Müxtəlif hesablamalara görə, nüvə enerjisinin payı dünyada istehsal olunan bütün enerji resurslarının ən azı 10-16%-ni təşkil edir. Bəzi ölkələrdə, məsələn, Fransada nüvə enerjisi yüksək yer tutur – 71,6%. Çində nüvə enerjisinin payı 4%-dən çox deyil. Nüvə enerjisindən istifadə müzakirə mövzusudur, çünki bir sıra real və mümkün problemlər bununla bağlıdır:

• radioaktiv tullantıların atılması zərurəti;
• ekoloji fəlakətlərə səbəb olan qəzalar (Çernobıl və Fukusimadakı atom elektrik stansiyaları);
• nüvə elektrik stansiyaları terror hücumlarına məruz qala bilər və potensial kütləvi qırğın silahıdır;
• nüvə silahı istehsalında nüvə stansiyasının yanacağının mümkün istifadəsi.

Amma bu bir həqiqətdir ki, bütün təhlükələrə baxmayaraq, nüvə enerjisi indiki məqamda tamamilə başqa mənbələrlə əvəz edilə bilməz və yaxın gələcəkdə bəşəriyyət tərəfindən istifadə olunacaq. Buna görə də, hazırkı mərhələdə atom elektrik stansiyalarının istismarı ilə bağlı hipotetik və real risklərin azaldılması vəzifəsi aktual olaraq qalır.

Nüvə enerjisi istehsalının tipik sxemi

Nüvə yanacağının istehsalı uran hasilatı ilə başlayır. İkinci mərhələdə uran zənginləşdirilir, bununla da uran-238-in daha ağır atomları uran-235-in yüngül atomlarından ayrılır. Bu lazımdır, çünki yalnız uran-235 nüvələri istilik-neytron parçalanmasına meyllidir. Güclü reaktorun normal işləməsi üçün uran-235 izotopunun payının ən azı 5% olması tələb olunur (zənginləşdirmədən əvvəl uran-235-in payı təxminən 0,7%). Zənginləşdirilmiş uran qazı bərk hala gətirir, plastifikatorla qarışdırılır və qranullar əmələ gətirmək üçün sıxılır. Bu qranullar əlavə olaraq yüksək temperaturda sinterlənir. Qranulların çəkisi cəmi bir neçə qramdır, lakin onların yüksək enerji potensialı 400 kq kömür, 250 kq neft və ya 360 m3 qaza bərabərdir.

Qranullar sirkonium ərintisindən hazırlanmış möhürlənmiş borular təşkil edən istilik istehsal edən elementlərə (yanacaq çubuqlarına) yerləşdirilir. Yanacaq çubuqları fərdi kasetlərə yığılır. Bir kasetdə bir neçə yüz yanacaq elementi, nüvə reaktorunun nüvəsində isə bir neçə yüz kaset ola bilər.

Kasetlər reaktora qoyulduqdan sonra idarə olunan nüvə reaksiyası başlayır və bu zaman uran nüvələri böyük miqdarda istiliklə parçalanır. Nüvə reaksiyasını saxlamaq üçün enerji spektrinin istilik hissəsindən neytronlardan istifadə olunur; buna görə də bu reaksiyanın baş verdiyi nüvə reaktorlarına istilik-neytron reaktorları deyilir.

Alınan istilik bir neçə döngə vasitəsi ilə yanacaq çubuqlarının üzlənməsi vasitəsilə suya ötürülür. Təzyiq altında qızdırılan su buxar turbininin dönməsinə səbəb olan buxara çevrilir. Əvvəlcə buxar enerjisi mexaniki işə, sonra isə mexaniki iş güc generatoru vasitəsilə elektrik enerjisinə çevrilir.

Termal-neytron reaktorlarının işləməsi nəticəsində işlənmiş nüvə yanacağı – qismən yanmış yanacaq tərkibi olan bir kaset meydana gəlir. Bu tərkibdə uran-235-in qalan miqdarı çox azdır, uran-238-in payı isə ən azı 90% təşkil edir. Yanacaq reaktordan çıxarılır və işlənmiş yanacaq anbarlarına göndərilir, burada bir neçə il saxlanılır, sonra utilizasiya üçün atom elektrik stansiyasından çıxarılır və ya tullantıların basdırılması üçün xüsusi şərait tələb olunur. Beləliklə, nüvə enerjisi istehsalının tipik sxemi problemli və ekoloji cəhətdən təhlükəli tullantıların əmələ gəlməsinə səbəb olur. Buna görə də, elm adamları istifadə olunmuş nüvə yanacağının nüvə reaktorlarının yeni yanacağına çevrildiyi qapalı dövrün təşkili ilə bağlı özlərinə sual verməyə başladılar. İşlənmiş yanacağın tərkibində üstünlük təşkil edən uran-238-in idarə olunan nüvə parçalanma reaksiyasını tələb edir. Məlum oldu ki, bu vəzifəni sürətli neytron reaktorları vasitəsilə həll etmək olar.

Sürətli neytron reaktoru

Neytronların hərəkət sürəti əvvəlcə uranın nüvə parçalanmasında çox yüksəkdir. Belə neytronlara “sürətli” deyilir. Lakin istilik daşıyıcısı kimi istifadə olunan sudan keçərkən neytron xeyli yavaşlayır və “yavaş” (termal) olur. Termal neytron yalnız uran-235-in nüvə parçalanmasına səbəb olur, uran-238 nüvələri isə parçalanmamış qalır. Sürətli neytronlar yavaş olsaydı, uran-238 nüvələri ayrılan bəzi enerji ilə parçalanar və reaksiya mühərriki yanacağı kimi də istifadə oluna bilən plutonium-239 əmələ gələrdi. Bunu etmək üçün suyu neytronları udmayan və ya yavaşlatmayan bir mühitlə əvəz etmək lazımdır. Hal-hazırda, bu məqsədlə ən çox natrium istifadə olunur, bu da sürətli neytron reaktorunu həyata keçirməyə imkan verir.

Bu cür avadanlıqlarda sürətli neytronlar uran-238 ilə qarşılıqlı əlaqədə olur və bundan sonra plutonium-239 əmələ gəlir. Plutonium-239 sonradan termal (yavaş) neytron reaktorları üçün yanacaq istehsal etmək üçün istifadə edilə bilər. Sürətli neytron reaktorları nüvə enerjisi istehsalı dövrünü bağlamağa imkan verir: işlənmiş yanacaq emal olunur və yenidən istilik reaktorlarına göndərilir. Tərkibində uran-238 olan nüvə reaksiya mühərriki yanacağının əvvəllər basdırılmış çoxlu tullantıları var və ilkin hesablamalara görə, bu tullantılar bir neçə yüz il üçün kifayət edəcək.

Sürətli neytron reaktorları üçün yanacağın istehsalı və istifadəsinin xüsusi aspektlərini müzakirə edək.

Sürətli neytron reaktorları üçün yanacaq

 Sürətli neytron reaktorları üçün qarışıq uran və plutonium yanacağının istehsalı texnologiyası üç mərhələdən ibarətdir:

• qəlib tozunun hazırlanması;
• qranulların sıxılma qəliblənməsi;
• qranulların sinterlənməsi.

Qranullar bir neçə komponent, məsələn, uran və plutonium dioksidləri əsasında hazırlanırsa, tozlar toz halına salınmalı və qarışdırılmalıdır. Bu mərhələdə reaktorda nüvə yanacağının işləmə qabiliyyəti böyük dərəcədə təmin edilir ki, bu da qarışığın homojenliyindən, taxıl sıxlığından, dənənin ölçüsündən, mikrostrukturundan və s.

Reaktor uranı və plutonium yanacağının istehsalı üçün mövcud texnoloji xətlərdə ilkin tozlar əvvəlcə qarışdırıla, sonra toz halına salına və ya eyni zamanda qarışdırıla və toz halına salına bilər. Bunun üçün top və ya çəkicli dəyirmanlar istifadə olunur. Lakin belə dəyirmanlar ilkin tozların toz halına salınması və qarışdırılmasının aşağı səmərəliliyini nümayiş etdirir; buna görə də, qranullar sinterləndikdən sonra iki fazanın aydın şəkildə ayrılması müşahidə oluna bilər ki, bu da tələb olunan homojenliyin olmamasını göstərir. Bundan əlavə, prosesin özü çox vaxt aparır və bir neçə saatdan onlarla saata qədər davam edir. İstifadəsi ferromaqnit hissəciklərin burulğan qatı cihazı alternativ hesab edilir.

Qarışıq uran və plutonium yanacağının istehsalında ferromaqnit hissəcikləri burulğan qatı cihazı

Ferromaqnit hissəciklərinin burulğan qatı cihazları top və çəkic dəyirmanları ilə müqayisədə maddələrə əsaslı şəkildə fərqli təsir metodundan istifadə edir. Belə bir cihazın işləmə prinsipi Şəkil 1-dən istifadə etməklə müşahidə edilə bilər.

Şəkil 1 – Ferromaqnit hissəciklərinin burulğan təbəqəsi (AVS) olan cihaz: 1 – qoruyucu kol; 2 – fırlanan elektromaqnit sahəsinin induktoru; 3 – induktor korpusu; 4 – qeyri-maqnit materialdan hazırlanmış əməliyyat kamerası; 5 – ferromaqnit hissəciklər

Ferromaqnit hissəcikləri ilə birlikdə titan və plutonium dioksidlərinin ilkin tozları5 əməliyyat kamerasına yerləşdirilən titan konteynerə qoyulur4 istehsalı olan AVSP-100 cihazının GlobeCore. Cihaz işə salındıqdan sonra konteyner eksenel tərs hərəkət edir. İnduktor2 ferromaqnit hissəciklərinin mürəkkəb traektoriyalar üzrə hərəkət etməyə başlamasına və emal edilmiş tozların hissəcikləri ilə, əməliyyat kamerasının divarları ilə və bir-biri ilə daim toqquşmasına səbəb olan fırlanan elektromaqnit sahəsi yaradır və burulğan təbəqəsi yaradır. Eyni zamanda, əməliyyat kamerasında emal edilmiş tozlara bir neçə amil təsir göstərir:

• fırlanan elektromaqnit sahəsi;
• ferromaqnit hissəciklərinin birbaşa təsirləri;
• ferromaqnit hissəciklərinin toqquşması nəticəsində yaranan akustik və ultrasəs vibrasiyaları;
• ferromaqnit hissəciklərinin maqnitostriksiyası və s.

Yuxarıda göstərilən amillərin hərtərəfli təsiri ilkin tozların sürətli dispersiyasını və homogenləşməsini təmin edir ki, bu da qranulların istehsalı üçün yüksək keyfiyyətli qəlibləmə tozunun alınması deməkdir.

Təmir işçiləri üçün təhlükə yaradan, ilkin komponentlərin və ferromaqnit hissəciklərin daxil edilməsi, həmçinin komponentlərin soyudulması və çıxarılması avtomatik olaraq həyata keçirilir.

Vorteks qat qurğularının üstünlükləri

tərəfindən istehsal edilən vorteks qat cihazları GlobeCore reaksiya mühərriki yanacaq istehsalının texnoloji proseslərində istifadə edildikdə aşağıdakı üstünlüklərə malikdir:

• onlar lazımi qaydada toz halına salınmış komponentləri toz halına gətirir və qarışdırırlar ki, onların qranul boyunca bərabər paylanması təmin edilir;
• onlar komponentləri toz halına gətirir və qarışdırırlar, həmçinin onları aktivləşdirirlər; gözlənilən nəticə yanacağın yanmasının artmasıdır;
• burulğan qatı aparatında emal edilmiş tozlar əsasında alınan qranullar reaksiya mühərrikinin yanacağının bərpası üçün vacib olan azot turşusunda tamamilə həll olunur;
• top və çəkicli dəyirmanlardan fərqli olaraq, komponentlər saatlar və ya onlarla saat deyil, bir neçə dəqiqə ərzində işlənir;
• qurğular kompakt ölçülərə malikdir və reaksiya mühərrikinin yanacaq istehsalının mövcud texnoloji xətlərinə inteqrasiya etmək asandır;
• cihaz incə dispers tozlar və bircins qarışıqlar əldə edərkən sürətli və yavaş neytron reaktorları üçün nüvə yanacağı istehsalının müxtəlif sxemlərində istifadə edilə bilər.