ПРИШЛИТЕ СВОЮ НОВОСТЬ!
Лента новостей
Выбрать категорию:
05 июля
04 июля
03 июля
02 июля
01 июля
30 июня
29 июня
28 июня
27 июня
26 июня
25 июня
24 июня
23 июня
22 июня
21 июня
20 июня
19 июня
18 июня
17 июня
16 июня
15 июня
14 июня
13 июня
12 июня
11 июня
10 июня
09 июня
08 июня
07 июня
06 июня
05 июня
04 июня
03 июня
02 июня
01 июня
ГОЛОСОВАНИЕ
Нужна ли астрономия в качестве школьного предмета?

Томская область: Ученые ТПУ разрабатывают основы технологии для получения перспективных типов ядерного топлива

09 августа, 11:19

 

9 августа — Молодежные новости.  ​Ученые Инженерной школы ядерных технологий Томского политехнического университета разрабатывают научные основы технологии плазмохимического синтеза наноразмерных сложных оксидных композиций для перспективных типов ядерного топлива. 

Политехники предлагают способ быстро и экономично получать большое количество качественного ядерного топлива для создаваемых ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Сегодня проект реализуется в рамках гранта Российского научного фонда.

Значительную часть ядерной энергетики в 21 веке еще будут составлять атомные электростанции, использующие керамическое ядерное топливо (ЯТ) из диоксида урана, обогащенного по изотопу уран-235. Помимо неоспоримых достоинств у такого топлива есть и существенные недостатки. К примеру, низкая теплопроводность, которая ограничивает удельную мощность реактора по температуре плавления; хрупкость и склонность к растрескиванию — это может вывести топливо из строя; короткий цикл использования — до трех-пяти лет; невозможность создания энергетических установок сверхмалой (до 10МВт) и малой (10–100 МВт) мощности; большие расходы на утилизацию отработавшего топлива и, что немаловажно, — ограниченный ресурс изотопа уран-235. Все это в последние годы стало причиной замедления развития атомной энергетики, а некоторые страны и вовсе от нее отказались.

Поэтому ученые ТПУ — под научным руководством заведующего лаборатории изотопного анализа и технологий отделения ядерно-топливного цикла, профессора Игоря Шаманина — предлагают использовать в составе ЯТ изотопы уран-238, торий-232 и плутоний-239. Благодаря им отпадает необходимость в дорогостоящем изотопном обогащении, а цикл использования такого топлива может быть доведен до 10–15 лет. При этом прогнозных запасов тория в земной коре в три-пять раз больше, чем урана, а использование керамического ЯТ из оксидных композиций на основе тория даст возможность создания сверхмалых и малых энергетических установок для использования в удаленных и труднодоступных регионах, на рудниках и карьерах. Но это далеко не все, что придумали политехники.

«Коэффициент использования урана очень низкий — в процессе работы реактора только незначительная его часть в виде изотопа уран-235 выгорает, а остальное — в виде урана-238 и продуктов деления — уходит на хранение. Но поскольку в России месторождений урана очень мало, возникла идея, что остатки из отработавшего топлива (уран-238) можно использовать для создания нового.

Кроме того, в реакторе всегда нарабатывается плутоний-239, который также можно извлекать и использовать вместо урана-235. Тем не менее это все равно останется керамическим ядерным топливом со всеми его недостатками, но его можно усовершенствовать», — рассказывает доцент отделения ядерно-топливного цикла ТПУ Александр Каренгин.

По его словам, одним из перспективных направлений дальнейшего развития ядерной энергетики является использование дисперсионного ЯТ, в котором включения из делящихся материалов (уран, торий, плутоний) в виде оксидных композиций размещают в матрице, имеющей высокий коэффициент теплопроводности и низкое сечение резонансного поглощения нейтронов.

