namai › Salonas › Atominio branduolinio reaktoriaus sandara. Branduolinis reaktorius: veikimo principas, charakteristikos, aprašymas

Atominio branduolinio reaktoriaus sandara. Branduolinis reaktorius: veikimo principas, charakteristikos, aprašymas

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:

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

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

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 ilgas laikas. 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/

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! Neutronai branduolinės reakcijos procese yra labai dideli didelis greitis judėjimas, 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! Neutronai, atsirandantys branduolio dalijimosi metu, gali išprovokuoti urano izotopo, kurio masės skaičius yra 235, branduolių dalijimąsi, o urano izotopo, kurio masės skaičius yra 238, branduolių sunaikinimui gali būti mažai energijos. atsirandantys irimo procese.

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.

Kol neatėjo pirmasis branduoliniai reaktoriai, pasaulis išmoko keletą naujų fizikos dėsnių, aiškinančių visus svarbius branduolinės reakcijos aspektus. 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. Mokslininkams 1939 metais pavyko įrodyti, kad dalijantis vienam urano branduoliui išsiskiria 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 yra kita įsimintina data– 1946 metų gruodžio 25 dieną Maskvoje, vadovaujant I.Kurchatovui, buvo paleistas 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 nevyksta nei viena šiuolaikinė mokslinė patirtis ar tyrimas.

Šiandien mokslinė šviesa išmoko gėlinti specialių reaktorių pagalba jūros vandens 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.

Kasdien naudojame elektrą ir negalvojame, kaip ji gaminama ir kaip ji pas mus atėjo. Nepaisant to, tai viena svarbiausių šiuolaikinės civilizacijos dalių. Be elektros nebūtų nieko – nei šviesos, nei šilumos, nei judėjimo.

Visi žino, kad elektros energija gaminama elektrinėse, taip pat ir atominėse. Kiekvienos atominės elektrinės širdis yra branduolinis reaktorius. Būtent tai ir aptarsime šiame straipsnyje.

branduolinis reaktorius, prietaisas, kuriame vyksta kontroliuojama branduolinė grandininė reakcija, išsiskirianti šiluma. Iš esmės šie įrenginiai naudojami elektrai gaminti ir kaip didelių laivų pavara. Norint įsivaizduoti branduolinių reaktorių galią ir efektyvumą, galima pateikti pavyzdį. Kai vidutiniam branduoliniam reaktoriui prireiktų 30 kilogramų urano, vidutinei šiluminei elektrinei prireiktų 60 vagonų anglies arba 40 cisternų mazuto.

prototipas branduolinis reaktorius buvo pastatytas 1942 metų gruodį JAV vadovaujant E. Fermi. Tai buvo vadinamasis „Chicago stack“. Chicago Pile (vėliau žodis„Krūva“ kartu su kitomis reikšmėmis pradėjo reikšti branduolinį reaktorių). Toks vardas jam suteiktas dėl to, kad jis priminė didelį grafito blokelių krūvą, sudėtą vienas ant kito.

Tarp blokų buvo išdėstyti sferiniai natūralaus urano ir jo dioksido „darbiniai kūnai“.

SSRS pirmasis reaktorius buvo pastatytas vadovaujant akademikui IV Kurchatovui. Reaktorius F-1 pradėtas eksploatuoti 1946 m. gruodžio 25 d. Reaktorius buvo rutulio formos, jo skersmuo buvo apie 7,5 metro. Jis neturėjo aušinimo sistemos, todėl veikė labai mažu galios lygiu.

Tyrimai buvo tęsiami ir 1954 m. birželio 27 d. Obninsko mieste buvo pradėta eksploatuoti pirmoji pasaulyje 5 MW galios atominė elektrinė.

Branduolinio reaktoriaus veikimo principas.

Skilstant uranui U 235, išsiskiria šiluma, kartu išsiskiria du ar trys neutronai. Pagal statistiką – 2,5. Šie neutronai susiduria su kitais urano atomais U 235 . Susidūrimo metu uranas U 235 virsta nestabiliu izotopu U 236, kuris beveik iš karto skyla į Kr 92 ir Ba 141 + tuos pačius 2-3 neutronus. Skilimą lydi energijos išsiskyrimas gama spinduliuotės ir šilumos pavidalu.

Tai vadinama grandinine reakcija. Atomai dalijasi, skilimų skaičius didėja eksponentiškai, o tai galiausiai lemia žaibišką, pagal mūsų standartus, didžiulio energijos kiekio išsiskyrimą - įvyksta atominis sprogimas dėl nekontroliuojamos grandininės reakcijos.

Tačiau į branduolinis reaktorius mes susiduriame su kontroliuojama branduolinė reakcija. Kaip tai tampa įmanoma, aprašoma toliau.

Branduolinio reaktoriaus įtaisas.

Šiuo metu yra dviejų tipų branduoliniai reaktoriai: VVER (slėginis vandens galios reaktorius) ir RBMK (didelės galios kanalo reaktorius). Skirtumas tas, kad RBMK yra verdančio vandens reaktorius, o VVER naudoja 120 atmosferų slėgio vandenį.

VVER 1000 reaktorius.1 - CPS pavara; 2 - reaktoriaus dangtis; 3 - reaktoriaus indas; 4 - apsauginių vamzdžių blokas (BZT); 5 - mano; 6 - šerdies pertvara; 7 - kuro rinklės (FA) ir valdymo strypai;

Kiekvienas pramoninio tipo branduolinis reaktorius yra katilas, per kurį teka aušinimo skystis. Paprastai tai yra paprastas vanduo (apie 75% pasaulyje), skystas grafitas (20%) ir sunkusis vanduo (5%). Eksperimentiniais tikslais buvo naudojamas berilis ir buvo daroma prielaida, kad tai angliavandenilis.

TVEL- (kuro elementas). Tai strypai cirkonio apvalkale su niobio lydiniu, kurio viduje yra urano dioksido tabletės.

Kuro elementai kasetėje paryškinti žaliai.

Kuro kasetės surinkimas.

Reaktoriaus šerdį sudaro šimtai vertikaliai išdėstytų kasečių, sujungtų metaliniu apvalkalu – korpusu, kuris taip pat atlieka neutronų reflektoriaus vaidmenį. Tarp kasečių reguliariais intervalais įkišti reaktoriaus valdymo strypai ir avarinės apsaugos strypai, kurie perkaitimo atveju skirti reaktoriui išjungti.

Pateikiame VVER-440 reaktoriaus duomenis kaip pavyzdį:

Valdikliai gali judėti aukštyn ir žemyn grimzdami arba atvirkščiai, palikdami branduolį, kur reakcija yra intensyviausia. Tai užtikrina galingi elektros varikliai, kartu su valdymo sistema.Avarinės apsaugos strypai skirti išjungti reaktorių avarijos atveju, įkritus į aktyvią zoną ir sugerti daugiau laisvųjų neutronų.

Kiekvienas reaktorius turi dangtį, per kurį pakraunamos ir iškraunamos naudotos ir naujos kasetės.

Šilumos izoliacija paprastai įrengiama ant reaktoriaus indo viršaus. Kitas barjeras yra biologinė apsauga. Dažniausiai tai būna gelžbetoninis bunkeris, įėjimas į kurį uždaromas oro šliuzu su sandariomis durimis. Biologinė apsauga skirta nepaleisti radioaktyvių garų ir reaktoriaus gabalų į atmosferą, jei įvyktų sprogimas.

Branduolinis sprogimas šiuolaikiniuose reaktoriuose yra labai mažai tikėtinas. Kadangi kuras nėra pakankamai prisodrintas ir yra padalintas į TVEL. Net jei šerdis ištirps, kuras negalės taip aktyviai reaguoti. Maksimalus, kuris gali įvykti, yra terminis sprogimas, kaip Černobylyje, kai slėgis reaktoriuje pasiekė tokias reikšmes, kad metalinis korpusas buvo tiesiog suplyšęs, o reaktoriaus dangtis, sveriantis 5000 tonų, padarė apverstą šuolį ir prasilaužė. reaktoriaus skyriaus stogą ir išleidžiant garus. Jei Černobylio atominėje elektrinėje būtų įrengta tinkama biologinė apsauga, kaip ir šiandieninis sarkofagas, tai katastrofa žmonijai būtų kainavusi daug pigiau.

Atominės elektrinės darbas.

Trumpai tariant, raboboa atrodo taip.

Atominė jėgainė. (spustelėti)

Siurblių pagalba patekus į reaktoriaus aktyvią zoną, vanduo pašildomas nuo 250 iki 300 laipsnių ir išeina iš „kitos reaktoriaus pusės“. Tai vadinama pirmąja kilpa. Tada jis eina į šilumokaitį, kur susitinka su antrąja grandine. Po to suslėgti garai patenka į turbinos mentes. Turbinos gamina elektros energiją.

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.

Kad suprastumėte, kaip veikia kontroliuojama branduolinė reakcija, turite žinoti, ką branduolinė reakcija iš viso.

branduolinė reakcija - tai atomų branduolių virsmo (skilimo) procesas jiems sąveikaujant su elementariosiomis dalelėmis ir gama kvantais.

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

Branduolinis reaktorius – Tai prietaisas, kurio paskirtis – 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 moksliniuose eksperimentuose. 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 kuris branduolinis reaktorius turi keletą dalių: šerdis Su kuro Ir moderatorius , neutronų reflektorius , aušinimo skystis , valdymo ir apsaugos sistema . Izotopai yra dažniausiai naudojamas kuras reaktoriuose. uranas (235, 238, 233), plutonio (239) ir torio (232). 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 tuo pačiu būdu kaip ir kitų tipų elektrinėse – garai suka turbiną, o judėjimo energija paverčiama elektros energija.

Žemiau pateikta branduolinio reaktoriaus veikimo schema.

Čia reikia paminėti neutronų dauginimo koeficientas . 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? Reaktoriuje kuras yra vadinamajame kuro elementai (TVELah). Tai yra lazdelės, kuriose mažų tablečių pavidalu branduolinis kuras . 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?

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.

Šiame straipsnyje mes bandėme pateikti jums bendrą supratimą apie branduolinio (atominio) reaktoriaus struktūrą ir veikimo principą. Jei turite klausimų šia tema arba universitetas uždavė branduolinės fizikos problemą, susisiekite mūsų įmonės specialistai. Mes, kaip įprasta, esame pasiruošę padėti išspręsti bet kokią aktualią studijų problemą. Tuo tarpu mes tai darome, jūsų dėmesys – dar vienas mokomasis vaizdo įrašas!

Populiarus kategorijoje: