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Barre nucleari. Tutti hanno sentito ma nessuno lo sa

Dispositivo e principio di funzionamento

Meccanismo di rilascio di potenza

La trasformazione di una sostanza è accompagnata dal rilascio di energia libera solo se la sostanza ha una riserva di energie. Quest'ultimo significa che le microparticelle della sostanza si trovano in uno stato con un'energia di riposo maggiore rispetto a un altro possibile stato, la cui transizione esiste. La transizione spontanea è sempre impedita da una barriera energetica, per superare la quale la microparticella deve ricevere una certa quantità di energia dall'esterno: l'energia dell'eccitazione. La reazione esoenergetica consiste nel fatto che nella trasformazione successiva all'eccitazione viene liberata più energia di quella necessaria per eccitare il processo. Ci sono due modi per superare la barriera energetica: o per l'energia cinetica delle particelle che si scontrano, o per l'energia di legame della particella che vi aderisce.

Se teniamo presente le scale macroscopiche del rilascio di energia, allora l'energia cinetica necessaria per l'eccitazione delle reazioni deve avere tutte o all'inizio almeno alcune delle particelle della sostanza. Ciò può essere ottenuto solo aumentando la temperatura del mezzo fino a un valore al quale l'energia del moto termico si avvicina al valore della soglia di energia che limita l'andamento del processo. Nel caso di trasformazioni molecolari, cioè reazioni chimiche, un tale aumento è solitamente di centinaia di kelvin, nel caso di reazioni nucleari è di almeno 10 7 a causa della stessa alta altitudine Barriere coulombiane di nuclei in collisione. L'eccitazione termica delle reazioni nucleari è stata effettuata in pratica solo nella sintesi dei nuclei più leggeri, in cui le barriere di Coulomb sono minime (fusione termonucleare).

L'eccitazione da parte delle particelle che si uniscono non richiede una grande energia cinetica e, quindi, non dipende dalla temperatura del mezzo, poiché si verifica a causa di legami inutilizzati inerenti alle particelle delle forze attrattive. Ma d'altra parte, le particelle stesse sono necessarie per eccitare le reazioni. E se ancora una volta non abbiamo in mente un atto separato di reazione, ma la produzione di energia su scala macroscopica, allora questo è possibile solo quando si verifica una reazione a catena. Quest'ultimo sorge quando le particelle che eccitano la reazione riappaiono come prodotti di una reazione esoenergetica.

Progetto

Qualsiasi reattore nucleare è costituito dalle seguenti parti:

Nucleo con combustibile nucleare e moderatore;
Riflettore di neutroni che circonda il nucleo;
Sistema di regolazione della reazione a catena, compresa la protezione di emergenza;
Protezione dalle radiazioni;
Sistema di controllo remoto.

Principi fisici di funzionamento

Vedi anche articoli principali:

Stato attuale reattore nucleare può essere caratterizzato dall'effettivo fattore di moltiplicazione dei neutroni K o reattività ρ , che sono legati dalla seguente relazione:

Questi valori sono caratterizzati dai seguenti valori:

K> 1 - la reazione a catena aumenta nel tempo, il reattore è dentro supercritico stato, la sua reattività ρ > 0;
K < 1 - реакция затухает, реактор - subcritico, ρ < 0;
K = 1, ρ = 0 - il numero di fissioni nucleari è costante, il reattore è stabile critico condizione.

Condizione di criticità del reattore nucleare:

, Dove

La conversione del fattore di moltiplicazione in unità si ottiene bilanciando la moltiplicazione dei neutroni con le loro perdite. In realtà ci sono due ragioni per le perdite: cattura senza fissione e fuoriuscita di neutroni al di fuori del mezzo di riproduzione.

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

k 0 per i reattori termici può essere determinato dalla cosiddetta "formula dei 4 fattori":

, Dove

η è la resa di neutroni per due assorbimenti.

I volumi dei moderni reattori di potenza possono raggiungere le centinaia di m³ e sono determinati principalmente non dalle condizioni di criticità, ma dalle possibilità di rimozione del calore.

Volume critico reattore nucleare - il volume del nocciolo del reattore in uno stato critico. Massa criticaè la massa del materiale fissile del reattore, che si trova in uno stato critico.

I reattori alimentati da soluzioni acquose di sali di isotopi fissili puri con un riflettore di neutroni ad acqua hanno la massa critica più bassa. Per 235 U questa massa è 0,8 kg, per 239 Pu è 0,5 kg. È ampiamente noto, tuttavia, che la massa critica per il reattore LOPO (il primo reattore di uranio arricchito al mondo), che aveva un riflettore di ossido di berillio, era di 0,565 kg, nonostante il grado di arricchimento nell'isotopo 235 fosse solo leggermente più del 14%. Teoricamente, ha la massa critica più piccola, per la quale questo valore è di soli 10 g.

