Hva er hoveddelene i en atomreaktor? Atomkraftverk: hvordan det fungerer

Denne ubeskrivelige grå sylinderen er nøkkelleddet i den russiske atomindustrien. Selvfølgelig ser det ikke veldig presentabelt ut, men så snart du forstår formålet og ser på de tekniske egenskapene, begynner du å innse hvorfor staten vokter hemmeligheten bak opprettelsen og strukturen som øyets eple.

Ja, jeg glemte å introdusere: foran deg er en gassentrifuge for å separere uranisotoper VT-3F (n-te generasjon). Driftsprinsippet er elementært, som for en melkeseparator, tungt, under påvirkning av sentrifugalkraft, skilles fra lyset. Så hva er betydningen og unikheten?

Til å begynne med, la oss svare på et annet spørsmål - men generelt, hvorfor skille uran?

Naturlig uran, som ligger rett i bakken, er en cocktail av to isotoper: uran-238 Og uran-235(og 0,0054 % U-234).
Uran-238, det er bare tungt, grått metall. Du kan lage et artilleriskall av det, vel, eller ... en nøkkelring. Og her er hva du kan gjøre med uran-235? Vel, for det første en atombombe, og for det andre drivstoff til atomkraftverk. Og her kommer vi til nøkkelspørsmålet - hvordan skille disse to, nesten identiske atomene, fra hverandre? Nei, egentlig HVORDAN?!

Forresten: Radien til kjernen til uranatomet er 1,5 10 -8 cm.

For at uranatomer skal drives inn i den teknologiske kjeden, må det (uran) gjøres om til en gassform. Det er ingen vits i å koke, det er nok å kombinere uran med fluor og få uranheksafluorid HFC. Teknologien for produksjonen er ikke veldig komplisert og kostbar, og derfor HFC få akkurat der dette uranet er utvunnet. UF6 er den eneste svært flyktige uranforbindelsen (ved oppvarming til 53°C går heksafluorid (bildet) direkte fra fast til gassformig). Deretter pumpes den over i spesielle beholdere og sendes til anrikning.

Litt historie

Helt i begynnelsen av atomkappløpet mestret de største vitenskapelige sinnene, både USSR og USA, ideen om diffusjonsseparasjon - å føre uran gjennom en sil. Liten 235 isotopen vil gli, og den "tykke" 238 sette seg fast. Og å lage en sil med nanohull for den sovjetiske industrien i 1946 var ikke den vanskeligste oppgaven.

Fra rapporten til Isaac Konstantinovich Kikoin ved Det vitenskapelige og tekniske rådet under Council of People's Commissars (gitt i samlingen av deklassifisert materiale om USSR-atomprosjektet (Ed. Ryabev)): For tiden har vi lært å lage masker med hull på ca 5/1000 mm, dvs. 50 ganger den gjennomsnittlige frie banen til molekyler ved atmosfærisk trykk. Derfor må gasstrykket som isotopseparasjon på slike nett vil finne sted være mindre enn 1/50 av atmosfærisk trykk. I praksis regner vi med å jobbe ved et trykk på ca 0,01 atmosfærer, dvs. under gode vakuumforhold. Beregningen viser at for å få et produkt anriket til en konsentrasjon på 90 % i en lett isotop (en slik konsentrasjon er tilstrekkelig for å få et eksplosiv), må ca 2000 slike trinn kobles sammen i en kaskade. I maskinen designet og delvis produsert av oss, forventes den å produsere 75-100 g uran-235 per dag. Installasjonen vil bestå av cirka 80-100 «kolonner», som hver vil inneholde 20-25 trinn.

Nedenfor er et dokument - Berias rapport til Stalin om forberedelsene til den første atomeksplosjonen. Nedenfor er en liten referanse til de akkumulerte kjernefysiske materialene ved begynnelsen av sommeren 1949.

Og forestill deg nå - 2000 heftige installasjoner, for noen 100 grams skyld! Vel, hvor du skal dra, er det nødvendig med bomber. Og de begynte å bygge fabrikker, og ikke bare fabrikker, men hele byer. Og ok, bare byer, disse diffusjonsanleggene krevde så mye strøm at de måtte bygge separate kraftverk i nærheten.

I USSR ble første trinn D-1 av anlegg nr. 813 designet for en total produksjon på 140 gram 92-93% uran-235 per dag i 2 kaskader av 3100 separasjonstrinn som er identiske i kraft. Et uferdig flyanlegg i landsbyen Verkh-Neyvinsk, som ligger 60 km fra Sverdlovsk, ble tildelt produksjon. Senere ble det til Sverdlovsk-44, og det 813. anlegget (bildet) til Ural elektrokjemisk anlegg - verdens største skilleproduksjon.

Og selv om teknologien for diffusjonsseparasjon, om enn med store teknologiske vanskeligheter, ble feilsøkt, forlot ikke ideen om å mestre en mer økonomisk sentrifugalprosess agendaen. Tross alt, hvis du klarer å lage en sentrifuge, vil energiforbruket reduseres fra 20 til 50 ganger!

Hvordan er en sentrifuge satt opp?

Den er ordnet mer enn elementært og ser ut som den gamle. vaskemaskin opererer i "spinn / tørr"-modus. I et forseglet foringsrør er en roterende rotor. Denne rotoren er forsynt med gass (UF6). På grunn av sentrifugalkraften, hundretusenvis av ganger større enn jordens gravitasjonsfelt, begynner gassen å skille seg i «tunge» og «lette» fraksjoner. Lette og tunge molekyler begynner å gruppere seg i forskjellige soner av rotoren, men ikke i midten og langs omkretsen, men på toppen og bunnen.

Dette skjer på grunn av konveksjonsstrømmer - rotordekslet varmes opp og det oppstår en tilbakestrømning av gass. På toppen og bunnen av sylinderen er det to små rør - inntaket. En utarmet blanding kommer inn i det nedre røret, en blanding med en høyere konsentrasjon av atomer kommer inn i det øvre røret 235U. Denne blandingen går inn i neste sentrifuge, og så videre, til konsentrasjonen 235 uran vil ikke nå ønsket verdi. En kjede av sentrifuger kalles en kaskade.

Tekniske funksjoner.

Vel, for det første, rotasjonshastigheten - y moderne generasjon sentrifuger, når den 2000 rpm (jeg vet ikke engang hva jeg skal sammenligne med ... 10 ganger raskere enn en turbin i en flymotor)! Og det har fungert uavbrutt i TRE TIDER av år! De. nå snurrer sentrifugene som ble slått på under Bresjnev i kaskader! USSR eksisterer ikke lenger, men de fortsetter å snurre og snurre. Det er ikke vanskelig å beregne at rotoren under sin arbeidssyklus gjør 2.000.000.000.000 (to billioner) omdreininger. Og hva slags lager kan takle det? Ja, ingen! Det er ingen lagre.

Selve rotoren er en vanlig topp, nederst har den en kraftig nål som hviler på et korundaksiallager, og den øvre enden henger i et vakuum, holdt av et elektromagnetisk felt. Nålen er heller ikke enkel, laget av vanlig tråd for pianostrenger, den er herdet på en veldig kinkig måte (hva - GT). Det er ikke vanskelig å forestille seg at med en så frenetisk rotasjonshastighet må selve sentrifugen ikke bare være holdbar, men supersterk.

Akademiker Joseph Friedlander husker: «Tre ganger kunne de ha blitt skutt. En gang, da vi allerede hadde mottatt Leninprisen, skjedde det en stor ulykke, lokket på sentrifugen fløy av. Biter spredt, ødela andre sentrifuger. En radioaktiv sky har reist seg. Jeg måtte stoppe hele linjen - en kilometer med installasjoner! I Sredmash ble sentrifuger kommandert av general Zverev, før atomprosjektet jobbet han i avdelingen i Beria. Generalen på møtet sa: «Situasjonen er kritisk. Forsvaret av landet er truet. Hvis vi ikke retter opp situasjonen raskt, vil det 37. året gjenta seg for deg. Og umiddelbart ble møtet avsluttet. Vi kom da opp med helt ny teknologi med en helt isotrop ensartet lokkstruktur, men det var nødvendig med svært komplekse oppsett. Siden den gang har disse omslagene blitt produsert. Det var ikke flere problemer. Det er 3 anrikningsanlegg i Russland, mange hundre tusen sentrifuger.
På bildet: tester av den første generasjonen sentrifuger

Rotorkassene var også metall i begynnelsen, helt til de ble erstattet av ... karbonfiber. Lett og ekstremt rivebestandig, det er et ideelt materiale for en roterende sylinder.

Generaldirektør for UEIP (2009-2012) Alexander Kurkin husker: "Det ble latterlig. Ved testing og testing av en ny, mer "roterende" generasjon sentrifuger, ventet ikke en av de ansatte på at rotoren skulle stoppe helt, koblet den fra kaskaden og bestemte seg for å overføre den til stativet i armene. Men i stedet for å bevege seg fremover, uansett hvor hardt han gjorde motstand, omfavnet han denne sylinderen og begynte å bevege seg bakover. Så vi så med egne øyne at jorden roterer, og gyroskopet er en stor kraft."

Hvem oppfant?

Å, det er et mysterium gjennomsyret av mystikk og innhyllet i uklarhet. Her har du tyske fangede fysikere, CIA, SMERSH-offiserer og til og med den nedstyrte spionpiloten Powers. Generelt ble prinsippet for en gassentrifuge beskrevet på slutten av 1800-tallet.

Selv ved begynnelsen av Atomic Project foreslo Viktor Sergeev, ingeniør ved Special Design Bureau of Kirov Plant, en sentrifugal separasjonsmetode, men først godkjente ikke kollegene hans ideen hans. Samtidig kjempet forskere fra det beseirede Tyskland om opprettelsen av en separasjonssentrifuge i en spesiell NII-5 i Sukhumi: Dr. Max Steenbeck, som jobbet under Hitler som sjefsingeniør i Siemens, og Gernot Zippe, en tidligere Luftwaffe-mekaniker. , utdannet ved universitetet i Wien. Totalt omfattet gruppen rundt 300 «eksporterte» fysikere.

Aleksey Kaliteevsky, generaldirektør for CJSC Centrotech-SPb i State Corporation Rosatom, husker: «Våre eksperter kom til den konklusjon at den tyske sentrifugen er absolutt uegnet for industriell produksjon. Steenbeck-apparatet hadde ikke et system for å overføre det delvis anrikede produktet til neste trinn. Det ble foreslått å avkjøle endene av lokket og fryse gassen, og deretter fryse den opp, samle den og sette den i neste sentrifuge. Det vil si at ordningen ikke fungerer. Prosjektet hadde imidlertid noen svært interessante og uvanlige tekniske løsninger. Disse "interessante og uvanlige løsningene" ble kombinert med resultatene oppnådd av sovjetiske forskere, spesielt med forslagene til Viktor Sergeev. Relativt sett er vår kompakte sentrifuge en tredjedel frukten av tysk tanke, og to tredjedeler av sovjetisk tanke.» Forresten, da Sergeev kom til Abkhasia og uttrykte til samme Steenbeck og Zippe sine tanker om valget av uran, avfeide Steenbeck og Zippe dem som urealiserbare.

Så hva fant Sergeyev på.

Og Sergeyevs forslag var å lage gassprøvetakingsenheter i form av Pitot-rør. Men Dr. Steenbeck, som, som han trodde, spiste tennene sine på dette emnet, var kategorisk: "De vil bremse strømmen, forårsake turbulens, og det vil ikke være noen separasjon!" Mange år senere, mens han jobber med memoarene sine, vil han angre: «En idé som er verdig å komme fra oss! Men det gikk ikke opp i hodet mitt..."

