Kokios yra pagrindinės branduolinio reaktoriaus dalys? Atominė elektrinė: kaip ji veikia

Šis neapsakomas pilkas cilindras yra pagrindinė Rusijos branduolinės pramonės grandis. Žinoma, jis neatrodo labai reprezentatyviai, bet kai tik supranti jo paskirtį ir pažvelgi į technines charakteristikas, pradedi suprasti, kodėl valstybė kaip akies vyzdį saugo jos sukūrimo ir struktūros paslaptį.

Taip, pamiršau pristatyti: priešais jus yra dujų centrifuga urano izotopams VT-3F (n-oji karta) atskirti. Veikimo principas elementarus, kaip ir pieno separatoriaus, sunkus, veikiamas išcentrinės jėgos, yra atskirtas nuo šviesos. Taigi, kokia yra reikšmė ir išskirtinumas?

Pirmiausia atsakykime į kitą klausimą – bet apskritai, kam atskirti uraną?

Natūralus uranas, esantis tiesiai žemėje, yra dviejų izotopų kokteilis: uranas-238 Ir uranas-235(ir 0,0054 proc. U-234).
Uranas-238, tai tiesiog sunkus, pilkas metalas. Iš jo galite padaryti artilerijos sviedinį, na, arba ... raktų pakabuką. Ir štai ką galite padaryti uranas-235? Na, pirma, atominė bomba, antra, kuras atominėms elektrinėms. Ir čia mes pasiekiame pagrindinį klausimą – kaip atskirti šiuos du, beveik identiškus atomus, vieną nuo kito? Ne, tikrai KAIP?!

Beje: Urano atomo branduolio spindulys yra 1,5 10 -8 cm.

Kad urano atomai būtų įvaryti į technologinę grandinę, jis (uranas) turi būti paverstas dujine būsena. Virinti nėra prasmės, užtenka uraną sujungti su fluoru ir gauti urano heksafluoridą HFC. Jo gamybos technologija nėra labai sudėtinga ir brangi, todėl HFC patekti ten, kur išgaunamas šis uranas. UF6 yra vienintelis labai lakus urano junginys (kaitinant iki 53°C, heksafluoridas (nuotraukoje) iš kieto pavidalo tampa dujinis). Tada jis pumpuojamas į specialius konteinerius ir siunčiamas sodrinti.

Truputis istorijos

Pačioje branduolinių lenktynių pradžioje didžiausi mokslo protai, tiek SSRS, tiek JAV, įsisavino difuzinio atskyrimo idėją - urano perpylimą per sietą. Mažas 235-oji izotopas paslys, o "storas" 238-oji užstrigti. O 1946 metais sovietinei pramonei pagaminti sietą su nano skylutėmis nebuvo pati sunkiausia užduotis.

Iš Izaoko Konstantinovičiaus Kikoino pranešimo Mokslo ir technikos taryboje prie Liaudies komisarų tarybos (pateikta išslaptintų medžiagų apie SSRS atominį projektą rinkinyje (Red. Ryabev)): Šiuo metu jau išmokome gaminti tinklelius su maždaug 5/1000 mm skylutėmis, t.y. 50 kartų didesnis už vidutinį laisvą molekulių kelią esant atmosferos slėgiui. Todėl dujų slėgis, kuriam esant tokiems tinkleliams atsiskirs izotopai, turi būti mažesnis nei 1/50 atmosferos slėgio. Praktiškai tikimės dirbti esant maždaug 0,01 atmosferos slėgiui, t.y. esant geroms vakuumo sąlygoms. Skaičiavimas rodo, kad norint gauti produktą, sodruotą iki 90% koncentracijos lengvuoju izotopu (tokios koncentracijos pakanka sprogmeniui gauti), kaskadoje turi būti sujungta apie 2000 tokių pakopų. Mūsų suprojektuotoje ir iš dalies pagamintoje mašinoje per dieną tikimasi pagaminti 75-100 g urano-235. Instaliaciją sudarys maždaug 80-100 „stulpelių“, kurių kiekvienoje bus po 20-25 žingsnius.

Žemiau yra dokumentas – Berijos ataskaita Stalinui apie pirmojo branduolinio sprogimo rengimą. Žemiau yra nedidelė nuoroda į sukauptas branduolines medžiagas iki 1949 m. vasaros pradžios.

O dabar įsivaizduokite patys – 2000 didelių instaliacijų dėl kokių 100 gramų! Na, kur dėtis, bombų reikia. Ir jie pradėjo statyti gamyklas, ir ne tik gamyklas, bet ir ištisus miestus. Ir gerai, tik miestams, šioms difuzinėms elektrinėms reikėjo tiek daug elektros, kad šalia teko statyti atskiras elektrines.

SSRS gamyklos Nr. 813 pirmoji pakopa D-1 buvo skirta 140 gramų 92-93% urano-235 per dieną 2 kaskadoms po 3100 identiškų atskyrimo pakopų. Gamybai buvo skirta nebaigta statyti orlaivių gamykla Verkh-Neyvinsko kaime, kuris yra 60 km nuo Sverdlovsko. Vėliau ji virto Sverdlovsko-44, o 813-oji gamykla (nuotraukoje) į Uralo elektrochemijos gamyklą – didžiausią pasaulyje atskiriamąją produkciją.

Ir nors difuzinio atskyrimo technologija, nors ir su dideliais technologiniais sunkumais, buvo derinama, idėja įvaldyti ekonomiškesnį išcentrinį procesą nepaliko darbotvarkės. Juk jei pavyks sukurti centrifugą, energijos sąnaudos sumažės nuo 20 iki 50 kartų!

Kaip sukonfigūruojama centrifuga?

Jis sutvarkytas daugiau nei elementariai ir atrodo kaip senasis. Skalbimo mašina veikia "gręžimo / džiovinimo" režimu. Sandariame korpuse yra besisukantis rotorius. Šis rotorius tiekiamas su dujomis (UF6). Dėl išcentrinės jėgos, šimtus tūkstančių kartų didesnės už Žemės gravitacinį lauką, dujos pradeda skirstytis į „sunkiąją“ ir „lengvąją“ frakcijas. Lengvosios ir sunkiosios molekulės pradeda grupuotis skirtingose ​​rotoriaus zonose, bet ne centre ir išilgai perimetro, o viršuje ir apačioje.

Taip nutinka dėl konvekcinių srovių – kaitinamas rotoriaus dangtis ir atsiranda atgalinis dujų srautas. Cilindro viršuje ir apačioje yra du maži vamzdeliai - įsiurbimas. Išeikvotas mišinys patenka į apatinį vamzdelį, mišinys su didesne atomų koncentracija patenka į viršutinį vamzdelį 235U. Šis mišinys patenka į kitą centrifugą ir taip toliau iki koncentracijos 235-oji uranas nepasieks norimos vertės. Centrifugų grandinė vadinama kaskadu.

Techninės savybės.

Na, pirma, sukimosi greitis - y šiuolaikinė karta centrifugos, jis pasiekia 2000 aps./min (net nežinau su kuo palyginti su... 10 kartų greičiau nei turbina orlaivio variklyje)! Ir jis veikia be perstojo TRIJAS DEŠIMTMEČIUS metų! Tie. dabar centrifugos, kurios buvo įjungtos Brežnevo laikais, sukasi kaskadomis! SSRS nebėra, bet jie vis sukasi ir sukasi. Nesunku suskaičiuoti, kad per savo darbo ciklą rotorius padaro 2 000 000 000 000 (du trilijonus) apsisukimų. Ir koks guolis gali tai atlaikyti? Taip, jokios! Nėra guolių.

Pats rotorius yra įprastas viršus, jo apačioje yra tvirta adata, paremta ant korundo atraminio guolio, o viršutinis galas kabo vakuume, laikomas elektromagnetinio lauko. Adata irgi ne paprasta, iš paprastos vielos fortepijono stygoms, sukietinta labai gudriai (kas - GT). Nesunku įsivaizduoti, kad esant tokiam siautulingam sukimosi greičiui, pati centrifuga turi būti ne tik patvari, bet ir itin stipri.

Akademikas Josephas Friedlanderis primena: „Tris kartus jie galėjo būti nušauti. Kartą, kai jau buvome gavę Lenino premiją, įvyko didelė avarija, centrifugos dangtis nuskriejo. Gabalai išsibarstę, sunaikintos kitos centrifugos. Pakilo radioaktyvus debesis. Teko sustabdyti visą liniją – kilometrą instaliacijų! Sredmaše centrifugoms vadovavo generolas Zverevas, prieš atominį projektą jis dirbo Berijos departamente. Generolas susirinkime sakė: „Situacija yra kritinė. Šalies gynybai iškilo grėsmė. Jei situacijos greitai nepataisysime, jums pasikartos 37 metai. Ir iškart posėdis buvo uždarytas. Tada sugalvojome visiškai nauja technologija su visiškai izotropine vienoda dangčio struktūra, tačiau reikėjo labai sudėtingų sąrankų. Nuo tada šie viršeliai buvo gaminami. Daugiau bėdų nebuvo. Rusijoje yra 3 sodrinimo gamyklos, daug šimtų tūkstančių centrifugų.
Nuotraukoje: pirmosios kartos centrifugų bandymai

Rotoriaus korpusai iš pradžių taip pat buvo metaliniai, kol juos pakeitė ... anglies pluoštas. Lengvas ir itin atsparus plyšimui, tai ideali medžiaga besisukančiam cilindrui.

UEIP generalinis direktorius (2009–2012 m.) Aleksandras Kurkinas primena: „Tai pasidarė juokinga. Bandydamas ir bandydamas naujos, labiau „besisukančios“ kartos centrifugas, vienas iš darbuotojų nelaukė, kol rotorius visiškai sustos, atjungė jį nuo kaskados ir nusprendė perkelti ant stovo ant rankų. Tačiau užuot judėjęs į priekį, kad ir kaip stipriai priešinosi, jis apkabino šį cilindrą ir pradėjo judėti atgal. Taigi savo akimis pamatėme, kad žemė sukasi, o giroskopas yra didžiulė jėga.

Kas išrado?

O, tai paslaptis, apimta paslapčių ir apgaubta neaiškumų. Čia yra vokiečių paimtų fizikų, CŽV, SMERSH pareigūnų ir net numušto šnipo piloto Powerso. Apskritai dujų centrifugos veikimo principas buvo aprašytas XIX amžiaus pabaigoje.

Dar Atominio projekto aušroje Kirovo gamyklos Specialiojo projektavimo biuro inžinierius Viktoras Sergejevas pasiūlė išcentrinį atskyrimo metodą, tačiau iš pradžių kolegos jo idėjai nepritarė. Tuo pat metu mokslininkai iš nugalėtos Vokietijos kovojo dėl atskyrimo centrifugos sukūrimo specialiame NII-5 Sukhumi: daktaras Maxas Steenbeckas, dirbęs Hitleriui vadovaujant Siemens vyriausiuoju inžinieriumi, ir Gernot Zippe, buvęs Luftwaffe mechanikas. , Vienos universiteto absolventas. Iš viso grupėje buvo apie 300 „eksportuotų“ fizikų.

Valstybinės korporacijos „Rosatom“ CJSC „Centrotech-SPb“ generalinis direktorius Aleksejus Kalitejevskis primena: „Mūsų ekspertai padarė išvadą, kad vokiška centrifuga yra visiškai netinkama pramoninei gamybai. Steenbeck aparatas neturėjo sistemos, leidžiančios iš dalies prisodrintą produktą perkelti į kitą etapą. Buvo pasiūlyta atvėsinti dangčio galus ir užšaldyti dujas, o tada jas atšaldyti, surinkti ir įdėti į kitą centrifugą. Tai yra, schema neveikia. Tačiau projektas turėjo labai įdomių ir neįprastų techninių sprendimų. Šie „įdomūs ir neįprasti sprendimai“ buvo derinami su sovietų mokslininkų gautais rezultatais, ypač su Viktoro Sergejevo pasiūlymais. Santykinai kalbant, mūsų kompaktiška centrifuga yra trečdalis vokiečių minties vaisius ir du trečdaliai sovietinės minties. Beje, kai Sergejevas atvyko į Abchaziją ir išsakė tam pačiam Steenbekui ir Zippei savo mintis apie urano parinkimą, Steenbeckas ir Zippe atmetė jas kaip neįgyvendinamas.

Taigi ką Sergejevas sugalvojo.

O Sergejevo pasiūlymas buvo sukurti Pito vamzdžių pavidalo dujų mėginių ėmimo įrenginius. Tačiau daktaras Steenbeckas, kuris, kaip jis tikėjo, dantis valgė šia tema, buvo kategoriškas: „Jie sulėtins srautą, sukels turbulenciją ir nebus atsiskyrimo! Po daugelio metų, dirbdamas su savo memuarais, jis gailėsis: „Idėja verta mūsų! Bet man tai neatėjo į galvą...“

Vėliau, būdamas už SSRS ribų, Steenbeckas su centrifugomis nebeužsiėmė. Tačiau Gerontas Zippe, prieš išvykdamas į Vokietiją, turėjo galimybę susipažinti su Sergejevo centrifugos prototipu ir genialiai paprastu jos veikimo principu. Kartą Vakaruose „gudrus Zippe“, kaip dažnai buvo vadinamas, savo vardu užpatentavo centrifugos konstrukciją (1957 m. patentas Nr. 1071597, galiojantis 13 šalių). 1957 m., persikėlęs į JAV, Zippe ten pastatė veikiančią instaliaciją, atkuriančią Sergejevo prototipą iš atminties. Ir pavadino ją, atiduokime duoklę, „rusiška centrifuga“ (nuotr.).

Beje, Rusijos inžinerija pasirodė daugeliu kitų atvejų. Pavyzdys yra elementarus avarinis uždarymo vožtuvas. Nėra jutiklių, detektorių ir elektroninių grandinių. Yra tik samovaro maišytuvas, kuris savo žiedlapiu liečia kaskados rėmą. Jei kas nors negerai ir centrifuga pakeičia savo padėtį erdvėje, ji tiesiog pasisuka ir uždaro įleidimo liniją. Tai tarsi anekdote apie amerikietišką rašiklį ir rusišką pieštuką kosmose.

Mūsų dienos

Šią savaitę šių eilučių autorius dalyvavo reikšmingame įvykyje – pagal sutartį uždarytas JAV Energetikos departamento Rusijos stebėtojų biuras. HEU-LEU. Šis susitarimas (labai prisodrintas uranas, mažai prisodrintas uranas) buvo ir tebėra didžiausias branduolinės energetikos susitarimas tarp Rusijos ir Amerikos. Pagal sutarties sąlygas Rusijos branduolinės energetikos mokslininkai perdirbo 500 tonų mūsų ginklams tinkamo (90%) urano į kurą (4%) HFC, skirtą Amerikos atominėms elektrinėms. 1993-2009 metų pajamos siekė 8,8 milijardo JAV dolerių. Tai buvo logiška mūsų branduolinių mokslininkų technologinio proveržio izotopų atskyrimo srityje, padaryto pokario metais, rezultatas.
Nuotraukoje: dujų centrifugų kaskados vienoje iš UEIP dirbtuvių. Čia jų yra apie 100 000.

Centrifugų dėka gavome tūkstančius tonų palyginti pigios tiek karinės, tiek komercinės prekės. Branduolinė pramonė, viena iš nedaugelio likusių (karinė aviacija, kosmosas), kurioje Rusija turi neabejotiną pranašumą. Tik užsienio užsakymai dešimčiai metų į priekį (nuo 2013 iki 2022), „Rosatom“ portfelis be sutarties HEU-LEU yra 69,3 milijardo dolerių. 2011 metais ji viršijo 50 mlrd.
Nuotraukoje konteinerių su HFC sandėlis UEIP.

1942 09 28 buvo priimtas Valstybės gynimo komiteto nutarimas Nr.2352ss „Dėl urano darbo organizavimo“. Ši data laikoma oficialia Rusijos branduolinės pramonės istorijos pradžia.

Šiandien leisime trumpą kelionę į branduolinės fizikos pasaulį. Mūsų ekskursijos tema bus branduolinis reaktorius. Sužinosite, kaip jis veikia, kokiais fiziniais principais grindžiamas jo veikimo principas ir kur šis įrenginys naudojamas.

Branduolinės energijos gimimas

Pirmasis pasaulyje branduolinis reaktorius buvo pastatytas 1942 metais JAV. laureato vadovaujama eksperimentinė fizikų grupė Nobelio premija Enrico Fermi. Tuo pačiu metu jie atliko savaime išsilaikančią urano dalijimosi reakciją. Atominis džinas buvo paleistas.

Pirmasis sovietų branduolinis reaktorius buvo paleistas 1946 m. o po 8 metų srovę davė pirmoji pasaulyje atominė elektrinė Obninsko mieste. SSRS atominės energetikos pramonės vyriausiasis mokslinis vadovas buvo puikus fizikas Igoris Vasiljevičius Kurchatovas.

Nuo to laiko pasikeitė kelios branduolinių reaktorių kartos, tačiau pagrindiniai jo konstrukcijos elementai išliko nepakitę.

Branduolinio reaktoriaus anatomija

Šis branduolinis objektas yra storasienis plieninis rezervuaras, kurio cilindrinė talpa svyruoja nuo kelių kubinių centimetrų iki daugelio kubinių metrų.

Šio cilindro viduje yra šventųjų šventa - reaktoriaus šerdies.Čia vyksta grandininė branduolinio kuro dalijimosi reakcija.

Pažiūrėkime, kaip vyksta šis procesas.

Ypač sunkiųjų elementų branduoliai Uranas-235 (U-235), veikiami nedidelio energijos postūmio, jie sugeba subyrėti į 2 maždaug vienodos masės fragmentus. Šio proceso sukėlėjas yra neutronas.

Fragmentai dažniausiai yra bario ir kriptono branduoliai. Kiekvienas iš jų turi teigiamą krūvį, todėl Kulono atstūmimo jėgos verčia juos sklaidyti įvairiomis kryptimis maždaug 1/30 šviesos greičio greičiu. Šie fragmentai yra didžiulės kinetinės energijos nešėjai.

Norint praktiškai panaudoti energiją, būtina, kad jos išleidimas būtų savarankiškas. Grandininė reakcija, apie ką kalbama yra dar įdomiau, nes kiekvieną dalijimosi įvykį lydi naujų neutronų emisija. Vienam pradiniam neutronui vidutiniškai atsiranda 2–3 nauji neutronai. Skyliojo urano branduolių skaičius auga kaip lavina, sukeldamas milžiniškos energijos išsiskyrimą. Jei šis procesas nebus kontroliuojamas, įvyks branduolinis sprogimas. Jis vyksta .

Neutronų skaičiui valdyti į sistemą įvedamos medžiagos, sugeriančios neutronus, užtikrina sklandų energijos išsiskyrimą. Kadmis arba boras naudojami kaip neutronų absorberiai.

Kaip pažaboti ir panaudoti didžiulę fragmentų kinetinę energiją? Šiems tikslams naudojamas aušinimo skystis, t.y. speciali terpė, judanti, kurioje skeveldros sulėtėja ir įkaista iki itin aukštos temperatūros. Tokia terpė gali būti paprastas arba sunkusis vanduo, skysti metalai (natris), taip pat kai kurios dujos. Kad aušinimo skystis nepatektų į garų būseną, šerdyje palaikomas aukštas slėgis (iki 160 atm). Dėl šios priežasties reaktoriaus sienelės pagamintos iš dešimties centimetrų specialios klasės plieno.

Jei neutronai išskrenda iš branduolinio kuro, grandininė reakcija gali būti nutraukta. Todėl yra kritinė skiliųjų medžiagų masė, t.y. jo mažiausia masė, kuriai esant bus palaikoma grandininė reakcija. Tai priklauso nuo įvairių parametrų, įskaitant reaktoriaus šerdį supančio reflektoriaus buvimą. Jis skirtas užkirsti kelią neutronų nutekėjimui į aplinką. Dažniausiai šio konstrukcinio elemento medžiaga yra grafitas.

Reaktoriuje vykstančius procesus lydi pavojingiausios spinduliuotės rūšies – gama spinduliuotės – išsiskyrimas. Siekiant sumažinti šį pavojų, ji suteikia apsaugą nuo radiacijos.

Kaip veikia branduolinis reaktorius

Branduolinis kuras, vadinamas kuro elementais, dedamas į reaktoriaus aktyvią zoną. Tai tabletės, suformuotos iš skiliosios medžiagos ir supakuotos į plonus maždaug 3,5 m ilgio ir 10 mm skersmens vamzdelius.

Į šerdį įdedama šimtai tos pačios rūšies kuro rinklių, kurios tampa šiluminės energijos šaltiniais, išsiskiriančiais vykstant grandininei reakcijai. Aušinimo skystis, plaunantis kuro strypus, sudaro pirmąją reaktoriaus grandinę.

Kaitinamas iki aukštų parametrų, jis pumpuojamas į garo generatorių, kur perduoda savo energiją antrinės grandinės vandeniui, paversdamas jį garais. Susidarę garai suka turbinos generatorių. Šio įrenginio pagaminta elektros energija perduodama vartotojui. O išmetamieji garai, aušinami vandeniu iš aušinimo tvenkinio, kondensato pavidalu, grąžinami į garo generatorių. Ciklas užsidaro.

Toks dviejų grandinių branduolinio įrenginio veikimas pašalina spinduliuotės, lydinčios branduolyje vykstančius procesus, prasiskverbimą už jos ribų.

Taigi reaktoriuje vyksta energijos virsmų grandinė: skiliosios medžiagos branduolinė energija → į fragmentų kinetinę energiją → aušinimo skysčio šiluminė energija → turbinos kinetinė energija → ir į elektros energiją generatoriuje.

Neišvengiamas energijos praradimas lemia tai, kad Atominių elektrinių efektyvumas palyginti mažas, 33-34 proc.

Be elektros energijos gamybos atominėse elektrinėse, branduoliniai reaktoriai naudojami įvairių radioaktyvių izotopų gamybai, daugelio pramonės sričių tyrimams, pramoninių reaktorių leistinų parametrų studijoms. Transporto reaktoriai, tiekiantys energiją transporto priemonių varikliams, vis labiau plinta.

Branduolinių reaktorių tipai

Paprastai branduoliniai reaktoriai veikia su uranu U-235. Tačiau jo kiekis natūralioje medžiagoje itin mažas – tik 0,7%. Pagrindinė natūralaus urano masė yra U-238 izotopas. Grandininę reakciją U-235 gali sukelti tik lėti neutronai, o U-238 izotopą dalijasi tik greitieji neutronai. Dėl branduolio dalijimosi gimsta ir lėti, ir greiti neutronai. Greitieji neutronai, patiriantys aušinimo skysčio (vandens) lėtėjimą, tampa lėti. Tačiau izotopo U-235 kiekis gamtiniame urane yra toks mažas, kad būtina jį sodrinti, kad jo koncentracija būtų 3–5%. Šis procesas yra labai brangus ir ekonomiškai nepalankus. Be to, išsekimo laikas gamtos turtai manoma, kad šio izotopo amžius yra tik 100–120 metų.

Todėl branduolinėje pramonėje palaipsniui pereinama prie reaktorių, veikiančių naudojant greituosius neutronus.

Pagrindinis jų skirtumas – kaip aušinimo skystis naudojami skysti metalai, kurie nesustabdo neutronų, o U-238 – kaip branduolinis kuras. Šio izotopo branduoliai pereina per branduolinių virsmų grandinę į plutonį-239, kuriam vyksta grandininė reakcija taip pat, kaip ir U-235. Tai reiškia, kad yra dauginamas branduolinis kuras, kurio kiekis viršija jo suvartojimą.

Pasak ekspertų Urano-238 izotopų atsargų turėtų pakakti 3000 metų.Šio laiko visiškai pakanka, kad žmonija turėtų pakankamai laiko kurti kitas technologijas.

Branduolinės energijos naudojimo problemos

Be akivaizdžių branduolinės energetikos pranašumų, negalima nuvertinti problemų, susijusių su branduolinių objektų eksploatavimu, mastas.

Pirmasis iš jų yra radioaktyviųjų atliekų ir išmontuotos įrangos šalinimas atominė energija. Šie elementai turi aktyvų radiacinį foną, kuris išlieka ilgą laiką. Šioms atliekoms šalinti naudojami specialūs švino konteineriai. Manoma, kad jie bus palaidoti amžinojo įšalo vietose iki 600 metrų gylyje. Todėl nuolat ieškoma radioaktyviųjų atliekų apdorojimo būdo, kuris turėtų išspręsti laidojimo problemą ir padėti išsaugoti mūsų planetos ekologiją.

Antra pagrindinė problema yra saugumo užtikrinimas AE eksploatacijos metu. Didelės avarijos, tokios kaip Černobylis, gali atimti daug žmonių gyvybių ir nutraukti eksploatavimą dideliuose plotuose.

Japonijos atominėje elektrinėje „Fukušima-1“ įvykusi avarija tik patvirtino galimą pavojų, kuris pasireiškia avarinės situacijos branduoliniuose objektuose atveju.

Tačiau branduolinės energijos galimybės yra tokios didelės, kad aplinkosaugos problemos nublanksta į antrą planą.

Šiandien žmonija neturi kito būdo patenkinti vis didėjantį energijos alkį. Ateities branduolinės energetikos pramonės pagrindas tikriausiai bus „greitieji“ reaktoriai, turintys branduolinio kuro dauginimo funkciją.

Jei ši žinutė jums buvo naudinga, mielai jus pamatyčiau

Dvidešimtojo amžiaus viduryje žmonijos dėmesys buvo sutelktas į atomą ir mokslininkų paaiškinimą apie branduolinę reakciją, kurią jie iš pradžių nusprendė panaudoti kariniams tikslams, išradę pirmąsias branduolines bombas pagal Manheteno projektą. Tačiau XX amžiaus šeštajame dešimtmetyje SSRS branduolinis reaktorius buvo naudojamas taikiems tikslams. Gerai žinoma, kad 1954 m. birželio 27 d. pirmoji pasaulyje 5000 kW galios atominė elektrinė pradėjo tarnauti žmonijai. Šiandien branduolinis reaktorius gali pagaminti 4000 MW ar didesnę elektros energiją, tai yra 800 kartų daugiau nei prieš pusę amžiaus.

Kas yra branduolinis reaktorius: pagrindinis bloko apibrėžimas ir pagrindiniai komponentai

Branduolinis reaktorius yra specialus blokas, kurio pagalba generuojama energija tinkamai prižiūrint kontroliuojamą branduolinę reakciją. Leidžiama vartoti žodį „atominis“ kartu su žodžiu „reaktorius“. Daugelis paprastai mano, kad sąvokos „branduolinis“ ir „atominis“ yra sinonimai, nes neranda esminio skirtumo tarp jų. Tačiau mokslo atstovai linkę į teisingesnį derinį – „branduolinį reaktorių“.

Įdomus faktas! Branduolinės reakcijos gali vykti išskiriant arba sugeriant energiją.

Pagrindiniai branduolinio reaktoriaus įrenginio komponentai yra šie elementai:

• Moderatorius;
• Valdymo strypai;
• Strypai, turintys sodrinto urano izotopų mišinio;
• Specialūs apsauginiai elementai nuo radiacijos;
• Aušinimo skystis;
• garo generatorius;
• turbina;
• generatorius;
• Kondensatorius;
• Branduolinis kuras.

Kokius esminius branduolinio reaktoriaus veikimo principus nustato fizikai ir kodėl jie nepajudinami

Pagrindinis branduolinio reaktoriaus veikimo principas grindžiamas branduolinės reakcijos pasireiškimo ypatybėmis. Standartinio fizinės grandinės branduolinio proceso metu dalelė sąveikauja su atomo branduoliu, todėl branduolys virsta nauju, kai išsiskiria antrinės dalelės, kurias mokslininkai vadina gama kvantais. Branduolinės grandininės reakcijos metu išsiskiria didžiulis šiluminės energijos kiekis. Erdvė, kurioje vyksta grandininė reakcija, vadinama reaktoriaus šerdimi.

Įdomus faktas! Aktyvioji zona išoriškai primena katilą, per kurį teka paprastas vanduo, kuris veikia kaip aušinimo skystis.

Siekiant išvengti neutronų praradimo, reaktoriaus aktyviosios zonos plotas yra apsuptas specialiu neutronų reflektoriumi. Jo pagrindinė užduotis yra atmesti didžiąją dalį skleidžiamų neutronų į šerdį. Atšvaitas paprastai yra ta pati medžiaga, kuri tarnauja kaip moderatorius.

Pagrindinis branduolinio reaktoriaus valdymas vyksta specialių valdymo strypų pagalba. Yra žinoma, kad šie strypai įvedami į reaktoriaus aktyvią zoną ir sukuria visas sąlygas bloko veikimui. Paprastai valdymo strypai yra pagaminti iš cheminiai junginiai boras ir kadmis. Kodėl naudojami šie elementai? Taip, nes boras arba kadmis gali efektyviai sugerti šiluminius neutronus. O kai tik planuojama paleisti, pagal branduolinio reaktoriaus veikimo principą į aktyviąją zoną įvedami valdymo strypai. Jų pagrindinė užduotis yra absorbuoti didelę neutronų dalį, taip išprovokuojant grandininės reakcijos vystymąsi. Rezultatas turėtų pasiekti norimą lygį. Kai galia padidėja virš nustatyto lygio, įjungiamos automatinės mašinos, kurios būtinai panardina valdymo strypus giliai į reaktoriaus aktyvią zoną.

Taigi tampa aišku, kad valdikliai arba valdymo strypai atlieka svarbų vaidmenį šiluminio branduolinio reaktoriaus darbe.

O norint sumažinti neutronų nutekėjimą, reaktoriaus aktyvioji zona yra apsupta neutronų reflektoriaus, kuris į aktyviąją erdvę išmeta nemažą masę laisvai skleidžiamų neutronų. Atšvaito prasme dažniausiai naudojama ta pati medžiaga kaip ir moderatoriui.

Pagal standartą moderuojančios medžiagos atomų branduolys turi santykinai mažą masę, todėl, susidūręs su lengvuoju branduoliu, grandinėje esantis neutronas praranda daugiau energijos nei susidūręs su sunkiuoju. Dažniausi moderatoriai yra paprastas vanduo arba grafitas.

Įdomus faktas! Branduolinės reakcijos procese esantys neutronai pasižymi itin dideliu judėjimo greičiu, todėl reikalingas moderatorius, stumiantis neutronus, kad jie prarastų dalį savo energijos.

Nė vienas reaktorius pasaulyje negali normaliai veikti be aušinimo skysčio, nes jo tikslas yra pašalinti energiją, kuri susidaro reaktoriaus širdyje. Kaip aušinimo skystis būtinai naudojamas skystis arba dujos, nes jie negali sugerti neutronų. Pateiksime kompaktiško branduolinio reaktoriaus aušinimo skysčio pavyzdį - vandenį, anglies dioksidą ir kartais net skystą metalinį natrią.

Taigi branduolinio reaktoriaus veikimo principai yra visiškai pagrįsti grandininės reakcijos dėsniais, jos eiga. Visi reaktoriaus komponentai – moderatorius, strypai, aušinimo skystis, branduolinis kuras – atlieka savo užduotis, sukeldamos normalų reaktoriaus darbą.

Koks kuras naudojamas branduoliniams reaktoriams ir kodėl pasirinkti būtent šie cheminiai elementai

Pagrindinis kuras reaktoriuose gali būti urano izotopai, taip pat plutonis ar toris.

Dar 1934 metais F. Joliot-Curie, stebėdamas urano branduolio dalijimosi procesą, pastebėjo, kad dėl to cheminė reakcija urano branduolys yra padalintas į fragmentus-branduolius ir du ar tris laisvuosius neutronus. O tai reiškia, kad yra tikimybė, kad laisvieji neutronai prisijungs prie kitų urano branduolių ir išprovokuos kitą skilimą. Ir taip, kaip numato grandininė reakcija: iš trijų urano branduolių išsiskirs nuo šešių iki devynių neutronų, kurie vėl prisijungs prie naujai susidariusių branduolių. Ir taip toliau iki begalybės.

Svarbu atsiminti! Branduolio dalijimosi metu atsirandantys neutronai gali išprovokuoti urano izotopo, kurio masės skaičius yra 235, branduolių dalijimąsi, o sunaikinant urano izotopo, kurio masės skaičius yra 238, branduolius, gali susidaryti mažai energijos. irimo procesas.

Urano numeris 235 gamtoje yra retas. Jis sudaro tik 0,7%, tačiau gamtinis uranas-238 užima erdvesnę nišą ir sudaro 99,3%.

Nepaisant tokios mažos urano-235 dalies gamtoje, fizikai ir chemikai vis dar negali jo atsisakyti, nes jis yra pats efektyviausias branduolinio reaktoriaus veikimui, mažinantis energijos gavimo išlaidas žmonijai.

Kada atsirado pirmieji branduoliniai reaktoriai ir kur jie naudojami šiandien

1919 m. fizikai jau triumfavo, kai Rutherfordas atrado ir aprašė judančių protonų susidarymo procesą dėl alfa dalelių susidūrimo su azoto atomų branduoliais. Šis atradimas reiškė, kad azoto izotopo branduolys, susidūręs su alfa dalele, virto deguonies izotopo branduoliu.

Prieš pasirodant pirmiesiems branduoliniams reaktoriams, pasaulis išmoko keletą naujų fizikos dėsnių, kuriuose buvo nagrinėjami visi svarbūs branduolinės reakcijos aspektai. Taigi 1934 metais F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky pirmą kartą visuomenei ir pasaulio mokslininkų ratui pasiūlė teorinę prielaidą ir įrodymų bazę apie branduolinių reakcijų galimybę. Visi eksperimentai buvo susiję su urano branduolio skilimo stebėjimu.

1939 metais E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch atsekė urano branduolių dalijimosi reakciją juos bombarduojant neutronais. Atlikdami tyrimus mokslininkai nustatė, kad vienam pagreitėjusiam neutronui patekus į urano branduolį, esamas branduolys dalijasi į dvi ar tris dalis.

Grandininė reakcija buvo praktiškai įrodyta XX amžiaus viduryje. 1939 metais mokslininkams pavyko įrodyti, kad vieno urano branduolio dalijimasis išskiria apie 200 MeV energijos. Tačiau apie 165 MeV yra skirta fragmentų branduolių kinetinei energijai, o likusi dalis neša gama kvantus. Šis atradimas padarė proveržį kvantinėje fizikoje.

E. Fermi tęsia darbus ir tyrimus dar keletą metų ir pirmąjį branduolinį reaktorių paleidžia 1942 metais JAV. Įkūnytas projektas buvo pavadintas „Chicago woodpile“ ir buvo pastatytas ant bėgių. 1945 m. rugsėjo 5 d. Kanada paleido savo ZEEP branduolinį reaktorių. Neatsiliko ir Europos žemynas, o tuo pat metu buvo statoma ir F-1 instaliacija. O rusams dar viena įsimintina data – 1946 metų gruodžio 25 dieną Maskvoje, vadovaujant I.Kurchatovui, paleidžiamas reaktorius. Tai nebuvo patys galingiausi branduoliniai reaktoriai, tačiau tai buvo žmogaus atomo vystymosi pradžia.

Taikiems tikslams SSRS 1954 metais buvo sukurtas mokslinis branduolinis reaktorius. Sovietų Sąjungoje 1959 metais buvo pastatytas pirmasis pasaulyje taikus laivas su atomine elektrine – branduolinis ledlaužis Leninas. Ir dar vienas mūsų valstybės pasiekimas – branduolinis ledlaužis „Arktika“. Šis paviršinis laivas pirmą kartą pasaulyje pasiekė Šiaurės ašigalį. Tai įvyko 1975 m.

Pirmieji nešiojamieji branduoliniai reaktoriai veikė lėtais neutronais.

Kur naudojami branduoliniai reaktoriai ir kokius tipus naudoja žmonija

• Pramoniniai reaktoriai. Jie naudojami energijai gaminti atominėse elektrinėse.
• Branduoliniai reaktoriai, veikiantys kaip branduolinių povandeninių laivų variklis.
• Eksperimentiniai (nešiojami, maži) reaktoriai. Be jų – ne vienas modernus mokslinę patirtį arba tyrimai.

Šiandien mokslinė šviesa išmoko gėlinti specialių reaktorių pagalba jūros vanduo aprūpinti gyventojus kokybiškai geriamas vanduo. Rusijoje yra daug veikiančių branduolinių reaktorių. Taigi, pagal statistiką, 2018 metais valstybėje veikia apie 37 kvartalai.

Ir pagal klasifikaciją jie gali būti tokie:

• Tyrimai (istoriniai). Tai yra F-1 stotis, kuri buvo sukurta kaip eksperimentinė plutonio gamybos vieta. I.V.Kurchatovas dirbo F-1, prižiūrėjo pirmąjį fizinį reaktorių.
• Tyrimas (aktyvus).
• Ginklų salė. Kaip reaktoriaus pavyzdys - A-1, kuris įėjo į istoriją kaip pirmasis reaktorius su aušinimu. Branduolinio reaktoriaus ankstesnė galia yra nedidelė, bet funkcionali.
• Energija.
• Laivas. Yra žinoma, kad laivuose ir povandeniniuose laivuose pagal būtinybę ir technines galimybes naudojami vandeniu aušinami arba skysto metalo reaktoriai.
• Erdvė. Kaip pavyzdį pavadinkime „Yenisei“ instaliaciją erdvėlaivyje, kuri pradeda veikti, jei reikia išgauti papildomą energijos kiekį, ir ją reikės gauti naudojant saulės elementai ir izotopų šaltiniai.

Taigi branduolinių reaktorių tema yra gana išplėsta, todėl jai reikia giliai ištirti ir suprasti kvantinės fizikos dėsnius. Tačiau branduolinių reaktorių svarba energetikos pramonei ir valstybės ekonomikai, be jokios abejonės, jau yra kupina naudingumo ir naudos auros.

Dėl paprastas žmogusšiuolaikiniai aukštųjų technologijų prietaisai yra tokie paslaptingi ir paslaptingi, kad tiesiog dera juos garbinti, kaip senovės žmonės garbino žaibus. Mokyklos pamokos fizikai, kupini matematinių skaičiavimų, problemos neišsprendžia. Bet įdomu papasakoti net apie branduolinį reaktorių, kurio veikimo principas aiškus net paaugliui.

Kaip veikia branduolinis reaktorius?

Šio aukštųjų technologijų įrenginio veikimo principas yra toks:

1. Kai neutronas absorbuojamas, branduolinis kuras (dažniausiai tai uranas-235 arba plutonis-239) vyksta atomo branduolio dalijimasis;
2. Išsiskiria kinetinė energija, gama spinduliuotė ir laisvieji neutronai;
3. Kinetinė energija paverčiama šilumine energija (branduoliams susidūrus su aplinkiniais atomais), gama spinduliuotę sugeria pats reaktorius, taip pat paverčiama šiluma;
4. Dalį susidariusių neutronų sugeria kuro atomai, o tai sukelia grandininę reakciją. Jai valdyti naudojami neutronų absorberiai ir moderatoriai;
5. Aušinimo skysčio (vandens, dujų ar skysto natrio) pagalba pašalinama šiluma iš reakcijos vietos;
6. Garo turbinoms varyti naudojami suslėgti garai iš pašildyto vandens;
7. Generatoriaus pagalba turbinų sukimosi mechaninė energija paverčiama kintama elektros srove.

Klasifikavimo metodai

Reaktorių tipologijos priežastys gali būti daug:

• Pagal branduolinės reakcijos tipą. Dalijimasis (visi komerciniai įrenginiai) arba sintezė (termobranduolinė energija, plačiai paplitusi tik kai kuriuose tyrimų institutuose);
• Pagal aušinimo skystį. Daugeliu atvejų tam naudojamas vanduo (verdantis arba sunkus). Kartais naudojami alternatyvūs tirpalai: skystas metalas (natris, švino ir bismuto lydinys, gyvsidabris), dujos (helis, anglies dioksidas arba azotas), išlydyta druska (fluorido druskos);
• Pagal kartą. Pirmasis yra ankstyvieji prototipai, kurie neturėjo jokios komercinės prasmės. Antroji – dauguma šiuo metu naudojamų atominių elektrinių, pastatytų iki 1996 m. Trečioji karta nuo ankstesnės skiriasi tik nedideliais patobulinimais. Ketvirtosios kartos darbas vis dar vyksta;
• Pagal bendrą būklę kuras (dujos vis dar egzistuoja tik popieriuje);
• Pagal naudojimo paskirtį(elektrai gaminti, variklio užvedimui, vandenilio gamybai, gėlinimui, elementų transmutacijai, nervinei spinduliuotei gauti, teoriniai ir tyrimo tikslai).

