Новости - Российские ученые создали таблетки для атомных станций

2020-02-19 15:32:00

РИА наука / Ученые-химики из Владивостока испытали новую технологию спекания таблетированного композитного топлива для АЭС. Она позволяет синтезировать более эффективное ядерное топливо при более низкой температуре и за меньшее время, чем традиционные методы. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Nuclear Engineering and Technology.

Стандартный топливный цикл реактора атомной электростанции составляет 12 месяцев. За это время АЭС потребляет до 30 тонн уранового топлива. Задача ученых — продлить цикл при том же объеме загрузки, то есть создать более эффективное топливо. Это можно сделать двумя путями: обогатить топливо большим количеством радиоактивного урана — при этом вырастет его стоимость, или изготовить композитное топливо, содержащее специальные добавки, способствующие лучшему выгоранию с повышенным выделением энергии.

Такие добавки, которые называются выгорающими поглотителями, обладают большим сечением захвата тепловых нейтронов, возбуждающих цепную реакцию, и тем самым увеличивают и ускоряют циклы деления атомов урана. Они также улучшают ряд технологических условий в активной зоне реактора: обеспечивают снижение скачка реактивности при запуске и исключают вредное поглощение нейтронов на поздних стадиях рабочего цикла, что выравнивает характеристики выделения энергии и продлевает срок службы топлива.

Ученые из Института химии Дальневосточного отделения Российской академии наук и Дальневосточного федерального университета создали таблетированное ядерное топливо, в котором в качестве активного выгорающего поглотителя нейтронов используется оксид редкоземельного элемента гадолиния. Использование такого комбинированного топлива позволит увеличить топливный атомного цикл реактора до 24 месяцев при снижении стоимости каждого цикла его работы на 2–3 процента. Использовать оксид гадолиния в качестве добавки к ядерному топливу предлагали и ранее, но сделать это с помощью традиционных технологий не удавалось. Каждый раз полученное топливо сильно уступало обычному по плотности, прочности и теплопроводности. К тому же для спекания требовалась очень высокая температура — 1700 градусов Цельсия.

Дальневосточные химики предложили использовать для изготовления "таблеток" уранового топлива с триоксидом гадолиния современную технологию искрового плазменного спекания (Spark Plasma Sintering, SPS). Ранее они уже синтезировали с ее помощью керамику из самых разных веществ, в том числе и из диоксида урана, но без гадолиния. При SPS на порошковую смесь при постоянном давлении прессования воздействуют электроимпульсным током. Выбор оптимальных электрофизических параметров процесса обеспечивает гораздо более быстрый разогрев, чем при других способах. Механизм спекания при этом отличается от известных процессов, что придает уникальность получаемому изделию.

Смесь нагревали при сравнительно низких температурах — 1250 градусов Цельсия — в вакуумной камере под высоким давлением. Весь процесс занимал считанные минуты. По сравнению с другими способами спекания, когда высокую температуру требуется поддерживать минимум три часа, этот способ гораздо проще и дешевле.

Химики использовали как чистый диоксид урана, так и его смеси с 2 и 8 процентами триоксида гадолиния, чтобы сравнить структуру и механические свойства разных материалов. Полученное топливо уже сейчас полностью соответствует нормативным требованиям, а в дальнейшем может быть улучшено, например, за счет новых способов подготовки стартовой смеси.

Исследование поддержано грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).

"В этом эксперименте мы достигли результатов, которые расширили фундаментальное понимание механизма искрового плазменного спекания при синтезе композитного топлива, и доказали преимущество технологии перед традиционными способами спекания: при более мягких технологических режимах изготовления она позволяет достичь того же качества топливных изделий, — приводятся в пресс-релизе РНФ слова первого автора исследования, заведующего лабораторией композиционных и керамических функциональных материалов Института химии ДВО РАН Евгения Папынова. — Сейчас мы совершенствуем методы подготовки смесей для спекания, чтобы получать материалы с более высокими эксплуатационными и прочностными характеристиками, а также расширяем перечень других выгорающих, легирующих и функционализирующих добавок".

  • страна: Россия
  • отрасль: Наука и образование

Поделиться
All right reserved © 2013 -2020