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
Раскрыта главная тайна антарктического льда: ученые узнали, как и кем была взломана природная защита Шестого континента
Похоже, той Антарктиде, которую мы знаем, приходит конец. Впрочем, это не точно...
Древнеримский артефакт переписывает историю Америки: Колумб был не первым?
Почему находка из индейской могилы почти 100 лет вызывает ожесточенные споры среди археологов и историков?...
Тайна гибели сибирского «Титаника»: почему некоторые детали катастрофы 1921 года неизвестны даже сейчас?
Поразительно, но тогда судьи единогласно оправдали капитана парохода. Так кто же тогда был виновником этого страшного происшествия?...
Еще раз об убийстве Андрея Боголюбского: что рассказали кости погибшего князя?
Профессор судебной медицины поправил историков и выявил неточности древних летописей...
Японец 26 лет ждал, пока раскроют убийство его жены. Часть 2. Расплата
Как наука отменила срок давности у преступления? И какая тайна осталась не раскрытой?...
Японец 26 лет ждал, пока раскроют убийство его жены
Как новейшие технологии помогли сдвинуть с места нераскрываемое дело...
Главный секрет человеческого дыхания: ученые рассказали, почему мы дышим «вахтовым методом»
Эксперты предупреждают: из-за особенности организма многие люди не смогут попасть в космос. Но решение все-таки есть...
Жители Анд переписали свою ДНК: почему горные индейцы пьют ядовитую воду, но чувствуют себя при этом хорошо?
По словам ученых, эволюция сделала красивый и хитрый ход. И это не иммунитет к токсинам, а нечто другое, более интересное...
43 000 черепков открыли тысячелетние тайны Древнего Египта
Почему глиняная библиотека Атрибиса потрясла весь археологический мир?...
Ядерный взрыв на Луне: для чего советские ученые хотели провести такой грандиозный эксперимент?
Зачем России атомный реактор на Луне и как он поможет нам добраться до Венеры?...
Почему эти меры не спасут Антарктиду: пять проектов по спасению ледников оказались провалом
Эксперт жестко проанализировал самые популярные программы по сохранению льда на Шестом континенте. Увы, они оказались невыполнимой фантастикой, причем опасно...