Dom › Recenzije › Nuklearne šipke. Svi su čuli, ali nitko ne zna

Nuklearne šipke. Svi su čuli, ali nitko ne zna

Uređaj i princip rada

Mehanizam za oslobađanje snage

Pretvorbu tvari prati oslobađanje slobodne energije samo ako tvar ima rezervu energije. Potonje znači da su mikročestice tvari u stanju s energijom mirovanja većom nego u drugom mogućem stanju, prijelaz u koji postoji. Spontani prijelaz uvijek sprječava energetska barijera, da bi je prevladala, mikročestica mora primiti određenu količinu energije izvana - energiju pobude. Egzoenergetska reakcija sastoji se u tome da se u transformaciji koja slijedi nakon pobude oslobađa više energije nego što je potrebno za pobuđivanje procesa. Postoje dva načina prevladavanja energetske barijere: ili zahvaljujući kinetičkoj energiji čestica koje se sudaraju, ili zahvaljujući energiji vezivanja čestice koja se približava.

Ako imamo na umu makroskopske razmjere oslobađanja energije, tada kinetičku energiju potrebnu za pobuđivanje reakcija moraju imati sve ili barem dio čestica tvari. To se može postići samo povećanjem temperature medija do vrijednosti pri kojoj se energija toplinskog gibanja približava vrijednosti energetskog praga koji ograničava tijek procesa. U slučaju molekularnih transformacija, tj kemijske reakcije, takav porast je obično stotine kelvina, u slučaju nuklearnih reakcija je najmanje 10 7 zbog vrlo velika nadmorska visina Kulonove barijere sudarajućih jezgri. Toplinsko pobuđivanje nuklearnih reakcija u praksi je provedeno samo kod sinteze najlakših jezgri, kod kojih su Coulombove barijere minimalne (termonuklearna fuzija).

Pobuda česticama koje se spajaju ne zahtijeva veliku kinetičku energiju, pa stoga ne ovisi o temperaturi medija, jer se javlja zbog neiskorištenih veza svojstvenih česticama privlačnih sila. Ali s druge strane, same čestice su neophodne za pobuđivanje reakcija. A ako opet imamo na umu ne poseban čin reakcije, već proizvodnju energije na makroskopskoj razini, onda je to moguće samo kada se dogodi lančana reakcija. Ovo posljednje nastaje kada se čestice koje pobuđuju reakciju ponovno pojave kao produkti egzoenergetske reakcije.

Oblikovati

Svaki nuklearni reaktor sastoji se od sljedećih dijelova:

Jezgra s nuklearnim gorivom i moderatorom;
Reflektor neutrona koji okružuje jezgru;
Sustav regulacije lančane reakcije, uključujući zaštitu u slučaju nužde;
Zaštita od zračenja;
Sustav daljinskog upravljanja.

Fizikalni principi rada

Vidi također glavne članke:

Trenutna država nuklearni reaktor može se karakterizirati efektivnim faktorom množenja neutrona k odnosno reaktivnost ρ , koji su povezani sljedećim odnosom:

Ove vrijednosti karakteriziraju sljedeće vrijednosti:

k> 1 - lančana reakcija raste s vremenom, reaktor je uključen superkritičan stanje, njegova reaktivnost ρ > 0;
k < 1 - реакция затухает, реактор - subkritičan, ρ < 0;
k = 1, ρ = 0 - broj nuklearnih fisija je konstantan, reaktor je u stabilnom stanju kritično stanje.

Stanje kritičnosti nuklearnog reaktora:

, Gdje

Pretvorba faktora množenja u jedinicu postiže se uravnoteženjem množenja neutrona s njihovim gubicima. Postoje zapravo dva razloga za gubitke: hvatanje bez fisije i curenje neutrona izvan medija za razmnožavanje.

Očito, k< k 0 , поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k 0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k 0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны.

k 0 za toplinske reaktore može se odrediti takozvanom "formulom 4 faktora":

, Gdje

η je prinos neutrona po dvije apsorpcije.

Zapremine modernih energetskih reaktora mogu doseći stotine m³ i uglavnom se ne određuju uvjetima kritičnosti, već mogućnostima uklanjanja topline.

Kritični volumen nuklearni reaktor - volumen jezgre reaktora u kritičnom stanju. Kritična masa je masa fisionog materijala reaktora koji je u kritičnom stanju.

Najmanju kritičnu masu imaju reaktori s pogonom na vodene otopine soli čistih fisijskih izotopa s reflektorom vodenih neutrona. Za 235 U ova masa je 0,8 kg, za 239 Pu je 0,5 kg. Opće je poznato, međutim, da je kritična masa za LOPO reaktor (prvi svjetski reaktor obogaćenog urana), koji je imao reflektor od berilijevog oksida, bila 0,565 kg, unatoč činjenici da je stupanj obogaćenja izotopom 235 bio samo neznatan. više od 14%. Teoretski, najmanju kritičnu masu ima, za koju je ta vrijednost samo 10 g.

