Koji su glavni dijelovi nuklearnog reaktora? Nuklearna elektrana: kako radi

Ovaj neugledni sivi cilindar ključna je karika ruske nuklearne industrije. Naravno, ne izgleda baš naočito, ali čim shvatite njegovu namjenu i pogledate tehničke karakteristike, počinjete shvaćati zašto država tajnu njegovog nastanka i strukture čuva kao zjenicu oka.

Da, zaboravio sam predstaviti: pred vama je plinska centrifuga za odvajanje izotopa urana VT-3F (n-te generacije). Princip rada je elementaran, kao kod separatora mlijeka, teško se, pod utjecajem centrifugalne sile, odvaja od laganog. Dakle, u čemu je značaj i jedinstvenost?

Za početak, odgovorimo na još jedno pitanje - ali općenito, zašto izdvajati uran?

Prirodni uran, koji leži u zemlji, koktel je dva izotopa: uran-238 I uran-235(i 0,0054% U-234).
Uran-238, to je samo teški, sivi metal. Od njega možete napraviti topničku granatu, dobro, ili ... privjesak za ključeve. A evo s čime možete uran-235? Pa, prvo, atomska bomba, a drugo, gorivo za nuklearne elektrane. I tu dolazimo do ključnog pitanja – kako ta dva, gotovo identična atoma, odvojiti jedan od drugog? Ne stvarno KAKO?!

Usput: Polumjer jezgre atoma urana je 1,5 10 -8 cm.

Da bi se atomi urana utjerali u tehnološki lanac, on (uran) mora biti preveden u plinovito stanje. Nema smisla kuhati, dovoljno je spojiti uran s fluorom i dobiti uranov heksafluorid HFC. Tehnologija njegove proizvodnje nije vrlo komplicirana i skupa, pa stoga HFC doći točno tamo gdje se ovaj uran vadi. UF6 je jedini vrlo hlapljivi spoj urana (kada se zagrije na 53°C, heksafluorid (na slici) prelazi izravno iz krutog u plinovito stanje). Zatim se pumpa u posebne spremnike i šalje na obogaćivanje.

Malo povijesti

Na samom početku nuklearne utrke, najveći znanstveni umovi, kako SSSR-a tako i SAD-a, ovladali su idejom difuzijske separacije - propuštanja urana kroz sito. Mali 235 izotop će skliznuti, a "debeli" 238 zapeti. A napraviti sito s nano-rupama za sovjetsku industriju 1946. nije bio najteži zadatak.

Iz izvješća Isaaca Konstantinovicha Kikoina na Znanstveno-tehničkom vijeću pri Vijeću narodnih komesara (dato u zbirci deklasificiranih materijala o atomskom projektu SSSR-a (ur. Ryabev)): Trenutno smo naučili kako napraviti mreže s rupama od oko 5/1000 mm, tj. 50 puta veći od srednjeg slobodnog puta molekula pri atmosferskom tlaku. Stoga tlak plina pri kojem će doći do odvajanja izotopa na takvim rešetkama mora biti manji od 1/50 atmosferskog tlaka. U praksi očekujemo da ćemo raditi pri tlaku od oko 0,01 atmosfere, tj. pod dobrim vakuumskim uvjetima. Izračun pokazuje da je za dobivanje proizvoda obogaćenog do koncentracije od 90% lakim izotopom (tolika je koncentracija dovoljna za dobivanje eksploziva) oko 2000 takvih stupnjeva potrebno spojiti u kaskadu. U stroju koji smo projektirali i djelomično proizveli, očekuje se proizvodnja 75-100 g urana-235 dnevno. Instalacija će se sastojati od otprilike 80-100 "kolona", od kojih će svaka sadržavati 20-25 koraka."

Ispod je dokument - Berijin izvještaj Staljinu o pripremi prve nuklearne eksplozije. Ispod je mali osvrt na akumulirane nuklearne materijale do početka ljeta 1949.

A sad zamislite sami - 2000 pozamašnih instalacija, za nekih 100 grama! Pa kud treba, bombe su potrebne. I počeli su graditi tvornice, i ne samo tvornice, nego cijele gradove. I dobro, samo gradovi, te difuzijske elektrane su zahtijevale toliko struje da su morali graditi zasebne elektrane u blizini.

U SSSR-u je prvi stupanj D-1 postrojenja br. 813 projektiran za ukupnu proizvodnju od 140 grama 92-93% urana-235 dnevno u 2 kaskade od 3100 stupnjeva odvajanja identične snage. Za proizvodnju je dodijeljena nedovršena tvornica zrakoplova u selu Verkh-Neyvinsk, koje je udaljeno 60 km od Sverdlovska. Kasnije se pretvorio u Sverdlovsk-44, a 813. tvornica (na slici) u Ural Electrochemical Plant - najveću svjetsku separacijsku proizvodnju.

I premda je tehnologija difuzijske separacije, iako uz velike tehnološke poteškoće, otklonjena, ideja o svladavanju ekonomičnijeg centrifugalnog procesa nije napustila dnevni red. Uostalom, ako uspijete stvoriti centrifugu, tada će se potrošnja energije smanjiti od 20 do 50 puta!

Kako je postavljena centrifuga?

Uređen je više nego elementarno i izgleda kao onaj stari. perilica za rublje radi u načinu rada "centrifuga / sušenje". U zatvorenom kućištu nalazi se rotirajući rotor. Ovaj rotor se opskrbljuje plinom (UF6). Zbog centrifugalne sile, stotine tisuća puta veće od gravitacijskog polja Zemlje, plin se počinje razdvajati na "tešku" i "laku" frakciju. Lagane i teške molekule počinju se grupirati u različitim zonama rotora, ali ne u središtu i duž perimetra, već na vrhu i dnu.

To se događa zbog konvekcijskih struja - poklopac rotora se zagrijava i dolazi do povratnog toka plina. Na vrhu i dnu cilindra nalaze se dvije male cijevi - usisne. Osiromašena smjesa ulazi u donju cijev, smjesa s većom koncentracijom atoma ulazi u gornju cijev 235U. Ova smjesa ide u sljedeću centrifugu i tako dalje do koncentracije 235 uran neće postići željenu vrijednost. Lanac centrifuga naziva se kaskada.

Tehničke značajke.

Pa, prvo, brzina rotacije - y moderne generacije centrifuge, dostiže 2000 okretaja u minuti (ne znam ni s čime bih usporedio ... 10 puta brže od turbine u zrakoplovnom motoru)! I radi bez prestanka već TRI DESETLJEĆA godina! Oni. sada se centrifuge koje su bile uključene pod Brežnjevom vrte u slapovima! SSSR više ne postoji, ali oni se vrte i vrte. Nije teško izračunati da tijekom svog radnog ciklusa rotor napravi 2 000 000 000 000 (dva bilijuna) okretaja. I kakav ležaj to može podnijeti? Da, nijedan! Nema ležajeva.

Sam rotor je običan vrh, na dnu ima jaku iglu koja se oslanja na korundni potisni ležaj, a gornji kraj visi u vakuumu, drži ga elektromagnetsko polje. Igla također nije jednostavna, napravljena od obične žice za klavirske žice, kaljena je na vrlo lukav način (što - GT). Nije teško zamisliti da s takvom bjesomučnom brzinom rotacije sama centrifuga mora biti ne samo izdržljiva, već i super-snažna.

Akademik Joseph Friedlander prisjeća se: “Tri puta su mogli biti upucani. Jednom, kad smo već dobili Lenjinovu nagradu, dogodila se velika nesreća, odletio je poklopac centrifuge. Komadi razbacani, uništili druge centrifuge. Digao se radioaktivni oblak. Morao sam zaustaviti cijelu liniju - kilometar instalacija! U Sredmašu je centrifugama zapovijedao general Zverev, prije atomskog projekta radio je u odjelu Berije. General je na sastanku rekao: “Situacija je kritična. Obrana zemlje je ugrožena. Ako brzo ne popravimo situaciju, ponovit će vam se 37. godina. I odmah je sastanak zatvoren. Tada smo došli do potpunog nova tehnologija s potpuno izotropnom uniformnom strukturom poklopca, ali bile su potrebne vrlo složene postavke. Od tada se proizvode ove navlake. Više nije bilo nevolja. U Rusiji postoje 3 tvornice za obogaćivanje, stotine tisuća centrifuga.
Na fotografiji: testovi prve generacije centrifuga

Kućišta rotora također su isprva bila metalna, dok ih nisu zamijenila ... karbonska vlakna. Lagan i iznimno otporan na trganje, idealan je materijal za rotirajući cilindar.

Generalni direktor UEIP-a (2009.-2012.) Alexander Kurkin prisjeća se: “Postalo je smiješno. Prilikom testiranja i testiranja nove, "okretnije" generacije centrifuga, jedan od djelatnika nije čekao da se rotor potpuno zaustavi, odspojio ju je s kaskade i odlučio ju u rukama prenijeti na postolje. Ali umjesto da krene naprijed, ma koliko se opirao, prihvatio je ovaj cilindar i počeo se kretati unatrag. Tako smo vidjeli vlastitim očima da se Zemlja okreće, a žiroskop je velika sila.”

Tko je izumio?

Oh, to je misterij prepun misterija i obavijen mrakom. Ovdje imate njemačke zarobljene fizičare, CIA-u, časnike SMERSH-a pa čak i oborenog špijunskog pilota Powersa. Općenito, princip plinske centrifuge opisan je krajem 19. stoljeća.

Čak iu zoru atomskog projekta, Viktor Sergeev, inženjer Specijalnog dizajnerskog biroa tvornice Kirov, predložio je metodu centrifugalnog odvajanja, ali njegovi kolege isprva nisu odobravali njegovu ideju. U isto vrijeme, znanstvenici iz poražene Njemačke borili su se oko stvaranja centrifuge za odvajanje u posebnom NII-5 u Sukhumiju: dr. Max Steenbeck, koji je pod Hitlerom radio kao glavni inženjer Siemensa, i Gernot Zippe, bivši mehaničar Luftwaffea. , diplomirala na Sveučilištu u Beču. Ukupno je u skupini bilo oko 300 "izvezenih" fizičara.

Aleksej Kalitejevski, generalni direktor CJSC Centrotech-SPb državne korporacije Rosatom, prisjeća se: “Naši stručnjaci su došli do zaključka da je njemačka centrifuga apsolutno neprikladna za industrijsku proizvodnju. Steenbeckov aparat nije imao sustav za prijenos djelomično obogaćenog proizvoda u sljedeći stupanj. Predloženo je ohladiti krajeve poklopca i zamrznuti plin, a zatim ga odmrznuti, skupiti i staviti u sljedeću centrifugu. Odnosno, shema ne funkcionira. Međutim, projekt je imao vrlo zanimljiva i neobična tehnička rješenja. Ova "zanimljiva i neobična rješenja" kombinirana su s rezultatima sovjetskih znanstvenika, posebice s prijedlozima Viktora Sergeeva. Relativno govoreći, naša kompaktna centrifuga jedna je trećina plod njemačke misli, a dvije trećine sovjetske misli.” Usput, kada je Sergejev došao u Abhaziju i tom istom Steenbecku i Zippeu iznio svoja razmišljanja o izboru urana, Steenbeck i Zippe su ih odbacili kao neostvarive.

Dakle, što je Sergejev smislio.

A Sergejevljev prijedlog bio je stvoriti uređaje za uzorkovanje plina u obliku Pitotovih cijevi. No dr. Steenbeck, koji je, kako je vjerovao, najeo zube na ovu temu, bio je kategoričan: “Usporit će tok, izazvati turbulencije i neće biti odvajanja!” Godinama kasnije, radeći na svojim memoarima, požalit će zbog toga: “Ideja vrijedna da potekne od nas! Ali nije mi bilo na kraj pameti…”

Kasnije, kada je bio izvan SSSR-a, Steenbeck se više nije bavio centrifugama. No Geront Zippe prije odlaska u Njemačku imao je priliku upoznati se s prototipom Sergejevljeve centrifuge i genijalno jednostavnim principom njezina rada. Jednom na Zapadu, "lukavi Zippe", kako su ga često nazivali, patentirao je dizajn centrifuge pod svojim imenom (patent br. 1071597 iz 1957., na čekanju u 13 zemalja). Godine 1957., preselivši se u SAD, Zippe je ondje izgradio radnu instalaciju, reproducirajući Sergejevljev prototip po sjećanju. I nazvao ju je, odajmo počast, “Ruska centrifuga” (na slici).