Al fine di ridurre la perdita di neutroni, al nucleo viene data una forma sferica o quasi sferica, come un cilindro corto o un cubo, poiché queste figure hanno il rapporto più piccolo tra superficie e volume.

Nonostante il valore (e - 1) sia generalmente piccolo, il ruolo della moltiplicazione veloce dei neutroni è piuttosto ampio, poiché per i grandi reattori nucleari (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Per avviare una reazione a catena, di solito vengono prodotti abbastanza neutroni durante la fissione spontanea dei nuclei di uranio. È anche possibile utilizzare una fonte esterna di neutroni per avviare il reattore, ad esempio una miscela di e, o altre sostanze.

pozzo di iodio

Articolo principale: pozzo di iodio

Pozzo di iodio - lo stato di un reattore nucleare dopo che è stato spento, caratterizzato dall'accumulo dell'isotopo di xeno di breve durata. Questo processo porta alla comparsa temporanea di una significativa reattività negativa, che, a sua volta, rende impossibile portare il reattore alla sua capacità di progetto per un certo periodo (circa 1-2 giorni).

Classificazione

Su appuntamento

Secondo la natura dell'uso dei reattori nucleari sono suddivisi in:

Reattori di potenza progettati per la produzione di energia elettrica e termica utilizzata nel settore energetico, nonché per la desalinizzazione dell'acqua di mare (anche i reattori di desalinizzazione sono classificati come industriali). Tali reattori sono stati utilizzati principalmente nelle centrali nucleari. La potenza termica dei moderni reattori di potenza raggiunge i 5 GW. In un gruppo separato allocare:
- Reattori di trasporto progettati per fornire energia ai motori dei veicoli. I gruppi di applicazione più ampi sono i reattori di trasporto marittimo utilizzati su sottomarini e varie navi di superficie, nonché i reattori utilizzati nella tecnologia spaziale.
Reattori sperimentali, progettato per studiare varie grandezze fisiche, il cui valore è necessario per la progettazione e il funzionamento dei reattori nucleari; la potenza di tali reattori non supera alcuni kW.
Reattori di ricerca, in cui i flussi di neutroni e di raggi gamma creati nel nucleo sono utilizzati per la ricerca nel campo della fisica nucleare, della fisica dello stato solido, della chimica delle radiazioni, della biologia, per testare materiali destinati al funzionamento in intensi flussi di neutroni (comprese parti di reattori nucleari), per la produzione di isotopi. La potenza dei reattori di ricerca non supera i 100 MW. L'energia rilasciata di solito non viene utilizzata.
Reattori industriali (armi, isotopi). utilizzato per produrre isotopi utilizzati in vari campi. Il più utilizzato per la produzione di materiali per armi nucleari, come 239 Pu. Anche industriali includono reattori utilizzati per la desalinizzazione dell'acqua di mare.

Spesso i reattori vengono utilizzati per risolvere due o più compiti diversi, nel qual caso vengono chiamati multiuso. Ad esempio, alcuni reattori di potenza, soprattutto agli albori dell'energia nucleare, erano destinati principalmente agli esperimenti. I reattori a neutroni veloci possono essere sia generatori di energia che isotopi allo stesso tempo. I reattori industriali, oltre al loro compito principale, generano spesso energia elettrica e termica.

Secondo lo spettro dei neutroni

Reattore a neutroni termico (lento) ("reattore termico")
Reattore a neutroni veloci ("reattore veloce")

Per posizionamento del carburante

Reattori eterogenei, dove il combustibile è posto nel nocciolo discretamente sotto forma di blocchi, tra i quali c'è un moderatore;
Reattori omogenei, dove il combustibile e il moderatore sono una miscela omogenea (sistema omogeneo).

In un reattore eterogeneo, il combustibile e il moderatore possono essere distanziati, in particolare, in un reattore a cavità, il moderatore-riflettore circonda la cavità con combustibile che non contiene il moderatore. Da un punto di vista fisico-nucleare, il criterio di omogeneità/eterogeneità non è il progetto, ma il posizionamento dei blocchi di combustibile a una distanza superiore alla lunghezza di moderazione dei neutroni in un dato moderatore. Ad esempio, i cosiddetti reattori "a reticolo chiuso" sono progettati per essere omogenei, sebbene il combustibile sia solitamente separato dal moderatore al loro interno.

I blocchi di combustibile nucleare in un reattore eterogeneo sono chiamati gruppi di combustibile (FA), che sono posti nel nucleo ai nodi di un reticolo regolare, formando cellule.

Per tipo di carburante

isotopi di uranio 235, 238, 233 ( 235 U , 238 U , 233 U)
isotopo di plutonio 239 ( 239 Pu), anche isotopi 239-242 Pu come miscela con 238 U (combustibile MOX)
isotopo di torio 232 (232 Th) (tramite conversione in 233 U)

Secondo il grado di arricchimento:

uranio naturale
uranio a basso arricchimento
uranio altamente arricchito

Per composizione chimica:

metallo U
UC (carburo di uranio), ecc.

Per tipo di refrigerante

Gas, (vedi reattore a gas di grafite)
D 2 O (acqua pesante, vedi reattore nucleare ad acqua pesante, CANDU)

Per tipo di moderatore

C (grafite, vedi reattore grafite-gas, reattore grafite-acqua)
H 2 O (acqua, vedi Reattore ad acqua leggera, Reattore ad acqua pressurizzata, VVER)
D 2 O (acqua pesante, vedi reattore nucleare ad acqua pesante, CANDU)
Idruri metallici
Senza moderatore (vedi reattore a neutroni veloci)

Di progettazione

metodo di generazione del vapore

Reattore con generatore di vapore esterno (Vedi PWR, VVER)

Classificazione AIEA

PWR (reattori ad acqua pressurizzata) - reattore ad acqua pressurizzata (reattore ad acqua pressurizzata);
BWR (reattore ad acqua bollente) - reattore ad acqua bollente;
FBR (reattore autofertilizzante veloce) - reattore autofertilizzante veloce;
GCR (reattore raffreddato a gas) - reattore raffreddato a gas;
LWGR (reattore di grafite ad acqua leggera) - reattore di grafite-acqua
PHWR (reattore ad acqua pesante pressurizzato) - reattore ad acqua pesante

I più comuni al mondo sono i reattori ad acqua pressurizzata (circa il 62%) e ad acqua bollente (20%).

Materiali del reattore

I materiali con cui sono costruiti i reattori operano ad alta temperatura nel campo dei neutroni, dei quanti γ e dei frammenti di fissione. Pertanto, non tutti i materiali utilizzati in altri rami della tecnologia sono adatti alla costruzione di reattori. Quando si scelgono i materiali del reattore, vengono presi in considerazione la loro resistenza alle radiazioni, l'inerzia chimica, la sezione trasversale di assorbimento e altre proprietà.

L'instabilità alle radiazioni dei materiali è meno influenzata dalle alte temperature. La mobilità degli atomi diventa così grande che la probabilità del ritorno degli atomi espulsi dal reticolo cristallino al loro posto o della ricombinazione di idrogeno e ossigeno in una molecola d'acqua aumenta notevolmente. Pertanto, la radiolisi dell'acqua è insignificante nei reattori non bollenti (ad esempio VVER), mentre nei potenti reattori di ricerca viene rilasciata una quantità significativa di miscela esplosiva. I reattori hanno sistemi speciali per bruciarlo.

I materiali del reattore entrano in contatto tra loro (un rivestimento dell'elemento combustibile con refrigerante e combustibile nucleare, cassette di combustibile con refrigerante e moderatore, ecc.). Naturalmente, i materiali a contatto devono essere chimicamente inerti (compatibili). Un esempio di incompatibilità è l'uranio e l'acqua calda che entrano in una reazione chimica.

Per la maggior parte dei materiali, le proprietà di resistenza si deteriorano bruscamente con l'aumentare della temperatura. Nei reattori di potenza, i materiali strutturali operano a temperature elevate. Ciò limita la scelta dei materiali strutturali, specialmente per quelle parti di un reattore di potenza che devono resistere ad alta pressione.

Combustione e riproduzione del combustibile nucleare

Durante il funzionamento di un reattore nucleare, a causa dell'accumulo di frammenti di fissione nel combustibile, la sua composizione isotopica e chimica cambia e si formano elementi transuranici, principalmente isotopi. Viene chiamata l'influenza dei frammenti di fissione sulla reattività di un reattore nucleare avvelenamento(per frammenti radioattivi) e scorie(per isotopi stabili).

La ragione principale dell'avvelenamento del reattore è che ha la più grande sezione d'urto di assorbimento di neutroni (2,6 10 6 barn). Emivita di 135 Xe T 1/2 = 9,2 ore; il rendimento della divisione è del 6-7%. La parte principale di 135 Xe si forma come risultato del decadimento ( T 1/2 = 6,8 ore). In caso di avvelenamento, Kef cambia dell'1-3%. La grande sezione d'urto di assorbimento di 135 Xe e la presenza dell'isotopo intermedio 135 I portano a due importanti fenomeni:

Ad un aumento della concentrazione di 135 Xe e, di conseguenza, ad una diminuzione della reattività del reattore dopo il suo arresto o riduzione di potenza ("pozzo di iodio"), che rende impossibile arresti a breve termine e fluttuazioni della potenza di uscita. Questo effetto viene superato introducendo un margine di reattività negli organismi regolatori. La profondità e la durata del pozzo di iodio dipendono dal flusso di neutroni Ф: a Ф = 5 10 18 neutroni/(cm² sec), la durata del pozzo di iodio è ˜ 30 h, e la profondità è 2 volte maggiore della variazione stazionaria a Keff causato dall'avvelenamento da 135 Xe.
A causa dell'avvelenamento, possono verificarsi fluttuazioni spazio-temporali del flusso di neutroni Ф e, di conseguenza, della potenza del reattore. Queste fluttuazioni si verificano a Ф > 10 18 neutroni/(cm² sec) e reattori di grandi dimensioni. Periodi di oscillazione ˜ 10 h.

Durante la fissione nucleare, grande numero frammenti stabili che differiscono nelle loro sezioni d'urto di assorbimento rispetto alla sezione d'urto di assorbimento di un isotopo fissile. Concentrazione di frammenti con grande valore la sezione d'urto di assorbimento raggiunge la saturazione durante i primi giorni di funzionamento del reattore. Questi sono principalmente TVEL di diverse "età".

Nel caso di sostituzione completa del combustibile il reattore presenta un eccesso di reattività che deve essere compensato, mentre nel secondo caso la compensazione è richiesta solo al primo avviamento del reattore. Il rifornimento continuo consente di aumentare la profondità di combustione, poiché la reattività del reattore è determinata dalle concentrazioni medie di isotopi fissili.

La massa del carburante caricato supera la massa del carburante scaricato a causa del "peso" dell'energia rilasciata. Dopo l'arresto del reattore, prima principalmente a causa della fissione da parte di neutroni ritardati, e poi, dopo 1-2 minuti, a causa della radiazione β e γ dei frammenti di fissione e degli elementi transuranici, l'energia continua a essere rilasciata nel combustibile. Se il reattore ha funzionato abbastanza a lungo prima dello spegnimento, quindi 2 minuti dopo lo spegnimento, il rilascio di energia è di circa il 3%, dopo 1 ora - 1%, dopo un giorno - 0,4%, dopo un anno - 0,05% della potenza iniziale.

Viene chiamato il rapporto tra il numero di isotopi fissili di Pu formati in un reattore nucleare e la quantità di 235 U bruciati tasso di conversione KK. Il valore di KK aumenta al diminuire dell'arricchimento e del burnup. Per un reattore ad acqua pesante funzionante con uranio naturale, con un consumo di 10 GW giorno/t K K = 0,55, e per piccoli consumi (in questo caso, K K è chiamato coefficiente di plutonio iniziale) K K = 0,8. Se un reattore nucleare brucia e produce gli stessi isotopi (reattore autofertilizzante), viene chiamato il rapporto tra la velocità di riproduzione e la velocità di combustione tasso di riproduzione K V. Nei reattori termici K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов G sta crescendo e UN cascate.

Controllo del reattore nucleare

Il controllo di un reattore nucleare è possibile solo grazie al fatto che durante la fissione alcuni neutroni fuoriescono dai frammenti con un ritardo che può variare da alcuni millisecondi a diversi minuti.

Per controllare il reattore vengono utilizzate barre assorbenti, introdotte nel nocciolo, realizzate con materiali che assorbono fortemente i neutroni (principalmente, e alcuni altri) e / o una soluzione di acido borico, aggiunta al refrigerante in una certa concentrazione (regolazione del boro) . Il movimento delle aste è controllato da speciali meccanismi, azionamenti, operanti su segnali dell'operatore o apparecchiature per il controllo automatico del flusso di neutroni.

In caso di varie emergenze in ciascun reattore, viene fornita una terminazione di emergenza della reazione a catena, effettuata facendo cadere tutte le aste assorbenti nel nocciolo - un sistema di protezione di emergenza.

Calore residuo

Una questione importante direttamente correlata alla sicurezza nucleare è il calore di decadimento. Questo caratteristica specifica combustibile nucleare, che consiste nel fatto che, dopo la cessazione della reazione a catena di fissione e l'inerzia termica comune a qualsiasi fonte di energia, la generazione di calore nel reattore continua per un'altra per molto tempo, il che crea una serie di problemi tecnicamente difficili.

Il calore di decadimento è una conseguenza del decadimento β e γ dei prodotti di fissione, che si sono accumulati nel combustibile durante il funzionamento del reattore. I nuclei dei prodotti di fissione, a seguito del decadimento, passano in uno stato più stabile o completamente stabile con il rilascio di energia significativa.

