hjem › Anmeldelser › Kjernefysiske stenger. Alle hørte, men ingen vet

Kjernefysiske stenger. Alle hørte, men ingen vet

Enhet og operasjonsprinsipp

Kraftutløsermekanisme

Transformasjonen av et stoff er ledsaget av frigjøring av fri energi bare hvis stoffet har en reserve av energier. Det siste betyr at mikropartiklene til stoffet er i en tilstand med en hvileenergi som er større enn i en annen mulig tilstand, overgangen til den eksisterer. Spontan overgang er alltid forhindret av en energibarriere, for å overvinne som mikropartikkelen må motta en viss mengde energi fra utsiden - energien til eksitasjon. Den eksoenergetiske reaksjonen består i at i transformasjonen etter eksitasjonen frigjøres mer energi enn det som kreves for å eksitere prosessen. Det er to måter å overvinne energibarrieren på: enten på grunn av den kinetiske energien til de kolliderende partiklene, eller på grunn av bindingsenergien til den tiltrådte partikkelen.

Hvis vi husker på de makroskopiske skalaene for energifrigjøringen, må den kinetiske energien som er nødvendig for eksitering av reaksjoner ha alle eller først i det minste noen av partiklene til stoffet. Dette kan bare oppnås ved å øke temperaturen på mediet til en verdi der energien til termisk bevegelse nærmer seg verdien av energiterskelen som begrenser prosessens forløp. Når det gjelder molekylære transformasjoner, altså kjemiske reaksjoner, en slik økning er vanligvis hundrevis av kelvin, i tilfelle av kjernefysiske reaksjoner er den minst 10 7 på grunn av Stor høyde Coulomb-barrierer for kolliderende kjerner. Termisk eksitasjon av kjernereaksjoner har blitt utført i praksis bare i syntesen av de letteste kjernene, der Coulomb-barrierene er minimale (termonukleær fusjon).

Eksitering av de sammenføyde partiklene krever ikke stor kinetisk energi, og er derfor ikke avhengig av temperaturen til mediet, siden det oppstår på grunn av ubrukte bindinger som er iboende i partiklene av tiltrekningskrefter. Men på den annen side er partiklene i seg selv nødvendige for å stimulere reaksjonene. Og hvis vi igjen ikke har en egen reaksjonshandling i tankene, men produksjonen av energi i makroskopisk skala, så er dette bare mulig når en kjedereaksjon oppstår. Sistnevnte oppstår når partiklene som eksiterer reaksjonen dukker opp igjen som produkter av en eksoenergetisk reaksjon.

Design

Enhver atomreaktor består av følgende deler:

Kjerne med kjernebrensel og moderator;
Nøytronreflektor som omgir kjernen;
Kjedereaksjonsreguleringssystem, inkludert nødbeskyttelse;
Strålebeskyttelse;
Fjernkontrollsystem.

Fysiske prinsipper for drift

Se også hovedartikler:

Nåværende situasjon kjernereaktor kan karakteriseres ved den effektive nøytronmultiplikasjonsfaktoren k eller reaktivitet ρ , som er relatert av følgende relasjon:

Disse verdiene er preget av følgende verdier:

k> 1 - kjedereaksjonen øker over tid, reaktoren er inne superkritisk tilstand, dens reaktivitet ρ > 0;
k < 1 - реакция затухает, реактор - subkritisk, ρ < 0;
k = 1, ρ = 0 - antall kjernefysiske spaltninger er konstant, reaktoren er i en stabil kritisk betingelse.

Atomreaktorens kritiske tilstand:

, Hvor

Konverteringen av multiplikasjonsfaktoren til enhet oppnås ved å balansere multiplikasjonen av nøytroner med deres tap. Det er faktisk to årsaker til tap: fangst uten fisjon og lekkasje av nøytroner utenfor avlsmediet.

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

k 0 for termiske reaktorer kan bestemmes av den såkalte "formelen med 4 faktorer":

, Hvor

η er nøytronutbyttet per to absorpsjoner.

Volumene til moderne kraftreaktorer kan nå hundrevis av m³ og bestemmes hovedsakelig ikke av kritiske forhold, men av mulighetene for varmefjerning.

Kritisk volum atomreaktor - volumet av reaktorkjernen i en kritisk tilstand. Kritisk masse er massen av det spaltbare materialet i reaktoren, som er i en kritisk tilstand.

Reaktorer drevet av vandige løsninger av salter av rene fissile isotoper med en vannnøytronreflektor har den laveste kritiske massen. For 235 U er denne massen 0,8 kg, for 239 Pu er den 0,5 kg. Det er imidlertid allment kjent at den kritiske massen for LOPO-reaktoren (verdens første anriket uranreaktor), som hadde en berylliumoksidreflektor, var 0,565 kg, til tross for at anrikningsgraden i isotopen 235 bare var svakt. mer enn 14 %. Teoretisk sett har den minste kritiske massen, for hvilken denne verdien bare er 10 g.

For å redusere nøytronlekkasje gis kjernen en sfærisk eller nær sfærisk form, for eksempel en kort sylinder eller terning, siden disse figurene har det minste forholdet mellom overflateareal og volum.

Til tross for at verdien (e - 1) vanligvis er liten, er rollen til rask nøytronmultiplikasjon ganske stor, siden for store atomreaktorer (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

For å starte en kjedereaksjon produseres det vanligvis nok nøytroner under spontan fisjon av urankjerner. Det er også mulig å bruke en ekstern nøytronkilde for å starte reaktoren, for eksempel en blanding av og, eller andre stoffer.

jodgrop

Hovedartikkel: Jodgrop

Jodgrop - tilstanden til en atomreaktor etter at den har blitt stengt, preget av akkumulering av den kortlivede xenon-isotopen. Denne prosessen fører til det midlertidige utseendet av betydelig negativ reaktivitet, som igjen gjør det umulig å bringe reaktoren til sin designkapasitet i en viss periode (ca. 1-2 dager).

Klassifisering

Etter avtale

I henhold til arten av bruken av atomreaktorer er delt inn i:

Kraftreaktorer designet for å produsere elektrisk og termisk energi brukt i energisektoren, samt for avsalting av sjøvann (avsaltingsreaktorer er også klassifisert som industrielle). Slike reaktorer ble hovedsakelig brukt i kjernekraftverk. Den termiske kraften til moderne kraftreaktorer når 5 GW. Tildel i en egen gruppe:
- Transportreaktorer designet for å levere energi til kjøretøymotorer. De bredeste bruksgruppene er marine transportreaktorer som brukes på ubåter og ulike overflatefartøyer, samt reaktorer som brukes innen romteknologi.
Eksperimentelle reaktorer, designet for å studere forskjellige fysiske mengder, hvis verdi er nødvendig for utforming og drift av atomreaktorer; effekten til slike reaktorer overstiger ikke noen få kW.
Forskningsreaktorer, der nøytron- og gammastråleflukser skapt i kjernen brukes til forskning innen kjernefysikk, faststofffysikk, strålingskjemi, biologi, for testing av materialer beregnet på drift i intense nøytronflukser (inkludert deler av kjernefysiske reaktorer), for produksjon av isotoper. Effekten til forskningsreaktorer overstiger ikke 100 MW. Den frigjorte energien blir vanligvis ikke brukt.
Industrielle (våpen, isotoper) reaktorer brukes til å produsere isotoper som brukes i ulike felt. Mest brukt for produksjon av materialer av atomvåpenkvalitet, for eksempel 239 Pu. Også industrielle inkluderer reaktorer som brukes til avsalting av sjøvann.

Ofte brukes reaktorer til å løse to eller flere forskjellige oppgaver, i så fall kalles de flerbruk. For eksempel var noen kraftreaktorer, spesielt i begynnelsen av kjernekraften, hovedsakelig beregnet på eksperimenter. Raske nøytronreaktorer kan være både kraftgenererende og produsere isotoper på samme tid. Industrielle reaktorer, i tillegg til hovedoppgaven, genererer ofte elektrisk og termisk energi.

I henhold til nøytronspekteret

Termisk (langsom) nøytronreaktor ("termisk reaktor")
Rask nøytronreaktor ("rask reaktor")

Ved drivstoffplassering

Heterogene reaktorer, hvor drivstoffet er plassert i kjernen diskret i form av blokker, mellom hvilke det er en moderator;
Homogene reaktorer, hvor brensel og moderator er en homogen blanding (homogent system).

I en heterogen reaktor kan brenselet og moderatoren være adskilt fra hverandre, spesielt i en hulromsreaktor omgir moderator-reflektoren hulrommet med brensel som ikke inneholder moderatoren. Fra et kjernefysisk synspunkt er kriteriet for homogenitet/heterogenitet ikke designet, men plasseringen av brenselblokker i en avstand som overstiger nøytronmoderasjonslengden i en gitt moderator. For eksempel er såkalte "close-lattice"-reaktorer designet for å være homogene, selv om drivstoffet vanligvis skilles fra moderatoren i dem.

Blokker av kjernebrensel i en heterogen reaktor kalles brenselsammensetninger (FA), som er plassert i kjernen ved nodene til et vanlig gitter, og danner celler.

Etter type drivstoff

uran isotoper 235, 238, 233 ( 235 U , 238 U , 233 U)
plutonium isotop 239 ( 239 Pu), også isotoper 239-242 Pu som en blanding med 238 U (MOX drivstoff)
thorium isotop 232 (232 Th) (via konvertering til 233 U)

I henhold til graden av berikelse:

naturlig uran
lite anriket uran
høyt anriket uran

Etter kjemisk sammensetning:

metall U
UC (urankarbid), etc.

Etter type kjølevæske

Gass, (se grafittgassreaktor)
D 2 O (tungtvann, se Tungtvann atomreaktor, CANDU)

Etter type moderator

C (grafitt, se Grafitt-gassreaktor, Grafitt-vannreaktor)
H 2 O (vann, se lettvannsreaktor, trykkvannsreaktor, VVER)
D 2 O (tungtvann, se Tungtvann atomreaktor, CANDU)
Metallhydrider
Uten moderator (se rask nøytronreaktor)

Av design

dampgenereringsmetode

Reaktor med en ekstern dampgenerator (se PWR, VVER)

IAEA klassifisering

PWR (trykkvannsreaktorer) - trykkvannsreaktor (trykkvannsreaktor);
BWR (kokende vannreaktor) - kokende vannreaktor;
FBR (fast breeder reactor) - fast breeder reactor;
GCR (gasskjølt reaktor) - gasskjølt reaktor;
LWGR (lettvannsgrafittreaktor) - grafittvannreaktor
PHWR (pressurised heavy water reactor) - tungtvannsreaktor

De vanligste i verden er trykkvann (ca. 62 %) og kokende vann (20 %) reaktorer.

Reaktormaterialer

Materialene som reaktorene er bygget av opererer ved høy temperatur innen nøytroner, γ-kvanter og fisjonsfragmenter. Derfor er ikke alle materialer som brukes i andre grener av teknologi egnet for reaktorkonstruksjon. Når du velger reaktormaterialer, tas det hensyn til deres strålingsmotstand, kjemiske treghet, absorpsjonstverrsnitt og andre egenskaper.

Stråling ustabilitet av materialer er mindre påvirket ved høye temperaturer. Mobiliteten til atomer blir så stor at sannsynligheten for retur av atomer som er slått ut av krystallgitteret til deres plass eller rekombinasjon av hydrogen og oksygen til et vannmolekyl øker markant. Radiolysen av vann er således ubetydelig i ikke-kokende kraftreaktorer (for eksempel VVER), mens det i kraftige forskningsreaktorer frigjøres en betydelig mengde eksplosiv blanding. Reaktorene har spesielle systemer for brenning.

Reaktormaterialer kommer i kontakt med hverandre (et brenselelementkledning med kjølevæske og kjernebrensel, drivstoffkassetter med kjølevæske og moderator, etc.). Naturligvis må kontaktmaterialene være kjemisk inerte (kompatible). Et eksempel på inkompatibilitet er uran og varmt vann som inngår i en kjemisk reaksjon.

For de fleste materialer forringes styrkeegenskapene kraftig med økende temperatur. I kraftreaktorer opererer strukturelle materialer ved høye temperaturer. Dette begrenser valget av konstruksjonsmaterialer, spesielt for de delene av en kraftreaktor som må tåle høyt trykk.

Utbrenning og reproduksjon av kjernebrensel

Under driften av en atomreaktor, på grunn av akkumulering av fisjonsfragmenter i drivstoffet, endres dens isotopiske og kjemiske sammensetning, og transuranelementer, hovedsakelig isotoper, dannes. Påvirkningen av fisjonsfragmenter på reaktiviteten til en atomreaktor kalles forgiftning(for radioaktive fragmenter) og slagging(for stabile isotoper).

Hovedårsaken til forgiftningen av reaktoren er, som har det største nøytronabsorpsjonstverrsnittet (2,6 10 6 barn). Halveringstid på 135 Xe T 1/2 = 9,2 timer; divisjonsavkastningen er 6-7%. Hoveddelen av 135 Xe er dannet som et resultat av forfall ( T 1/2 = 6,8 timer). Ved forgiftning endres Kef med 1-3%. Det store absorpsjonstverrsnittet av 135 Xe og tilstedeværelsen av den mellomliggende isotopen 135 I fører til to viktige fenomener:

Til en økning i konsentrasjonen av 135 Xe og følgelig til en reduksjon i reaktiviteten til reaktoren etter dens stans eller kraftreduksjon ("jodgrop"), noe som gjør det umulig for kortsiktige nedstengninger og svingninger i utgangseffekten. Denne effekten overvinnes ved å innføre en reaktivitetsmargin i reguleringsorganene. Dybden og varigheten av jodbrønnen avhenger av nøytronfluksen Ф: ved Ф = 5 10 18 nøytron/(cm² sek), er varigheten av jodbrønnen ˜ 30 timer, og dybden er 2 ganger større enn den stasjonære endringen i Keff forårsaket av 135 Xe-forgiftning.
På grunn av forgiftning kan spatio-temporale fluktuasjoner av nøytronfluksen Ф, og følgelig av reaktoreffekten, oppstå. Disse svingningene skjer ved Ф > 10 18 nøytroner/(cm² sek) og store reaktorstørrelser. Oscillasjonsperioder ˜ 10 timer.

Under kjernefysisk fisjon, stort antall stabile fragmenter som er forskjellige i absorpsjonstverrsnitt sammenlignet med absorpsjonstverrsnitt av en spaltbar isotop. Fragmentkonsentrasjon med stor verdi absorpsjonstverrsnittet når metning i løpet av de første dagene av reaktordrift. Dette er hovedsakelig TVEL-er i forskjellige "aldre".

Ved fullstendig drivstoffutskifting har reaktoren overreaktivitet som må kompenseres, mens i det andre tilfellet kreves kompensasjon først ved første start av reaktoren. Kontinuerlig påfylling gjør det mulig å øke utbrenningsdybden, siden reaktorens reaktivitet bestemmes av gjennomsnittskonsentrasjonen av spaltbare isotoper.

Massen til det lastede drivstoffet overstiger massen til det avlastede på grunn av "vekten" av den frigjorte energien. Etter reaktorens stans, først hovedsakelig på grunn av fisjon av forsinkede nøytroner, og deretter, etter 1-2 minutter, på grunn av β- og γ-stråling av fisjonsfragmenter og transuranelementer, fortsetter energien å frigjøres i brenselet. Hvis reaktoren fungerte lenge nok før avstenging, så 2 minutter etter avstengning, er energifrigjøringen omtrent 3%, etter 1 time - 1%, etter en dag - 0,4%, etter et år - 0,05% av den opprinnelige effekten.

Forholdet mellom antall spaltbare Pu-isotoper dannet i en atomreaktor og mengden av 235 U utbrent kalles konverteringsfrekvens K K . Verdien av K K øker med avtagende berikelse og utbrenning. For en tungtvannsreaktor som går på naturlig uran, med en utbrenning på 10 GW dag/t K K = 0,55, og for små utbrenninger (i dette tilfellet kalles K K innledende plutoniumkoeffisient) K K = 0,8. Hvis en atomreaktor brenner og produserer de samme isotoper (oppdrettsreaktor), kalles forholdet mellom reproduksjonshastigheten og utbrenningshastigheten reproduksjonshastighet K V. I termiske reaktorer K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g vokser og EN faller.

Atomreaktorkontroll

Kontrollen av en atomreaktor er bare mulig på grunn av det faktum at under fisjon flyr noen av nøytronene ut av fragmentene med en forsinkelse, som kan variere fra flere millisekunder til flere minutter.

For å kontrollere reaktoren brukes absorberende stenger, innført i kjernen, laget av materialer som sterkt absorberer nøytroner (hovedsakelig, og noen andre) og / eller en løsning av borsyre, tilsatt til kjølevæsken i en viss konsentrasjon (borregulering) . Bevegelsen av stengene styres av spesielle mekanismer, drev, som opererer på signaler fra operatøren eller utstyr for automatisk kontroll av nøytronfluksen.

I tilfelle ulike nødsituasjoner i hver reaktor, gis en nødavslutning av kjedereaksjonen, utført ved å slippe alle absorberende stenger ned i kjernen - et nødbeskyttelsessystem.

Restvarme

Et viktig spørsmål som er direkte knyttet til atomsikkerhet er råtevarme. Dette spesifikk funksjon kjernebrensel, som ligger i det faktum at etter opphør av fisjonskjedereaksjonen og den termiske treghet som er felles for enhver energikilde, fortsetter varmeproduksjonen i reaktoren i en annen i lang tid, noe som skaper en rekke teknisk vanskelige problemer.

Nedbrytningsvarme er en konsekvens av β- og γ-nedbrytning av fisjonsprodukter, som har samlet seg i brenselet under driften av reaktoren. Kjernene til fisjonsprodukter, som et resultat av forfall, går over i en mer stabil eller fullstendig stabil tilstand med frigjøring av betydelig energi.

Selv om varmeavgivelseshastigheten raskt synker til verdier som er små sammenlignet med stasjonære verdier, er den i høyeffektreaktorer signifikant i absolutte termer. Av denne grunn er det nødvendig med gjenværende varmeutvikling lang tid sikre varmefjerning fra reaktorkjernen etter at den er slått av. Denne oppgaven krever tilstedeværelse av kjølesystemer med pålitelig strømforsyning i utformingen av reaktoranlegget, og nødvendiggjør også langsiktig (i 3-4 år) lagring av brukt kjernebrensel i lagringsanlegg med et spesielt temperaturregime - bruktbrenselbassenger , som vanligvis er plassert i umiddelbar nærhet av reaktoren.

se også

Liste over atomreaktorer designet og bygget i Sovjetunionen

Litteratur

Levin V.E. Kjernefysikk og kjernefysiske reaktorer. 4. utg. - M.: Atomizdat, 1979.
Shukolyukov A. Yu. “Uran. naturlig atomreaktor. "Chemistry and Life" nr. 6, 1980, s. 20-24

Notater

"ZEEP - Canadas første atomreaktor", Canada Science and Technology Museum.
Greshilov A. A., Egupov N. D., Matushchenko A. M. Kjernefysisk skjold. - M .: Logos, 2008. - 438 s. -

Den enorme energien til et lite atom

«God vitenskap er fysikk! Bare livet er kort." Disse ordene tilhører en vitenskapsmann som har gjort utrolig mye innen fysikk. De ble en gang uttalt av en akademiker Igor Vasilievich Kurchatov, skaperen av verdens første atomkraftverk.

27. juni 1954 ble dette unike kraftverket satt i drift. Menneskeheten har en annen kraftig kilde til elektrisitet.

Veien til å mestre energien til atomet var lang og vanskelig. Det begynte i de første tiårene av 1900-tallet med oppdagelsen av naturlig radioaktivitet av Curies, med Bohrs postulater, Rutherfords planetmodell av atomet, og beviset på slikt, som det ser ut nå, et åpenbart faktum - kjernen til ethvert Atomet består av positivt ladede protoner og nøytrale nøytroner.

I 1934 oppdaget Frederic og Irene Joliot-Curie (datter av Marie Sklodowska-Curie og Pierre Curie) at ved å bombardere dem med alfapartikler (kjernene til heliumatomer), kunne vanlige kjemiske grunnstoffer gjøres om til radioaktive. Det nye fenomenet kalles kunstig radioaktivitet.

I. V. Kurchatov (til høyre) og A. I. Alikhanov (i midten) med læreren deres A. F. Ioffe. (Begynnelsen av 30-tallet.)

Hvis et slikt bombardement utføres med veldig raske og tunge partikler, begynner en kaskade av kjemiske transformasjoner. Grunnstoffer med kunstig radioaktivitet vil gradvis vike for stabile grunnstoffer som ikke lenger vil forfalle.

Ved hjelp av bestråling eller bombardement er det lett å gjøre drømmen om alkymister til virkelighet – å lage gull av andre kjemiske grunnstoffer. Bare kostnadene for en slik transformasjon vil betydelig overstige prisen på det mottatte gullet ...

Fisjon av urankjerner

Mer fordel (og, dessverre, angst) ble brakt til menneskeheten ved oppdagelsen i 1938-1939 av en gruppe tyske fysikere og kjemikere fisjon av urankjerner. Når de bestråles med nøytroner, forfaller tunge urankjerner til lettere kjemiske elementer som tilhører den midtre delen av det periodiske systemet til Mendeleev, og frigjør flere nøytroner. For kjernene til lette grunnstoffer viser disse nøytronene seg å være overflødige ... Når urankjernene "splittes", kan en kjedereaksjon begynne: hver av de to eller tre resulterende nøytronene er i stand til å produsere flere nøytroner etter tur, treffer kjernen til et naboatom.

Den totale massen av produktene fra en slik kjernefysisk reaksjon viste seg, som forskere beregnet, å være mindre enn massen til kjernene til det opprinnelige stoffet - uran.

I følge Einsteins ligning, som relaterer masse til energi, kan man enkelt fastslå at en enorm mengde energi må frigjøres i dette tilfellet! Og det vil skje i løpet av veldig kort tid. Med mindre, selvfølgelig, kjedereaksjonen blir ukontrollerbar og går til slutten ...

Gående etter konferansen E. Fermi (til høyre) med sin elev B. Pontecorvo. (Basel, 1949)

De enorme fysiske og tekniske mulighetene som ligger skjult i prosessen med uran fisjon var blant de første til å sette pris på Enrico Fermi, i de fjerne trettiårene av vårt århundre, fortsatt en veldig ung, men allerede anerkjent leder for den italienske fysikerskolen. Lenge før andre verdenskrig undersøkte han og en gruppe dyktige ansatte adferden til ulike stoffer under nøytronbestråling og slo fast at effektiviteten til uranfissjonsprosessen kunne økes betydelig ... ved å bremse nøytronenes bevegelse. Hvor rart det kan virke ved første øyekast, med en reduksjon i hastigheten til nøytroner, øker sannsynligheten for at de fanges av urankjerner. Ganske tilgjengelige stoffer tjener som effektive "moderatorer" av nøytroner: parafin, karbon, vann ...

Da han flyttet til USA, fortsatte Fermi å være hjernen og hjertet i atomforskningen der. To talenter, vanligvis utelukkende gjensidig, ble kombinert i Fermi: en fremragende teoretiker og en strålende eksperimentator. «Det vil ta lang tid før vi kan se en person lik ham», skrev den fremtredende vitenskapsmannen W. Zinn etter Fermis alt for tidlige død av en ondartet svulst i 1954 i en alder av 53.

Et team av forskere som samlet seg rundt Fermi under andre verdenskrig bestemte seg for å lage et våpen med enestående destruktiv kraft basert på en kjedereaksjon av uran fisjon - atombombe. Forskere hadde det travelt: hva om Nazi-Tyskland vil være det første til å lage et nytt våpen og bruke det i sitt umenneskelige ønske om å slavebinde andre folk?

Bygging av en atomreaktor i vårt land

Forskere klarte allerede i 1942 å sette sammen og lansere på territoriet til stadionet til University of Chicago først atomreaktor . Uranstavene i reaktoren var ispedd karbon-"klosser" - moderatorer, og dersom kjedereaksjonen likevel ble for voldsom, kunne den raskt stoppes ved å føre inn kadmiumplater i reaktoren, som skilte uranstavene og tok opp nøytronene fullstendig.

Forskerne var veldig stolte av de enkle enhetene de fant opp til reaktoren, som nå får oss til å smile. En av Fermis ansatte i Chicago, den kjente fysikeren G. Anderson, minner om at kadmiumtinn ble spikret til en trekloss, som, om nødvendig, øyeblikkelig senket ned i kjelen under påvirkning av sin egen tyngdekraft, som var grunnen til å gi den. navnet "instant". G. Anderson skriver: «Før start av kjelen, burde denne stangen vært trukket opp og festet med et tau. Ved en ulykke kunne tauet kuttes og «øyeblikket» ta sin plass inne i kjelen.

En kontrollert kjedereaksjon ble oppnådd ved en atomreaktor, teoretiske beregninger og spådommer ble verifisert. En kjede av kjemiske transformasjoner fant sted i reaktoren, som et resultat av at en ny kjemisk element- plutonium. Det, som uran, kan brukes til å lage en atombombe.

Forskere har bestemt at det er en "kritisk masse" av uran eller plutonium. Hvis det er nok atomstoff, fører kjedereaksjonen til en eksplosjon, hvis den er liten, mindre enn den "kritiske massen", frigjøres ganske enkelt varme.

Bygging av kjernekraftverk

I en atombombe av enkleste design er to stykker uran eller plutonium stablet side om side, og massen av hver er litt under den kritiske. I det riktige øyeblikket forbinder sikringen fra et vanlig eksplosiv brikkene, massen av atombrensel overskrider den kritiske verdien - og frigjøringen av ødeleggende energi av monstrøs kraft skjer umiddelbart ...

Blindende lysstråling, en sjokkbølge som feier bort alt i sin vei, og gjennomtrengende radioaktiv stråling traff innbyggerne i to japanske byer – Hiroshima og Nagasaki – etter eksplosjonen av amerikanske atombomber i 1945, og siden den gang har folk blitt skremt av de forferdelige konsekvensene av bruken av atombomber, våpen.

Under den forenende vitenskapelige ledelsen til IV Kurchatov utviklet sovjetiske fysikere atomvåpen.

Men lederen av disse verkene sluttet ikke å tenke på fredelig bruk av atomenergi. Tross alt må en atomreaktor avkjøles intensivt, hvorfor blir ikke denne varmen "gitt bort" til en damp- eller gassturbin, ikke brukt til å varme opp hus?

Rør med flytende lavsmeltende metall ble ført gjennom atomreaktoren. Det oppvarmede metallet kom inn i varmeveksleren, hvor det overførte varmen til vannet. Vannet ble til overopphetet damp, turbinen begynte å fungere. Reaktoren var omgitt av et beskyttende skall av betong med metallfyllstoff: radioaktiv stråling skulle ikke slippe ut.

Atomreaktoren har blitt til et atomkraftverk, og bringer folk rolig lys, koselig varme, ønsket verden ...

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:

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

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

Naturlige analoger i naturen

Atomreaktoren oppfattes som offentlig bevissthet utelukkende som et produkt høy teknologi. 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 Naturlige ressurser, men den industrialiserte og overbefolkede republikken Korea har 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 enkel krets drift 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:

Chicago Pile-1 (CP-1) ble bygget under den vestlige tribunen på University of Chicago fotballbane og ble slått på 2. desember 1942, og var verdens første atomreaktor. Den besto av grafitt- og uranblokker, og hadde også kadmium-, indium- og sølvkontrollstaver, men hadde ingen strålebeskyttelse og kjølesystem. Prosjektets vitenskapelige leder, fysiker Enrico Fermi, beskrev SR-1 som "en fuktig haug med svarte murstein og trestokker."

Arbeidet med reaktoren begynte 16. november 1942. Det er gjort vanskelig arbeid. Fysikere og universitetsansatte jobbet døgnet rundt. De bygde et rutenett av 57 lag med uranoksid og uranblokker innebygd i grafittblokker. En treramme støttet strukturen. Fermis protégé, Leona Woods - den eneste kvinnen på prosjektet - tok nøye målinger etter hvert som haugen vokste.

2. desember 1942 var reaktoren klar for test. Den inneholdt 22 000 uranblokker og tok 380 tonn grafitt, samt 40 tonn uranoksid og seks tonn uranmetall. Det tok 2,7 millioner dollar å bygge reaktoren. Eksperimentet startet klokken 09-45. Det ble deltatt av 49 personer: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Hiberry, Woods, en ung snekker som laget grafittblokker og kadmiumstenger, leger, vanlige studenter og andre vitenskapsmenn.

Tre personer utgjorde «selvmordstroppen» – de var en del av sikkerhetssystemet. Deres oppgave var å slukke brannen hvis noe skulle gå galt. Det var også kontroll: kontrollstaver som ble manuelt betjent og en nødstang som var knyttet til rekkverket på balkongen over reaktoren. I nødstilfelle skulle tauet klippes av en person spesielt på vakt på balkongen, og stangen ville ha slukket reaksjonen.

I 1553 begynte en selvopprettholdende kjernefysisk kjedereaksjon for første gang i historien. Eksperimentet var en suksess. Reaktoren virket i 28 minutter.

Atomreaktoren fungerer jevnt og nøyaktig. Ellers blir det som kjent trøbbel. Men hva skjer på innsiden? La oss prøve å formulere prinsippet om drift av en atomreaktor kort, tydelig, med stopp.

Faktisk foregår den samme prosessen der som i en atomeksplosjon. Først nå skjer eksplosjonen veldig raskt, og i reaktoren strekker alt dette seg over lang tid. Til slutt forblir alt trygt og trygt, og vi får energi. Ikke så mye at alt rundt umiddelbart smadret, men ganske nok til å gi strøm til byen.

hvordan en reaktor fungerer NPP kjøletårn
Før du forstår hvordan en kontrollert kjernefysisk reaksjon fungerer, må du vite hva en kjernefysisk reaksjon er generelt.

En kjernereaksjon er en prosess med transformasjon (fisjon) av atomkjerner under deres interaksjon med elementærpartikler og gammakvanter.

Kjernereaksjoner kan finne sted både med absorpsjon og med frigjøring av energi. Andre reaksjoner brukes i reaktoren.

En atomreaktor er en enhet hvis formål er å opprettholde en kontrollert atomreaksjon med frigjøring av energi.

Ofte kalles en atomreaktor også en atomreaktor. Merk at det ikke er noen grunnleggende forskjell her, men fra et vitenskapelig synspunkt er det mer riktig å bruke ordet "atomkraft". Det finnes nå mange typer atomreaktorer. Dette er enorme industrielle reaktorer designet for å generere energi ved kraftverk, atomubåtreaktorer, små eksperimentelle reaktorer som brukes i vitenskapelige eksperimenter. Det finnes til og med reaktorer som brukes til å avsalte sjøvann.

Historien om opprettelsen av en atomreaktor

Den første atomreaktoren ble skutt opp i ikke så fjerne 1942. Det skjedde i USA under ledelse av Fermi. Denne reaktoren ble kalt "Chicago-vedhaugen".

I 1946 startet den første sovjetiske reaktoren opp under ledelse av Kurchatov. Kroppen til denne reaktoren var en kule på syv meter i diameter. De første reaktorene hadde ikke et kjølesystem, og kraften var minimal. Den sovjetiske reaktoren hadde forresten en gjennomsnittlig effekt på 20 watt, mens den amerikanske bare hadde 1 watt. Til sammenligning: gjennomsnittseffekten til moderne kraftreaktorer er 5 Gigawatt. Mindre enn ti år etter lanseringen av den første reaktoren ble verdens første industrielle atomkraftverk åpnet i byen Obninsk.

Prinsippet for drift av en atomreaktor

Enhver atomreaktor har flere deler: kjerne med drivstoff og moderator, nøytronreflektor, kjølevæske, kontroll- og beskyttelsessystem. Isotopene av uran (235, 238, 233), plutonium (239) og thorium (232) brukes oftest som brensel i reaktorer. Den aktive sonen er en kjele som vanlig vann (kjølevæske) strømmer gjennom. Blant andre kjølevæsker er "tungtvann" og flytende grafitt mindre vanlig. Hvis vi snakker om driften av et atomkraftverk, brukes en atomreaktor til å generere varme. Elektrisitet i seg selv genereres på samme måte som i andre typer kraftverk - damp roterer en turbin, og bevegelsesenergien omdannes til elektrisk energi.

Nedenfor er et diagram over driften av en atomreaktor.

plan for drift av en kjernefysisk reaktor Plan for en kjernefysisk reaktor ved et kjernekraftverk

Som vi allerede har sagt, produserer nedbrytningen av en tung urankjerne lettere grunnstoffer og noen få nøytroner. De resulterende nøytronene kolliderer med andre kjerner, og får dem også til å fisjon. I dette tilfellet vokser antallet nøytroner som et snøskred.

Her er det nødvendig å nevne nøytronmultiplikasjonsfaktoren. Så hvis denne koeffisienten overskrider en verdi lik én, oppstår en atomeksplosjon. Hvis verdien er mindre enn én, er det for få nøytroner og reaksjonen dør ut. Men hvis du opprettholder verdien av koeffisienten lik en, vil reaksjonen fortsette i lang tid og stabilt.

Spørsmålet er hvordan man gjør det? I reaktoren er drivstoffet i de såkalte brenselelementene (TVEL). Dette er stenger som inneholder kjernebrensel i form av små pellets. Drivstoffstavene er koblet til sekskantede kassetter, som det kan være hundrevis av i reaktoren. Kassetter med drivstoffstaver er plassert vertikalt, mens hver drivstoffstav har et system som lar deg justere dybden på nedsenkingen i kjernen. I tillegg til selve kassettene er det kontrollstenger og nødvernstenger blant dem. Stavene er laget av et materiale som absorberer nøytroner godt. Dermed kan kontrollstengene senkes til forskjellige dybder i kjernen, og dermed justere nøytronmultiplikasjonsfaktoren. Nødstengene er designet for å stenge reaktoren i tilfelle en nødsituasjon.

Hvordan startes en atomreaktor?

Vi fant ut selve operasjonsprinsippet, men hvordan starte og få reaktoren til å fungere? Grovt sett, her er det - et stykke uran, men tross alt starter ikke en kjedereaksjon i det av seg selv. Faktum er at i kjernefysikk er det begrepet kritisk masse.

Kjernebrensel Kjernebrensel

Kritisk masse er massen av spaltbart materiale som er nødvendig for å starte en kjernefysisk kjedereaksjon.

Ved hjelp av brenselelementer og kontrollstaver skapes først en kritisk masse kjernebrensel i reaktoren, og deretter bringes reaktoren til optimalt effektnivå i flere trinn.

Du vil like: Mattetriks for humaniora og ikke-menneskelige studenter (del 1)
I denne artikkelen har vi prøvd å gi deg en generell ide om strukturen og prinsippet for drift av en atomreaktor. Hvis du fortsatt har spørsmål om emnet eller universitetet stilte et problem innen kjernefysikk - vennligst kontakt spesialistene til selskapet vårt. Vi er, som vanlig, klare til å hjelpe deg med å løse ethvert presserende problem med studiene dine. I mellomtiden gjør vi dette, oppmerksomheten din er nok en pedagogisk video!

blogg/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

Populær i kategorien: