Образование энергии в форме атф осуществляется в: Биохимия клетки (энергетика) — Департамент физической культуры и спорта

Биохимия клетки (энергетика) — Департамент физической культуры и спорта

В. Н. Селуянов, В. А. Рыбаков, М. П. Шестаков

Глава 1. Модели систем организма

1.1.3. Биохимия клетки (энергетика)

Процессы мышечного сокращения, передачи нервного импульса, синтеза белка и др. идут с затратами энергии. В клетках энергия используется только в виде АТФ. Освобождение энергии, заключенной в АТФ, осуществляется благодаря ферменту АТФ азе, который имеется во всех местах клетки, где требуется энергия. По мере освобождения энергии образуются молекулы АДФ, Ф, Н. Ресинтез АТФ осуществляется в основном за счет запаса КрФ. Когда КрФ отдает свою энергию для ресинтеза АТФ, то образуется Кр и Ф. Эти молекулы распространяются по цитоплазме и активизируют ферментативную активность, связанную с синтезом АТФ. Существуют два основных пути образования АТФ: анаэробный и аэробный (Аулик И. В., 1990; Хочачка П., Сомеро Дж., 1988 и др.).

Анаэробный путь или анаэробный гликолиз связан с ферментативными системами, расположенными на мембране сарко-плазматического ретикулума и в саркоплазме. При появлении рядом с этими ферментами Кр и Ф запускается цепь химических реакций, в ходе которых гликоген или глюкоза распадаются до пирувата с образованием молекул АТФ. Молекулы АТФ тут же отдают свою энергию для ресинтеза КрФ, а АДФ и Ф вновь используются в гликолизе для образования новой молекулы АТФ. Пируват имеет две возможности для преобразования:

1) Превратиться в Ацетил коэнзим А, подвергнуться в митохондриях окислительному фосфорилированию до образования углекислого газа, воды и молекул АТФ. Этот метаболический путь — гликоген-пируват-митохондрия-углекислый газ и вода — называют аэробным гликолизом.

2) С помощью фермента ЛДГ М (лактат-дегидрогеназы мышечного типа) пируват превращается в лактат. Этот метаболический путь — гликоген-пируват-лактат — называется анаэробным гликолизом и сопровождается образованием и накоплением ионов водорода.

Аэробный путь, или окислительное фосфорилирование, связан с митохондриальной системой. При появлении рядом с митохондриями Кр и Ф с помощью митохондриальной КФК азы выполняется ресинтез КрФ за счет АТФ, образовавшейся в митохондрии. АДФ и Ф поступают обратно в митохондрию для образования новой молекулы АТФ. Для синтеза АТФ имеется два метаболических пути:

1) аэробный гликолиз;
2) окисление липидов (жиров).

Аэробные процессы связаны с поглощением ионов водорода, а в медленных мышечных волокнах (МВ сердца и диафрагмы) преобладает фермент ЛДГ Н (лактат дегидрогеназа сердечного типа), который более интенсивно превращает лактат в пируват. Поэтому при функционировании медленных мышечных волокон (ММВ) идет быстрое устранение лактата и ионов водорода.

Увеличение в МВ лактата и Н приводит к ингибированию окисления жиров, а интенсивное окисление жиров приводит к накоплению в клетке цитрата, а он угнетает ферменты гликолиза.

Урок 24. энергетика живой клетки — Естествознание — 10 класс

Энергетика живой клетки

Необходимо запомнить

ВАЖНО!

Обязательным условием существования биологических систем являются потоки энергии. В этом заключаются ключевые различия между живой и неживой природой. Ключевую роль в трансформации энергии обеспечивает клетка, как элементарная структура живого.

Из всего многообразия существующих форм энергии живые существа на нашей планете используют только две – световую и энергию химических связей. В зависимости от типа питания организмы разделают на автотрофов (от греч. «авто» — сам, «трофос» — питание) и гетеротрофов (от греч. «гетерос» — другой, «трофос» — питание) .

Главным переносчиком энергии в клетке являются молекулы АТФ (аденозинтрифосфат) Энергия в АТФ запасается в виде высокоэнергетических химических связях между остатками фосфорной кислоты, которая освобождается при отщеплении фосфата:

АТФ → АДФ + Ф + E

Выделяемая энергия используется клетками для процессов выработки тепла, мышечных сокращений (мышечная клетка), для проведения нервного импульса (нервные клетки) и т.п.

Обратный процесс образования АТФ с затратой энергии, получил название энергетический обмен.

Синтез макромолекул важнейших органических соединений, необходимых для построения структур клетки, обеспечения всех процессов жизнедеятельности клеток – пластический обмен — обеспечивается также энергией АТФ.

Независимо от типа питания, универсальным аккумулятором энергии живых организмов выступают молекулы АТФ. Такая схожесть иллюстрирует единство происхождения всего живого.

Фотосинтез

Процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием солнечной энергии получил название фотосинтез. Различают в фотосинтезе две фазы: световую и темовую.

В так называемой, световой фазе, кванты света выбивают электроны из молекулы хлорофилла ион начинает передаваться по специальным белковым переносчикам, расположенных на мембране хлоропластов. Под действием света одновременно происходит разложение воды (фотолиз). Энергия возбуждённого электрона используется на синтез АТФ и молекулу НАДФ (переносчик водорода) – в этом биологический смысл световой фазы фотосинтеза.

Побочными продуктами фотолиза воды становятся кислород и свободные электроны:

2Н₂О→ Н⁺ + 4е^— + О₂

Сущность реакции темновой фазы можно выразить следующим уравнением:

СО₂ + НАДФ∙Н + АТФ = С₆Н₁₂О₆ +АДФ + НАДФ⁺

Фотосинтез, таким образом, является процессом превращения одной (световой) формы энергии в другую(химическую). Вся энергия биосферы запускается благодаря этому процессу. Другими словами, фотосинтез является отражением космических потоков энергии. Помимо этого, фотосинтезирующие организмы не только обеспечивают первичный синтез органических соединений, но и создают условия необходимые для существования других живых организмов.

Метаболизм

Поступившие вместе с пищей (или в результате фотосинтеза) органические вещества расщепляются на более простые (катаболизм или диссимиляция), которые служат для построения макромолекул органических соединений (анаболизм или ассимиляция). Эти процессы происходят в организме одновременно. Совокупность этих процессов получила название – метаболизм. В результате его организм осуществляет обмен веществом и энергией с окружающей средой.

Наибольшее значение для энергетического обмена являются многостадийные реакции окисления глюкозы.

На стадии гликолиза (бескислородного расщепления) в цитоплазме клетки происходит ферментативное расщепление молекулы глюкозы с образованием более простой пировиноградной кислоты и молекул АТФ:

С₆Н₁₂О₆ + 2 АДФ + 2 Ф → С₃Н₄О₃ + 4Н⁺ + 2АТФ

Молекулы пировиноградной кислоты обладают значительной энергией, высвобождение которой происходит в митохондриях. В ходе так называемого клеточного дыхания, образуется 30 молекул АТФ.

Суммарную реакцию окисления глюкозы можно представить следующим образом:

С₆Н₁₂О₆+6О₂+6Н₂О+32АДФ+32Ф→6СО₂+12Н₂О +32АТФ

Некоторые микроорганизмы при недостатке кислорода расщепляют глюкозу в процессе анаэробного дыхания или брожения. В зависимости от конечных продуктов такого расцепления различают спиртовое брожение (с образование этанола), молочнокислое (молочная кислота). Последнее происходит и в мышцах, при недостатке кислорода, например во время длительной тренировки. Энергетический выход такого типа расщепления менее энергоэффективен.

Основным источником энергии для организмов является окисление глюкозы в митохондриях. При этом также может происходить окисление других органических соединений (белков, жиров), потребляемых, например, вместе с пищей. Расщепление жиров происходит с более значительным выделением энергии (чем углеводов), но этот процесс более длительный. Потреблённые белки в первую очередь идут на построение собственных белков клетки, и вовлекаются в энергетический обмен в крайних случаях. Поэтому питание должно быть сбалансированным.

Взаимосвязь энергетического и пластического обмена

Процессы аккумулирования энергии в молекулах АТФ (энергетический обмен) и использование запасённой энергии для синтеза необходимых веществ (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) неразрывно связаны. Так синтез АТФ не возможен без разложения органических веществ, а синтез веществ клетки не возможен без энергии АТФ.

Оба процесса протекают одновременно и неотделимы друг от друга, обеспечивая жизнедеятельность организма. Таким образом, в клетках происходит трансформация вещества и энергии, которые лежат в основе существования жизни и непрерывного самообновления. Сходство процессов энергетического обмена в клетках всех живых организмов является доказательством единства их происхождения.

Вывод

Добытая энергия извне запасается в универсальных биологических аккумуляторах АТФ в виде химических связей.

В клетках происходят одновременно процессы энергетического и пластического обмена, это лежит в основе сохранения жизни. Взаимообмен энергией и веществом между живой и неживой природой является иллюстрацией принципа единства и взаимосвязи материального мира.

Сравнение энергетического и пластического обменов

Синтез АТФ в клетке

Аденозинтрифосфорная кислота-АТФ — обязательный энергетический компонент любой живой клетки. АТФ также нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трех остатков молекулы фосфорной кислоты. Это неустойчивая структура. В обменных процессах от нее последовательно отщепляются остатки фосфорной кислоты путем разрыва богатой энергией, но непрочной связи между вторым и третьим остатками фосфорной кислоты. Отрыв одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением около 40 кДж энергии. В этом случае АТФ переходит в аденозиндифосфорную кислоту (АДФ), а при дальнейшем отщеплении остатка фосфорной кислоты от АДФ образуется аденозинмонофосфорная кислота (АМФ).

Схема строения АТФ и превращения ее в АДФ (Т.А. Козлова, В.С. Кучменко. Биология в таблицах. М.,2000)

АДФ

Следовательно, АТФ — своеобразный аккумулятор энергии в клетке, который «разряжается» при ее расщеплении. Распад АТФ происходит в процессе реакций синтеза белков, жиров, углеводов и любых других жизненных функций клеток. Эти реакции идут с поглощением энергии, которая извлекается в ходе расщепления веществ.

АТФ синтезируется в митохондриях в несколько этапов. Первый из них — подготовительный — протекает ступенчато, с вовлечением на каждой ступени специфических ферментов. При этом сложные органические соединения расщепляются до мономеров: белки — до аминокислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов и т. д. Разрыв связей в этих веществах сопровождается выделением небольшого количества энергии. Образовавшиеся мономеры под действием других ферментов могут претерпеть дальнейший распад с образованием более простых веществ вплоть до диоксида углерода и воды.

Схема Синтез АТФ в мвтохондрии клетки

ПОЯСНЕНИЯ К СХЕМЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В ПРОЦЕССЕ ДИССИМИЛЯЦИИ

I этап — подготовительный: сложные органические вещества под действием пищеварительных ферментов распадаются на простые, при этом выделяется только тепловая энергия.
Белки ->аминокислоты
Жиры-> глицерин и жирные кислоты
Крахмал ->глюкоза

II этап-гликолиз (бескислородный): осуществляется в гиалоплазме, с мембранами не связан; в нем участвуют ферменты; расщеплению подвергается глюкоза:

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение):

У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и т, д. Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного расщепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40% анергии, а остальная рассеивается в виде теплоты.

III этап-гидролиз (кислородный): осуществляется в митохондриях, связан с матриксом митохондрий и внутренней мембраной, в нем участвуют ферменты, расщеплению подвергается молочная кислота: СзН6Оз+ЗН20 —>3СО2+ 12Н. С02 (диоксид углерода) выделяется из митохондрий в окружающую среду. Атом водорода включается в цепь реакций, конечный результат которых — синтез АТФ. Эти реакции идут в такой последовательности:

1. Атом водорода Н с помощью ферментов-переносчиков поступает во внутреннюю мембрану митохондрий, образующую кристы, где он окисляется: Н-е—>H+

 2. Протон водорода H+ (катион) выносится переносчиками на наружную поверхность мембраны крист. Для протонов эта мембрана непроницаема, поэтому они накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар.

3. Электроны водорода e переносятся на внутреннюю поверхность мембраны крист и тут же присоединяются к кислороду с помощью фермента оксидазы, образуя отрицательно заряженный активный кислород (анион): O2 + е—>O2-

4. Катионы и анионы по обе стороны мембраны создают разноименно заряженное электрическое поле, и когда разность потенциалов достигнет 200 мВ, начинает действовать протонный канал. Он возникает в молекулах ферментов АТФ-синтетаз, которые встроены во внутреннюю мембрану, образующую кристы.

5. Через протонный канал протоны водородаH+ устремляются внутрь митохондрий, создавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ из АДФ и Ф (АДФ+Ф—>АТФ), а протоны H+ взаимодействуют с активным кислородом, образуя воду и молекулярный 02:
( 4Н++202- —>2Н20+02)

Таким образом, О2, поступающий в митохондрии в процессе дыхания организма, необходим для присоединения протонов водорода Н. При его отсутствии весь процесс в митохондриях прекращается, так как электронно-транспортная цепь перестает функционировать. Общая реакция III этапа:

(2СзНбОз + 6Oз + 36АДФ + 36Ф —> 6С02 + 36АТФ + +42Н20)

В результате расщепления одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ: на II этапе — 2 АТФ и на III этапе — 36 АТФ. Образовавшиеся молекулы АТФ выходят за пределы митохондрии и участвуют во всех процессах клетки, где необходима энергия. Расщепляясь, АТФ отдает энергию (одна фосфатная связь заключает 40 кДж) и в виде АДФ и Ф (фосфата) возвращается в митохондрии.

Формы хранения энергии в организме человека

Аденозинтрифосфат (АТФ) известен как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах — это основной переносчик энергии в клетке, который играет исключительно важную роль в обмене энергии в организме.

Но при этом, общее количество АТФ в организме, в каждый отдельно взятый момент, составляет не более 250 грамм. Этого количества хватит лишь на несколько секунд работы мышц при максимальной нагрузке.

Возникает вопрос: если АТФ это универсальный источник энергии, то почему бы не сделать в организме его запасы побольше?

Все дело в том, что молекула АТФ очень тяжелая — 1 моль АТФ весит 507,19 г. При этом 1 моль АТФ дает от 40 до 60 кДж энергии (1 Джоуль = 0,238846 калориям), соответственно 40-60 кДж = 9,5 до 14,3 Ккал. Таким образом, 1 моль АТФ весом 507,19 г = 9,5-14,3 Ккал энергии.

При беге среднее потребление калорий составляет 1 Ккал/кг/км (у тренированного человека немного меньше). Соответственно, человек массой в 70 кг на преодоление дистанции в 10 км тратит в среднем 700 Ккал.

700 Ккал в АТФ будет весить почти 30 кг! Организму просто невыгодно запасать большие объемы энергии в форме АТФ, поэтому он практически не создает запаса и для нормальной жизнедеятельности ему необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.

Организм практически не создает запаса АТФ и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.

В связи с этим, АТФ в организме является одним из самых часто обновляемых веществ; так, у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 минуты. В течении же суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000-3000 циклов ресинтеза, а всего человеческий организм в среднем синтезирует в сутки около 40 килограмм АТФ.

Для синтеза АТФ организм использует глюкозу, которую хранит в форме гликогена. Гликоген, как способ хранения энергии организмом, более эффективен, т.к. 1 моль глюкозы образует при аэробном гликолизе 38 моль АТФ, а весит при этом глюкоза — 174 г/моль, но при этом в процессе синтеза энергии дает 38 моль АТФ общим весом в 19,3 кг.

Энергетический обмен глюкозы осуществляется одновременно в трех направлениях: аэробный и два анаэробных, которые не требуют присутствия кислорода при синтезе АТФ.

Анаэробный гликолиз 1 молекулы глюкозы сопровождается синтезом 2 моль АТФ и 2 моль лактата. При этом аэробный гликолиз 1 моль глюкозы сопровождается производством 38 моль АТФ. Вот почему нам так важен при длительном беге именно аэробный гликолиз, то есть синтез энергии из глюкозы в присутствии кислорода. Он гораздо эффективней!

Запасы гликогена в нашем организме оцениваются в 300-400 г, что обеспечивает нас запасом энергии примерно в 1900-2200 Ккал. Но этого запаса все равно мало даже для того, чтобы пробежать марафон.

Запасы гликогена полностью истощаются в течение 90 минут при усилии свыше 75% от МПК (VO2max).

Оказывается, основной запас энергии организм человека хранит в жирах.

Деградация одной молекулы триглицерида (жир, содержащийся в крови) освобождает в 13 раз больше энергии, чем молекула глюкозы. Один грамм субстрата жиров (липидов) дает в 2 раза больше энергии, чем грамм углеводов.

Доля жиров (по вертикали слева) и углеводов (по вертикали справа) в энергетическом обмене в зависимости от интенсивности усилия (по горизонтали).

В среднем, доля жира в организме человека близка к 10-15% у мужчин и 20% у женщин, что дает нам запас энергии равный почти 90 000 Ккал!

Но есть одно «но»: синтез энергии из жиров может протекать только в присутствии кислорода и при этом, этот процесс требует затрат энергии. Для получения энергии из жиров нам необходим кислород и углеводы, как источник энергии. Жиры горят в пламени глюкозы!

Если мы хотим бежать долго и экономично, то нужно двигаться в аэробном режиме для того, чтобы обеспечить синтез энергии из жиров и максимально эффективно тратить запасы углеводов для обеспечения этого процесса (с дополнительным питанием на длинных дистанциях).

Аэробный режим синтеза энергии соответствует максимальной нагрузке — 60-65% МПК (VO2max). Соответственно, экономичность бега (эффективность потребления кислорода и сжигания калорий) будет снижаться при превышении максимальной нагрузки в 60-65% МПК, а при увеличении свыше 75% МПК резко упадет.

Регулярные тренировки способны повысить возможность организма к полному расщеплению липидов на 20-30 %. С ростом тренированности средний процент жира в организме уменьшается и может достичь 5 % у мужчин и 10% у женщин.

Соотношение жиров в энергетических обменных процессах у тренированного и не тренированного человека.

Источник.

Энергия в клетке. Использование и хранение / Хабр

Всем привет! Эту статью я хотел посвятить клеточному ядру и ДНК. Но перед этим нужно затронуть то, как клетка хранит и использует энергию (спасибо spidgorny). Мы будем касаться вопросов связанных с энергией почти везде. Давайте заранее в них разберемся.  

Из чего можно получать энергию? Да из всего! Растения используют световую энергию. Некоторые бактерии тоже. То есть органические вещества синтезируются из неорганических за счет световой энергии. + Есть хемотрофы. Они синтезируют органические вещества из неорганических за счет энергии окисления аммиака, сероводорода и др. веществ. А есть мы с вами. Мы — гетеротрофы. Кто это такие? Это те, кто не умеет синтезировать органические вещества из неорганических. То есть хемосинтез и фотосинтез, это не для нас. Мы берем готовую органику (съедаем). Разбираем ее на кусочки и либо используем, как строительный материал, либо разрушаем для получения энергии.
Что конкретно мы можем разбирать на энергию? Белки (сначала разбирая их на аминокислоты), жиры, углеводы и этиловый спирт (но это по желанию). То есть все эти вещества могут быть использованы, как источники энергии. Но для ее хранения мы используем жиры и углеводы. Обожаю углеводы! В нашем теле основным запасающим углеводом является гликоген.

Он состоит из остатков глюкозы. То есть это длинная, разветвленная цепочка, состоящая из одинаковых звеньев (глюкозы). При необходимости в энергии мы отщепляем по одному кусочку с конца цепи и окисляя его получаем энергию. Такой способ получения энергии характерен для всех клеток тела, но особенно много гликогена в клетках печени и мышечной ткани.

Теперь поговорим о жире. Он хранится в специальных клетках соединительной ткани. Имя им — адипоциты. По сути это клетки с огромной жировой каплей внутри.
При необходимости, организм достает жир из этих клеток, частично расщепляет и транспортирует. По месту доставки происходит окончательное расщепление с выделением и преобразованием энергии.

Довольно популярный вопрос: «Почему нельзя хранить всю энергию в виде жира, или гликогена?»
У этих источников энергии разное назначение. Из гликогена энергию можно получить довольно быстро. Его расщепление начинается почти сразу после начала мышечной работы, достигая пика к 1-2 минуте. Расщепление жиров протекает на несколько порядков медленней. То есть если вы спите, или медленно куда-то идете — у вас постоянный расход энергии, и его можно обеспечить расщепляя жиры. Но как только вы решите ускориться (упали сервера, побежали поднимать), резко потребуются много энергии и быстро ее получить расщепляя жиры не получится. Тут нам и нужен гликоген.

Есть еще одно важное различие. Гликоген связывает много воды. Примерно 3 г воды на 1 г гликогена. То есть, для 1 кг гликогена это уже 3 кг воды. Не оптимально… С жиром проще. Молекулы липидов (жиры=липиды), в которых запасается энергия не заряжены, в отличие от молекул воды и гликогена. Такие молекулы называется гидрофобными (дословно, боящимися воды). Молекулы воды же поляризованы. Примерно так это выглядит.

По сути, положительно заряженные атомы водорода взаимодействуют с отрицательно заряженными атомами кислорода. Получается стабильное и энергетически выгодное состояние.
Теперь представим молекулы липидов. Они не заряжены и не могут нормально взаимодействовать с поляризованными молекулами воды. Поэтому смесь липидов с водой энергетически невыгодна. Молекулы липидов не способны адсорбировать воду, как это делает гликоген. Они «кучкуются» в так называемые липидные капли, окружаются мембраной из фосфолипидов (одна их сторона заряжена и обращена к воде снаружи, вторая — не заряжена и смотрит на липиды капли). В итоге, у нас есть стабильная система, эффективно хранящая липиды и ничего лишнего.

Окей, мы разобрались с тем, в каких формах хранится энергия. А что с ней происходит дальше? Вот отщепили мы молекулу глюкозы от гликогена. Превратили ее в энергию. Что это значит?
Сделаем небольшое отступление.

В клетке происходит порядка 1.000.000.000 реакций каждую секунду. При протекании реакции одно вещество трансформируется в другое. Что при этом происходит с его внутренней энергией? Она может уменьшаться, увеличиваться или не меняться. Если она уменьшается -> происходит выделение энергии. Если увеличивается -> нужно взять энергию из вне. Организм обычно совмещает такие реакции. То есть энергия, выделившаяся при протекании одной реакции идет на проведение второй.

Так вот в организме есть специальные соединения, макроэрги, которые способны накапливать и передавать энергию в ходе реакции. В их составе есть одна, или несколько химических связей, в которых и накапливается эта энергия. Теперь можно вернуться к глюкозе. Энергия выделившаяся при ее распаде запасется в связях этих макроэргов.

Разберем на примере.

Самым распространенным макроэргом (энергетической валютой) клетки является АТФ (Аденозинтрифосфат).

Выглядит примерно так.

В его состав входит азотистое основание аденин (одно из 4, используемых для кодирования информации в ДНК), сахар рибоза и три остатка фосфорной кислоты (поэтому и АденозинТРИфосфат). Именно в связях между остатками фосфорной кислоты накапливается энергия. При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (АденозинДИфосфат). АДФ может выделять энергию, отрывая еще один остаток и превращаясь в АМФ (АденозинМОНОфосфат). Но эффективность отщепленная второго остатка намного ниже. Поэтому, обычно, организм стремится из АДФ снова получить АТФ. Происходит это примерно так. При распаде глюкозы, выделяющаяся энергия тратится на образование связи между двумя остатками фосфорной кислоты и образование ATP. Процесс многостадийный и пока мы его опустим.
Получившийся АТФ является универсальным источником энергии. Он используется везде, начиная от синтеза белка (для соединения аминокислот нужна энергия), заканчивая мышечной работой. Моторные белки, осуществляющие мышечное сокращение используют энергию, запасенную в АТФ, для изменения своей конформации. Изменение конформации это переориентация одной части большой молекулы относительно другой. Выглядит примерно так.
То есть химическая энергия связи переходит в механическую энергию. Вот реальные примеры белков, использующих АТФ для осуществления работы.

Знакомьтесь, это миозин. Моторный белок. Он осуществляет перемещение крупных внутриклеточных образований и участвует в сокращении мышц. Обратите внимание, у него имеется две «ножки». Используя энергию запасенную в 1 молекуле АТФ он осуществляет одно конформационное изменение, по сути один шаг. Самый наглядный пример перехода химической энергии АТФ в механическую.

Второй пример — Na/K насос. На первом этапе он связывает три молекулы Na и одну АТФ. Используя энергию АТФ, он меняет конформацию, выбрасывая Na из клетки. Затем он связывает две молекулы калия и, возвращаясь к исходной конформации, переносит калий в клетку. Штука крайне важная, позволяет поддерживать уровень внутриклеточного Na в норме.

А если серьезно, то:

Пауза. Зачем нам АТФ? Почему мы не можем использовать запасенную в глюкозе энергию напрямую? Банально, если окислить глюкозу до CO2 за один раз, мгновенно выделится экстремально много энергии. И большая ее часть рассеется в виде тепла. Поэтому реакция разбивается на стадии. На каждой выделяется немного энергии, она запасается, и реакция продолжается пока вещество полностью не окислиться.

Подитожу. Запасается энергия в жирах и углеводах. Из углеводов ее можно извлечь быстрее, но в жирах можно запасти больше. Для проведения реакций клетка использует высокоэнергетические соединения, в которых запасается энергия распада жиров, углеводов и тд… АТФ — основное такое соединение в клетке. По сути, бери и используй. Однако не единственное. Но об этом позже.

P.S. Я попытался максимально упростить материал, поэтому появились некоторые неточности. Прошу ревностных биологов меня простить.

Механизм повреждения энергетического обмена при гипоксии и возможные пути его коррекции фумаратсодержащими растворами

Л.В. Слепнева, Г.А. Хмылова

ФГБУ «Российский НИИ гематологи трансфузиологии ФМБА», г. Санкт-Петербург

 

Трансфузиология №2, 2013

Резюме

Статья посвящена вопросам механизма действия препаратов, влияющих на процессы энергообразования в организме. Показаны пути коррекции нарушений энергетического обмена и преимущества фумаратсодержащих инфузионных растворов.

Ключевые слова: гипоксия, цикл Кребса, сукцинат, фумарат, фумаратсодержащие инфузионные растворы, мафусол, полиоксифумарин, конфумин.

В настоящее время нарушения энергетического обмена рассматриваются как один из ведущих патологических процессов, приводящих к необратимым последствиям и гибели организма, что обусловливает исключительную важность рассматриваемой проблемы. Коррекция или устранение энергодефицита является обязательным компонентом в лечении большинства патологических состояний, и в связи с этим, понимание механизма действия препаратов, способных влиять на различные звенья энергообмена, для практикующих врачей приобретают особую ценность.

Жизнедеятельность организма с многообразием всех физиологических функций и биохимических процессов возможна лишь при условии его постоянного энергообеспечения. В настоящее время имеется значительный экспериментальный и клинический материал, свидетельствующий о том, что различные экстремальные воздействия на организм (тяжелая кровопотеря, ожог, травма, сердечная недостаточность, острое отравление и др.) вызывают однотипные повреждения в клеточной системе энергообразования. Это явление обусловлено тем, что результирующим эффектом различных по своей природе экстремальных факторов является развитие острого кислородного голодания тканей. Дефицит кислорода — акцептора электронов в митохондриальной дыхательной цепи, приводит к глубокому подавлению биоэнергетической функции митохондрий. Выходит из строя основная энергетическая система клетки, энергопродукция клетками резко снижается, и, как следствие, нарушается течение многочисленных энергозависимых процессов в организме [2, 6, 11, 13, 24, 34, 36, 37, 43].

Недостаточность систем энергообразования в клетке составляет существенный элемент патогенеза многих заболеваний. По мнению ряда авторов, поддержание жизни в экстремальных условиях возможно до тех пор, пока дефицит энергии не достигнет критических величин. Истощение клеточных энергетических резервов ниже допустимого уровня сопровождается развитием в клетке необратимых процессов и гибелью организма.

Прежде чем перейти к рассмотрению вопросов, связанных с нарушением энергетического обмена в клетке при патологических состояниях и его коррекции применением различных лекарственных средств, кратко остановимся на описании процессов энергообразования в нормально функционирующей клетке [16, 41].

На рис. 1 схематически представлен сложный процесс распада питательных веществ, который обеспечивает ступенчатое постепенное освобождение энергии и аккумуляцию ее в виде макроэргической фосфатной связи аденозинтрифосфата (АТФ).

Распад сложных питательных веществ на более простые является необходимым условием для дальнейшего использования их в клетке в качестве источников энергии и пластического материала. В катаболизме основных питательных веществ (углеводов, белков и жиров) можно выделить три основные стадии.

На первой стадии крупные молекулы под влиянием сложных ферментативных систем расщепляются на более простые. В результате действия этих ферментативных систем углеводы расщепляются до гексоз и пентоз, липиды – до глицерина и жирных кислот, из белков образуется около 20-ти аминокислот.

На второй стадии происходит дальнейшее расщепление образовавшихся соединений. Из 20-ти различных аминокислот образуется лишь несколько конечных продуктов, а именно, ацетил-коэнзим А, α-кетоглютаровая и щавелевоуксусная кислоты.

Жирные кислоты в процессе β-окисления превращаются в ацетил-КоА. Гексозы под действием ферментативных систем гликолиза расцепляются до пировиноградной кислоты, которая затем в процессе окислительного декарбоксилирования превращается также в ацетил-КоА.

Гликолиз является тем механизмом, посредством которого многие организмы получают химическую энергию из глюкозы и других субстратов в отсутствие молекулярного кислорода. У большинства аэробных организмов процесс гликолиза является предварительной ступенью для дальнейшего окисления продуктов брожения кислородом в процессе дыхания.

Метаболиты, образовавшиеся на второй стадии распада питательных веществ (ацетил-КоА, α-кето-глютаровая, щавелевоуксусная кислоты) вступают в третью стадию, которая для них является общей и на которой они в конечном итоге окисляются до СО2 и Н2О.

Третья стадия – стадия терминального окисления питательных веществ, во время которой освобождается основная масса энергии, осуществляется в митохондриях через цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) и митохондриальную дыхательную цепь. ЦТК – общий конечный путь окислительного катаболизма всех видов клеточного топлива в аэробных условиях. В этом цикле под действием специфических дегидрогеназ протекают процессы дегидрирования субстратов, восстановительные эквиваленты от которых (протоны и электроны) поступают на митохондриальную дыхательную цепь. Дегидрирование – отщепление молекул Н2 от интермедиатов цикла Кребса происходит, в основном, при помощи дегидрогеназ, простетической группой которых является никотинамидаденин-динуклеотид (НАД), и лишь дегидрирование янтарной кислоты осуществляется ФАД-зависимой дегидрогеназой (сукцинатдегидрогеназой).

Дыхательная цепь, состоящая из серии переносчиков электронов, передает восстановительные эквиваленты конечному акцептору электронов – молекулярному кислороду. Дыхательная цепь – это полиферментная система, локализованная во внутренней мембране митохондрий, основными компонентами которой являются НАД-зависимые дегидрогеназы, флавопротеиды и цитохромы (рис. 1).

Сопряженно с транспортом электронов протекает процесс окислительного фосфорилирования, в котором значительная часть свободной энергии электронов, передаваемых редокс-цепью на кислород, аккумулируется и трансформируется в специфическую макроэргическую связь АТФ. Таким образом, необходимая для нужд организма энергия образуется благодаря функционированию взаимосвязанных процессов гликолиза и дыхания. В процессе гликолиза высвобождается лишь незначительная часть той химической энергии, которая потенциально может быть извлечена из молекулы глюкозы. Полное окисление глюкозы до СО2 и Н 2О, осуществляемое в процессе дыхания, приводит к синтезу значительно большего количества макроэргов. При окислении одной молекулы глюкозы в гликолитическом цикле образуется 2 молекулы АТФ, тогда как дальнейшее расщепление продуктов гликолиза в цикле Кребса сопровождается синтезом 38 молекул АТФ. Таким образом, митохондриальная дыхательная цепь является основным местом приложения и утилизации кислорода в клетке.

При дефиците кислорода – конечного акцептора электронов в редокс-цепи митохондрий – отмечается выраженная гиперредукция всех компонентов терминального звена окисления. Прекращаются транспорт электронов по дыхательной цепи и сопряженный с ним процесс образования макроэнергических фосфатов. Известно, что в условиях нормоксии НАД-звено дыхательной цепи митохондрий принимает восстановительные эквиваленты из различных источников:

1. от субстратов цикла Кребса при участии специфических дегидрогеназ;

2. оксиацил-КоА-дегидрогеназы поставляютионы водорода на НАД- звено при окислении жирных кислот;

3. сложная система пируват-дегидрогеназы, отщепляя ионы водорода в реакциях окислительного декарбоксилирования, передает их на НАД-звено редокс-цепи;

4. внемитохондриальный НАД-Н, образованный в центральной реакции гликолитической оксидоредукции, также отдает свои протоны на митохондриальную дыхательную цепь (рис.1).

Мощный поток восстановительных эквивалентов в условиях кислородной недостаточности не может реализоваться из-за гипервосстановленности НАД-зависимого участка дыхательной цепи. Выключается из функционирования основная энергетическая система клетки, резко снижается продукция АТФ.

В анаэробных условиях клетка стремится восполнить энергетический дефицит за счёт активации гликолиза. Несмотря на то, что при анаэробном гликолизе продуцируется почти в 20 раз меньше АТФ, чем при полном сгорании глюкозы в цикле Кребса, потенциальная скорость процесса в основном может обеспечить энергозатраты организма. Однако для осуществления гликолитических реакций необходим постоянный приток окисленной формы НАД, который при нормоксии обеспечивается работой специфических челночных механизмов. Гликолитический НАД-Н проникает через митохондриальные мембраны посредством функционирования α-глицерофосфатного, β-оксибутиратного и других механизмов переноса восстановительных эквивалентов.

Оксибутиратный и глицерофосфатные шунты являются основными конкурентами лактатдегидрогеназного механизма окисления гликолитического НАД-Н, деятельность которого при нормальной концентрации кислорода в клетке подавлена более активными вышеназванными механизмами.

При нарушении электронтранспортной функции редокс-цепи и гиперредукции ее НАД-звена клетка вынуждена изыскивать другие пути реокисления цитоплазматического НАД-Н. В условиях острой гипоксии конечный продукт гликолиза – пируват – не подвергается декарбоксилированию и не вовлекается в цикл Кребса, а, принимая восстановительные эквиваленты от цитоплазматического НАД-Н, превращается в лактат с освобождением новых порций окисленной формы НАД (рис. 2).

Активация лактатдегидрогеназного механизма поставки НАД для гликолиза в конечном итоге приводит к истощению запасов гликогена и тканевому ацидозу вследствие накопления кислых продуктов метаболизма (лактата, пирувата, оксибутирата, глицерофосфата и др.). Избыточные концентрации конечного субстрата анаэробного гликолиза – лактата – тормозят последнюю реакцию гликолитического цикла.

Регенерация НАД прекращается, и, именно, дефицит пиридиннуклеотида останавливает гликолиз и анаэробную продукцию АТФ. Клеточный ацидоз способствует нарушению проницаемости мембран, вплоть до разрушения лизосом. В цитоплазму поступают аутолитические ферменты. Развивается процесс аутолиза клеток, сопровождающийся повреждением тканей и органов. В организме формируются необратимые изменения.

Таким образом, степень повреждения митохондриального метаболизма в условиях тяжелой кислородной недостаточности определяет тяжесть многих патологических состояний. Накопленный опыт лечения шока и кровопотери показывает, что существующие инфузионнотрансфузионные среды, проявляя лечебное действие в стадиях легкой и средней тяжести, оказываются недостаточными на поздних стадиях процесса. Особенности течения поздних стадий геморрагического шока связывают главным образом с генерализованными нарушениями метаболизма и возникающими в результате этого расстройствами энергообмена.

В связи с этим применение совместно с кровезаменителями препаратов, способных повысить энергетический потенциал клетки в условиях гипоксии, рассматривается как один из путей повышения эффективности инфузионной терапии гиповолемических состояний.

В ликвидации энергетического дефицита большое значение придается антигипоксантам. К настоящему времени не выработано единого общепринятого определения антигипоксантов и их классификации, так как в ответ на гипоксическое воздействие вовлекаются самые разные системы организма. Препараты биоэнергетического действия можно разделить на несколько групп.

К первой группе следует отнести препараты, являющиеся источником энергетического сырья (глюкоза, сорбит, АТФ, фосфорилированные гексозы и др.). Использование их показано при патологических состояниях, сопровождающихся истощением энергетических ресурсов в клетке. Включение в состав противошоковых кровезаменителей 5-10% глюкозы или фосфорилированных гексоз [1, 42] для поддержания гликолиза в клетках не позволяет существенно повысить эффективность инфузионной терапии из-за неизбежно возникающего накопления кислых продуктов метаболизма и дефицита окисленной формы пиридиннуклеотида (НАД). Отсюда понятно, что введение таких субстратов окисления, как глюкоза или гексозы, при гипоксии целесообразно лишь с препаратами, ускоряющими утилизацию лактата. Таким свойством обладают соединения группы гутимина. В эксперименте показан антигипоксический эффект гутимина и амтизола при геморрагическом шоке [8].  

Ко второй группе препаратов можно отнести средства, которые, не являясь энергетически богатыми соединениями, способны активно воздействовать на энергетический обмен посредством коррекции отдельных звеньев многоступенчатого процесса аккумуляции энергии в клетке. Данные о нарушении транспорта электронов в дыхательной цепи митохондрий при шоке и кровопотери [28] являются теоретической предпосылкой для применения антигипоксантов с электрон-акцепторными свойствами. В литературе имеются довольно обширные сведения о применении естественных и искусственных антигипоксантов – переносчиков электронов. К числу первых относится цитохром С, который, как известно, является одним из компонентов дыхательной цепи митохондрий и служит мобильным переносчиком электронов. Играя важную роль в энергетическом метаболизме клетки, цитохром С показал высокую лечебную эффективность в клинической практике при терапии шока, кровопотери и постишемической гипоксии [12, 32].

Разработке и исследованию искусственных переносчиков электронов посвящено значительное количество работ. Эти соединения способны модифицировать дыхательную цепь митохондрий так, чтобы осуществлять «сброс» восстановительных эквивалентов непосредственно на кислород, минуя заблокированные участки дыхательной цепи. К числу таких веществ относится ряд соединений из класса хинонов (ортопарабензохиноны, нафтохиноны, гексогидрохиноны). Высокий редокс-потенциал этих препаратов определяет их способность к транспорту электронов [30]. При проведении экспериментов на животных многие из этих соединений оказались токсичными, что не позволило рекомендовать их в качестве лечебных средств. Из всех средств, формирующих искус- ственные редокс-системы, в медицинскую практику внедрен препарат «Гипоксен», представляющий собой синтетический полихинон [9].

Известно, что антигипоксанты группы хинонов осуществляют перенос электронов с НАД-Н звена на кислород, минуя все 3 пункта фосфорилирования в дыхательной цепи и, следовательно, устранение дефицита энергии при введении этих препаратов может происходить лишь за счет активации гликолитической выработки АТФ. Однако для полноценного проявления антигипоксических свойств этих соединений необходим акцептор электронов – кислород. Наибольший интерес для включения в состав новых комплексных кровезаменителей представляют, так называемые, истинные антигипоксанты или антигипоксанты прямого действия, непосредственно влияющие на митохондриальный метаболизм при гипоксии.

Согласно теоретическим предпосылкам, одна из возможностей поддержания биоэнергетики клетки может быть реализована посредством стимуляции адаптационных механизмов к гипоксии, работающих на последних этапах цикла Кребса. Из всех субстратов цикла Кребса только влияние сукцината на энергетический обмен подробно изучено в эксперименте на животных.

Исследование механизма действия сукцината при гипоксических состояниях проведено в работах М.Н. Кондрашовой с соавторами [5, 6]. Исследователи считают, что в условиях гипоксии сукцинат, не являясь НАД-зависимым субстратом, «монополизирует» дыхательную цепь и активно в ней окисляется. Высокая скорость реакции окисления сукцината, поставляющей 2 молекулы АТФ, позволяет компенсировать выработку 3-х молекул АТФ, образующихся при окислении НАД-зависимых субстратов. Однако в условиях прогрессирующей гипоксии дефицит кислорода, лимитирующий скорость окисления всех субстратов, снижает ценность сукцината и ставит его в один ряд с другими субстратами окисления. Поэтому применение сукцината в качестве антигипоксанта должно быть особенно эффективно в комплексе с препаратами, улучшающими кислородообеспечение организма. Преимущественное использование сукцината – естественная защита клетки против гипоксии. При этом пополнение фонда субстрата может происходить за счет реакций цикла Кребса, идущих как в прямом, так и в обратном направлениях (рис. 3).

При обратном течении реакций имеющийся запас малата по мере необходимости превращается в фумарат, который восстанавливается в сукцинат. Восстановление фумарата сопровождается выработкой АТФ, и поэтому реакции обращения в системе «малат-фумарат-сукцинат» способны поддерживать окислительное фосфорилирование даже при аноксии.

В условиях же гипоксии инверсивные превращения фумарата выполняют роль триггера, который, в зависимости от концентрации кислорода регулирует течение конечных реакций цикла Кребса в прямом либо в обратном направлениях, и эти реакции сопровождаются синтезом АТФ. Механизм инверсивных превращений фумарата в цикле Кребса объясняет эффективность применения фумаратсодержащих инфузионных сред, таких как кристаллоидный раствор – мафусол, коллоидный кровезаменитель – полиоксифумарин и концентрированный раствор фумарата натрия – конфумин. Эти препараты разработаны и основательно изучены в Российском НИИ гематологии и трансфузиологии. Лечебная эффективность была изучена на моделях геморрагического и ожогового шока, а также при экспериментальном перитоните [17–20, 23, 25,45]. Оценку эффективности инфузионных растворов определяли по совокупности показателей системной гемодинамики, кислородного режима, кислотно-основного состояния (КОС), перекисного окисления липидов и митохондриального метаболизма в печени и сердце животных. Полярографическое исследование митохондрий, выделенных из печени и сердца животных, леченных фумаратсодержащими растворами, свидетельствовало о полном восстановлении энергопродуцирующих функций этих органелл. Следует отметить, что летальность животных в контрольной группе (тяжелый шок) составляло 100%, при лечении мафусолом или полиоксифумарином – 17–20%.

Результаты исследования митохондриального метаболизма позволяют предположить, что парентеральное введение фумарата индуцирует суперкомпенсацию адаптационного механизма к гипоксии, функционирующих на последних этапах цикла Кребса. Фумарат в системе «малат-фумарат-сукцинат» способен поддерживать синтез АТФ как в аэробных, так и в анаэробных условиях. При дефиците кислорода фумарат, восстанавливаясь ФАД∙Н2-группой сукцинатдегидрогеазой, превращается в сукцинат и освобождает новые порции окисленной формы ФАД. Принимая восстановительные эквиваленты от НАД-Н, ФАД способствует снятию гипервосстановленности НАД звена дыхательной цепи и синтезу АТФ в бескислородной среде. При поступлении кислорода в клетку сукцинат, синтезируемый из фумарата, монополизирует дыхательную цепь и, активно окисляясь в ней, продуцирует АТФ (рис. 3). К тому же, образование в этих реакциях окисленной формы НАД запускает также и механизм гликолитической продукции АТФ. Поддержание энергетического потенциала клетки при инфузия фумарата способствует удлинению периода обратимых изменений в организме и предотвращает развитие «необратимости» при патологических состояниях, отягощенных глубокой гипоксией.

Парентеральное введение фумаратсодержащих растворов наряду с восстановлением биоэнергетики клетки, сопровождается «мягким» ощелачивающим действием препаратов на кислотно-основное состояние крови при ацидозе. Это действие обусловлено тем, что такие органические соли, как фумарат-, ацетат-, лактат-, сукцинат- и малат натрия являются соединениями, образованными сильным основанием (NaOH) и слабой кислотой. При гидролизе подобных солей в кровеносном русле освобождается соответствующая кислота и NaOH, который расходуется на нейтрализацию кислых продуктов метаболизма. Реакция гидролиза смещена вправо, так как постоянно происходит потребление продукта гидролитической реакции – NaOH (рис. 4).

Следует отметить, что вышеназванные соли оказывают мягкое ощелачивающие действие по сравнению с бикарбонатом натрия, широко используемым в клинической практике для ликвидации ацидоза. Реакция гидролиза NaHСО3 протекает значительно быстрее, так как в ходе реакции удаляются оба ее продукта: NaOH расходуется на нейтрализацию метаболитов, а второй продукт реакции – угольная кислота, нестоек и разлагается на Н2О и СО2. Образованная в избыточном количестве щелочь может способствовать развитию алкалоза, что имеет место в клинических условиях при передозировке бикарбоната натрия.

Все вышеперечисленные соли входят в состав различных инфузионных растворов (мафусол, полиоксифумарин, конфумин, лактасол, Рингер-лактат, ацесоль, реамберин, стерофундин и др.). Однако оказывая ощелачивающее действие при ацидозе, далеко не все эти препараты способны поддержать энергетический обмен при гипоксии. Восстановление показателей КОС «химическим путем» является недостаточным для успешной терапии шока.

Следует к тому же учитывать, что при гидролизе лактата натрия выделяется молочная кислота, которая в сумме с эндогенной молочной кислотой, возникающей в больших концентрациях при гипоксии, могут способствовать подавлению реакций гликолиза, что, в свою очередь, вызывает снижение продукции гликолитической АТФ. Существуют также исследования, указывающие, что лактат может вызвать интерстициальный отек головного мозга и повышать агрегацию тромбоцитов и эритроцитов [14, 39, 44]. Лактатсодержащие инфузионные растворы нельзя использовать при печеночной недостаточности [35, 38, 40], а также в случаях шока, сопровождающегося гиперлактатемией или лактатным ацидозом [33].

Ацетат натрия, в отличие от лактата, не проявляет токсического действия при тяжелом шоке. Однако утилизация уксусной кислоты, образованной при гидролизе ацетата натрия, в условиях кислородной недостаточности затруднена вследствие постгипоксического дефекта в функционировании митохондриальной дыхательной цепи. Лечебное действие фумарата натрия в сравнении с лактатом и ацетатом представляется более физиологичным, так как при его введении наряду с ощелачивающим эффектом проявляется и его влияние на восстановление процессов генерации энергии в митохондриях, а, следовательно, устраняется причина возникновения метаболического ацидоза.

Сукцинатсодержащие растворы, в частности «Реамберин», способствуют поддержанию энергетического обмена, однако, в условиях острого дефицита кислорода подавляется окисление сукцината и существенно снижается его энергопродуцирующая функция. Окисление малата в цикле Кребса осуществляется НАД-зависимой малатдегидрогеназой, и эта реакция тормозится из-за гипервосстановленности НАД-звена редокс-цепи митохондрий при гипоксии. Следовательно, в этих условиях субстрат не способен повысить энергетический потенциал клетки. К тому же, в инфузионном малатсодержащем растворе «Стерофундин» концентрация малата очень низкая, чтобы обеспечить достаточную продукцию АТФ. В условиях гипоксии повышение концентрации малата могло бы создать условия для обращения реакций в цикле Кребса с увеличением фонда фумарата, способного принимать восстановительные эквиваленты (Н2) и синтезировать АТФ. Однако концентрация малата в стерофундине (5 ммоль/л) незначительна для запуска реакций в цикле Кребса в обратном направлении.

Фумаратсодержащие растворы (мафусол, полиоксифумарин) содержат высокие концентрации фумарата (86 ммоль/л), обеспечивающие как выработку АТФ, так и накопление сукцината, который активно окисляется при поступлении кислорода. Введение субстратов в организм при гипоксии показано еще и вследствие того, что кислородная недостаточность сопровождается значительным субстратным голодом клетки. Препараты «Мафусол» и «Полиоксифумарин» с высокой концентрацией фумарата и возможностью инфузий больших объемов этих растворов без побочных эффектов являются высокоэффективными средствами терапии шока различного генеза. Это подтверждено клинически. Так, кристаллоидный кровезаменитель «Мафусол» разрешен к медицинскому применению уже более 20 лет и широко используется в разных областях медицины (хирургия, неврология, кардиология, реаниматология, педиатрия, акушерство и гинекология, комбустиология, токсикология и др.) [3, 15, 22, 27, 29, 31]. Отличительной особенностью этого препарата является то, что его можно переливать в больших количествах, не только внутривенно, но и внутриартериально, а также в смеси для заполнения контура АИК при открытых операциях на сердце. Ни один из существующих сейчас на фармацевтическом рынке инфузионных антигипоксических препаратов не обладает этими свойствами. Полифункциональный коллоидный плазмозаменитель «Полиоксифумарин» с 1999 года успешно применяется у взрослых и детей в клинической практике гиповолемических состояний различной степени тяжести [10, 21, 22]. Аналогов ему нет ни в России, ни зарубежом.

Применение концентрированного раствора фумарата натрия (препарата «Конфумин») в качестве антигипоксического компонента в схемах инфузионно-трансфузионной терапии существенно увеличивает уровень субстратов окисления в кровеносном русле и позволяет повысить лечебную эффективность общепринятых в клинической практике плазмозаменителей [3, 4, 22, 25-27]. Конфумин разрешен к широкому медицинскому применению у взрослых, промышленный выпуск препарата освоен в ОАО «Фирма Медполимер».

ГЛИКОЛИЗ • Большая российская энциклопедия

• В книжной версии

  Том 7. Москва, 2007, стр. 231-232

• Скопировать библиографическую ссылку:

  ---

Авторы: А. Е. Медведев

ГЛИКО́ЛИЗ (от греч. γλυϰύς – слад­кий и …лиз), фер­мен­та­тив­ный про­цесс ана­эроб­но­го (про­те­каю­ще­го без уча­стия ки­сло­ро­да) рас­ще­п­ле­ния глю­ко­зы, со­про­во­ж­даю­щий­ся на­ко­п­ле­ни­ем энер­гии, за­па­сае­мой в ви­де аде­но­зин­три­фос­фа­та (АТФ). Ши­ро­ко рас­про­стра­нён в при­ро­де, иг­ра­ет важ­ную роль в ме­та­бо­лиз­ме жи­вых ор­га­низ­мов. Г. ле­жит в ос­но­ве разл. ви­дов бро­же­ния. У об­ли­гат­ных ана­эроб­ных мик­ро­ор­га­низ­мов, а так­же в не­ко­то­рых клет­ках жи­вот­ных и че­ло­ве­ка (напр., зре­лые эрит­ро­ци­ты мле­ко­пи­таю­щих) Г. – един­ст­вен­ный про­цесс, по­став­ляю­щий энер­гию. В аэроб­ных ус­ло­ви­ях у боль­шин­ст­ва ор­га­низ­мов Г. пред­ше­ст­ву­ет окис­ли­тель­но­му рас­па­ду ор­га­нич. со­еди­не­ний до СО₂ и Н₂О. У выс­ших жи­вот­ных Г. ин­тен­сив­но про­те­ка­ет в ске­лет­ных мыш­цах, пе­че­ни, серд­це, эрит­ро­ци­тах, спер­ма­то­зои­дах, бы­ст­ро де­ля­щих­ся (в т. ч. опу­хо­ле­вых) клет­ках. Фер­мен­ты Г. ло­ка­ли­зо­ва­ны в рас­тво­ри­мой час­ти ци­то­плаз­мы кле­ток.

Пол­ная де­таль­ная рас­шиф­ров­ка отд. ре­ак­ций Г. бы­ла осу­ще­ст­в­ле­на гл. обр. бла­го­да­ря ра­бо­там немецких био­хи­ми­ков Г. Эм­бде­на, О. Мей­ер­го­фа, О. Вар­бур­га, К. Ной­бер­га, а так­же Я. О. Пар­на­са и К. Ко­ри (1930–37). Ино­гда Г. на­зы­ва­ют «пу­тём Эм­бде­на – Мей­ер­го­фа – Пар­на­са».

