Производство ядерного топлива. Ядерный реактор

Уран содержится в осадочной оболочке земной коры и в гранитном слое. Его содержание в земной коре 0,002%.

Зеленое свечение урана в ультрафиолетовых лучах - один из важнейших поисковых признаков урановых руд.

Урановую руду перерабатывают, а затем металлический уран восстанавливают  с помощью кальция или магния.

В итоге получается чистый уран – очень тяжёлый, серебристо-белый металл, покрывающийся на воздухе синевато-серой пленкой окисла. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий.

ПРОИЗВОДСТВО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР

УРАНОВЫЕ РУДНИКИ И ЗАПАСЫ УРАНА

СПОСОБЫ ДОБЫЧИ РУДЫ

урановый рудник

урановая шахта

• Уран содержится в осадочной оболочке земной коры и в гранитном слое. Его содержание в земной коре 0,002%.

Зеленое свечение урана в ультрафиолетовых лучах - один из важнейших поисковых признаков

урановых руд.

Урановую руду перерабатывают, а затем

металлический уран восстанавливают

с помощью кальция или магния .

  В итоге получается чистый уран – очень тяжёлый, серебристо-белый металл, покрывающийся на воздухе синевато-серой пленкой окисла. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий.

Природный уран составляет: 99,27 % - U-238; 0,72 % - U-235 Он не используется как топливо.

Уран обогащается с помощью центрифуг

Обогащенный уран составляет 3-4% U-235,  используется для топлива в АЭС

Деление ядра U 235 происходит при попадании в него нейтрона

.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона

  Чтобы реакция не затухла, общее число свободных нейтронов в куске урана должно лавинообразно увеличивается со временем. Такая реакция называется цепной.

  Наименьшая масса делящегося вещества, при которой может протекать цепная реакция деления атомных ядер, называется критической.

Критическая масса шарообразного куска урана-235 приблизительно равна 50кг . При этом его радиус составляет всего 9 см , поскольку уран имеет очень большую плотность ( ρ =1 9 , 05г/см 3 ).

.

R =9см

Урановые таблетки изготавливают из обогащенного урана

Таблетки помещают в ТВЭЛ ы-(тепловыделя́ющие  элеме́нты)

Устройство ТВЭЛа  

ОБОЛОЧКА

ИЗ ЦИРКОНИЯ

ЗАГЛУШКА

ВТУЛКА

ТАБЛЕТКИ

ДИОКСИДА УРАНА

НАКОНЕЧНИК

ПРУЖИНА

Тепловыделя́ющие   элеме́нты используют в ядерных реакторах

Рабочая кассета, в которую закладывают твэлы

Ядерный реактор

Ядерные реакторы устанавливаются на АЭС (Атомных электростанциях )

Атомная электростанция

Обогащенный уран 90% U-235 используется для ядерного оружия

Атомная бомба

Атомная бомба

Ядерное оружие в действии

Ядерный взрыв

Критическая масса

• Применяя замедлитель и отражающую оболочку, и уменьшая количество примесей, удается снизить критическую массу урана до 0,8 кг

Как работает центрифуга

• В качестве топлива может использоваться только 1 процент урановой руды. Чтобы отделить драгоценные изотопы, инженеры прогоняют элемент через последовательность центрифуг, т.н. каскад. В центрифуге новой конструкции от USEC роторы из углеволокна вращаются со скоростью, иногда превосходящей скорость звука — до 1240 км/ч.
• 1. СЫРЬЕ
• Газообразный уран поступает в центрифугу. Ценные изотопы U-235 обозначены голубым цветом; изотопы U-238 — красным.
• 2. ЦИКЛ ВРАЩЕНИЯ
• Во время вращения более легкие изотопы U-235 остаются в центре, а более тяжелые U-238 прижимаются центробежной силой к стенкам.
• 3. ОТДЕЛЕННЫЕ ИЗОТОПЫ
• Богатый изотопами U-235 газ извлекается и пропускается через другие центрифуги, где еще больше очищается от U-238. Когда концентрация обогащенного материала достигает достаточно высокой степени, уран переводят в твердое состояние и продают в брусках.

