حول تحسين الوقود النووي

عنصر أساسي في نظام إنتاج الطاقة النووية هو الوقود النووي. نفس المنتج باهظ الثمن عالي التقنية ، والذي عمل على إنشائه مئات المهندسين على مدار الخمسين عامًا الماضية. ومع ذلك ، فإن الحوادث الشديدة ، على سبيل المثال ، في محطات الطاقة النووية في ثري مايل آيلاند وفوكوشيما دايتشي ، أظهرت أنه في الظروف القاسية ، من المرجح أن يفشل الوقود النووي وسيؤدي الحادث إلى عواقب كبيرة.

إدراكًا أن تصميمات الوقود الحالية معرضة للحوادث الشديدة ، فإن الاهتمام المتجدد بمشاريع الوقود البديل سيكون أكثر مرونة تجاه فشل وإنتاج الهيدروجين ، باعتباره العامل الرئيسي الذي يؤدي إلى هذا الفشل. يجب أن تتوافق تصميمات الوقود الجديدة هذه مع أنظمة الوقود والمفاعل الحالية وأن تمتثل لجميع المتطلبات التنظيمية للطاقة النووية الحديثة.

قليلا إلى الجذور والوضع الحالي للشؤون

حوالي 400 محطة للطاقة النووية تعمل في جميع أنحاء العالم ، توفر أكثر من 1/10 من توليد الكهرباء على هذا الكوكب ، تستهلك وقودًا أقل (بالوزن) طوال العام من محطة واحدة ليست أكبر محطة طاقة تعمل بالفحم في يوم واحد.

مثل هذه الإحصاءات المعممة لفهم كثافة الطاقة من الوقود النووي.

إن الوقود النووي الحالي أو تجميع الوقود (FA) لمعظم محطات الطاقة النووية هو منتج لبناء الآلات ، وهو عبارة عن مجموعة من قذائف أسطوانية من الزركونيوم (قضبان الوقود) مليئة بكريات اليورانيوم المخصب والغاز تحت الضغط. يتم دمج هذه الحزمة في تصميم واحد مع شبكات فاصل من نوع "قرص العسل" مثبتة على أنبوب مركزي.


التحكم في مدخل مجموعات الوقود ذات التصميم الغربي في محطات الطاقة النووية

ويعتقد أن الزركونيوم كغلاف عنصر الوقود اقترحه الأدميرال هيمان ريكوفر لأول مرة في يونيو 1946 لبرنامج مفاعل النقل التابع للبحرية الأمريكية. هذه المادة لها الخصائص المطلوبة وأثبتت نفسها على مدى فترة طويلة.

كمواد للأقراص ، يستخدم أكسيد المعادن الثقيلة بشكل شائع. عادة ما يكون ثاني أكسيد اليورانيوم ، في كثير من الأحيان أقل - خليط من أكسيد اليورانيوم والبلوتونيوم. يستخدم اليورانيوم مع محتوى نظائر 235U لا يتجاوز 5 ٪ في مفاعلات الطاقة الحديثة ، بما في ذلك تكوين نظائر اليورانيوم الطبيعي (~ 0.71 ٪) أو مخصب قليلاً.

مع الحفاظ على هذه السمات المشتركة على مدى العقود الماضية ، كان هناك تغيير تدريجي في السمات الهيكلية "الثانوية" لتجميعات الوقود. أدى ذلك إلى تحسين خصائص المستهلك للوقود وموثوقيته وسلامته ، مما يوفر ميزة تنافسية ملموسة مع الإصدارات السابقة من تجميعات الوقود.

هنا بعض منهم:

1. زيادة مستوى التخصيب: في السبعينيات بالكاد تجاوزت 3 ٪ ، بينما يقترب اليوم الحد الأقصى للتخصيب لمفاعلات الماء الخفيف من 5 ٪. إلى جانب زيادة مستوى التخصيب ، يتم تعريفه في قلب المفاعل - حتى الاختلافات بين أجزاء اللوح في الوقود الواعد.
2. زيادة تحميل اليورانيوم بالكتلة. حدث هذا التغيير في المقام الأول بسبب التغيير في هندسة عناصر الوقود والأجزاء الهيكلية لتجميع الوقود. على سبيل المثال ، بالنسبة لمفاعلات VVER ، زاد طول جزء "الوقود" من التجميع - حوالي 15 سم. بالنسبة للمفاعلات ذات التصميم الغربي ، تغير عدد قضبان الوقود في مجموعة مربعة الشكل بمرور الوقت: كان 15 × 15 ، وأصبح 17 × 17.
3. تغييرات كبيرة في سبائك الزركونيوم. من الأمثلة البارزة على تحديث مواد الصدفة إدخال مادة النيوبيوم على نطاق واسع كأحد عناصر صناعة السبائك الرئيسية. على النقيض من السبائك الشائعة في الماضي ، حيث كان النيوبيوم غائبًا أو محتويًا بكميات صغيرة (Zircaloy 4 ، Zircaloy 2) ، أصبحت المواد التي تحتوي على حوالي 1٪ من النيوبيوم هي السائدة. ينطبق هذا ، على سبيل المثال ، على سبائك ويستنجهاوس ذات العلامات التجارية (Zirlo ، Zirlo المحسنة ، AXIOM) ، Framatome / Areva (سبائك M5 ، Q) و Rosatom (سبائك E110 ، E635). علاوة على ذلك ، في عدد من سبائك الزركونيوم ، تم تقليل أو إزالة مكونات مثل القصدير والنيكل والكروم. تقنية محسنة لتقليل محتوى الهافنيوم في سبائك الزركونيوم.
4. تحسين شامل لتصميمات تجميع الوقود. أثناء التطوير ، تم استبعاد بعض عناصر تصميم التجميعات (العلب وأغطية تجميعات الوقود). كانت هناك حلول تزيد من قوة تجميع الوقود ، ومقاومته للتشوه ، والحلول التي توفر تكاملًا إضافيًا لقضيب الوقود (إدخال المرشحات المضادة للحطام) وتفي بالمتطلبات التنظيمية الجديدة ، على سبيل المثال ، لمقاومة الزلازل. تم جعل تصميم مجموعات الوقود قابلاً للطي ، وبالتالي السماح باستبدال عناصر الوقود الفردية والتشغيل المستمر.

لم يتم سرد جميع أعلاه ، بل بالأحرى التغييرات الأساسية في تصميم الوقود التي حدثت منذ تصنيع أول تجميعات للوقود.

حجر عثرة

من الفقرة الأولى ، يمكن للمرء أن يخمن أن تجميعات الوقود الحالية قد تمكنت بالفعل من الوصول إلى مؤشرات الحد من الكفاءة والسلامة لفترة طويلة من التطوير ، ولكن هناك عاملان على الأقل يلزمان المصممين الآن بمواصلة تحسين الوقود النووي بشكل أكبر.

بالنظر إلى إطلاق الطاقة المحددة الهائلة للمنطقة النشطة لمفاعل الماء الخفيف ~ 150 وات / سم 3 ، إلى جانب إمكانية إدخال تفاعل إيجابي أو فقدان التبريد في هذا النظام المعقد ، فهم المهندسون الذين يصممون المفاعلات منذ البداية أهمية تصميم أنظمة السلامة.

من أجل تطوير إستراتيجية تخفيف للحوادث ، تم أخذ نوعين من الأحداث كأساس لتصميم أنظمة الأمان: الأحداث التي تستند إلى حادثة إدخال التفاعل الإيجابي (RIA ) والأحداث المستندة إلى فقدان فقد المبرد (لوكا) ). تم تصميم أنظمة الأمان الأساسية خصيصًا للاستجابة لأحداث التصميم هذه.

