Materiale Combustibile

Materiale combustibile

Materialele combustibile reprezintă principala grupă de materiale nucleare. Ele cuprind atat materialele fisionabile, constituite din izotopii uraniului U-233 şi U-235 şi ai plutoniului Pu-239 şi Pu-241 cat şi mate¬rialele fertile formate din toriu Th-232 şi izotopul uraniului U-238.

In materialul combustibil are loc reacţia de fisiune generatoare de energie şi de radiaţii nucleare.

Pentru a se putea realiza reacţia de fisiune în lanţ este nevoie de o densitate mare de nuclee fisionabile care se poate obţine numai în cazul unor materiale combustibile în stare solidă sau lichidă. Nu s-au realizat reactoare nucleare cu combustibil în stare gazoasă.

Materialul combustibil poate fi introdus în reactorul nuclear sub formă de metal, de compuşi chimici ceramici — oxizi, carburi, nitruri, fosfuri etc. — sub formă de substanţe dizolvate sau topite.

Combustibilul metalic este cel mai corespunzător din punctul de ve¬dere al proprietăţilor nucleare şi termice şi de aceea, a fost folosit în pri¬mele tipuri de reactoare nucleare. Insă atat uraniul cat şi plutoniul metalic nu se comportă în mod satisfăcător la iradiere pe durate mari în condiţiile din reactoarele energetice.

Combustibilii ceramici — oxizi, carburi, nitruri etc. de U, Th şi Pu - sunt, din punctul de vedere al proprietăţilor nucleare şi termice, inferiori combustibililor metalici, dar prezintă avantajul unei mari stabilităţi la iradiere şi la temperaturi înalte.

Materialele combustibile metalice şi ceramice se prepară prin prelucrarea minereurilor de uraniu şi de toriu cat şi prin prelucrarea elementelor combustibile arse în reactoarele nucleare. Schemele tehnologice de pre¬parare a acestor materiale includ şi prepararea unor compuşi intermediari, ca, de exemplu, halogenurile care nu se utilizează ca atare în energetica nucleară.

Majoritatea materialelor de constructie cu o slaba absorbtie de neutroni – C, Mg. Be, Zr, Al etc. —, nu au o suficientă stabilitate chimică şi fizică in condiţiile de temperatură, de presiune şi de iradiere din reactor. Pe de altă parte, materialele uzuale de construcţie, de exemplu materia¬lele feroase, absorb o mare cantitate de neutroni, ceea ce limitează utilizarea lor in zona activa. De asemenea, şi apa, care este cel mai bun şi ieftin moderator şi agent de răcire, este un puternic absorbant de neutroni.

Pentru a se face posibilă utilizarea, la construcţia zonei active, a ma¬terialelor de construcţie adecvate condiţiilor de lucru dar care sant con¬sumatoare de neutroni, se recurge la îmbogăţirea izotopică a uraniului, urmărindu-se creşterea concentraţiei în izotopul U-235 (furnizor de neu¬troni) şi scăderea concomitentă a concentraţiei izotopului U-238 (consu¬mator de neutroni). Aşa. de exemplu, creşterea concentraţiei de U-235 de la 0.715% pană la 2—3% face posibilă utilizarea apei obişnuite ca mode¬rator şi agent de răcire şi a oţelurilor, ca materiale de structură.

Concentraţia optimă de U-235 depinde de domeniul de utilizare a uraniului :

— pentru reactoarele energetice cu neutroni termici se foloseşte combustibil cu 2—5% U-235, considerat slab îmbogăţit;

— pentru reactoarele suprageneratoare cu neutroni rapizi se folo¬seşte combustibil cu 15—20% U-235 ;

— pentru reactoarele de cercetare se foloseşte combustibil cu 20—93,15% U-235 ;

— pentru reactoarele de pe submarine se foloseşte combustibil cu 90% U-235.

Procedeele de îmbogăţire (concentrare) izotopică se bazează pe dife¬renţa dintre proprietăţile compuşilor chimici ai izotopilor respectivi, dife¬renţa rezultand din masele diferite ale acestora. In general, se folosesc procedee bazate pe : distilarea fracţionată. centrifugare, termodifuzie, difuzia gazelor prin pereţi poroşi, separarea electromagnetică, separarea prin schimb chimic, separarea prin schimbători de ioni etc. Compuşii conţinand izotopii de separat trebuie să fie gazoşi, lichizi sau dizolvaţi în soluţie.

Dintre compuşii chimici ai uraniului, cel mai adecvat pentru opera¬ţia de concentrare izotopică este hexafluorura de uraniu. Aceasta prezintă două mari avantaje :

— fiind uşor volatilă, permite realizarea operaţiei de îmbogăţire în fază gazoasă, la temperaturi relativ joase, în jur de 70 80°C ;

— fluorul, avand un singur izotop natural — F-19, diferenţa dintre masele moleculare ale 235UFr) şi 2:WUF6 se datorează numai izotopilor de uraniu, ceea ce simplifică procesul de separare.

Un dezavantaj al hexafluorurii îl constituie toxicitatea şi corosivitatea ridicată, fiind necesară adoptarea unor măsuri speciale de protecţie a personalului şi a instalaţiilor.

Pentru îmbogăţirea (concentrarea) izotopică a uraniului se pot aplica, în principiu, oricare dintre procedeele de concentrare (separare) izotopică arătate. In practică s-au impus însă numai procedeele bazate pe difuzia gazelor prin bariere poroase şi pe centrifugarea gazelor.

a. Concentrarea izotopica a uraniului prin procedeul difuziei gazoase prin bariere poroase

Conform teoriei cinetice a gazelor, într-un amestec izoterm toate speciile de molecule au aceeaşi energie cinetică medie. Rezultă că viteza moleculară medie este invers proporţională cu radicalul masei. Ca ur¬mare, moleculele de 235UF6 se deplasează cu viteze mai mari decat cele de 238UF6, lovind mai des peretele incintei în care se află. Aceasta face ca raportul dintre frecvenţa de ciocnire cu peretele a moleculelor uşoare şi cea a moleculelor grele să fie, mai mare decat raportul concentraţiilor acestor molecule în faza gazoasă.