一次核燃料。ロシアは核燃料の近代化を進めている核燃料は何に使われるのか？

29.03.2022

ウランは核エネルギーの主要元素であり、核燃料、プルトニウム生産の原料、核兵器の原料として使用されます。地殻中のウラン含有量は 2.5 ～ 10 -4%、リソスフェアの厚さ 20 km の層の総量は 1.3 ～ 10 -14 トンに達し、ウラン鉱物はほぼどこにでも存在します。ただし、ウランは微量元素です。これは、岩石中のその濃度が商業的に実行可能な生産には不十分であることが多いことを意味します。鉱石中のウラン含有量は、生産コストを決定する重要なパラメーターの 1 つです。 0.03〜0.10％のウランを含むウラン鉱石は貧弱、普通 - 0.10〜0.25％、平均 - 0.25〜0.5％、豊富 - 0.50％以上とみなされます1。

ウランには 14 個の同位体がありますが、そのうち自然界に存在するのは 3 個だけです (表 1.6)。

表1.6

最新のデータによると、生産コストが1kg U当たり130ドル以下のウラン埋蔵量は5,327,200トン、生産コストが1kg U当たり260ドル未満のカテゴリーでは7,096,600トンとなっている。さらに、いわゆる予測および推定埋蔵量に含まれるウランの量は 10,429,100 トンに達します。

表1.7

ウランの確認埋蔵量が最大で、価値が 1 kg 当たり 130 ドルを超えない国

近年、多くのウラン鉱床の研究中にアフリカ諸国（ボツワナ、ザンビア、モーリタニア・イスラム共和国、マラウイ、マリ）で追加の資源が発見されたという事実により、国別のウラン鉱床の分布は多少変化しました。、ナミビア、タンザニア連合共和国）。また、ガイアナ、コロンビア、パラグアイ、ペルー、スウェーデンでも新たな埋蔵量が発見された。

ウランを含む主な鉱物は、ウラン鉱 (一般式 (U, Th)0 2x で表される酸化ウランと酸化トリウムの混合物)、ピッチブレンド (酸化ウラン: U0 2、U0 3、ウランピッチとしても知られる)、カルノタイト - K、 (U0 2)2 (V0 4) 2 -3H 2 0、ウラノファン - Ca (U0 2)SiO 3 (0H) 2 -5H 2 0 およびその他 110]。

岩石からのウランの抽出は次の方法で行われます。

採石場の採掘（オープン法）は、地殻の表面または浅いところにある鉱石を抽出するために使用されます。この方法には、採石場またはカットと呼ばれる穴を作成することが含まれます。現在までに、露天掘りで採掘できる鉱床はほぼ枯渇しています。生産量は23%です。
鉱山採掘（閉鎖法）は、かなりの深さにある鉱物の抽出に使用され、地下鉱山施設の複合体の建設が含まれます。生産 - 32%;
現場浸出化学試薬の水溶液を圧力下で地層にポンプで送り込み、鉱石を通過して天然ウラン化合物を選択的に溶解します。ウランと関連金属を含む浸出液は、抽出井を通じて地表に運ばれます。生産 - 39%。
他の金属鉱石との共同採掘(この場合のウランは副産物です) - は 6% です。

ウラン鉱石からの二酸化物燃料の製造は、鉱石からのウランの抽出、濃縮、精製（精製）、変換（六フッ化ウランの生成、濃縮、脱変換（UF 翻訳）など）を含む、複雑で高価なプロセスです。 6 b U0 2)、燃料要素 (燃料棒) の製造。

採石場や鉱山の方法で採掘されたウラン鉱石を処理する最初の段階では、破砕され、放射能によって選別されます。選別後、鉱石片はさらに粉砕され、ウランを可溶性の形態に変換するために浸出に送られます。鉱石を開くための化学溶液の選択は、ウランを含む鉱物の種類によって異なります。場合によっては、鉱石を開けるために微生物学的方法が使用されます。

浸出の結果、ウランを含む生成溶液が形成されます。イオン交換、抽出、または沈殿の方法による生成溶液のさらなる処理中に、ウランが濃縮され、望ましくない不純物 (Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Ni など) が分離されます。得られた生成物を濾過し、乾燥させ、高温に加熱すると、酸化ウラン - 黄色のケーキ (U 3 0 8) が形成されます。ウランを不純物から徹底的に精製するために、精製が行われます。その伝統的なスキームは、U 3 O 8 を硝酸に溶解し、抽出（あまり一般的ではありませんが、沈殿）によって精製することです。この場合、精製技術の最終生成物は、U 3 O 8 または三酸化ウラン UO 3 です。得られた酸化物生成物は、濃縮に最も便利なガス状態の UF 6 に変換されます。このプロセスは変換と呼ばれます。

粉砕されたウラン鉱石（図 1.10 参照）は処理工場に供給されます。鉱石濃縮物 (天然ウラン) は工場に送られ、六フッ化ウラン (UF 6) が製造されます。

米。 1.10.

放射性化学燃料再生プラントからのウランがサイクルに追加されます。六フッ化ウランは、235 U 同位体含有量を増加させるために天然ウランおよび再生ウランを濃縮するためのプラントに送られます。ウラン同位体を分離するには、分離された同位体 23:> と特殊な方法 (ガス拡散およびガス遠心分離) が必要です。および 238 は 1 つの化学元素を表し (つまり、化学的方法では分離できません)、質量数 (235 と 238 amu) のみが異なります。これらの方法は非常に複雑で、大量のエネルギー、時間、特別な装置を必要とします。ガス拡散法は、六フッ化ウラン 238 と六フッ化ウラン 235 の多孔質隔壁 (膜) の透過速度の違いに基づいています。ガス状ウランが 1 つの膜を通過すると、濃度は 0.43% だけ変化します。つまり、初期濃度は 2b で、0.710 % から 0.712% に増加します。混合物に 235 U を大幅に濃縮するには、分離プロセスを何度も繰り返す必要があります。したがって、２３５Ｕを２．４％まで濃縮した天然ウランから、劣化ウラン（廃棄物）中の２３５Ｕの濃度が０．３％の混合物を得るには、約８４０の工程が必要である。高濃縮ウラン (90% 以上) を製造するためのカスケードには 3000 の段階が必要です。

ガス遠心分離法はより効果的であり、ウラン 235 および 238 の同位体の六フッ化物を毎秒 1500 回転の速度で回転するガス遠心分離機に導入します。この場合、大きな遠心力が発生し、ウラン238が壁に向かって押され、ウラン235が回転軸の領域に集中します。必要な濃縮度を達成するために、ガス遠心分離機は数万台の装置からなるカスケードに結合されます。

濃縮後の UF 6 を二酸化ウラン U 2 O に変換するには、「湿式」（水への溶解、沈殿、焼成）および「乾式」（水素炎中での UF 6 の燃焼）方法が使用されます。得られたUO 2 粉末をタブレットに圧縮し、約1750℃の温度で焼結します。

濃縮後、濃縮ウランと劣化ウランの 2 つの流れは異なる経路をたどります。劣化ウランは拡散プラントに保管され、濃縮ウランは二酸化ウラン (UO 2) に変換され、燃料要素の製造のためにプラントに送られます。

これらのプラントでは、原子炉用の UO 2 が燃料ペレットに変換されます。錠剤を加熱して焼結すると、硬くて緻密な粘稠度が得られます (図 1.11)。加工後、ジルコニウム製のチューブ（シェル）に入れ、両端にプラグを溶接して完成します。 燃料要素。一定数の燃料棒が単一の構造に組み立てられます。 燃料集合体(TVS)。