Kako bi se smanjilo curenje neutrona, jezgri se daje sferičan ili sličan sferičnom obliku, kao što je kratki cilindar ili kocka, budući da te figure imaju najmanji omjer površine i volumena.

Unatoč činjenici da je vrijednost (e - 1) obično mala, uloga brzog umnožavanja neutrona je prilično velika, jer za velike nuklearne reaktore (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Za pokretanje lančane reakcije obično se dovoljno neutrona proizvede tijekom spontane fisije jezgri urana. Također je moguće koristiti vanjski izvor neutrona za pokretanje reaktora, na primjer, mješavinu i, ili druge tvari.

jodna jama

Glavni članak: Jodna jama

Jodna jama - stanje nuklearnog reaktora nakon gašenja, karakterizirano nakupljanjem kratkotrajnog izotopa ksenona. Ovaj proces dovodi do privremene pojave značajne negativne reaktivnosti, što zauzvrat onemogućuje dovođenje reaktora na njegov projektirani kapacitet u određenom razdoblju (oko 1-2 dana).

Klasifikacija

Po dogovoru

Prema prirodi uporabe nuklearni reaktori se dijele na:

Energetski reaktori dizajnirani za proizvodnju električne i toplinske energije koja se koristi u energetskom sektoru, kao i za desalinizaciju morske vode (reaktori za desalinizaciju također se klasificiraju kao industrijski). Takvi reaktori uglavnom su se koristili u nuklearnim elektranama. Toplinska snaga modernih energetskih reaktora doseže 5 GW. U zasebnu skupinu dodijelite:
- Transportni reaktori dizajniran za opskrbu energijom motora vozila. Najšire skupine primjene su brodski transportni reaktori koji se koriste na podmornicama i raznim površinskim plovilima, kao i reaktori koji se koriste u svemirskoj tehnici.
Eksperimentalni reaktori, dizajniran za proučavanje različitih fizičkih veličina, čija je vrijednost neophodna za projektiranje i rad nuklearnih reaktora; snaga takvih reaktora ne prelazi nekoliko kW.
Istraživački reaktori, u kojima se tokovi neutrona i gama zraka stvoreni u jezgri koriste za istraživanja u području nuklearne fizike, fizike čvrstog stanja, kemije zračenja, biologije, za ispitivanje materijala namijenjenih za rad u intenzivnim tokovima neutrona (uključujući dijelove nuklearnih reaktora), za proizvodnju izotopa. Snaga istraživačkih reaktora ne prelazi 100 MW. Oslobođena energija se obično ne koristi.
Industrijski (oružje, izotopi) reaktori koristi se za proizvodnju izotopa koji se koriste u raznim područjima. Najčešće se koristi za proizvodnju materijala za nuklearno oružje, kao što je 239 Pu. U industrijske spadaju i reaktori koji se koriste za desalinizaciju morske vode.

Često se reaktori koriste za rješavanje dva ili više različitih zadataka, u kojem slučaju se nazivaju višenamjenski. Na primjer, neki energetski reaktori, osobito u zoru nuklearne energije, bili su namijenjeni uglavnom za pokuse. Reaktori na brzim neutronima mogu istovremeno proizvoditi energiju i izotope. Industrijski reaktori, uz svoju glavnu zadaću, često proizvode električnu i toplinsku energiju.

Prema spektru neutrona

Toplinski (spori) neutronski reaktor ("toplinski reaktor")
Reaktor brzih neutrona ("brzi reaktor")

Po rasporedu goriva

Heterogeni reaktori, gdje je gorivo smješteno u jezgru diskretno u obliku blokova, između kojih se nalazi moderator;
Homogeni reaktori, gdje su gorivo i moderator homogena smjesa (homogeni sustav).

U heterogenom reaktoru, gorivo i moderator mogu biti razmaknuti, posebno u reaktoru s šupljinom, moderator-reflektor okružuje šupljinu s gorivom koje ne sadrži moderator. S nuklearno-fizičke točke gledišta, kriterij homogenosti/heterogenosti nije dizajn, već smještaj gorivih blokova na udaljenosti većoj od duljine moderacije neutrona u određenom moderatoru. Na primjer, takozvani "close-lattice" reaktori su dizajnirani da budu homogeni, iako je gorivo u njima obično odvojeno od moderatora.

Blokovi nuklearnog goriva u heterogenom reaktoru nazivaju se gorivi sklopovi (FA), koji su smješteni u jezgri na čvorovima pravilne rešetke, tvoreći Stanice.

Po vrsti goriva

izotopi urana 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
izotop plutonija 239 (239 Pu), također izotopi 239-242 Pu kao smjesa s 238 U (MOX gorivo)
izotop torija 232 (232 Th) (pretvorbom u 233 U)

Prema stupnju obogaćivanja:

prirodni uran
nisko obogaćeni uran
visoko obogaćeni uran

Po kemijskom sastavu:

metal U
UC (uran karbid) itd.

Prema vrsti rashladne tekućine

Plin, (vidi grafitno-plinski reaktor)
D 2 O (teška voda, vidi Teškovodni nuklearni reaktor, CANDU)

Po vrsti moderatora

C (grafit, vidi reaktor grafit-plin, reaktor grafit-voda)
H 2 O (voda, vidi Lakovodni reaktor, Vodeni reaktor pod tlakom, VVER)
D 2 O (teška voda, vidi Teškovodni nuklearni reaktor, CANDU)
Metalni hidridi
Bez moderatora (vidi brzi neutronski reaktor)

Po dizajnu

način stvaranja pare

Reaktor s vanjskim generatorom pare (vidi PWR, VVER)

IAEA klasifikacija

PWR (pressurized water reactors) - vodeni reaktor pod tlakom (vodeni reaktor pod tlakom);
BWR (boiling water reactor) - reaktor s kipućom vodom;
FBR (fast breeder reactor) - brzi rasplodni reaktor;
GCR (gas-cooled reactor) - reaktor hlađen plinom;
LWGR (light water graphite reactor) - grafitno-vodeni reaktor
PHWR (pressurised heavy water reactor) - teškovodni reaktor

U svijetu su najčešći reaktori s vodom pod tlakom (oko 62%) i reaktori s kipućom vodom (20%).

Reaktorski materijali

Materijali od kojih su izgrađeni reaktori rade na visokoj temperaturi u polju neutrona, γ-kvanta i fisijskih fragmenata. Stoga nisu svi materijali koji se koriste u drugim granama tehnike prikladni za izradu reaktora. Pri izboru reaktorskih materijala uzimaju se u obzir njihova otpornost na zračenje, kemijska inertnost, presjek apsorpcije i druga svojstva.

Visoke temperature manje utječu na radijacijsku nestabilnost materijala. Pokretljivost atoma postaje tolika da se značajno povećava vjerojatnost povratka atoma izbačenih iz kristalne rešetke na svoje mjesto ili rekombinacije vodika i kisika u molekulu vode. Tako je radioliza vode beznačajna u energetskim reaktorima bez ključanja (na primjer, VVER), dok se u snažnim istraživačkim reaktorima oslobađa značajna količina eksplozivne smjese. Reaktori imaju posebne sustave za spaljivanje.

Materijali reaktora dolaze u međusobni dodir (omotač gorivnog elementa s rashladnom tekućinom i nuklearnim gorivom, gorivne kasete s rashladnom tekućinom i moderatorom itd.). Naravno, materijali koji dolaze u kontakt moraju biti kemijski inertni (kompatibilni). Primjer nekompatibilnosti je kemijska reakcija urana i tople vode.

Za većinu materijala svojstva čvrstoće naglo se pogoršavaju s povećanjem temperature. U energetskim reaktorima konstrukcijski materijali rade na visokim temperaturama. To ograničava izbor konstrukcijskih materijala, posebno za one dijelove energetskog reaktora koji moraju izdržati visoki tlak.

Izgaranje i reprodukcija nuklearnog goriva

Tijekom rada nuklearnog reaktora, zbog nakupljanja fisijskih fragmenata u gorivu, mijenja se njegov izotopski i kemijski sastav, te nastaju transuranijevi elementi, uglavnom izotopi. Utjecaj fisijskih fragmenata na reaktivnost nuklearnog reaktora naziva se trovanje(za radioaktivne fragmente) i šljakanje(za stabilne izotope).

Glavni razlog trovanja reaktora je, koji ima najveći presjek apsorpcije neutrona (2,6 10 6 barn). Vrijeme poluraspada 135 Xe T 1/2 = 9,2 h; prinos dijeljenja je 6-7%. Glavni dio 135 Xe nastaje kao rezultat raspada ( T 1/2 = 6,8 sati). U slučaju trovanja Kef se mijenja za 1-3%. Veliki presjek apsorpcije 135 Xe i prisutnost intermedijarnog izotopa 135 I dovode do dva važna fenomena:

Do porasta koncentracije 135 Xe i posljedično do smanjenja reaktivnosti reaktora nakon njegovog gašenja ili smanjenja snage („jodna jama“), što onemogućuje kratkotrajna gašenja i fluktuacije izlazne snage. Taj se učinak prevladava uvođenjem granice reaktivnosti u regulatornim tijelima. Dubina i trajanje jodne jame ovisi o neutronskom toku F: pri F = 5 10 18 neutron/(cm² s), trajanje jodne jame je ˜ 30 h, a dubina je 2 puta veća od stacionarne promjene u Keffu uzrokovano trovanjem 135 Xe.
Zbog trovanja može doći do prostorno-vremenskih kolebanja toka neutrona F, a posljedično i snage reaktora. Ove se fluktuacije događaju pri F > 10 18 neutrona/(cm² s) i velikim veličinama reaktora. Periodi titranja ~ 10 h.

Tijekom nuklearne fisije, veliki broj stabilni fragmenti koji se razlikuju po svojim apsorpcijskim presjecima u usporedbi s apsorpcijskim presjecima fisibilnog izotopa. Koncentracija fragmenata sa velika vrijednost presjek apsorpcije doseže zasićenje tijekom prvih nekoliko dana rada reaktora. Uglavnom se radi o TVEL-ima različite "starosti".

U slučaju potpune zamjene goriva, reaktor ima višak reaktivnosti, koji se mora kompenzirati, dok je u drugom slučaju kompenzacija potrebna tek pri prvom pokretanju reaktora. Kontinuirano punjenje goriva omogućuje povećanje dubine sagorijevanja, jer je reaktivnost reaktora određena prosječnom koncentracijom fisijskih izotopa.

Masa utovarenog goriva premašuje masu neutovarenog zbog "težine" oslobođene energije. Nakon gašenja reaktora, prvo uglavnom zbog fisije odgođenim neutronima, a zatim, nakon 1-2 minute, zbog β- i γ-zračenja fisijskih fragmenata i transuranovih elemenata, energija se i dalje oslobađa u gorivu. Ako je reaktor radio dovoljno dugo prije gašenja, tada 2 minute nakon gašenja, oslobađanje energije je oko 3%, nakon 1 sata - 1%, nakon jednog dana - 0,4%, nakon godinu dana - 0,05% početne snage.

Omjer broja fisibilnih izotopa Pu nastalih u nuklearnom reaktoru i količine izgorjelog 235 U naziva se Stopa pretvorbe K K . Vrijednost K K raste sa smanjenjem obogaćivanja i sagorijevanja. Za reaktor s teškom vodom koji radi na prirodnom uranu, s izgaranjem od 10 GW dan/t K K = 0,55, a za mala izgaranja (u ovom slučaju K K se naziva inicijalni koeficijent plutonija) K K = 0,8. Ako nuklearni reaktor gori i proizvodi iste izotope (reaktor za razmnožavanje), tada se omjer brzine reprodukcije i brzine izgaranja naziva stopa reprodukcije K V. U toplinskim reaktorima K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g raste i A Slapovi.

Kontrola nuklearnog reaktora

Upravljanje nuklearnim reaktorom moguće je samo zbog činjenice da tijekom fisije neki od neutrona izlete iz fragmenata sa zakašnjenjem, koje može varirati od nekoliko milisekundi do nekoliko minuta.

Za upravljanje reaktorom koriste se apsorbirajuće šipke, uvedene u jezgru, izrađene od materijala koji snažno apsorbiraju neutrone (uglavnom i neki drugi) i / ili otopina borne kiseline, dodana u rashladno sredstvo u određenoj koncentraciji (regulacija bora) . Kretanje šipki kontrolira se posebnim mehanizmima, pogonima koji djeluju na signale operatera ili opreme za automatsku kontrolu toka neutrona.

U slučaju raznih izvanrednih situacija u svakom reaktoru, osiguran je hitan prekid lančane reakcije, koji se izvodi spuštanjem svih apsorbirajućih šipki u jezgru - sustav zaštite u slučaju opasnosti.

Preostala toplina

Važan problem koji je izravno povezan s nuklearnom sigurnošću je raspadna toplina. Ovaj specifično obilježje nuklearno gorivo, koje se sastoji u činjenici da se, nakon prestanka lančane reakcije fisije i toplinske inercije uobičajene za svaki izvor energije, stvaranje topline u reaktoru nastavlja još dugo vremena, što stvara niz tehnički teških problema.

Raspadna toplina je posljedica β- i γ-raspada produkata fisije, koji su se nakupili u gorivu tijekom rada reaktora. Jezgre produkata fisije, kao rezultat raspada, prelaze u stabilnije ili potpuno stabilno stanje uz oslobađanje značajne energije.

Iako brzina oslobađanja topline raspadanja brzo pada na vrijednosti koje su male u usporedbi sa stacionarnim vrijednostima, u reaktorima velike snage ona je značajna u apsolutnom iznosu. Iz tog razloga potrebno je stvaranje zaostale topline Dugo vrijeme osigurati odvođenje topline iz jezgre reaktora nakon što je zatvoren. Ovaj zadatak zahtijeva prisutnost rashladnih sustava s pouzdanim napajanjem u dizajnu reaktorskog postrojenja, a također zahtijeva dugotrajno (3-4 godine) skladištenje istrošenog nuklearnog goriva u skladištima s posebnim temperaturnim režimom - bazenima istrošenog goriva. , koji se obično nalaze u neposrednoj blizini reaktora.

vidi također

Popis nuklearnih reaktora projektiranih i izgrađenih u Sovjetskom Savezu

Književnost

Levin V. E. Nuklearna fizika i nuklearni reaktori. 4. izd. - M.: Atomizdat, 1979.
Shukolyukov A. Yu. “Uran. prirodni nuklearni reaktor. "Kemija i život" broj 6, 1980., str. 20-24 (prikaz, ostalo).

Bilješke

"ZEEP - Prvi kanadski nuklearni reaktor", Kanadski muzej znanosti i tehnologije.
Grešilov A. A., Egupov N. D., Matuščenko A. M. Nuklearni štit. - M .: Logos, 2008. - 438 str. -

Ogromna energija sićušnog atoma

“Dobra znanost je fizika! Samo je život kratak." Ove riječi pripadaju znanstveniku koji je učinio nevjerojatno mnogo u fizici. Jednom ih je izrekao akademik Igor Vasiljevič Kurčatov, tvorac prve nuklearne elektrane na svijetu.

Dana 27. lipnja 1954. ova jedinstvena elektrana puštena je u rad. Čovječanstvo ima još jedan moćan izvor električne energije.

Put do ovladavanja energijom atoma bio je dug i težak. Počelo je u prvim desetljećima 20. stoljeća otkrićem prirodne radioaktivnosti Curievih, s Bohrovim postulatima, Rutherfordovim planetarnim modelom atoma i dokazom takve, kako se sada čini, očite činjenice – jezgre bilo koje atom se sastoji od pozitivno nabijenih protona i neutralnih neutrona.

Godine 1934. Frederic i Irene Joliot-Curie (kći Marie Sklodowske-Curie i Pierrea Curiea) otkrili su da se bombardiranjem alfa česticama (jezgre atoma helija) obični kemijski elementi mogu pretvoriti u radioaktivne. Nova pojava je tzv umjetna radioaktivnost.

I. V. Kurchatov (desno) i A. I. Alikhanov (u sredini) sa svojim učiteljem A. F. Ioffeom. (Rane 30-e.)

Ako se takvo bombardiranje provodi vrlo brzim i teškim česticama, tada počinje kaskada kemijskih transformacija. Elementi s umjetnom radioaktivnošću postupno će ustupiti mjesto stabilnim elementima koji se više neće raspadati.

Uz pomoć zračenja ili bombardiranja lako je ostvariti san alkemičara - napraviti zlato od drugih kemijskih elemenata. Samo će trošak takve transformacije znatno premašiti cijenu primljenog zlata ...

Fisija jezgri urana

Veću korist (i, nažalost, zabrinutost) čovječanstvu je donijelo otkriće skupine njemačkih fizičara i kemičara 1938.-1939. fisija jezgri urana. Kada su ozračene neutronima, teške jezgre urana raspadaju se na lakše kemijske elemente koji pripadaju srednjem dijelu Mendeljejeva periodnog sustava i oslobađaju nekoliko neutrona. Za jezgre lakih elemenata ti se neutroni pokazuju suvišnima ... Kada se jezgre urana "cijepaju", može započeti lančana reakcija: svaki od dva ili tri rezultirajuća neutrona sposoban je proizvesti nekoliko neutrona zauzvrat, udaranje u jezgru susjednog atoma.

Pokazalo se da je ukupna masa proizvoda takve nuklearne reakcije, kako su izračunali znanstvenici, manja od mase jezgri izvorne tvari - urana.

Prema Einsteinovoj jednadžbi, koja povezuje masu i energiju, lako se može odrediti da se u ovom slučaju mora osloboditi ogromna količina energije! I to će se dogoditi u vrlo kratkom roku. Osim ako, naravno, lančana reakcija postane nekontrolirana i ide do kraja ...

U šetnji nakon konferencije E. Fermi (desno) sa svojim učenikom B. Pontecorvom. (Basel, 1949.)

Ogromne fizičke i tehničke mogućnosti skrivene u procesu fisije urana među prvima su cijenili Enrico Fermi, tih dalekih tridesetih godina našeg stoljeća, još vrlo mlad, ali već priznati poglavar talijanske škole fizičara. Mnogo prije Drugog svjetskog rata, on i grupa talentiranih zaposlenika istraživali su ponašanje različitih tvari pod neutronskim zračenjem i utvrdili da se učinkovitost procesa fisije urana može značajno povećati ... usporavanjem kretanja neutrona. Koliko god se na prvi pogled činilo čudno, sa smanjenjem brzine neutrona povećava se vjerojatnost njihovog hvatanja jezgrama urana. Vrlo pristupačne tvari služe kao učinkoviti "moderatori" neutrona: parafin, ugljik, voda ...

Preselivši se u SAD, Fermi je nastavio biti mozak i srce tamošnjeg nuklearnog istraživanja. Dva su se talenta, obično međusobno isključiva, spojila u Fermiju: izvanredan teoretičar i briljantni eksperimentator. “Proći će još dosta vremena dok ne budemo mogli vidjeti osobu koja mu je ravna”, napisao je istaknuti znanstvenik W. Zinn nakon Fermijeve prerane smrti od zloćudnog tumora 1954. godine u 53. godini života.

