Quais são as partes principais de um reator nuclear? Usina nuclear: como funciona

Este cilindro cinza indefinido é o elo chave na indústria nuclear russa. Claro que não parece muito apresentável, mas assim que você entender sua finalidade e olhar para as características técnicas, começará a entender porque o estado guarda o segredo de sua criação e estrutura como a menina dos olhos.

Sim, esqueci de apresentar: na sua frente está uma centrífuga de gás para separar os isótopos de urânio VT-3F (n-ésima geração). O princípio de funcionamento é elementar, como o de um separador de leite, o pesado, sob a influência da força centrífuga, é separado do leve. Então, qual é o significado e a singularidade?

Para começar, vamos responder a outra pergunta - mas, em geral, por que separar o urânio?

O urânio natural, que se encontra no solo, é um coquetel de dois isótopos: urânio-238 E urânio-235(e 0,0054% de U-234).
Urânio-238, é apenas metal pesado e cinza. Você pode fazer um projétil de artilharia com ele, bem, ou ... um chaveiro. E aqui está o que você pode fazer com urânio-235? Bem, em primeiro lugar, uma bomba atômica e, em segundo lugar, combustível para usinas nucleares. E aqui chegamos à questão-chave - como separar esses dois átomos quase idênticos um do outro? Não mesmo COMO?!

Por falar nisso: O raio do núcleo do átomo de urânio é 1,5 10 -8 cm.

Para que os átomos de urânio sejam conduzidos para a cadeia tecnológica, ele (urânio) deve ser transformado em estado gasoso. Não adianta ferver, basta combinar o urânio com o flúor e obter o hexafluoreto de urânio HFC. A tecnologia para sua produção não é muito complicada e cara e, portanto, HFC chegar exatamente onde este urânio é extraído. O UF6 é o único composto de urânio altamente volátil (quando aquecido a 53°C, o hexafluoreto (na foto) passa diretamente do estado sólido para o estado gasoso). Em seguida, é bombeado para recipientes especiais e enviado para enriquecimento.

Um pouco de história

No início da corrida nuclear, as maiores mentes científicas, tanto a URSS quanto os EUA, dominaram a ideia da separação por difusão - passar o urânio por uma peneira. Pequeno 235º o isótopo vai escorregar, e o "grosso" 238º ficar preso. E fazer uma peneira com nanofuros para a indústria soviética em 1946 não foi a tarefa mais difícil.

Do relatório de Isaac Konstantinovich Kikoin no Conselho Científico e Técnico do Conselho de Comissários do Povo (dado na coleção de materiais desclassificados no projeto atômico da URSS (Ed. Ryabev)): Atualmente, aprendemos a fazer malhas com furos de cerca de 5/1.000 mm, ou seja, 50 vezes o caminho livre médio das moléculas à pressão atmosférica. Portanto, a pressão do gás na qual ocorrerá a separação de isótopos em tais grades deve ser inferior a 1/50 da pressão atmosférica. Na prática, esperamos trabalhar a uma pressão de cerca de 0,01 atmosferas, ou seja, em boas condições de vácuo. O cálculo mostra que, para obter um produto enriquecido a 90% em um isótopo leve (essa concentração é suficiente para obter um explosivo), cerca de 2.000 desses estágios devem ser conectados em cascata. Na máquina projetada e parcialmente fabricada por nós, espera-se produzir 75-100 g de urânio-235 por dia. A instalação consistirá em aproximadamente 80-100 "colunas", cada uma das quais conterá 20-25 etapas."

Abaixo está um documento - o relatório de Beria a Stalin sobre a preparação da primeira explosão nuclear. Abaixo está uma pequena referência aos materiais nucleares acumulados no início do verão de 1949.

E agora imagine por si mesmo - 2.000 instalações pesadas, por cerca de 100 gramas! Bem, para onde ir, são necessárias bombas. E começaram a construir fábricas, e não apenas fábricas, mas cidades inteiras. E tudo bem, apenas cidades, essas usinas de difusão exigiam tanta eletricidade que tiveram que construir usinas de energia separadas nas proximidades.

Na URSS, o primeiro estágio D-1 da planta nº 813 foi projetado para uma produção total de 140 gramas de 92-93% de urânio-235 por dia em 2 cascatas de 3100 estágios de separação idênticos em potência. Uma fábrica de aeronaves inacabada na vila de Verkh-Neyvinsk, que fica a 60 km de Sverdlovsk, foi alocada para produção. Mais tarde, ela se transformou em Sverdlovsk-44 e a 813ª planta (foto) na Usina Eletroquímica de Ural - a maior produção de separação do mundo.

E embora a tecnologia de separação por difusão, embora com grandes dificuldades tecnológicas, tenha sido depurada, a ideia de dominar um processo centrífugo mais econômico não saiu da pauta. Afinal, se você conseguir criar uma centrífuga, o consumo de energia será reduzido de 20 a 50 vezes!

Como é montada uma centrífuga?

É organizado de forma mais elementar e se parece com o antigo. máquina de lavar operando no modo "centrifugar/secar". Em um invólucro selado há um rotor giratório. Este rotor é alimentado com gás (UF6). Devido à força centrífuga, centenas de milhares de vezes maior que o campo gravitacional da Terra, o gás começa a se separar em frações "pesadas" e "leves". Moléculas leves e pesadas começam a se agrupar em diferentes zonas do rotor, mas não no centro e ao longo do perímetro, mas na parte superior e inferior.

Isso ocorre devido a correntes de convecção - a tampa do rotor é aquecida e ocorre um refluxo de gás. Na parte superior e inferior do cilindro existem dois pequenos tubos - a entrada. Uma mistura empobrecida entra no tubo inferior, uma mistura com maior concentração de átomos entra no tubo superior 235U. Essa mistura vai para a próxima centrífuga, e assim sucessivamente, até que a concentração 235º urânio não atingirá o valor desejado. Uma cadeia de centrífugas é chamada de cascata.

Características técnicas.

Bem, em primeiro lugar, a velocidade de rotação - y geração moderna centrífugas, chega a 2.000 rpm (nem sei com o que comparar ... 10 vezes mais rápido que uma turbina em um motor de avião)! E tem trabalhado sem parar por TRÊS DÉCADAS de anos! Aqueles. agora as centrífugas que foram ligadas sob Brezhnev estão girando em cascata! A URSS não existe mais, mas continua girando e girando. Não é difícil calcular que durante seu ciclo de trabalho o rotor faz 2.000.000.000.000 (dois trilhões) de voltas. E que tipo de rolamento pode lidar com isso? Sim, nenhum! Não há rolamentos.

O rotor em si é um topo comum, na parte inferior tem uma agulha forte apoiada em um mancal axial de corindo, e a extremidade superior fica suspensa no vácuo, mantida por um campo eletromagnético. A agulha também não é simples, feita de arame comum para cordas de piano, é endurecida de forma muito complicada (o que - GT). Não é difícil imaginar que, com uma velocidade de rotação tão frenética, a própria centrífuga deva ser não apenas durável, mas superforte.

O acadêmico Joseph Friedlander relembra: “Três vezes eles poderiam ter sido baleados. Uma vez, quando já tínhamos recebido o Prêmio Lenin, houve um grande acidente, a tampa da centrífuga voou. Pedaços espalhados, destruíram outras centrífugas. Uma nuvem radioativa surgiu. Tive que parar toda a linha - um quilômetro de instalações! Em Sredmash, as centrífugas eram comandadas pelo general Zverev, antes do projeto atômico que ele trabalhava no departamento de Beria. O general na reunião disse: “A situação é crítica. A defesa do país está ameaçada. Se não corrigirmos a situação rapidamente, o 37º ano se repetirá para você. E imediatamente a reunião foi encerrada. Em seguida, criamos completamente nova tecnologia com uma estrutura de tampa uniforme completamente isotrópica, mas configurações muito complexas eram necessárias. Desde então, essas capas foram produzidas. Não houve mais problemas. Existem 3 plantas de enriquecimento na Rússia, muitas centenas de milhares de centrífugas.
Na foto: testes da primeira geração de centrífugas

As caixas do rotor também eram de metal no início, até serem substituídas por ... fibra de carbono. Leve e extremamente resistente ao rasgo, é um material ideal para um cilindro rotativo.

O Diretor Geral da UEIP (2009-2012) Alexander Kurkin relembra: “Ficou ridículo. Ao testar e testar uma nova geração de centrífugas mais "rotativa", um dos funcionários não esperou que o rotor parasse completamente, desconectou-o da cascata e decidiu transferi-lo para o suporte em seus braços. Mas ao invés de seguir em frente, por mais que resistisse, ele abraçou esse cilindro e começou a se mover para trás. Então vimos com nossos próprios olhos que a Terra gira, e o giroscópio é uma grande força.”

Quem inventou?

Oh, é um mistério impregnado de mistério e envolto em obscuridade. Aqui você tem físicos alemães capturados, a CIA, oficiais da SMERSH e até o piloto espião abatido Powers. Em geral, o princípio de uma centrífuga a gás foi descrito no final do século XIX.

Mesmo no início do Projeto Atômico, Viktor Sergeev, engenheiro do Bureau de Projetos Especiais da Usina de Kirov, propôs um método de separação centrífuga, mas a princípio seus colegas não aprovaram sua ideia. Ao mesmo tempo, cientistas da Alemanha derrotada lutaram pela criação de uma centrífuga de separação em um NII-5 especial em Sukhumi: o Dr. Max Steenbeck, que trabalhou com Hitler como engenheiro-chefe da Siemens, e Gernot Zippe, um ex-mecânico da Luftwaffe , formado pela Universidade de Viena. No total, o grupo incluía cerca de 300 físicos "exportados".

Aleksey Kaliteevsky, Diretor Geral da CJSC Centrotech-SPb da Corporação Estadual Rosatom, relembra: “Nossos especialistas chegaram à conclusão de que a centrífuga alemã é absolutamente inadequada para a produção industrial. O aparelho de Steenbeck não tinha um sistema para transferir o produto parcialmente enriquecido para a próxima etapa. Foi proposto resfriar as pontas da tampa e congelar o gás, para depois descongelá-lo, recolhê-lo e colocá-lo na próxima centrífuga. Ou seja, o esquema não está funcionando. No entanto, o projeto teve algumas soluções técnicas muito interessantes e incomuns. Essas "soluções interessantes e incomuns" foram combinadas com os resultados obtidos por cientistas soviéticos, em particular com as propostas de Viktor Sergeev. Relativamente falando, nossa centrífuga compacta é um terço fruto do pensamento alemão e dois terços do pensamento soviético.” A propósito, quando Sergeev veio para a Abkhazia e expressou ao mesmo Steenbeck e Zippe seus pensamentos sobre a seleção de urânio, Steenbeck e Zippe os descartaram como irrealizáveis.

Então, o que Sergeyev inventou?

E a proposta de Sergeyev era criar dispositivos de amostragem de gás na forma de tubos de Pitot. Mas o Dr. Steenbeck, que, segundo ele, cerrou os dentes nesse assunto, foi categórico: “Eles vão desacelerar o fluxo, causar turbulência e não haverá separação!” Anos depois, trabalhando em suas memórias, ele se arrependerá: “Uma ideia digna de partir de nós! Mas isso não me passou pela cabeça…”

Mais tarde, quando estava fora da URSS, Steenbeck não lidava mais com centrífugas. Mas Geront Zippe, antes de partir para a Alemanha, teve a oportunidade de conhecer o protótipo da centrífuga de Sergeyev e o princípio engenhosamente simples de seu funcionamento. Uma vez no Ocidente, o "astuto Zippe", como era frequentemente chamado, patenteou o projeto da centrífuga em seu próprio nome (patente nº 1071597 de 1957, pendente em 13 países). Em 1957, tendo se mudado para os EUA, Zippe construiu uma instalação funcional lá, reproduzindo o protótipo de Sergeev de memória. E ele chamou, vamos prestar homenagem, "centrífuga russa" (foto).

A propósito, a engenharia russa se mostrou em muitos outros casos. Um exemplo é a válvula elementar de fechamento de emergência. Não há sensores, detectores e circuitos eletrônicos. Existe apenas uma torneira samovar, que com sua pétala toca a moldura da cascata. Se algo der errado e a centrífuga mudar de posição no espaço, ela simplesmente gira e fecha a linha de entrada. É como uma piada sobre uma caneta americana e um lápis russo no espaço.

Nossos dias

Esta semana, o autor dessas linhas esteve presente em um evento significativo - o fechamento do escritório russo de observadores do Departamento de Energia dos EUA sob o contrato HEU-LEU. Este acordo (urânio altamente enriquecido-urânio pouco enriquecido) foi, e ainda é, o maior acordo de energia nuclear entre a Rússia e a América. Sob os termos do contrato, os cientistas nucleares russos processaram 500 toneladas de nosso urânio para armas (90%) em combustível (4%) HFCs para usinas nucleares americanas. As receitas de 1993-2009 totalizaram 8,8 bilhões de dólares americanos. Este foi o resultado lógico do avanço tecnológico de nossos cientistas nucleares no campo da separação de isótopos, feito nos anos do pós-guerra.
Na foto: cascatas de centrífugas a gás em uma das oficinas da UEIP. Há cerca de 100.000 deles aqui.

Graças às centrífugas, recebemos milhares de toneladas de produtos relativamente baratos, tanto militares quanto comerciais. A indústria nuclear, uma das poucas remanescentes (aviação militar, espacial), onde a Rússia detém uma superioridade inquestionável. Apenas encomendas estrangeiras para dez anos à frente (de 2013 a 2022), portfólio da Rosatom excluindo o contrato HEU-LEUé de 69,3 bilhões de dólares. Em 2011, ultrapassou 50 bilhões...
Na foto, um depósito de contêineres com HFCs na UEIP.

Em 28 de setembro de 1942, foi adotada a Resolução do Comitê de Defesa do Estado nº 2352ss "Sobre a organização do trabalho com urânio". Esta data é considerada o início oficial da história da indústria nuclear na Rússia.

Hoje faremos uma curta viagem ao mundo da física nuclear. O tema de nossa excursão será um reator nuclear. Você aprenderá como funciona, quais princípios físicos fundamentam sua operação e onde esse dispositivo é usado.

O nascimento da energia nuclear

O primeiro reator nuclear do mundo foi construído em 1942 nos EUA. grupo experimental de físicos liderado pelo laureado premio Nobel Enrico Fermi. Ao mesmo tempo, eles realizaram uma reação de fissão de urânio autossustentável. O gênio atômico foi lançado.

O primeiro reator nuclear soviético foi lançado em 1946, e 8 anos depois, a primeira usina nuclear do mundo na cidade de Obninsk deu origem. O principal supervisor científico do trabalho na indústria de energia nuclear da URSS era um físico notável Igor Vasilievich Kurchatov.

Desde então, várias gerações de reatores nucleares mudaram, mas os principais elementos de seu design permaneceram inalterados.

Anatomia de um reator nuclear

Esta instalação nuclear é um tanque de aço de paredes espessas com uma capacidade cilíndrica que varia de alguns centímetros cúbicos a muitos metros cúbicos.

Dentro deste cilindro está o santo dos santos - núcleo do reator.É aqui que ocorre a reação em cadeia da fissão do combustível nuclear.

Vejamos como ocorre esse processo.

Os núcleos de elementos pesados, em particular Urânio-235 (U-235), sob a influência de um pequeno impulso de energia, eles são capazes de se desintegrar em 2 fragmentos de massa aproximadamente igual. O agente causador desse processo é o nêutron.

Os fragmentos são, na maioria das vezes, núcleos de bário e crípton. Cada um deles carrega uma carga positiva, então as forças de repulsão de Coulomb os forçam a se espalhar em direções diferentes a uma velocidade de cerca de 1/30 da velocidade da luz. Esses fragmentos são portadores de energia cinética colossal.

Para o aproveitamento prático da energia, é necessário que sua liberação seja autossustentável. Reação em cadeia, o que está em questão é ainda mais interessante porque cada evento de fissão é acompanhado pela emissão de novos nêutrons. Para um nêutron inicial, em média, surgem 2-3 novos nêutrons. O número de núcleos de urânio físseis está crescendo como uma avalanche, causando a liberação de uma enorme energia. Se esse processo não for controlado, ocorrerá uma explosão nuclear. Ocorre em .

Para controlar o número de nêutrons materiais que absorvem nêutrons são introduzidos no sistema, proporcionando uma liberação suave de energia. Cádmio ou boro são usados ​​como absorvedores de nêutrons.

Como conter e usar a enorme energia cinética dos fragmentos? Para esses fins, é utilizado um refrigerante, ou seja, um meio especial, movendo-se no qual os fragmentos são desacelerados e aquecidos a temperaturas extremamente altas. Esse meio pode ser água comum ou pesada, metais líquidos (sódio) e alguns gases. Para não causar a transição do refrigerante para o estado de vapor, alta pressão é mantida no núcleo (até 160 atm). Por esse motivo, as paredes do reator são feitas de aço de dez centímetros de graus especiais.

Se os nêutrons saírem do combustível nuclear, a reação em cadeia pode ser interrompida. Portanto, existe uma massa crítica de material físsil, ou seja, sua massa mínima na qual uma reação em cadeia será mantida. Depende de vários parâmetros, incluindo a presença de um refletor ao redor do núcleo do reator. Serve para evitar o vazamento de nêutrons no meio ambiente. O material mais comum para este elemento estrutural é o grafite.

Os processos que ocorrem no reator são acompanhados pela liberação do tipo de radiação mais perigoso - a radiação gama. Para minimizar este perigo, fornece proteção anti-radiação.

Como funciona um reator nuclear

O combustível nuclear, chamado de elementos combustíveis, é colocado no núcleo do reator. São comprimidos formados a partir de um material físsil e acondicionados em tubos finos com cerca de 3,5 m de comprimento e 10 mm de diâmetro.

Centenas de conjuntos de combustível do mesmo tipo são colocados no núcleo e se tornam fontes de energia térmica liberada durante a reação em cadeia. O refrigerante que lava as barras de combustível forma o primeiro circuito do reator.

Aquecido a altos parâmetros, é bombeado para o gerador de vapor, onde transfere sua energia para a água do circuito secundário, transformando-a em vapor. O vapor resultante gira o gerador de turbina. A eletricidade gerada por esta unidade é transferida para o consumidor. E o vapor de exaustão, resfriado pela água da lagoa de resfriamento, na forma de condensado, é devolvido ao gerador de vapor. O ciclo se fecha.

Essa operação de dois circuitos de uma instalação nuclear exclui a penetração da radiação que acompanha os processos que ocorrem no núcleo além de seus limites.

Assim, uma cadeia de transformações de energia ocorre no reator: a energia nuclear do material físsil → em energia cinética dos fragmentos → a energia térmica do refrigerante → a energia cinética da turbina → e em energia elétrica no gerador.

A inevitável perda de energia leva ao fato de que A eficiência das usinas nucleares é relativamente baixa, 33-34%.

Além de gerar energia elétrica em usinas nucleares, os reatores nucleares são usados ​​para produzir vários isótopos radioativos, para pesquisas em diversas áreas da indústria e para estudar os parâmetros permitidos de reatores industriais. Os reatores de transporte, que fornecem energia aos motores dos veículos, estão se tornando cada vez mais difundidos.

Tipos de reatores nucleares

Normalmente, os reatores nucleares funcionam com urânio U-235. No entanto, seu conteúdo em material natural é extremamente baixo, apenas 0,7%. A principal massa de urânio natural é o isótopo U-238. Uma reação em cadeia no U-235 só pode ser causada por nêutrons lentos, e o isótopo U-238 é fissionado apenas por nêutrons rápidos. Como resultado da fissão nuclear, nascem nêutrons lentos e rápidos. Nêutrons rápidos, experimentando desaceleração no refrigerante (água), tornam-se lentos. Mas a quantidade do isótopo U-235 no urânio natural é tão pequena que é necessário recorrer ao seu enriquecimento, elevando a sua concentração para 3-5%. Este processo é muito dispendioso e economicamente desvantajoso. Além disso, o tempo de exaustão recursos naturais estima-se que este isótopo tenha apenas 100-120 anos de idade.

Portanto, na indústria nuclear há uma transição gradual para reatores operando com nêutrons rápidos.

Sua principal diferença é que os metais líquidos são usados ​​\u200b\u200bcomo refrigerante, que não desaceleram os nêutrons, e o U-238 é usado como combustível nuclear. Os núcleos desse isótopo passam por uma cadeia de transformações nucleares em Plutônio-239, que sofre uma reação em cadeia da mesma forma que o U-235. Ou seja, há uma reprodução do combustível nuclear, e em quantidade superior ao seu consumo.

De acordo com os especialistas As reservas de isótopos de urânio-238 devem durar 3.000 anos. Este tempo é suficiente para que a humanidade tenha tempo suficiente para desenvolver outras tecnologias.

Problemas no uso da energia nuclear

Juntamente com as vantagens óbvias da energia nuclear, a escala dos problemas associados à operação de instalações nucleares não pode ser subestimada.

O primeiro deles é eliminação de resíduos radioativos e equipamentos desmontados energia nuclear. Esses elementos possuem um fundo de radiação ativo, que persiste por um longo período. Para o descarte desses resíduos, são utilizados recipientes especiais de chumbo. Eles deveriam estar enterrados em áreas de permafrost a uma profundidade de até 600 metros. Portanto, há um trabalho constante para encontrar uma maneira de processar os resíduos radioativos, o que deve resolver o problema de descarte e ajudar a preservar a ecologia do nosso planeta.

O segundo grande problema é garantindo a segurança durante a operação da NPP. Acidentes graves como Chernobyl podem tirar muito vidas humanas e desmantelar vastas áreas.

O acidente na usina nuclear japonesa "Fukushima-1" apenas confirmou o perigo potencial que se manifesta em caso de emergência em instalações nucleares.

No entanto, as possibilidades da energia nuclear são tão grandes que os problemas ambientais ficam em segundo plano.

Hoje, a humanidade não tem outra maneira de satisfazer a crescente fome de energia. A base da indústria de energia nuclear do futuro provavelmente serão reatores "rápidos" com a função de produzir combustível nuclear.

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Em meados do século XX, a atenção da humanidade estava voltada para o átomo e a explicação dos cientistas sobre a reação nuclear, que inicialmente decidiram usar para fins militares, inventando as primeiras bombas nucleares no âmbito do Projeto Manhattan. Mas na década de 50 do século XX, um reator nuclear na URSS foi usado para fins pacíficos. É sabido que em 27 de junho de 1954, a primeira usina nuclear do mundo com capacidade de 5.000 kW entrou ao serviço da humanidade. Hoje, um reator nuclear pode gerar eletricidade de 4.000 MW ou mais, ou seja, 800 vezes mais do que há meio século.

O que é um reator nuclear: definição básica e principais componentes da unidade

Um reator nuclear é uma unidade especial com a ajuda da qual a energia é gerada como resultado da manutenção correta de uma reação nuclear controlada. O uso da palavra "atômico" em combinação com a palavra "reator" é permitido. Muitos geralmente consideram os conceitos de "nuclear" e "atômico" como sinônimos, pois não encontram uma diferença fundamental entre eles. Mas os representantes da ciência estão inclinados a uma combinação mais correta - "reator nuclear".

Interessante facto! As reações nucleares podem prosseguir com a liberação ou absorção de energia.

Os principais componentes no dispositivo de um reator nuclear são os seguintes elementos:

• Moderador;
• Hastes de controle;
• Bastões contendo uma mistura enriquecida de isótopos de urânio;
• Elementos especiais de proteção contra radiação;
• Refrigerante;
• gerador de vapor;
• Turbina;
• Gerador;
• Capacitor;
• Combustível nuclear.

Quais são os princípios fundamentais da operação de um reator nuclear determinados pelos físicos e por que eles são inabaláveis

O princípio fundamental da operação de um reator nuclear é baseado nas características da manifestação de uma reação nuclear. No momento de um processo nuclear de cadeia física padrão, a partícula interage com o núcleo atômico, como resultado, o núcleo se transforma em um novo com a liberação de partículas secundárias, que os cientistas chamam de quanta gama. Durante uma reação nuclear em cadeia, uma enorme quantidade de energia térmica é liberada. O espaço no qual ocorre a reação em cadeia é chamado de núcleo do reator.

Interessante facto! A zona ativa externamente se assemelha a uma caldeira através da qual flui água comum, que atua como refrigerante.

Para evitar a perda de nêutrons, a área do núcleo do reator é cercada por um refletor de nêutrons especial. Sua principal tarefa é rejeitar a maioria dos nêutrons emitidos para o núcleo. O refletor é geralmente a mesma substância que serve como moderador.

O controle principal de um reator nuclear ocorre com a ajuda de hastes de controle especiais. Sabe-se que essas hastes são introduzidas no núcleo do reator e criam todas as condições para o funcionamento da unidade. Normalmente, as hastes de controle são feitas de compostos químicos boro e cádmio. Por que esses elementos são usados? Sim, tudo porque o boro ou o cádmio são capazes de absorver efetivamente os nêutrons térmicos. E assim que o lançamento é planejado, de acordo com o princípio de operação de um reator nuclear, as hastes de controle são introduzidas no núcleo. Sua principal tarefa é absorver uma parte significativa dos nêutrons, provocando assim o desenvolvimento de uma reação em cadeia. O resultado deve atingir o nível desejado. Quando a potência aumenta acima do nível definido, as máquinas automáticas são ligadas, que necessariamente imergem as hastes de controle profundamente no núcleo do reator.

Assim, fica claro que o controle ou hastes de controle desempenham um papel importante na operação de um reator nuclear térmico.

E para reduzir o vazamento de nêutrons, o núcleo do reator é cercado por um refletor de nêutrons que lança uma massa significativa de nêutrons emitidos livremente no núcleo. No significado do refletor, geralmente a mesma substância é usada para o moderador.

Segundo o padrão, o núcleo dos átomos da substância moderadora tem massa relativamente pequena, de modo que ao colidir com um núcleo leve, o nêutron presente na cadeia perde mais energia do que ao colidir com um pesado. Os moderadores mais comuns são água comum ou grafite.

Interessante facto! Os nêutrons no processo de uma reação nuclear são caracterizados por uma velocidade de movimento extremamente alta e, portanto, é necessário um moderador, forçando os nêutrons a perder parte de sua energia.

Nenhum reator no mundo pode funcionar normalmente sem a ajuda de um refrigerante, já que seu objetivo é remover a energia que é gerada no coração do reator. Como refrigerante, líquidos ou gases são necessariamente usados, pois não são capazes de absorver nêutrons. Vamos dar um exemplo de refrigerante para um reator nuclear compacto - água, dióxido de carbono e, às vezes, até sódio metálico líquido.

Assim, os princípios de operação de um reator nuclear são inteiramente baseados nas leis de uma reação em cadeia, seu curso. Todos os componentes do reator - moderador, varetas, refrigerante, combustível nuclear - realizam suas tarefas, causando o funcionamento normal do reator.

Que combustível é usado para reatores nucleares e por que exatamente esses elementos químicos são escolhidos

O combustível principal nos reatores pode ser isótopos de urânio, também plutônio ou tório.

Já em 1934, F. Joliot-Curie, observando o processo de fissão do núcleo de urânio, percebeu que como resultado reação química o núcleo de urânio é dividido em fragmentos-núcleos e dois ou três nêutrons livres. E isso significa que existe a possibilidade de nêutrons livres se juntarem a outros núcleos de urânio e provocarem outra fissão. E assim, como prevê a reação em cadeia: seis a nove nêutrons serão liberados de três núcleos de urânio e eles se juntarão novamente aos núcleos recém-formados. E assim por diante ad infinitum.

Importante lembrar! Os nêutrons que aparecem durante a fissão nuclear são capazes de provocar a fissão de núcleos do isótopo de urânio com número de massa 235, e para a destruição de núcleos do isótopo de urânio com número de massa 238, pode haver pouca energia surgindo em o processo de decadência.

O urânio número 235 é raro na natureza. Ele responde por apenas 0,7%, mas o urânio-238 natural ocupa um nicho mais amplo e responde por 99,3%.

Apesar de uma proporção tão pequena de urânio-235 na natureza, físicos e químicos ainda não podem recusá-lo, porque é o mais eficaz para o funcionamento de um reator nuclear, reduzindo o custo de obtenção de energia para a humanidade.

Quando surgiram os primeiros reatores nucleares e onde são usados ​​hoje

Já em 1919, os físicos triunfaram quando Rutherford descobriu e descreveu o processo de formação de prótons em movimento como resultado da colisão de partículas alfa com núcleos de átomos de nitrogênio. Essa descoberta fez com que o núcleo do isótopo de nitrogênio, como resultado de uma colisão com uma partícula alfa, se transformasse no núcleo de um isótopo de oxigênio.

Antes do surgimento dos primeiros reatores nucleares, o mundo aprendeu várias novas leis da física que tratavam de todos os aspectos importantes de uma reação nuclear. Assim, em 1934, F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky pela primeira vez ofereceram à sociedade e ao círculo de cientistas mundiais uma suposição teórica e base de evidências sobre a possibilidade de reações nucleares. Todos os experimentos foram relacionados à observação da fissão do núcleo de urânio.

Em 1939, E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch traçaram a reação de fissão de núcleos de urânio durante seu bombardeio com nêutrons. No decorrer da pesquisa, os cientistas descobriram que quando um nêutron acelerado entra no núcleo de urânio, o núcleo existente é dividido em duas ou três partes.

A reação em cadeia foi praticamente comprovada em meados do século XX. Em 1939, os cientistas conseguiram provar que a fissão de um núcleo de urânio libera cerca de 200 MeV de energia. Mas cerca de 165 MeV é alocado para a energia cinética dos núcleos do fragmento, e o restante carrega os quanta gama com ele. Esta descoberta fez um avanço na física quântica.

E. Fermi continua trabalhando e pesquisando por mais alguns anos e lança o primeiro reator nuclear em 1942 nos Estados Unidos. O projeto incorporado foi chamado - "Chicago woodpile" e foi colocado nos trilhos. Em 5 de setembro de 1945, o Canadá lançou seu reator nuclear ZEEP. O continente europeu não ficou para trás e, ao mesmo tempo, a instalação do F-1 estava sendo construída. E para os russos há outra data memorável - em 25 de dezembro de 1946, um reator é lançado em Moscou sob a liderança de I. Kurchatov. Estes não eram os reatores nucleares mais poderosos, mas este foi o começo do desenvolvimento do átomo pelo homem.

Para fins pacíficos, um reator nuclear científico foi criado em 1954 na URSS. O primeiro navio pacífico do mundo com uma usina nuclear, o quebra-gelo nuclear Lenin, foi construído na União Soviética em 1959. E mais uma conquista de nosso estado é o quebra-gelo nuclear Arktika. Este navio de superfície alcançou o Pólo Norte pela primeira vez no mundo. Aconteceu em 1975.

Os primeiros reatores nucleares portáteis operavam com nêutrons lentos.

Onde são usados ​​reatores nucleares e que tipos a humanidade usa

• Reatores industriais. Eles são usados ​​para gerar energia em usinas nucleares.
• Reatores nucleares atuando como propulsão de submarinos nucleares.
• Reatores experimentais (portáteis, pequenos). Sem eles, nem um único moderno experiência científica ou pesquisa.

Hoje, a luz científica aprendeu a dessalinizar com a ajuda de reatores especiais água do mar para atender a população com qualidade água potável. Existem muitos reatores nucleares em operação na Rússia. Assim, segundo as estatísticas, a partir de 2018, cerca de 37 blocos estão operando no estado.

