Әртүрлі бағалаулар бойынша атом энергиясының үлесі әлемдегі өндірілетін барлық энергия ресурстарының кем дегенде 10-16% құрайды. Кейбір елдерде, мысалы, Францияда атом энергиясы жоғары — 71,6%. Қытайда атом энергетикасының үлесі 4 пайыздан аспайды. Атом энергиясын пайдалану пікірталас мәселесі болып табылады, өйткені онымен бірқатар нақты және ықтимал проблемалар байланысты:

• радиоактивті қалдықтарды кәдеге жарату қажеттілігі;
• экологиялық апаттарға әкелетін апаттар (Чернобыль және Фукусимадағы атом электр станциялары);
• атом электр станциялары лаңкестік шабуылдарға ұшырауы мүмкін және жаппай қырып-жоятын әлеуетті қару болып табылады;
• ядролық қару өндірісінде атом электр станциясының отынын пайдалану мүмкіндігі.

Бірақ барлық қауіп-қатерлерге қарамастан, ядролық энергияны қазіргі уақытта басқа көздермен толығымен алмастыру мүмкін емес және оны адамзат таяу болашақта пайдаланады деген өмір шындығы. Сондықтан осы кезеңде атом электр станцияларын пайдаланумен байланысты гипотетикалық және нақты тәуекелдерді азайту міндеті өзекті болып қала береді.

Атом энергиясын өндірудің типтік схемасы

Ядролық отын өндірісі уран өндіруден басталады. Екінші кезеңде уранды байытады, соның нәтижесінде уран-238-нің ауыр атомдары уран-235-тің жеңіл атомдарынан бөлінеді. Бұл қажет, өйткені тек уран-235 ядролары термиялық-нейтрондық бөлінуге бейім. Күшті реактордың қалыпты жұмыс істеуі үшін уран-235 изотопының үлесі кемінде 5% (байыту алдында уран-235 үлесі шамамен 0,7%) болуы керек. Байытылған уран газды қатты күйге айналдырады, пластификатормен араласады және түйіршіктерді қалыптастыру үшін сығымдалады. Бұл түйіршіктер жоғары температурада қосымша күйдіріледі. Түйіршіктердің салмағы бірнеше грамм ғана, бірақ олар 400 кг көмірге, 250 кг мұнайға немесе 360 м3 газға баламалы жоғары энергетикалық потенциалға ие.

Түйіршіктер цирконий қорытпасынан жасалған тығыздалған түтіктерді құрайтын жылу өндіретін элементтерге (отын штангаларына) орналастырылады. Жанармай штангалары жеке кассеталарға жиналады. Бір кассетада бірнеше жүз отын элементтері болуы мүмкін, ал ядролық реактордың өзегінде бірнеше жүз кассеталар болуы мүмкін.

Кассеталарды реакторға қойғаннан кейін, басқарылатын ядролық реакция басталады, оның барысында уран ядролары көп мөлшерде жылу бөледі. Ядролық реакцияны сақтау үшін энергетикалық спектрдің жылу бөлігінен нейтрондар қолданылады; сондықтан бұл реакция жүретін ядролық реакторлар жылу-нейтронды реакторлар деп аталады.

Алынған жылу бірнеше ілмектердің көмегімен жанармай шыбықтарын қаптау арқылы суға беріледі. Қысым астында қыздырылған су бу турбинасын айналдыруға әкелетін буға айналады. Алдымен бу энергиясы механикалық жұмысқа, содан кейін механикалық жұмыс электр генераторы арқылы электр энергиясына айналады.

