Отличие ядерного горючего от органического топлива

Введение

Актуальность работы. Существует ряд принципиальных различий сгорания ядерного и органического топлива. Ключевыми различиями между этими видами топлива являются разная их потребность в кислороде и в полноте сгорания. Органическое топливо требует кислород, поскольку он необходим для протекания реакции окисления-восстановления, а это и есть процесс горения. Сгорания ядерного топлива обусловливается не химическими реакциями, а потому кислород или другой окислитель для сгорания не нужен. Органическое топливо сгорает практически полностью, в отличие от ядерного топлива, которое выгорает лишь примерно на 6%. Так, эффективность использования ядерного топлива в реакторах типа ВВЭР составляет около 1%. Отработанное ядерное топливо является высокорадиоактивное. Обращение с ним требует специальных мер безопасности. Существует технология по переработке и регенерации отработавшего ядерного топлива, но это технологически сложный и очень дорогой процесс, после которого остаются отходы. Эти отходы необходимо изолировать от людей и природной среды на тысячи лет.
Всё это обуславливает более детальное рассмотрение отличий ядерного горючего от органического топлива.
Объект исследования: ядерное горючее и органическое топливо.
Предмет исследования: особенности отличий ядерного горючего от органического топлива.
Цель работы: рассмотреть отличие ядерного горючего от органического топлива.
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть ядерное горючее;
- проанализировать органическое топливо.
1. Ядерное горючее
Ядерное топливо используется в ядерных реакторах, где оно обычно располагается в герметично закрытых тепловыделяющих элементах (Твэлах) в виде таблеток размером в несколько сантиметров. Урановые таблетки вкладывают в трубки, изготовленные из сплава циркония, и получают топливные стержни, которые и называют тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). Примерно 200 Твэлов составляют вместе в тепловыделяющая сборка (ТВС), которые и загружаются в активную зону реактора.
Ядерное топливо - это материал, используемый в ядерных реакторах для проведения цепной реакции ядерного деления. Ядерное топливо имеет принципиальные отличия от других видов топлива, используемых человеком. Он чрезвычайно высокоэффективен, но также очень опасен для человека и может стать причиной очень серьезных аварий, что накладывает множество ограничений на его использование по соображениям безопасности. По этой и многим другим причинам ядерное топливо гораздо сложнее использовать, чем любой вид органического топлива, и требует многих специальных технических и организационных мер при его использовании, а также высококвалифицированного персонала, занимающегося им.
Рис. 1. Ядерное топливо почти готово к работе
Цепная ядерная реакция (рис.2) - это деление ядра на две части, называемые фрагментами деления, с одновременным высвобождением нескольких (2-3) нейтронов, которые, в свою очередь, могут вызвать деление следующих ядер. Это деление происходит, когда нейтрон попадает в ядро атома исходного вещества. Осколки деления, образующиеся при ядерном делении, обладают высокой кинетической энергией. Ингибирование деления фрагментов в веществе сопровождается выделением большого количества тепла.
Делением фрагментов называется ядро, образовавшееся в результате прямого деления. Осколки деления и продукты их радиоактивного распада обычно называются продуктами деления. Ядра, разделяющие нейтроны любой энергии, называются ядерным топливом (обычно это вещества с нечетным атомным номером). Есть ядра, которые делятся только нейтронами с энергией выше определенного порогового значения (обычно это элементы с четным атомным номером)

. Такие ядра называются сырьем, так как при захвате нейтрона пороговым ядром образуются ядра ядерного топлива. Сочетание ядерного топлива и сырья называется ядерным топливом.
Рис. 2. Механизм протекания цепной ядерной реакции
На атомных электростанциях и других ядерных установках топливо поступает в виде достаточно сложных технических устройств - тепловыделяющих сборок (ТВС), которые в зависимости от типа реактора загружаются непосредственно в процессе его эксплуатации (как в реакторах типа РБМК в России) для замены сгоревших ТВС или замены отработавших сборок большими группами в ходе ремонтной кампании (как в российских реакторах ВВЭР или их аналогах в других странах, ПВР и др.). В последнем случае каждая новая загрузка обычно заменяет треть топлива и полностью меняет его расположение в активной зоне реактора, наиболее выгоревшие сборки с топливом выгружаются из центра активной зоны, а вторая треть сборок ставится на их место, со средним выгоранием и расположением. На их место, в свою очередь, с периферии активной зоны помещаются наименее сгоревшие тепловыделяющие сборки, а на периферию загружается свежее топливо. Такая схема перегруппировки топлива является традиционной и обусловлена многими причинами, например, стремлением обеспечить равномерное выделение энергии в топливе и максимальный запас перед кризисом водяного теплообмена на оболочках топливных элементов.
Приведенное выше описание загрузки ядерного топлива в активную зону реактора все же весьма условно, что позволяет иметь общее представление об этом процессе. В реальности загрузка топлива в реакторы разных типов осуществляется индивидуально, в сборках с разной степенью обогащения топлива, и этому предшествуют сложные ядерно-физические расчеты конфигурации активной зоны реактора в специализированном программном обеспечении, которые выполняются на годы вперед и позволяют планировать топливные и ремонтные кампании для повышения производительности атомных электростанций, например, Киума. Кроме того, если конфигурация топлива не соответствует определенным требованиям, важнейшими из которых являются различные коэффициенты неравномерного энерговыделения в активной зоне, то реактор вообще не сможет работать или станет неуправляемым.
Помимо различной степени обогащения различные ТВС будут применять различные решения для обеспечения требуемой конфигурации активной зоны и стабильности ее характеристик в топливной кампании, например ТВС, в которых некоторые ТВЭЛы содержат поглощающие элементы (пали), которые компенсируют начальный избыток реактивности свежего топлива, сжигаемого в процессе работы реактора и по мере использования топлива меньше влияют на его реактивность. В результате значения энерговыделения со временем выравниваются на протяжении всего срока службы тепловыделяющей сборки. В настоящее время в топливе промышленных водо-водяных реакторов во всем мире практически перестали использовать Пэлы с борным поглотителем, которые долгое время были практически безальтернативными элементами, и перешли на более прогрессивный метод –Введение

гадолиниевого выгорания поглотителя непосредственно в топливную матрицу для тех же целей. Этот метод имеет много важных преимуществ.
Рис. 3. Ядерный реактор. Вид изнутри
После того как отработавшее топливо выгружается из активной зоны реактора, его помещают в специальный удерживающий бассейн, обычно расположенный в непосредственной близости от реактора.
Дело в том, что отработавшие тепловыделяющие сборки содержат большое количество осколков деления урана, сразу после разгрузки каждый тепловыделяющий элемент в среднем содержит 300 000 кюри радиоактивных веществ, выделяющих энергию 100 кВт * ч