Branduolinio reaktoriaus įtaisas

Pagrindiniai reaktorių komponentai daugumoje elektrinių yra:

1. Branduolinis kuras – medžiaga, reikalinga šilumai jėgainėms gaminti (dažniausiai mažai prisodrintas uranas);
2. Branduolinio reaktoriaus aktyvioji zona – čia vyksta branduolinė reakcija;
3. Neutronų moderatorius – sumažina greitųjų neutronų greitį, paversdamas juos šiluminiais neutronais;
4. Pradinis neutronų šaltinis – naudojamas patikimam ir stabiliam branduolinės reakcijos paleidimui;
5. Neutronų sugėriklis – kai kuriose elektrinėse, siekiant sumažinti aukštą šviežio kuro reaktyvumą;
6. Neutroninė haubica – naudojama reakcijai iš naujo inicijuoti išjungus;
7. Aušinimo skystis (išgrynintas vanduo);
8. Valdymo strypai – urano ar plutonio branduolių dalijimosi greičiui reguliuoti;
9. Vandens siurblys - pumpuoja vandenį į garo katilą;
10. Garo turbina – garo šiluminę energiją paverčia sukimosi mechanine energija;
11. Aušinimo bokštas – šilumos pertekliaus pašalinimo į atmosferą įrenginys;
12. Radioaktyviųjų atliekų priėmimo ir saugojimo sistema;
13. Saugos sistemos (avariniai dyzeliniai generatoriai, avarinio šerdies aušinimo įrenginiai).

Kaip veikia naujausi modeliai

Naujausios 4-osios kartos reaktoriai bus pradėti eksploatuoti komerciniais tikslais ne anksčiau kaip 2030 m. Šiuo metu jų darbo principas ir išdėstymas yra kūrimo stadijoje. Remiantis dabartiniais duomenimis, šios modifikacijos skirsis nuo esamų modelių tokiais naudos:

• Greito dujų aušinimo sistema. Manoma, kad helis bus naudojamas kaip aušinimo skystis. Pagal projekto dokumentacija, todėl galima vėsinti 850 °C temperatūros reaktorius. Norint dirbti tokioje aukštoje temperatūroje, reikalingos ir specifinės žaliavos: kompozicinės keraminės medžiagos ir aktinidiniai junginiai;
• Kaip pirminį aušinimo skystį galima naudoti šviną arba švino ir bismuto lydinį. Šios medžiagos turi mažą neutronų sugertį ir yra santykinai žema temperatūra lydymas;
• Taip pat kaip pagrindinis aušinimo skystis gali būti naudojamas išlydytų druskų mišinys. Taigi bus galima dirbti aukštesnėje temperatūroje nei šiuolaikiniai vandeniu aušinami kolegos.

Natūralūs analogai gamtoje

Branduolinis reaktorius suvokiamas kaip visuomenės sąmonė išskirtinai kaip aukštųjų technologijų produktas. Tačiau iš tikrųjų pirmasis prietaisas yra natūralios kilmės. Jis buvo aptiktas Oklo regione, Centrinės Afrikos Gabono valstijoje:

• Reaktorius susidarė dėl urano uolienų užtvindymo požeminis vanduo. Jie veikė kaip neutronų moderatoriai;
• Urano skilimo metu išsiskirianti šiluminė energija vandenį paverčia garais, grandininė reakcija sustoja;
• Aušinimo skysčio temperatūrai nukritus, viskas kartojasi dar kartą;
• Jei skystis nebūtų užviręs ir sustabdęs reakcijos eigą, žmonija būtų susidūrusi su nauja stichine nelaime;
• Savaime išsilaikantis branduolių dalijimasis šiame reaktoriuje prasidėjo maždaug prieš pusantro milijardo metų. Per šį laiką buvo skirta apie 0,1 mln. vatų išėjimo galios;
• Toks pasaulio stebuklas Žemėje yra vienintelis žinomas. Naujų atsiradimas neįmanomas: urano-235 dalis natūraliose žaliavose yra daug mažesnė nei lygis, reikalingas grandininei reakcijai palaikyti.

Kiek branduolinių reaktorių yra Pietų Korėjoje?

Skurdžiai gamtos išteklių, bet pramoninei ir perpildytai Korėjos Respublikai labai reikia energijos. Atsižvelgiant į tai, kad Vokietija atsisako taikaus atomo, ši šalis turi daug vilčių pažaboti branduolines technologijas:

• Planuojama, kad iki 2035 metų atominėse elektrinėse pagaminamos elektros dalis pasieks 60 proc., o bendra produkcija – daugiau nei 40 gigavatų;
• Šalis neturi atominių ginklų, tačiau branduolinės fizikos tyrimai vyksta. Korėjos mokslininkai sukūrė modernių reaktorių konstrukcijas: modulinius, vandenilinius, su skystu metalu ir kt.;
• Vietos mokslininkų sėkmė leidžia parduoti technologijas užsienyje. Tikimasi, kad per artimiausius 15-20 metų šalis eksportuos 80 tokių vienetų;
• Tačiau šiandien dauguma atominių elektrinių buvo pastatytos padedant amerikiečių ar prancūzų mokslininkams;
• Veikiančių stočių yra palyginti nedaug (tik keturios), tačiau kiekvienoje iš jų yra nemažai reaktorių – iš viso po 40, ir šis skaičius augs.

Bombarduojamas neutronais, branduolinis kuras patenka į grandininę reakciją, dėl kurios susidaro didžiulis šilumos kiekis. Sistemoje esantis vanduo paima šią šilumą ir paverčia ją garais, kurie paverčia turbinas, gaminančias elektrą. Štai paprasta atominio reaktoriaus, galingiausio energijos šaltinio Žemėje, veikimo schema.

Vaizdo įrašas: kaip veikia branduoliniai reaktoriai

Šiame vaizdo įraše branduolinės fizikas Vladimiras Čaikinas papasakos, kaip branduoliniuose reaktoriuose generuojama elektra, detalią jų struktūrą:

Siųsti

Kas yra branduolinis reaktorius?

Branduolinis reaktorius, anksčiau žinomas kaip „branduolinis katilas“, yra įrenginys, naudojamas nuolatinei branduolinei grandininei reakcijai inicijuoti ir valdyti. Branduoliniai reaktoriai naudojami atominėse elektrinėse elektros energijai gaminti ir laivų varikliams. Branduolio dalijimosi šiluma perduodama darbiniam skysčiui (vandeniui ar dujoms), kuris perduodamas per garo turbinas. Vanduo ar dujos varo laivo mentes arba suka elektros generatorius. Branduolinės reakcijos metu susidarantys garai iš esmės gali būti naudojami šiluminėje pramonėje arba centralizuotam šildymui. Kai kurie reaktoriai naudojami izotopams gaminti medicinoje ir pramonėje arba ginklams tinkamam plutoniui gaminti. Kai kurie iš jų skirti tik moksliniams tyrimams. Šiandien maždaug 30 pasaulio šalių yra apie 450 atominių elektrinių reaktorių, kurie naudojami elektros gamybai.

Branduolinio reaktoriaus veikimo principas

Kaip įprastos elektrinės gamina elektrą naudodamos šiluminę energiją, išsiskiriančią deginant iškastinį kurą, taip ir branduoliniuose reaktoriuose kontroliuojamo branduolio dalijimosi metu išsiskirianti energija paverčiama šilumine energija, kurią vėliau paverčia mechaninėmis arba elektrinėmis formomis.

Branduolio dalijimosi procesas

Kai daug yrančių atominių branduolių (tokių kaip uranas-235 arba plutonis-239) sugeria neutroną, gali įvykti branduolio skilimo procesas. Sunkusis branduolys skyla į du ar daugiau lengvųjų branduolių (skilimo produktų), išskirdamas kinetinę energiją, gama spindulius ir laisvuosius neutronus. Kai kuriuos iš šių neutronų vėliau gali sugerti kiti skilintys atomai ir sukelti tolesnį dalijimąsi, dėl kurio išsiskiria dar daugiau neutronų ir pan. Šis procesas žinomas kaip branduolinė grandininė reakcija.

Norėdami kontroliuoti tokią branduolinę grandininę reakciją, neutronų absorberiai ir moderatoriai gali pakeisti neutronų, kurie patenka į daugiau branduolių dalijimąsi, proporciją. Branduoliniai reaktoriai valdomi rankiniu būdu arba automatiškai, kad būtų galima sustabdyti skilimo reakciją, kai nustatomos pavojingos situacijos.

Dažniausiai naudojami neutronų srauto reguliatoriai yra paprastas ("lengvasis") vanduo (74,8% reaktorių pasaulyje), kietasis grafitas (20% reaktorių) ir "sunkusis" vanduo (5% reaktorių). Kai kurių eksperimentinių tipų reaktoriuose siūloma naudoti berilį ir angliavandenilius.

Šilumos generavimas branduoliniame reaktoriuje

Reaktoriaus darbo zona šilumą generuoja keliais būdais:

• Skilimo produktų kinetinė energija paverčiama šilumine energija, kai branduoliai susiduria su kaimyniniais atomais.
• Reaktorius sugeria dalį dalijimosi metu susidariusios gama spinduliuotės ir paverčia jos energiją šiluma.
• Šiluma susidaro dėl radioaktyvaus skilimo produktų ir tų medžiagų, kurios buvo paveiktos neutronų absorbcijos, skilimo. Šis šilumos šaltinis kurį laiką išliks nepakitęs, net ir išjungus reaktorių.

Branduolinių reakcijų metu kilogramas urano-235 (U-235) išskiria maždaug tris milijonus kartų daugiau energijos nei įprastai deginamas kilogramas anglies (7,2 × 1013 džaulių vienam kilogramui urano-235, palyginti su 2,4 × 107 džaulių vienam kilogramui anglies). ,

Branduolinio reaktoriaus aušinimo sistema

Branduolinio reaktoriaus aušinimo skystis – dažniausiai vanduo, bet kartais dujos, skystas metalas (pvz., skystas natris) arba išlydyta druska – cirkuliuoja aplink reaktoriaus aktyvią zoną, kad sugertų susidariusią šilumą. Šiluma pašalinama iš reaktoriaus ir naudojama garui generuoti. Daugumoje reaktorių naudojama aušinimo sistema, kuri yra fiziškai izoliuota nuo vandens, kuris verda ir generuoja turbinoms naudojamą garą, panašiai kaip suslėgto vandens reaktorius. Tačiau kai kuriuose reaktoriuose vanduo garo turbinoms verdamas tiesiai reaktoriaus aktyvioje zonoje; pavyzdžiui, suslėgto vandens reaktoriuje.

Neutronų srauto valdymas reaktoriuje

Reaktoriaus išeiga valdoma kontroliuojant neutronų, galinčių sukelti daugiau dalijimosi, skaičių.

Valdymo strypai, pagaminti iš „neutronų nuodų“, naudojami neutronams sugerti. Kuo daugiau neutronų sugeria valdymo strypas, tuo mažiau neutronų gali sukelti tolesnį dalijimąsi. Taigi, panardinus absorbcinius strypus giliai į reaktorių, sumažėja jo išėjimo galia, o priešingai, nuėmus valdymo strypą, ji padidės.

Pirmajame visų branduolinių reaktorių valdymo lygyje uždelsta neutronų emisija iš daugelio neutronais praturtintų dalijimosi izotopų yra svarbus fizinis procesas. Šie uždelsti neutronai sudaro apie 0,65% viso dalijimosi metu susidarančių neutronų, o likusieji (vadinamieji „greitieji neutronai“) susidaro iš karto dalijimosi metu. Skilimo produktų, kurie sudaro uždelstus neutronus, pusinės eliminacijos laikas svyruoja nuo milisekundžių iki kelių minučių, todėl reikia daug laiko tiksliai nustatyti, kada reaktorius pasiekia kritinis taškas. Reaktoriaus palaikymas grandininio reaktyvumo režimu, kai kritinei masei pasiekti reikalingi uždelsti neutronai, pasiekiamas mechaniniais įtaisais arba žmogaus valdymu, siekiant valdyti grandininę reakciją „realiu laiku“; kitu atveju laikas nuo kritinio lygio pasiekimo iki branduolinio reaktoriaus šerdies ištirpimo dėl eksponentinio galios šuolių įprastos branduolinės grandininės reakcijos metu būtų per trumpas, kad būtų galima įsikišti. Tai paskutinis etapas, kai uždelsti neutronai nebereikalingi norint išlaikyti kritiškumą, yra žinomas kaip greitas kritiškumas. Yra skalė kritiškumui apibūdinti skaitine forma, kurioje pradinis kritiškumas žymimas terminu „nulis dolerių“, greitasis kritinis taškas – „vienas doleris“, kiti proceso taškai interpoliuojami „centais“.

Kai kuriuose reaktoriuose aušinimo skystis taip pat veikia kaip neutronų reguliatorius. Moderatorius padidina reaktoriaus galią, todėl greitieji neutronai, kurie išsiskiria dalijimosi metu, praranda energiją ir tampa šiluminiais neutronais. Šiluminiai neutronai labiau nei greitieji neutronai sukelia dalijimąsi. Jei aušinimo skystis taip pat yra neutronų moderatorius, tada temperatūros pokyčiai gali turėti įtakos aušinimo skysčio / reguliatoriaus tankiui, taigi ir reaktoriaus galios pokyčiui. Kuo aukštesnė aušinimo skysčio temperatūra, tuo jis bus mažiau tankus, taigi ir mažiau efektyvus moderatorius.

Kitų tipų reaktoriuose aušinimo skystis veikia kaip „neutronų nuodas“, sugeriantis neutronus taip pat, kaip ir valdymo strypai. Šiuose reaktoriuose galia gali būti padidinta kaitinant aušinimo skystį, todėl jis tampa mažiau tankus. Branduoliniuose reaktoriuose paprastai yra automatinės ir rankinės sistemos, skirtos reaktoriui išjungti avariniam išjungimui. Šios sistemos į reaktorių įdeda daug „neutroninių nuodų“ (dažnai boro boro rūgšties pavidalu), kad sustabdytų dalijimosi procesą, jei aptinkamos arba įtariamos pavojingos sąlygos.

Dauguma reaktorių tipų yra jautrūs procesui, žinomam kaip „ksenono duobė“ arba „jodo duobė“. Įprastas dalijimosi produktas ksenonas-135 veikia kaip neutronų absorberis, kuriuo siekiama išjungti reaktorių. Ksenono-135 kaupimąsi galima kontroliuoti išlaikant pakankamai aukštą galios lygį, kad jis būtų sunaikinti absorbuojant neutronus taip greitai, kaip jis susidaro. Dalijimasis taip pat lemia jodo-135 susidarymą, kuris savo ruožtu skyla (pusinės eliminacijos laikas yra 6,57 valandos), sudarydamas ksenoną-135. Kai reaktorius išjungiamas, jodas-135 toliau skyla, sudarydamas ksenoną-135, todėl per dieną ar dvi sunkiau paleisti reaktorių, nes ksenonas-135 skyla ir susidaro cezis-135, kuris nėra toks kaip neutronų absorberis. ksenonas-135. 135, pusinės eliminacijos laikas 9,2 val. Ši laikina būsena yra „jodo duobė“. Jei reaktorius turi pakankamai papildomos galios, jį galima paleisti iš naujo. Daugiau ksenono-135 pavirs į ksenoną-136, kuris yra mažesnis už neutronų absorberį, ir po kelių valandų reaktorius patiria vadinamąją „ksenono degimo stadiją“. Be to, į reaktorių turi būti įkišti valdymo strypai, siekiant kompensuoti neutronų sugertį, kad būtų pakeistas prarastas ksenonas-135. Šios tvarkos nesilaikymas buvo pagrindinė avarijos Černobylio atominėje elektrinėje priežastis.

Jūrų branduoliniuose įrenginiuose (ypač branduoliniuose povandeniniuose laivuose) naudojamų reaktorių dažnai negalima paleisti nepertraukiamo maitinimo režimu, kaip ir antžeminių galios reaktorių. Be to, tokios elektrinės turi veikti ilgą laiką, nekeičiant kuro. Dėl šios priežasties daugelyje konstrukcijų naudojamas labai prisodrintas uranas, tačiau kuro strypuose yra deginamasis neutronų absorberis. Tai leidžia suprojektuoti reaktorių su skiliosios medžiagos pertekliumi, kuris yra gana saugus reaktoriaus kuro ciklo degimo pradžioje dėl neutronus sugeriančios medžiagos, kuri vėliau pakeičiama įprastais ilgaamžiais neutronų absorberiais. (patvaresni už ksenoną-135), kurie palaipsniui kaupiasi per reaktoriaus eksploatavimo laiką.kuras.

Kaip gaminama elektra?

Dalijimosi metu susidaranti energija gamina šilumą, kurios dalis gali būti paversta naudinga energija. Bendras metodasŠi šiluminė energija naudojama vandeniui virti ir suslėgtam garui gaminti, o tai savo ruožtu varo garo turbiną, kuri varo generatorių ir gamina elektros energiją.

Pirmųjų reaktorių atsiradimo istorija

Neutronai buvo atrasti 1932 m. Grandininės reakcijos, kurią sukelia branduolinės reakcijos dėl neutronų poveikio, schemą pirmą kartą atliko vengrų mokslininkas Leo Sillardas 1933 m. Per ateinančius metus Londono Admiralitete jis kreipėsi dėl patento savo paprastai reaktoriaus idėjai. Tačiau Szilardo idėja neįtraukė branduolio dalijimosi teorijos kaip neutronų šaltinio, nes šis procesas dar nebuvo atrastas. Szilardo idėjos dėl branduolinių reaktorių, naudojančių neutronų sukeltą branduolinę grandininę reakciją lengvuose elementuose, pasirodė neįgyvendinamos.

Paskata sukurti naujo tipo reaktorių, naudojantį uraną, buvo Lise Meitner, Fritz Strassmann ir Otto Hahn atradimas 1938 m., kurie „bombardavo“ uraną neutronais (naudojant berilio alfa skilimo reakciją, „neutronų pistoletą“). sudaryti barį, kuris, kaip jie manė, atsirado dėl urano branduolių skilimo. Vėlesni 1939 m. pradžioje atlikti tyrimai (Szilardas ir Fermis) parodė, kad kai kurie neutronai taip pat susidarė atomo dalijimosi metu, ir tai leido atlikti branduolinę grandininę reakciją, kaip buvo numatęs Szilardas prieš šešerius metus.

1939 m. rugpjūčio 2 d. Albertas Einšteinas pasirašė Szilardo laišką prezidentui Franklinui D. Rooseveltui, kuriame teigiama, kad urano skilimo atradimas gali lemti „itin galingų naujų tipų bombų“ sukūrimą. Tai davė impulsą reaktorių ir radioaktyvaus skilimo tyrimams. Szilardas ir Einšteinas gerai pažinojo vienas kitą ir dirbo kartu daug metų, tačiau Einšteinas niekada negalvojo apie tokią galimybę branduolinei energijai, kol pačioje savo ieškojimo pradžioje Szilardas nepasakė jam parašyti Einšteino ir Szilardo laiško, kad įspėtų mus vyriausybę.

Netrukus po to, 1939 m., nacistinė Vokietija užpuolė Lenkiją ir Europoje prasidėjo Antrasis pasaulinis karas. Oficialiai JAV dar nekariavo, tačiau spalį, kai buvo įteiktas Einšteino-Szilardo laiškas, Rooseveltas pažymėjo, kad tyrimo tikslas buvo užtikrinti, kad „naciai mūsų nesprogdintų“. JAV branduolinis projektas prasidėjo, nors ir šiek tiek vėluodamas, nes išliko skepticizmas (ypač iš Fermi) ir dėl nedidelio skaičiaus vyriausybės pareigūnų, kurie iš pradžių prižiūrėjo projektą.

Kitais metais JAV vyriausybė iš Didžiosios Britanijos gavo Frisch-Peierls memorandumą, kuriame teigiama, kad grandininei reakcijai atlikti reikia daug mažesnio urano kiekio, nei manyta anksčiau. Memorandumas buvo sukurtas dalyvaujant Maud Commity, dirbusiam prie atominės bombos projekto JK, vėliau žinomo kodiniu pavadinimu „Tube Alloys“ (Vamzdžių lydiniai) ir vėliau įtrauktam į Manheteno projektą.

Galiausiai pirmasis žmogaus sukurtas branduolinis reaktorius, vadinamas Chicago Woodpile 1, buvo pastatytas Čikagos universitete 1942 m. pabaigoje Enrico Fermi vadovaujamos komandos. Iki to laiko JAV branduolinė programa jau buvo paspartinta šaliai įstojus į karas. „Chicago Woodpile“ kritinį tašką pasiekė 1942 m. gruodžio 2 d., 15 valandą 25 minutes. Reaktoriaus karkasas buvo medinis, jame buvo grafito blokų šūsnis (taigi ir pavadinimas) su įdėtais natūralaus urano oksido „briketais“ arba „pseudosferomis“.

Nuo 1943 m., netrukus po Čikagos Woodpile sukūrimo, JAV kariuomenė Manheteno projektui sukūrė visą seriją branduolinių reaktorių. Pagrindinis didžiausių reaktorių (esančių Hanfordo komplekse Vašingtono valstijoje) tikslas buvo masinė plutonio gamyba branduoliniams ginklams. 1944 m. gruodžio 19 d. Fermi ir Szilardas pateikė patento paraišką reaktoriams. Jo išdavimas buvo atidėtas 10 metų dėl karo laikų slaptumo.

„Pirmasis pasaulyje“ – toks užrašas buvo padarytas EBR-I reaktoriaus vietoje, kuri dabar yra muziejus netoli Arco miesto, Aidaho valstijoje. Iš pradžių pavadintas „Chicago Woodpile-4“, šis reaktorius buvo pastatytas vadovaujant Walteriui Zinnui Aregono nacionalinei laboratorijai. Šis eksperimentinis greitojo reduktoriaus reaktorius buvo JAV atominės energijos komisijos žinioje. 1951 m. gruodžio 20 d. bandymų metu reaktorius pagamino 0,8 kW galios, o kitą dieną – 100 kW galios (elektros), o projektinė galia – 200 kW (elektros galia).

Be branduolinių reaktorių karinio naudojimo, buvo ir politinių priežasčių tęsti atominės energijos tyrimus taikiems tikslams. JAV prezidentas Dwightas Eisenhoweris padarė savo garsioji kalba„Atomai taikai“ JT Generalinėje Asamblėjoje 1953 m. gruodžio 8 d. Šis diplomatinis žingsnis paskatino reaktorių technologijų plitimą tiek JAV, tiek visame pasaulyje.

Pirmoji atominė elektrinė, pastatyta civiliniams tikslams, buvo AM-1 atominė elektrinė Obninske, Sovietų Sąjungoje paleista 1954 m. birželio 27 d. Jis pagamino apie 5 MW elektros energijos.

Po Antrojo pasaulinio karo JAV kariuomenė ieškojo kitų branduolinių reaktorių technologijų pritaikymo būdų. Kariuomenėje ir oro pajėgose atlikti tyrimai nebuvo įgyvendinti; Tačiau JAV kariniam jūrų laivynui 1955 m. sausio 17 d. pavyko paleisti branduolinį povandeninį laivą USS Nautilus (SSN-571).

Pirmoji komercinė atominė elektrinė (Calder Hall Sellafield mieste, Anglijoje) atidaryta 1956 m., jos pradinė galia 50 MW (vėliau 200 MW).

Pirmasis nešiojamasis branduolinis reaktorius „Alco PM-2A“ nuo 1960 metų naudojamas elektrai (2 MW) gaminti JAV karinei bazei „Camp Century“.

Pagrindiniai atominės elektrinės komponentai

Pagrindiniai daugelio tipų atominių elektrinių komponentai yra:

Branduolinio reaktoriaus elementai

• Branduolinis kuras (branduolinio reaktoriaus aktyvioji zona; neutronų moderatorius)
• Pradinis neutronų šaltinis
• Neutronų absorberis
• Neutronų pistoletas (suteikia nuolatinį neutronų šaltinį, kad iš naujo inicijuotų reakciją išjungus)
• Aušinimo sistema (dažnai neutronų moderatorius ir aušinimo skystis yra tas pats, dažniausiai išgrynintas vanduo)
• valdymo strypai
• Branduolinio reaktoriaus indas (NRC)

Katilo vandens siurblys

• Garo generatoriai (ne verdančio vandens reaktoriuose)
• Garo turbina
• Elektros generatorius
• Kondensatorius
• Aušinimo bokštas (ne visada reikalingas)
• Radioaktyviųjų atliekų apdorojimo sistema (Radioaktyviųjų atliekų laidojimo gamyklos dalis)
• Branduolinio kuro perkrovimo aikštelė
• Panaudoto kuro baseinas

Radiacinės saugos sistema

• Rektoriaus apsaugos sistema (SZR)
• Avariniai dyzeliniai generatoriai
• Reaktoriaus šerdies avarinio aušinimo sistema (ECCS)
• Avarinio skysčio valdymo sistema (avarinis boro įpurškimas, tik verdančio vandens reaktoriuose)
• Paslaugų vandens tiekimo sistema atsakingiems vartotojams (SOTVOP)

Apsauginis apvalkalas

• Nuotolinio valdymo pultas
• Avarinis montavimas
• Branduolinio mokymo kompleksas (paprastai yra valdymo pulto modeliavimas)

Branduolinių reaktorių klasifikacijos

Branduolinių reaktorių tipai

Branduoliniai reaktoriai klasifikuojami keliais būdais; santraukašie klasifikavimo metodai pateikti žemiau.

Branduolinių reaktorių klasifikacija pagal moderatoriaus tipą

Naudoti šiluminiai reaktoriai:

• Grafito reaktoriai
  
• Slėginio vandens reaktoriai
• Sunkiojo vandens reaktoriai(naudojama Kanadoje, Indijoje, Argentinoje, Kinijoje, Pakistane, Rumunijoje ir Pietų Korėjoje).
• Lengvojo vandens reaktoriai(LVR). Lengvojo vandens reaktoriuose (labiausiai paplitęs šiluminių reaktorių tipas) reaktoriams valdyti ir vėsinti naudojamas paprastas vanduo. Jei vandens temperatūra pakyla, jo tankis mažėja, todėl neutronų srautas sulėtėja tiek, kad sukeltų tolesnes grandinines reakcijas. Šis neigiamas grįžtamasis ryšys stabilizuoja branduolinės reakcijos greitį. Grafito ir sunkaus vandens reaktoriai įkaista intensyviau nei lengvojo vandens reaktoriai. Dėl papildomo karščio tokie reaktoriai gali naudoti natūralų uraną/neprisodrintą kurą.
• Reaktoriai, pagrįsti lengvųjų elementų moderatoriais.
• Išlydytos druskos moderuoti reaktoriai(MSR) yra kontroliuojami dėl lengvų elementų, tokių kaip ličio arba berilio, kurie yra LiF ir BEF2 aušinimo skysčio / kuro matricos druskų dalis.
• Reaktoriai su skysto metalo aušintuvais, kur aušinimo skystis yra švino ir bismuto mišinys, neutronų absorberyje gali naudoti BeO oksidą.
• Reaktoriai, kurių pagrindą sudaro organinis moderatorius(OMR) naudoja difenilą ir terfenilą kaip moderatorių ir aušinimo skysčio komponentus.

Branduolinių reaktorių klasifikavimas pagal aušinimo skysčio tipą

• Vandeniu aušinamas reaktorius. Jungtinėse Valstijose veikia 104 reaktoriai. Iš jų 69 yra suslėgto vandens reaktoriai (PWR), o 35 - verdančio vandens reaktoriai (BWR). Slėginio vandens branduoliniai reaktoriai (PWR) sudaro didžiąją dalį visų Vakarų atominių elektrinių. Pagrindinė RVD tipo savybė yra kompresoriaus, specialaus aukšto slėgio indo, buvimas. Daugumoje komercinių aukšto slėgio reaktorių ir jūrų reaktorių gamyklų naudojami kompresoriai. Įprasto veikimo metu pūstuvas iš dalies užpildomas vandeniu ir virš jo palaikomas garų burbulas, kuris susidaro kaitinant vandenį panardinamaisiais šildytuvais. Įprastu režimu kompresorius yra prijungtas prie reaktoriaus slėginio indo (HRV), o slėgio kompensatorius suteikia ertmę, jei pasikeičia vandens tūris reaktoriuje. Tokia schema taip pat leidžia valdyti slėgį reaktoriuje, padidinant arba sumažinant garo slėgį kompensatoriuje naudojant šildytuvus.

• Aukšto slėgio sunkiojo vandens reaktoriai priklauso įvairiems suslėgto vandens reaktoriams (PWR), apjungiantiems slėgio naudojimo principus, izoliuotą šiluminį ciklą, darant prielaidą, kad sunkusis vanduo naudojamas kaip aušinimo skystis ir moderatorius, o tai yra ekonomiškai naudinga.
• verdančio vandens reaktorius(BWR). Verdančio vandens reaktorių modeliams būdingas verdančio vandens buvimas aplink kuro strypus pagrindinio reaktoriaus indo apačioje. Verdančio vandens reaktoriuje kaip kuras naudojamas prisodrintas 235U urano dioksido pavidalu. Kuras yra išdėstytas strypuose, įdėtuose į plieninį indą, kuris savo ruožtu panardinamas į vandenį. Branduolio dalijimosi procesas sukelia vandens virimą ir garų susidarymą. Šis garas eina per vamzdynus turbinose. Turbinos yra varomos garais, o šis procesas gamina elektros energiją. Įprasto veikimo metu slėgis reguliuojamas garų kiekiu, patenkančiu iš reaktoriaus slėginio indo į turbiną.
• Baseino tipo reaktorius
• Reaktorius su skystu metaliniu aušinimo skysčiu. Kadangi vanduo yra neutronų moderatorius, jis negali būti naudojamas kaip aušinimo skystis greitųjų neutronų reaktoriuje. Skystieji metaliniai aušinimo skysčiai yra natris, NaK, švinas, švino-bismuto eutektika, o ankstyvosios kartos reaktoriuose – gyvsidabris.
• Greitųjų neutronų reaktorius su natrio aušinimo skysčiu.
• Reaktorius ant greitųjų neutronų su švino aušinimo skysčiu.
• Dujomis aušinami reaktoriai Aušinamos cirkuliuojančiomis inertinėmis dujomis, kurios yra sukurtos su heliu aukštos temperatūros struktūrose. Tuo pačiu metu anglies dioksidas anksčiau buvo naudojamas Didžiosios Britanijos ir Prancūzijos atominėse elektrinėse. Taip pat buvo naudojamas azotas. Šilumos naudojimas priklauso nuo reaktoriaus tipo. Kai kurie reaktoriai yra tokie karšti, kad dujos gali tiesiogiai varyti dujų turbiną. Senesnėse reaktorių konstrukcijose dujos paprastai buvo praleidžiamos per šilumokaitį, kad būtų sukurtas garas garo turbinai.
• Išlydytos druskos reaktoriai(MSR) aušinami cirkuliuojant išlydyta druska (dažniausiai eutektiniai fluorido druskų mišiniai, tokie kaip FLiBe). Įprastoje MSR aušinimo skystis taip pat naudojamas kaip matrica, kurioje ištirpinama skilioji medžiaga.

Branduolinių reaktorių kartos

• Pirmos kartos reaktorius(ankstyvieji prototipai, tyrimų reaktoriai, nekomerciniai galios reaktoriai)
• Antros kartos reaktorius(šiuolaikinės atominės elektrinės 1965-1996 m.)
• Trečiosios kartos reaktorius(evoliuciniai esamų dizainų patobulinimai nuo 1996 m. iki dabar)
• ketvirtos kartos reaktorius(technologijos vis dar kuriamos, pradžios data nežinoma, galbūt 2030 m.)

2003 m. Prancūzijos atominės energijos komisariatas (CEA) pirmą kartą pristatė pavadinimą „Gen II“ per savo Nukleonikos savaitę.

Pirmą kartą „Gen III“ paminėta 2000 m., kai prasidėjo IV kartos tarptautinis forumas (GIF).

„Gen IV“ 2000 m. paminėjo Jungtinių Valstijų Energetikos departamentas (DOE), kurdamas naujų tipų jėgaines.

Branduolinių reaktorių klasifikacija pagal kuro rūšį

• Kietojo kuro reaktorius
• skystojo kuro reaktorius
• Homogeninis vandeniu aušinamas reaktorius
• Išlydytos druskos reaktorius
• Dujiniai reaktoriai (teoriškai)

Branduolinių reaktorių klasifikacija pagal paskirtį

• Elektros gamyba
• Atominės elektrinės, įskaitant mažus kasetinius reaktorius
• Savaeigiai įrenginiai (žr. atomines elektrines)
• Branduoliniai įrenginiai jūroje
• Įvairūs siūlomi raketų variklių tipai
• Kiti šilumos panaudojimo būdai
• Gėlinimas
• Šilumos gamyba buitiniam ir pramoniniam šildymui
• Vandenilio gamyba, skirta naudoti vandenilio energetikoje
• Gamybos reaktoriai elementų konversijai
• Veisliniai reaktoriai, galintys pagaminti daugiau skiliųjų medžiagų, nei sunaudoja grandininės reakcijos metu (paverčiant pirminius izotopus U-238 į Pu-239 arba Th-232 į U-233). Taigi, atlikus vieną ciklą, urano selekcinis reaktorius gali būti pakartotinai papildytas natūraliu ar net nusodrintu uranu. Savo ruožtu torio reduktoriaus reaktorius gali būti papildytas toriu. Tačiau reikia pradinio skiliųjų medžiagų tiekimo.
• Įvairių radioaktyviųjų izotopų, tokių kaip americis, skirtas naudoti dūmų detektoriuose, ir kobalto-60, molibdeno-99 ir kitų, naudojamų kaip atsekamoji medžiaga ir gydymui, kūrimas.
• Branduoliniams ginklams skirtų medžiagų, tokių kaip ginklams tinkamo plutonio, gamyba
• Neutroninės spinduliuotės šaltinio (pavyzdžiui, Lady Godiva impulsinio reaktoriaus) ir pozitroninės spinduliuotės šaltinio sukūrimas (pavyzdžiui, neutronų aktyvacijos analizė ir kalio-argono datavimas)
• Tyrimų reaktorius: Paprastai reaktoriai naudojami moksliniams tyrimams ir mokymui, medžiagų bandymams arba radioizotopų gamybai medicinai ir pramonei. Jie yra daug mažesni nei galios reaktoriai ar laiviniai reaktoriai. Daugelis šių reaktorių yra universitetų miesteliuose. 56 šalyse veikia apie 280 tokių reaktorių. Kai kurie iš jų veikia su labai prisodrintu urano kuru. Dedamos tarptautinės pastangos pakeisti mažai prisodrintą kurą.

Šiuolaikiniai branduoliniai reaktoriai

Suslėgto vandens reaktoriai (PWR)

Šiuose reaktoriuose naudojamas slėginis indas branduoliniam kurui, valdymo strypams, moderatoriui ir aušinimo skysčiui laikyti. Reaktoriai aušinami, o neutronai reguliuojami aukšto slėgio skystu vandeniu. Karštas radioaktyvus vanduo, išeinantis iš slėginio indo, praeina per garo generatoriaus grandinę, kuri savo ruožtu šildo antrinę (neradioaktyviąją) grandinę. Šie reaktoriai sudaro daugumą šiuolaikinių reaktorių. Tai neutroninio reaktoriaus šildymo projektavimo įrenginys, iš kurių naujausi yra VVER-1200, pažangus suslėgto vandens reaktorius ir Europos slėgio vandens reaktorius. Tokio tipo yra JAV karinio jūrų laivyno reaktoriai.

Verdančio vandens reaktoriai (BWR)

Verdančio vandens reaktoriai yra panašūs į suslėgto vandens reaktorius be garo generatoriaus. Verdančio vandens reaktoriuose vanduo taip pat naudojamas kaip aušinimo skystis ir neutronų moderatorius kaip suslėgto vandens reaktoriai, tačiau mažesniu slėgiu, todėl vanduo gali užvirti katilo viduje, sukuriant garą, kuris suka turbinas. Skirtingai nuo slėginio vandens reaktoriaus, čia nėra pirminės ir antrinės grandinės. Šių reaktorių šildymo galia gali būti didesnė, jie gali būti ir paprastesnės konstrukcijos, ir dar stabilesni bei saugesni. Tai terminio neutroninio reaktoriaus įrenginys, iš kurių naujausi yra pažangus verdančio vandens reaktorius ir ekonomiškas supaprastinto verdančio vandens branduolinis reaktorius.

Suslėgtas sunkiojo vandens moderuotas reaktorius (PHWR)

Kanados dizainas (žinomas kaip CANDU), tai yra slėginiai sunkiojo vandens moderuojami reaktoriai. Užuot naudoję vieną slėginį indą, kaip suslėgto vandens reaktoriuose, kuras yra šimtuose aukšto slėgio kanalų. Šie reaktoriai veikia su natūraliu uranu ir yra terminiai neutroniniai reaktoriai. Sunkiojo vandens reaktoriuose galima papildyti degalus, kai jie veikia pilna jėga, todėl jie yra labai veiksmingi naudojant uraną (tai leidžia tiksliai valdyti srautą šerdyje). Sunkiojo vandens CANDU reaktoriai buvo pastatyti Kanadoje, Argentinoje, Kinijoje, Indijoje, Pakistane, Rumunijoje ir Pietų Korėjoje. Indija taip pat eksploatuoja daugybę sunkiojo vandens reaktorių, dažnai vadinamų „CANDU dariniais“, pastatytų Kanados vyriausybei nutraukus branduolinius santykius su Indija po „Bešypsančio Budos“ branduolinio ginklo bandymo 1974 m.

Didelės galios kanalinis reaktorius (RBMK)

Sovietinė plėtra, skirta plutoniui, taip pat elektrai gaminti. RBMK naudoja vandenį kaip aušinimo skystį, o grafitą – kaip neutronų moderatorių. RBMK tam tikrais atžvilgiais yra panašūs į CANDU, nes juos galima įkrauti eksploatacijos metu ir naudoti slėginius vamzdelius, o ne slėginį indą (kaip tai daroma suslėgto vandens reaktoriuose). Tačiau, skirtingai nei CANDU, jie yra labai nestabilūs ir nepatogūs, todėl reaktoriaus dangtelis yra brangus. Taip pat buvo nustatyta keletas esminių saugos trūkumų RBMK projektuose, nors kai kurie iš šių trūkumų buvo ištaisyti po Černobylio katastrofos. Pagrindinis jų bruožas yra lengvo vandens ir neprisodrinto urano naudojimas. 2010 m. 11 reaktorių tebėra atviri, daugiausia dėl pagerėjusios saugos ir tarptautinių saugos organizacijų, pvz., JAV Energetikos departamento, paramos. Nepaisant šių patobulinimų, RBMK reaktoriai vis dar laikomi vienu pavojingiausių naudojamų reaktorių konstrukcijų. RBMK reaktoriai buvo naudojami tik buvusioje Sovietų Sąjungoje.

Dujomis aušinamas reaktorius (GCR) ir pažangus dujomis aušinamas reaktorius (AGR)

Paprastai jie naudoja grafito neutronų moderatorių ir CO2 aušintuvą. Dėl aukštos darbinės temperatūros jie gali turėti didesnį šilumos gamybos efektyvumą nei suslėgto vandens reaktoriai. Yra daug tokio dizaino veikiančių reaktorių, daugiausia Jungtinėje Karalystėje, kur koncepcija buvo sukurta. Senesnės statybos (ty Magnox stotys) yra arba uždarytos, arba bus uždarytos artimiausiu metu. Tačiau patobulintų dujomis aušinamų reaktorių numatomas eksploatavimo laikas yra dar 10–20 metų. Šio tipo reaktoriai yra terminiai neutroniniai reaktoriai. Piniginės tokių reaktorių eksploatavimo nutraukimo išlaidos gali būti didelės dėl didelio aktyviosios zonos tūrio.

Greitas Breeder Reactor (LMFBR)

Šio reaktoriaus konstrukcija aušinama skystu metalu, be moderatoriaus ir pagamina daugiau kuro nei sunaudoja. Teigiama, kad jie „veisina“ kurą, nes neutronų gaudymo metu gamina skiliąjį kurą. Tokie reaktoriai pagal efektyvumą gali veikti taip pat, kaip ir suslėgto vandens reaktoriai, jiems reikia kompensuoti padidėjusį slėgį, nes naudojamas skystas metalas, kuris nesukuria perteklinio slėgio net esant labai aukštai temperatūrai. BN-350 ir BN-600 SSRS ir Superphoenix Prancūzijoje buvo tokio tipo reaktoriai, kaip ir Fermi I JAV. Monju reaktorius Japonijoje, sugadintas dėl natrio nuotėkio 1995 m., atnaujintas 2010 m. gegužės mėn. Visuose šiuose reaktoriuose naudojamas/naudojamas skystas natris. Šie reaktoriai yra greitųjų neutronų reaktoriai ir nepriklauso šiluminiams neutroniniams reaktoriams. Šie reaktoriai yra dviejų tipų:

švinu aušinamas

Švino, kaip skysto metalo, naudojimas puikiai apsaugo nuo spinduliuotės ir leidžia dirbti esant labai aukštai temperatūrai. Be to, švinas (dažniausiai) yra skaidrus neutronams, todėl aušinimo skysčiui prarandama mažiau neutronų ir aušinimo skystis netampa radioaktyvus. Skirtingai nuo natrio, švinas paprastai yra inertiškas, todėl yra mažesnė sprogimo ar nelaimingo atsitikimo rizika, tačiau toks didelis švino kiekis gali sukelti toksiškumą ir atliekų šalinimo problemų. Dažnai tokio tipo reaktoriuose gali būti naudojami švino ir bismuto eutektiniai mišiniai. Šiuo atveju bismutas šiek tiek trukdys spinduliuotei, nes jis nėra visiškai skaidrus neutronams ir gali lengviau virsti kitu izotopu nei švinas. Rusijos alfa klasės povandeninis laivas naudoja švinu bismutu aušinamą greitųjų neutronų reaktorių kaip pagrindinę energijos gamybos sistemą.

natriu atšaldytas

Dauguma skystųjų metalų dauginimo reaktorių (LMFBR) yra tokio tipo. Natrio gana lengva gauti ir su juo lengva dirbti, be to, jis padeda išvengti įvairių į jį panardintų reaktoriaus dalių korozijos. Tačiau natris smarkiai reaguoja sąlytyje su vandeniu, todėl reikia būti atsargiems, nors tokie sprogimai nebus daug galingesni už, pavyzdžiui, perkaitinto skysčio nutekėjimą iš SCWR ar RWD. EBR-I yra pirmasis tokio tipo reaktorius, kurio šerdį sudaro lydalas.

Rutulinis reaktorius (PBR)

Jie naudoja kurą, supresuotą į keraminius rutuliukus, kuriuose per rutulius cirkuliuoja dujos. Dėl to jie yra efektyvūs, nepretenzingi, labai saugūs reaktoriai su nebrangiu standartizuotu kuru. Prototipas buvo AVR reaktorius.

Išlydytos druskos reaktoriai

Juose kuras ištirpinamas fluoro druskose arba fluoridai naudojami kaip aušinimo skystis. Jų įvairios apsaugos sistemos, didelis efektyvumas ir didelis energijos tankis tinka transporto priemonėms. Pažymėtina, kad jų šerdyje nėra dalių, kurias būtų veikiamas didelis slėgis, arba degių komponentų. Prototipas buvo MSRE reaktorius, kuriame taip pat buvo naudojamas torio kuro ciklas. Kaip generuojantis reaktorius, jis perdirba panaudotą kurą, atgauna ir uraną, ir transurano elementus, palikdamas tik 0,1 % transurano atliekų, palyginti su šiuo metu veikiančiais įprastiniais vienkartinio urano lengvojo vandens reaktoriais. Atskira problema yra radioaktyvieji skilimo produktai, kurie nėra perdirbami ir turi būti šalinami įprastuose reaktoriuose.

Vandeninis homogeninis reaktorius (AHR)

Šie reaktoriai naudoja kurą tirpių druskų pavidalu, kurios ištirpinamos vandenyje ir sumaišomos su aušinimo skysčiu ir neutronų stabdikliu.

Inovatyvios branduolinės sistemos ir projektai

pažangūs reaktoriai

Daugiau nei dešimt pažangių reaktorių projektų yra įvairiuose kūrimo etapuose. Kai kurie iš jų išsivystė iš RWD, BWR ir PHWR konstrukcijų, kai kurie skiriasi žymiai. Pirmieji apima pažangųjį verdančio vandens reaktorių (ABWR) (du iš jų šiuo metu veikia, o kiti statomi), taip pat planuojamus ekonominius supaprastintos pasyvios saugos verdančio vandens reaktorius (ESBWR) ir AP1000 įrenginius (žr. toliau). Branduolinės energijos programa 2010).

Integruotas greitųjų neutronų branduolinis reaktorius(IFR) buvo pastatytas, išbandytas ir išbandytas devintajame dešimtmetyje, o po to, kai 1990-aisiais dėl branduolinio ginklo neplatinimo politikos atsistatydino Clinton administracija, jis buvo nutrauktas. Panaudoto branduolinio kuro perdirbimas yra jo projekto esmė, todėl jame susidaro tik dalis veikiančių reaktorių atliekų.

Modulinis aukštos temperatūros dujomis aušinamas reaktorius reaktorius (HTGCR) suprojektuotas taip, kad aukšta temperatūra sumažintų galią dėl Doplerio išplėtimo neutronų pluošto skerspjūvyje. Reaktorius naudoja keraminį kurą, todėl jo saugios darbo temperatūros viršija nuvertėjimo temperatūrų diapazoną. Dauguma konstrukcijų vėsinamos inertiniu heliu. Helis negali sukelti sprogimo dėl garų plėtimosi, nesugeria neutronų, kurie sukeltų radioaktyvumą, ir netirpdo teršalų, kurie galėtų būti radioaktyvūs. Tipiškos konstrukcijos susideda iš daugiau pasyviosios apsaugos sluoksnių (iki 7) nei lengvojo vandens reaktoriuose (paprastai 3). Unikali savybė, galinti užtikrinti saugumą, yra ta, kad kuro rutuliukai iš tikrųjų sudaro šerdį ir laikui bėgant pakeičiami po vieną. Dėl kuro elementų konstrukcijos ypatumų juos perdirbti brangu.

Mažas, uždaras, mobilus, autonominis reaktorius (SSTAR) iš pradžių buvo išbandytas ir sukurtas JAV. Reaktorius buvo sumanytas kaip greitųjų neutronų reaktorius su pasyviąja apsaugos sistema, kurią būtų galima išjungti nuotoliniu būdu, jei kiltų įtarimas dėl gedimo.

Švarus ir draugiškas aplinkai pažangus reaktorius (CAESAR) yra branduolinio reaktoriaus, kuris naudoja garą kaip neutronų moderatorių, koncepcija – šis dizainas vis dar kuriamas.

Reduced Water Moderated Reactor yra pagrįstas šiuo metu veikiančiu pažangiu verdančio vandens reaktoriumi (ABWR). Tai nėra greitųjų neutronų reaktorius, o daugiausia naudoja epiterminius neutronus, kurių greitis yra tarpinis tarp terminio ir greito.

Savireguliuojantis branduolinės energijos modulis su vandenilio moderatoriumi (HPM) yra Los Alamos nacionalinės laboratorijos išleistas projektinis reaktorius, kuriame kaip kuras naudojamas urano hidridas.

Subkritiniai branduoliniai reaktoriai suprojektuoti kaip saugesni ir stabilesni, tačiau sudėtingi inžineriniu ir ekonominiu požiūriu. Vienas iš pavyzdžių yra "Energijos stiprintuvas".

Torio pagrindu pagaminti reaktoriai. Torį-232 galima konvertuoti į U-233 specialiai tam skirtuose reaktoriuose. Tokiu būdu iš torio, kuris yra keturis kartus dažniau nei uranas, galima gaminti branduolinį kurą U-233 pagrindu. Manoma, kad U-233 turi palankių branduolinių savybių, palyginti su įprastu U-235 geriausi šansai naudingas neutronų panaudojimas ir susidarančių ilgaamžių transurano atliekų kiekio mažinimas.

Pažangus sunkiojo vandens reaktorius (AHWR)- siūlomas sunkiojo vandens reaktorius, kuris reprezentuos plėtrą Kita karta PHWR tipas. Kuriama Bhabha branduolinių tyrimų centre (BARC), Indija.

KAMINI- unikalus reaktorius, kuriame kaip kuras naudojamas urano-233 izotopas. Pastatytas Indijoje BARC tyrimų centre ir Indira Gandhi branduolinių tyrimų centre (IGCAR).

Indija taip pat planuoja statyti greitųjų neutronų reaktorius, naudojant torio-urano-233 kuro ciklą. FBTR (greitųjų neutronų reaktorius) (Kalpakkam, Indija) eksploatacijos metu naudoja plutonį kaip kurą, o skystą natrį – kaip aušinimo skystį.

Kas yra ketvirtos kartos reaktoriai

Ketvirtosios kartos reaktoriai yra įvairių teorinių projektų, kurie šiuo metu svarstomi, rinkinys. Tikėtina, kad šie projektai nebus įgyvendinti iki 2030 m. Šiuolaikiniai veikiantys reaktoriai paprastai laikomi antros ar trečios kartos sistemomis. Pirmos kartos sistemos jau kurį laiką nenaudojamos. Šios ketvirtosios kartos reaktorių kūrimas buvo oficialiai pradėtas IV kartos tarptautiniame forume (GIF), pagrįstas aštuoniais technologijos tikslais. Pagrindiniai tikslai buvo pagerinti branduolinę saugą, padidinti saugumą nuo platinimo, sumažinti atliekų kiekį ir naudoti gamtos išteklius, taip pat sumažinti tokių stočių statybos ir eksploatavimo išlaidas.

• Dujomis aušinamas greitųjų neutronų reaktorius
• Greitųjų neutronų reaktorius su švino aušintuvu
• Skystos druskos reaktorius
• Natriu aušinamas greitųjų neutronų reaktorius
• Superkritinis vandeniu aušinamas branduolinis reaktorius
• Itin aukštos temperatūros branduolinis reaktorius

Kas yra penktos kartos reaktoriai?

Penktos kartos reaktoriai yra projektai, kurių įgyvendinimas teoriniu požiūriu yra įmanomas, tačiau šiuo metu nėra aktyvaus svarstymo ir tyrimų objektas. Nors tokius reaktorius galima pastatyti per dabartinį ar trumpą laiką, jie mažai įdomūs dėl ekonominio pagrįstumo, praktiškumo ar saugumo priežasčių.

• skystosios fazės reaktorius. Uždara kilpa su skysčiu branduolinio reaktoriaus aktyvioje zonoje, kur skilioji medžiaga yra išlydyto urano arba urano tirpalo pavidalu, aušinamas darbinėmis dujomis, įpurškiamomis į izoliacinio indo pagrindo skylutes.
• Reaktorius su dujų faze aktyvioje erdvėje. Uždarojo ciklo variantas, skirtas branduolinei raketai, kai skilioji medžiaga yra dujinis urano heksafluoridas, esantis kvarco inde. Darbinės dujos (pavyzdžiui, vandenilis) tekės aplink šį indą ir sugers ultravioletinę spinduliuotę, atsirandančią dėl branduolinės reakcijos. Toks dizainas galėtų būti naudojamas kaip raketos variklis, kaip minėta 1976 m. Harry Harrisono mokslinės fantastikos romane „Skyfall“. Teoriškai naudojant urano heksafluoridą kaip branduolinį kurą (o ne kaip tarpinį produktą, kaip daroma šiuo metu), sumažėtų energijos gamybos sąnaudos, taip pat žymiai sumažėtų reaktorių dydis. Praktiškai reaktorius, veikiantis tokiu dideliu galios tankiu, sukurtų nekontroliuojamą neutronų srautą, susilpnindamas daugumos reaktorių medžiagų stiprumo savybes. Taigi srautas būtų panašus į dalelių, išsiskiriančių termobranduoliniuose įrenginiuose, srautą. Savo ruožtu tam reikėtų naudoti medžiagas, panašias į tas, kurios buvo naudojamos tarptautiniame sintezės švitinimo įrenginio įgyvendinimo projekte.
• Dujinės fazės elektromagnetinis reaktorius. Panašus į dujinės fazės reaktorių, bet su fotovoltiniais elementais, paverčiančiais ultravioletinę šviesą tiesiai į elektros energiją.
• Fragmentacijos pagrindu veikiantis reaktorius
• Hibridinė branduolių sintezė. Naudojami neutronai, išsiskiriantys pirminės arba „medžiagos dauginimosi zonoje“ susiliejimo ir skilimo metu. Pavyzdžiui, U-238, Th-232 arba panaudoto branduolinio kuro/radioaktyviųjų atliekų iš kito reaktoriaus pavertimas santykinai labiau gerybiniais izotopais.

Reaktorius su dujų faze aktyviojoje zonoje. Uždarojo ciklo variantas, skirtas branduolinei raketai, kai skilioji medžiaga yra dujinis urano heksafluoridas, esantis kvarco inde. Darbinės dujos (pavyzdžiui, vandenilis) tekės aplink šį indą ir sugers ultravioletinę spinduliuotę, atsirandančią dėl branduolinės reakcijos. Toks dizainas galėtų būti naudojamas kaip raketos variklis, kaip minėta 1976 m. Harry Harrisono mokslinės fantastikos romane „Skyfall“. Teoriškai naudojant urano heksafluoridą kaip branduolinį kurą (o ne kaip tarpinį produktą, kaip daroma šiuo metu), sumažėtų energijos gamybos sąnaudos, taip pat žymiai sumažėtų reaktorių dydis. Praktiškai reaktorius, veikiantis tokiu dideliu galios tankiu, sukurtų nekontroliuojamą neutronų srautą, susilpnindamas daugumos reaktorių medžiagų stiprumo savybes. Taigi srautas būtų panašus į dalelių, išsiskiriančių termobranduoliniuose įrenginiuose, srautą. Savo ruožtu tam reikėtų naudoti medžiagas, panašias į tas, kurios buvo naudojamos tarptautiniame sintezės švitinimo įrenginio įgyvendinimo projekte.

Dujų fazės elektromagnetinis reaktorius. Panašus į dujinės fazės reaktorių, bet su fotovoltiniais elementais, paverčiančiais ultravioletinę šviesą tiesiai į elektros energiją.

Fragmentacijos pagrindu veikiantis reaktorius

Hibridinė branduolių sintezė. Naudojami neutronai, išsiskiriantys pirminės arba „medžiagos dauginimosi zonoje“ susiliejimo ir skilimo metu. Pavyzdžiui, U-238, Th-232 arba panaudoto branduolinio kuro/radioaktyviųjų atliekų iš kito reaktoriaus pavertimas santykinai labiau gerybiniais izotopais.

Sintezės reaktoriai

Kontroliuojama sintezė gali būti naudojama branduolių sintezės elektrinėse gaminant elektrą be sudėtingumo dirbant su aktinidais. Tačiau išlieka rimtų mokslinių ir technologinių kliūčių. Buvo pastatyti keli branduolių sintezės reaktoriai, tačiau tik neseniai reaktoriai sugebėjo išleisti daugiau energijos nei sunaudoja. Nepaisant to, kad tyrimai buvo pradėti šeštajame dešimtmetyje, manoma, kad komercinis branduolių sintezės reaktorius pradės veikti tik 2050 m. Šiuo metu ITER projektas deda pastangas panaudoti sintezės energiją.

Branduolinio kuro ciklas

Šiluminiai reaktoriai paprastai priklauso nuo urano gryninimo ir sodrinimo laipsnio. Kai kurie branduoliniai reaktoriai gali veikti naudojant plutonio ir urano mišinį (žr. MOX kurą). Procesas, kurio metu urano rūda kasama, apdorojama, sodrinama, naudojama, galbūt perdirbama ir šalinama, yra žinomas kaip branduolinio kuro ciklas.

Iki 1% urano gamtoje yra lengvai skilusis izotopas U-235. Taigi daugumos reaktorių projektavimas apima sodrinto kuro naudojimą. Sodrinimas apima U-235 dalies didinimą ir paprastai atliekamas naudojant dujų difuziją arba dujų centrifugoje. Prisodrintas produktas toliau paverčiamas urano dioksido milteliais, kurie suspaudžiami ir išdeginami į granules. Šios granulės dedamos į vamzdelius, kurie vėliau užsandarinami. Tokie vamzdžiai vadinami kuro strypais. Kiekvienas branduolinis reaktorius naudoja daug šių kuro strypų.

Dauguma komercinių BWR ir PWR naudoja uraną, prisodrintą iki maždaug 4 % U-235. Be to, kai kuriems pramoniniams reaktoriams, turintiems didelę neutronų ekonomiją, visiškai nereikia prisodrinto kuro (tai yra, jie gali naudoti natūralų uraną). Tarptautinės atominės energijos agentūros duomenimis, pasaulyje yra mažiausiai 100 mokslinių tyrimų reaktorių, naudojančių labai prisodrintą kurą (ginklų klasės / 90 % prisodrinto urano). Dėl šios rūšies kuro (galimo naudoti gaminant branduolinius ginklus) vagystės rizika paskatino kampaniją, raginančią pereiti prie mažai prisodrinto urano (kuris kelia mažesnę platinimo grėsmę) reaktorius.

Branduolinės transformacijos procese naudojami skilusieji U-235 ir neskilūs, dalintys U-238. U-235 dalijasi šiluminiai (t. y. lėtai judantys) neutronai. Terminis neutronas yra toks, kuris juda maždaug tokiu pat greičiu kaip ir aplink jį esantys atomai. Kadangi atomų virpesių dažnis yra proporcingas jų absoliučiai temperatūrai, šiluminis neutronas turi didesnę galimybę suskaidyti U-235, kai juda tuo pačiu vibracijos greičiu. Kita vertus, U-238 labiau tikėtina, kad užfiksuotų neutroną, jei neutronas juda labai greitai. U-239 atomas suyra kuo greičiau ir susidaro plutonis-239, kuris pats yra kuras. Pu-239 yra visavertis kuras ir į jį reikėtų atsižvelgti net naudojant labai prisodrintą urano kurą. Kai kuriuose reaktoriuose plutonio dalijimosi procesai turės viršenybę prieš U-235 dalijimosi procesus. Ypač po to, kai originalus pakrautas U-235 yra išeikvotas. Plutonis dalijasi tiek greituose, tiek šiluminiuose reaktoriuose, todėl idealiai tinka tiek branduoliniams reaktoriams, tiek branduolinėms bomboms.

Dauguma esamų reaktorių yra šiluminiai reaktoriai, kuriuose vanduo paprastai naudojamas kaip neutronų stabdiklis (moderatorius reiškia, kad jis sulėtina neutroną iki šiluminio greičio), taip pat kaip aušinimo skystis. Tačiau greitųjų neutronų reaktoriuje naudojamas kiek kitoks aušinimo skystis, kuris per daug nesulėtins neutronų srauto. Tai leidžia vyrauti greitiesiems neutronams, kuriuos galima efektyviai panaudoti nuolatiniam degalų atsargų papildymui. Paprasčiausiai įdėjus į šerdį pigų, neprisodrintą uraną, spontaniškai neskilusis U-238 virs Pu-239, „atgamindamas“ kurą.

Torio pagrindu kuro cikle toris-232 sugeria neutroną tiek greituose, tiek šiluminiuose reaktoriuose. Torio beta skilimo metu susidaro protaktinas-233, o vėliau uranas-233, kuris savo ruožtu naudojamas kaip kuras. Todėl, kaip ir uranas-238, toris-232 yra derlinga medžiaga.

Branduolinių reaktorių techninė priežiūra

Energijos kiekis branduolinio kuro rezervuare dažnai išreiškiamas „visos galios dienomis“, tai yra 24 valandų periodų (dienų), per kuriuos reaktorius veikia visu pajėgumu, kad būtų generuojama šiluminė energija, skaičius. Viso galingumo darbo dienos reaktoriaus darbo cikle (tarp degalų papildymui reikalingų intervalų) yra susijusios su yrančio urano-235 (U-235) kiekiu kuro rinklėse ciklo pradžioje. Kuo didesnis U-235 procentas aktyvioje ciklo pradžioje, tuo daugiau dienų pilnos galios veikimo leis reaktoriui veikti.

Darbo ciklo pabaigoje kai kurių rinklių degalai „išnaudojami“, iškraunami ir pakeičiami į naujas (šviežias) kuro rinkles. Taip pat tokia skilimo produktų kaupimosi branduoliniame kure reakcija lemia branduolinio kuro tarnavimo laiką reaktoriuje. Dar gerokai prieš įvykstant galutiniam dalijimosi procesui, ilgai išliekantys neutronus sugeriantys šalutiniai skilimo produktai turi laiko susikaupti reaktoriuje ir neleidžia vykti grandininei reakcijai. Degalų papildymo metu pakeičiama reaktoriaus aktyviosios zonos dalis paprastai yra ketvirtadalis verdančio vandens reaktoriui ir trečdalis slėginio vandens reaktoriui. Šio panaudoto kuro laidojimas ir saugojimas yra viena iš sunkiausių užduočių organizuojant pramoninės atominės elektrinės veiklą. Tokios branduolinės atliekos yra itin radioaktyvios ir jų toksiškumas kelia pavojų tūkstančius metų.

Ne visi reaktoriai turi būti išjungti, kad būtų papildytas kuras; pavyzdžiui, sferinio sluoksnio branduoliniai reaktoriai, RBMK (didelės galios kanalinis reaktorius), lydytos druskos reaktoriai, Magnox, AGR ir CANDU reaktoriai leidžia perkelti kuro elementus gamyklos veikimo metu. CANDU reaktoriuje galima atskirus kuro elementus įdėti į aktyvią zoną taip, kad būtų galima reguliuoti U-235 kiekį kuro elemente.

Iš branduolinio kuro išgaunamas energijos kiekis vadinamas jo sudegimu, kuris išreiškiamas šilumine energija, kurią sukuria pradinis kuro vieneto svoris. Sudegimas paprastai išreiškiamas šiluminėmis megavatų dienomis vienai tonai pradinio sunkiojo metalo.

Branduolinės energetikos sauga

Branduolinė sauga – tai veiksmai, kuriais siekiama užkirsti kelią branduolinėms ir radiacinėms avarijoms arba lokalizuoti jų padarinius. Branduolinės energetikos pramonė pagerino reaktorių saugą ir našumą, taip pat sugalvojo naujų, saugesnių reaktorių konstrukcijų (kurie paprastai nebuvo išbandyti). Tačiau nėra garantijos, kad tokie reaktoriai bus suprojektuoti, pastatyti ir veiks patikimai. Klaidos įvyksta, kai Japonijos Fukušimos atominės elektrinės reaktorių projektuotojai nesitikėjo, kad žemės drebėjimo sukeltas cunamis išjungs atsarginę sistemą, kuri po žemės drebėjimo turėjo stabilizuoti reaktorių, nepaisant daugybės NRG (Nacionalinės tyrimų grupės) įspėjimų. ir Japonijos administracija branduolinės saugos klausimais. UBS AG teigimu, Fukušimos I branduolinės avarijos verčia abejoti, ar net tokios išsivysčiusios ekonomikos kaip Japonija gali užtikrinti branduolinę saugą. Galimi ir katastrofiški scenarijai, įskaitant teroristinius išpuolius. Tarpdisciplininė MIT (Massachusetts Institute of Technology) komanda apskaičiavo, kad, atsižvelgiant į numatomą branduolinės energijos augimą, 2005–2055 m. turėtų įvykti mažiausiai keturios rimtos branduolinės avarijos.

Branduolinės ir radiacinės avarijos

Kai kurios įvykusios rimtos branduolinės ir radiacinės avarijos. Atominės elektrinės avarijos apima SL-1 incidentą (1961 m.), Trijų mylių salos avariją (1979 m.), Černobylio katastrofą (1986 m.) ir Fukušimos Daiičio branduolinę katastrofą (2011 m.). Branduolinės energijos avarijos apima reaktorių avarijas K-19 (1961), K-27 (1968) ir K-431 (1985).

Branduoliniai reaktoriai į orbitą aplink Žemę buvo iškelti mažiausiai 34 kartus. Keletas incidentų, susijusių su sovietiniu branduoliniu varikliu nepilotuojamu palydovu RORSAT, paskatino panaudoto branduolinio kuro prasiskverbimą į Žemės atmosferą iš orbitos.

natūralūs branduoliniai reaktoriai

Nors dažnai manoma, kad branduolio dalijimosi reaktoriai yra gaminys moderni technologija, pirmieji branduoliniai reaktoriai yra prieinami gamtinės sąlygos. Natūralus branduolinis reaktorius gali būti suformuotas tam tikromis sąlygomis, kurios imituoja suprojektuoto reaktoriaus sąlygas. Iki šiol trijuose atskiruose rūdos telkiniuose Oklo urano kasykloje Gabone buvo aptikta iki penkiolikos natūralių branduolinių reaktorių. Vakarų Afrika). Gerai žinomus „negyvus“ Ocllo reaktorius 1972 metais pirmą kartą atrado prancūzų fizikas Francisas Perrinas. Savaime išsilaikanti branduolio dalijimosi reakcija šiuose reaktoriuose įvyko maždaug prieš 1,5 milijardo metų ir buvo palaikoma kelis šimtus tūkstančių metų, per šį laikotarpį pagamindama vidutiniškai 100 kW galios. Natūralaus branduolinio reaktoriaus sąvoką teorija paaiškino dar 1956 metais Paulas Kuroda iš Arkanzaso universiteto.

Tokių reaktorių Žemėje nebegalima formuoti: radioaktyvus skilimas per šį milžinišką laikotarpį sumažino U-235 kiekį gamtiniame urane žemiau lygio, reikalingo grandininei reakcijai palaikyti.

Natūralūs branduoliniai reaktoriai susiformavo, kai turtingi urano mineralų telkiniai pradėjo pildytis požeminiu vandeniu, kuris veikė kaip neutronų stabdiklis ir sukėlė reikšmingą grandininę reakciją. Neutronų moderatorius vandens pavidalu išgaravo, todėl reakcija paspartėjo, o po to kondensavosi atgal, todėl branduolinė reakcija sulėtėjo ir neleidžia tirpti. Skilimo reakcija tęsėsi šimtus tūkstančių metų.

Tokius natūralius reaktorius plačiai tyrinėjo mokslininkai, besidomintys radioaktyviųjų atliekų šalinimu geologinėje aplinkoje. Jie siūlo atvejo tyrimą, kaip radioaktyvieji izotopai migruotų per žemės plutą. Tai yra esminis dalykas geologinio atliekų šalinimo kritikams, kurie baiminasi, kad atliekose esantys izotopai gali patekti į vandens atsargas arba migruoti į aplinką.

Branduolinės energetikos aplinkosaugos problemos

Branduolinis reaktorius į orą ir požeminius vandenis išskiria nedidelius tričio Sr-90 kiekius. Tričiu užterštas vanduo yra bespalvis ir bekvapis. Didelės Sr-90 dozės padidina kaulų vėžio ir leukemijos riziką gyvūnams ir, tikėtina, žmonėms.