Жылу-нейтронды реакторлардың жұмысы нәтижесінде пайдаланылған ядролық отын – ішінара жанған отын құрамы бар кассета пайда болады. Бұл құрамда уран-235-тің қалған мөлшері өте аз, ал уран-238 үлесі кем дегенде 90% құрайды. Отын реактордан шығарылады және пайдаланылған отынды сақтау қоймаларына жіберіледі, онда ол бірнеше жыл сақталады, содан кейін ол кәдеге жарату үшін атом электр станциясынан шығарылады немесе қалдықтарды көмудің ерекше жағдайларын талап етеді. Осылайша, атом энергиясын өндірудің типтік схемасы проблемалық және экологиялық қауіпті қалдықтардың пайда болуына әкеледі. Сондықтан ғалымдар пайдаланылған ядролық отынды ядролық реакторлардың жаңа отынына айналдыратын жабық циклды ұйымдастыруға қатысты сұрақ қоя бастады. Ол үшін пайдаланылған отын құрамында басым болатын уран-238 ядролық бөліну реакциясының бақылануы қажет. Бұл тапсырманы жылдам нейтронды реакторлар арқылы шешуге болатыны белгілі болды.

Жылдам нейтронды реактор

Нейтрондардың қозғалыс жылдамдығы бастапқыда уранның ядролық бөлінуінде өте жоғары. Мұндай нейтрондар «жылдам» деп аталады. Бірақ жылу тасымалдағыш ретінде пайдаланылатын су арқылы өтіп, нейтрон айтарлықтай баяулайды және «баяу» (жылу) болады. Термиялық нейтрон тек уран-235-тің ядролық ыдырауын тудырады, ал уран-238 ядролары бөлінбеген күйде қалады. Бірақ егер жылдам нейтрондар баяу болса, уран-238 ядролары бөлінген энергиямен ыдырап, плутоний-239 түзеді, оны реакция қозғалтқышының отыны ретінде де қолдануға болады. Ол үшін суды нейтрондарды сіңірмейтін немесе баяулатпайтын ортамен ауыстыру қажет. Қазіргі уақытта натрий осы мақсатта жиі пайдаланылады, бұл жылдам нейтронды реакторды жүзеге асыруға мүмкіндік береді.

Мұндай жабдықта жылдам нейтрондар уран-238-мен әрекеттеседі, содан кейін плутоний-239 түзіледі. Плутоний-239 кейіннен термиялық (баяу) нейтронды реакторларға отын өндіру үшін пайдаланылуы мүмкін. Жылдам нейтронды реакторлар атом энергиясын өндіру циклін жабуға мүмкіндік береді: пайдаланылған отын өңделеді және қайтадан жылу реакторларына жіберіледі. Құрамында уран-238 бар ядролық реакциялық қозғалтқыш отынының бұрын көмілген қалдықтары көп және алдын ала есептеулер бойынша бұл қалдықтар бірнеше жүз жылға жетеді.

Жылдам нейтронды реакторлар үшін отынды өндіру мен пайдаланудың ерекше аспектілерін қарастырайық.

Жылдам нейтронды реакторларға арналған отын

 Жылдам нейтронды реакторлар үшін аралас уран және плутоний отынын алу технологиясы үш кезеңді қамтиды:

• қалыптау ұнтағын дайындау;
• түйіршіктерді компрессиялық қалыптау;
• түйіршіктерді агломерациялау.

Егер түйіршіктер бірнеше компоненттер негізінде жасалса, мысалы, уран және плутоний диоксидтері, ұнтақтарды ұнтақтап, араластыру керек. Бұл кезеңде реактордағы ядролық отынның жұмыс қабілеттілігі көп дәрежеде қамтамасыз етіледі, ол қоспаның біртектілігіне, дәннің тығыздығына, түйір өлшеміне, микроқұрылымына және т.б.

Реакторлық уран мен плутоний отынын өндіруге арналған қолданыстағы технологиялық желілерде бастапқы ұнтақтарды алдымен араластырып, содан кейін ұнтақтауға немесе бір уақытта араластырып, ұнтақтауға болады. Ол үшін шарикті немесе балғалы диірмендер қолданылады. Бірақ мұндай диірмендер бастапқы ұнтақтарды ұнтақтау мен араластырудың төмен тиімділігін көрсетеді; сондықтан түйіршіктер агломерациядан кейін екі фазаның анық бөлінуін байқауға болады, бұл талап етілетін біртектіліктің жоқтығын көрсетеді. Сонымен қатар, процестің өзі көп уақытты қажет етеді және бірнеше сағаттан ондаған сағатқа дейін созылады. пайдалану ферромагниттік бөлшектердің құйынды қабатының құрылғысы балама ретінде қарастырылады.