Ус­лов­но в про­цес­се Г. вы­де­ля­ют две ста­дии. На пер­вой (под­го­то­ви­тель­ной) сна­ча­ла про­ис­хо­дит фос­фо­ри­ли­ро­ва­ние глю­ко­зы (ре­ак­ция 1), ка­та­ли­зи­руе­мое фер­мен­том гек­со­ки­на­зой (ино­гда глю­ко­ки­на­зой) и тре­бую­щее за­тра­ты энер­гии мо­ле­ку­лы АТФ (см. схе­му). Об­ра­зо­вав­ший­ся глю­ко­зо-6-фос­фат при уча­стии фер­мен­та фос­фог­лю­кои­зо­ме­ра­зы пре­вра­ща­ет­ся (2) во фрук­то­зо-6-фос­фат, ко­то­рый в свою оче­редь фос­фо­ри­ли­ру­ет­ся (для это­го тре­бу­ет­ся ещё од­на мо­ле­ку­ла АТФ) с по­мо­щью фос­фоф­рук­то­ки­на­зы-1 (3) с об­ра­зо­ва­ни­ем фрук­то­зо-1,6-ди­фос­фа­та. По­след­ний с по­мо­щью фрук­то­зо-1,6-ди­фос­фа­таль­до­ла­зы (4) рас­ще­п­ля­ет­ся до двух фос­фот­ри­оз: гли­це­р­аль­де­гид-3-фос­фа­та и ди­гид­рок­си­аце­тон­фос­фа­та. По­след­ний лег­ко изо­ме­ризу­ет­ся под дей­ст­ви­ем трио­зо­фос­фа­тизоме­ра­зы в гли­це­раль­де­гид-3-фос­фат (5). В даль­ней­шем ис­поль­зу­ет­ся толь­ко пер­вое со­еди­не­ние. Т. о., из од­ной мо­ле­ку­лы глю­ко­зы на пер­вой ста­дии Г. об­ра­зу­ют­ся две мо­ле­ку­лы гли­це­раль­де­гид-3-фос­фа­та и при этом ис­поль­зу­ет­ся энер­гия двух мо­ле­кул АТФ. На вто­рой – осн. ста­дии Г. – гли­цер­аль­де­гид-3-фос­фат пре­тер­пе­ва­ет се­рию по­сле­до­ва­тель­ных пре­вра­ще­ний, при­во­дя­щих к об­ра­зо­ва­нию пи­ро­ви­но­град­ной ки­сло­ты (ио­ни­зи­ро­ван­ная фор­му­ла – пи­ру­ват) и вы­деле­нию энер­гии, ак­ку­му­ли­ру­емой в ви­де АТФ. Сна­ча­ла при уча­стии фер­мен­та гли­це­раль­де­гид-3-фос­фат­де­гид­ро­геназы (6), в при­сут­ст­вии ко­фер­мен­та ни­ко­ти­н­ами­да­де­нин­ди­нук­ле­о­ти­да (НАД), ко­то­рый уча­ст­ву­ет в окис­ле­нии аль­де­гид­ной груп­пы, пе­ре­хо­дя при этом в вос­ста­нов­лен­ную фор­му (НАДН), и не­ор­га­ни­че­ско­го фос­фа­та (Ф_н) про­ис­хо­дит пре­вра­ще­ние гли­це­раль­де­гид-3-фос­фа­та в вы­со­ко­энер­ге­ти­че­ское со­еди­не­ние – 1,3-ди-фос­фог­ли­це­рат. За­тем в ре­ак­ции т. н. суб­страт­но­го фос­фо­ри­ли­ро­ва­ния, ко­то­рую осу­ще­ст­в­ля­ет фер­мент фос­фог­ли­це­рат­ки­на­за (7), про­ис­хо­дит пе­ре­нос фос­фо­риль­ной груп­пы с 1,3-ди­фос­фо­гли­це­ра­та на аде­но­зин­ди­фос­фат (АДФ) с об­ра­зо­ва­ни­ем АТФ. Дру­гой про­дукт этой ре­ак­ции – 3-фос­фог­ли­це­рат при уча­стии фер­мен­та фос­фог­ли­це­рат­му­та­зы (8) под­вер­га­ет­ся изо­ме­ри­за­ции в 2-фос­фог­ли­це­рат. По­сле это­го в ре­зуль­та­те реакции от­ще­п­ле­ния мо­ле­ку­лы во­ды, ко­то­рую осу­ще­ст­в­ля­ет фер­мент ено­ла­за (9), про­ис­хо­дит об­ра­зо­ва­ние фос­фо­енол­пи­ру­ва­та и в про­цес­се ещё од­ной ре­ак­ции суб­страт­но­го фос­фо­ри­ли­ро­ва­ния, ко­то­рую ка­та­ли­зи­ру­ет фер­мент пи­ру­ват­ки­на­за (10), фос­фо­риль­ная груп­па фос­фое­нол­пи­ру­ва­та пе­ре­но­сит­ся на АДФ с об­ра­зо­ва­ни­ем оче­ред­ной мо­ле­ку­лы АТФ. Сле­до­ва­тель­но, за вы­че­том за­тра­чен­ных на под­го­то­ви­тель­ной ста­дии двух мо­ле­кул АТФ в ко­неч­ном ито­ге при рас­па­де глю­ко­зы об­ра­зу­ют­ся две мо­ле­ку­лы АТФ.

Схема гликолиза.

Даль­ней­шая судь­ба об­ра­зо­вав­ше­го­ся пи­ру­ва­та и НАДН оп­ре­де­ля­ет­ся осо­бен­но­стя­ми ме­та­бо­лиз­ма кон­крет­ных ти­пов кле­ток и их обес­пе­чен­но­стью ки­сло­ро­дом. В аэроб­ных ус­ло­ви­ях пи­ру­ват и вос­ста­нов­лен­ные эк­ви­ва­лен­ты от НАДН (гид­рид-ион) по­сту­па­ют в ми­то­хон­д­рии, где про­ис­хо­дит пре­вра­ще­ние пи­ру­ва­та в аце­тил-КоА (см. Ко­фер­мен­т А), ко­то­рый по­сту­па­ет в три­кар­бо­но­вых ки­слот цикл. В от­сут­ст­вии ки­сло­ро­да НАДН ис­поль­зу­ет­ся на вос­ста­нов­ле­ние пи­ру­ва­та в лак­тат (ио­ни­зи­ро­ван­ная фор­ма мо­лоч­ной ки­сло­ты). Это не­об­хо­ди­мо для по­лу­че­ния НАД, без ко­то­ро­го не­воз­мож­но про­те­ка­ние гли­це­раль­де­гид-3-фос­фат­де­гид­ро­геназной ре­ак­ции, а зна­чит и все­го Г. В мо­лоч­но­кис­лых бак­те­ри­ях, а так­же в бе­лых мыш­цах (обед­нён­ных ми­то­хон­д­рия­ми по срав­не­нию с крас­ны­ми мыш­ца­ми) лак­тат яв­ля­ет­ся ко­неч­ным про­дук­том Г. У дрож­жей пи­ру­ват пре­вра­ща­ет­ся в эта­нол (спир­то­вое бро­же­ние). Др. гек­со­зы (га­лак­то­за, ман­но­за, фрук­то­за), пен­то­зы и гли­це­рин мо­гут вклю­чать­ся в Г. на раз­ных его ста­ди­ях (напр., ста­дии 2, 3, 5). По­став­щи­ком ос­тат­ков глю­ко­зы для нужд Г. у жи­вот­ных мо­жет так­же слу­жить гли­ко­ген (в этом слу­чае про­цесс на­зы­ва­ют гли­ко­ге­но­ли­зом, он наи­бо­лее ин­тен­сив­но про­те­ка­ет в мыш­цах), а у рас­те­ний – крах­мал, ос­тат­ки глю­ко­зы ко­то­рых во­вле­ка­ют­ся в Г. бла­го­да­ря дей­ст­вию фер­мен­тов, при­во­дя­щих к об­ра­зо­ва­нию сна­ча­ла глю­ко­зо-1-фос­фа­та, а за­тем глю­ко­зо-6-фос­фа­та. В при­сут­ст­вии ки­сло­ро­да ско­рость Г. сни­жа­ет­ся в свя­зи с на­ча­лом про­цес­са ды­ха­ния (эф­фект Пас­те­ра), ко­то­рое обес­пе­чи­ва­ет бо­лее эф­фек­тив­ный ме­ха­низм об­ра­зо­ва­ния бо­га­тых энер­ги­ей свя­зей. В опу­хо­ле­вых клет­ках, безъ­я­дер­ных эрит­ро­ци­тах, эм­брио­наль­ных и не­ко­то­рых дру­гих тка­нях эф­фект Па­сте­ра ос­лаб­лен или от­сут­ству­ет вов­се (т. н. аэроб­ный Г.).

Все ре­ак­ции Г., за ис­клю­че­ни­ем 1, 3 и 10-й, об­ра­ти­мы. Фер­мен­ты, ка­та­ли­зи­рую­щие эти три ре­ак­ции, яв­ля­ют­ся объ­ек­та­ми слож­ной ре­гу­ля­ции. Ско­рость Г. ли­ми­ти­ру­ет фос­фоф­рук­то­ки­на­за-1. Этот фер­мент ак­ти­ви­ру­ют фрук­то­зо-2,6-ди­фос­фат, АДФ и аде­но­зин­мо­но­фос­фат (АМФ), а ин­ги­би­ру­ют АТФ и цит­рат (ио­ни­зи­ро­ван­ная фор­ма ли­мон­ной ки­сло­ты). АТФ по­дав­ля­ет так­же ак­тив­ность гек­со­ки­на­зы и пи­ру­ват­ки­на­зы. Об­ра­зо­ва­ние мощ­но­го ак­ти­ва­то­ра Г. – фрук­то­зо-2,6-ди­фос­фа­та – из фрук­то­зо-6-фос­фа­та осу­ще­ст­в­ля­ет осо­бый фер­мент фос­фоф­рук­то­ки­на­за-2. Гор­мо­ны ад­ре­на­лин и глю­ка­гон че­рез сис­те­му внут­ри­кле­точ­ной сиг­на­ли­за­ции, вклю­чаю­щую об­ра­зо­ва­ние цик­ли­че­ско­го 3’,5’-аде­но­зин­мо­но­фос­фа­та (цАМФ) и ак­ти­ва­цию фер­мен­та про­те­ин­ки­на­зы, вы­зы­ва­ют фос­фо­ри­ли­ро­ва­ние и инак­ти­ва­цию пи­ру­ват­ки­на­зы в пе­че­ни, но не в мыш­цах. Та­кая тка­нес­пе­ци­фич­ная ре­гу­ля­ция не­об­хо­ди­ма для эф­фек­тив­но­го про­те­ка­ния глю­ко­не­о­ге­не­за в пе­че­ни.

Ус­та­нов­ле­но, что не­ко­то­рым фер­мен­там Г. свой­ст­вен ряд функ­ций, не свя­зан­ных с этим про­цес­сом. Напр., гли­цер­аль­де­гид-3-фос­фат­де­гид­ро­геназа мо­жет пе­ре­но­сить­ся в яд­ро и уча­ст­во­вать в ин­дук­ции апоп­то­за, ак­ти­ви­руя про­цес­сы транс­крип­ции.

Возобновляемые источники топлива — обзор

7.8 Будущие направления интегрированных энергетических систем

В этом разделе мы подробно рассмотрим новые направления интегрированных энергетических систем, используя подход 3S. Чистые и возобновляемые виды топлива производятся путем преобразования возобновляемых источников энергии в химические молекулы для использования в различных приложениях с минимальными выбросами парниковых газов или без добавления чистого CO ₂ в атмосферу. Основным преимуществом является использование чистых источников энергии и применение чистых технологий преобразования, как показано на рис.7.12.

Рис. 7.12. Производство возобновляемого топлива из возобновляемых источников энергии и чистых технологий преобразования энергии.

Мы устойчиво используем многочисленные возобновляемые источники энергии, чтобы природные ресурсы не истощались. Это будет способствовать переходу к низкоуглеродной экономике и поможет снизить экономические, экологические риски и риски для здоровья, связанные с загрязнением воздуха и изменением климата, вызываемыми обычным углеводородным топливом.

Возобновляемые виды топлива имеют потенциал для:

•

сокращения выбросов за счет использования возобновляемых и более чистых источников,

•

снижения требований к потребляемой энергии за счет использования новых и передовых технологий преобразования энергии,

•

повышают эффективность системы за счет увеличения полезной отдачи,

•

сокращают выбросы и отходы за счет рекуперации неиспользованной энергии.

Существует несколько способов производства возобновляемого топлива, как показано на рис. 7.13. Здесь мы упомянем некоторые из них, от фотоэлектрохимических до метанирования. В категорию возобновляемого топлива мы можем включить водород (H ₂ ), аммиак (NH ₃ ), метанол (CH ₃ OH), этанол (C ₂ H ₅ OH), диметиловый эфир ( DME) и синтетический природный газ (CH ₄ ). Хотя могут быть и другие потенциальные виды топлива, они в настоящее время являются наиболее многообещающими и привлекают наибольшее внимание в литературе.

Рис. 7.13. Подход 3S для производства возобновляемого топлива

На основе подхода 3S для возобновляемого топлива, как показано на рис. 7.13, источники выбираются из вариантов возобновляемой энергии. Когда речь идет о системных этапах, необходимо выбрать наиболее эффективные и экологически чистые системы преобразования энергии. Желательно, чтобы выбранные системы были эффективными, чистыми и новыми. Этап обслуживания включает в себя чистые виды топлива, такие как водород, аммиак, метанол, этанол, диметиловый эфир и т. Д. В процессе производства возобновляемого топлива существует множество возможностей для нескольких поколений, таких как отопление, охлаждение и электричество, которые можно легко интегрировать в процессы .

Первым этапом производства аммиака, метанола, этанола и синтетического природного газа является производство водорода, как показано на рис. 7.14. Таким образом, зеленый водород играет важную роль во всем процессе. Позже зеленый водород используется в качестве сырья для других видов топлива, как показано на рис. 7.14. Другие необходимые входящие газы, такие как CO, CO ₂ и N ₂ , также должны быть чистыми. CO ₂ может быть получен с помощью технологий улавливания углерода или химического цикла.N ₂ в настоящее время получают на установках разделения воздуха (например, криогенных), но существуют также новые возможности, такие как фотофиксация азота для прямого синтеза аммиака из воздуха. Кроме того, в новых электрохимических методах синтеза аммиака можно использовать прямой воздух при атмосферном давлении.

Рис. 7.14. Иллюстрация производства возобновляемого топлива из возобновляемых источников энергии.

Возобновляемые виды топлива имеют различные варианты использования, как показано на рис. 7.15. Их можно использовать в тепловых двигателях, топливных системах, топливных элементах, системах рекуперации энергии, транспортных средствах, генераторах энергии, трубопроводном транспорте, системах отопления и охлаждения.Водород, аммиак, метанол, синтетический природный газ и этанол можно напрямую использовать в топливных элементах для производства электроэнергии. При наличии синтетического метанола, этанола и природного газа примеси в подаваемом газе могут быть удалены, что обеспечивает прямую подачу в топливные элементы без какой-либо предварительной фильтрации. Таким образом можно снизить эксплуатационные расходы в дополнение к характеристикам выбросов.

Рис. 7.15. Производство чистого топлива из возобновляемых источников энергии, двуокиси углерода, воздуха и воды, а также из различных областей потенциального применения.

Углеродосодержащее топливо, такое как природный газ (метан) или жидкое топливо, такое как метанол или этанол, может производиться из солнечного света, воды и двуокиси углерода. Аммиак для использования в качестве удобрения в сельском хозяйстве может производиться косвенно из солнечного водорода или непосредственно в качестве солнечного топлива из солнечного света, воды и азота в воздухе. Топливо можно легко преобразовать друг в друга с помощью хорошо известных процессов. Производство синтетического топлива из возобновляемых источников с использованием улавливания и связывания углерода значительно снижает углеродный след этих видов топлива и снижает зависимость от углеводородного топлива.Хотя синтетическое топливо включает атомы углерода, его можно производить из возобновляемого водорода и улавливания CO ₂ в ходе любого промышленного процесса, что в конечном итоге делает его экологически безопасным.

7.8.1 Чистый аммиак (NH

₃ )

Экологичный и чистый аммиак будет играть важную роль в устойчивых энергетических системах благодаря следующим основным преимуществам:

•

безуглеродное топливо,

•

устойчивый энергоноситель,

•

отличная рабочая жидкость,

•

более простое управление хранением и транспортировкой,

•

вариант смешивания топлива для современных бензиновых и дизельных двигателей,

•

меньший объем и более низкие уровни давления по сравнению с бортовым водородом,

•

потенциальный кандидат на замену углеводородного топлива во многих секторах, от энергетики до транспорта.

•

многообещающий потенциал для распределенного производства электроэнергии, ведущий к нецентрализованному производству электроэнергии и приложениям для интеллектуальных сетей.

Аммиак в настоящее время является одним из наиболее часто используемых химических веществ во всем мире из-за его множества применений, таких как удобрения, охлаждающие агенты, химические промежуточные продукты и т. Д. Процесс Габера-Боша является наиболее распространенным процессом синтеза аммиака, который требует очень высокие температуры и давление для работы и потребление огромного количества ископаемого топлива, в основном природного газа, что в долгосрочной перспективе ведет к неустойчивому процессу.Аммиак рассматривается не только как сырье, но и как энергоноситель. Благодаря своим многочисленным преимуществам по сравнению с водородом, он может быть средой для хранения и переноса энергии. В настоящее время более 90% мирового синтеза аммиака осуществляется с помощью процесса синтеза Габера-Боша. Этот процесс назван в честь Фрица Габера и Карла Боша, которые разработали этот метод в 1913 году [12, 13]. Как упоминалось ранее, важно отметить, что природный газ является основным сырьем, используемым для производства аммиака во всем мире [31].Это экзотермический процесс, в котором водород и азот сочетаются в соотношении 3: 1 с получением аммиака. Реакции способствует катализатор, оптимальный диапазон температур составляет 450–600 ° C [31–33]. Процесс Габера-Боша был разработан в начале 20-го века для термокаталитического объединения водорода и азота в соответствии со следующей реакцией:

(7,35) 32h3 + 12N2 → Nh4 + 45,2 кДжмоль

Есть и другие новые разработки синтеза аммиака. методы, отнесенные к категории электрохимических маршрутов.Например, твердотельный синтез аммиака (SSAS) использует твердотельный электрохимический процесс для производства аммиака из азота, воды и электричества. Протонпроводящая мембрана нагревается примерно до 550 ° C. При одинаковом давлении азот и водяной пар подают к каждой стороне мембраны, чтобы инициировать реакцию. Водяной пар разделяется на протоны и кислород. При приложении внешнего напряжения протоны переносятся через мембрану, а на азотной стороне мембраны в результате реакции азота и протонов образуется аммиак.

Когда водород получают путем электролиза воды с использованием возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнце, выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду при производстве аммиака заметно уменьшатся. Воду также можно использовать в качестве источника водорода внутри электролитической ячейки посредством ее реакции в электрохимических процессах в различных средах, таких как (i) жидкие электролиты, (ii) расплавленные солевые электролиты, (iii) композитные электролиты, состоящие из традиционного твердого электролита. смешанный с легкоплавкой солью, (iv) твердые электролиты.

Например, электрохимический синтез аммиака на солнечной энергии в расплавленной солевой среде показан на рис. 7.16. Два реагента, азот и водород, смешиваются в эвтектической смеси, состоящей из КОН-NaOH. Электрохимический путь создается для производства аммиака путем реакции азота и водорода в расплавленном растворе гидроксида. Суспензия нано-Fe ₃ O ₄ в расплаве соли действует как катализатор, ускоряющий реакцию.

Рис. 7.16.Фотоэлектрохимический синтез аммиака на основе водорода из солнечного света.

(По материалам Bicer Y. Исследование новых вариантов производства аммиака с использованием фотоэлектрохимического водорода. Кандидатская диссертация. Технологический институт Университета Онтарио, 2017).

Использование зеленого аммиака в различных приложениях сделает сообщество более чистым. Эти системы не обязательно являются централизованными крупномасштабными приложениями. Напротив, они могут быть автономными и малыми / средними приложениями, которые могут способствовать децентрализованным интеллектуальным энергетическим системам.Аммиак также можно легко разложить на водород и азот, используя подвод тепла для дальнейшего использования.

7.8.2 Чистый метанол (CH

₃ OH)

Метанол, синтезированный из зеленого водорода, имеет несколько преимуществ для устойчивых энергетических систем, перечисленных здесь:

•

Метанол уже является коммерчески доступным и жизнеспособным топливом,

•

Имеет очень хорошо развитую глобальную дистрибьюторскую сеть,

•

Легкость обращения,

•

Метанол можно использовать в транспортных средствах и в производстве электроэнергии,

Технологии, которые включают возможное снижение или преобразование CO ₂ , обеспечивают ценные преимущества для защиты окружающей среды.Перспективной технологией являются методы преобразования энергии в газ, при которых CO ₂ рециркулируется и может производиться возобновляемый метанол или синтетический природный газ. Технологическая цепочка преобразования энергии в газ основана на электролизе воды и метанировании CO ₂ . С развитием возобновляемых источников энергии, а также с более широким использованием существующих источников энергии, таких как солнечная энергия, метанол развивается не как источник энергии, а как энергоноситель с большим потенциалом. Процесс состоит из объединения водорода и диоксида углерода для производства метанола, единственным побочным продуктом которого является кислород.Идея состоит в том, чтобы производить метанол из углерода, улавливаемого из атмосферы, в основном из местных источников выбросов, таких как электростанции и промышленные объекты, но с улучшением технологий также из самой атмосферы. Чтобы удовлетворить потребность в водороде в процессе синтеза, электролиз воды проводят с помощью электричества или могут использоваться другие возобновляемые способы (например, фотоэлектролиз, фотокатализ и т. Д.). Компрессоры в установке синтеза метанола также могут работать от возобновляемых источников энергии для большей устойчивости.

7.8.3 Синтетический природный газ (SNG) (CH

₄ )

Природный газ может быть произведен синтетически путем метанирования диоксида углерода, которое является экзотермической каталитической реакцией и обычно работает при температурах от 200 ° C до 550 ° C в зависимости от катализатора:

(7,36) CO2 + 4h3↔Ch5 + 2h3O, △ H = −165 кДжмоль

Схематическое изображение производства синтетического природного газа из возобновляемых источников и CO ₂ показано на рис. 7.17.

Фиг.7.17. Синтез SNG на основе возобновляемых источников энергии для различных услуг.

Как показано на рис. 7.17, превращение энергии в метан можно разделить на три основных процесса: преобразование, хранение и использование. Первый, входной преобразователь, производит богатый метаном газ, называемый синтетическим природным газом (SNG). Второй процесс — это накопление получаемого энергоносителя, за которым следует процесс утилизации, который может включать несколько применений. Электрическая энергия преобразуется в химическую энергию в форме H ₂ с использованием нескольких различных технологий электролиза.Метанирование — это процесс преобразования CO или CO ₂ в метан с использованием источника водорода. СНГ — это потенциальный синтетический носитель для хранения топлива и энергии для стран, у которых мало или совсем нет запасов природного газа.

7.8.4 Чистый этанол (C

₂ H ₅ OH)

Большая часть этанола сегодня производится на предприятиях высокотемпературной ферментации, которые химически превращают кукурузу, сахарный тростник и другие растения в жидкое топливо. Однако для выращивания сельскохозяйственных культур для производства биотоплива требуются тысячи акров земли, а также огромное количество удобрений и воды.Двуокись углерода из атмосферы можно использовать для производства окиси углерода, которая, в свою очередь, будет подаваться на медный катализатор для получения жидкого этанольного топлива. CO ₂ , который выбрасывается в атмосферу при сгорании топлива, будет повторно использован для производства большего количества окиси углерода и большего количества топлива в замкнутом цикле без выбросов. Существует несколько способов производства синтетического этанола, как показано на рис. 7.18.

Рис. 7.18. Некоторые пути синтеза этанола.

(Изменено из Fouih Y El, Bouallou C.Переработка диоксида углерода для производства этанола. Энергетические процедуры 2013; 37: 6679–86. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.06.600).

Первый путь заключается в прямом синтезе этанола из синтез-газа. Второй путь — это преобразование синтез-газа в метанол, который затем превращается в этанол посредством реакции гомологации метанола. На третьем пути синтез-газ превращается в метанол на коммерческом катализаторе синтеза метанола с последующим карбонилированием метанола до уксусной кислоты на второй стадии и затем последующим гидрированием уксусной кислоты до этанола.

Также возможно диссоциация CO ₂ и H ₂ O по отдельности в двух разных электролизерах или одновременно в одной и той же электролизной ячейке. Это можно сделать, используя возобновляемую электроэнергию вместо традиционных процессов риформинга. Совместный электролиз водяного пара и диоксида углерода можно описать следующей реакцией:

(7,37) h3O + CO2 → h3 + CO + O2

Первая реакция, которую необходимо рассмотреть, — это обратная реакция сдвига водяного газа:

(7.38) CO2 + h3 → CO + h3O

Другой побочной реакцией, которая также может повлиять на процесс электролиза, является образование кокса следующим образом:

(7,39) CO → C + 12O2

Прямой синтез этанола регулируется следующим реакция:

(7,40) 2CO + 4h3 → C2H5OH + h3O

Пример получения синтетического топлива путем совместного электролиза CO ₂ и H ₂ O показан на рис. 7.19.

Рис. 7.19. CO ₂ и H ₂ O со-электролиз для производства синтетического топлива.

Кроме того, на рис. 7.20 изображен пример варианта синтеза синтетического этанола из солнечного водорода.

Рис. 7.20. Производство синтетического этанола на основе солнечного водорода.

Снижение стоимости возобновляемых видов топлива позволяет им конкурировать с существующими углеводородными видами топлива, и в конечном итоге они заменят углеводороды на безуглеродное топливо и синтетическое топливо рентабельным и эффективным способом. Метанол и этанол можно производить из чистого водорода, что делает весь процесс более экологически чистым.

7.8.5 Чистый диметиловый эфир (DME) (CH

₃ OCH ₃ )

Диметиловый эфир (DME) считается одним из многообещающих возобновляемых альтернативных видов топлива. Диметиловый эфир дает существенные преимущества с точки зрения хранения и использования водорода. Это может снизить зависимость от ископаемых видов топлива, минимизировать воздействие на окружающую среду от сжигания топлива и внедрить более экологически безопасные альтернативные виды топлива.

ДМЭ традиционно получают в две стадии, на первой стадии метанол синтезируется из синтез-газа; после очистки метанола он превращается в ДМЭ в другом реакторе посредством процесса, называемого дегидратацией метанола [34, 35].Процесс дегидратации метанола обычно предпочтительно проходит при более низкой температуре, чтобы избежать образования других побочных продуктов.

Технологические реакции непрямого синтеза ДМЭ можно записать следующим образом:

Синтез метанола из CO ₂ :

(7,41) CO2 + 3h3 → Ch4OH + h3O

Дегидратация метанола:

(7,42) 2Ch4OH → Ch4OCh4 + h3O

В качестве альтернативы, обе стадии (синтез метанола и дегидратация метанола) можно объединить в одном процессе [36].В этом случае это называется прямым синтезом DME. Технологические реакции прямого синтеза ДМЭ можно записать следующим образом:

(7,43) 3CO + 3h3 → Ch4OCh4 + CO2

(7,44) 2CO + 4h3 → Ch4OCh4 + h3O

В процессе синтеза ДМЭ метанол превращается в ДМЭ. процессом дегидратации метанола. Дегидратация метанола — это, по сути, удаление воды из метанола с получением ДМЭ. На типичной установке смесь метанол-ДМЭ нагревается до примерно 260 ° C с помощью теплообменника перед поступлением в реактор ДМЭ, который находится под давлением примерно 10-15 бар [37].Конечными продуктами реактора являются ДМЭ, непрореагировавший метанол и вода. Поток продукта выходит при температуре в диапазоне 275–300 ° C, поскольку реакция является экзотермической. Поток продукта проходит через теплообменник для охлаждения и нагрева потока сырья в реактор DME. Затем охлажденный поток продукта подают во вторую дистилляционную колонну для отделения образовавшегося ДМЭ от смеси при давлении около 10 бар [37]. Оставшуюся смесь направляют в третью дистилляционную колонну, в которой метанол отделяют от воды под давлением около 2.5–3 бар [37]. Экстрагированный чистый метанол из верхней части дистилляционной колонны рециркулируют обратно в реактор DME.

Производство чистого ДМЭ начинается с производства чистого водорода, продолжается синтезом чистого метанола и заканчивается синтезом чистого ДМЭ с использованием возобновляемых источников энергии. Если потребность в тепловой и электрической энергии всего процесса может быть получена за счет возобновляемых источников или отработанного тепла, может быть получен чистый DME, как показано на рис. 7.21.

Рис. 7.21.Чистый синтез ДМЭ из отходящего тепла и возобновляемых источников.

DME считается чистым топливом, поскольку он имеет низкие выбросы выхлопных газов, не производит твердых частиц, имеет более низкие выбросы CO ₂ и имеет высокий тепловой КПД. Кроме того, его можно использовать для различных целей, таких как транспорт, отопление жилых домов и производство электроэнергии. DME, вероятно, будет использоваться вместо дизельного топлива в дизельных двигателях и газовых турбинах. Кроме того, он может работать как двойное топливо со сжиженным нефтяным газом и бензином для снижения воздействия на окружающую среду [38, 39].DME является портативным, что означает, что его можно легко хранить, транспортировать и использовать, если обращение с ним осуществляется должным образом. Его можно синтезировать из различных сырьевых материалов, таких как биомасса, уголь, природный газ и водород.

7.8.6 Новые варианты системной интеграции

В этом разделе мы перечисляем многие новые подходы к системной интеграции, как показано на рис. 7.22. Эти системы имеют многообещающий потенциал в будущем.

Рис. 7.22. Несколько новых вариантов системной интеграции для будущих устойчивых энергетических систем.

Повышение отказоустойчивости ядерного топлива с оболочкой из сплава Mo с покрытием

При авариях с серьезной потерей теплоносителя (LOCA), аналогичных тем, которые произошли на Фукусима-Дайити и на блоке 1 Три-Майл-Айленд, материалы оболочки топлива из циркониевого сплава быстро нагреваются из-за нагреву ядерного распада и быстрому экзотермическому окислению циркония водяным паром. Этот нагрев заставляет оболочку быстро реагировать с паром, терять прочность, разрываться или разрушаться и выделять большие количества газообразного водорода.Хотя поддержание охлаждения активной зоны остается наивысшим приоритетом в управлении авариями, конструкция с устойчивым к авариям топливом (ATF) может увеличить время восстановления и восстановления для операторов, чтобы восстановить аварийное питание и охлаждение, а также обеспечить безопасный останов. ATF должна обладать высокой стойкостью к паровому окислению для уменьшения образования водорода и достаточной механической прочностью для поддержания целостности топливного стержня и охлаждаемости активной зоны. Инициатива, предпринятая Исследовательским институтом электроэнергетики (EPRI), заключается в демонстрации возможности разработки оболочки ATF, способной сохранять свою целостность в паре 1200–1500 ° C в течение как минимум 24 часов.В этой оболочке ATF используются тонкостенные Мо-сплавы, покрытые стойкими к окислению поверхностными слоями. Базовая конструкция состоит из тонкостенной конструкционной трубы из сплава Мо с металлургически скрепленным, устойчивым к окислению внешним слоем. Изучаются два варианта: коммерчески доступный сплав железа, хрома и алюминия с превосходной стойкостью к высокотемпературному окислению и сплав Zr с продемонстрированной коррозионной стойкостью. Поскольку эти композитные оболочки не будут содержать Zr или будут содержать тонкие внешние слои из Zr, образование водорода в жестких условиях LOCA будет значительно уменьшено.Ключевые технические проблемы и неопределенности, характерные для оболочки твэлов из молибденового сплава, включают: экономичную конструкцию активной зоны, возможность изготовления в промышленных масштабах, радиационное охрупчивание, устойчивость к коррозии и окислению при нормальной эксплуатации, переходных режимах и тяжелых авариях. Был достигнут прогресс по каждому аспекту, и в этом документе обсуждаются ключевые результаты. Ожидается, что помимо помощи предприятиям в решении проблем легководных реакторов (LWR), аварийно-устойчивые технологии оболочек на основе Mo будут применимы для использования в конструкциях высокотемпературных гелиевых и расплавленных солей реакторов, а также в неядерных высокотемпературных применениях.

Присадки к смазочным материалам — Практическое руководство

Специалисты в области смазывания часто хорошо знакомы с вязкостью базового масла своих смазочных материалов. В конце концов, вязкость — самое важное свойство базового масла.

Устанавливаются базовые уровни для поступающих масел, а состояние смазочного материала контролируется только на основании вязкости. Однако смазочные материалы — это не только вязкость. Крайне важно понимать роль присадок и их функции в смазочном материале.

Смазочные добавки представляют собой органические или неорганические соединения, растворенные или взвешенные в виде твердых частиц в масле. Обычно они составляют от 0,1 до 30 процентов объема масла, в зависимости от машины.

Добавки выполняют три основные роли:

• Улучшить свойства существующих базовых масел с помощью антиоксидантов, ингибиторов коррозии, пеногасителей и деэмульгаторов.

• Подавляет нежелательные свойства базового масла с помощью присадок, понижающих температуру застывания, и присадок, улучшающих индекс вязкости (VI).

• Придает новые свойства базовым маслам с помощью противозадирных присадок, детергентов, дезактиваторов металлов и добавок для повышения клейкости.

Полярные добавки

Полярность присадки определяется как естественное направленное притяжение молекул присадки к другим полярным материалам, контактирующим с маслом. Проще говоря, это все, что вода растворяет или растворяется в воде.

Губка, металлическая поверхность, грязь, вода и древесная масса полярны.Неполярные вещи включают воск, тефлон, минеральную основу, утиную спину и водоотталкивающие средства.

Важно отметить, что добавки тоже жертвенные. Как только они ушли, они ушли. Подумайте об окружающей среде, в которой вы работаете, о продукции, которую вы производите, и о типах загрязняющих веществ

которые ежедневно окружают вас. Если вы допускаете попадание в вашу систему загрязняющих веществ, которые привлекают добавки, таких как грязь, диоксид кремния и вода, добавки будут цепляться за загрязняющие вещества и оседать на дно или будут отфильтрованы и истощат ваш пакет присадок.

Полярные механизмы

Есть несколько полярных механизмов, таких как обволакивание частиц, эмульгирование воды и смачивание металла, которые заслуживают обсуждения.

Обволакивание частиц означает, что добавка будет прилипать к поверхности частицы и обволакивать ее. Эти добавки являются дезактиваторами металлов, детергентами и диспергаторами. Они используются для пептизации (диспергирования) частиц сажи с целью предотвращения агломерации, осаждения и отложений, особенно при низких и умеренных температурах.

Обычно вы видите это в движке. Это хороший повод для ремонта и устранения любых проблем, как только они будут обнаружены с помощью соответствующего тестового листа для анализа масла.

Эмульгирование воды происходит, когда полярная головка добавки цепляется за микрокапельку влаги. Эти типы добавок являются эмульгаторами. Учтите это в следующий раз, когда увидите воду в резервуаре.

Несмотря на то, что важно удалить воду, определить, где вода попала в систему, и отремонтировать ее, используя подход к устранению первопричины, вы также должны помнить, что был поврежден пакет присадок.С точки зрения смазки это называется истощением присадок. Правильный отчет об анализе масла может определить состояние присадок, оставшихся в смазке.

Смачивание металла — это когда добавки закрепляются на металлических поверхностях, что и должно происходить. Они крепятся к внутренней части корпуса шестерни, зубьев шестерен, подшипников, валов и т. Д.

Эту функцию выполняют ингибиторы ржавчины, противоизносные (AW) и противозадирные присадки, маслянистые агенты и ингибиторы коррозии.

Добавки AW работают специально для защиты металлических поверхностей в граничных условиях. Они образуют пластичную, похожую на золу пленку при температуре контакта от умеренной до высокой (от 150 до 230 градусов по Фаренгейту).

В граничных условиях вместо материала поверхности срезается пленка AW.

Одной из распространенных противоизносных присадок является диалкилдитиофосфат цинка (ZDDP). Это снижает риск контакта металла с металлом, который может привести к повышенному нагреву, окислению и отрицательно сказаться на прочности пленки.

Вне зависимости от того, улучшают ли они, подавляют или придают новые свойства базовому маслу, присадки играют важную роль в смазке оборудования. Помните, что когда присадки закончились, их уже нет, поэтому не забудьте проверить свой пакет присадок.

63%	Согласно недавнему опросу, проведенному компанией machinerylubrication, профессионалов в области смазочных материалов следят за состоянием присадок в рамках своей программы анализа масла.com

Типы присадок к смазочным материалам

Существует много типов химических добавок, смешанных с базовыми маслами для улучшения свойств базового масла, подавления некоторых нежелательных свойств базового масла и, возможно, для придания некоторых новых свойств.

Добавки обычно составляют от 0,1 до 30 процентов готового смазочного масла, в зависимости от целевого применения смазочного материала.

Присадки к смазочным материалам — это дорогостоящие химические вещества, и создание правильной смеси или рецептуры присадок — очень сложная наука.Выбор присадок отличает турбинное (R&O) масло от гидравлического, трансмиссионного и моторного масла.

Доступно множество присадок к смазочным материалам, и они выбираются для использования в зависимости от их способности выполнять предполагаемую функцию. Их также выбирают из-за их способности легко смешиваться с выбранными базовыми маслами, чтобы они были совместимы с другими присадками в составе и были экономически эффективными.

Некоторые присадки выполняют свою функцию в масле (например,g., антиоксиданты), в то время как другие выполняют свою работу на поверхности металла (например, противоизносные присадки и ингибиторы ржавчины).

Обычные присадки к смазочным материалам

К ним относятся следующие общие типы добавок:

Антиоксиданты

Окисление — это общее воздействие кислорода воздуха на самые слабые компоненты базового масла. Это происходит при любых температурах все время, но ускоряется при более высоких температурах и в присутствии воды, металлов износа и других загрязняющих веществ.

В конечном итоге это вызывает образование кислот (которые вызывают коррозию) и шлама (что приводит к образованию отложений на поверхности и увеличению вязкости). Ингибиторы окисления, как их еще называют, используются для продления срока службы масла.

Это жертвенные присадки, которые расходуются при выполнении своей обязанности по задержке начала окисления, тем самым защищая базовое масло. Они присутствуют практически в каждом смазочном масле и консистентной смазке.

Ингибиторы ржавления и коррозии

Эти добавки уменьшают или устраняют внутреннюю ржавчину и коррозию, нейтрализуя кислоты и создавая химический защитный барьер, отталкивающий влагу от металлических поверхностей.

Некоторые из этих ингибиторов специфичны для защиты определенных металлов. Следовательно, масло может содержать несколько ингибиторов коррозии. Опять же, они распространены почти во всех маслах и смазках. Деактиваторы металлов — еще одна форма ингибиторов коррозии.

Улучшители индекса вязкости

Улучшители индекса вязкости — это очень крупные полимерные присадки, которые частично предотвращают разжижение масла (потерю вязкости) при повышении температуры. Эти присадки широко используются при смешивании всесезонных моторных масел, таких как SAE 5W-30 или SAE 15W-40.

Они также отвечают за лучший поток масла при низких температурах, что приводит к снижению износа и улучшенной экономии топлива. Кроме того, присадки, улучшающие индекс вязкости, используются для получения гидравлических и трансмиссионных масел с высоким индексом вязкости, улучшающих запуск и смазку при низких температурах.

Чтобы наглядно представить, как действует присадка, улучшающая ИВ, представьте себе улучшитель ИВ как осьминога или спиральную пружину, которая остается свернутой в шарик при низких температурах и очень мало влияет на вязкость масла.

Затем, когда температура повышается, присадка (или осьминог) расширяет или удлиняет свои плечи (делая его больше) и предотвращает слишком сильное разжижение масла при высоких температурах.

У улучшителей VI действительно есть пара отрицательных особенностей. Добавки представляют собой крупногабаритные (высокомолекулярные) полимеры, что делает их восприимчивыми к измельчению или разрезанию на мелкие части компонентами машин (усилия сдвига). Как известно, шестерни плохо относятся к присадкам, улучшающим ИВ.

Постоянный сдвиг присадки, улучшающей ИВ, может вызвать значительные потери вязкости, которые можно обнаружить с помощью анализа масла.Вторая форма потери вязкости возникает из-за высоких сил сдвига в зоне нагрузки фрикционных поверхностей (например, в опорных подшипниках).

Считается, что добавка, улучшающая ИВ, теряет свою форму или однородную ориентацию и, следовательно, теряет часть своей загущающей способности.

Вязкость масла временно падает в зоне нагрузки, а затем возвращается к своей нормальной вязкости после того, как масло покидает зону нагрузки. Эта характеристика фактически помогает снизить расход топлива.

Существует несколько различных типов присадок, улучшающих ИВ (распространены олефиновые сополимеры). Высококачественные улучшители ИВ менее подвержены постоянным потерям при сдвиге, чем недорогие некачественные улучшители ИВ.

Противоизносные (AW) средства

Эти присадки обычно используются для защиты деталей машин от износа и потери металла в условиях граничной смазки. Это полярные добавки, которые прикрепляются к фрикционным металлическим поверхностям.

Они химически реагируют с металлическими поверхностями при контакте металла с металлом в условиях смешанной и граничной смазки.

Они активируются теплом контакта, образуя пленку, которая минимизирует износ. Они также помогают защитить базовое масло от окисления, а металл — от коррозионных кислот.

Эти присадки «расходуются», выполняя свою функцию, после чего увеличивается адгезионный износ. Обычно это соединения фосфора, наиболее распространенным из которых является диалкилдитиофосфат цинка (ZDDP).

Существуют различные версии ZDDP — одни предназначены для гидравлических систем, другие — для более высоких температур, встречающихся в моторных маслах.ZDDP также обладает некоторыми антиоксидантными и ингибирующими коррозию свойствами. Кроме того, для защиты от износа используются другие типы химикатов на основе фосфора (например, TCP).

Противозадирные присадки

Эти присадки более химически агрессивны, чем присадки AW. Они вступают в химическую реакцию с металлическими (железными) поверхностями, образуя жертвенную поверхностную пленку, которая предотвращает сварку и заедание противоположных неровностей, вызванных контактом металла с металлом (адгезионный износ).

Они активируются при высоких нагрузках и возникающих высоких температурах контакта. Обычно они используются в трансмиссионных маслах и придают этим маслам уникальный сильный запах серы. Эти добавки обычно содержат соединения серы и фосфора (а иногда и соединения бора).

Они могут вызывать коррозию желтых металлов, особенно при более высоких температурах, и поэтому не должны использоваться в червячных передачах и аналогичных устройствах, где используются металлы на основе меди.Существуют некоторые противозадирные присадки на основе хлора, но они используются редко из-за проблем с коррозией.

Противоизносные присадки и противозадирные присадки образуют большую группу химических добавок, которые выполняют свою функцию защиты металлических поверхностей во время граничной смазки, образуя защитную пленку или барьер на изнашиваемых поверхностях.

Пока между металлическими поверхностями сохраняется гидродинамическая или эластогидродинамическая масляная пленка, граничная смазка не происходит, и эти присадки граничной смазки не требуются для выполнения своей функции.

Когда масляная пленка действительно разрушается и возникает контакт с шероховатостями при высоких нагрузках или высоких температурах, эти присадки для граничной смазки защищают изнашиваемые поверхности.

Моющие средства

Моющие средства выполняют две функции. Они помогают сохранять детали из горячего металла свободными от отложений (чистыми) и нейтрализуют кислоты, образующиеся в масле. Моющие средства в основном используются в моторных маслах и имеют щелочную или щелочную природу.

Они составляют основу резервной щелочности моторных масел, которая обозначается как базовое число (BN).Обычно это материалы химического состава кальция и магния. Моющие средства на основе бария использовались в прошлом, но сейчас используются редко.

Поскольку эти соединения металлов оставляют отложения золы при сжигании масла, они могут вызывать образование нежелательных остатков при высоких температурах. Из-за проблемы золы многие производители оригинального оборудования рекомендуют малозольные масла для оборудования, работающего при высоких температурах. Моющая добавка обычно используется вместе с диспергирующей добавкой.

Диспергенты

Диспергаторы в основном содержатся в моторном масле вместе с моющими средствами, которые помогают поддерживать двигатель в чистоте и без отложений.Основная функция диспергаторов заключается в том, чтобы частицы сажи дизельного двигателя оставались мелкодисперсными или взвешенными в масле (размером менее 1 микрона).

Цель состоит в том, чтобы удерживать загрязнение во взвешенном состоянии и не позволять ему скапливаться в масле, чтобы свести к минимуму повреждения и можно было бы вынести из двигателя во время замены масла. Диспергаторы обычно бывают органическими и беззольными. По существу, их нелегко обнаружить с помощью обычного анализа масла.

Комбинация моющих / диспергирующих добавок позволяет нейтрализовать большее количество кислотных соединений и оставаться во взвешенном состоянии большему количеству загрязняющих частиц.Поскольку эти присадки выполняют свои функции по нейтрализации кислот и суспендированию загрязняющих веществ, они в конечном итоге превысят свою способность, что потребует замены масла.

Пеногасители

Химические вещества в этой группе присадок обладают низким межфазным натяжением, что ослабляет стенки масляных пузырьков и позволяет пузырькам пены более легко лопаться. Они косвенно влияют на окисление, уменьшая контакт воздуха с маслом.

Некоторые из этих присадок представляют собой нерастворимые в масле силиконовые материалы, которые не растворяются, а тонко диспергируются в смазочном масле.Обычно требуются очень низкие концентрации. Если добавить слишком много противопенной добавки, это может иметь обратный эффект и способствовать дальнейшему пенообразованию и улавливанию воздуха.

Модификаторы трения

Модификаторы трения обычно используются в моторных маслах и жидкостях для автоматических трансмиссий для изменения трения между двигателем и компонентами трансмиссии. В двигателях упор делается на снижение трения для повышения экономии топлива.

В трансмиссиях основное внимание уделяется улучшению сцепления материалов сцепления.Модификаторы трения можно рассматривать как противоизносные присадки для более низких нагрузок, которые не активируются при температурах контакта.

Депрессанты точки застывания

Температура застывания масла — это примерно самая низкая температура, при которой масло остается жидким. Кристаллы воска, образующиеся в парафиновых минеральных маслах, кристаллизуются (становятся твердыми) при низких температурах. Твердые кристаллы образуют решетку, которая препятствует течению оставшейся жидкой нефти.

Присадки этой группы уменьшают размер кристаллов парафина в масле и их взаимодействие друг с другом, позволяя маслу продолжать течь при низких температурах.

Деэмульгаторы

Деэмульгаторы предотвращают образование стабильной водно-масляной смеси или эмульсии, изменяя межфазное натяжение масла, так что вода сливается и легче отделяется от масла. Это важная характеристика для смазочных материалов, подверженных воздействию пара или воды, так что свободная вода может осаждаться и легко сливаться в резервуар.

Эмульгаторы

Эмульгаторы используются в жидкостях для металлообработки на водно-масляной основе и огнестойких жидкостях для создания стабильной водно-масляной эмульсии.Эмульгаторную добавку можно рассматривать как клей, связывающий масло и воду вместе, потому что обычно они хотели бы отделиться друг от друга из-за межфазного натяжения и различий в удельном весе.

Биоциды

Биоциды часто добавляют в смазки на водной основе, чтобы контролировать рост бактерий.

Добавки для повышения клейкости

Добавки для повышения клейкости представляют собой волокнистые материалы, используемые в некоторых маслах и консистентных смазках для предотвращения отбрасывания смазки с поверхности металла во время вращательного движения.

Чтобы быть приемлемыми как для блендеров, так и для конечных пользователей, добавки должны быть пригодны для использования в обычном смесительном оборудовании, стабильны при хранении, не иметь неприятного запаха и быть нетоксичными по нормальным промышленным стандартам.

Поскольку многие из них представляют собой высоковязкие материалы, они обычно продаются разработчикам масел в виде концентрированных растворов в носителе базового масла.

Несколько ключевых моментов о добавках:
Больше добавок не всегда лучше. Старая поговорка «Если немного чего-то хорошо, то больше того же лучше» не всегда верна при использовании присадок к маслу.

По мере того, как в масло добавляется больше присадок, иногда пользы больше не получается, а иногда эксплуатационные характеристики фактически ухудшаются. В других случаях характеристики присадки не улучшаются, но увеличивается срок службы.

Увеличение процентного содержания определенной присадки может улучшить одно свойство масла и в то же время ухудшить другое.Когда указанные концентрации присадок становятся несбалансированными, это может повлиять на общее качество масла.

Некоторые добавки конкурируют друг с другом за одно и то же место на металлической поверхности. Если к маслу добавить высокую концентрацию противоизносного агента, ингибитор коррозии может стать менее эффективным. В результате может увеличиться количество проблем, связанных с коррозией.

Как истощаются присадки к маслам

Очень важно понимать, что большая часть этих добавок расходуется и истощается:

1. « разложение » или разложение,
2. « адсорбция » на поверхности металла, твердых частиц и воды, и
3. « сепарация » из-за осаждения или фильтрации.

Механизмы адсорбции и разделения включают массоперенос или физическое движение добавки.

Для многих присадок, чем дольше масло остается в эксплуатации, тем менее эффективен оставшийся пакет присадок для защиты оборудования.

Когда пакет присадок ослабевает, вязкость увеличивается, начинает образовываться осадок, коррозионные кислоты начинают разъедать подшипники и металлические поверхности, и / или износ увеличивается. Если используются масла низкого качества, проблема, при которой начнутся проблемы, наступит гораздо раньше.

Именно по этим причинам всегда следует выбирать высококачественные смазочные материалы, отвечающие правильным отраслевым спецификациям (например, сервисной классификации двигателей API). Приведенную ниже таблицу можно использовать в качестве руководства для более полного понимания типов присадок и их функций в составах моторных масел.

ЗАЩИТНЫЕ ДОБАВКИ СМАЗКИ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ
ТИП ДОБАВКИ	НАЗНАЧЕНИЕ	ТИПОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ	ФУНКЦИИ
Противоизносное средство	Уменьшает трение и износ, а также предотвращает задиров и задиров	Дитиофосфаты цинка, органические фосфаты и кислые фосфаты; органические соединения серы и хлора; сернистые жиры, сульфиды и дисульфиды	Химическая реакция с поверхностью металла с образованием пленки с более низкой прочностью на сдвиг, чем у металла, что предотвращает контакт металла с металлом
Ингибитор коррозии и ржавления	Предотвращает коррозию и ржавление металлических деталей, контактирующих со смазкой	Дитиофосфаты цинка, феноляты металлов, сульфонаты основных металлов, жирные кислоты и амины	Предпочтительная адсорбция полярных компонентов на поверхности металла для создания защитной пленки и / или нейтрализации коррозионных кислот
Моющее средство	Очищайте поверхности от отложений и нейтрализуйте коррозионные кислоты	Металлоорганические соединения фенолятов, фосфатов и сульфонатов бария, кальция и магния	Химическая реакция с шламом и предшественниками лака для их нейтрализации и сохранения растворимости
Диспергатор	Сохраняйте нерастворимую сажу в смазке .	Полимерные алкилтиофосфонаты и алкилсукцинимиды, органические комплексы, содержащие соединения азота	Загрязняющие вещества связываются полярным притяжением с молекулами диспергатора, предотвращаются агломерации и удерживаются во взвешенном состоянии благодаря растворимости диспергатора
Модификатор трения	Изменить коэффициент трения	Органические жирные кислоты и амины, жирное сало, высокомолекулярный органический фосфор и сложные эфиры фосфорной кислоты	Предпочтительная адсорбция поверхностно-активных материалов
ДОБАВКИ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ СМАЗКИ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ
Депрессант	Обеспечить течь смазки при низких температурах	Алкилированные нафталин и фенольные полимеры, полиметакрилаты	Измените образование кристаллов воска, чтобы уменьшить блокировку
Агент набухания уплотнения	Набухающие эластомерные уплотнения	Органические фосфаты, ароматические соединения, галогенированные углеводороды	Химическая реакция с эластомером, вызывающая небольшое разбухание
Улучшитель вязкости	Уменьшите скорость изменения вязкости с температурой	Полимеры и сополимеры метакрилатов, бутадиенолефинов и алкилированных стиролов	Полимеры расширяются при повышении температуры для предотвращения разжижения нефти
ЗАЩИТНЫЕ СМАЗКИ СМАЗКИ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ
Противовспенивающий	Предотвращение образования стойкой пены смазкой	Силиконовые полимеры и органические сополимеры	Уменьшить поверхностное натяжение для ускорения схлопывания пены
Антиоксидант	Замедление окислительного разложения	Дитиофосфаты цинка, пространственно затрудненные фенолы, ароматические амины, сульфированные фенолы	Разлагает пероксиды и прекращает свободнорадикальные реакции
Деактиватор металла	Снижает каталитическое действие металлов на скорость окисления	Органические комплексы, содержащие азот или серу, амины, сульфиды и фосфиты	Образует неактивную пленку на металлических поверхностях за счет образования комплексов с ионами металлов

Из приведенной выше информации очевидно, что в большинстве масел, используемых для смазки оборудования, присутствует много химического состава.Это сложные смеси химикатов, которые находятся в равновесии друг с другом и требуют соблюдения.

По этим причинам следует избегать смешивания различных масел и добавления дополнительных присадок к смазочным материалам.

Присадки и дополнительные кондиционеры для масла, продающиеся после продажи

Доступны сотни химических присадок и дополнительных кондиционеров к смазочным материалам. В некоторых специализированных областях или отраслях промышленности эти присадки могут использоваться для улучшения смазки.

Однако некоторые производители дополнительных смазочных материалов будут делать заявления о своих продуктах, которые являются преувеличенными и / или бездоказательными, или они не упоминают отрицательный побочный эффект, который может вызвать присадка.

Будьте очень осторожны при выборе и применении этих продуктов или, что еще лучше, избегайте их использования. Если вы хотите масло лучшего качества, купите в первую очередь лучшее масло и оставьте химию людям, которые знают, что делают.

Часто гарантии на масло и оборудование аннулируются при использовании присадок, не выпускаемых после продажи, потому что окончательный состав никогда не был протестирован и одобрен.Предостережение для покупателя.

При рассмотрении вопроса об использовании сторонней добавки для решения проблемы целесообразно помнить следующие правила:

Правило № 1
Некачественный смазочный материал не может быть преобразован в продукт премиум-класса простым добавлением присадки. Покупка некачественного готового масла и попытки преодолеть его плохие смазывающие качества с помощью специальной присадки нелогичны.

Правило № 2
Некоторые лабораторные тесты можно обмануть, чтобы получить положительный результат. Некоторые добавки могут обмануть данный тест и дать положительный результат. Часто проводятся множественные испытания на окисление и износ, чтобы получить лучшее представление о характеристиках присадки. Затем проводятся фактические полевые испытания.

ПРАВИЛО № 3
Базовые масла могут растворять (переносить) только определенное количество присадок. В результате добавление дополнительной присадки к маслу, имеющему низкий уровень растворимости или уже насыщенному присадкой, может просто означать, что присадка выпадет из раствора и останется на дне картера или поддона.Добавка никогда не может выполнять заявленную или предполагаемую функцию.

Если вы решите использовать присадку стороннего производителя, перед добавлением какой-либо дополнительной присадки или кондиционера масла в смазываемую систему примите следующие меры предосторожности:

1. Определите, существует ли реальная проблема со смазкой. Например, проблема загрязнения масла чаще всего связана с плохим обслуживанием или недостаточной фильтрацией и не обязательно с плохой смазкой или некачественным маслом.

2. Выберите подходящую дополнительную присадку или кондиционер для масла. Это означает, что нужно потратить время на исследование состава и совместимости различных продуктов на рынке.

3. Настаивайте на предоставлении фактических данных полевых испытаний, подтверждающих заявления об эффективности продукта.

4. Проконсультируйтесь в авторитетной независимой лаборатории анализа масла.Перед добавлением дополнительной присадки проверьте имеющееся масло как минимум дважды. Это установит точку отсчета.

5. После добавления специальной присадки или кондиционера продолжайте регулярно проверять масло. Только с помощью этого метода сравнения можно получить объективные данные об эффективности добавки.

Существует много споров по поводу применения дополнительных добавок.Однако верно то, что определенные дополнительные присадки к смазочным материалам уменьшают или устраняют трение в некоторых областях применения, таких как пути станков, зубчатые передачи с противозадирным давлением и некоторые приложения гидравлических систем высокого давления.

Исследование коррозии и протонного облучения на месте сплавов-кандидатов для ATF в имитированной первичной воде PWR (конференция)

Был, Гэри, и Ван, Пэн. Исследование коррозии и протонного облучения на месте сплавов-кандидатов для ATF в имитированной первичной воде PWR . США: Н. П., 2017. Интернет.

Был, Гэри и Ван, Пэн. Исследование коррозии и протонного облучения на месте сплавов-кандидатов для ATF в имитированной первичной воде PWR . Соединенные Штаты.

Был, Гэри, и Ван, Пэн.Солнце . "Исследование коррозии и протонного облучения на месте сплавов-кандидатов ATF в моделированной первичной воде PWR". Соединенные Штаты. https://www.osti.gov/servlets/purl/1474322.

@article {osti_1474322,
title = {In-situ протонное облучение-коррозионное исследование сплавов-кандидатов для ATF в имитированной первичной воде PWR},
author = {Был, Гэри и Ван, Пэн},
abstractNote = {Повышенное облучением коррозионное поведение сплавов-кандидатов в аварийно-устойчивое топливо T91 и Fe15Cr4Al было оценено с помощью экспериментов по протонной коррозии и протонной коррозии на месте в гидрогенизированной чистой воде (при 320 ° C, 3 частей на миллион в час) с 5.Пучок протонов с энергией 4 МэВ. Тонкий образец действовал как «окно», позволяющее протонам полностью проникать в образец при сохранении давления в системе. Область образцов, подвергнутая воздействию протонного пучка, испытала воздействие смещенных повреждений и продуктов радиолиза. Цель исследования - охарактеризовать влияние радиации на кинетику и характер окисления, вызванного ускоренной водной коррозией под облучением. Сравнивали образцы, облученные протонами для полного повреждения смещения * 0,1 сна (мощность дозы в воде, 400 кГр / с) при времени воздействия 24 ч.Морфология оксида, фазовая структура и состав оксида, металла и границы раздела металл / оксид были исследованы с использованием ПЭМ и EDS и связаны с условиями испытаний. Скорость окисления или толщина получаемого оксида зависит от содержания Cr в сплаве; скорость окисления увеличивалась с уменьшением содержания Cr. Полученный оксид состоит из внутреннего слоя богатого хромом оксида шпинели и внешних кристаллов магнетита в необлученной области; в то время как облучаемая область состоит из богатой хромом внутренней оксидной шпинели, которая была частично растворена, и покрывает внешние неограненные осадки гематита.},
doi = {},
url = {https://www.osti.gov/biblio/1474322}, journal = {Труды 18-й Международной конференции по экологической деградации материалов в ядерных энергетических системах - водные реакторы, серия "Минералы, металлы и материалы"},
number =,
объем =,
place = {United States},
год = {2017},
месяц = ​​{8}
}

Защитные покрытия на сплавах на основе циркония в качестве оболочек аварийного топлива (ATF)

Сплавы на основе поверхностно-модифицированного циркония (Zr), в основном за счет изготовления защитных покрытий, разрабатываются и оцениваются как оболочки аварийного топлива (ATF) с целью повышения надежности и безопасности топлива во время нормальной эксплуатации, ожидаемых при эксплуатации событий и сценариев аварий в реакторах с водяным охлаждением.В этом обзоре сначала кратко описаны характеристики плакировок из сплава Zr в нормальных и аварийных условиях. При оценке предыдущих исследований выделяются различные концепции покрытий, основанные на материалах покрытий, с упором на их характеристики при испытаниях на гидротермальную коррозию в автоклавах и испытаниях на окисление паром при высоких температурах. Проблемы использования покрытий, включая выбор материалов, технологию осаждения и стабильность в различных ситуациях, обсуждаются, чтобы дать некоторые ценные рекомендации для будущей исследовательской деятельности.

Справочные документы

Абдельразек ID, Шаркави SW, Эль-Сайед HA. Пиролитическое углеродное покрытие трубок из циркалоя-4 при относительно низких температурах. J Nucl Mater 1997; 249: 159–164. Искать в Google Scholar

Al-Olayyan Y, Fuchs GE, Baney R, Tulenko J. Влияние состояния поверхности подложки из циркалоя-4 на адгезионную прочность и коррозию покрытий SiC. J Nucl Mater 2005; 346: 109–119. Искать в Google Scholar

Alat E, Motta AT, Comstock RJ, Partezana JM, Wolfe DE.Керамическое покрытие для защиты оболочек ядерного топлива от коррозии (c3). Surf Coat Technol 2015; 281: 133–143. Искать в Google Scholar

Alat E, Motta AT, Comstock RJ, Partezana JM, Wolfe DE. Многослойные (TiN, TiAlN) керамические покрытия для оболочки ядерного топлива. J Nucl Mater 2016; 478: 236–244. Искать в Google Scholar

Allen TR, Konings RJM, Motta AT. Коррозия циркониевых сплавов. В: Konings RJM, редактор. Комплексные ядерные материалы. Оксфорд, Великобритания: Elsevier, 2012: 49–68. Искать в Google Scholar

Allendorf MD, Melius CF, Ho P, Zachariah MR.Теоретическое исследование термохимии молекул в системе Si-O-H. J Phys Chem 1995; 99: 15285–15293. Искать в Google Scholar

Ashcheulov P, Škoda R, Škarohlíd J, Taylor A, Fekete L, Fendrych F, Vega R, Shao L, Kalvoda L, Vratislav S, Cháb V, Horáková K, Kůsová K, Klimša L, Kopeček , Сайдл П., Макак Дж., Джонсон С., Краточвилова И. Тонкие поликристаллические алмазные пленки, защищающие поверхности циркониевых сплавов: от технологии до анализа слоев и применения в ядерных установках. Appl Surf Sci 2015; 359: 621–628.Искать в Google Scholar

ASTM Standards. Стандартное руководство по использованию стандартов защитных покрытий в атомной энергетике. Стандарты ASTM, Вест Коншохокен, Пенсильвания, 2000: 1–8. Искать в Google Scholar

Azevedo CRF. Выбор материала оболочки твэлов для ядерных реакторов деления. Eng Fail Anal 2011; 18: 1943–1962. Искать в Google Scholar

Baney HR, Tulenko JS. Инновационная керамическая система защиты от коррозии для облицовки из циркалоя. № DE-FG03-99SF21882. Университет Флориды, 2003 г.Искать в Google Scholar

Barsoum MW. Фазы M _{N + 1} AX _N : новый класс твердых тел; термодинамически стабильные наноламинаты. Prog Solid State Chem 2000; 28: 201–281. Искать в Google Scholar

Brachet JC, Vandenberghe-Maillot V, Portier L, Gilbon D, Lesbros A, Waeckel N, Mardon JP. Влияние содержания водорода, предварительного окисления и охлаждения на микроструктуру после закалки и механические свойства сплавов Zircaloy-4 и M5 ^® в условиях LOCA.В: Каммензинд Б., Лимбек М., редакторы. Цирконий в атомной промышленности. 15-й Международный симпозиум, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2009: 91–118. Искать в Google Scholar

Brachet JC, Saux M, Le Flem M, Le Urvoy S, Rouesne E, Guilbert T, Cobac C, Lahogue F, Rousselot J, Tupin M, Billaud P, Hossepied C, Schuster F, Lomello F, Billard A, Velisa G, Monsifrot E, Bischoff J, Ambard A. Текущие исследования в CEA по хромовым оболочкам ядерного топлива на основе циркония для топлива LWR с повышенной устойчивостью к авариям.В: Proceedings of 2015 LWR Fuel Performance / TopFuel, Цюрих, Швейцария, 13–19 сентября 2015 г.: 31–38. Искать в Google Scholar

Bragg-Sitton SM. Разработка перспективных аварийно-устойчивых видов топлива для коммерческих LWR. Nucl News 2014; 53: 83–91. Искать в Google Scholar

Carr J, Vasudevamurthy G, Snead L, Hinderliter B, Massey C. Исследования самовосстанавливающихся поверхностей из циркалоя, легированных алюминием, в контексте исследования устойчивости к авариям топливных оболочек. J Mater Eng Perform 2016; 25: 2347–2355.Искать в Google Scholar

Cathcart JV, Pawel RE, McKee RA, Druschel RE, Yurek GJ, Campbell JJ, Jury SH. Кинетика окисления металлического циркония в воде. IV. Исследования скорости реакции. ORNL / NUREG-17. Ок-Ридж, Теннесси, США: Национальная лаборатория Ок-Ридж, 1977 г. Искать в Google Scholar

Cheng B, Gilmore PM, Klepfer HH. Характеристики коррозии оболочек твэлов из циркалоя PWR, механизмы и моделирование. В: Брэдли Э.Р., Сабол Г.П., редакторы. Цирконий в ядерной промышленности, 11-й международный симпозиум, ASTM STP 1295, Американское общество испытаний и материалов, 1996: 137–160.Ищите в Google Scholar

Чу С., Маджумдар А. Возможности и проблемы для устойчивого энергетического будущего. Природа 2012; 488: 294–303. Искать в Google Scholar

Conrad JR, Radtke JL, Dodd RA, Worzala FJ, Tran NC. Метод ионной имплантации плазменных источников для модификации поверхности материалов. J Appl Phys 1987; 62: 4591–4596. Искать в Google Scholar

Cook WG, Olive RP. Диаграммы Пурбе для хрома, алюминия и титана расширены до высокодокритических и низкосверхкритических условий.Corros Sci 2012a; 58: 291–298. Искать в Google Scholar

Cook WG, Olive RP. Диаграммы Пурбе для системы железо-вода расширены до высококритических и низкосверхкритических условий. Corros Sci 2012b; 55: 326–331. Искать в Google Scholar

Cook WG, Olive RP. Диаграммы Пурбе для системы никель-вода расширены до высококритических и низкосверхкритических условий. Corros Sci 2012c; 58: 284–290. Искать в Google Scholar

Gilbon D, Soniak A, Doriot S, Mardon JP.Ползучесть и рост при облучении, а также эволюция микроструктуры усовершенствованных сплавов на основе Zr. В: Саболь Г.П., Моан Г.Д., редакторы. Цирконий в ядерной промышленности, 12-й международный симпозиум, ASTM STP 1354, Американское общество по испытаниям и материалам, Вест Коншохокен, Пенсильвания, 2000: 51–73. Искать в Google Scholar

Gu YF, Harada H, Ro Y. Хром и сплавы на основе хрома: проблемы и возможности для высокотемпературной эксплуатации. J Metal 2004; 56: 28–33. Искать в Google Scholar

Hauffe K.Окисление и коррозия циркалоя-4, покрытого оловом. J Electrochem Soc 1976; 123: 595–602. Искать в Google Scholar

Hirano M, Yonomoto T, Ishigaki M, Watanabe N, Maruyama Y, Sibamoto Y, Sibamoto Y, Watanabe T, Moriyama K. Выводы из обзора и анализа аварии на Фукусима-дайти. J Nucl Sci Technol 2012; 49: 1–17. Искать в Google Scholar

Hui R, Cook W, Sun C, Xie Y, Yao P, Miles J, Olive R, Li J, Zheng W, Zhang L. Нанесение, характеристика и оценка характеристик керамических покрытий на металлических подложках для сверхкритических водоохлаждаемые реакторы.Surf Coat Technol 2011; 205: 3512–3519. Искать в Google Scholar

Hwasung Y, Ben M, Robert M, David B., Xu P, Kumar S. Разработка цирконий-силицидных покрытий для устойчивых к авариям оболочек твэлов из циркониевого сплава. В: Материалы Международного конгресса по достижениям в области атомных электростанций, ICAPP 2016, Сан-Франциско, США, 17–20 апреля 2016 г.: 2126–2131. Искать в Google Scholar

Idarraga-Trujillo I, Flem MLE, Brachet JC, Saux MLE, Hamon D, Muller S, Vandenberghe V, Tupin M, Papin E, Monsifrot E, Billard A, Schuster S.Оценка в CEA оболочки ядерного топлива с покрытием для LWR с повышенным запасом в условиях LOCA и за пределами LOCA. В: Протоколы совещания по эффективности топлива LWR / TopFuel, Шарлотт, США, 15–19 сентября 2013 г.: 860–867. Искать в Google Scholar

International Atomic Energy Agency. Годовой отчет МАГАТЭ, 2014, 1–153. Искать в Google Scholar

Иванова С.В., Глаговский Е.М., Никоноров К.Ю., Белугин И.И., Хазов И.А. Способы повышения коррозионной стойкости и износостойкости. В: Протоколы совещания по эффективности топлива LWR / TopFuel, Шарлотт, США, 15–19 сентября 2013 г.: 334–350.Искать в Google Scholar

Jeong YH, Park S, Lee M, Choi B, Baek J, Park J, LIM J, Kim H. Производительность передовых циркониевых сплавов (HANA) вне сваи и внутри сваи для интенсивного горения запас топлива. J Nucl Sci Technol 2006; 43: 977–983. Искать в Google Scholar

Jin D, Yang F, Zou Z, Gu L, Zhao X, Guo F, Xiao P. Исследование защиты циркониевого сплава с помощью Cr ₃ C _{2 Покрытие} -NiCr для применения в ядерных реакторах . Surf Coat Technol 2016; 287: 55–60. Искать в Google Scholar

Khatkhatay F, Jiao L, Jian J, Zhang W, Jiao Z.Ган Дж, Чжан Х., Чжан Х, Ван Х. Превосходные свойства коррозионной стойкости покрытий на основе TiN на трубах из циркалоя в сверхкритической воде. J Nucl Mater 2014; 451: 346–351. Искать в Google Scholar

Kim HG, Kim IH, Jung YI, Park DJ, Park JY, Koo YH. Поведение циркониевого сплава с хромовым покрытием при высоких температурах. В: Протоколы совещания по эффективности топлива LWR / TopFuel, Шарлотт, США, 15–19 сентября 2013 г.: 842–846. Искать в Google Scholar

Kim HG, Kim IH, Jung YI, Park DJ, Park JY, Koo YH.Применение технологии нанесения покрытия на сплав на основе циркония для уменьшения высокотемпературного окисления. В: Комсток С., Барберис П., редакторы. Цирконий в атомной промышленности, 17-й международный симпозиум, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014: 346–369. Искать в Google Scholar

Kim HG, Kim IH, Jung YI, Park DJ, Park JY, Koo YH. Адгезионные свойства и поведение к высокотемпературному окислению покрытой хромом трубки из циркалоя-4, полученной с помощью 3D-лазерного покрытия. J Nucl Mater 2016; 465: 531–539.Искать в Google Scholar

Kritzer P, Boukis N, Dinjus E. Факторы, контролирующие коррозию в высокотемпературных водных растворах: вклад в данные о диссоциации и растворимости, влияющие на процессы коррозии. J Supercrit Fluids 1999; 15: 205–227. Искать в Google Scholar

Куприн А.С., Белоус В.А., Воеводин В.Н., Брык В.В., Василенко Р.Л., Овчаренко В.Д., Толмачева Г.Н., Выгов П.Н. Высокотемпературное окисление на воздухе плакировок из сплавов Э110 и Zr-1Nb с покрытиями. Probl Atmos Sci Technol 2014; 89: 126–132.Искать в Google Scholar

Куприн А.С., Белоус В.А., Воеводин В.Н., Брык В.В., Василенко Р.Л., Овчаренко В.Д., Толмачева Г.Н., Выгов П.Н. Вакуумно-дуговые покрытия на основе хрома для защиты циркониевых сплавов от высокотемпературного окисления на воздухе. J Nucl Mater 2015; 465: 400–406. Искать в Google Scholar

Liu Y, Bhamji I., Withers PJ, Wolfe DE, Motta AT, Preuss M. Оценка прочности на межфазный сдвиг и остаточного напряжения покрытия TiAlN на оболочке твэлов ZIRLO ™ с использованием модифицированной модели сдвига-лага.J Nucl Mater 2016; 466: 718–727. Искать в Google Scholar

Luscher WG, Gilbert ER, Pitman SG, Love EF. Модификация поверхности подложек из циркалоя-4 интерметаллидами никель-цирконий. J Nucl Mater 2013; 433: 514–522. Искать в Google Scholar

Maier BR, Garcia-Diaz BL, Hauch B, Olson LC, Sindelar RL, Sridharan K. Холодное напыление покрытий Ti ₂ AlC для улучшения оболочки ядерного топлива. J Nucl Mater 2015; 466: 712–717. Искать в Google Scholar

Matweb.База данных свойств материалов с возможностью поиска. Доступно на: http://www.matweb.com. Искать в Google Scholar

Mitsubishi. PWR Fuel, Mitsubishi Nuclear Fuel Co., Ltd. Доступно по адресу: http://www.mnf.co.jp/en/business/product01.html. Искать в Google Scholar

Moalem M, Olander DR. Окисление циркалоя паром. J Nucl Mater 1991; 182: 170–94. Искать в Google Scholar

Motta AT, Couet A, Comstock RJ. Коррозия циркониевых сплавов, используемых для оболочек ядерного топлива. Rev Mater Res 2015; 45: 311–343.Искать в Google Scholar

Нечаев А. Коррозия циркониевых сплавов на АЭС. МАГАТЭ, Вена, IAEA-TECDOC-684, 1993: 1–177. Искать в Google Scholar

Nieuwenhove R, Van Daub K, Nordin H, Van Nieuwenhove R, Nordin H. Исследование влияния покрытий на коррозию и поглощение водорода циркалоем-4. J Nucl Mater 2015; 467: 260–270. Ищите в Google Scholar

NRC. Регламент NRC, раздел 10, 50.46. Критерии приемки систем аварийного охлаждения активной зоны легководных ядерных энергетических реакторов.Искать в Google Scholar

Padture NP, Gell M, Jordan EH. Термобарьерные покрытия для газотурбинных двигателей. Science 2002; 296: 280–284. Искать в Google Scholar

Pantano M, Avincola V, De Seze PA, McKrell T, Kazimi MS. Характеристики высокотемпературного парового окисления ZIRLO, покрытого фазой MAX (Ti ₂ AlC). В: Материалы Международного конгресса по достижениям в области атомных электростанций, ICAPP 2014, Шарлотт, США, 6–9 апреля 2014 г .: 2126–2135. Искать в Google Scholar

Park ST.Защитное покрытие из аморфного оксида алюминия для циркалоя на основе системы композиционных градиентных слоев. Кандидат наук. диссертация, Университет Флориды, 2004. Искать в Google Scholar

Park JH, Kim HG, Park J, Jung YI, Park DJ, Koo YH. Высокотемпературные паровые окислительные свойства покрытий из хрома с ионным электродуговым покрытием для аварийных оболочек твэлов. Surf Coat Technol 2015; 280: 256–259. Искать в Google Scholar

Park DJ, Kim HG, Jung Y, Park JH, Yang JH, Koo YH. Поведение усовершенствованной оболочки твэлов из Zr с антиокислительным покрытием в условиях аварии с потерей теплоносителя.J Nucl Mater 2016; 482: 75–82. Искать в Google Scholar

Peng DQ, Bai XD, Pan F, Sun H, Chen BS. Влияние имплантированных ионов алюминия на окислительные свойства сплава ЦИРЛО при 500 ° C. Vacuum 2006; 80: 530–536. Искать в Google Scholar

Pierson HO. Справочник тугоплавких карбидов и нитридов: свойства, характеристики, обработка и применение. Вествуд, Нью-Джерси, США: Noyes Publications, 1996. Искать в Google Scholar

Roberts DA. Магнетронное распыление и коррозия покрытий Ti-Al-C и Cr-Al-C для оболочек ядерного топлива из сплава Zr.Магистерская работа, Университет Теннесси, 2016 г. Поиск в Google Scholar

Rogers KA. Пожар в яме: обзор национальной политики утилизации отработавшего ядерного топлива. Prog Nucl Energy 2009; 51: 281–289. Искать в Google Scholar

Sanz E, Vega C, Abascal JLF, MacDowell LG. Фазовая диаграмма воды из компьютерного моделирования. Phys Rev Lett 2004; 92: 255701. Искать в Google Scholar

Saunders SRJ, Monteiro M, Rizzo F. Поведение металлов и сплавов при окислении при высоких температурах в атмосфере, содержащей водяной пар: обзор.Prog Mater Sci 2008; 53: 775–837. Искать в Google Scholar

Schanz G, Adroguer B, Volchek A. Расширенная обработка высокотемпературного окисления циркалоя оболочки в расчетах кодов тяжелых аварий: часть I. Экспериментальная база данных и базовое моделирование. Nucl Eng Des 2004; 232: 75–84. Искать в Google Scholar

Skarohlíd J, Ashcheulov P, Jäger A, Racek J, Taylor A, Shao L. Наноразмерные поликристаллические алмазные покрытия для защиты поверхностей циркониевых топливных трубок. J Mater Process Technol 2014; 214: 2600–2605.Искать в Google Scholar

Sridharan K, Harrington SP, Johnson AK, Licht JR, Anderson MH, Allen TR. Окисление циркониевого сплава с плазменной обработкой поверхности в воде под давлением при высокой температуре. Mater Des 2007; 28: 1177–1185. Искать в Google Scholar

Steinbrück M, Birchley J, Болдырев А.В., Горячев А.В., Гросс М., Хасте Т.Дж., Хозер З., Киселев А.Е., Наливаев В.И., Семишкин В.П., Сепольд Л., Штукерт Дж., Вер Н., Вещунов М.С. Высокотемпературное окисление и закалка плакирующих сплавов Циркалой-4 и Э110.Prog Nucl Energy 2010; 52: 19–36. Искать в Google Scholar

Steinbrück M, Vér N, Große M. Окисление современных сплавов циркониевой оболочки в паре при температурах в диапазоне 600–1200 ° C. Oxid Met 2011; 76: 215–232. Искать в Google Scholar

Stueber M, Holleck H, Leiste H, Seemann K, Ulrich S, Ziebert C. Концепции создания передовых наноразмерных многослойных защитных тонких пленок PVD. J Alloys Compd 2009; 483: 321–333. Искать в Google Scholar

Sung JH, Kim TH, Kim SS.Фреттинг трубки из циркалоя-4 с покрытием TiN. Wear 2001; 250: 658–664. Искать в Google Scholar

Tallman DJ, Anasori B, Barsoum MW. Критический обзор окисления Ti ₂ AlC, Ti ₃ AlC ₂ и Cr ₂ AlC на воздухе. Mater Res Lett 2013; 1: 115–125. Искать в Google Scholar

Tang C, Stueber M, Steinbrueck M, Grosse M, Ulrich S, Seifert HJ. Оценка поведения циркалоя-4 с покрытием из Ti ₂ AlC, нанесенным магнетронным распылением, при высокотемпературном окислении паром.В: Материалы конференции по ядерным материалам, Монпелье, Франция, 7–11 ноября 2016 г. Искать в Google Scholar

Tang C, Klimenkov M, Jaentsch U, Leiste H, Rinke M, Ulrich S, Steinbrück M, Seifert HJ, Стюбер М. Синтез и характеристика покрытий Ti ₂ AlC с помощью магнетронного распыления из трех элементарных мишеней и отжига ex-situ. Surf Coat Technol 2017; 309: 445–455. Искать в Google Scholar

Terrani KA, Parish CM, Shin D, Pint BA. Защита циркония глино- и хромистыми железными сплавами при воздействии высокотемпературного пара.J Nucl Mater 2013; 438: 64–71. Искать в Google Scholar

Terrani KA, Pint BA, Parish CM, Silva CM, Snead LL, Katoh Y. Окисление карбида кремния паром до 2 МПа. J Am Ceram Soc 2014a; 97: 2331–2352. Искать в Google Scholar

Terrani KA, Zinkle SJ, Snead LL. Усовершенствованные стойкие к окислению сплавы на основе железа для оболочек твэлов LWR. J Nucl Mater 2014b; 448: 420–435. Искать в Google Scholar

Terrani KA, Pint BA, Kim YJ, Unocic KA, Yang Y, Silva CM, Silva CM, Meyer III HM, Rebak R.Равномерная коррозия сплавов FeCrAl в среде теплоносителя LWR. J Nucl Mater 2016; 479: 36–47. Искать в Google Scholar

Ван Уффелен П., Конингс Р.Дж.М, Витанза С., Туленко Дж. Анализ поведения твэлов реактора. В: Cacuci DG, редактор. Справочник по ядерной технике. Бостон, Массачусетс: Springer, 2010: 1519–1627. Искать в Google Scholar

Westwood ME, Webster JD, Day RJ, Hayes FH, Taylor R. Защита от окисления для композитов из углеродного волокна. J Mater Sci 1996; 31: 1389–1397. Искать в Google Scholar

Wiklund U, Hedenqvist P, Hogmark S, Stridh B, Arbell M.Многослойные покрытия для защиты от коррозии из циркалоя. Surf Coat Technol 1996; 86: 530–534. Искать в Google Scholar

Wu X, Kozlowski T, Hales J. Оценка нейтронных и топливных характеристик аварийно-устойчивой оболочки из FeCrAl в нормальных условиях эксплуатации. Энн Nucl Energy 2015; 85: 763–75. Искать в Google Scholar

Yeom H, Hauch B, Cao G, Garcia-Diaz B, Martinez-Rodriguez M, Colon-Mercado H, Olson L, Sridharan K. Лазерный отжиг поверхности и определение характеристик Ti ₂ AlC плазменное осаждение из паровой фазы покрытие на подложке из сплава циркония.Тонкие твердые пленки 2016; 615: 202–209. Искать в Google Scholar

Young DJ. Высокотемпературное окисление и коррозия металлов, 1-е изд., Оксфорд, Великобритания: Elsevier, 2008. Искать в Google Scholar

Younker I, Fratoni M. Нейтронная оценка материалов покрытия и оболочки для аварийно-устойчивого топлива. Prog Nucl Energy 2016; 88: 10–18. Искать в Google Scholar

Zhong W, Mouche PA, Hana X, Heuser BJ, Mandapaka KK, Was GS. Выполнение поверхностных покрытий сплава железо-хром-алюминий на циркалое 2 в условиях высокотемпературного пара и нормальных условий эксплуатации BWR.J Nucl Mater 2016; 470: 327–338. Искать в Google Scholar

Zinkle SJ, Was GS. Материальные проблемы в атомной энергетике. Acta Mater 2013; 61: 735–758. Искать в Google Scholar

Zinkle SJ, Terrani KA, Gehin JC, Ott LJ, Snead LL. Аварийно-устойчивые виды топлива для LWR: перспектива. J Nucl Mater 2014; 448: 374–379. Искать в Google Scholar

Производство ядерного топлива — World Nuclear Association

(Обновлено в сентябре 2020 г.)

• Изготовление топлива — последний шаг в процессе превращения урана в ядерные топливные стержни.
• Твэлы, собранные в сборки, составляют большую часть конструкции активной зоны реактора.
• Этот переход из взаимозаменяемого материала — урана — в высокотехнологичные компоненты реактора концептуально отличается от очистки и подготовки ископаемого топлива.
• Ядерные топливные сборки специально разработаны для конкретных типов реакторов и изготавливаются в соответствии со строгими стандартами.
• Коммунальные предприятия и производители совместно работали над значительным улучшением характеристик тепловыделяющих сборок, и в настоящее время реализуется международная программа создания отказоустойчивого топлива.
• Хотя все настоящее топливо представляет собой оксиды, НИОКР сосредоточены на металлах, нитридах и других формах. Первое современное металлическое топливо должно пройти испытания на промышленных реакторах.

Ядерные реакторы работают на топливе, содержащем делящийся материал. В процессе деления выделяется большое количество полезной энергии, и по этой причине делящиеся компоненты — U-235 и / или Pu-239 — должны находиться в прочной физической форме, способной выдерживать высокие рабочие температуры и среду с интенсивным нейтронным излучением.Топливные конструкции должны сохранять свою форму и целостность в течение нескольких лет в активной зоне реактора, тем самым предотвращая утечку продуктов деления в теплоноситель реактора.

Стандартная топливная форма состоит из колонны керамических таблеток из оксида урана, плакированных и запаянных в трубки из циркониевого сплава. Для топлива легководных реакторов (LWR) уран обогащен до различных уровней примерно до 4,8% по U-235. Топливом реактора с тяжелой водой под давлением (PHWR) обычно является необогащенный природный уран (0.7% U-235), хотя также используется слабообогащенный уран.

Характеристики топливной сборки улучшились с 1970-х годов, что позволило увеличить выгорание топлива с 40 ГВт · сутки / тУ до более 60 ГВт · сут / тУ. Это коррелирует с повышенным уровнем обогащения с примерно 3,25% до 5% и использованием усовершенствованных конструкций выгорающих поглотителей для PWR с использованием гадолиния. Мониторинг активной зоны, дающий подробную информацию в режиме реального времени, также позволил улучшить характеристики топлива.

Изготовление топливных конструкций, называемых сборками или пучками, является последней стадией начального этапа ядерного цикла, показанного на Рисунке 1, и составляет менее 20% от окончательной стоимости топлива.Процесс изготовления топлива из смешанного оксида урана и плутония (MOX) по существу тот же, несмотря на некоторые особенности, связанные с обращением с плутониевым компонентом.

Рисунок 1: Замкнутый ядерный топливный цикл, показывающий поток первичных и вторичных материалов

В отрасли доминируют четыре компании, обслуживающие международный спрос на легководные реакторы: Areva, Global Nuclear Fuel (GNF), ТВЭЛ и Westinghouse.GNF в основном предназначен для BWR, а ТВЭЛ — для PWR.

Изготовление ядерного топлива — обзор процесса

Есть три основных этапа изготовления конструкций ядерного топлива, используемых в LWR и PHWR:

1. Производство чистого диоксида урана (UO ₂ ) из поступающего UF ₆ или UO ₃ .
2. Производство высокоплотных керамических гранул точной формы UO ₂ .
3. Изготовление жесткого металлического каркаса ТВС — в основном из сплава циркония; и загрузку топливных таблеток в топливные стержни, их герметизацию и сборку стержней в окончательную конструкцию тепловыделяющей сборки.

Эти шаги показаны на рисунке 2.

Рисунок 2: Процесс изготовления топлива

УО

₂ производство порошка

Уран поступает на завод по производству топлива в одной из двух форм: гексафторид урана (UF ₆ ) или триоксид урана (UO ₃ ), в зависимости от того, обогащен он или нет. Его необходимо преобразовать в диоксид урана (UO ₂ ) до изготовления таблеток.Большинство производственных предприятий имеют свои собственные установки для осуществления этой химической конверсии (некоторые не имеют и приобретают UO ₂ у заводов с избыточными производственными мощностями). Химическое преобразование в UF ₆ и из него — это разные процессы, но оба связаны с обработкой агрессивных соединений фтора, и установки могут быть настроены для выполнения обоих.

Преобразование в UO ₂ может быть выполнено с использованием «сухих» или «мокрых» процессов. В сухом способе UF ₆ нагревается до пара и вводится в двухступенчатый реакционный сосуд (например, вращающуюся печь), где он сначала смешивается с паром для получения твердого фторида уранила (UO ₂ F2) — этого порошка проходит через сосуд для реакции с h3 (разбавленным паром), который удаляет фторид и химически восстанавливает уран до чистого микрокристаллического продукта UO ₂ .

Мокрые методы включают закачку UF6 в воду с образованием суспензии частиц UO2F2. К этой смеси добавляют аммиак (Nh4) или карбонат аммония (NH ₃ ) 2CO ₃ ), и UO ₂ F ₂ реагирует с образованием; диуранат аммония (ADU, (NH ₃ ) 2U ₂ O ₇ ) в первом случае или уранилкарбонат аммония (AUC, UO ₂ CO ₃ . (NH ₃ ) 2CO ₃ ) в последнем случае. В обоих случаях суспензию фильтруют, сушат и нагревают в восстановительной атмосфере до чистого UO ₂ .Морфология порошков UO ₂ , полученных по маршрутам ADU и AUC, различается, и это имеет отношение к конечной микроструктуре гранул.

Мокрые методы немного сложнее и приводят к большему количеству отходов, однако большая гибкость с точки зрения свойств порошка UO ₂ является преимуществом.

Для преобразования UO ₃ в UO ₂ к UO ₃ добавляют воду, чтобы образовался гидрат. Это твердое вещество (влажное или сухое) подают в печь, работающую с восстановительной атмосферой, и получают UO ₂ .

Производство керамических UO

₂ пеллет

Порошок UO ₂ может потребовать дополнительной обработки или кондиционирования, прежде чем из него можно будет превратиться в гранулы:

• Гомогенизация: может потребоваться смешивание порошков для обеспечения однородности с точки зрения гранулометрического состава и удельной поверхности.
• Добавки: U ₃ O ₈ могут быть добавлены для обеспечения удовлетворительной микроструктуры и плотности гранул. Другие ингредиенты топлива, такие как смазочные материалы, выгорающие поглотители (например,грамм. гадолиний) и порообразователи.

Кондиционированный порошок UO ₂ подается в матрицы и прессуется по двум осям в цилиндрические гранулы под нагрузкой в ​​несколько сотен МПа — это делается в прессах, работающих с высокой скоростью. Эти «сырые» окатыши затем спекаются путем нагревания в печи при температуре около 1750 ° C в точно контролируемой восстановительной атмосфере (обычно аргон-водород) для их консолидации. Это также приводит к уменьшению их объема.Затем гранулы обрабатываются до точных размеров — лом, из которого возвращается на более раннюю стадию процесса. Для обеспечения целостности гранул и точных размеров применяется строгий контроль качества.

Для большинства реакторов гранулы имеют диаметр чуть менее одного сантиметра и длину чуть более одного сантиметра. Одна таблетка в типичном реакторе дает примерно такое же количество энергии, как одна тонна дымящегося угля.

Горючие поглотители (или выгорающие «яды»), такие как гадолиний, могут быть включены (в виде оксида) в топливные таблетки некоторых стержней для ограничения реактивности на ранних этапах срока службы топлива.Горючие поглотители имеют очень высокое сечение поглощения нейтронов и сильно конкурируют за нейтроны, после чего они постепенно «выгорают» и превращаются в нуклиды с низким поглощением нейтронов, оставляя делящийся (U-235) для реакции с нейтронами. Горючие поглотители обеспечивают более длительный срок службы топлива за счет более высокого обогащения делящимся топливом в свежем топливе без чрезмерной начальной реактивности и образования тепла в сборке.

Гадолиний, в основном содержащий до 3 г оксида на килограмм топлива, требует немного более высокого обогащения топлива, чтобы компенсировать это, а также после выгорания около 17 ГВт · сут / т он сохраняет около 4% своего абсорбционного эффекта и не уменьшается в дальнейшем. .Интегральный топливный абсорбер из диборида циркония (IFBA) в виде тонкого покрытия на обычных таблетках сгорает более устойчиво и полностью и не влияет на свойства топливных таблеток. Сейчас он используется в большинстве реакторов США и некоторых в Азии. Китай имеет эту технологию для реакторов AP1000.

гранулы MOX — см. Следующий раздел.

Изготовление и загрузка каркаса ТВС

Конструкции ядерного топлива требуют, чтобы стержни, заполненные таблетками, имели точное физическое расположение с точки зрения шага решетки (шага) и их связи с другими элементами, такими как каналы воды (замедлитель) и каналы управляющих стержней.Поэтому физические конструкции для удержания топливных стержней спроектированы с очень жесткими допусками. Они должны быть устойчивы к химической коррозии, высоким температурам, большим статическим нагрузкам, постоянной вибрации, жидкостным и механическим воздействиям. Однако они также должны быть максимально нейтронно-прозрачными.

Сборочные конструкции состоят из прочного каркаса из стали и циркония, на котором закреплены многочисленные опорные элементы решетки, которые надежно удерживают стержни в точных положениях решетки.Они изготовлены из сплава циркония и должны обеспечивать (и даже улучшать) поток охлаждающей воды вокруг топливного стержня. Решетчатые конструкции захватывают топливный стержень и поэтому тщательно спроектированы, чтобы минимизировать риск вызванного вибрацией абразивного износа трубы оболочки — так называемого «фреттинг-износа».

Все производители топлива обладают сложными инженерными процессами и контролем качества для своевременного изготовления своих сборочных конструкций.

Гранулы

, отвечающие требованиям QA, загружаются в трубы, изготовленные из соответствующего циркониевого сплава, называемые «оболочкой».Заполненная трубка промывается гелием и нагнетается давлением в несколько десятков атмосфер (несколько МПа) этого газа перед тем, как концы с каждой стороны герметизируются прецизионной сваркой. Между верхней частью стопки таблеток и приваренными концевыми заглушками остается свободное пространство — это называется «внутренним пространством», и оно вмещает тепловое расширение таблеток и некоторых газов продуктов деления. Пружина обычно вставляется в камеру статического давления для приложения сжимающей силы к штабелю гранул и предотвращения ее движения.

Готовые топливные стержни затем закрепляются в сборных каркасных конструкциях, которые удерживают стержни в точно определенной сетке.

Чтобы максимизировать эффективность реакции деления, оболочка и все другие структурные части сборки должны быть как можно более прозрачными для нейтронов. Поэтому различные формы циркониевого сплава или циркалоя являются основными материалами, используемыми для плакирования. Этот циркалой содержит небольшое количество олова, ниобия, железа, хрома и никеля для обеспечения необходимой прочности и коррозионной стойкости. Гафний, который обычно встречается в естественных условиях с отложениями циркония, необходимо удалить из-за его высокого поперечного сечения поглощения нейтронов.Точный состав используемого сплава зависит от производителя и является важным фактором, определяющим качество топливной сборки. Циркалой окисляется на воздухе и в воде, поэтому он имеет окисленный слой, не нарушающий его функции.

Соображения безопасности

Строгие меры контроля качества используются на всех этапах процесса, чтобы гарантировать отслеживаемость всех компонентов в случае сбоев.

Основными проблемами безопасности технологического процесса на предприятиях по изготовлению ядерного топлива являются обращение с фторидом и риск возникновения критичности, если при размещении делящихся материалов не будет уделено должного внимания.Оба риска управляются посредством строгого контроля материалов, и действительно, предприятия по производству топлива работают со строгим ограничением уровня обогащения урана, который обрабатывается на заводе — он не может превышать 5% по U-235, что практически исключает возможность непреднамеренная критичность.

Типы тепловыделяющих сборок для различных реакторов

Топливные сборки, разработанные для различных типов реакторов, значительно различаются. Это означает, что у коммунальных предприятий есть ограниченный выбор поставщиков готовых тепловыделяющих сборок, особенно для PWR.

PWR топливо

Реакторы с водой под давлением (PWR) являются наиболее распространенным типом ядерных реакторов, на долю которых приходится две трети текущих установленных ядерных генерирующих мощностей во всем мире. Активная зона PWR использует обычную воду как замедлитель, так и теплоноситель первого контура — она ​​поддерживается под значительным давлением (около 10 МПа), чтобы предотвратить ее кипение, а ее температура повышается примерно до 330 ° C после прохождения вверх мимо топлива. Затем он попадает по массивным трубам в парогенератор.

Топливо для западных PWR построено с квадратной решеткой, а сборки характеризуются количеством стержней, которые они содержат, как правило, 17 × 17 в текущих конструкциях.Топливная сборка PWR имеет высоту от четырех до пяти метров, диаметр около 20 см и вес около полутонны. В сборке есть свободные позиции тяги — осталось место для вертикальной вставки тяги управления. Не каждое место сборки требует топлива или управляющего стержня, и пространство может быть обозначено как «направляющая гильза», в которую может быть помещен стержень источника нейтронов, специальные приборы или испытательный топливный сегмент.

Топливная сборка PWR содержит нижнее сопло, в котором стержни закреплены через решетку, и для завершения всей сборки он венчается верхним соплом.Нижнее и верхнее сопла имеют прочную конструкцию, поскольку они обеспечивают большую часть механической поддержки конструкции тепловыделяющей сборки. В готовой сборке большинство компонентов стержня будут топливными стержнями, но некоторые будут направляющими гильзами, а один или несколько, вероятно, будут использоваться для контрольно-измерительных приборов. Топливная сборка PWR показана на рисунке 3. Топливные сборки PWR довольно однородны по сравнению с сборками BWR, и те, что находятся в каждом конкретном реакторе, должны иметь практически такую ​​же конструкцию.

Активная зона PWR мощностью 1100 МВт (эл.) Может содержать 193 тепловыделяющие сборки, состоящие из более чем 50 000 тепловыделяющих стержней и около 18 миллионов топливных таблеток.После загрузки топливо остается в активной зоне в течение нескольких лет в зависимости от конструкции рабочего цикла. Во время перегрузки каждые 12–18 месяцев часть топлива — обычно треть или четверть активной зоны — удаляется на хранение, а оставшаяся часть перемещается в место в активной зоне, лучше подходящее для ее остаточного уровня обогащения.

Российских реакторов PWR обычно называют ВВЭР. Топливные сборки для них отличаются своим шестиугольным расположением, но в остальном имеют такую ​​же длину и конструкцию, что и другие тепловыделяющие сборки PWR.Большая часть из них производится ТВЭЛ в России, но Westinghouse в Швеции также производит и наращивает мощности для этого. ТВЭЛ подстрекает к использованию эрбия в качестве горючего яда в топливе с обогащением около 6,5%, чтобы продлить интервалы между дозаправками до двух лет.

Рисунок 3: Схематическое изображение топливной сборки PWR (Mitsubishi Nuclear Fuel)

Рисунок 4: Топливная сборка PWR

Рисунок 5: ТВС ВВЭР-1000

Топливо BWR

Реакторы с кипящей водой (BWR) — второй по распространенности тип ядерных реакторов, на долю которых приходится почти четверть установленных ядерных генерирующих мощностей.В реакторе с кипящей водой вода превращается непосредственно в пар в корпусе реактора в верхней части активной зоны, и этот пар (примерно при 290 ° C и 7 МПа) затем используется для привода турбины.

В реакторах

BWR также используются топливные стержни, содержащие керамические таблетки из оксида урана с циркониевым покрытием. Их объединение в сборки снова основано на квадратной решетке с геометрией штифтов от 6×6 до 10×10 или 11×11. Срок службы топлива и стратегия управления аналогичны стратегии PWR.

Но топливо BWR фундаментально отличается от топлива PWR в определенных отношениях: (i) четыре топливных сборки и управляющая лопасть крестообразной формы образуют «топливный модуль», (ii) каждая сборка изолирована от своих соседей зоной, заполненной водой. по которому перемещаются крестообразные лопасти регулирующего стержня (они вставляются со дна реактора), (iii) каждая тепловыделяющая сборка BWR заключена в циркалоевую оболочку или коробку каналов, которая направляет поток охлаждающей воды через сборку и во время этого прохождения она достигает точки кипения, (iv) сборки BWR содержат водные каналы большего диаметра — гибко спроектированные для обеспечения соответствующего замедления нейтронов в сборке.

Циркалоевые трубки могут наполняться водой, таким образом увеличивая количество замедлителя в центральной части сборки. В стержнях используются разные уровни обогащения в разных положениях — более низкие обогащения во внешних стержнях и более высокие обогащения вблизи центра пучка. Реактор BWR спроектирован для работы с 12-15% воды в верхней части активной зоны в виде пара и, следовательно, с меньшим замедляющим эффектом и, следовательно, с повышенным КПД.

Для многих моделей BWR контроль реактивности для обеспечения возможности отслеживания нагрузки может быть достигнут путем изменения скорости циркуляции внутри активной зоны.Струйные насосы, расположенные в кольцевом пространстве между внешней стенкой корпуса и внутренней стенкой, называемой кожухом, увеличивают поток воды вверх через топливную сборку. При высоких скоростях потока пузырьки пара удаляются быстрее, и, следовательно, замедление и реакционная способность увеличиваются. Когда скорость потока уменьшается, замедление уменьшается, поскольку пузырьки пара присутствуют дольше и, следовательно, падает реактивность. Это позволяет отклоняться примерно на 25% от максимальной номинальной выходной мощности, обеспечивая более быстрое отслеживание нагрузки, чем с PWR.

Управляющие стержни используются, когда уровни мощности снижаются ниже 75%, но они не являются частью топливной сборки, как в PWR. Они имеют вход снизу — выталкиваются вверх, так что стержни сначала захватывают нижнюю, более реактивную зону тепловыделяющих сборок.

Изготовление топлива для BWR происходит почти так же, как и для топлива PWR.

На рисунке 6 показано поперечное сечение сборки BWR. Таким образом, тепловыделяющие сборки BWR работают больше как отдельные блоки, и различные конструкции могут быть смешаны при любой загрузке активной зоны, что дает коммунальному предприятию большую гибкость при покупке топлива.

GE Global Nuclear Fuels разрабатывает топливо с новым материалом оболочки — NSF — содержащим 1% ниобия, 1% олова, 0,35% железа (Nb, Sn, Fe) для уменьшения или устранения деформации топливного канала из-за химического взаимодействия с циркалоем, а в 2013 г. , 8% ядер использовали это. Toshiba и керамическая компания Ibiden в Японии разрабатывают оболочки из карбида кремния или короба каналов для тепловыделяющих сборок BWR.

Westinghouse планирует произвести свинцовые испытательные сборки своего топлива TRITON11 (конфигурация 11×11) для BWR в 2019 году.Это циркониевый канал с низким содержанием олова и новая оболочка твэла. В нем говорится, что это топливо отличается повышенной экономичностью, прочной механической конструкцией и высококачественным материалом. Он был оптимизирован как для работы с короткими, так и с длинными циклами, а также для ядер с повышенным номиналом и более высоких температур выгорания.

Рисунок 6: Схематический вид тепловыделяющей сборки BWR (Nucleartourist и GE)

PHWR (CANDU) топливо

Реакторы с тяжелой водой под давлением (PHWR) изначально были канадской конструкции (также называемые «CANDU»), на долю которых приходится ~ 6% мировых установленных ядерных генерирующих мощностей.В PHWR используются напорные трубки, в которых тяжелая вода замедляет и охлаждает топливо. Они работают на природном (необогащенном) или слегка обогащенном оксидном урановом топливе в виде керамических таблеток, плакированных циркониевым сплавом.

Топливные стержни

PHWR имеют длину около 50 см и собраны в «пучки» диаметром около 10 см. Пучок твэлов состоит из 28, 37 или 43 твэлов, расположенных в несколько колец вокруг центральной оси (см. Рисунок). Их небольшая длина означает, что они не требуют опорных конструкций, характерных для других типов реакторного топлива.Топливо PHWR не достигает высокого уровня выгорания и не остается в активной зоне реактора очень долго, поэтому топливные таблетки очень мало разбухают в течение своего срока службы. Это означает, что топливные стержни PHWR не нуждаются в поддержании зазора между таблеткой и оболочкой и не должны находиться под высоким давлением с наполняющим газом (как для топлива LWR), более того, металлической оболочке позволяют схлопнуться на топливную таблетку, тем самым обеспечивая хороший тепловой контакт. .

Пучки твэлов загружаются в горизонтальные каналы или напорные трубы, которые проходят по всей длине корпуса реактора (известную как каландрия), и это можно делать, пока реактор работает на полную мощность.В каждый топливный канал загружается около двенадцати пучков в зависимости от модели — реактор CANDU мощностью 790 МВт (эл.) Содержит 480 топливных каналов, состоящих из 5760 пучков тепловыделяющих элементов, содержащих более 5 миллионов топливных таблеток.

Заправка под нагрузкой — это полностью автоматизированный процесс: новое топливо загружается в канал на одном конце, а отработанное топливо собирается на другом. Эта особенность означает, что PHWR по своей природе гибок в отношении требований к топливу и может работать на различных видах топлива, требующих разного времени пребывания, например, природном уране, слегка обогащенном уране, топливах, содержащих плутоний, и топливах на основе тория.

Рисунок 7: топливные пучки Indian PHWR

Топливо AGR

Усовершенствованный реактор с газовым охлаждением (AGR) — это ядерный реактор второго поколения, спроектированный Великобританией, используемый только в Великобритании. СМА составляют около 2,7% от общей мировой ядерной генерирующей мощности. В них используется вертикальная конструкция топливного канала, а в качестве теплоносителя первого контура используется газ CO ₂ — очень слабый замедлитель.

Топливные сборки

AGR состоят из круглой группы из 36 твэлов с оболочкой из нержавеющей стали, каждая из которых содержит 20 обогащенных топливных таблеток UO ₂ , а вес сборки составляет около 43 кг.Уровни обогащения варьируются примерно до 3,5%. Нержавеющая сталь допускает более высокие рабочие температуры, но приносит в жертву некоторую нейтронную экономию. Сборка покрыта графитовой оболочкой, которая выполняет роль замедлителя. Восемь сборок уложены один за другим в топливный канал, вставленный через верх реактора. Во время заправки заменяется весь этот стек. Срок службы топлива составляет около пяти лет, а дозаправку можно производить под нагрузкой через заправочную машину.

Рисунок 8: разрез топливной сборки AGR

Топливо РБМК

Реактор РБМК — ранняя советская конструкция, разработанная на базе реакторов для производства плутония.Одиннадцать блоков находятся в эксплуатации (3% от общего количества в мире), с системами управления и оксидным топливом, значительно измененными с 1990 года. В нем используются вертикальные напорные трубы (чуть менее 1700 из них, каждая длиной около 7 метров), проходящие через большой графитовый замедлитель. Топливо охлаждается легкой водой, которой дают возможность кипеть в первом контуре, как в BWR.

Топливные стержни

РБМК имеют длину около 3,65 метра, а набор из 18 твэлов образует пучок твэлов диаметром около 8 см. Два пучка соединены вместе и закрыты с обоих концов верхним и нижним соплами, образуя тепловыделяющую сборку общей длиной около 10 метров и весом 185 кг.С 1990 года топливо РБМК имело более высокий уровень обогащения, увеличиваясь с примерно 2% до среднего 2,8% (варьируясь по тепловыделяющему элементу от 2,5% до 3,2%), и теперь оно включает около 0,6% эрбия (выгорающий поглотитель). Это улучшает общую безопасность и увеличивает выгорание топлива. Это новое топливо может оставаться в реакторе до шести лет, прежде чем его потребуется удалить. Все реакторы РБМК теперь используют рециклированный уран из реакторов ВВЭР.

Как и другие конструкции напорных труб, такие как PHWR, реактор РБМК допускает перегрузку топлива под нагрузкой.

Топливо реактора на быстрых нейтронах

В настоящее время в эксплуатации находится только один промышленно действующий реактор на быстрых нейтронах — БН-600 в Белоярске в России. В стадии строительства находятся два блока FNR — блок мощностью 800 МВт в России и блок мощностью 500 МВт в Индии (который планирует построить еще пять). Два БН-800 планировались в Китае.

Реакторы на быстрых нейтронах (FNR) немодерируются и используют быстрые нейтроны, чтобы вызвать деление. Следовательно, они в основном используют плутоний в качестве основного топлива, а иногда и высокообогащенный уран для запуска (им требуется около 20-30% делящихся ядер в топливе).Во время эксплуатации плутоний выделяется из урана-238. Если FNR сконфигурирован так, чтобы иметь коэффициент конверсии выше 1 (т. Е. Создается больше делящихся ядер, чем расщепляется), как первоначально было спроектировано, он называется реактором-размножителем на быстрых нейтронах (FBR). В FNR используются жидкометаллические охлаждающие жидкости, такие как натрий, и они работают при более высоких температурах. (См. Также информационный документ о реакторе на быстрых нейтронах)

Помимо основного топлива FNR, существует множество тяжелых нуклидов — особенно U-238, но также Am, Np и Cm, которые расщепляются в спектре быстрых нейтронов — по сравнению с небольшим количеством делящихся нуклидов в медленных (тепловых) нейтронах. поле (только U-235, Pu-239 и U-233).Следовательно, топливо FNR может включать смесь трансурановых элементов. Также он может быть в одной из нескольких химических форм, в том числе; стандартная оксидная керамика, смешанная оксидная керамика (MOX), одно- или смешанная нитридная керамика, карбиды и металлическое топливо. Кроме того, топливо FNR может быть изготовлено в форме таблеток или с использованием метода «виброупаковки», при котором градуированные порошки загружаются и сжимаются непосредственно в трубку оболочки. Карбидные топлива, такие как используемые в Индии, имеют более высокую теплопроводность, чем оксидные топлива, и могут достигать более высоких коэффициентов воспроизводства, чем у оксидных топлив, но меньших, чем у металлических топлив.

Активная зона FNR намного меньше, чем у обычного реактора, и активная зона, как правило, проектируется с отдельными зонами «затравки» и «бланкета» в зависимости от того, будет ли реактор работать как «горелка» или «размножитель». В каждом случае состав топлива для затравочной зоны и зоны бланкета различается — в центральной затравочной зоне используется топливо с высоким содержанием делящихся (и, следовательно, с высокой мощностью и уровнем эмиссии нейтронов), а в зоне бланкета — низкое содержание делящихся, но высокий уровень. материала, поглощающего нейтроны, который может быть фертильным (для размножения, например, U-238) или поглотителем отходов, который необходимо преобразовать.

ТВС БН-600 имеют длину 3,5 м, ширину 96 мм, массу 103 кг и состоят из верхнего и нижнего сопел (для направления потока теплоносителя) и центрального пучка твэлов. Центральный пучок представляет собой шестиугольную трубу и содержит 127 стержней длиной 2,4 м и диаметром 7 мм каждый с керамическими таблетками для трех уровней обогащения урана; 17%, 21% и 26%. Бланкетные пучки твэлов содержат 37 стержней, содержащих обедненный уран. В твэлах БН-600 используется оболочка из малонабухающей нержавеющей стали.

В

FNR используются жидкометаллические теплоносители, такие как натрий или эвтектическая смесь свинца и висмута, и они позволяют работать при более высоких рабочих температурах — около 550 ° C и, таким образом, имеют более высокую эффективность преобразования энергии.Они способны к сильному выгоранию топлива.

Характеристики ядерного топлива в реакторах

Ядерное топливо работает в суровых условиях, в которых высокая температура, химическая коррозия, радиационное повреждение и физические нагрузки могут нарушить целостность тепловыделяющей сборки. Таким образом, срок службы тепловыделяющей сборки в активной зоне реактора регулируется до уровня выгорания, при котором риск ее выхода из строя остается низким. «Неисправность» топлива относится к ситуации, когда оболочка была повреждена и радиоактивный материал просачивается из керамического топлива (таблетки) в охлаждающую воду реактора.Радиоактивные материалы с наибольшей тенденцией просачиваться через брешь в обшивке в теплоноситель реактора — это, в частности, газы продуктов деления и летучие элементы; криптон, ксенон, йод и цезий.

Утечки топлива не представляют значительного риска для безопасности станции, хотя они имеют большое влияние на работу реактора и (потенциально) на экономику станции. По этой причине вода теплоносителя первого контура постоянно контролируется на предмет наличия этих веществ, что позволяет быстро обнаруживать любую утечку. Допустимый уровень выделяемой радиоактивности строго регулируется в соответствии со спецификациями, которые учитывают продолжающуюся безопасную эксплуатацию топлива.В зависимости от серьезности утечки потребуются различные уровни вмешательства оператора:

1. Очень незначительная утечка: без изменений в работе — неисправная тепловыделяющая сборка с протекающим стержнем (стержнями) удаляется при следующей заправке, осматривается и, возможно, перезагружается.
2. Малая утечка: допустимые тепловые переходные процессы для реактора ограничены. Это может помешать реакторам работать в режиме «слежения за нагрузкой» и потребует тщательного контроля физики реактора. Неисправная тепловыделяющая сборка с негерметичным стержнем обычно удаляется и оценивается при следующей плановой перегрузке.
3. Значительная утечка: реактор отключен, неисправный узел обнаружен и удален.

Негерметичный топливный стержень иногда можно отремонтировать, но обычно требуется замена узла (с соответствующим уровнем остаточного обогащения). Замена топлива — это одна из составляющих затрат, связанных с неисправным топливом. Также существует штраф за счет стоимости и / или заменяющая мощность из-за необходимости работать на пониженной мощности или внепланового отключения. Также могут быть более высокие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, связанные со снижением повышенных уровней радиации на станции.

Управление топливом — это баланс между экономической необходимостью более длительного сжигания топлива и необходимостью соблюдать пределы риска отказа. Повышение надежности топлива расширяет эти пределы и, следовательно, является критическим фактором в обеспечении запаса для улучшения выгорания топлива.

Ядерная промышленность добилась значительных улучшений производительности, снизив частоту отказов топлива примерно на 60% за 20 лет до 2006 г., в среднем до 14 утечек на миллион загруженных стержней [IAEA 2010]. Стремление к надежности продолжается.В рамках общеотраслевых программ, проводимых Исследовательским институтом электроэнергетики (EPRI) и Американским институтом эксплуатации ядерной энергетики (INPO), были разработаны рекомендации по устранению отказов топлива (была амбициозная цель — достичь нулевого количества отказов топлива к 2010 году). Эти программы привели к созданию программы обеспечения отказоустойчивого топлива (см. Ниже).

Неисправности топлива в энергетических реакторах США случаются редко. По данным EPRI, на начало 2014 года 97% атомных электростанций США не имели отказов топлива, по сравнению с 71% в 2007 году.Ежегодная частота отказов в США составляет примерно один на миллион (, то есть пять стержней в год). Топливная инженерия продолжает улучшаться, например, с более сложными фильтрами для мусора в сборочных конструкциях. Сами коммунальные предприятия вводят более строгие правила для исключения попадания посторонних материалов в воду теплоносителя первого контура. В 2013 году компания Global Nuclear Fuel (GNF) имела в эксплуатации два миллиона топливных стержней и утверждала, что среди них нет утечек. (В начале 1970-х годов гидрирование и взаимодействие гранул с оболочкой вызвали множество утечек.В 80-е годы произошли улучшения на порядок.)

В то же время наблюдается постепенная глобальная тенденция к более высокому выгоранию топлива *. Однако более высокое выгорание, как правило, требует более высоких уровней обогащения, и это имеет предел, учитывая строгие ограничения безопасности по критичности, налагаемые на установки по изготовлению топлива — максимальный уровень обогащения урана, с которым можно работать, обычно составляет 5% по U-235.

Не менее важной тенденцией в ядерной топливной инженерии является возможность увеличения номинальной мощности топлива, то есть того, сколько энергии может быть извлечено из одной длины топливного стержня.В настоящее время это ограничивается свойствами материала циркониевой оболочки.

Спрос и предложение в обрабатывающей промышленности

Текущий годовой спрос на услуги по изготовлению топлива для LWR выражается как потребность примерно в 7000 тонн обогащенного урана, производимого в сборки, и, как ожидается, к 2020 году эта цифра увеличится примерно до 9500 тонн. Потребности в PHWR составляют дополнительно 3000 т / год. год и рынок реакторов с газовым охлаждением около 400 т / год.

Потребности в услугах по изготовлению топлива будут расти примерно в соответствии с ростом ядерных генерирующих мощностей.Однако на требования к изготовлению также влияют изменения в стратегии эксплуатации реакторов и обращения с топливом, которые частично обусловлены техническими улучшениями в самом производстве топлива. Например, выгорание выгорания LWR неуклонно увеличивалось, поскольку усовершенствования конструкции топлива сделали это возможным, и это имело тенденцию к снижению потребности в производстве, поскольку топливо остается в реакторе в течение более длительного периода (хотя существует предел того, насколько далеко выгорает топливо). могут быть увеличены без соблюдения 5% -ного предела обогащения, установленного для запасов безопасности по критичности на заводах по изготовлению топлива)Параллельное внимание всей отрасли к повышению топливных характеристик и надежности также снизило потребность в топливе для замены дефектных узлов.

Планы по строительству большого количества новых реакторов влияют на спрос на производственные мощности двояко. Спрос на перезагрузку увеличивается в соответствии с новой установленной мощностью реактора, обычно от 16 до 20 тонн в год на ГВт. Кроме того, первые ядра создают временный пиковый спрос, так как требуемое количество примерно в три-четыре раза больше, чем количество перезагружаемой партии в эксплуатируемых в настоящее время LWR (а часть обогащения меньше).Среднее обогащение первого керна составляет около 2,8%.

Производство топлива по всему миру

Услуги по изготовлению топлива не закупаются таким же образом, как, например, закупка обогащения урана. Ядерные тепловыделяющие сборки представляют собой высокотехнологичные изделия, изготавливаемые по индивидуальным требованиям каждого клиента. Они определяются физическими характеристиками реактора, эксплуатацией реактора и стратегией управления топливным циклом предприятия, а также национальными или даже региональными требованиями к лицензированию.

Большинство основных производителей топлива также являются поставщиками реакторов (или принадлежат им), и они обычно поставляют исходные активные зоны и раннюю перезагрузку для реакторов, построенных по их собственным проектам. Однако рынок топлива LWR становится все более конкурентным, и для большинства видов топлива в настоящее время существует несколько конкурирующих поставщиков — в первую очередь, возможно, российский производитель ТВЭЛ конкурирует в производстве западного топлива для PWR, а западные производители топлива могут производить топливо для ВВЭР. В начале 2016 года 41% украинского топлива для ВВЭР поставлялось шведской компанией Westinghouse.В мае 2016 года компания Global Nuclear Fuel — Americas договорилась с ТВЭЛ о разработке конструкции топлива TVS-K в США для реакторов Westinghouse PWR. ТВЭЛ также планирует продавать топливо в Европе и квалифицировал свинцовые сборки на заводе Ringhals в Швеции.

В настоящее время мощности по изготовлению топлива для всех типов топлива LWR во всем мире значительно превышают спрос. Очевидно, что изготовление топлива не станет узким местом в обозримой цепочке поставок для любого ядерного возрождения. Избыточные производственные мощности увеличиваются такими странами, как Китай, Индия и Южная Корея, стремящимися к достижению самодостаточности.

В мае 2014 года в отчете сотрудников Европейской комиссии говорилось, что в качестве условия инвестиций любой реактор, не входящий в ЕС, построенный в ЕС, должен иметь более одного источника топлива. Европейская стратегия энергетической безопасности ЕС от мая 2014 г. призывает: «В идеале также должна иметь место диверсификация производства тепловыделяющих сборок, но это потребует некоторых технологических усилий из-за различных конструкций реакторов». В июне 2015 года Программа исследований и обучения Евратома предоставила Westinghouse и восьми европейским партнерам 2 миллиона евро «на обеспечение безопасности поставок ядерного топлива для реакторов российской конструкции в ЕС», особенно типов ВВЭР-440.Концептуальный проект был завершен в мае 2017 года на основе топлива, предоставленного Westinghouse компании Loviisa в 2001-07 годах.

Производственные мощности

LWR по производству топлива во всем мире показаны в таблице 1. Производственные мощности по обратному преобразованию распределены особенно неравномерно. Для некоторых производителей это узкое место. Некоторые производители вообще не имеют перерабатывающих мощностей и вынуждены покупать такие услуги на рынке, в то время как другие, имеющие избыточные мощности, даже продают порошок UO2.

Таблица 1: Мировые мощности по изготовлению топлива LWR, т / год

	Изготовитель	Расположение	Преобразование	Гранулирование	Стержень / узел
Бразилия	ИНБ	Ресенде	160	120	400
Китай	CJNF Jianzhong	Ибинь	800	800	800
	CBNF	Баотоу	0	0	400
	CNNFC	Баотоу	200	200	200
Франция	Framatome-FBFC	Римлянам	1800	1400	1400
	Орано	Мальвези	Под конст.
Германия	Framatome-ANF	Линген	800	650	650
Индия	Ядерный топливный комплекс ДАЭ	Хайдарабад	48	48	48
Япония	NFI (PWR)	Куматори	0	383	284
	NFI (BWR)	Токай-Мура	0	250	250
	Митсубиси Ядерное топливо	Токай-Мура	450	440	440
	Global Nuclear Fuel — Япония	Курихама	0	620	630
Казахстан	Ульба	Усть-Каменогорск	0	108	0
Корея	KNFC	Тэджон	700	700	700
Россия	ТВЭЛ-МСЗ *	Электросталь	1500	1500	1560
	ТВЭЛ-НЦХП	Новосибирск	450	1200	1200
Испания	ENUSA	Хусбадо	0	500	500
Швеция	Westinghouse AB	Västeras	787	600	600
Великобритания	Вестингауз **	Спрингфилдс	950	600	860
США	Framatome Inc	Ричленд	1200	1200	1200
	Global Nuclear Fuel — Америка	Уилмингтон	1200	1000	1000
	Вестингауз	Колумбия	1600	1594	2154
Итого			12 645	13 913	15 276

* Включает прибл.220 ттм для реакторов РБМК
** Включает прибл. 200 ттм для реакторов AGR

Источник: Отчет Всемирной ядерной ассоциации по ядерному топливу за 2019 год, таблица 8.2
Обратите внимание: приведенные выше цифры примерно на 40% выше производственных мощностей, которые удовлетворяют спрос.

Таблица 2: Мировые мощности по изготовлению топлива PHWR, т / год

	Изготовитель	Расположение	Стержень / Узел
Аргентина	КОНУАР	Кордова и Эйзейса	160
Канада	Cameco	Порт-Хоуп	1500
	GNF-Canada	Торон Питерборо	1500
Китай	CNNFC	Баотоу	246
Индия	Ядерный топливный комплекс ДАЭ	Хайдарабад	1000
Пакистан	PAEC	Чашма	20
Корея	KEPCO	Тэджон	400
Румыния	СНН	Питешти	250
Итого			5076

Источник: Отчет Всемирной ядерной ассоциации по ядерному топливу за 2019 год, таблица 8.6, из МАГАТЭ

В последние годы в отрасли производства топлива для LWR были произведены рационализации, в том числе:

• Когда Westinghouse Electric была куплена Toshiba, Казатомпром приобрел 10% этой доли (впоследствии продал Toshiba).
• Global Nuclear Fuels было создано как совместное предприятие General Electric, Toshiba и Hitachi, хотя в 2018 году Toshiba продала свою 14% долю Hitachi, увеличив свою долю до 40%. Есть два «филиала» GNF-A (Америка) и GNF-J (Япония) с разными структурами собственности.Наиболее известен по топливу BWR.
• Toshiba приобрела 52% Nuclear Fuel Industries (NFI) в Японии, а затем согласилась выкупить оставшуюся часть у Sumitomo (24%) и Furukawa (24%), чтобы сделать ее полной собственностью.
• Mitsubishi Heavy Industries и AREVA (30%) приобрели компанию Mitsubishi Nuclear Fuel и создали совместное предприятие по производству топлива в США.
• Казатомпром и AREVA договорились о строительстве завода по производству топлива производительностью 1200 т / год в Казахстане. *

* «Казатомпром» заявил, что к 2030 году намерен обеспечить до одной трети мирового рынка изготовления топлива, причем одним из первых основных заказчиков станет Китай.

Вторичная поставка из рецикла

В настоящее время около 100 т регенерированного урана (RepU) в год производится на МСЗ в Электростали, Россия (мощность 250 т / год) по контрактам AREVA. Одна производственная линия на заводе AREVA в Риме, Франция имеет лицензию на производство 150 т RepU в топливо в год, и сборки PWR этого типа уже были доставлены на реакторы во Франции, Бельгии и Великобритании, а некоторое количество порошка RepU было отправлено из Россия в Японию. Ограниченная емкость RepU и повышенная емкость RepU (ЕСВ) существуют и в других местах.

В настоящее время почти все коммерческое МОКС-топливо производится на заводе AREVA MELOX в Маркуле. Обладая производительностью 195 тонн в год и высокой производительностью, этот завод помогает не только экономить уран и потребность в обогащении, но и высвобождает рыночные мощности по производству LWR.

Британский завод по производству МОКС-топлива в Селлафилде имел проектную мощность 120 т / год, но был снижен до 40 т / год и никогда не достигал этого уровня надежной производительности до закрытия в 2011 году. Российский завод по производству МОКС-топлива в Железногорске для быстрых реакторов начал работу в 2015 году. .Японский завод по производству МОКС-топлива в Роккашо-Мура планируется ввести в эксплуатацию к 2022 году, а завод по производству МОКС-топлива в США в Саванна-Ривер должен был производить МОКС-топливо из оружейного плутония, но этот проект в настоящее время прекращен.

Рынок МОКС-топлива в последнее время несколько ослаб в связи с прекращением его использования в Бельгии, Германии и Швейцарии (мораторий), а продолжающаяся загрузка МОКС-топлива в Японии уменьшилась после аварии на Фукусиме.

Таблица 3: Мировые мощности по изготовлению МОКС-топлива, т / год

	Изготовитель	Расположение	Гранулирование	Стержень / узел
Франция	Орано	Маркуль	195	195
Индия	Ядерный топливный комплекс ДАЭ	Тарапур	50	50
Япония	JAEA	Токай-Мура	5	5
	JNFL	Роккашо-Мура *	130	130
Россия	MCC	Железногорск	60	60
Итого			440	44 0

* Ввод в эксплуатацию к 2022 году
Источник: Отчет Всемирной ядерной ассоциации по ядерному топливу за 2019 год, таблица 8.7, обновлено

МОКС-топливо

Топливо из смеси оксида урана и оксида плутония (МОКС) используется примерно в 30 легководных энергетических реакторах в Европе и примерно в 10 в Японии. Он состоит из обедненного урана (около 0,2% U-235), большие количества которого остаются после обогащения урана, и оксида плутония, получаемого при химической переработке отработанного ядерного топлива (на заводе по переработке). Этот плутоний реакторного качества, содержащий около одной трети неделящихся изотопов.

На заводе по изготовлению МОКС-топлива два компонента энергично смешивают в высокоэнергетической мельнице, которая тщательно перемешивает их, так что порошок превращается в основном в единый «твердый раствор» (U, Pu) O2. МОКС-топливо, содержащее около 7% плутония ректорного качества, эквивалентно обычному обогащенному урановому топливу. Процесс прессования и спекания во многом такой же, как и для топливных таблеток UO2, хотя для защиты рабочих от спонтанных выбросов нейтронов из компонента Pu-240 требуется некоторая пластиковая защита.

Вибропакетированное МОКС-топливо (VMOX) — это российский вариант производства МОКС-топлива, при котором порошки смешанных (U, Pu) O2 и UO2 загружаются и упаковываются в трубы оболочки, где они спекаются на месте при собственной рабочей температуре. Это избавляет от необходимости производить окатыши с высокими геометрическими допусками, которые включают измельчение и лом, с которыми сложнее справиться для топлива, содержащего плутоний. Российские источники говорят, что виброупакованное топливо легче утилизировать.

Топливо РЕМИКС

Топливо

REMIX (из регенерированной смеси) производится непосредственно из неразделенной смеси рециклированного урана и плутония из переработанного отработанного топлива с урановой добавкой НОУ (до 17% по U-235), составляющей около 20% смеси. .Это дает топливо с примерно 1% Pu-239 и 4% U-235, которое может выдерживать выгорание 50 ГВт-сутки / т в течение четырех лет. Отработанное топливо REMIX через четыре года содержит около 2% Pu-239 * и 1% U-235, и после охлаждения и переработки неотделенные уран и плутоний снова рециркулируют после добавления НОУ, что компенсирует равные изотопы обоих элементов. .

Топливо

РЕМИКС может быть повторно переработано со 100% загрузкой активной зоны в существующих реакторах ВВЭР-1000 и, соответственно, переработано много раз — до пяти раз, так что с тремя загрузками в обращении реактор может проработать 60 лет на одном и том же топливе. , с перезарядкой НОУ.РЕМИКС может служить заменой существующему реакторному топливу, хотя он еще не коммерциализирован. Цикл REMIX может быть изменен, исходя из приведенных выше цифр, в зависимости от необходимости.

* увеличение на 68% по сравнению со 104% в топливном цикле МОКС, согласно данным Tenex.

Топливо высокотемпературного реактора TRISO

Высокотемпературные реакторы (HTR) работают при температуре от 750 до 950 ° C и обычно охлаждаются гелием. Топливо для них представляет собой частицы TRISO (триструктурно-изотропные) диаметром менее миллиметра.Каждый из них имеет ядро ​​(около 0,5 мм) из оксикарбида урана (или диоксида урана) с обогащением урана до 20% по U-235, хотя обычно меньше. Он окружен слоями углерода и карбида кремния, что обеспечивает удержание продуктов деления, устойчивое до очень высоких температур. Испытания в двух лабораториях США подтвердили, что большинство продуктов деления надежно остаются в частицах TRISO примерно до 1800 ° C.

Эти частицы могут быть расположены в HTR двумя способами: блоками — гексагональными «призмами» графита; или в гальках размером с бильярдный шар из графита, заключенных в карбид кремния, каждый из которых содержит около 15 000 топливных частиц и 9 г урана.Так или иначе, замедлитель — графит. В HTR потенциально можно использовать топливо на основе тория, такое как высокообогащенный или низкообогащенный уран с Th, U-233 с Th и Pu с Th. Большой опыт использования ториевого топлива был получен в HTR.

Главный завод по изготовлению топлива HTR находится в Баотоу в Китае, северном филиале China Nuclear Fuel Element Co Ltd. С 2015 года это производит 300 000 топливных камушков в год для HTR-PM, строящегося в Шидаоване. Предыдущее производство было в Германии в небольших масштабах.

В США компания BWX Technologies в Линчбурге, штат Вирджиния, производит высокоэффективное низкообогащенное (HALEU) топливо TRISO в техническом масштабе, финансируемое Министерством энергетики США (DOE), а в октябре 2019 года компания объявила о расширении до коммерческий масштаб в течение трех лет. В марте 2020 года Министерство энергетики заключило контракт с BWXT на производство топлива HALEU TRISO для поддержки разработки проекта реактора трансформации (TCR) Министерства энергетики. HTR мощностью 3 МВт должен быть построен в Окриджской национальной лаборатории (ORNL) в Теннесси, чтобы продемонстрировать снижение затрат на развертывание «с использованием быстрого передового производственного подхода.«Министерство энергетики предполагает, что реактор будет спроектирован и построен с использованием 3D-печати и достигнет критичности к 2023 году». Гибкий подход к проектированию, производству и испытаниям используется для соблюдения этого графика и создания новой парадигмы проектирования и развертывания ядерных систем. «Активная зона реактора состоит из покрытых нитридом урана топливных частиц внутри усовершенствованной конструкции из карбида кремния. Топливные блоки перемежаются элементами замедлителя из гидрида иттрия.

X-energy владеет заводом по изготовлению пилотного топлива TRISO в ORNL.В ноябре 2019 года X-energy и GNF договорились о создании коммерческого производства HALEU TRISO на заводе GNF в Уилмингтоне в Северной Каролине. Ожидается, что это позволит производить топливо TRISO «значительно более высокого качества и по ценам, которые значительно ниже, чем у других потенциальных производителей». Он потенциально мог бы поставлять Министерству обороны США микрореакторы и НАСА для ядерных тепловых двигателей. X-energy основывается на топливной технологии TRISO, разработанной в рамках Программы квалификации топлива для усовершенствованных газовых реакторов Министерства энергетики США в рамках двух соглашений о сотрудничестве с Министерством энергетики.

X-energy также имеет соглашения с Centrus Energy в США о разработке технологии изготовления TRISO для карбид уранового топлива и с NFI в Токай в Японии, у которого есть запас топлива HTR 400 кгU / год для HTTR Японии 30 МВт. NFI должна поставить оборудование для завода X-Energy TRISO-X в ORNL, что может потребовать перемещения всего завода.

X-energy подает заявку на получение гарантии по кредиту от правительства для коммерциализации цепочки поставок топлива на основе TRISO и, как ожидается, подаст заявку на лицензию для коммерческого завода к середине 2021 года, хотя теперь это может быть прерогативой GNF.

Топливо низкообогащенное высокопробирное прочее

В связи с рядом проектов малых модульных реакторов (SMR) внимание обращается на потребность в высокопробном низкообогащенном уране (HALEU) с уровнями обогащения от 5% до 20% по U-235. В США Министерство энергетики (DOE) предлагает преобразовать металлический HALEU в топливо для исследовательских и опытно-конструкторских целей в Комплексе материалов и топлива Национальной лаборатории штата Айдахо и / или Центре ядерных технологий и инженерии штата Айдахо, чтобы поддержать разработку нового реактора. технологии с более высокой эффективностью и более длительным сроком службы активной зоны.HALEU может быть металлическим или оксидным.

HALEU может быть произведен с использованием существующей технологии центрифуг, но для этого потребуется принять ряд мер, а также для деконверсии и изготовления топлива. Также потребуются новые транспортные контейнеры, поскольку контейнеры для сегодняшнего обогащенного UF ₆ нельзя использовать по соображениям критичности.

Передовые технологии ядерного топлива

Деятельность по разработке топлива в атомной отрасли в основном сосредоточена на повышении надежности стандартных оксидных урановых топлив с циркониевой оболочкой.Однако все больше исследований и разработок прилагаются к эволюционным формам топлива, которые могут предложить значительные улучшения с точки зрения безопасности, обращения с отходами и экономики эксплуатации, а также позволяют развертывать новые типы реакторов.

Аварийно-устойчивое топливо

Аварийно-устойчивое топливо (ATF) — это термин, используемый для описания новых технологий, повышающих безопасность и характеристики ядерного топлива. ATF может включать использование новых материалов и конструкций для оболочек и топливных таблеток.

Framatome, GE / GNF и Westinghouse разрабатывают концепции ATF при финансовой поддержке Министерства энергетики США (DOE). С 2012 года Министерство энергетики поддерживает разработку концепций ATF в рамках своей программы Enhanced Accident Tolerant Fuel (EATF). Его цель состоит в разработке новых материалов оболочки и топлива, которые могут лучше выдерживать потерю активного охлаждения в активной зоне, сохраняя или улучшая характеристики топлива и экономичность во время нормальной эксплуатации. Приоритетом программы EATF является минимизация образования водорода.

Совместная программа Министерства энергетики США использует исследовательский реактор Halden в Норвегии для испытания топливных стержней ATF, а также усовершенствованный испытательный реактор (ATR) и перезапущенную испытательную установку переходных реакторов (TREAT) в Национальной лаборатории Министерства энергетики штата Айдахо (INL). В феврале 2017 года Министерство энергетики выделило Framatome (затем Areva) 10 миллионов долларов на срок 2 года на второй этап программы, аналогичное финансирование предоставляется GE Hitachi и Westinghouse.

Framatome на втором этапе своей программы PROtect Enhanced ATF с 2017 года разрабатывает концепцию ядерного топлива с использованием оболочки из циркониевого сплава с хромовым покрытием (M5) в сочетании с топливными таблетками, легированными хромом.Ожидается, что топливо лучше удерживает газы деления и улучшит взаимодействие таблеток с оболочкой, а оболочка будет лучше сопротивляться высокотемпературному окислению. Дистанционная решетка GAIA, удерживающая топливные стержни, также имеет высокую механическую стойкость к истиранию. В июне 2018 года Министерство энергетики объявило об испытаниях ATF Framatome в усовершенствованном испытательном реакторе в Национальной лаборатории Айдахо. Первые полные испытательные сборки этого топлива GAIA с оболочкой M5 и таблетками с повышенным содержанием хрома были загружены в Vogtle 2 компании Southern Nuclear в марте 2019 года.Exelon планирует загрузить две полные топливные сборки GAIA в Calvert Cliffs 2 в марте 2021 года. Entergy также планирует использовать их в Арканзасе 1. Они также будут иметь покрытые хромом оболочки из циркаллоя и топливные таблетки, легированные хромом. Усовершенствованным топливом BWR Framatome является Atrium. Framatome также продолжает работу над оболочкой из карбида кремния и планирует использовать эту оболочку на таблетках, легированных хромом, в сборках для испытаний свинца примерно в 2022 году.

GE Hitachi с GNF разрабатывает два типа ATF: покрытие из ферритного / мартенситного стального сплава ( e.грамм. Fe-Cr-Al), известный как IronClad, и циркониевую оболочку с покрытием, известную как ARMOR. Оба предназначены для обычного топлива UO ₂ и предназначены для обеспечения стойкости к окислению и превосходного поведения материала в ряде условий в BWR. Оболочка IronClad Fe-Cr-Al имеет лучшую механическую прочность при высоких температурах, удерживает газы деления лучше, чем циркониевый сплав, и имеет меньший потенциал образования водорода в случае аварии. Циркониевая оболочка с покрытием ARMOR обеспечивает повышенную защиту твэлов от истирания осколками.

Усовершенствованные топливные стержни

GNF были первыми, разработанными в рамках программы ATF, которые были загружены в коммерческий реактор во время весенней дозаправки люка 1 компании Southern Nuclear в марте 2018 года. Это были свинцовые испытательные стержни IronClad без топлива и свинцовые испытательные стержни с топливом и циркониевой оболочкой с покрытием ARMOR. . Завод Exelon в Клинтоне загрузил свинцовые испытательные сборки в январе 2020 года, как с циркониевой оболочкой с покрытием ARMOR, так и с тремя разновидностями GNF IronClad, которые являются первыми сборками оболочки на основе ферритной стали, работающими на топливе, которые будут установлены в промышленном реакторе.

Westinghouse в июне 2017 года запустила EnCore ATF. На заводе Exelon в Байроне компания производит первые испытательные стержни EnCore, в которые в сентябре 2019 года будет вставлена ​​свинцовая испытательная сборка. Первоначальное топливо EnCore состоит из топливных таблеток из силицида урана высокой плотности внутри циркониевой оболочки с тонким покрытием из хрома, что делает его химически более устойчивым. (Силицид урана — U ₃ Si ₂ — топливо для исследовательских реакторов также разрабатывается в INL.На втором этапе топливные таблетки силицида урана будут в композитной оболочке с керамической матрицей из карбида кремния с температурой плавления 2800 ° C, и эти испытательные сборки могут быть загружены в реактор к 2022 году. наградами Министерства энергетики США компании Westinghouse и группы партнеров, включая General Atomics, несколько национальных лабораторий Министерства энергетики, Southern Nuclear Operating Company и Exelon.

Westinghouse заявила, что возникнет экономия затрат, поскольку силицид урана обеспечивает до 20% более высокую плотность урана и гораздо более высокую теплопроводность, которая не ухудшается при облучении, как UO ₂ , поэтому при каждой перегрузке необходимо заменять меньшее количество тепловыделяющих сборок. .На втором этапе EnCore более высокая термостойкость оболочки из карбида кремния может привести к пересмотру нормативных требований, и Westinghouse рассматривает это как «изменение правил игры».

После испытаний свинцовых испытательных сборок Westinghouse намеревается сделать полные количества перезарядки доступными с 2027 года. ATF представляют ряд производственных проблем, и, учитывая связанные с этим нейтронно-физические ограничения, может потребоваться обогащение до более 5%, несмотря на более высокую плотность урана в топливо.

Топливная компания Росатома ТВЭЛ планирует предложить своим потребителям АТФ к началу 2020-х годов. ТВЭЛ разрабатывает ATF для использования в реакторах ВВЭР Росатома и в западных реакторах типа PWR. Испытания прототипов сборок — одного ВВЭР и одного для западных PWR — начались в начале 2019 года на исследовательском реакторе МИР в Государственном научно-исследовательском институте атомных реакторов в Димитровграде. Каждая сборка состоит из 24 твэлов с различными комбинациями материалов оболочки и топливного состава. Для первоначальных испытаний топливные таблетки были изготовлены из диоксида урана, а также из уран-молибденового сплава, которые имеют более высокую плотность и теплопроводность.После облучения несколько тепловыделяющих элементов из каждой тепловыделяющей сборки удаляются для исследований после облучения и заменяются новыми тепловыделяющими элементами с различными комбинациями материалов оболочки и топливных таблеток для дальнейших испытаний.

В конце 2019 года Росатом сообщил, что на Новосибирском заводе химконцентратов ТВЭЛ изготовлены три ТВС-2М, каждая из которых содержит двенадцать твэлов ATF. Сборки планируется загрузить в один из реакторов ВВЭР-1000 в Ростове в начале 2020 года.Топливные стержни ATF содержат таблетки диоксида урана с оболочкой из циркониевого сплава с хромовым покрытием или хромоникелевого сплава. Оба варианта делают облицовку более термостойкой.

Группа экспертов Агентства по ядерной энергии ОЭСР по ATF для легководных реакторов рассматривает материалы оболочки и активной зоны, уделяя особое внимание их фундаментальным свойствам и поведению в нормальных условиях эксплуатации и аварийных условиях, как описано выше для программы под руководством США. Рассматриваются как усовершенствованные материалы и компоненты сердечника, в частности инновационные материалы оболочки (покрытые и улучшенные сплавы на основе Zr, SiC и SiC / SiC композиты, усовершенствованные стали и тугоплавкие металлы), так и нетопливные компоненты (усовершенствованные стержни управления, корпус канала BWR). .Подгруппа занимается разработкой топлива для рассмотрения трех категорий инновационных видов топлива: улучшенного UO ₂ , топлива с высокой плотностью и топлива с покрытыми частицами, такого как топливо HTR, описанное выше.

Металлическое топливо

Независимо от Министерства энергетики США и международной программы ATF, Lightbridge разрабатывает усовершенствованную концепцию металлического топлива, которое может иметь характеристики аварийной устойчивости.

Металлическое топливо использовалось в некоторых более ранних реакторах, таких как конструкция UK Magnox, а также в двух быстрых реакторах США, с добавлением 5-10% циркония.Но более высокая температура плавления оксида урана сделала его предпочтительным топливом для всех реакторов на протяжении полувека. * По крайней мере, в США металлическое топливо не производилось с 1980-х годов.

* UO ₂ имеет очень высокую температуру плавления — 2865 ° С (по сравнению с чистым металлическим ураном — 1132 ° С).

Однако металл имеет гораздо лучшую теплопроводность, чем оксид керамики, и недавние исследования вернулись к металлическим топливным формам. Компания Babcock & Wilcox Nuclear Energy работала с Lightbridge над созданием экспериментальной установки для металлического топлива из сплава Zr-U 50:50 (по массе) с ураном, обогащенным почти до 20%, и имеющей многолепестковую и спирально закрученную геометрию стержня. .Повышенное обогащение компенсирует снижение начальной делящейся нагрузки и производного плутония. Температура плавления сплава составляет около 1600 ° C, а средняя рабочая температура в топливе составляет до 370 ° C (а не около 1250 ° C в обычном оксидном топливе), теплопроводность в пять раз лучше, чем у оксидного топлива. BWXT в США завершила оценку осуществимости и подготовила план изготовления образцов топлива.

Каждый топливный стержень Lightbridge состоит из центрального вытеснителя из циркония, окруженного четырехлепестковым топливным сердечником с металлической оболочкой, прикрепленной к нему.У шестиугольных ТВС для ВВЭР ТВС трехлепестковый. Форма стержня обеспечивает увеличенную площадь поверхности для теплопередачи, а площадь между лепестками способствует разбуханию во время облучения. Стержень имеет большую конструктивную целостность, чем токовые трубки с керамическими гранулами внутри. Поворот примерно на 180 ° на протяжении примерно метра означает, что штанги расположены самостоятельно, обеспечивая при этом хорошие характеристики потока. Топливо работает с более высокой удельной мощностью, чем оксидное топливо, и целевое выгорание составляет 21 атомный процент, что примерно в три раза больше, чем у оксидного топлива.Он подходит для всех LWR и, как ожидается, даст прирост мощности около 17% для существующих PWR и до 30% для новых, разработанных для более высокой плотности мощности и с более длительным топливным циклом. Помимо патентов США и России, в июне 2015 года конструкция была запатентована в Южной Корее, где Lightbridge видит «значительный потенциальный рынок», а в июле 2017 года эта патентная защита была расширена, чтобы охватить как металлическую четырехлепестковую конструкцию, так и ее изготовление. из пудры. К ноябрю 2017 года он был запатентован в Японии, Китае (четыре патента), Южной Корее и Канаде.

Lightbridge также договорился с Canadian Nuclear Laboratories о производстве такого металлического топлива в Чок-Ривер в Канаде и его испытаниях на реакторе NRU. Ожидалось, что в рамках соглашения в начале 2016 года будут изготовлены и описаны прототипы топливных стержней с использованием обедненного урана, а образцы топлива для облучения с использованием обогащенного урана будут изготовлены позднее в том же году. При условии окончательного одобрения Норвежского агентства по радиационной защите Lightbridge будет испытывать топливо в условиях прототипа PWR в водяном контуре под давлением норвежского исследовательского реактора Halden мощностью 25 МВт (кипящий тяжеловодный реактор).Первоначальный этап радиационных испытаний должен был начаться в 2017 году с использованием коротких образцов для оценки проводимости и продолжаться около трех лет с использованием топливных стержней диаметром 70 см для оценки оболочки и распухания. Испытания направлены на достижение выгорания, необходимого для ввода свинцовых испытательных сборок (LTA) в промышленный энергетический реактор. Ожидается, что заключительный этап испытаний облучением, необходимый для перезагрузки партии и полной активной зоны с 10% -ным увеличением мощности и 24-месячным циклом, займет еще два года и будет завершен, когда ДСС начнут работать в активной зоне промышленного энергетического реактора. около 2020 года.

В апреле 2015 года группа электроэнергетических компаний, представляющих половину ядерных генерирующих мощностей США, написала в Комиссию по ядерному регулированию письмо, в котором официально выразила интерес к металлическому топливу Lightbridge, заявив, что, по их мнению, это топливо дает возможности для значительного повышения безопасности и экономики топливного цикла. Консультативный совет по топливу для атомных электростанций (NUFAB) планирует испытать топливо в действующем реакторе PWR примерно в 2020 году.

В марте 2016 года Lightbridge заключила эксклюзивное соглашение о совместной разработке с Areva NP, чтобы создать совместное предприятие 50:50, которое будет разрабатывать, производить и коммерциализировать тепловыделяющие сборки на основе технологии металлического топлива.В ноябре он объявил о соглашении об основных условиях для совместного предприятия в США, создав «жизнеспособный и четко определенный путь коммерциализации», охватывающий тепловыделяющие сборки для большинства типов легководных реакторов, включая реакторы с водой под давлением (за исключением ВВЭР), кипящую воду. реакторы, малые модульные реакторы и исследовательские реакторы. В сентябре 2017 года было подписано обязывающее соглашение с Areva Inc (для New NP) о создании совместного предприятия в Северной Америке. Совместное предприятие Lightbridge и Framatome * было официально создано в январе 2018 года и получило название Enfission.Коммерческие продажи топлива ожидались к 2026 году. Однако в 2019 году Lightbridge попыталась закрыть совместное предприятие, а в начале 2020 года искала новых партнеров. Права интеллектуальной собственности на топливо остаются за Enfission.

* Новый НП был переименован в Framatome в январе 2018 года.

Lightbridge работает с четырьмя американскими ядерными энергосистемами, и в конце 2016 года с одной из них было подписано письмо о намерениях относительно демонстрации свинцовой тестовой топливной сборки на коммерческом реакторе в США, возможно, к 2021 году.

В США Национальная лаборатория Айдахо (INL) испытывала изготовление металлического топлива методом экструзии для так называемого реактора бегущей волны (TWR) TerraPower. Топливо в нем рассчитано на перестановку, но без пополнения в течение 40 лет.

Разрабатываемое ториево-урановое топливо

С начала 1990-х годов в России действует программа по разработке торий-уранового топлива на базе Курчатовского института в Москве с участием американской компании Lightbridge Corporation и финансирования правительства США для разработки топлива для российских реакторов ВВЭР-1000.В то время как в обычном топливе используется обогащенный оксид урана по всей тепловыделяющей сборке, новая конструкция имеет съемную центральную часть и конструкцию бланкета с топливными стержнями из металлического урана-циркония в центре и таблетками из уран-ториевого оксида в обычных топливных стержнях вокруг него. Th-232 в бланкете улавливает нейтроны, превращаясь в U-233, который расщепляется и расщепляется на месте. Материал бланкета остается в реакторе в течение девяти лет, но центральная часть сжигается только три цикла (как в обычном ВВЭР, 3 или 4 цикла.5 лет в зависимости от интервала дозаправки). Никакой переработки бланкета не предполагается, как из-за трудностей, связанных с использованием ториевого топлива, так и из-за наличия значительного количества U-232 в бланкете. Двухкомпонентная ТВС имеет такую ​​же геометрию, что и обычный ВВЭР.

Вариант этой конструкции использует топливные стержни из плутоний-циркониевого металла в центральной заправочной сборке и ранее был известен как установка для сжигания плутония.

Прочие разработки в области топлива

Другие топливные технологии, которые кажутся особенно многообещающими и которые могут быть коммерчески внедрены в обозримом будущем, включают:

• Облицовки из керамики или циркония с покрытием, предотвращающие неблагоприятное взаимодействие пара и циркония при очень высокой температуре
• Оксидное топливо с высокой теплопроводностью, которое может быть достигнуто добавлением таких добавок, как оксид бериллия (BeO).Более высокая проводимость обеспечивает более высокий запас прочности и может допускать более высокие рабочие мощности.
• Топливо на основе тория, включая смешанное торий-плутониевое (Th-MOX) топливо, которое может обеспечить высокий коэффициент использования рециклированного плутония.
• Другое цельнометаллическое топливо и кольцевое топливо LWR, обеспечивающее большее охлаждение и, следовательно, безопасное, высокую удельную мощность для топлива и улучшенную экономичность.
• Топливо с гранулированными частицами с покрытием, предназначенное для достижения высоких уровней безопасности для топлива, которое можно оставлять в легководном реакторе на очень длительные периоды, тем самым достигая высокого выгорания компонентов рециркулированных плутония и / или актинидов.

Работа ведется по каждой из этих новых топливных технологий.

---

Примечания и ссылки

Общие ссылки

World Nuclear Association, The Nuclear Fuel Report (ранее The Global Nuclear Fuel Market report)
Кок, Кеннет (редактор), 2009, Справочник по ядерной инженерии (главы 2, 3, 4, 9), CRC Press
Nuclear Engineering International, сентябрь 2010 г., данные о конструкции топлива
Мэлоун, Дж. И др., Усовершенствованное металлическое топливо для легководных реакторов Lightbridge Corporation, Nuclear Technology 180, декабрь 2012 г.
Заявление комиссара Джеффри С.Меррифилд на брифинге Комиссии по ядерному регулированию США по характеристикам ядерного топлива 24 февраля 2005 г., Комиссия по ядерному регулированию, № S-05-002
Кушнер, М. П., Производство ядерного топлива для производства электроэнергии в коммерческих целях , Сделки IEEE по энергетическим устройствам и системам, том PAS-93, выпуск 1, стр. 244-247, январь 1974 г.
Веб-сайт Westinghouse Springfields
Страница производственного процесса на заводе в Токай на веб-сайте Mitsubishi Nuclear Fuel
Заключительный этап обработки в разделе Nuclear 101 на веб-сайте Cameco
Совместные усилия для новых топливных станций, World Nuclear News, 28 октября 2010 г.
Areva, Mitsubishi, совместное предприятие по изготовлению топлива, World Nuclear News, 18 февраля 2009 г.
Единый топливный магазин приходит в Азию, World Nuclear News, 6 октября 2009 г.
Westinghouse покупает японского производителя топлива, World Nuclear News, 30 апреля 2009 г.
Westinghouse подводит итоги цепочки поставок в области технологий, топлива и поставок, World Nuclear News, 19 января 2011 г.
Скоро решение о новом заводе по производству МОКС-топлива в Великобритании, World Nuclear News, 14 января 2011 г.
Камагин, Д., Модификация и улучшение конструкции ТВС РБМК-1500, Отчет Игналинской Молодежной Ядерной Ассоциации (2003)
Страница «Ядерная продукция» на сайте ТВЭЛ
Подробнее о технических аспектах изготовления топлива, в основном о сварке циркалоя, см .: Peter Rudling et al. , Сварка циркониевых сплавов, Отчет по специальной теме IZNA7, Advanced Nuclear Technology International, октябрь 2007 г.
Сайт Lightbridge

Организованная преступность — ФБР

Ла Коза Ностра

Ла Коза Ностра произошла от сицилийской мафии и является одной из главных угроз для американского общества со стороны организованной преступности.В переводе на английский это означает «это наше». Это общенациональный альянс преступников, связанных кровными узами или заговором, призванный преследовать преступления и защищать своих членов. Его также называют мафией — этим термином называют другие организованные преступные группы.

LCN, как ее называют в ФБР, состоит из различных «семей» или групп, которые, как правило, расположены географически и вовлечены в значительную и организованную деятельность по рэкету. Он вовлечен в широкий спектр незаконных действий: убийства, вымогательство, незаконный оборот наркотиков, коррупция государственных чиновников, азартные игры, проникновение в законный бизнес, трудовой рэкет, ростовщичество, проституция, порнография, схемы налогового мошенничества и схемы манипулирования ценными бумагами.

LCN наиболее активна в столичном регионе Нью-Йорка, некоторых частях Нью-Джерси, Филадельфии, Детройте, Чикаго и Новой Англии. Основные семейства LCN включают пять семей из Нью-Йорка — Бонанно, Коломбо, Гамбино, Дженовезе и Лукезе; семья ДеКавальканте из Ньюарка; LCN Новой Англии; LCN Филадельфии; и Chicago Outfit. У них есть члены в других крупных городах, и они причастны к международным преступлениям. Хотя LCN имеет свои корни в итальянской организованной преступности, на протяжении многих лет она была отдельной организацией.Сегодня он сотрудничает в различных криминальных действиях с различными преступными группировками, штаб-квартира которых находится в Италии.

LCN и рэкет рабочей силы

Рэкет рабочей силы — это доминирование, манипулирование и контроль над движением рабочей силы с целью воздействия на связанные предприятия и отрасли. Расследования ФБР на протяжении многих лет ясно продемонстрировали, что рэкет рабочей силы обходится американскому обществу в миллионы долларов каждый год из-за увеличения затрат на рабочую силу, которые в конечном итоге перекладываются на потребителей.Это преступление стало одним из основных источников прибыли, национальной мощи и влияния LCN. Помимо LCN, ФБР отметило рост активности рэкета со стороны других групп ТОП.

Профсоюзы являются богатым источником для эксплуатации организованных преступных групп: их пенсионные фонды, социальные фонды и фонды здравоохранения. В США около 75000 местных профсоюзов, и многие из них имеют собственные фонды социальных пособий. Рабочие-рэкетиры пытаются контролировать здоровье, социальное обеспечение и пенсионные планы, предлагая компаниям контракты «возлюбленных», мирные трудовые отношения и смягченные правила работы или фальсифицируя выборы профсоюзов.Нарушения трудового законодательства происходят в основном в крупных городах с сильной промышленной базой и сильными профсоюзами, таких как Нью-Йорк, Буффало, Чикаго, Кливленд, Детройт и Филадельфия. В этих городах также много деятелей организованной преступности.

ФБР тесно сотрудничает с Управлением труда Генерального инспектора и с прокуратурой США в расследовании нарушений трудового законодательства. У нас также есть несколько методов расследования для искоренения нарушений трудового законодательства, включая электронное наблюдение, секретные операции, конфиденциальные источники и опросы потерпевших.Кроме того, в нашем распоряжении находятся многочисленные уголовные и гражданские законы, в первую очередь через статут RICO.

Гражданские положения статута RICO, особенно указы о согласии, оказались очень мощным оружием против трудового рэкета. Часто они более продуктивны, потому что нападают на всю коррумпированную организацию, а не сажают в тюрьму отдельных лиц, которых легко заменить другими членами организованной преступности или сообщниками. Декреты о согласии наиболее эффективны, когда существует долгосрочная системная коррупция практически на всех уровнях профсоюза со стороны преступных организаций.Гражданская жалоба RICO и последующий указ о согласии могут восстановить демократию в коррумпированном профсоюзе путем применения гражданских средств правовой защиты, направленных на искоренение такой коррупции и сдерживание ее повторного появления.