В Томском Политехе смогли продлить срок службы ядерного топлива
Атомные станции малой мощности — это эффективный источник энергии для территорий Крайнего Севера и других удаленных регионов, где сложно и дорого доставлять топливо. Но как уменьшить расходы на эксплуатацию таких станций? Ученые Томского политехнического университета нашли способ увеличить длительность работы торий-уранового топлива — одного из наиболее подходящих для этих целей видов ядерного топлива. Их исследование было поддержано Российским научным фондом и опубликовано в журнале Annals of Nuclear Energy.
Торий-урановое топливо — ядерное топливо, которое использует изотоп тория Th-232 в качестве сырьевого материала и изотоп урана U-233 в качестве расщепляющегося материала. В реакторе Th-232 поглощает нейтроны и превращается в U-233, который является ядерным горючим. Этот процесс называется ядерной трансмутацией.
Торий-урановое топливо имеет несколько преимуществ по сравнению с урановым топливом, которое используется в большинстве существующих реакторов. Во-первых, торий более доступен, чем уран. По оценкам, запасы тория в природе в четыре раза больше, чем запасы урана. Во-вторых, торий-урановый цикл образует меньше плутония и других актинидов — радиоактивных элементов, которые представляют опасность для окружающей среды и могут быть использованы для создания ядерного оружия. В-третьих, торий-урановое топливо имеет более высокую энергетическую эффективность, чем урановое топливо. Оно выделяет больше энергии при делении одного атома и имеет большую степень выгорания — долю расщепленных атомов в общем количестве атомов топлива.
Одним из способов увеличить срок службы торий-уранового топлива является увеличение диаметра тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) — стержня из ядерного топлива, окруженного защитной оболочкой. ТВЭЛы располагаются в активной зоне реактора, где происходит цепная реакция деления.
Ученые Томского политеха провели расчеты, которые показали, что увеличение диаметра ТВЭЛа с 6 до 9 мм позволяет увеличить длительность работы ядерного топлива примерно на 75% при переходе на торий-урановый цикл. Это означает, что реактор может работать без замены топлива на 75% дольше, что снижает затраты на его обслуживание и повышает его конкурентоспособность.
При этом ученые убедились, что такое изменение не нарушает безопасность работы реактора. Они проверили, что при увеличении диаметра ТВЭЛа не происходит кризисов теплообмена — состояний, когда оболочка ТВЭЛа перегревается и может разрушиться. Они также проверили, что скорость течения теплоносителя — жидкости или газа, которая отводит тепло от ТВЭЛов — не превышает предельного значения.
Для эффективной работы реактора недопустимо достижение кризисов теплообмена, высоких показателей температур ядерного топлива и оболочки ТВЭЛа, а скорость течения теплоносителя не должна превышать предельного значения. Мы выяснили, что рост диаметра ТВЭЛ приводит к удовлетворительным значениям теплофизических параметров из-за снижения плотности теплового потока с поверхности ТВЭЛа
— доцент отделения ядерно-топливного цикла ТПУ Владимир Нестеров.
Политехники планируют провести аналогичное исследование для реакторов, работающих на торий-плутониевом топливе. Сейчас технология обращения с энергетическим плутонием не отработана, но перспективна — в природе его содержится в четыре раза больше, чем урана.
Также ученые хотят проверить свои расчеты экспериментально на модельном реакторе. Для этого им потребуется разработать и изготовить новые ТВЭЛы с увеличенным диаметром и провести испытания на специальном стенде.
Исследование может способствовать развитию атомной энергетики в России и за рубежом. Атомные станции малой мощности могут быть использованы не только для энергоснабжения отдаленных районов, но и для других целей: например, для обеспечения энергией промышленных объектов или для десалинации морской воды.
Ториевое топливо имеет большой потенциал для развития ядерной энергетики в будущем. Оно может обеспечить долгосрочную энергетическую безопасность, снизить зависимость от импорта урана, уменьшить объемы и опасность радиоактивных отходов и сделать ядерную энергетику более экологичной и экономичной.
Что такое торий-урановое топливо
Торий-урановое топливо — ядерное топливо, которое использует изотоп тория Th-232 в качестве сырьевого материала и изотоп урана U-233 в качестве расщепляющегося материала. В реакторе Th-232 поглощает нейтроны и превращается в U-233, который является ядерным горючим. Этот процесс называется ядерной трансмутацией.
Торий-урановое топливо имеет несколько преимуществ по сравнению с урановым топливом, которое используется в большинстве существующих реакторов. Во-первых, торий более доступен, чем уран. По оценкам, запасы тория в природе в четыре раза больше, чем запасы урана. Во-вторых, торий-урановый цикл образует меньше плутония и других актинидов — радиоактивных элементов, которые представляют опасность для окружающей среды и могут быть использованы для создания ядерного оружия. В-третьих, торий-урановое топливо имеет более высокую энергетическую эффективность, чем урановое топливо. Оно выделяет больше энергии при делении одного атома и имеет большую степень выгорания — долю расщепленных атомов в общем количестве атомов топлива.
Как увеличить срок службы торий-уранового топлива
Одним из способов увеличить срок службы торий-уранового топлива является увеличение диаметра тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) — стержня из ядерного топлива, окруженного защитной оболочкой. ТВЭЛы располагаются в активной зоне реактора, где происходит цепная реакция деления.
Ученые Томского политеха провели расчеты, которые показали, что увеличение диаметра ТВЭЛа с 6 до 9 мм позволяет увеличить длительность работы ядерного топлива примерно на 75% при переходе на торий-урановый цикл. Это означает, что реактор может работать без замены топлива на 75% дольше, что снижает затраты на его обслуживание и повышает его конкурентоспособность.
При этом ученые убедились, что такое изменение не нарушает безопасность работы реактора. Они проверили, что при увеличении диаметра ТВЭЛа не происходит кризисов теплообмена — состояний, когда оболочка ТВЭЛа перегревается и может разрушиться. Они также проверили, что скорость течения теплоносителя — жидкости или газа, которая отводит тепло от ТВЭЛов — не превышает предельного значения.
Для эффективной работы реактора недопустимо достижение кризисов теплообмена, высоких показателей температур ядерного топлива и оболочки ТВЭЛа, а скорость течения теплоносителя не должна превышать предельного значения. Мы выяснили, что рост диаметра ТВЭЛ приводит к удовлетворительным значениям теплофизических параметров из-за снижения плотности теплового потока с поверхности ТВЭЛа
— доцент отделения ядерно-топливного цикла ТПУ Владимир Нестеров.
Что дальше
Политехники планируют провести аналогичное исследование для реакторов, работающих на торий-плутониевом топливе. Сейчас технология обращения с энергетическим плутонием не отработана, но перспективна — в природе его содержится в четыре раза больше, чем урана.
Также ученые хотят проверить свои расчеты экспериментально на модельном реакторе. Для этого им потребуется разработать и изготовить новые ТВЭЛы с увеличенным диаметром и провести испытания на специальном стенде.
Исследование может способствовать развитию атомной энергетики в России и за рубежом. Атомные станции малой мощности могут быть использованы не только для энергоснабжения отдаленных районов, но и для других целей: например, для обеспечения энергией промышленных объектов или для десалинации морской воды.
Какие перспективы у ториевого топлива
Ториевое топливо имеет большой потенциал для развития ядерной энергетики в будущем. Оно может обеспечить долгосрочную энергетическую безопасность, снизить зависимость от импорта урана, уменьшить объемы и опасность радиоактивных отходов и сделать ядерную энергетику более экологичной и экономичной.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Он был размером как четыре Эвереста
Ученые считают: жизнь на Земле породил гигантский метеорит....
Странный случай: укус змеи подействовал на австралийца спустя 15 часов
Только 10% укушенных на самом деле получают дозу яда....
Швейцарские ученые собираются распылить в атмосфере миллионы тонн алмазов
Остановит ли это глобальное потепление?...
Секретные китайские спутники «Тысячи парусов» — новый кошмар для астрономов
Наблюдать за звездами с Земли становится всё проблематичнее....
Почему викинги не сумели колонизировать Северную Америку?
1000-летняя тайна, похоже, все-таки разгадана....
Аномальное древнее кладбище найдено на юге Испании
В 5500-летнем некрополе оказалось много женщин и мало мужчин....
20 млн жителей США могут остаться без воды
Великие озера поразила небывалая засуха....
Электрические обои согреют комнату за три минуты
Альтернатива центральному отоплению или очередной фейк?...
Первые оседлые люди в Европе: в Сербии обнаружили дом возрастом 8000 лет
Обгорелое жилище перевернуло представления о ранних поселенцах....
Запущенный в космос новый коронограф прислал исторические снимки
Устаревший специальный телескоп тянет лямку с 1995-го....
И снова наглый плагиат от компании Tesla?
Маск опять в суде. Теперь из-за «Бегущего по лезвию 2049»....
Марк Цукерберг представил «самые передовые очки за всю историю»
Разбираемся: стоит ли девайс свои 10 000 $....
Добыча криптовалюты: кто-то на этом зарабатывает, а кто-то теряет здоровье
Американские ученые вскрыли неожиданную проблему....
Почти что полёт: найдены следы динозавра, который ускорял свой бег крыльями
Окаменевшие отпечатки позволили рассчитать особенности передвижения....
Ученые наконец-то подтвердили, что солнечный максимум уже наступил
Метеозависимым людям придётся несладко....
Alexa — умная помощница от Amazon — массово распространяла фейки
Владелец разводит руками, но причин случившегося не сообщает....