Wofür wird Kernbrennstoff verwendet? Fusionsrakete von MSNW. Kernfusion: eine Revolution in der Energie

Beispiel.
Die D-T-Fusion beginnt mit einem Deuterium- und Tritiumatom und endet mit einem Helium-4-Atom und einem Neutron. Anfangsmasse 2,013553 + 3,015500 = 5,029053. Endmasse 4,001506 + 1,008665 = 5,010171. Wenn wir den zweiten vom ersten subtrahieren, finden wir, dass der Massendefekt 0,018882 beträgt. Durch Multiplikation mit 931,494028 ergibt sich eine Energie von 17,58847 MeV.

Beachten Sie, dass die Kernfusion Energie erzeugt, wenn immer größere Atome miteinander verschmelzen, bis sie so weit wachsen, dass sie zu Eisenatomen werden. Danach beginnt die Fusion schwerer Atome, mehr Energie zu verbrauchen, als sie produziert.

Partikel

Diese Tabelle enthält Symbole für verschiedene Partikel, die als Fusionsbrennstoff verwendet werden können. Die Teilchenmassen werden für den Fall angegeben, dass Sie den Massendefekt für die folgenden Reaktionen berechnen möchten und sich über die erhaltene Energiemenge überraschen lassen möchten.

Tritium hat eine Halbwertszeit von nur 12,32 Jahren, was den Einsatz im Weltraum etwas schwierig macht, da es nach zwölf Jahren zur Hälfte in Helium-3 zerfällt. Aus diesem Grund gibt es keine natürlichen Vorkommen von Tritium. Die meisten Reaktorkonstruktionen, die Tritium verwenden, basieren auf Tritiumgeneratoren. Dabei handelt es sich in der Regel um Tanks mit flüssigem Lithium, die den Reaktor umgeben. Lithium absorbiert Neutronen und wandelt sich in frisches Tritium und Helium-4 um.

Das berühmte Helium-3, das oft als wirtschaftliches Motiv für die Erforschung des Weltraums angeführt wird, ist leider nicht so gut, wie man erwarten könnte. Erstens kommt es auf der Erde nicht vor, was es schwierig macht, es zu bekommen. Einige Enthusiasten möchten es auf dem Mond abbauen, ohne näher darauf einzugehen, da seine Konzentration dort sehr gering ist. Um nur eine Tonne Helium-3 zu gewinnen, müssen 100 Millionen Tonnen Mondregolith verarbeitet werden. Alternativ kann es auch in Fabriken hergestellt werden, hierfür sind jedoch viele Neutronen erforderlich. Im Allgemeinen müssen Sie Tritium besorgen und warten, bis es zerfällt. Helium-3 ist in den Atmosphären von Saturn und Uranus in großen Mengen vorhanden, doch es bedarf der entsprechenden Infrastruktur, um es von dort zu gewinnen. Die Helium-3-Konzentration in ihrer Atmosphäre kann zehn Teile pro Million erreichen, was viel besser ist als auf dem Mond. Auch Jupiter enthält Helium-3 in seiner Atmosphäre, dessen Gewinnung jedoch aufgrund seiner enormen Schwerkraft sehr schwierig sein kann.

Einführung

Dieser Artikel beschreibt auf den ersten Blick eine weitere Methode zur Nutzung thermonuklearer Energie für schnelle bemannte Raumflüge. Bisherige Bemühungen auf diesem Weg waren vor allem aus den folgenden zwei Gründen erfolglos. Erstens basierten sie auf dem Design von Fusionsreaktoren. Die einfache Anwendung der in Reaktoren verwendeten Ansätze führt zu Systemen mit enormer Masse und Problemen bei der Energiedissipation. In einer detaillierten Analyse betrug die Masse des Schiffes für das kompakteste TOKMAK-Konzept, einen kugelförmigen Torus, etwa 4000 Tonnen. Die maximale Masse für den Start in eine niedrige Referenzumlaufbahn mit chemischen Raketen sollte 200 Tonnen nicht überschreiten.

Der zweite Grund ist, dass tatsächlich alle bisherigen Antriebssysteme komplexe Reaktionen erforderten, bei denen größtenteils geladene Teilchen erzeugt wurden. Dies war notwendig, um Energieverluste durch Neutronen zu reduzieren. Am vielversprechendsten waren D-3 He und P-11 B. Diese Reaktionen erfordern jedoch viel höhere Plasmatemperaturen und waren um Größenordnungen schwieriger zu erreichen als die D-T-Fusion, die viel zugänglicher ist und als einziger Kandidat für eine Anwendung auf der Erde gilt . Obwohl sie weniger rentabel sind, benötigen sie dennoch enorme Energiemengen, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten, was sie kaum besser macht als alternative Spaltreaktionen.

Bisherige Ideen zur Nutzung von Fusionsenergie in Raumfahrtantriebssystemen müssen überdacht werden. Schauen wir uns an, was chemischen Raketentriebwerken solche Vorteile verschafft. Der Hauptgrund liegt darin, dass die durch die chemische Reaktion der Verbrennung gewonnene Energie beliebig groß oder klein sein kann. Von 13 GW für eine schwere Atlas-Trägerrakete bis zu 130 kW für ein Auto. Es ist erwähnenswert, dass die Verbrennung bei niedrigerer Energie effizienter ist, da die Temperatur erhöht werden kann, ohne dass eine intensive Wärmeabfuhr und thermische Schäden befürchtet werden müssen, die bei längerem Dauerbetrieb auftreten können.

Wie Tests von Atom- und Wasserstoffbomben gezeigt haben, kann die Verbrennung von Kernbrennstoff Energie erzeugen, die um viele Größenordnungen größer ist als derselbe Atlas. Das Problem besteht darin, die Freisetzung von Kernenergie zu steuern, um die für Raumflüge erforderlichen Eigenschaften zu erhalten: eine Multi-Megawatt-Fahne, niedriges spezifisches Gewicht α (~ 1 kg/kW) mit hohem spezifischen Impuls Isp (> 20000 m/s). Es stellt sich heraus, dass es zumindest für die Kernspaltung keine Möglichkeit gibt, auf die erforderliche Energieskala herunterzuskalieren, da eine bestimmte kritische Masse (kritische Konfiguration) erforderlich ist, damit die Reaktion beginnt, sich selbst zu erhalten. Infolgedessen erzeugten Projekte, die Kernspaltungsreaktionen nutzen, wie Orion, typischerweise Millionen Tonnen Schub, was nur für Raumfahrzeuge mit einer Masse von 10 7 kg und mehr geeignet ist.

Glücklicherweise kann das Ausmaß von Fusionsreaktionen viel kleiner sein und Techniken wie die Magneto-Inertial-Fusion (MIF) können große Energiemengen aus Kernmaterial in Systemen erzeugen, die hinsichtlich Gewicht, Leistung und Kosten Raumantriebssysteme aufnehmen können.

Motorphysik

Der Motor basiert auf dem Prinzip der dreidimensionalen Implosion (Kompression durch eine Druckwelle) einer Metallfolie um ein FRC-Plasmoid (Feldumkehrkonfiguration) mithilfe eines Magnetfelds. Dies ist notwendig, um die für den Beginn der Synthese erforderlichen Bedingungen wie hohe Temperatur und hohen Druck zu erreichen. Dieser Ansatz zum Starten einer Reaktion ist eine Art Trägheitsfusion. Um die Funktionsweise grob zu verstehen, können Sie einen Blick auf Inertial Confinement Fusion (ICF) werfen. Die ICF-Synthese wird durch die dreidimensionale Implosion einer kugelförmigen Kapsel mit millimetergroßem kryogenen Brennstoff erreicht. Zur Implosion kommt es durch die explosionsartige Verdampfung des Kapselkörpers, nachdem er mit Laserstrahlen, Elektronen oder Ionen erhitzt wurde. Die erhitzte Außenschicht der Kapsel explodiert nach außen, wodurch eine Gegenkraft entsteht, die den Rest des Kapselmaterials nach innen beschleunigt und komprimiert. Außerdem scheinen sich Stoßwellen auf das Ziel zu bewegen. Ein ausreichend starker Satz Stoßwellen kann den Brennstoff im Zentrum so stark komprimieren und erhitzen, dass eine thermonukleare Reaktion beginnt. Bei dieser Methode wird davon ausgegangen, dass die Trägheit einer kleinen Kapsel ausreicht, um das Plasma lange genug zu halten, damit der gesamte Brennstoff reagieren und eine nutzbare Leistung von G ~ 200 oder mehr erzeugen kann (G = Fusionsenergie/Plasmaenergie). Der ICF-Ansatz wird seit Jahrzehnten von der National Nuclear Security Administration (NNSA) verfolgt, weil er so etwas wie eine thermonukleare Miniaturbombe darstellt. Aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Gewichts muss die Kapsel innerhalb von Nanosekunden auf die Synthesetemperatur erhitzt werden. Es stellte sich heraus, dass die vielversprechendste Lösung für dieses Problem eine Reihe gepulster Hochleistungslaser ist, die auf eine Kapsel mit D-T-Treibstoff fokussiert sind.

Ich möchte darauf hinweisen, dass bei Raumflügen der Hauptindikator Δv ist – Geschwindigkeitszunahme (m/s oder km/s). Es ist ein Maß für die „Anstrengung“, die erforderlich ist, um bei einem Orbitalmanöver von einer Flugbahn zur anderen zu gelangen. Für ein Raumschiff gibt es keine Konzepte wie Treibstoffreserve, maximale Entfernung oder maximale Geschwindigkeit, es gibt nur Δv. Das maximale Δv eines Schiffes kann als Geschwindigkeitszunahme dargestellt werden, die es erhält, nachdem sein gesamter Treibstoff verbraucht ist. Es ist wichtig zu wissen, dass eine „Mission“ danach charakterisiert werden kann, wie viel Δv zu ihrer Erfüllung erforderlich ist. Beispielsweise erfordert der Aufstieg von der Erde, die Homan-Flugbahn zum Mars und die Landung darauf ein Δv-Budget von 18 km/s. Wenn das Schiff über eine Reserve Δv verfügt, die größer oder gleich dem Missions-Δv ist, kann es diese Mission abschließen.

Um das Δv des Schiffes herauszufinden, können Sie die Tsiolkovsky-Formel verwenden.

Wo:
V ist die Endgeschwindigkeit (nachdem der gesamte Treibstoff aufgebraucht ist) des Flugzeugs (m/s);
I ist der spezifische Impuls des Raketentriebwerks (das Verhältnis des Triebwerksschubs zum zweiten Treibstoffmassenverbrauch, die Geschwindigkeit des aus der Düse ausströmenden Arbeitsmediums, m/s);
M 1 - Anfangsmasse des Flugzeugs (Nutzlast + Fahrzeugdesign + Treibstoff, kg);
M 2 – Endmasse des Flugzeugs (Nutzlast + Struktur, kg).

Daraus ergibt sich eine sehr wichtige Schlussfolgerung, die auf den ersten Blick vielleicht nicht sehr offensichtlich ist. Wenn das Δv der Mission kleiner oder gleich dem spezifischen Impuls ist, ist die relative Masse des Schiffes groß und es wird möglich, eine größere Nutzlast zu transportieren. Wenn jedoch das Δv der Mission größer als der spezifische Impuls ist, beginnt die relative Masse exponentiell abzunehmen, wodurch das Schiff zu einem riesigen Treibstofftank mit einer winzigen Nutzlast wird. Gerade deshalb sind interplanetare Flüge mit herkömmlichen Chemiemotoren sehr schwierig.

Planen Sie einen 210-tägigen Flug zum Mars und zurück ein.

90-tägige Mission zum Mars (ΔV = 13,5 km/s)

Ziel: besseres Verhältnis von Nutzlast zu Gesamtgewicht.
Vorteile:

• Es sind keine zusätzlichen Transportmissionen erforderlich
• Vereinfachte Missionsarchitektur
• Möglichkeit, alle Vorräte während einer Mission mitzubringen
• Niedrige Missionskosten
• Möglichkeit, eine Mission nach einem einzigen Start von der Erde aus zu starten

30-tägige Mission zum Mars (ΔV = 40,9 km/s)

Ziel: schnellste Mission.
Vorteile:

• Niedriges Risiko
• Minimale Strahlenbelastung
• Architektur der Apollo-Mission
• Der Schlüssel zum regelmäßigen Besuch des Mars
• Entwicklung der Technologien, die zur Eroberung des Weltraums erforderlich sind

Die NASA entwickelt derzeit das Space Launch System (SLS), eine superschwere Trägerrakete, die 70 bis 130 Tonnen Nutzlast in eine niedrige Referenzumlaufbahn befördern kann. Dadurch ist es möglich, nach nur einem Start einer solchen Trägerrakete eine 90-tägige Mission zum Mars zu beginnen.

Beide Missionen können sofort abgebrochen werden und zur Erde zurückkehren.

Wichtige Missionsparameter

Kraftstoffannahmen
Kosten für die Ionisierung von Linermaterial	75 MJ/kg
Effizienz der Energieübertragung auf den Liner (verbleibende Energie wird an die Kondensatoren zurückgegeben)	50%
Umwandlungseffizienz in Schub η t	90%
Linergewicht (entspricht einer Gewichtszunahme von 50 auf 500)	von 0,28 bis 0,41 kg
Zündfaktor	5
Sicherheitsmarge (G F =G F(ber.) /2)	2
Missionsannahmen
Masse des Mars-Moduls (gemäß Design Reference Architecture 5.0)	61 t
Bewohnbare Zone	31 t
Kapsel zurückgeben	16 t
Freigabesystem	14 t
Relatives Gewicht der Kondensatoren (dazu gehört auch die notwendige Verkabelung)	1 J/g
Relative Masse von Solarmodulen	200 W/kg
Strukturfaktor (Tanks, Struktur, Heizkörper usw.)	10%
Volle Kraftstoffbremsung, keine Aerobraking-Funktion
Schiffsdesign
Struktur (Verkleidungen, Energiestrukturen, Kommunikationskanäle, automatisierte Kontrollsysteme, Batterien)	6,6 t
Lithium-Rückhaltesystem	0,1 t
System zur Plasmaerzeugung und -injektion	0,2 t
Kraftstoffversorgungsmechanismus	1,2 t
Kondensatorbänke	1,8 t
Liner-Kompressionsspulen	0,3 t
Verkabelung und Leistungselektronik	1,8 t
Solarmodule (180 kW bei 200 W/kg)	1,5 t
Wärmekontrollsystem	1,3 t
Magnetische Düse	0,2 t
Schiffsgewicht	15 t
Masse des Marsmoduls	61 t
Lithium-Arbeitsflüssigkeit	57 t
Gesamtgewicht	133 t

Die Pulswiederholungsrate wird dem Forschungsplan zufolge höher als 0,1 Hz sein. Wenn wir berücksichtigen, dass der spezifische Impuls 51400 m/s beträgt und die Masse des Arbeitsmediums 0,37 kg pro Impuls beträgt, können wir den Impuls p = mv = 19018 kg m/s berechnen. Nach dem Impulserhaltungssatz erhöht sich die Geschwindigkeit des Schiffes um p/M = 19018/133000 = 0,14 m/s. Wenn wir den Düsenradius mit 1 m annehmen, dann werden die expandierenden Gase im Bereich t = r/v =1/51400 =0,00002 s auf sie drücken. Daher liegt die Beschleunigung im Bereich a = dv/dt = 0,14/0,00002 = 7000 m/s 2 . Es ist offensichtlich, dass entweder Stoßdämpfer zum Einsatz kommen werden, wie im Daedalus-Projekt, oder andere technische Lösungen, um den Impuls zu glätten.

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Der Lebenszyklus von Kernbrennstoffen auf Uran- oder Plutoniumbasis beginnt in Bergbauunternehmen, Chemiefabriken, in Gaszentrifugen und endet nicht mit der Entladung des Brennelementes aus dem Reaktor, da jedes Brennelement einen langen Weg zurücklegen muss der Entsorgung und anschließenden Wiederaufbereitung.

Gewinnung von Rohstoffen für Kernbrennstoffe

Uran ist das schwerste Metall der Erde. Etwa 99,4 % des Urans auf der Erde sind Uran-238 und nur 0,6 % sind Uran-235. Der Red-Book-Bericht der Internationalen Atomenergiebehörde zeigt, dass die Uranproduktion und -nachfrage trotz des Atomunfalls in Fukushima steigt, der bei vielen Zweifel über die Aussichten der Kernenergie aufkommen lässt. Allein in den letzten Jahren sind die nachgewiesenen Uranreserven um 7 % gestiegen, was mit der Entdeckung neuer Vorkommen verbunden ist. Die größten Produzenten bleiben Kasachstan, Kanada und Australien; sie fördern bis zu 63 % des weltweiten Urans. Darüber hinaus sind Metallreserven in Australien, Brasilien, China, Malawi, Russland, Niger, den USA, der Ukraine, China und anderen Ländern verfügbar. Zuvor hatte Pronedra geschrieben, dass im Jahr 2016 in der Russischen Föderation 7,9 Tausend Tonnen Uran gefördert wurden.

Heutzutage wird Uran auf drei verschiedene Arten abgebaut. Die offene Methode verliert nicht an Relevanz. Es wird dort eingesetzt, wo sich Ablagerungen nahe der Erdoberfläche befinden. Bei der offenen Methode bauen Bulldozer einen Steinbruch, dann wird das Erz mit Verunreinigungen auf Muldenkipper verladen, um es zu Verarbeitungskomplexen zu transportieren.

Oftmals liegt der Erzkörper in großer Tiefe, dann wird die Untertageabbaumethode angewendet. Dabei wird ein bis zu zwei Kilometer tiefes Bergwerk ausgehoben, das Gestein durch Bohren in horizontalen Stollen abgebaut und in Lastenaufzügen nach oben transportiert.

Das so nach oben transportierte Gemisch besteht aus vielen Bestandteilen. Das Gestein muss zerkleinert, mit Wasser verdünnt und der Überschuss entfernt werden. Anschließend wird der Mischung Schwefelsäure zugesetzt, um den Auslaugungsprozess durchzuführen. Bei dieser Reaktion erhalten Chemiker einen gelben Niederschlag aus Uransalzen. Schließlich wird Uran mit Verunreinigungen in einer Raffinationsanlage gereinigt. Erst danach entsteht Uranoxid, das an der Börse gehandelt wird.

Es gibt eine viel sicherere, umweltfreundlichere und kostengünstigere Methode namens Bohrloch-in-situ-Leaching (ISL).

Mit dieser Abbaumethode bleibt das Gebiet für das Personal sicher und der Strahlungshintergrund entspricht dem Hintergrund in Großstädten. Um Uran mittels Laugung abzubauen, müssen Sie 6 Löcher an den Ecken des Sechsecks bohren. Durch diese Brunnen wird Schwefelsäure in Uranlagerstätten gepumpt und mit ihren Salzen vermischt. Diese Lösung wird abgesaugt, nämlich durch einen Brunnen in der Mitte des Sechsecks gepumpt. Um die erforderliche Konzentration an Uransalzen zu erreichen, wird das Gemisch mehrmals durch Sorptionskolonnen geleitet.

Kernbrennstoffproduktion

Gaszentrifugen, mit denen angereichertes Uran hergestellt wird, sind aus der Kernbrennstoffproduktion nicht mehr wegzudenken. Nach Erreichen der erforderlichen Konzentration wird das Urandioxid zu sogenannten Tabletten gepresst. Sie werden mit Schmiermitteln hergestellt, die beim Brennen in Öfen entfernt werden. Die Brenntemperatur erreicht 1000 Grad. Anschließend werden die Tabletten überprüft, um sicherzustellen, dass sie den genannten Anforderungen entsprechen. Wichtig sind Oberflächenqualität, Feuchtigkeitsgehalt und das Verhältnis von Sauerstoff und Uran.

Gleichzeitig werden in einer weiteren Werkstatt Rohrhüllen für Brennelemente vorbereitet. Die oben genannten Prozesse, einschließlich der anschließenden Dosierung und Verpackung der Tabletten in Hüllrohren, der Versiegelung und der Dekontamination, werden als Kraftstoffherstellung bezeichnet. In Russland wird die Herstellung von Brennelementen (FA) von der Mashinostroitelny Zavod in der Region Moskau, dem Chemiekonzentratwerk Nowosibirsk in Nowosibirsk, dem Moskauer Polymetallwerk und anderen durchgeführt.

Jede Charge von Brennelementen wird für einen bestimmten Reaktortyp hergestellt. Europäische Brennelemente haben die Form eines Quadrats, während russische einen sechseckigen Querschnitt haben. Reaktoren der Typen WWER-440 und WWER-1000 sind in der Russischen Föderation weit verbreitet. Die ersten Brennelemente für WWER-440 wurden 1963 und für WWER-1000 1978 entwickelt. Trotz der Tatsache, dass in Russland aktiv neue Reaktoren mit Post-Fukushima-Sicherheitstechnologien eingeführt werden, gibt es im ganzen Land und im Ausland viele Kernkraftwerke alter Bauart, die in Betrieb sind, so dass Brennelemente für verschiedene Reaktortypen gleichermaßen relevant bleiben.

Um beispielsweise Brennelemente für einen Kern des RBMK-1000-Reaktors bereitzustellen, werden über 200.000 Komponenten aus Zirkoniumlegierungen sowie 14 Millionen gesinterte Urandioxidpellets benötigt. Manchmal können die Herstellungskosten einer Brennelementanordnung die Kosten des in den Elementen enthaltenen Brennstoffs übersteigen, weshalb es so wichtig ist, eine hohe Energieeffizienz pro Kilogramm Uran sicherzustellen.

Kosten der Produktionsprozesse in %

Unabhängig davon sind Brennelemente für Forschungsreaktoren zu erwähnen. Sie sind so konzipiert, dass die Beobachtung und Untersuchung des Neutronenerzeugungsprozesses so komfortabel wie möglich ist. Solche Brennstäbe für Experimente in den Bereichen Kernphysik, Isotopenproduktion und Strahlenmedizin werden in Russland im Chemiekonzentratwerk Nowosibirsk hergestellt. FAs werden auf Basis nahtloser Elemente mit Uran und Aluminium hergestellt.

Die Produktion von Kernbrennstoff in der Russischen Föderation erfolgt durch das Brennstoffunternehmen TVEL (ein Geschäftsbereich von Rosatom). Das Unternehmen befasst sich mit der Anreicherung von Rohstoffen, der Montage von Brennelementen und bietet auch Dienstleistungen zur Brennstofflizenzierung an. Das mechanische Werk Kovrov in der Region Wladimir und das Ural-Gaszentrifugenwerk in der Region Swerdlowsk stellen Ausrüstung für russische Brennelemente her.

Merkmale des Transports von Brennstäben

Natururan zeichnet sich durch eine geringe Radioaktivität aus, allerdings wird das Metall vor der Herstellung von Brennelementen einem Anreicherungsverfahren unterzogen. Der Gehalt an Uran-235 in natürlichem Erz überschreitet nicht 0,7 % und die Radioaktivität beträgt 25 Becquerel pro 1 Milligramm Uran.

Uranpellets, die in Brennelementen eingelegt werden, enthalten Uran mit einer Uran-235-Konzentration von 5 %. Fertige Brennelemente mit Kernbrennstoff werden in speziellen hochfesten Metallbehältern transportiert. Für den Transport werden Schienen-, Straßen-, See- und sogar Lufttransporte genutzt. Jeder Container enthält zwei Baugruppen. Der Transport von unbestrahltem (frischem) Brennstoff stellt keine Strahlengefahr dar, da die Strahlung nicht über die Zirkonrohre hinausgeht, in die die gepressten Uranpellets eingelegt werden.