Tim znanstvenika koji se okupio oko Fermija tijekom Drugog svjetskog rata odlučio je stvoriti oružje neviđene razorne moći temeljeno na lančanoj reakciji fisije urana - atomska bomba. Znanstvenici su se žurili: što ako nacistička Njemačka prva napravi novo oružje i upotrijebi ga u svojoj neljudskoj želji da porobi druge narode?

Izgradnja nuklearnog reaktora u našoj zemlji

Znanstvenici su uspjeli već 1942. sastaviti i lansirati na teritoriju stadiona Sveučilišta u Chicagu prvi atomski reaktor . Uranove šipke u reaktoru bile su prošarane ugljikovim "ciglama" - moderatorima, a ako bi lančana reakcija ipak postala previše burna, mogla bi se brzo zaustaviti uvođenjem kadmijskih ploča u reaktor, koje su razdvajale uranove šipke i potpuno apsorbirale neutrone.

Istraživači su bili jako ponosni na jednostavne uređaje koje su izumili za reaktor, a koji nam sada mame osmijeh. Jedan od Fermijevih zaposlenika u Chicagu, poznati fizičar G. Anderson, prisjeća se da je kadmijev kositar bio prikovan za drveni blok, koji se, po potrebi, pod utjecajem vlastite gravitacije trenutno spuštao u kotao, što je bio razlog da ga naziv "instant". G. Anderson piše: “Prije pokretanja kotla, ovu šipku je trebalo povući i učvrstiti užetom. U slučaju nesreće, uže bi se moglo presjeći i “trenutak” bi zauzeo svoje mjesto u kotlu.”

Dobivena je kontrolirana lančana reakcija u atomskom reaktoru, teorijski izračuni i predviđanja su provjereni. U reaktoru se odvijao lanac kemijskih transformacija, uslijed kojih je nastala nova kemijski element- plutonij. On se, kao i uran, može koristiti za stvaranje atomske bombe.

Znanstvenici su utvrdili da postoji "kritična masa" urana ili plutonija. Ako ima dovoljno atomske tvari, lančana reakcija dovodi do eksplozije, ako je mala, manja od “kritične mase”, tada se jednostavno oslobađa toplina.

Izgradnja nuklearne elektrane

U atomskoj bombi najjednostavnijeg dizajna, dva komada urana ili plutonija su naslagana jedan do drugog, a masa svakog je nešto ispod kritične. U pravom trenutku, fitilj običnog eksploziva spaja dijelove, masa atomskog goriva prelazi kritičnu vrijednost - i oslobađanje destruktivne energije monstruozne sile događa se trenutno ...

Zasljepljujuće svjetlosno zračenje, udarni val koji odnosi sve što mu se nađe na putu i prodorno radioaktivno zračenje pogodilo je stanovnike dvaju japanskih gradova - Hirošime i Nagasakija - nakon eksplozije američkih atomskih bombi 1945. godine, a od tada su ljudi uznemireni strašne posljedice uporabe atomskih bombi.oružje.

Pod ujedinjujućim znanstvenim vodstvom IV Kurchatova, sovjetski fizičari razvili su atomsko oružje.

Ali voditelj tih radova nije prestao razmišljati o mirnodopskoj uporabi atomske energije. Uostalom, nuklearni reaktor se mora intenzivno hladiti, zašto se ta toplina ne “odaje” parnoj ili plinskoj turbini, ne koristi za grijanje kuća?

Kroz nuklearni reaktor provučene su cijevi s tekućim niskotaljivim metalom. Zagrijani metal je ulazio u izmjenjivač topline, gdje je svoju toplinu predao vodi. Voda se pretvorila u pregrijanu paru, turbina je počela raditi. Reaktor je bio okružen zaštitnim omotačem od betona s metalnim punilom: radioaktivno zračenje ne bi smjelo izlaziti.

Nuklearni reaktor pretvorio se u nuklearnu elektranu, donoseći ljudima mirnu svjetlost, ugodnu toplinu, željeni svijet ...

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:

Kada se neutron apsorbira, nuklearno gorivo (najčešće ovo uran-235 ili plutonij-239) dolazi do diobe atomske jezgre;
Oslobađaju se kinetička energija, gama zračenje i slobodni neutroni;
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;
Neki od generiranih neutrona apsorbiraju atomi goriva, što uzrokuje lančanu reakciju. Za njegovu kontrolu koriste se apsorberi i moderatori neutrona;
Uz pomoć rashladnog sredstva (voda, plin ili tekući natrij), toplina se uklanja s mjesta reakcije;
Para pod tlakom iz zagrijane vode koristi se za pogon parnih turbina;
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:

