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핵 막대. 모두가 들었지만 아무도 모른다

장치 및 작동 원리

전원 해제 메커니즘

물질의 변형은 물질에 예비 에너지가 있는 경우에만 자유 에너지의 방출을 동반합니다. 후자는 물질의 미립자가 존재하는 전이가 존재하는 다른 가능한 상태보다 더 큰 정지 에너지를 가진 상태에 있음을 의미합니다. 자발적 전이는 에너지 장벽에 의해 항상 방지되며, 이를 극복하기 위해 미립자는 외부로부터 일정량의 에너지(여기 에너지)를 받아야 합니다. exoenergetic 반응은 여기 이후의 변환에서 프로세스를 여기시키는 데 필요한 것보다 더 많은 에너지가 방출된다는 사실에 있습니다. 에너지 장벽을 극복하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 하나는 충돌하는 입자의 운동 에너지 때문이고, 다른 하나는 가속하는 입자의 결합 에너지 때문입니다.

에너지 방출의 거시적 규모를 염두에 둔다면, 반응의 흥분에 필요한 운동 에너지는 물질 입자의 전부 또는 적어도 일부를 가져야 합니다. 이것은 열 운동의 에너지가 프로세스 과정을 제한하는 에너지 임계 값에 접근하는 값으로 매체의 온도를 증가시킴으로써만 달성될 수 있습니다. 분자 변형의 경우, 즉 화학 반응, 그러한 증가는 일반적으로 수백 켈빈이며, 핵 반응의 경우 매우 높은 고도충돌하는 핵의 쿨롱 장벽. 핵 반응의 열 여기(thermal excitation)는 쿨롱 장벽이 최소인(열핵 융합) 가장 가벼운 핵의 합성에서만 실제로 수행되었습니다.

결합 입자에 의한 여기에는 큰 운동 에너지가 필요하지 않으므로 인력의 입자에 내재된 사용되지 않은 결합으로 인해 발생하기 때문에 매질의 온도에 의존하지 않습니다. 그러나 다른 한편으로 반응을 일으키기 위해서는 입자 자체가 필요합니다. 그리고 다시 우리가 별도의 반응 작용이 아니라 거시적 규모의 에너지 생산을 염두에 둔다면 이것은 연쇄 반응이 일어날 때만 가능합니다. 후자는 반응을 자극하는 입자가 외부 에너지 반응의 생성물로 다시 나타날 때 발생합니다.

설계

모든 원자로는 다음 부품으로 구성됩니다.

핵연료와 감속재가 있는 코어;
코어를 둘러싸는 중성자 반사체;
비상 보호를 포함한 연쇄 반응 조절 시스템;
방사선방호;
원격 제어 시스템.

작동의 물리적 원리

주요 기사도 참조하십시오.

현재 상태 원자로유효 중성자 증배 계수로 특징지을 수 있습니다. 케이또는 반응성 ρ , 다음과 같은 관계로 관련됩니다.

이 값은 다음 값으로 특징지어집니다.

케이> 1 - 연쇄 반응이 시간이 지남에 따라 증가하고 반응기가 초임계상태, 그 반응성 ρ > 0;
케이 < 1 - реакция затухает, реактор - 아임계, ρ < 0;
케이 = 1, ρ = 0 - 핵분열 횟수가 일정하고 원자로가 안정적입니다. 비판적인상태.

원자로 임계 조건:

, 어디

곱셈 계수를 1로 변환하는 것은 중성자의 곱과 손실의 균형을 유지함으로써 달성됩니다. 실제로 손실에는 두 가지 이유가 있습니다. 핵분열 없는 포획과 번식 매체 외부의 중성자 누출입니다.

분명히, 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.

열 반응기의 k 0은 소위 "4인자의 공식"에 의해 결정될 수 있습니다.

, 어디

η는 2회 흡수당 중성자 수율입니다.

현대식 원자로의 부피는 수백 m³에 달할 수 있으며 주로 임계 조건이 아니라 열 제거 가능성에 의해 결정됩니다.

임계 볼륨원자로 - 임계 상태에 있는 원자로 노심의 부피. 임계질량임계 상태에 있는 원자로의 핵분열성 물질의 질량입니다.

물 중성자 반사체가 있는 순수한 핵분열성 동위원소의 염 수용액으로 연료를 공급받는 원자로는 임계 질량이 가장 낮습니다. 235 U의 경우 이 질량은 0.8kg이고 239 Pu의 경우 0.5kg입니다. 그러나 베릴륨 산화물 반사경을 갖춘 LOPO 원자로(세계 최초의 농축 우라늄 원자로)의 임계질량은 동위원소 235의 농축도가 미미한 정도였음에도 불구하고 0.565kg인 것으로 널리 알려져 있다. 14% 이상. 이론적으로 가장 작은 임계 질량은 이 값이 10g에 불과합니다.

중성자 누설을 줄이기 위해 코어는 구형 또는 짧은 원통 또는 입방체와 같은 구형에 가까운 모양으로 지정됩니다. 이러한 수치는 부피에 대한 표면적의 비율이 가장 작기 때문입니다.

값 (e - 1)이 일반적으로 작다는 사실에도 불구하고 고속 중성자 곱셈의 역할은 상당히 큽니다. 대형 원자로의 경우 (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

연쇄 반응을 시작하려면 일반적으로 우라늄 핵의 자발적인 핵분열 중에 충분한 중성자가 생성됩니다. 예를 들어 및 또는 기타 물질의 혼합물과 같은 외부 중성자 공급원을 사용하여 원자로를 시동하는 것도 가능합니다.

요오드 구덩이

이 부분의 본문은 요오드 피트입니다.

요오드 피트(Iodine pit) - 수명이 짧은 크세논 동위원소의 축적을 특징으로 하는 원자로가 정지된 후 원자로의 상태. 이 과정은 상당한 부정적인 반응성을 일시적으로 나타내어 일정 기간(약 1-2일) 동안 원자로를 설계 용량으로 가져오는 것을 불가능하게 만듭니다.

분류

약속에 의해

원자로의 사용 특성에 따라 다음과 같이 나뉩니다.

원자로에너지 부문과 해수 담수화(담수화 원자로는 산업용으로도 분류됨)에 사용되는 전기 및 열 에너지를 생산하도록 설계되었습니다. 이러한 원자로는 주로 원자력 발전소에서 사용되었습니다. 현대식 원자로의 화력은 5GW에 이릅니다. 별도의 그룹에서 다음을 할당합니다.
- 수송 원자로차량 엔진에 에너지를 공급하도록 설계되었습니다. 가장 광범위한 응용 그룹은 우주 기술에 사용되는 원자로뿐만 아니라 잠수함 및 다양한 수상 선박에 사용되는 해상 운송 원자로입니다.
실험용 원자로, 원자로의 설계 및 작동에 필요한 값인 다양한 물리량을 연구하도록 설계되었습니다. 이러한 원자로의 전력은 몇 kW를 초과하지 않습니다.
연구 원자로, 코어에서 생성된 중성자 및 감마선 플럭스가 핵 물리학, 고체 물리학, 방사선 화학, 생물학 분야의 연구에 사용되며 강렬한 중성자 플럭스(부품 원자로 포함)에서 작동하도록 의도된 재료를 테스트하기 위해 사용됩니다. 동위 원소 생산을 위해. 연구 원자로의 출력은 100MW를 초과하지 않습니다. 방출된 에너지는 일반적으로 사용되지 않습니다.
산업용(무기, 동위원소) 원자로다양한 분야에서 사용되는 동위 원소를 생산하는 데 사용됩니다. 239 Pu와 같은 핵무기 급 재료 생산에 가장 널리 사용됩니다. 또한 산업용으로는 해수 담수화에 사용되는 원자로가 포함됩니다.

종종 리액터는 두 개 이상의 서로 다른 작업을 해결하는 데 사용되며, 이 경우 리액터라고 합니다. 다목적. 예를 들어, 특히 원자력의 새벽에 일부 발전용 원자로는 주로 실험용이었습니다. 고속 중성자로는 동시에 전력을 생산하고 동위원소를 생산할 수 있습니다. 산업용 원자로는 주요 작업 외에도 종종 전기 및 열 에너지를 생성합니다.

중성자 스펙트럼에 따르면

열(느린) 중성자 원자로("열 원자로")
고속 중성자로("고속 원자로")

연료 배치별

연료가 감속재가 있는 블록 형태로 노심에 개별적으로 배치되는 이종 원자로;
연료와 감속재가 균질 혼합물인 균질 원자로(균질 시스템).

불균일 원자로에서 연료와 감속재는 이격될 수 있으며, 특히 공동 원자로에서 감속재-반사체는 감속재를 포함하지 않는 연료로 공동을 둘러싼다. 핵물리학적 관점에서 동질성/비균질성의 기준은 설계가 아니라 주어진 감속재에서 중성자 감속 길이를 초과하는 거리에 연료 블록을 배치하는 것입니다. 예를 들어, 소위 "근접 격자(close-lattice)" 원자로는 균질하게 설계되지만 일반적으로 연료는 원자로에서 감속재와 분리됩니다.

이종 원자로의 핵연료 블록은 연료 집합체(FA)라고 하며, 정규 격자의 노드에 있는 노심에 배치되어 다음을 형성합니다. 세포.

연료 종류별

우라늄 동위원소 235, 238, 233 ( 235 U , 238 U , 233 U)
플루토늄 동위원소 239(239 Pu), 또한 238 U(MOX 연료)와 혼합된 동위원소 239-242 Pu
토륨 동위원소 232(232 Th)(233 U로의 전환을 통해)

농축 정도에 따라:

천연 우라늄
저농축 우라늄
고농축 우라늄

화학 성분:

금속 U
UC(우라늄 카바이드) 등

냉각수 종류별

가스(흑연-가스 반응기 참조)
D 2 O(중수, 중수 원자로 참조, CANDU)

진행자 유형별

C(흑연, 흑연-가스 반응기, 흑연-물 반응기 참조)
H 2 O (물, 경수로, 가압수형 원자로, VVER 참조)
D 2 O(중수, 중수 원자로 참조, CANDU)
금속 수소화물
감속재 없음(고속 중성자 원자로 참조)

디자인에 의해

증기 발생 방식

외부 증기 발생기가 있는 반응기(PWR, VVER 참조)

IAEA 분류

PWR(가압수형 원자로) - 가압수형 원자로(가압수형 원자로);
BWR(비등수형 원자로) - 비등수형 원자로;
FBR(고속 증식로) - 고속 증식로;
GCR(가스 냉각 원자로) - 가스 냉각 원자로;
LWGR(경수 흑연 원자로) - 흑연-수 원자로
PHWR(가압중수로) - 중수로

세계에서 가장 흔한 것은 가압수(약 62%)와 비등수(20%) 원자로입니다.

원자로 재료

원자로를 구성하는 재료는 중성자, γ-양자 및 핵분열 파편 분야의 고온에서 작동합니다. 따라서 다른 기술 분야에서 사용되는 모든 재료가 원자로 건설에 적합한 것은 아닙니다. 원자로 재료를 선택할 때 방사선 저항성, 화학적 불활성, 흡수 단면적 및 기타 특성을 고려합니다.

재료의 방사선 불안정성은 고온에서 덜 영향을 받습니다. 원자의 이동성이 너무 커서 결정 격자에서 떨어진 원자가 제자리로 돌아오거나 수소와 산소가 물 분자로 재결합할 확률이 현저하게 증가합니다. 따라서 물의 방사능 분해는 비비등 동력 원자로(예: VVER)에서는 중요하지 않은 반면 강력한 연구용 원자로에서는 상당한 양의 폭발성 혼합물이 방출됩니다. 원자로에는 연소를 위한 특수 시스템이 있습니다.

원자로 재료는 서로 접촉합니다(냉각수와 핵연료가 있는 연료 요소 클래딩, 냉각수와 감속재가 있는 연료 카세트 등). 당연히 접촉 물질은 화학적으로 불활성(호환성)이어야 합니다. 비호환성의 예는 우라늄과 뜨거운 물이 화학 반응에 들어가는 것입니다.

대부분의 재료에서 강도 특성은 온도가 증가함에 따라 급격히 저하됩니다. 전력 원자로에서 구조 재료는 고온에서 작동합니다. 이는 특히 고압을 견뎌야 하는 동력 원자로의 부품에 대한 구조 재료의 선택을 제한합니다.

핵연료의 연소 및 재생산

원자로 운전 중에는 연료에 핵분열 파편이 축적되어 동위 원소 및 화학 조성이 변하고 주로 동위 원소 인 초 우라늄 원소가 형성됩니다. 핵분열 파편이 원자로의 반응성에 미치는 영향을 원자로라고 합니다. 중독(방사성 파편용) 및 슬래깅(안정적인 동위 원소의 경우).

원자로 중독의 주요 원인은 중성자 흡수 단면적이 가장 큰 원자로(2.6 10 6 barn)입니다. 135 Xe의 반감기 티 1/2 = 9.2시간; 분할 수율은 6-7%입니다. 135 Xe의 주요 부분은 붕괴( 티 1/2 = 6.8시간). 중독의 경우 Kef가 1-3% 변경됩니다. 135 Xe의 큰 흡수 단면적과 중간 동위원소 135 I의 존재는 두 가지 중요한 현상으로 이어집니다.

135 Xe의 농도가 증가하고 결과적으로 원자로의 정지 또는 출력 감소("요오드 구덩이") 후 반응성의 감소로 인해 단기 정지 및 출력 전력 변동이 불가능합니다. 이 효과는 규제 기관에 반응성 마진을 도입함으로써 극복됩니다. 요오드 우물의 깊이와 지속 시간은 중성자 플럭스 Ф에 따라 달라집니다. Ф = 5 10 18 neutron/(cm² sec)에서 요오드 우물의 지속 시간은 ~ 30시간이고 깊이는 고정 변화보다 2배 큽니다. 135 Xe 중독으로 인한 Keff에서.
중독으로 인해 중성자 플럭스 Ф의 시공간 변동 및 결과적으로 원자로 전력의 변동이 발생할 수 있습니다. 이러한 변동은 Ф > 10 18 neutrons/(cm² sec) 및 대형 원자로 크기에서 발생합니다. 진동 주기 ~ 10시간.

핵분열 중에, 큰 숫자핵분열성 동위원소의 흡수 단면과 비교하여 흡수 단면이 다른 안정한 조각. 단편 집중 훌륭한 가치흡수 단면은 반응기 작동의 처음 며칠 동안 포화 상태에 도달합니다. 이들은 주로 "연령"이 다른 TVEL입니다.

완전한 핵연료 교체의 경우 원자로에 초과 반응도가 있어 이를 보상해야 하며, 두 번째 경우에는 원자로의 첫 번째 시동에서만 보상이 필요합니다. 원자로의 반응성은 핵분열성 동위원소의 평균 농도에 의해 결정되기 때문에 연속적인 재급유는 연소 깊이를 증가시킬 수 있습니다.

적재된 연료의 질량은 방출된 에너지의 "무게"로 인해 적재되지 않은 연료의 질량을 초과합니다. 원자로 정지 후, 주로 지연된 중성자에 의한 핵분열로 인해, 그리고 1~2분 후에는 핵분열 파편과 초우라늄 원소의 β- 및 γ-방사선으로 인해 연료에서 에너지가 계속 방출됩니다. 원자로가 정지되기 전에 충분히 오래 작동한 다음 정지 후 2분 후에 에너지 방출은 약 3%, 1시간 후 - 1%, 하루 후 - 0.4%, 1년 후 - 초기 전력의 0.05%입니다.

소진된 235 U의 양에 대한 원자로에서 형성된 핵분열성 Pu 동위원소의 수의 비율을 전환율케이 케이. K K 값은 농축 및 연소도가 감소함에 따라 증가합니다. 연소도가 10 GW day/t K K = 0.55인 천연 우라늄을 사용하는 중수로와 소규모 연소도(이 경우 K K는 초기 플루토늄 계수) KK = 0.8. 원자로가 연소하여 동일한 동위원소(증식 원자로)를 생성하는 경우 연소율에 대한 재생산율의 비율을 연소율이라고 합니다. 번식률 K V. 열 반응기에서 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 g성장하고 있으며 ㅏ폭포.

원자로 제어

원자로의 제어는 핵분열 중에 중성자 중 일부가 몇 밀리초에서 몇 분까지 지연되어 파편 밖으로 날아간다는 사실 때문에 가능합니다.

원자로를 제어하기 위해 중성자 (주로 및 일부 기타) 및 / 또는 붕산 용액을 강하게 흡수하는 물질로 만들어진 흡수 막대가 사용되어 특정 농도의 냉각수에 추가됩니다 (붕소 조절) . 막대의 움직임은 중성자 플럭스의 자동 제어를 위해 작업자 또는 장비의 신호에 따라 작동하는 특수 메커니즘, 드라이브에 의해 제어됩니다.

각 원자로에서 다양한 비상 사태가 발생할 경우 연쇄 반응의 비상 종료가 제공되며 모든 흡수 막대를 노심에 떨어 뜨려 비상 보호 시스템이 수행됩니다.

잔열

원자력 안전과 직접적으로 관련된 중요한 문제는 붕괴열입니다. 이것 특정 기능핵연료는 핵분열 연쇄 반응과 모든 에너지원에 공통적인 열 관성이 중단된 후에도 원자로에서 열 생성이 계속된다는 사실에 있습니다. 오랫동안, 기술적으로 어려운 문제가 많이 발생합니다.

붕괴열은 원자로 작동 중에 연료에 축적된 핵분열 생성물의 β- 및 γ-붕괴의 결과입니다. 붕괴의 결과로 핵분열 생성물의 핵은 상당한 에너지의 방출과 함께 보다 안정적이거나 완전히 안정적인 상태로 전환됩니다.

붕괴열 방출률은 고정값에 비해 작은 값으로 급격하게 떨어지지만, 고출력 파워리액터에서는 절대적으로 중요하다. 이 때문에 잔열 발생이 필요하다. 장기원자로가 정지된 후 원자로 노심에서 열을 제거하십시오. 이 작업은 원자로 시설의 설계에 안정적인 전원 공급 장치가 있는 냉각 시스템이 필요하며 특수한 온도 체제인 사용후핵연료 저장 시설에 사용후핵연료를 장기간(3-4년 동안) 저장해야 합니다. , 일반적으로 원자로 바로 근처에 있습니다.

또한보십시오

소련에서 설계 및 건설된 원자로 목록

문학

레빈 V. E. 핵물리학과 원자로. 4판. - M.: Atomizdat, 1979.
Shukolyukov A. Yu.“우라늄. 천연 원자로. "화학과 생명" No. 6, 1980, p. 20-24

노트

"ZEEP - 캐나다 최초의 원자로", 캐나다 과학 기술 박물관.
Greshilov A.A., Egupov N.D., Matushchenko A.M.핵 방패. -M .: 로고스, 2008. - 438p. -

작은 원자의 엄청난 에너지

“좋은 과학은 물리학이다! 오직 인생은 짧다." 이 단어는 물리학에서 놀랍도록 많은 일을 한 과학자의 것입니다. 그들은 한때 학자에 의해 발음되었습니다 이고르 바실리에비치 쿠르차토프, 세계 최초의 원자력 발전소 창시자.

1954년 6월 27일에 이 독특한 발전소가 가동되었습니다. 인류에게는 또 다른 강력한 전기 공급원이 있습니다.

원자 에너지를 마스터하는 길은 길고 어려웠습니다. 20세기 초 10년 동안 퀴리 부부가 자연 방사능을 발견하고 보어의 가정, 러더퍼드의 행성 원자 모델, 그리고 지금처럼 보이는 명백한 사실에 대한 증명으로 시작되었습니다. 원자는 양전하를 띤 양성자와 중성자 중성자로 구성됩니다.

1934년에 Frederic과 Irene Joliot-Curie(Marie Sklodowska-Curie와 Pierre Curie의 딸)는 알파 입자(헬륨 원자의 핵)를 충돌시키면 일반 화학 원소가 방사성 원소로 바뀔 수 있음을 발견했습니다. 새로운 현상은 인공 방사능.

I. V. Kurchatov(오른쪽) 및 A. I. Alikhanov(가운데)와 교사 A. F. Ioffe. (30대 초반.)

이러한 폭격이 매우 빠르고 무거운 입자로 수행되면 일련의 화학적 변형이 시작됩니다. 인공 방사능이 있는 원소는 점차 더 이상 붕괴되지 않는 안정적인 원소에 자리를 내어줄 것입니다.

조사 또는 폭격의 도움으로 다른 화학 원소에서 금을 만드는 연금술사의 꿈을 쉽게 실현할 수 있습니다. 그러한 변형의 비용만이 받은 금의 가격을 크게 초과할 것입니다 ...

우라늄 핵분열

1938-1939년 독일의 물리학자와 화학자 그룹이 발견함으로써 인류에게 더 많은 혜택(불행히도 불안)을 가져왔습니다. 우라늄 핵분열. 중성자를 조사하면 무거운 우라늄 핵이 멘델레예프 주기율표의 중간 부분에 속하는 더 가벼운 화학 원소로 붕괴하고 여러 개의 중성자를 방출합니다. 가벼운 요소의 핵의 경우 이러한 중성자는 불필요한 것으로 판명되었습니다 ... 우라늄 핵이 "분열"되면 연쇄 반응이 시작될 수 있습니다. 2 ~ 3 개의 결과 중성자 각각은 차례로 여러 중성자를 생성 할 수 있습니다. 이웃 원자의 핵을 때리는 것.

그러한 핵 반응 생성물의 총 질량은 과학자들이 계산했듯이 원래 물질 인 우라늄의 핵 질량보다 작은 것으로 나타났습니다.

질량과 에너지를 연관 짓는 아인슈타인의 방정식에 따르면 이 경우 엄청난 양의 에너지가 방출되어야 한다는 것을 쉽게 알 수 있습니다! 그리고 그것은 아주 짧은 시간 안에 일어날 것입니다. 물론 연쇄 반응이 통제 불능 상태가 되어 끝까지 가는 것이 아니라면...

학생 B. Pontecorvo와 함께 E. Fermi(오른쪽) 회의 후 걷기. (바젤, 1949)

우라늄 핵분열 과정에 숨겨진 엄청난 물리적, 기술적 가능성은 엔리코 페르미, 우리 세기의 먼 30 대에 아직 아주 어리지만 이미 이탈리아 물리학 학교의 수장으로 인정 받았습니다. 제2차 세계대전이 발발하기 훨씬 전에 그와 재능 있는 직원 그룹은 중성자 조사 하에서 다양한 물질의 거동을 조사하고 중성자의 움직임을 늦춤으로써 우라늄 핵분열 과정의 효율성을 크게 높일 수 있다고 판단했습니다. 언뜻보기에 이상하게 보일 수 있지만 중성자의 속도가 감소하면 우라늄 핵에 의한 포획 확률이 증가합니다. 접근하기 쉬운 물질은 파라핀, 탄소, 물과 같은 중성자의 효과적인 "조절자"역할을합니다 ...

미국으로 이주한 Fermi는 그곳에서 핵 연구의 핵심이자 두뇌 역할을 계속했습니다. 일반적으로 상호 배타적인 두 가지 재능이 Fermi에서 결합되었습니다. 뛰어난 이론가와 뛰어난 실험가입니다. 저명한 과학자 W. Zinn은 1954년 53세의 나이로 악성 종양으로 페르미가 사망한 후 "우리가 그와 동등한 사람을 보기까지는 오랜 시간이 걸릴 것"이라고 썼습니다.

제2차 세계 대전 중 페르미를 중심으로 집결한 과학자 팀은 우라늄 핵분열의 연쇄 반응을 기반으로 전례 없는 파괴력을 가진 무기를 만들기로 결정했습니다. 원자 폭탄. 과학자들은 서둘렀습니다. 나치 독일이 처음으로 새로운 무기를 만들어 다른 민족을 노예로 삼으려는 비인간적 욕망에 사용한다면 어떨까요?

우리나라의 원자로 건설

이미 1942에서 과학자들은 시카고 대학교 경기장 영토에서 조립 및 발사했습니다. 첫 번째 원자로 . 원자로의 우라늄 막대는 감속재인 탄소 "벽돌"로 산재해 있었고, 그럼에도 불구하고 연쇄 반응이 너무 격렬해지면 우라늄 막대를 분리하고 중성자를 완전히 흡수하는 카드뮴 판을 원자로에 도입하여 빠르게 멈출 수 있었습니다.

연구원들은 원자로를 위해 발명한 간단한 장치에 대해 매우 자랑스러워했습니다. 이제 우리는 미소를 짓게 됩니다. 유명한 물리학자인 G. Anderson 인 시카고에있는 Fermi의 직원 중 한 명은 카드뮴 주석이 나무 블록에 못 박혀 필요한 경우 자체 중력의 영향으로 즉시 보일러로 내려 갔던 것을 회상합니다. "인스턴트"라는 이름. G. Anderson은 다음과 같이 썼습니다. 사고가 발생하면 로프가 끊어지고 "순간"이 보일러 내부에 자리를 잡습니다.

원자로에서 제어된 연쇄 반응을 얻었고 이론적 계산과 예측을 검증했습니다. 일련의 화학적 변형이 반응기에서 발생했으며 그 결과 새로운 화학 원소- 플루토늄. 우라늄과 마찬가지로 원자 폭탄을 만드는 데 사용할 수 있습니다.

과학자들은 우라늄이나 플루토늄의 "임계 질량"이 있다고 결정했습니다. 원자 물질이 충분하면 연쇄 반응이 폭발로 이어지고 작으면 "임계 질량"보다 작으면 열이 방출됩니다.

원자력 발전소 건설

가장 단순한 설계의 원자폭탄에는 두 개의 우라늄 또는 플루토늄 조각이 나란히 쌓여 있으며 각각의 질량은 임계 질량보다 약간 낮습니다. 적시에 일반 폭발물의 퓨즈가 조각을 연결하고 원자 연료의 질량이 임계 값을 초과하며 엄청난 힘의 파괴적인 에너지 방출이 즉시 발생합니다 ...

1945년 미국의 원자폭탄이 폭발한 후 눈부신 광선, 경로에 있는 모든 것을 쓸어버리는 충격파, 관통하는 방사능이 일본의 두 도시인 히로시마와 나가사키를 강타했습니다. 원자 폭탄 사용의 끔찍한 결과 무기.

IV Kurchatov의 통일된 과학적 지도력 아래 소련의 물리학자들은 원자 무기를 개발했습니다.

그러나이 작업의 리더는 원자력의 평화적 사용에 대한 생각을 멈추지 않았습니다. 결국, 원자로는 집중적으로 냉각되어야 합니다. 왜 이 열은 집 난방에 사용되지 않고 증기나 가스 터빈에 "제공"되지 않습니까?

액체 저융점 금속이 있는 파이프가 원자로를 통과했습니다. 가열된 금속은 열 교환기로 들어가 열을 물에 전달했습니다. 물이 과열 증기로 바뀌고 터빈이 작동하기 시작했습니다. 원자로는 금속 필러가 있는 콘크리트 보호 쉘로 둘러싸여 있었습니다. 방사능 방사선이 빠져나가지 않아야 합니다.

원자로는 원자력 발전소로 변해 사람들에게 차분한 빛, 아늑한 따뜻함, 원하는 세상을 가져다줍니다 ...

을 위한 평범한 사람고대인들이 번개를 숭배했듯이 현대 첨단 장치는 너무 신비하고 신비해서 숭배하는 것이 옳습니다. 학교 수업수학적 계산으로 가득 찬 물리학자들은 문제를 풀지 못한다. 그러나 작동 원리가 십대에게도 분명한 원자로에 대해서도 이야기하는 것이 흥미 롭습니다.

원자로는 어떻게 작동합니까?

이 첨단 장치의 작동 원리는 다음과 같습니다.

중성자가 흡수되면 핵연료(대부분 이 우라늄-235또는 플루토늄-239) 원자핵의 분열이 일어난다.
운동 에너지, 감마선 및 자유 중성자가 방출됩니다.
운동 에너지는 열 에너지(핵이 주변 원자와 충돌할 때)로 변환되고, 감마선은 원자로 자체에 의해 흡수되며 또한 열로 변환됩니다.
생성된 중성자 중 일부는 연료 원자에 흡수되어 연쇄 반응을 일으킵니다. 이를 제어하기 위해 중성자 흡수체와 감속재가 사용됩니다.
냉각제(물, 기체 또는 액체 나트륨)의 도움으로 반응 부위에서 열이 제거됩니다.
가열된 물의 가압 증기는 증기 터빈을 구동하는 데 사용됩니다.
발전기의 도움으로 터빈 회전의 기계적 에너지가 교류로 변환됩니다.

분류에 대한 접근

원자로의 유형에 대한 많은 이유가 있을 수 있습니다.

핵반응의 종류별. 핵분열(모든 상업 설비) 또는 핵융합(열핵 발전, 일부 연구 기관에서만 널리 사용됨)
절삭유에 의해. 대부분의 경우 이러한 목적으로 물(끓거나 무거운 물)이 사용됩니다. 때때로 대체 용액이 사용됩니다: 액체 금속(나트륨, 납-비스무트 합금, 수은), 가스(헬륨, 이산화탄소 또는 질소), 용융염(불소염);
세대별.첫 번째는 상업적인 의미가 없는 초기 프로토타입입니다. 두 번째는 1996년 이전에 건설된 현재 사용 중인 원자력 발전소의 대다수입니다. 3세대는 이전 세대와 사소한 개선 사항만 다릅니다. 4세대에 대한 작업은 아직 진행 중입니다.
집계 상태에 따라연료(가스는 여전히 종이에만 존재함);
사용목적별(전기 생산, 엔진 시동, 수소 생산, 담수화, 원소 변환, 신경 방사선 획득, 이론 및 조사 목적).

원자로 장치

대부분의 발전소에서 원자로의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

핵연료 - 동력 터빈용 열 생산에 필요한 물질(보통 저농축 우라늄)
원자로의 활성 영역 - 핵 반응이 일어나는 곳입니다.
중성자 감속재 - 고속 중성자의 속도를 줄여 열중성자로 전환합니다.
시작 중성자 소스 - 안정적이고 안정적인 핵 반응 시작에 사용됩니다.
중성자 흡수체 - 신선한 연료의 높은 반응성을 줄이기 위해 일부 발전소에서 사용할 수 있습니다.
중성자 곡사포 - 꺼진 후 반응을 다시 시작하는 데 사용됩니다.
냉각수(정제수);
제어봉 - 우라늄 또는 플루토늄 핵의 핵분열 속도를 제어합니다.
워터 펌프 - 물을 스팀 보일러로 펌핑합니다.
증기 터빈 - 증기의 열 에너지를 회전 기계 에너지로 변환합니다.
냉각탑 - 과도한 열을 대기로 제거하는 장치;
방사성폐기물을 접수·저장하는 시스템
안전 시스템(비상 디젤 발전기, 비상 노심 냉각 장치).

자연의 자연 유사체

원자로는 다음과 같이 인식됩니다. 대중 의식독점적으로 제품으로 첨단 기술. 그러나 사실 첫 번째 장치는 자연적 기원입니다. 중앙 아프리카 가봉 주의 오클로 지역에서 발견되었습니다.

원자로는 우라늄 암석의 범람으로 인해 형성되었습니다. 지하수. 그들은 중성자 감속재 역할을 했습니다.
우라늄이 붕괴하는 동안 방출되는 열 에너지는 물을 증기로 바꾸고 연쇄 반응을 멈춥니다.
냉각수 온도가 떨어지면 모든 것이 다시 반복됩니다.
액체가 끓지 않고 반응 과정을 멈췄다면 인류는 새로운 자연 재해에 직면했을 것입니다.
자가 유지 핵분열은 약 15억년 전에 이 원자로에서 시작되었습니다. 이 기간 동안 약 10만 와트의 출력 전력이 할당되었습니다.
이러한 지구상의 경이로움은 알려진 유일한 것입니다. 새로운 것의 출현은 불가능합니다. 천연 원료에서 우라늄 -235의 비율은 연쇄 반응을 유지하는 데 필요한 수준보다 훨씬 낮습니다.

한국에는 몇 개의 원자로가 있습니까?

불쌍하다 천연 자원, 그러나 산업화되고 인구 과잉인 대한민국은 에너지가 절실히 필요합니다. 독일이 평화로운 원자를 거부한 배경에서 이 나라는 핵 기술 억제에 대한 높은 희망을 가지고 있습니다.

2035년까지 원자력 발전소에서 생산되는 전기의 비율은 60%에 도달하고 총 생산량은 40기가와트 이상입니다.
이 나라에는 원자 무기가 없지만 핵 물리학에 대한 연구가 진행 중입니다. 한국 과학자들은 모듈식, 수소, 액체 금속 등 현대식 원자로 설계를 개발했습니다.
현지 연구원의 성공으로 해외에 기술을 판매할 수 있습니다. 향후 15-20년 내에 이 나라는 80대를 수출할 것으로 예상됩니다.
그러나 오늘날 대부분의 원자력 발전소는 미국 또는 프랑스 과학자들의 도움으로 건설되었습니다.
작동 스테이션의 수는 상대적으로 적지만(단지 4개) 각 스테이션에는 상당한 수의 원자로(총 40개)가 있으며 이 수치는 증가할 것입니다.

중성자와 충돌하면 핵연료가 연쇄 반응을 일으켜 엄청난 양의 열이 발생합니다. 시스템의 물은 이 열을 받아 전기를 생산하는 터빈을 돌리는 증기로 바꿉니다. 여기 간단한 회로지구상에서 가장 강력한 에너지원인 원자로의 가동.

비디오: 원자로 작동 방식

이 비디오에서 핵 물리학자 Vladimir Chaikin은 원자로에서 전기가 생성되는 방법과 자세한 구조에 대해 설명합니다.

시카고 대학교 미식축구 경기장의 서쪽 스탠드 아래에 건설되어 1942년 12월 2일에 가동된 Chicago Pile-1(CP-1)은 세계 최초의 원자로였습니다. 그것은 흑연과 우라늄 블록으로 구성되었고 카드뮴, 인듐 및 은 제어봉도 있었지만 방사선 보호 및 냉각 시스템은 없었습니다. 이 프로젝트의 과학 책임자인 물리학자 Enrico Fermi는 SR-1을 "검은색 벽돌과 나무 통나무의 축축한 더미"라고 설명했습니다.

원자로 작업은 1942년 11월 16일에 시작되었습니다. 어려운 작업이 완료되었습니다. 물리학자와 대학 직원은 24시간 내내 일했습니다. 그들은 흑연 블록에 내장된 우라늄 산화물과 우라늄 주괴의 57개 층으로 구성된 그리드를 구축했습니다. 나무 프레임이 구조를 지원했습니다. 프로젝트의 유일한 여성인 Fermi의 제자인 Leona Woods는 더미가 커짐에 따라 신중하게 측정했습니다.

1942년 12월 2일에 원자로는 시험 준비가 되었습니다. 22,000개의 우라늄 주괴와 380톤의 흑연, 40톤의 산화 우라늄, 6톤의 우라늄 금속이 포함되어 있었습니다. 원자로를 건설하는 데 270만 달러가 들었습니다. 실험은 09-45에 시작되었습니다. Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Hiberry, Woods, 흑연 블록과 카드뮴 막대를 만든 젊은 목수, 의사, 일반 학생 및 기타 과학자 등 49 명이 참석했습니다.

세 사람이 "자살 분대"를 구성했습니다. 그들은 보안 시스템의 일부였습니다. 그들의 임무는 무언가 잘못되었을 때 불을 끄는 것이었다. 제어 장치도 있었습니다. 수동으로 작동되는 제어봉과 원자로 위 발코니 난간에 묶인 비상봉이었습니다. 비상 사태가 발생하면 발코니에서 특별히 근무하는 사람이 로프를 절단해야했고 막대가 반응을 끌 것입니다.

1553년, 역사상 처음으로 자급자족하는 핵 연쇄 반응이 시작되었습니다. 실험은 성공적이었습니다. 반응기는 28분 동안 작동했습니다.

원자로는 원활하고 정확하게 작동합니다. 그렇지 않으면 아시다시피 문제가 발생할 것입니다. 근데 안에서 무슨 일이야? 정지와 함께 원자로의 작동 원리를 간단하고 명확하게 공식화 해 봅시다.

사실 그곳에서도 핵폭발과 같은 과정이 진행되고 있습니다. 이제야 폭발이 매우 빠르게 발생하고 원자로에서이 모든 것이 오랫동안 늘어납니다. 결국 모든 것이 안전하고 건전하며 우리는 에너지를 얻습니다. 주변의 모든 것이 즉시 박살날 정도로 많지는 않지만 도시에 전기를 공급하기에 충분합니다.

원자로 작동 방식NPP 냉각탑
제어된 핵 반응이 어떻게 작동하는지 이해하기 전에 일반적으로 핵 반응이 무엇인지 알아야 합니다.

핵 반응은 기본 입자 및 감마 양자와 상호 작용하는 동안 원자핵의 변형(분열) 과정입니다.

핵 반응은 흡수와 에너지 방출 모두에서 발생할 수 있습니다. 두 번째 반응은 반응기에서 사용됩니다.

원자로는 에너지 방출과 함께 제어된 핵 반응을 유지하는 것이 목적인 장치입니다.

종종 원자로는 원자로라고도합니다. 여기에 근본적인 차이는 없지만 과학의 관점에서 볼 때 "핵"이라는 단어를 사용하는 것이 더 정확합니다. 현재 많은 유형의 원자로가 있습니다. 이들은 발전소에서 에너지를 생산하도록 설계된 거대한 산업용 원자로, 원자력 잠수함 원자로, 과학 실험. 바닷물을 담수화하는 데 사용되는 원자로도 있습니다.

원자로 생성의 역사

그리 멀지 않은 1942년에 최초의 원자로가 가동되었습니다. Fermi의지도하에 미국에서 일어났습니다. 이 원자로는 "시카고 장작더미"라고 불렸습니다.

1946년 쿠르차토프(Kurchatov)의 지휘 아래 소련 최초의 원자로가 가동되었습니다. 이 원자로의 몸체는 직경 7미터의 공이었습니다. 첫 번째 원자로는 냉각 시스템이 없었고 전력도 미미했습니다. 그건 그렇고, 소련 원자로의 평균 전력은 20 와트이고 미국 원자로는 1 와트에 불과했습니다. 비교를 위해 현대식 원자로의 평균 출력은 5기가와트입니다. 최초의 원자로가 가동된 지 10년이 채 되지 않아 세계 최초의 산업용 원자력 발전소가 Obninsk 시에 문을 열었습니다.

원자로의 작동 원리

모든 원자로는 연료 및 감속재가 있는 노심, 중성자 반사체, 냉각수, 제어 및 보호 시스템 등 여러 부분으로 구성됩니다. 우라늄(235, 238, 233), 플루토늄(239) 및 토륨(232)의 동위원소는 원자로에서 연료로 가장 자주 사용됩니다. 활성 구역은 일반 물(냉각수)이 흐르는 보일러입니다. 다른 냉각수 중에서 "중수"와 액체 흑연은 덜 일반적으로 사용됩니다. 원자력 발전소 운영에 대해 이야기하면 원자로가 열을 생산하는 데 사용됩니다. 전기 자체는 다른 유형의 발전소와 동일한 방식으로 생성됩니다. 증기는 터빈을 회전시키고 이동 에너지는 전기 에너지로 변환됩니다.

아래는 원자로의 작동 다이어그램입니다.

원자로 작동 방식원자력 발전소의 원자로 방식

우리가 이미 말했듯이, 무거운 우라늄 핵의 붕괴는 더 가벼운 원소와 소수의 중성자를 생성합니다. 생성된 중성자는 다른 핵과 충돌하여 핵분열을 일으킵니다. 이 경우 중성자의 수는 눈사태처럼 커집니다.

여기서 중성자 증배 계수를 언급할 필요가 있습니다. 따라서 이 계수가 1 이상의 값을 초과하면 핵폭발이 발생합니다. 값이 1보다 작으면 중성자가 너무 적고 반응이 사라집니다. 그러나 계수 값을 1로 유지하면 반응이 오랫동안 안정적으로 진행됩니다.

문제는 어떻게 하는가? 원자로에서 연료는 소위 연료 요소(TVEL)에 있습니다. 이들은 작은 펠렛 형태의 핵연료를 포함하는 막대입니다. 연료봉은 육각형 카세트에 연결되어 있으며 원자로에는 수백 개가 있을 수 있습니다. 연료봉이 있는 카세트는 수직으로 배치되는 반면 각 연료봉에는 코어에 잠기는 깊이를 조정할 수 있는 시스템이 있습니다. 카세트 자체 외에도 제어봉과 비상 보호봉이 있습니다. 막대는 중성자를 잘 흡수하는 재료로 만들어졌습니다. 따라서 제어봉을 노심의 다른 깊이로 낮출 수 있으므로 중성자 증배 계수를 조정할 수 있습니다. 비상 봉은 비상시 원자로를 정지하도록 설계되었습니다.

원자로는 어떻게 시작됩니까?

작동 원리는 알아 냈지만 원자로를 시작하고 작동시키는 방법은 무엇입니까? 대략적으로 말하면 여기에 우라늄 조각이 있지만 결국 연쇄 반응은 그 자체로 시작되지 않습니다. 사실 핵 물리학에는 임계 질량의 개념이 있습니다.

핵연료핵연료

임계 질량은 핵 연쇄 반응을 시작하는 데 필요한 핵분열성 물질의 질량입니다.

연료 요소와 제어봉의 도움으로 임계 질량의 핵연료가 먼저 원자로에서 생성된 다음 원자로가 여러 단계를 거쳐 최적의 출력 수준에 도달합니다.

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이 기사에서는 원자로의 구조와 작동 원리에 대한 일반적인 아이디어를 제공하려고 노력했습니다. 주제에 대해 여전히 질문이 있거나 대학에서 핵 물리학 문제를 묻는 경우 당사 전문가에게 문의하십시오. 우리는 늘 그렇듯이 귀하가 학업의 긴급한 문제를 해결할 수 있도록 도와드릴 준비가 되어 있습니다. 그 동안 우리는 이것을하고 있습니다. 여러분의 관심은 또 다른 교육용 비디오입니다!

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