Branduoliniai strypai. Visi girdėjo, bet niekas nežino

Prietaisas ir veikimo principas

Maitinimo atleidimo mechanizmas

Medžiagos virsmą lydi laisvos energijos išsiskyrimas tik tuo atveju, jei medžiaga turi energijų rezervą. Pastarasis reiškia, kad medžiagos mikrodalelės yra būsenoje, kurios ramybės energija yra didesnė nei kitoje galimoje būsenoje, į kurią vyksta perėjimas. Savaiminiam perėjimui visada trukdo energetinis barjeras, kurį įveikti mikrodalelė turi gauti tam tikrą energijos kiekį iš išorės – sužadinimo energijos. Egzoenergetinė reakcija susideda iš to, kad transformuojant po sužadinimo išsiskiria daugiau energijos, nei reikia procesui sužadinti. Energijos barjerą galima įveikti dviem būdais: arba dėl susidūrusių dalelių kinetinės energijos, arba dėl prisijungiančios dalelės surišimo energijos.

Jei turėtume omenyje makroskopines energijos išsiskyrimo skales, tai kinetinė energija, reikalinga reakcijoms sužadinti, turi turėti visas arba bent dalį medžiagos dalelių. Tai galima pasiekti tik padidinus terpės temperatūrą iki tokios vertės, kuriai esant šiluminio judėjimo energija artėja prie energijos slenksčio, ribojančio proceso eigą, vertės. Molekulinių transformacijų atveju, tai yra cheminės reakcijos, toks padidėjimas paprastai yra šimtai kelvinų, branduolinių reakcijų atveju jis yra mažiausiai 10 7 dėl labai didelis aukštis Susidūrusių branduolių kulonų barjerai. Branduolinių reakcijų terminis sužadinimas praktiškai buvo vykdomas tik sintezuojant lengviausius branduolius, kuriuose Kulono barjerai yra minimalūs (termobrandulių sintezė).

Jungiamųjų dalelių sužadinimas nereikalauja didelės kinetinės energijos, todėl nepriklauso nuo terpės temperatūros, nes tai vyksta dėl nepanaudotų ryšių, būdingų patrauklių jėgų dalelėms. Bet kita vertus, pačios dalelės yra būtinos reakcijoms sužadinti. Ir jei vėl turime omenyje ne atskirą reakcijos veiksmą, o energijos gamybą makroskopiniu mastu, tai tai įmanoma tik tada, kai įvyksta grandininė reakcija. Pastaroji atsiranda, kai reakciją sužadinančios dalelės vėl pasirodo kaip egzoenergetinės reakcijos produktai.

Dizainas

Bet kuris branduolinis reaktorius susideda iš šių dalių:

• Šerdis su branduoliniu kuru ir moderatoriumi;
• Neutronų atšvaitas, kuris supa šerdį;
• Grandininės reakcijos reguliavimo sistema, įskaitant avarinę apsaugą;
• Radiacinė apsauga;
• Nuotolinio valdymo sistema.

Fiziniai veikimo principai

Taip pat žiūrėkite pagrindinius straipsnius:

Dabartinė būsena branduolinis reaktorius Galima apibūdinti efektyviuoju neutronų dauginimo koeficientu k arba reaktyvumas ρ , kurie yra susiję tokiu ryšiu:

Šios vertės apibūdinamos šiomis reikšmėmis:

• k> 1 - grandininė reakcija laikui bėgant didėja, reaktorius yra superkritinis būsena, jos reaktyvumas ρ > 0;
• k < 1 - реакция затухает, реактор - subkritinis, ρ < 0;
• k = 1, ρ = 0 - branduolio skilimų skaičius yra pastovus, reaktorius yra stabilioje būsenoje kritiškas sąlyga.

Branduolinio reaktoriaus kritiškumo būklė:

, Kur

Dauginimo koeficiento pavertimas vienetu pasiekiamas subalansuojant neutronų dauginimąsi su jų nuostoliais. Iš tikrųjų yra dvi nuostolių priežastys: gaudymas be dalijimosi ir neutronų nutekėjimas už veisimosi terpės ribų.

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

k 0 šiluminiams reaktoriams gali būti nustatytas pagal vadinamąją „4 faktorių formulę“:

, Kur

• η yra neutronų išeiga per dvi absorbcijas.

Šiuolaikinių galios reaktorių tūriai gali siekti šimtus m³ ir juos daugiausia lemia ne kritiškumo sąlygos, o šilumos pašalinimo galimybės.

Kritinis tūris branduolinis reaktorius – kritinės būsenos reaktoriaus aktyviosios zonos tūris. Kritinė masė yra reaktoriaus skiliosios medžiagos masė, kuri yra kritinės būklės.

Reaktoriai, varomi vandeniniais grynų skiliųjų izotopų druskų tirpalais su vandens neutronų reflektoriumi, turi mažiausią kritinę masę. 235 U ši masė yra 0,8 kg, 239 Pu - 0,5 kg. Tačiau plačiai žinoma, kad LOPO reaktoriaus (pirmojo pasaulyje sodrinto urano reaktoriaus), turinčio berilio oksido reflektorių, kritinė masė buvo 0,565 kg, nepaisant to, kad sodrinimo laipsnis izotopu 235 buvo tik nedidelis. daugiau nei 14 proc. Teoriškai mažiausia kritinė masė, kuriai ši vertė yra tik 10 g.

Siekiant sumažinti neutronų nuotėkį, šerdies forma yra sferinė arba artima sferinei, pavyzdžiui, trumpas cilindras arba kubas, nes šie skaičiai turi mažiausią paviršiaus ploto ir tūrio santykį.

Nepaisant to, kad reikšmė (e - 1) paprastai yra maža, greito neutronų dauginimosi vaidmuo yra gana didelis, nes dideliems branduoliniams reaktoriams (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Grandininei reakcijai pradėti, paprastai savaiminio urano branduolių dalijimosi metu susidaro pakankamai neutronų. Reaktoriui paleisti taip pat galima naudoti išorinį neutronų šaltinį, pavyzdžiui, ir (arba) kitų medžiagų mišinį.

jodo duobė

Pagrindinis straipsnis: Jodo duobė

Jodo duobė – branduolinio reaktoriaus būsena po to, kai jis buvo išjungtas, pasižymintis trumpalaikio ksenono izotopo kaupimu. Dėl šio proceso laikinai atsiranda reikšmingas neigiamas reaktyvumas, dėl kurio tam tikrą laikotarpį (apie 1–2 dienas) neįmanoma pasiekti reaktoriaus projektinio pajėgumo.

klasifikacija

Paskyrimu

Pagal naudojimo pobūdį branduoliniai reaktoriai skirstomi į:

• Energijos reaktoriai skirti gaminti elektros ir šiluminę energiją, naudojamą energetikos sektoriuje, taip pat jūros vandens gėlinimui (gėlinimo reaktoriai taip pat priskiriami pramoniniams). Tokie reaktoriai daugiausia buvo naudojami atominėse elektrinėse. Šiuolaikinių elektrinių reaktorių šiluminė galia siekia 5 GW. Atskiroje grupėje paskirstykite:
  • Transporto reaktoriai skirti tiekti energiją transporto priemonių varikliams. Plačiausios panaudojimo grupės – povandeniniuose laivuose ir įvairiuose antvandeniniuose laivuose naudojami jūriniai transporto reaktoriai, taip pat kosminėse technologijose naudojami reaktoriai.
• Eksperimentiniai reaktoriai, skirtas tirti įvairius fizikinius dydžius, kurių vertė yra būtina branduoliniams reaktoriams projektuoti ir eksploatuoti; tokių reaktorių galia neviršija kelių kW.
• Tyrimo reaktoriai, kuriame šerdyje sukurti neutronų ir gama spindulių srautai naudojami branduolinės fizikos, kietojo kūno fizikos, radiacinės chemijos, biologijos tyrimams, medžiagų, skirtų eksploatuoti intensyviuose neutronų srautuose, bandymams (įskaitant branduolinių reaktorių dalis), izotopams gaminti. Mokslinių tyrimų reaktorių galia neviršija 100 MW. Išsiskyrusi energija dažniausiai nenaudojama.
• Pramoniniai (ginklai, izotopiniai) reaktoriai naudojamas įvairiose srityse naudojamų izotopų gamybai. Plačiausiai naudojamas branduolinio ginklo medžiagų, tokių kaip 239 Pu, gamybai. Pramoniniai taip pat apima reaktorius, naudojamus jūros vandens gėlinimui.

Dažnai reaktoriai naudojami dviem ar daugiau skirtingų užduočių išspręsti, tokiu atveju jie vadinami daugiafunkcinis. Pavyzdžiui, kai kurie galios reaktoriai, ypač branduolinės energijos aušroje, buvo skirti daugiausia eksperimentams. Greitųjų neutronų reaktoriai gali vienu metu gaminti energiją ir gaminti izotopus. Pramoniniai reaktoriai, be savo pagrindinės užduoties, dažnai gamina elektros ir šiluminę energiją.

Pagal neutronų spektrą

• Terminis (lėtas) neutronų reaktorius ("terminis reaktorius")
• Greitųjų neutronų reaktorius („greitasis reaktorius“)

Pagal kuro išdėstymą

• Heterogeniniai reaktoriai, kuriuose kuras į aktyviąją zoną dedamas diskretiškai blokų pavidalu, tarp kurių yra moderatorius;
• Homogeniniai reaktoriai, kur kuras ir moderatorius yra vienalytis mišinys (homogeninė sistema).

Heterogeniniame reaktoriuje kuras ir moderatorius gali būti nutolę vienas nuo kito, ypač tuščiaviduriame reaktoriuje moderatorius-reflektorius supa ertmę kuru, kuriame nėra moderatoriaus. Branduoliniu ir fiziniu požiūriu homogeniškumo / heterogeniškumo kriterijus yra ne konstrukcija, o kuro blokų išdėstymas atstumu, viršijančiu neutronų stabdymo ilgį tam tikrame moderatoriuje. Pavyzdžiui, vadinamieji „uždarosios grotelės“ reaktoriai yra suprojektuoti taip, kad būtų vienarūšiai, nors dažniausiai juose kuras yra atskirtas nuo moderatoriaus.

Branduolinio kuro blokai nevienalyčiame reaktoriuje vadinami kuro rinkiniais (FA), kurie dedami į šerdį taisyklingos gardelės mazguose, sudarydami ląstelės.

Pagal kuro rūšį

• urano izotopai 235, 238, 233 (235 U , 238 U , 233 U)
• plutonio izotopas 239 (239 Pu), taip pat izotopai 239-242 Pu kaip mišinys su 238 U (MOX kuras)
• torio izotopas 232 (232 Th) (konvertuojant į 233 U)

Pagal sodrinimo laipsnį:

• natūralus uranas
• mažai prisodrintas uranas
• labai prisodrintas uranas

Pagal cheminę sudėtį:

• metalinis U
• UC (urano karbidas) ir kt.

Pagal aušinimo skysčio tipą

• Dujos (žr. Grafito dujų reaktorius)
• D 2 O (sunkusis vanduo, žr. Sunkiojo vandens branduolinis reaktorius, CANDU)

Pagal moderatoriaus tipą

• C (grafitas, žr. Grafito-dujų reaktorius, Grafito-vandens reaktorius)
• H 2 O (vanduo, žr. Lengvojo vandens reaktorius, Slėginio vandens reaktorius, VVER)
• D 2 O (sunkusis vanduo, žr. Sunkiojo vandens branduolinis reaktorius, CANDU)
• Metalo hidridai
• Be moderatoriaus (žr. greitųjų neutronų reaktorių)

Pagal dizainą

garo generavimo metodas

• Reaktorius su išoriniu garo generatoriumi (žr. PWR, VVER)

TATENA klasifikacija

• PWR (suslėgto vandens reaktoriai) - suslėgto vandens reaktorius (slėginio vandens reaktorius);
• BWR (boiling water reactor) – verdančio vandens reaktorius;
• FBR (fast Breeder Reactor) – greito aktyvumo reaktorius;
• GCR (dujomis aušinamas reaktorius) – dujomis aušinamas reaktorius;
• LWGR (lengvo vandens grafito reaktorius) – grafito-vandens reaktorius
• PHWR (slėginis sunkiojo vandens reaktorius) – sunkiojo vandens reaktorius

Pasaulyje labiausiai paplitę yra suslėgto vandens (apie 62%) ir verdančio vandens (20%) reaktoriai.

Reaktoriaus medžiagos

Medžiagos, iš kurių pastatyti reaktoriai, veikia aukštoje temperatūroje neutronų, γ-kvantų ir dalijimosi fragmentų lauke. Todėl ne visos kitose technologijos šakose naudojamos medžiagos yra tinkamos reaktoriaus statybai. Renkantis reaktorių medžiagas, atsižvelgiama į jų atsparumą spinduliuotei, cheminį inertiškumą, sugerties skerspjūvį ir kitas savybes.

Esant aukštai temperatūrai, medžiagų radiacinis nestabilumas mažiau veikiamas. Atomų judrumas tampa toks didelis, kad iš kristalinės gardelės išmuštų atomų sugrįžimo į savo vietą arba vandenilio ir deguonies rekombinacijos į vandens molekulę tikimybė pastebimai padidėja. Taigi vandens radiolizė galios neverdančiame reaktoriuose (pavyzdžiui, VVER) yra nereikšminga, o galinguose tyrimų reaktoriuose išsiskiria nemažas kiekis sprogstamojo mišinio. Reaktoriai turi specialias sistemas jai deginti.

Reaktoriaus medžiagos liečiasi viena su kita (kuro elemento apvalkalas su aušinimo skysčiu ir branduoliniu kuru, kuro kasetės su aušinimo skysčiu ir moderatoriumi ir kt.). Natūralu, kad besiliečiančios medžiagos turi būti chemiškai inertiškos (suderinamos). Nesuderinamumo pavyzdys yra uranas ir karštas vanduo, patenkantys į cheminę reakciją.

Daugumos medžiagų stiprumo savybės smarkiai pablogėja didėjant temperatūrai. Energijos reaktoriuose konstrukcinės medžiagos veikia aukštoje temperatūroje. Tai riboja konstrukcinių medžiagų pasirinkimą, ypač toms galios reaktoriaus dalims, kurios turi atlaikyti aukštą slėgį.

Branduolinio kuro deginimas ir dauginimasis

Eksploatuojant branduolinį reaktorių, kure susikaupus dalijimosi fragmentams, keičiasi jo izotopinė ir cheminė sudėtis, susidaro transurano elementai, daugiausia izotopai. Skilimo fragmentų įtaka branduolinio reaktoriaus reaktyvumui vadinama apsinuodijimas(radioaktyviems fragmentams) ir šlakavimas(stabiliems izotopams).

Pagrindinė reaktoriaus apsinuodijimo priežastis yra didžiausias neutronų sugerties skerspjūvis (2,6 10 6 barn). 135 Xe pusinės eliminacijos laikas T 1/2 = 9,2 val.; padalijimo išeiga yra 6-7%. Pagrindinė 135 Xe dalis susidaro dėl skilimo ( T 1/2 = 6,8 valandos). Apsinuodijus Kef pakinta 1-3%. Didelis 135 Xe absorbcijos skerspjūvis ir tarpinio izotopo 135 I buvimas lemia du svarbius reiškinius:

1. Į 135 Xe koncentracijos padidėjimą ir atitinkamai sumažėjusį reaktoriaus reaktyvumą po jo išjungimo arba sumažinus galią („jodo duobė“), dėl ko neįmanoma trumpalaikių išjungimų ir išėjimo galios svyravimų. Šis poveikis pašalinamas reguliavimo institucijose nustatant reaktyvumo ribą. Jodo šulinio gylis ir trukmė priklauso nuo neutronų srauto Ф: esant Ф = 5 10 18 neutronų/(cm² sek.), jodo šulinio trukmė ~ 30 val., o gylis 2 kartus didesnis už stacionarų pokytį. Kefe, kurį sukėlė apsinuodijimas 135 Xe.
2. Dėl apsinuodijimo gali atsirasti neutronų srauto Ф, taigi ir reaktoriaus galios, erdvės ir laiko svyravimai. Šie svyravimai atsiranda esant Ф > 10 18 neutronų/(cm² sek) ir dideliems reaktorių dydžiams. Virpesių periodai ˜ 10 val.

Branduolio dalijimosi metu, didelis skaičius stabilūs fragmentai, kurie skiriasi savo sugerties skerspjūviu, palyginti su skiliojo izotopo sugerties skerspjūviu. Fragmentų koncentracija su Gera vertė absorbcijos skerspjūvis pasiekia prisotinimą per pirmąsias kelias reaktoriaus veikimo dienas. Tai daugiausia skirtingo „amžiaus“ TVEL.

Visiško kuro pakeitimo atveju reaktorius turi perteklinį reaktyvumą, kuris turi būti kompensuojamas, o antruoju atveju kompensuoti reikia tik pirmą kartą paleidus reaktorių. Nuolatinis degalų papildymas leidžia padidinti degimo gylį, nes reaktoriaus reaktyvumą lemia vidutinės skiliųjų izotopų koncentracijos.

Pakrauto kuro masė viršija nepakrauto masę dėl išsiskiriančios energijos „svorio“. Išjungus reaktorių, pirmiausia daugiausia dėl dalijimosi uždelstais neutronais, o po 1–2 minučių – dėl dalijimosi fragmentų ir transurano elementų β- ir γ-spinduliavimo, energija ir toliau išsiskiria kure. Jei iki išjungimo reaktorius dirbo pakankamai ilgai, tai praėjus 2 minutėms po išjungimo, energijos išsiskyrimas yra apie 3%, po 1 valandos - 1%, po paros - 0,4%, po metų - 0,05% pradinės galios.

Branduoliniame reaktoriuje susidariusių skiliųjų Pu izotopų skaičiaus ir sudegusių 235 U kiekio santykis vadinamas perskaičiavimo kursas K K . K K vertė didėja mažėjant sodrėjimui ir degimui. Sunkiojo vandens reaktoriui, veikiančiam natūraliu uranu, kurio sudegimas 10 GW parą/t K K = 0,55, ir mažiems sudegimams (šiuo atveju K K vadinamas pradinis plutonio koeficientas) K K = 0,8. Jei branduolinis reaktorius dega ir gamina tuos pačius izotopus (breeder reaktorius), tada dauginimosi greičio ir išdegimo greičio santykis vadinamas reprodukcijos greitis K V. Šiluminiuose reaktoriuose K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g auga ir A krinta.

Branduolinio reaktoriaus valdymas

Branduolinio reaktoriaus valdymas įmanomas tik dėl to, kad dalijimosi metu dalis neutronų išskrenda iš fragmentų su vėlavimu, kuris gali svyruoti nuo kelių milisekundžių iki kelių minučių.

Reaktoriui valdyti naudojami sugeriantys strypai, įvedami į šerdį, pagaminti iš medžiagų, kurios stipriai sugeria neutronus (daugiausia ir kai kuriuos kitus) ir (arba) boro rūgšties tirpalo, įpilamo į aušinimo skystį tam tikra koncentracija (boro reguliavimas). . Strypų judėjimas valdomas specialiais mechanizmais, pavaromis, veikiančiais pagal operatoriaus signalus arba automatinio neutronų srauto valdymo įrangą.

Įvairioms avarinėms situacijoms kiekviename reaktoriuje yra numatytas avarinis grandininės reakcijos nutraukimas, atliekamas numetant visus sugeriančius strypus į aktyviąją zoną – avarinės apsaugos sistemą.

Liekamoji šiluma

Svarbus klausimas, tiesiogiai susijęs su branduoline sauga, yra skilimo šiluma. Tai specifinė savybė branduolinis kuras, kuris slypi tame, kad pasibaigus dalijimosi grandininei reakcijai ir bet kuriam energijos šaltiniui bendrai šiluminei inercijai, šilumos gamyba reaktoriuje tęsiasi kitą. ilgam laikui, o tai sukelia daug techniškai sudėtingų problemų.

Skilimo šiluma yra dalijimosi produktų β ir γ skilimo pasekmė, kuri susikaupė kure veikiant reaktoriui. Skilimo produktų branduoliai dėl skilimo pereina į stabilesnę arba visiškai stabilesnę būseną, išskirdami didelę energiją.

Nors skilimo šilumos išsiskyrimo greitis greitai nukrenta iki mažų, palyginti su stacionariomis vertėmis, didelės galios reaktoriuose jis yra reikšmingas absoliučiais skaičiais. Dėl šios priežasties būtina generuoti liekamąją šilumą ilgas laikas užtikrinti šilumos pašalinimą iš reaktoriaus aktyviosios zonos po to, kai ji sustabdoma. Ši užduotis reikalauja, kad projektuojant reaktoriaus objektą būtų aušinimo sistemos su patikimu energijos tiekimu, taip pat būtinas ilgalaikis (3-4 metus) panaudoto branduolinio kuro saugojimas saugyklose su specialiu temperatūros režimu - panaudoto kuro baseinuose. , kurios paprastai yra šalia reaktoriaus.

taip pat žr

• Sovietų Sąjungoje suprojektuotų ir pastatytų branduolinių reaktorių sąrašas

Literatūra

• Levinas V.E. Branduolinė fizika ir branduoliniai reaktoriai. 4-asis leidimas - M.: Atomizdat, 1979 m.
• Šukolyukovas A. Yu. „Uranas. natūralus branduolinis reaktorius. „Chemija ir gyvenimas“ Nr. 6, 1980, p. 20-24

Pastabos

1. „ZEEP – pirmasis Kanados branduolinis reaktorius“, Kanados mokslo ir technologijų muziejus.
2. Grešilovas A. A., Egupovas N. D., Matuščenka A. M. Branduolinis skydas. - M .: Logos, 2008. - 438 p. -

Didžiulė mažo atomo energija

„Geras mokslas yra fizika! Tik gyvenimas trumpas“. Šie žodžiai priklauso mokslininkui, nuostabiai daug nuveikusiam fizikoje. Jas kartą ištarė akademikas Igoris Vasiljevičius Kurchatovas, pirmosios pasaulyje atominės elektrinės kūrėjas.

1954 metų birželio 27 dieną ši unikali elektrinė pradėjo veikti. Žmonija turi dar vieną galingą elektros šaltinį.

Kelias į atomo energijos įsisavinimą buvo ilgas ir sunkus. Jis prasidėjo pirmaisiais XX amžiaus dešimtmečiais, kai Curie atrado natūralų radioaktyvumą, Bohro postulatus, Rutherfordo planetinį atomo modelį ir tokio akivaizdaus fakto, kaip dabar atrodo, įrodymą, kad bet kurio atomo branduolys. atomas susideda iš teigiamai įkrautų protonų ir neutralių neutronų.

1934 m. Fredericas ir Irene Joliot-Curie (Marie Sklodowska-Curie ir Pierre Curie dukra) atrado, kad bombarduojant juos alfa dalelėmis (helio atomų branduoliais), įprasti cheminiai elementai gali būti paversti radioaktyviais. Naujasis reiškinys vadinamas dirbtinis radioaktyvumas.

I. V. Kurchatovas (dešinėje) ir A. I. Alikhanovas (centre) su savo mokytoju A. F. Ioffe. (30-ųjų pradžioje.)

Jei toks bombardavimas atliekamas labai greitomis ir sunkiomis dalelėmis, prasideda cheminių virsmų kaskada. Dirbtinio radioaktyvumo elementai pamažu užleis vietą stabiliems elementams, kurie nebeskils.

Švitinimo ar bombardavimo pagalba nesunku įgyvendinti alchemikų svajonę – pagaminti auksą iš kitų cheminių elementų. Tik tokios transformacijos kaina gerokai viršys gauto aukso kainą ...

Urano branduolių dalijimasis

Daugiau naudos (ir, deja, nerimo) žmonijai atnešė vokiečių fizikų ir chemikų grupės atradimas 1938–1939 m. urano branduolių dalijimasis. Apšvitinti neutronais sunkieji urano branduoliai skyla į lengvesnius cheminius elementus, priklausančius Mendelejevo periodinės sistemos vidurinei daliai, ir išskiria keletą neutronų. Lengvųjų elementų branduoliams šie neutronai pasirodo pertekliniai... Kai urano branduoliai „skilsta“, gali prasidėti grandininė reakcija: kiekvienas iš dviejų ar trijų susidarančių neutronų savo ruožtu gali sukurti po kelis neutronai, atsitrenkę į gretimo atomo branduolį.

Paaiškėjo, kad bendra tokios branduolinės reakcijos produktų masė, kaip apskaičiavo mokslininkai, buvo mažesnė už pradinės medžiagos – urano – branduolių masę.

Pagal Einšteino lygtį, susiejančią masę su energija, galima nesunkiai nustatyti, kad šiuo atveju turi išsiskirti didžiulis energijos kiekis! Ir tai įvyks per labai trumpą laiką. Nebent, žinoma, grandininė reakcija taps nekontroliuojama ir eina iki galo ...

Pasivaikščiojimas po konferencijos E. Fermi (dešinėje) su mokiniu B. Pontecorvo. (Bazelis, 1949 m.)

Vieni pirmųjų įvertino urano dalijimosi procese slypinčias milžiniškas fizines ir technines galimybes Enrico Fermi, tais tolimais mūsų amžiaus trisdešimtaisiais, dar labai jaunas, bet jau pripažintas Italijos fizikų mokyklos vadovas. Dar gerokai prieš Antrąjį pasaulinį karą jis su grupe talentingų darbuotojų ištyrė įvairių medžiagų elgseną apšvitinant neutronais ir nustatė, kad urano dalijimosi proceso efektyvumą galima gerokai padidinti... sulėtinus neutronų judėjimą. Kad ir kaip būtų keista iš pirmo žvilgsnio, mažėjant neutronų greičiui, didėja tikimybė, kad urano branduoliai juos suims. Gana prieinamos medžiagos yra veiksmingi neutronų „moderatoriai“: parafinas, anglis, vanduo ...

Persikėlęs į JAV, Fermi ir toliau buvo branduolinių tyrimų smegenys ir širdis. Fermyje buvo sujungti du talentai, paprastai vienas kitą paneigiantys: puikus teoretikas ir puikus eksperimentuotojas. „Prieis daug laiko, kol pamatysime jam prilygstantį žmogų“, – rašė žymus mokslininkas W. Zinnas po Fermio ankstyvos mirties nuo piktybinio auglio 1954 m., būdamas 53 metų.

Per Antrąjį pasaulinį karą aplink Fermį susibūrusi mokslininkų komanda nusprendė sukurti precedento neturinčios griaunamosios galios ginklą, pagrįstą grandinine urano dalijimosi reakcija. atominė bomba. Mokslininkai skubėjo: o jeigu nacistinė Vokietija pirmoji pagamins naują ginklą ir panaudos jį savo nežmoniškam troškimui pavergti kitas tautas?

Branduolinio reaktoriaus statyba mūsų šalyje

Mokslininkai jau 1942 m. sugebėjo surinkti ir paleisti Čikagos universiteto stadiono teritorijoje. Pirmas atominis reaktorius . Į urano strypus reaktoriuje buvo įsiterpusios anglies „plytos“ – moderatoriai, o jei grandininė reakcija vis dėlto taptų per stipri, ją būtų galima greitai sustabdyti į reaktorių įvedant kadmio plokštes, kurios atskyrė urano strypus ir visiškai sugėrė neutronus.

Tyrėjai labai didžiavosi paprastais prietaisais, kuriuos išrado reaktoriui, kurie dabar mums kelia šypseną. Vienas iš „Fermi“ darbuotojų Čikagoje, garsus fizikas G. Andersonas, prisimena, kad kadmio skarda buvo prikalta prie medinio bloko, kuris, esant reikalui, veikiamas savo gravitacijos, akimirksniu nuleisdavo į katilą, todėl ir buvo suteikta priežastis. pavadinimas „momentinis“. G. Andersonas rašo: „Prieš paleidžiant katilą, šis strypas turėjo būti ištrauktas ir pritvirtintas virve. Nelaimės atveju virvė galėtų nupjauti ir „akimirka“ užimtų vietą katilo viduje.

Atominiame reaktoriuje gauta valdoma grandininė reakcija, patikrinti teoriniai skaičiavimai ir prognozės. Reaktoryje įvyko cheminių virsmų grandinė, dėl kurios atsirado naujas cheminis elementas- plutonis. Jis, kaip ir uranas, gali būti panaudotas atominei bombai sukurti.

Mokslininkai nustatė, kad yra urano arba plutonio „kritinė masė“. Jei yra pakankamai atominės medžiagos, grandininė reakcija sukelia sprogimą, jei ji yra maža, mažesnė už „kritinę masę“, tada šiluma tiesiog išsiskiria.

Atominės elektrinės statyba

Paprasčiausios konstrukcijos atominėje bomboje du urano arba plutonio gabalai yra sukrauti vienas šalia kito, o kiekvieno masė yra šiek tiek mažesnė už kritinę. Tinkamu momentu įprasto sprogmens saugiklis sujungia gabalus, atominio kuro masė viršija kritinę vertę - ir destruktyvioji monstriškos jėgos energija išsiskiria akimirksniu ...

Akinanti šviesos spinduliuotė, smūginė banga, nušluojanti viską savo kelyje, ir prasiskverbianti radioaktyvioji spinduliuotė užklupo dviejų Japonijos miestų – Hirosimos ir Nagasakio – gyventojus po amerikiečių atominių bombų sprogimo 1945 m., ir nuo tada žmonės buvo sunerimę. dėl siaubingų atominių bombų panaudojimo padarinių.ginklai.

Vadovaujant IV Kurchatovui, sovietų fizikai sukūrė atominius ginklus.

Tačiau šių darbų vadovas nenustojo galvoti apie taikų atominės energijos panaudojimą. Juk branduolinis reaktorius turi būti intensyviai aušinamas, kodėl ši šiluma „neatiduota“ garo ar dujų turbinai, nenaudojama namams šildyti?

Pro branduolinį reaktorių buvo pravesti vamzdžiai su skystu žemo lydymosi metalu. Įkaitęs metalas pateko į šilumokaitį, kur savo šilumą perdavė vandeniui. Vanduo virto perkaitintais garais, pradėjo veikti turbina. Reaktorius buvo apjuostas apsauginiu betono apvalkalu su metaliniu užpildu: radioaktyvioji spinduliuotė neturėtų išeiti.

Branduolinis reaktorius virto atomine elektrine, atnešančia žmonėms ramią šviesą, jaukią šilumą, trokštamą pasaulį...

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 analogai su vandens aušinimu.

Natūralūs analogai gamtoje

Branduolinis reaktorius suvokiamas kaip visuomenės sąmonė išskirtinai kaip produktas aukštųjų technologijų. 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?

Vargšas Gamtos turtai, tačiau 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. Čia paprasta grandinė branduolinio reaktoriaus, galingiausio energijos šaltinio Žemėje, veikimas.

Vaizdo įrašas: kaip veikia branduoliniai reaktoriai

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

Po Čikagos universiteto futbolo aikštės vakarinėmis tribūnomis pastatytas ir 1942 m. gruodžio 2 d. įjungtas Chicago Pile-1 (CP-1) buvo pirmasis pasaulyje branduolinis reaktorius. Jį sudarė grafito ir urano blokai, taip pat kadmio, indžio ir sidabro valdymo strypai, tačiau neturėjo radiacinės apsaugos ir aušinimo sistemos. Projekto mokslinis direktorius, fizikas Enrico Fermi, apibūdino SR-1 kaip „dvaną juodų plytų ir medinių rąstų krūvą“.

Reaktoriaus darbai pradėti 1942 metų lapkričio 16 dieną. Buvo atliktas sunkus darbas. Fizikai ir universiteto darbuotojai dirbo visą parą. Jie pastatė tinklelį iš 57 sluoksnių urano oksido ir urano luitų, įterptų į grafito blokus. Medinis karkasas palaikė konstrukciją. Fermi globotinė Leona Woods – vienintelė moteris projekte – atliko kruopščius matavimus, kai krūva augo.

1942 m. gruodžio 2 d. reaktorius buvo paruoštas bandymui. Jame buvo 22 000 urano luitų ir 380 tonų grafito, taip pat 40 tonų urano oksido ir šešias tonas urano metalo. Reaktoriui pastatyti prireikė 2,7 mln. Eksperimentas prasidėjo 09-45 val. Jame dalyvavo 49 žmonės: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Hiberry, Woods, jaunas stalius, gaminęs grafito blokus ir kadmio strypus, medikai, paprasti studentai ir kiti mokslininkai.

Trys žmonės sudarė „savižudžių būrį“ – jie buvo apsaugos sistemos dalis. Jų užduotis buvo užgesinti gaisrą, jei kas nors nutiktų. Taip pat buvo valdymas: valdymo strypai, kurie buvo valdomi rankiniu būdu, ir avarinis strypas, kuris buvo pririštas prie balkono turėklų virš reaktoriaus. Nelaimės atveju virvę turėjo nupjauti specialiai balkone budintis žmogus, o meškerykotis būtų užgesinęs reakciją.

1553 m. pirmą kartą istorijoje prasidėjo savarankiška branduolinė grandininė reakcija. Eksperimentas buvo sėkmingas. Reaktorius dirbo 28 minutes.

Branduolinis reaktorius veikia sklandžiai ir tiksliai. Priešingu atveju, kaip žinote, bus problemų. Bet kas vyksta viduje? Pabandykime trumpai, aiškiai, su sustojimais suformuluoti branduolinio (atominio) reaktoriaus veikimo principą.

Tiesą sakant, ten vyksta tas pats procesas, kaip ir branduoliniame sprogime. Tik dabar sprogimas įvyksta labai greitai, o reaktoriuje visa tai tęsiasi ilgai. Galų gale viskas lieka saugu, o mes gauname energijos. Ne tiek, kad viskas aplink iškart subyrėtų, bet pakankamai, kad miestui būtų tiekiama elektra.

kaip veikia reaktorius AE aušinimo bokštai
Prieš suprasdami, kaip veikia kontroliuojama branduolinė reakcija, turite žinoti, kas apskritai yra branduolinė reakcija.

Branduolinė reakcija – tai atomų branduolių virsmo (skilimo) procesas, vykstantis jų sąveikai su elementariosiomis dalelėmis ir gama kvantais.

Branduolinės reakcijos gali vykti tiek absorbuojant, tiek išskiriant energiją. Reaktoryje naudojamos antrosios reakcijos.

Branduolinis reaktorius yra įrenginys, kurio paskirtis yra palaikyti kontroliuojamą branduolinę reakciją išskiriant energiją.

Dažnai branduolinis reaktorius dar vadinamas branduoliniu reaktoriumi. Atkreipkite dėmesį, kad čia nėra esminio skirtumo, tačiau mokslo požiūriu teisingiau vartoti žodį „branduolinis“. Dabar yra daugybė branduolinių reaktorių tipų. Tai didžiuliai pramoniniai reaktoriai, skirti gaminti energiją elektrinėse, branduoliniai povandeniniai reaktoriai, maži eksperimentiniai reaktoriai, naudojami moksliniai eksperimentai. Yra net reaktoriai, naudojami jūros vandeniui gėlinti.

Branduolinio reaktoriaus sukūrimo istorija

Pirmasis branduolinis reaktorius buvo paleistas ne taip tolimais 1942 m. Tai įvyko JAV, vadovaujant Fermi. Šis reaktorius buvo vadinamas „Čikagos malkų krūva“.

1946 m., vadovaujant Kurchatovui, įsikūrė pirmasis sovietinis reaktorius. Šio reaktoriaus korpusas buvo septynių metrų skersmens rutulys. Pirmieji reaktoriai neturėjo aušinimo sistemos, o jų galia buvo minimali. Beje, sovietinio reaktoriaus vidutinė galia siekė 20 vatų, o amerikietiško – tik 1 vatą. Palyginimui: vidutinė šiuolaikinių galios reaktorių galia yra 5 gigavatai. Nepraėjus nė dešimčiai metų nuo pirmojo reaktoriaus paleidimo, Obninsko mieste buvo atidaryta pirmoji pasaulyje pramoninė atominė elektrinė.

Branduolinio (atominio) reaktoriaus veikimo principas

Bet kurį branduolinį reaktorių sudaro kelios dalys: aktyvioji zona su kuru ir moderatoriumi, neutronų reflektorius, aušinimo skystis, valdymo ir apsaugos sistema. Kaip kuras reaktoriuose dažniausiai naudojami urano (235, 238, 233), plutonio (239) ir torio (232) izotopai. Aktyvioji zona yra katilas, per kurį teka paprastas vanduo (aušinimo skystis). Be kitų aušinimo skysčių, rečiau naudojamas „sunkusis vanduo“ ir skystas grafitas. Jei kalbame apie atominės elektrinės darbą, tai šilumai gaminti naudojamas branduolinis reaktorius. Pati elektra gaminama taip pat, kaip ir kitų tipų elektrinėse – garai suka turbiną, o judėjimo energija paverčiama elektros energija.

Žemiau pateikta branduolinio reaktoriaus veikimo schema.

branduolinio reaktoriaus veikimo schema Branduolinio reaktoriaus atominėje elektrinėje schema

Kaip jau minėjome, sunkaus urano branduolio skilimo metu susidaro lengvesni elementai ir keli neutronai. Susidarę neutronai susiduria su kitais branduoliais, taip pat sukeldami jų dalijimąsi. Šiuo atveju neutronų skaičius auga kaip lavina.

Čia būtina paminėti neutronų dauginimo koeficientą. Taigi, jei šis koeficientas viršija vertę, lygią vienetui, įvyksta branduolinis sprogimas. Jei reikšmė mažesnė už vieną, neutronų yra per mažai ir reakcija išnyksta. Bet jei išlaikysite koeficiento vertę, lygią vienetui, reakcija vyks ilgai ir stabiliai.

Kyla klausimas, kaip tai padaryti? Reaktoryje kuras yra vadinamuosiuose kuro elementuose (TVEL). Tai strypai, kuriuose yra branduolinio kuro mažų granulių pavidalu. Kuro strypai sujungti į šešiakampes kasetes, kurių reaktoriuje gali būti šimtai. Kasetės su kuro strypais yra išdėstytos vertikaliai, o kiekvienas kuro strypas turi sistemą, leidžiančią reguliuoti jo panardinimo į šerdį gylį. Be pačių kasečių, tarp jų yra valdymo strypai ir avarinės apsaugos strypai. Strypai pagaminti iš medžiagos, kuri gerai sugeria neutronus. Taigi valdymo strypai gali būti nuleisti į skirtingus šerdies gylius, taip reguliuojant neutronų dauginimo koeficientą. Avariniai strypai skirti reaktoriui išjungti avarijos atveju.

Kaip paleidžiamas branduolinis reaktorius?

Mes išsiaiškinome patį veikimo principą, bet kaip paleisti ir priversti reaktorių veikti? Grubiai tariant, čia jis yra - urano gabalas, bet juk grandininė reakcija jame neprasideda savaime. Faktas yra tas, kad branduolinėje fizikoje yra kritinės masės sąvoka.

Branduolinis kuras Branduolinis kuras

Kritinė masė yra skiliosios medžiagos masė, reikalinga branduolinei grandininei reakcijai pradėti.

Kuro elementų ir valdymo strypų pagalba pirmiausia reaktoriuje sukuriama kritinė branduolinio kuro masė, o vėliau keliais etapais reaktorius pakeliamas iki optimalaus galios lygio.

Jums patiks: matematikos gudrybės humanitariniams mokslams ir studentams, kurie nėra žmonės (1 dalis)
Šiame straipsnyje mes bandėme pateikti jums bendrą supratimą apie branduolinio (atominio) reaktoriaus struktūrą ir veikimo principą. Jei vis dar turite klausimų šia tema arba universitetas uždavė branduolinės fizikos problemą - kreipkitės į mūsų įmonės specialistus. Mes, kaip įprasta, esame pasiruošę padėti išspręsti bet kokią aktualią studijų problemą. Tuo tarpu mes tai darome, jūsų dėmesys – dar vienas mokomasis vaizdo įrašas!

dienoraštis/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/