Nuklearno gorivo - tvar koja je neophodna za proizvodnju topline za pogonske turbine (obično nisko obogaćeni uran);
Aktivna zona nuklearnog reaktora - tu se odvija nuklearna reakcija;
Moderator neutrona - smanjuje brzinu brzih neutrona, pretvarajući ih u toplinske neutrone;
Početni izvor neutrona - služi za pouzdano i stabilno pokretanje nuklearne reakcije;
Apsorber neutrona - dostupan u nekim elektranama za smanjenje visoke reaktivnosti svježeg goriva;
Neutronska haubica - koristi se za ponovno pokretanje reakcije nakon isključivanja;
Rashladna tekućina (pročišćena voda);
Kontrolne šipke - za kontrolu brzine fisije jezgri urana ili plutonija;
Vodena pumpa - pumpa vodu u parni kotao;
Parna turbina – pretvara toplinsku energiju pare u rotacijsku mehaničku energiju;
Rashladni toranj - uređaj za odvođenje viška topline u atmosferu;
Sustav za prihvat i skladištenje radioaktivnog otpada;
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 moderni analozi s vodenim hlađenjem.

Prirodni analozi u prirodi

Nuklearni reaktor se doživljava kao javna svijest isključivo kao proizvod visoka tehnologija. 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?

Jadno na Prirodni resursi, ali industrijalizirana i prenaseljena Republika Koreja silno treba energiju. 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. Ovdje jednostavan sklop rad nuklearnog reaktora, najsnažnijeg 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:

Izgrađen ispod zapadne tribine nogometnog igrališta Sveučilišta u Chicagu i uključen 2. prosinca 1942., Chicago Pile-1 (CP-1) bio je prvi nuklearni reaktor na svijetu. Sastojao se od blokova grafita i urana, a imao je i kontrolne šipke od kadmija, indija i srebra, ali nije imao zaštitu od zračenja i sustav hlađenja. Znanstveni direktor projekta, fizičar Enrico Fermi, opisao je SR-1 kao "mokru hrpu crnih cigli i drvenih balvana".

Radovi na reaktoru započeli su 16. studenog 1942. godine. Obavljen je težak posao. Fizičari i sveučilišno osoblje radili su danonoćno. Izgradili su mrežu od 57 slojeva uranovog oksida i uranovih ingota ugrađenih u grafitne blokove. Drveni okvir podupirao je konstrukciju. Fermijeva štićenica, Leona Woods - jedina žena na projektu - pažljivo je mjerila dok je gomila rasla.

2. prosinca 1942. reaktor je bio spreman za testiranje. Sadržavao je 22.000 ingota urana i 380 tona grafita, kao i 40 tona uranovog oksida i šest tona metalnog urana. Za izgradnju reaktora bilo je potrebno 2,7 milijuna dolara. Eksperiment je započeo u 09-45. Na njemu je sudjelovalo 49 ljudi: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Hiberry, Woods, mladi stolar koji je izrađivao grafitne blokove i kadmijeve šipke, liječnici, obični studenti i drugi znanstvenici.

Troje ljudi činilo je “odred samoubojica” – bili su dio sigurnosnog sustava. Njihov je zadatak bio ugasiti požar ako nešto pođe po zlu. Tu je bila i kontrola: kontrolne šipke koje su bile na ručni pogon i šipka za slučaj opasnosti koja je bila vezana za ogradu balkona iznad reaktora. U slučaju nužde, uže je trebala prerezati osoba koja je posebno dežurala na balkonu, a šipka bi ugasila reakciju.

Godine 1553., prvi put u povijesti, započela je samoodrživa nuklearna lančana reakcija. Eksperiment je bio uspješan. Reaktor je radio 28 minuta.

Nuklearni reaktor radi glatko i precizno. U suprotnom, kao što znate, bit će problema. Ali što se događa unutra? Pokušajmo formulirati princip rada nuklearnog (atomskog) reaktora kratko, jasno, sa zaustavljanjima.

Tamo se zapravo odvija isti proces kao i kod nuklearne eksplozije. Tek sada se eksplozija događa vrlo brzo, au reaktoru se sve to proteže dugo. Na kraju sve ostaje sigurno, a mi dobivamo energiju. Ne toliko da se odmah sve okolo razbije, ali sasvim dovoljno da se grad opskrbi strujom.

kako radi reaktor NPP rashladni tornjevi
Prije nego što shvatite kako funkcionira kontrolirana nuklearna reakcija, morate znati što je nuklearna reakcija općenito.

Nuklearna reakcija je proces transformacije (fisije) atomskih jezgri tijekom njihove interakcije s elementarnim česticama i gama kvantima.

Nuklearne reakcije mogu se odvijati i uz apsorpciju i uz oslobađanje energije. U reaktoru se koriste druge reakcije.

Nuklearni reaktor je uređaj čija je namjena održavanje kontrolirane nuklearne reakcije uz oslobađanje energije.

Često se nuklearni reaktor naziva i nuklearni reaktor. Imajte na umu da ovdje nema temeljne razlike, ali sa stajališta znanosti ispravnije je koristiti riječ "nuklearno". Danas postoje mnoge vrste nuklearnih reaktora. To su ogromni industrijski reaktori dizajnirani za proizvodnju energije u elektranama, nuklearni podmorski reaktori, mali eksperimentalni reaktori koji se koriste u znanstveni eksperimenti. Postoje čak i reaktori koji se koriste za desalinizaciju morske vode.

Povijest stvaranja nuklearnog reaktora

Prvi nuklearni reaktor pušten je u rad ne tako davne 1942. godine. To se dogodilo u SAD-u pod vodstvom Fermija. Ovaj reaktor je nazvan "Chicago woodpile".

Godine 1946. pokrenut je prvi sovjetski reaktor pod vodstvom Kurčatova. Tijelo ovog reaktora bilo je lopta promjera sedam metara. Prvi reaktori nisu imali sustav hlađenja, a snaga im je bila minimalna. Inače, sovjetski reaktor imao je prosječnu snagu od 20 vata, dok je američki imao samo 1 vat. Za usporedbu: prosječna snaga modernih energetskih reaktora je 5 gigavata. Manje od deset godina nakon puštanja u rad prvog reaktora, u gradu Obninsku otvorena je prva svjetska industrijska nuklearna elektrana.

Princip rada nuklearnog (atomskog) reaktora

Svaki nuklearni reaktor ima nekoliko dijelova: jezgru s gorivom i moderatorom, reflektor neutrona, rashladno sredstvo, sustav upravljanja i zaštite. Kao gorivo u reaktorima najčešće se koriste izotopi urana (235, 238, 233), plutonija (239) i torija (232). Aktivna zona je kotao kroz koji teče obična voda (rashladno sredstvo). Među ostalim rashladnim tekućinama, "teška voda" i tekući grafit se rjeđe koriste. Ako govorimo o radu nuklearne elektrane, tada se nuklearni reaktor koristi za proizvodnju topline. Sama električna energija nastaje na isti način kao i kod drugih tipova elektrana - para vrti turbinu, a energija kretanja se pretvara u električnu energiju.

Ispod je dijagram rada nuklearnog reaktora.

shema rada nuklearnog reaktoraShema nuklearnog reaktora u nuklearnoj elektrani

Kao što smo već rekli, raspad teške jezgre urana proizvodi lakše elemente i nekoliko neutrona. Nastali neutroni sudaraju se s drugim jezgrama, također uzrokujući njihovu fisiju. U tom slučaju broj neutrona raste poput lavine.

Ovdje je potrebno spomenuti faktor množenja neutrona. Dakle, ako ovaj koeficijent prijeđe vrijednost jednaku jedan, dolazi do nuklearne eksplozije. Ako je vrijednost manja od jedan, ima premalo neutrona i reakcija se gasi. Ali ako održavate vrijednost koeficijenta jednaku jedan, reakcija će se odvijati dugo i stabilno.

Pitanje je kako to učiniti? U reaktoru se gorivo nalazi u takozvanim gorivim elementima (TVEL). To su šipke koje sadrže nuklearno gorivo u obliku malih kuglica. Gorivne šipke spojene su u šesterokutne kasete kojih u reaktoru može biti na stotine. Kasete s gorivim šipkama smještene su okomito, dok svaka gorivna šipka ima sustav koji vam omogućuje podešavanje dubine uranjanja u jezgru. Osim samih kazeta, među njima se nalaze kontrolne šipke i šipke za hitnu zaštitu. Šipke su izrađene od materijala koji dobro upija neutrone. Tako se kontrolne šipke mogu spustiti na različite dubine u jezgri, čime se podešava faktor umnožavanja neutrona. Šipke za hitne slučajeve dizajnirane su za gašenje reaktora u slučaju opasnosti.

Kako se pokreće nuklearni reaktor?

Shvatili smo sam princip rada, ali kako pokrenuti i učiniti da reaktor funkcionira? Grubo rečeno, evo ga - komad urana, ali uostalom, lančana reakcija u njemu ne počinje sama od sebe. Činjenica je da u nuklearnoj fizici postoji koncept kritične mase.

Nuklearno gorivo Nuklearno gorivo

Kritična masa je masa fisibilnog materijala potrebna za pokretanje nuklearne lančane reakcije.

Uz pomoć gorivih elemenata i upravljačkih šipki u reaktoru se prvo stvara kritična masa nuklearnog goriva, a zatim se reaktor u nekoliko stupnjeva dovodi na optimalnu snagu.

Svidjet će vam se: matematički trikovi za studente humanističkih znanosti i studente koji nisu ljudi (1. dio)
U ovom članku pokušali smo vam dati opću ideju o strukturi i principu rada nuklearnog (atomskog) reaktora. Ako još uvijek imate pitanja o toj temi ili je sveučilište postavilo problem u nuklearnoj fizici - obratite se stručnjacima naše tvrtke. Kao i obično, spremni smo vam pomoći u rješavanju bilo kojeg gorućeg pitanja vašeg studija. U međuvremenu, mi to radimo, vaša pozornost je još jedan edukativni video!

blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

Popularno u kategoriji: