rumah › Ulasan › Batang nuklir. Semua orang mendengar tapi tidak ada yang tahu

Batang nuklir. Semua orang mendengar tapi tidak ada yang tahu

Perangkat dan prinsip operasi

Mekanisme pelepasan daya

Transformasi suatu zat disertai dengan pelepasan energi bebas hanya jika zat tersebut memiliki cadangan energi. Yang terakhir berarti bahwa mikropartikel zat berada dalam keadaan dengan energi istirahat lebih besar daripada keadaan lain yang mungkin, transisi yang ada. Transisi spontan selalu dicegah oleh penghalang energi, untuk mengatasinya mikropartikel harus menerima sejumlah energi dari luar - energi eksitasi. Reaksi eksoenergi terdiri dari fakta bahwa dalam transformasi setelah eksitasi, lebih banyak energi dilepaskan daripada yang dibutuhkan untuk merangsang proses. Ada dua cara untuk mengatasi penghalang energi: baik karena energi kinetik partikel yang bertabrakan, atau karena energi pengikat partikel yang mengakses.

Jika kita mengingat skala makroskopis dari pelepasan energi, maka energi kinetik yang diperlukan untuk eksitasi reaksi harus memiliki semua atau setidaknya sebagian partikel dari zat tersebut. Ini hanya dapat dicapai dengan menaikkan suhu medium ke nilai di mana energi gerak termal mendekati nilai ambang energi yang membatasi jalannya proses. Dalam kasus transformasi molekuler, yaitu reaksi kimia, peningkatan seperti itu biasanya ratusan kelvin, dalam kasus reaksi nuklir setidaknya 10 7 karena sangat dataran tinggi Barrier Coulomb dari inti yang bertabrakan. Eksitasi termal dari reaksi nuklir telah dilakukan dalam praktiknya hanya dalam sintesis inti paling ringan, di mana hambatan Coulomb minimal (fusi termonuklir).

Eksitasi oleh partikel yang bergabung tidak memerlukan energi kinetik yang besar, dan, oleh karena itu, tidak bergantung pada suhu medium, karena hal itu terjadi karena ikatan yang tidak terpakai yang melekat pada partikel gaya tarik menarik. Namun di sisi lain, partikel itu sendiri diperlukan untuk memicu reaksi. Dan jika sekali lagi yang kita maksud bukanlah tindakan reaksi yang terpisah, tetapi produksi energi dalam skala makroskopik, maka ini hanya mungkin terjadi ketika reaksi berantai terjadi. Yang terakhir muncul ketika partikel yang membangkitkan reaksi muncul kembali sebagai produk dari reaksi eksoenergi.

Desain

Setiap reaktor nuklir terdiri dari bagian-bagian berikut:

Inti dengan bahan bakar nuklir dan moderator;
Reflektor neutron yang mengelilingi inti;
Sistem pengaturan reaksi berantai, termasuk perlindungan darurat;
Perlindungan radiasi;
Sistem kendali jarak jauh.

Prinsip operasi fisik

Lihat juga artikel utama:

Kondisi saat ini reaktor nuklir dapat dicirikan oleh faktor penggandaan neutron yang efektif k atau reaktivitas ρ , yang dihubungkan dengan hubungan berikut:

Nilai-nilai ini dicirikan oleh nilai-nilai berikut:

k> 1 - reaksi berantai meningkat seiring waktu, reaktor masuk superkritis negara, reaktivitasnya ρ > 0;
k < 1 - реакция затухает, реактор - subkritis, ρ < 0;
k = 1, ρ = 0 - jumlah fisi nuklir konstan, reaktor stabil kritis kondisi.

Kondisi kekritisan reaktor nuklir:

, Di mana

Konversi faktor perkalian menjadi satu dicapai dengan menyeimbangkan perkalian neutron dengan kerugiannya. Sebenarnya ada dua alasan kehilangan: penangkapan tanpa fisi dan kebocoran neutron di luar media pemuliaan.

Jelas, 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 untuk reaktor termal dapat ditentukan dengan apa yang disebut "rumus 4 faktor":

, Di mana

η adalah hasil neutron per dua penyerapan.

Volume reaktor daya modern dapat mencapai ratusan m³ dan ditentukan terutama bukan oleh kondisi kritis, tetapi oleh kemungkinan pembuangan panas.

Volume kritis reaktor nuklir - volume inti reaktor dalam keadaan kritis. Massa kritis adalah massa bahan fisil reaktor, yang berada dalam keadaan kritis.

Reaktor berbahan bakar larutan encer dari garam isotop fisil murni dengan reflektor neutron air memiliki massa kritis terendah. Untuk 235 U massa ini adalah 0,8 kg, untuk 239 Pu adalah 0,5 kg. Diketahui secara luas, bagaimanapun, bahwa massa kritis untuk reaktor LOPO (reaktor uranium diperkaya pertama di dunia), yang memiliki reflektor berilium oksida, adalah 0,565 kg, meskipun tingkat pengayaan isotop 235 hanya sedikit. lebih dari 14%. Secara teoritis, massa kritis terkecil memiliki, yang nilainya hanya 10 g.

Untuk mengurangi kebocoran neutron, inti diberi bentuk bulat atau hampir bulat, seperti silinder atau kubus pendek, karena angka ini memiliki rasio luas permukaan terhadap volume terkecil.

Terlepas dari kenyataan bahwa nilai (e - 1) biasanya kecil, peran penggandaan neutron cepat cukup besar, karena untuk reaktor nuklir besar (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Untuk memulai reaksi berantai, biasanya cukup banyak neutron yang dihasilkan selama fisi spontan inti uranium. Dimungkinkan juga untuk menggunakan sumber eksternal neutron untuk memulai reaktor, misalnya campuran dan, atau zat lain.

lubang yodium

Artikel utama: Lubang yodium

Lubang yodium - keadaan reaktor nuklir setelah dimatikan, ditandai dengan akumulasi isotop xenon berumur pendek. Proses ini mengarah pada munculnya sementara reaktivitas negatif yang signifikan, yang, pada gilirannya, tidak memungkinkan untuk membawa reaktor ke kapasitas desainnya untuk jangka waktu tertentu (sekitar 1-2 hari).

Klasifikasi

Dengan janji

Menurut sifat penggunaannya reaktor nuklir dibedakan menjadi:

Reaktor daya dirancang untuk menghasilkan energi listrik dan termal yang digunakan di sektor energi, serta untuk desalinasi air laut (reaktor desalinasi juga diklasifikasikan sebagai industri). Reaktor semacam itu terutama digunakan di pembangkit listrik tenaga nuklir. Daya termal reaktor daya modern mencapai 5 GW. Dalam grup terpisah, alokasikan:
- Reaktor transportasi dirancang untuk memasok energi ke mesin kendaraan. Kelompok aplikasi terluas adalah reaktor transportasi laut yang digunakan pada kapal selam dan berbagai kapal permukaan, serta reaktor yang digunakan dalam teknologi luar angkasa.
Reaktor eksperimental, dirancang untuk mempelajari berbagai besaran fisik, yang nilainya diperlukan untuk desain dan pengoperasian reaktor nuklir; kekuatan reaktor tersebut tidak melebihi beberapa kW.
Reaktor riset, di mana fluks neutron dan sinar gamma yang dibuat di inti digunakan untuk penelitian di bidang fisika nuklir, fisika keadaan padat, kimia radiasi, biologi, untuk menguji bahan yang dimaksudkan untuk operasi dalam fluks neutron yang intens (termasuk bagian reaktor nuklir), untuk produksi isotop. Kekuatan reaktor riset tidak melebihi 100 MW. Energi yang dilepaskan biasanya tidak digunakan.
Reaktor industri (senjata, isotop). digunakan untuk menghasilkan isotop yang digunakan di berbagai bidang. Paling banyak digunakan untuk produksi bahan kelas senjata nuklir, seperti 239 Pu. Industri juga termasuk reaktor yang digunakan untuk desalinasi air laut.

Seringkali reaktor digunakan untuk menyelesaikan dua atau lebih tugas yang berbeda, dalam hal ini disebut serba guna. Misalnya, beberapa reaktor daya, terutama pada awal energi nuklir, dimaksudkan terutama untuk eksperimen. Reaktor neutron cepat dapat menjadi penghasil daya dan penghasil isotop pada saat yang bersamaan. Reaktor industri, selain tugas utamanya, seringkali menghasilkan energi listrik dan panas.

Menurut spektrum neutron

Reaktor neutron termal (lambat) ("reaktor termal")
Reaktor neutron cepat ("reaktor cepat")

Dengan penempatan bahan bakar

Reaktor heterogen, di mana bahan bakar ditempatkan di inti secara terpisah dalam bentuk balok-balok, di antaranya terdapat moderator;
Reaktor homogen, dimana bahan bakar dan moderator merupakan campuran yang homogen (sistem homogen).

Dalam reaktor heterogen, bahan bakar dan moderator dapat dipisahkan jaraknya, khususnya dalam reaktor rongga, moderator-reflektor mengelilingi rongga dengan bahan bakar yang tidak mengandung moderator. Dari sudut pandang fisik-nuklir, kriteria homogenitas/heterogenitas bukanlah desainnya, melainkan penempatan blok bahan bakar pada jarak yang melebihi panjang moderasi neutron dalam suatu moderator tertentu. Misalnya, apa yang disebut reaktor "kisi-dekat" dirancang untuk menjadi homogen, meskipun bahan bakarnya biasanya dipisahkan dari moderator di dalamnya.

Blok bahan bakar nuklir dalam reaktor heterogen disebut rakitan bahan bakar (FA), yang ditempatkan di inti pada simpul kisi biasa, membentuk sel.

Menurut jenis bahan bakar

isotop uranium 235, 238, 233 ( 235 U , 238 U , 233 U)
isotop plutonium 239 ( 239 Pu), juga isotop 239-242 Pu sebagai campuran dengan 238 U (bahan bakar MOX)
isotop torium 232 (232 Th) (melalui konversi menjadi 233 U)

Menurut tingkat pengayaan:

uranium alam
uranium diperkaya rendah
uranium yang sangat diperkaya

Dengan komposisi kimia:

logam U
UC (uranium karbida), dll.

Menurut jenis pendingin

Gas, (lihat reaktor Grafit-gas)
D 2 O (air berat, lihat Reaktor nuklir air berat, CANDU)

Menurut jenis moderator

C (grafit, lihat Reaktor grafit-gas, Reaktor grafit-air)
H 2 O (air, lihat Reaktor air ringan, Reaktor air bertekanan, VVER)
D 2 O (air berat, lihat Reaktor nuklir air berat, CANDU)
Hidrida logam
Tanpa moderator (lihat reaktor neutron cepat)

Secara desain

metode pembangkitan uap

Reaktor dengan generator uap eksternal (Lihat PWR, VVER)

klasifikasi IAEA

PWR (reaktor air bertekanan) - reaktor air bertekanan (reaktor air bertekanan);
BWR (reaktor air mendidih) - reaktor air mendidih;
FBR (reaktor breeder cepat) - reaktor breeder cepat;
GCR (reaktor berpendingin gas) - reaktor berpendingin gas;
LWGR (reaktor grafit air ringan) - reaktor grafit-air
PHWR (reaktor air berat bertekanan) - reaktor air berat

Yang paling umum di dunia adalah reaktor air bertekanan (sekitar 62%) dan air mendidih (20%).

Bahan reaktor

Bahan dari mana reaktor dibangun beroperasi pada suhu tinggi di bidang neutron, γ-kuanta, dan fragmen fisi. Oleh karena itu, tidak semua bahan yang digunakan dalam cabang teknologi lain cocok untuk konstruksi reaktor. Saat memilih bahan reaktor, ketahanan radiasi, kelembaman kimia, penampang penyerapan, dan sifat lainnya diperhitungkan.

Ketidakstabilan radiasi bahan kurang terpengaruh pada suhu tinggi. Mobilitas atom menjadi begitu besar sehingga kemungkinan kembalinya atom yang terlempar dari kisi kristal ke tempatnya atau rekombinasi hidrogen dan oksigen menjadi molekul air meningkat secara nyata. Dengan demikian, radiolisis air tidak signifikan dalam reaktor daya yang tidak mendidih (misalnya, VVER), sedangkan dalam reaktor riset yang kuat sejumlah besar campuran eksplosif dilepaskan. Reaktor memiliki sistem khusus untuk membakarnya.

Bahan reaktor bersentuhan satu sama lain (kelongsong elemen bahan bakar dengan pendingin dan bahan bakar nuklir, kaset bahan bakar dengan pendingin dan moderator, dll.). Secara alami, bahan kontak harus inert secara kimiawi (kompatibel). Contoh ketidakcocokan adalah uranium dan air panas yang masuk ke dalam reaksi kimia.

Untuk sebagian besar material, sifat kekuatan menurun tajam dengan meningkatnya suhu. Dalam reaktor daya, bahan struktural beroperasi pada suhu tinggi. Hal ini membatasi pemilihan material struktural, terutama untuk bagian reaktor daya yang harus tahan terhadap tekanan tinggi.

Pembakaran dan reproduksi bahan bakar nuklir

Selama pengoperasian reaktor nuklir, karena akumulasi fragmen fisi dalam bahan bakar, komposisi isotop dan kimianya berubah, dan elemen transuranium, terutama isotop, terbentuk. Pengaruh fragmen fisi terhadap kereaktifan reaktor nuklir disebut peracunan(untuk fragmen radioaktif) dan terak(untuk isotop stabil).

Alasan utama keracunan reaktor adalah, yang memiliki penampang penyerapan neutron terbesar (2,6 10 6 gudang). Waktu paruh 135 Xe T 1/2 = 9,2 jam; hasil pembagian adalah 6-7%. Bagian utama dari 135 Xe terbentuk sebagai hasil dari peluruhan ( T 1/2 = 6,8 jam). Jika terjadi keracunan, Kef berubah sebesar 1-3%. Penyerapan penampang 135 Xe yang besar dan adanya isotop perantara 135 I menyebabkan dua fenomena penting:

Untuk peningkatan konsentrasi 135 Xe dan, akibatnya, penurunan reaktivitas reaktor setelah penghentian atau pengurangan daya ("lubang yodium"), yang membuat penghentian jangka pendek dan fluktuasi daya output tidak mungkin. Efek ini diatasi dengan memperkenalkan margin reaktivitas di badan pengawas. Kedalaman dan durasi sumur yodium tergantung pada fluks neutron Ф: pada Ф = 5 10 18 neutron/(cm² sec), durasi sumur yodium adalah ~ 30 jam, dan kedalamannya 2 kali lebih besar dari perubahan stasioner di Keff disebabkan oleh keracunan 135 Xe.
Karena keracunan, fluktuasi spatio-temporal dari fluks neutron Ф, dan akibatnya, daya reaktor, dapat terjadi. Fluktuasi ini terjadi pada Ф > 10 18 neutron/(cm² sec) dan ukuran reaktor yang besar. Periode osilasi ˜ 10 jam.

Selama fisi nuklir, nomor besar fragmen stabil yang berbeda dalam penampang absorpsinya dibandingkan dengan penampang absorpsi isotop fisil. Konsentrasi fragmen dengan nilai bagus penampang penyerapan mencapai saturasi selama beberapa hari pertama operasi reaktor. Ini sebagian besar adalah TVEL dari "usia" yang berbeda.

Dalam kasus penggantian bahan bakar lengkap, reaktor memiliki reaktivitas berlebih, yang harus dikompensasi, sedangkan dalam kasus kedua, kompensasi hanya diperlukan pada start pertama reaktor. Pengisian bahan bakar terus menerus memungkinkan untuk meningkatkan kedalaman pembakaran, karena reaktivitas reaktor ditentukan oleh konsentrasi rata-rata isotop fisil.

Massa bahan bakar yang dimuat melebihi massa yang dibongkar karena "berat" energi yang dilepaskan. Setelah reaktor dimatikan, pertama-tama terutama karena fisi oleh neutron yang tertunda, dan kemudian, setelah 1-2 menit, karena radiasi β- dan γ dari fragmen fisi dan elemen transuranium, energi terus dilepaskan dalam bahan bakar. Jika reaktor bekerja cukup lama sebelum dimatikan, maka 2 menit setelah dimatikan, pelepasan energi sekitar 3%, setelah 1 jam - 1%, setelah satu hari - 0,4%, setelah satu tahun - 0,05% dari daya awal.

Rasio jumlah isotop Pu yang terbentuk dalam reaktor nuklir dengan jumlah 235 U yang terbakar disebut tingkat konversi K K . Nilai K K meningkat dengan menurunnya pengayaan dan pembakaran. Untuk reaktor air berat yang menggunakan uranium alam, dengan pembakaran 10 GW hari/t K K = 0,55, dan untuk pembakaran kecil (dalam hal ini, K K disebut koefisien plutonium awal) K K = 0,8. Jika sebuah reaktor nuklir terbakar dan menghasilkan isotop yang sama (reaktor pembiak), maka rasio laju reproduksi terhadap laju pembakaran disebut tingkat reproduksi K V. Dalam reaktor termal 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 sedang berkembang dan A air terjun.

Kontrol reaktor nuklir

Kontrol reaktor nuklir hanya dimungkinkan karena fakta bahwa selama fisi beberapa neutron terbang keluar dari fragmen dengan penundaan, yang dapat berkisar dari beberapa milidetik hingga beberapa menit.

Untuk mengontrol reaktor, digunakan batang penyerap, dimasukkan ke dalam inti, terbuat dari bahan yang menyerap neutron dengan kuat (terutama, dan beberapa lainnya) dan / atau larutan asam borat, ditambahkan ke pendingin dalam konsentrasi tertentu (regulasi boron) . Pergerakan batang dikendalikan oleh mekanisme khusus, penggerak, beroperasi pada sinyal dari operator atau peralatan untuk kontrol otomatis fluks neutron.

Dalam kasus berbagai keadaan darurat di setiap reaktor, pemutusan darurat reaksi berantai disediakan, dilakukan dengan menjatuhkan semua batang penyerap ke teras - sistem perlindungan darurat.

Sisa panas

Masalah penting yang terkait langsung dengan keselamatan nuklir adalah panas peluruhan. Ini fitur spesifik bahan bakar nuklir, yang terletak pada fakta bahwa, setelah penghentian reaksi berantai fisi dan inersia termal yang umum untuk sumber energi apa pun, pembangkitan panas dalam reaktor berlanjut untuk yang lain untuk waktu yang lama, yang menciptakan sejumlah masalah yang sulit secara teknis.

Panas peluruhan adalah konsekuensi dari peluruhan β- dan γ produk fisi, yang terakumulasi dalam bahan bakar selama pengoperasian reaktor. Inti dari produk fisi, sebagai akibat dari peluruhan, berubah menjadi keadaan yang lebih stabil atau sepenuhnya stabil dengan pelepasan energi yang signifikan.

Meskipun laju pelepasan panas peluruhan dengan cepat turun ke nilai yang kecil dibandingkan dengan nilai stasioner, dalam reaktor daya daya tinggi ini signifikan secara absolut. Untuk alasan ini, pembangkitan panas sisa diperlukan lama memastikan penghilangan panas dari teras reaktor setelah dimatikan. Tugas ini memerlukan adanya sistem pendingin dengan catu daya yang andal dalam desain fasilitas reaktor, dan juga memerlukan penyimpanan bahan bakar nuklir bekas dalam jangka panjang (selama 3-4 tahun) di fasilitas penyimpanan dengan rezim suhu khusus - kolam bahan bakar bekas. , yang biasanya terletak di sekitar reaktor.

Lihat juga

Daftar reaktor nuklir yang dirancang dan dibangun di Uni Soviet

literatur

Levin V.E. Fisika nuklir dan reaktor nuklir. edisi ke-4 - M.: Atomizdat, 1979.
Shukolyukov A. Yu. “Uranus. reaktor nuklir alami. "Kimia dan Kehidupan" No. 6, 1980, hlm. 20-24

Catatan

"ZEEP - Reaktor Nuklir Pertama Kanada", Museum Sains dan Teknologi Kanada.
Greshilov A.A., Egupov N.D., Matushchenko A.M. Perisai nuklir. - M .: Logos, 2008. - 438 hal. -

Energi yang sangat besar dari sebuah atom kecil

“Ilmu yang baik adalah fisika! Hanya hidup yang singkat." Kata-kata ini milik seorang ilmuwan yang telah melakukan banyak hal luar biasa dalam fisika. Mereka pernah diucapkan oleh seorang akademisi Igor Vasilyevich Kurchatov, pencipta pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di dunia.

Pada 27 Juni 1954, pembangkit listrik unik ini mulai beroperasi. Umat \u200b\u200bmanusia memiliki sumber listrik lain yang kuat.

Jalan untuk menguasai energi atom itu panjang dan sulit. Itu dimulai pada dekade pertama abad ke-20 dengan penemuan radioaktivitas alami oleh Curie, dengan postulat Bohr, model atom planet Rutherford, dan buktinya, seperti yang terlihat sekarang, fakta yang jelas - inti dari setiap atom terdiri dari proton bermuatan positif dan neutron netral.

Pada tahun 1934, Frederic dan Irene Joliot-Curie (putri Marie Sklodowska-Curie dan Pierre Curie) menemukan bahwa dengan membombardir mereka dengan partikel alfa (inti atom helium), unsur kimia biasa dapat diubah menjadi unsur radioaktif. Fenomena baru disebut radioaktivitas buatan.

I. V. Kurchatov (kanan) dan A. I. Alikhanov (tengah) dengan guru mereka A. F. Ioffe. (Awal 30-an.)

Jika pengeboman semacam itu dilakukan dengan partikel yang sangat cepat dan berat, maka kaskade transformasi kimia dimulai. Unsur-unsur dengan radioaktivitas buatan secara bertahap akan digantikan oleh unsur-unsur stabil yang tidak akan meluruh lagi.

Dengan bantuan penyinaran atau pengeboman, mudah untuk mewujudkan impian para alkemis - membuat emas dari unsur kimia lainnya. Hanya biaya transformasi semacam itu yang secara signifikan akan melebihi harga emas yang diterima ...

Fisi inti uranium

Lebih banyak manfaat (dan, sayangnya, kecemasan) dibawa ke umat manusia oleh penemuan pada tahun 1938-1939 oleh sekelompok fisikawan dan kimiawan Jerman. pembelahan inti uranium. Ketika diiradiasi dengan neutron, inti uranium yang berat meluruh menjadi unsur kimia yang lebih ringan yang termasuk dalam bagian tengah sistem periodik Mendeleev, dan melepaskan beberapa neutron. Untuk inti unsur ringan, neutron ini ternyata tidak berguna ... Ketika inti uranium "membelah", reaksi berantai dapat dimulai: masing-masing dari dua atau tiga neutron yang dihasilkan mampu menghasilkan beberapa neutron secara bergantian, menabrak inti atom tetangganya.

Massa total produk dari reaksi nuklir seperti itu ternyata, seperti yang dihitung para ilmuwan, lebih kecil dari massa inti dari zat aslinya - uranium.

Menurut persamaan Einstein, yang menghubungkan massa dengan energi, seseorang dapat dengan mudah menentukan bahwa sejumlah besar energi harus dilepaskan dalam kasus ini! Dan itu akan terjadi dalam waktu yang sangat singkat. Kecuali, tentu saja, reaksi berantai menjadi tidak terkendali dan berakhir ...

Berjalan setelah konferensi E. Fermi (kanan) bersama muridnya B. Pontecorvo. (Basel, 1949)

Kemungkinan fisik dan teknis yang sangat besar yang tersembunyi dalam proses fisi uranium termasuk yang pertama diapresiasi Enrico Fermi, di usia tiga puluhan yang jauh dari abad kita, masih sangat muda, tetapi sudah diakui sebagai kepala sekolah fisikawan Italia. Jauh sebelum Perang Dunia Kedua, dia dan sekelompok karyawan berbakat menyelidiki perilaku berbagai zat di bawah iradiasi neutron dan menentukan bahwa efisiensi proses fisi uranium dapat ditingkatkan secara signifikan ... dengan memperlambat pergerakan neutron. Anehnya pada pandangan pertama, dengan penurunan kecepatan neutron, kemungkinan penangkapannya oleh inti uranium meningkat. Zat yang cukup terjangkau berfungsi sebagai "moderator" neutron yang efektif: parafin, karbon, air ...

Pindah ke AS, Fermi terus menjadi otak dan jantung penelitian nuklir di sana. Dua talenta, biasanya saling eksklusif, digabungkan dalam Fermi: seorang ahli teori yang luar biasa dan seorang eksperimen yang brilian. "Ini akan memakan waktu lama sebelum kita dapat melihat orang yang setara dengannya," tulis ilmuwan terkemuka W. Zinn setelah kematian Fermi yang terlalu dini akibat tumor ganas pada tahun 1954 pada usia 53 tahun.

Sebuah tim ilmuwan yang berkumpul di sekitar Fermi selama Perang Dunia Kedua memutuskan untuk membuat senjata dengan kekuatan penghancur yang belum pernah terjadi sebelumnya berdasarkan reaksi berantai fisi uranium - bom atom. Para ilmuwan sedang terburu-buru: bagaimana jika Nazi Jerman akan menjadi yang pertama membuat senjata baru dan menggunakannya dalam keinginannya yang tidak manusiawi untuk memperbudak orang lain?

Pembangunan reaktor nuklir di negara kita

Sudah pada tahun 1942, para ilmuwan berhasil mengumpulkan dan meluncurkan di wilayah stadion Universitas Chicago Pertama reaktor atom . Batang uranium dalam reaktor diselingi dengan "batu bata" karbon - moderator, dan jika reaksi berantai menjadi terlalu keras, reaksi itu dapat segera dihentikan dengan memasukkan pelat kadmium ke dalam reaktor, yang memisahkan batang uranium dan sepenuhnya menyerap neutron.

Para peneliti sangat bangga dengan perangkat sederhana yang mereka ciptakan untuk reaktor, yang kini membuat kita tersenyum. Salah satu karyawan Fermi di Chicago, fisikawan terkenal G. Anderson, mengenang bahwa timah kadmium dipaku pada balok kayu, yang, jika perlu, langsung diturunkan ke dalam ketel di bawah pengaruh gravitasinya sendiri, yang menjadi alasan untuk memberikannya. nama "instan". G. Anderson menulis: “Sebelum menyalakan ketel, batang ini harus ditarik ke atas dan diikat dengan tali. Jika terjadi kecelakaan, tali dapat dipotong dan "momen" akan terjadi di dalam ketel.

Reaksi berantai terkontrol diperoleh di reaktor atom, perhitungan dan prediksi teoretis diverifikasi. Serangkaian transformasi kimia terjadi di dalam reaktor, yang menghasilkan reaksi baru unsur kimia- plutonium. Itu, seperti uranium, dapat digunakan untuk membuat bom atom.

Para ilmuwan telah menentukan bahwa ada "massa kritis" uranium atau plutonium. Jika ada cukup bahan atom, reaksi berantai menyebabkan ledakan, jika kecil, kurang dari "massa kritis", maka panas dilepaskan begitu saja.

Pembangunan pembangkit listrik tenaga nuklir

Dalam bom atom dengan desain paling sederhana, dua buah uranium atau plutonium ditumpuk berdampingan, dan massa masing-masingnya sedikit di bawah massa kritis. Pada saat yang tepat, sekering dari bahan peledak biasa menghubungkan potongan-potongan itu, massa bahan bakar atom melebihi nilai kritis - dan pelepasan energi destruktif dari kekuatan mengerikan terjadi secara instan ...

Radiasi cahaya yang menyilaukan, gelombang kejut yang menyapu semua yang dilewatinya, dan radiasi radioaktif yang menembus menghantam penduduk dua kota Jepang - Hiroshima dan Nagasaki - setelah ledakan bom atom Amerika pada tahun 1945, dan sejak itu, orang-orang dibuat khawatir oleh konsekuensi mengerikan dari penggunaan senjata bom atom.

Di bawah kepemimpinan ilmiah pemersatu IV Kurchatov, fisikawan Soviet mengembangkan senjata atom.

Tetapi pemimpin karya-karya ini tidak berhenti memikirkan penggunaan energi atom secara damai. Lagi pula, reaktor nuklir harus didinginkan secara intensif, mengapa panas ini tidak "diberikan" ke turbin uap atau gas, tidak digunakan untuk memanaskan rumah?

Pipa dengan cairan logam dengan leleh rendah dilewatkan melalui reaktor nuklir. Logam yang dipanaskan memasuki penukar panas, di mana ia memindahkan panasnya ke air. Air berubah menjadi uap super panas, turbin mulai bekerja. Reaktor dikelilingi oleh cangkang pelindung yang terbuat dari beton dengan pengisi logam: radiasi radioaktif tidak boleh keluar.

Reaktor nuklir telah berubah menjadi pembangkit listrik tenaga nuklir, memberi orang cahaya yang tenang, kehangatan yang nyaman, dunia yang diinginkan ...

Untuk orang biasa perangkat berteknologi tinggi modern begitu misterius dan misterius sehingga tepat untuk menyembahnya, seperti orang dahulu menyembah petir. pelajaran sekolah fisikawan, penuh dengan perhitungan matematis, tidak menyelesaikan masalah. Tetapi menarik untuk diceritakan bahkan tentang reaktor nuklir, yang prinsip operasinya jelas bahkan bagi seorang remaja.

Bagaimana cara kerja reaktor nuklir?

Prinsip pengoperasian perangkat berteknologi tinggi ini adalah sebagai berikut:

Ketika neutron diserap, bahan bakar nuklir (paling sering ini uranium-235 atau plutonium-239) terjadi pembelahan inti atom;
Energi kinetik, radiasi gamma, dan neutron bebas dilepaskan;
Energi kinetik diubah menjadi energi panas (ketika inti bertabrakan dengan atom di sekitarnya), radiasi gamma diserap oleh reaktor itu sendiri dan juga diubah menjadi panas;
Beberapa neutron yang dihasilkan diserap oleh atom bahan bakar, yang menyebabkan reaksi berantai. Untuk mengendalikannya digunakan peredam dan moderator neutron;
Dengan bantuan pendingin (air, gas, atau natrium cair), panas dihilangkan dari tempat reaksi;
Uap bertekanan dari air panas digunakan untuk menggerakkan turbin uap;
Dengan bantuan generator, energi mekanik putaran turbin diubah menjadi arus listrik bolak-balik.

Pendekatan klasifikasi

Ada banyak alasan untuk tipologi reaktor:

Menurut jenis reaksi nuklir. Fisi (semua instalasi komersial) atau fusi (tenaga termonuklir, tersebar luas hanya di beberapa lembaga penelitian);
Oleh pendingin. Dalam sebagian besar kasus, air (mendidih atau berat) digunakan untuk tujuan ini. Solusi alternatif kadang-kadang digunakan: logam cair (natrium, paduan timbal-bismut, merkuri), gas (helium, karbon dioksida atau nitrogen), garam cair (garam fluorida);
Berdasarkan generasi. Yang pertama adalah prototipe awal, yang tidak masuk akal secara komersial. Yang kedua adalah sebagian besar pembangkit listrik tenaga nuklir yang saat ini digunakan dibangun sebelum tahun 1996. Generasi ketiga berbeda dari generasi sebelumnya hanya dalam perbaikan kecil. Pekerjaan pada generasi keempat masih berlangsung;
Menurut negara agregat bahan bakar (gas masih ada hanya di atas kertas);
Dengan tujuan penggunaan(untuk produksi listrik, start mesin, produksi hidrogen, desalinasi, transmutasi elemen, memperoleh radiasi saraf, tujuan teoretis dan investigasi).

Perangkat reaktor nuklir

Komponen utama reaktor di sebagian besar pembangkit listrik adalah:

Bahan bakar nuklir - zat yang diperlukan untuk produksi panas untuk turbin listrik (biasanya uranium yang diperkaya rendah);
Zona aktif reaktor nuklir - di sinilah reaksi nuklir berlangsung;
Moderator neutron - mengurangi kecepatan neutron cepat, mengubahnya menjadi neutron termal;
Sumber neutron awal - digunakan untuk peluncuran reaksi nuklir yang andal dan stabil;
Penyerap neutron - tersedia di beberapa pembangkit listrik untuk mengurangi reaktivitas tinggi bahan bakar segar;
Howitzer neutron - digunakan untuk memulai kembali reaksi setelah dimatikan;
Pendingin (air murni);
Batang kendali - untuk mengontrol laju fisi inti uranium atau plutonium;
Pompa air - memompa air ke ketel uap;
Turbin uap - mengubah energi termal uap menjadi energi mekanik rotasi;
Menara pendingin - alat untuk membuang panas berlebih ke atmosfer;
sistem penerimaan dan penyimpanan limbah radioaktif;
Sistem keselamatan (generator diesel darurat, perangkat untuk pendinginan inti darurat).

Cara kerja model terbaru

Reaktor generasi ke-4 terbaru akan tersedia untuk operasi komersial tidak lebih awal dari tahun 2030. Saat ini, prinsip dan pengaturan pekerjaan mereka sedang dalam tahap pengembangan. Menurut data saat ini, modifikasi ini akan berbeda dari model yang sudah ada manfaat:

Sistem pendingin gas cepat. Diasumsikan bahwa helium akan digunakan sebagai pendingin. Berdasarkan dokumentasi proyek, sehingga memungkinkan untuk mendinginkan reaktor dengan temperatur 850 °C. Untuk bekerja pada suhu setinggi itu, bahan baku khusus juga diperlukan: bahan keramik komposit dan senyawa aktinida;
Dimungkinkan untuk menggunakan timbal atau paduan timbal-bismut sebagai pendingin utama. Bahan-bahan ini memiliki daya serap neutron yang rendah dan relatif suhu rendah meleleh;
Juga, campuran garam cair dapat digunakan sebagai pendingin utama. Dengan demikian, dimungkinkan untuk bekerja pada suhu yang lebih tinggi daripada analog modern dengan pendinginan air.

Analog alami di alam

Reaktor nuklir dianggap sebagai kesadaran publik eksklusif sebagai produk teknologi tinggi. Namun, sebenarnya yang pertama perangkat ini berasal dari alam. Ditemukan di wilayah Oklo, di negara bagian Gabon, Afrika Tengah:

Reaktor tersebut terbentuk akibat banjir batuan uranium air tanah. Mereka bertindak sebagai moderator neutron;
Energi panas yang dilepaskan selama peluruhan uranium mengubah air menjadi uap, dan reaksi berantai berhenti;
Setelah suhu cairan pendingin turun, semuanya terulang kembali;
Jika cairan tidak mendidih dan menghentikan jalannya reaksi, umat manusia akan menghadapi bencana alam baru;
Fisi nuklir mandiri dimulai di reaktor ini sekitar satu setengah miliar tahun yang lalu. Selama ini, sekitar 0,1 juta watt daya keluaran dialokasikan;
Keajaiban dunia di Bumi seperti itu adalah satu-satunya yang diketahui. Munculnya yang baru tidak mungkin: proporsi uranium-235 dalam bahan mentah alami jauh lebih rendah daripada tingkat yang diperlukan untuk mempertahankan reaksi berantai.

Berapa banyak reaktor nuklir di Korea Selatan?

Miskin Sumber daya alam, tetapi Republik Korea yang terindustrialisasi dan padat penduduk sangat membutuhkan energi. Dengan latar belakang penolakan Jerman terhadap atom damai, negara ini memiliki harapan besar untuk mengekang teknologi nuklir:

Direncanakan pada tahun 2035 pangsa listrik yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga nuklir akan mencapai 60%, dan total produksi - lebih dari 40 gigawatt;
Negara itu tidak memiliki senjata atom, tetapi penelitian dalam fisika nuklir sedang berlangsung. Ilmuwan Korea telah mengembangkan desain reaktor modern: modular, hidrogen, dengan logam cair, dll.;
Keberhasilan peneliti lokal memungkinkan Anda menjual teknologi ke luar negeri. Diharapkan dalam 15-20 tahun ke depan negara tersebut akan mengekspor 80 unit tersebut;
Namun hingga hari ini, sebagian besar pembangkit listrik tenaga nuklir telah dibangun dengan bantuan ilmuwan Amerika atau Prancis;
Jumlah stasiun operasi relatif kecil (hanya empat), tetapi masing-masing memiliki jumlah reaktor yang signifikan - total 40, dan angka ini akan bertambah.

Ketika dibombardir dengan neutron, bahan bakar nuklir masuk ke dalam reaksi berantai, yang menghasilkan panas dalam jumlah besar. Air dalam sistem mengambil panas ini dan mengubahnya menjadi uap, yang memutar turbin yang menghasilkan listrik. Di Sini sirkuit sederhana pengoperasian reaktor nuklir, sumber energi paling kuat di Bumi.

Video: cara kerja reaktor nuklir

Dalam video ini, fisikawan nuklir Vladimir Chaikin akan memberi tahu Anda bagaimana listrik dihasilkan dalam reaktor nuklir, struktur terperincinya:

Dibangun di bawah tribun barat lapangan sepak bola Universitas Chicago dan dihidupkan pada 2 Desember 1942, Chicago Pile-1 (CP-1) adalah reaktor nuklir pertama di dunia. Itu terdiri dari blok grafit dan uranium, dan juga memiliki batang kendali kadmium, indium dan perak, tetapi tidak memiliki proteksi radiasi dan sistem pendingin. Direktur ilmiah proyek tersebut, fisikawan Enrico Fermi, menggambarkan SR-1 sebagai "tumpukan lembap dari batu bata hitam dan batang kayu."

Pengerjaan reaktor dimulai pada 16 November 1942. Pekerjaan sulit telah dilakukan. Fisikawan dan staf universitas bekerja sepanjang waktu. Mereka membangun jaringan 57 lapisan oksida uranium dan ingot uranium yang tertanam dalam blok grafit. Bingkai kayu menopang struktur itu. Anak didik Fermi, Leona Woods - satu-satunya wanita di proyek tersebut - melakukan pengukuran dengan hati-hati saat tumpukan itu bertambah.

Pada tanggal 2 Desember 1942, reaktor siap untuk diuji. Isinya 22.000 ingot uranium dan mengambil 380 ton grafit, serta 40 ton uranium oksida dan enam ton logam uranium. Butuh $ 2,7 juta untuk membangun reaktor. Eksperimen dimulai pukul 09-45. Dihadiri oleh 49 orang: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Hiberry, Woods, seorang tukang kayu muda yang membuat balok grafit dan batang kadmium, dokter, siswa biasa, dan ilmuwan lainnya.

Tiga orang membentuk "regu bunuh diri" - mereka adalah bagian dari sistem keamanan. Tugas mereka adalah memadamkan api jika terjadi kesalahan. Ada juga kontrol: batang kendali yang dioperasikan secara manual dan batang darurat yang diikatkan pada pagar balkon di atas reaktor. Jika terjadi keadaan darurat, tali itu harus dipotong oleh orang yang bertugas khusus di balkon, dan tongkat itu akan memadamkan reaksinya.

Pada tahun 1553, untuk pertama kalinya dalam sejarah, reaksi berantai nuklir mandiri dimulai. Eksperimen itu sukses. Reaktor bekerja selama 28 menit.

Reaktor nuklir bekerja dengan lancar dan akurat. Kalau tidak, seperti yang Anda tahu, akan ada masalah. Tapi apa yang terjadi di dalam? Mari kita coba merumuskan prinsip pengoperasian reaktor nuklir (atomik) secara singkat, jelas, dengan berhenti.

Nyatanya, proses yang sama terjadi di sana seperti dalam ledakan nuklir. Baru sekarang ledakan terjadi dengan sangat cepat, dan di dalam reaktor semua ini berlangsung lama. Pada akhirnya, semuanya tetap aman dan sehat, dan kita mendapatkan energi. Tidak begitu banyak sehingga segala sesuatu di sekitarnya langsung hancur, tetapi cukup untuk menyediakan listrik ke kota.

cara kerja reaktorMenara pendingin PLTN
Sebelum Anda memahami cara kerja reaksi nuklir terkontrol, Anda perlu mengetahui apa itu reaksi nuklir secara umum.

Reaksi nuklir adalah proses transformasi (fisi) inti atom selama interaksinya dengan partikel dasar dan gamma kuanta.

Reaksi nuklir dapat terjadi baik dengan penyerapan maupun dengan pelepasan energi. Reaksi kedua digunakan dalam reaktor.

Reaktor nuklir adalah perangkat yang tujuannya adalah untuk mempertahankan reaksi nuklir yang terkendali dengan pelepasan energi.

Seringkali reaktor nuklir juga disebut reaktor nuklir. Perhatikan bahwa tidak ada perbedaan mendasar di sini, tetapi dari sudut pandang sains, lebih tepat menggunakan kata "nuklir". Sekarang ada banyak jenis reaktor nuklir. Ini adalah reaktor industri besar yang dirancang untuk menghasilkan energi di pembangkit listrik, reaktor kapal selam nuklir, reaktor eksperimental kecil yang digunakan percobaan ilmiah. Bahkan ada reaktor yang digunakan untuk desalinasi air laut.

Sejarah penciptaan reaktor nuklir

Reaktor nuklir pertama diluncurkan tidak lama lagi pada tahun 1942. Itu terjadi di AS di bawah kepemimpinan Fermi. Reaktor ini disebut "tumpukan kayu Chicago".

Pada tahun 1946, reaktor Soviet pertama dimulai di bawah kepemimpinan Kurchatov. Badan reaktor ini berbentuk bola berdiameter tujuh meter. Reaktor pertama tidak memiliki sistem pendingin, dan tenaganya minimal. Omong-omong, reaktor Soviet memiliki daya rata-rata 20 watt, sedangkan reaktor Amerika hanya 1 watt. Sebagai perbandingan: daya rata-rata reaktor daya modern adalah 5 Gigawatt. Kurang dari sepuluh tahun setelah peluncuran reaktor pertama, pembangkit listrik tenaga nuklir industri pertama di dunia dibuka di kota Obninsk.

Prinsip pengoperasian reaktor nuklir (atom).

Setiap reaktor nuklir memiliki beberapa bagian: inti dengan bahan bakar dan moderator, reflektor neutron, pendingin, sistem kontrol dan proteksi. Isotop uranium (235, 238, 233), plutonium (239) dan torium (232) paling sering digunakan sebagai bahan bakar reaktor. Zona aktif adalah ketel tempat air biasa (pendingin) mengalir. Di antara pendingin lainnya, "air berat" dan grafit cair lebih jarang digunakan. Jika kita berbicara tentang pengoperasian pembangkit listrik tenaga nuklir, maka reaktor nuklir digunakan untuk menghasilkan panas. Listrik itu sendiri dihasilkan dengan cara yang sama seperti pada jenis pembangkit listrik lainnya - uap memutar turbin, dan energi gerak diubah menjadi energi listrik.

Di bawah ini adalah diagram pengoperasian reaktor nuklir.

skema pengoperasian reaktor nuklir Skema reaktor nuklir di pembangkit listrik tenaga nuklir

Seperti yang telah kami katakan, peluruhan inti uranium yang berat menghasilkan unsur yang lebih ringan dan sedikit neutron. Neutron yang dihasilkan bertabrakan dengan inti lain, juga menyebabkannya membelah. Dalam hal ini, jumlah neutron bertambah seperti longsoran salju.

Di sini perlu disebutkan faktor perkalian neutron. Jadi, jika koefisien ini melebihi nilai yang sama dengan satu, terjadi ledakan nuklir. Jika nilainya kurang dari satu, jumlah neutron terlalu sedikit dan reaksi akan mati. Tetapi jika Anda mempertahankan nilai koefisien sama dengan satu, reaksi akan berlangsung lama dan stabil.

Pertanyaannya adalah bagaimana melakukannya? Di reaktor, bahan bakarnya disebut elemen bahan bakar (TVEL). Ini adalah batang yang mengandung bahan bakar nuklir dalam bentuk pelet kecil. Batang bahan bakar dihubungkan ke kaset heksagonal, yang jumlahnya bisa ratusan di reaktor. Kaset dengan batang bahan bakar terletak secara vertikal, sedangkan setiap batang bahan bakar memiliki sistem yang memungkinkan Anda menyesuaikan kedalaman pencelupannya ke inti. Selain kaset itu sendiri, ada batang kendali dan batang pelindung darurat di antaranya. Batang terbuat dari bahan yang menyerap neutron dengan baik. Dengan demikian, batang kendali dapat diturunkan ke kedalaman berbeda di teras, sehingga menyesuaikan faktor penggandaan neutron. Batang darurat dirancang untuk mematikan reaktor jika terjadi keadaan darurat.

Bagaimana reaktor nuklir dimulai?

Kami menemukan prinsip operasi, tetapi bagaimana cara memulai dan membuat reaktor berfungsi? Secara kasar, ini dia - sepotong uranium, tetapi reaksi berantai tidak dimulai dengan sendirinya. Faktanya, dalam fisika nuklir terdapat konsep massa kritis.

Bahan bakar nuklirBahan bakar nuklir

Massa kritis adalah massa bahan fisil yang diperlukan untuk memulai reaksi berantai nuklir.

Dengan bantuan elemen bahan bakar dan batang kendali, massa kritis bahan bakar nuklir pertama kali dibuat di dalam reaktor, dan kemudian reaktor dibawa ke tingkat daya optimal dalam beberapa tahap.

Anda akan Menyukai: Trik Matematika untuk Humaniora dan Siswa Non-Manusia (Bagian 1)
Pada artikel ini, kami telah mencoba memberi Anda gambaran umum tentang struktur dan prinsip pengoperasian reaktor nuklir (atom). Jika Anda masih memiliki pertanyaan tentang topik tersebut atau universitas menanyakan masalah dalam fisika nuklir - silakan hubungi spesialis perusahaan kami. Kami, seperti biasa, siap membantu Anda menyelesaikan masalah mendesak apa pun dari studi Anda. Sementara itu, kami sedang melakukan ini, perhatian Anda adalah video pendidikan lainnya!

blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

Populer dalam kategori: