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La struttura del reattore nucleare atomico. Reattore nucleare: principio di funzionamento, caratteristiche, descrizione

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 arresta;
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:

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 estende 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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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 estremamente ad alta velocità movimento, 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 arrivasse il primo reattori nucleari, il mondo ha appreso diverse nuove leggi della fisica, interpretando tutti gli aspetti importanti della 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 ce n'è un altro data memorabile- Il 25 dicembre 1946 fu 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 ha luogo una sola esperienza o ricerca scientifica moderna.

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.

Ogni giorno usiamo l'elettricità e non pensiamo a come viene prodotta e come ci è arrivata. Tuttavia, è una delle parti più importanti della civiltà moderna. Senza elettricità non ci sarebbe niente: né luce, né riscaldamento, né movimento.

Tutti sanno che l'elettricità viene generata nelle centrali elettriche, comprese quelle nucleari. Il cuore di ogni centrale nucleare è reattore nucleare. Questo è ciò di cui parleremo in questo articolo.

reattore nucleare, un dispositivo in cui si verifica una reazione nucleare a catena controllata con il rilascio di calore. Fondamentalmente, questi dispositivi vengono utilizzati per generare elettricità e come propulsore per grandi navi. Per immaginare la potenza e l'efficienza dei reattori nucleari, si può fare un esempio. Laddove un reattore nucleare medio avrebbe bisogno di 30 chilogrammi di uranio, una centrale termica media avrebbe bisogno di 60 vagoni di carbone o 40 serbatoi di olio combustibile.

prototipo reattore nucleare fu costruito nel dicembre 1942 negli USA sotto la direzione di E. Fermi. Era il cosiddetto "pila di Chicago". Chicago Pile (successivamente la parola"Pile" insieme ad altri significati ha cominciato a denotare un reattore nucleare). Questo nome gli è stato dato perché somigliava a una grande pila di blocchi di grafite posti uno sopra l'altro.

Tra i blocchi sono stati collocati "corpi di lavoro" sferici di uranio naturale e il suo biossido.

In URSS, il primo reattore fu costruito sotto la guida dell'accademico IV Kurchatov. Il reattore F-1 fu messo in funzione il 25 dicembre 1946. Il reattore aveva la forma di una palla e aveva un diametro di circa 7,5 metri. Non aveva un sistema di raffreddamento, quindi funzionava a livelli di potenza molto bassi.

La ricerca continuò e il 27 giugno 1954 fu messa in funzione nella città di Obninsk la prima centrale nucleare al mondo con una capacità di 5 MW.

Il principio di funzionamento di un reattore nucleare.

Durante il decadimento dell'uranio U 235, viene rilasciato calore, accompagnato dal rilascio di due o tre neutroni. Secondo le statistiche - 2.5. Questi neutroni entrano in collisione con altri atomi di uranio U 235 . In caso di collisione, l'uranio U 235 si trasforma in un isotopo instabile U 236, che decade quasi immediatamente in Kr 92 e Ba 141 + questi stessi 2-3 neutroni. Il decadimento è accompagnato dal rilascio di energia sotto forma di radiazioni gamma e calore.

Questa è chiamata reazione a catena. Gli atomi si dividono, il numero di decadimenti aumenta in modo esponenziale, il che alla fine porta a un rilascio fulmineo, secondo i nostri standard, di un'enorme quantità di energia: si verifica un'esplosione atomica, come conseguenza di una reazione a catena incontrollata.

Tuttavia, dentro reattore nucleare abbiamo a che fare reazione nucleare controllata. Come ciò diventi possibile è descritto ulteriormente.

Il dispositivo di un reattore nucleare.

Attualmente esistono due tipi di reattori nucleari VVER (reattore ad acqua in pressione) e RBMK (reattore a canale ad alta potenza). La differenza è che RBMK è un reattore ad acqua bollente e VVER utilizza acqua sotto pressione di 120 atmosfere.

Reattore VVER 1000. 1 - azionamento CPS; 2 - coperchio del reattore; 3 - recipiente del reattore; 4 - blocco di tubi protettivi (BZT); 5 - mio; 6 - deflettore centrale; 7 - gruppi di carburante (FA) e barre di controllo;

Ogni reattore nucleare di tipo industriale è una caldaia attraverso la quale scorre un refrigerante. Di norma, si tratta di acqua normale (circa il 75% nel mondo), grafite liquida (20%) e acqua pesante (5%). A scopo sperimentale è stato utilizzato il berillio ed è stato ipotizzato un idrocarburo.

TVEL- (elemento combustibile). Si tratta di bacchette in un guscio di zirconio con lega di niobio, all'interno delle quali sono presenti pastiglie di biossido di uranio.

Gli elementi di combustibile nella cassetta sono evidenziati in verde.

Gruppo cassetta carburante.

Il nocciolo del reattore è costituito da centinaia di cassette poste verticalmente e unite tra loro da un guscio metallico, un corpo che svolge anche il ruolo di riflettore di neutroni. Tra le cassette vengono inserite ad intervalli regolari le barre di controllo e le barre di protezione di emergenza del reattore che, in caso di surriscaldamento, hanno lo scopo di arrestare il reattore.

Diamo come esempio i dati sul reattore VVER-440:

I controllori possono salire e scendere affondando, o viceversa, uscendo dal nucleo, dove la reazione è più intensa. Ciò è fornito da potenti motori elettrici, insieme al sistema di controllo.Le aste di protezione di emergenza sono progettate per spegnere il reattore in caso di emergenza, cadendo nel nocciolo e assorbendo più neutroni liberi.

Ogni reattore ha un coperchio attraverso il quale le cassette usate e nuove vengono caricate e scaricate.

L'isolamento termico è solitamente installato sulla parte superiore del recipiente del reattore. La prossima barriera è la protezione biologica. Di solito si tratta di un bunker in cemento armato, il cui ingresso è chiuso da una camera di equilibrio con porte sigillate. La protezione biologica è progettata per non rilasciare vapore radioattivo e pezzi del reattore nell'atmosfera, se si verifica un'esplosione.

Un'esplosione nucleare nei moderni reattori è estremamente improbabile. Perché il carburante non è sufficientemente arricchito ed è diviso in TVEL. Anche se il nucleo si scioglie, il carburante non sarà in grado di reagire così attivamente. Il massimo che può accadere è un'esplosione termica, come a Chernobyl, quando la pressione nel reattore ha raggiunto valori tali che l'involucro metallico è stato semplicemente fatto a pezzi e il coperchio del reattore, del peso di 5000 tonnellate, ha fatto un salto mortale, sfondando il tetto del compartimento del reattore e rilasciando vapore. Se la centrale nucleare di Chernobyl fosse stata dotata della giusta protezione biologica, come il sarcofago di oggi, allora la catastrofe sarebbe costata molto meno all'umanità.

Il lavoro di una centrale nucleare.

In poche parole, il raboboa si presenta così.

Centrale nucleare. (cliccabile)

Dopo essere entrata nel nocciolo del reattore con l'ausilio di pompe, l'acqua viene riscaldata da 250 a 300 gradi ed esce dall'“altro lato” del reattore. Questo è chiamato il primo circuito. Quindi va allo scambiatore di calore, dove incontra il secondo circuito. Successivamente, il vapore in pressione entra nelle pale della turbina. Le turbine generano elettricità.

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.

Prima di poter capire come funziona una reazione nucleare controllata, devi sapere cosa reazione nucleare affatto.

reazione nucleare - questo è il 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.

Reattore nucleare - Questo è un dispositivo il cui scopo è mantenere una reazione nucleare controllata con il rilascio di energia.

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 carburante E moderatore , riflettore di neutroni , refrigerante , sistema di controllo e protezione . Gli isotopi sono il combustibile più comunemente usato nei reattori. uranio (235, 238, 233), plutonio (239) e torio (232). 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 con lo stesso metodo di altri tipi di centrali elettriche: il vapore fa ruotare la turbina e l'energia del movimento viene convertita in energia elettrica.

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

È necessario menzionarlo qui 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 carburante è nel cosiddetto elementi combustibili (TVEah). Si tratta di bastoncini nei quali, sotto forma di piccole tavolette, combustibile nucleare . 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 aste 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?

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

In questo articolo abbiamo cercato di darvi un'idea generale della struttura e del principio di funzionamento di un reattore nucleare (atomico). Se hai domande sull'argomento o se l'università ha posto un problema di fisica nucleare, contattaci 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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