Inače, rusko inženjerstvo pokazalo se i u mnogim drugim slučajevima. Primjer je elementarni zaporni ventil za hitne slučajeve. Nema senzora, detektora i elektroničkih sklopova. Postoji samo slavina za samovar, koja svojom laticama dodiruje okvir kaskade. Ako nešto pođe po zlu i centrifuga promijeni svoj položaj u prostoru, jednostavno se okrene i zatvori ulazni vod. Kao u vicu o američkoj i ruskoj olovci u svemiru.

Naši dani

Ovaj tjedan autor ovih redaka bio je nazočan značajnom događaju - zatvaranju ruskog ureda promatrača američkog Ministarstva energetike prema ugovoru HEU-LEU. Ovaj dogovor (visoko obogaćeni uran-nisko obogaćeni uran) bio je, i još uvijek jest, najveći sporazum o nuklearnoj energiji između Rusije i Amerike. Prema uvjetima ugovora, ruski nuklearni znanstvenici preradili su 500 tona našeg urana za oružje (90%) u gorivo (4%) HFC za američke nuklearne elektrane. Prihodi za 1993.-2009. iznosili su 8,8 milijardi američkih dolara. To je bio logičan ishod tehnološkog iskoraka naših nuklearnih znanstvenika u području razdvajanja izotopa, učinjenog u poratnim godinama.
Na fotografiji: kaskade plinskih centrifuga u jednoj od radionica UEIP-a. Ovdje ih je oko 100.000.

Zahvaljujući centrifugama dobili smo tisuće tona relativno jeftinog vojnog i komercijalnog proizvoda. Nuklearna industrija, jedna od rijetkih preostalih (vojno zrakoplovstvo, svemir), gdje Rusija ima neupitnu nadmoć. Samo inozemne narudžbe za deset godina unaprijed (od 2013. do 2022.), Rosatomov portfelj bez ugovora HEU-LEU iznosi 69,3 milijarde dolara. U 2011. premašio je 50 milijardi ...
Na fotografiji skladište spremnika s HFC-ima u UEIP-u.

Dana 28. rujna 1942. godine donesena je Rezolucija Državnog odbora za obranu br. 2352ss "O organizaciji rada na uranu". Taj se datum smatra službenim početkom povijesti nuklearne industrije u Rusiji.

Danas ćemo napraviti kratko putovanje u svijet nuklearne fizike. Tema našeg izleta bit će nuklearni reaktor. Naučit ćete kako radi, na kojim se fizičkim principima temelji njegov rad i gdje se ovaj uređaj koristi.

Rođenje nuklearne energije

Prvi nuklearni reaktor u svijetu izgrađen je 1942. godine u SAD-u. eksperimentalna skupina fizičara na čelu s laureatom Nobelova nagrada Enrico Fermi. Istodobno su izveli samoodrživu reakciju fisije urana. Atomski duh je pušten.

Prvi sovjetski nuklearni reaktor pušten je u rad 1946. a 8 godina kasnije, prva svjetska nuklearna elektrana u gradu Obninsku dala je struju. Glavni znanstveni nadzornik rada u nuklearnoj energetici SSSR-a bio je izvanredan fizičar Igor Vasiljevič Kurčatov.

Od tada se promijenilo nekoliko generacija nuklearnih reaktora, ali glavni elementi njegovog dizajna ostali su nepromijenjeni.

Anatomija nuklearnog reaktora

Ovo nuklearno postrojenje čelični je spremnik debelih stijenki s cilindričnim kapacitetom od nekoliko kubičnih centimetara do mnogo kubičnih metara.

Unutar ovog cilindra je svetinja nad svetinjama - jezgra reaktora. Ovdje se odvija lančana reakcija fisije nuklearnog goriva.

Pogledajmo kako se taj proces odvija.

Osobito jezgre teških elemenata uran-235 (U-235), pod utjecajem malog potiska energije mogu se raspasti na 2 fragmenta približno jednake mase. Uzročnik ovog procesa je neutron.

Fragmenti su najčešće jezgre barija i kriptona. Svaki od njih nosi pozitivan naboj, pa ih sile Coulombovog odbijanja tjeraju da se rasprše u različitim smjerovima brzinom od oko 1/30 brzine svjetlosti. Ovi fragmenti su nositelji kolosalne kinetičke energije.

Za praktično korištenje energije potrebno je da njezino oslobađanje bude samoodrživo. Lančana reakcija, o čemu je riječ tim je zanimljiviji što je svaki događaj fisije popraćen emisijom novih neutrona. Za jedan početni neutron u prosjeku nastaju 2-3 nova neutrona. Broj fisibilnih jezgri urana raste poput lavine, uzrokujući oslobađanje ogromne energije. Ako se taj proces ne kontrolira, doći će do nuklearne eksplozije. Odvija se u .

Za kontrolu broja neutrona u sustav se uvode materijali koji apsorbiraju neutrone, osiguravajući glatko oslobađanje energije. Kao apsorberi neutrona koriste se kadmij ili bor.

Kako obuzdati i iskoristiti ogromnu kinetičku energiju fragmenata? U tu svrhu koristi se rashladna tekućina, tj. poseban medij, kretanje u kojem se fragmenti usporavaju i zagrijavaju do ekstremno visokih temperatura. Takav medij može biti obična ili teška voda, tekući metali (natrij), kao i neki plinovi. Kako ne bi došlo do prijelaza rashladne tekućine u stanje pare, u jezgri se održava visoki tlak (do 160 atm). Zbog toga su stijenke reaktora izrađene od desetcentimetarskog čelika posebnih kvaliteta.

Ako neutroni izlete iz nuklearnog goriva, tada se lančana reakcija može prekinuti. Dakle, postoji kritična masa fisibilnog materijala, tj. njegova minimalna masa pri kojoj će se održati lančana reakcija. Ovisi o različitim parametrima, uključujući prisutnost reflektora koji okružuje jezgru reaktora. Služi za sprječavanje istjecanja neutrona u okoliš. Najčešći materijal za ovaj strukturni element je grafit.

Procesi koji se odvijaju u reaktoru praćeni su oslobađanjem najopasnije vrste zračenja - gama zračenja. Kako bi se ova opasnost svela na minimum, pruža zaštitu od zračenja.

Kako radi nuklearni reaktor

Nuklearno gorivo, koje nazivamo gorivim elementima, nalazi se u jezgri reaktora. To su tablete izrađene od fisibilnog materijala i pakirane u tanke cijevi dužine oko 3,5 m i promjera 10 mm.

Stotine gorivnih elemenata iste vrste smještene su u jezgru i one postaju izvori toplinske energije koja se oslobađa tijekom lančane reakcije. Rashladno sredstvo koje ispire gorivne šipke čini prvi krug reaktora.

Zagrijan na visoke parametre, pumpa se u generator pare, gdje svoju energiju predaje vodi sekundarnog kruga, pretvarajući je u paru. Nastala para okreće turbinski generator. Električna energija proizvedena ovom jedinicom prenosi se potrošaču. A ispušna para, ohlađena vodom iz rashladnog bazena, u obliku kondenzata vraća se u generator pare. Ciklus se zatvara.

Takav dvokružni rad nuklearne instalacije isključuje prodiranje zračenja koje prati procese koji se odvijaju u jezgri izvan njezinih granica.

Dakle, u reaktoru se odvija lanac energetskih transformacija: nuklearna energija fisionog materijala → u kinetičku energiju krhotina → toplinska energija rashladnog sredstva → kinetička energija turbine → i u električnu energiju u generatoru.

Neizbježan gubitak energije dovodi do činjenice da Učinkovitost nuklearnih elektrana je relativno niska, 33-34%.

Osim za proizvodnju električne energije u nuklearnim elektranama, nuklearni reaktori koriste se za proizvodnju raznih radioaktivnih izotopa, za istraživanja u mnogim područjima industrije, te za proučavanje dopuštenih parametara industrijskih reaktora. Transportni reaktori, koji opskrbljuju motore vozila energijom, postaju sve rašireniji.

Vrste nuklearnih reaktora

Obično nuklearni reaktori rade na uran U-235. Međutim, njegov sadržaj u prirodnom materijalu je izuzetno nizak, samo 0,7%. Glavna masa prirodnog urana je izotop U-238. Lančanu reakciju u U-235 mogu izazvati samo spori neutroni, a izotop U-238 fisijom dijele samo brzi neutroni. Kao rezultat nuklearne fisije rađaju se spori i brzi neutroni. Brzi neutroni, koji doživljavaju usporavanje u rashladnoj tekućini (vodi), postaju spori. Ali količina izotopa U-235 u prirodnom uranu je toliko mala da je potrebno pribjeći njegovom obogaćivanju, dovodeći njegovu koncentraciju na 3-5%. Ovaj proces je vrlo skup i ekonomski nepovoljan. Osim toga, vrijeme iscrpljenosti prirodni resursi procjenjuje se da je ovaj izotop star samo 100-120 godina.

Stoga se u nuklearnoj industriji postupno se prelazi na reaktore koji rade na brze neutrone.

Njihova glavna razlika je u tome što se kao rashladno sredstvo koriste tekući metali koji ne usporavaju neutrone, a U-238 se koristi kao nuklearno gorivo. Jezgre ovog izotopa prolaze kroz lanac nuklearnih transformacija u Plutonij-239, koji podliježe lančanoj reakciji na isti način kao U-235. Odnosno, dolazi do reprodukcije nuklearnog goriva, i to u količini većoj od njegove potrošnje.

Prema riječima stručnjaka Rezerve izotopa urana-238 trebale bi trajati 3000 godina. Ovo vrijeme je sasvim dovoljno da čovječanstvo ima dovoljno vremena za razvoj drugih tehnologija.

Problemi u korištenju nuklearne energije

Uz očite prednosti nuklearne energije, ne mogu se podcijeniti razmjeri problema povezanih s radom nuklearnih postrojenja.

Prvi od njih je zbrinjavanje radioaktivnog otpada i demontirane opreme nuklearna energija. Ovi elementi imaju aktivnu pozadinu zračenja, koja traje dugo vremena. Za zbrinjavanje ovog otpada koriste se posebni olovni spremnici. Pretpostavlja se da su zakopani u područjima permafrosta na dubini do 600 metara. Stoga se neprestano radi na pronalaženju načina prerade radioaktivnog otpada koji bi trebao riješiti problem zbrinjavanja i pomoći očuvanju ekologije našeg planeta.

Drugi veliki problem je osiguranje sigurnosti tijekom rada NEK. Velike nesreće poput Černobila mogu odnijeti puno ljudskih života i razgraditi golema područja.

Nesreća u japanskoj nuklearnoj elektrani "Fukushima-1" samo je potvrdila potencijalnu opasnost koja se manifestira u slučaju izvanredne situacije u nuklearnim postrojenjima.

No, mogućnosti nuklearne energije toliko su velike da problemi zaštite okoliša gube u drugom planu.

Danas čovječanstvo nema drugog načina da zadovolji sve veću glad za energijom. Osnovu nuklearne energetike budućnosti vjerojatno će činiti "brzi" reaktori s funkcijom oplemenjivanja nuklearnog goriva.

Ako vam je ova poruka bila korisna, bilo bi mi drago da vas vidim

Sredinom dvadesetog stoljeća pozornost čovječanstva bila je usmjerena na atom i znanstveničko objašnjenje nuklearne reakcije koju su isprva odlučili iskoristiti u vojne svrhe, izumivši prve nuklearne bombe u okviru projekta Manhattan. Ali 50-ih godina XX. stoljeća nuklearni reaktor u SSSR-u korišten je u miroljubive svrhe. Poznato je da je 27. lipnja 1954. godine u službu čovječanstva ušla prva nuklearna elektrana na svijetu snage 5000 kW. Danas nuklearni reaktor može proizvesti električnu energiju od 4000 MW ili više, odnosno 800 puta više nego prije pola stoljeća.

Što je nuklearni reaktor: osnovna definicija i glavne komponente jedinice

Nuklearni reaktor je posebna jedinica uz pomoć koje se stvara energija kao rezultat ispravnog održavanja kontrolirane nuklearne reakcije. Dopuštena je uporaba riječi "atomski" u kombinaciji s riječi "reaktor". Mnogi općenito smatraju pojmove "nuklearni" i "atomski" sinonimima, budući da ne nalaze temeljnu razliku između njih. Ali predstavnici znanosti skloni su ispravnijoj kombinaciji - "nuklearni reaktor".

Zanimljiv činjenica! Nuklearne reakcije mogu teći s oslobađanjem ili apsorpcijom energije.

Glavne komponente u uređaju nuklearnog reaktora su sljedeći elementi:

• Moderator;
• Kontrolne šipke;
• Šipke koje sadrže obogaćenu smjesu izotopa urana;
• Posebni zaštitni elementi protiv zračenja;
• rashladna tekućina;
• generator pare;
• Turbina;
• Generator;
• Kondenzator;
• Nuklearno gorivo.

Koje su temeljne principe rada nuklearnog reaktora odredili fizičari i zašto su nepokolebljivi

Temeljni princip rada nuklearnog reaktora temelji se na značajkama manifestacije nuklearne reakcije. U trenutku standardnog fizičkog lančanog nuklearnog procesa, čestica komunicira s atomskom jezgrom, kao rezultat, jezgra se pretvara u novu uz oslobađanje sekundarnih čestica, koje znanstvenici nazivaju gama kvantima. Tijekom nuklearne lančane reakcije oslobađa se ogromna količina toplinske energije. Prostor u kojem se odvija lančana reakcija naziva se jezgra reaktora.

Zanimljiv činjenica! Aktivna zona izvana nalikuje kotlu kroz koji teče obična voda, koja djeluje kao rashladno sredstvo.

Kako bi se spriječio gubitak neutrona, područje jezgre reaktora okruženo je posebnim reflektorom neutrona. Njegov primarni zadatak je odbaciti većinu emitiranih neutrona u jezgru. Reflektor je obično ista tvar koja služi kao moderator.

Glavna kontrola nuklearnog reaktora odvija se uz pomoć posebnih kontrolnih šipki. Poznato je da se te šipke uvode u jezgru reaktora i stvaraju sve uvjete za rad bloka. Obično se kontrolne šipke izrađuju od kemijski spojevi bor i kadmij. Zašto se ti elementi koriste? Da, sve zato što bor ili kadmij mogu učinkovito apsorbirati toplinske neutrone. I čim se planira lansiranje, prema principu rada nuklearnog reaktora, u jezgru se uvode kontrolne šipke. Njihova primarna zadaća je apsorbirati značajan dio neutrona i time izazvati razvoj lančane reakcije. Rezultat bi trebao doseći željenu razinu. Kada se snaga poveća iznad zadane razine, uključuju se automatski strojevi koji nužno uranjaju kontrolne šipke duboko u jezgru reaktora.

Dakle, postaje jasno da upravljačke ili upravljačke šipke imaju važnu ulogu u radu termonuklearnog reaktora.

A kako bi se smanjilo curenje neutrona, jezgra reaktora je okružena neutronskim reflektorom koji izbacuje značajnu masu slobodno emitiranih neutrona u jezgru. U značenju reflektora obično se koristi ista tvar kao i za moderator.

Prema standardu, jezgra atoma tvari moderatora ima relativno malu masu, tako da pri sudaru s lakom jezgrom neutron prisutan u lancu gubi više energije nego pri sudaru s teškom. Najčešći moderatori su obična voda ili grafit.

Zanimljiv činjenica! Neutrone u procesu nuklearne reakcije karakterizira iznimno velika brzina kretanja, pa je stoga potreban moderator koji tjera neutrone da izgube dio svoje energije.

Niti jedan reaktor na svijetu ne može normalno funkcionirati bez pomoći rashladne tekućine, jer je njezina svrha odvođenje energije koja se stvara u srcu reaktora. Kao rashladno sredstvo nužno se koriste tekućine ili plinovi, budući da nisu sposobni apsorbirati neutrone. Navedimo primjer rashladnog sredstva za kompaktni nuklearni reaktor - vodu, ugljični dioksid, a ponekad čak i tekući metalni natrij.

Dakle, principi rada nuklearnog reaktora u potpunosti se temelje na zakonima lančane reakcije, njezinom tijeku. Sve komponente reaktora - moderator, šipke, rashladna tekućina, nuklearno gorivo - obavljaju svoje zadaće, uzrokujući normalan rad reaktora.

Koje se gorivo koristi za nuklearne reaktore i zašto su odabrani baš ti kemijski elementi

Glavno gorivo u reaktorima mogu biti izotopi urana, također plutonij ili torij.

Još 1934. godine F. Joliot-Curie, promatrajući proces fisije jezgre urana, primijetio je da kao rezultat kemijska reakcija jezgra urana podijeljena je na fragmente-jezgre i dva ili tri slobodna neutrona. A to znači da postoji mogućnost da se slobodni neutroni pridruže drugim jezgrama urana i izazovu novu fisiju. I tako, kao što predviđa lančana reakcija: iz tri jezgre urana oslobodit će se šest do devet neutrona koji će se ponovno pridružiti novonastalim jezgrama. I tako u nedogled.

Važno je zapamtiti! Neutroni koji se pojavljuju tijekom nuklearne fisije sposobni su izazvati fisiju jezgri izotopa urana s masenim brojem 235, a za razaranje jezgri izotopa urana s masenim brojem 238 može nastati malo energije proces raspadanja.

Uran broj 235 je rijedak u prirodi. Čini samo 0,7%, ali prirodni uran-238 zauzima prostraniju nišu i čini 99,3%.

Unatoč tako malom udjelu urana-235 u prirodi, fizičari i kemičari ga još uvijek ne mogu odbiti, jer je najučinkovitiji za rad nuklearnog reaktora, smanjujući troškove dobivanja energije za čovječanstvo.

Kada su se pojavili prvi nuklearni reaktori i gdje se danas koriste

Davne 1919. godine fizičari su već trijumfirali kada je Rutherford otkrio i opisao proces nastanka pokretnih protona kao rezultat sudara alfa čestica s jezgrama atoma dušika. Ovo otkriće značilo je da se jezgra izotopa dušika, kao rezultat sudara s alfa česticom, pretvorila u jezgru izotopa kisika.

Prije nego su se pojavili prvi nuklearni reaktori, svijet je naučio nekoliko novih zakona fizike koji su se bavili svim važnim aspektima nuklearne reakcije. Tako su 1934. godine F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky po prvi put ponudili društvu i krugu svjetskih znanstvenika teorijsku pretpostavku i bazu dokaza o mogućnosti nuklearnih reakcija. Svi pokusi bili su vezani uz promatranje fisije jezgre urana.

Godine 1939. E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch pratili su reakciju fisije jezgri urana tijekom njihovog bombardiranja neutronima. Tijekom istraživanja znanstvenici su otkrili da kada jedan ubrzani neutron uđe u jezgru urana, postojeća jezgra se podijeli na dva ili tri dijela.

Lančana reakcija je praktično dokazana sredinom 20. stoljeća. Godine 1939. znanstvenici su uspjeli dokazati da se fisijom jedne jezgre urana oslobađa oko 200 MeV energije. Ali oko 165 MeV se dodjeljuje kinetičkoj energiji jezgri fragmenata, a ostatak sa sobom odnosi gama kvante. Ovo otkriće napravilo je iskorak u kvantnoj fizici.

E. Fermi nastavlja s radom i istraživanjem još nekoliko godina i pokreće prvi nuklearni reaktor 1942. godine u SAD-u. Utjelovljeni projekt nazvan je - "Chicago woodpile" i stavljen je na tračnice. Kanada je 5. rujna 1945. pustila u rad svoj nuklearni reaktor ZEEP. Europski kontinent nije zaostajao, a paralelno se gradila i instalacija F-1. A za Ruse postoji još jedan nezaboravan datum - 25. prosinca 1946. u Moskvi je pokrenut reaktor pod vodstvom I. Kurchatova. To nisu bili najjači nuklearni reaktori, ali to je bio početak razvoja atoma od strane čovjeka.

U miroljubive svrhe znanstveni nuklearni reaktor stvoren je 1954. godine u SSSR-u. Prvi miroljubivi brod na svijetu s nuklearnom elektranom, nuklearni ledolomac Lenjin, izgrađen je u Sovjetskom Savezu 1959. godine. I još jedno postignuće naše države je nuklearni ledolomac Arktika. Ovaj površinski brod je prvi put u svijetu stigao do Sjevernog pola. Dogodilo se to 1975. godine.

Prvi prijenosni nuklearni reaktori radili su na spore neutrone.

Gdje se koriste nuklearni reaktori i koje vrste čovječanstvo koristi

• Industrijski reaktori. Koriste se za proizvodnju energije u nuklearnim elektranama.
• Nuklearni reaktori koji djeluju kao pogon nuklearnih podmornica.
• Eksperimentalni (prijenosni, mali) reaktori. Bez njih, niti jedna moderna znanstveno iskustvo ili istraživanja.

Danas je znanstveno svjetlo naučilo desalinizirati uz pomoć posebnih reaktora morska voda stanovništvu pružiti kvalitetu piti vodu. U Rusiji postoji mnogo aktivnih nuklearnih reaktora. Dakle, prema statistikama, od 2018. godine u državi radi oko 37 blokova.

A prema klasifikaciji, oni mogu biti sljedeći:

• Istraživanje (povijesno). To uključuje postaju F-1, koja je stvorena kao eksperimentalno mjesto za proizvodnju plutonija. I. V. Kurchatov radio je na F-1, nadgledao prvi fizički reaktor.
• Istraživanje (aktivno).
• Oružarnica. Kao primjer reaktora - A-1, koji je ušao u povijest kao prvi reaktor s hlađenjem. Prošla snaga nuklearnog reaktora je mala, ali funkcionalna.
• energija.
• Brod. Poznato je da se na brodovima i podmornicama, po potrebi i tehničkoj izvedivosti, koriste reaktori hlađeni vodom ili tekućim metalom.
• Prostor. Kao primjer nazovimo instalaciju Yenisei na svemirskim letjelicama, koja se aktivira ako je potrebno izvući dodatnu količinu energije, a ona će se morati dobiti pomoću solarni paneli i izvori izotopa.

Dakle, tema nuklearnih reaktora prilično je proširena, stoga zahtijeva duboko proučavanje i razumijevanje zakona kvantne fizike. Ali važnost nuklearnih reaktora za energetsku industriju i državnu ekonomiju već je, bez sumnje, obasjana aurom korisnosti i koristi.

Za obična osoba suvremeni visokotehnološki uređaji toliko su misteriozni i misteriozni da ih je pravo obožavati, kao što su stari obožavali munje. Školski satovi fizičari, prepuni matematičkih proračuna, ne rješavaju problem. Ali zanimljivo je reći čak io nuklearnom reaktoru, čiji je princip rada jasan čak i tinejdžeru.

Kako radi nuklearni reaktor?

Princip rada ovog visokotehnološkog uređaja je sljedeći:

1. Kada se neutron apsorbira, nuklearno gorivo (najčešće ovo uran-235 ili plutonij-239) dolazi do diobe atomske jezgre;
2. Oslobađaju se kinetička energija, gama zračenje i slobodni neutroni;
3. Kinetička energija se pretvara u toplinsku energiju (kada se jezgre sudaraju s okolnim atomima), gama zračenje apsorbira sam reaktor i također se pretvara u toplinu;
4. Neki od generiranih neutrona apsorbiraju atomi goriva, što uzrokuje lančanu reakciju. Za njegovu kontrolu koriste se apsorberi i moderatori neutrona;
5. Uz pomoć rashladnog sredstva (voda, plin ili tekući natrij), toplina se uklanja s mjesta reakcije;
6. Para pod tlakom iz zagrijane vode koristi se za pogon parnih turbina;
7. Uz pomoć generatora mehanička energija rotacije turbina pretvara se u izmjeničnu električnu struju.

Pristupi klasifikaciji

Postoji mnogo razloga za tipologiju reaktora:

• Prema vrsti nuklearne reakcije. Fisija (sva komercijalna postrojenja) ili fuzija (termonuklearna energija, raširena je samo u nekim istraživačkim institutima);
• Pomoću rashladne tekućine. U velikoj većini slučajeva u tu se svrhu koristi voda (kipuća ili teška). Ponekad se koriste alternativna rješenja: tekući metal (natrij, legura olova i bizmuta, živa), plin (helij, ugljikov dioksid ili dušik), rastaljena sol (soli fluorida);
• Po generaciji. Prvi su rani prototipovi, koji nisu imali nikakvog komercijalnog smisla. Drugi je većina trenutno korištenih nuklearnih elektrana izgrađenih prije 1996. godine. Treća generacija razlikuje se od prethodne samo manjim poboljšanjima. Rad na četvrtoj generaciji još je u tijeku;
• Prema agregatnom stanju gorivo (plin postoji još samo na papiru);
• Prema namjeni korištenja(za proizvodnju električne energije, pokretanje motora, proizvodnju vodika, desalinizaciju, transmutaciju elemenata, dobivanje neuralnog zračenja, teorijske i istraživačke svrhe).

Uređaj nuklearnog reaktora

Glavne komponente reaktora u većini elektrana su:

1. Nuklearno gorivo - tvar koja je neophodna za proizvodnju topline za pogonske turbine (obično nisko obogaćeni uran);
2. Aktivna zona nuklearnog reaktora - tu se odvija nuklearna reakcija;
3. Moderator neutrona - smanjuje brzinu brzih neutrona, pretvarajući ih u toplinske neutrone;
4. Početni izvor neutrona - služi za pouzdano i stabilno pokretanje nuklearne reakcije;
5. Apsorber neutrona - dostupan u nekim elektranama za smanjenje visoke reaktivnosti svježeg goriva;
6. Neutronska haubica - koristi se za ponovno pokretanje reakcije nakon isključivanja;
7. Rashladna tekućina (pročišćena voda);
8. Kontrolne šipke - za kontrolu brzine fisije jezgri urana ili plutonija;
9. Vodena pumpa - pumpa vodu u parni kotao;
10. Parna turbina – pretvara toplinsku energiju pare u rotacijsku mehaničku energiju;
11. Rashladni toranj - uređaj za odvođenje viška topline u atmosferu;
12. Sustav za prihvat i skladištenje radioaktivnog otpada;
13. Sigurnosni sustavi (nužni dizel generatori, uređaji za hitno hlađenje jezgre).

Kako rade najnoviji modeli

Najnovija 4. generacija reaktora bit će dostupna za komercijalni rad ne prije 2030. Trenutno su princip i raspored njihovog rada u fazi razvoja. Prema trenutnim podacima, ove izmjene će se po tome razlikovati od postojećih modela koristi:

• Sustav brzog hlađenja plina. Pretpostavlja se da će se kao rashladno sredstvo koristiti helij. Prema projektna dokumentacija, tako da je moguće hladiti reaktore temperaturom od 850 °C. Za rad na tako visokim temperaturama potrebne su i specifične sirovine: kompozitni keramički materijali i aktinidni spojevi;
• Kao primarno rashladno sredstvo moguće je koristiti olovo ili leguru olova i bizmuta. Ovi materijali imaju nisku apsorpciju neutrona i relativno su niske temperature topljenje;
• Također, mješavina rastaljenih soli može se koristiti kao glavno rashladno sredstvo. Tako će biti moguće raditi na višim temperaturama od modernih vodeno hlađenih analoga.

Prirodni analozi u prirodi

Nuklearni reaktor se doživljava kao javna svijest isključivo kao proizvod visoke tehnologije. Međutim, zapravo prvi uređaj je prirodnog porijekla. Otkriven je u regiji Oklo, u srednjoafričkoj državi Gabon:

• Reaktor je nastao zbog plavljenja uranovih stijena podzemne vode. Djelovali su kao moderatori neutrona;
• Toplinska energija koja se oslobađa tijekom raspada urana pretvara vodu u paru i lančana reakcija se zaustavlja;
• Nakon što temperatura rashladne tekućine padne, sve se ponavlja;
• Da tekućina nije proključala i zaustavila tijek reakcije, čovječanstvo bi se suočilo s novom prirodnom katastrofom;
• Samoodrživa nuklearna fisija započela je u ovom reaktoru prije otprilike milijardu i pol godina. Tijekom tog vremena dodijeljeno je oko 0,1 milijun vata izlazne snage;
• Takvo svjetsko čudo na Zemlji je jedino poznato. Pojava novih je nemoguća: udio urana-235 u prirodnim sirovinama mnogo je niži od razine potrebne za održavanje lančane reakcije.

Koliko nuklearnih reaktora ima u Južnoj Koreji?

Siromašna prirodnim resursima, ali industrijalizirana i prenapučena, Republici Koreji prijeko je potrebna energija. U kontekstu njemačkog odbijanja mirnog atoma, ova zemlja polaže velike nade u obuzdavanje nuklearne tehnologije:

• Planirano je da će do 2035. godine udio električne energije proizvedene u nuklearnim elektranama dosegnuti 60%, a ukupna proizvodnja - više od 40 gigavata;
• Zemlja nema atomsko oružje, ali istraživanja nuklearne fizike su u tijeku. Korejski znanstvenici razvili su nacrte za moderne reaktore: modularne, vodikove, s tekućim metalom itd.;
• Uspjeh lokalnih istraživača omogućuje vam prodaju tehnologije u inozemstvu. Očekuje se da će u sljedećih 15-20 godina zemlja izvesti 80 takvih jedinica;
• No danas je većina nuklearnih elektrana izgrađena uz pomoć američkih ili francuskih znanstvenika;
• Broj stanica koje rade relativno je mali (samo četiri), ali svaka od njih ima značajan broj reaktora - ukupno 40, a ta brojka će rasti.

Kada je bombardirano neutronima, nuklearno gorivo ulazi u lančanu reakciju, pri čemu se stvara ogromna količina topline. Voda u sustavu preuzima tu toplinu i pretvara je u paru, koja pokreće turbine koje proizvode električnu energiju. Evo jednostavnog dijagrama rada atomskog reaktora, najjačeg izvora energije na Zemlji.

Video: kako rade nuklearni reaktori

U ovom videu nuklearni fizičar Vladimir Chaikin ispričat će vam kako se proizvodi električna energija u nuklearnim reaktorima, njihovu detaljnu strukturu:

Poslati

Što je nuklearni reaktor?

Nuklearni reaktor, ranije poznat kao "nuklearni kotao" je uređaj koji se koristi za pokretanje i kontrolu kontinuirane nuklearne lančane reakcije. Nuklearni reaktori koriste se u nuklearnim elektranama za proizvodnju električne energije i za brodske motore. Toplina iz nuklearne fisije prenosi se na radni fluid (vodu ili plin) koji prolazi kroz parne turbine. Voda ili plin pokreću lopatice broda ili okreću električne generatore. Para koja nastaje nuklearnom reakcijom može se u načelu koristiti za toplinsku industriju ili za daljinsko grijanje. Neki se reaktori koriste za proizvodnju izotopa za medicinske i industrijske primjene ili za proizvodnju plutonija za oružje. Neki od njih služe samo u istraživačke svrhe. Danas postoji oko 450 nuklearnih reaktora koji se koriste za proizvodnju električne energije u oko 30 zemalja svijeta.

Princip rada nuklearnog reaktora

Baš kao što konvencionalne elektrane proizvode električnu energiju korištenjem toplinske energije oslobođene izgaranjem fosilnih goriva, nuklearni reaktori pretvaraju energiju oslobođenu kontroliranom nuklearnom fisijom u toplinsku energiju za daljnju pretvorbu u mehaničke ili električne oblike.

Proces nuklearne fisije

Kada značajan broj raspadajućih atomskih jezgri (kao što je uran-235 ili plutonij-239) apsorbira neutron, može doći do procesa nuklearnog raspada. Teška jezgra raspada se na dvije ili više lakih jezgri (produkti fisije), oslobađajući kinetičku energiju, gama zrake i slobodne neutrone. Neki od tih neutrona mogu kasnije biti apsorbirani od strane drugih fisijskih atoma i izazvati daljnju fisiju, koja oslobađa još više neutrona, i tako dalje. Ovaj proces je poznat kao nuklearna lančana reakcija.

Za kontrolu takve nuklearne lančane reakcije, apsorberi i moderatori neutrona mogu promijeniti udio neutrona koji idu u fisiju više jezgri. Nuklearni reaktori se kontroliraju ručno ili automatski kako bi mogli zaustaviti reakciju raspada kada se otkriju opasne situacije.

Često korišteni regulatori toka neutrona su obična ("laka") voda (74,8% reaktora u svijetu), čvrsti grafit (20% reaktora) i "teška" voda (5% reaktora). U nekim eksperimentalnim tipovima reaktora predlaže se korištenje berilija i ugljikovodika.

Proizvodnja topline u nuklearnom reaktoru

Radna zona reaktora stvara toplinu na nekoliko načina:

• Kinetička energija produkata fisije pretvara se u toplinsku energiju kada se jezgre sudare sa susjednim atomima.
• Reaktor apsorbira dio gama zračenja proizvedenog tijekom fisije i pretvara njegovu energiju u toplinu.
• Toplina se stvara radioaktivnim raspadom produkata fisije i onih materijala na koje je utjecala apsorpcija neutrona. Ovaj izvor topline ostat će nepromijenjen neko vrijeme, čak i nakon gašenja reaktora.

Tijekom nuklearnih reakcija, kilogram urana-235 (U-235) oslobađa oko tri milijuna puta više energije od kilograma ugljena spaljenog konvencionalnim putem (7,2 × 1013 džula po kilogramu urana-235 u usporedbi s 2,4 × 107 džula po kilogramu ugljena) ,

Sustav hlađenja nuklearnog reaktora

Rashladna tekućina nuklearnog reaktora - obično voda, ali ponekad plin, tekući metal (kao što je tekući natrij) ili rastaljena sol - cirkulira oko jezgre reaktora kako bi apsorbirala proizvedenu toplinu. Toplina se uklanja iz reaktora i zatim koristi za stvaranje pare. Većina reaktora koristi sustav hlađenja koji je fizički izoliran od vode koja ključa i stvara paru koja se koristi za turbine, slično kao vodeni reaktor pod tlakom. Međutim, u nekim se reaktorima voda za parne turbine kuha izravno u jezgri reaktora; na primjer, u reaktoru vode pod tlakom.

Kontrola toka neutrona u reaktoru

Izlazna snaga reaktora kontrolira se kontrolom broja neutrona koji mogu izazvati više fisija.

Kontrolne šipke koje su napravljene od "neutronskog otrova" koriste se za apsorbiranje neutrona. Što više neutrona apsorbira kontrolna šipka, to manje neutrona može izazvati daljnju fisiju. Dakle, uranjanje apsorpcijskih šipki duboko u reaktor smanjuje njegovu izlaznu snagu i, obrnuto, uklanjanje kontrolne šipke će je povećati.

Na prvoj razini kontrole u svim nuklearnim reaktorima, odgođena emisija neutrona iz određenog broja fisijskih izotopa obogaćenih neutronima važan je fizički proces. Ovi odgođeni neutroni čine oko 0,65% ukupnog broja neutrona proizvedenih tijekom fisije, dok ostatak (tzv. "brzi neutroni") nastaje neposredno tijekom fisije. Produkti fisije koji tvore odgođene neutrone imaju poluživote u rasponu od milisekundi do nekoliko minuta i stoga je potrebno dosta vremena da se točno odredi kada reaktor dosegne kritična točka. Održavanje reaktora u načinu lančane reaktivnosti, gdje su odgođeni neutroni potrebni za postizanje kritične mase, postiže se mehaničkim uređajima ili ljudskom kontrolom za kontrolu lančane reakcije u "stvarnom vremenu"; inače bi vrijeme između postizanja kritičnosti i topljenja jezgre nuklearnog reaktora kao rezultat eksponencijalnog skoka snage u normalnoj nuklearnoj lančanoj reakciji bilo prekratko da bi se interveniralo. Ovaj završna faza, gdje odgođeni neutroni više nisu potrebni za održavanje kritičnosti, poznat je kao brza kritičnost. Postoji ljestvica za opisivanje kritičnosti u numeričkom obliku, u kojoj je početna kritičnost označena izrazom "nula dolara", brza kritična točka kao "jedan dolar", ostale točke u procesu su interpolirane u "centima".

U nekim reaktorima rashladno sredstvo također djeluje kao moderator neutrona. Moderator povećava snagu reaktora uzrokujući da brzi neutroni koji se oslobađaju tijekom fisije gube energiju i postaju toplinski neutroni. Vjerojatnije je da će toplinski neutroni izazvati fisiju nego brzi neutroni. Ako je rashladno sredstvo također moderator neutrona, tada promjene temperature mogu utjecati na gustoću rashladnog sredstva/moderatora, a time i na promjenu izlazne snage reaktora. Što je viša temperatura rashladne tekućine, to će biti manje gustoća, a time i manje učinkovit moderator.

U drugim tipovima reaktora rashladno sredstvo djeluje kao "neutronski otrov", apsorbirajući neutrone na isti način kao i kontrolne šipke. U tim reaktorima izlazna snaga može se povećati zagrijavanjem rashladne tekućine, čineći je manje gustoćom. Nuklearni reaktori obično imaju automatske i ručne sustave za gašenje reaktora u hitnim slučajevima. Ovi sustavi stavljaju velike količine "neutronskog otrova" (često bora u obliku borne kiseline) u reaktor kako bi zaustavili proces fisije ako se otkriju ili posumnja na opasne uvjete.

Većina vrsta reaktora osjetljiva je na proces poznat kao "ksenonska jama" ili "jodna jama". Uobičajeni produkt fisije, ksenon-135, djeluje kao apsorber neutrona koji nastoji zatvoriti reaktor. Nakupljanje ksenona-135 može se kontrolirati održavanjem dovoljno visoke razine snage da se uništi apsorbiranjem neutrona onoliko brzo koliko se proizvodi. Fisija također rezultira stvaranjem joda-135, koji se zauzvrat raspada (s poluživotom od 6,57 sati) u ksenon-135. Kada se reaktor zatvori, jod-135 nastavlja se raspadati i tvori ksenon-135, što otežava ponovno pokretanje reaktora u roku od dan ili dva, jer se ksenon-135 raspada i tvori cezij-135, koji nije apsorber neutrona kao ksenon-135.135, s vremenom poluraspada od 9,2 sata. Ovo privremeno stanje je "jodna jama". Ako reaktor ima dovoljno dodatne snage, tada se može ponovno pokrenuti. Što više ksenona-135 pretvorit će se u ksenon-136, što je manje od apsorbera neutrona, i unutar nekoliko sati reaktor doživljava takozvani "fazu izgaranja xenona". Dodatno, kontrolne šipke moraju biti umetnute u reaktor kako bi se kompenzirala apsorpcija neutrona kako bi se zamijenio izgubljeni ksenon-135. Neispravno pridržavanje ove procedure bio je ključni razlog nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil.

Reaktori koji se koriste u pomorskim nuklearnim postrojenjima (osobito nuklearnim podmornicama) često se ne mogu pokrenuti u kontinuiranom načinu rada na isti način kao kopneni energetski reaktori. Osim toga, takve elektrane moraju imati dugo razdoblje rada bez promjene goriva. Iz tog razloga, mnogi dizajni koriste visoko obogaćeni uran, ali sadrže apsorber zapaljivih neutrona u gorivim šipkama. To omogućuje projektiranje reaktora s viškom fisibilnog materijala, koji je relativno siguran na početku izgaranja gorivnog ciklusa reaktora zbog prisutnosti materijala koji apsorbira neutrone, a koji se kasnije zamjenjuje konvencionalnim dugotrajnim apsorberima neutrona (trajniji od ksenona-135), koji se postupno nakupljaju tijekom životnog vijeka reaktora.

Kako se proizvodi električna energija?

Energija nastala tijekom fisije stvara toplinu, od koje se dio može pretvoriti u korisnu energiju. Opća metoda Upotreba ove toplinske energije je da se ona koristi za kuhanje vode i proizvodnju pare pod pritiskom, koja zauzvrat pokreće parnu turbinu koja pokreće alternator i proizvodi električnu energiju.

Povijest pojave prvih reaktora

Neutroni su otkriveni 1932. godine. Shemu lančane reakcije izazvane nuklearnim reakcijama kao posljedicom izlaganja neutronima prvi je proveo mađarski znanstvenik Leo Sillard 1933. godine. Sljedeće je godine pri Admiralitetu u Londonu prijavio patent za svoju jednostavnu ideju reaktora. Međutim, Szilardova ideja nije uključivala teoriju nuklearne fisije kao izvora neutrona, jer taj proces još nije bio otkriven. Szilardove ideje za nuklearne reaktore koji koriste lančanu nuklearnu reakciju posredovanu neutronom u lakim elementima pokazale su se neprovedivim.

Poticaj za stvaranje novog tipa reaktora koji koristi uran bilo je otkriće Lise Meitner, Fritza Strassmanna i Otta Hahna 1938. godine, koji su "bombardirali" uran neutronima (koristeći reakciju alfa raspada berilija, "neutronski top") formirati barij, koji, kako su vjerovali, potječe od raspada jezgri urana. Naknadna istraživanja početkom 1939. (Szilard i Fermi) pokazala su da su neki neutroni također nastali tijekom fisije atoma, što je omogućilo izvođenje nuklearne lančane reakcije, kako je Szilard predvidio šest godina ranije.

2. kolovoza 1939. Albert Einstein potpisao je pismo koje je Szilard napisao predsjedniku Franklinu D. Rooseveltu u kojem se navodi da bi otkriće fisije urana moglo dovesti do stvaranja "iznimno snažnih novih vrsta bombi". To je dalo poticaj proučavanju reaktora i radioaktivnog raspada. Szilard i Einstein dobro su se poznavali i radili su zajedno mnogo godina, ali Einstein nikada nije razmišljao o takvoj mogućnosti za nuklearnu energiju sve dok ga Szilard nije obavijestio, na samom početku njegove potrage, da napiše pismo Einstein-Szilard kako bi upozorio našu vladu,

Ubrzo nakon toga, 1939. godine, nacistička Njemačka napala je Poljsku, čime je započeo Drugi svjetski rat u Europi. Službeno, SAD još nije bio u ratu, ali u listopadu, kada je pismo Einstein-Szilard isporučeno, Roosevelt je primijetio da je svrha studije bila osigurati da nas "nacisti ne dignu u zrak". Američki nuklearni projekt započeo je, iako s određenim kašnjenjem, jer je ostao skepticizam (osobito od Fermija) i zbog malog broja vladinih dužnosnika koji su u početku nadgledali projekt.

Sljedeće je godine američka vlada primila Frisch-Peierlsov memorandum iz Britanije u kojem se navodi da je količina urana potrebna za izvođenje lančane reakcije mnogo manja nego što se prije mislilo. Memorandum je nastao uz sudjelovanje Maud Commity, koja je radila na projektu atomske bombe u Velikoj Britaniji, kasnije poznatom pod kodnim imenom "Tube Alloys" (Tubular Alloys) i kasnije uključenom u Projekt Manhattan.

Naposljetku, prvi nuklearni reaktor koji je napravio čovjek, nazvan Chicago Woodpile 1, sagradio je na Sveučilištu u Chicagu tim predvođen Enricom Fermijem krajem 1942. godine. U to je vrijeme američki nuklearni program već bio ubrzan ulaskom zemlje u Rat. "Chicago Woodpile" je dosegao kritičnu točku 2. prosinca 1942. u 15 sati i 25 minuta. Okvir reaktora bio je drven i držao je hrpu grafitnih blokova (otuda naziv) s ugniježđenim "briketima" ili "pseudosferama" prirodnog uranovog oksida.

Počevši od 1943., nedugo nakon stvaranja Chicago Woodpilea, američka vojska razvila je cijeli niz nuklearnih reaktora za projekt Manhattan. Glavna namjena najvećih reaktora (smještenih u kompleksu Hanford u državi Washington) bila je masovna proizvodnja plutonija za nuklearno oružje. Fermi i Szilard podnijeli su zahtjev za patent za reaktore 19. prosinca 1944. Njegovo izdavanje odgođeno je 10 godina zbog ratne tajnosti.

"Prvi na svijetu" - ovaj natpis je napravljen na mjestu gdje se nalazio reaktor EBR-I, koji je sada muzej u blizini grada Arco, Idaho. Izvorno nazvan "Chicago Woodpile-4", ovaj je reaktor izgrađen pod vodstvom Waltera Zinna za Nacionalni laboratorij Aregonne. Ovaj eksperimentalni brzi reaktor za razmnožavanje bio je na raspolaganju Američkoj komisiji za atomsku energiju. Reaktor je u ispitivanju 20. prosinca 1951. proizveo 0,8 kW snage, a sljedeći dan 100 kW (električne) snage, s projektiranim kapacitetom od 200 kW (električna snaga).

Osim vojne uporabe nuklearnih reaktora, postojali su i politički razlozi za nastavak istraživanja atomske energije u miroljubive svrhe. Američki predsjednik Dwight Eisenhower napravio je svoje poznati govor"Atomi za mir" na Općoj skupštini UN-a 8. prosinca 1953. Ovaj diplomatski potez doveo je do širenja reaktorske tehnologije kako u SAD-u tako i diljem svijeta.

Prva nuklearna elektrana izgrađena u civilne svrhe bila je nuklearna elektrana AM-1 u Obninsku, puštena u rad 27. lipnja 1954. u Sovjetskom Savezu. Proizvodio je oko 5 MW električne energije.

Nakon Drugog svjetskog rata, američka vojska tražila je druge primjene tehnologije nuklearnih reaktora. Studije provedene u vojsci i zrakoplovstvu nisu provedene; Međutim, američka mornarica bila je uspješna s porinućem nuklearne podmornice USS Nautilus (SSN-571) 17. siječnja 1955. godine.

Prva komercijalna nuklearna elektrana (Calder Hall u Sellafieldu, Engleska) otvorena je 1956. s početnim kapacitetom od 50 MW (kasnije 200 MW).

Prvi prijenosni nuklearni reaktor "Alco PM-2A" koristi se za proizvodnju električne energije (2 MW) za potrebe američke vojne baze "Camp Century" od 1960. godine.

Glavne komponente nuklearne elektrane

Glavne komponente većine vrsta nuklearnih elektrana su:

Elementi nuklearnog reaktora

• Nuklearno gorivo (jezgra nuklearnog reaktora; moderator neutrona)
• Početni izvor neutrona
• Apsorber neutrona
• Neutronski pištolj (osigurava stalan izvor neutrona za ponovno pokretanje reakcije nakon što je isključen)
• Sustav hlađenja (često su moderator neutrona i rashladna tekućina isti, obično pročišćena voda)
• kontrolne šipke
• Posuda nuklearnog reaktora (NRC)

Vodena pumpa kotla

• Generatori pare (ne u reaktorima s kipućom vodom)
• Parna turbina
• Generator električne energije
• Kondenzator
• Rashladni toranj (nije uvijek potreban)
• Sustav za obradu radioaktivnog otpada (dio postrojenja za odlaganje radioaktivnog otpada)
• Mjesto za pretovar nuklearnog goriva
• Bazen istrošenog goriva

Sustav zaštite od zračenja

• Sustav zaštite rektora (SZR)
• Hitni dizel generatori
• Sustav za hitno hlađenje jezgre reaktora (ECCS)
• Sustav kontrole tekućine u hitnim slučajevima (hitno ubrizgavanje bora, samo u reaktorima s kipućom vodom)
• Sustav uslužne vodoopskrbe odgovornih potrošača (SOTVOP)

Zaštitna školjka

• Daljinski upravljač
• Hitna instalacija
• Nuklearni kompleks za obuku (u pravilu postoji simulacija upravljačke ploče)

Klasifikacije nuklearnih reaktora

Vrste nuklearnih reaktora

Nuklearni reaktori se klasificiraju na nekoliko načina; Sažetak ove metode klasifikacije prikazane su u nastavku.

Podjela nuklearnih reaktora prema vrsti moderatora

Korišteni toplinski reaktori:

• Grafitni reaktori
  
• Reaktori s vodom pod tlakom
• Reaktori na tešku vodu(koristi se u Kanadi, Indiji, Argentini, Kini, Pakistanu, Rumunjskoj i Južnoj Koreji).
• Lakovodni reaktori(LVR). Lakovodni reaktori (najčešći tip termalnih reaktora) koriste običnu vodu za kontrolu i hlađenje reaktora. Ako temperatura vode poraste, tada se njezina gustoća smanjuje, usporavajući tok neutrona dovoljno da izazove daljnje lančane reakcije. Ova negativna povratna sprega stabilizira brzinu nuklearne reakcije. Reaktori s grafitom i teškom vodom imaju tendenciju zagrijavanja intenzivnije od reaktora s lakom vodom. Zbog dodatne topline, takvi reaktori mogu koristiti prirodni uran/neobogaćeno gorivo.
• Reaktori na bazi moderatora lakih elemenata.
• Reaktori s rastaljenom soli(MSR) kontroliraju prisutnost lakih elemenata, kao što su litij ili berilij, koji su dio LiF i BEF2 soli matrice rashladne tekućine/goriva.
• Reaktori s hladnjacima od tekućeg metala, gdje je rashladna tekućina mješavina olova i bizmuta, može koristiti BeO oksid u apsorberu neutrona.
• Reaktori na bazi organskog moderatora(OMR) koriste difenil i terfenil kao komponente moderatora i rashladnog sredstva.

Klasifikacija nuklearnih reaktora prema vrsti rashladnog sredstva

• Reaktor hlađen vodom. U Sjedinjenim Državama postoje 104 aktivna reaktora. Od toga je 69 reaktora s vodom pod tlakom (PWR) i 35 reaktora s kipućom vodom (BWR). Vodeni nuklearni reaktori pod tlakom (PWR) čine veliku većinu svih zapadnih nuklearnih elektrana. Glavna karakteristika tipa RVD je prisutnost kompresora, posebne visokotlačne posude. Većina komercijalnih visokotlačnih reaktora i brodskih reaktorskih postrojenja koristi superpunjače. Tijekom normalnog rada puhalo je djelomično ispunjeno vodom, a iznad njega se održava mjehurić pare koji nastaje zagrijavanjem vode potopnim grijačima. U normalnom načinu rada, kompresor je povezan s tlačnom posudom reaktora (HRV), a kompenzator tlaka osigurava šupljinu u slučaju promjene volumena vode u reaktoru. Takva shema također osigurava kontrolu tlaka u reaktoru povećanjem ili smanjenjem tlaka pare u kompenzatoru pomoću grijača.

• Visokotlačni teškovodni reaktori pripadaju vrsti reaktora s vodom pod tlakom (PWR), kombinirajući principe korištenja tlaka, izoliranog toplinskog ciklusa, uz pretpostavku korištenja teške vode kao rashladnog sredstva i moderatora, što je ekonomski korisno.
• reaktor s kipućom vodom(BWR). Modele reaktora s kipućom vodom karakterizira prisutnost kipuće vode oko gorivih šipki na dnu glavne posude reaktora. Reaktor s kipućom vodom koristi obogaćeni 235U kao gorivo, u obliku uranovog dioksida. Gorivo je raspoređeno u šipke smještene u čeličnoj posudi, koja je pak uronjena u vodu. Proces nuklearne fisije uzrokuje ključanje vode i stvaranje pare. Ova para prolazi kroz cjevovode u turbinama. Turbine pokreće para, a taj proces stvara električnu energiju. Tijekom normalnog rada, tlak se kontrolira količinom pare koja teče iz tlačne posude reaktora u turbinu.
• Bazenski reaktor
• Reaktor s tekućim metalnim rashladnim sredstvom. Budući da je voda moderator neutrona, ne može se koristiti kao rashladno sredstvo u reaktoru na brze neutrone. Rashladna sredstva od tekućeg metala uključuju natrij, NaK, olovo, olovo-bizmut eutektik, a za reaktore rane generacije, živu.
• Reaktor brzih neutrona s natrijevim rashladnim sredstvom.
• Reaktor na brzim neutronima s olovnim rashladnim sredstvom.
• Reaktori hlađeni plinom hlade se cirkulirajućim inertnim plinom, zamišljenim s helijem u visokotemperaturnim strukturama. Istodobno, ugljični dioksid se ranije koristio u britanskim i francuskim nuklearnim elektranama. Korišten je i dušik. Korištenje topline ovisi o vrsti reaktora. Neki reaktori su toliko vrući da plin može izravno pokretati plinsku turbinu. Stariji dizajni reaktora obično su uključivali prolazak plina kroz izmjenjivač topline za stvaranje pare za parnu turbinu.
• Reaktori za rastopljenu sol(MSR) se hlade cirkulirajućom rastaljenom soli (obično eutektičke smjese fluoridnih soli kao što je FLiBe). U tipičnom MSR-u, rashladno sredstvo se također koristi kao matrica u kojoj je otopljen fisibilni materijal.

Generacije nuklearnih reaktora

• Reaktor prve generacije(rani prototipovi, istraživački reaktori, nekomercijalni energetski reaktori)
• Reaktor druge generacije(najmodernije nuklearne elektrane 1965.-1996.)
• Reaktor treće generacije(evolutivna poboljšanja postojećih dizajna od 1996. do danas)
• reaktor četvrte generacije(tehnologije još uvijek u razvoju, nepoznat datum početka, moguće 2030.)

Francuski komesarijat za atomsku energiju (CEA) je 2003. godine prvi put uveo oznaku "Gen II" tijekom Tjedna nukleonike.

Prvi put se "Gen III" spominje 2000. godine u vezi s početkom Međunarodnog foruma Generation IV (GIF).

"Gen IV" je 2000. godine spomenuto od strane Ministarstva energetike Sjedinjenih Država (DOE) za razvoj novih tipova elektrana.

Klasifikacija nuklearnih reaktora prema vrsti goriva

• Reaktor na kruto gorivo
• reaktor na tekuće gorivo
• Homogeni reaktor hlađen vodom
• Reaktor rastaljene soli
• Plinski reaktori (teoretski)

Podjela nuklearnih reaktora prema namjeni

• Proizvodnja električne energije
• Nuklearne elektrane, uključujući male klaster reaktore
• Samohodni uređaji (vidi nuklearne elektrane)
• Nuklearna offshore postrojenja
• Razni predloženi tipovi raketnih motora
• Druge upotrebe topline
• Desalinizacija
• Proizvodnja topline za kućno i industrijsko grijanje
• Proizvodnja vodika za korištenje u vodikovoj energetici
• Proizvodni reaktori za pretvorbu elemenata
• Breeder reaktori koji mogu proizvesti više fisibilnog materijala nego što potroše tijekom lančane reakcije (pretvaranjem matičnih izotopa U-238 u Pu-239 ili Th-232 u U-233). Dakle, nakon što je razrađen jedan ciklus, reaktor za oplemenjivanje urana može se opetovano puniti prirodnim ili čak osiromašenim uranom. S druge strane, reaktor za oplemenjivanje torija može se ponovno napuniti torijem. Međutim, potrebna je početna zaliha fisibilnog materijala.
• Stvaranje raznih radioaktivnih izotopa, kao što je americij za upotrebu u detektorima dima i kobalt-60, molibden-99 i drugi, koji se koriste kao tragači i za liječenje.
• Proizvodnja materijala za nuklearno oružje, kao što je plutonij za oružje
• Stvaranje izvora neutronskog zračenja (na primjer, pulsirajući reaktor Lady Godiva) i pozitronskog zračenja (na primjer, analiza aktivacije neutrona i datiranje kalij-argonom)
• Istraživački reaktor: Obično se reaktori koriste za znanstveno istraživanje i podučavanje, ispitivanje materijala ili proizvodnju radioizotopa za medicinu i industriju. Mnogo su manji od energetskih ili brodskih reaktora. Mnogi od tih reaktora nalaze se u sveučilišnim kampusima. Postoji oko 280 takvih reaktora koji rade u 56 zemalja. Neki rade s visoko obogaćenim uranovim gorivom. U tijeku su međunarodni napori da se zamijene nisko obogaćena goriva.

Moderni nuklearni reaktori

Vodeni reaktori pod tlakom (PWR)

Ovi reaktori koriste tlačnu posudu za nuklearno gorivo, kontrolne šipke, moderator i rashladno sredstvo. Reaktori se hlade, a neutroni se moderiraju tekućom vodom pod visokim tlakom. Vruća radioaktivna voda koja izlazi iz tlačne posude prolazi kroz krug generatora pare, koji zauzvrat zagrijava sekundarni (neradioaktivni) krug. Ovi reaktori čine većinu modernih reaktora. Ovo je projektirani uređaj za grijanje neutronskog reaktora, od kojih su najnoviji VVER-1200, napredni tlačnovodni reaktor i europski tlačnovodeni reaktor. Reaktori američke mornarice su ovog tipa.

Reaktori s kipućom vodom (BWR)

Reaktori s kipućom vodom slični su reaktorima s vodom pod tlakom bez generatora pare. Reaktori s kipućom vodom također koriste vodu kao rashladno sredstvo i moderator neutrona kao vodeni reaktori pod tlakom, ali pri nižem tlaku, što omogućuje da voda ključa unutar kotla, stvarajući paru koja pokreće turbine. Za razliku od reaktora s vodom pod tlakom, nema primarnog i sekundarnog kruga. Kapacitet grijanja ovih reaktora može biti veći, a mogu biti i jednostavnijeg dizajna, pa čak i stabilniji i sigurniji. Ovo je uređaj s toplinskim neutronskim reaktorom, od kojih su najnoviji napredni reaktor s kipućom vodom i ekonomični pojednostavljeni nuklearni reaktor s kipućom vodom.

Reaktor s teškom vodom pod tlakom (PHWR)

Kanadski dizajn (poznat kao CANDU), ovo su reaktori s teškom vodom pod tlakom. Umjesto korištenja jedne tlačne posude, kao u reaktorima s vodom pod tlakom, gorivo se nalazi u stotinama visokotlačnih kanala. Ovi reaktori rade na prirodnom uranu i reaktori su na toplinske neutrone. Reaktori na tešku vodu mogu se puniti gorivom dok rade puna moć, što ih čini vrlo učinkovitima pri korištenju urana (to omogućuje preciznu kontrolu protoka u jezgri). CANDU reaktori na tešku vodu izgrađeni su u Kanadi, Argentini, Kini, Indiji, Pakistanu, Rumunjskoj i Južnoj Koreji. Indija također upravlja brojnim reaktorima na tešku vodu, koji se često nazivaju "CANDU-derivati", izgrađenim nakon što je kanadska vlada okončala nuklearne odnose s Indijom nakon testiranja nuklearnog oružja "Nasmiješeni Buda" 1974.

Kanalni reaktor velike snage (RBMK)

Sovjetski razvoj, dizajniran za proizvodnju plutonija, kao i električne energije. RBMK koriste vodu kao rashladno sredstvo i grafit kao moderator neutrona. RBMK-ovi su u nekim aspektima slični CANDU-ima, budući da se mogu ponovno puniti tijekom rada i koriste tlačne cijevi umjesto tlačne posude (kao što se to radi u reaktorima s vodom pod tlakom). Međutim, za razliku od CANDU-a, vrlo su nestabilni i glomazni, što čini poklopac reaktora skupim. Određeni broj kritičnih sigurnosnih nedostataka također je identificiran u dizajnu RBMK-a, iako su neki od tih nedostataka ispravljeni nakon černobilske katastrofe. Njihova glavna značajka je korištenje lake vode i neobogaćenog urana. Od 2010. godine 11 reaktora ostaje otvoreno, uglavnom zahvaljujući poboljšanoj sigurnosti i potpori međunarodnih organizacija za sigurnost kao što je Ministarstvo energetike SAD-a. Unatoč ovim poboljšanjima, RBMK reaktori još uvijek se smatraju jednim od najopasnijih dizajna reaktora za korištenje. RBMK reaktori su se koristili samo u bivšem Sovjetskom Savezu.

Plinom hlađeni reaktor (GCR) i napredni plinom hlađeni reaktor (AGR)

Oni obično koriste grafitni moderator neutrona i CO2 hladnjak. Zbog visokih radnih temperatura, oni mogu imati veću učinkovitost za proizvodnju topline od reaktora s vodom pod tlakom. Postoji niz operativnih reaktora ovog dizajna, uglavnom u Ujedinjenom Kraljevstvu, gdje je koncept razvijen. Stariji razvoji (tj. Magnox stanice) su ili zatvoreni ili će biti zatvoreni u bliskoj budućnosti. Međutim, poboljšani plinom hlađeni reaktori imaju procijenjeni radni vijek od dodatnih 10 do 20 godina. Reaktori ovog tipa su reaktori na toplinske neutrone. Novčani troškovi razgradnje takvih reaktora mogu biti visoki zbog velikog volumena jezgre.

Brzi reaktor za razmnožavanje (LMFBR)

Dizajn ovog reaktora se hladi tekućim metalom, bez moderatora i proizvodi više goriva nego što troši. Kažu da "razmnožavaju" gorivo jer proizvode fisijsko gorivo tijekom hvatanja neutrona. Takvi reaktori mogu funkcionirati na isti način kao reaktori s vodom pod tlakom u smislu učinkovitosti, trebaju kompenzirati povećani tlak, jer se koristi tekući metal koji ne stvara višak tlaka čak ni pri vrlo visokim temperaturama. BN-350 i BN-600 u SSSR-u i Superphoenix u Francuskoj bili su reaktori ovog tipa, kao i Fermi I u Sjedinjenim Državama. Reaktor Monju u Japanu, oštećen curenjem natrija 1995., nastavio je s radom u svibnju 2010. Svi ovi reaktori koriste/korišteni tekući natrij. Ovi reaktori su reaktori na brze neutrone i ne spadaju u reaktore s toplinskim neutronima. Ovi reaktori su dvije vrste:

olovo ohlađeno

Upotreba olova kao tekućeg metala pruža izvrsnu zaštitu od zračenja i omogućuje rad na vrlo visokim temperaturama. Također, olovo je (uglavnom) prozirno za neutrone, tako da se manje neutrona gubi u rashladnoj tekućini i rashladna tekućina ne postaje radioaktivna. Za razliku od natrija, olovo je općenito inertan, pa postoji manji rizik od eksplozije ili nesreće, ali tako velike količine olova mogu uzrokovati toksičnost i probleme s odlaganjem otpada. Često se u reaktorima ove vrste mogu koristiti eutektičke smjese olova i bizmuta. U ovom slučaju, bizmut će predstavljati malu smetnju zračenju, budući da nije potpuno proziran za neutrone i može se lakše pretvoriti u drugi izotop nego olovo. Ruska podmornica klase Alpha koristi brzi neutronski reaktor hlađen olovom-bizmutom kao svoj glavni sustav za proizvodnju energije.

natrij ohlađen

Većina reaktora za oplemenjivanje tekućih metala (LMFBR) je ove vrste. Natrij je relativno lako dobiti i s njim se lako radi, a također pomaže u sprječavanju korozije raznih dijelova reaktora uronjenih u njega. Međutim, natrij burno reagira u kontaktu s vodom, pa treba biti oprezan, iako takve eksplozije neće biti puno jače od, primjerice, curenja pregrijane tekućine iz SCWR-a ili RWD-a. EBR-I je prvi reaktor ovog tipa, gdje se jezgra sastoji od taline.

Reaktor s kuglastim slojem (PBR)

Koriste gorivo utisnuto u keramičke kuglice u kojima kroz kuglice cirkulira plin. Kao rezultat toga, oni su učinkoviti, nepretenciozni, vrlo sigurni reaktori s jeftinim, standardiziranim gorivom. Prototip je bio reaktor AVR.

Reaktori za rastopljenu sol

U njima je gorivo otopljeno u solima fluorida ili se fluoridi koriste kao rashladno sredstvo. Njihovi raznovrsni sigurnosni sustavi, visoka učinkovitost i visoka gustoća energije prikladni su za vozila. Zanimljivo je da u jezgri nemaju dijelove koji su izloženi visokom pritisku niti zapaljive komponente. Prototip je bio reaktor MSRE, koji je također koristio torijev ciklus goriva. Kao reaktor za oplodnju, on prerađuje istrošeno gorivo, oporavljajući i uran i transuranijeve elemente, ostavljajući samo 0,1% transuranijevog otpada u usporedbi s konvencionalnim protočnim uranovim lakovodnim reaktorima koji trenutno rade. Posebna tema su produkti radioaktivne fisije, koji se ne recikliraju i moraju se odlagati u konvencionalne reaktore.

Vodeni homogeni reaktor (AHR)

Ovi reaktori koriste gorivo u obliku topljivih soli koje su otopljene u vodi i pomiješane s rashladnim sredstvom i moderatorom neutrona.

Inovativni nuklearni sustavi i projekti

napredni reaktori

Više od desetak naprednih projekata reaktora u različitim je fazama razvoja. Neki od njih evoluirali su iz RWD, BWR i PHWR dizajna, neki se značajnije razlikuju. Prvi uključuju napredni reaktor s kipućom vodom (ABWR) (od kojih su dva trenutno operativna, a drugi u izgradnji), kao i planirani ekonomski pojednostavljeni pasivni reaktor s kipućom vodom (ESBWR) i instalacije AP1000 (vidi dolje). Program nuklearne energije 2010).

Integralni brzi neutronski nuklearni reaktor(IFR) izgrađen je, testiran i testiran tijekom 1980-ih, a zatim je stavljen izvan upotrebe nakon ostavke Clintonove administracije 1990-ih zbog politike nuklearnog neširenja. Ponovna obrada istrošenog nuklearnog goriva je u središtu njegovog dizajna i stoga proizvodi samo djelić otpada iz reaktora koji rade.

Modularni visokotemperaturni plinom hlađeni reaktor reaktor (HTGCR) projektiran je na način da visoke temperature smanjuju izlaznu snagu zbog Dopplerovog širenja presjeka neutronskog snopa. Reaktor koristi keramičku vrstu goriva, tako da njegove sigurne radne temperature prelaze temperaturni raspon smanjenja snage. Većina struktura se hladi inertnim helijem. Helij ne može izazvati eksploziju zbog širenja pare, ne apsorbira neutrone koji bi doveli do radioaktivnosti i ne otapa kontaminante koji bi mogli biti radioaktivni. Tipični dizajni sastoje se od više slojeva pasivne zaštite (do 7) nego kod lakovodnih reaktora (obično 3). Jedinstvena značajka koja može pružiti sigurnost je da gorive kuglice zapravo čine jezgru i mijenjaju se jedna po jedna tijekom vremena. Dizajn gorivih ćelija čini ih skupim za recikliranje.

Mali, zatvoreni, mobilni, autonomni reaktor (SSTAR) izvorno je testiran i razvijen u SAD-u. Reaktor je zamišljen kao brzi neutronski reaktor, s pasivnim sustavom zaštite koji se može daljinski isključiti u slučaju sumnje na kvar.

Čist i ekološki prihvatljiv napredni reaktor (CAESAR) je koncept za nuklearni reaktor koji koristi paru kao moderator neutrona - ovaj dizajn je još uvijek u razvoju.

Reaktor s smanjenom količinom vode baziran je na naprednom reaktoru s kipućom vodom (ABWR) koji je trenutno u uporabi. Ovo nije potpuni brzi neutronski reaktor, već koristi uglavnom epitermalne neutrone, koji imaju srednje brzine između toplinskih i brzih.

Samoregulirajući nuklearni energetski modul s vodikovim moderatorom (HPM) je tip dizajna reaktora koji je objavio Nacionalni laboratorij Los Alamosa koji koristi uran hidrid kao gorivo.

Subkritični nuklearni reaktori dizajnirani kao sigurniji i stabilniji za rad, ali su teški u inženjerskom i ekonomskom smislu. Jedan primjer je "Energetsko pojačalo".

Reaktori na bazi torija. Moguće je pretvoriti torij-232 u U-233 u reaktorima koji su posebno dizajnirani za tu svrhu. Na taj se način od torija, koji je četiri puta češći od urana, može napraviti nuklearno gorivo na bazi U-233. Vjeruje se da U-233 ima bolja nuklearna svojstva u odnosu na konvencionalni U-235 najbolje šanse korisna uporaba neutrona i smanjenje količine proizvedenog dugoživućeg transuranijskog otpada.

Napredni reaktor za tešku vodu (AHWR)- predloženi reaktor na tešku vodu, koji će predstavljati razvoj iduća generacija Tip PHWR. U razvoju u Bhabha Nuclear Research Center (BARC), Indija.

KAMINI- jedinstveni reaktor koji koristi izotop urana-233 kao gorivo. Izgrađen u Indiji u istraživačkom centru BARC i centru za nuklearna istraživanja Indira Gandhi (IGCAR).

Indija također planira izgraditi brze neutronske reaktore koji koriste ciklus goriva torij-uran-233. FBTR (reaktor brzih neutrona) (Kalpakkam, Indija) tijekom rada koristi plutonij kao gorivo i tekući natrij kao rashladno sredstvo.

Što su reaktori četvrte generacije

Četvrta generacija reaktora skup je različitih teorijskih projekata koji se trenutno razmatraju. Ti se projekti vjerojatno neće provesti do 2030. godine. Moderni reaktori koji rade općenito se smatraju sustavima druge ili treće generacije. Sustavi prve generacije već se neko vrijeme ne koriste. Razvoj ove četvrte generacije reaktora službeno je pokrenut na Generation IV International Forum (GIF) na temelju osam tehnoloških ciljeva. Glavni ciljevi bili su poboljšati nuklearnu sigurnost, povećati sigurnost od proliferacije, minimizirati otpad i koristiti prirodne resurse, kao i smanjiti troškove izgradnje i rada takvih stanica.

• Plinom hlađeni brzi neutronski reaktor
• Reaktor na brze neutrone s olovnim hladnjakom
• Reaktor za tekuću sol
• Brzi neutronski reaktor hlađen natrijem
• Superkritični nuklearni reaktor hlađen vodom
• Nuklearni reaktor ultra visoke temperature

Što su reaktori pete generacije?

Peta generacija reaktora su projekti čija je realizacija teoretski moguća, ali koji trenutno nisu predmet aktivnog razmatranja i istraživanja. Iako se takvi reaktori mogu izgraditi trenutno ili kratkoročno, oni su od malog interesa zbog ekonomske izvedivosti, praktičnosti ili sigurnosti.

• reaktor tekuće faze. Zatvorena petlja s tekućinom u jezgri nuklearnog reaktora, gdje je fisibilni materijal u obliku rastaljenog urana ili otopine urana ohlađene uz pomoć radnog plina ubrizganog kroz rupe u dnu posude za zadržavanje.
• Reaktor s plinskom fazom u jezgri. Varijanta zatvorene petlje za raketu na nuklearni pogon, gdje je fisioni materijal plinoviti uranov heksafluorid smješten u kvarcnoj posudi. Radni plin (kao što je vodik) teći će oko ove posude i apsorbirati ultraljubičasto zračenje koje je rezultat nuklearne reakcije. Takav bi se dizajn mogao koristiti kao raketni motor, kao što je spomenuto u znanstvenofantastičnom romanu Skyfall Harryja Harrisona iz 1976. godine. Teoretski, uporaba uranovog heksafluorida kao nuklearnog goriva (umjesto kao međuprodukta, kao što se trenutno radi) dovela bi do nižih troškova proizvodnje energije, kao i do značajnog smanjenja veličine reaktora. U praksi bi reaktor koji radi na tako velikim gustoćama snage proizvodio nekontrolirani tok neutrona, slabeći svojstva čvrstoće većine reaktorskih materijala. Dakle, protok bi bio sličan protoku čestica koje se oslobađaju u termonuklearnim instalacijama. Zauzvrat, to bi zahtijevalo korištenje materijala sličnih onima koji se koriste u Međunarodnom projektu za implementaciju postrojenja za ozračivanje fuzije.
• Plinoviti elektromagnetski reaktor. Slično plinskom reaktoru, ali s fotonaponskim ćelijama koje pretvaraju ultraljubičasto svjetlo izravno u električnu energiju.
• Reaktor baziran na fragmentaciji
• Hibridna nuklearna fuzija. Koriste se neutroni emitirani tijekom fuzije i raspadanja originala ili "tvari u zoni reprodukcije". Na primjer, transmutacija U-238, Th-232 ili istrošenog goriva/radioaktivnog otpada iz drugog reaktora u relativno benignije izotope.

Reaktor s plinskom fazom u aktivnoj zoni. Varijanta zatvorene petlje za raketu na nuklearni pogon, gdje je fisioni materijal plinoviti uranov heksafluorid smješten u kvarcnoj posudi. Radni plin (kao što je vodik) teći će oko ove posude i apsorbirati ultraljubičasto zračenje koje je rezultat nuklearne reakcije. Takav bi se dizajn mogao koristiti kao raketni motor, kao što je spomenuto u znanstvenofantastičnom romanu Skyfall Harryja Harrisona iz 1976. godine. Teoretski, uporaba uranovog heksafluorida kao nuklearnog goriva (umjesto kao međuprodukta, kao što se trenutno radi) dovela bi do nižih troškova proizvodnje energije, kao i do značajnog smanjenja veličine reaktora. U praksi bi reaktor koji radi na tako velikim gustoćama snage proizvodio nekontrolirani tok neutrona, slabeći svojstva čvrstoće većine reaktorskih materijala. Dakle, protok bi bio sličan protoku čestica koje se oslobađaju u termonuklearnim instalacijama. Zauzvrat, to bi zahtijevalo korištenje materijala sličnih onima koji se koriste u Međunarodnom projektu za implementaciju postrojenja za ozračivanje fuzije.

Plinoviti elektromagnetski reaktor. Slično plinskom reaktoru, ali s fotonaponskim ćelijama koje pretvaraju ultraljubičasto svjetlo izravno u električnu energiju.

Reaktor baziran na fragmentaciji

Hibridna nuklearna fuzija. Koriste se neutroni emitirani tijekom fuzije i raspadanja originala ili "tvari u zoni reprodukcije". Na primjer, transmutacija U-238, Th-232 ili istrošenog goriva/radioaktivnog otpada iz drugog reaktora u relativno benignije izotope.

Fuzijski reaktori

Kontrolirana fuzija može se koristiti u fuzijskim elektranama za proizvodnju električne energije bez složenosti rada s aktinoidima. Međutim, i dalje postoje ozbiljne znanstvene i tehnološke prepreke. Izgrađeno je nekoliko fuzijskih reaktora, ali tek nedavno su reaktori uspjeli osloboditi više energije nego što su je potrošili. Unatoč činjenici da su istraživanja započela 1950-ih, pretpostavlja se da komercijalni fuzijski reaktor neće biti operativan do 2050. godine. Projekt ITER trenutno radi na korištenju fuzijske energije.

Ciklus nuklearnog goriva

Toplinski reaktori općenito ovise o stupnju pročišćavanja i obogaćivanja urana. Neki nuklearni reaktori mogu raditi na mješavini plutonija i urana (vidi MOX gorivo). Proces kojim se ruda urana iskopava, prerađuje, obogaćuje, koristi, eventualno reciklira i odlaže poznat je kao ciklus nuklearnog goriva.

Do 1% urana u prirodi je lako fisijski izotop U-235. Stoga dizajn većine reaktora uključuje korištenje obogaćenog goriva. Obogaćivanje uključuje povećanje udjela U-235 i obično se provodi pomoću plinske difuzije ili u plinskoj centrifugi. Obogaćeni proizvod se dalje pretvara u prah uranovog dioksida, koji se sabija i ispaljuje u kuglice. Te se granule stavljaju u epruvete, koje se zatim zatvaraju. Takve se cijevi nazivaju gorivne šipke. Svaki nuklearni reaktor koristi mnoge od ovih gorivih šipki.

Većina komercijalnih BWR-ova i PWR-ova koristi uran obogaćen do približno 4% U-235. Osim toga, neki industrijski reaktori s visokom ekonomijom neutrona uopće ne zahtijevaju obogaćeno gorivo (to jest, mogu koristiti prirodni uran). Prema Međunarodnoj agenciji za atomsku energiju, u svijetu postoji najmanje 100 istraživačkih reaktora koji koriste visoko obogaćeno gorivo (oružni stupanj / 90% obogaćeni uran). Rizik od krađe ove vrste goriva (koje se može koristiti u proizvodnji nuklearnog oružja) doveo je do kampanje koja poziva na prelazak na korištenje reaktora s nisko obogaćenim uranom (koji predstavlja manju prijetnju proliferaciji).

Fisijski U-235 i nefisijski, fisibilni U-238 koriste se u procesu nuklearne transformacije. U-235 fisiraju toplinski (tj. spori) neutroni. Toplinski neutron je onaj koji se kreće približno istom brzinom kao i atomi oko njega. Budući da je vibracijska frekvencija atoma proporcionalna njihovoj apsolutnoj temperaturi, toplinski neutron ima veću sposobnost cijepanja U-235 kada se kreće istom brzinom vibracije. S druge strane, veća je vjerojatnost da će U-238 uhvatiti neutron ako se neutron kreće vrlo brzo. Atom U-239 raspada se što je brže moguće i formira plutonij-239, koji je i sam gorivo. Pu-239 je potpuno gorivo i treba ga uzeti u obzir čak i kada se koristi visoko obogaćeno uransko gorivo. Procesi fisije plutonija će imati prednost nad procesima fisije U-235 u nekim reaktorima. Pogotovo nakon što se izvorno napunjeni U-235 iscrpi. Plutonij se fisira u brzim i termalnim reaktorima, što ga čini idealnim i za nuklearne reaktore i za nuklearne bombe.

Većina postojećih reaktora su termalni reaktori, koji obično koriste vodu kao moderator neutrona (moderator znači da usporava neutron do toplinske brzine), a također i kao rashladno sredstvo. Međutim, u brzom neutronskom reaktoru koristi se malo drugačija vrsta rashladne tekućine, koja neće previše usporiti tok neutrona. To omogućuje prevladavanje brzih neutrona, koji se mogu učinkovito koristiti za stalno obnavljanje zaliha goriva. Jednostavnim stavljanjem jeftinog, neobogaćenog urana u jezgru, spontano nefisibilni U-238 pretvorit će se u Pu-239, "reproducirajući" gorivo.

U ciklusu goriva koji se temelji na toriju, torij-232 apsorbira neutron u brzim i toplinskim reaktorima. Beta raspad torija proizvodi protaktinij-233, a zatim uran-233, koji se pak koristi kao gorivo. Stoga je, poput urana-238, torij-232 plodan materijal.

Održavanje nuklearnih reaktora

Količina energije u spremniku nuklearnog goriva često se izražava u terminima "dana pune snage", što je broj 24-satnih razdoblja (dana) u kojima reaktor radi punom snagom za proizvodnju toplinske energije. Dani rada pune snage u radnom ciklusu reaktora (između intervala potrebnih za punjenje goriva) povezani su s količinom raspadajućeg urana-235 (U-235) sadržanog u gorivim elementima na početku ciklusa. Što je veći postotak U-235 u jezgri na početku ciklusa, to će više dana rada s punom snagom omogućiti rad reaktora.

Na kraju radnog ciklusa, gorivo u nekim sklopovima se "istroši", istovari i zamijeni u obliku novih (svježih) gorivnih sklopova. Također, takva reakcija nakupljanja produkata raspada u nuklearnom gorivu određuje vijek trajanja nuklearnog goriva u reaktoru. Čak i mnogo prije nego što se dogodi konačni proces fisije, dugotrajni nusprodukti raspada koji apsorbiraju neutrone imaju vremena akumulirati se u reaktoru, sprječavajući nastavak lančane reakcije. Udio jezgre reaktora koji se mijenja tijekom punjenja gorivom obično je jedna četvrtina za reaktor s kipućom vodom i jedna trećina za reaktor s vodom pod tlakom. Zbrinjavanje i skladištenje ovog istrošenog goriva jedan je od najtežih zadataka u organizaciji rada industrijske nuklearne elektrane. Takav nuklearni otpad izuzetno je radioaktivan i njegova toksičnost predstavlja opasnost već tisućama godina.

Ne moraju se svi reaktori isključiti iz upotrebe radi punjenja gorivom; na primjer, nuklearni reaktori sa sfernim slojem, RBMK (kanalni reaktor velike snage), reaktori s rastaljenom soli, reaktori Magnox, AGR i CANDU dopuštaju pomicanje gorivih elemenata tijekom rada postrojenja. U reaktoru CANDU moguće je pojedinačne gorivne elemente smjestiti u jezgru na način da se prilagodi sadržaj U-235 u gorivom elementu.

Količina energije ekstrahirane iz nuklearnog goriva naziva se njegovo sagorijevanje, što se izražava toplinskom energijom koju stvara početna jedinica težine goriva. Izgaranje se obično izražava kao toplinski megavat dani po toni izvornog teškog metala.

Sigurnost nuklearne energije

Nuklearna sigurnost je djelovanje usmjereno na sprječavanje nuklearnih i radijacijskih nesreća ili lokaliziranje njihovih posljedica. Industrija nuklearne energije poboljšala je sigurnost i učinkovitost reaktora, a također je osmislila nove, sigurnije dizajne reaktora (koji općenito nisu testirani). Međutim, nema jamstva da će takvi reaktori biti projektirani, izgrađeni i da će moći pouzdano raditi. Pogreške se događaju kada dizajneri reaktora u nuklearnoj elektrani Fukushima u Japanu nisu očekivali da će tsunami izazvan potresom ugasiti pomoćni sustav koji je trebao stabilizirati reaktor nakon potresa, unatoč brojnim upozorenjima NRG-a (National Research Group) i japanske uprave o nuklearnoj sigurnosti. Prema UBS AG, nuklearne nesreće u Fukushimi I bacaju sumnju na to mogu li čak i napredne ekonomije poput Japana osigurati nuklearnu sigurnost. Mogući su i katastrofalni scenariji, uključujući terorističke napade. Interdisciplinarni tim s MIT-a (Massachusetts Institute of Technology) izračunao je da, s obzirom na očekivani rast nuklearne energije, treba očekivati ​​najmanje četiri ozbiljne nuklearne nesreće u razdoblju od 2005. do 2055. godine.

Nuklearne i radijacijske nesreće

Neke od ozbiljnih nuklearnih i radijacijskih nesreća koje su se dogodile. Nesreće nuklearnih elektrana uključuju incident SL-1 (1961.), nesreću na Otoku tri milje (1979.), katastrofu u Černobilu (1986.) i nuklearnu katastrofu u Fukushimi Daiichi (2011.). Nuklearne nesreće uključuju nesreće reaktora K-19 (1961.), K-27 (1968.) i K-431 (1985.).

Nuklearni reaktori lansirani su u orbitu oko Zemlje najmanje 34 puta. Niz incidenata koji su uključivali sovjetski bespilotni satelit RORSAT na nuklearni pogon doveli su do prodora istrošenog nuklearnog goriva u Zemljinu atmosferu iz orbite.

prirodni nuklearni reaktori

Iako se često vjeruje da su reaktori za nuklearnu fisiju proizvod Moderna tehnologija, prvi nuklearni reaktori dostupni su u prirodni uvjeti. Prirodni nuklearni reaktor može se formirati pod određenim uvjetima koji oponašaju uvjete u dizajniranom reaktoru. Do sada je otkriveno do petnaest prirodnih nuklearnih reaktora unutar tri odvojena ležišta rude u rudniku urana Oklo u Gabonu ( zapadna Afrika). Dobro poznate "mrtve" reaktore Ocllo prvi je otkrio 1972. francuski fizičar Francis Perrin. Reakcija samoodržive nuklearne fisije dogodila se u ovim reaktorima prije otprilike 1,5 milijardi godina i održavala se nekoliko stotina tisuća godina, generirajući prosječno 100 kW izlazne snage tijekom tog razdoblja. Koncept prirodnog nuklearnog reaktora teorijski je objasnio još 1956. Paul Kuroda sa Sveučilišta u Arkansasu.

Takvi se reaktori više ne mogu formirati na Zemlji: radioaktivni raspad tijekom ovog ogromnog vremenskog razdoblja smanjio je udio U-235 u prirodnom uranu ispod razine potrebne za održavanje lančane reakcije.

Prirodni nuklearni reaktori nastali su kada su se naslage minerala bogate uranom počele puniti podzemnom vodom, koja je djelovala kao moderator neutrona i pokrenula značajnu lančanu reakciju. Moderator neutrona u obliku vode je ispario, uzrokujući ubrzanje reakcije, a zatim se kondenzirao natrag, uzrokujući usporavanje nuklearne reakcije i sprječavanje taljenja. Reakcija fisije trajala je stotinama tisuća godina.

Takve prirodne reaktore opsežno su proučavali znanstvenici zainteresirani za odlaganje radioaktivnog otpada u geološkom okruženju. Oni predlažu studiju slučaja o tome kako bi radioaktivni izotopi migrirali kroz zemljinu koru. Ovo je ključna točka za kritičare geološkog odlaganja otpada, koji se boje da bi izotopi sadržani u otpadu mogli završiti u zalihama vode ili migrirati u okoliš.

Ekološki problemi nuklearne energije

Nuklearni reaktor ispušta male količine tricija, Sr-90, u zrak i podzemne vode. Voda onečišćena tricijem je bez boje i mirisa. Velike doze Sr-90 povećavaju rizik od raka kostiju i leukemije kod životinja, a vjerojatno i kod ljudi.