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원자 원자로의 구조. 원자로 : 작동 원리, 특성, 설명

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.

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 늘어납니다. 장기. 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 원자로를 사용하여 열을 발생시킵니다. 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 먼저 원자로에서 임계 질량의 핵연료가 생성된 다음 원자로가 여러 단계를 거쳐 최적의 출력 수준에 도달합니다.

추천: 인문학 및 비인간 학생을 위한 수학 요령(1부)
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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20세기 중반 인류의 관심은 원자와 과학자들의 핵반응에 대한 설명에 집중되었고, 처음에는 그것을 군사적 목적으로 사용하기로 결정하고 맨하탄 프로젝트에서 최초의 핵폭탄을 발명했습니다. 그러나 XX 세기의 50 년대에 소련의 원자로는 평화적 목적으로 사용되었습니다. 1954년 6월 27일 세계 최초로 5000kW 용량의 원자력 발전소가 인류의 서비스에 들어갔다는 것은 잘 알려져 있습니다. 오늘날 원자로는 4,000MW 이상의 전기를 생산할 수 있습니다. 즉, 반세기 전에 비해 800배 이상 증가한 것입니다.

원자로는 무엇인가 : 장치의 기본 정의 및 주요 구성 요소

원자로는 제어된 핵 반응의 올바른 유지 관리의 결과로 에너지가 생성되는 특수 장치입니다. "원자"라는 단어를 "반응기"라는 단어와 함께 사용할 수 있습니다. 많은 사람들은 일반적으로 "핵"과 "원자"의 개념을 동의어로 간주합니다. 왜냐하면 그들은 그들 사이에 근본적인 차이를 찾지 못하기 때문입니다. 그러나 과학의 대표자들은 "원자로"라는보다 정확한 조합을 선호합니다.

흥미로운 사실!핵 반응은 에너지의 방출 또는 흡수와 함께 진행될 수 있습니다.

원자로 장치의 주요 구성 요소는 다음 요소입니다.

중재자;
제어봉;
우라늄 동위원소의 농축 혼합물을 포함하는 막대;
방사선에 대한 특수 보호 요소;
냉각수;
증기 발생기;
터빈;
발전기;
콘덴서;
핵연료.

물리학 자에 의해 결정된 원자로 작동의 기본 원리는 무엇이며 왜 흔들리지 않습니까?

원자로 작동의 기본 원리는 핵 반응 발현의 특징에 기반합니다. 표준 물리적 연쇄 핵 과정의 순간에 입자는 원자핵과 상호 작용하여 결과적으로 핵은 과학자들이 감마 양자라고 부르는 2차 입자의 방출과 함께 새로운 핵으로 변합니다. 핵 연쇄 반응 동안 엄청난 양의 열 에너지가 방출됩니다. 연쇄 반응이 일어나는 공간을 원자로 노심이라고 합니다.

흥미로운 사실!활성 영역은 외부에서 냉각수 역할을 하는 일반 물이 흐르는 보일러와 유사합니다.

중성자 손실을 방지하기 위해 원자로 노심 영역은 특수 중성자 반사경으로 둘러싸여 있습니다. 주요 임무는 방출된 중성자의 대부분을 코어로 거부하는 것입니다. 반사체는 일반적으로 감속재 역할을 하는 것과 동일한 물질입니다.

원자로의 주요 제어는 특수 제어봉의 도움으로 이루어집니다. 이 막대는 원자로 노심에 도입되어 장치 작동을 위한 모든 조건을 생성하는 것으로 알려져 있습니다. 일반적으로 제어봉은 화합물붕소와 카드뮴. 이러한 요소가 사용되는 이유는 무엇입니까? 네, 모두 붕소나 카드뮴이 열중성자를 효과적으로 흡수할 수 있기 때문입니다. 그리고 발사가 계획되는 즉시 원자로 작동 원리에 따라 제어봉이 노심에 도입됩니다. 그들의 주요 임무는 중성자의 상당 부분을 흡수하여 연쇄 반응을 일으키는 것입니다. 결과는 원하는 수준에 도달해야 합니다. 전력이 설정 수준 이상으로 증가하면 자동 기계가 켜지고 제어봉이 원자로 노심 깊숙이 잠기게 됩니다.

따라서 제어봉 또는 제어봉이 열 원자로의 작동에 중요한 역할을 한다는 것이 분명해졌습니다.

그리고 중성자의 누출을 줄이기 위해 원자로 노심은 상당한 양의 자유롭게 방출되는 중성자를 노심으로 던지는 중성자 반사기로 둘러싸여 있습니다. 리플렉터의 의미에서 일반적으로 중재자와 동일한 물질이 사용됩니다.

기준에 따르면 감속재 물질의 원자핵은 상대적으로 질량이 작아서 가벼운 핵과 충돌할 때 체인에 존재하는 중성자가 무거운 핵과 충돌할 때보다 더 많은 에너지를 잃습니다. 가장 일반적인 중재자는 일반 물 또는 흑연입니다.

흥미로운 사실!핵반응 과정에서 중성자는 극도로 고속따라서 감속재가 필요하며 중성자를 밀어 에너지의 일부를 잃습니다.

원자로의 중심부에서 생성된 에너지를 제거하는 것이 목적이기 때문에 냉각제의 도움 없이는 세계에서 단 하나의 원자로도 정상적으로 작동할 수 없습니다. 냉각수로는 중성자를 흡수할 수 없는 액체나 기체가 반드시 사용된다. 물, 이산화탄소, 때로는 액체 금속 나트륨과 같은 소형 원자로 냉각수의 예를 들어 보겠습니다.

따라서 원자로의 작동 원리는 전적으로 연쇄 반응의 법칙, 그 과정에 기반합니다. 원자로의 모든 구성 요소 (감속기, 막대, 냉각수, 핵연료)는 작업을 수행하여 원자로의 정상 작동을 유발합니다.

원자로에 사용되는 연료는 무엇이며 이러한 화학 원소가 정확히 선택되는 이유는 무엇입니까?

원자로의 주요 연료는 우라늄 동위원소, 플루토늄 또는 토륨일 수 있습니다.

1934년에 F. Joliot-Curie는 우라늄 핵의 핵분열 과정을 관찰하면서 그 결과 화학 반응우라늄 핵은 파편-핵과 2개 또는 3개의 자유 중성자로 나뉩니다. 그리고 이것은 자유 중성자가 다른 우라늄 핵과 결합하여 또 다른 핵분열을 유발할 가능성이 있음을 의미합니다. 따라서 연쇄 반응이 예측한 대로 6~9개의 중성자가 3개의 우라늄 핵에서 방출되어 새로 형성된 핵과 다시 합류합니다. 그리고 무한히 계속됩니다.

기억하는 것이 중요합니다!핵분열 시 나타나는 중성자는 질량수 235인 우라늄 동위원소의 핵분열을 유발할 수 있으며, 질량수 238인 우라늄 동위원소의 핵을 파괴하기 위해 발생하는 에너지는 거의 없을 수 있습니다. 부패의 과정.

우라늄 번호 235는 자연에서 희귀합니다. 0.7%에 불과하지만 천연우라늄-238이 더 넓은 틈새를 차지하고 99.3%를 차지한다.

자연에서 우라늄-235의 작은 비율에도 불구하고 물리학자와 화학자는 원자로 작동에 가장 효과적이어서 인류의 에너지 획득 비용을 줄이기 때문에 여전히 이를 거부할 수 없습니다.

최초의 원자로는 언제 나타 났으며 오늘날 어디에 사용됩니까?

1919년에 러더퍼드가 알파 입자와 질소 원자핵의 충돌의 결과로 움직이는 양성자의 형성 과정을 발견하고 설명했을 때 물리학자들은 이미 승리를 거두었습니다. 이 발견은 알파 입자와의 충돌 결과 질소 동위 원소의 핵이 산소 동위 원소의 핵으로 변했음을 의미합니다.

먼저 오기 전에 원자로, 세계는 핵 반응의 모든 중요한 측면을 해석하면서 몇 가지 새로운 물리 법칙을 배웠습니다. 그래서 1934 년 F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky는 처음으로 사회와 세계 과학자 집단에 핵 반응 가능성에 대한 이론적 가정과 증거 기반을 제공했습니다. 모든 실험은 우라늄 핵의 핵분열 관찰과 관련이 있습니다.

1939년 E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch는 중성자와 충돌하는 동안 우라늄 핵의 핵분열 반응을 추적했습니다. 연구 과정에서 과학자들은 가속된 중성자 1개가 우라늄 핵에 들어가면 기존 핵이 2~3개 부분으로 갈라진다는 사실을 발견했다.

연쇄 반응은 20세기 중반에 실질적으로 입증되었습니다. 1939년 과학자들은 하나의 우라늄 핵분열이 약 200MeV의 에너지를 방출한다는 것을 증명했습니다. 그러나 약 165 MeV가 조각 핵의 운동 에너지에 할당되고 나머지는 감마 양자를 함께 옮깁니다. 이 발견은 양자 물리학에서 돌파구를 만들었습니다.

E. Fermi는 몇 년 더 작업과 연구를 계속하고 1942년 미국에서 최초의 원자로를 발사합니다. 구체화 된 프로젝트는 "Chicago woodpile"이라고 불리며 레일에 놓였습니다. 1945년 9월 5일 캐나다는 ZEEP 원자로를 발사했습니다. 유럽 \u200b\u200b대륙은 뒤처지지 않았으며 동시에 F-1 설치가 진행되었습니다. 그리고 러시아인에게는 또 다른 기억에 남는 날짜- 1946년 12월 25일, I. Kurchatov의 지도하에 모스크바에서 원자로가 가동되었습니다. 이것들은 가장 강력한 원자로가 아니었지만 이것은 인간에 의한 원자 개발의 시작이었습니다.

평화적 목적을 위해 1954년 소련에서 과학적 원자로가 만들어졌습니다. 원자력 발전소를 탑재한 세계 최초의 평화적 선박인 레닌 핵 쇄빙선은 1959년 소련에서 건조되었습니다. 그리고 우리주의 또 하나의 성과는 핵 쇄빙선 Arktika입니다. 이 수상함은 세계 최초로 북극점에 도달했습니다. 1975년에 일어난 일입니다.

최초의 휴대용 원자로는 느린 중성자로 작동했습니다.

원자로는 어디에 사용되며 인류는 어떤 유형을 사용합니까?

산업용 원자로. 그들은 원자력 발전소에서 에너지를 생성하는 데 사용됩니다.
핵 잠수함의 추진력 역할을 하는 원자로.
실험용(휴대용, 소형) 원자로. 그들 없이는 단 하나의 현대 과학 경험이나 연구가 일어나지 않습니다.

오늘날 과학적 빛은 특수 원자로의 도움으로 담수화하는 법을 배웠습니다. 바닷물인구에게 양질의 서비스를 제공하기 위해 식수. 러시아에는 운영 중인 원자로가 많이 있습니다. 그래서 통계에 따르면 2018년 현재 약 37개의 블록이 주에서 운영되고 있습니다.

분류에 따라 다음과 같을 수 있습니다.

연구(역사적). 여기에는 플루토늄 생산을 위한 실험 장소로 만들어진 F-1 스테이션이 포함됩니다. I. V. Kurchatov는 F-1에서 근무했으며 최초의 물리적 원자로를 감독했습니다.
연구(활성).
병기고. 냉각 기능이있는 최초의 원자로로 역사에 기록 된 원자로 A-1의 예입니다. 원자로의 과거 전력은 작지만 기능적입니다.
에너지.
배. 선박과 잠수함에서는 필요성과 기술적 타당성에 따라 수냉식 또는 액체 금속 원자로가 사용되는 것으로 알려져 있습니다.
공간. 예를 들어 우주선에 Yenisei 설치를 호출하면 추가 에너지를 추출해야 하는 경우 작동하며 다음을 사용하여 얻어야 합니다. 태양 전지 패널및 동위 원소 소스.

따라서 원자로의 주제는 상당히 확장되어 있으므로 양자 물리학의 법칙에 대한 깊은 연구와 이해가 필요합니다. 그러나 전력 산업과 국가 경제를 위한 원자로의 중요성은 의심할 여지 없이 이미 유용성과 혜택의 분위기로 부채질되고 있습니다.

매일 우리는 전기를 사용하고 그것이 어떻게 생산되고 어떻게 우리에게 왔는지에 대해 생각하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 그것은 현대 문명의 가장 중요한 부분 중 하나입니다. 전기가 없다면 빛도, 열도, 움직임도 없을 것입니다.

원자력 발전소를 포함한 발전소에서 전기가 생산된다는 것은 누구나 알고 있습니다. 모든 원자력 발전소의 심장은 원자로. 이것이 이 기사에서 논의할 내용입니다.

원자로, 열 방출과 함께 제어된 핵 연쇄 반응이 일어나는 장치. 기본적으로 이러한 장치는 전기를 생성하고 대형 선박의 구동 장치로 사용됩니다. 원자로의 전력과 효율성을 상상하기 위해 예를 들 수 있습니다. 평균적인 원자로에는 30kg의 우라늄이 필요한 반면, 평균적인 화력 발전소에는 60개의 석탄 마차 또는 40개의 연료유 탱크가 필요합니다.

원기 원자로 E. Fermi의 지시에 따라 미국에서 1942년 12월에 지어졌습니다. 소위 "시카고 스택"이었습니다. Chicago Pile(이후다른 의미와 함께 "말뚝"은 원자로를 나타 내기 시작했습니다).이 이름은 그가 흑연 블록을 쌓아 올려 쌓은 큰 스택과 닮았다는 사실 때문에 그에게 주어졌습니다.

블록 사이에는 천연 우라늄과 그 이산화물의 구형 "작업체"가 배치되었습니다.

소련에서는 Academician IV Kurchatov의지도하에 첫 번째 원자로가 건설되었습니다. F-1 원자로는 1946년 12월 25일 가동에 들어갔다. 원자로는 볼 형태로 직경이 약 7.5미터였다. 냉각 시스템이 없었기 때문에 매우 낮은 전력 수준에서 작동했습니다.

연구는 계속되었고 1954년 6월 27일 Obninsk시에서 세계 최초의 5MW 용량의 원자력 발전소가 가동되었습니다.

원자로의 작동 원리.

우라늄 U 235가 붕괴하는 동안 2~3개의 중성자가 방출되면서 열이 방출됩니다. 통계에 따르면 - 2.5. 이 중성자는 다른 우라늄 원자 U 235 와 충돌합니다. 충돌에서 우라늄 U 235는 불안정한 동위 원소 U 236으로 바뀌며 거의 즉시 Kr 92 및 Ba 141 + 동일한 2-3 중성자로 붕괴됩니다. 붕괴는 감마선과 열의 형태로 에너지 방출을 동반합니다.

이것을 연쇄 반응이라고 합니다. 원자가 분열하고 붕괴 횟수가 기하급수적으로 증가하여 궁극적으로 우리의 기준에 따라 엄청난 양의 에너지가 방출됩니다. 제어되지 않은 연쇄 반응의 결과로 원자 폭발이 발생합니다.

그러나, 원자로우리는 다루고 있습니다 통제된 핵 반응.이것이 어떻게 가능하게 되는지 자세히 설명합니다.

원자로 장치.

현재 원자로에는 VVER(압수형 원자로)와 RBMK(고출력 채널 원자로)의 두 가지 유형이 있습니다. 차이점은 RBMK는 비등수형 원자로이고 VVER는 120기압의 물을 사용한다는 점이다.

VVER 1000 리액터 1 - CPS 드라이브; 2 - 반응기 덮개; 3 - 원자로 용기; 4 - 보호 파이프 블록(BZT); 5 - 광산; 6 - 코어 배플; 7 - 연료 집합체(FA) 및 제어봉;

각 산업용 원자로는 냉각수가 흐르는 보일러입니다. 일반적으로 이것은 일반 물(세계에서 약 75%), 액체 흑연(20%) 및 중수(5%)입니다. 실험 목적으로 베릴륨이 사용되었고 탄화수소가 가정되었습니다.

TVEL- (연료 요소). 이들은 니오븀 합금이 있는 지르코늄 껍질에 있는 막대이며 내부에는 이산화 우라늄 정제가 있습니다.

카세트의 연료 요소는 녹색으로 강조 표시됩니다.

연료 카세트 어셈블리.

원자로 노심은 수직으로 배치된 수백 개의 카세트로 구성되며 중성자 반사체 역할도 하는 본체인 금속 쉘로 결합됩니다. 카세트 중에는 원자로의 제어봉과 비상보호봉이 일정한 간격으로 삽입되어 과열시 원자로를 정지시키도록 되어 있다.

VVER-440 원자로에 대한 데이터를 예로 들어 보겠습니다.

컨트롤러는 싱킹을 통해 위아래로 움직일 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이므로 반응이 가장 강렬한 코어를 남깁니다. 이것은 제어 시스템과 함께 강력한 전기 모터에 의해 제공되며 비상 보호 막대는 비상시 원자로를 정지시켜 노심으로 떨어지고 더 많은 자유 중성자를 흡수하도록 설계되었습니다.

각 반응기에는 사용한 카세트와 새 카세트를 로드하고 언로드하는 뚜껑이 있습니다.

단열재는 일반적으로 원자로 용기 상단에 설치됩니다. 다음 장벽은 생물학적 보호입니다. 이것은 일반적으로 철근 콘크리트 벙커이며 입구는 밀폐된 문이 있는 에어록으로 닫혀 있습니다. 생물학적 보호는 폭발이 발생하더라도 방사성 증기와 원자로 부품이 대기 중으로 방출되지 않도록 설계되었습니다.

현대식 원자로에서 핵폭발은 극히 드물다. 연료가 충분히 농축되지 않았기 때문에 TVEL로 나뉩니다. 코어가 녹더라도 연료는 그렇게 적극적으로 반응할 수 없습니다. 발생할 수있는 최대 값은 원자로의 압력이 금속 케이스가 단순히 찢어지고 5000 톤 무게의 원자로 덮개가 플립 점프하여 돌파하는 값에 도달했을 때 체르노빌과 같은 열 폭발입니다. 원자로 격실의 지붕과 증기 배출. 체르노빌 원자력 발전소가 오늘날의 석관과 같은 올바른 생물학적 보호 장치를 갖추고 있었다면 재앙은 인류에게 훨씬 적은 비용을 지불했을 것입니다.

원자력 발전소의 작업.

라보보아는 간단히 말해서 이렇게 생겼습니다.

원자력 발전소. (클릭 가능)

펌프를 사용하여 원자로 노심에 들어간 후 물은 250도에서 300도까지 가열되어 원자로의 "다른 쪽"에서 나옵니다. 이것을 첫 번째 루프라고 합니다. 그런 다음 열 교환기로 이동하여 두 번째 회로와 만납니다. 그 후 압력을 받는 증기가 터빈 블레이드로 들어갑니다. 터빈은 전기를 생성합니다.

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.

제어된 핵 반응이 어떻게 작동하는지 이해하려면 먼저 무엇을 알아야 합니다. 핵반응 조금도.

핵반응 - 이것은 기본 입자 및 감마 양자와의 상호 작용 중에 원자핵의 변형 (분열) 과정입니다.

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

원자로 - 이것은 에너지 방출과 함께 제어된 핵 반응을 유지하는 것을 목적으로 하는 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 발전소, 원자력 잠수함 원자로, 과학 실험에 사용되는 소형 실험용 원자로에서 에너지를 생성하도록 설계된 거대한 산업용 원자로입니다. 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 여러 부분으로 구성됩니다. 핵심 와 함께 연료 그리고 중재자 , 중성자 반사경 , 냉각수 , 제어 및 보호 시스템 . 동위 원소는 원자로에서 가장 일반적으로 사용되는 연료입니다. 우라늄 (235, 238, 233), 플루토늄 (239) 및 토륨 (232). 활성 구역은 일반 물(냉각수)이 흐르는 보일러입니다. 다른 냉각수 중에서 "중수"와 액체 흑연은 덜 일반적으로 사용됩니다. 원자력 발전소 운영에 대해 이야기하면 원자로를 사용하여 열을 발생시킵니다. 전기 자체는 다른 유형의 발전소와 동일한 방법으로 생성됩니다. 증기가 터빈을 회전시키고 이동 에너지가 전기 에너지로 변환됩니다.

아래는 원자로의 작동 다이어그램입니다.

여기서 언급할 필요가 있다 중성자 증배 계수 . 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 (TVELah). 이들은 작은 정제 형태의 막대입니다. 핵연료 . 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 다음이 있습니다. 제어봉 그리고 비상 보호 막대 . 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 개념이 있습니다. 임계질량 .

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

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

이 기사에서는 원자로의 구조와 작동 원리에 대한 일반적인 아이디어를 제공하려고 노력했습니다. 주제에 대해 질문이 있거나 대학에서 핵물리학 문제를 요청한 경우 다음으로 문의하십시오. 우리 회사의 전문가. 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!