Quali sono le parti principali di un reattore nucleare? Centrale nucleare: come funziona

Questo anonimo cilindro grigio è l'anello chiave dell'industria nucleare russa. Certo, non sembra molto presentabile, ma non appena ne capisci lo scopo e guardi le caratteristiche tecniche, inizi a capire perché lo stato custodisce il segreto della sua creazione e struttura come la pupilla dei suoi occhi.

Sì, ho dimenticato di presentarti: davanti a te c'è una centrifuga a gas per la separazione degli isotopi di uranio VT-3F (n-esima generazione). Il principio di funzionamento è elementare, come quello di un separatore di latte, pesante, sotto l'influenza della forza centrifuga, è separato dalla luce. Quindi qual è il significato e l'unicità?

Per cominciare, rispondiamo a un'altra domanda: ma in generale, perché separare l'uranio?

L'uranio naturale, che si trova proprio nel terreno, è un cocktail di due isotopi: uranio-238 E uranio-235(e 0,0054% U-234).
Uranio-238, è solo metallo pesante e grigio. Puoi ricavarne un proiettile di artiglieria, beh, o ... un portachiavi. Ed ecco cosa puoi fare con uranio-235? Ebbene, in primo luogo, una bomba atomica e, in secondo luogo, carburante per centrali nucleari. E qui arriviamo alla domanda chiave: come separare questi due atomi quasi identici l'uno dall'altro? No davvero COME?!

A proposito: Il raggio del nucleo dell'atomo di uranio è 1,5 10 -8 cm.

Affinché gli atomi di uranio possano entrare nella catena tecnologica, esso (uranio) deve essere trasformato in uno stato gassoso. Non ha senso bollire, è sufficiente combinare l'uranio con il fluoro e ottenere l'esafluoruro di uranio HFC. La tecnologia per la sua produzione non è molto complicata e costosa, e quindi HFC arrivare dove viene estratto questo uranio. L'UF6 è l'unico composto di uranio altamente volatile (se riscaldato a 53°C, l'esafluoruro (nella foto) passa direttamente dallo stato solido a quello gassoso). Quindi viene pompato in appositi contenitori e inviato per l'arricchimento.

Un po' di storia

All'inizio della corsa nucleare, le più grandi menti scientifiche, sia l'URSS che gli Stati Uniti, padroneggiarono l'idea della separazione per diffusione: far passare l'uranio attraverso un setaccio. Piccolo 235esimo l'isotopo scivolerà e lo "spesso" 238esimo bloccarsi. E realizzare un setaccio con nanofori per l'industria sovietica nel 1946 non era il compito più difficile.

Dal rapporto di Isaac Konstantinovich Kikoin al Consiglio scientifico e tecnico sotto il Consiglio dei commissari del popolo (riportato nella raccolta di materiali declassificati sul progetto atomico dell'URSS (Ed. Ryabev)): Attualmente abbiamo imparato a realizzare maglie con fori di circa 5/1.000 mm, cioè 50 volte il percorso libero medio delle molecole a pressione atmosferica. Pertanto, la pressione del gas alla quale avverrà la separazione degli isotopi su tali griglie deve essere inferiore a 1/50 della pressione atmosferica. In pratica, ci aspettiamo di lavorare ad una pressione di circa 0,01 atmosfere, cioè in buone condizioni di vuoto. Il calcolo mostra che per ottenere un prodotto arricchito ad una concentrazione del 90% in un isotopo leggero (tale concentrazione è sufficiente per ottenere un esplosivo), circa 2.000 di tali stadi devono essere collegati in cascata. Nella macchina da noi progettata e parzialmente realizzata, si prevede di produrre 75-100 g di uranio-235 al giorno. L'installazione sarà composta da circa 80-100 "colonne", ciascuna delle quali conterrà 20-25 passaggi".

Di seguito è riportato un documento: il rapporto di Beria a Stalin sulla preparazione della prima esplosione nucleare. Di seguito è riportato un piccolo riferimento ai materiali nucleari accumulati all'inizio dell'estate del 1949.

E ora immagina tu stesso: 2000 installazioni pesanti, per il bene di circa 100 grammi! Ebbene, dove andare, servono le bombe. E iniziarono a costruire fabbriche, e non solo fabbriche, ma intere città. E va bene, solo le città, questi impianti di diffusione richiedevano così tanta elettricità che dovevano costruire centrali elettriche separate nelle vicinanze.

In URSS, il primo stadio D-1 dell'impianto n. 813 è stato progettato per una produzione totale di 140 grammi di 92-93% di uranio-235 al giorno in 2 cascate di 3100 stadi di separazione identici in potenza. Per la produzione è stato assegnato uno stabilimento aeronautico incompiuto nel villaggio di Verkh-Neyvinsk, a 60 km da Sverdlovsk. Successivamente si è trasformato in Sverdlovsk-44 e l'813 ° impianto (nella foto) nell'impianto elettrochimico degli Urali, la più grande produzione di separazione al mondo.

E sebbene la tecnologia della separazione per diffusione, sebbene con grandi difficoltà tecnologiche, sia stata messa a punto, l'idea di padroneggiare un processo centrifugo più economico non è uscita dall'agenda. Dopotutto, se riesci a creare una centrifuga, il consumo di energia verrà ridotto da 20 a 50 volte!

Come si monta una centrifuga?

È organizzato più che in modo elementare e sembra quello vecchio. lavatrice operando in modalità "centrifuga/asciugatura". In un involucro sigillato c'è un rotore rotante. Questo rotore è alimentato a gas (UF6). A causa della forza centrifuga, centinaia di migliaia di volte maggiore del campo gravitazionale terrestre, il gas inizia a separarsi nelle frazioni "pesante" e "leggera". Le molecole leggere e pesanti iniziano a raggrupparsi in diverse zone del rotore, ma non al centro e lungo il perimetro, ma in alto e in basso.

Ciò si verifica a causa delle correnti di convezione: il coperchio del rotore viene riscaldato e si verifica un riflusso di gas. Nella parte superiore e inferiore del cilindro ci sono due tubicini: l'aspirazione. Una miscela esaurita entra nel tubo inferiore, una miscela con una maggiore concentrazione di atomi entra nel tubo superiore 235U. Questa miscela entra nella centrifuga successiva, e così via, fino alla concentrazione 235esimo l'uranio non raggiungerà il valore desiderato. Una catena di centrifughe si chiama cascata.

Caratteristiche tecniche.

Bene, in primo luogo, la velocità di rotazione - y generazione moderna centrifughe, raggiunge i 2000 giri (non so nemmeno con cosa confrontare ... 10 volte più veloce di una turbina in un motore aeronautico)! E funziona senza sosta da TRE DECENNI di anni! Quelli. ora le centrifughe accese sotto Breznev girano a cascata! L'URSS non esiste più, ma continuano a girare e girare. Non è difficile calcolare che durante il suo ciclo di lavoro il rotore compie 2.000.000.000.000 (due trilioni) di giri. E che tipo di cuscinetto può gestirlo? Sì, nessuno! Non ci sono cuscinetti.

Il rotore stesso è una normale cima, nella parte inferiore ha un forte ago che poggia su un cuscinetto reggispinta in corindone e l'estremità superiore è sospesa nel vuoto, trattenuta da un campo elettromagnetico. Anche l'ago non è semplice, fatto di normale filo per corde di pianoforte, è indurito in un modo molto complicato (cosa - GT). Non è difficile immaginare che con una velocità di rotazione così frenetica, la centrifuga stessa debba essere non solo durevole, ma super resistente.

L'accademico Joseph Friedlander ricorda: “Tre volte avrebbero potuto sparare. Una volta, quando avevamo già ricevuto il Premio Lenin, c'è stato un grave incidente, il coperchio della centrifuga è volato via. Pezzi sparsi, distrutte altre centrifughe. Si è alzata una nube radioattiva. Ho dovuto fermare l'intera linea: un chilometro di installazioni! A Sredmash le centrifughe erano comandate dal generale Zverev, prima del progetto atomico lavorava nel dipartimento di Beria. Il generale all'incontro ha detto: “La situazione è critica. La difesa del Paese è minacciata. Se non rettifichiamo rapidamente la situazione, il 37° anno si ripeterà per te. E subito la riunione è stata chiusa. Abbiamo quindi inventato completamente nuova tecnologia con una struttura del coperchio uniforme completamente isotropica, ma erano necessarie configurazioni molto complesse. Da allora, queste copertine sono state prodotte. Non c'erano più problemi. Ci sono 3 impianti di arricchimento in Russia, molte centinaia di migliaia di centrifughe.
Nella foto: prove della prima generazione di centrifughe

All'inizio anche le casse del rotore erano in metallo, fino a quando non furono sostituite da ... fibra di carbonio. Leggero ed estremamente resistente allo strappo, è un materiale ideale per un cilindro rotante.

Il direttore generale dell'UEIP (2009-2012) Alexander Kurkin ricorda: “È diventato ridicolo. Durante il test e il collaudo di una nuova generazione di centrifughe più "girevoli", uno dei dipendenti non ha aspettato che il rotore si fermasse completamente, lo ha disconnesso dalla cascata e ha deciso di trasferirlo sul supporto tra le sue braccia. Ma invece di andare avanti, per quanto resistesse, abbracciò questo cilindro e cominciò a muoversi all'indietro. Quindi abbiamo visto con i nostri occhi che la terra ruota e il giroscopio è una grande forza”.

Chi ha inventato?

Oh, è un mistero intriso di mistero e avvolto nell'oscurità. Qui hai i fisici tedeschi catturati, la CIA, gli ufficiali SMERSH e persino il pilota spia abbattuto Powers. In generale, il principio di una centrifuga a gas è stato descritto alla fine del XIX secolo.

Anche agli albori del progetto atomico, Viktor Sergeev, ingegnere dello Special Design Bureau dello stabilimento di Kirov, propose un metodo di separazione centrifuga, ma all'inizio i suoi colleghi non approvarono la sua idea. Allo stesso tempo, gli scienziati della Germania sconfitta hanno combattuto per la creazione di una centrifuga di separazione in uno speciale NII-5 a Sukhumi: il dottor Max Steenbeck, che ha lavorato sotto Hitler come ingegnere capo della Siemens, e Gernot Zippe, un ex meccanico della Luftwaffe , laureato all'Università di Vienna. In totale, il gruppo comprendeva circa 300 fisici "esportati".

Aleksey Kaliteevsky, direttore generale del CJSC Centrotech-SPb della State Corporation Rosatom, ricorda: “I nostri esperti sono giunti alla conclusione che la centrifuga tedesca è assolutamente inadatta alla produzione industriale. L'apparato Steenbeck non disponeva di un sistema per trasferire il prodotto parzialmente arricchito allo stadio successivo. Si proponeva di raffreddare le estremità del coperchio e congelare il gas, quindi scongelarlo, raccoglierlo e metterlo nella centrifuga successiva. Cioè, lo schema non funziona. Tuttavia, il progetto presentava alcune soluzioni tecniche molto interessanti e insolite. Queste "soluzioni interessanti e insolite" sono state combinate con i risultati ottenuti dagli scienziati sovietici, in particolare con le proposte di Viktor Sergeev. Relativamente parlando, la nostra centrifuga compatta è per un terzo frutto del pensiero tedesco e per due terzi del pensiero sovietico”. A proposito, quando Sergeev è venuto in Abkhazia ed ha espresso agli stessi Steenbeck e Zippe i suoi pensieri sulla selezione dell'uranio, Steenbeck e Zippe li hanno liquidati come irrealizzabili.

Quindi cosa ha inventato Sergeyev.

E la proposta di Sergeyev era di creare dispositivi di campionamento del gas sotto forma di tubi di Pitot. Ma il dottor Steenbeck, che, come credeva, si mangiava i denti su questo argomento, era categorico: "Rallenteranno il flusso, causeranno turbolenze e non ci sarà separazione!" Anni dopo, lavorando alle sue memorie, se ne pentirà: “Un'idea degna di venire da noi! Ma non mi è passato per la mente…”

Successivamente, quando era fuori dall'URSS, Steenbeck non si occupava più di centrifughe. Ma Geront Zippe, prima di partire per la Germania, ha avuto l'opportunità di conoscere il prototipo della centrifuga di Sergeyev e il principio ingegnosamente semplice del suo funzionamento. Una volta in Occidente, "l'astuto Zippe", come veniva spesso chiamato, brevettò il progetto della centrifuga con il proprio nome (brevetto n. 1071597 del 1957, depositato in 13 paesi). Nel 1957, trasferitosi negli Stati Uniti, Zippe costruì lì un'installazione funzionante, riproducendo a memoria il prototipo di Sergeev. E l'ha chiamata, rendiamogli omaggio, "centrifuga russa" (nella foto).

A proposito, l'ingegneria russa si è mostrata in molti altri casi. Un esempio è la valvola di intercettazione di emergenza elementare. Non ci sono sensori, rilevatori e circuiti elettronici. C'è solo un rubinetto samovar, che con il suo petalo tocca la cornice della cascata. Se qualcosa va storto e la centrifuga cambia posizione nello spazio, semplicemente gira e chiude la linea di ingresso. È come in una barzelletta su una penna americana e una matita russa nello spazio.

I nostri giorni

Questa settimana l'autore di queste righe è stato presente a un evento significativo: la chiusura dell'ufficio di osservatori russo del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ai sensi del contratto HEU-LEU. Questo accordo (uranio ad alto arricchimento-uranio a basso arricchimento) era, ed è tuttora, il più grande accordo sull'energia nucleare tra Russia e America. Secondo i termini del contratto, gli scienziati nucleari russi hanno trasformato 500 tonnellate del nostro uranio per armi (90%) in HFC combustibili (4%) per le centrali nucleari americane. I ricavi per il periodo 1993-2009 ammontano a 8,8 miliardi di dollari USA. Questo è stato il logico risultato della svolta tecnologica dei nostri scienziati nucleari nel campo della separazione degli isotopi, realizzata negli anni del dopoguerra.
Nella foto: cascate di centrifughe a gas in una delle officine UEIP. Ce ne sono circa 100.000 qui.

Grazie alle centrifughe, abbiamo ricevuto migliaia di tonnellate di prodotti relativamente economici, sia militari che commerciali. L'industria nucleare, una delle poche rimaste (aviazione militare, spazio), dove la Russia detiene una superiorità indiscussa. Solo commesse estere per dieci anni (dal 2013 al 2022), portafoglio di Rosatom escluso il contratto HEU-LEUè di 69,3 miliardi di dollari. Nel 2011 ha superato i 50 miliardi...
Nella foto, un magazzino di container con HFC presso UEIP.

Il 28 settembre 1942 fu adottata la risoluzione del Comitato per la difesa dello Stato n. 2352ss "Sull'organizzazione del lavoro sull'uranio". Questa data è considerata l'inizio ufficiale della storia dell'industria nucleare in Russia.

Oggi faremo un breve viaggio nel mondo della fisica nucleare. Il tema della nostra escursione sarà un reattore nucleare. Imparerai come funziona, quali principi fisici sono alla base del suo funzionamento e dove viene utilizzato questo dispositivo.

La nascita dell'energia nucleare

Il primo reattore nucleare al mondo è stato costruito nel 1942 negli Stati Uniti. gruppo sperimentale di fisici guidato dal vincitore premio Nobel Enrico Fermi. Allo stesso tempo, hanno effettuato una reazione di fissione dell'uranio autosufficiente. Il genio atomico è stato rilasciato.

Il primo reattore nucleare sovietico fu lanciato nel 1946, e 8 anni dopo, la prima centrale nucleare al mondo nella città di Obninsk ha dato corrente. Il capo supervisore scientifico del lavoro nell'industria dell'energia nucleare dell'URSS era un fisico eccezionale Igor Vasilievich Kurchatov.

Da allora, diverse generazioni di reattori nucleari sono cambiate, ma gli elementi principali del suo design sono rimasti invariati.

Anatomia di un reattore nucleare

Questo impianto nucleare è un serbatoio di acciaio a pareti spesse con una capacità cilindrica che va da pochi centimetri cubi a molti metri cubi.

All'interno di questo cilindro c'è il sancta sanctorum - nocciolo del reattore.È qui che avviene la reazione a catena della fissione del combustibile nucleare.

Vediamo come avviene questo processo.

I nuclei degli elementi pesanti, in particolare Uranio-235 (U-235), sotto l'influenza di una piccola spinta energetica, sono in grado di disgregarsi in 2 frammenti di massa approssimativamente uguale. L'agente eziologico di questo processo è il neutrone.

I frammenti sono spesso nuclei di bario e krypton. Ciascuno di essi porta una carica positiva, quindi le forze di repulsione di Coulomb li costringono a disperdersi in direzioni diverse a una velocità di circa 1/30 della velocità della luce. Questi frammenti sono portatori di colossale energia cinetica.

Per l'uso pratico dell'energia, è necessario che il suo rilascio sia autosufficiente. Reazione a catena, che è in questione è tanto più interessante perché ogni evento di fissione è accompagnato dall'emissione di nuovi neutroni. Per un neutrone iniziale, in media, sorgono 2-3 nuovi neutroni. Il numero di nuclei fissili di uranio sta crescendo come una valanga, provocando il rilascio di enorme energia. Se questo processo non è controllato, si verificherà un'esplosione nucleare. Si svolge in .

Per controllare il numero di neutroni materiali che assorbono i neutroni vengono introdotti nel sistema, fornendo un rilascio regolare di energia. Il cadmio o il boro sono usati come assorbitori di neutroni.

Come frenare e utilizzare l'enorme energia cinetica dei frammenti? A tale scopo viene utilizzato un refrigerante, ad es. un mezzo speciale, in movimento in cui i frammenti vengono decelerati e riscaldati a temperature estremamente elevate. Tale mezzo può essere acqua ordinaria o pesante, metalli liquidi (sodio) e alcuni gas. Per non causare la transizione del liquido di raffreddamento in uno stato di vapore, nel nucleo viene mantenuta alta pressione (fino a 160 atm). Per questo motivo le pareti del reattore sono realizzate in acciaio di dieci centimetri di gradi speciali.

Se i neutroni fuoriescono dal combustibile nucleare, la reazione a catena può essere interrotta. Pertanto, esiste una massa critica di materiale fissile, ad es. la sua massa minima alla quale verrà mantenuta una reazione a catena. Dipende da vari parametri, inclusa la presenza di un riflettore che circonda il nocciolo del reattore. Serve a prevenire la dispersione di neutroni nell'ambiente. Il materiale più comune per questo elemento strutturale è la grafite.

I processi che avvengono nel reattore sono accompagnati dal rilascio del tipo più pericoloso di radiazioni: le radiazioni gamma. Per ridurre al minimo questo pericolo, fornisce una protezione anti-radiazioni.

Come funziona un reattore nucleare

Il combustibile nucleare, chiamato elementi di combustibile, viene posto nel nocciolo del reattore. Sono compresse formate da un materiale fissile e confezionate in sottili tubi lunghi circa 3,5 me 10 mm di diametro.

Centinaia di gruppi di combustibili dello stesso tipo sono collocati nel nucleo e diventano fonti di energia termica rilasciata durante la reazione a catena. Il refrigerante che lava le barre di combustibile forma il primo circuito del reattore.

Riscaldato a parametri elevati, viene pompato al generatore di vapore, dove trasferisce la sua energia all'acqua del circuito secondario, trasformandola in vapore. Il vapore risultante fa ruotare il generatore a turbina. L'elettricità generata da questa unità viene trasferita al consumatore. E il vapore di scarico, raffreddato dall'acqua della vasca di raffreddamento, sotto forma di condensa, viene restituito al generatore di vapore. Il ciclo si chiude.

Tale funzionamento a due circuiti di un impianto nucleare esclude la penetrazione delle radiazioni che accompagnano i processi che si verificano nel nucleo oltre i suoi limiti.

Quindi, nel reattore avviene una catena di trasformazioni di energia: l'energia nucleare del materiale fissile → in energia cinetica dei frammenti → l'energia termica del refrigerante → l'energia cinetica della turbina → e in energia elettrica nel generatore.

L'inevitabile perdita di energia porta al fatto che L'efficienza delle centrali nucleari è relativamente bassa, 33-34%.

Oltre a generare energia elettrica nelle centrali nucleari, i reattori nucleari vengono utilizzati per produrre vari isotopi radioattivi, per la ricerca in molti settori dell'industria e per studiare i parametri consentiti dei reattori industriali. I reattori di trasporto, che forniscono energia ai motori dei veicoli, stanno diventando sempre più diffusi.

Tipi di reattori nucleari

Tipicamente, i reattori nucleari funzionano con uranio U-235. Tuttavia, il suo contenuto in materiale naturale è estremamente basso, solo lo 0,7%. La massa principale dell'uranio naturale è l'isotopo U-238. Una reazione a catena nell'U-235 può essere causata solo da neutroni lenti e l'isotopo U-238 è fissione solo da neutroni veloci. Come risultato della fissione nucleare, nascono neutroni sia lenti che veloci. I neutroni veloci, che subiscono una decelerazione nel liquido di raffreddamento (acqua), diventano lenti. Ma la quantità dell'isotopo U-235 nell'uranio naturale è così piccola che è necessario ricorrere al suo arricchimento, portando la sua concentrazione al 3-5%. Questo processo è molto costoso ed economicamente svantaggioso. Inoltre, tempo di esaurimento risorse naturali si stima che questo isotopo abbia solo 100-120 anni.

Pertanto, nell'industria nucleare c'è una transizione graduale ai reattori che funzionano con neutroni veloci.

La loro principale differenza è che i metalli liquidi sono usati come refrigerante, che non rallenta i neutroni, e l'U-238 è usato come combustibile nucleare. I nuclei di questo isotopo passano attraverso una catena di trasformazioni nucleari in plutonio-239, che è soggetto a una reazione a catena allo stesso modo dell'U-235. Cioè, c'è una riproduzione del combustibile nucleare e in quantità superiore al suo consumo.

Secondo gli esperti Le riserve di isotopi di uranio-238 dovrebbero durare 3.000 anni. Questa volta è abbastanza perché l'umanità abbia abbastanza tempo per sviluppare altre tecnologie.

Problemi nell'uso dell'energia nucleare

Insieme agli ovvi vantaggi dell'energia nucleare, non si può sottovalutare l'entità dei problemi associati al funzionamento degli impianti nucleari.

Il primo di questi è smaltimento dei rifiuti radioattivi e delle apparecchiature smantellate energia nucleare. Questi elementi hanno un fondo di radiazione attivo, che persiste per un lungo periodo. Per lo smaltimento di questi rifiuti vengono utilizzati appositi contenitori in piombo. Dovrebbero essere sepolti in aree di permafrost a una profondità massima di 600 metri. Pertanto, sono costantemente in corso lavori per trovare un modo per trattare i rifiuti radioattivi, che dovrebbe risolvere il problema dello smaltimento e aiutare a preservare l'ecologia del nostro pianeta.

Il secondo problema principale è garantire la sicurezza durante il funzionamento della centrale nucleare. Grandi incidenti come Chernobyl possono portare via molto vite umane e dismettere vaste aree.

L'incidente alla centrale nucleare giapponese "Fukushima-1" ha solo confermato il potenziale pericolo che si manifesta in caso di situazione di emergenza negli impianti nucleari.

Tuttavia, le possibilità dell'energia nucleare sono così grandi che i problemi ambientali passano in secondo piano.

Oggi l'umanità non ha altro modo per soddisfare la crescente fame di energia. La base dell'industria dell'energia nucleare del futuro saranno probabilmente i reattori "veloci" con la funzione di allevare combustibile nucleare.

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A metà del XX secolo, l'attenzione dell'umanità si è concentrata sull'atomo e sulla spiegazione della reazione nucleare da parte degli scienziati, che inizialmente hanno deciso di utilizzare per scopi militari, inventando le prime bombe nucleari nell'ambito del Progetto Manhattan. Ma negli anni '50 del XX secolo, un reattore nucleare in URSS veniva utilizzato per scopi pacifici. È noto che il 27 giugno 1954 la prima centrale nucleare al mondo con una capacità di 5000 kW è entrata al servizio dell'umanità. Oggi un reattore nucleare può generare elettricità di 4.000 MW o più, ovvero 800 volte di più rispetto a mezzo secolo fa.

Cos'è un reattore nucleare: definizione di base e componenti principali dell'unità

Un reattore nucleare è un'unità speciale con l'aiuto della quale viene generata energia a seguito del corretto mantenimento di una reazione nucleare controllata. È consentito l'uso della parola "atomico" in combinazione con la parola "reattore". Molti generalmente considerano sinonimi i concetti di "nucleare" e "atomico", poiché non trovano una differenza fondamentale tra loro. Ma i rappresentanti della scienza sono inclini a una combinazione più corretta: "reattore nucleare".

Interessante fatto! Le reazioni nucleari possono procedere con il rilascio o l'assorbimento di energia.

I componenti principali nel dispositivo di un reattore nucleare sono i seguenti elementi:

• Moderatore;
• Aste di controllo;
• Bacchette contenenti una miscela arricchita di isotopi di uranio;
• Speciali elementi protettivi contro le radiazioni;
• refrigerante;
• generatore di vapore;
• Turbina;
• Generatore;
• Condensatore;
• Combustibile nucleare.

Quali sono i principi fondamentali del funzionamento di un reattore nucleare determinati dai fisici e perché sono irremovibili

Il principio fondamentale del funzionamento di un reattore nucleare si basa sulle caratteristiche della manifestazione di una reazione nucleare. Al momento di un processo nucleare a catena fisica standard, la particella interagisce con il nucleo atomico, di conseguenza il nucleo si trasforma in uno nuovo con il rilascio di particelle secondarie, che gli scienziati chiamano gamma quanta. Durante una reazione a catena nucleare, viene rilasciata un'enorme quantità di energia termica. Lo spazio in cui avviene la reazione a catena è chiamato nocciolo del reattore.

Interessante fatto! La zona attiva assomiglia esternamente a una caldaia attraverso la quale scorre acqua ordinaria, che funge da refrigerante.

Per prevenire la perdita di neutroni, l'area del nocciolo del reattore è circondata da uno speciale riflettore di neutroni. Il suo compito principale è respingere la maggior parte dei neutroni emessi nel nucleo. Il riflettore è solitamente la stessa sostanza che funge da moderatore.

Il controllo principale di un reattore nucleare avviene con l'ausilio di speciali barre di controllo. È noto che queste barre vengono introdotte nel nocciolo del reattore e creano tutte le condizioni per il funzionamento dell'unità. In genere, le barre di controllo sono realizzate in composti chimici boro e cadmio. Perché vengono utilizzati questi elementi? Sì, tutto perché il boro o il cadmio sono in grado di assorbire efficacemente i neutroni termici. E non appena viene pianificato il lancio, secondo il principio di funzionamento di un reattore nucleare, le barre di controllo vengono introdotte nel nucleo. Il loro compito principale è assorbire una parte significativa dei neutroni, provocando così lo sviluppo di una reazione a catena. Il risultato dovrebbe raggiungere il livello desiderato. Quando la potenza aumenta al di sopra del livello impostato, vengono accese macchine automatiche, che necessariamente immergono le barre di controllo in profondità nel nocciolo del reattore.

Pertanto, diventa chiaro che il controllo o le barre di controllo svolgono un ruolo importante nel funzionamento di un reattore nucleare termico.

E per ridurre la perdita di neutroni, il nocciolo del reattore è circondato da un riflettore di neutroni che proietta nel nocciolo una massa significativa di neutroni liberamente emessi. Nel significato del riflettore, di solito viene utilizzata la stessa sostanza del moderatore.

Secondo lo standard, il nucleo di atomi della sostanza moderatrice ha una massa relativamente piccola, cosicché quando si scontra con un nucleo leggero, il neutrone presente nella catena perde più energia rispetto a quando si scontra con un nucleo pesante. I moderatori più comuni sono l'acqua ordinaria o la grafite.

Interessante fatto! I neutroni nel processo di una reazione nucleare sono caratterizzati da una velocità di movimento estremamente elevata, e quindi è necessario un moderatore, che spinga i neutroni a perdere parte della loro energia.

Nessun reattore al mondo può funzionare normalmente senza l'ausilio di un refrigerante, poiché il suo scopo è rimuovere l'energia generata nel cuore del reattore. Come refrigerante, vengono necessariamente utilizzati liquidi o gas, poiché non sono in grado di assorbire neutroni. Facciamo un esempio di refrigerante per un reattore nucleare compatto: acqua, anidride carbonica e talvolta anche sodio metallico liquido.

Pertanto, i principi di funzionamento di un reattore nucleare sono interamente basati sulle leggi di una reazione a catena, il suo corso. Tutti i componenti del reattore - moderatore, barre, refrigerante, combustibile nucleare - svolgono i loro compiti, provocando il normale funzionamento del reattore.

Quale combustibile viene utilizzato per i reattori nucleari e perché vengono scelti esattamente questi elementi chimici

Il combustibile principale nei reattori può essere isotopi di uranio, anche plutonio o torio.

Già nel 1934, F. Joliot-Curie, osservando il processo di fissione del nucleo di uranio, notò che di conseguenza reazione chimica il nucleo di uranio è diviso in frammenti-nuclei e due o tre neutroni liberi. E questo significa che esiste la possibilità che i neutroni liberi si uniscano ad altri nuclei di uranio e provochino un'altra fissione. E così, come prevede la reazione a catena: da tre nuclei di uranio verranno rilasciati da sei a nove neutroni e si uniranno nuovamente ai nuclei appena formati. E così all'infinito.

Importante da ricordare! I neutroni che compaiono durante la fissione nucleare sono in grado di provocare la fissione dei nuclei dell'isotopo di uranio con un numero di massa di 235, e per la distruzione dei nuclei dell'isotopo di uranio con un numero di massa di 238, potrebbe esserci poca energia che si forma in il processo di decadimento.

L'uranio numero 235 è raro in natura. Rappresenta solo lo 0,7%, ma l'uranio naturale-238 occupa una nicchia più ampia e rappresenta il 99,3%.

Nonostante una percentuale così piccola di uranio-235 in natura, fisici e chimici non possono ancora rifiutarlo, perché è il più efficace per il funzionamento di un reattore nucleare, riducendo i costi per ottenere energia per l'umanità.

Quando sono comparsi i primi reattori nucleari e dove vengono utilizzati oggi

Già nel 1919, i fisici trionfarono quando Rutherford scoprì e descrisse il processo di formazione dei protoni in movimento a seguito della collisione delle particelle alfa con i nuclei degli atomi di azoto. Questa scoperta ha fatto sì che il nucleo dell'isotopo dell'azoto, a seguito di una collisione con una particella alfa, si trasformasse nel nucleo di un isotopo dell'ossigeno.

Prima che apparissero i primi reattori nucleari, il mondo apprese diverse nuove leggi della fisica che trattavano tutti gli aspetti importanti di una reazione nucleare. Così, nel 1934, F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky offrirono per la prima volta alla società e alla cerchia degli scienziati mondiali un presupposto teorico e una base di prove sulla possibilità di reazioni nucleari. Tutti gli esperimenti erano relativi all'osservazione della fissione del nucleo di uranio.

Nel 1939, E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch tracciarono la reazione di fissione dei nuclei di uranio durante il loro bombardamento con neutroni. Nel corso della ricerca, gli scienziati hanno scoperto che quando un neutrone accelerato entra nel nucleo di uranio, il nucleo esistente si divide in due o tre parti.

La reazione a catena è stata praticamente dimostrata a metà del XX secolo. Nel 1939, gli scienziati riuscirono a dimostrare che la fissione di un nucleo di uranio rilascia circa 200 MeV di energia. Ma circa 165 MeV sono assegnati all'energia cinetica dei nuclei del frammento, e il resto porta via con sé gamma quanti. Questa scoperta ha fatto un passo avanti nella fisica quantistica.

E. Fermi continua il lavoro e la ricerca per molti altri anni e lancia il primo reattore nucleare nel 1942 negli Stati Uniti. Il progetto incarnato è stato chiamato "Chicago woodpile" ed è stato messo sui binari. Il 5 settembre 1945 il Canada lanciò il suo reattore nucleare ZEEP. Il continente europeo non è rimasto indietro e allo stesso tempo è stata costruita l'installazione F-1. E per i russi c'è un'altra data memorabile: il 25 dicembre 1946 viene lanciato un reattore a Mosca sotto la guida di I. Kurchatov. Questi non erano i reattori nucleari più potenti, ma questo fu l'inizio dello sviluppo dell'atomo da parte dell'uomo.

Per scopi pacifici, nel 1954 fu creato un reattore nucleare scientifico in URSS. La prima nave pacifica al mondo con una centrale nucleare, la rompighiaccio nucleare Lenin, fu costruita in Unione Sovietica nel 1959. E un altro risultato del nostro stato è il rompighiaccio nucleare Arktika. Questa nave di superficie ha raggiunto per la prima volta al mondo il Polo Nord. È successo nel 1975.

I primi reattori nucleari portatili funzionavano con neutroni lenti.

Dove vengono utilizzati i reattori nucleari e quali tipi utilizza l'umanità

• Reattori industriali. Sono utilizzati per generare energia nelle centrali nucleari.
• Reattori nucleari che fungono da propulsione di sottomarini nucleari.
• Reattori sperimentali (portatili, piccoli). Senza di loro, non un singolo moderno esperienza scientifica o ricerca.

Oggi la luce scientifica ha imparato a dissalare con l'aiuto di speciali reattori acqua di mare fornire qualità alla popolazione bevendo acqua. Ci sono molti reattori nucleari in funzione in Russia. Quindi, secondo le statistiche, a partire dal 2018, circa 37 blocchi operano nello stato.

E secondo la classificazione, possono essere i seguenti:

• Ricerca (storica). Tra questi la stazione F-1, nata come sito sperimentale per la produzione di plutonio. IV Kurchatov ha lavorato all'F-1, ha supervisionato il primo reattore fisico.
• Ricerca (attivo).
• Armeria. Ad esempio il reattore - A-1, che è passato alla storia come il primo reattore con raffreddamento. La potenza passata di un reattore nucleare è piccola, ma funzionale.
• Energia.
• Nave. È noto che su navi e sottomarini, per necessità e fattibilità tecnica, vengono utilizzati reattori raffreddati ad acqua oa metallo liquido.
• Spazio. Ad esempio, chiamiamo l'installazione Yenisei su veicolo spaziale, che entra in azione se è necessario estrarre una quantità aggiuntiva di energia, e dovrà essere ottenuta utilizzando pannelli solari e sorgenti di isotopi.

Pertanto, l'argomento dei reattori nucleari è piuttosto esteso, quindi richiede uno studio approfondito e una comprensione delle leggi della fisica quantistica. Ma l'importanza dei reattori nucleari per l'industria energetica e l'economia dello stato è già, senza dubbio, alimentata da un'aura di utilità e benefici.

Per persona ordinaria i moderni dispositivi high-tech sono così misteriosi e misteriosi che è giusto adorarli, come gli antichi adoravano i fulmini. Lezioni scolastiche i fisici, pieni di calcoli matematici, non risolvono il problema. Ma è interessante raccontare anche di un reattore nucleare, il cui principio di funzionamento è chiaro anche a un adolescente.

Come funziona un reattore nucleare?

Il principio di funzionamento di questo dispositivo high-tech è il seguente:

1. Quando un neutrone viene assorbito, il combustibile nucleare (il più delle volte questo uranio-235 O plutonio-239) avviene la divisione del nucleo atomico;
2. Vengono rilasciati energia cinetica, radiazioni gamma e neutroni liberi;
3. L'energia cinetica viene convertita in energia termica (quando i nuclei collidono con gli atomi circostanti), la radiazione gamma viene assorbita dal reattore stesso e viene anche convertita in calore;
4. Alcuni dei neutroni generati vengono assorbiti dagli atomi di combustibile, il che provoca una reazione a catena. Per controllarlo vengono utilizzati assorbitori e moderatori di neutroni;
5. Con l'aiuto di un refrigerante (acqua, gas o sodio liquido), il calore viene rimosso dal sito di reazione;
6. Il vapore pressurizzato dell'acqua riscaldata viene utilizzato per azionare le turbine a vapore;
7. Con l'ausilio di un generatore, l'energia meccanica della rotazione delle turbine viene convertita in corrente elettrica alternata.

Approcci alla classificazione

Ci possono essere molte ragioni per la tipologia dei reattori:

• Per tipo di reazione nucleare. Fissione (tutti gli impianti commerciali) o fusione (l'energia termonucleare, è diffusa solo in alcuni istituti di ricerca);
• Per refrigerante. Nella stragrande maggioranza dei casi, a tale scopo viene utilizzata acqua (bollente o pesante). A volte vengono utilizzate soluzioni alternative: metallo liquido (sodio, lega piombo-bismuto, mercurio), gas (elio, anidride carbonica o azoto), sale fuso (sali di fluoruro);
• Per generazione. Il primo sono i primi prototipi, che non avevano alcun senso commerciale. Il secondo è la maggior parte delle centrali nucleari attualmente utilizzate che sono state costruite prima del 1996. La terza generazione differisce dalla precedente solo per piccoli miglioramenti. Il lavoro sulla quarta generazione è ancora in corso;
• Secondo lo stato aggregato carburante (il gas esiste ancora solo sulla carta);
• Per scopo di utilizzo(per la produzione di energia elettrica, l'avviamento del motore, la produzione di idrogeno, la desalinizzazione, la trasmutazione di elementi, l'ottenimento di radiazioni neurali, scopi teorici e investigativi).

Dispositivo del reattore nucleare

I componenti principali dei reattori nella maggior parte delle centrali elettriche sono:

1. Combustibile nucleare - una sostanza necessaria per la produzione di calore per le turbine elettriche (solitamente uranio a basso arricchimento);
2. La zona attiva del reattore nucleare: è qui che avviene la reazione nucleare;
3. Moderatore di neutroni: riduce la velocità dei neutroni veloci, trasformandoli in neutroni termici;
4. Sorgente iniziale di neutroni - utilizzata per il lancio affidabile e stabile di una reazione nucleare;
5. Assorbitore di neutroni - disponibile in alcune centrali elettriche per ridurre l'elevata reattività del carburante fresco;
6. Obice a neutroni: utilizzato per riavviare una reazione dopo essere stato spento;
7. Refrigerante (acqua purificata);
8. Barre di controllo - per controllare la velocità di fissione dei nuclei di uranio o plutonio;
9. Pompa dell'acqua - pompa l'acqua alla caldaia a vapore;
10. Turbina a vapore - converte l'energia termica del vapore in energia meccanica rotazionale;
11. Torre di raffreddamento: un dispositivo per rimuovere il calore in eccesso nell'atmosfera;
12. Sistema di ricezione e stoccaggio dei rifiuti radioattivi;
13. Sistemi di sicurezza (generatori diesel di emergenza, dispositivi per il raffreddamento del nucleo di emergenza).

Come funzionano gli ultimi modelli

L'ultima quarta generazione di reattori sarà disponibile per il funzionamento commerciale non prima del 2030. Attualmente, il principio e la disposizione del loro lavoro sono in fase di sviluppo. Secondo i dati attuali, queste modifiche differiranno dai modelli esistenti in tale benefici:

• Sistema di raffreddamento rapido del gas. Si presume che l'elio verrà utilizzato come refrigerante. Secondo documentazione del progetto, quindi è possibile raffreddare i reattori con una temperatura di 850 °C. Per lavorare a temperature così elevate sono necessarie anche materie prime specifiche: materiali ceramici compositi e composti attinidi;
• È possibile utilizzare piombo o una lega di piombo-bismuto come refrigerante primario. Questi materiali hanno un basso assorbimento di neutroni e sono relativamente bassa temperatura fusione;
• Inoltre, come refrigerante principale può essere utilizzata una miscela di sali fusi. Pertanto, sarà possibile lavorare a temperature più elevate rispetto alle moderne controparti raffreddate ad acqua.

Analoghi naturali in natura

Il reattore nucleare è percepito come coscienza pubblica esclusivamente come prodotto di alta tecnologia. Tuttavia, in realtà il primo il dispositivo è di origine naturale. È stato scoperto nella regione di Oklo, nello stato centrafricano del Gabon:

• Il reattore si è formato a causa dell'inondazione di rocce di uranio acque sotterranee. Hanno agito come moderatori di neutroni;
• L'energia termica rilasciata durante il decadimento dell'uranio trasforma l'acqua in vapore e la reazione a catena si interrompe;
• Dopo che la temperatura del liquido di raffreddamento scende, tutto si ripete di nuovo;
• Se il liquido non fosse evaporato e non avesse fermato il corso della reazione, l'umanità avrebbe affrontato un nuovo disastro naturale;
• La fissione nucleare autosufficiente è iniziata in questo reattore circa un miliardo e mezzo di anni fa. Durante questo periodo sono stati assegnati circa 0,1 milioni di watt di potenza in uscita;
• Una tale meraviglia del mondo sulla Terra è l'unica conosciuta. La comparsa di nuovi è impossibile: la proporzione di uranio-235 nelle materie prime naturali è molto inferiore al livello necessario per mantenere una reazione a catena.

Quanti reattori nucleari ci sono in Corea del Sud?

Povera di risorse naturali, ma industrializzata e sovrappopolata, la Repubblica di Corea ha un disperato bisogno di energia. Sullo sfondo del rifiuto della Germania dell'atomo pacifico, questo paese ha grandi speranze per frenare la tecnologia nucleare:

• Si prevede che entro il 2035 la quota di elettricità generata dalle centrali nucleari raggiungerà il 60% e la produzione totale - oltre 40 gigawatt;
• Il paese non ha armi atomiche, ma la ricerca in fisica nucleare è in corso. Scienziati coreani hanno sviluppato progetti per reattori moderni: modulari, a idrogeno, con metallo liquido, ecc.;
• Il successo dei ricercatori locali permette di vendere tecnologia all'estero. Si prevede che nei prossimi 15-20 anni il Paese esporterà 80 unità di questo tipo;
• Ma ad oggi la maggior parte delle centrali nucleari sono state costruite con l'aiuto di scienziati americani o francesi;
• Il numero di stazioni operative è relativamente piccolo (solo quattro), ma ognuna di esse ha un numero significativo di reattori - 40 in totale, e questa cifra aumenterà.

Quando viene bombardato da neutroni, il combustibile nucleare entra in una reazione a catena, a seguito della quale viene generata un'enorme quantità di calore. L'acqua nel sistema prende questo calore e lo trasforma in vapore, che fa girare le turbine che producono elettricità. Ecco un semplice diagramma del funzionamento di un reattore atomico, la più potente fonte di energia sulla Terra.

Video: come funzionano i reattori nucleari

In questo video, il fisico nucleare Vladimir Chaikin ti dirà come viene generata l'elettricità nei reattori nucleari, la loro struttura dettagliata:

Inviare

Cos'è un reattore nucleare?

Un reattore nucleare, precedentemente noto come "caldaia nucleare", è un dispositivo utilizzato per avviare e controllare una reazione nucleare a catena sostenuta. I reattori nucleari sono utilizzati nelle centrali nucleari per generare elettricità e per i motori delle navi. Il calore della fissione nucleare viene trasferito al fluido di lavoro (acqua o gas) che viene fatto passare attraverso le turbine a vapore. L'acqua o il gas azionano le pale della nave o fanno ruotare i generatori elettrici. Il vapore risultante da una reazione nucleare può, in linea di principio, essere utilizzato per l'industria termica o per il teleriscaldamento. Alcuni reattori vengono utilizzati per produrre isotopi per applicazioni mediche e industriali o per produrre plutonio per armi. Alcuni di loro sono solo a scopo di ricerca. Oggi ci sono circa 450 reattori nucleari che vengono utilizzati per generare elettricità in circa 30 paesi in tutto il mondo.

Il principio di funzionamento di un reattore nucleare

Proprio come le centrali elettriche convenzionali generano elettricità utilizzando l'energia termica rilasciata dalla combustione di combustibili fossili, i reattori nucleari convertono l'energia rilasciata dalla fissione nucleare controllata in energia termica per un'ulteriore conversione in forme meccaniche o elettriche.

Processo di fissione nucleare

Quando un numero significativo di nuclei atomici in decomposizione (come l'uranio-235 o il plutonio-239) assorbe un neutrone, può verificarsi il processo di decadimento nucleare. Un nucleo pesante decade in due o più nuclei leggeri (prodotti di fissione), rilasciando energia cinetica, raggi gamma e neutroni liberi. Alcuni di questi neutroni possono successivamente essere assorbiti da altri atomi fissili e causare ulteriore fissione, che rilascia ancora più neutroni e così via. Questo processo è noto come reazione nucleare a catena.

Per controllare una tale reazione nucleare a catena, gli assorbitori ei moderatori di neutroni possono modificare la proporzione di neutroni che entrano nella fissione di più nuclei. I reattori nucleari sono controllati manualmente o automaticamente per essere in grado di arrestare la reazione di decadimento quando vengono identificate situazioni pericolose.

I regolatori di flusso di neutroni comunemente usati sono l'acqua ordinaria ("leggera") (74,8% dei reattori nel mondo), la grafite solida (20% dei reattori) e l'acqua "pesante" (5% dei reattori). In alcuni tipi sperimentali di reattori, si propone di utilizzare berillio e idrocarburi.

Generazione di calore in un reattore nucleare

La zona di lavoro del reattore genera calore in diversi modi:

• L'energia cinetica dei prodotti di fissione viene convertita in energia termica quando i nuclei entrano in collisione con gli atomi vicini.
• Il reattore assorbe parte della radiazione gamma prodotta durante la fissione e converte la sua energia in calore.
• Il calore è generato dal decadimento radioattivo dei prodotti di fissione e di quei materiali che sono stati influenzati dall'assorbimento di neutroni. Questa fonte di calore rimarrà invariata per qualche tempo, anche dopo lo spegnimento del reattore.

Durante le reazioni nucleari, un chilogrammo di uranio-235 (U-235) rilascia circa tre milioni di volte più energia di un chilogrammo di carbone bruciato convenzionalmente (7,2 × 1013 joule per chilogrammo di uranio-235 rispetto a 2,4 × 107 joule per chilogrammo di carbone) ,

Sistema di raffreddamento del reattore nucleare

Il refrigerante di un reattore nucleare - solitamente acqua, ma a volte gas, metallo liquido (come sodio liquido) o sale fuso - viene fatto circolare attorno al nocciolo del reattore per assorbire il calore generato. Il calore viene rimosso dal reattore e quindi utilizzato per generare vapore. La maggior parte dei reattori utilizza un sistema di raffreddamento fisicamente isolato dall'acqua che bolle e genera vapore utilizzato per le turbine, proprio come un reattore ad acqua pressurizzata. Tuttavia, in alcuni reattori, l'acqua per le turbine a vapore viene fatta bollire direttamente nel nocciolo del reattore; per esempio, in un reattore ad acqua pressurizzata.

Controllo del flusso di neutroni nel reattore

La potenza in uscita del reattore è controllata controllando il numero di neutroni in grado di provocare più fissioni.

Le barre di controllo realizzate con "veleno di neutroni" vengono utilizzate per assorbire i neutroni. Più neutroni vengono assorbiti dall'asta di controllo, meno neutroni possono causare ulteriore fissione. Pertanto, l'immersione profonda delle barre di assorbimento nel reattore ne riduce la potenza di uscita e, al contrario, la rimozione della barra di controllo la aumenta.

Al primo livello di controllo in tutti i reattori nucleari, l'emissione ritardata di neutroni da una serie di isotopi di fissione arricchiti di neutroni è un importante processo fisico. Questi neutroni ritardati costituiscono circa lo 0,65% del numero totale di neutroni prodotti durante la fissione, mentre il resto (i cosiddetti "neutroni veloci") si formano immediatamente durante la fissione. I prodotti di fissione che formano i neutroni ritardati hanno emivite che vanno da millisecondi a diversi minuti, e quindi ci vuole molto tempo per determinare con precisione quando il reattore raggiunge punto critico. Il mantenimento del reattore in una modalità di reattività a catena, in cui sono necessari neutroni ritardati per raggiungere la massa critica, è ottenuto da dispositivi meccanici o controllo umano per controllare la reazione a catena in "tempo reale"; in caso contrario, il tempo che intercorre tra il raggiungimento della criticità e lo scioglimento del nocciolo di un reattore nucleare a seguito dell'aumento esponenziale di potenza in una normale reazione nucleare a catena sarebbe troppo breve per intervenire. Questo fase finale, in cui i neutroni ritardati non sono più necessari per mantenere la criticità, è nota come criticità immediata. Esiste una scala per descrivere la criticità in forma numerica, in cui la criticità iniziale è indicata con il termine "zero dollari", il punto critico veloce come "un dollaro", altri punti nel processo sono interpolati in "centesimi".

In alcuni reattori, il refrigerante funge anche da moderatore di neutroni. Il moderatore aumenta la potenza del reattore facendo sì che i neutroni veloci rilasciati durante la fissione perdano energia e diventino neutroni termici. I neutroni termici hanno maggiori probabilità dei neutroni veloci di causare la fissione. Se il refrigerante è anche un moderatore di neutroni, le variazioni di temperatura possono influenzare la densità del refrigerante/moderatore e quindi la variazione della potenza erogata dal reattore. Maggiore è la temperatura del liquido di raffreddamento, meno denso sarà e quindi il moderatore meno efficace.

In altri tipi di reattori, il refrigerante agisce come un "veleno di neutroni", assorbendo i neutroni allo stesso modo delle barre di controllo. In questi reattori, la potenza erogata può essere aumentata riscaldando il refrigerante, rendendolo meno denso. I reattori nucleari hanno tipicamente sistemi automatici e manuali per l'arresto del reattore per l'arresto di emergenza. Questi sistemi immettono nel reattore grandi quantità di "veleno di neutroni" (spesso boro sotto forma di acido borico) per arrestare il processo di fissione se vengono rilevate o sospettate condizioni pericolose.

La maggior parte dei tipi di reattori è sensibile a un processo noto come "pozzo allo xeno" o "pozzo dello iodio". Un comune prodotto di fissione, lo xenon-135, funge da assorbitore di neutroni che cerca di spegnere il reattore. L'accumulo di xeno-135 può essere controllato mantenendo un livello di potenza sufficientemente alto da distruggerlo assorbendo i neutroni alla stessa velocità con cui viene prodotto. La fissione provoca anche la formazione di iodio-135, che a sua volta decade (con un tempo di dimezzamento di 6,57 ore) per formare xeno-135. Quando il reattore viene spento, lo iodio-135 continua a decadere per formare xeno-135, il che rende più difficile riavviare il reattore entro un giorno o due, poiché lo xeno-135 decade per formare cesio-135, che non è un assorbitore di neutroni come xenon-135.135, con un'emivita di 9,2 ore. Questo stato temporaneo è il "pozzo di iodio". Se il reattore ha una potenza aggiuntiva sufficiente, può essere riavviato. Più xenon-135 si trasformerà in xenon-136, che è inferiore all'assorbitore di neutroni, e in poche ore il reattore sperimenta il cosiddetto "fase di combustione dello xeno". Inoltre, le barre di controllo devono essere inserite nel reattore per compensare l'assorbimento di neutroni per sostituire lo xeno-135 perduto. Il mancato rispetto di questa procedura è stata una delle ragioni principali dell'incidente alla centrale nucleare di Chernobyl.

I reattori utilizzati negli impianti nucleari marini (in particolare i sottomarini nucleari) spesso non possono essere avviati in modalità di alimentazione continua allo stesso modo dei reattori di potenza terrestri. Inoltre, tali centrali elettriche devono avere un lungo periodo di funzionamento senza cambiare il carburante. Per questo motivo, molti progetti utilizzano uranio altamente arricchito ma contengono un assorbitore di neutroni bruciabili nelle barre di combustibile. Ciò consente di progettare un reattore con un eccesso di materiale fissile, che è relativamente sicuro all'inizio della combustione del ciclo del combustibile del reattore a causa della presenza di materiale che assorbe i neutroni, che viene successivamente sostituito da tradizionali assorbitori di neutroni a lunga vita (più durevole dello xeno-135), che si accumulano gradualmente durante la vita del reattore.

Come viene prodotta l'elettricità?

L'energia generata durante la fissione genera calore, parte del quale può essere convertita in energia utile. Metodo generale L'uso di questa energia termica consiste nell'usarla per far bollire l'acqua e produrre vapore pressurizzato, che a sua volta aziona una turbina a vapore che aziona un alternatore e genera elettricità.

La storia dell'aspetto dei primi reattori

I neutroni furono scoperti nel 1932. Lo schema di una reazione a catena provocata dalle reazioni nucleari a seguito dell'esposizione ai neutroni fu realizzato per la prima volta dallo scienziato ungherese Leo Sillard nel 1933. Ha fatto domanda per un brevetto per la sua semplice idea di reattore durante l'anno successivo all'Ammiragliato di Londra. Tuttavia, l'idea di Szilard non includeva la teoria della fissione nucleare come fonte di neutroni, poiché questo processo non era ancora stato scoperto. Le idee di Szilard per i reattori nucleari che utilizzano una reazione a catena nucleare mediata da neutroni in elementi leggeri si sono rivelate impraticabili.

L'impulso per la creazione di un nuovo tipo di reattore che utilizza l'uranio fu la scoperta di Lise Meitner, Fritz Strassmann e Otto Hahn nel 1938, che "bombardarono" l'uranio con neutroni (utilizzando la reazione di decadimento alfa del berillio, la "pistola a neutroni") per formare il bario, che, come si credeva, provenisse dal decadimento dei nuclei di uranio. Studi successivi all'inizio del 1939 (Szilard e Fermi) dimostrarono che durante la fissione dell'atomo si producevano anche dei neutroni, e ciò rese possibile lo svolgimento di una reazione nucleare a catena, come Szilard aveva previsto sei anni prima.

Il 2 agosto 1939, Albert Einstein firmò una lettera scritta da Szilard al presidente Franklin D. Roosevelt affermando che la scoperta della fissione dell'uranio potrebbe portare alla creazione di "nuovi tipi di bombe estremamente potenti". Ciò diede impulso allo studio dei reattori e del decadimento radioattivo. Szilard ed Einstein si conoscevano bene e hanno lavorato insieme per molti anni, ma Einstein non ha mai pensato a una tale possibilità per l'energia nucleare fino a quando Szilard non lo ha informato, proprio all'inizio della sua ricerca, di scrivere una lettera Einstein-Szilard per avvertire noi governo,

Poco dopo, nel 1939, la Germania nazista invase la Polonia, dando inizio alla seconda guerra mondiale in Europa. Ufficialmente, gli Stati Uniti non erano ancora in guerra, ma in ottobre, quando fu consegnata la lettera Einstein-Szilard, Roosevelt notò che lo scopo dello studio era assicurarsi che "i nazisti non ci facessero saltare in aria". Il progetto nucleare statunitense iniziò, anche se con un certo ritardo, a causa dello scetticismo rimasto (in particolare da parte di Fermi) ea causa dell'esiguo numero di funzionari governativi che inizialmente sovrintendevano al progetto.

L'anno successivo, il governo degli Stati Uniti ricevette un memorandum Frisch-Peierls dalla Gran Bretagna in cui si affermava che la quantità di uranio necessaria per effettuare una reazione a catena era molto inferiore a quanto si pensava in precedenza. Il memorandum è stato creato con la partecipazione di Maud Commity, che ha lavorato al progetto della bomba atomica nel Regno Unito, successivamente noto con il nome in codice "Tube Alloys" (Tubular Alloys) e successivamente incluso nel Progetto Manhattan.

Alla fine, il primo reattore nucleare artificiale, chiamato Chicago Woodpile 1, fu costruito presso l'Università di Chicago da un team guidato da Enrico Fermi alla fine del 1942. A quel tempo, il programma nucleare statunitense era già stato accelerato dall'ingresso del paese in la guerra. "Chicago Woodpile" raggiunse un punto critico il 2 dicembre 1942 a 15 ore e 25 minuti. Il telaio del reattore era di legno e teneva insieme una pila di blocchi di grafite (da cui il nome) con "mattonelle" o "pseudosfere" annidate di ossido di uranio naturale.

A partire dal 1943, poco dopo la creazione del Chicago Woodpile, l'esercito americano ha sviluppato un'intera serie di reattori nucleari per il Progetto Manhattan. Lo scopo principale dei più grandi reattori (situati nel complesso di Hanford nello stato di Washington) era la produzione in serie di plutonio per armi nucleari. Fermi e Szilard hanno depositato una domanda di brevetto per i reattori il 19 dicembre 1944. La sua emissione è stata ritardata di 10 anni a causa del segreto in tempo di guerra.

"World's First" - questa iscrizione è stata fatta nel sito del reattore EBR-I, che ora è un museo vicino alla città di Arco, Idaho. Originariamente chiamato "Chicago Woodpile-4", questo reattore fu costruito sotto la direzione di Walter Zinn per l'Aragonne National Laboratory. Questo reattore autofertilizzante veloce era a disposizione della Commissione per l'Energia Atomica degli Stati Uniti. Il reattore ha prodotto 0,8 kW di potenza durante i test il 20 dicembre 1951 e 100 kW di potenza (elettrica) il giorno successivo, con una capacità di progetto di 200 kW (potenza elettrica).

Oltre all'uso militare dei reattori nucleari, c'erano motivi politici per continuare la ricerca sull'energia atomica per scopi pacifici. Il presidente degli Stati Uniti Dwight Eisenhower ha fatto il suo famoso discorso"Atoms for Peace" all'Assemblea Generale delle Nazioni Unite 8 dicembre 1953 Questa mossa diplomatica portò alla diffusione della tecnologia dei reattori sia negli Stati Uniti che nel mondo.

La prima centrale nucleare costruita per scopi civili fu la centrale nucleare AM-1 di Obninsk, lanciata il 27 giugno 1954 in Unione Sovietica. Ha prodotto circa 5 MW di energia elettrica.

Dopo la seconda guerra mondiale, l'esercito americano ha cercato altre applicazioni per la tecnologia dei reattori nucleari. Gli studi condotti nell'esercito e nell'aeronautica non sono stati implementati; Tuttavia, la Marina degli Stati Uniti ebbe successo con il lancio del sottomarino nucleare USS Nautilus (SSN-571) il 17 gennaio 1955.

La prima centrale nucleare commerciale (Calder Hall a Sellafield, in Inghilterra) è stata aperta nel 1956 con una capacità iniziale di 50 MW (successivamente 200 MW).

Il primo reattore nucleare portatile "Alco PM-2A" è stato utilizzato per generare elettricità (2 MW) per la base militare statunitense "Camp Century" dal 1960.

Principali componenti di una centrale nucleare

I componenti principali della maggior parte dei tipi di centrali nucleari sono:

Elementi di un reattore nucleare

• Combustibile nucleare (nucleo del reattore nucleare; moderatore di neutroni)
• Sorgente iniziale di neutroni
• Assorbitore di neutroni
• Pistola a neutroni (fornisce una fonte costante di neutroni per riavviare la reazione dopo essere stata spenta)
• Sistema di raffreddamento (spesso moderatore di neutroni e refrigerante sono gli stessi, solitamente acqua purificata)
• barre di controllo
• Reattore nucleare (NRC)

Pompa acqua caldaia

• Generatori di vapore (non nei reattori ad acqua bollente)
• Turbina a vapore
• Generatore di corrente
• Condensatore
• Torre di raffreddamento (non sempre necessaria)
• Sistema di trattamento dei rifiuti radioattivi (parte dell'impianto di smaltimento dei rifiuti radioattivi)
• Sito di ricarica del combustibile nucleare
• Piscina di combustibile esaurito

Sistema di protezione dalle radiazioni

• Sistema di protezione del rettore (SZR)
• Generatori diesel di emergenza
• Sistema di raffreddamento di emergenza del nocciolo del reattore (ECCS)
• Sistema di controllo del fluido di emergenza (iniezione di emergenza del boro, solo nei reattori ad acqua bollente)
• Sistema di approvvigionamento idrico per consumatori responsabili (SOTVOP)

Guscio protettivo

• Telecomando
• Installazione di emergenza
• Complesso di addestramento nucleare (di norma, esiste una simulazione del pannello di controllo)

Classificazioni dei reattori nucleari

Tipi di reattori nucleari

I reattori nucleari sono classificati in diversi modi; riepilogo questi metodi di classificazione sono presentati di seguito.

Classificazione dei reattori nucleari per tipo di moderatore

Reattori termici usati:

• Reattori di grafite
  
• Reattori ad acqua pressurizzata
• Reattori ad acqua pesante(utilizzato in Canada, India, Argentina, Cina, Pakistan, Romania e Corea del Sud).
• Reattori ad acqua leggera(LVR). I reattori ad acqua leggera (il tipo più comune di reattore termico) utilizzano acqua ordinaria per controllare e raffreddare i reattori. Se la temperatura dell'acqua aumenta, la sua densità diminuisce, rallentando il flusso di neutroni abbastanza da provocare ulteriori reazioni a catena. Questo feedback negativo stabilizza la velocità della reazione nucleare. I reattori in grafite e ad acqua pesante tendono a riscaldarsi più intensamente rispetto ai reattori ad acqua leggera. A causa del calore extra, tali reattori possono utilizzare uranio naturale/combustibile non arricchito.
• Reattori basati su moderatori di elementi leggeri.
• Reattori moderati a sali fusi(MSR) sono controllati dalla presenza di elementi leggeri, come il litio o il berillio, che fanno parte dei sali della matrice refrigerante/combustibile LiF e BEF2.
• Reattori con raffreddatori a metallo liquido, dove il refrigerante è una miscela di piombo e bismuto, può utilizzare l'ossido di BeO nell'assorbitore di neutroni.
• Reattori basati su moderatore organico(OMR) utilizzano difenile e terfenile come componenti moderatori e refrigeranti.

Classificazione dei reattori nucleari per tipo di refrigerante

• Reattore raffreddato ad acqua. Ci sono 104 reattori operativi negli Stati Uniti. Di questi, 69 sono reattori ad acqua pressurizzata (PWR) e 35 sono reattori ad acqua bollente (BWR). I reattori nucleari ad acqua pressurizzata (PWR) costituiscono la stragrande maggioranza di tutte le centrali nucleari occidentali. La caratteristica principale del tipo RVD è la presenza di un compressore, uno speciale recipiente ad alta pressione. La maggior parte dei reattori ad alta pressione commerciali e degli impianti di reattori navali utilizzano compressori. Durante il normale funzionamento, il soffiatore è parzialmente riempito d'acqua e al di sopra di esso viene mantenuta una bolla di vapore, che si crea riscaldando l'acqua con riscaldatori ad immersione. Nella modalità normale, il compressore è collegato al recipiente a pressione del reattore (HRV) e il compensatore di pressione fornisce una cavità in caso di variazione del volume dell'acqua nel reattore. Tale schema fornisce anche il controllo della pressione nel reattore aumentando o diminuendo la pressione del vapore nel compensatore mediante riscaldatori.

• Reattori ad acqua pesante ad alta pressione appartengono a una varietà di reattori ad acqua pressurizzata (PWR), che combinano i principi dell'utilizzo della pressione, un ciclo termico isolato, assumendo l'uso di acqua pesante come refrigerante e moderatore, che è economicamente vantaggioso.
• reattore ad acqua bollente(BWR). I modelli di reattori ad acqua bollente sono caratterizzati dalla presenza di acqua bollente attorno alle barre di combustibile sul fondo del recipiente del reattore principale. Il reattore ad acqua bollente utilizza come combustibile 235U arricchito, sotto forma di biossido di uranio. Il combustibile è disposto in barre poste in un recipiente d'acciaio, che a sua volta è immerso nell'acqua. Il processo di fissione nucleare provoca l'ebollizione dell'acqua e la formazione di vapore. Questo vapore passa attraverso le tubazioni nelle turbine. Le turbine sono alimentate a vapore e questo processo genera elettricità. Durante il normale funzionamento, la pressione è controllata dalla quantità di vapore che fluisce dal recipiente a pressione del reattore nella turbina.
• Reattore di tipo pool
• Reattore con refrigerante a metallo liquido. Poiché l'acqua è un moderatore di neutroni, non può essere utilizzata come refrigerante in un reattore a neutroni veloci. I refrigeranti a metallo liquido includono sodio, NaK, piombo, eutettico piombo-bismuto e, per i reattori di prima generazione, mercurio.
• Reattore a neutroni veloci con refrigerante al sodio.
• Reattore a neutroni veloci con refrigerante al piombo.
• Reattori raffreddati a gas sono raffreddati facendo circolare gas inerte, concepito con elio in strutture ad alta temperatura. Allo stesso tempo, l'anidride carbonica è stata utilizzata in precedenza nelle centrali nucleari britanniche e francesi. È stato utilizzato anche l'azoto. L'uso del calore dipende dal tipo di reattore. Alcuni reattori sono così caldi che il gas può azionare direttamente una turbina a gas. I progetti di reattori più vecchi in genere prevedevano il passaggio del gas attraverso uno scambiatore di calore per generare vapore per una turbina a vapore.
• Reattori a sali fusi(MSR) vengono raffreddati facendo circolare sale fuso (solitamente miscele eutettiche di sali di fluoruro come FLiBe). In un tipico MSR, il refrigerante viene utilizzato anche come matrice in cui viene disciolto il materiale fissile.

Generazioni di reattori nucleari

• Reattore di prima generazione(primi prototipi, reattori di ricerca, reattori di potenza non commerciali)
• Reattore di seconda generazione(la maggior parte delle centrali nucleari moderne 1965-1996)
• Reattore di terza generazione(miglioramenti evolutivi ai progetti esistenti dal 1996 ad oggi)
• reattore di quarta generazione(tecnologie ancora in fase di sviluppo, data di inizio sconosciuta, forse 2030)

Nel 2003, il Commissariato francese per l'energia atomica (CEA) ha introdotto per la prima volta la designazione "Gen II" durante la Settimana Nucleonica.

La prima menzione di "Gen III" nel 2000 è stata fatta in connessione con l'avvio del Generation IV International Forum (GIF).

La "Gen IV" è stata menzionata nel 2000 dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) per lo sviluppo di nuovi tipi di centrali elettriche.

Classificazione dei reattori nucleari per tipo di combustibile

• Reattore a combustibile solido
• reattore a combustibile liquido
• Reattore omogeneo raffreddato ad acqua
• Reattore a sali fusi
• Reattori alimentati a gas (teoricamente)

Classificazione dei reattori nucleari per scopo

• Generazione di elettricità
• Centrali nucleari, inclusi piccoli reattori a grappolo
• Dispositivi semoventi (vedi centrali nucleari)
• Impianti nucleari offshore
• Vari tipi proposti di motori a razzo
• Altri usi del calore
• Dissalazione
• Produzione di calore per il riscaldamento domestico e industriale
• Produzione di idrogeno per l'uso nell'energia da idrogeno
• Reattori di produzione per la conversione degli elementi
• Reattori autofertilizzanti in grado di produrre più materiale fissile di quello che consumano durante la reazione a catena (convertendo gli isotopi genitori U-238 in Pu-239, o Th-232 in U-233). Pertanto, dopo aver elaborato un ciclo, il reattore autofertilizzante dell'uranio può essere ripetutamente rifornito di uranio naturale o addirittura impoverito. A sua volta, il reattore autofertilizzante del torio può essere riempito di torio. Tuttavia, è necessaria una fornitura iniziale di materiale fissile.
• Creazione di vari isotopi radioattivi, come l'americio per l'uso nei rilevatori di fumo e cobalto-60, molibdeno-99 e altri, usati come traccianti e per il trattamento.
• Produzione di materiali per armi nucleari, come il plutonio per armi
• Creazione di una sorgente di radiazione di neutroni (ad esempio, il reattore a impulsi Lady Godiva) e di radiazione di positroni (ad esempio, analisi di attivazione dei neutroni e datazione potassio-argon)
• Reattore di ricerca: in genere, i reattori vengono utilizzati per la ricerca scientifica e l'insegnamento, i test sui materiali o la produzione di radioisotopi per la medicina e l'industria. Sono molto più piccoli dei reattori di potenza o dei reattori navali. Molti di questi reattori si trovano nei campus universitari. Ci sono circa 280 reattori di questo tipo che operano in 56 paesi. Alcuni funzionano con combustibile di uranio altamente arricchito. Sono in corso sforzi internazionali per sostituire i combustibili a basso arricchimento.

Reattori nucleari moderni

Reattori ad acqua pressurizzata (PWR)

Questi reattori utilizzano un recipiente a pressione per contenere il combustibile nucleare, le barre di controllo, il moderatore e il refrigerante. I reattori sono raffreddati ei neutroni sono moderati dall'acqua liquida ad alta pressione. L'acqua radioattiva calda che esce dal recipiente a pressione passa attraverso il circuito del generatore di vapore, che a sua volta riscalda il circuito secondario (non radioattivo). Questi reattori costituiscono la maggior parte dei reattori moderni. Questo è il dispositivo di progettazione del riscaldamento del reattore a neutroni, l'ultimo dei quali è il VVER-1200, l'avanzato reattore ad acqua pressurizzata e il reattore europeo ad acqua pressurizzata. I reattori della US Navy sono di questo tipo.

Reattori ad acqua bollente (BWR)

I reattori ad acqua bollente sono simili ai reattori ad acqua pressurizzata senza generatore di vapore. Anche i reattori ad acqua bollente utilizzano l'acqua come refrigerante e moderatore di neutroni come reattori ad acqua pressurizzata, ma a una pressione inferiore, che consente all'acqua di bollire all'interno della caldaia, creando vapore che fa girare le turbine. A differenza di un reattore ad acqua pressurizzata, non esiste un circuito primario e secondario. La capacità di riscaldamento di questi reattori può essere maggiore e possono essere più semplici nel design e persino più stabili e sicuri. Questo è un dispositivo reattore a neutroni termici, l'ultimo dei quali è l'avanzato reattore ad acqua bollente e l'economico reattore nucleare ad acqua bollente semplificato.

Reattore moderato ad acqua pesante pressurizzata (PHWR)

Un design canadese (noto come CANDU), questi sono reattori moderati ad acqua pesante pressurizzata. Invece di utilizzare un unico recipiente a pressione, come nei reattori ad acqua pressurizzata, il combustibile si trova in centinaia di canali ad alta pressione. Questi reattori funzionano con uranio naturale e sono reattori a neutroni termici. I reattori ad acqua pesante possono essere riforniti durante il funzionamento piena potenza, che li rende molto efficienti quando si utilizza l'uranio (questo consente un controllo preciso del flusso nel nucleo). I reattori CANDU ad acqua pesante sono stati costruiti in Canada, Argentina, Cina, India, Pakistan, Romania e Corea del Sud. L'India gestisce anche una serie di reattori ad acqua pesante, spesso indicati come "derivati ​​CANDU", costruiti dopo che il governo canadese ha concluso le relazioni nucleari con l'India in seguito al test sulle armi nucleari "Buddha sorridente" nel 1974.

Reattore a canale ad alta potenza (RBMK)

Sviluppo sovietico, progettato per produrre plutonio e elettricità. Gli RBMK usano l'acqua come refrigerante e la grafite come moderatore di neutroni. Gli RBMK sono simili per alcuni aspetti ai CANDU, poiché possono essere ricaricati mentre sono in servizio e utilizzano tubi a pressione invece di un recipiente a pressione (come fanno nei reattori ad acqua pressurizzata). Tuttavia, a differenza di CANDU, sono molto instabili e ingombranti, rendendo costoso il tappo del reattore. Nei progetti RBMK sono state identificate anche numerose carenze critiche in materia di sicurezza, sebbene alcune di queste carenze siano state corrette dopo il disastro di Chernobyl. La loro caratteristica principale è l'uso di acqua leggera e uranio non arricchito. A partire dal 2010, 11 reattori rimangono aperti, in gran parte grazie al miglioramento della sicurezza e al supporto di organizzazioni internazionali per la sicurezza come il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Nonostante questi miglioramenti, i reattori RBMK sono ancora considerati uno dei progetti di reattori più pericolosi da utilizzare. I reattori RBMK sono stati utilizzati solo nell'ex Unione Sovietica.

Reattore raffreddato a gas (GCR) e reattore avanzato raffreddato a gas (AGR)

In genere utilizzano un moderatore di neutroni di grafite e un dispositivo di raffreddamento a CO2. A causa delle elevate temperature di esercizio, possono avere una maggiore efficienza per la generazione di calore rispetto ai reattori ad acqua pressurizzata. Esistono numerosi reattori operativi di questo progetto, principalmente nel Regno Unito, dove è stato sviluppato il concetto. Gli sviluppi più vecchi (ad esempio le stazioni Magnox) sono chiusi o lo saranno nel prossimo futuro. Tuttavia, i reattori raffreddati a gas migliorati hanno una vita operativa stimata di altri 10-20 anni. I reattori di questo tipo sono reattori a neutroni termici. I costi monetari per lo smantellamento di tali reattori possono essere elevati a causa del grande volume del nocciolo.

Reattore autofertilizzante veloce (LMFBR)

Il design di questo reattore è raffreddato da metallo liquido, senza moderatore e produce più combustibile di quanto ne consuma. Si dice che "producano" carburante mentre producono combustibile fissile nel corso della cattura dei neutroni. Tali reattori possono funzionare allo stesso modo dei reattori ad acqua pressurizzata in termini di efficienza, hanno bisogno di compensare l'aumento della pressione, perché viene utilizzato metallo liquido che non crea sovrappressione anche a temperature molto elevate. Il BN-350 e il BN-600 in URSS e il Superphoenix in Francia erano reattori di questo tipo, così come il Fermi I negli Stati Uniti. Il reattore di Monju in Giappone, danneggiato da una perdita di sodio nel 1995, ha ripreso le operazioni nel maggio 2010. Tutti questi reattori usano/usavano sodio liquido. Questi reattori sono reattori a neutroni veloci e non appartengono ai reattori a neutroni termici. Questi reattori sono di due tipi:

piombo raffreddato

L'uso del piombo come metallo liquido fornisce un'eccellente schermatura contro le radiazioni e consente il funzionamento a temperature molto elevate. Inoltre, il piombo è (principalmente) trasparente ai neutroni, quindi vengono persi meno neutroni nel refrigerante e il refrigerante non diventa radioattivo. A differenza del sodio, il piombo è generalmente inerte, quindi c'è meno rischio di esplosione o incidente, ma quantità così elevate di piombo possono causare tossicità e problemi di smaltimento dei rifiuti. Spesso in reattori di questo tipo possono essere utilizzate miscele eutettiche piombo-bismuto. In questo caso, il bismuto porrà una piccola interferenza alla radiazione, poiché non è completamente trasparente ai neutroni e può trasformarsi in un altro isotopo più facilmente del piombo. Il sottomarino russo di classe Alpha utilizza un reattore a neutroni veloci raffreddato a piombo-bismuto come principale sistema di generazione di energia.

raffreddato a sodio

La maggior parte dei reattori di riproduzione a metallo liquido (LMFBR) sono di questo tipo. Il sodio è relativamente facile da ottenere e facile da lavorare, inoltre aiuta a prevenire la corrosione delle varie parti del reattore in esso immerse. Tuttavia, il sodio reagisce violentemente a contatto con l'acqua, quindi è necessario prestare attenzione, sebbene tali esplosioni non saranno molto più potenti di, ad esempio, perdite di liquido surriscaldato da SCWR o RWD. EBR-I è il primo reattore di questo tipo, in cui il nocciolo è costituito da un fuso.

Reattore a letto sferico (PBR)

Usano carburante pressato in sfere di ceramica in cui il gas viene fatto circolare attraverso le sfere. Di conseguenza, sono reattori efficienti, senza pretese e molto sicuri con combustibile economico e standardizzato. Il prototipo era il reattore AVR.

Reattori a sali fusi

In essi, il carburante viene sciolto in sali di fluoruro o i fluoruri vengono utilizzati come refrigerante. I loro sistemi di sicurezza diversificati, l'elevata efficienza e l'elevata densità energetica sono adatti ai veicoli. Sorprendentemente, non hanno parti soggette ad alte pressioni o componenti combustibili nel nucleo. Il prototipo era il reattore MSRE, che utilizzava anch'esso un ciclo del combustibile al torio. Come reattore autofertilizzante, riprocessa il combustibile esaurito, recuperando elementi sia di uranio che di transuranio, lasciando solo lo 0,1% di rifiuti di transuranio rispetto ai tradizionali reattori ad acqua leggera di uranio a passaggio singolo attualmente in funzione. Una questione a parte sono i prodotti di fissione radioattivi, che non vengono riciclati e devono essere smaltiti nei reattori convenzionali.

Reattore omogeneo acquoso (AHR)

Questi reattori utilizzano combustibile sotto forma di sali solubili che vengono sciolti in acqua e miscelati con un refrigerante e un moderatore di neutroni.

Sistemi e progetti nucleari innovativi

reattori avanzati

Più di una dozzina di progetti di reattori avanzati sono in varie fasi di sviluppo. Alcuni di questi si sono evoluti dai progetti RWD, BWR e PHWR, altri differiscono in modo più significativo. I primi includono l'Advanced Boiling Water Reactor (ABWR) (due dei quali sono attualmente operativi e altri in costruzione), così come il reattore economico semplificato a sicurezza passiva ad acqua bollente (ESBWR) e le installazioni AP1000 (vedi sotto). 2010).

Reattore nucleare a neutroni veloci integrato(IFR) è stato costruito, testato e testato per tutti gli anni '80, poi dismesso dopo le dimissioni dell'amministrazione Clinton negli anni '90 a causa delle politiche di non proliferazione nucleare. Il ritrattamento del combustibile nucleare esaurito è al centro del suo progetto e quindi produce solo una frazione delle scorie dai reattori in funzione.

Reattore modulare ad alta temperatura raffreddato a gas reattore (HTGCR) è progettato in modo tale che le alte temperature riducano la potenza erogata a causa dell'allargamento Doppler della sezione trasversale del fascio di neutroni. Il reattore utilizza un tipo di combustibile ceramico, quindi le sue temperature operative sicure superano l'intervallo di temperature di derating. La maggior parte delle strutture è raffreddata con elio inerte. L'elio non può causare un'esplosione a causa dell'espansione del vapore, non assorbe i neutroni, che porterebbero alla radioattività, e non dissolve i contaminanti che potrebbero essere radioattivi. I progetti tipici consistono in più strati di protezione passiva (fino a 7) rispetto ai reattori ad acqua leggera (tipicamente 3). Una caratteristica unica che può fornire sicurezza è che le sfere di combustibile formano effettivamente il nucleo e vengono sostituite una ad una nel tempo. Le caratteristiche di progettazione delle celle a combustibile le rendono costose da riciclare.

Piccolo, chiuso, mobile, reattore autonomo (SSTAR)è stato originariamente testato e sviluppato negli Stati Uniti. Il reattore è stato concepito come un reattore a neutroni veloci, con un sistema di protezione passiva che poteva essere spento a distanza in caso di sospetto malfunzionamento.

Pulito e rispettoso dell'ambiente reattore avanzato (CAESAR)è un concetto per un reattore nucleare che utilizza il vapore come moderatore di neutroni - questo progetto è ancora in fase di sviluppo.

Il Reattore Moderato ad Acqua Ridotta si basa sull'Advanced Boiling Water Reactor (ABWR) attualmente in funzione. Questo non è un reattore a neutroni completamente veloce, ma utilizza principalmente neutroni epitermici, che hanno velocità intermedie tra termica e veloce.

Modulo di energia nucleare autoregolante con moderatore di idrogeno (CV)è un tipo di progetto di reattore rilasciato dal Los Alamos National Laboratory che utilizza l'idruro di uranio come combustibile.

Reattori nucleari subcritici progettati come più sicuri e più stabili, ma sono difficili in termini ingegneristici ed economici. Un esempio è "l'amplificatore di energia".

Reattori a base di torio. È possibile convertire il torio-232 in U-233 in reattori progettati appositamente per questo scopo. In questo modo, il torio, che è quattro volte più comune dell'uranio, può essere utilizzato per produrre combustibile nucleare a base di U-233. Si ritiene che l'U-233 abbia proprietà nucleari favorevoli rispetto all'U-235 convenzionale, in particolare migliori probabilità uso vantaggioso dei neutroni e riduzione della quantità di rifiuti di transuranio a vita lunga prodotti.

Reattore ad acqua pesante avanzato (AHWR)- il proposto reattore ad acqua pesante, che rappresenterà lo sviluppo prossima generazione Tipo PWR. In fase di sviluppo presso il Bhabha Nuclear Research Center (BARC), India.

KAMINI- un reattore unico che utilizza l'isotopo dell'uranio-233 come combustibile. Costruito in India presso il BARC Research Center e l'Indira Gandhi Nuclear Research Center (IGCAR).

L'India prevede inoltre di costruire reattori a neutroni veloci utilizzando il ciclo del combustibile torio-uranio-233. FBTR (reattore a neutroni veloci) (Kalpakkam, India) utilizza plutonio come combustibile e sodio liquido come refrigerante durante il funzionamento.

Cosa sono i reattori di quarta generazione

La quarta generazione di reattori è un insieme di diversi progetti teorici attualmente allo studio. È improbabile che questi progetti vengano attuati entro il 2030. I reattori moderni in funzione sono generalmente considerati sistemi di seconda o terza generazione. I sistemi di prima generazione non vengono utilizzati da tempo. Lo sviluppo di questa quarta generazione di reattori è stato lanciato ufficialmente al Generation IV International Forum (GIF) sulla base di otto obiettivi tecnologici. Gli obiettivi principali erano migliorare la sicurezza nucleare, aumentare la sicurezza contro la proliferazione, ridurre al minimo i rifiuti e utilizzare le risorse naturali, nonché ridurre i costi di costruzione e gestione di tali stazioni.

• Reattore a neutroni veloci raffreddato a gas
• Reattore a neutroni veloci con raffreddatore al piombo
• Reattore a sale liquido
• Reattore a neutroni veloci raffreddato al sodio
• Reattore nucleare supercritico raffreddato ad acqua
• Reattore nucleare ad altissima temperatura

Cosa sono i reattori di quinta generazione?

La quinta generazione di reattori sono progetti, la cui attuazione è possibile da un punto di vista teorico, ma che attualmente non sono oggetto di considerazione e ricerca attiva. Sebbene tali reattori possano essere costruiti nell'attuale oa breve termine, sono di scarso interesse per ragioni di fattibilità economica, praticità o sicurezza.

• reattore in fase liquida. Un circuito chiuso con liquido nel nocciolo di un reattore nucleare, in cui il materiale fissile è sotto forma di uranio fuso o di una soluzione di uranio raffreddata con l'ausilio di un gas di lavoro iniettato nei fori passanti alla base del recipiente di contenimento.
• Reattore con una fase gassosa nel nocciolo. Una variante a circuito chiuso per un razzo a propulsione nucleare, in cui il materiale fissile è esafluoruro di uranio gassoso situato in un recipiente di quarzo. Il gas di lavoro (come l'idrogeno) fluirà attorno a questo recipiente e assorbirà la radiazione ultravioletta risultante dalla reazione nucleare. Un tale progetto potrebbe essere utilizzato come motore a razzo, come menzionato nel romanzo di fantascienza Skyfall di Harry Harrison del 1976. Teoricamente, l'utilizzo dell'esafluoruro di uranio come combustibile nucleare (piuttosto che come intermedio, come si fa attualmente) porterebbe a minori costi di generazione dell'energia, oltre a ridurre sensibilmente le dimensioni dei reattori. In pratica, un reattore operante a densità di potenza così elevate produrrebbe un flusso di neutroni incontrollato, indebolendo le proprietà di resistenza della maggior parte dei materiali del reattore. Pertanto, il flusso sarebbe simile al flusso di particelle rilasciate negli impianti termonucleari. A sua volta, ciò richiederebbe l'uso di materiali simili a quelli utilizzati dal progetto internazionale per l'implementazione di un impianto di irradiazione a fusione.
• Reattore elettromagnetico in fase gassosa. Simile a un reattore in fase gassosa ma con celle fotovoltaiche che convertono la luce ultravioletta direttamente in elettricità.
• Reattore a frammentazione
• Fusione nucleare ibrida. Vengono utilizzati i neutroni emessi durante la fusione e il decadimento dell'originale o "sostanza nella zona di riproduzione". Ad esempio, la trasmutazione di U-238, Th-232 o combustibile esaurito/rifiuti radioattivi da un altro reattore in isotopi relativamente più benigni.

Reattore con una fase gassosa nella zona attiva. Una variante a circuito chiuso per un razzo a propulsione nucleare, in cui il materiale fissile è esafluoruro di uranio gassoso situato in un recipiente di quarzo. Il gas di lavoro (come l'idrogeno) fluirà attorno a questo recipiente e assorbirà la radiazione ultravioletta risultante dalla reazione nucleare. Un tale progetto potrebbe essere utilizzato come motore a razzo, come menzionato nel romanzo di fantascienza Skyfall di Harry Harrison del 1976. Teoricamente, l'utilizzo dell'esafluoruro di uranio come combustibile nucleare (piuttosto che come intermedio, come si fa attualmente) porterebbe a minori costi di generazione dell'energia, oltre a ridurre sensibilmente le dimensioni dei reattori. In pratica, un reattore operante a densità di potenza così elevate produrrebbe un flusso di neutroni incontrollato, indebolendo le proprietà di resistenza della maggior parte dei materiali del reattore. Pertanto, il flusso sarebbe simile al flusso di particelle rilasciate negli impianti termonucleari. A sua volta, ciò richiederebbe l'uso di materiali simili a quelli utilizzati dal progetto internazionale per l'implementazione di un impianto di irradiazione a fusione.

Reattore elettromagnetico in fase gassosa. Simile a un reattore in fase gassosa ma con celle fotovoltaiche che convertono la luce ultravioletta direttamente in elettricità.

Reattore a frammentazione

Fusione nucleare ibrida. Vengono utilizzati i neutroni emessi durante la fusione e il decadimento dell'originale o "sostanza nella zona di riproduzione". Ad esempio, la trasmutazione di U-238, Th-232 o combustibile esaurito/rifiuti radioattivi da un altro reattore in isotopi relativamente più benigni.

Reattori a fusione

La fusione controllata può essere utilizzata nelle centrali elettriche a fusione per produrre elettricità senza le complessità di lavorare con gli attinidi. Tuttavia, permangono seri ostacoli scientifici e tecnologici. Sono stati costruiti diversi reattori a fusione, ma solo di recente i reattori sono stati in grado di rilasciare più energia di quella che consumano. Nonostante il fatto che la ricerca sia iniziata negli anni '50, si presume che un reattore a fusione commerciale non sarà operativo fino al 2050. Il progetto ITER sta attualmente compiendo sforzi per utilizzare l'energia di fusione.

Ciclo del combustibile nucleare

I reattori termici dipendono generalmente dal grado di purificazione e arricchimento dell'uranio. Alcuni reattori nucleari possono funzionare con una miscela di plutonio e uranio (vedi combustibile MOX). Il processo mediante il quale il minerale di uranio viene estratto, lavorato, arricchito, utilizzato, possibilmente riciclato e smaltito è noto come ciclo del combustibile nucleare.

Fino all'1% dell'uranio in natura è l'isotopo facilmente fissile U-235. Pertanto, la progettazione della maggior parte dei reattori prevede l'uso di combustibile arricchito. L'arricchimento comporta l'aumento della percentuale di U-235 e di solito viene effettuato mediante diffusione gassosa o in una centrifuga a gas. Il prodotto arricchito viene ulteriormente convertito in polvere di biossido di uranio, che viene compressa e cotta in pellet. Questi granuli vengono posti in tubi, che vengono poi sigillati. Tali tubi sono chiamati barre di combustibile. Ogni reattore nucleare utilizza molte di queste barre di combustibile.

La maggior parte dei BWR e PWR commerciali utilizzano uranio arricchito al 4% di U-235, circa. Inoltre, alcuni reattori industriali ad alta economia di neutroni non richiedono affatto combustibile arricchito (cioè possono utilizzare uranio naturale). Secondo l'Agenzia internazionale per l'energia atomica, ci sono almeno 100 reattori di ricerca nel mondo che utilizzano combustibile altamente arricchito (grado per armi/uranio arricchito al 90%). Il rischio di furto di questo tipo di combustibile (possibile impiego nella fabbricazione di armi nucleari) ha portato a una campagna che chiedeva il passaggio all'uso di reattori con uranio a basso arricchimento (che rappresenta una minaccia minore per la proliferazione).

L'U-235 fissile e l'U-238 non fissile e fissile sono utilizzati nel processo di trasformazione nucleare. L'U-235 è fissione da neutroni termici (cioè lenti). Un neutrone termico è un neutrone che si muove all'incirca alla stessa velocità degli atomi che lo circondano. Poiché la frequenza vibrazionale degli atomi è proporzionale alla loro temperatura assoluta, il neutrone termico ha una maggiore capacità di scindere l'U-235 quando si muove alla stessa velocità vibrazionale. D'altra parte, è più probabile che l'U-238 catturi un neutrone se il neutrone si muove molto velocemente. L'atomo U-239 decade il più rapidamente possibile per formare plutonio-239, che è esso stesso un combustibile. Il Pu-239 è un combustibile completo e dovrebbe essere preso in considerazione anche quando si utilizza combustibile di uranio altamente arricchito. I processi di fissione del plutonio avranno la precedenza sui processi di fissione dell'U-235 in alcuni reattori. Soprattutto dopo che l'U-235 caricato in origine è esaurito. Fissioni di plutonio sia in reattori veloci che termici, rendendolo ideale sia per reattori nucleari che per bombe nucleari.

La maggior parte dei reattori esistenti sono reattori termici, che tipicamente usano l'acqua come moderatore di neutroni (moderatore significa che rallenta un neutrone alla velocità termica) e anche come refrigerante. Tuttavia, in un reattore a neutroni veloci, viene utilizzato un tipo di refrigerante leggermente diverso, che non rallenterà troppo il flusso di neutroni. Ciò consente la predominanza dei neutroni veloci, che possono essere efficacemente utilizzati per rifornire costantemente la riserva di carburante. Mettendo semplicemente uranio economico e non arricchito nel nucleo, l'U-238 spontaneamente non fissile si convertirà in Pu-239, "riproducendo" il combustibile.

In un ciclo del combustibile a base di torio, il torio-232 assorbe un neutrone sia nei reattori veloci che in quelli termici. Il decadimento beta del torio produce protoattinio-233 e poi uranio-233, che a sua volta viene utilizzato come combustibile. Pertanto, come l'uranio-238, il torio-232 è un materiale fertile.

Manutenzione dei reattori nucleari

La quantità di energia in un serbatoio di combustibile nucleare è spesso espressa in termini di "giorni a piena potenza", che è il numero di periodi di 24 ore (giorni) in cui il reattore funziona a piena potenza per generare energia termica. I giorni di funzionamento a piena potenza in un ciclo operativo del reattore (tra gli intervalli richiesti per il rifornimento) sono correlati alla quantità di uranio-235 in decomposizione (U-235) contenuto nei gruppi di combustibile all'inizio del ciclo. Maggiore è la percentuale di U-235 nel nocciolo all'inizio del ciclo, più giorni di funzionamento a piena potenza consentiranno al reattore di funzionare.

Al termine del ciclo operativo, il carburante in alcuni gruppi viene "esaurito", scaricato e sostituito sotto forma di nuovi gruppi di carburante (freschi). Inoltre, tale reazione di accumulo di prodotti di decadimento nel combustibile nucleare determina la durata del combustibile nucleare nel reattore. Anche molto prima che avvenga il processo di fissione finale, i sottoprodotti di decadimento di lunga durata che assorbono i neutroni hanno il tempo di accumularsi nel reattore, impedendo il procedere della reazione a catena. La proporzione del nocciolo del reattore che viene sostituita durante il rifornimento è tipicamente un quarto per un reattore ad acqua bollente e un terzo per un reattore ad acqua pressurizzata. Lo smaltimento e lo stoccaggio di questo combustibile esaurito è uno dei compiti più difficili nell'organizzazione del funzionamento di una centrale nucleare industriale. Tali scorie nucleari sono estremamente radioattive e la loro tossicità è stata un pericolo per migliaia di anni.

Non tutti i reattori devono essere messi fuori servizio per il rifornimento; ad esempio, reattori nucleari a letto sferico, RBMK (high power ducted reactor), reattori a sali fusi, reattori Magnox, AGR e CANDU consentono la movimentazione degli elementi di combustibile durante il funzionamento dell'impianto. Nel reattore CANDU è possibile posizionare singoli elementi di combustibile nel nocciolo in modo tale da regolare il contenuto di U-235 nell'elemento di combustibile.

La quantità di energia estratta dal combustibile nucleare è detta combustione, espressa in termini di energia termica generata dal peso unitario iniziale del combustibile. Burnup è solitamente espresso come giorni di megawatt termici per tonnellata del metallo pesante originale.

Sicurezza dell'energia nucleare

La sicurezza nucleare è azioni volte a prevenire incidenti nucleari e da radiazioni o a localizzarne le conseguenze. L'industria dell'energia nucleare ha migliorato la sicurezza e le prestazioni dei reattori e ha anche messo a punto nuovi progetti di reattori più sicuri (che generalmente non sono stati testati). Tuttavia, non vi è alcuna garanzia che tali reattori saranno progettati, costruiti e possano funzionare in modo affidabile. Gli errori si verificano quando i progettisti del reattore della centrale nucleare di Fukushima in Giappone non si aspettavano che lo tsunami generato dal terremoto interrompesse il sistema di backup che avrebbe dovuto stabilizzare il reattore dopo il terremoto, nonostante i numerosi avvertimenti del NRG (National Research Group) e l'amministrazione giapponese sulla sicurezza nucleare. Secondo UBS AG, gli incidenti nucleari di Fukushima I mettono in dubbio che anche le economie avanzate come il Giappone possano garantire la sicurezza nucleare. Sono possibili anche scenari catastrofici, inclusi attacchi terroristici. Un team interdisciplinare del MIT (Massachusetts Institute of Technology) ha calcolato che, data la prevista crescita del nucleare, dovrebbero essere previsti almeno quattro gravi incidenti nucleari nel periodo 2005-2055.

Incidenti nucleari e da radiazioni

Alcuni dei gravi incidenti nucleari e da radiazioni che si sono verificati. Gli incidenti delle centrali nucleari includono l'incidente SL-1 (1961), l'incidente di Three Mile Island (1979), il disastro di Chernobyl (1986) e il disastro nucleare di Fukushima Daiichi (2011). Gli incidenti a propulsione nucleare includono gli incidenti al reattore su K-19 (1961), K-27 (1968) e K-431 (1985).

I reattori nucleari sono stati lanciati in orbita attorno alla Terra almeno 34 volte. Una serie di incidenti che hanno coinvolto il satellite senza equipaggio a propulsione nucleare sovietica RORSAT ha portato alla penetrazione del combustibile nucleare esaurito nell'atmosfera terrestre dall'orbita.

reattori nucleari naturali

Sebbene si creda spesso che i reattori nucleari a fissione siano il prodotto di tecnologia moderna, sono disponibili i primi reattori nucleari condizioni naturali. Un reattore nucleare naturale può essere formato in determinate condizioni che imitano le condizioni in un reattore progettato. Finora sono stati scoperti fino a quindici reattori nucleari naturali all'interno di tre depositi minerari separati della miniera di uranio di Oklo in Gabon ( Africa occidentale). I noti reattori Ocllo "morti" furono scoperti per la prima volta nel 1972 dal fisico francese Francis Perrin. Una reazione di fissione nucleare autosufficiente ha avuto luogo in questi reattori circa 1,5 miliardi di anni fa ed è stata mantenuta per diverse centinaia di migliaia di anni, generando una media di 100 kW di potenza durante questo periodo. Il concetto di un reattore nucleare naturale è stato spiegato in termini di teoria già nel 1956 da Paul Kuroda presso l'Università dell'Arkansas.

Tali reattori non possono più essere formati sulla Terra: il decadimento radioattivo durante questo enorme periodo di tempo ha ridotto la proporzione di U-235 nell'uranio naturale al di sotto del livello richiesto per mantenere una reazione a catena.

I reattori nucleari naturali si sono formati quando i ricchi depositi di minerali di uranio hanno cominciato a riempirsi di acque sotterranee, che hanno agito da moderatore di neutroni e innescato una significativa reazione a catena. Il moderatore di neutroni sotto forma di acqua è evaporato, provocando l'accelerazione della reazione, quindi si è condensato nuovamente, provocando il rallentamento della reazione nucleare e prevenendo lo scioglimento. La reazione di fissione persistette per centinaia di migliaia di anni.

Tali reattori naturali sono stati ampiamente studiati da scienziati interessati allo smaltimento dei rifiuti radioattivi in ​​un ambiente geologico. Propongono un caso di studio su come gli isotopi radioattivi migrerebbero attraverso la crosta terrestre. Questo è un punto chiave per i critici dello smaltimento geologico dei rifiuti, che temono che gli isotopi contenuti nei rifiuti possano finire nelle riserve idriche o migrare nell'ambiente.

Problemi ambientali del nucleare

Un reattore nucleare rilascia piccole quantità di trizio, Sr-90, nell'aria e nelle acque sotterranee. L'acqua contaminata dal trizio è incolore e inodore. Grandi dosi di Sr-90 aumentano il rischio di cancro alle ossa e leucemia negli animali e presumibilmente negli esseri umani.