твэл что это такое

Топливом для ядерного реактора служит ТВЭЛ. Это элемент, в котором непосредственно протекает управляемая цепня реакция. Как устроены «дрова» атомного котла, как они изготавливаются и что происходит с топливом в сердце электростанции?

Известно, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Например, в ядре атома урана содержится 92 протона и 143 или 146 нейтронов. Сила отталкивания между положительно заряженными протонами в ядре урана просто громадна, около 100 кгс в одном единственном (!) атоме. Однако разлетаться ядру не дают внутриядерные силы. При попадании в ядро урана свободного нейтрона (только нейтральная частица способна приблизиться к ядру) последнее деформируется и разлетается на две половинки плюс два-три свободных нейтрона.

Эти самые свободные нейтроны атакуют ядра других атомов, и т. д. Таким образом, количество столкновений увеличивается в геометрической прогрессии и в доли секунды вся масса радиоактивного металла распадается. Этот распад сопровождается разлетом на околосветовых скоростях во все стороны осколков, их столкновения с молекулами окружающей среды вызывают нагревание до нескольких миллионов градусов. Это картина обычного ядерного взрыва. ТВЭЛ это явление направляет в мирное русло. Как это происходит?

Таким образом, реакция находится под постоянным контролем автоматики. Распад сопровождается движением в среде теплоносителя осколков ядер урана, которые разогревают его до необходимой температуры.

Как вырабатывается электроэнергия

Дальнейшее устройство атомной электростанции мало чем отличается от обычной тепловой, работающей на газе, мазуте или угле. Разница состоит в том, что в ТЭЦ тепло получается при сжигании ископаемых углеводородов, в АЭС же теплоноситель нагревается ТВЭЛ ядерных реакторов.

Доведенный до температуры в 500–800 °C теплоноситель (в его роли могут выступать перегретая вода, расплавы солей, и даже жидкие металлы) в специальном теплообменнике разогревает воду, превращая ее в сухой пар. Пар вращает турбину, посаженную на один вал с генератором, в котором и вырабатывается электрический ток.

Какие они бывают

Еще одним бонусом использования урановых ТВЭЛов является генерация в них в результате облучения нейтронами ядер урана такого элемента, как плутоний 239, который затем используется как топливо для малогабаритных ядерных реакторов, а так же в качестве оружейного металла.

Где берется топливо для атомных электростанций

Уран добывают во многих странах мира открытым (карьерным) или шахтным способом. Изначально в руде содержится даже не сам уран, а его оксид. Выделение металла из окисла – сложнейшая цепь химических превращений. Далеко не каждая страна мира может позволить себе обзавестись предприятиями по производству ядерного топлива.

Чтобы уран стал высокообогащенным (содержание изотопа 235 повысилось до 20 %) ему предстоит, превратившись в газ, пройти до тысячи ступеней переработки.

Как устроен ТВЭЛ

Изделия из металлического урана лучше приспособлены выдерживать адские условия внутри реактора, но чистый элемент очень дорог в производстве. Намного дешевле диоксид урана, но чтобы он не рассыпался от огромных давления и жара приходится запекать под громадным давлением при температуре более 1000 °C.

ТВС устанавливаются непосредственно в сердце атомного реактора. В одном реакторе их количество может достигать нескольких сотен. По мере распада урана ТВЭЛы теряют свою способность производить тепло, тогда их заменяют. Но один килограмм технического урана, обогащенного до содержания 235 изотопа 4%, за свою жизнь в атомном реакторе успевает произвести столько же энергии, сколько получилось бы при сжигании 300 стандартных двухсотлитровых бочек топочного мазута.

Источник

Математическая модель тепловыделяющего элемента ядерного реактора

Введение

В ТВЭЛах происходит деление тяжелых ядер урана 235 или плутония 239, сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся теплоносителю.

ТВЭЛ должен обеспечить отвод тепла от топлива к теплоносителю и препятствовать распространению радиоактивных продуктов из топлива в теплоноситель.

Поэтому расчёт температурных полей в ТВЭЛах является важной задачей проектирования ядерного реактора.

В данной публикации приведена методика расчета распределения температуры для стержневого осесимметричного твэла, набранного из таблеток оксида урана.

Конструкция осесимметричного ТВЭЛА (схематично)

Ядерное топливо заключено в защитную оболочку из циркониевого сплава – материала, слабо поглощающего тепловые нейтроны.

Между топливным стержнем и оболочкой имеется зазор – тонкая газовая прослойка, заполненная химически нейтральным и высокотеплопроводным гелием [2].

Мощность внутренних источников теплоты в твэлах достигает , а теплонапряженность охлаждаемой поверхности, т.е. плотность теплового потока на поверхности оболочки –

Необходимо обеспечить эффективное охлаждение, чтобы уровень температур был приемлемым для имеющихся материалов.

В наиболее распространенных гражданских реакторах типа ВВЭР охлаждение осуществляется водой под давлением 15 MПа.

Температура насыщения при этом давлении 342ºC, а температура теплоносителя (воды) – примерно 300ºC, т.е. твэлы охлаждаются некипящей, недогретой до температуры насыщения водой. Коэффициент теплоотдачи составляет примерно 30000 Вт/(м 2 ºC).

Для оксида урана, относящегося к типу керамического ядерного топлива, температура может быть очень высокой, поскольку температура плавления UO2 составляет 2800ºC.

Однако, допустимая температура циркониевых оболочек гораздо ниже – около 400ºС. Если этот предел превышен, то в контакте с водой быстро развивается разрушительная коррозия.

При проектировании твэла необходимо проверить, не превышают ли температуры ядерного топлива и защитной оболочки допустимых значений.

Расчет проводится при заданной мощности внутренних источников qv и заданных условиях охлаждения: температуре воды tf и коэффициенте теплоотдачи α.

В конструкции твэла можно выделить две области:

Модель топливного стержня – цилиндр с внутренними источниками тепла

Тепловой баланс для цилиндрического топливного стержня запишем в виде:

Правая часть этого выражения — есть внутреннее тепловыделение в сплошном цилиндре с текущим радиусом r, 0 ≤ r ≤ r1. Левая часть – тепловой поток через поверхность F®.

После подстановки в приведенное соотношение выражения получим уравнение:

. (1)

Согласно (1), линейная плотность теплового потока увеличивается по радиусу твэла благодаря действию внутренних источников теплоты.

С учетом выражения для плотности теплового потока, из уравнения сохранения (1) получается следующее дифференциальное уравнение для температурного поля:

(2)

Переменные в этом уравнении разделяются. Проведем интегрирование на полном интервале:

Вводя величину среднеинтегрального коэффициента теплопроводности, можно записать расчетное соотношение для перепада температуры внутри твэла в следующей компактной форме:

(3)

Теплопроводность UO2 [3]:

(4)

Заметим, что формула (3) дает точное решение дифференциального уравнения (2) в квадратурах. Числовые погрешности могут возникнуть при приближенном вычислении интеграла.

Если принять λ = сonst, то из (3) следует квадратичный закон изменения температуры по радиусу. Чтобы увидеть это, зафиксируйте в Δt ≡ t 0 — t1 величину t0 и рассматривайте t1 как функцию от радиуса r1.

В действительности теплопроводность оксида урана сильно зависит от температуры (4) и эту зависимость необходимо учитывать при практических расчетах.

Задаём мощность тепловыделения qv и температуру поверхности топливного стержня t1. Требуется найти температуру в центре t0 (это максимальное значение температуры в твэле).

Для таких вычислений потребовалось разработать программу на Python:

Итак, чтобы воспользоваться точным решением (3) задачи о разработке математической модели твэла, потребовалось специальное использование модулей Python –fsolve и quad, а также “вложенных” функций.

Заметим, что это самый простой способ решения, если необходимо правильно учесть влияние температурной зависимости коэффициента теплопроводности ядерного топлива.

Расчет теплопередачи через зазор заполненный гелием и циркониевую защитную оболочку

Теплота, выделившаяся в активном стержне, далее передается через газовый зазор и циркониевую оболочку к охлаждающей воде.

Поскольку в этой области внутренних источников тепла нет, величина линейного потока qL сохраняется постоянной, а из (1) следует:

Теплопроводность гелия в газовой прослойке существенно зависит от температуры:

(5)

Учтем, что теплопроводность гелия в газовой прослойке существенно зависит от температуры, в то же время теплопроводность циркониевого сплава можно считать постоянной:

Теплоотдачу на поверхности оболочки опишем уравнением Ньютона Рихмана: преобразованным для линейной плотности теплового потока:

,

где: RL,α называется линейное сопротивление теплоотдачи.

Линейные термические сопротивления гелиевого зазора, оболочки и теплоотдачи на наружной поверхности образуют последовательную цепь сопротивлений, через которые проходит одинаковый (линейный) тепловой поток qL:

(6)

Вычисления будут элементарными, если сопротивления независимы от температуры. Однако, во многих задачах теплопередачи это не так.

Сейчас мы имеем дело с самым простым примером нелинейного сопротивления, вследствие сильной температурной зависимости коэффициента теплопроводности гелия в зазоре.

Более сложными являются задачи с зависящими от температуры сопротивлениями теплоотдачи (как при кипении или конденсации, при свободной конвекции или радиационном теплообмене).

Поскольку проблема является достаточно общей, покажем, как организовать расчеты теплопередачи в таких случаях:

Температура t0 в центре топливного стержня: 2359.2 °С
Температура t1 поверхности топливного стержня из оксида урана: 942.4 °С
Температура t2 внутренней поверхности оболочки из циркония: 408.5 °С
Температура t3 наружной поверхности оболочки из циркония: 352.9 °С

Распределение температуры в твэле

Результаты расчета твэла представлены на графике как распределение температуры по радиусу. Основное внимание при оценке результатов должно быть уделено двум значениям:

Выводы

Средствами свободно распространяемого языка программирования Python с использованием модулей quad, fsole и системы вложенных функций разработана математическая модель для осесимметричного твэла ядерного реактора.

Источник

kak_eto_sdelano

Как это сделано, как это работает, как это устроено

Самое познавательное сообщество Живого Журнала

За счёт постоянного деления ядер урана и выделяется большое количество тепла, которое нагревает воду или другой теплоноситель до высокой температуры. А далее по схеме:

Обычно ТВС представляет собой шестигранный пучок тепловыделяющих элементов длиной 2,5–3,5 м, что примерно соответствует высоте активной зоны реактора. Изготавливают ТВС из нержавеющей стали или сплава циркония (для уменьшения поглощения нейтронов). Тепловыделяющие элементы (тонкие трубки) собираются в ТВС для упрощения учёта и перемещения ядерного топлива в реакторе. В одной ТВС обычно содержится 18–350 тепловыделяющих элементов. В активную зону реактора обычно помещается 200–1600 ТВС (зависит от типа реактора).

А вот так устроена трубка твэла, из которых состоят ТВС:

Устройство твэла реактора РБМК: 1 — заглушка; 2 — таблетки диоксида урана; 3 — оболочка из циркония; 4 — пружина; 5 — втулка; 6 — наконечник.

Твэлы (трубки) и корпус ТВС:

И всё было бы прекрасно, если бы волшебные таблетки оксида урана не разлагались на другие элементы в процессе ядерной реакции. Когда это происходит, реактивность реактора ослабевает, и цепная реакция сама собой прекращается. Она может быть возобновлена только после замены урана в активной зоне (твэлов). Всё, что накопилось в трубках, необходимо выгрузить из реактора и захоронить. Или переработать для повторного использования, что более привлекательно, так как в ядерной промышленности все стремятся к безотходному производству и реген�
�рации. Зачем тратить деньги на хранение ядерных отходов, если можно заставить их, наоборот, эти деньги зарабатывать?

Вот в этом отделении НИИАР и занимаются технологиями регенерации отработанного ядерного топлива, разделяя радиоактивный навоз на полезные элементы и на то, что уже никогда и нигде не пригодится.

В основе всех современных технологических схем переработки отработанного ядерного топлива лежат экстракционные процессы, называемые Пьюрекс-процессом (от англ. Pu U Recovery EXtraction), который заключается в восстановительной реэкстракции плутония из смеси урана с его продуктами деления. Плутоний, выделенный при переработке, может быть использован в виде топлива в смеси с оксидом урана. Это топливо имеет название МОКС (англ. Mixed-Oxide fuel, MOX). Его получением также занимаются в НИИАР, в Отделе топливных технологий. Это перспективное топливо.

Все исследования и производственный процесс выполняются операторами дистанционно, в закрытых камерах и защитных боксах.

Выглядит это примерно так:

С помощью вот таких электромеханических манипуляторов операторы управляют специальным оборудованием в «горячих» камерах. От высокой радиоактивности оператора отделяет только свинцовое стекло метровой толщины, состоящее из 9-10 отдельных пластин, толщиной в 10 см.

Стоимость только одного стекла сопоставима со стоимостью квартиры в Ульяновске, а вся камера оценивается почти в 100 млн. рублей. Под действием радиации стёкла постепенно теряют свою прозрачность и они нуждаются в замене. Сможете на фото разглядеть «руку» манипулятора?

Чтобы научиться виртуозно управлять манипулятором, нужны годы тренировок и опыта. А ведь с их помощью иногда требуется выполнять операции из разряда откручивания и закручивания маленьких гаек внутри камеры.

У диоксида урана нет фазовых переходов, он менее подвержен тем нежелательным физическим процессам, которые происходят с металлическим ураном при высоких температурах активной зоны. Диоксид урана не взаимодействует с цирконием, ниобием, нержавеющей сталью и другими материалами, из которых изготовлены ТВС и трубки твэлов. Эти свойства позволяют применять его в ядерных реакторах, получая высокие температуры и, следовательно, высокий КПД реактора.

Пульт управления манипулятором немного другой модификации. В этой камере нет стёкол, поэтому наблюдение ведётся с помощью установленных внутри камер.

Что это?! Человек в «горячей» камере?! Но.

Ничего страшного, это «чистая» камера. Во время технического обслуживания уровень радиации в ней не превышает допустимых значений, поэтому в неё можно работать даже без специальных средств радиозащиты. Судя по всему, именно в этой камере и производят окончательную сборку ТВС из уже заряженных урановыми таблетками твэлов.

При таком не очень уютном соседстве с открытым ядерным топливом уровень радиации в лаборатории не превышает природных значений. Всё это достигается за счёт жёсткой техники радиационной безопасности. Люди десятилетиями работают операторами без вреда для здоровья.

Источник

Значение слова «твэл»

1. сокр. к тепловыделяющий элемент ◆ Возможен особый вид дисперсионного твэла — твэл, в котором материалом матрицы также является делящийся материал. А. Г. Самойлов, ‎А. И. Каштанов, ‎В. С. Волков, «Дисперсионные тепловыделяющие элементы ядерных реакторов», 1965 г.

Делаем Карту слов лучше вместе

Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!

Спасибо! Я стал чуточку лучше понимать мир эмоций.

Вопрос: обгрызть — это что-то нейтральное, положительное или отрицательное?

Синонимы к слову «твэл&raquo

Предложения со словом «твэл&raquo

Понятия, связанные со словом «твэл»

Отправить комментарий

Дополнительно

Предложения со словом «твэл&raquo

С большим трудом команде операторов удалось закрыть клапаны, чтобы предотвратить расплавление твэлов.

Вода, которая должна была покрывать твэлы и охлаждать активную зону, начала из неё уходить.

По их представлениям, никакой опасности перегрева твэлов не было.

Синонимы к слову «твэл&raquo

Правописание

Карта слов и выражений русского языка

Онлайн-тезаурус с возможностью поиска ассоциаций, синонимов, контекстных связей и примеров предложений к словам и выражениям русского языка.

Справочная информация по склонению имён существительных и прилагательных, спряжению глаголов, а также морфемному строению слов.

Сайт оснащён мощной системой поиска с поддержкой русской морфологии.

Источник

ТВЭЛ (компания)

Юрий Оленин (президент ОАО «ТВЭЛ»), Александр Локшин (председатель совета директоров)

Добыча и переработка урана, производство ядерного топлива

Ядерное топливо, цирконий, литий, кальций, сверхпроводниковая продукция и др.

▲ 104,8 млрд рублей (2011 год)

▲ 19,5 млрд рублей (2011 год)

16,3 тыс. чел. (по состоянию на конец 2008 года)

«ТВЭЛ» — российский производитель ядерного топлива, крупный производственный холдинг, 100 % акций которого принадлежит ОАО «Атомэнергопром». Включает ряд предприятий ядерно-топливного цикла и вспомогательной инфраструктуры. Полное наименование управляющей компании — Открытое акционерное общество «ТВЭЛ». Штаб-квартира — в Москве.

Холдинг создан в 1996 по Указу Президента Российской Федерации от 8 февраля 1996 № 166 «О совершенствовании управления предприятиями ядерно-топливного цикла» путем консолидации в его уставном капитале акций предприятий ядерного топливного цикла, находящихся в федеральной собственности.

Содержание

Собственники и руководство

Председатель совета директоров — Александр Локшин. Президент — Юрий Оленин.

Деятельность

Масштабы деятельности

ТК «ТВЭЛ» дает 17% производства ядерного топлива в мире; обеспечивает, помимо России, ядерным топливом 76 энергетических (1/6 часть от мирового количества) и 30 исследовательских ядерных реакторов в 13 странах мира: Армении, Болгарии, Великобритании, Венгрии, Германии, Индии (топливные таблетки), Китае, Литве, Нидерландах, Украине, Финляндии, Чехии, Швейцарии.

В Великобританию, Германию, Нидерланды и Швейцарию изготовленные по западной технологии топливные сборки поставляются в кооперации с компанией Areva NP (Франция — Германия).

В 2012 г. подписан договор между Топливной компанией Росатома «ТВЭЛ» и компанией Vattenfall Nuclear Fuel АВ (Швеция) на поставку опытной партии топлива ТВС-К для АЭС Рингхальс 3.

ТК «ТВЭЛ» совместно с AREVA NP, Toshiba-Westinghouse Electric Company (Япония — США) и Japan Nuclear Fuel Limited составляет четверку лидеров мирового рынка ядерного топлива, обеспечивающих 91% потребности в ядерном топливе. Крупнейший из игроков второго эшелона – Mitsubishi Heavy Industries (Япония) – дает менее 4%.

Организация производства

Производственный процесс ТК «ТВЭЛ» представляет собой полный цикл работ: научно-исследовательских (теоретических и прикладных), опытно-конструкторских, получение обогащенного урана, специальных конструкционных материалов, производство ядерного топлива и промышленного оборудования для него, элементов управления и защиты для ядерных реакторов, средств управления и защиты, приборов и оборудования для контроля параметров производственных процессов и радиационной обстановки, специальной тары для хранения и транспортировки радиоактивных материалов.

Производственная структура компании включает в себя производственный блок, состоящий из нескольких комплексов, и научно-исследовательский блок.

Производственный блок

Комплекс фабрикации ядерного топлива

Разделительно-сублиматный комплекс

Предназначен для обогащения урана, конверсии невостребованных оружейных делящихся материалов в MOX-топливо и отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) в т. наз. MOD-топливо (неустоявшийся термин).

Обогащение урана производится способом газового центрифугирования. Уран при этом находится в виде газообразной фазы гексафторида урана.

В настоящее время Россия является единственной страной в мире, освоившей метод газового центрифугирования в промышленных масштабах. Перспективный способ лазерного обогащения урана ещё не вышел из стадии лабораторных разработок.

Газоцентрифужный комплекс

Предназначен для производства газовых центрифуг. Потребность в данном виде продукции стабильна, т.к. в одной центрифуге степень обогащения невысока, и для получения высокообогащённого урана нужно соединять последовательно до 10 000 агрегатов. Себестоимость, надёжность и долговечность отдельной центрифуги в значительной степени определяют эффективность и безопасность производства обогащённого урана в целом.

Научно-исследовательский блок

Системы менеджмента качества основных производственных предприятий и управляющей компании Корпорации, ОАО «ТВЭЛ» сертифицированы в соответствии с международным стандартом ISO 9001. ОАО «МСЗ», ОАО «НЗХК» и ОАО «ЧМЗ» имеют сертификат соответствия системы экологического менеджмента международному стандарту ISO 14001. ОАО «НЗХК» получило сертификат соответствия системы охраны труда и здоровья OHSAS 18001.

Показатели деятельности

Экологические показатели

Радионуклиды

Выведены из эксплуатации все промышленные уран-графитовые реакторы (ПУГР) – двухцелевые установки времен СССР, предназначенные для производства, помимо энергии, также и оружейного урана и дававшие стабильные выбросы радионуклидов в окружающую среду. На конец 2012 г. из предприятий ТК «ТВЭЛ» суммарный выброс радионуклидов зафиксирован в размере 98 ПБк (55% от разрешённой величины), от предприятий ОАО «СХК», ОАО «НЗХК» и ОАО «ЧМЗ». [3]

В настоящее время по проекту ОАО «Центральный проектно-технологический институт» при ОАО «СХК» строится конвертационный завод, ввод которого в эксплуатацию сведет выброс радионуклидов к нулю.

Озоноразрушающие соединения

Суммарный выброс озоноразрушающих соединений предприятий ТК «ТВЭЛ» составляет 28,8 т, или 57,5% от разрешённой величины.

Обобщённые показатели

По состоянию на март 2011 г. суммарный выброс от предприятий ТК « ТВЭЛ» в Томской обл. составлял 7,4% от общего значения по региону; в остальных регионах, где размещены предприятия ТК «ТВЭЛ», не превышал 5%; в пересчёте на 1 рубль произведённой продукции – 1/27 часть от среднего по РФ. [4]

Источник