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Die Struktur des Atomkernreaktors. Kernreaktor: Funktionsprinzip, Eigenschaften, Beschreibung

Für gewöhnlicher Mensch Moderne High-Tech-Geräte sind so mysteriös und mysteriös, dass es genau richtig ist, sie anzubeten, wie die Alten den Blitz verehrten. Schulunterricht Physiker, vollgestopft mit mathematischen Berechnungen, lösen das Problem nicht. Aber es ist interessant, sogar von einem Kernreaktor zu erzählen, dessen Funktionsprinzip selbst einem Teenager klar ist.

Wie funktioniert ein Kernreaktor?

Das Funktionsprinzip dieses Hightech-Geräts ist wie folgt:

Wenn ein Neutron absorbiert wird, wird Kernbrennstoff (meistens dieser Uran-235 oder Plutonium-239) erfolgt die Teilung des Atomkerns;
Bewegungsenergie, Gammastrahlung und freie Neutronen werden freigesetzt;
Kinetische Energie wird in thermische Energie umgewandelt (wenn Kerne mit umgebenden Atomen kollidieren), Gammastrahlung wird vom Reaktor selbst absorbiert und ebenfalls in Wärme umgewandelt;
Einige der erzeugten Neutronen werden von den Brennstoffatomen absorbiert, was eine Kettenreaktion auslöst. Um es zu kontrollieren, werden Neutronenabsorber und Moderatoren verwendet;
Mit Hilfe eines Kühlmittels (Wasser, Gas oder flüssiges Natrium) wird dem Reaktionsort Wärme entzogen;
Druckdampf aus erhitztem Wasser wird zum Antrieb von Dampfturbinen verwendet;
Mit Hilfe eines Generators wird die mechanische Energie der Rotation der Turbinen in elektrischen Wechselstrom umgewandelt.

Ansätze zur Klassifikation

Für die Typologie von Reaktoren kann es viele Gründe geben:

Nach Art der Kernreaktion. Spaltung (alle kommerziellen Anlagen) oder Fusion (thermonukleare Energie, ist nur in einigen Forschungsinstituten verbreitet);
Durch Kühlmittel. In den allermeisten Fällen wird dazu Wasser (kochendes oder schweres) verwendet. Manchmal werden alternative Lösungen verwendet: flüssiges Metall (Natrium, Blei-Wismut-Legierung, Quecksilber), Gas (Helium, Kohlendioxid oder Stickstoff), geschmolzenes Salz (Fluoridsalze);
Nach Generationen. Das erste sind die frühen Prototypen, die keinen kommerziellen Sinn ergaben. Die zweite ist die Mehrheit der derzeit genutzten Kernkraftwerke, die vor 1996 gebaut wurden. Die dritte Generation unterscheidet sich von der vorherigen nur durch geringfügige Verbesserungen. An der vierten Generation wird noch gearbeitet;
Nach Aggregatzustand Kraftstoff (Gas existiert immer noch nur auf dem Papier);
Nach Verwendungszweck(zur Stromerzeugung, Motorstart, Wasserstofferzeugung, Entsalzung, Transmutation von Elementen, Gewinnung von Neuralstrahlung, theoretische und Untersuchungszwecke).

Kernreaktorgerät

Die Hauptkomponenten von Reaktoren in den meisten Kraftwerken sind:

Kernbrennstoff – eine Substanz, die für die Erzeugung von Wärme für Kraftwerksturbinen notwendig ist (normalerweise schwach angereichertes Uran);
Die aktive Zone des Kernreaktors – hier findet die Kernreaktion statt;
Neutronenmoderator - reduziert die Geschwindigkeit schneller Neutronen und verwandelt sie in thermische Neutronen;
Startende Neutronenquelle - wird für den zuverlässigen und stabilen Start einer Kernreaktion verwendet;
Neutronenabsorber – in einigen Kraftwerken erhältlich, um die hohe Reaktivität von frischem Brennstoff zu reduzieren;
Neutronenhaubitze - wird verwendet, um eine Reaktion nach dem Ausschalten erneut einzuleiten;
Kühlmittel (gereinigtes Wasser);
Steuerstäbe - zur Steuerung der Spaltungsrate von Uran- oder Plutoniumkernen;
Wasserpumpe - pumpt Wasser zum Dampfkessel;
Dampfturbine - wandelt die thermische Energie des Dampfes in mechanische Rotationsenergie um;
Kühlturm - ein Gerät zum Abführen überschüssiger Wärme in die Atmosphäre;
System zur Annahme und Lagerung radioaktiver Abfälle;
Sicherheitssysteme (Notdieselgeneratoren, Geräte zur Notkernkühlung).

So funktionieren die neusten Modelle

Die neueste Reaktorgeneration der 4. Generation wird für den kommerziellen Betrieb verfügbar sein frühestens 2030. Derzeit befinden sich das Prinzip und die Anordnung ihrer Arbeit in der Entwicklungsphase. Nach aktuellen Daten werden sich diese Modifikationen von bestehenden Modellen in z Vorteile:

Schnelles Gaskühlsystem. Es wird davon ausgegangen, dass Helium als Kühlmittel verwendet wird. Entsprechend Projektdokumentation, somit ist es möglich, Reaktoren mit einer Temperatur von 850 °C zu kühlen. Um bei so hohen Temperaturen arbeiten zu können, sind auch spezielle Rohstoffe erforderlich: keramische Verbundwerkstoffe und Actinid-Verbindungen;
Als primäres Kühlmittel kann Blei oder eine Blei-Wismut-Legierung verwendet werden. Diese Materialien haben eine geringe Neutronenabsorption und sind relativ niedrige Temperatur schmelzen;
Als Hauptkühlmittel kann auch eine Mischung aus geschmolzenen Salzen verwendet werden. Somit ist es möglich, bei höheren Temperaturen als zu arbeiten moderne Analoga mit Wasserkühlung.

Natürliche Analoga in der Natur

Der Kernreaktor wird als wahrgenommen öffentliches Bewusstsein ausschließlich als Produkt hohe Technologie. Tatsächlich jedoch die erste Das Gerät ist natürlichen Ursprungs. Es wurde in der Region Oklo im zentralafrikanischen Staat Gabun entdeckt:

Der Reaktor entstand durch die Flutung von Urangestein Grundwasser. Sie fungierten als Neutronenmoderatoren;
Die beim Zerfall von Uran freigesetzte Wärmeenergie verwandelt Wasser in Dampf und die Kettenreaktion stoppt;
Nachdem die Kühlmitteltemperatur gesunken ist, wiederholt sich alles erneut;
Wenn die Flüssigkeit nicht abgekocht und den Verlauf der Reaktion gestoppt hätte, wäre die Menschheit mit einer neuen Naturkatastrophe konfrontiert worden;
In diesem Reaktor begann vor etwa anderthalb Milliarden Jahren die sich selbst erhaltende Kernspaltung. Während dieser Zeit wurden etwa 0,1 Millionen Watt Ausgangsleistung zugeteilt;
Ein solches Weltwunder auf der Erde ist das einzige bekannte. Das Erscheinen neuer ist unmöglich: Der Anteil von Uran-235 in natürlichen Rohstoffen ist viel geringer als das Niveau, das zur Aufrechterhaltung einer Kettenreaktion erforderlich ist.

Wie viele Kernreaktoren gibt es in Südkorea?

Arm dran Natürliche Ressourcen, aber die industrialisierte und überbevölkerte Republik Korea braucht dringend Energie. Vor dem Hintergrund der deutschen Ablehnung des friedlichen Atoms setzt Deutschland große Hoffnungen in die Eindämmung der Atomtechnik:

Es ist geplant, dass bis 2035 der Anteil der von Kernkraftwerken erzeugten Elektrizität 60% und die Gesamtproduktion mehr als 40 Gigawatt erreichen wird;
Das Land hat keine Atomwaffen, aber die Forschung in der Kernphysik ist im Gange. Koreanische Wissenschaftler haben Entwürfe für moderne Reaktoren entwickelt: modular, Wasserstoff, mit flüssigem Metall usw.;
Der Erfolg lokaler Forscher ermöglicht es Ihnen, Technologie im Ausland zu verkaufen. Es wird erwartet, dass das Land in den nächsten 15-20 Jahren 80 solcher Einheiten exportieren wird;
Aber bis heute wurden die meisten Kernkraftwerke mit Unterstützung amerikanischer oder französischer Wissenschaftler gebaut;
Die Anzahl der Betriebsstationen ist relativ gering (nur vier), aber jede von ihnen verfügt über eine beträchtliche Anzahl von Reaktoren - insgesamt 40, und diese Zahl wird zunehmen.

Beim Beschuss mit Neutronen tritt Kernbrennstoff in eine Kettenreaktion ein, wodurch eine enorme Wärmemenge erzeugt wird. Das Wasser im System nimmt diese Wärme auf und wandelt sie in Dampf um, der Turbinen antreibt, die Strom erzeugen. Hier einfache Schaltung Betrieb eines Kernreaktors, der leistungsstärksten Energiequelle der Erde.

Video: Wie Kernreaktoren funktionieren

In diesem Video erklärt Ihnen der Nuklearphysiker Vladimir Chaikin, wie Strom in Kernreaktoren erzeugt wird und wie sie im Detail aufgebaut sind:

Der Kernreaktor arbeitet reibungslos und genau. Sonst gibt es bekanntlich Ärger. Aber was geht drinnen vor? Versuchen wir, das Funktionsprinzip eines Kern-(Atom-)Reaktors kurz, klar und mit Stopps zu formulieren.

Tatsächlich läuft dort der gleiche Vorgang ab wie bei einer Atomexplosion. Nur jetzt tritt die Explosion sehr schnell auf, und im Reaktor erstreckt sich das alles lange Zeit. Am Ende bleibt alles sicher und gesund und wir bekommen Energie. Nicht so sehr, dass alles drum herum sofort zerschmettert wurde, aber genug, um die Stadt mit Strom zu versorgen.

Wie ein Reaktor funktioniertKKW-Kühltürme
Bevor Sie verstehen, wie eine kontrollierte Kernreaktion funktioniert, müssen Sie wissen, was eine Kernreaktion im Allgemeinen ist.

Eine Kernreaktion ist ein Vorgang der Umwandlung (Spaltung) von Atomkernen bei ihrer Wechselwirkung mit Elementarteilchen und Gammaquanten.

Kernreaktionen können sowohl unter Aufnahme als auch unter Abgabe von Energie ablaufen. Im Reaktor werden Zweitreaktionen eingesetzt.

Ein Kernreaktor ist ein Gerät, dessen Zweck es ist, eine kontrollierte Kernreaktion unter Freisetzung von Energie aufrechtzuerhalten.