Für den Treibstofftransport wird eine spezielle Route entwickelt; die Ladung wird in Begleitung von Sicherheitspersonal des Herstellers oder (häufiger) des Kunden transportiert, was vor allem auf die hohen Kosten der Ausrüstung zurückzuführen ist. In der gesamten Geschichte der Kernbrennstoffproduktion wurde kein einziger Transportunfall mit Brennelementen registriert, der den Strahlungshintergrund der Umwelt beeinträchtigt oder zu Todesopfern geführt hätte.

Brennstoff im Reaktorkern

Eine Kernbrennstoffeinheit – ein TVEL – ist in der Lage, über einen langen Zeitraum enorme Energiemengen freizusetzen. Weder Kohle noch Gas können mit solchen Mengen mithalten. Der Brennstofflebenszyklus in jedem Kernkraftwerk beginnt mit der Entladung, Entnahme und Lagerung von frischem Brennstoff im Brennelementlager. Wenn die vorherige Brennstoffcharge im Reaktor durchbrennt, baut das Personal die Brennelemente zusammen, um sie in den Kern (den Arbeitsbereich des Reaktors, in dem die Zerfallsreaktion stattfindet) zu laden. In der Regel wird der Treibstoff teilweise nachgeladen.

Der volle Brennstoff wird dem Kern erst zum Zeitpunkt der ersten Inbetriebnahme des Reaktors zugeführt. Dies liegt daran, dass die Brennstäbe im Reaktor ungleichmäßig ausbrennen, da der Neutronenfluss in verschiedenen Zonen des Reaktors unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Dank Messgeräten hat das Stationspersonal die Möglichkeit, den Ausbrandgrad jeder einzelnen Kraftstoffeinheit in Echtzeit zu überwachen und Ersatz zu leisten. Anstatt neue Brennelemente zu laden, werden die Brennelemente manchmal untereinander bewegt. Im Zentrum der aktiven Zone tritt Burnout am intensivsten auf.

FA nach einem Atomkraftwerk

Uran, das in einem Kernreaktor verbraucht wurde, wird als bestrahlt oder verbrannt bezeichnet. Und solche Brennelemente werden als abgebrannter Kernbrennstoff verwendet. SNF wird getrennt von radioaktivem Abfall gelagert, da es mindestens zwei nützliche Komponenten enthält – unverbranntes Uran (die Abbrandtiefe des Metalls erreicht nie 100 %) und Transuran-Radionuklide.

Vor kurzem haben Physiker damit begonnen, in abgebrannten Kernbrennstoffen angesammelte radioaktive Isotope in Industrie und Medizin zu nutzen. Nachdem der Brennstoff seine Kampagne abgeschlossen hat (die Zeit, in der sich die Baugruppe unter Betriebsbedingungen bei Nennleistung im Reaktorkern befindet), wird er in das Kühlbecken, dann zur Lagerung direkt im Reaktorraum und anschließend zur Wiederaufbereitung oder Entsorgung geschickt. Das Kühlbecken dient der Wärmeabfuhr und dem Schutz vor ionisierender Strahlung, da das Brennelement auch nach der Entnahme aus dem Reaktor gefährlich bleibt.

In den USA, Kanada oder Schweden werden abgebrannte Brennelemente nicht zur Wiederaufbereitung geschickt. Andere Länder, darunter Russland, arbeiten an einem geschlossenen Brennstoffkreislauf. Dadurch können Sie die Kosten für die Herstellung von Kernbrennstoffen erheblich senken, da ein Teil der abgebrannten Brennelemente wiederverwendet wird.

Die Brennstäbe werden in Säure gelöst, anschließend trennen die Forscher das Plutonium und ungenutztes Uran vom Abfall. Etwa 3 % der Rohstoffe können nicht wiederverwendet werden; dabei handelt es sich um hochradioaktive Abfälle, die Bitumen- oder Vitrifizierungsverfahren unterzogen werden.

1 % Plutonium kann aus abgebrannten Kernbrennstoffen zurückgewonnen werden. Dieses Metall muss nicht angereichert werden, Russland nutzt es zur Herstellung innovativer MOX-Kraftstoffe. Ein geschlossener Brennstoffkreislauf ermöglicht es, ein Brennelement um etwa 3 % günstiger herzustellen, diese Technologie erfordert jedoch große Investitionen in den Bau von Industrieanlagen und hat sich daher weltweit noch nicht durchgesetzt. Der Kraftstoffkonzern Rosatom stellt die Forschung in dieser Richtung jedoch nicht ein. Pronedra schrieb kürzlich, dass die Russische Föderation an einem Brennstoff arbeite, der die Isotope von Americium, Curium und Neptunium im Reaktorkern recyceln könne, die ebenfalls in den gleichen 3 % der hochradioaktiven Abfälle enthalten seien.

Kernbrennstoffproduzenten: Bewertung

1. Das französische Unternehmen Areva deckte bis vor Kurzem 31 % des Weltmarktes für Brennelemente ab. Das Unternehmen produziert Kernbrennstoff und montiert Komponenten für Kernkraftwerke. Im Jahr 2017 wurde Areva einer qualitativen Renovierung unterzogen, neue Investoren kamen in das Unternehmen und der kolossale Verlust von 2015 wurde um das Dreifache reduziert.
2. Westinghouse ist die amerikanische Abteilung des japanischen Unternehmens Toshiba. Es entwickelt aktiv den Markt in Osteuropa und liefert Brennelemente an ukrainische Kernkraftwerke. Zusammen mit Toshiba deckt es 26 % des weltweiten Marktes für die Kernbrennstoffproduktion ab.
3. Auf dem dritten Platz liegt das Treibstoffunternehmen TVEL des Staatskonzerns Rosatom (Russland). TVEL deckt 17 % des Weltmarktes ab, verfügt über ein zehnjähriges Vertragsportfolio im Wert von 30 Milliarden US-Dollar und liefert Brennstoff für mehr als 70 Reaktoren. TVEL entwickelt Brennelemente für WWER-Reaktoren und betritt auch den Markt für Kernkraftwerke westlicher Bauart.
4. Nach neuesten Daten deckt Japan Nuclear Fuel Limited 16 % des Weltmarktes ab und beliefert die meisten Kernreaktoren in Japan selbst mit Brennelementen.
5. Mitsubishi Heavy Industries ist ein japanischer Riese, der Turbinen, Tanker, Klimaanlagen und neuerdings auch Kernbrennstoff für westliche Reaktoren herstellt. Mitsubishi Heavy Industries (ein Geschäftsbereich der Muttergesellschaft) ist gemeinsam mit Areva am Bau von APWR-Kernreaktoren und Forschungsaktivitäten beteiligt. Dieses Unternehmen wurde von der japanischen Regierung mit der Entwicklung neuer Reaktoren beauftragt.

Uran ist das Hauptelement der Kernenergie und wird als Kernbrennstoff, Rohstoff für die Herstellung von Plutonium und in Atomwaffen verwendet. Der Urangehalt in der Erdkruste beträgt 2,5-10 -4 %, und die Gesamtmenge in einer 20 km dicken Schicht der Lithosphäre erreicht 1,3-10 14 Tonnen. Uranmineralien kommen fast überall vor. Allerdings ist Uran ein Spurenelement. Das bedeutet, dass seine Konzentration im Gestein für eine wirtschaftlich sinnvolle Produktion oft nicht ausreicht. Der Urangehalt im Erz ist einer der Schlüsselparameter, der die Produktionskosten bestimmt. Uranerze mit einem Urangehalt von 0,03–0,10 % gelten als arm, normal – 0,10–0,25 %, durchschnittlich – 0,25–0,5 %, reich – über 0,50 % 1.

Uran hat 14 Isotope, von denen jedoch nur drei in der Natur vorkommen (Tabelle 1.6).

Tabelle 1.6

Den neuesten Daten zufolge beträgt das erkundete Volumen der Uranreserven, deren Produktionskosten 130 US-Dollar/kg U nicht überschreiten, 5.327.200 Tonnen. Für die Kategorie mit Produktionskosten von weniger als 260 US-Dollar/kg U - 7.096.600 Tonnen Darüber hinaus beläuft sich die Menge an Uran in den sogenannten prognostizierten und geschätzten Reserven auf 10.429.100 Tonnen.

Tabelle 1.7

Länder mit den größten nachgewiesenen Uranreserven mit einem Wert von nicht mehr als 130 $/kg U

In den letzten Jahren hat sich die Verteilung der Uranvorkommen nach Ländern etwas verändert, da bei der Untersuchung einer Reihe von Uranlagerstätten zusätzliche Ressourcen in afrikanischen Ländern (Botswana, Sambia, Islamische Republik Mauretanien, Malawi, Mali) entdeckt wurden , Namibia, Vereinigte Republik Tansania). Außerdem wurden neue Reserven in Guyana, Kolumbien, Paraguay, Peru und Schweden entdeckt.

Die wichtigsten uranhaltigen Mineralien sind Uraninit (eine Mischung aus Uran- und Thoriumoxiden mit der allgemeinen Formel (U, Th)0 2x), Pechblende (Uranoxide: U0 2, U0 3, auch bekannt als Uranpech), Carnotit – K, (U0 2)2 (V0 4) 2 -3H 2 0, Uranophan - Ca (U0 2)Si0 3 (0H) 2 -5H 2 0 und andere 110].

Die Gewinnung von Uran aus Gesteinen erfolgt auf folgende Weise:

• Steinbruchabbau(offene Methode) dient der Gewinnung von Erzen, die sich auf der Oberfläche der Erdkruste befinden oder flach liegen. Bei dieser Methode werden Gruben angelegt, sogenannte Steinbrüche oder Einschnitte. Bisher sind die im Tagebau abbaubaren Vorkommen praktisch erschöpft. Die Produktion beträgt 23 %;
• Minenabbau(geschlossene Methode) dient der Gewinnung von Mineralien in großen Tiefen und umfasst den Bau eines Komplexes von unterirdischen Minenanlagen. Produktion - 32%;
• In-situ-Auslaugung Dabei wird eine wässrige Lösung eines chemischen Reagens unter Druck in die Formation gepumpt, die beim Durchströmen des Erzes natürliche Uranverbindungen selektiv auflöst. Die Laugungslösung, die Uran und assoziierte Metalle enthält, wird dann durch Extraktionsbrunnen an die Erdoberfläche gebracht. Produktion - 39 %.
• Gemeinsamer Abbau mit Erzen anderer Metalle(Uran ist in diesem Fall ein Nebenprodukt) - beträgt 6 %.

Die Herstellung von Dioxidbrennstoff aus Uranerz ist ein komplexer und teurer Prozess, der die Gewinnung von Uran aus dem Erz, seine Konzentration, Reinigung (Raffinierung), Umwandlung (Herstellung von Uranhexafluorid, Anreicherung, Dekonvertierung (UF-Übersetzung)) umfasst. 6 b U0 2), Herstellung von Brennelementen (Brennstäben).

In der ersten Phase der Verarbeitung von Uranerz, das durch Steinbruch- und Minenmethoden abgebaut wird, wird es zerkleinert und nach Radioaktivität sortiert. Nach der Sortierung werden die Erzstücke weiter zerkleinert und zur Laugung geschickt, um das Uran in eine lösliche Form umzuwandeln. Die Wahl der chemischen Lösung zum Öffnen des Erzes hängt von der Art des Minerals ab, zu dem Uran gehört. In einigen Fällen werden mikrobiologische Methoden zum Aufschließen des Erzes eingesetzt.

Durch die Auslaugung entsteht eine produktive uranhaltige Lösung. Bei der Weiterverarbeitung der produktiven Lösung durch Ionenaustausch-, Extraktions- oder Fällungsmethoden wird Uran konzentriert und unerwünschte Verunreinigungen (Na, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Ni usw.) abgetrennt. Das resultierende Produkt wird filtriert, getrocknet und auf eine hohe Temperatur erhitzt, bei der sich Uranoxid-Gelbkuchen (U 3 0 8) bildet. Um Uran gründlich von Verunreinigungen zu reinigen, wird eine Raffination durchgeführt, deren traditionelles Schema darin besteht, U 3 0 8 in Salpetersäure aufzulösen und durch Extraktion (seltener durch Fällung) zu reinigen. In diesem Fall ist das Endprodukt der Raffinationstechnologie U 3 0 8 oder Urantrioxid U0 3. Das resultierende Oxidprodukt wird in einen gasförmigen Zustand umgewandelt – UF 6, der für die Anreicherung am bequemsten ist. Dieser Vorgang wird Konvertierung genannt.

Zerkleinertes Uranerz (siehe Abb. 1.10) wird einer Aufbereitungsanlage zugeführt. Das Erzkonzentrat (natürliches Uran) wird zur Anlage zur Herstellung von Uranhexafluorid (UF 6) geschickt.

Reis. 1.10.

Uran aus einer radiochemischen Brennstoffregenerationsanlage wird dem Kreislauf hinzugefügt. Uranhexafluorid wird einer Anlage zur Anreicherung von natürlichem und regeneriertem Uran zugeführt, um den Gehalt des 235 U-Isotops zu erhöhen. Zur Trennung von Uranisotopen sind spezielle Methoden erforderlich (Gasdiffusion und Gaszentrifuge), da die getrennten Isotope 23:> und und 238 stellen ein chemisches Element dar (d. h. können nicht durch chemische Methoden getrennt werden) und unterscheiden sich nur in der Massenzahl (235 und 238 amu). Diese Methoden sind äußerst komplex und erfordern erhebliche Mengen an Energie, Zeit und Spezialausrüstung. Die Gasdiffusionsmethode basiert auf der unterschiedlichen Penetrationsgeschwindigkeit von Uran-238- und Uran-235-Hexafluoriden durch poröse Trennwände (Membranen). Wenn gasförmiges Uran durch eine Membran geleitet wird, ändern sich die Konzentrationen nur um 0,43 %, d. h. die Ausgangskonzentration beträgt 2b und steigt von 0,710 auf 0,712 %. Um das Gemisch deutlich mit 235 U anzureichern, muss der Trennvorgang viele Male wiederholt werden. Um also eine Mischung aus natürlichem Uran, das auf 2,4 % ohne 235 U angereichert ist, und einer Konzentration von 235 U in abgereichertem Uran (Abfall) von 0,3 % zu erhalten, sind etwa 840 Schritte erforderlich. Die Kaskade zur Herstellung von hochangereichertem Uran (90 % und mehr) muss 3000 Stufen haben.

Effektiver ist die Gaszentrifugenmethode, bei der Hexafluoride der Isotope von Uran-235 und 238 in eine Gaszentrifuge eingebracht werden, die sich mit einer Geschwindigkeit von 1500 Umdrehungen pro Sekunde dreht. In diesem Fall entsteht eine erhebliche Zentrifugalkraft, die Uran-238 zur Wand drückt und Uran-235 im Bereich der Rotationsachse konzentriert. Um den erforderlichen Anreicherungsgrad zu erreichen, werden Gaszentrifugen zu Kaskaden aus Zehntausenden von Geräten zusammengefasst.

Um UF 6 nach der Anreicherung in Urandioxid U O umzuwandeln, werden „nasse“ (Auflösung in Wasser, Fällung und Kalzinierung) und „trockene“ (Verbrennung von UF 6 in einer Wasserstoffflamme) Verfahren verwendet. Das resultierende U02-Pulver wird zu Tabletten gepresst und bei einer Temperatur von ca. 1750° C gesintert.

Nach der Anreicherung folgen die beiden Ströme – angereichertes Uran und abgereichertes Uran – unterschiedlichen Wegen. Abgereichertes Uran wird in einer Diffusionsanlage gespeichert, angereichertes Uran wird in Urandioxid (U0 2) umgewandelt und der Anlage zur Herstellung von Brennstäben zugeführt.

In diesen Anlagen wird U0 2 für Reaktoren in Brennstoffpellets umgewandelt. Die Tabletten werden erhitzt und gesintert, um eine harte, dichte Konsistenz zu erhalten (Abb. 1.11). Nach der Verarbeitung werden sie in Rohre (Schalen) aus Zirkonium gelegt, an den Enden werden Stopfen angeschweißt und das Ergebnis ist Brennstoffelement. Eine bestimmte Anzahl von Brennstäben wird zu einer einzigen Struktur zusammengefügt – Brennelement(TVS).

Reis. 1.11. Brennstoffpellets von U0 2

Fertige Brennelemente werden in speziellen Containern per Bahn-, Straßen- oder Seetransport an Kernkraftwerke geliefert. In einigen Fällen wird der Lufttransport genutzt.

Weltweit wird daran gearbeitet, die technischen und wirtschaftlichen Eigenschaften von Kernbrennstoffen zu verbessern. Die wichtigste Anforderung aus Sicht der Wirtschaftlichkeit von Kernbrennstoffen ist die Steigerung des Abbrandes. Für eine vollständigere Nutzung von Uran muss der Brennstoff länger im Reaktorkern verbleiben (siehe Tabelle 1.8). Um die Lebensdauer des Kraftstoffs zu verlängern, werden Strukturmaterialien verbessert, die unter längeren und härteren Betriebsbedingungen funktionieren müssen; Brennstoffzusammensetzungen (um die Ausbeute an Spaltprodukten zu verringern); die Steifigkeit der Brennelementrahmen nimmt zu.

Tabelle 1.8

Moderne und vielversprechende WWER-Brennstoffkreisläufe mit angereichertem Natururan

		Stand 2014			Kurzfristig
			Kraftstoff	Thermal Leistung Reaktor,		Kraftstoff	Thermal Leistung Reaktor,
	Kugel-KKW 1-3
	RosAES 1,2
	Kal KKW 1-4				TVSA-plus
					Typ TVS-2 M
					Typ TVS-2 M
Bulgarien	Kosloduj 5.6
	Tianwan 1.2
	Tianwan 3.4
	Temelin 1,2
	Kadankulam 1
	Kadankulam 2
	ZaNPP, Südukraine-KKW, Khm-KKW, RovNPP

1.4. Yader neuer Treibstoff

Für Reaktoren vom Typ WWER-1000 gibt es zwei hauptsächlich verbesserte Arten von Brennelementen (Abb. 1.12): TVSA (entwickelt von OKBM, benannt nach I. I. Afrikantov) und TVS-2 M (entwickelt von OKB Gidropress).

Reis. 1.12. Brennelemente für den WWER-Reaktor: A- TVSA-PLUS, B- TVS-2 M

Die Brennelemente TVSA-PLUS und TVS-2 M verfügen über identische technische und wirtschaftliche Eigenschaften und bieten die Möglichkeit, die Leistung der Reaktoranlage auf bis zu 104 % des nominalen, 18-monatigen Brennstoffzyklus (Auffüllung 66 Einheiten) Brennstoff zu steigern Abbrand - 72 MW Tag/kg U, Möglichkeit des Betriebs im Manövriermodus, Schutz vor Fremdkörpern.

Der zunehmende Anteil der Stromerzeugung in Kernkraftwerken an der Energiebilanz und der Übergang zu einem liberalen Strommarkt werden in den kommenden Jahren die Überführung einiger Kernkraftwerke in einen flexiblen Betrieb erfordern. Diese bisher in Kernkraftwerken noch nicht genutzte Betriebsweise stellt zudem zusätzliche Anforderungen an den Brennstoff und die Brennstoffkreisläufe. Es muss ein Kraftstoff entwickelt werden, der unter wechselnden Lastbedingungen hohe Leistungseigenschaften beibehält.

• Laut dem gemeinsamen Bericht der IAEA und der OECD „Uranium 2011: Reserven, Produktion und Nachfrage“.

Funktionsprinzip und Design von TURD

Derzeit werden 2 Designoptionen für TURD vorgeschlagen:

TNR basierend auf einem thermonuklearen Reaktor mit magnetischem Plasmaeinschluss

Im ersten Fall sind Funktionsprinzip und Aufbau des TNRE wie folgt: Der Hauptteil des Motors ist der Reaktor, in dem eine kontrollierte thermonukleare Fusionsreaktion stattfindet. Der Reaktor ist eine hohlzylindrische „Kammer“, die auf einer Seite offen ist, die sogenannte. eine thermonukleare Fusionsanlage mit „offener Falle“ (auch „Magnetflasche“ oder Spiegelkammer genannt). Die „Kammer“ des Reaktors muss nicht unbedingt (und sogar unerwünscht) vollständig abgedichtet sein; höchstwahrscheinlich handelt es sich um ein leichtes, größenstabiles Fachwerk, das die Spulen des Magnetsystems trägt. Derzeit gilt das sogenannte Schema als das vielversprechendste. „ambipolarer Einschluss“ oder „magnetische Spiegel“ (dt. Tandemspiegel), obwohl auch andere Einschlussschemata möglich sind: gasdynamische Fallen, Zentrifugaleinschluss, umgekehrtes Magnetfeld (FRC). Nach modernen Schätzungen beträgt die Länge der Reaktionskammer 100 bis 300 m bei einem Durchmesser von 1 bis 3 m. In der Reaktorkammer werden Bedingungen geschaffen, die ausreichen, um mit der thermonuklearen Fusion der ausgewählten Komponenten zu beginnen Brennstoffpaar (Temperaturen in der Größenordnung von Hunderten von Millionen Grad, Lawson-Kriteriumsfaktoren). Thermonuklearer Brennstoff – vorgewärmtes Plasma aus einer Mischung von Brennstoffkomponenten – wird in die Reaktorkammer eingespeist, wo eine ständige Fusionsreaktion stattfindet. Den Kern umgebende Magnetfeldgeneratoren (Magnetspulen unterschiedlicher Bauart) erzeugen in der Reaktorkammer Felder hoher Intensität und komplexer Konfiguration, die verhindern, dass thermonukleares Hochtemperaturplasma mit der Reaktorstruktur in Kontakt kommt, und die darin ablaufenden Prozesse stabilisieren. Entlang der Längsachse des Reaktors bildet sich die thermonukleare „Brennzone“ (Plasmabrenner). Das entstehende Plasma strömt, gesteuert durch magnetische Steuerungssysteme, durch eine Düse aus dem Reaktor und erzeugt so einen Strahlschub.

Zu beachten ist die Möglichkeit des „Multimode“-Betriebs des TURD. Durch die Injektion einer relativ kalten Substanz in den Plasmawolkenstrahl kann der Gesamtschub des Triebwerks stark erhöht werden (durch Reduzierung des spezifischen Impulses), was es einem Schiff mit einem Turboprop-Triebwerk ermöglicht, effektiv in den Gravitationsfeldern massiver Himmelskörper zu manövrieren , wie zum Beispiel große Planeten, bei denen oft ein großer Gesamtschub des Triebwerks erforderlich ist. Nach allgemeinen Schätzungen kann ein nuklearbetriebener Motor dieser Bauart einen Schub von mehreren Kilogramm bis zu mehreren zehn Tonnen mit einem spezifischen Impuls von 10.000 Sekunden bis 4 Millionen Sekunden entwickeln. Zum Vergleich: Der spezifische Impuls der modernsten chemischen Raketentriebwerke beträgt etwa 450 Sekunden.

TURD basierend auf Trägheitsfusionssystemen (Pulse Thermonuclear Reactor)

Der Motor des zweiten Typs ist ein thermonuklearer Trägheitsimpulsmotor. In einem solchen Reaktor findet eine kontrollierte thermonukleare Reaktion im gepulsten Modus (Bruchteile einer Mikrosekunde mit einer Frequenz von 1–10 Hz) statt, wobei Mikrotargets, die thermonuklearen Brennstoff enthalten, periodisch komprimiert und erhitzt werden. Ursprünglich war der Einsatz einer Laserfusionsmaschine (LTYARD) geplant. Ein solches LTE wurde insbesondere für eine interstellare automatische Sonde im Daedalus-Projekt vorgeschlagen. Sein Hauptbestandteil ist ein Reaktor, der im Pulsbetrieb arbeitet. Thermonuklearer Brennstoff (z. B. Deuterium und Tritium) wird in Form von Targets in die Kugelkammer des Reaktors eingespeist – ein komplexes Design von Kugeln aus einer Mischung gefrorener Brennstoffkomponenten in einer Hülle mit einem Durchmesser von mehreren Millimetern. Im äußeren Teil der Kammer befinden sich leistungsstarke Laser in der Größenordnung von Hunderten von Terawatt, deren Strahlung im Nanosekundenbereich durch optisch transparente Fenster in den Wänden der Kammer auf das Ziel trifft. In diesem Fall entsteht auf der Oberfläche des Ziels augenblicklich eine Temperatur von mehr als 100 Millionen Grad bei einem Druck von etwa einer Million Atmosphären – Bedingungen, die für den Beginn einer thermonuklearen Reaktion ausreichen. Es kommt zu einer thermonuklearen Mikroexplosion mit einer Kraft von mehreren hundert Kilogramm TNT. Die Häufigkeit solcher Explosionen in der Kammer des Daedalus-Projekts beträgt etwa 250 pro Sekunde, was die Versorgung von Zielen mit Treibstoff mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10 km/s mithilfe einer EM-Kanone erforderte. Expandierendes Plasma strömt aus dem offenen Teil der Reaktorkammer durch eine Düse geeigneter Bauart und erzeugt so einen Strahlschub. Derzeit ist theoretisch und praktisch bewiesen, dass die Lasermethode zum Komprimieren/Erhitzen von Mikrozielen eine Sackgasse ist – und es praktisch unmöglich ist, Laser dieser Leistung mit ausreichenden Ressourcen zu bauen. Daher wird derzeit für die Inertialsynthese die Option mit Ionenstrahlkomprimierung/-erwärmung von Mikrotargets in Betracht gezogen, da sie effizienter, kompakter und ressourcenschonender ist.

Dennoch gibt es die Meinung, dass ein TURE, das auf dem Trägheitsimpulsprinzip basiert, aufgrund der in ihm zirkulierenden sehr großen Kräfte zu sperrig ist und einen schlechteren spezifischen Impuls und Schub aufweist als ein TURE mit magnetischem Einschluss, der durch den Impuls verursacht wird -periodische Art seiner Wirkung. Ideologisch gesehen stehen auf thermonuklearen Ladungen basierende Sprengraketen wie das Orion-Projekt neben TUREs, die auf dem Trägheitsimpulsprinzip basieren.

Arten von Reaktionen und Fusionsbrennstoff

Abhängig von der Art des verwendeten Brennstoffs kann ein TNRE verschiedene Arten thermonuklearer Reaktionen nutzen. Insbesondere folgende Reaktionsarten sind derzeit grundsätzlich denkbar:

Deuterium + Tritium-Reaktion (D-T-Brennstoff)

2 H + 3 H = 4 He + n bei einer Energieabgabe von 17,6 MeV

Diese Reaktion ist aus Sicht moderner Technologien am einfachsten durchzuführen, liefert eine erhebliche Energieausbeute und die Brennstoffkomponenten sind relativ günstig. Sein Nachteil ist ein sehr großer Ausstoß unerwünschter (und für die direkte Schuberzeugung nutzloser) Neutronenstrahlung, die den größten Teil der Reaktionsleistung vernichtet und die Effizienz des Triebwerks stark verringert. Tritium ist radioaktiv, seine Halbwertszeit beträgt etwa 12 Jahre, das heißt, eine Langzeitlagerung ist unmöglich. Gleichzeitig ist es möglich, einen Deuterium-Tritium-Reaktor mit einer Hülle zu umgeben, die Lithium enthält: Letzteres wird durch einen Neutronenfluss bestrahlt und verwandelt sich in Tritium, was den Brennstoffkreislauf gewissermaßen schließt, da der Reaktor im Brüter arbeitet Modus. Somit besteht der Brennstoff für einen D-T-Reaktor tatsächlich aus Deuterium und Lithium.

Reaktion Deuterium + Helium-3

2 H + 3 He = 4 He + p. mit einer Energieabgabe von 18,3 MeV

Die Bedingungen dafür sind viel komplizierter. Helium-3 ist zudem ein seltenes und extrem teures Isotop. Derzeit wird es nicht im industriellen Maßstab hergestellt. Obwohl die Energieausbeute der D-T-Reaktion höher ist, hat die D-3He-Reaktion folgende Vorteile:

Reduzierter Neutronenfluss, die Reaktion kann als „neutronenlos“ klassifiziert werden,

Weniger Strahlenschutzmasse,

Geringeres Gewicht der Reaktormagnetspulen.

Bei der D-3-He-Reaktion werden nur etwa 5 % der Energie in Form von Neutronen freigesetzt (gegenüber 80 % bei der D-T-Reaktion), etwa 20 % werden in Form von Röntgenstrahlen freigesetzt. Die gesamte verbleibende Energie kann direkt zur Erzeugung von Strahlschub genutzt werden. Daher ist die D-3He-Reaktion für den Einsatz in einem Kernreaktor viel vielversprechender.

Andere Arten von Reaktionen

Reaktion zwischen Deuteriumkernen (D-D, Monotreibstoff) D + D -> 3 He + n mit einer Energieausbeute von 3,3 MeV und

D + D -> T + p+ mit einer Energieabgabe von 4 MeV. Die Neutronenausbeute bei dieser Reaktion ist ziemlich bedeutend.

Einige andere Arten von Reaktionen sind möglich:

P + 6 Li → 4 He (1,7 MeV) + 3 He (2,3 MeV) 3 He + 6 Li → 2 4 He + p + 16,9 MeV p + 11 B → 3 4 He + 8,7 MeV

Bei den oben genannten Reaktionen gibt es keine Neutronenausbeute.

Die Wahl des Brennstoffs hängt von vielen Faktoren ab – seiner Verfügbarkeit und niedrigen Kosten, der Energieausbeute, der Leichtigkeit, mit der die für die Kernfusionsreaktion erforderlichen Bedingungen (hauptsächlich Temperatur) erreicht werden können, den notwendigen Konstruktionsmerkmalen des Reaktors usw. Am vielversprechendsten für den Einsatz nuklearbetriebener Raketentriebwerke sind die sogenannten. „neutronenlose“ Reaktionen, da der durch die Kernfusion (z. B. bei der Deuterium-Tritium-Reaktion) erzeugte Neutronenfluss einen erheblichen Teil der Leistung wegnimmt und nicht zur Schuberzeugung genutzt werden kann. Darüber hinaus erzeugt Neutronenstrahlung induzierte Radioaktivität in der Struktur des Reaktors und des Schiffes, was eine Gefahr für die Besatzung darstellt. Die Deuterium-Helium-3-Reaktion ist aufgrund der fehlenden Neutronenausbeute vielversprechend. Derzeit wurde ein weiteres TNRE-Konzept vorgeschlagen – die Verwendung kleiner Mengen Antimaterie als Katalysator für eine thermonukleare Reaktion.

Geschichte, aktueller Stand und Aussichten für die TURD-Entwicklung

Die Idee, ein TNRE zu schaffen, entstand fast unmittelbar nach den ersten thermonuklearen Reaktionen (Testen thermonuklearer Ladungen). Eine der ersten Veröffentlichungen zum Thema TURD-Entwicklung war ein Artikel von J. Ross aus dem Jahr 1958. Derzeit laufen theoretische Entwicklungen solcher Triebwerkstypen (insbesondere auf Basis der Laser-Thermonuklearen Fusion) und allgemein umfangreiche praktische Forschung im Bereich der kontrollierten Kernfusion. Es bestehen solide theoretische und ingenieurtechnische Voraussetzungen für die Umsetzung dieses Motortyps in absehbarer Zeit. Basierend auf den berechneten Eigenschaften von TNREs werden solche Motoren in der Lage sein, die Schaffung eines schnellen und effizienten interplanetaren Transports für die Erforschung des Sonnensystems sicherzustellen. Echte Muster von TNRE wurden jedoch derzeit (2012) noch nicht erstellt.

siehe auch

Links

• Kosmonautik des 21. Jahrhunderts: thermonukleare Motoren // Zeitung „For Science“, 2003
• New Scientist Space (23.01.2003): Kernfusion könnte NASA-Raumschiff antreiben (Englisch)
• Physical Encyclopedia, Bd. 4, Artikel „Thermonukleare Reaktionen“, auf Seite 102, Moskau, „Große russische Enzyklopädie“, 1994, 704 S.

Dampfmaschine Stirlingmotor Luftmotor Nach Art der Arbeitsflüssigkeit Gas Gasturbinenanlage Gasturbinenkraftwerk Gasturbinentriebwerke Dampf Kombikraftwerk Kondensationsturbine Hydraulische Turbinen Propellerturbine Drehmomentwandler Durch Designmerkmale Axiale (axiale) Turbine Zentrifugalturbine (Radial,

Die Kernenergie besteht aus einer Vielzahl von Unternehmen mit unterschiedlichen Zwecken. Die Rohstoffe für diese Industrie werden aus Uranminen gewonnen. Anschließend wird es an Kraftstoffproduktionsanlagen geliefert.

Anschließend wird der Brennstoff zu Kernkraftwerken transportiert, wo er in den Reaktorkern gelangt. Wenn der Kernbrennstoff das Ende seiner Nutzungsdauer erreicht, muss er entsorgt werden. Es ist erwähnenswert, dass gefährliche Abfälle nicht nur nach der Wiederaufbereitung von Brennstoffen anfallen, sondern in jeder Phase – vom Uranabbau bis zur Arbeit im Reaktor.

Kernbrennstoff

Es gibt zwei Arten von Kraftstoff. Das erste ist in Minen abgebautes Uran, das natürlichen Ursprungs ist. Es enthält Rohstoffe, die zur Bildung von Plutonium fähig sind. Der zweite ist Kraftstoff, der künstlich erzeugt wird (sekundär).

Kernbrennstoffe werden auch nach ihrer chemischen Zusammensetzung unterteilt: metallisch, oxidisch, karbidisch, nitridisch und gemischt.

Uranbergbau und Brennstoffproduktion

Ein großer Teil der Uranproduktion stammt aus nur wenigen Ländern: Russland, Frankreich, Australien, den USA, Kanada und Südafrika.

Uran ist das Hauptbrennstoffelement in Kernkraftwerken. Um in den Reaktor zu gelangen, durchläuft es mehrere Verarbeitungsstufen. Am häufigsten befinden sich Uranvorkommen neben Gold und Kupfer, daher erfolgt die Gewinnung mit der Gewinnung von Edelmetallen.

Beim Abbau ist die Gesundheit der Menschen stark gefährdet, da Uran ein giftiges Material ist und die beim Abbau entstehenden Gase verschiedene Krebsarten verursachen. Obwohl das Erz selbst eine sehr geringe Menge Uran enthält – von 0,1 bis 1 Prozent. Auch die Bevölkerung, die in der Nähe von Uranminen lebt, ist stark gefährdet.

Angereichertes Uran ist der Hauptbrennstoff für Kernkraftwerke, doch nach seiner Nutzung bleiben große Mengen radioaktiver Abfälle zurück. Trotz aller Gefahren ist die Urananreicherung ein integraler Prozess zur Herstellung von Kernbrennstoff.

In seiner natürlichen Form kann Uran praktisch nirgendwo verwendet werden. Um genutzt zu werden, muss es angereichert werden. Zur Anreicherung werden Gaszentrifugen eingesetzt.

Angereichertes Uran wird nicht nur in der Kernenergie, sondern auch in der Waffenproduktion eingesetzt.

Transport

In jeder Phase des Brennstoffkreislaufs gibt es Transport. Es wird mit allen verfügbaren Mitteln durchgeführt: zu Lande, zu Wasser und in der Luft. Dies stellt ein großes Risiko und eine große Gefahr nicht nur für die Umwelt, sondern auch für den Menschen dar.

Beim Transport von Kernbrennstoff oder seinen Elementen ereignen sich viele Unfälle, bei denen radioaktive Elemente freigesetzt werden. Dies ist einer der vielen Gründe, warum es als unsicher gilt.

Stilllegung von Reaktoren

Keiner der Reaktoren wurde abgebaut. Sogar das berüchtigte Tschernobyl. Der springende Punkt ist, dass Experten zufolge die Kosten für den Rückbau den Kosten für den Bau eines neuen Reaktors entsprechen oder diese sogar übersteigen. Allerdings kann niemand genau sagen, wie viel Geld benötigt wird: Die Kosten wurden auf der Grundlage der Erfahrungen mit dem Rückbau kleiner Stationen zu Forschungszwecken berechnet. Experten bieten zwei Möglichkeiten:

1. Platzieren Sie Reaktoren und abgebrannte Kernbrennstoffe in Endlagern.
2. Bauen Sie Sarkophage über stillgelegten Reaktoren.

In den nächsten zehn Jahren werden weltweit etwa 350 Reaktoren das Ende ihrer Lebensdauer erreichen und müssen außer Betrieb genommen werden. Da jedoch die hinsichtlich Sicherheit und Preis am besten geeignete Methode noch nicht erfunden ist, wird dieses Problem noch gelöst.

Derzeit sind weltweit 436 Reaktoren in Betrieb. Natürlich ist das ein großer Beitrag zum Energiesystem, aber es ist sehr unsicher. Untersuchungen zeigen, dass Kernkraftwerke in 15 bis 20 Jahren durch Kraftwerke ersetzt werden können, die mit Windenergie und Sonnenkollektoren betrieben werden.

Atommüll

Durch den Betrieb von Kernkraftwerken entsteht eine große Menge Atommüll. Auch bei der Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen entstehen gefährliche Abfälle. Allerdings fand keines der Länder eine Lösung für das Problem.

Heutzutage wird Atommüll in Zwischenlagern, in Wasserbecken gelagert oder flach unter der Erde vergraben.

Die sicherste Methode ist die Lagerung in speziellen Lagereinrichtungen, allerdings ist auch hier, wie bei anderen Methoden auch, ein Strahlungsaustritt möglich.

Tatsächlich hat Atommüll einen gewissen Wert, erfordert aber die strikte Einhaltung der Regeln für seine Lagerung. Und das ist das dringendste Problem.

Ein wichtiger Faktor ist die Zeit, in der der Abfall gefährlich ist. Jedes hat seine eigene Zerfallsperiode, in der es giftig ist.

Arten von Atommüll

Beim Betrieb eines Kernkraftwerks gelangen seine Abfälle in die Umwelt. Dabei handelt es sich um Wasser zur Kühlung von Turbinen und gasförmigen Abfällen.

Atommüll wird in drei Kategorien unterteilt:

1. Niedriges Niveau - Kleidung der Mitarbeiter von Kernkraftwerken, Laborausrüstung. Solche Abfälle können auch aus medizinischen Einrichtungen und wissenschaftlichen Laboren stammen. Sie stellen keine große Gefahr dar, erfordern jedoch die Einhaltung von Sicherheitsmaßnahmen.
2. Zwischenniveau – Metallbehälter, in denen Kraftstoff transportiert wird. Ihre Strahlung ist recht hoch und diejenigen, die sich in ihrer Nähe aufhalten, müssen geschützt werden.
3. Der hohe Anteil entfällt auf abgebrannte Kernbrennstoffe und deren Wiederaufbereitungsprodukte. Die Radioaktivität nimmt rapide ab. Hochaktiver Abfall ist mit etwa 3 Prozent sehr klein, enthält aber 95 Prozent der gesamten Radioaktivität.