Senere, da han var utenfor USSR, handlet ikke Steenbeck lenger med sentrifuger. Men Geront Zippe, før han dro til Tyskland, hadde muligheten til å bli kjent med prototypen til Sergeyevs sentrifuge og det genialt enkle prinsippet for dens drift. En gang i Vesten patenterte «utspekulerte Zippe», som han ofte ble kalt, utformingen av sentrifugen under sitt eget navn (patent nr. 1071597 av 1957, under behandling i 13 land). I 1957, etter å ha flyttet til USA, bygde Zippe en fungerende installasjon der, og reproduserte Sergeevs prototype fra minnet. Og han kalte det, la oss hylle, «russisk sentrifuge» (bildet).

Russisk ingeniørkunst har forresten vist seg i mange andre saker. Et eksempel er den elementære nødstengeventilen. Det er ingen sensorer, detektorer og elektroniske kretser. Det er bare en samovarkran, som med kronbladet berører kaskadens ramme. Hvis noe går galt, og sentrifugen endrer posisjon i rommet, snur den ganske enkelt og lukker innløpsledningen. Det er som i en vits om en amerikansk penn og en russisk blyant i verdensrommet.

Dagene våre

Denne uken var forfatteren av disse linjene til stede ved en betydelig begivenhet - stengingen av det russiske kontoret for observatører ved det amerikanske energidepartementet under kontrakten HEU-LEU. Denne avtalen (høyanriket uran-lavanriket uran) var, og er fortsatt, den største kjernekraftavtalen mellom Russland og Amerika. I henhold til vilkårene i kontrakten behandlet russiske kjernefysikere 500 tonn av vårt våpenkvalitetsuran (90 %) til drivstoff (4 %) HFC-er for amerikanske atomkraftverk. Inntektene for 1993-2009 utgjorde 8,8 milliarder amerikanske dollar. Dette var det logiske resultatet av det teknologiske gjennombruddet til våre kjernefysiske forskere innen isotopseparasjon, gjort i etterkrigsårene.
På bildet: kaskader av gassentrifuger i et av UEIP-verkstedene. Det er rundt 100 000 av dem her.

Takket være sentrifuger har vi mottatt tusenvis av tonn relativt billige, både militære og kommersielle produkter. Atomindustrien, en av de få gjenværende (militær luftfart, romfart), der Russland har ubestridt overlegenhet. Kun utenlandske bestillinger for ti år fremover (fra 2013 til 2022), Rosatoms portefølje ekskludert kontrakten HEU-LEU er 69,3 milliarder dollar. I 2011 passerte det 50 milliarder ...
På bildet, et lager av containere med HFC ved UEIP.

Den 28. september 1942 ble Statens forsvarskomités resolusjon nr. 2352ss «Om organiseringen av arbeidet med uran» vedtatt. Denne datoen regnes som den offisielle begynnelsen på historien til atomindustrien i Russland.

I dag skal vi gjøre en kort reise inn i kjernefysikkens verden. Temaet for vår ekskursjon vil være en atomreaktor. Du vil lære hvordan den fungerer, hvilke fysiske prinsipper som ligger til grunn for driften og hvor denne enheten brukes.

Kjernekraftens fødsel

Verdens første atomreaktor ble bygget i 1942 i USA. eksperimentell gruppe fysikere ledet av prisvinneren Nobel pris Enrico Fermi. Samtidig gjennomførte de en selvopprettholdende uranfisjonsreaksjon. Atomånden er sluppet ut.

Den første sovjetiske atomreaktoren ble skutt opp i 1946, og 8 år senere ga verdens første atomkraftverk i byen Obninsk strøm. Den ledende vitenskapelige veilederen for arbeidet i kjernekraftindustrien i Sovjetunionen var en fremragende fysiker Igor Vasilievich Kurchatov.

Siden den gang har flere generasjoner atomreaktorer endret seg, men hovedelementene i utformingen har forblitt uendret.

Anatomien til en atomreaktor

Dette kjernefysiske anlegget er en tykkvegget ståltank med en sylindrisk kapasitet som strekker seg fra noen få kubikkcentimeter til mange kubikkmeter.

Inne i denne sylinderen er det aller helligste - reaktorkjerne. Det er her kjedereaksjonen av fisjon av kjernebrensel finner sted.

La oss se hvordan denne prosessen foregår.

Kjernene til tunge grunnstoffer, spesielt Uran-235 (U-235), under påvirkning av et lite energitrykk er de i stand til å falle fra hverandre i 2 fragmenter med omtrent lik masse. Årsaken til denne prosessen er nøytronet.

Fragmenter er oftest barium- og kryptonkjerner. Hver av dem har en positiv ladning, så kreftene til Coulomb-avstøtingen tvinger dem til å spre seg i forskjellige retninger med en hastighet på omtrent 1/30 av lysets hastighet. Disse fragmentene er bærere av kolossal kinetisk energi.

For praktisk bruk av energi er det nødvendig at frigjøringen er selvbærende. Kjedereaksjon, som det er snakk om er desto mer interessant fordi hver fisjonshendelse er ledsaget av utslipp av nye nøytroner. For ett innledende nøytron oppstår det i gjennomsnitt 2-3 nye nøytroner. Antall spaltbare urankjerner vokser som et snøskred, forårsaker frigjøring av enorm energi. Hvis denne prosessen ikke kontrolleres, vil det oppstå en atomeksplosjon. Det foregår i.

For å kontrollere antall nøytroner materialer som absorberer nøytroner blir introdusert i systemet, gir en jevn frigjøring av energi. Kadmium eller bor brukes som nøytronabsorbere.

Hvordan dempe og bruke den enorme kinetiske energien til fragmentene? Til disse formål brukes en kjølevæske, dvs. et spesielt medium som beveger seg der fragmentene bremses og varmes opp til ekstremt høye temperaturer. Et slikt medium kan være vanlig eller tungt vann, flytende metaller (natrium), samt noen gasser. For ikke å forårsake overgang av kjølevæsken til en damptilstand, høyt trykk opprettholdes i kjernen (opptil 160 atm). Av denne grunn er veggene til reaktoren laget av ti centimeter stål av spesielle kvaliteter.

Hvis nøytronene flyr ut av kjernebrenselet, kan kjedereaksjonen avbrytes. Derfor er det en kritisk masse av spaltbart materiale, dvs. dens minste masse som en kjedereaksjon vil opprettholdes ved. Det avhenger av ulike parametere, inkludert tilstedeværelsen av en reflektor som omgir reaktorkjernen. Det tjener til å forhindre lekkasje av nøytroner til miljøet. Det vanligste materialet for dette strukturelle elementet er grafitt.

Prosessene som foregår i reaktoren er ledsaget av frigjøring av den farligste typen stråling - gammastråling. For å minimere denne faren gir den anti-strålingsbeskyttelse.

Hvordan en atomreaktor fungerer

Kjernebrensel, kalt brenselelementer, plasseres i reaktorkjernen. De er tabletter laget av et spaltbart materiale og pakket i tynne rør som er omtrent 3,5 m lange og 10 mm i diameter.

Hundrevis av brenselelementer av samme type er plassert i kjernen, og de blir kilder til termisk energi som frigjøres under kjedereaksjonen. Kjølevæsken som vasker drivstoffstavene danner den første kretsen i reaktoren.

Oppvarmet til høye parametere pumpes den til dampgeneratoren, hvor den overfører energien sin til vannet i sekundærkretsen og gjør den til damp. Den resulterende dampen roterer turbingeneratoren. Elektrisiteten som genereres av denne enheten, overføres til forbrukeren. Og eksosdampen, avkjølt av vann fra kjøledammen, i form av kondensat, returneres til dampgeneratoren. Syklusen lukkes.

En slik to-krets operasjon av en kjernefysisk installasjon utelukker penetrering av stråling som følger med prosessene som skjer i kjernen utenfor dens grenser.

Så en kjede av energitransformasjoner finner sted i reaktoren: kjerneenergien til det spaltbare materialet → til den kinetiske energien til fragmenter → den termiske energien til kjølevæsken → den kinetiske energien til turbinen → og til elektrisk energi i generatoren.

Det uunngåelige tapet av energi fører til det faktum at Effektiviteten til kjernekraftverk er relativt lav, 33-34 %.

I tillegg til å generere elektrisk energi ved kjernekraftverk, brukes kjernefysiske reaktorer til å produsere ulike radioaktive isotoper, for forskning innen mange industriområder og for å studere de tillatte parameterne til industrielle reaktorer. Transportreaktorer, som gir energi til kjøretøymotorer, blir mer og mer utbredt.

Typer atomreaktorer

Vanligvis kjører atomreaktorer på uran U-235. Imidlertid er innholdet i naturmateriale ekstremt lavt, bare 0,7%. Hovedmassen av naturlig uran er U-238 isotopen. En kjedereaksjon i U-235 kan bare forårsakes av langsomme nøytroner, og U-238-isotopen spaltes kun av raske nøytroner. Som et resultat av kjernefysisk fisjon blir både langsomme og raske nøytroner født. Raske nøytroner, som opplever retardasjon i kjølevæsken (vann), blir trege. Men mengden av U-235 isotopen i naturlig uran er så liten at det er nødvendig å ty til anrikningen, noe som bringer konsentrasjonen til 3-5%. Denne prosessen er svært kostbar og økonomisk ufordelaktig. I tillegg utmattelsestid naturlige ressurser denne isotopen anslås å være bare 100-120 år gammel.

Derfor i atomindustrien det er en gradvis overgang til reaktorer som opererer på raske nøytroner.

Hovedforskjellen deres er at flytende metaller brukes som kjølevæske, som ikke bremser nøytroner, og U-238 brukes som kjernebrensel. Kjernene til denne isotopen går gjennom en kjede av kjernefysiske transformasjoner til Plutonium-239, som er gjenstand for en kjedereaksjon på samme måte som U-235. Det vil si at det er en reproduksjon av kjernebrensel, og i en mengde som overstiger forbruket.

Ifølge eksperter Uran-238 isotopreserver skal vare i 3000 år. Denne tiden er ganske nok til at menneskeheten har nok tid til å utvikle andre teknologier.

Problemer med bruk av kjernekraft

Sammen med de åpenbare fordelene med kjernekraft kan ikke omfanget av problemene knyttet til driften av kjernefysiske anlegg undervurderes.

Den første av disse er deponering av radioaktivt avfall og demontert utstyr kjernekraft. Disse elementene har en aktiv strålingsbakgrunn, som vedvarer i lang tid. For deponering av dette avfallet brukes spesielle blybeholdere. De skal begraves i permafrostområder på opptil 600 meters dyp. Derfor arbeides det hele tiden med å finne en måte å behandle radioaktivt avfall på, som skal løse problemet med deponering og bidra til å bevare økologien til planeten vår.

Det andre store problemet er sikre sikkerhet under drift av NPP. Store ulykker som Tsjernobyl kan ta unna mye av menneskeliv og avvikle store områder.

Ulykken ved det japanske atomkraftverket «Fukushima-1» bekreftet bare den potensielle faren som viser seg ved en nødsituasjon ved atomanlegg.

Mulighetene for kjernekraft er imidlertid så store at miljøproblemene viker i bakgrunnen.

I dag har menneskeheten ingen annen måte å tilfredsstille den stadig økende energisulten. Grunnlaget for fremtidens kjernekraftindustri vil trolig være «raske» reaktorer med funksjon som avl av kjernebrensel.

Hvis denne meldingen var nyttig for deg, ville jeg bli glad for å se deg

På midten av det tjuende århundre ble menneskehetens oppmerksomhet rettet mot atomet og forskernes forklaring på atomreaksjonen, som de først bestemte seg for å bruke til militære formål, og oppfant de første atombombene under Manhattan-prosjektet. Men på 50-tallet av XX-tallet ble en atomreaktor i USSR brukt til fredelige formål. Det er velkjent at den 27. juni 1954 gikk verdens første atomkraftverk med en kapasitet på 5000 kW i tjeneste for menneskeheten. I dag kan en atomreaktor generere strøm på 4000 MW eller mer, det vil si 800 ganger mer enn for et halvt århundre siden.

Hva er en atomreaktor: grunnleggende definisjon og hovedkomponenter i enheten

En atomreaktor er en spesialenhet ved hjelp av hvilken energi genereres som følge av riktig vedlikehold av en kontrollert atomreaksjon. Bruk av ordet "atomic" i kombinasjon med ordet "reaktor" er tillatt. Mange anser generelt begrepene "atomkraft" og "atomkraft" for å være synonyme, siden de ikke finner en grunnleggende forskjell mellom dem. Men representanter for vitenskapen er tilbøyelige til en mer korrekt kombinasjon - "atomreaktor".

Interessant faktum! Kjernereaksjoner kan fortsette med frigjøring eller absorpsjon av energi.

Hovedkomponentene i enheten til en atomreaktor er følgende elementer:

• Moderator;
• Kontroll stenger;
• Staver som inneholder en anriket blanding av uranisotoper;
• Spesielle beskyttelseselementer mot stråling;
• Kjølevæske;
• damp-generator;
• Turbin;
• Generator;
• Kondensator;
• Kjernebrensel.

Hva er de grunnleggende prinsippene for driften av en atomreaktor bestemt av fysikere og hvorfor er de urokkelige

Det grunnleggende prinsippet for driften av en atomreaktor er basert på egenskapene til manifestasjonen av en atomreaksjon. I øyeblikket av en standard fysisk kjede kjernefysisk prosess, samhandler partikkelen med atomkjernen, som et resultat, blir kjernen til en ny med frigjøring av sekundære partikler, som forskerne kaller gamma quanta. Under en kjernefysisk kjedereaksjon frigjøres en enorm mengde termisk energi. Rommet der kjedereaksjonen finner sted kalles reaktorkjernen.

Interessant faktum! Den aktive sonen ligner utad en kjele som vanlig vann strømmer gjennom, som fungerer som kjølevæske.

For å forhindre tap av nøytroner er reaktorkjerneområdet omgitt av en spesiell nøytronreflektor. Dens primære oppgave er å avvise de fleste av de emitterte nøytronene inn i kjernen. Reflektoren er vanligvis det samme stoffet som fungerer som moderator.

Hovedkontrollen av en atomreaktor skjer ved hjelp av spesielle kontrollstaver. Det er kjent at disse stengene innføres i reaktorkjernen og skaper alle betingelser for driften av enheten. Vanligvis er kontrollstenger laget av kjemiske forbindelser bor og kadmium. Hvorfor brukes disse elementene? Ja, alt fordi bor eller kadmium er i stand til effektivt å absorbere termiske nøytroner. Og så snart lanseringen er planlagt, i henhold til prinsippet om drift av en atomreaktor, introduseres kontrollstenger i kjernen. Deres primære oppgave er å absorbere en betydelig del av nøytronene, og dermed provosere utviklingen av en kjedereaksjon. Resultatet skal nå ønsket nivå. Når effekten øker over det innstilte nivået, slås automatiske maskiner på, som nødvendigvis senker kontrollstengene dypt inn i reaktorkjernen.

Dermed blir det klart at kontroll- eller kontrollstaver spiller en viktig rolle i driften av en termisk atomreaktor.

Og for å redusere lekkasjen av nøytroner er reaktorkjernen omgitt av en nøytronreflektor som kaster en betydelig masse fritt utsendte nøytroner inn i kjernen. I betydningen reflektor brukes vanligvis samme stoff som for moderator.

I følge standarden har atomkjernen til moderatorstoffet en relativt liten masse, slik at når den kolliderer med en lett kjerne, mister nøytronet som er tilstede i kjeden mer energi enn når det kolliderer med en tung. De vanligste moderatorene er vanlig vann eller grafitt.

Interessant faktum! Nøytroner i ferd med en kjernefysisk reaksjon er preget av en ekstremt høy bevegelseshastighet, og derfor kreves det en moderator som presser nøytronene til å miste noe av energien.

Ikke en eneste reaktor i verden kan fungere normalt uten hjelp av en kjølevæske, siden dens formål er å fjerne energien som genereres i hjertet av reaktoren. Som kjølevæske brukes nødvendigvis væske eller gasser, siden de ikke er i stand til å absorbere nøytroner. La oss gi et eksempel på et kjølemiddel for en kompakt atomreaktor - vann, karbondioksid og noen ganger til og med flytende metallisk natrium.

Dermed er prinsippene for drift av en atomreaktor helt basert på lovene for en kjedereaksjon, dens forløp. Alle komponenter i reaktoren - moderator, stenger, kjølevæske, kjernebrensel - utfører oppgavene sine, noe som forårsaker normal drift av reaktoren.

Hvilket brensel som brukes til atomreaktorer og hvorfor akkurat disse kjemiske elementene er valgt

Hovedbrenselet i reaktorer kan være uranisotoper, også plutonium eller thorium.

Tilbake i 1934 la F. Joliot-Curie, som observerte prosessen med fisjon av urankjernen, at som et resultat kjemisk reaksjon urankjernen er delt inn i fragmenter-kjerner og to eller tre frie nøytroner. Og dette betyr at det er en mulighet for at frie nøytroner vil slutte seg til andre urankjerner og provosere frem en ny fisjon. Og så, som kjedereaksjonen forutsier: seks til ni nøytroner vil bli frigjort fra tre urankjerner, og de vil igjen slutte seg til de nydannede kjernene. Og så videre i det uendelige.

Viktig å huske! Nøytronene som oppstår under kjernefysisk fisjon er i stand til å provosere fisjon av kjerner i uranisotopen med et massetall på 235, og for ødeleggelse av kjerner i uranisotopen med et massetall på 238 kan det oppstå lite energi i forfallsprosessen.

Uran nummer 235 er sjelden i naturen. Den utgjør bare 0,7%, men naturlig uran-238 opptar en mer romslig nisje og utgjør 99,3%.

Til tross for en så liten andel av uran-235 i naturen, kan fysikere og kjemikere fortsatt ikke nekte det, fordi det er det mest effektive for driften av en atomreaktor, og reduserer kostnadene for å skaffe energi for menneskeheten.

Når dukket de første atomreaktorene opp og hvor brukes de i dag

Tilbake i 1919 seiret fysikere allerede da Rutherford oppdaget og beskrev prosessen med dannelse av bevegelige protoner som et resultat av kollisjonen av alfapartikler med kjernene til nitrogenatomer. Denne oppdagelsen betydde at kjernen til nitrogenisotopen, som følge av en kollisjon med en alfapartikkel, ble til kjernen til en oksygenisotop.

Før de første atomreaktorene dukket opp, lærte verden flere nye fysikklover som omhandlet alle viktige aspekter ved en atomreaksjon. Så i 1934 tilbød F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky for første gang samfunnet og kretsen av verdensforskere en teoretisk antagelse og bevisgrunnlag om muligheten for kjernefysiske reaksjoner. Alle eksperimenter var relatert til observasjonen av fisjon av urankjernen.

I 1939 sporet E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch reaksjonen av fisjon av urankjerner under bombardementet med nøytroner. I løpet av forskningen har forskere funnet ut at når ett akselerert nøytron kommer inn i urankjernen, deles den eksisterende kjernen i to eller tre deler.

Kjedereaksjonen ble praktisk talt bevist på midten av 1900-tallet. I 1939 klarte forskere å bevise at fisjon av en urankjerne frigjør omtrent 200 MeV energi. Men omtrent 165 MeV er allokert til den kinetiske energien til fragmentkjernene, og resten tar med seg gammakvanter. Denne oppdagelsen gjorde et gjennombrudd innen kvantefysikk.

E. Fermi fortsetter arbeid og forskning i flere år og lanserer den første atomreaktoren i 1942 i USA. Det legemliggjorte prosjektet ble kalt - "Chicago woodpile" og ble satt på skinnene. 5. september 1945 lanserte Canada sin ZEEP-atomreaktor. Det europeiske kontinentet sakket ikke etter, og samtidig ble F-1-installasjonen bygget. Og for russerne er det en annen minneverdig dato - den 25. desember 1946 lanseres en reaktor i Moskva under ledelse av I. Kurchatov. Dette var ikke de kraftigste atomreaktorene, men dette var begynnelsen på menneskets utvikling av atomet.

For fredelige formål ble en vitenskapelig atomreaktor opprettet i 1954 i USSR. Verdens første fredelige skip med atomkraftverk, Lenins atomisbryter, ble bygget i Sovjetunionen i 1959. Og en annen prestasjon av staten vår er atomisbryteren Arktika. Dette overflateskipet nådde Nordpolen for første gang i verden. Det skjedde i 1975.

De første bærbare atomreaktorene opererte på langsomme nøytroner.

Hvor brukes atomreaktorer og hvilke typer bruker menneskeheten

• Industrielle reaktorer. De brukes til å generere energi ved atomkraftverk.
• Atomreaktorer som fungerer som fremdrift av atomubåter.
• Eksperimentelle (bærbare, små) reaktorer. Uten dem, ikke en eneste moderne vitenskapelig erfaring eller forskning.

I dag har vitenskapelig lys lært seg å avsalte ved hjelp av spesielle reaktorer sjøvannå gi befolkningen kvalitet drikker vann. Det er mange atomreaktorer i drift i Russland. Så ifølge statistikken, fra 2018, opererer rundt 37 blokker i staten.

Og i henhold til klassifiseringen kan de være som følger:

• Forskning (historisk). Disse inkluderer F-1-stasjonen, som ble opprettet som et forsøkssted for produksjon av plutonium. I.V. Kurchatov jobbet på F-1, overvåket den første fysiske reaktoren.
• Forskning (aktiv).
• Armory. Som et eksempel på reaktoren - A-1, som gikk over i historien som den første reaktoren med kjøling. Den tidligere kraften til en atomreaktor er liten, men funksjonell.
• Energi.
• Skip. Det er kjent at på skip og ubåter, av nødvendighet og teknisk gjennomførbarhet, brukes vannkjølte eller flytende metallreaktorer.
• Rom. Som et eksempel, la oss kalle Yenisei-installasjonen på romfartøy, som kommer i aksjon hvis det er nødvendig å utvinne en ekstra mengde energi, og den må skaffes ved å bruke solcellepaneler og isotopkilder.

Dermed er emnet for atomreaktorer ganske utvidet, derfor krever det en dyp studie og forståelse av kvantefysikkens lover. Men betydningen av kjernefysiske reaktorer for kraftindustrien og statens økonomi er allerede, uten tvil, belyst med en aura av nytte og fordeler.

Til vanlig person moderne høyteknologiske enheter er så mystiske og mystiske at det er helt riktig å tilbe dem, ettersom de gamle tilba lyn. Skoletimer fysikere, fulle av matematiske beregninger, løser ikke problemet. Men det er interessant å fortelle selv om en atomreaktor, hvis driftsprinsipp er klart selv for en tenåring.

Hvordan fungerer en atomreaktor?

Prinsippet for driften av denne høyteknologiske enheten er som følger:

1. Når et nøytron absorberes, kjernebrensel (oftest dette uran-235 eller plutonium-239) delingen av atomkjernen skjer;
2. Kinetisk energi, gammastråling og frie nøytroner frigjøres;
3. Kinetisk energi omdannes til termisk energi (når kjerner kolliderer med omkringliggende atomer), gammastråling absorberes av selve reaktoren og omdannes også til varme;
4. Noen av de genererte nøytronene absorberes av brenselatomene, noe som forårsaker en kjedereaksjon. For å kontrollere det brukes nøytronabsorbere og moderatorer;
5. Ved hjelp av et kjølemiddel (vann, gass eller flytende natrium) fjernes varme fra reaksjonsstedet;
6. Trykksatt damp fra oppvarmet vann brukes til å drive dampturbiner;
7. Ved hjelp av en generator omdannes den mekaniske energien til turbinenes rotasjon til elektrisk vekselstrøm.

Tilnærminger til klassifisering

Det kan være mange årsaker til typologien til reaktorer:

• Etter type kjernefysisk reaksjon. Fisjon (alle kommersielle installasjoner) eller fusjon (termonukleær kraft, er utbredt bare i enkelte forskningsinstitutter);
• Ved kjølevæske. I de aller fleste tilfeller brukes vann (kokende eller tungt) til dette formålet. Noen ganger brukes alternative løsninger: flytende metall (natrium, bly-vismutlegering, kvikksølv), gass (helium, karbondioksid eller nitrogen), smeltet salt (fluoridsalter);
• Etter generasjon. Den første er de tidlige prototypene, som ikke ga noen kommersiell mening. Det andre er flertallet av de nåværende atomkraftverkene som ble bygget før 1996. Den tredje generasjonen skiller seg fra den forrige bare i mindre forbedringer. Arbeidet med fjerde generasjon pågår fortsatt;
• I henhold til aggregert tilstand drivstoff (gass eksisterer fortsatt bare på papir);
• Etter bruksformål(for produksjon av elektrisitet, motorstart, hydrogenproduksjon, avsalting, transmutasjon av grunnstoffer, oppnåelse av nevral stråling, teoretiske og etterforskningsformål).

Atomreaktoranordning

Hovedkomponentene til reaktorer i de fleste kraftverk er:

1. Kjernebrensel - et stoff som er nødvendig for produksjon av varme til kraftturbiner (vanligvis lavt anriket uran);
2. Den aktive sonen til atomreaktoren - det er her atomreaksjonen finner sted;
3. Nøytronmoderator - reduserer hastigheten til raske nøytroner, og gjør dem om til termiske nøytroner;
4. Startende nøytronkilde - brukes til pålitelig og stabil lansering av en kjernefysisk reaksjon;
5. Nøytronabsorber - tilgjengelig i noen kraftverk for å redusere den høye reaktiviteten til ferskt drivstoff;
6. Nøytronhaubits - brukes til å starte en reaksjon på nytt etter å ha blitt slått av;
7. Kjølevæske (renset vann);
8. Kontrollstenger - for å kontrollere fisjonshastigheten til uran- eller plutoniumkjerner;
9. Vannpumpe - pumper vann til dampkjelen;
10. Dampturbin - konverterer den termiske energien til damp til rotasjonsmekanisk energi;
11. Kjøletårn - en enhet for å fjerne overflødig varme i atmosfæren;
12. System for mottak og lagring av radioaktivt avfall;
13. Sikkerhetssystemer (nøddieselgeneratorer, enheter for nødkjernekjøling).

Hvordan de nyeste modellene fungerer

Den siste 4. generasjonen reaktorer vil være tilgjengelig for kommersiell drift tidligst i 2030. For øyeblikket er prinsippet og arrangementet av arbeidet deres på utviklingsstadiet. I henhold til gjeldende data vil disse modifikasjonene avvike fra eksisterende modeller i slike fordeler:

• Rask gasskjølesystem. Det antas at helium vil bli brukt som kjølevæske. I følge prosjektdokumentasjon, dermed er det mulig å avkjøle reaktorer med en temperatur på 850 °C. For å arbeide ved så høye temperaturer kreves det også spesifikke råvarer: komposittkeramiske materialer og aktinidforbindelser;
• Det er mulig å bruke bly eller en bly-vismut-legering som primær kjølevæske. Disse materialene har lav nøytronabsorpsjon og er relativt lav temperatur smelting;
• Også en blanding av smeltede salter kan brukes som hovedkjølevæske. Dermed vil det være mulig å arbeide ved høyere temperaturer enn moderne vannkjølte motparter.

Naturlige analoger i naturen

Atomreaktoren oppfattes som offentlig bevissthet utelukkende som et produkt av høyteknologi. Men faktisk den første enheten er av naturlig opprinnelse. Det ble oppdaget i Oklo-regionen, i den sentralafrikanske delstaten Gabon:

• Reaktoren ble dannet på grunn av oversvømmelsen av uranbergarter grunnvann. De fungerte som nøytronmoderatorer;
• Den termiske energien som frigjøres under nedbrytningen av uran gjør vann til damp, og kjedereaksjonen stopper;
• Etter at kjølevæsketemperaturen synker, gjentas alt igjen;
• Hvis væsken ikke hadde kokt av og stoppet reaksjonsforløpet, ville menneskeheten ha møtt en ny naturkatastrofe;
• Selvopprettholdende kjernefysisk fisjon begynte i denne reaktoren for omtrent halvannen milliard år siden. I løpet av denne tiden ble det tildelt omtrent 0,1 millioner watt utgangseffekt;
• Et slikt verdensunder på jorden er det eneste kjente. Utseendet til nye er umulig: andelen uran-235 i naturlige råvarer er mye lavere enn nivået som er nødvendig for å opprettholde en kjedereaksjon.

Hvor mange atomreaktorer er det i Sør-Korea?

Dårlig på naturressurser, men industrialisert og overbefolket, har Republikken Korea et stort behov for energi. På bakgrunn av Tysklands avvisning av det fredelige atomet, har dette landet store forhåpninger om å dempe atomteknologi:

• Det er planlagt at innen 2035 vil andelen elektrisitet generert av kjernekraftverk nå 60%, og den totale produksjonen - mer enn 40 gigawatt;
• Landet har ikke atomvåpen, men forskning innen kjernefysikk pågår. Koreanske forskere har utviklet design for moderne reaktorer: modulære, hydrogen, med flytende metall, etc.;
• Suksessen til lokale forskere lar deg selge teknologi i utlandet. Det er forventet at landet i løpet av de neste 15-20 årene vil eksportere 80 slike enheter;
• Men per i dag er de fleste atomkraftverkene bygget med bistand fra amerikanske eller franske forskere;
• Antallet driftsstasjoner er relativt lite (bare fire), men hver av dem har et betydelig antall reaktorer - 40 totalt, og dette tallet vil vokse.

Når det bombarderes med nøytroner, går kjernebrensel inn i en kjedereaksjon, som et resultat av at det genereres en enorm mengde varme. Vannet i systemet tar denne varmen og gjør den om til damp, som gjør turbiner som produserer strøm. Her er et enkelt diagram over driften av en atomreaktor, den kraftigste energikilden på jorden.

Video: hvordan atomreaktorer fungerer

I denne videoen vil kjernefysiker Vladimir Chaikin fortelle deg hvordan elektrisitet genereres i atomreaktorer, deres detaljerte struktur:

Sende

Hva er en atomreaktor?

En atomreaktor, tidligere kjent som en "atomkjele" er en enhet som brukes til å initiere og kontrollere en vedvarende kjernefysisk kjedereaksjon. Atomreaktorer brukes i kjernekraftverk for å generere elektrisitet og til skipsmotorer. Varmen fra kjernefysisk fisjon overføres til arbeidsfluidet (vann eller gass) som føres gjennom dampturbinene. Vann eller gass driver skipets blader eller roterer elektriske generatorer. Dampen som oppstår fra en kjernefysisk reaksjon kan i prinsippet brukes til termisk industri eller til fjernvarme. Noen reaktorer brukes til å produsere isotoper for medisinsk og industriell bruk eller til å produsere plutonium av våpenkvalitet. Noen av dem er kun for forskningsformål. I dag er det rundt 450 kjernekraftreaktorer som brukes til å generere elektrisitet i rundt 30 land rundt om i verden.

Prinsippet for drift av en atomreaktor

Akkurat som konvensjonelle kraftverk genererer elektrisitet ved å bruke den termiske energien som frigjøres fra brennende fossilt brensel, konverterer atomreaktorer energien som frigjøres ved kontrollert kjernefysisk fisjon til termisk energi for videre konvertering til mekaniske eller elektriske former.

Kjernefysisk fisjonsprosess

Når et betydelig antall råtnende atomkjerner (som uran-235 eller plutonium-239) absorberer et nøytron, kan prosessen med kjernefysisk forfall oppstå. En tung kjerne forfaller til to eller flere lette kjerner (fisjonsprodukter), og frigjør kinetisk energi, gammastråler og frie nøytroner. Noen av disse nøytronene kan senere absorberes av andre spaltbare atomer og forårsake ytterligere fisjon, som frigjør enda flere nøytroner, og så videre. Denne prosessen er kjent som en kjernefysisk kjedereaksjon.

For å kontrollere en slik kjernefysisk kjedereaksjon kan nøytronabsorbere og moderatorer endre andelen nøytroner som går i fisjon av flere kjerner. Atomreaktorer styres manuelt eller automatisk for å kunne stoppe henfallsreaksjonen når farlige situasjoner identifiseres.

Vanlig brukte nøytronfluksregulatorer er vanlig ("lett") vann (74,8 % av reaktorene i verden), fast grafitt (20 % av reaktorene) og "tungt" vann (5 % av reaktorene). I noen eksperimentelle typer reaktorer er det foreslått å bruke beryllium og hydrokarboner.

Varmeutvikling i en atomreaktor

Arbeidssonen til reaktoren genererer varme på flere måter:

• Den kinetiske energien til fisjonsproduktene omdannes til termisk energi når kjernene kolliderer med naboatomer.
• Reaktoren absorberer noe av gammastrålingen som produseres under fisjon og omdanner energien til varme.
• Varme genereres fra radioaktivt nedbrytning av fisjonsprodukter og de materialene som har blitt påvirket av nøytronabsorpsjon. Denne varmekilden vil forbli uendret i noen tid, selv etter at reaktoren er stengt.

Under kjernefysiske reaksjoner frigjør et kilo uran-235 (U-235) omtrent tre millioner ganger mer energi enn et kilo kull som forbrennes konvensjonelt (7,2 × 1013 joule per kilo uran-235 sammenlignet med 2,4 × 107 joule per kilo kull) ,

Kjølesystem for kjernefysisk reaktor

Kjølevæsken til en atomreaktor - vanligvis vann, men noen ganger gass, flytende metall (som flytende natrium) eller smeltet salt - sirkuleres rundt reaktorkjernen for å absorbere varmen som genereres. Varme fjernes fra reaktoren og brukes deretter til å generere damp. De fleste reaktorer bruker et kjølesystem som er fysisk isolert fra vannet som koker og genererer damp som brukes til turbiner, omtrent som en trykkvannsreaktor. Men i noen reaktorer kokes vann til dampturbiner direkte i reaktorkjernen; for eksempel i en trykkvannsreaktor.

Nøytronflukskontroll i reaktoren

Reaktoreffekten styres ved å kontrollere antall nøytroner som er i stand til å forårsake flere spaltninger.

Kontrollstaver som er laget av "nøytrongift" brukes til å absorbere nøytroner. Jo flere nøytroner som absorberes av kontrollstangen, jo færre nøytroner kan forårsake ytterligere fisjon. Nedsenking av absorpsjonsstavene dypt inn i reaktoren reduserer således dens utgangseffekt, og omvendt vil fjerning av kontrollstangen øke den.

På det første nivået av kontroll i alle atomreaktorer er forsinket utslipp av nøytroner fra en rekke nøytronanrikede fisjonsisotoper en viktig fysisk prosess. Disse forsinkede nøytronene utgjør omtrent 0,65 % av det totale antallet nøytroner som produseres under fisjon, mens resten (de såkalte "raske nøytronene") dannes umiddelbart under fisjon. Fisjonsproduktene som danner de forsinkede nøytronene har halveringstider som strekker seg fra millisekunder til flere minutter, og derfor tar det betydelig tid å nøyaktig bestemme når reaktoren når kritisk punkt. Å opprettholde reaktoren i en kjedereaktivitetsmodus, hvor forsinkede nøytroner er nødvendig for å nå kritisk masse, oppnås ved hjelp av mekaniske enheter eller menneskelig kontroll for å kontrollere kjedereaksjonen i "sanntid"; ellers ville tiden mellom å nå kritikalitet og smelting av kjernen i en atomreaktor som et resultat av den eksponentielle kraftbølgen i en normal kjernefysisk kjedereaksjon være for kort til å gripe inn. Dette siste trinn, der forsinkede nøytroner ikke lenger er nødvendig for å opprettholde kritikalitet, er kjent som umiddelbar kritikalitet. Det er en skala for å beskrive kritikalitet i numerisk form, der den opprinnelige kritikaliteten er indikert med begrepet "null dollar", det raske kritiske punktet som "én dollar", andre punkter i prosessen er interpolert i "cent".

I noen reaktorer fungerer kjølevæsken også som en nøytronmoderator. Moderatoren øker kraften til reaktoren ved at de raske nøytronene som frigjøres under fisjon mister energi og blir til termiske nøytroner. Termiske nøytroner er mer sannsynlig enn raske nøytroner for å forårsake fisjon. Hvis kjølevæsken også er en nøytronmoderator, kan endringer i temperatur påvirke tettheten til kjølevæsken/moderatoren og dermed endringen i reaktoreffekten. Jo høyere temperatur på kjølevæsken, jo mindre tett vil den være, og derfor mindre effektiv moderator.

I andre typer reaktorer fungerer kjølevæsken som en «nøytrongift», og absorberer nøytroner på samme måte som kontrollstaver. I disse reaktorene kan kraftuttaket økes ved å varme opp kjølevæsken, noe som gjør den mindre tett. Atomreaktorer har typisk automatiske og manuelle systemer for å stenge reaktoren for nødstans. Disse systemene legger store mengder "nøytrongift" (ofte bor i form av borsyre) inn i reaktoren for å stoppe fisjonsprosessen dersom farlige forhold oppdages eller mistenkes.

De fleste typer reaktorer er følsomme for en prosess kjent som "xenon pit" eller "jod pit". Et vanlig fisjonsprodukt, xenon-135, fungerer som en nøytronabsorber som forsøker å stenge reaktoren. Akkumuleringen av xenon-135 kan kontrolleres ved å opprettholde et høyt nok kraftnivå til å ødelegge det ved å absorbere nøytroner så raskt som det produseres. Fisjon resulterer også i dannelsen av jod-135, som igjen forfaller (med en halveringstid på 6,57 timer) for å danne xenon-135. Når reaktoren stenges, fortsetter jod-135 å forfalle og danne xenon-135, noe som gjør det vanskeligere å starte reaktoren på nytt i løpet av en dag eller to, ettersom xenon-135 forfaller og danner cesium-135, som ikke er en nøytronabsorber som xenon-135. 135, med en halveringstid på 9,2 timer. Denne midlertidige tilstanden er "jodgropen". Hvis reaktoren har tilstrekkelig ekstra kraft, kan den startes på nytt. Jo mer xenon-135 vil bli til xenon-136, som er mindre enn nøytronabsorberen, og i løpet av få timer opplever reaktoren det såkalte «xenon-utbrenningsstadiet». I tillegg må kontrollstaver settes inn i reaktoren for å kompensere for absorpsjonen av nøytroner for å erstatte det tapte xenon-135. Unnlatelse av å følge denne prosedyren var en nøkkelårsak til ulykken ved atomkraftverket i Tsjernobyl.

Reaktorer som brukes i marine atominstallasjoner (spesielt atomubåter) kan ofte ikke startes i kontinuerlig kraftmodus på samme måte som landbaserte kraftreaktorer. I tillegg må slike kraftverk ha lang driftstid uten å skifte drivstoff. Av denne grunn bruker mange design høyt anriket uran, men inneholder en brennbar nøytronabsorber i drivstoffstavene. Dette gjør det mulig å designe en reaktor med et overskudd av spaltbart materiale, som er relativt trygt i begynnelsen av utbrenningen av reaktorens brenselsyklus på grunn av tilstedeværelsen av nøytronabsorberende materiale, som senere erstattes av konvensjonelle langlivede nøytronabsorbere (mer holdbar enn xenon-135), som gradvis akkumuleres i løpet av reaktorens levetid.

Hvordan produseres elektrisitet?

Energien som genereres under fisjon genererer varme, hvorav noe kan omdannes til nyttig energi. Generell metode Bruken av denne termiske energien er å bruke den til å koke vann og produsere trykksatt damp, som igjen driver en dampturbin som driver en dynamo og genererer elektrisitet.

Historien om utseendet til de første reaktorene

Nøytroner ble oppdaget i 1932. Opplegget med en kjedereaksjon provosert av kjernefysiske reaksjoner som et resultat av eksponering for nøytroner ble først utført av den ungarske forskeren Leo Sillard i 1933. Han søkte patent på sin enkle reaktoridé i løpet av det neste året ved Admiralitetet i London. Szilards idé inkluderte imidlertid ikke teorien om kjernefysisk fisjon som en kilde til nøytroner, siden denne prosessen ennå ikke var oppdaget. Szilards ideer for kjernefysiske reaktorer ved bruk av en nøytronmediert kjernefysisk kjedereaksjon i lette elementer viste seg å være ubrukelige.

Drivkraften for etableringen av en ny type reaktor ved bruk av uran var oppdagelsen av Lise Meitner, Fritz Strassmann og Otto Hahn i 1938, som "bombarderte" uran med nøytroner (ved å bruke alfa-forfallsreaksjonen til beryllium, "nøytronpistolen") å danne barium, som, slik de trodde det stammet fra nedbrytningen av urankjerner. Senere studier tidlig i 1939 (Szilard og Fermi) viste at noen nøytroner også ble produsert under fisjon av atomet, og dette gjorde det mulig å gjennomføre en kjernefysisk kjedereaksjon, slik Szilard hadde forutsett seks år tidligere.

Den 2. august 1939 signerte Albert Einstein et brev skrevet av Szilard til president Franklin D. Roosevelt om at oppdagelsen av uran fisjon kunne føre til dannelsen av «ekstremt kraftige nye typer bomber». Dette satte fart på studiet av reaktorer og radioaktivt forfall. Szilard og Einstein kjente hverandre godt og jobbet sammen i mange år, men Einstein tenkte aldri på en slik mulighet for atomkraft før Szilard informerte ham, helt i begynnelsen av sin søken, om å skrive et Einstein-Szilard-brev for å advare oss regjeringen,

Kort tid etter, i 1939, invaderte Nazi-Tyskland Polen og startet andre verdenskrig i Europa. Offisielt var USA ennå ikke i krig, men i oktober, da Einstein-Szilard-brevet ble levert, bemerket Roosevelt at hensikten med studien var å sørge for at «nazistene ikke sprenger oss i luften». Det amerikanske atomprosjektet startet, om enn med en viss forsinkelse, ettersom skepsis forble (spesielt fra Fermi) og på grunn av det lille antallet myndighetspersoner som opprinnelig hadde tilsyn med prosjektet.

Året etter mottok den amerikanske regjeringen et Frisch-Peierls-memorandum fra Storbritannia om at mengden uran som trengs for å gjennomføre en kjedereaksjon var mye mindre enn tidligere antatt. Memorandumet ble laget med deltagelse av Maud Commity, som jobbet med atombombeprosjektet i Storbritannia, senere kjent under kodenavnet "Tube Alloys" (Tubular Alloys) og senere inkludert i Manhattan-prosjektet.

Til syvende og sist ble den første menneskeskapte atomreaktoren, kalt Chicago Woodpile 1, bygget ved University of Chicago av et team ledet av Enrico Fermi på slutten av 1942. På dette tidspunktet hadde USAs atomprogram allerede blitt fremskyndet av landets inntreden i krigen. «Chicago Woodpile» nådde et kritisk punkt 2. desember 1942 ved 15 timer 25 minutter. Rammen til reaktoren var av tre, og holdt sammen en stabel med grafittblokker (derav navnet) med nestede "briketter" eller "pseudosfærer" av naturlig uranoksid.

Fra og med 1943, kort tid etter opprettelsen av Chicago Woodpile, utviklet det amerikanske militæret en hel serie atomreaktorer for Manhattan-prosjektet. Hovedformålet med de største reaktorene (plassert i Hanford-komplekset i delstaten Washington) var masseproduksjon av plutonium til atomvåpen. Fermi og Szilard sendte inn en patentsøknad for reaktorene 19. desember 1944. Utstedelsen ble forsinket med 10 år på grunn av hemmelighold i krigstid.

"Verdens første" - denne inskripsjonen ble laget på stedet for EBR-I-reaktoren, som nå er et museum nær byen Arco, Idaho. Opprinnelig kalt "Chicago Woodpile-4", denne reaktoren ble bygget under ledelse av Walter Zinn for Aregonne National Laboratory. Denne eksperimentelle hurtigoppdrettsreaktoren sto til disposisjon for US Atomic Energy Commission. Reaktoren produserte 0,8 kW effekt i testing 20. desember 1951, og 100 kW effekt (elektrisk) dagen etter, med en designkapasitet på 200 kW (elektrisk effekt).

I tillegg til militær bruk av atomreaktorer, var det politiske grunner til å fortsette forskningen på atomenergi for fredelige formål. USAs president Dwight Eisenhower gjorde sitt kjent tale"Atomer for fred" på FNs generalforsamling 8. desember 1953 Dette diplomatiske grepet førte til spredningen av reaktorteknologi både i USA og rundt om i verden.

Det første atomkraftverket bygget for sivile formål var AM-1 atomkraftverket i Obninsk, lansert 27. juni 1954 i Sovjetunionen. Den produserte omtrent 5 MW elektrisk energi.

Etter andre verdenskrig så det amerikanske militæret etter andre bruksområder for atomreaktorteknologi. Studier utført i Hæren og Luftforsvaret ble ikke implementert; Den amerikanske marinen var imidlertid vellykket med oppskytingen av atomubåten USS Nautilus (SSN-571) 17. januar 1955.

Det første kommersielle kjernekraftverket (Calder Hall i Sellafield, England) åpnet i 1956 med en opprinnelig kapasitet på 50 MW (senere 200 MW).

Den første bærbare atomreaktoren "Alco PM-2A" har blitt brukt til å generere elektrisitet (2 MW) til den amerikanske militærbasen "Camp Century" siden 1960.

Hovedkomponenter i et kjernekraftverk

Hovedkomponentene i de fleste typer atomkraftverk er:

Elementer i en atomreaktor

• Kjernebrensel (atomreaktorkjerne; nøytronmoderator)
• Opprinnelig kilde til nøytroner
• Nøytronabsorber
• Nøytronpistol (gir en konstant kilde til nøytroner for å starte reaksjonen på nytt etter å ha blitt slått av)
• Kjølesystem (ofte er nøytronmoderator og kjølevæske de samme, vanligvis renset vann)
• kontrollstenger
• Atomreaktorfartøy (NRC)

Kjelvannpumpe

• Dampgeneratorer (ikke i kokende vannreaktorer)
• Damp turbin
• Elektrisitetsgenerator
• Kondensator
• Kjøletårn (ikke alltid nødvendig)
• System for behandling av radioaktivt avfall (en del av det radioaktive avfallsanlegget)
• Omlastingssted for kjernebrensel
• Brukt drivstoff basseng

Strålesikkerhetssystem

• Rektorbeskyttelsessystem (SZR)
• Nød dieselgeneratorer
• Reactor Core Emergency Cooling System (ECCS)
• Nødvæskekontrollsystem (bornødinjeksjon, kun i kokende vannreaktorer)
• Servicevannforsyningssystem for ansvarlige forbrukere (SOTVOP)

Beskyttende skall

• Fjernkontroll
• Nødinstallasjon
• Kjernefysisk treningskompleks (som regel er det en simulering av kontrollpanelet)

Klassifikasjoner av atomreaktorer

Typer atomreaktorer

Atomreaktorer er klassifisert på flere måter; sammendrag disse klassifiseringsmetodene er presentert nedenfor.

Klassifisering av atomreaktorer etter type moderator

Brukte termiske reaktorer:

• Grafittreaktorer
  
• Trykkvannsreaktorer
• Tungtvannsreaktorer(brukes i Canada, India, Argentina, Kina, Pakistan, Romania og Sør-Korea).
• Lettvannsreaktorer(LVR). Lettvannsreaktorer (den vanligste typen termiske reaktorer) bruker vanlig vann for å kontrollere og avkjøle reaktorene. Hvis temperaturen på vannet stiger, synker dens tetthet, og bremser nøytronfluksen nok til å forårsake ytterligere kjedereaksjoner. Denne negative tilbakemeldingen stabiliserer hastigheten på kjernereaksjonen. Grafitt- og tungtvannsreaktorer har en tendens til å varmes opp mer intenst enn lettvannsreaktorer. På grunn av den ekstra varmen kan slike reaktorer bruke naturlig uran/uberiket brensel.
• Reaktorer basert på moderatorer for lettelementer.
• Smeltet saltmodererte reaktorer(MSR) kontrolleres av tilstedeværelsen av lette elementer, som litium eller beryllium, som er en del av LiF og BEF2 kjølevæske/drivstoffmatrisesalter.
• Reaktorer med flytende metallkjølere, hvor kjølevæsken er en blanding av bly og vismut, kan bruke BeO-oksid i nøytronabsorberen.
• Reaktorer basert på organisk moderator(OMR) bruker difenyl og terfenyl som moderator- og kjølevæskekomponenter.

Klassifisering av atomreaktorer etter type kjølevæske

• Vannkjølt reaktor. Det er 104 reaktorer i drift i USA. Av disse er 69 trykkvannsreaktorer (PWR) og 35 kokevannsreaktorer (BWR). Trykkvann kjernekraftreaktorer (PWR) utgjør det store flertallet av alle vestlige kjernekraftverk. Hovedkarakteristikken til RVD-typen er tilstedeværelsen av en superlader, en spesiell høytrykksbeholder. De fleste kommersielle høytrykksreaktorer og marinereaktoranlegg bruker superladere. Ved normal drift er blåseren delvis fylt med vann og det opprettholdes en dampboble over den, som skapes ved å varme opp vannet med el-patron. I normal modus er superladeren koblet til trykkbeholderen til reaktoren (HRV) og trykkkompensatoren gir et hulrom i tilfelle endring i vannvolumet i reaktoren. Et slikt opplegg gir også kontroll over trykket i reaktoren ved å øke eller redusere damptrykket i kompensatoren ved bruk av varmeovner.

• Høytrykks tungtvannsreaktorer tilhører en rekke trykkvannsreaktorer (PWR), som kombinerer prinsippene for bruk av trykk, en isolert termisk syklus, forutsatt bruk av tungtvann som kjølevæske og moderator, noe som er økonomisk fordelaktig.
• kokende vannreaktor(BWR). Modeller av kokende vannreaktorer er preget av tilstedeværelsen av kokende vann rundt brenselstavene i bunnen av hovedreaktorbeholderen. Kokevannsreaktoren bruker anriket 235U som brensel, i form av urandioksid. Drivstoffet er anordnet i stenger plassert i et stålkar, som igjen er nedsenket i vann. Den kjernefysiske fisjonsprosessen fører til at vann koker og det dannes damp. Denne dampen passerer gjennom rørledninger i turbinene. Turbinene drives av damp, og denne prosessen genererer elektrisitet. Under normal drift styres trykket av mengden damp som strømmer fra reaktortrykkbeholderen inn i turbinen.
• Reaktor av bassengtype
• Reaktor med flytende metallkjølevæske. Siden vann er en nøytronmoderator, kan det ikke brukes som kjølevæske i en rask nøytronreaktor. Flytende metallkjølevæsker inkluderer natrium, NaK, bly, bly-vismut-eutektikk, og for tidlig generasjonsreaktorer, kvikksølv.
• Rask nøytronreaktor med natriumkjølevæske.
• Reaktor på raske nøytroner med blykjølevæske.
• Gasskjølte reaktorer avkjøles av sirkulerende inert gass, unnfanget med helium i høytemperaturstrukturer. Samtidig ble karbondioksid brukt tidligere ved britiske og franske atomkraftverk. Nitrogen har også blitt brukt. Bruken av varme avhenger av type reaktor. Noen reaktorer er så varme at gassen direkte kan drive en gassturbin. Eldre reaktordesign involverte vanligvis å føre gass gjennom en varmeveksler for å generere damp til en dampturbin.
• Smeltede saltreaktorer(MSR) avkjøles ved å sirkulere smeltet salt (vanligvis eutektiske blandinger av fluoridsalter som FLiBe). I en typisk MSR brukes kjølevæsken også som en matrise der det spaltbare materialet er oppløst.

Generasjoner av atomreaktorer

• Første generasjons reaktor(tidlige prototyper, forskningsreaktorer, ikke-kommersielle kraftreaktorer)
• Andre generasjons reaktor(de fleste moderne kjernekraftverk 1965-1996)
• Tredje generasjons reaktor(evolusjonære forbedringer av eksisterende design 1996-i dag)
• fjerde generasjons reaktor(teknologier fortsatt under utvikling, ukjent startdato, muligens 2030)

I 2003 introduserte det franske kommissariatet for atomenergi (CEA) betegnelsen "Gen II" for første gang under sin nukleonikkuke.

Den første omtalen av «Gen III» i 2000 ble gjort i forbindelse med starten av Generation IV International Forum (GIF).

"Gen IV" ble nevnt i 2000 av United States Department of Energy (DOE) for utviklingen av nye typer kraftverk.

Klassifisering av atomreaktorer etter type brensel

• Fast brenselreaktor
• flytende brensel reaktor
• Homogen vannkjølt reaktor
• Smeltet saltreaktor
• Gassfyrte reaktorer (teoretisk)

Klassifisering av atomreaktorer etter formål

• Elektrisitetsproduksjon
• Kjernekraftverk, inkludert små klyngreaktorer
• Selvgående enheter (se kjernekraftverk)
• Kjernefysiske installasjoner til havs
• Ulike foreslåtte typer rakettmotorer
• Annen bruk av varme
• Avsalting
• Varmeproduksjon for husholdnings- og industrioppvarming
• Hydrogenproduksjon til bruk i hydrogenenergi
• Produksjonsreaktorer for elementkonvertering
• Oppdrettsreaktorer som er i stand til å produsere mer spaltbart materiale enn de forbruker under kjedereaksjonen (ved å konvertere foreldreisotopene U-238 til Pu-239, eller Th-232 til U-233). Etter å ha utarbeidet en syklus, kan uranoppdretterreaktoren gjentatte ganger fylles med naturlig eller til og med utarmet uran. På sin side kan thoriumavlerreaktoren fylles med thorium. Imidlertid er en første tilførsel av spaltbart materiale nødvendig.
• Oppretting av ulike radioaktive isotoper, som americium for bruk i røykdetektorer og kobolt-60, molybden-99 og andre, brukt som sporstoffer og til behandling.
• Produksjon av materialer til atomvåpen, for eksempel plutonium av våpenkvalitet
• Opprettelse av en kilde til nøytronstråling (for eksempel Lady Godiva-pulsreaktoren) og positronstråling (for eksempel nøytronaktiveringsanalyse og kalium-argon-datering)
• Forskningsreaktor: Vanligvis brukes reaktorer til vitenskapelig forskning og undervisning, materialtesting eller produksjon av radioisotoper for medisin og industri. De er mye mindre enn kraftreaktorer eller skipsreaktorer. Mange av disse reaktorene er plassert på universitetscampus. Det er rundt 280 slike reaktorer i drift i 56 land. Noen opererer med høyt anriket uranbrensel. Internasjonalt arbeid pågår for å erstatte lavanriket drivstoff.

Moderne atomreaktorer

Trykkvannsreaktorer (PWR)

Disse reaktorene bruker en trykkbeholder for å inneholde kjernebrensel, kontrollstaver, moderator og kjølevæske. Reaktorer avkjøles og nøytroner modereres av flytende vann under høyt trykk. Det varme radioaktive vannet som kommer ut av trykkbeholderen går gjennom dampgeneratorkretsen, som igjen varmer opp den sekundære (ikke-radioaktive) kretsen. Disse reaktorene utgjør flertallet av moderne reaktorer. Dette er nøytronreaktoroppvarmingsdesignenheten, de siste av disse er VVER-1200, den avanserte trykkvannsreaktoren og den europeiske trykkvannsreaktoren. US Navy-reaktorene er av denne typen.

Kokende vannreaktorer (BWR)

Kokevannsreaktorer ligner på trykkvannsreaktorer uten dampgenerator. Kokevannsreaktorer bruker også vann som kjølevæske og nøytronmoderator som trykkvannsreaktorer, men ved et lavere trykk, som lar vannet koke inne i kjelen, og skaper damp som snur turbiner. I motsetning til en trykkvannsreaktor er det ingen primær- og sekundærkrets. Oppvarmingskapasiteten til disse reaktorene kan være høyere, og de kan være enklere i design, og enda mer stabile og sikrere. Dette er en termisk nøytronreaktorenhet, de siste av disse er den avanserte kokende vannreaktoren og den økonomiske forenklede atomreaktoren med kokende vann.

Trykksatt tungtvannsmoderert reaktor (PHWR)

En kanadisk design (kjent som CANDU), disse er trykksatt tungtvannsmodererte reaktorer. I stedet for å bruke en enkelt trykkbeholder, som i trykkvannsreaktorer, er drivstoffet i hundrevis av høytrykkskanaler. Disse reaktorene går på naturlig uran og er termiske nøytronreaktorer. Tungtvannsreaktorer kan fylles under drift full kraft, noe som gjør dem svært effektive ved bruk av uran (dette tillater presis kontroll av strømmen i kjernen). Tungtvanns CANDU-reaktorer er bygget i Canada, Argentina, Kina, India, Pakistan, Romania og Sør-Korea. India driver også en rekke tungtvannsreaktorer, ofte referert til som "CANDU-derivater", bygget etter at den kanadiske regjeringen avsluttet kjernefysiske forbindelser med India etter "Smiling Buddha" atomvåpentesten i 1974.

Høyeffektkanalreaktor (RBMK)

Sovjetisk utvikling, designet for å produsere plutonium, så vel som elektrisitet. RBMK-er bruker vann som kjølevæske og grafitt som nøytronmoderator. RBMK-er ligner på noen måter CANDU-er, da de kan lades opp mens de er i drift og bruker trykkrør i stedet for en trykkbeholder (som de gjør i trykkvannsreaktorer). I motsetning til CANDU er de imidlertid svært ustabile og klumpete, noe som gjør reaktorlokket dyrt. En rekke kritiske sikkerhetsmangler er også identifisert i RBMK-design, selv om noen av disse manglene ble korrigert etter Tsjernobyl-katastrofen. Hovedtrekket deres er bruken av lett vann og uanriket uran. Fra og med 2010 forblir 11 reaktorer åpne, hovedsakelig på grunn av forbedret sikkerhet og støtte fra internasjonale sikkerhetsorganisasjoner som US Department of Energy. Til tross for disse forbedringene regnes RBMK-reaktorer fortsatt som en av de farligste reaktordesignene å bruke. RBMK-reaktorer ble bare brukt i det tidligere Sovjetunionen.

Gasskjølt reaktor (GCR) og Advanced Gas Cooled Reactor (AGR)

De bruker vanligvis en grafittnøytronmoderator og en CO2-kjøler. På grunn av de høye driftstemperaturene kan de ha høyere effektivitet for varmeutvikling enn trykkvannsreaktorer. Det finnes en rekke operative reaktorer av denne utformingen, hovedsakelig i Storbritannia, hvor konseptet ble utviklet. Eldre utbygginger (dvs. Magnox-stasjoner) er enten stengt eller vil bli stengt i nær fremtid. Imidlertid har forbedrede gasskjølte reaktorer en estimert levetid på ytterligere 10 til 20 år. Reaktorer av denne typen er termiske nøytronreaktorer. De økonomiske kostnadene ved å avvikle slike reaktorer kan være høye på grunn av det store volumet av kjernen.

Fast Breeder Reactor (LMFBR)

Utformingen av denne reaktoren kjøles av flytende metall, uten moderator og produserer mer drivstoff enn den forbruker. De sies å "avle" drivstoff ettersom de produserer spaltbart drivstoff i løpet av nøytronfangst. Slike reaktorer kan fungere på samme måte som trykkvannsreaktorer når det gjelder effektivitet, de må kompensere for økt trykk, fordi det brukes flytende metall som ikke skaper overtrykk selv ved svært høye temperaturer. BN-350 og BN-600 i USSR og Superphoenix i Frankrike var reaktorer av denne typen, det samme var Fermi I i USA. Monju-reaktoren i Japan, skadet av en natriumlekkasje i 1995, gjenopptok driften i mai 2010. Alle disse reaktorene bruker/brukte flytende natrium. Disse reaktorene er raske nøytronreaktorer og tilhører ikke termiske nøytronreaktorer. Disse reaktorene er av to typer:

bly avkjølt

Bruken av bly som flytende metall gir utmerket strålingsskjerming og tillater drift ved svært høye temperaturer. Bly er også (for det meste) gjennomsiktig for nøytroner, så færre nøytroner går tapt til kjølevæsken og kjølevæsken blir ikke radioaktiv. I motsetning til natrium er bly generelt inert, så det er mindre risiko for eksplosjon eller ulykke, men så store mengder bly kan forårsake toksisitet og problemer med avfallshåndtering. Ofte kan bly-vismut eutektiske blandinger brukes i reaktorer av denne typen. I dette tilfellet vil vismut utgjøre en liten interferens for strålingen, siden den ikke er helt gjennomsiktig for nøytroner, og kan endres til en annen isotop lettere enn bly. Den russiske alfa-klassen ubåten bruker en bly-vismut-kjølt hurtig nøytronreaktor som sitt viktigste kraftgenereringssystem.

natriumavkjølt

De fleste avlsreaktorer for flytende metaller (LMFBR) er av denne typen. Natrium er relativt enkelt å få tak i og lett å jobbe med, og det bidrar også til å forhindre korrosjon av de ulike delene av reaktoren som er nedsenket i den. Natrium reagerer imidlertid voldsomt ved kontakt med vann, så det må utvises forsiktighet, selv om slike eksplosjoner ikke vil være mye kraftigere enn for eksempel overopphetet væske som lekker fra SCWR eller RWD. EBR-I er den første reaktoren av denne typen, hvor kjernen består av en smelte.

Kulesengsreaktor (PBR)

De bruker drivstoff presset inn i keramiske kuler der gass sirkuleres gjennom kulene. Som et resultat er de effektive, upretensiøse, veldig sikre reaktorer med rimelig, standardisert drivstoff. Prototypen var AVR-reaktoren.

Smeltede saltreaktorer

I dem er drivstoffet oppløst i fluorsalter, eller fluorider brukes som kjølevæske. Deres varierte sikkerhetssystemer, høy effektivitet og høy energitetthet er egnet for kjøretøy. Bemerkelsesverdig nok har de ingen deler som er utsatt for høyt trykk eller brennbare komponenter i kjernen. Prototypen var MSRE-reaktoren, som også brukte en thoriumbrenselsyklus. Som en oppdrettsreaktor reprosesserer den brukt brensel, og gjenvinner både uran og transuranelementer, og etterlater bare 0,1 % av transuranavfallet sammenlignet med konvensjonelle engangsreaktorer for lettvann med uran som for tiden er i drift. En egen sak er radioaktive fisjonsprodukter, som ikke resirkuleres og må deponeres i konvensjonelle reaktorer.

Vandig homogen reaktor (AHR)

Disse reaktorene bruker drivstoff i form av løselige salter som løses opp i vann og blandes med en kjølevæske og nøytronmoderator.

Innovative kjernefysiske systemer og prosjekter

avanserte reaktorer

Mer enn et dusin avanserte reaktorprosjekter er på ulike stadier av utvikling. Noen av disse har utviklet seg fra RWD-, BWR- og PHWR-design, noen avviker mer betydelig. Førstnevnte inkluderer Advanced Boiling Water Reactor (ABWR) (hvorav to er i drift og andre under bygging), samt den planlagte Economic Simplified Passive Safety Boiling Water Reactor (ESBWR) og AP1000-installasjonene (se nedenfor). 2010).

Integrert kjernefysisk reaktor for rask nøytron(IFR) ble bygget, testet og testet gjennom 1980-tallet, og deretter tatt ut av drift etter at Clinton-administrasjonen trakk seg på 1990-tallet på grunn av ikke-spredningspolitikk. Reprosessering av brukt kjernebrensel er kjernen i designen og produserer derfor bare en brøkdel av avfallet fra reaktorer i drift.

Modulær høytemperatur gasskjølt reaktor reaktor (HTGCR) er konstruert på en slik måte at høye temperaturer reduserer effekten på grunn av dopplerutvidelse av tverrsnittet til nøytronstrålen. Reaktoren bruker en keramisk type brensel, slik at dens sikre driftstemperaturer overstiger nedreduksjonstemperaturområdet. De fleste strukturer er avkjølt med inert helium. Helium kan ikke forårsake en eksplosjon på grunn av dampekspansjon, absorberer ikke nøytroner, noe som vil føre til radioaktivitet, og løser ikke opp forurensninger som kan være radioaktive. Typiske design består av flere lag med passiv beskyttelse (opptil 7) enn i lettvannsreaktorer (typisk 3). En unik funksjon som kan gi sikkerhet er at drivstoffkulene faktisk utgjør kjernen og skiftes ut en etter en over tid. Designfunksjonene til brenselceller gjør dem dyre å resirkulere.

Liten, lukket, mobil, autonom reaktor (SSTAR) ble opprinnelig testet og utviklet i USA. Reaktoren ble tenkt som en rask nøytronreaktor, med et passivt beskyttelsessystem som kunne slås av eksternt i tilfelle det var mistanke om feil.

Rent og miljøvennlig avansert reaktor (CAESAR) er et konsept for en atomreaktor som bruker damp som en nøytronmoderator - dette designet er fortsatt under utvikling.

Den reduserte vannmodererte reaktoren er basert på den avanserte kokende vannreaktoren (ABWR) som er i drift. Dette er ikke en full rask nøytronreaktor, men bruker hovedsakelig epitermiske nøytroner, som har mellomhastigheter mellom termisk og rask.

Selvregulerende kjernekraftmodul med hydrogenmoderator (HPM) er en designtype reaktor utgitt av Los Alamos National Laboratory som bruker uranhydrid som drivstoff.

Subkritiske atomreaktorer utformet som sikrere og mer stabilt arbeidende, men er vanskelige i teknisk og økonomisk henseende. Et eksempel er "Energy Amplifier".

Thoriumbaserte reaktorer. Det er mulig å konvertere thorium-232 til U-233 i reaktorer designet spesielt for dette formålet. På denne måten kan thorium, som er fire ganger mer vanlig enn uran, brukes til å lage kjernebrensel basert på U-233. U-233 antas å ha gunstige kjernefysiske egenskaper i forhold til konvensjonelle U-235, spesielt beste odds gunstig bruk av nøytroner og redusere mengden langlivet transuranavfall som produseres.

Avansert tungtvannsreaktor (AHWR)- den foreslåtte tungtvannsreaktoren, som skal representere utbyggingen neste generasjon PHWR type. Under utvikling ved Bhabha Nuclear Research Center (BARC), India.

KAMINI- en unik reaktor som bruker uran-233 isotopen som brensel. Bygget i India ved BARC Research Center og Indira Gandhi Nuclear Research Center (IGCAR).

India planlegger også å bygge raske nøytronreaktorer som bruker thorium-uran-233 brenselssyklus. FBTR (hurtig nøytronreaktor) (Kalpakkam, India) bruker plutonium som drivstoff og flytende natrium som kjølevæske under drift.

Hva er fjerde generasjons reaktorer

Fjerde generasjon reaktorer er et sett med forskjellige teoretiske prosjekter som nå vurderes. Disse prosjektene vil sannsynligvis ikke bli gjennomført innen 2030. Moderne reaktorer i drift anses generelt for å være andre eller tredje generasjons systemer. Førstegenerasjonssystemer har ikke blitt brukt på en stund. Utviklingen av denne fjerde generasjonen reaktorer ble offisielt lansert på Generation IV International Forum (GIF) basert på åtte teknologimål. Hovedmålene var å forbedre atomsikkerheten, øke sikkerheten mot spredning, minimere avfall og bruke naturressurser, samt å redusere kostnadene ved å bygge og drive slike stasjoner.

• Gasskjølt hurtignøytronreaktor
• Rask nøytronreaktor med blykjøler
• Flytende saltreaktor
• Natriumkjølt hurtignøytronreaktor
• Superkritisk vannkjølt atomreaktor
• Kjernereaktor med ultrahøy temperatur

Hva er femte generasjons reaktorer?

Den femte generasjonen av reaktorer er prosjekter, hvis gjennomføring er mulig fra et teoretisk synspunkt, men som foreløpig ikke er gjenstand for aktiv vurdering og forskning. Selv om slike reaktorer kan bygges på nåværende eller kort sikt, er de av liten interesse av hensyn til økonomisk gjennomførbarhet, praktisk eller sikkerhet.

• væskefasereaktor. En lukket sløyfe med væske i kjernen av en atomreaktor, hvor det spaltbare materialet er i form av smeltet uran eller en uranløsning avkjølt ved hjelp av en arbeidsgass injisert i gjennomgående hull i bunnen av beholderen.
• Reaktor med en gassfase i kjernen. En lukket sløyfevariant for en atomdrevet rakett, hvor det spaltbare materialet er gassformig uranheksafluorid plassert i et kvartsfartøy. Arbeidsgassen (som hydrogen) vil strømme rundt dette fartøyet og absorbere den ultrafiolette strålingen som følge av kjernereaksjonen. En slik design kan brukes som en rakettmotor, som nevnt i Harry Harrisons science fiction-roman Skyfall fra 1976. Teoretisk sett vil bruken av uranheksafluorid som kjernebrensel (i stedet for som et mellomprodukt, slik det gjøres i dag) føre til lavere energiproduksjonskostnader, samt redusere størrelsen på reaktorene betydelig. I praksis vil en reaktor som opererer ved så høye effekttettheter produsere en ukontrollert nøytronfluks, noe som svekker styrkeegenskapene til de fleste reaktormaterialene. Dermed vil strømmen være lik strømmen av partikler som slippes ut i termonukleære installasjoner. I sin tur vil dette kreve bruk av materialer som ligner de som brukes av det internasjonale prosjektet for implementering av et fusjonsbestrålingsanlegg.
• Gassfase elektromagnetisk reaktor. Ligner på en gassfasereaktor, men med fotovoltaiske celler som konverterer ultrafiolett lys direkte til elektrisitet.
• Fragmenteringsbasert reaktor
• Hybrid kjernefysisk fusjon. Nøytronene som sendes ut under fusjonen og forfallet av originalen eller "stoffet i reproduksjonssonen" brukes. For eksempel transmutering av U-238, Th-232 eller brukt brensel/radioaktivt avfall fra en annen reaktor til relativt mer godartede isotoper.

Reaktor med gassfase i aktiv sone. En lukket sløyfevariant for en atomdrevet rakett, hvor det spaltbare materialet er gassformig uranheksafluorid plassert i et kvartsfartøy. Arbeidsgassen (som hydrogen) vil strømme rundt dette fartøyet og absorbere den ultrafiolette strålingen som følge av kjernereaksjonen. En slik design kan brukes som en rakettmotor, som nevnt i Harry Harrisons science fiction-roman Skyfall fra 1976. Teoretisk sett vil bruken av uranheksafluorid som kjernebrensel (i stedet for som et mellomprodukt, slik det gjøres i dag) føre til lavere energiproduksjonskostnader, samt redusere størrelsen på reaktorene betydelig. I praksis vil en reaktor som opererer ved så høye effekttettheter produsere en ukontrollert nøytronfluks, noe som svekker styrkeegenskapene til de fleste reaktormaterialene. Dermed vil strømmen være lik strømmen av partikler som slippes ut i termonukleære installasjoner. I sin tur vil dette kreve bruk av materialer som ligner de som brukes av det internasjonale prosjektet for implementering av et fusjonsbestrålingsanlegg.

Gassfase elektromagnetisk reaktor. Ligner på en gassfasereaktor, men med fotovoltaiske celler som konverterer ultrafiolett lys direkte til elektrisitet.

Fragmenteringsbasert reaktor

Hybrid kjernefysisk fusjon. Nøytronene som sendes ut under fusjonen og forfallet av originalen eller "stoffet i reproduksjonssonen" brukes. For eksempel transmutering av U-238, Th-232 eller brukt brensel/radioaktivt avfall fra en annen reaktor til relativt mer godartede isotoper.

Fusjonsreaktorer

Kontrollert fusjon kan brukes i fusjonskraftverk for å produsere elektrisitet uten kompleksiteten ved å jobbe med aktinider. Imidlertid gjenstår alvorlige vitenskapelige og teknologiske hindringer. Det er bygget flere fusjonsreaktorer, men først nylig har reaktorene kunnet frigjøre mer energi enn de forbruker. Til tross for at forskningen startet på 1950-tallet, antas det at en kommersiell fusjonsreaktor først vil være i drift i 2050. ITER-prosjektet jobber for tiden med å bruke fusjonsenergi.

Kjernebrenselssyklus

Termiske reaktorer er generelt avhengig av graden av rensing og anrikning av uran. Noen atomreaktorer kan kjøre på en blanding av plutonium og uran (se MOX-brensel). Prosessen der uranmalm utvinnes, bearbeides, anrikes, brukes, muligens resirkuleres og kastes er kjent som kjernefysisk brenselssyklus.

Opptil 1 % av uran i naturen er den lett spaltbare isotopen U-235. Derfor innebærer utformingen av de fleste reaktorer bruk av anriket brensel. Anrikning innebærer å øke andelen U-235 og utføres vanligvis ved bruk av gassformig diffusjon eller i en gassentrifuge. Det anrikede produktet omdannes videre til urandioksidpulver, som komprimeres og brennes til pellets. Disse granulene legges i rør, som deretter forsegles. Slike rør kalles drivstoffstaver. Hver atomreaktor bruker mange av disse brenselstavene.

De fleste kommersielle BWR-er og PWR-er bruker uran anriket til 4 % U-235, omtrent. I tillegg krever noen industrielle reaktorer med høy nøytronøkonomi ikke anriket drivstoff i det hele tatt (det vil si at de kan bruke naturlig uran). I følge Det internasjonale atomenergibyrået er det minst 100 forskningsreaktorer i verden som bruker høyt anriket drivstoff (våpenkvalitet / 90 % anriket uran). Risikoen for tyveri av denne typen drivstoff (mulig for bruk i produksjon av atomvåpen) har ført til en kampanje som krever en overgang til bruk av reaktorer med lavt anriket uran (som utgjør en mindre spredningstrussel).

Fissile U-235 og ikke-fissile, spaltbare U-238 brukes i den nukleære transformasjonsprosessen. U-235 spaltes av termiske (dvs. sakte bevegelige) nøytroner. Et termisk nøytron er et som beveger seg med omtrent samme hastighet som atomene rundt det. Siden vibrasjonsfrekvensen til atomer er proporsjonal med deres absolutte temperatur, har det termiske nøytronet en større evne til å splitte U-235 når det beveger seg med samme vibrasjonshastighet. På den annen side er det mer sannsynlig at U-238 fanger et nøytron hvis nøytronet beveger seg veldig raskt. U-239-atomet forfaller så raskt som mulig og danner plutonium-239, som i seg selv er et drivstoff. Pu-239 er et komplett drivstoff og bør vurderes selv ved bruk av høyt anriket uranbrensel. Plutonium fisjonsprosesser vil ha forrang over U-235 fisjonsprosesser i enkelte reaktorer. Spesielt etter at den originallastede U-235 er oppbrukt. Plutonium spalter i både raske og termiske reaktorer, noe som gjør den ideell for både atomreaktorer og atombomber.

De fleste eksisterende reaktorer er termiske reaktorer, som vanligvis bruker vann som en nøytronmoderator (moderator betyr at den bremser et nøytron til termisk hastighet) og også som kjølevæske. Men i en rask nøytronreaktor brukes en litt annen type kjølevæske, som ikke vil bremse nøytronfluksen for mye. Dette gjør at raske nøytroner dominerer, som effektivt kan brukes til å stadig fylle på drivstofftilførselen. Ved ganske enkelt å plassere billig, ikke-anriket uran i kjernen, vil spontant ikke-fissile U-238 omdannes til Pu-239, og "reprodusere" drivstoffet.

I en thoriumbasert brenselssyklus absorberer thorium-232 et nøytron i både raske og termiske reaktorer. Beta-nedbrytningen av thorium produserer protactinium-233 og deretter uran-233, som igjen brukes som drivstoff. Derfor, i likhet med uran-238, er thorium-232 et fruktbart materiale.

Vedlikehold av atomreaktorer

Mengden energi i en atombrenseltank uttrykkes ofte i termer av "full power days", som er antall 24-timers perioder (dager) reaktoren drives med full effekt for å generere termisk energi. Dagene med full kraftdrift i en reaktordriftssyklus (mellom intervallene som kreves for tanking) er relatert til mengden råtnende uran-235 (U-235) som finnes i brenselelementene ved begynnelsen av syklusen. Jo høyere prosentandel av U-235 i kjernen ved begynnelsen av syklusen, desto flere dager med full effekt vil reaktoren kunne operere.

Ved slutten av driftssyklusen "brukes drivstoffet ut", losses og erstattes i form av nye (ferske) drivstoffelementer. Også en slik reaksjon av akkumulering av forfallsprodukter i kjernebrensel bestemmer levetiden til kjernebrensel i reaktoren. Selv lenge før den endelige fisjonsprosessen finner sted, har langlivede nøytronabsorberende forfallsbiprodukter tid til å samle seg i reaktoren, og hindrer kjedereaksjonen i å fortsette. Andelen av reaktorkjernen som erstattes under påfylling er typisk en fjerdedel for en kokevannsreaktor og en tredjedel for en trykkvannsreaktor. Deponering og lagring av dette brukte brenselet er en av de vanskeligste oppgavene i organiseringen av driften av et industrielt kjernekraftverk. Slikt atomavfall er ekstremt radioaktivt og toksisiteten har vært en fare i tusenvis av år.

Ikke alle reaktorer må tas ut av drift for tanking; for eksempel sfæriske sjiktreaktorer, RBMK (high power ducted reactor), smeltet saltreaktorer, Magnox, AGR og CANDU-reaktorer gjør at brenselelementer kan flyttes under drift av anlegget. I CANDU-reaktoren er det mulig å plassere individuelle brenselelementer i kjernen på en slik måte at innholdet av U-235 i brenselelementet justeres.

Mengden energi som utvinnes fra kjernebrensel kalles forbrenning, som uttrykkes i termer av termisk energi generert av drivstoffets opprinnelige vektenhet. Utbrenning uttrykkes vanligvis som termiske megawattdager per tonn av det originale tungmetallet.

Atomkraftsikkerhet

Atomsikkerhet er handlinger rettet mot å forhindre atom- og strålingsulykker eller lokalisere konsekvensene av dem. Kjernekraftindustrien har forbedret sikkerheten og ytelsen til reaktorer, og har også kommet med nye, sikrere reaktordesign (som generelt ikke har blitt testet). Det er imidlertid ingen garanti for at slike reaktorer vil bli designet, bygget og kan fungere pålitelig. Feil oppstår når reaktordesignere ved atomkraftverket Fukushima i Japan ikke forventet at tsunamien som ble generert av jordskjelvet skulle stenge backupsystemet som skulle stabilisere reaktoren etter jordskjelvet, til tross for utallige advarsler fra NRG (National Research Group) og den japanske administrasjonen om atomsikkerhet. Ifølge UBS AG sår atomulykkene i Fukushima I tvil om selv avanserte økonomier som Japan kan sikre atomsikkerhet. Katastrofale scenarier, inkludert terrorangrep, er også mulige. Et tverrfaglig team fra MIT (Massachusetts Institute of Technology) har beregnet at gitt den forventede veksten i kjernekraft, bør det forventes minst fire alvorlige atomulykker i perioden 2005-2055.

Atom- og strålingsulykker

Noen av de alvorlige atom- og stråleulykkene som har skjedd. Kjernekraftverksulykker inkluderer SL-1-hendelsen (1961), Three Mile Island-ulykken (1979), Tsjernobyl-katastrofen (1986) og Fukushima Daiichi-atomkatastrofen (2011). Atomdrevne ulykker inkluderer reaktorulykkene på K-19 (1961), K-27 (1968) og K-431 (1985).

Atomreaktorer har blitt skutt opp i bane rundt jorden minst 34 ganger. En rekke hendelser som involverte den sovjetiske atomdrevne ubemannede satellitten RORSAT førte til penetrasjon av brukt kjernebrensel inn i jordens atmosfære fra bane.

naturlige atomreaktorer

Selv om det ofte antas at kjernefysiske fisjonsreaktorer er et produkt av moderne teknologi, de første atomreaktorene er tilgjengelige i naturlige forhold. En naturlig atomreaktor kan dannes under visse forhold som etterligner forholdene i en designet reaktor. Så langt har opptil femten naturlige atomreaktorer blitt oppdaget innenfor tre separate malmforekomster av urangruven Oklo i Gabon ( Vest Afrika). De velkjente «døde» Ocllo-reaktorene ble først oppdaget i 1972 av den franske fysikeren Francis Perrin. En selvopprettholdende kjernefysisk fisjonsreaksjon fant sted i disse reaktorene for omtrent 1,5 milliarder år siden, og ble opprettholdt i flere hundre tusen år, og genererte et gjennomsnitt på 100 kW kraftproduksjon i denne perioden. Konseptet med en naturlig atomreaktor ble forklart i form av teori allerede i 1956 av Paul Kuroda ved University of Arkansas.

Slike reaktorer kan ikke lenger dannes på jorden: radioaktivt forfall i løpet av denne enorme tidsperioden har redusert andelen U-235 i naturlig uran under nivået som kreves for å opprettholde en kjedereaksjon.

Naturlige atomreaktorer ble dannet da de rike uranmineralforekomstene begynte å fylles med grunnvann, som fungerte som en nøytronmoderator og satte i gang en betydelig kjedereaksjon. Nøytronmoderatoren i form av vann fordampet, noe som førte til at reaksjonen akselererte, og deretter kondenserte den tilbake, noe som førte til at kjernereaksjonen ble redusert og forhindret smelting. Fisjonsreaksjonen vedvarte i hundretusenvis av år.

Slike naturlige reaktorer har blitt grundig studert av forskere som er interessert i deponering av radioaktivt avfall i geologiske omgivelser. De foreslår en casestudie om hvordan radioaktive isotoper ville migrere gjennom jordskorpen. Dette er et sentralt poeng for kritikere av geologisk deponering av avfall, som frykter at isotopene som finnes i avfallet kan havne i vannforsyninger eller migrere ut i miljøet.

Miljøproblemer ved kjernekraft

En atomreaktor slipper ut små mengder tritium, Sr-90, til luften og til grunnvannet. Vann forurenset med tritium er fargeløst og luktfritt. Store doser Sr-90 øker risikoen for beinkreft og leukemi hos dyr, og antagelig hos mennesker.