Σπίτι › Σαλόνι › Η δομή του ατομικού πυρηνικού αντιδραστήρα. Πυρηνικός αντιδραστήρας: αρχή λειτουργίας, χαρακτηριστικά, περιγραφή

Η δομή του ατομικού πυρηνικού αντιδραστήρα. Πυρηνικός αντιδραστήρας: αρχή λειτουργίας, χαρακτηριστικά, περιγραφή

Για φυσιολογικό άτομοΟι σύγχρονες συσκευές υψηλής τεχνολογίας είναι τόσο μυστηριώδεις και μυστηριώδεις που είναι σωστό να τις λατρεύουμε, όπως οι αρχαίοι λάτρευαν τον κεραυνό. Σχολικά μαθήματαοι φυσικοί, γεμάτοι με μαθηματικούς υπολογισμούς, δεν λύνουν το πρόβλημα. Αλλά είναι ενδιαφέρον να πούμε ακόμη και για έναν πυρηνικό αντιδραστήρα, η αρχή της λειτουργίας του οποίου είναι σαφής ακόμη και σε έναν έφηβο.

Πώς λειτουργεί ένας πυρηνικός αντιδραστήρας;

Η αρχή λειτουργίας αυτής της συσκευής υψηλής τεχνολογίας είναι η εξής:

Όταν ένα νετρόνιο απορροφάται, πυρηνικό καύσιμο (τις περισσότερες φορές αυτό ουράνιο-235ή πλουτώνιο-239) συμβαίνει η διαίρεση του ατομικού πυρήνα.
Απελευθερώνεται κινητική ενέργεια, ακτινοβολία γάμμα και ελεύθερα νετρόνια.
Η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια (όταν οι πυρήνες συγκρούονται με τα περιβάλλοντα άτομα), η ακτινοβολία γάμμα απορροφάται από τον ίδιο τον αντιδραστήρα και επίσης μετατρέπεται σε θερμότητα.
Μερικά από τα παραγόμενα νετρόνια απορροφώνται από τα άτομα του καυσίμου, γεγονός που προκαλεί μια αλυσιδωτή αντίδραση. Για τον έλεγχο του, χρησιμοποιούνται απορροφητές νετρονίων και συντονιστές.
Με τη βοήθεια ενός ψυκτικού (νερό, αέριο ή υγρό νάτριο), η θερμότητα απομακρύνεται από το σημείο αντίδρασης.
Ο ατμός υπό πίεση από θερμαινόμενο νερό χρησιμοποιείται για την κίνηση ατμοστροβίλων.
Με τη βοήθεια μιας γεννήτριας, η μηχανική ενέργεια της περιστροφής των στροβίλων μετατρέπεται σε εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα.

Προσεγγίσεις ταξινόμησης

Μπορεί να υπάρχουν πολλοί λόγοι για την τυπολογία των αντιδραστήρων:

Ανά τύπο πυρηνικής αντίδρασης. Η σχάση (όλες οι εμπορικές εγκαταστάσεις) ή η σύντηξη (θερμοπυρηνική ενέργεια, είναι ευρέως διαδεδομένη μόνο σε ορισμένα ερευνητικά ιδρύματα).
Με ψυκτικό. Στη συντριπτική πλειονότητα των περιπτώσεων, για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται νερό (βραστό ή βαρύ). Μερικές φορές χρησιμοποιούνται εναλλακτικά διαλύματα: υγρό μέταλλο (νάτριο, κράμα μολύβδου-βισμούθιου, υδράργυρος), αέριο (ήλιο, διοξείδιο του άνθρακα ή άζωτο), λιωμένο αλάτι (άλατα φθορίου).
Ανά γενιά.Το πρώτο είναι τα πρώιμα πρωτότυπα, τα οποία δεν είχαν κανένα εμπορικό νόημα. Το δεύτερο είναι η πλειονότητα των επί του παρόντος χρησιμοποιούμενων πυρηνικών σταθμών που κατασκευάστηκαν πριν από το 1996. Η τρίτη γενιά διαφέρει από την προηγούμενη μόνο σε μικρές βελτιώσεις. Οι εργασίες για την τέταρτη γενιά βρίσκονται ακόμη σε εξέλιξη.
Σύμφωνα με τη συνολική κατάστασηκαύσιμο (αέριο υπάρχει ακόμα μόνο στα χαρτιά).
Με βάση τον σκοπό χρήσης(για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, εκκίνηση κινητήρα, παραγωγή υδρογόνου, αφαλάτωση, μεταστοιχείωση στοιχείων, λήψη νευρικής ακτινοβολίας, θεωρητικούς και ερευνητικούς σκοπούς).

Συσκευή πυρηνικού αντιδραστήρα

Τα κύρια συστατικά των αντιδραστήρων στους περισσότερους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής είναι:

Πυρηνικό καύσιμο - μια ουσία που είναι απαραίτητη για την παραγωγή θερμότητας για τουρμπίνες ισχύος (συνήθως ουράνιο χαμηλού εμπλουτισμού).
Η ενεργή ζώνη του πυρηνικού αντιδραστήρα - εδώ λαμβάνει χώρα η πυρηνική αντίδραση.
Συντονιστής νετρονίων - μειώνει την ταχύτητα των γρήγορων νετρονίων, μετατρέποντάς τα σε θερμικά νετρόνια.
Πηγή νετρονίων εκκίνησης - χρησιμοποιείται για αξιόπιστη και σταθερή εκτόξευση πυρηνικής αντίδρασης.
Απορροφητής νετρονίων - διαθέσιμος σε ορισμένες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής για τη μείωση της υψηλής αντιδραστικότητας του φρέσκου καυσίμου.
Γοβίτζα νετρονίων - χρησιμοποιείται για την εκ νέου έναρξη μιας αντίδρασης μετά την απενεργοποίηση.
Ψυκτικό (καθαρό νερό);
Ράβδοι ελέγχου - για τον έλεγχο του ρυθμού σχάσης πυρήνων ουρανίου ή πλουτωνίου.
Αντλία νερού - αντλεί νερό στον λέβητα ατμού.
Ατμοστρόβιλος - μετατρέπει τη θερμική ενέργεια του ατμού σε περιστροφική μηχανική ενέργεια.
Πύργος ψύξης - μια συσκευή για την απομάκρυνση της υπερβολικής θερμότητας στην ατμόσφαιρα.
Σύστημα υποδοχής και αποθήκευσης ραδιενεργών αποβλήτων.
Συστήματα ασφαλείας (γεννήτριες ντίζελ έκτακτης ανάγκης, συσκευές για ψύξη πυρήνα έκτακτης ανάγκης).

Πώς λειτουργούν τα τελευταία μοντέλα

Η τελευταία 4η γενιά αντιδραστήρων θα είναι διαθέσιμη για εμπορική λειτουργία όχι νωρίτερα από το 2030. Επί του παρόντος, η αρχή και η διευθέτηση της εργασίας τους βρίσκονται σε στάδιο ανάπτυξης. Σύμφωνα με τα τρέχοντα δεδομένα, αυτές οι τροποποιήσεις θα διαφέρουν από τα υπάρχοντα μοντέλα σε τέτοια οφέλη:

Σύστημα ταχείας ψύξης αερίου. Υποτίθεται ότι το ήλιο θα χρησιμοποιηθεί ως ψυκτικό. Σύμφωνα με τεκμηρίωση του έργου, έτσι είναι δυνατή η ψύξη αντιδραστήρων με θερμοκρασία 850 °C. Για να εργαστούν σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες, απαιτούνται επίσης συγκεκριμένες πρώτες ύλες: σύνθετα κεραμικά υλικά και ενώσεις ακτινιδών.
Είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί μόλυβδος ή κράμα μολύβδου-βισμούθιου ως πρωτεύον ψυκτικό. Αυτά τα υλικά έχουν χαμηλή απορρόφηση νετρονίων και είναι σχετικά χαμηλή θερμοκρασίατήξη;
Επίσης, ένα μείγμα λιωμένων αλάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κύριο ψυκτικό. Έτσι, θα είναι δυνατή η εργασία σε υψηλότερες θερμοκρασίες από σύγχρονα ανάλογαμε υδρόψυξη.

Φυσικά ανάλογα στη φύση

Ο πυρηνικός αντιδραστήρας εκλαμβάνεται ως δημόσια συνείδησηαποκλειστικά ως προϊόν ΥΨΗΛΗ τεχνολογια. Ωστόσο, στην πραγματικότητα το πρώτο η συσκευή είναι φυσικής προέλευσης. Ανακαλύφθηκε στην περιοχή Oklo, στο κρατίδιο της Γκαμπόν της Κεντρικής Αφρικής:

Ο αντιδραστήρας σχηματίστηκε λόγω της πλημμύρας των πετρωμάτων ουρανίου υπόγεια ύδατα. Ενεργούσαν ως συντονιστές νετρονίων.
Η θερμική ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση του ουρανίου μετατρέπει το νερό σε ατμό και η αλυσιδωτή αντίδραση σταματά.
Αφού πέσει η θερμοκρασία του ψυκτικού, όλα επαναλαμβάνονται ξανά.
Εάν το υγρό δεν είχε βράσει και δεν είχε σταματήσει την πορεία της αντίδρασης, η ανθρωπότητα θα είχε αντιμετωπίσει μια νέα φυσική καταστροφή.
Η αυτοσυντηρούμενη πυρηνική σχάση ξεκίνησε σε αυτόν τον αντιδραστήρα πριν από περίπου ενάμιση δισεκατομμύριο χρόνια. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, κατανεμήθηκαν περίπου 0,1 εκατομμύρια watt ισχύος εξόδου.
Ένα τέτοιο θαύμα του κόσμου στη Γη είναι το μόνο γνωστό. Η εμφάνιση νέων είναι αδύνατη: η αναλογία του ουρανίου-235 στις φυσικές πρώτες ύλες είναι πολύ χαμηλότερη από το επίπεδο που απαιτείται για τη διατήρηση μιας αλυσιδωτής αντίδρασης.

Πόσοι πυρηνικοί αντιδραστήρες υπάρχουν στη Νότια Κορέα;

Κακή επάνω Φυσικοί πόροι, αλλά η βιομηχανοποιημένη και υπερπληθυσμένη Δημοκρατία της Κορέας έχει απόλυτη ανάγκη από ενέργεια. Στο πλαίσιο της απόρριψης του ειρηνικού ατόμου από τη Γερμανία, αυτή η χώρα έχει μεγάλες ελπίδες για τον περιορισμό της πυρηνικής τεχνολογίας:

Προβλέπεται ότι έως το 2035 το μερίδιο της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από πυρηνικούς σταθμούς θα φτάσει το 60%, και η συνολική παραγωγή - περισσότερα από 40 γιγαβάτ.
Η χώρα δεν διαθέτει ατομικά όπλα, αλλά η έρευνα στην πυρηνική φυσική βρίσκεται σε εξέλιξη. Κορεάτες επιστήμονες έχουν αναπτύξει σχέδια για σύγχρονους αντιδραστήρες: αρθρωτούς, υδρογόνου, με υγρό μέταλλο κ.λπ.
Η επιτυχία των τοπικών ερευνητών σας επιτρέπει να πουλάτε τεχνολογία στο εξωτερικό. Αναμένεται ότι στα επόμενα 15-20 χρόνια η χώρα θα εξάγει 80 τέτοιες μονάδες.
Αλλά από σήμερα, οι περισσότεροι πυρηνικοί σταθμοί έχουν κατασκευαστεί με τη βοήθεια Αμερικανών ή Γάλλων επιστημόνων.
Ο αριθμός των σταθμών λειτουργίας είναι σχετικά μικρός (μόνο τέσσερις), αλλά καθένας από αυτούς έχει σημαντικό αριθμό αντιδραστήρων - 40 συνολικά, και ο αριθμός αυτός θα αυξηθεί.

Όταν βομβαρδίζεται με νετρόνια, το πυρηνικό καύσιμο εισέρχεται σε αλυσιδωτή αντίδραση, ως αποτέλεσμα της οποίας παράγεται τεράστια ποσότητα θερμότητας. Το νερό στο σύστημα παίρνει αυτή τη θερμότητα και τη μετατρέπει σε ατμό, ο οποίος μετατρέπει τουρμπίνες που παράγουν ηλεκτρισμό. Εδώ απλό κύκλωμαλειτουργία ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, της πιο ισχυρής πηγής ενέργειας στη Γη.

Βίντεο: πώς λειτουργούν οι πυρηνικοί αντιδραστήρες

Σε αυτό το βίντεο, ο πυρηνικός φυσικός Vladimir Chaikin θα σας πει πώς παράγεται ηλεκτρική ενέργεια στους πυρηνικούς αντιδραστήρες, τη λεπτομερή δομή τους:

Ο πυρηνικός αντιδραστήρας λειτουργεί ομαλά και με ακρίβεια. Διαφορετικά, όπως γνωρίζετε, θα υπάρξει πρόβλημα. Τι συμβαίνει όμως μέσα; Ας προσπαθήσουμε να διατυπώσουμε την αρχή της λειτουργίας ενός πυρηνικού (ατομικού) αντιδραστήρα συνοπτικά, ξεκάθαρα, με στάσεις.

Στην πραγματικότητα, εκεί συμβαίνει η ίδια διαδικασία όπως σε μια πυρηνική έκρηξη. Μόνο που τώρα η έκρηξη συμβαίνει πολύ γρήγορα, και στον αντιδραστήρα όλα αυτά εκτείνονται πολύς καιρός. Στο τέλος, όλα παραμένουν ασφαλή και υγιή, και παίρνουμε ενέργεια. Όχι τόσο που τα πάντα τριγύρω κατέστρεψαν αμέσως, αλλά αρκετά για να παρέχουν ηλεκτρισμό στην πόλη.

πώς λειτουργεί ένας αντιδραστήρας Πύργοι ψύξης NPP
Πριν καταλάβετε πώς λειτουργεί μια ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση, πρέπει να ξέρετε τι είναι γενικά μια πυρηνική αντίδραση.

Μια πυρηνική αντίδραση είναι μια διαδικασία μετασχηματισμού (σχάσης) ατομικών πυρήνων κατά την αλληλεπίδρασή τους με στοιχειώδη σωματίδια και γάμμα κβάντα.

Οι πυρηνικές αντιδράσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν τόσο με απορρόφηση όσο και με απελευθέρωση ενέργειας. Στον αντιδραστήρα χρησιμοποιούνται δεύτερες αντιδράσεις.

Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας είναι μια συσκευή που σκοπός της είναι να διατηρεί μια ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση με την απελευθέρωση ενέργειας.

Συχνά ένας πυρηνικός αντιδραστήρας ονομάζεται επίσης πυρηνικός αντιδραστήρας. Σημειώστε ότι εδώ δεν υπάρχει θεμελιώδης διαφορά, αλλά από την άποψη της επιστήμης, είναι πιο σωστό να χρησιμοποιείται η λέξη "πυρηνική". Τώρα υπάρχουν πολλοί τύποι πυρηνικών αντιδραστήρων. Πρόκειται για τεράστιους βιομηχανικούς αντιδραστήρες που έχουν σχεδιαστεί για την παραγωγή ενέργειας σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, πυρηνικούς υποβρύχιους αντιδραστήρες, μικρούς πειραματικούς αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται σε επιστημονικά πειράματα. Υπάρχουν ακόμη και αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται για την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού.

Η ιστορία της δημιουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα

Ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας εκτοξεύτηκε το όχι και τόσο μακρινό 1942. Συνέβη στις ΗΠΑ υπό την ηγεσία του Φέρμι. Αυτός ο αντιδραστήρας ονομαζόταν «ξυλοσωρός του Σικάγο».

Το 1946, ξεκίνησε ο πρώτος σοβιετικός αντιδραστήρας υπό την ηγεσία του Kurchatov. Το σώμα αυτού του αντιδραστήρα ήταν μια μπάλα σε διάμετρο επτά μέτρων. Οι πρώτοι αντιδραστήρες δεν είχαν σύστημα ψύξης και η ισχύς τους ήταν ελάχιστη. Παρεμπιπτόντως, ο σοβιετικός αντιδραστήρας είχε μέση ισχύ 20 watt, ενώ ο αμερικανικός μόνο 1 watt. Για σύγκριση: η μέση ισχύς των σύγχρονων αντιδραστήρων ισχύος είναι 5 Gigawatts. Λιγότερο από δέκα χρόνια μετά την εκτόξευση του πρώτου αντιδραστήρα, ο πρώτος βιομηχανικός πυρηνικός σταθμός στον κόσμο άνοιξε στην πόλη Όμπνινσκ.

Η αρχή της λειτουργίας ενός πυρηνικού (ατομικού) αντιδραστήρα

Κάθε πυρηνικός αντιδραστήρας έχει πολλά μέρη: πυρήνα με καύσιμο και συντονιστή, ανακλαστήρα νετρονίων, ψυκτικό, σύστημα ελέγχου και προστασίας. Τα ισότοπα ουρανίου (235, 238, 233), πλουτωνίου (239) και θορίου (232) χρησιμοποιούνται συχνότερα ως καύσιμο στους αντιδραστήρες. Η ενεργή ζώνη είναι ένας λέβητας μέσω του οποίου ρέει συνηθισμένο νερό (ψυκτικό). Μεταξύ άλλων ψυκτικών, το "βαρύ νερό" και ο υγρός γραφίτης χρησιμοποιούνται λιγότερο συχνά. Αν μιλάμε για τη λειτουργία ενός πυρηνικού σταθμού, τότε ένας πυρηνικός αντιδραστήρας χρησιμοποιείται για την παραγωγή θερμότητας. Η ίδια η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται με τον ίδιο τρόπο όπως σε άλλους τύπους σταθμών παραγωγής ενέργειας - ο ατμός περιστρέφει έναν στρόβιλο και η ενέργεια της κίνησης μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.

Παρακάτω είναι ένα διάγραμμα της λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.

σχέδιο λειτουργίας πυρηνικού αντιδραστήραΣχέδιο πυρηνικού αντιδραστήρα σε πυρηνικό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής

Όπως έχουμε ήδη πει, η διάσπαση ενός βαρέως πυρήνα ουρανίου παράγει ελαφρύτερα στοιχεία και λίγα νετρόνια. Τα νετρόνια που προκύπτουν συγκρούονται με άλλους πυρήνες, προκαλώντας επίσης τη σχάση τους. Σε αυτή την περίπτωση, ο αριθμός των νετρονίων αυξάνεται σαν χιονοστιβάδα.

Εδώ είναι απαραίτητο να αναφέρουμε τον παράγοντα πολλαπλασιασμού νετρονίων. Έτσι, εάν αυτός ο συντελεστής υπερβαίνει μια τιμή ίση με ένα, συμβαίνει μια πυρηνική έκρηξη. Εάν η τιμή είναι μικρότερη από ένα, υπάρχουν πολύ λίγα νετρόνια και η αντίδραση πεθαίνει. Αλλά αν διατηρήσετε την τιμή του συντελεστή ίση με ένα, η αντίδραση θα προχωρήσει για μεγάλο χρονικό διάστημα και σταθερά.

Το ερώτημα είναι πώς να το κάνουμε; Στον αντιδραστήρα, το καύσιμο βρίσκεται στα λεγόμενα στοιχεία καυσίμου (TVELs). Πρόκειται για ράβδους που περιέχουν πυρηνικά καύσιμα με τη μορφή μικρών σφαιριδίων. Οι ράβδοι καυσίμου συνδέονται σε εξαγωνικές κασέτες, από τις οποίες μπορεί να υπάρχουν εκατοντάδες στον αντιδραστήρα. Οι κασέτες με ράβδους καυσίμου βρίσκονται κατακόρυφα, ενώ κάθε ράβδος καυσίμου διαθέτει σύστημα που σας επιτρέπει να ρυθμίσετε το βάθος βύθισής της στον πυρήνα. Εκτός από τις ίδιες τις κασέτες, ανάμεσά τους υπάρχουν ράβδοι ελέγχου και ράβδοι προστασίας έκτακτης ανάγκης. Οι ράβδοι είναι κατασκευασμένες από υλικό που απορροφά καλά τα νετρόνια. Έτσι, οι ράβδοι ελέγχου μπορούν να χαμηλώσουν σε διαφορετικά βάθη στον πυρήνα, ρυθμίζοντας έτσι τον παράγοντα πολλαπλασιασμού νετρονίων. Οι ράβδοι έκτακτης ανάγκης έχουν σχεδιαστεί για να κλείνουν τον αντιδραστήρα σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης.

Πώς ξεκινά ένας πυρηνικός αντιδραστήρας;

Καταλάβαμε την ίδια την αρχή της λειτουργίας, αλλά πώς να ξεκινήσουμε και να κάνουμε τον αντιδραστήρα να λειτουργεί; Σε γενικές γραμμές, εδώ είναι - ένα κομμάτι ουρανίου, αλλά τελικά, μια αλυσιδωτή αντίδραση δεν ξεκινά από μόνη της. Γεγονός είναι ότι στην πυρηνική φυσική υπάρχει η έννοια της κρίσιμης μάζας.

Πυρηνικό καύσιμο Πυρηνικό καύσιμο

Κρίσιμη μάζα είναι η μάζα του σχάσιμου υλικού που απαιτείται για την έναρξη μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης.

Με τη βοήθεια στοιχείων καυσίμου και ράβδων ελέγχου, δημιουργείται πρώτα μια κρίσιμη μάζα πυρηνικού καυσίμου στον αντιδραστήρα και στη συνέχεια ο αντιδραστήρας φέρεται στο βέλτιστο επίπεδο ισχύος σε διάφορα στάδια.

Θα σας αρέσει: Μαθηματικά κόλπα για ανθρωπιστικούς και μη μαθητές (Μέρος 1)
Σε αυτό το άρθρο, προσπαθήσαμε να σας δώσουμε μια γενική ιδέα για τη δομή και την αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού (ατομικού) αντιδραστήρα. Εάν εξακολουθείτε να έχετε ερωτήσεις σχετικά με το θέμα ή το πανεπιστήμιο ζήτησε πρόβλημα στην πυρηνική φυσική - επικοινωνήστε με τους ειδικούς της εταιρείας μας. Εμείς, ως συνήθως, είμαστε έτοιμοι να σας βοηθήσουμε να λύσετε οποιοδήποτε πιεστικό ζήτημα των σπουδών σας. Εν τω μεταξύ, το κάνουμε αυτό, η προσοχή σας είναι ένα ακόμη εκπαιδευτικό βίντεο!

blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

Στα μέσα του εικοστού αιώνα, η προσοχή της ανθρωπότητας επικεντρώθηκε στο άτομο και στην εξήγηση των επιστημόνων για την πυρηνική αντίδραση, την οποία αποφάσισαν αρχικά να χρησιμοποιήσουν για στρατιωτικούς σκοπούς, εφευρίσκοντας τις πρώτες πυρηνικές βόμβες στο πλαίσιο του Manhattan Project. Αλλά στη δεκαετία του '50 του ΧΧ αιώνα, ένας πυρηνικός αντιδραστήρας στην ΕΣΣΔ χρησιμοποιήθηκε για ειρηνικούς σκοπούς. Είναι γνωστό ότι στις 27 Ιουνίου 1954 μπήκε στην υπηρεσία της ανθρωπότητας ο πρώτος πυρηνικός σταθμός στον κόσμο με ισχύ 5000 kW. Σήμερα, ένας πυρηνικός αντιδραστήρας μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια 4.000 MW ή περισσότερο, δηλαδή 800 φορές περισσότερο από ό,τι πριν από μισό αιώνα.

Τι είναι ένας πυρηνικός αντιδραστήρας: βασικός ορισμός και κύρια συστατικά της μονάδας

Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας είναι μια ειδική μονάδα με τη βοήθεια της οποίας παράγεται ενέργεια ως αποτέλεσμα της σωστής συντήρησης μιας ελεγχόμενης πυρηνικής αντίδρασης. Επιτρέπεται η χρήση της λέξης «ατομικός» σε συνδυασμό με τη λέξη «αντιδραστήρας». Πολλοί θεωρούν γενικά τις έννοιες «πυρηνικό» και «ατομικό» ως συνώνυμες, αφού δεν βρίσκουν θεμελιώδη διαφορά μεταξύ τους. Αλλά οι εκπρόσωποι της επιστήμης τείνουν σε έναν πιο σωστό συνδυασμό - "πυρηνικό αντιδραστήρα".

Ενδιαφέρων γεγονός!Οι πυρηνικές αντιδράσεις μπορούν να προχωρήσουν με την απελευθέρωση ή την απορρόφηση ενέργειας.

Τα κύρια στοιχεία στη συσκευή ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι τα ακόλουθα στοιχεία:

Μεσολαβητής;
Ράβδοι ελέγχου;
Ράβδοι που περιέχουν εμπλουτισμένο μείγμα ισοτόπων ουρανίου.
Ειδικά προστατευτικά στοιχεία έναντι της ακτινοβολίας.
Ψυκτικό;
γεννήτρια ατμού;
Τουρμπίνα;
Γεννήτρια;
Πυκνωτής;
Πυρηνικό καύσιμο.

Ποιες είναι οι θεμελιώδεις αρχές της λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα που καθορίζονται από τους φυσικούς και γιατί είναι ακλόνητες

Η θεμελιώδης αρχή της λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα βασίζεται στα χαρακτηριστικά της εκδήλωσης μιας πυρηνικής αντίδρασης. Τη στιγμή μιας τυπικής φυσικής αλυσίδας πυρηνικής διαδικασίας, το σωματίδιο αλληλεπιδρά με τον ατομικό πυρήνα, ως αποτέλεσμα, ο πυρήνας μετατρέπεται σε νέο με την απελευθέρωση δευτερογενών σωματιδίων, τα οποία οι επιστήμονες ονομάζουν γάμμα κβάντα. Κατά τη διάρκεια μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης, απελευθερώνεται τεράστια ποσότητα θερμικής ενέργειας. Ο χώρος στον οποίο λαμβάνει χώρα η αλυσιδωτή αντίδραση ονομάζεται πυρήνας του αντιδραστήρα.

Ενδιαφέρων γεγονός!Η ενεργή ζώνη εξωτερικά μοιάζει με λέβητα μέσω του οποίου ρέει συνηθισμένο νερό, το οποίο λειτουργεί ως ψυκτικό.

Για να αποφευχθεί η απώλεια νετρονίων, η περιοχή του πυρήνα του αντιδραστήρα περιβάλλεται από έναν ειδικό ανακλαστήρα νετρονίων. Το πρωταρχικό του καθήκον είναι να απορρίψει τα περισσότερα από τα εκπεμπόμενα νετρόνια στον πυρήνα. Ο ανακλαστήρας είναι συνήθως η ίδια ουσία που χρησιμεύει ως συντονιστής.

Ο κύριος έλεγχος ενός πυρηνικού αντιδραστήρα γίνεται με τη βοήθεια ειδικών ράβδων ελέγχου. Είναι γνωστό ότι αυτές οι ράβδοι εισάγονται στον πυρήνα του αντιδραστήρα και δημιουργούν όλες τις προϋποθέσεις για τη λειτουργία της μονάδας. Συνήθως, οι ράβδοι ελέγχου κατασκευάζονται από χημικές ενώσειςβόριο και κάδμιο. Γιατί χρησιμοποιούνται αυτά τα στοιχεία; Ναι, όλα αυτά επειδή το βόριο ή το κάδμιο είναι σε θέση να απορροφούν αποτελεσματικά τα θερμικά νετρόνια. Και μόλις προγραμματιστεί η εκτόξευση, σύμφωνα με την αρχή της λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, οι ράβδοι ελέγχου εισάγονται στον πυρήνα. Το πρωταρχικό τους καθήκον είναι να απορροφούν ένα σημαντικό μέρος των νετρονίων, προκαλώντας έτσι την ανάπτυξη μιας αλυσιδωτής αντίδρασης. Το αποτέλεσμα πρέπει να φτάσει στο επιθυμητό επίπεδο. Όταν η ισχύς αυξάνεται πάνω από το καθορισμένο επίπεδο, ενεργοποιούνται αυτόματα μηχανήματα, τα οποία βυθίζουν απαραίτητα τις ράβδους ελέγχου βαθιά στον πυρήνα του αντιδραστήρα.

Έτσι, γίνεται σαφές ότι οι ράβδοι ελέγχου ή ελέγχου παίζουν σημαντικό ρόλο στη λειτουργία ενός θερμικού πυρηνικού αντιδραστήρα.

Και για να μειωθεί η διαρροή νετρονίων, ο πυρήνας του αντιδραστήρα περιβάλλεται από έναν ανακλαστήρα νετρονίων που ρίχνει μια σημαντική μάζα ελεύθερα εκπεμπόμενων νετρονίων στον πυρήνα. Με την έννοια του ανακλαστήρα, συνήθως χρησιμοποιείται η ίδια ουσία με τον συντονιστή.

Σύμφωνα με το πρότυπο, ο πυρήνας των ατόμων της ουσίας συντονισμού έχει σχετικά μικρή μάζα, έτσι ώστε όταν συγκρούεται με έναν ελαφρύ πυρήνα, το νετρόνιο που υπάρχει στην αλυσίδα χάνει περισσότερη ενέργεια από ό,τι όταν συγκρούεται με ένα βαρύ. Οι πιο συνηθισμένοι συντονιστές είναι το συνηθισμένο νερό ή ο γραφίτης.

Ενδιαφέρων γεγονός!Τα νετρόνια στη διαδικασία μιας πυρηνικής αντίδρασης είναι εξαιρετικά υψηλή ταχύτητακίνηση, και ως εκ τούτου απαιτείται ένας συντονιστής, ωθώντας τα νετρόνια να χάσουν μέρος της ενέργειάς τους.

Κανένας αντιδραστήρας στον κόσμο δεν μπορεί να λειτουργήσει κανονικά χωρίς τη βοήθεια ψυκτικού, αφού σκοπός του είναι να αφαιρέσει την ενέργεια που παράγεται στην καρδιά του αντιδραστήρα. Ως ψυκτικό υγρό ή αέρια χρησιμοποιούνται απαραίτητα, καθώς δεν είναι ικανά να απορροφούν νετρόνια. Ας δώσουμε ένα παράδειγμα ψυκτικού για έναν συμπαγή πυρηνικό αντιδραστήρα - νερό, διοξείδιο του άνθρακα και μερικές φορές ακόμη και υγρό μεταλλικό νάτριο.

Έτσι, οι αρχές λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα βασίζονται εξ ολοκλήρου στους νόμους μιας αλυσιδωτής αντίδρασης, την πορεία της. Όλα τα εξαρτήματα του αντιδραστήρα - συντονιστής, ράβδοι, ψυκτικό υγρό, πυρηνικό καύσιμο - εκτελούν τα καθήκοντά τους, προκαλώντας την κανονική λειτουργία του αντιδραστήρα.

Τι καύσιμο χρησιμοποιείται για πυρηνικούς αντιδραστήρες και γιατί επιλέγονται ακριβώς αυτά τα χημικά στοιχεία

Το κύριο καύσιμο στους αντιδραστήρες μπορεί να είναι ισότοπα ουρανίου, επίσης πλουτώνιο ή θόριο.

Το 1934, ο F. Joliot-Curie, παρατηρώντας τη διαδικασία σχάσης του πυρήνα του ουρανίου, παρατήρησε ότι ως αποτέλεσμα χημική αντίδρασηο πυρήνας του ουρανίου χωρίζεται σε θραύσματα-πυρήνες και δύο ή τρία ελεύθερα νετρόνια. Και αυτό σημαίνει ότι υπάρχει πιθανότητα τα ελεύθερα νετρόνια να ενωθούν με άλλους πυρήνες ουρανίου και να προκαλέσουν νέα σχάση. Και έτσι, όπως προβλέπει η αλυσιδωτή αντίδραση: έξι έως εννέα νετρόνια θα απελευθερωθούν από τρεις πυρήνες ουρανίου και θα ενωθούν ξανά με τους νεοσχηματισμένους πυρήνες. Και ούτω καθεξής επί άπειρον.

Σημαντικό να θυμάστε!Τα νετρόνια που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης είναι ικανά να προκαλέσουν τη σχάση πυρήνων του ισοτόπου ουρανίου με αριθμό μάζας 235 και για την καταστροφή πυρήνων του ισοτόπου ουρανίου με αριθμό μάζας 238, μπορεί να προκύψει λίγη ενέργεια στο η διαδικασία της αποσύνθεσης.

Το ουράνιο με αριθμό 235 είναι σπάνιο στη φύση. Αντιπροσωπεύει μόνο το 0,7%, αλλά το φυσικό ουράνιο-238 καταλαμβάνει μια πιο ευρύχωρη θέση και αντιστοιχεί στο 99,3%.

Παρά το τόσο μικρό ποσοστό ουρανίου-235 στη φύση, οι φυσικοί και οι χημικοί εξακολουθούν να μην μπορούν να το αρνηθούν, επειδή είναι ο πιο αποτελεσματικός για τη λειτουργία ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, μειώνοντας το κόστος απόκτησης ενέργειας για την ανθρωπότητα.

Πότε εμφανίστηκαν οι πρώτοι πυρηνικοί αντιδραστήρες και πού χρησιμοποιούνται σήμερα

Πίσω στο 1919, οι φυσικοί θριάμβευσαν ήδη όταν ο Ράδερφορντ ανακάλυψε και περιέγραψε τη διαδικασία σχηματισμού κινούμενων πρωτονίων ως αποτέλεσμα της σύγκρουσης των σωματιδίων άλφα με τους πυρήνες των ατόμων αζώτου. Αυτή η ανακάλυψη σήμαινε ότι ο πυρήνας του ισοτόπου του αζώτου, ως αποτέλεσμα μιας σύγκρουσης με ένα σωματίδιο άλφα, μετατράπηκε στον πυρήνα ενός ισοτόπου οξυγόνου.

Πριν έρθει το πρώτο πυρηνικούς αντιδραστήρες, ο κόσμος έχει μάθει αρκετούς νέους νόμους της φυσικής, ερμηνεύοντας όλες τις σημαντικές πτυχές της πυρηνικής αντίδρασης. Έτσι, το 1934, οι F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky πρόσφεραν για πρώτη φορά στην κοινωνία και στον κύκλο των παγκόσμιων επιστημόνων μια θεωρητική υπόθεση και τεκμηριωμένη βάση για την πιθανότητα πυρηνικών αντιδράσεων. Όλα τα πειράματα σχετίζονταν με την παρατήρηση της σχάσης του πυρήνα του ουρανίου.

Το 1939, οι E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch εντόπισαν την αντίδραση της σχάσης των πυρήνων ουρανίου κατά τον βομβαρδισμό τους με νετρόνια. Κατά τη διάρκεια της έρευνας, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι όταν ένα επιταχυνόμενο νετρόνιο εισέρχεται στον πυρήνα του ουρανίου, ο υπάρχων πυρήνας χωρίζεται σε δύο ή τρία μέρη.

Η αλυσιδωτή αντίδραση αποδείχθηκε πρακτικά στα μέσα του 20ού αιώνα. Το 1939, οι επιστήμονες κατάφεραν να αποδείξουν ότι η σχάση ενός πυρήνα ουρανίου απελευθερώνει περίπου 200 MeV ενέργειας. Αλλά περίπου 165 MeV κατανέμονται στην κινητική ενέργεια των πυρήνων του θραύσματος και το υπόλοιπο μεταφέρει μαζί του τα κβάντα γάμμα. Αυτή η ανακάλυψη έκανε μια σημαντική ανακάλυψη στην κβαντική φυσική.

Ο Ε. Φέρμι συνεχίζει την εργασία και την έρευνα για αρκετά ακόμη χρόνια και εγκαινιάζει τον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα το 1942 στις Ηνωμένες Πολιτείες. Το ενσαρκωμένο έργο ονομάστηκε - "Σικάγο woodpile" και τέθηκε στις ράγες. Στις 5 Σεπτεμβρίου 1945, ο Καναδάς εκτόξευσε τον πυρηνικό του αντιδραστήρα ZEEP. Η ευρωπαϊκή ήπειρος δεν υστέρησε και ταυτόχρονα κατασκευαζόταν η εγκατάσταση F-1. Και για τους Ρώσους υπάρχει άλλος αξέχαστη ημερομηνία- Στις 25 Δεκεμβρίου 1946 ξεκίνησε στη Μόσχα ένας αντιδραστήρας υπό την ηγεσία του Ι. Κουρτσάτοφ. Αυτοί δεν ήταν οι πιο ισχυροί πυρηνικοί αντιδραστήρες, αλλά αυτή ήταν η αρχή της ανάπτυξης του ατόμου από τον άνθρωπο.

Για ειρηνικούς σκοπούς, ένας επιστημονικός πυρηνικός αντιδραστήρας δημιουργήθηκε το 1954 στην ΕΣΣΔ. Το πρώτο ειρηνικό πλοίο στον κόσμο με πυρηνικό εργοστάσιο, το πυρηνικό παγοθραυστικό Λένιν, ναυπηγήθηκε στη Σοβιετική Ένωση το 1959. Και ένα ακόμη επίτευγμα του κράτους μας είναι το πυρηνικό παγοθραυστικό Arktika. Αυτό το πλοίο επιφανείας έφτασε στον Βόρειο Πόλο για πρώτη φορά στον κόσμο. Συνέβη το 1975.

Οι πρώτοι φορητοί πυρηνικοί αντιδραστήρες λειτουργούσαν με αργά νετρόνια.

Πού χρησιμοποιούνται πυρηνικοί αντιδραστήρες και ποιους τύπους χρησιμοποιεί η ανθρωπότητα

Βιομηχανικοί αντιδραστήρες. Χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας σε πυρηνικούς σταθμούς.
Πυρηνικοί αντιδραστήρες που λειτουργούν ως πρόωση πυρηνικών υποβρυχίων.
Πειραματικοί (φορητοί, μικροί) αντιδραστήρες. Χωρίς αυτά δεν πραγματοποιείται ούτε μία σύγχρονη επιστημονική εμπειρία ή έρευνα.

Σήμερα, το επιστημονικό φως έχει μάθει να αφαλατώνει με τη βοήθεια ειδικών αντιδραστήρων θαλασσινό νερόνα παρέχει στον πληθυσμό ποιότητα πόσιμο νερό. Υπάρχουν πολλοί πυρηνικοί αντιδραστήρες που λειτουργούν στη Ρωσία. Έτσι, σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία, από το 2018, περίπου 37 τετράγωνα λειτουργούν στην πολιτεία.

Και σύμφωνα με την ταξινόμηση, μπορούν να είναι ως εξής:

Έρευνα (ιστορική). Αυτά περιλαμβάνουν τον σταθμό F-1, ο οποίος δημιουργήθηκε ως πειραματικός χώρος για την παραγωγή πλουτωνίου. Ο I.V. Kurchatov εργάστηκε στο F-1, επέβλεπε τον πρώτο φυσικό αντιδραστήρα.
Έρευνα (ενεργό).
Οπλοστάσιο. Ως παράδειγμα του αντιδραστήρα - A-1, ο οποίος έμεινε στην ιστορία ως ο πρώτος αντιδραστήρας με ψύξη. Η προηγούμενη ισχύς ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι μικρή, αλλά λειτουργική.
Ενέργεια.
Πλοίο. Είναι γνωστό ότι σε πλοία και υποβρύχια, κατ' ανάγκη και τεχνική σκοπιμότητα, χρησιμοποιούνται υδρόψυκτοι αντιδραστήρες ή αντιδραστήρες υγρών μετάλλων.
Χώρος. Για παράδειγμα, ας ονομάσουμε την εγκατάσταση Yenisei σε διαστημόπλοιο, η οποία τίθεται σε δράση εάν είναι απαραίτητο να εξαχθεί μια επιπλέον ποσότητα ενέργειας και θα πρέπει να ληφθεί χρησιμοποιώντας ηλιακούς συλλέκτεςκαι πηγές ισοτόπων.

Έτσι, το θέμα των πυρηνικών αντιδραστήρων είναι αρκετά εκτεταμένο, επομένως, απαιτεί μια βαθιά μελέτη και κατανόηση των νόμων της κβαντικής φυσικής. Αλλά η σημασία των πυρηνικών αντιδραστήρων για τη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας και την οικονομία του κράτους έχει ήδη, αναμφίβολα, φουντωμένα με μια αύρα χρησιμότητας και πλεονεκτημάτων.

Καθημερινά χρησιμοποιούμε ηλεκτρική ενέργεια και δεν σκεφτόμαστε πώς παράγεται και πώς ήρθε σε εμάς. Ωστόσο, είναι ένα από τα πιο σημαντικά μέρη του σύγχρονου πολιτισμού. Χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα, δεν θα υπήρχε τίποτα - ούτε φως, ούτε θερμότητα, ούτε κίνηση.

Όλοι γνωρίζουν ότι η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, συμπεριλαμβανομένων των πυρηνικών. Η καρδιά κάθε πυρηνικού σταθμού είναι πυρηνικός αντιδραστήρας. Αυτό θα συζητήσουμε σε αυτό το άρθρο.

πυρηνικός αντιδραστήρας, μια συσκευή στην οποία λαμβάνει χώρα μια ελεγχόμενη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση με την απελευθέρωση θερμότητας. Βασικά, αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ως κίνηση για μεγάλα πλοία. Για να φανταστεί κανείς την ισχύ και την αποτελεσματικότητα των πυρηνικών αντιδραστήρων, μπορεί κανείς να δώσει ένα παράδειγμα. Όπου ένας μέσος πυρηνικός αντιδραστήρας θα χρειαζόταν 30 κιλά ουρανίου, ένας μέσος θερμοηλεκτρικός σταθμός θα χρειαζόταν 60 βαγόνια άνθρακα ή 40 δεξαμενές μαζούτ.

πρωτότυπο πυρηνικός αντιδραστήραςκατασκευάστηκε τον Δεκέμβριο του 1942 στις ΗΠΑ υπό τη διεύθυνση του E. Fermi. Ήταν η λεγόμενη «στοίβα του Σικάγο». Chicago Pile (στη συνέχεια η λέξη"Σωρός" μαζί με άλλες έννοιες άρχισε να υποδηλώνει έναν πυρηνικό αντιδραστήρα).Αυτό το όνομα του δόθηκε λόγω του γεγονότος ότι έμοιαζε με μια μεγάλη στοίβα από μπλοκ γραφίτη τοποθετημένα το ένα πάνω στο άλλο.

Ανάμεσα στα μπλοκ τοποθετήθηκαν σφαιρικά «σώματα εργασίας» φυσικού ουρανίου και του διοξειδίου του.

Στην ΕΣΣΔ, ο πρώτος αντιδραστήρας κατασκευάστηκε υπό την ηγεσία του ακαδημαϊκού IV Kurchatov. Ο αντιδραστήρας F-1 τέθηκε σε λειτουργία στις 25 Δεκεμβρίου 1946. Ο αντιδραστήρας είχε τη μορφή μπάλας και είχε διάμετρο περίπου 7,5 μέτρα. Δεν διέθετε σύστημα ψύξης, οπότε δούλευε σε πολύ χαμηλά επίπεδα ισχύος.

Η έρευνα συνεχίστηκε και στις 27 Ιουνίου 1954 τέθηκε σε λειτουργία ο πρώτος πυρηνικός σταθμός στον κόσμο ισχύος 5 MW στην πόλη Όμπνινσκ.

Η αρχή της λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.

Κατά τη διάσπαση του ουρανίου U 235, απελευθερώνεται θερμότητα, συνοδευόμενη από την απελευθέρωση δύο ή τριών νετρονίων. Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία - 2,5. Αυτά τα νετρόνια συγκρούονται με άλλα άτομα ουρανίου U 235 . Σε μια σύγκρουση, το ουράνιο U 235 μετατρέπεται σε ένα ασταθές ισότοπο U 236, το οποίο σχεδόν αμέσως διασπάται σε Kr 92 και Ba 141 + αυτά τα ίδια 2-3 νετρόνια. Η αποσύνθεση συνοδεύεται από την απελευθέρωση ενέργειας με τη μορφή ακτινοβολίας γάμμα και θερμότητας.

Αυτό ονομάζεται αλυσιδωτή αντίδραση. Τα άτομα διαιρούνται, ο αριθμός των διασπάσεων αυξάνεται εκθετικά, γεγονός που οδηγεί τελικά σε μια αστραπιαία, σύμφωνα με τα πρότυπά μας, απελευθέρωση τεράστιας ποσότητας ενέργειας - συμβαίνει μια ατομική έκρηξη, ως συνέπεια μιας ανεξέλεγκτης αλυσιδωτής αντίδρασης.

Ωστόσο, σε πυρηνικός αντιδραστήραςέχουμε να κάνουμε με ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση.Το πώς αυτό γίνεται δυνατό περιγράφεται περαιτέρω.

Η συσκευή ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.

Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο τύποι πυρηνικών αντιδραστήρων VVER (αντιδραστήρας ισχύος νερού υπό πίεση) και RBMK (αντιδραστήρας καναλιού υψηλής ισχύος). Η διαφορά είναι ότι το RBMK είναι ένας αντιδραστήρας βραστό νερό και το VVER χρησιμοποιεί νερό υπό πίεση 120 ατμοσφαιρών.

Αντιδραστήρας VVER 1000. 1 - μονάδα CPS. 2 - κάλυμμα αντιδραστήρα. 3 - δοχείο αντιδραστήρα. 4 - μπλοκ προστατευτικών σωλήνων (BZT). 5 - δικό μου? 6 - διάφραγμα πυρήνα. 7 - συγκροτήματα καυσίμου (FA) και ράβδοι ελέγχου.

Κάθε πυρηνικός αντιδραστήρας βιομηχανικού τύπου είναι ένας λέβητας μέσω του οποίου ρέει ένα ψυκτικό υγρό. Κατά κανόνα, πρόκειται για συνηθισμένο νερό (περίπου 75% στον κόσμο), υγρό γραφίτη (20%) και βαρύ νερό (5%). Για πειραματικούς σκοπούς, χρησιμοποιήθηκε βηρύλλιο και υποτέθηκε υδρογονάνθρακας.

TVEL- (στοιχείο καυσίμου). Πρόκειται για ράβδους σε κέλυφος ζιρκονίου με κράμα νιοβίου, στο εσωτερικό του οποίου υπάρχουν ταμπλέτες διοξειδίου του ουρανίου.

Τα στοιχεία καυσίμου στην κασέτα επισημαίνονται με πράσινο χρώμα.

Συγκρότημα κασέτας καυσίμου.

Ο πυρήνας του αντιδραστήρα αποτελείται από εκατοντάδες κασέτες τοποθετημένες κάθετα και ενωμένες μεταξύ τους από ένα μεταλλικό κέλυφος - ένα σώμα, το οποίο παίζει επίσης το ρόλο ενός ανακλαστήρα νετρονίων. Ανάμεσα στις κασέτες, σε τακτά χρονικά διαστήματα εισάγονται ράβδοι ελέγχου και προστατευτικές ράβδοι έκτακτης ανάγκης του αντιδραστήρα, οι οποίες, σε περίπτωση υπερθέρμανσης, έχουν σχεδιαστεί για να κλείνουν τον αντιδραστήρα.

Ας δώσουμε ως παράδειγμα τα δεδομένα για τον αντιδραστήρα VVER-440:

Οι ελεγκτές μπορούν να κινηθούν πάνω-κάτω βυθίζοντας, ή αντίστροφα, αφήνοντας τον πυρήνα, όπου η αντίδραση είναι πιο έντονη. Αυτό παρέχεται από ισχυρούς ηλεκτρικούς κινητήρες, μαζί με το σύστημα ελέγχου.Οι ράβδοι προστασίας έκτακτης ανάγκης έχουν σχεδιαστεί για να κλείνουν τον αντιδραστήρα σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης, να πέφτουν στον πυρήνα και να απορροφούν περισσότερα ελεύθερα νετρόνια.

Κάθε αντιδραστήρας έχει ένα καπάκι μέσω του οποίου φορτώνονται και εκφορτώνονται οι χρησιμοποιημένες και οι νέες κασέτες.

Η θερμομόνωση εγκαθίσταται συνήθως πάνω από το δοχείο του αντιδραστήρα. Το επόμενο εμπόδιο είναι η βιολογική προστασία. Αυτό είναι συνήθως ένα καταφύγιο από οπλισμένο σκυρόδεμα, η είσοδος του οποίου κλείνει με μια κλειδαριά με σφραγισμένες πόρτες. Η βιολογική προστασία έχει σχεδιαστεί για να μην απελευθερώνει ραδιενεργό ατμό και κομμάτια του αντιδραστήρα στην ατμόσφαιρα, εάν συμβεί έκρηξη.

Μια πυρηνική έκρηξη σε σύγχρονους αντιδραστήρες είναι εξαιρετικά απίθανη. Επειδή το καύσιμο δεν είναι επαρκώς εμπλουτισμένο, και χωρίζεται σε TVEL. Ακόμα κι αν ο πυρήνας λιώσει, το καύσιμο δεν θα μπορεί να αντιδράσει τόσο ενεργά. Το μέγιστο που μπορεί να συμβεί είναι μια θερμική έκρηξη, όπως στο Τσερνομπίλ, όταν η πίεση στον αντιδραστήρα έφτασε σε τέτοιες τιμές που το μεταλλικό περίβλημα απλώς σκίστηκε και το καπάκι του αντιδραστήρα, βάρους 5000 τόνων, έκανε ένα αναποδογυρισμένο άλμα, διαπερνώντας την οροφή του διαμερίσματος του αντιδραστήρα και την απελευθέρωση του ατμού. Αν ο πυρηνικός σταθμός του Τσερνομπίλ είχε εξοπλιστεί με τη σωστή βιολογική προστασία, όπως η σημερινή σαρκοφάγος, τότε η καταστροφή θα κόστιζε πολύ λιγότερο στην ανθρωπότητα.

Το έργο ενός πυρηνικού σταθμού.

Με λίγα λόγια, το raboboa μοιάζει με αυτό.

Πυρηνικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής. (με δυνατότητα κλικ)

Αφού εισέλθει στον πυρήνα του αντιδραστήρα με τη βοήθεια αντλιών, το νερό θερμαίνεται από 250 έως 300 μοίρες και εξέρχεται από την «άλλη πλευρά» του αντιδραστήρα. Αυτό ονομάζεται πρώτο κύκλωμα. Στη συνέχεια πηγαίνει στον εναλλάκτη θερμότητας, όπου συναντά το δεύτερο κύκλωμα. Μετά από αυτό, ο ατμός υπό πίεση εισέρχεται στα πτερύγια του στροβίλου. Οι τουρμπίνες παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.

Στην πραγματικότητα, εκεί συμβαίνει η ίδια διαδικασία όπως σε μια πυρηνική έκρηξη. Μόνο που τώρα η έκρηξη συμβαίνει πολύ γρήγορα, και στον αντιδραστήρα όλα αυτά εκτείνονται για μεγάλο χρονικό διάστημα. Στο τέλος, όλα παραμένουν ασφαλή και υγιή, και παίρνουμε ενέργεια. Όχι τόσο που τα πάντα τριγύρω κατέστρεψαν αμέσως, αλλά αρκετά για να παρέχουν ηλεκτρισμό στην πόλη.

Για να καταλάβετε πώς λειτουργεί μια ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση, πρέπει να ξέρετε τι πυρηνική αντίδραση καθόλου.

πυρηνική αντίδραση - αυτή είναι η διαδικασία μετασχηματισμού (σχάσης) των ατομικών πυρήνων κατά την αλληλεπίδρασή τους με στοιχειώδη σωματίδια και γάμμα κβάντα.

Πυρηνικός αντιδραστήρας - Αυτή είναι μια συσκευή που σκοπός της είναι να διατηρεί μια ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση με την απελευθέρωση ενέργειας.

Συχνά ένας πυρηνικός αντιδραστήρας ονομάζεται επίσης πυρηνικός αντιδραστήρας. Σημειώστε ότι εδώ δεν υπάρχει θεμελιώδης διαφορά, αλλά από την άποψη της επιστήμης, είναι πιο σωστό να χρησιμοποιείται η λέξη "πυρηνική". Τώρα υπάρχουν πολλοί τύποι πυρηνικών αντιδραστήρων. Πρόκειται για τεράστιους βιομηχανικούς αντιδραστήρες που έχουν σχεδιαστεί για την παραγωγή ενέργειας σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, αντιδραστήρες πυρηνικών υποβρυχίων, μικρούς πειραματικούς αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται σε επιστημονικά πειράματα. Υπάρχουν ακόμη και αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται για την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού.

Η ιστορία της δημιουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα

Το 1946, ξεκίνησε ο πρώτος σοβιετικός αντιδραστήρας υπό την ηγεσία του Kurchatov. Το σώμα αυτού του αντιδραστήρα ήταν μια μπάλα σε διάμετρο επτά μέτρων. Οι πρώτοι αντιδραστήρες δεν είχαν σύστημα ψύξης και η ισχύς τους ήταν ελάχιστη. Παρεμπιπτόντως, ο σοβιετικός αντιδραστήρας είχε μέση ισχύ 20 watt, ενώ ο αμερικανικός μόνο 1 watt. Για σύγκριση: η μέση ισχύς των σύγχρονων αντιδραστήρων ισχύος είναι 5 Gigawatts. Λιγότερο από δέκα χρόνια μετά την εκτόξευση του πρώτου αντιδραστήρα, ο πρώτος βιομηχανικός πυρηνικός σταθμός στον κόσμο άνοιξε στην πόλη Όμπνινσκ.

Η αρχή της λειτουργίας ενός πυρηνικού (ατομικού) αντιδραστήρα

Κάθε πυρηνικός αντιδραστήρας έχει πολλά μέρη: πυρήνας Με καύσιμα Και μεσολαβητής , ανακλαστήρας νετρονίων , ψυκτικό , σύστημα ελέγχου και προστασίας . Τα ισότοπα είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο καύσιμο στους αντιδραστήρες. ουράνιο (235, 238, 233), πλουτώνιο (239) και θόριο (232). Η ενεργή ζώνη είναι ένας λέβητας μέσω του οποίου ρέει συνηθισμένο νερό (ψυκτικό). Μεταξύ άλλων ψυκτικών, το "βαρύ νερό" και ο υγρός γραφίτης χρησιμοποιούνται λιγότερο συχνά. Αν μιλάμε για τη λειτουργία ενός πυρηνικού σταθμού, τότε ένας πυρηνικός αντιδραστήρας χρησιμοποιείται για την παραγωγή θερμότητας. Η ίδια η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται με την ίδια μέθοδο όπως σε άλλους τύπους σταθμών παραγωγής ενέργειας - ο ατμός περιστρέφει τον στρόβιλο και η ενέργεια της κίνησης μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.

Παρακάτω είναι ένα διάγραμμα της λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.

Πρέπει να αναφερθεί εδώ συντελεστής πολλαπλασιασμού νετρονίων . Έτσι, εάν αυτός ο συντελεστής υπερβαίνει μια τιμή ίση με ένα, συμβαίνει μια πυρηνική έκρηξη. Εάν η τιμή είναι μικρότερη από ένα, υπάρχουν πολύ λίγα νετρόνια και η αντίδραση πεθαίνει. Αλλά αν διατηρήσετε την τιμή του συντελεστή ίση με ένα, η αντίδραση θα προχωρήσει για μεγάλο χρονικό διάστημα και σταθερά.

Το ερώτημα είναι πώς να το κάνουμε; Στον αντιδραστήρα, το καύσιμο βρίσκεται στο λεγόμενο στοιχεία καυσίμου (TVELah). Πρόκειται για ράβδους στις οποίες, με τη μορφή μικρών δισκίων, πυρηνικό καύσιμο . Οι ράβδοι καυσίμου συνδέονται σε εξαγωνικές κασέτες, από τις οποίες μπορεί να υπάρχουν εκατοντάδες στον αντιδραστήρα. Οι κασέτες με ράβδους καυσίμου βρίσκονται κατακόρυφα, ενώ κάθε ράβδος καυσίμου διαθέτει σύστημα που σας επιτρέπει να ρυθμίσετε το βάθος βύθισής της στον πυρήνα. Εκτός από τις ίδιες τις κασέτες, ανάμεσά τους είναι ράβδοι ελέγχου Και προστατευτικές ράβδοι έκτακτης ανάγκης . Οι ράβδοι είναι κατασκευασμένες από υλικό που απορροφά καλά τα νετρόνια. Έτσι, οι ράβδοι ελέγχου μπορούν να χαμηλώσουν σε διαφορετικά βάθη στον πυρήνα, ρυθμίζοντας έτσι τον παράγοντα πολλαπλασιασμού νετρονίων. Οι ράβδοι έκτακτης ανάγκης έχουν σχεδιαστεί για να κλείνουν τον αντιδραστήρα σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης.

Πώς ξεκινά ένας πυρηνικός αντιδραστήρας;

Καταλάβαμε την ίδια την αρχή της λειτουργίας, αλλά πώς να ξεκινήσουμε και να κάνουμε τον αντιδραστήρα να λειτουργεί; Σε γενικές γραμμές, εδώ είναι - ένα κομμάτι ουρανίου, αλλά τελικά, μια αλυσιδωτή αντίδραση δεν ξεκινά από μόνη της. Το γεγονός είναι ότι στην πυρηνική φυσική υπάρχει μια έννοια κρίσιμη μάζα .

Κρίσιμη μάζα είναι η μάζα του σχάσιμου υλικού που απαιτείται για την έναρξη μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης.

Σε αυτό το άρθρο, προσπαθήσαμε να σας δώσουμε μια γενική ιδέα για τη δομή και την αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού (ατομικού) αντιδραστήρα. Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις σχετικά με το θέμα ή το πανεπιστήμιο έθεσε ένα πρόβλημα στην πυρηνική φυσική, επικοινωνήστε ειδικοί της εταιρείας μας. Εμείς, ως συνήθως, είμαστε έτοιμοι να σας βοηθήσουμε να λύσετε οποιοδήποτε πιεστικό ζήτημα των σπουδών σας. Εν τω μεταξύ, το κάνουμε αυτό, η προσοχή σας είναι ένα ακόμη εκπαιδευτικό βίντεο!

Δημοφιλή στην κατηγορία: