rumah › Salon › Struktur reaktor nuklir atom. Reaktor nuklir: prinsip operasi, karakteristik, deskripsi

Struktur reaktor nuklir atom. Reaktor nuklir: prinsip operasi, karakteristik, deskripsi

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 saat 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:

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 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 elementer dan gamma quanta.

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/

Di pertengahan abad ke-20, perhatian umat manusia tertuju pada atom dan penjelasan para ilmuwan tentang reaksi nuklir, yang awalnya mereka putuskan untuk digunakan untuk keperluan militer, dengan menemukan bom nuklir pertama di bawah Proyek Manhattan. Namun pada tahun 50-an abad XX, reaktor nuklir di Uni Soviet digunakan untuk tujuan damai. Diketahui bahwa pada tanggal 27 Juni 1954, pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di dunia dengan kapasitas 5.000 kW mulai beroperasi untuk umat manusia. Saat ini, reaktor nuklir dapat menghasilkan listrik sebesar 4.000 MW atau lebih, yaitu 800 kali lipat dari setengah abad yang lalu.

Apa itu reaktor nuklir: definisi dasar dan komponen utama unit

Reaktor nuklir adalah unit khusus yang dengannya energi dihasilkan sebagai hasil pemeliharaan yang benar dari reaksi nuklir terkontrol. Penggunaan kata "atom" dalam kombinasi dengan kata "reaktor" diperbolehkan. Banyak yang umumnya menganggap konsep "nuklir" dan "atom" sebagai sinonim, karena mereka tidak menemukan perbedaan mendasar di antara keduanya. Tetapi perwakilan sains cenderung ke kombinasi yang lebih tepat - "reaktor nuklir".

Menarik fakta! Reaksi nuklir dapat dilanjutkan dengan pelepasan atau penyerapan energi.

Komponen utama dalam perangkat reaktor nuklir adalah elemen-elemen berikut:

Moderator;
Batang kendali;
Batang yang mengandung campuran isotop uranium yang diperkaya;
Elemen pelindung khusus terhadap radiasi;
Pendingin;
generator uap;
Turbin;
Generator;
Kapasitor;
Bahan bakar nuklir.

Apa prinsip dasar pengoperasian reaktor nuklir yang ditentukan oleh fisikawan dan mengapa prinsip tersebut tidak tergoyahkan

Prinsip dasar pengoperasian reaktor nuklir didasarkan pada ciri-ciri manifestasi reaksi nuklir. Pada saat proses nuklir rantai fisik standar, partikel berinteraksi dengan inti atom, akibatnya inti berubah menjadi yang baru dengan pelepasan partikel sekunder, yang oleh para ilmuwan disebut gamma quanta. Selama reaksi berantai nuklir, sejumlah besar energi panas dilepaskan. Ruang di mana reaksi berantai berlangsung disebut teras reaktor.

Menarik fakta! Zona aktif secara lahiriah menyerupai ketel tempat air biasa mengalir, yang bertindak sebagai pendingin.

Untuk mencegah hilangnya neutron, area inti reaktor dikelilingi oleh reflektor neutron khusus. Tugas utamanya adalah menolak sebagian besar neutron yang dipancarkan ke inti. Reflektor biasanya merupakan zat yang sama yang berfungsi sebagai moderator.

Kontrol utama reaktor nuklir terjadi dengan bantuan batang kendali khusus. Diketahui bahwa batang ini dimasukkan ke dalam teras reaktor dan menciptakan semua kondisi untuk pengoperasian unit. Biasanya, batang kendali terbuat dari senyawa kimia boron dan kadmium. Mengapa unsur-unsur ini digunakan? Ya, semua karena boron atau kadmium mampu menyerap neutron termal secara efektif. Dan segera setelah peluncuran direncanakan, sesuai dengan prinsip pengoperasian reaktor nuklir, batang kendali dimasukkan ke dalam inti. Tugas utama mereka adalah menyerap sebagian besar neutron, sehingga memicu perkembangan reaksi berantai. Hasilnya harus mencapai level yang diinginkan. Ketika daya meningkat di atas level yang ditentukan, mesin otomatis dihidupkan, yang harus membenamkan batang kendali jauh ke dalam teras reaktor.

Dengan demikian, menjadi jelas bahwa batang kendali atau kendali memainkan peran penting dalam pengoperasian reaktor nuklir termal.

Dan untuk mengurangi kebocoran neutron, inti reaktor dikelilingi oleh reflektor neutron yang melemparkan sejumlah besar neutron yang dipancarkan secara bebas ke dalam inti. Dalam pengertian reflektor, biasanya zat yang sama digunakan untuk moderator.

Menurut standar, inti atom zat moderator memiliki massa yang relatif kecil, sehingga ketika bertabrakan dengan inti ringan, neutron yang ada dalam rantai kehilangan lebih banyak energi daripada ketika bertabrakan dengan yang berat. Moderator yang paling umum adalah air biasa atau grafit.

Menarik fakta! Neutron dalam proses reaksi nuklir sangat luar biasa kecepatan tinggi gerakan, dan oleh karena itu diperlukan moderator, mendorong neutron kehilangan sebagian energinya.

Tidak ada satu pun reaktor di dunia yang dapat berfungsi secara normal tanpa bantuan pendingin, karena tujuannya adalah untuk menghilangkan energi yang dihasilkan di jantung reaktor. Cairan atau gas harus digunakan sebagai pendingin, karena tidak mampu menyerap neutron. Mari kita beri contoh pendingin untuk reaktor nuklir kompak - air, karbon dioksida, dan kadang-kadang bahkan natrium logam cair.

Dengan demikian, prinsip pengoperasian reaktor nuklir sepenuhnya didasarkan pada hukum reaksi berantai, jalannya. Semua komponen reaktor - moderator, batang, pendingin, bahan bakar nuklir - melakukan tugasnya, menyebabkan operasi normal reaktor.

Bahan bakar apa yang digunakan untuk reaktor nuklir dan mengapa elemen kimia ini dipilih

Bahan bakar utama dalam reaktor dapat berupa isotop uranium, juga plutonium atau torium.

Kembali pada tahun 1934, F. Joliot-Curie, yang mengamati proses pembelahan inti uranium, memperhatikan bahwa akibatnya reaksi kimia inti uranium dibagi menjadi fragmen-inti dan dua atau tiga neutron bebas. Artinya, ada kemungkinan neutron bebas akan bergabung dengan inti uranium lain dan memicu fisi lainnya. Jadi, seperti yang diprediksi oleh reaksi berantai: enam hingga sembilan neutron akan dilepaskan dari tiga inti uranium, dan mereka akan bergabung kembali dengan inti yang baru terbentuk. Dan seterusnya hingga tak terbatas.

Penting untuk diingat! Neutron yang muncul selama fisi nuklir mampu memprovokasi fisi inti isotop uranium dengan nomor massa 235, dan untuk penghancuran inti isotop uranium dengan nomor massa 238, mungkin ada sedikit energi yang timbul di proses pembusukan.

Uranium nomor 235 langka di alam. Itu menyumbang hanya 0,7%, tetapi uranium-238 alami menempati ceruk yang lebih luas dan menyumbang 99,3%.

Meskipun kandungan uranium-235 di alam sangat kecil, fisikawan dan kimiawan tetap tidak dapat menolaknya, karena ini adalah yang paling efektif untuk pengoperasian reaktor nuklir, mengurangi biaya perolehan energi bagi umat manusia.

Kapan reaktor nuklir pertama kali muncul dan di mana mereka digunakan saat ini

Kembali pada tahun 1919, fisikawan sudah berjaya ketika Rutherford menemukan dan mendeskripsikan proses pembentukan proton yang bergerak akibat tumbukan partikel alfa dengan inti atom nitrogen. Penemuan ini berarti bahwa inti isotop nitrogen, akibat tumbukan dengan partikel alfa, berubah menjadi inti isotop oksigen.

Sebelum yang pertama datang reaktor nuklir, dunia telah mempelajari beberapa hukum fisika baru, menafsirkan semua aspek penting dari reaksi nuklir. Maka, pada tahun 1934, F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky untuk pertama kalinya menawarkan kepada masyarakat dan kalangan ilmuwan dunia sebuah asumsi teoretis dan bukti yang didasarkan pada kemungkinan reaksi nuklir. Semua percobaan terkait dengan pengamatan fisi inti uranium.

Pada tahun 1939, E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch menelusuri reaksi fisi inti uranium selama pemboman mereka dengan neutron. Selama penelitian, para ilmuwan telah menemukan bahwa ketika satu neutron yang dipercepat memasuki inti uranium, inti yang ada terbagi menjadi dua atau tiga bagian.

Reaksi berantai secara praktis terbukti di pertengahan abad ke-20. Pada tahun 1939, para ilmuwan berhasil membuktikan bahwa fisi satu inti uranium melepaskan energi sekitar 200 MeV. Tetapi sekitar 165 MeV dialokasikan untuk energi kinetik inti fragmen, dan sisanya membawa serta gamma kuanta. Penemuan ini membuat terobosan dalam fisika kuantum.

E. Fermi melanjutkan pekerjaan dan penelitian selama beberapa tahun lagi dan meluncurkan reaktor nuklir pertama pada tahun 1942 di Amerika Serikat. Proyek yang diwujudkan disebut - "tumpukan kayu Chicago" dan diletakkan di atas rel. Pada tanggal 5 September 1945, Kanada meluncurkan reaktor nuklir ZEEP. Benua Eropa tidak ketinggalan, dan pada saat yang sama instalasi F-1 sedang dibangun. Dan untuk Rusia ada satu lagi tanggal yang tak terlupakan- Pada tanggal 25 Desember 1946, sebuah reaktor diluncurkan di Moskow di bawah kepemimpinan I. Kurchatov. Ini bukanlah reaktor nuklir yang paling kuat, tetapi ini adalah awal dari perkembangan atom oleh manusia.

Untuk tujuan damai, reaktor nuklir ilmiah dibuat pada tahun 1954 di Uni Soviet. Kapal damai pertama di dunia dengan pembangkit listrik tenaga nuklir, pemecah es nuklir Lenin, dibangun di Uni Soviet pada tahun 1959. Dan satu lagi pencapaian negara kita adalah kapal pemecah es nuklir Arktika. Kapal permukaan ini mencapai Kutub Utara untuk pertama kalinya di dunia. Itu terjadi pada tahun 1975.

Reaktor nuklir portabel pertama beroperasi pada neutron lambat.

Di mana reaktor nuklir digunakan dan jenis apa yang digunakan umat manusia

Reaktor industri. Mereka digunakan untuk menghasilkan energi di pembangkit listrik tenaga nuklir.
Reaktor nuklir bertindak sebagai propulsi kapal selam nuklir.
Reaktor eksperimental (portabel, kecil). Tanpa mereka, tidak ada satu pun pengalaman atau penelitian ilmiah modern yang terjadi.

Saat ini, cahaya ilmiah telah belajar untuk menghilangkan garam dengan bantuan reaktor khusus air laut memberikan kualitas kepada masyarakat air minum. Ada banyak reaktor nuklir yang beroperasi di Rusia. Jadi, menurut statistik, pada 2018, sekitar 37 blok beroperasi di negara bagian tersebut.

Dan menurut klasifikasinya, bisa sebagai berikut:

Penelitian (historis). Ini termasuk stasiun F-1, yang dibuat sebagai situs percobaan untuk produksi plutonium. IV Kurchatov bekerja di F-1, mengawasi reaktor fisik pertama.
Penelitian (aktif).
Gudang senjata. Sebagai contoh reaktor - A-1, yang tercatat dalam sejarah sebagai reaktor berpendingin pertama. Kekuatan masa lalu reaktor nuklir kecil, tetapi fungsional.
Energi.
Mengirimkan. Diketahui bahwa di kapal dan kapal selam, karena kebutuhan dan kelayakan teknis, reaktor berpendingin air atau logam cair digunakan.
Ruang angkasa. Sebagai contoh, sebut saja instalasi Yenisei di pesawat ruang angkasa, yang beraksi jika diperlukan untuk mengekstraksi sejumlah energi tambahan, dan itu harus diperoleh dengan menggunakan panel surya dan sumber isotop.

Dengan demikian, topik reaktor nuklir cukup luas, oleh karena itu diperlukan kajian dan pemahaman yang mendalam tentang hukum fisika kuantum. Tetapi pentingnya reaktor nuklir untuk industri tenaga dan perekonomian negara, tidak diragukan lagi, telah dikipasi dengan aura utilitas dan manfaat.

Setiap hari kita menggunakan listrik dan tidak memikirkan bagaimana itu diproduksi dan bagaimana itu sampai kepada kita. Namun demikian, itu adalah salah satu bagian terpenting dari peradaban modern. Tanpa listrik, tidak akan ada apa-apa - tidak ada cahaya, tidak ada panas, tidak ada gerakan.

Semua orang tahu bahwa listrik dihasilkan di pembangkit listrik, termasuk pembangkit listrik tenaga nuklir. Jantung dari setiap pembangkit listrik tenaga nuklir adalah reaktor nuklir. Itulah yang akan kita bahas dalam artikel ini.

reaktor nuklir, perangkat di mana reaksi berantai nuklir terkontrol terjadi dengan pelepasan panas. Pada dasarnya, perangkat ini digunakan untuk menghasilkan listrik dan sebagai penggerak kapal-kapal besar. Untuk membayangkan kekuatan dan efisiensi reaktor nuklir, kita bisa memberi contoh. Di mana reaktor nuklir rata-rata membutuhkan 30 kilogram uranium, pembangkit listrik termal rata-rata membutuhkan 60 gerbong batu bara atau 40 tangki bahan bakar minyak.

prototipe reaktor nuklir dibangun pada Desember 1942 di AS di bawah arahan E. Fermi. Itu yang disebut "tumpukan Chicago". Chicago Pile (selanjutnya kata"Tumpukan" bersama dengan arti lain mulai menunjukkan reaktor nuklir). Nama ini diberikan kepadanya karena dia menyerupai tumpukan besar balok grafit yang diletakkan satu di atas yang lain.

Di antara blok ditempatkan "badan kerja" berbentuk bola dari uranium alami dan dioksidanya.

Di Uni Soviet, reaktor pertama dibangun di bawah kepemimpinan Akademisi IV Kurchatov. Reaktor F-1 dioperasikan pada 25 Desember 1946. Reaktor berbentuk bola dan berdiameter sekitar 7,5 meter. Itu tidak memiliki sistem pendingin, jadi bekerja pada tingkat daya yang sangat rendah.

Penelitian dilanjutkan dan pada 27 Juni 1954, pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di dunia dengan kapasitas 5 MW dioperasikan di kota Obninsk.

Prinsip pengoperasian reaktor nuklir.

Selama peluruhan uranium U 235, panas dilepaskan, disertai dengan pelepasan dua atau tiga neutron. Menurut statistik - 2.5. Neutron ini bertabrakan dengan atom uranium lainnya U 235 . Dalam tabrakan, uranium U 235 berubah menjadi isotop U 236 yang tidak stabil, yang segera meluruh menjadi Kr 92 dan Ba 141 + 2–3 neutron yang sama. Peluruhan disertai dengan pelepasan energi dalam bentuk radiasi gamma dan panas.

Ini disebut reaksi berantai. Atom membelah, jumlah peluruhan meningkat secara eksponensial, yang pada akhirnya mengarah pada pelepasan energi yang sangat cepat, menurut standar kami, - ledakan atom terjadi, sebagai konsekuensi dari reaksi berantai yang tidak terkendali.

Namun, di reaktor nuklir kita berurusan dengan reaksi nuklir terkendali. Bagaimana ini menjadi mungkin dijelaskan lebih lanjut.

Perangkat reaktor nuklir.

Saat ini, ada dua jenis reaktor nuklir VVER (reaktor tenaga air bertekanan) dan RBMK (reaktor saluran daya tinggi). Perbedaannya adalah RBMK adalah reaktor air mendidih, dan VVER menggunakan air dengan tekanan 120 atmosfer.

Reaktor VVER 1000. 1 - penggerak CPS; 2 - penutup reaktor; 3 - bejana reaktor; 4 - blok pipa pelindung (BZT); 5 - milikku; 6 - penyekat inti; 7 - rakitan bahan bakar (FA) dan batang kendali;

Setiap reaktor nuklir tipe industri adalah boiler tempat aliran pendingin. Biasanya, ini adalah air biasa (sekitar 75% di dunia), grafit cair (20%), dan air berat (5%). Untuk tujuan eksperimental, berilium digunakan dan hidrokarbon diasumsikan.

TVEL- (elemen bahan bakar). Ini adalah batang dalam cangkang zirkonium dengan paduan niobium, di dalamnya terdapat tablet uranium dioksida.

Elemen bahan bakar di kaset disorot dengan warna hijau.

Perakitan kaset bahan bakar.

Inti reaktor terdiri dari ratusan kaset yang ditempatkan secara vertikal dan disatukan oleh cangkang logam - sebuah benda, yang juga berperan sebagai reflektor neutron. Di antara kaset, batang kendali dan batang pelindung darurat reaktor dimasukkan secara berkala, yang, jika terjadi panas berlebih, dirancang untuk mematikan reaktor.

Mari kita berikan contoh data pada reaktor VVER-440:

Pengontrol dapat bergerak ke atas dan ke bawah dengan tenggelam, atau sebaliknya, meninggalkan inti, tempat reaksi paling intens. Ini disediakan oleh motor listrik yang kuat, bersama dengan sistem kontrol Batang pelindung darurat dirancang untuk mematikan reaktor jika terjadi keadaan darurat, jatuh ke inti dan menyerap lebih banyak neutron bebas.

Setiap reaktor memiliki penutup tempat kaset bekas dan baru dimuat dan dibongkar.

Isolasi termal biasanya dipasang di atas bejana reaktor. Penghalang berikutnya adalah perlindungan biologis. Ini biasanya berupa bunker beton bertulang, pintu masuknya ditutup oleh kunci udara dengan pintu tertutup. Proteksi biologis dirancang untuk tidak melepaskan uap radioaktif dan pecahan reaktor ke atmosfer, jika terjadi ledakan.

Ledakan nuklir di reaktor modern sangat tidak mungkin terjadi. Karena bahan bakarnya tidak cukup diperkaya, dan dibagi menjadi TVEL. Sekalipun inti meleleh, bahan bakar tidak akan dapat bereaksi secara aktif. Maksimum yang dapat terjadi adalah ledakan termal, seperti di Chernobyl, ketika tekanan dalam reaktor mencapai nilai sedemikian rupa sehingga casing logam terkoyak begitu saja, dan tutup reaktor, seberat 5.000 ton, melakukan lompatan balik, menerobos atap kompartemen reaktor dan melepaskan uap keluar. Jika pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl telah dilengkapi dengan perlindungan biologis yang tepat, seperti sarkofagus hari ini, maka malapetaka itu akan merugikan umat manusia jauh lebih sedikit.

Pekerjaan pembangkit listrik tenaga nuklir.

Singkatnya, raboboa terlihat seperti ini.

Pembangkit listrik tenaga nuklir. (dapat diklik)

Setelah memasuki teras reaktor dengan bantuan pompa, air dipanaskan dari 250 hingga 300 derajat dan keluar dari "sisi lain" reaktor. Ini disebut sirkuit pertama. Kemudian ia pergi ke penukar panas, di mana ia bertemu dengan sirkuit kedua. Setelah itu, uap bertekanan masuk ke sudu turbin. Turbin menghasilkan listrik.

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.

Sebelum Anda dapat memahami bagaimana reaksi nuklir terkontrol bekerja, Anda perlu tahu apa itu reaksi nuklir sama sekali.

reaksi nuklir - ini adalah proses transformasi (fisi) inti atom selama interaksinya dengan partikel elementer dan gamma quanta.

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

Reaktor nuklir - Ini adalah perangkat yang bertujuan 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 dalam eksperimen 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 perlindungan . Isotop adalah bahan bakar yang paling umum digunakan dalam reaktor. uranium (235, 238, 233), plutonium (239) dan torium (232). 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 metode 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.

Perlu disebutkan di sini 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 (TVELah). Ini adalah batang di mana, dalam bentuk tablet kecil, bahan bakar nuklir . 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, di antaranya adalah batang kendali Dan batang perlindungan darurat . 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 adalah bahwa dalam fisika nuklir ada sebuah konsep massa kritis .

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.

Pada artikel ini, kami telah mencoba memberi Anda gambaran umum tentang struktur dan prinsip pengoperasian reaktor nuklir (atom). Jika Anda 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!

Populer dalam kategori: