - участок активной зоны (ядерное топливо); 2, 3 - торцевые экраны (обеднён ный уран); 4 - газосборник; 5 - оболочка (нержаве ющая сталь) .

На рис. изображён схематич. разрез ТВЭЛа быстрого реактора (см. Реактор-размножитель ).В нём кроме активной части, содержащей ядерное топливо, имеются торцевые экраны из обеднённого урана для утилизации покидающих активную зону нейтронов, а также полость для сбора выходящих их топлива осколочных газов для снижения внутр. давления при глубоком выгорании.

После достижения номинального выгорания и окончания кампании (рабочего периода) ТВЭЛы выгружаются из реактора и заменяются. Длительность кампании исчисляется временем работы реактора в пересчёте на полную мощность и составляет месяцы или годы. Увеличение кампании и, следовательно, выгорания ограничено ухудшением способности поддерживать цепную реакцию деления из-за выгорания топлива и накопления поглощающих нейтроны осколков и опасности разрушения ТВЭЛа под действием длит. интенсивного облучения и высокой темп-ры в реакторе. Допускаются сотые (или тысячные) доли процента вероятности выхода ТВЭЛа из строя.

Не так давно у себя в блоге я уже рассказывал, как и где производят самый дорогой металл в мире — Калифорний-252. Но производство этой супердорогой субстанции — не единственное занятие Научно-исследовательского института атомных реакторов (НИИАР) в Димитровграде. В научном центре с 70х годов действует Отделение топливных технологий, где занимаются развитием экологически чистых способов получения гранулированного оксида урана, и переработки уже облучённого ядерного топлива (в том числе и оружейного плутония).

Кроме этого, там же изготавливают и тепловыделяющие сборки (ТВС) — устройства, предназначенные для получения тепловой энергии в реакторе за счёт управляемой ядерной реакции. По сути, это батарейки для реактора. О том, как и из чего их делают, я и хочу рассказать в этой статье. Мы заглянем в самое нутро «горячей» камеры с высоким уровнем радиации, посмотрим, как выглядит ядерное топливо оксид урана, и узнаем, сколько может стоить стеклопакет в не совсем обычном окне.

Я не буду вдаваться в подробности устройства и принципа работы ядерного реактора, но для облегчения понимания представьте себе бытовой водонагреватель, в который поступает холодная, а вытекает горячая вода, и нагревает её электрическая спираль (ТЭН). В ядерном реакторе нет электрической спирали, а есть ТВС — длинные шестигранники, состоящие из множества тонких металлических трубок — тепловыделяющих элементов (твэл), в которых находятся таблетки из спрессованного оксида урана.

(источник фото — sdelanounas.ru)

(источник — lab-37.com)

Обычно ТВС представляет собой шестигранный пучок тепловыделяющих элементов длиной 2,5–3,5 м, что примерно соответствует высоте активной зоны реактора. Изготавливают ТВС из нержавеющей стали или сплава циркония (для уменьшения поглощения нейтронов). Тепловыделяющие элементы (тонкие трубки) собираются в ТВС для упрощения учёта и перемещения ядерного топлива в реакторе. В одной ТВС обычно содержится 18–350 тепловыделяющих элементов. В активную зону реактора обычно помещается 200–1600 ТВС (зависит от типа реактора).

Вот так выглядит крышка реактора (котла), под которой в вертикальном положении и находятся ТВС. Один квадратик — одна сборка. Одна сборка — примерно 36 трубок (для реактора РБМК, который и изображён на фото ниже, на других реакторах — трубок больше, но меньше сборок).

(источник фото — visualrian.ru)

А вот так устроена трубка твэла, из которых состоят ТВС:

Устройство твэла реактора РБМК: 1 - заглушка; 2 - таблетки диоксида урана; 3 - оболочка из циркония; 4 - пружина; 5 - втулка; 6 - наконечник.

Твэлы (трубки) и корпус ТВС:

Для этого чаще всего применяются химические методы разделения. Самый просто вариант — это переработка в растворах, однако этот метод даёт наибольшее количество жидких радиоактивных отходов, поэтому эта технология была популярна только в самом начале ядерной эры. В настоящее время в НИИАР совершенствуются так называемые «сухие» способы, в процессе которых получается гораздо меньше уже твёрдых отходов, которые намного проще утилизировать, превращая в стекловидную массу.

Выглядит это примерно так:

С помощью вот таких электромеханических манипуляторов операторы управляют специальным оборудованием в «горячих» камерах. От высокой радиоактивности оператора отделяет только свинцовое стекло метровой толщины, состоящее из 9-10 отдельных пластин, толщиной в 10 см.

На столе, в зале «горячих» камер, можно увидеть образцы ядерного топлива в стеклянных капсулах. Многие гости лаборатории постоянно косятся на этот чемоданчик и боятся подходить ближе. Но это всего лишь муляж, хотя и очень реалистичный. Именно так выглядит двуокись урана, из которой делают волшебные топливные таблетки для твэлов — блестящий порошок чёрного цвета.

Что это?! Человек в «горячей» камере?! Но…

Ничего страшного, это «чистая» камера. Во время технического обслуживания уровень радиации в ней не превышает допустимых значений, поэтому в неё можно работать даже без специальных средств радиозащиты. Судя по всему, именно в этой камере и производят окончательную сборку ТВС из уже заряженных урановыми таблетками твэлов.