Аралас уран және плутоний отынын өндірудегі ферромагниттік бөлшектердің құйынды қабатының құрылғысы

Ферромагниттік бөлшектердің құйынды қабатының құрылғылары шарикті және балғалы диірмендерге қарағанда заттарға әсер етудің түбегейлі басқа әдісін пайдаланады. Мұндай құрылғының жұмыс істеу принципін 1-суретті пайдаланып байқауға болады.

1-сурет – Ферромагниттік бөлшектердің құйынды қабаты бар құрылғы (АВС): 1 – қорғаныс втулкасы; 2 – айналмалы электромагниттік өрістің индукторы; 3 – индуктор корпусы; 4 – магнитті емес материалдан жасалған жұмыс камерасы; 5 – ферромагниттік бөлшектер

Ферромагниттік бөлшектермен бірге титан және плутоний диоксидтерінің бастапқы ұнтақтары5 операциялық камераға орналастырылған титан контейнеріне салынады 4 шығарған АВСп-100 құрылғысының GlobeCore. Құрылғы іске қосылғаннан кейін контейнер осьтік кері қозғалысты орындайды. Индуктор2 ферромагниттік бөлшектердің күрделі траекториялар бойымен қозғала бастауына және өңделген ұнтақтардың бөлшектерімен, жұмыс камерасының қабырғаларымен және олардың жолда бір-бірімен үнемі соқтығысуына әкелетін айналмалы электромагниттік өрісті жасайды және құйынды қабат түзеді. Сонымен қатар, операциялық камерадағы өңделген ұнтақтарға бірнеше факторлар әсер етеді:

• айналмалы электромагниттік өріс;
• ферромагниттік бөлшектердің тікелей әсерлері;
• ферромагниттік бөлшектердің соқтығысуы нәтижесінде пайда болатын акустикалық және ультрадыбыстық тербеліс;
• ферромагниттік бөлшектердің магнитострикциясы және т.б.

Жоғарыда аталған факторлардың жан-жақты әсері бастапқы ұнтақтардың жылдам дисперсиясын және гомогенизациясын қамтамасыз етеді, бұл түйіршіктерді өндіру үшін жоғары сапалы қалыптау ұнтағын алуды білдіреді.

Техникалық қызмет көрсету персоналына қауіп төндіретін, бастапқы құрамдас бөліктерді және ферромагниттік бөлшектерді енгізу, сондай-ақ компоненттерді салқындату және жою автоматты түрде орындалады.

Құйынды қабат құрылғыларының артықшылықтары

Кұйынды қабат құрылғылары өндірген GlobeCore реакциялық қозғалтқыш отын өндірісінің технологиялық процестерінде пайдаланған кезде келесі артықшылықтарға ие:

• олар түйіршікте біркелкі таралуын қамтамасыз ете отырып, бастапқы ұнтақ компоненттерін дұрыс ұнтақтайды және араластырады;
• олар компоненттерді ұнтақтайды және араластырады, сондай-ақ оларды белсендіреді; күтілетін нәтиже – отынның жануының жоғарылауы;
• құйынды қабат құрылғысында өңделген ұнтақтардың негізінде алынған түйіршіктер реакциялық қозғалтқыш отынын регенерациялау үшін маңызды азот қышқылында толығымен ериді;
• шарикті және балғалы диірмендерден айырмашылығы, компоненттер сағат немесе ондаған сағат емес, бірнеше минут ішінде өңделеді;
• құрылғылардың көлемі ықшам және реакциялық қозғалтқыш отын өндірудің қолданыстағы технологиялық желілеріне оңай біріктіріледі;
• құрылғы ұсақ дисперсті ұнтақтарды және біртекті қоспаларды алу кезінде жылдам және баяу нейтронды реакторлар үшін ядролық отынды алудың әртүрлі схемаларында қолданылуы мүмкін.