米。 1.11. U0 2 の燃料ペレット

完成した燃料集合体は、特別なコンテナに入れて鉄道、道路、または海上輸送によって原子力発電所に配送されます。場合によっては航空輸送を利用することもあります。

核燃料の技術的および経済的特性を改善するための研究が世界中で進行中です。核燃料の経済性の観点から最も重要な要件は、燃焼度を高めることである。ウランをより完全に利用するには、燃料を炉心に長く留まらせる必要があります（表 1.8 を参照）。燃料寿命を延ばすために、構造材料が改良されており、より長くより厳しい運転条件下でも機能する必要があります。燃料組成（核分裂生成物の収量を減らすため）。燃料集合体フレームの剛性が向上します。

表1.8

濃縮天然ウランを使用した現代的で有望な VVER 燃料サイクル

		2014年現在の状況			近い将来
			燃料	熱の力反応器、		燃料	熱の力反応器、
	ボール原子力発電所 1-3
	RosAES 1、2
	カル原子力発電所 1-4				TVSAプラス


					TVS-2M型
					TVS-2M型
ブルガリア	コズロドゥイ 5.6
	天湾 1.2
	天湾 3.4
	テメリン 1,2
	カダンクラム 1
	カダンクラム 2

	ZaNPP、南ウクライナ原子力発電所、Khm 原子力発電所、RovNPP

1.4. イェーダーの新燃料

VVER-1000 型原子炉には、主に 2 つの改良型燃料集合体があります (図 1.12): TVSA (I. I. Afrikantov にちなんで名付けられた OKBM によって開発) と TVS-2 M (OKB Gidropress によって開発)。

米。 1.12. VVER 原子炉用の燃料集合体: あ- TVSA-PLUS、 b- TVS-2M

燃料集合体 TVSA-PLUS と TVS-2 M は同一の技術的および経済的特性を備えており、原子炉プラントの出力を公称の 18 か月燃料サイクル (構成 66 ユニット) の 104% まで増加させる能力を提供します。燃焼度 - 72 MW 日/kg U、機動モードでの動作の可能性、異物からの保護。

エネルギー収支における原子力発電所の発電割合の増加と自由電力市場への移行により、今後数年間で一部の原子力発電所を柔軟なモードでの運転に移行することが必要となる。この運転モードはこれまで原子力発電所で使用されたことはなく、燃料と燃料サイクルにも追加の要件を課します。変動する負荷条件下でも高性能特性を維持する燃料を開発する必要があります。

IAEAとOECDの共同報告書「ウラン2011年：埋蔵量、生産、需要」によると。

ウランまたはプルトニウムをベースとした核燃料のライフサイクルは、鉱山会社、化学工場、ガス遠心分離機で始まり、各燃料集合体は長い経路を通過する必要があるため、燃料集合体が原子炉から取り出された瞬間には終了しません。廃棄してから再処理することです。

核燃料原料の抽出

ウランは地球上で最も重い金属です。地球上のウランの約 99.4% はウラン 238 であり、ウラン 235 はわずか 0.6% です。国際原子力機関のレッドブック報告書は、福島原発事故にもかかわらず、ウランの生産と需要が増加していることを示しており、多くの人が原子力発電の見通しについて疑問を抱いている。過去数年間だけでも、新たな鉱床の発見に伴い、確認されたウラン埋蔵量は 7% 増加しました。最大の生産国は依然としてカザフスタン、カナダ、オーストラリアであり、世界のウランの最大 63% を採掘しています。さらに、金属埋蔵量はオーストラリア、ブラジル、中国、マラウイ、ロシア、ニジェール、米国、ウクライナ、中国およびその他の国でも入手可能です。以前、プロネドラは、2016年にロシア連邦で7.9千トンのウランが採掘されたと書いた。

現在、ウランは 3 つの異なる方法で採掘されています。 open メソッドの関連性は失われません。堆積物が地表に近い場合に使用されます。オープン法では、ブルドーザーで採石場を作り、不純物を含む鉱石をダンプトラックに積み込んで加工施設に輸送します。

多くの場合、鉱体は非常に深いところにあり、その場合には地下採掘方法が使用されます。鉱山は深さ 2 キロメートルまで掘られ、水平の吹きだまりで掘削によって岩石が抽出され、貨物用エレベーターで上向きに運ばれます。

このようにして上方に輸送される混合物には多くの成分が含まれています。岩を粉砕し、水で希釈し、余分なものを除去する必要があります。次に、混合物に硫酸を加えて浸出プロセスを実行します。この反応中に、化学者はウラン塩の黄色の沈殿物を取得します。最後に、不純物を含んだウランは精製施設で精製されます。この後初めて酸化ウランが生成され、証券取引所で取引されます。

はるかに安全で、環境に優しく、費用対効果の高い方法として、ボアホール原位置浸出 (ISL) と呼ばれる方法があります。

この採掘方法では、領土は人員にとって安全なままであり、放射線背景は大都市の背景と一致します。浸出法を使用してウランを採掘するには、六角形の角に 6 つの穴を開ける必要があります。これらの井戸を通じて、硫酸がウラン鉱床にポンプで注入され、その塩と混合されます。この溶液は抽出され、つまり六角形の中心にある井戸を通してポンプで送られます。必要なウラン塩の濃度を達成するために、混合物は収着カラムを数回通過します。

核燃料の製造

濃縮ウランの製造に使用されるガス遠心分離機なしに核燃料の製造を想像することは不可能です。必要な濃度に達した後、二酸化ウランはいわゆる錠剤に圧縮されます。これらは、窯での焼成中に除去される潤滑剤を使用して作成されます。焼成温度は1000度に達します。この後、錠剤が規定の要件を満たしているかどうかが検査されます。表面の品質、水分含有量、酸素とウランの比率が重要です。

同時に、燃料要素用の管状シェルが別の作業場で準備されています。その後の錠剤の投与とシェルチューブへの包装、密封、汚染除去を含む上記のプロセスは、燃料製造と呼ばれます。ロシアでは、燃料集合体（FA）の製造は、モスクワ地域のマシノストロイテルヌィ・ザヴォード、ノボシビルスクのノボシビルスク化学濃縮工場、モスクワポリメタル工場などによって行われている。

燃料集合体の各バッチは、特定の種類の原子炉用に作成されます。ヨーロッパの燃料集合体は正方形の形状で作られていますが、ロシアの燃料集合体は六角形の断面をしています。 VVER-440 および VVER-1000 タイプの原子炉は、ロシア連邦で広く使用されています。 VVER-440 用の最初の燃料要素は 1963 年に開発され、VVER-1000 用は 1978 年に開発されました。ロシアでは福島原発事故後の安全技術を備えた新型原子炉が積極的に導入されているという事実にもかかわらず、国内外で多くの旧式の原子力施設が稼働しているため、さまざまなタイプの原子炉用の燃料集合体は依然として同様に関連性がある。

たとえば、RBMK-1000 原子炉の 1 つの炉心に燃料集合体を提供するには、ジルコニウム合金製の 20 万個を超える部品と、1,400 万個の焼結二酸化ウランペレットが必要です。場合によっては、燃料集合体の製造コストが要素に含まれる燃料のコストを超えることがあります。そのため、ウラン 1 キログラム当たりの高いエネルギー効率を確保することが非常に重要です。

生産プロセスのコスト (%)