لكن تجربة الحوادث مثل جزيرة ثري مايل آيلاند ومحطات الطاقة النووية في فوكوشيما دايتشي أثبتت أنه مع حالات الإخفاق المتعددة وتداخل الأحداث البادئة ، فإن أنظمة الأمان النشطة غير قادرة على التعامل مع المهام المسندة إليها ، لا سيما إزالة الحرارة المتبقية من تجميعات الوقود الموجودة في القلب .

تشرح معادلة نقل الحرارة في شكلها البسيط جيدًا ما يحدث في مفاعل نووي أثناء تطور حادث مع فقدان بالوعة الحرارة:



يصف الجانب الأيسر من المعادلة التغير في درجة الحرارة ( T ) بمرور الوقت ( t ) ؛ يتم تحديد هذا التغيير أيضًا من خلال السعة الحرارية للمواد في القلب ( pSr ). يمثل المصطلح الأول على الجانب الأيمن في الحالة العامة ، في شكل مبسط ، عمليات نقل الحرارة (التوصيل والحمل الحراري والإشعاع) لإزالة الحرارة من القلب. الحد الثاني هو كمية الحرارة المتولدة في القلب ( Q ).

خلال الأحداث المذكورة أعلاه ، يتم انتهاك وضع التبريد للمنطقة النشطة ، ويصبح الحد الأول من الجانب الأيمن أصغر رقميًا وتتسبب الحرارة Q تدريجياً في زيادة درجة الحرارة. من اللحظة التي يصبح فيها قلب المفاعل مكشوفًا جزئيًا أو كليًا (ينخفض ​​مستوى الماء ، يتم استبدال الماء بالبخار) ، تنخفض كفاءة إزالة الحرارة من القلب بشكل حاد ، وتستمر درجة حرارة قضبان الوقود في الارتفاع ، والتي تعمل كبداية للتحلل الكيميائي والفيزيائي لقضبان الوقود. يبدأ التحلل المادي لكسوة قضيب الوقود عند درجات حرارة (700-1000 درجة مئوية) ويتسبب في الانتفاخ وتمزق الأصداف.

يتم التعبير عن التحلل الكيميائي بشكل رئيسي من خلال أكسدة بخار الزركونيوم. العامل الرئيسي هو الطاردة للحرارة لهذا التفاعل. وبالطبع ، فإن ناتج هذا التفاعل هو الهيدروجين المتفجر. على سبيل المثال ، ينتج حوالي 125 كجم من الزركونيوم في كل تجميع وقود لمفاعل تحت ضغط حوالي 820 ميجا جول من الحرارة وأكثر من 2700 مول من غاز الهيدروجين كرد فعل مع البخار.

اعتمادًا على تصميم مفاعل الماء الخفيف ، يوجد حوالي 25-40 طنًا من الزركونيوم في القلب ، مع الأكسدة الكاملة التي سيتم توليد كمية كبيرة من الحرارة ، بالإضافة إلى إطلاق الطاقة المتبقية (في أحسن الأحوال) للوقود نفسه.


قيمة الطاقة الحرارية للنظام حسب وقت إغلاق المفاعل ، مع مراعاة التفاعل الطارد للحرارة لأكسدة الزركونيوم

بدوره ، لن يتراكم الهيدروجين المولد بشكل سلمي ، وبدون التشغيل السليم للأنظمة للتخلص منه ، سيؤدي إلى انفجار أو حريق على نطاق واسع ، في حين يمكن أن يذيب القلب الوعاء ويأخذ الخرسانة من حجرة المفاعل.

مفهوم الوقود المقاوم للحوادث

يكرر سيناريو نهاية العالم الموصوف أعلاه بشكل أساسي الأحداث في محطة فوكوشيما للطاقة النووية في عام 2011. أدى هذا الحدث إلى مراجعة عدد من معايير السلامة النووية ، خاصة تلك المتعلقة بالتصميم الجاد وحوادث ما بعد التصميم (مع التعتيم الكامل لتركيب المفاعل وفقدان المبرد). على وجه الخصوص ، وبفضل هذا الحادث ، اشتدت المنافسة بين محطات الطاقة النووية ومصادر الطاقة الأخرى في العديد من مناطق العالم ، مما يزيد بشكل كبير من متطلبات اقتصاد محطات الطاقة النووية وأمانها (مع الأداء الاقتصادي المتساوي أو الذي يفقد في بعض الأحيان الأداء الاقتصادي للمشاريع ، قد يفضل المستثمرون مصادر الطاقة غير النووية).

يزيد هذا العامل بشكل كبير من متطلبات جميع عناصر إنتاج الكهرباء في محطات الطاقة النووية ، وخاصة الوقود النووي. في العقد الحالي ، تم تكثيف العمل لخلق وقود جديد بشكل أساسي يمكنه تحمل الحوادث الشديدة مع الحفاظ على الأداء الاقتصادي والسلامة وتحسينهما أثناء التشغيل العادي. وقد سميت العديد من التطورات من هذا النوع بشكل جماعي بالوقود المتسامح ضد الحوادث (ATF) - وقود ذو مقاومة متزايدة للحوادث.

تستند فلسفة التغييرات في تصميم تجميعات الوقود إلى استبدال مواد المكونات الرئيسية للوقود النووي ، وبشكل رئيسي أغلفة عناصر الوقود وكريات الوقود ، بمواد تكون أكثر مقاومة للعمليات التي تحدث في وقت وقوع الحادث.

قذيفة TVEL

إن النهج الرئيسي في اختيار عناصر الوقود لعناصر الوقود لقضيب الوقود لوقود ATF هو الحاجة إلى إزالة أو تقليل درجة تفاعل الزركونيوم البخاري ، ونتيجة لذلك ، إطلاق حرارة إضافية وهيدروجين. الحل السريع والواضح هو تطبيق طلاء وقائي على سطح قشرة الزركونيوم. يجب أن يكون للطلاء الرقيق على قشرة الزركونيوم تأثير ضئيل على الخصائص الفيزيائية الحرارية والنيوترونية للوقود. وجد العلماء أن الكروم والألمنيوم والسيليكون يتمتعون بمقاومة جيدة لأكسدة البخار في درجات الحرارة المرتفعة. تظهر هذه الشوائب الاستقرار في وسط بخار عالي الحرارة ، على الرغم من حقيقة أنها يمكن أن تتفاعل إلى حد ما مع البخار.


معدل الأكسدة مكافئ لمختلف المواد في أزواج حسب درجة الحرارة

كما يتبين من الرسم البياني ، فإن معدل أكسدة هذه المواد ، التي تشكل وبالتالي تحميها أغشية أكسيدها ، هي أقل بمرتين من معدل أكسدة الزركونيوم. يؤثر انخفاض معدل الأكسدة البخارية بشكل مباشر على معدل الحرارة وتطور الهيدروجين خلال LOCA الشديد في قلب المفاعل.

يعتبر طلاء قذائف TVEL بالكروم المعدني الآن أكثر التقنيات الواعدة لمزيد من التطوير. تعتبر تكسية TVEL بدون استخدام الزركونيوم واعدة أيضًا ، على سبيل المثال ، مواد FeCrAl و SiC / SiC.


اختبار غلاف السيليكون لوقود EnCore (Westinghouse) عند درجات حرارة أعلى من 1300 درجة مئوية

خلايا الوقود

ثاني أهم اتجاه في تطوير وقود ATF هو اختيار وتبرير مادة مصفوفة الوقود ، والتي سيكون لها توصيل حراري أفضل مقارنة بالسيراميك الكلاسيكي. وهذا بدوره يتطلب حل عدد من المشاكل الناشئة: منع التفاعلات الكيميائية للقشرة والوقود ، وتورم وتلف القشرة بالوقود ، وتوطين منتجات الانشطار ، وما إلى ذلك.

يعمل معهد الطاقة الذرية الكوري الجنوبي (KAERI) على إنشاء أقراص microelement (microcell) لزيادة قدرة الاحتفاظ بمنتجات الانشطار والتوصيل الحراري الأفضل مقارنة بأقراص ثاني أكسيد اليورانيوم التقليدية.


مفهوم حبوب الوقود Microelement

يوضح الشكل توضيحًا مفاهيميًا حيث يمكن رؤية أن حبيبات أو حبيبات UO2 محاطة بجدار رفيع. المهمة الرئيسية لإنشاء مثل هذه الأجهزة اللوحية هي تقليل ناتج منتجات الانشطار من الأجهزة اللوحية. تقلل القدرة المحسنة على الاحتفاظ بمنتجات الانشطار من تآكل الإجهاد في داخل قضيب الوقود الناتج عن اليود والسيزيوم.

من المتوقع أن يؤثر ذلك بشكل إيجابي على قوة قضبان الوقود. بالإضافة إلى ذلك ، سيمنع هيكل العناصر الدقيقة التفتت الهائل للكمبيوتر اللوحي أثناء وقوع حادث ، وبالتالي توفير الاحتفاظ الإضافي بمنتجات الانشطار الإشعاعي.

يمكن تحسين الموصلية الحرارية لهذه الأقراص عن طريق إضافة مواد ذات معامل عالٍ من التوصيل الحراري ، على سبيل المثال ، باستخدام المعادن في شكل جدار من عنصر واحد.


هيكل عنصر التتبع النموذجي مع المعدن

سيقلل هذا التغيير درجة الحرارة في وسط الجهاز اللوحي في ظل الظروف العادية والطارئة لتشغيل عناصر الوقود.

لفهم كيفية تنفيذ الابتكارات المذكورة أعلاه عمليًا ، سأعطي المثال التالي. يبتكر وستنجهاوس وقودًا متسامحًا تحت اسم العلامة التجارية EnCore ، وهو قرص سيليسيوم اليورانيوم U3Si2 ، المغلق في البداية (في المرحلة الأولى من هذا البرنامج) في غلاف مصنوع من سبائك الزيركون المطلية بالكروم Zirlo.

من المتوقع أن يتجاوز وقود سيليسيوم اليورانيوم ثاني أكسيد تقليدي بأكثر من 5 مرات في الموصلية الحرارية وبكثافة ~ 1/5 ، ويجب أن يكون امتصاص النيوترونات بواسطة غلاف كربيد السيليكون أقل بمقدار 1/4 تقريبًا من سبائك الزركونيوم.

نظرًا للمعلمين الأخيرين ، تعتزم الشركة الحفاظ على تخصيب EnCore في حدود 5٪ ، مما سيسهل الترويج لها في السوق. في عام 2018 ، تخطط Westinghouse لإطلاق الإنتاج التجريبي لقضبان الوقود في غلاف الزركونيوم المطلي بالكروم ، في عام 2019 - لبدء اختبارها كجزء من تجميعات الوقود القياسية في Byron NPP في الولايات المتحدة الأمريكية.

الملخص

التغييرات الموضحة أعلاه هي جزء من المشاريع الفعلية التي يتم تنفيذها الآن. ربما سنشهد في المستقبل إدخال المزيد من الحلول الغريبة .

حتى الآن ، تجدر الإشارة فقط إلى أن ظهور مشاريع جديدة وقابلة للتطبيق اقتصاديًا وجديدة من الناحية الاقتصادية ، من وجهة نظر السلامة ، سيساعد على تعزيز مكانة الطاقة النووية في العالم.

المؤلف: ياتسينكو ميخائيل.

مصادر:

1. Kurt A. Terrani "تطوير تكسية الوقود المتسامحة ضد الحوادث: الوعد ، والحالة ، و
   التحديات "؛
2. IAEA-TECDOC-1797 "مفاهيم الوقود المتسامح ضد الحوادث
   لمفاعلات الماء الخفيف "؛
3. مواد مجلة "Atomic Expert" العدد 3 ، مايو 2018.