Sebbene il tasso di rilascio del calore di decadimento scenda rapidamente a valori piccoli rispetto ai valori stazionari, nei reattori di potenza elevata è significativo in termini assoluti. Per questo motivo è necessaria la generazione di calore residuo a lungo garantire la rimozione del calore dal nocciolo del reattore dopo che è stato spento. Questo compito richiede la presenza di sistemi di raffreddamento con alimentazione affidabile nella progettazione dell'impianto del reattore e richiede anche lo stoccaggio a lungo termine (per 3-4 anni) del combustibile nucleare esaurito in impianti di stoccaggio con un regime di temperatura speciale - piscine del combustibile esaurito , che di solito si trovano nelle immediate vicinanze del reattore.

Guarda anche

Elenco dei reattori nucleari progettati e costruiti in Unione Sovietica

Letteratura

Levin V. E. Fisica nucleare e reattori nucleari. 4a ed. - M.: Atomizdat, 1979.
Shukolyukov A. Yu “Urano. reattore nucleare naturale. "Chimica e vita" n. 6, 1980, p. 20-24

Appunti

"ZEEP - Il primo reattore nucleare del Canada", Canada Science and Technology Museum.
Greshilov A.A., Egupov N.D., Matushchenko A.M. Scudo nucleare. - M.: Logos, 2008. - 438 p. -

L'immensa energia di un minuscolo atomo

“La buona scienza è fisica! Solo la vita è breve." Queste parole appartengono a uno scienziato che ha fatto molto in fisica. Una volta erano pronunciati da un accademico Igor Vasilievich Kurchatov, creatore della prima centrale nucleare al mondo.

Il 27 giugno 1954 entrò in funzione questa singolare centrale elettrica. L'umanità ha un'altra potente fonte di elettricità.

Il percorso per padroneggiare l'energia dell'atomo è stato lungo e difficile. Cominciò nei primi decenni del XX secolo con la scoperta della radioattività naturale da parte dei Curie, con i postulati di Bohr, il modello planetario dell'atomo di Rutherford e la prova di tale, come sembra ora, un fatto ovvio: il nucleo di qualsiasi atomo è costituito da protoni carichi positivamente e neutroni neutri.

Nel 1934, Frederic e Irene Joliot-Curie (figlia di Marie Sklodowska-Curie e Pierre Curie) scoprirono che bombardandoli con particelle alfa (i nuclei degli atomi di elio), gli elementi chimici ordinari potevano essere trasformati in elementi radioattivi. Il nuovo fenomeno si chiama radioattività artificiale.

I. V. Kurchatov (a destra) e A. I. Alikhanov (al centro) con il loro insegnante A. F. Ioffe. (Primi anni '30.)

Se tale bombardamento viene effettuato con particelle molto veloci e pesanti, inizia una cascata di trasformazioni chimiche. Gli elementi con radioattività artificiale lasceranno gradualmente il posto a elementi stabili che non si decomporranno più.

Con l'aiuto dell'irradiazione o del bombardamento, è facile realizzare il sogno degli alchimisti: creare oro da altri elementi chimici. Solo il costo di tale trasformazione supererà significativamente il prezzo dell'oro ricevuto ...

Fissione dei nuclei di uranio

Più beneficio (e, sfortunatamente, ansia) fu portato all'umanità dalla scoperta nel 1938-1939 da parte di un gruppo di fisici e chimici tedeschi fissione dei nuclei di uranio. Quando irradiati con neutroni, i nuclei di uranio pesante decadono in elementi chimici più leggeri appartenenti alla parte centrale del sistema periodico di Mendeleev e rilasciano diversi neutroni. Per i nuclei di elementi leggeri, questi neutroni risultano superflui ... Quando i nuclei di uranio si "spezzano", può iniziare una reazione a catena: ciascuno dei due o tre neutroni risultanti è in grado di produrre a turno diversi neutroni, colpire il nucleo di un atomo vicino.

La massa totale dei prodotti di una tale reazione nucleare si è rivelata, come calcolato dagli scienziati, inferiore alla massa dei nuclei della sostanza originale: l'uranio.

Secondo l'equazione di Einstein, che mette in relazione la massa con l'energia, si può facilmente determinare che in questo caso deve essere rilasciata un'enorme quantità di energia! E accadrà in brevissimo tempo. A meno che, ovviamente, la reazione a catena non diventi incontrollabile e vada fino in fondo ...

In cammino dopo la conferenza E. Fermi (a destra) con il suo allievo B. Pontecorvo. (Basilea, 1949)

Le enormi possibilità fisiche e tecniche nascoste nel processo di fissione dell'uranio furono tra le prime ad essere apprezzate Enrico Fermi, in quei lontani anni Trenta del nostro secolo, ancora giovanissimo, ma già riconosciuto capo della scuola di fisica italiana. Molto prima della seconda guerra mondiale, lui e un gruppo di dipendenti di talento hanno studiato il comportamento di varie sostanze sotto irradiazione di neutroni e hanno stabilito che l'efficienza del processo di fissione dell'uranio potrebbe essere notevolmente aumentata ... rallentando il movimento dei neutroni. Per quanto strano possa sembrare a prima vista, con una diminuzione della velocità dei neutroni, aumenta la probabilità della loro cattura da parte dei nuclei di uranio. Sostanze abbastanza accessibili fungono da efficaci "moderatori" di neutroni: paraffina, carbonio, acqua ...

Trasferitosi negli Stati Uniti, Fermi ha continuato a essere il cervello e il cuore della ricerca nucleare. Due talenti, di solito si escludono a vicenda, erano combinati in Fermi: un eccezionale teorico e un brillante sperimentatore. "Ci vorrà molto tempo prima che possiamo vedere una persona uguale a lui", ha scritto l'eminente scienziato W. Zinn dopo la morte prematura di Fermi per un tumore maligno nel 1954 all'età di 53 anni.

Un team di scienziati che si è radunato attorno a Fermi durante la seconda guerra mondiale ha deciso di creare un'arma dal potere distruttivo senza precedenti basata su una reazione a catena della fissione dell'uranio - bomba atomica. Gli scienziati avevano fretta: e se la Germania nazista fosse stata la prima a creare una nuova arma e ad usarla nel suo disumano desiderio di schiavizzare altri popoli?

Costruzione di un reattore nucleare nel nostro paese

Già nel 1942, gli scienziati riuscirono a riunirsi e lanciarsi sul territorio dello stadio dell'Università di Chicago Primo reattore atomico . Le barre di uranio nel reattore erano intervallate da "mattoni" di carbonio - moderatori, e se la reazione a catena diventava ancora troppo violenta, poteva essere rapidamente interrotta introducendo lastre di cadmio nel reattore, che separavano le barre di uranio e assorbivano completamente i neutroni.

I ricercatori erano molto orgogliosi dei semplici dispositivi che hanno inventato per il reattore, che ora ci fanno sorridere. Uno degli impiegati di Fermi a Chicago, il famoso fisico G. Anderson, ricorda che lo stagno di cadmio era inchiodato a un blocco di legno, che, se necessario, si abbassava istantaneamente nella caldaia sotto l'influenza della sua stessa gravità, che era la ragione per dargli il nome "istantaneo". Scrive G. Anderson: “Prima di avviare la caldaia, questa asta avrebbe dovuto essere sollevata e fissata con una fune. In caso di incidente, la fune potrebbe essere tagliata e il "momento" prenderebbe posto all'interno della caldaia.

È stata ottenuta una reazione a catena controllata in un reattore atomico, sono stati verificati i calcoli teorici e le previsioni. Nel reattore ha avuto luogo una catena di trasformazioni chimiche, a seguito delle quali una nuova elemento chimico- plutonio. Come l'uranio, può essere usato per creare una bomba atomica.

Gli scienziati hanno stabilito che esiste una "massa critica" di uranio o plutonio. Se c'è abbastanza materia atomica, la reazione a catena porta a un'esplosione, se è piccola, inferiore alla "massa critica", il calore viene semplicemente rilasciato.

Costruzione di una centrale nucleare

In una bomba atomica del design più semplice, due pezzi di uranio o plutonio sono impilati uno accanto all'altro e la massa di ciascuno è leggermente inferiore a quella critica. Al momento giusto, la miccia di un normale esplosivo collega i pezzi, la massa del combustibile atomico supera il valore critico e il rilascio di energia distruttiva di forza mostruosa avviene all'istante ...

Radiazioni luminose accecanti, un'onda d'urto che spazza via tutto sul suo cammino e radiazioni radioattive penetranti hanno colpito gli abitanti di due città giapponesi - Hiroshima e Nagasaki - dopo l'esplosione delle bombe atomiche americane nel 1945, e da allora le persone sono state allarmate da le terribili conseguenze dell'uso delle bombe atomiche.

Sotto la guida scientifica unificante di IV Kurchatov, i fisici sovietici svilupparono armi atomiche.

Ma il leader di questi lavori non ha smesso di pensare all'uso pacifico dell'energia atomica. Dopotutto, un reattore nucleare deve essere raffreddato intensamente, perché questo calore non viene "ceduto" a una turbina a vapore oa gas, non viene utilizzato per riscaldare le case?

Tubi con metallo liquido a basso punto di fusione sono stati fatti passare attraverso il reattore nucleare. Il metallo riscaldato è entrato nello scambiatore di calore, dove ha trasferito il suo calore all'acqua. L'acqua si è trasformata in vapore surriscaldato, la turbina ha iniziato a funzionare. Il reattore era circondato da un guscio protettivo di cemento con riempitivo metallico: le radiazioni radioattive non dovevano fuoriuscire.

Il reattore nucleare si è trasformato in una centrale nucleare, portando alle persone luce calma, calore accogliente, il mondo desiderato ...

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:

Quando un neutrone viene assorbito, il combustibile nucleare (il più delle volte questo uranio-235 O plutonio-239) avviene la divisione del nucleo atomico;
Vengono rilasciati energia cinetica, radiazioni gamma e neutroni liberi;
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;
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;
Con l'aiuto di un refrigerante (acqua, gas o sodio liquido), il calore viene rimosso dal sito di reazione;
Il vapore pressurizzato dell'acqua riscaldata viene utilizzato per azionare le turbine a vapore;
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:

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

Analoghi naturali in natura

Il reattore nucleare è percepito come coscienza pubblica esclusivamente come prodotto 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?

Povero su Risorse naturali, ma la Repubblica di Corea, industrializzata e sovrappopolata, 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. Qui circuito semplice funzionamento di un reattore nucleare, 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:

Costruito sotto le tribune ovest del campo di football dell'Università di Chicago e acceso il 2 dicembre 1942, il Chicago Pile-1 (CP-1) è stato il primo reattore nucleare al mondo. Consisteva di blocchi di grafite e uranio e aveva anche barre di controllo di cadmio, indio e argento, ma non aveva protezione dalle radiazioni e sistema di raffreddamento. Il direttore scientifico del progetto, il fisico Enrico Fermi, ha descritto l'SR-1 come "un umido mucchio di mattoni neri e tronchi di legno".

I lavori sul reattore iniziarono il 16 novembre 1942. È stato fatto un lavoro difficile. Fisici e personale universitario lavoravano 24 ore su 24. Hanno costruito una griglia di 57 strati di ossido di uranio e lingotti di uranio incorporati in blocchi di grafite. Un telaio in legno sosteneva la struttura. La pupilla di Fermi, Leona Woods, l'unica donna del progetto, ha preso misure accurate man mano che il mucchio cresceva.

Il 2 dicembre 1942 il reattore era pronto per un test. Conteneva 22.000 lingotti di uranio e impiegava 380 tonnellate di grafite, oltre a 40 tonnellate di ossido di uranio e sei tonnellate di uranio metallico. Ci sono voluti 2,7 milioni di dollari per costruire il reattore. L'esperimento è iniziato alle 09-45. Vi hanno partecipato 49 persone: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Hiberry, Woods, un giovane falegname che fabbricava blocchi di grafite e bacchette di cadmio, medici, studenti ordinari e altri scienziati.

Tre persone formavano la "squadra suicida": facevano parte del sistema di sicurezza. Il loro compito era spegnere l'incendio se qualcosa fosse andato storto. C'era anche il controllo: barre di controllo azionate manualmente e un'asta di emergenza legata alla ringhiera del balcone sopra il reattore. In caso di emergenza, la corda doveva essere tagliata da una persona appositamente in servizio sul balcone, e l'asta avrebbe spento la reazione.

Nel 1553, per la prima volta nella storia, iniziò una reazione nucleare a catena autosufficiente. L'esperimento è stato un successo. Il reattore ha funzionato per 28 minuti.

Il reattore nucleare funziona in modo fluido e preciso. Altrimenti, come sai, ci saranno problemi. Ma cosa sta succedendo dentro? Proviamo a formulare brevemente, chiaramente, con fermate il principio di funzionamento di un reattore nucleare (atomico).

In effetti, lì sta avvenendo lo stesso processo di un'esplosione nucleare. Solo ora l'esplosione avviene molto rapidamente e nel reattore tutto questo si protrae a lungo. Alla fine, tutto rimane sano e salvo e otteniamo energia. Non tanto che tutto intorno andò subito in frantumi, ma abbastanza per fornire elettricità alla città.

come funziona un reattoreTorri di raffreddamento NPP
Prima di capire come funziona una reazione nucleare controllata, devi sapere cos'è una reazione nucleare in generale.

Una reazione nucleare è un processo di trasformazione (fissione) dei nuclei atomici durante la loro interazione con particelle elementari e gamma quanti.

Le reazioni nucleari possono avvenire sia con assorbimento che con rilascio di energia. Le seconde reazioni vengono utilizzate nel reattore.

Un reattore nucleare è un dispositivo il cui scopo è mantenere una reazione nucleare controllata con il rilascio di energia.

Spesso un reattore nucleare è anche chiamato reattore nucleare. Nota che qui non c'è alcuna differenza fondamentale, ma dal punto di vista della scienza è più corretto usare la parola "nucleare". Ora ci sono molti tipi di reattori nucleari. Si tratta di enormi reattori industriali progettati per generare energia in centrali elettriche, reattori sottomarini nucleari, piccoli reattori sperimentali utilizzati in esperimenti scientifici. Ci sono persino reattori usati per desalinizzare l'acqua di mare.

La storia della creazione di un reattore nucleare

Il primo reattore nucleare fu lanciato nel non lontano 1942. È successo negli Stati Uniti sotto la guida di Fermi. Questo reattore era chiamato "catasta di legna di Chicago".

Nel 1946 fu avviato il primo reattore sovietico sotto la guida di Kurchatov. Il corpo di questo reattore era una palla di sette metri di diametro. I primi reattori non avevano un sistema di raffreddamento e la loro potenza era minima. A proposito, il reattore sovietico aveva una potenza media di 20 watt, mentre quello americano aveva solo 1 watt. Per fare un confronto: la potenza media dei moderni reattori di potenza è di 5 Gigawatt. Meno di dieci anni dopo il lancio del primo reattore, nella città di Obninsk è stata inaugurata la prima centrale nucleare industriale al mondo.

Il principio di funzionamento di un reattore nucleare (atomico).

Ogni reattore nucleare ha diverse parti: nucleo con combustibile e moderatore, riflettore di neutroni, refrigerante, sistema di controllo e protezione. Gli isotopi di uranio (235, 238, 233), plutonio (239) e torio (232) sono spesso usati come combustibile nei reattori. La zona attiva è una caldaia attraverso la quale scorre l'acqua ordinaria (refrigerante). Tra gli altri refrigeranti, "l'acqua pesante" e la grafite liquida sono usati meno comunemente. Se parliamo del funzionamento di una centrale nucleare, viene utilizzato un reattore nucleare per generare calore. L'elettricità stessa viene generata allo stesso modo di altri tipi di centrali elettriche: il vapore fa ruotare una turbina e l'energia del movimento viene convertita in energia elettrica.

Di seguito è riportato uno schema del funzionamento di un reattore nucleare.

schema di funzionamento di un reattore nucleareSchema di un reattore nucleare in una centrale nucleare

Come abbiamo già detto, il decadimento di un nucleo di uranio pesante produce elementi più leggeri e pochi neutroni. I neutroni risultanti entrano in collisione con altri nuclei, causandone anche la fissione. In questo caso, il numero di neutroni cresce come una valanga.

Qui è necessario menzionare il fattore di moltiplicazione dei neutroni. Quindi, se questo coefficiente supera un valore pari a uno, si verifica un'esplosione nucleare. Se il valore è inferiore a uno, ci sono troppo pochi neutroni e la reazione si estingue. Ma se si mantiene il valore del coefficiente pari a uno, la reazione procederà a lungo e stabilmente.

La domanda è come farlo? Nel reattore, il combustibile si trova nei cosiddetti elementi di combustibile (TVEL). Si tratta di barre che contengono combustibile nucleare sotto forma di piccoli pellet. Le barre di combustibile sono collegate in cassette esagonali, di cui possono essercene centinaia nel reattore. Le cassette con barre di combustibile sono posizionate verticalmente, mentre ogni barra di combustibile ha un sistema che consente di regolare la profondità della sua immersione nel nucleo. Oltre alle cassette stesse, tra loro ci sono barre di controllo e barre di protezione di emergenza. Le aste sono fatte di un materiale che assorbe bene i neutroni. Pertanto, le barre di controllo possono essere abbassate a diverse profondità nel nucleo, regolando così il fattore di moltiplicazione dei neutroni. Le aste di emergenza sono progettate per spegnere il reattore in caso di emergenza.

Come si avvia un reattore nucleare?

Abbiamo capito il principio stesso di funzionamento, ma come avviare e far funzionare il reattore? In parole povere, eccolo qui: un pezzo di uranio, ma dopotutto, una reazione a catena non inizia da sola. Il fatto è che nella fisica nucleare esiste il concetto di massa critica.

Combustibile nucleare Combustibile nucleare

La massa critica è la massa di materiale fissile necessaria per avviare una reazione nucleare a catena.

Con l'aiuto di elementi di combustibile e barre di controllo, nel reattore viene prima creata una massa critica di combustibile nucleare, quindi il reattore viene portato al livello di potenza ottimale in più fasi.

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In questo articolo abbiamo cercato di darvi un'idea generale della struttura e del principio di funzionamento di un reattore nucleare (atomico). Se hai ancora domande sull'argomento o l'università ha posto un problema di fisica nucleare, contatta gli specialisti della nostra azienda. Come al solito, siamo pronti ad aiutarti a risolvere qualsiasi problema urgente dei tuoi studi. Nel frattempo, lo stiamo facendo, la tua attenzione è un altro video educativo!

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