これとは別に、研究用原子炉用の燃料集合体についても言及する価値があります。中性子の発生過程の観察や研究をできるだけ快適に行えるように設計されています。核物理学、同位体生成、放射線医学の分野の実験用のこのような燃料棒は、ロシアのノボシビルスク化学濃縮工場で生産されている。 FA は、ウランとアルミニウムを使用したシームレスな要素に基づいて作成されます。

ロシア連邦における核燃料の生産は、燃料会社 TVEL (ロスアトムの一部門) によって行われています。同社は原材料の濃縮、燃料要素の組み立てに取り組んでおり、燃料ライセンスサービスも提供しています。ウラジミール地域のコブロフ機械工場とスヴェルドロフスク地域のウラルガス遠心分離工場は、ロシアの燃料集合体用の機器を製造しています。

燃料棒輸送の特徴

天然ウランは放射能レベルが低いという特徴がありますが、燃料集合体の製造前に金属は濃縮手順を受けます。天然鉱石中のウラン 235 の含有量は 0.7% を超えず、放射能はウラン 1 ミリグラムあたり 25 ベクレルです。

燃料集合体内に配置されるウランペレットには、ウラン 235 濃度が 5% のウランが含まれています。核燃料が入った完成した燃料集合体は、特別な高強度金属容器に入れて輸送されます。輸送には、鉄道、道路、海運、さらには航空輸送が使用されます。各コンテナには 2 つのアセンブリが含まれています。圧縮されたウランペレットが入れられるジルコニウム管を越えて放射線が及ばないため、未照射の（新鮮な）燃料を輸送しても放射線の危険はありません。

燃料の輸送には特別なルートが開発され、貨物はメーカーまたは顧客の警備員が同伴して輸送されます（多くの場合）が、これは主に機器のコストが高いためです。核燃料生産の歴史全体において、環境の放射線バックグラウンドに影響を与えたり、死傷者を出した燃料集合体に関わる輸送事故は一度も記録されていない。

炉心内の燃料

核燃料の単位である TVEL は、長期間にわたって膨大な量のエネルギーを放出することができます。石炭もガスもそのような量には匹敵しません。原子力発電所の燃料ライフサイクルは、燃料集合体倉庫での新しい燃料の荷降ろし、取り出し、保管から始まります。原子炉内の前のバッチの燃料が燃え尽きると、担当者は燃料集合体を組み立てて炉心（崩壊反応が起こる原子炉の作業領域）に装填します。原則として、燃料は部分的に再装填されます。

原子炉の最初の起動時にのみ、全量の燃料が炉心に追加されます。これは、中性子束の強度が原子炉のゾーンごとに異なるため、原子炉内の燃料棒が不均一に燃え尽きるという事実によるものです。計量装置のおかげで、ステーション職員は各単位の燃料の燃え尽き度をリアルタイムで監視し、交換することができます。場合によっては、新しい燃料集合体をロードする代わりに、集合体同士が移動されることがあります。活動領域の中心では、燃え尽き症候群が最も激しく発生します。

原発後のFA

原子炉内で使用されたウランは、照射または燃焼と呼ばれます。そして、そのような燃料集合体は使用済み核燃料として利用されます。 SNF は、未燃ウラン (金属の燃焼深度は 100% に達しない) と超ウラン放射性核種という少なくとも 2 つの有用な成分を含むため、放射性廃棄物とは別に位置づけられています。

最近、物理学者は使用済み核燃料に蓄積された放射性同位体を産業や医療に利用し始めている。燃料がその活動を完了した後（集合体が定格出力での運転条件下で炉心にある時間）、燃料は冷却プールに送られ、次に原子炉区画内の直接保管場所に送られ、その後再処理または廃棄のために送られる。燃料集合体は原子炉から取り出した後も危険なままであるため、冷却プールは熱を除去し、電離放射線から保護するように設計されています。

米国、カナダ、スウェーデンでは、使用済み燃料は再処理のために送られていません。ロシアを含む他の国は、閉鎖型燃料サイクルに取り組んでいます。使用済み燃料の一部が再利用されるため、核燃料の製造コストを大幅に削減できます。

燃料棒は酸で溶解され、その後研究者は廃棄物からプルトニウムと未使用のウランを分離します。原材料の約 3% は再利用できず、これらは瀝青化またはガラス固化処理を受ける高レベル廃棄物です。

使用済み核燃料からは1％のプルトニウムが回収できる。この金属は濃縮する必要がなく、ロシアは革新的なMOX燃料の製造過程で使用している。クローズド燃料サイクルにより、1つの燃料集合体を約3％安くすることが可能ですが、この技術は産業用ユニットの建設に多額の投資を必要とするため、まだ世界には普及していません。しかし、ロスアトム燃料会社はこの方向の研究を止めていない。プロネドラは最近、ロシア連邦が炉心内のアメリシウム、キュリウム、ネプツニウムの同位体をリサイクルできる燃料の開発に取り組んでおり、これらは同じ高放射性廃棄物の3％に含まれると書いた。

核燃料生産者：格付け

フランスのアレバ社は、最近まで燃料集合体の世界市場の 31% を供給していました。同社は核燃料を生産し、原子力発電所の部品を組み立てています。 2017 年、アレバは質的刷新を行い、新たな投資家が同社に参入し、2015 年の巨額損失は 3 分の 1 に減少しました。
ウェスチングハウスは、日本の東芝の米国部門です。ウクライナの原子力発電所に燃料集合体を供給するなど、東欧市場の開拓を積極的に行っている。東芝と合わせて世界の核燃料生産市場の26％を供給している。
3位は国営企業ロスアトム（ロシア）傘下の燃料会社TVEL。 TVEL は世界市場の 17% を占め、300 億ドル相当の 10 年間の契約ポートフォリオを持ち、70 基以上の原子炉に燃料を供給しています。 TVEL は VVER 原子炉用の燃料集合体を開発しており、西側設計の原子力発電所の市場にも参入しています。
最新のデータによると、日本原燃は世界市場の16％を占め、日本国内のほとんどの原子炉に燃料集合体を供給している。
三菱重工業は、タービン、タンカー、エアコン、そして最近では西洋型原子炉用の核燃料を生産している日本の大手企業です。三菱重工業（親会社の一部門）はアレバ社と共同でAPWR原子炉の建設と研究活動に取り組んでいる。この会社は新しい原子炉の開発のために日本政府によって選ばれました。

2011年、ノボシビルスク化学濃縮工場はリチウム7同位体の世界消費量（1300kg）の70％を生産・販売し、工場の歴史の新記録を樹立した。しかし、NCCP が生産する主な製品は核燃料です。

このフレーズはノボシビルスクの住民の意識に印象的かつ恐ろしい影響を与え、彼らにこの事業についてあらゆることを想像させます。それは、三本足の労働者や独立した地下都市から放射能を帯びた風に至るまでです。

では、ノヴォシビルスク市内で核燃料を生産する最も謎に満ちた工場のフェンスの後ろには、実際には何が隠されているのでしょうか?

OJSC ノボシビルスク化学濃縮工場は、ロシアおよび諸外国の原子力発電所および研究用原子炉用の核燃料を製造する世界有数の企業の 1 つです。金属リチウムとその塩のロシア唯一のメーカー。ロスアトム国営企業の TVEL 燃料会社の一部です。

私たちは燃料集合体、つまり原子炉に装填される燃料集合体を作る作業場にやって来ました。これは原子力発電所用の核燃料です。本番に入るには、ローブ、帽子、布製の靴カバーを着用し、顔に「花びら」をかぶる必要があります。

ウラン含有材料に関連するすべての作業は作業場に集中しています。この技術複合体は、NCCP にとって主要なものの 1 つです (原子力発電所用燃料集合体は、NCCP OJSC の販売製品の構成の約 50% を占めます)。

制御室。二酸化ウラン粉末の製造プロセスが制御され、そこから燃料ペレットが製造されます。

作業員は定期的なメンテナンスを実施しており、最新の設備であっても一定の間隔で停止して点検します。作業場自体には常に大量の空気があり、排気換気が常に作動しています。

二酸化ウラン粉末はこのようなバイコーンに保管されます。粉末と可塑剤を混合することで、錠剤をより適切に圧縮できるようになります。

燃料ペレットを圧縮する設備。子供たちが型を押して砂からイースターケーキを作るのと同じように、ここではウランタブレットが圧力をかけられてプレスされています。

焼きなましのために炉に送られるのを待つタブレットを積んだモリブデンのボート。アニーリング前のタブレットは緑色がかっており、サイズが異なります。

粉末、錠剤、環境との接触は最小限に抑えられ、すべての作業は箱の中で行われます。内部の何かを修正するために、特別な手袋がボックスに組み込まれています。

上部のトーチは水素を燃やしています。タブレットは、水素還元環境で少なくとも 1750 度の温度のオーブンで 20 時間以上アニールされます。

黒いキャビネットは水素高温炉で、モリブデンボートがさまざまな温度ゾーンを通過します。ダンパーが開き、モリブデンボートが炉に入り、そこから炎が噴き出します。

完成した錠剤は、厳密に規定されたサイズでなければならないため、研磨されます。そして出口では、検査官が各錠剤を検査して、欠け、亀裂、または欠陥がないことを確認します。

重さ 4.5 g のタブレット 1 個は、640 kg の薪、400 kg の石炭、360 立方メートルに相当するエネルギー放出に相当します。ガス1m、石油350kg。

水素炉でアニールした後の二酸化ウランタブレット。

ここでは、ジルコニウム管に二酸化ウランペレットが充填されています。出力には、既製の燃料棒（長さ約4 m）、つまり燃料要素があります。燃料棒は、燃料集合体、つまり核燃料を組み立てるためにすでに使用されています。

このようなソーダファウンテンは街の通りにはもうありません。おそらく NZHK だけでしょう。ソビエト時代には、それらは非常に一般的でしたが。

この機械では、グラスを洗浄した後、炭酸水、静水、または冷水で満たすことができます。

2010 年の天然資源環境保護省の評価によると、NCCP は環境汚染に重大な影響を与えていません。

このような純血種の鶏のペアは、作業場敷地内にある高品質の木製の囲いの中で常に生活し、卵を産みます。

作業員が燃料集合体のフレームを溶接します。燃料集合体の改造に応じてフレームが異なります。

この工場の従業員数は 2,277 名、従業員の平均年齢は 44.3 歳、58% が男性です。平均給与は38,000ルーブルを超えています。

大きな管は原子炉保護制御システムの流路です。その後、312 本の燃料棒がこのフレームに取り付けられます。

NCCP の隣には CHPP-4 があります。環境保護活動家らの意見として、同発電所の代表者らは、1つの火力発電所が年間でNCCPの7.5倍の放射性物質を排出していると報告した。

組立整備士のヴィクトル・プストゼロフはプラントおよび原子力産業のベテランであり、労働名誉勲章を 2 つ受賞しています。

燃料集合体のヘッドとシャンク。これらは、312 本の燃料棒すべてがすでにフレーム内に配置されている最後部に取り付けられます。

最終管理: 完成した燃料集合体は、燃料棒間の距離が同じになるように特別なプローブで検査されます。管制官はほとんどの場合女性ですが、これは非常に骨の折れる仕事です。

このようなコンテナでは、燃料集合体が消費者に送られます - それぞれに2つのカセットが入っています。室内には快適なフェルトベッドが備わっています。

JSC NCCPで生産された原子力発電所用燃料は、ロシアの原子力発電所で使用されているほか、ウクライナ、ブルガリア、中国、インド、イランにも供給されています。燃料集合体のコストは企業秘密です。

NCCP で働くことは、他の産業企業で働くことと同じくらい危険ではありません。従業員の健康状態は常に監視されています。近年、労働者の職業病の症例は一例も確認されていません。

ヨーロッパとアメリカの科学者は、エネルギー効率において既存の類似燃料よりも一桁優れた新しいタイプの熱核燃料を共同開発した。この研究は、超近代的なトカマク Alcator C-Mod と JET に基づいて実施されました。

マサチューセッツ工科大学 (MIT) の研究者は、米国およびブリュッセルの同僚と協力して、新しいタイプの熱核燃料を開発しました。その助けを借りて、既存のすべてのサンプルから得られるエネルギーよりも 10 倍多くのエネルギーを得ることができます。新しい燃料には 3 種類のイオン、つまり電子の喪失または獲得に応じて電荷が変化する粒子が含まれています。燃料を研究するには、プラズマを磁気的に閉じ込め、制御された熱核融合の条件を作り出すトロイダルチャンバーであるトカマクが使用されます。新製品の実験は、MIT が所有する Alcator C-Mod トカマクに基づいて実行され、テスト中に最高の磁場電圧とプラズマ圧力を提供します。

新燃料の秘密

Alcator C-Mod は 2016 年 9 月に最後に打ち上げられましたが、実験の結果として得られたデータが復号化されたのは最近のことです。彼らのおかげで、科学者たちはプラズマ中のイオンのエネルギーを大幅に増加させる、新しくユニークなタイプの熱核燃料を開発することができました。この結果は非常に有望なものであったため、米国オックスフォードシャーのジョイント・ヨーロッパ・トール（JET、別の現代トカマク）に取り組んでいる研究者たちは独自の実験を実施し、同様のエネルギー出力の増加を達成しました。この発見を詳述した研究が最近、Nature Physics 誌に掲載されました。

核燃料の効率を高める鍵は、中性子を 2 つではなく 1 つだけ持つヘリウムの安定同位体であるヘリウム 3 を微量に添加することでした。アルカトール C-Mod で使用される核燃料には、これまで重水素イオンと水素イオンの 2 種類のイオンしか含まれていませんでした。重水素は、核内に中性子が 1 個ある水素の安定同位体であり (通常の水素には中性子がまったくありません)、燃料の総組成の約 95% を占めます。

MIT プラズマ・核融合センター (PSFC) の研究者は、高周波加熱を使用して、工業用磁石によって懸濁された燃料に点火しました。この方法は、トカマクの外側にあるアンテナの使用に基づいており、特定の周波数の電波を使用して燃料に影響を与えます。それらは、懸濁液中の量が他のすべての物質の中で最も少ない物質 (この場合は水素) のみに当たるように調整されています。水素は燃料全体の密度のほんの一部にすぎないため、そのイオンに高周波加熱を集中させることで、非常に高い温度を達成することができます。励起された水素イオンは重水素イオンと相互作用し、その結果生じた粒子が原子炉の外殻に衝突し、膨大な量の熱と電気を放出します。

ヘリウム3はどうでしょうか？新しい燃料に含まれる量は 1% 未満ですが、決定的な役割を果たすのはそのイオンです。このような微量の物質に高周波加熱を集中させることで、研究者らはイオンのエネルギーをメガ電子ボルト（MeV）レベルまで上昇させた。電子ボルトは、ある電位点から 1 ボルト高いレベルへの電子の遷移の結果として得られる/失われるエネルギー量です。これまで、熱核燃料を使った実験におけるメガ電子ボルトは科学者の究極の夢でしかありませんでした。これは、これまでに得られたすべてのサンプルのエネルギーよりも桁違いに大きいものです。

トカマク: 熱核反応の研究

Alcatre C-Mod と JET は、本格的な核融合炉で必要とされるのと同じプラズマ圧力と温度を達成する能力を備えた実験用核融合炉です。ただし、サイズが小さく、研究者が「活性化核融合」と呼ぶもの、つまりエネルギーが他のニーズに使用できるエネルギーに直接変換される核融合を生成しないことは注目に値します。これらの実験では、燃料組成、高周波、磁場、その他の変数を微調整することで、研究者は最も効率的な核融合プロセスを慎重に選択することができ、それを工業規模で再現することができます。

すでに述べたように、JET で働くアメリカの科学者たちは、同じ結果を達成しただけでなく、西側の同僚の研究と比較することにも成功しました。その結果、科学界は信じられないほど複雑な反応のさまざまな特性に関する独自の測定データを受け取りました。過熱プラズマ中で起こる。 MIT では、研究者らは、電磁波の位相を強度コントラストに変換する位相差顕微鏡を使用して反応を画像化する方法を使用しました。その結果、JET の科学者は、生成された粒子のエネルギーをより正確に測定できるようになり、その結果、核融合反応中に何が起こるかをより正確に把握できるようになりました。

核融合: エネルギー革命

これはあなたと私にとって何を意味しますか？少なくとも、技術分野では大きな進歩です。核融合は産業目的に利用され、エネルギー生産に革命をもたらす可能性があります。そのエネルギー潜在力は信じられないほど高く、その燃料は太陽系で最も豊富な元素である水素とヘリウムで構成されています。さらに、熱核燃料の燃焼後は、環境や人体に有害な廃棄物は生成されません。

Nature が指摘しているように、これらの実験の結果は、天文学者が太陽活動におけるヘリウム 3 の役割をより深く理解するのにも役立ちます。結局のところ、地球のエネルギーと地球近傍衛星に脅威をもたらす太陽フレアは、地球のエネルギーの結果に過ぎません。巨大な熱放射と電磁放射を伴う熱核反応。

現代の車はオクタン価 72 のガソリンでも走行できますが、それは悲しくて遅い乗り物になるでしょう。原子力発電所は 50 年前に開発された燃料で稼働することができますが、採算が合わないモードで稼働することになり、原子炉は設計者によって組み込まれた新しい機能を実現できなくなります。最初の原子力発電所の創設以来、原子力科学者は核燃料の品質を向上させ、原子力エネルギーの利点を高めるために絶えず努力してきました。

私たちは皆、原子力発電所がどのようなものであるかを見たことがあり、すでに慣れ親しんでいます。原子力発電所は、人類文明の発展の現代段階の象徴の1つと考えられる、また考慮されるべき巨大な構造物です。回転ローターが巨大な電流を生み出す巨大なタービン、高圧下で水を炉心に流す強力なポンプ、耐久性のある原子炉容器、地震や飛行機の落下に耐える追加の密閉シェル。一次回路と二次回路のパイプライン、二次回路の水が冷却される巨大な冷却塔など、ここにあるものはすべて大きく、時には巨大です。しかし、制御された核分裂反応は、同位体 235 が濃縮されたウランを含む非常に小さな燃料ペレットの中で起こるため、原子炉の中心部は非常に小さいです。ここでは、小さな錠剤の中で最も重要なことが起こります。つまり、原子力発電所で見られるすべてのものは、その有益な利用のために大量の熱が放出されます。これはすべて、大きくて美しい複雑な装置であり、燃料ペレットの「サービス」にすぎず、製造と運用に多大な労力を必要とします。

計算式のない原子力エネルギー

原子力発電所の核燃料が何であるかを語るのは非常に困難です。通常、その説明にはマルチレベルの数式、原子物理学、その他の量子力学が必要です。原子力科学者たちがどのようにしてウランを飼いならし、私たちが切実に必要とする電気エネルギーの信頼できる供給源にしたのかを理解するために、これらすべてを省いてみましょう。これには論理と単純な日常常識で十分であるように思えますが、その出発点は核分裂連鎖反応についての学校での説明になるでしょう。覚えて？

「中性子がウラン原子核に衝突し、そこから一度に 2 つの中性子がノックアウトされ、今度はその中性子がいくつかの原子核に衝突し、一度に 4 つがノックアウトされます...」

核連鎖反応

数学的に言えば、中性子増倍率が 2 の場合、制御された連鎖反応は不可能です。自由中性子の数とウラン原子核の崩壊現象は雪崩のように増加しており、その結果は原子爆発の 1 つだけです。反応がスムーズに進行し、制御できるようにするには、1.02 の増倍率を達成する必要があります。つまり、100 個の自由「初期」中性子が 102 個の「二次」自由中性子を発生させる必要があります。「生成」したら、残りはすべて排除、吸収、中和する必要があります。このプロセスを好きなように呼んでも構いませんが、それは起こらなければなりません。この閾値は理論的に計算されたものであり、科学者に特別な「感謝」を申し上げます。彼らは、同位体 235 の天然含有量では増倍率が 1 を超えるには十分ではないことを発見しました。言い換えれば、核分裂反応を継続させたい場合は、この同位体の含有量を 3 ～ 4%、つまり母なる自然が私たちに提供する量の 5 ～ 6 倍に増やす方法を学ぶ必要があります。理論家が計算を行いましたが、実際の技術者は残りの作業を行い、炉心内の過剰な中性子を吸収する材料を使用する方法を考え出し、「中性子中和剤」を発明しました。

化学は人生です

同位体 235 の内容に基づいてウランが濃縮される仕組み、分析オンラインジャーナル Geoenergetics.ruすでにお話しましたが、まずウランをガスにしてフッ化ウランにし、次にガス遠心分離機を使って重原子を「取り除く」必要があり、これにより軽い原子（ウランの主同位体の原子核）の数が増加します。 238 個の陽子と中性子が含まれており、そのような原子の重さはウラン 235 原子より 3 原子単位大きい)。素晴らしいです - フッ化物はウラン 235 に多く含まれるようになりました。すべて問題ありません。そして、何をどのようにして？核燃料が原子力発電所の原子炉に入る道は、非常に重要な仕事を行う化学者の思いやりのある手によって始まります。彼らはガスを固体物質に変え、核科学者が「命令した」種類の物質に変えるのです。原子力エネルギーを非常に驚くべきものにしているのは、それが原子物理学だけに限定されず、次のような数十の科学分野を同時に利用していることです。 ロスアトム化学者、材料科学者、冶金学者、その他多くの専門家のための場所が常にあります。

そして物理学者は化学者に二酸化ウラン、つまりウラン原子1個と酸素原子2個を含む分子の粉末を「注文」する。なぜ彼なの？はい、これらの分子の特性の多くは非常に優れています。二酸化ウランの融点は2,840度で、溶かすのは非常に難しく、原子力の歴史の中で核燃料の溶解事故は3件しかありません。二酸化ウランはいわゆるガス膨張の影響をほとんど受けません。これは興味深い現象ですが、原子力エネルギーにとっては有害です。原子炉の炉心の中で起こっていることは、中世の錬金術師の夢の具体化であり、ある化学元素からそれらとはまったく異なる別の化学元素への変換がそこで起こります。自由中性子がウラン 235 原子核に衝突すると、そこからさらに自由中性子が叩き出されるだけでなく、原子核自体がさまざまな部分に分裂します。正確にどのように核分裂が起こり、どのような新しい原子核が形成されるかは偶然の問題ですが、統計によれば、他の核分裂破片の中にはガスも含まれています。それらは燃料ペレット内に蓄積し、ガスとしてあるべき振る舞いをします。それらはできるだけ多くの体積を占めようとし、文字通り燃料ペレットを粉々に引き裂こうとします。同意します、これには何も役に立ちません。ウラン原子の核に含まれるすべてのエネルギーを私たちに伝えるために、燃料ペレットが無傷で健全であることが必要です。そうすれば、燃料ペレットはできるだけ長く炉心に留まることができます。つまり、ハードコア、二酸化ウランのみを使用することで、より高い温度を使用できるようになり、原子力発電所の効率が向上し、燃料の燃焼度を高めることができます。

「核燃料の燃焼」は完全に科学的かつ専門的な用語ですが、それが何であるかを理解するために高等物理学教育は必要ありません。燃料燃焼度は、中性子にさらされたときに核変換を受けたウラン核の割合です。パーセンテージで表すと、パーセンテージが高いほど、必要な目的に使用できるウラン核の数が多くなり、発電に使用される熱を核から受け取ることができます。したがって、燃料燃焼度は原子力発電所の主要な経済パラメータの 1 つです。 100kgのウラン235を炉心に入れ、燃料作戦の終わりに99kgを炉心から取り出したとしたら、そのような炉心、原子炉、原子力発電所の設計には価値がありません。しかし、炉心から取り出された燃料ペレットにウラン235が残っていないことが判明すれば、設計者らはうまくやったことになり、早急に各設計者にノーベル賞、あるいはできれば2つを授与する時期が来たことになる。

実際、バーンアウト率 100% は原則として達成できませんが、これは彼らがそれを目指して戦っていないという意味ではありません。すべてのパーセンテージを得るために真剣な戦いが存在します。燃焼深度が深いほど、得られる電気のコストは下がりますが、炭化水素の燃焼に基づくエネルギーとの競争は解消されていません。さらに、タブレットが「燃焼」する時間が長ければ長いほど、反応器が燃料を再充填する必要がある頻度が減ります。 VVER（水冷発電炉）の設計では、原子炉が完全に停止して冷却されたときに燃料が交換されるため、より安全です。このような停止が少ないほど、設備利用率は高くなります。設備利用率は原子力発電所の 2 番目に重要な経済指標です。掃除機の技術データシートには、その電力がたとえば 1,200 Wh と記載されています。しかし、掃除機が 30 分動作モードでちょうど 1 時間稼働した場合、1,200 ワットの電力が得られます。30 分「何かが腰をつかんだ」場合、電力は 600 ワットしか得られません。つまり、掃除機の残量は 50% だけになります。燃料燃焼の場合と同様に、大切な目標は 100% であり、繰り返しになりますが、すべてのパーセントが重要です。なぜなら、原子炉の経済性は、火力発電所の経済性、さらには水力発電所の経済性よりも収益性が高くなければならないからです。。

燃料をまったく必要とせず、落下する水のエネルギーのみを使用する水力発電所よりも、どうすればより収益性の高い経済効果を示すことができるのでしょうか? はい、それは非常に簡単です。水は 24 時間 365 日水圧ユニットに降下するわけではありません。そのためには、貯水池内に非常に特定の量の水が必要です。この量に達するまで、水力発電所は「休止」し、そのような休止について何も知らない原子力発電所には、ライバルに追いつき、追い越す時間があります。これが短い要約です。原子力発電所の効率、燃焼度、設備利用率は、燃料ペレットとその材料に大きく依存します。フッ化ウランガスを二酸化ウラン粉末に変える化学者、覚えておいてください - 原子力エネルギーの将来はあなたのスキルにかかっています。

燃料タブレット – ステップバイステップ

多くのことは簡単な言葉で説明できますが、化学者の仕事を説明するためにこのような演習を行うことは、「一般的に」という言葉だけでは不可能なので、準備をしてください。フッ化ウランガスは、まず水溶液を通過してフッ化ウラニルが得られ、これがアンモニアおよび炭酸の酸残渣と混合されます。その結果、炭酸ウラニルアンモニウムが沈殿します。戦いの半分はすでに終わっていると考えてください。少なくともガスではなく固体が得られます。懸濁液はフィルターに通され、洗浄され、流動床炉に送られます。そこでは高温により、不要な不純物がすべて分解され、乾燥した三酸化ウラン粉末が残ります（この分子にはウラン原子 1 個につき 3 個存在します）。酸素原子）。それだけです、今では彼はほとんど私たちのものです！

高温熱加水分解による二酸化ウラン粉末の製造エリア

温度は再び500度と高くなりますが、今度は水素が通過して余分な酸素原子を引き継ぎ、化学者たちは静かに昼休みに入り、物理学者たちが切望している二酸化ウランを摂取できるようになります。しかし、彼らは早くから喜んでいます-燃料タブレットは粉末冶金によって製造されているため、冶金学者によってすぐに伸ばしたかき集めた手で平手打ちされます。化学者の仕事から得られた粉末は粉砕され、ふるいにかけられ、ほぼ粉塵になるまで粉砕された細かい粉末が得られます。結合剤と潤滑剤を加えた後、タブレットは再度プレスされ、アニールされて不要な不純物が除去されます。この後、温度は1,750度に上昇し、錠剤はより密度が高く、重くなります。現在では、機械的方法を使用して処理できるようになります。必要な寸法を得るために円筒研削盤が活躍します。それだけです。

ウランペレット生産地

いいえ、「すべて」というわけではありません。なぜなら、この直後に検査員が作業場に来て、幾何学的寸法、表面の品質、水分含有量、酸素原子とウラン原子の比率を検査するからです。ウラン 235 原子とウラン 238 原子の比率を確認する必要はないことに注意してください。化学者がどのような操作を行っても、その操作は原子核の組成に影響を与えません。こうした作業の結果、重さわずか 4.5 グラムの燃料タブレットが完成します。しかし、この小さなペレットには、石炭 400 kg、天然ガス 360 立方メートル、石油 350 kg と同じ量のエネルギーが含まれています。

核セラミック燃料ペレットの製造と技術管理

の一部であるロシアの原子力企業で生産されているタブレットの範囲 TVEL 燃料会社– 40 種類以上、さまざまなサイズ、さまざまな濃縮度のウラン 235。しかし、変わらないことが1つある。原子力は燃料として二酸化ウランを使用し続けており、それ自体が放射能の拡散に対する障壁の1つである。動作温度では、この材料は分解生成物の 98% を内部に保持し、シール負荷を最小限に抑えます。燃料がその「バリア」機能を果たすためには、燃料と冷却剤との相互作用が最小限であることが重要です。そうでないと、放射性崩壊生成物が外部環境に漏れ出す可能性があり、その後の不快な結果がすべて発生します。

燃料棒は単なる「長い管」ではありません

さて、タブレットは完成しました。次は何をしますか? 原子炉の考え方は単純です。冷却材は、核反応の結果として放出されるすべての熱を「除去」する必要があります。これは一度限りの取り出しではなく、燃料セッション全体、つまり燃料が炉心にある間ずっと行われなければなりません。 VVER 原子炉では、この仕事は高圧下で炉心を通過する水によって行われます。燃料タブレットを沸騰したお湯に餃子のようにコアに投げ込みますか？これは選択肢ではなく、燃料ペレットを確実に静止させ、それに沿って圧力下で水流を通過させ、核反応中に生成される熱エネルギーを奪う方がはるかに合理的です。その結果、燃料の定位置を確保するように設計された、ある種の「クランプ」が必要となる。これは、燃料ペレットが内部に含まれる中空の薄壁管である、燃料棒、燃料要素である。

燃料要素 (燃料要素)、写真: wikimedia.org

なぜ薄肉なのか？燃料ペレットで発生した熱を水の影響をほとんど受けずに「除去」できるようにするため、つまり、燃料棒壁の材料に対する最初の要件は、可能な限り高い熱伝導率であるということです。受け取った-与えた、受け取った-与えた。 2番目の要件も非常に明白です。燃料要素の壁の外側は常に水の中にあるため、その材料は腐食を恐れるべきではありません。 3 番目の条件も明らかです。材料は、基本的な核プロセスに害を及ぼすことなく、一定の高放射能に耐える必要があります。核反応を中断しないように、また同位体 235 の濃縮度が高いウランの生産を強制しないように、吸収する中性子の数をできるだけ少なくしなければなりません。チューブの直径と燃料ペレットの直径はできるだけ小さくする必要があります。そうしないと、中央セグメントで発生する熱が冷却剤に到達しません。これは、燃料棒の薄い壁のような「単純な」ものが満たさなければならない一連の要件です。

原子力エネルギーの開発段階では、ステンレス鋼がそのような材料になりましたが、これは長くは続きませんでした。鋼は自由中性子を多く取りすぎるため、より貪欲でないものが必要であることが判明しました。この時までに、核科学者たちは徹底的に研究し、中性子捕獲断面積が最小の金属、ジルコニウムを発見しました。この場合、「確率」という言葉は「セクション」という言葉に置き換えられます。通過する中性子がジルコニウム原子核によってそのスネア内に捕捉される確率は最小限ですが、ジルコニウムは優れた熱伝達係数を持ち、水と相互作用せず、1,855 度を超える温度でのみ溶けます。熱膨張係数が非常に低いため、加熱されると「膨張」するために、単純に熱を外部環境に「放出」します。同意します。理想的な化学純度を達成できれば、それは単に核エネルギーにとって理想的な材料です。不純物は自由中性子を積極的に「食い尽くす」傾向があるからです。

燃料棒および燃料集合体の製造ワークショップ

冶金学者がこの課題に対処する方法を学んだことを発表するとすぐに、原子力エネルギーはジルコニウムに切り替わりました。ロシアで唯一の企業であり、ジルコニウムとその合金の全サイクル生産を行っている世界の 3 つの企業のうちの 1 つが、TVEL 燃料会社の一部であるチェペツク機械工場 (ウドムルト州グラゾフ) です。 1986 年以来、ChMP は E-110 合金から燃料要素ケーシングを製造することに切り替えました。1 パーセントのニオブがジルコニウムに添加され、このわずかな増加により材料の耐食性が大幅に向上しました。現在使用されている合金 E-365 の機械的特性は、ジルコニウムとニオブに加えて鉄と錫を含んでおり、さらに優れた機械的特性を持っています。燃料棒製造の各段階は非常に重要であり、これらの要素の存在により、異なる材料を接合する溶接やその他の方法にうまく対処できるようになります。ロシアで生産される燃料要素は、IAEAの要件をすべて満たし、優れた性能特性を示し、原子力エネルギーの経済指標を改善することを可能にします。

「単純な機械部品」のように見えるものは、もちろんそうではありません。

燃料棒の断面図、図: heuristic.su

ここでは燃料棒とその中身について簡単に説明します。長さ – 3.8 メートル、外径 – 9.1 mm。中には外径7.57mm、高さ20mmの二酸化ウラン錠が入っており、中央には直径1.2mmの穴があります。ペレットは燃料棒の壁に触れず、ペレット内部の隙間と穴は、核崩壊中に生成される放射性ガスを燃料棒が保持できるように設計されています。ペレットは燃料エレメントの内側にブッシュで固定されており、ペレットの柱の全長は 3.53 メートルで、燃料セッション中に長さは 30 mm 増加します。はい、すべてはミリメートル単位、さらにはその分数単位で測定されます。結局のところ、原子力エネルギーは物質の最小粒子を扱います。

これは直径8 mm未満のタブレットです。その中に何か面白いものがありそうな気がしますか？しかし、核反応中、タブレットの中心部の温度は1,500〜1,600度に達しますが、外表面ではわずか470度です。3〜4ミリメートルの距離で1,000度の差があり、金属はガス - それは小さな錠剤の中にある奇跡です。

燃料棒から燃料集合体まで

彼らは錠剤を作り、燃料棒に入れました、それだけですか？もちろんそうではありません。燃料を合わせたチューブの重量はわずか2.1 kgであり、そのような質量のウランは長期運転には十分ではありません。核燃料の形成における次の段階は、燃料集合体と燃料集合体の形成です。ロシアで最も普及している原子炉である VVER-1000 では、312 本の燃料棒が 1 つの燃料集合体に組み立てられており、ホウ素などの効果的な中性子吸収材が充填された制御および保護システム棒が入るように燃料棒の間に隙間が残されています。燃料集合体の底部には、いわゆるシャンク、つまり燃料棒が取り付けられる場所があります。

フレームの製造 - チャネルとスペーサーグリッドの溶接

上部では、燃料棒がスプリングブロックを介してヘッドに取り付けられており、原子炉の運転中に燃料棒が浮くのを防ぎます。はい、ウランは重い元素であり、ジルコニウムも軽いとは言えませんが、燃料集合体を通る水の公称流量は毎時500立方メートルであり、水は燃料棒に沿って200 km /の速度で移動することを覚えておく価値があります。 h 下から上の方向 - このような流れは何かを強制的にポップアップさせます。燃料棒はスペーサーグリッドを使用して互いに分離されており、スペーサーグリッドがこれらの管を通常の位置に保持し、最も効率的な熱除去を保証します。さまざまな設計の燃料集合体には 12 ～ 15 個のスペーサーグリッドがあり、水が有用な熱を除去できるのはこの数だけです。

チャネルとスペーサーグリッド、品質管理

そしてそれにもかかわらず、これでも燃料棒や燃料集合体の曲がりの問題から完全に救われるわけではありませんでした。私たちのアセンブリは機械的な軸方向の荷重に耐えることができませんでした。長さは約 4 メートル、シェルの厚さは 0.65 mm で、強力な水流、高温に耐えられませんでした。 1993 年に、この問題を取り除く方法を見つけるために、この問題に対して何か行動を起こす必要があることがついに明らかになりました。ミナトム氏はIAEAに対し、西側諸国におけるこの問題の現状がどうなっているのかについて、同様の要請を行った。 IAGTEは運営組織に対して同様の調査を実施したが、何の反響も得られなかった。西側の核科学者もこの問題を抱えており、それに対処する方法を模索している。

さて、申し訳ありませんが、自由主義経済学の主要な神話、つまり不器用で惰性的な経済部門と比較した個人所有者の効率性についてもう一度触れなければなりません。西側諸国、特に米国にはかなりの数の原子力発電所の民間所有者がいますが、彼らは問題を解決できませんでした。ミナトムは中型機械製造省の伝統に従って行動しました。つまり、問題の解決を一度に 2 つの設計局に委託し、2 つの優れたプロジェクト間の闘争の結果、最良の方が勝利するようにしました。資本主義の競争に参加したのは、ポドリスクOKB（実験設計局）「ギドロプレス」と、その名にちなんで名付けられたニジニ・ノヴゴロドOKBM（OKBマシノストロエニヤ）だった。アフリカントヴァ。両設計局は現在、アトメネルゴマシュ機械製造会社の一部となっているが、これによって競争の激しさが緩和されるわけではない。

競争は進歩の原動力です

ニジニノヴゴロドの住民は TVS の設計を開発し、TVSA という略称が付けられましたが、開発が進むにつれて、TVSA-12、TVSA-PLUS、TVSA-T の改良版が次々に登場しました。その主な特徴は、構造の剛性を高めるためにコーナーがスペーサーグリッドに溶接され始めたことですが、ギドロプレス社はこの概念を受け入れませんでした。によれば、コア内にコーナーが作られる過剰な量のジルコニウムが含まれています。専門家によれば、炉心炉ゾーンの中性子特性に悪影響を与える可能性があります。 Gidropress で作成された略語 UTVS (Advanced TVS) の改造では、スペーサーグリッドとガイドチャネルの剛体溶接は使用されていません。UTVS は、耐震性の要件が強化された原子力発電所で使用され始めました - 中国の天湾、イランのブーシェフル、インドのクダンクラムで。」しかし、この開発がギドロプレス設計局の職員だけによって行われたというのは間違いで、クルチャトフ研究所、オブニンスク物理エネルギー研究所、ノボシビルスク化学濃縮工場、研究所の名にちなんで名付けられました。ボチヴァラ。しかし、結果は重要です。ロストフ原子力発電所でのパイロットテストでは優れた結果が得られ、外国の顧客はUTVSの信頼性の向上に非常に満足しました。

ビームアセンブリ

2 つの設計局間の闘争の詳細を見るのは興味深い光景ですが、技術的な詳細が非常に多いため、プロの翻訳者の努力が必要になります。幅の広い格子と狭い格子、まばらな格子、タービュレータとデフレクタ、斜めのチャネルを備えた格子、熱伝達増強装置、炉心へのカセットのロード速度、リロードマシンの動作との組み合わせ、流体力学と熱力学からの用語 - これは実際には完全に別のものです。言語... 両方の設計局によって達成された結果は原子力にとって重要であり、その科学的および創造的な論争は今日まで続いています。改良と改造により、ウラン 235 含有量の濃縮度が高い燃料の使用が可能になり、VVER-1000 のこの数値は 3.77% から 4.95% に増加しました。違いはまったく重要ではないように見えますが、その結果、燃料燃焼量はウラン 1 キログラムあたり 1 日あたり 40 MW から 1 キログラムあたり 58 MW に、ほぼ 50% 増加しました。しかし、この結果はすでに非常に重要であり、発電コストの点で炭化水素エネルギーと同等の立場で競争できるようになり、原子力エネルギー開発の見通しがますます有望なものとなっています。成果の 1 つは、設計を変更することなく既存の VVER 原子炉の出力を 4 ～ 7% 増加させることです。これはまさに核燃料と燃料集合体の最適化に基づいており、国際市場におけるもう 1 つの競争上の優位性となっています。

完成した燃料集合体

もちろん、UTVS は燃料集合体の改良における一種の「最終案」にはなりませんでした。前世代の燃料と比較した UTVS の主な利点は、ステンレス鋼からジルコニウム、そして E-110 合金への移行によってもたらされました。開発者はコーナーを使用せずに構造の剛性を高めることができました。スペーサーグリッドを強化し、動作中の変形に対する抵抗を高めるためにスポット溶接の使用を開始しました。彼らは燃料柱の長さを伸ばすことに成功しました。現在、より多くのウランが炉心内に配置され、燃料セッションが長くなり、燃料交換の頻度が減り、容量の増加が可能になりました。

イランの新たな燃料

2014 年の初め以来、交渉プロセスは、 TVELそしてイランの顧客は次のようになります。 イラン原子力機関 (AEOI)そして イラン原子力発電開発会社 (NPPD)ブーシェフル原子力発電所の新しい燃料カセット TVS-2M への移行について。交渉プロセスを確実に進めるため TVELは、「ブーシェフル原子力発電所における TVS-2M の導入に関する実現可能性調査」を開発し、そのような移行に関する分析と意思決定のための十分な量の情報が顧客に提供されました。潜在的な顧客を説得する最善の方法は、押しつけがましいマーケティングではありませんが、原子力エネルギーでは、このアプローチが結果をもたらすことはほとんどありません。ロシアの燃料会社は、ロシアのVVER-1000と中国の天湾原子力発電所（ブーシェフルの発電装置の一部として稼働しているものと同じタイプの原子炉）でのTVS-2Mの導入結果の分析をまとめただけだ。原子力発電所。中国では、天湾原子力発電所の最初の 2 基が TVS-2M で 18 か月の燃料サイクルで運転されています。そしてイランの核科学者らは、燃料燃焼量が増加し、燃料キャンペーンの期間が延長され、設備利用率が増加したことを検証することができた。

得られた結果を分析し、現場で確認した後、イランの顧客は反応を示した。原子力規制当局による新しい燃料の認可を確保するために必要な、ロシア企業による作業リストを作成した。さらなる作業はすでに共同で行われており、私たちとイランの専門家は協力して、ブーシェール原子力発電所の動力装置の機器に必要なアップグレードのリストをまとめました。これは原子炉がTVS-2Mを炉心に受け入れることができるように実行する必要がありました。実際、新しい燃料で当社の VVER-1000 を運用したところ、TVS-2M への完全な移行が必然となった結果が示されました。燃料燃焼度は 20% 増加し、発電コストに占める燃料成分は減少しました。ほぼ9%増加しました。

イランの顧客との交渉の結果はごく自然なことです。今年の4月に TVELと署名した青生そして NPPDブーシェフル原子力発電所への燃料供給に関する現行契約への追加合意 - 2020年から TVELイランへのTVS-2M供給を開始する。急いだり、大騒ぎしたりする必要はありません。単に、私たちと私たちが支援するイランの核プロジェクトの両方が一貫して開発を続け、消費者に必要な量の電力を供給しているだけです。おそらく近い将来、インドと中国の顧客がこれについてどう考えているかが分かるでしょう。機器セットに大きな変更を加えずに新しい燃料を使用したことによるパワーユニットの経済指標の増加は非常に大きく、反映にはそれほど時間はかからないと確信しています。私たちは今後の出来事の進展を見守り、改めて祝福することしかできません。 TVEL、OKB Gidropress と開発チーム全体に、彼らの新しい燃料が国際的に認められたという事実を伝えます。

もちろん、核燃料の開発に関する今日の話は完全にはほど遠いです - この部分の変化は常に起こっています。 VVER-1200用の燃料が開発され、他のタイプの原子炉用の燃料の開発が進行中です。 TVELフランスのパートナーと協力して西側設計の原子炉用の燃料を生産し続けています。 TVELは独自に TVS-Kvadrat 燃料を開発し、スウェーデンのリンハルス原子力発電所で試験され、アメリカ市場向けに認可されています。企業 TVEL BN-800用の燃料を生産しており、REMIX燃料のパイロットバッチが生産されており、有望な鉛冷却炉用の窒化物燃料の開発は完了に近づいている - ロスアトムそして、自分の栄光に安住する余裕はないと考えている。

核燃料は原子力エネルギーの「心臓部」であり、新しい種類の核燃料がどのように作られ、それが使用されたときにどのような結果をもたらすかを監視することは、原子力発電所と火力発電所の発電コストを比較するのに役立ちます。。さらに、今回はOKBM imの新しいタイプの燃料の開発結果については触れませんでした。 Afrikantova – そして彼らのアイデアも非常に積極的に使用されています ロスアトム。一言で言えば、核燃料に関する今日の話が唯一のものであり続ける可能性は低いです。

写真： zaochnik.ru、kak-eto-sdelano.livejournal.com

連絡中