Кіріспе

Ядролық реакторларды қамтамасыз ететін материал. Ядролық отын – атом электр станцияларында турбиналарды қуаттандыру үшін жылу өндіруге қолданылатын материал. Ядролық отын ядролық бөліну процесінен өткенде жылу пайда болады. Көптеген ядролық отындар ядролық бөлінуді жүзеге асыра алатын және сақтай алатын ауыр, бөлінетін актинид элементтерінен тұрады. Ең маңызды үш бөлінетін изотоп – уран-233, уран-235 және плутоний-239. Осы атомдардың тұрақсыз ядроларына баяу жылдамдықпен ұшыратын нейтрон тигенде, олар көбінесе екі жаңа ядро мен қосымша екі-үш нейтронға бөлінеді. Бұл жағдайда, бөлінген нейтрондар басқа ядроларды бөлуге қатысады. Бұл ядролық реакторда бақыланатын, ал ядролық қаруда бақыланбайтын, өзін-өзі сақтайтын тізбекті реакцияны тудырады. Керісінше, егер ядро бөлінбей нейтронды сіңіріп алса, ол бір қосымша нейтронмен бірге ауыр ядроны құрайды. Ядролық отынды өндіру, байыту, тазарту, пайдалану және кәдеге шығару процестерінің барлығы ядролық отын циклі деп аталады. Барлық ядролық отын түрлері ядролық бөліну арқылы қуат өндірмейді; плутоний-238 және басқа кейбір изотоптар радиоизотоптық термоэлектр генераторлары және басқа атомдық батарея түрлерінде радиоактивті ыдырау арқылы аз мөлшерде ядролық қуат өндіру үшін қолданылады. Ядролық отын – барлық қолданылатын отын түрлерінің ішінде ең жоғары энергия тығыздығына ие.

Оксидтік отын

Физикалық реакторлар үшін отын (әдетте уран негізінде) көбінесе металл оксидтерінен жасалады; металлдардың өзі емес, оксидтердің қолданылуының себебі – оксидтердің балқу температурасы металлдан әлдеқайда жоғары, сондай-ақ олар өртенбейді, өйткені бұрыннан тотыққан күйде болады.

MOX

Аралас оксид немесе MOX отыны – плутоний мен табиғи немесе қысқартылған уранның қоспасы, ол байытылған уранға ұқсас (бірақ толықтай сәйкес емес) қасиет көрсетеді, ал көптеген ядролық реакторлар осы уранға сәйкес жобаланған. MOX отыны – ядролық энергия өндірісінде басымдық құратын жеңіл су реакторларында қолданылатын аз байытылған уранға (ЖЭУ) балама болып табылады. Пайдаланылған MOX ядролары жаңа кәдеге жарату қиындықтарын тудыруы мүмкін деген алаңдаушылық білдірілгенімен, MOX өзі артық плутонийді трансмутация арқылы жоюға мүмкіндік береді. MOX отынын жасау үшін коммерциялық ядролық отынды қайта өңдеу Sellafield MOX зауытында (Англия) жүзеге асырылды. 2015 жылдан бері MOX отыны Францияда (Маркуль ядролық кешеніне қараңыз) және Ресейде (Тау-кен және химиялық комбинатына қараңыз), сондай-ақ Үндістанда және Жапонияда өндіріледі. Қытай жылдам көбейгіш реакторларды (ЖКР) және қайта өңдеуді дамытуды жоспарлап отыр. «Жаһандық ядролық энергия серіктестігі» – Джордж Буш әкімшілігінің АҚШ ұсынысы, ол пайдаланылған ядролық отынды қайта өңдеуге бағытталған халықаралық серіктестік құруды көздеді, нәтижесінде плутоний ядролық отын ретінде пайдалануға жарамды, бірақ ядролық қару жасауға қолданылмайтын болатын. Ядролық қаруды таратпау қағидаларын ескере отырып, АҚШ-та пайдаланылған коммерциялық реакторлардың ядролық отынын қайта өңдеуге рұқсат берілмейді. Басқа барлық қайта өңдеуші елдердің көпшілігі Жапониядан басқа, әскери мақсаттағы «зерттеу» реакторларының отынынан ядролық қаруға ие болды. Әдетте, отын үш жыл сайын ауыстырылатын болғандықтан, реактордағы шамамен жартысы |^{239}Pu «жанып», жалпы энергияның үштен бірін қамтамасыз етеді. Ол |^{235}U сияқты қасиет көрсетеді және оның бөлінуі де ұқсас мөлшерде энергияны бөліп шығарады. Жану деңгейі жоғары болған сайын, пайдаланылған отындағы плутонийдің мөлшері артады, бірақ бөлінетін плутонийдің үлесі төмендейді. Әдетте, реактордан шығарылатын пайдаланылған отынның шамамен 1%-ы плутоний құрайды, ал оның шамамен екі үшін бір бөлігі бөлінетін материал болып табылады (шамамен 50% |^{239}Pu, 15% |^{241}Pu). Әлем бойынша жыл сайын реакторларды отынмен толықтырғанда, пайдаланылған отыннан шамамен 70 тонна плутоний алынады.

Металл отыны

Металл отындары окис отындарына қарағанда жылу өткізгіштігі жоғарырақ, бірақ олар бірдей жоғары температураға төтеп бере алмайды. Металл отындарының тарихы ұзақ, ол 1946 жылғы Клементин реакторынан бастап көптеген сынақ және зерттеу реакторларында қолданылған. Металл отындары ең жоғары бөлінетін атомдар тығыздығына ие болу мүмкіндігін ұсынады. Металл отындары көбінесе қорытпалармен жасалады, бірақ кейбір металл отындары таза ураннан дайындалған. Қолданылған уран қорытпаларының ішінде уран-алюминий, уран-цирконий, уран-кремний, уран-молибден, уран-цирконий гидриді (UZrH) және уран-цирконий карбонитриді бар. Аталған отынның кез келген түрін плутоний және басқа актинидтермен жабық ядролық отын циклының құрамында пайдалануға болады. Металл отындары су реакторларында және сұйық металлмен жұмыс істейтін жылдам көбейту реакторларында, мысалы EBR II-де қолданылған.

TRIGA отын

TRIGA отыны TRIGA (Оқу, Зерттеу, Изотоптар, Жалпы Атомдық) реакторларында қолданылады. TRIGA реакторы UZrH отынын пайдаланады, оның реактивтілігінің теріс отын температуралық коэффициенті бар, яғни ядроның температурасы көтерілген сайын реактивтілік төмендейді – сондықтан, ядроның балқып кетуі өте сирек кездеседі. Бұл отынды қолданатын ядролардың көпшілігі "жоғары шығынды" ядролар болып табылады, онда артық шығып кеткен нейтрондар зерттеу мақсатында пайдаланылуы мүмкін. Яғни, оларды нейтрон көзі ретінде қолдануға болады. TRIGA отыны бастапқыда жоғары тотыққан уранды пайдалану үшін жобаланған, бірақ 1978 жылы АҚШ Энергетика департаменті зерттеу және сынақ реакторлары үшін тотығу деңгейін төмендету бағдарламасын іске қосты, бұл реакторларды төмен тотыққан уран отынына көшіруге ықпал етті. АҚШ-тың әртүрлі аймақтарында барлығы 35 TRIGA реакторы орнатылды. Тағы 35 реактор басқа елдерде орнатылды.

Актинидтер отыны

Жедел нейтронды реакторда уран мен плутонийдің нейтрондық түсірілуінен пайда болатын кіші актинидтер отын ретінде қолданылуы мүмкін. Металл актинид отыны әдетте цирконий, уран, плутоний және кіші актинидтердің қорытпасы болып табылады. Металл қорытпасының жылулық кеңеюі нейтрон шығысын арттыру арқасында қауіпсіздігі жоғары болады.

Ерітілген плутоний

Балқытылған плутоний, балқыту температурасын төмендету үшін басқа металдармен қорытылып, танталға қапталған күйінде 1960 жылдары Лос-Аламос ұлттық зертханасындағы LAMPRE I және LAMPRE II екі тәжірибелік реакторында сынақтан өтті. "LAMPRE" жұмыс кезінде үш рет отын элементтерінің бұзылуына ұшырады.

Оксидті емес керамикалық отын

Оксидтерден басқа керамикалық отындар жоғары жылу өткізгіштігімен және балқу температурасымен ерекшеленеді, бірақ олар оксид отындарына қарағанда көбірек ісіп кетеді және олар туралы толыққанды түсінік жоқ.

Уран нитриді

Бұл көбінесе НАСА өндіретін реакторлардың дизайны үшін таңдалған отын болып табылады, оның бір артықшылығы – уран нитридінің UO2-ге қарағанда жылу өткізгіштігі жақсы. Уран нитридінің балқу температурасы өте жоғары. Бұл отынның кемшілігі бар: егер 15N қолданылмаса (көбірек таралған 14N орнына), азоттан (n,p) реакциясы арқылы көп мөлшерде 14C пайда болады. Мұндай отын үшін қажетті азот өте қымбат болғандықтан, отынды 15N-ді қалпына келтіру үшін пироөңдеу қажет болуы мүмкін. Егер отын өңделсе және азот қышқылында ерітілсе, 15N-мен байытылған азот көбірек таралған 14N-мен араласып, сұйытылуы ықтимал. Фтордың ұшқышталмалылығы – азот қышқылына тәуелді емес қайта өңдеу әдісі, бірақ ол салыстырмалы түрде кішкентай қондырғыларда ғана сынақтан өткен, ал PUREX процесі барлық пайдаланылған ядролық отынның шамамен үштен бір бөлігі үшін коммерциялық түрде қолданылады (қалғаны көбінесе "бір реттік отын циклына" жатады). Барлық азот фторидтері бөлме температурасында ұшқыш немесе газ тәрізді болып табылады және бастапқыда қолданылған азотты қалпына келтіру үшін басқа газ тәрізді өнімдерден (соның ішінде қалпына келтірілген уран гексафторидінен) фракциялық дистилляциялауға болады. Егер отынды радиоактивті емес көміртекпен (бөліну өнімі емес және модератор ретінде қолданылмаған ядролық реакторларда кездеспейтін) аз мөлшерде ластануын қамтамасыз ететіндей етіп өңдеуге болады, онда фтордың ұшқышталмалылығын көміртек тетрафторидін өндіру арқылы бөлу үшін пайдалануға болады. Бұл технология аса ұзақ қызмет ететін, төмен қуатты ядролық батареяларда, атап айтқанда алмаз батареяларда қолдануға ұсынылады.

Уран карбиді

Уран карбиді туралы көптеген мәліметтер 1960 және 1970 жылдардағы қарқынды зерттеулер кезінде сұйық металл жылдам реакторлары үшін ине тәрізді отын элементтері түрінде сақталған. Дегенмен, соңғы кезде пластина тәрізді отын және ең бастысы, микроотын бөлшектеріне (мысалы, TRISO бөлшектері) деген қызығушылық қайта жанданды. Уран карбидінің жоғары жылу өткізгіштігі және жоғары балқу температурасы оны тартымды отынға айналдырады. Бұған қоса, отынның құрамында оттегінің болмауы (сәулелену процесінде О2 немесе басқа газдардың пайда болуына алып келуі мүмкін) және керамикалық қаптамамен үйлесуге болатындығы (керамикалық-керамикалық интерфейс құрылымдық және химиялық артықшылықтарға ие) уран карбидін кейбір IV буын реакторлары үшін, мысалы, газбен салқындатылатын жылдам реактор үшін идеалды отын кандидаты етеді. Көміртегінің нейтрондық қимасы төмен болғанымен, жылдар бойы отынның жануы кезінде көміртегі басым түрінде нейтрондарды сіңіріп алып, тұрақты және радиоактивті изотоптарға айналады. Уран нитратын қолдану арқылы алынғаннан өзгеше, бұл изотоптар жалпы көміртегі құрамында аз ғана бөлік құрайды, сондықтан көміртегінің барлық мөлшері ядролық емес мақсаттар үшін жарамсыз болады, бірақ концентрациясы байытусыз ядролық батареяларда қолдану үшін тым төмен болады. Модератор ретінде қолданылған реакторлардан шығарылған ядролық графит те осы мәселені тудырады.

Сұйық отын

Сұйық отын – ядролық отынды ерітіндісі бар сұйықтар, және олар дәстүрлі қатты отын тәсілдерімен салыстырғанда көптеген операциялық артықшылықтарды ұсынады деп көрсетілген. Сұйық отынмен жұмыс істейтін реакторлар, олардың ішкі тұрақтылығына байланысты "өздігінен реттелетін" реактор динамикасының арқасында маңызды қауіпсіздік артықшылықтарын ұсынады. Бұл екі маңызды пайда әкеледі: реактордың бақылаусыз балқып кету мүмкіндігін дерлік жою және электр энергиясын өндіруге, сондай-ақ жоғары температуралы өнеркәсіптік жылуға жақсы бейімделген автоматты жүктемеге ілесу қабілетін қамтамасыз ету. Кейбір сұйық өзек конструкцияларының тағы бір маңызды артықшылығы – оларды пассивті қауіпсіз жинақтағышқа жылдам құю мүмкіндігі. Бұл артықшылық, өте сәтті өткен 4 жылдық тұзды реактор эксперименті кезінде апталық тоқтату процедурасының бөлігі ретінде бірнеше рет нақтырақ дәлелденді. Сұйық өзектің тағы бір үлкен артықшылығы – оның ксенон газын шығару қабілеті, ол әдетте нейтронды сіңіруші ретінде әрекет етеді (135Xelink=ксенон 135 – ең күшті белгілі нейтрондық у, тікелей және 135Ilink=Йод 135-тің ыдырау өнімі ретінде де түзіледі) және қатты отын элементтерінде құрылымдық бұзылуларға себеп болады (ядролық отынның 98%-дан астамы жанып кетпеген күйде, соның ішінде көптеген ұзақ өмір сүретін актинидтермен бірге, қатты отын таяқшаларын ауыстыруға әкеледі). Керісінше, тұзды реакторлар (MSR) отын қоспасын айтарлықтай ұзақ мерзімге сақтай алады, бұл отын тиімділігін ғана емес, сонымен қатар қалыпты жұмыс жағдайында оның қалдықтарының көп бөлігін жояды. Оның орнына, оны босатуға рұқсат етудің кемшілігі – нейтрондарды ұстап алып, оны негізінен тұрақты және химиялық инертті күйге айналдырудың орнына, ол тез арада өте химиялық реактивті, ұзақ өмір сүретін радиоактивті 135Cslink=цезий 135-ке ыдырайды, ол басқа сілтілі металдар сияқты әрекет етеді және организмдердің метаболизмімен сіңірілуі мүмкін.

Балқытылған тұздар

Балқытылған тұздық отын – актинид тұздарының (мысалы, торий/уран фториді/хлориді) және басқа тұздардың қоспалары, олар бірнеше жүз градус Цельсийден жоғары температурада сұйық күйде қолданылады. Сұйық фторид торий реакторы (LFTR) сияқты балқытылған тұздық отынмен жабдықталған кейбір реактор конструкцияларында бұл отын тұзы сонымен бірге салқындатқыш ретінде де қызмет етеді; ал басқа конструкцияларда, мысалы, тұрақты тұздық реакторда, отын тұзы отын ұяшықтарында орналасады және салқындатқыш жеке, радиоактивті емес тұз болып табылады. Сондай-ақ, отыны балқытылған тұз түрінде болмайтын, бірақ салқындату үшін балқытылған тұз қолданылатын балқытылған тұзбен салқындатылатын реакторлардың тағы бір санаты бар. Балқытылған тұз реакторы эксперименті деп аталатын LFTR және басқа сұйық ядролық реакторлар эксперименттерінде балқытылған тұздық отын қолданылды. Балқытылған тұз реакторының сұйық отыны литий, бериллий, торий және уран фторидтерінің қоспасы болды: LiF BeF2 ThF4 UF4 (72, 16, 12, 0,4 моль%). Эксперименттегі ең жоғары жұмыс температурасы 705 °C құрады, бірақ балқыған тұздың қайнау температурасы 1400 °C-тан жоғары болғандықтан, оны әлдеқайда жоғары температурада пайдалануға болар еді.

Уранил тұздарының сулы ерітінділері

Сулы гомогенді реакторлар (AHR) судағы уранил сульфаты немесе басқа уран тұздарының ерітіндісін пайдаланады. Тарихи тұрғыдан АHR-лердің барлығы үлкен қуатты реакторлар емес, шағын зерттеу реакторлары болған. Медициналық изотоптар өндіруге арналған Медициналық изотоптар өндіру жүйесі (Medical Isotope Production System) деп аталатын АHR қарастырылуда.

Сұйық металдар немесе қорытпалар

Екі сұйықтық реакторының (DFR) эутектикалық сұйық металл қорытпаларымен жұмыс істейтін DFR/m түрі бар, мысалы, UCr немесе UFe.

Ядролық отынның жалпы физикалық түрлері

Уран диоксидінің (UO2) ұнтағы цилиндр пішіндес гранулаларға ығыстырылады және жоғары температурада күйдіріледі, нәтижесінде жоғары тығыздыққа, анықталған физикалық қасиеттерге және химиялық құрамға ие керамикалық ядролық отын гранулалары шығарылады. Біркелкі цилиндрлі геометрияны қысқа төзімділік шегінде алу үшін ұнтақтау процесі қолданылады. Бұл отын гранулаларынан кейін металл түтіктерге салынып, толтырылады. Түтіктерге қолданылатын металл реактордың конструкциясына байланысты. Бұрын тотықпайтын болат қолданылған, бірақ қазіргі көптеген реакторлар жоғары коррозияға төзімді және нейтрондарды аз сіңіретін цирконий қорытпасын пайдаланады. Отын гранулаларын қамтитын түтіктер герметикалық жабылады: осы түтіктер отын таяқшалары деп аталады. Дайын отын таяқшалары электр станциясы реакторының активтік аймағын құру үшін қолданылатын отын жиналымдарына топтастырылады. Қаптама – отын таяқшаларының салқындатқыш пен ядролық отын арасында орналасқан сыртқы қабаты. Ол термиялық нейтрондарды аз сіңіретін материалдан жасалады, әдетте қазіргі конструкцияларда циркалой немесе болаттан, ал ескірген Магнокс реакторлары үшін алюминий және басқа металдар қосылған магнийден жасалады. Қаптама радиоактивті бөліну фрагменттерінің отыннан салқындатқышқа өтуіне және оны ластауына жол бермейді. Радиоактивті ағып кетуді болдырмаудан басқа, ол салқындатқышты мүмкіндігінше коррозияға төзімді етуге және химиялық белсенді бөліну өнімдері мен салқындатқыш арасындағы реакцияларды болдырмауға да қызмет етеді. Мысалы, сумен күшті реакцияға түсіп, сутегін бөліп шығаратын және ең көп таралған бөліну өнімдерінің бірі болып табылатын өте реактивті сілті металлы цезий.

Қысымдағы су реакторының отын

Қысымдағы су реакторының (ПВР) отыны цилиндрлі таяқшалардан тұрады, олар жинақталған түйіршіктерге салынады. Уран оксидінің керамикасы таблеткаларға айналдырылып, біріктірілген циркалой түтіктеріне салынады. Циркалой түтіктерінің диаметрі шамамен, ал отын қаптамасының аралығы отыннан қаптамаға жылу өткізгіштігін жақсарту үшін гелий газымен толтырылады. Бір отын жинағында шамамен 179–264 отын таяқшасы болады, ал реактордың активтік аймағына шамамен 121–193 отын жинағы жүктеледі. Әдетте, отын жинақтары 14×14 немесе 17×17 таяқшадан тұрады. ПВР отын жинақтарының ұзындығы шамамен. ПВР отын жинақтарында басқару таяқшалары тікелей жоғарыдан отын жинағына енгізіледі. Отын жинақтары әдетте 235U-мен бірнеше процентке дейін байытылады. Уран оксиді түтіктерге салынар алдында кептіріледі, себебі керамикалық отындағы ылғал коррозияға және сутегінің әсерінен сынуға алып келуі мүмкін. Циркалой түтіктері гелиймен қысымға ие, бұл ұзақ мерзімде отын таяқшаларының бұзылуына себеп болатын таблетка мен қаптама арасындағы өзара әрекеттесуді азайтуға бағытталған.

Қайнаған су реакторының отын

Қайнаған су реакторларында (BWR) отын PWR отынына ұқсас, бірақ жиынтықтар "қаптамаланған". Яғни, әрбір жиынтықтың сыртында жұқа түтік болады. Бұл негізінен жергілікті тығыздық өзгерулерінің реактор өзегінің нейтрондық және жылулық гидравликалық сипаттамаларына әсерін болдырмау үшін жасалады. Қазіргі заманғы BWR отын жиынтықтарында өндірушіге байланысты бір жиынтықта 91, 92 немесе 96 отын таяқшасы болады. АҚШ-тағы ең кішкентай реакторда 368 жиынтықтан бастап, ең үлкен реакторда 800-ге дейін жиынтық реактор өзегін құрайды. Әрбір BWR отын таяқшасы гелиймен шамамен белгілі бір қысымға дейін толтырылады.

Канада дейтерий уран отыны

Канадалық дейтерийлі уран отыны (CANDU) отын шоғырлары шамамен ұзын және диаметрі шамамен. Олар цирконий қорытпасының соңғы пластиналарына дәнекерленген цирконий қорытпасының түтікшелеріндегі синтезделген (UO2) гранулалардан тұрады. Әрбір шоғырдың салмағы шамамен , ал әдеттегі реакторлық жүктеме дизайнына байланысты 4500–6500 шоғырға жетеді. Қазіргі заманғы типтерде көбінесе шоғырдың бойлық осіне радиалды орналасқан 37 бірдей отын штыбы бар, бірақ бұрын әртүрлі конфигурациялар мен штыбтар саны қолданылған. CANFLEX шоғырында екі түрлі өлшемде 43 отын элементі бар. Оның диаметрі 10 см (4 дюйм), ұзындығы 0,5 м (20 дюйм), салмағы 20 кг (44 фунт) және ол 37 штыбты стандартты шоғырды алмастырады. Ол екі түрлі штыб диаметрін пайдалану арқылы отынның өнімділігін арттыру үшін арнайы жасалған. Қазіргі CANDU жобаларына сынаптық деңгейге жету үшін байытылған уран қажет емес (жеңіл суға қарағанда ауыр су модераторында нейтрондарды аз сіңіруіне байланысты), бірақ кейбір жаңа ұсыныстар реакторлардың өлшемдерін кішірейту үшін аз байытуды қарастырады. Аргентинадағы Атуча атом электр станциясы, CANDU-ға ұқсас, бірақ неміс KWU компаниясымен салынған, бастапқыда байытылмаған отынға арналған жобаланған, бірақ кейіннен табиғи ураннан шамамен 0,1 пайыздық үлес жоғары байытылған отынға көшкен.

Отынның аз таралған түрлері

Әртүрлі басқа ядролық отын түрлері нақты қолданыстарда қолданылады, бірақ BWR, PWR және CANDU электр станцияларында қолданылатындай кең таралған емес. Осы отын түрлерінің көптеген түрлері зерттеу реакторларында ғана кездеседі немесе әскери мақсатта қолданылады.

Магнокс отын

Магникс (магнезийлік тотықтырғыш емес) реакторлары – қысыммен жұмыс істейтін, көмірқышқыл газымен суытылған, графитпен баяулатылатын реакторлар, отын ретінде табиғи уранды (яғни байытылмаған) және отын қаптамасы ретінде Магникс қорытпасын пайдаланады. Жұмыс қысымы болаттан жасалған қысым ыдыстар үшін өзгереді, ал екі нығайтылған темір бетон конструкциясы Магникс қорытпасында жұмыс істеді. Магникс қорытпасы негізінен аз мөлшерде алюминий және басқа металдармен магнийден тұрады – ол ширылу өнімдерін ұстап тұруға арналған тотықсыздандырылған қаптамамен жабылған байытылмаған уран металл отынын қаптау үшін қолданылады. Бұл материалдың нейтрондарды сіңіру қимасының төмен болуы артықшылық болып табылады, бірақ екі маңызды кемшілігі бар:

Ол ең жоғары температураны және, демек, станцияның жылу тиімділігін шектейді. Ол сумен әрекеттеседі, бұл пайдаланылған отынды су астында, мысалы, пайдаланылған отын бассейнінде ұзақ мерзімге сақтауға мүмкіндік бермейді. Магникс отыны төмен температурада жұмыс істесе де, жылу беруді барынша арттыру үшін салқындатқыш қанаттармен жабдықталған, бұл оның өндірісін қымбатқа айналдырды. Уран металлын уран оксидінің орнына пайдалану ядролық қайта өңдеуді оңайлатып, арзандатты, бірақ реактордан алынғаннан кейін аз уақыттан кейін отынды қайта өңдеу қажеттілігі ширылу өнімдерінің қауіптілігін арттырды. Бұл мәселені шешу үшін қымбат қашықтықтан басқару жабдықтары қажет болды.

Триструктуралық-изотроптық отын

Триструктуралық изотроптық (TRISO) отын – микро бөлшекті отынның бір түрі. Бөлшек UOX отын ядросынан (кейде UC немесе UCO) тұрады, ол сұйытылған химиялық бу арқылы (FCVD) жатқан үш изотроптық материалдан тұратын төрт қабатпен қапталған. Төрт қабат – бөліну өнімдерінің кері импульсын сіңіретін кеуекті көміртекті буферлік қабат, одан кейін қорғаныш пиролиттік көміртектің (PyC) тығыз ішкі қабаты, содан кейін бөліну өнімдерін жоғары температурада ұстап тұру және TRISO бөлшегіне қосымша құрылымдық беріктік беру үшін SiC керамикалық қабаты, одан кейін PyC-ның тығыз сыртқы қабаты. TRISO бөлшектері кейін цилиндр немесе шар тәрізді графит гранулаларына енгізіледі. TRISO отын бөлшектері 1600°C дейінгі температурада процестерден (мысалы, әртүрлі жылулық кеңею немесе бөліну газдарының қысымы) туындаған кернеуге байланысты жарылмайтындай етіп жасалған, сондықтан дұрыс жобаланған реакторда ең нашар апаттық жағдайларда да отынды ұстап тұра алады. Мұндай реакторлардың екі түрі – призмалық блок газ салқындатылатын реактор (мысалы, GT MHR) және қиыршық тасты реактор (PBR). Бұл екі реактордың да жобалары жоғары температуралы газ реакторлары (ЖТГР) болып табылады. Бұл сондай-ақ өте жоғары температуралы реакторлардың (VHTR) негізгі реакторлық жобалары, бұл реакторлардың алты класының бірі – IV буын жобасы, ол HTGR шығыс температурасын одан да жоғары деңгейге көтеруге тырысады. TRISO отын бөлшектері бастапқыда Ұлыбританияда Dragon реакторы жобасы аясында жасалды. SiC-ті диффузиялық кедергі ретінде енгізуді алғаш рет Д.Т. Ливи ұсынды. TRISO отынын алғаш рет пайдаланған ядролық реактор – Dragon реакторы, ал алғашқы электр станциясы – THTR 300. Қазіргі уақытта TRISO отын компакттары кейбір тәжірибелік реакторларда қолданылуда, мысалы, Қытайдағы HTR 10 және Жапониядағы жоғары температуралы инженерлік сынақ реакторында. АҚШ-та Xe 100 реакторында UO2 және UC қатты ерітіндісі бар TRISO бөлшегін пайдаланатын шар тәрізді отын элементтері қолданылады, ал Kairos Power TRISO отынын пайдаланатын 140 МВт электр қуаты бар ядролық реакторды әзірлеуде.

QUADRISO отын

QUADRISO бөлшектерінде, реактивтілікті жақсы басқару үшін, әдеттегі TRISO бөлшектерінің отын ядросын қоршап тұратын, күйдірілетін нейтрондық у (европий оксиді немесе ербий оксиді немесе карбиді) қабаты болады. Егер ядро TRISO және QUADRISO отынымен жабдықталған болса, пайдалану басталғанда нейтрондар QUADRISO бөлшектерінің отына жетпейді, себебі оларды күйдірілетін у тоқтатады. Реактор жұмыс істеу кезінде, удың нейтрондық сәулеленуі оның "күйіп кетуіне" немесе біртіндеп у емес изотоптарға айналуына себеп болады, бұл удың әсерін азайтады және тізбекті реакцияны сақтау үшін көбірек нейтрондарды босатады. Бұл механизм, бөліну өнімдерінің және қалыпты бөлінетін отынның "күйіп кетуінен" немесе азаюынан туындайтын қажетсіз нейтрондық улардың жиналуын толықтырады. Жалпы QUADRISO отын тұжырымында, уды соңында отын ядросымен немесе сыртқы пирокарбонмен араластыруға болады. QUADRISO тұжырымы Аргонн ұлттық зертханасында жасалған.

RBMK отын

РБМК реакторы отыны советтік жобаланған және салынған РБМК типті реакторларда қолданылды. Бұл төмен байытылған уран оксиді отыны. РБМК реакторындағы отын элементтерінің әрқайсысы 3 метрлік, және екеуі әрбір отын арнасындағы, қысым түтігінде бір-біріне қарама-қарсы орналасады. Ресейдегі ВВЭР реакторының пайдаланылған отынынан қайта өңделген уран РБМК отынын жасауға пайдаланылады. Чернобыль апатынан кейін, басқару таяқшаларының модификациялануын және қосымша жұтқыштардың енгізілуін өтеу мақсатында отынның байытуы 2,0%-дан 2,4%-қа дейін өзгертілді.

CerMet отын

CerMet отыны металл матрицасына енгізілген керамикалық отын бөлшектерінен (көбінесе уран оксиді) құралады. Бұл типтегі отын АҚШ Әскери-теңіз күштері реакторларында қолданылатындығы туралы гипотеза бар. Бұл отынның жылуды тасымалдау қасиеттері жоғары және ол үлкен көлемде кеңеюге төтеп бере алады.

Плита түріндегі отын

Жылдар өте келе пластиналы отынның қолданылуы азайды. Пластина түріндегі отын әдетте металл қаптамалардың арасына орналасқан байытылған ураннан тұрады. Пластина типті отын жоғары нейтрон ағыны қажет болатын бірнеше зерттеу реакторларында қолданылады, мысалы, материалды сәулелендіру зерттеулері немесе изотоп өндірісі сияқты мақсаттар үшін, керамикалық цилиндрлі отындағы сияқты жоғары температураларсыз. Қазіргі уақытта ол Айдахо Ұлттық зертханасындағы Advanced Test Reactor (ATR) және Массачусетс университеті Лоуэлл радиациялық зертханасындағы ядролық зерттеу реакторында қолданылуда.

Натриймен байланысқан отын

Натриймен байланысқан отын – отын шағылысы (немесе түйіршігі) мен қаптама арасындағы кеңістікте сұйық натрий бар отыннан тұрады. Бұл отын түрі көбінесе натриймен салқындатылатын сұйық металл жылдам реакторларында қолданылады. Ол EBR I, EBR II және FFTF реакторларында пайдаланылған. Отын шағылысы металл немесе керамикалық болуы мүмкін. Натрий байланысы отынның температурасын төмендету үшін қолданылады.

Аварияға төзімді отын

Аварияға төзімді отын (ATF) – авария жағдайында отынның қасиеттерін жақсарту мақсатында зерттеліп жатқан жаңа ядролық отын ұғымдарының жиынтығы, мысалы, салқындатқыштың жоғалуынан туындаған авария (LOCA) немесе реакциялық басталудан туындаған авариялар (RIA). Бұл мәселе Жапониядағы Фукусима Дайичи ядролық апатынан кейін, әсіресе авариялық жағдайда жеңіл су реакторларының (ЖЖР) отындық элементтерінің қасиеттерін жақсарту қатысты, айқын көріне бастады. Әртүрлі типтегі ATF материалдары үшін жаңа отын қаптама материалдарын қолдануға қатысты нейтрондық талдаулар жүргізілді. Бұл зерттеу отын гранулдары мен қаптаманың конструкциясын, сондай-ақ олардың арасындағы өзара әрекеттесуді қайта қарастыруға бағытталған.

Пайдаланылған ядролық отын

Пайдаланылған ядролық отын – ядролық бөліну өнімдерінің, уранның, плутонийдің және трансплутоний металдарының күрделі қоспасы. Энергиялық реакторларда жоғары температурада пайдаланылған отын әдетте біртекті болмайды; көбінесе отында палладий сияқты платина тобы металдарының нанобөлшектері болады. Сондай-ақ, отын жарылып, ісініп, балқу температурасына жуық қызған болуы мүмкін. Пайдаланылған отын жарылған болса да, ол суда өте нашар ериді және актинидтер мен бөліну өнімдерінің көп бөлігін уран диоксидінің кристалдық торында сақтап қалады. Пайдаланылған ядролық отыннан туындайтын радиациялық қауіп оның радиоактивті компоненттері ыдырайтын сайын төмендейді, бірақ көп жылдар бойы қауіпті деңгейде қалады. Мысалы, реактордан алынғаннан кейін 10 жыл өткен соң, әдеттегі пайдаланылған отын жинағының беткі дозасы сағатына 10 000 ремнен асып, бірнеше минут ішінде өлімге әкелетін дозаға жеткізеді.

Апаттық жағдайда окис отыны

Бөліну өнімдерін шығарудың екі негізгі тәсілі бар: бөліну өнімдері булануы немесе отынның ұсақ бөлшектері таралуы мүмкін.

Радиоизотоп батареясы

Атомдық батарея (сонымен қатар ядролық батарея немесе радиоизотоптық батарея деп те аталады) – электр энергиясын өндіру үшін радиоактивті ыдырауды пайдаланатын құрылғы. Бұл жүйелер төмен энергиялы бета бөлшектерін немесе кейде әртүрлі энергиялы альфа бөлшектерін шығаратын радиоизотоптарды қолданады. Жоғары энергиялы тежегіш сәулеленудің пайда болуын болдырмау үшін төмен энергиялы бета бөлшектері қажет, себебі осы сәулеленуге қарсы қорғаныс қажет болады. Плутоний-238, курий-242, курий-244 және стронций-90 сияқты радиоизотоптар қолданылған. Тритий, никель-63, прометий-147 және техноций-99 сынақтан өтті. Атомдық батареялардың екі негізгі түрі бар: жылулық және жылулық емес. Әртүрлі конструкциялармен жасалған жылулық емес атомдық батареялар зарядталған альфа және бета бөлшектерін пайдаланады. Осы конструкцияларға тікелей зарядтау генераторлары, бетавольтаика, оптоэлектрлік ядролық батарея және радиоизотоптық пьезоэлектрлік генератор жатады. Ал жылулық атомдық батареялар радиоактивті ыдыраудан пайда болатын жылуды электр энергиясына айналдырады. Осы конструкцияларға термоиондық түрлендіргіш, термофотоэлектрлік элементтер, сілті металлдан электрге жылу түрлендіргіші және ең көп таралған конструкция – радиоизотоптық термоэлектр генераторы кіреді.

Радиоизотоптық термоэлектр генераторы

Радиоизотоптық термоэлектрлік генератор (РТГ) – терможұптардың массивін пайдалана отырып, радиоизотоптан жылуды электр энергиясына түрлендіретін қарапайым электр генераторы. Плутоний-238 плутоний диоксиді түрінде РТГ үшін ең көп қолданылатын отынға айналды. Оның жартылай ыдырау периоды 87,7 жыл, энергия тығыздығы жоғары және гамма-сәулелену мен нейтрондық сәулеленудің өте төмен деңгейлері бар. Кейбір ресейлік құрлықтағы РТГ-лер стронций-90 қолданды; бұл изотоптың жартылай ыдырау периоды қысқарақ және энергия тығыздығы әлдеқайда төмен, бірақ бағасы арзан. 1958 жылы АҚШ Атом энергиясы комиссиясы алғаш құрастырған алғашқы РТГ-лерде полоний-210 пайдаланылған. Бұл отын феноменалды түрде жоғары энергия тығыздығын қамтамасыз етеді (бір грамм полоний-210 140 ватт жылу шығарады), бірақ өте қысқа жартылай ыдырау периоды мен гамма-сәулеленудің болуына байланысты қолданылуы шектеулі және бұл мақсатта қолданудан тоқтатылды.

Радиоизотопты жылытқыш (RHU)

Радиоизотопты қыздыру құрылғысы (РҚҚ) әдетте, бірнеше грамм плутоний-238 ыдырауынан алынған, әрқайсысы шамамен 1 ватт жылу береді. Бұл жылу бірнеше ондаған жылдар бойы үзіліссіз бөлінеді. Олардың міндеті – жоғары дәлмелі жергілікті жылумен сезімтал жабдықтарды (мысалы, ғарыштағы электрониканы) қамтамасыз ету болып табылады. Сатурнға ұшқан Кассини-Хюйгенс орбиталық аппаратында 82 мұндай құрылғы бар (электр энергиясын өндіруге арналған 3 негізгі РТГ-дан басқа). Титанға жіберілген Гюйгенс зымырданында 35 құрылғы орнатылған.

Фьюзиондық отын

Фьюзиялық отын – гипотетикалық фьюзиялық реакторларда қолданылатын отын. Оған дейтерий (2H) және тритий (3H), сондай-ақ гелий-3 (3He) жатады. Көптеген басқа элементтерді де біріктіруге болады, бірақ олардың ядроларының жоғары электр заряды салдарынан, одан да жоғары температура талап етіледі. Болашақ энергия көзі ретінде ең жеңіл элементтердің фьюзиясы ғана қарастырылады. Күн мен басқа жұлдыздарда жүзеге асырылатын ең жеңіл атом – 1H сутегінің фьюзиясы Жерде практикалық бола алмайды. Фьюзиялық отынның энергия тығыздығы бөліну отынынан жоғары болғанымен және бірнеше минутқа созылған фьюзия реакцияларына қол жеткізілгенімен, оны таза энергия көзі ретінде пайдалану әзірге тек теориялық мүмкіндік болып қана тұр.

Бірінші буын синтез отын

Дейтерий және тритий екеуі де бірінші буындық синтез отындары болып саналады; оларды қосу ең оңай, себебі олардың ядроларындағы электр заряды барлық элементтердің арасында ең төменгісі. Энергия алу үшін қолданылуы мүмкін ең көп айтылатын үш ядролық реакция:

2H + 3H → n (14.07 МэВ) + 4He (3.52 МэВ)

2H + 2H → n (2.45 МэВ) + 3He (0.82 МэВ)

2H + 2H → p (3.02 МэВ) + 3H (1.01 МэВ)

Екінші буын синтетикалық отын

Екінші буын отындарына бірінші буын отындарына қарағанда жоғарырақ ұстау температурасы немесе ұзақ ұстау уақыты қажет, бірақ олар аз мөлшерде нейтрон шығарады. Нейтрондар энергия өндіру контекстінде термоядролық реакциялардың қажетсіз қосалқы өнімдері болып табылады, себебі олар термоядролық камера қабырғаларына сіңіріліп, оларды радиоактивті етеді. Оларды магниттік өрістермен ұстап тұру мүмкін емес, өйткені олар электр зарядына ие емес. Бұл топқа дейтерий және гелий-3 жатады. Реакция өнімдерінің барлығы зарядталған бөлшектер, бірақ нейтрондардың пайда болуына әкелетін маңызды қосалқы реакциялар болуы мүмкін. 2H + 3He → p (14,68 МэВ) + 4He (3,67 МэВ)