Применение матрицы из порошков металлов (алюминий, молибден, вольфрам и другие) увеличивает коэффициент теплопроводности, но приводит к ухудшению нейтронного баланса из-за резонансного поглощения нейтронов. К тому же использование металлов в качестве матрицы чрезвычайно дорого, поэтому политехники предложили использовать в качестве нее оксиды тугоплавких металлов, например оксид магния, который широко используется в теплонагревательных элементах.

Однако применение внешнего гелеобразования (золь-гель процесса) для получения из смешанных водных нитратных растворов (ВНР) оксидных композиций сопряжено со следующими недостатками: многостадийность, продолжительность, низкая производительность, необходимость использования химических реагентов, дополнительное водородное восстановление, высокая себестоимость.

К несомненным преимуществам применения плазмы для плазмохимического синтеза оксидных композиций из диспергированных смешанных растворов ВНР по сравнению с золь-гель процессом и технологией, основанной на раздельном получении и механическом смешении оксидов металлов, следует отнести: одностадийность, высокую скорость, возможность активно влиять на размер и морфологию частиц, компактность технологического оборудования. Однако плазменная переработка только смешанных растворов ВНР требует огромных энергозатрат (до 4 МВт·ч/т) и не позволяет получать в одну стадию оксидные композиции требуемого стехиометрического состава без дополнительного водородного восстановления.

Впервые предложен прямой плазмохимический синтез в воздушно-плазменном потоке оксидных композиций из диспергированных горючих водно-органических нитратных растворов (ВОНР), включающих органический компонент (спирты, кетоны и другие) и имеющих низшую теплотворную способность не менее 8,4 МДж/кг. 

Плазменная обработка таких растворов приведет к существенному снижению удельных энергозатрат на их переработку (с 4,0 до 0,1 МВт·ч/т), позволит значительно увеличить производительность плазменных установок, а также обеспечит условия в плазмохимическом реакторе установки для прямого синтеза в воздушной плазме наноразмерных сложных оксидных композиций, имеющих гомогенное распределение фаз, высокую теплопроводность, а также требуемый стехиометрический состав без дополнительного водородного восстановления.

«Также впервые мы предлагаем применить после плазмохимического реактора охлаждение — закалку — в центробежно-барботажных аппаратах продуктов плазмохимического синтеза. Таким образом, можно будет управлять физико-химическими и технологическими свойствами получаемых порошков сложных оксидных композиций, — подчеркивает политехник. — Установка потребляет от сети 100 кВт электрической мощности и выдает через высокочастотный факельный плазмотрон 60 кВт в виде воздушно-плазменной струи. Этой мощности достаточно для переработки 1000 л/ч раствора ВОНР вместо 10 л/ч раствора ВНР. Получается, что при той же самой потребляемой электрической мощности можем поднять производительность установки в 10 раз, — отмечает Александр Каренгин. — Кроме того, когда мы перерабатываем растворы ВОНР, в реакторе установки с каждой тонны вырабатывается много тепловой энергии, которую мы можем использовать для технологических и бытовых нужд.

Допустим что мы тратим 100 кВт электрической мощности на тонну раствора ВОНР — это условно 300 рублей по затратам электроэнергии, — и получаем примерно 2,0 МВт ч/т (1,7 Гкал/т) тепловой энергии. Исходя из стоимости 500 рублей за 1 Гкал мы на выходе получаем около 800 рублей, то есть остаемся в плюсе — 500 рублей с каждой тонны — это фантастика! Безусловно, наш подход очень перспективный».

По словам Александра Каренгина, результаты проведенных исследований в ТПУ на модельных растворах ВОНР будут использованы для создания и промышленного освоения энергоэффективной технологии крупнотоннажного плазмохимического синтеза наноразмерных оксидных композиций для перспективных типов ядерного топлива, например дисперсионного, REMIX, MOX и др. Это позволит развернуть промышленное производство конкурентоспособного ядерного топлива и его поставку на действующие в России и за рубежом атомные электростанции.

 

Источник: Новости Сибирской науки