
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

Планшет, пролежавший в Темзе пять лет, помог раскрыть серию запутанных преступлений
Эксперты говорят: даже вода не смогла стереть цифровые следы....

Учёные говорят, что обнаружили огромный тайный город под египетскими пирамидами
Проверять пока не разрешили....

«Инопланетяне» на Земле? Древние 8-метровые «грибы» оказались совершенно неизвестной формой жизни
Вот уже 180 лет подряд живые «башни» ставят в тупик всю науку....

«Шерстистый дьявол» обнаружен в пустыне, на границе Мексики и США
Ученые говорят: такой уникальной находки не было последние полвека....

Похоже, что проблема космического мусора в скором времени будет решена раз и навсегда
Новая технология не только очистит космос, но и поможет спутникам работать втрое дольше....

Американские спецслужбы скрывают правду о самой древней из библейских реликвий?
Экстрасенс ЦРУ предупредил: Ковчег Завета убьет каждого, кто к нему прикоснется....

Почему мы не помним себя младенцами? Новое исследование дало ответы
Возможно, помним, но «ларчик» заперт....

Археологи ликуют: в Испании нашли рисунки, которые старше человечества!
200 000-летняя находка заставит пересмотреть учебники....

Астрофизики рассказали, почему Вселенная замедляется вопреки предсказаниям Эйнштейна
Если открытие DESI и ослабление темной энергии подтвердится, учебники придется переписать....

Ученые поражены: мыши, как спасатели, оживляют своих сородичей, попавших в беду
Открытие, от которого дрогнет даже самое черствое сердце....

Кислород устарел! Ученые нашли новый ключ к внеземной жизни
Гицеанические миры могут стать новой надеждой астрофизиков....

На 100 000 лет раньше людей: ученые рассказали, кто устроил первые похороны на планете
Загадочные карлики Homo naledi, чей мозг был размером с апельсин, оказались не глупее нас с вами....

Секретная мутация гена: оказалось, ее имеют все обитатели Марианской впадины
Поразительное открытие китайских ученых может изменить всю теорию эволюции....

10 лет за 48 часов: ИИ полностью переиграл ученых в поисках секрета супербактерий
Однако эксперты предупреждают: нейросети не только ускоряют науку, они запросто могут столкнуть нас в пропасть....

Ученый рассказал, как использовались загадочные артефакты из гробницы Тутанхамона
Это было как в фильме «Мумия»: «Фараон должен воскреснуть!»...

Гигантский айсберг скрывал древнюю живую экосистему
Губки и кораллы благоденствуют на обнажившемся морском дне в месте, ранее недоступном взгляду....