Переработка урана

• Породу дробят, смешивают с водой и прогоняют через бассейны. Тяжёлые компоненты взвеси, которые содержат уран, осаждаются быстрее.
• Следующая стадия — выщелачивание, перевод урана в раствор, для чего используют  серную кислоту  (ее в неимоверных количествах производили и до сих пор производят в Желтых Водах). 
• На следующем этапе из полученного раствора выделяется уран методом экстракции и ионного обмена.
• После этих операций уран переводят в твёрдое состояние — в один из оксидов или в тетрафторид(обедненный уран). Но этот уран ещё надо очистить от примесей — бора, кадмия, лития, редкоземельных металлов.
•  
• Для удаления этих примесей технически чистое соединение урана растворяют в  азотной кислоте . При этом образуется уранилнитрат. Затем это вещество кристаллизуют и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трёхокись урана, которую восстанавливают водородом до двуокиси.
• На двуокись урана при температуре от 430 до 600 °C воздействуют сухим фтористым водородом для получения тетрафторида урана. Из этого соединения и восстанавливают металлический уран с помощью кальция или магния.

• Породу дробят, смешивают с водой и прогоняют через бассейны. Тяжёлые компоненты взвеси, которые содержат уран, осаждаются быстрее.

Следующая стадия — выщелачивание, перевод урана в раствор, для чего используют  серную кислоту  (ее в неимоверных количествах производили и до сих пор производят в Желтых Водах). 

На следующем этапе из полученного раствора выделяется уран методом экстракции и ионного обмена.

После этих операций уран переводят в твёрдое состояние — в один из оксидов или в тетрафторид(обедненный уран). Но этот уран ещё надо очистить от примесей — бора, кадмия, лития, редкоземельных металлов.

Для удаления этих примесей технически чистое соединение урана растворяют в  азотной кислоте . При этом образуется уранилнитрат. Затем это вещество кристаллизуют и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трёхокись урана, которую восстанавливают водородом до двуокиси.

На двуокись урана при температуре от 430 до 600 °C воздействуют сухим фтористым водородом для получения тетрафторида урана. Из этого соединения и восстанавливают металлический уран с помощью кальция или магния.

Обедненный уран хранится в виде соли — отвального гексафторида ( фторида урана ) урана — в контейнерах, установленных на бетонных основаниях.

Около 95 процентов полученного обеднённого урана хранится в виде жидкого фторида урана

Обедненный уран

• Обедненный уран менее радиоактивен, чем собственно урановая руда, и период полураспада изотопа 238U составляет 4,5 млрд лет. Однако в качестве «отхода» он пробыл недолго: военные быстро обратили внимание на его исключительные физические свойства — высокую плотность (19,1 г/см³) и значительную твердость (около 300 по шкале Виккерса). Кроме того, у обедненного урана высокая температура плавления (1132 °С). сё это делает его ценным сырьем при изготовлении брони и бронебойных снарядов. Весьма существенной оказывается ещё одна его характеристика — большое численное значение сечения захвата нейтронов. Благодаря этому обедненный уран весьма эффективен в качестве защиты от радиации.

Энергия

При делении ядер урана выделяется 200 МэВ.

При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

Первая атомная бомба

• Схема атомной бомбы, в сущности, проста. Для осуществления цепной ядерной реакции деления радиоактивных материалов (изотопа урана-235 или искусственного химического элемента плутония), вызывающей взрыв атомной бомбы, нужно превзойти критическую массу этих материалов. Для этого нужно сблизить два или несколько «кусков» урана или плутония, имеющих массу меньше критической. При возникающей цепной реакции деления выделяется очень большая энергия, вызывающая атомный взрыв. 

Рабочая кассета

• представляет собой шестигранную трубу из борсодержащей нержавеющей стали, в нее вставлены 126 стержней с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами) в виде таблеток из спеченной двуокиси урана.  

Ядерный реактор

устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Давление в активной зоне достигает 140 атмосфер, а температура 2000 градусов по Цельсию.

Используемые интернет-ресурсы

• http://www.nkj.ru/archive/articles/10599/
• http://novostey.com/politic/news267104.html
• http://arhiv.profinance.kz/news/25818-sobyti-v-ponii-ne-privedut-k-izmenenim-na.html
• http://www.shakhty.su/world/news/2010/06/01/tvel/
• http://www.liberty.ru/layout/set/print/layout/set/print/Media/Images/TVEL
• http://zoom.cnews.ru/publication/item/32800/2
• http://alexsnews.com/o-nauchnom/2011/08/konec-atomnoj-energetiki/
• http://vit7225.narod.ru/historical/reactory.html
• http://www.newsribbon.ru/news/2610.html 
• http://www.stoletie.ru/lenta/rossija_prizvala_izrail_sdat_oruzhije_2010-06-11.htm