Oft wird ein Kernreaktor auch als Kernreaktor bezeichnet. Beachten Sie, dass es hier keinen grundlegenden Unterschied gibt, aber aus wissenschaftlicher Sicht ist es richtiger, das Wort "nuklear" zu verwenden. Mittlerweile gibt es viele Arten von Kernreaktoren. Dies sind riesige Industriereaktoren zur Energieerzeugung in Kraftwerken, Atom-U-Boot-Reaktoren, kleine Versuchsreaktoren, die in verwendet werden wissenschaftliche Experimente. Es gibt sogar Reaktoren zur Entsalzung von Meerwasser.

Die Geschichte der Entstehung eines Kernreaktors

Der erste Kernreaktor wurde im nicht allzu fernen Jahr 1942 gestartet. Es geschah in den USA unter der Führung von Fermi. Dieser Reaktor wurde "Chicago Woodpile" genannt.

1946 ging der erste sowjetische Reaktor unter der Leitung von Kurtschatow in Betrieb. Der Körper dieses Reaktors war eine Kugel mit einem Durchmesser von sieben Metern. Die ersten Reaktoren hatten kein Kühlsystem und ihre Leistung war minimal. Übrigens hatte der sowjetische Reaktor eine durchschnittliche Leistung von 20 Watt, während der amerikanische nur 1 Watt hatte. Zum Vergleich: Die durchschnittliche Leistung moderner Leistungsreaktoren liegt bei 5 Gigawatt. Weniger als zehn Jahre nach dem Start des ersten Reaktors wurde in der Stadt Obninsk das weltweit erste industrielle Kernkraftwerk eröffnet.

Das Funktionsprinzip eines Kern(atom)reaktors

Jeder Kernreaktor besteht aus mehreren Teilen: Kern mit Brennstoff und Moderator, Neutronenreflektor, Kühlmittel, Kontroll- und Schutzsystem. Die Isotope von Uran (235, 238, 233), Plutonium (239) und Thorium (232) werden am häufigsten als Brennstoff in Reaktoren verwendet. Die aktive Zone ist ein Kessel, durch den gewöhnliches Wasser (Kühlmittel) fließt. Unter anderen Kühlmitteln werden „schweres Wasser“ und flüssiger Graphit weniger häufig verwendet. Wenn wir über den Betrieb eines Kernkraftwerks sprechen, dann wird ein Kernreaktor zur Wärmeerzeugung verwendet. Der Strom selbst wird auf die gleiche Weise wie in anderen Kraftwerkstypen erzeugt - Dampf dreht eine Turbine und die Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.

Unten ist ein Diagramm des Betriebs eines Kernreaktors.

Schema des Betriebs eines KernreaktorsSchema eines Kernreaktors in einem Kernkraftwerk

Wie wir bereits gesagt haben, entstehen beim Zerfall eines schweren Urankerns leichtere Elemente und einige Neutronen. Die dabei entstehenden Neutronen kollidieren mit anderen Kernen, wodurch diese ebenfalls gespalten werden. In diesem Fall wächst die Zahl der Neutronen wie eine Lawine.

Hier muss der Neutronenmultiplikationsfaktor erwähnt werden. Wenn also dieser Koeffizient einen Wert von eins überschreitet, kommt es zu einer nuklearen Explosion. Ist der Wert kleiner als eins, gibt es zu wenig Neutronen und die Reaktion stirbt ab. Wenn Sie jedoch den Wert des Koeffizienten gleich eins halten, wird die Reaktion lange und stabil ablaufen.

Die Frage ist, wie man es macht? Im Reaktor befindet sich der Brennstoff in den sogenannten Brennelementen (TVELs). Dies sind Stäbe, die Kernbrennstoff in Form kleiner Pellets enthalten. Die Brennstäbe sind zu sechseckigen Kassetten verbunden, von denen es Hunderte im Reaktor geben kann. Kassetten mit Brennstäben sind vertikal angeordnet, während jeder Brennstab über ein System verfügt, mit dem Sie die Tiefe seines Eintauchens in den Kern einstellen können. Neben den Kassetten selbst sind Steuerstangen und Notschutzstangen darunter. Die Stäbe bestehen aus einem Material, das Neutronen gut absorbiert. So können die Steuerstäbe auf unterschiedliche Tiefen im Kern abgesenkt werden, wodurch der Neutronenmultiplikationsfaktor eingestellt wird. Die Notgestänge dienen dazu, den Reaktor im Notfall abzuschalten.

Wie wird ein Kernreaktor gestartet?

Wir haben das Funktionsprinzip herausgefunden, aber wie kann man den Reaktor starten und zum Laufen bringen? Grob gesagt, hier ist es - ein Stück Uran, aber eine Kettenreaktion startet darin nicht von selbst. Tatsache ist, dass es in der Kernphysik das Konzept der kritischen Masse gibt.

KernbrennstoffKernbrennstoff

Die kritische Masse ist die Masse an spaltbarem Material, die zum Starten einer nuklearen Kettenreaktion erforderlich ist.

Mit Hilfe von Brennelementen und Steuerstäben wird im Reaktor zunächst eine kritische Masse an Kernbrennstoff erzeugt und anschließend der Reaktor in mehreren Stufen auf das optimale Leistungsniveau gebracht.

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In diesem Artikel haben wir versucht, Ihnen einen allgemeinen Überblick über den Aufbau und das Funktionsprinzip eines Kern(atom)reaktors zu geben. Sollten Sie noch Fragen zum Thema oder der Hochschule ein Problem in der Kernphysik gestellt haben – wenden Sie sich bitte an die Spezialisten unseres Unternehmens. Wir sind wie gewohnt bereit, Ihnen bei der Lösung aller drängenden Probleme Ihres Studiums zu helfen. In der Zwischenzeit tun wir dies, Ihre Aufmerksamkeit ist ein weiteres Lehrvideo!

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Mitte des 20. Jahrhunderts konzentrierte sich die Aufmerksamkeit der Menschheit auf das Atom und die Erklärung der Atomreaktion durch die Wissenschaftler, die sie ursprünglich für militärische Zwecke nutzten und die ersten Atombomben im Rahmen des Manhattan-Projekts erfanden. Aber in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts wurde ein Kernreaktor in der UdSSR für friedliche Zwecke genutzt. Bekanntlich ging am 27. Juni 1954 das weltweit erste Kernkraftwerk mit einer Leistung von 5000 kW in den Dienst der Menschheit. Heute kann ein Kernreaktor Strom von 4.000 MW oder mehr erzeugen, also 800-mal mehr als noch vor einem halben Jahrhundert.

Was ist ein Kernreaktor: grundlegende Definition und Hauptkomponenten der Einheit

Ein Kernreaktor ist eine spezielle Einheit, mit deren Hilfe Energie als Ergebnis der korrekten Aufrechterhaltung einer kontrollierten Kernreaktion erzeugt wird. Die Verwendung des Wortes „atomar“ in Kombination mit dem Wort „Reaktor“ ist erlaubt. Viele betrachten die Begriffe "nuklear" und "atomar" im Allgemeinen als synonym, da sie keinen grundlegenden Unterschied zwischen ihnen finden. Vertreter der Wissenschaft neigen jedoch zu einer korrekteren Kombination - "Kernreaktor".

Interessant Tatsache! Kernreaktionen können unter Freisetzung oder Aufnahme von Energie ablaufen.

Die Hauptkomponenten in der Vorrichtung eines Kernreaktors sind die folgenden Elemente:

Moderation;
Kontrollstäbe;
Stäbe, die eine angereicherte Mischung von Uranisotopen enthalten;
Spezielle Schutzelemente gegen Strahlung;
Kühlmittel;
Dampfgenerator;
Turbine;
Generator;
Kondensator;
Kernbrennstoff.

Was sind die von Physikern bestimmten Grundprinzipien des Betriebs eines Kernreaktors und warum sind sie unerschütterlich?

Das Grundprinzip des Betriebs eines Kernreaktors basiert auf den Merkmalen der Manifestation einer Kernreaktion. Im Moment eines normalen Kernprozesses der physikalischen Kette interagiert das Teilchen mit dem Atomkern, wodurch der Kern durch die Freisetzung von Sekundärteilchen, die Wissenschaftler als Gamma-Quanten bezeichnen, in einen neuen umgewandelt wird. Bei einer nuklearen Kettenreaktion wird eine enorme Menge an thermischer Energie freigesetzt. Der Raum, in dem die Kettenreaktion stattfindet, wird als Reaktorkern bezeichnet.

Interessant Tatsache! Die aktive Zone ähnelt äußerlich einem Kessel, durch den gewöhnliches Wasser fließt, das als Kühlmittel wirkt.

Um den Verlust von Neutronen zu verhindern, ist der Reaktorkernbereich von einem speziellen Neutronenreflektor umgeben. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die meisten der emittierten Neutronen in den Kern zurückzuweisen. Der Reflektor ist normalerweise die gleiche Substanz, die als Moderator dient.

Die Hauptsteuerung eines Kernreaktors erfolgt mit Hilfe spezieller Steuerstäbe. Es ist bekannt, dass diese Stäbe in den Reaktorkern eingeführt werden und alle Voraussetzungen für den Betrieb der Einheit schaffen. Typischerweise werden Steuerstäbe aus hergestellt Chemische Komponenten Bor und Cadmium. Warum werden diese Elemente verwendet? Ja, alles, weil Bor oder Cadmium in der Lage sind, thermische Neutronen effektiv zu absorbieren. Und sobald der Start geplant ist, werden nach dem Funktionsprinzip eines Kernreaktors Steuerstäbe in den Kern eingeführt. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, einen erheblichen Teil der Neutronen zu absorbieren und dadurch die Entwicklung einer Kettenreaktion hervorzurufen. Das Ergebnis sollte das gewünschte Niveau erreichen. Wenn die Leistung über das eingestellte Niveau ansteigt, werden automatische Maschinen eingeschaltet, die die Steuerstäbe zwangsläufig tief in den Reaktorkern eintauchen.

Damit wird deutlich, dass Steuer- bzw. Steuerstäbe beim Betrieb eines thermischen Kernreaktors eine wichtige Rolle spielen.

Und um das Austreten von Neutronen zu reduzieren, ist der Reaktorkern von einem Neutronenreflektor umgeben, der eine beträchtliche Masse frei emittierter Neutronen in den Kern wirft. Im Sinne des Reflektors wird meist der gleiche Stoff wie für den Moderator verwendet.

Der Atomkern der Moderatorsubstanz hat laut Norm eine relativ geringe Masse, so dass beim Zusammenstoß mit einem leichten Kern das in der Kette vorhandene Neutron mehr Energie verliert als beim Zusammenstoß mit einem schweren. Die gebräuchlichsten Moderatoren sind gewöhnliches Wasser oder Graphit.

Interessant Tatsache! Neutronen im Prozess einer Kernreaktion sind extrem schnelle Geschwindigkeit Bewegung, und daher ist ein Moderator erforderlich, der die Neutronen dazu bringt, einen Teil ihrer Energie zu verlieren.

Kein einziger Reaktor auf der Welt kann ohne die Hilfe eines Kühlmittels normal funktionieren, da sein Zweck darin besteht, die im Herzen des Reaktors erzeugte Energie abzuführen. Als Kühlmittel werden zwangsläufig Flüssigkeiten oder Gase verwendet, da sie nicht in der Lage sind, Neutronen zu absorbieren. Lassen Sie uns ein Beispiel für ein Kühlmittel für einen kompakten Kernreaktor geben - Wasser, Kohlendioxid und manchmal sogar flüssiges metallisches Natrium.

Somit basieren die Funktionsprinzipien eines Kernreaktors vollständig auf den Gesetzen einer Kettenreaktion, ihrem Ablauf. Alle Komponenten des Reaktors - Moderator, Stäbe, Kühlmittel, Kernbrennstoff - erfüllen ihre Aufgaben und bewirken den normalen Betrieb des Reaktors.

Welcher Brennstoff wird für Kernreaktoren verwendet und warum werden genau diese chemischen Elemente ausgewählt?

Der Hauptbrennstoff in Reaktoren können Uranisotope sein, auch Plutonium oder Thorium.

Bereits 1934 bemerkte F. Joliot-Curie, als er den Prozess der Spaltung des Urankerns beobachtete, dies als Ergebnis chemische Reaktion Der Urankern ist in Fragmente-Kerne und zwei oder drei freie Neutronen unterteilt. Und das bedeutet, dass die Möglichkeit besteht, dass sich freie Neutronen mit anderen Urankernen verbinden und eine weitere Spaltung hervorrufen. Und so, wie es die Kettenreaktion vorhersagt: Aus drei Urankernen werden sechs bis neun Neutronen freigesetzt, die sich wieder den neu gebildeten Kernen anschließen. Und so weiter bis ins Unendliche.

Wichtig zu merken! Die bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen können die Spaltung von Kernen des Uranisotops mit der Massenzahl 235 hervorrufen, und für die Zerstörung von Kernen des Uranisotops mit der Massenzahl 238 kann wenig Energie entstehen der Verfallsprozess.

Uran Nummer 235 ist in der Natur selten. Es macht nur 0,7 % aus, aber natürliches Uran-238 besetzt eine größere Nische und macht 99,3 % aus.

Trotz eines so geringen Anteils an Uran-235 in der Natur können Physiker und Chemiker es immer noch nicht ablehnen, weil es für den Betrieb eines Kernreaktors am effektivsten ist und die Kosten der Energiegewinnung für die Menschheit senkt.

Wann entstanden die ersten Kernreaktoren und wo werden sie heute eingesetzt

Bereits 1919 triumphierten die Physiker, als Rutherford den Entstehungsprozess bewegter Protonen durch die Kollision von Alpha-Teilchen mit den Kernen von Stickstoffatomen entdeckte und beschrieb. Diese Entdeckung führte dazu, dass sich der Kern des Stickstoffisotops infolge einer Kollision mit einem Alphateilchen in den Kern eines Sauerstoffisotops verwandelte.

Bevor der erste kam Kernreaktoren, hat die Welt mehrere neue Gesetze der Physik gelernt, die alle wichtigen Aspekte der Kernreaktion interpretieren. So boten F. Joliot-Curie, H. Halban und L. Kovarsky 1934 der Gesellschaft und dem Kreis der Weltwissenschaftler zum ersten Mal eine theoretische Annahme und Beweisgrundlage für die Möglichkeit von Kernreaktionen. Alle Experimente bezogen sich auf die Beobachtung der Spaltung des Urankerns.

1939 verfolgten E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch die Reaktion der Spaltung von Urankernen während ihres Beschusses mit Neutronen. Im Laufe der Forschung haben Wissenschaftler herausgefunden, dass beim Eintritt eines beschleunigten Neutrons in den Urankern der vorhandene Kern in zwei oder drei Teile geteilt wird.

Die Kettenreaktion wurde Mitte des 20. Jahrhunderts praktisch nachgewiesen. 1939 gelang es Wissenschaftlern nachzuweisen, dass die Spaltung eines Urankerns etwa 200 MeV Energie freisetzt. Aber etwa 165 MeV entfallen auf die kinetische Energie der Fragmentkerne, der Rest reißt Gamma-Quanten mit sich. Diese Entdeckung brachte einen Durchbruch in der Quantenphysik.

E. Fermi setzt die Arbeit und Forschung noch einige Jahre fort und startet 1942 den ersten Kernreaktor in den Vereinigten Staaten. Das verkörperte Projekt hieß - "Chicago Woodpile" und wurde auf die Schienen gebracht. Am 5. September 1945 startete Kanada seinen Kernreaktor ZEEP. Der europäische Kontinent blieb nicht zurück, und gleichzeitig wurde die F-1-Anlage gebaut. Und für die Russen gibt es noch einen erinnerungswürdiger Tag- Am 25. Dezember 1946 wurde in Moskau unter der Leitung von I. Kurchatov ein Reaktor gestartet. Dies waren nicht die leistungsstärksten Kernreaktoren, aber dies war der Beginn der Entwicklung des Atoms durch den Menschen.

Für friedliche Zwecke wurde 1954 in der UdSSR ein wissenschaftlicher Kernreaktor geschaffen. Das weltweit erste friedliche Schiff mit Atomkraftwerk, der Atomeisbrecher Lenin, wurde 1959 in der Sowjetunion gebaut. Und eine weitere Errungenschaft unseres Staates ist der nukleare Eisbrecher Arktika. Dieses Überwasserschiff erreichte zum ersten Mal auf der Welt den Nordpol. Es geschah 1975.

Die ersten tragbaren Kernreaktoren arbeiteten mit langsamen Neutronen.

Wo werden Kernreaktoren eingesetzt und welche Arten verwendet die Menschheit?

Industrielle Reaktoren. Sie dienen zur Energieerzeugung in Kernkraftwerken.
Kernreaktoren, die als Antrieb von Atom-U-Booten dienen.
Experimentelle (tragbare, kleine) Reaktoren. Ohne sie findet keine einzige moderne wissenschaftliche Erfahrung oder Forschung statt.

Heute hat das wissenschaftliche Licht gelernt, mit Hilfe spezieller Reaktoren zu entsalzen Meerwasser die Bevölkerung mit Qualität zu versorgen Wasser trinken. In Russland gibt es viele in Betrieb befindliche Kernreaktoren. Laut Statistik sind ab 2018 etwa 37 Blöcke im Bundesstaat in Betrieb.

Und je nach Klassifizierung können sie wie folgt sein:

Forschung (historisch). Dazu gehört die Station F-1, die als Versuchsgelände zur Herstellung von Plutonium angelegt wurde. I. V. Kurchatov arbeitete bei F-1 und überwachte den ersten physischen Reaktor.
Forschung (aktiv).
Waffenkammer. Als Beispiel der Reaktor - A-1, der als erster Reaktor mit Kühlung in die Geschichte einging. Die bisherige Leistung eines Kernreaktors ist klein, aber funktionsfähig.
Energie.
Schiff. Es ist bekannt, dass auf Schiffen und Unterseebooten aus Notwendigkeit und technischer Machbarkeit wassergekühlte oder Flüssigmetall-Reaktoren verwendet werden.
Raum. Nennen wir als Beispiel die Jenissei-Installation auf Raumfahrzeugen, die zum Einsatz kommt, wenn eine zusätzliche Energiemenge extrahiert werden muss, und diese muss mithilfe von Energie gewonnen werden Solarplatten und Isotopenquellen.

Das Thema Kernreaktoren ist also ziemlich umfangreich und erfordert daher ein tiefes Studium und Verständnis der Gesetze der Quantenphysik. Aber die Bedeutung von Kernreaktoren für die Energiewirtschaft und die Wirtschaft des Staates ist ohne Zweifel bereits mit einer Aura von Nützlichkeit und Nutzen angefacht.

Jeden Tag verbrauchen wir Strom und denken nicht darüber nach, wie er produziert wird und wie er zu uns gekommen ist. Dennoch ist es einer der wichtigsten Teile der modernen Zivilisation. Ohne Strom gäbe es nichts – kein Licht, keine Wärme, keine Bewegung.

Jeder weiß, dass Strom in Kraftwerken erzeugt wird, auch in Kernkraftwerken. Das Herzstück eines jeden Kernkraftwerks ist Kernreaktor. Das werden wir in diesem Artikel besprechen.

Kernreaktor, ein Gerät, bei dem unter Freisetzung von Wärme eine kontrollierte nukleare Kettenreaktion abläuft. Grundsätzlich dienen diese Geräte zur Stromerzeugung und als Antrieb für große Schiffe. Um sich die Leistung und Effizienz von Kernreaktoren vorzustellen, kann man ein Beispiel geben. Wo ein durchschnittlicher Kernreaktor 30 Kilogramm Uran benötigen würde, würde ein durchschnittliches Wärmekraftwerk 60 Waggons mit Kohle oder 40 Tanks mit Heizöl benötigen.

Prototyp Kernreaktor wurde im Dezember 1942 in den USA unter der Leitung von E. Fermi gebaut. Es war der sogenannte „Chicago Stack“. Chicago Pile (im Folgenden das Wort"Haufen" begann zusammen mit anderen Bedeutungen einen Kernreaktor zu bezeichnen). Dieser Name wurde ihm gegeben, weil er einem großen Stapel übereinandergelegter Graphitblöcke ähnelte.

Zwischen den Blöcken wurden kugelförmige "Arbeitskörper" aus natürlichem Uran und seinem Dioxid platziert.

In der UdSSR wurde der erste Reaktor unter der Leitung von Akademiker IV Kurchatov gebaut. Der F-1-Reaktor wurde am 25. Dezember 1946 in Betrieb genommen. Der Reaktor hatte die Form einer Kugel und hatte einen Durchmesser von etwa 7,5 Metern. Es hatte kein Kühlsystem und funktionierte daher mit sehr geringer Leistung.

Die Forschung wurde fortgesetzt und am 27. Juni 1954 wurde in der Stadt Obninsk das weltweit erste Kernkraftwerk mit einer Leistung von 5 MW in Betrieb genommen.

Das Funktionsprinzip eines Kernreaktors.

Beim Zerfall von Uran U 235 wird Wärme freigesetzt, begleitet von der Freisetzung von zwei oder drei Neutronen. Laut Statistik - 2.5. Diese Neutronen kollidieren mit anderen Uranatomen U 235 . Bei einer Kollision verwandelt sich Uran U 235 in ein instabiles Isotop U 236, das fast sofort in Kr 92 und Ba 141 + dieselben 2–3 Neutronen zerfällt. Der Zerfall geht mit der Freisetzung von Energie in Form von Gammastrahlung und Wärme einher.

Dies wird als Kettenreaktion bezeichnet. Atome teilen sich, die Zahl der Zerfälle nimmt exponentiell zu, was letztlich zu einer für unsere Verhältnisse blitzschnellen Freisetzung enormer Energiemengen führt – es kommt zu einer Atomexplosion, als Folge einer unkontrollierten Kettenreaktion.

Allerdings hinein Kernreaktor wir beschäftigen uns mit kontrollierte Kernreaktion. Wie dies möglich wird, wird weiter beschrieben.

Das Gerät eines Kernreaktors.

Derzeit gibt es zwei Arten von Kernreaktoren VVER (Druckwasserreaktor) und RBMK (Hochleistungskanalreaktor). Der Unterschied besteht darin, dass RBMK ein Siedewasserreaktor ist und VVER Wasser unter einem Druck von 120 Atmosphären verwendet.

Reaktor VVER 1000. 1 - CPS-Laufwerk; 2 - Reaktorabdeckung; 3 - Reaktorbehälter; 4 - Schutzrohrblock (BZT); 5 - meins; 6 - Kernleitblech; 7 - Brennelemente (FA) und Steuerstäbe;

Jeder industrielle Kernreaktor ist ein Kessel, durch den ein Kühlmittel fließt. In der Regel handelt es sich dabei um gewöhnliches Wasser (weltweit ca. 75 %), flüssiges Graphit (20 %) und schweres Wasser (5 %). Zu Versuchszwecken wurde Beryllium verwendet und ein Kohlenwasserstoff angenommen.

TVEL- (Brennelement). Dies sind Stäbe in einer Zirkoniumhülle mit Nioblegierung, in deren Inneren sich Tabletten aus Urandioxid befinden.

Die Brennelemente in der Kassette sind grün hervorgehoben.

Montage der Brennstoffkassette.

Der Reaktorkern besteht aus Hunderten von Kassetten, die vertikal angeordnet und durch eine Metallhülle verbunden sind - ein Körper, der auch die Rolle eines Neutronenreflektors spielt. Zwischen den Kassetten sind in regelmäßigen Abständen Steuerstäbe und Notschutzstäbe des Reaktors eingefügt, die im Falle einer Überhitzung den Reaktor abschalten sollen.

Lassen Sie uns als Beispiel die Daten des VVER-440-Reaktors nennen:

Die Controller können sich durch Absinken auf und ab bewegen oder umgekehrt und verlassen den Kern, wo die Reaktion am intensivsten ist. Dafür sorgen leistungsstarke Elektromotoren samt Steuerungssystem Notschutzstäbe sollen den Reaktor im Notfall abschalten, in den Kern fallen und weitere freie Neutronen aufnehmen.

Jeder Reaktor hat einen Deckel, durch den die gebrauchten und neuen Kassetten geladen und entladen werden.

Üblicherweise wird oben auf dem Reaktorbehälter eine Wärmedämmung angebracht. Die nächste Barriere ist der biologische Schutz. Dies ist normalerweise ein Bunker aus Stahlbeton, dessen Eingang durch eine Luftschleuse mit versiegelten Türen verschlossen ist. Der biologische Schutz ist so ausgelegt, dass radioaktiver Dampf und Reaktorteile nicht in die Atmosphäre freigesetzt werden, wenn es zu einer Explosion kommt.

Eine nukleare Explosion in modernen Reaktoren ist äußerst unwahrscheinlich. Weil der Kraftstoff nicht ausreichend angereichert ist und in TVELs unterteilt wird. Selbst wenn der Kern schmilzt, kann der Brennstoff nicht so aktiv reagieren. Das Maximum, das passieren kann, ist eine thermische Explosion, wie in Tschernobyl, als der Druck im Reaktor solche Werte erreichte, dass das Metallgehäuse einfach auseinandergerissen wurde und der 5000 Tonnen schwere Reaktordeckel einen Sprung machte und durchbrach das Dach des Reaktorraums und entweichen Dampf. Wenn das Kernkraftwerk Tschernobyl mit dem richtigen biologischen Schutz ausgestattet worden wäre, wie dem heutigen Sarkophag, dann hätte die Katastrophe die Menschheit viel weniger gekostet.

Die Arbeit eines Kernkraftwerks.

Kurz gesagt sieht die Raboboa so aus.

Kernkraftwerk. (anklickbar)

Nach dem Eintritt in den Reaktorkern mit Hilfe von Pumpen wird das Wasser von 250 auf 300 Grad erhitzt und tritt auf der „anderen Seite“ des Reaktors wieder aus. Dies wird als erste Schleife bezeichnet. Dann geht es zum Wärmetauscher, wo es auf den zweiten Kreislauf trifft. Danach tritt der Dampf unter Druck in die Turbinenschaufeln ein. Turbinen erzeugen Strom.

Tatsächlich läuft dort der gleiche Vorgang ab wie bei einer Atomexplosion. Erst jetzt erfolgt die Explosion sehr schnell und im Reaktor zieht sich das alles lange hin. Am Ende bleibt alles sicher und gesund und wir bekommen Energie. Nicht so sehr, dass alles drum herum sofort zerschmettert wurde, aber genug, um die Stadt mit Strom zu versorgen.

Bevor Sie verstehen können, wie eine kontrollierte Kernreaktion funktioniert, müssen Sie wissen, was Kernreaktion überhaupt.

Kernreaktion - Dies ist der Prozess der Umwandlung (Spaltung) von Atomkernen während ihrer Wechselwirkung mit Elementarteilchen und Gammaquanten.

Kernreaktionen können sowohl unter Aufnahme als auch unter Abgabe von Energie ablaufen. Im Reaktor werden Zweitreaktionen eingesetzt.

Kernreaktor - Dies ist ein Gerät, dessen Zweck es ist, eine kontrollierte Kernreaktion unter Freisetzung von Energie aufrechtzuerhalten.

Oft wird ein Kernreaktor auch als Kernreaktor bezeichnet. Beachten Sie, dass es hier keinen grundlegenden Unterschied gibt, aber aus wissenschaftlicher Sicht ist es richtiger, das Wort "nuklear" zu verwenden. Mittlerweile gibt es viele Arten von Kernreaktoren. Dies sind riesige Industriereaktoren zur Energieerzeugung in Kraftwerken, Atom-U-Boot-Reaktoren, kleine Versuchsreaktoren, die in wissenschaftlichen Experimenten verwendet werden. Es gibt sogar Reaktoren zur Entsalzung von Meerwasser.

Die Geschichte der Entstehung eines Kernreaktors

Der erste Kernreaktor wurde im nicht allzu fernen Jahr 1942 gestartet. Es geschah in den USA unter der Führung von Fermi. Dieser Reaktor wurde "Chicago Woodpile" genannt.

1946 ging der erste sowjetische Reaktor unter der Leitung von Kurtschatow in Betrieb. Der Körper dieses Reaktors war eine Kugel mit einem Durchmesser von sieben Metern. Die ersten Reaktoren hatten kein Kühlsystem und ihre Leistung war minimal. Übrigens hatte der sowjetische Reaktor eine durchschnittliche Leistung von 20 Watt, während der amerikanische nur 1 Watt hatte. Zum Vergleich: Die durchschnittliche Leistung moderner Leistungsreaktoren liegt bei 5 Gigawatt. Weniger als zehn Jahre nach dem Start des ersten Reaktors wurde in der Stadt Obninsk das weltweit erste industrielle Kernkraftwerk eröffnet.

Das Funktionsprinzip eines Kern(atom)reaktors

Jeder Kernreaktor besteht aus mehreren Teilen: Kern Mit Kraftstoff Und Moderator , Neutronenreflektor , Kühlmittel , Kontroll- und Schutzsystem . Isotope sind die am häufigsten verwendeten Brennstoffe in Reaktoren. Uran (235, 238, 233), Plutonium (239) und Thorium (232). Die aktive Zone ist ein Kessel, durch den gewöhnliches Wasser (Kühlmittel) fließt. Unter anderen Kühlmitteln werden „schweres Wasser“ und flüssiger Graphit weniger häufig verwendet. Wenn wir über den Betrieb eines Kernkraftwerks sprechen, dann wird ein Kernreaktor zur Wärmeerzeugung verwendet. Der Strom selbst wird nach dem gleichen Verfahren wie in anderen Kraftwerkstypen erzeugt - Dampf dreht die Turbine und die Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.

Unten ist ein Diagramm des Betriebs eines Kernreaktors.

Es muss hier erwähnt werden Neutronenmultiplikationsfaktor . Wenn also dieser Koeffizient einen Wert von eins überschreitet, kommt es zu einer nuklearen Explosion. Ist der Wert kleiner als eins, gibt es zu wenig Neutronen und die Reaktion stirbt ab. Wenn Sie jedoch den Wert des Koeffizienten gleich eins halten, wird die Reaktion lange und stabil ablaufen.

Die Frage ist, wie man es macht? Im Reaktor befindet sich der Brennstoff in der sog Brennelemente (TVELah). Das sind Stäbchen, in denen in Form von kleinen Tabletten Kernbrennstoff . Die Brennstäbe sind zu sechseckigen Kassetten verbunden, von denen es Hunderte im Reaktor geben kann. Kassetten mit Brennstäben sind vertikal angeordnet, während jeder Brennstab über ein System verfügt, mit dem Sie die Tiefe seines Eintauchens in den Kern einstellen können. Darunter sind neben den Kassetten selbst auch Kontrollstäbe Und Notschutzstangen . Die Stäbe bestehen aus einem Material, das Neutronen gut absorbiert. So können die Steuerstäbe auf unterschiedliche Tiefen im Kern abgesenkt werden, wodurch der Neutronenmultiplikationsfaktor eingestellt wird. Die Notgestänge dienen dazu, den Reaktor im Notfall abzuschalten.

Wie wird ein Kernreaktor gestartet?

Die kritische Masse ist die Masse an spaltbarem Material, die zum Starten einer nuklearen Kettenreaktion erforderlich ist.

In diesem Artikel haben wir versucht, Ihnen einen allgemeinen Überblick über den Aufbau und das Funktionsprinzip eines Kern(atom)reaktors zu geben. Wenn Sie Fragen zum Thema haben oder der Hochschule ein Problem in der Kernphysik gestellt haben, wenden Sie sich bitte an Spezialisten unseres Unternehmens. Wir sind wie gewohnt bereit, Ihnen bei der Lösung aller drängenden Probleme Ihres Studiums zu helfen. In der Zwischenzeit tun wir dies, Ihre Aufmerksamkeit ist ein weiteres Lehrvideo!

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