Ядролық реакторда қолданылатын отындар

Ядролық реакторда қолданылатын отындар

Ядролық отын дегеніміз- ядролық реакторларда қолданылатын, тізбекті реакцияны жүзеге асыратын затты айтамыз. Табиғи ядролық отынға тек уран және торий жатады.

Табиғи уран үш изотоптан тұрады:  U238 (массалық үлесі 99,2745%), U235 (үлесі 0,72%) және U234 (үлесі 0,00055%). U235  изотобы тұрақты изотоп болып табылады, онда өздігінен тізбекті реакция жүзеге аспайды.[2]

20%- ға дейінгі байытылған U235 изотобын төмен ьайытылған деп атаймыз. Қазіргі таңда әлем бойынша ядролық реакторларда 2-5%- ға дейін байытылған уран қолданылады. 20%- ға дейін байытылған уранды зерттеу және тәжірибе жүргізу ретінде қолданылатын реакторларда пайдаланылады.20%- дан жоғары байытылған U235 изотобын жоғары байытылған деп атайды. 90% шамасында байытылған уранды ядролық қару жасауға қолданылады.[3]

Ядролық отын екі түрге бөлінеді:

1) Табиғи уран- бөлінгіш ядро U235 изотобынан және нейтронды қармау кезінде Pu239 -ға айналатын шикізат U238 изотобынан тұрады.

2) Екіншілік отын (Вторичное топливо)- n-дарды қармау кезінде біріншілік отындардын пайда болған табиғатта кездеспейтін изотоптар: U233, Th232, Pu239.

Ядролық отындар химиялық құрамына қарай:

-Металдық

-Окситдық (UO2)

-Карбитдік (PuC1-x)

-Араласқан (Смешанным) (PuO2+ UO2)

-Нитридтік

Металдық уран ядролық отын ретінде сирек қолданылады. Отынның температурасы 660° С- ға дейін жеткенде уранның кристалдық құрамы өзгереді, яғни фазалық ауысу орын алады. Уранның көлемі артқанда жылу бөлгішэ элементтің (ТВЭЛ) қабаты бұзылады. Сондықтан бұларды ядролық отын ретінде қолданылуы кең көлемде таралмаған.

Сапалы ядролық отындарға уран қосындысы бар баяу балқитын материалдарды жатқызамыз. Оларға карбитдер, оксидтер және интерметаллдық қосылыстар кіреді. Олардың ішінде кең тарағаны уран диоксиді (UO2). Оның балқу температурасы 2800° С, ал тығыздығы – 10,2 г/м3- ты құрайды. Бұл материалдарда фазалық ауысу және көлемінің артуы сияқты мәселелер орын ала бермейді. Осы ерекшеліктеріне байланысты оның темпратурасын бірнеше процентке жеткізуге болады.Жоғары температурада керамика ниобимен, цирконимен, тот баспайтын болатпен және басқада берік металлдармен әрекеттеспейді. Оның ең басты кемшілігі төмен деңгейдегі жылу өткізгіштігі болып табылады. [4]

                Уран өндірісі

      Уран өндірісінің негізгі бөлімдері- бұл уранды ашық, жабық әдіспен және жерасты шаймалау әдісі арқылы өндіру. Алынған ураннан тұратын өнімді ерітіндіге керекті өнімді алу үшін өңдеу жұмыстары жүргізіледі. Бірнеше өңдеу процетерінен өткен өнім, уран, сары кек (U3O8) түрінде байытылуға жіберіледі. Табиғи уран концентрады- сары кек- бұл ядролық отынның бастапқы бөлігі. Табиғи отынды ядролық отынға айналдыруды үш кезеңге бөліп қарастыруға болады: UF6 – ға түрлендіру, уранды байыту және жылу бөлгіщ элементтерді дайындау.

UF6 – ға түрлендіру

Уран оксидін (U3O8 ) уран гексафторидіне (UF6)  айналдыру үшін сары кекті сусыз аммиак арқылы уран диоксидіне (UO2 ) дейін қалпына келтіреді. Сосын фторлы сутегі қышқылы арқылы (UF4)- ті алады. Соңғы бөлімінде таза фтор (UF4)- мен әсерлесе отырып, қатты зат, уран гексафториді (UF6) пайда болады. Әлемдегі бес ірі уран өндіруші елдер (Канада, Россия, Нигер, Қазақстан және Өзбекистан) бірге жылына 65000т уран гексафторидін шығарады.[5]

Уранды байыту

Бұл кезеңде уран гексофторидінде (UF6) U235  изотобының концентрациясын жоғаылатады. Уранды байыту екі негізгі әдіс арқылы жүргізіледі: газдыдиффузиялық әдіс және газды центрлік фугалау әдісі.