Dom › Salon › Struktura atomskog nuklearnog reaktora. Nuklearni reaktor: princip rada, karakteristike, opis

Struktura atomskog nuklearnog reaktora. Nuklearni reaktor: princip rada, karakteristike, opis

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:

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 vrijeme. 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 kazete, 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 ovoj 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/

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! Neutroni u procesu nuklearne reakcije iznimno su 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 što je prvi došao nuklearni reaktori, svijet je naučio nekoliko novih zakona fizike, tumačeći sve važne aspekte 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. Kurčatova. 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 se ne odvija niti jedno moderno znanstveno iskustvo ili istraživanje.

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.

Svaki dan koristimo električnu energiju i ne razmišljamo o tome kako je ona proizvedena i kako je došla do nas. Ipak, to je jedan od najvažnijih dijelova moderne civilizacije. Bez struje ne bi bilo ničega - ni svjetla, ni topline, ni kretanja.

Svi znaju da se električna energija proizvodi u elektranama, uključujući i nuklearne. Srce svake nuklearne elektrane je nuklearni reaktor. To je ono o čemu ćemo raspravljati u ovom članku.

nuklearni reaktor, uređaj u kojem se odvija kontrolirana nuklearna lančana reakcija uz oslobađanje topline. U osnovi, ovi uređaji služe za proizvodnju električne energije i kao pogon za velike brodove. Da bismo zamislili snagu i učinkovitost nuklearnih reaktora, možemo dati primjer. Dok bi prosječnom nuklearnom reaktoru trebalo 30 kilograma urana, prosječnoj termoelektrani trebalo bi 60 vagona ugljena ili 40 spremnika loživog ulja.

prototip nuklearni reaktor izgrađen je u prosincu 1942. u SAD-u pod vodstvom E. Fermija. Bio je to takozvani "Chicago stack". Chicago Pile (naknadna riječ"Gomila" je uz druga značenja počela označavati nuklearni reaktor). Ovo mu je ime dano zbog činjenice da je nalikovao velikoj hrpi grafitnih blokova položenih jedan na drugi.

Između blokova postavljena su sferna "radna tijela" prirodnog urana i njegovog dioksida.

U SSSR-u je prvi reaktor izgrađen pod vodstvom akademika IV Kurchatova. Reaktor F-1 pušten je u rad 25. prosinca 1946. godine. Reaktor je bio kuglastog oblika i promjera oko 7,5 metara. Nije imao sustav hlađenja, pa je radio na vrlo niskim razinama snage.

Istraživanja su nastavljena i 27. lipnja 1954. u gradu Obninsku puštena je u pogon prva nuklearna elektrana na svijetu snage 5 MW.

Princip rada nuklearnog reaktora.

Tijekom raspada urana U 235 oslobađa se toplina, popraćena oslobađanjem dva ili tri neutrona. Prema statistici - 2,5. Ti se neutroni sudaraju s drugim atomima urana U 235 . U sudaru se uran U 235 pretvara u nestabilni izotop U 236, koji se gotovo odmah raspada na Kr 92 i Ba 141 + ta ista 2-3 neutrona. Raspad je popraćen oslobađanjem energije u obliku gama zračenja i topline.

To se zove lančana reakcija. Atomi se dijele, broj raspada eksponencijalno raste, što u konačnici dovodi do munjevitog, za naše standarde, oslobađanja ogromne količine energije – dolazi do atomske eksplozije, kao posljedice nekontrolirane lančane reakcije.

Međutim, u nuklearni reaktor imamo posla s kontrolirana nuklearna reakcija. Kako je to moguće, opisano je dalje.

Uređaj nuklearnog reaktora.

Trenutno postoje dvije vrste nuklearnih reaktora VVER (vodno-tlačni energetski reaktor) i RBMK (kanalni reaktor velike snage). Razlika je u tome što je RBMK reaktor s kipućom vodom, a VVER koristi vodu pod pritiskom od 120 atmosfera.

reaktor VVER 1000. 1 - CPS pogon; 2 - poklopac reaktora; 3 - posuda reaktora; 4 - blok zaštitnih cijevi (BZT); 5 - moj; 6 - pregrada jezgre; 7 - sklopovi goriva (FA) i upravljačke šipke;

Svaki nuklearni reaktor industrijskog tipa je kotao kroz koji teče rashladno sredstvo. U pravilu je to obična voda (cca. 75% u svijetu), tekući grafit (20%) i teška voda (5%). U eksperimentalne svrhe korišten je berilij i pretpostavljen je ugljikovodik.

TVEL- (gorivi element). To su šipke u cirkonijskoj ljusci s legiranom niobijem unutar koje se nalaze tablete uranovog dioksida.

Gorivi elementi u kaseti označeni su zelenom bojom.

Sklop kasete za gorivo.

Jezgra reaktora sastoji se od stotina kazeta postavljenih okomito i spojenih metalnom ljuskom - tijelom, koje također ima ulogu reflektora neutrona. Među kazetama su u pravilnim razmacima umetnute kontrolne šipke i šipke za hitnu zaštitu reaktora, koje su u slučaju pregrijavanja predviđene za gašenje reaktora.

Navedimo kao primjer podatke o reaktoru VVER-440:

Kontroleri se mogu kretati gore-dolje tonući, ili obrnuto, napuštajući jezgru, gdje je reakcija najintenzivnija. To osiguravaju snažni elektromotori, zajedno sa sustavom upravljanja.Zaštitne šipke za hitne slučajeve su dizajnirane da zatvore reaktor u slučaju opasnosti, padnu u jezgru i apsorbiraju više slobodnih neutrona.

Svaki reaktor ima poklopac kroz koji se pune i vade stare i nove kazete.

Toplinska izolacija obično se postavlja na vrh reaktorske posude. Sljedeća prepreka je biološka zaštita. Obično je to bunker od armiranog betona, čiji je ulaz zatvoren zračnom komorom sa zapečaćenim vratima. Biološka zaštita osmišljena je tako da ne ispusti radioaktivnu paru i dijelove reaktora u atmosferu, ako ipak dođe do eksplozije.

Nuklearna eksplozija u modernim reaktorima vrlo je malo vjerojatna. Budući da gorivo nije dovoljno obogaćeno, i podijeljeno je na TVEL. Čak i ako se jezgra otopi, gorivo neće moći tako aktivno reagirati. Maksimalno što se može dogoditi je toplinska eksplozija, kao u Černobilu, kada je tlak u reaktoru dosegao takve vrijednosti da je metalno kućište jednostavno rastrgano, a poklopac reaktora, težak 5000 tona, napravio je skok i probio se. krov reaktorskog odjeljka i ispuštanje pare van. Da je nuklearna elektrana u Černobilu bila opremljena pravom biološkom zaštitom, poput današnjeg sarkofaga, tada bi katastrofa čovječanstvo koštala puno manje.

Rad nuklearne elektrane.

Ukratko, raboboa izgleda ovako.

Nuklearna elektrana. (može se kliknuti)

Nakon ulaska u jezgru reaktora uz pomoć pumpi voda se zagrijava od 250 do 300 stupnjeva i izlazi s “druge strane” reaktora. To se zove prva petlja. Zatim odlazi u izmjenjivač topline, gdje se susreće s drugim krugom. Nakon toga para pod pritiskom ulazi u lopatice turbine. Turbine proizvode električnu energiju.

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.

Prije nego što shvatite kako funkcionira kontrolirana nuklearna reakcija, morate znati što nuklearna reakcija uopće.

nuklearna reakcija - ovo 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 - Riječ je o uređaju 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 znanstvenim eksperimentima. 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: jezgra S gorivo I moderator , reflektor neutrona , rashladna tekućina , sustav upravljanja i zaštite . Izotopi su najčešće korišteno gorivo u reaktorima. uran (235, 238, 233), plutonij (239) i torij (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 se proizvodi na isti način kao i kod drugih tipova elektrana - para okreće turbinu, a energija kretanja se pretvara u električnu energiju.

Ispod je dijagram rada nuklearnog reaktora.

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 tzv gorivi elementi (TVELah). To su štapići u kojima se, u obliku malih tableta, nuklearno gorivo . Gorivne šipke spojene su u šesterokutne kazete, 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 su 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?

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.

U ovom članku pokušali smo vam dati opću ideju o strukturi i principu rada nuklearnog (atomskog) reaktora. Ako imate bilo kakvih pitanja o temi ili je sveučilište postavilo problem iz nuklearne fizike, obratite se stručnjaci 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!

Popularno u kategoriji: