Лекции для магистров Лекция 2 Основные материалы

Лекции для магистров Лекция № 2 Основные материалы и переделы в ЯТЦ. Понятия и определения. Ч. 1. Виктор Декусар ГНЦ РФ ФЭИ E-mail: decouss@ippe. ru 1

Схема Ядерного топливного цикла, Предприятия ЯТЦ 2

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Ядерный материалы: Природные ядерные материалы Уран и торий. Тория в земной коре в 3, …, 4 раза больше, чем урана. В России достоверные запасы урана оставляют около 600 тыс. тонн В мире достоверные запасы урана составляют свыше 6 млн. тонн Оценки запасов тория для России дают цифру около 1700 тыс. тонн. 3

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Ядерный материалы: Делящиеся Материалы, делящиеся тепловыми и быстрыми нейтронами – 235 U, 239 Pu, 241 Pu, 233 U. Материалы, делящиеся только быстрыми нейтронами, – все изотопы U, все изотопы Pu, Th и некоторые другие искуственные изотопы. Без наличия этих материалов цепная деления невозможна. Деление этих материалов дает подавляющий вклад в выделение энергии. 4

Ядерные изотопы Основные изотопы: • • • U-235 U-238 Pu-239 Pu-241 Th-232 U-233 7. 1· 108 лет 4. 5· 109 лет 2. 4· 104 лет 14. 35 года 1. 4· 1010 лет 1. 6· 105 лет ~ 0. 7% ~ 99. 3% ~ 100% Возраст Земли оценивается в 5· 109 лет

Ядерные изотопы Изотопы, обладающие свойством деления: • • • Th-230 Pa-231 Pa-233 U-232 U-234 U-236 Np-237 Pu-236 Pu-238 Pu-240 Pu-242 ~ 7. 5· 104 лет ~ 3. 3· 104 лет ~ 27 года ~ 70 лет ~ 2. 5· 105 лет ~ 2. 3· 107 лет ~ 2. 1· 106 лет ~ 2. 9 года ~ 88 лет ~ 6. 5· 103 лет ~ 3. 7· 105 лет

Ядерные изотопы Трансплутониевые изотопы • • Am-241 Am-242 m Am-243 Cm-242 Cm-243 Cm-244 Cm-245 ~ 432 года ~ 16 часов ~ 141 год ~ 7370 лет ~ 163 дня ~ 29 лет ~ 18 лет ~ 8500 лет

Топливные циклы На природном уране На обогащенном уране Уран-плутониевый Торий-урановый

Деление ядер осколки – 166 Мэ. В нейтроны – 4. 9 Мэ. В γ-кванты мгновенные – 7. 2 Мэ. В γ-кванты запазд. – 7. 2 Мэ. В β-частицы – 9. 0 Мэ. В антинейтрино - 10. 0 Мэ. В ------204. 3 Мэ. В

Топливные циклы На природном уране На обогащенном уране Уран-плутониевый Торий-урановый

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Ядерный материалы: Фертильные (сырьевые) 238 U, 232 Th. При облучении нейтронами фертильных материалов образуются материалы делящиеся, соответственно, изотопы плутония и 233 U. Роль этих материалов состоит в решающем улучшении физических характеристик ядерных реакторов и в воспроизводстве вторичного ядерного горючего. Как правило, они составляют большую часть как свежего, так и отработавшего ядерного топлива. Сечение деление их невелико и носит пороговый характер, поэтому вклад их в энерговыделение не велик (нескольких процентов в случае 238 U и существенно меньше для 232 Th). 11

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Ядерный материалы: Отвальной (обедненный) уран - побочный продукт (хвосты) процесса обогащения природного урана. Обычно содержание 235 U в отвальном уране колеблется от 0. 5% ( на начальном этапе разделительного производства - диффузионные аппараты) до 0. 2% и менее ( современный этап с использованием газовых центрифуг). Запасы отвального урана хранятся обычно в виде UF 6 , и весьма значительны благодаря интенсивному производству в прошлом оружейного урана. 12

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Ядерный материалы: Свежее топливо - это смесь делящихся (ДИ) и сырьевых изотопов. Состав свежего топлива определяется типом реактора, для которого предназначено это топливо. В тепловых реакторах содержание делящихся изотопов лежит в пределах от ~ 0. 7% (естественный уран в реакторах CANDU) до ~ 6% ( реакторы с МОХ топливом). В быстрых реакторах содержание ДИ 10, …, 20%. 13

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Ядерный материалы: Основные виды топлива – UOX – диоксид урана, обычно обогащенного (или 233 U). MOX (mixed oxide) смесь диоксидов урана и плутония. Здесь, как правило, используется диоксид обедненного урана. В качестве перспективы рассматриваются и другие виды топлива: металлическое, нитриды, карбиды и др. Аналогичные виды топлива могут быть и на основе тория. 14

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Ядерный материалы: Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) –топливо, подвергшееся облучению нейтронами в ядерном реакторе. Характеризуется выгоранием – количеством энергии, снятой с единицы массы – МВт*сутки/т т. а Включает в себя: делящиеся материалы, сырьевые материалы, осколки деления, малые актиниды, другие изотопы в зависмости от вида топлива. 15

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Ядерный материалы: Характерная величина достигаемого выгорания ОЯТ для тепловых реакторов – несколько более 40 МВт*сутки/т т. а, ставится задача достигнуть величины 60 МВт*сутки/т т. а. ; Для быстрых реакторов – более 100 МВт*сутки/т т. а. Повышение выгорания улучшает экономические характеристики АЭС. Основной ограничитель для повышения выгорания – стойкость конструкционных материалов в температурных и нейтронных полях. 16

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Ядерный материалы: Продукты деления (ПД, осколки деления) образуются при делении нейтронами делящихся материалов. Среди них практически вся таблица Менделеева. Являются паразитными поглотителями нейтронов. Практического применения, как правило, не имеют. После выгрузки ОЯТ из реактора определяют остаточное энерговыделение за счет радиоактивного распада. 17

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Подавляющее большинство ПД имеют период полураспада, не превышающий несколько сотен лет. Только некоторые имеют значительный период полураспада ( например99 Тс ~2· 105 лет, 135 Cs ~ 2. 3· 106 лет и др. ). За это время переходят в стабильные изотопы. Считается, что оптимальным способом обращения с ПД является их хранение и последующее окончательное захоронение. Это обусловлено их сравнительно небольшим периодом полураспада. Количество образующихся ПД можно приблизительно для любого ядерного топлива оценить из соотношения : 1 Мвт*сут дает 1 г ПД. Отсюда 1 ВВЭР-1000 за год дает ~ 1 т осколков. 18

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Ядерный материалы: Малые актиниды (МА) – изотопы Np, Am и Cm. Образуются при облучении нейтронами делящихся и сырьевых материалов. Некоторые МА делятся. МА являются наиболее вредными ядерными отходами. Главная проблема обращения с МА связана с их большим периодом полураспада – до миллионов лет, их высокой радиоактивностью и тепловыделением. 19

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Ядерный материалы: Малые актиниды Поэтому эта проблема до сих пор не нашла оптимального решения. Имеющиеся варианты • Захоронение или выжигания в нейтронных полях с превращение в конечном итоге в стабильные изотопы. • Рассматривается также вариант прямого захоронения МА в составе ОЯТ без его переработки. 20

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Конструкционные материалы элементов активной зоны: Цирконий и его сплавы используются для изготовления твэл и ТВС тепловых реакторов. Характеризуются малым поглощением нейтронов, стойкостью в воде. Главный недостаток – возможность при больших температурах (900 -950°С) пароциркониевой экзотермической реакции с выделением водорода. Нержавеющая сталь и другие сплавы используются при изготовлении твэл и ТВС быстрых реакторов. Поскольку сечения для быстрых нейтронов, как правило, невелики здесь возможно применение широкого спектра материалов. Главным критерием при выборе становится стойкость материала в теплоносителе быстрого реактора и способность выдерживать высокого выгорание топлива. 21

Основные материалы, используемые В ЯТЦ Материалы органов управления: Это материалы, обладающие большим сечением поглощения нейтронов: бор, гадолиний, кадмий, диспрозий, эрбий и др. Применяют в твердом виде для подвижных органов регулирования и в виде выгорающих поглотителей. В жидком виде применяют в виде растворимых компонент в воде первого контура. 22

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ 23