E de acordo com a classificação, podem ser os seguintes:

• Pesquisa (histórica). Isso inclui a estação F-1, que foi criada como um local experimental para a produção de plutônio. I.V. Kurchatov trabalhou na F-1, supervisionou o primeiro reator físico.
• Pesquisa (ativa).
• Arsenal. Como exemplo do reator - A-1, que entrou para a história como o primeiro reator com resfriamento. A potência passada de um reator nuclear é pequena, mas funcional.
• Energia.
• Enviar. Sabe-se que em navios e submarinos, por necessidade e viabilidade técnica, são utilizados reatores refrigerados a água ou de metal líquido.
• Espaço. Como exemplo, vamos chamar a instalação de Yenisei em espaçonave, que entra em ação se for necessário extrair uma quantidade adicional de energia, e terá que ser obtida usando painéis solares e fontes de isótopos.

Assim, o tema dos reatores nucleares é bastante extenso, portanto, requer um profundo estudo e compreensão das leis da física quântica. Mas a importância dos reatores nucleares para a indústria de energia e para a economia do estado já é, sem dúvida, alimentada por uma aura de utilidade e benefícios.

Para pessoa comum os dispositivos modernos de alta tecnologia são tão misteriosos e misteriosos que é justo adorá-los, como os antigos adoravam o raio. Aulas escolares os físicos, repletos de cálculos matemáticos, não resolvem o problema. Mas é interessante contar até mesmo sobre um reator nuclear, cujo princípio de funcionamento é claro até para um adolescente.

Como funciona um reator nuclear?

O princípio de operação deste dispositivo de alta tecnologia é o seguinte:

1. Quando um nêutron é absorvido, o combustível nuclear (na maioria das vezes este urânio-235 ou plutônio-239) ocorre a divisão do núcleo atômico;
2. Energia cinética, radiação gama e nêutrons livres são liberados;
3. A energia cinética é convertida em energia térmica (quando os núcleos colidem com os átomos circundantes), a radiação gama é absorvida pelo próprio reator e também é convertida em calor;
4. Alguns dos nêutrons gerados são absorvidos pelos átomos do combustível, o que causa uma reação em cadeia. Para controlá-lo, são utilizados absorvedores e moderadores de nêutrons;
5. Com a ajuda de um refrigerante (água, gás ou sódio líquido), o calor é removido do local da reação;
6. O vapor pressurizado da água aquecida é usado para acionar turbinas a vapor;
7. Com a ajuda de um gerador, a energia mecânica da rotação das turbinas é convertida em corrente elétrica alternada.

Abordagens à classificação

Pode haver muitas razões para a tipologia dos reatores:

• Por tipo de reação nuclear. Fissão (todas as instalações comerciais) ou fusão (energia termonuclear, é difundida apenas em alguns institutos de pesquisa);
• Por refrigerante. Na grande maioria dos casos, a água (fervente ou pesada) é utilizada para esse fim. Às vezes são usadas soluções alternativas: metal líquido (sódio, liga de chumbo-bismuto, mercúrio), gás (hélio, dióxido de carbono ou nitrogênio), sal fundido (sais de flúor);
• Por geração. A primeira são os primeiros protótipos, que não faziam sentido comercial. A segunda é a maioria das usinas nucleares usadas atualmente que foram construídas antes de 1996. A terceira geração difere da anterior apenas em pequenas melhorias. O trabalho na quarta geração ainda está em andamento;
• De acordo com o estado agregado combustível (o gás ainda existe apenas no papel);
• Por propósito de uso(para produção de eletricidade, partida de motor, produção de hidrogênio, dessalinização, transmutação de elementos, obtenção de radiação neural, fins teóricos e investigativos).

Dispositivo de reator nuclear

Os principais componentes dos reatores na maioria das usinas são:

1. Combustível nuclear - uma substância necessária para a produção de calor para turbinas de energia (geralmente urânio de baixo enriquecimento);
2. A zona ativa do reator nuclear - é aqui que ocorre a reação nuclear;
3. Moderador de nêutrons - reduz a velocidade dos nêutrons rápidos, transformando-os em nêutrons térmicos;
4. Fonte de nêutrons inicial - usada para lançamento confiável e estável de uma reação nuclear;
5. Absorvedor de nêutrons - disponível em algumas usinas para reduzir a alta reatividade do combustível novo;
6. Obus de nêutrons - usado para reiniciar uma reação após ser desligado;
7. Refrigerante (água purificada);
8. Barras de controle - para controlar a taxa de fissão dos núcleos de urânio ou plutônio;
9. Bomba de água - bombeia água para a caldeira de vapor;
10. Turbina a vapor - converte a energia térmica do vapor em energia mecânica rotacional;
11. Torre de resfriamento - um dispositivo para remover o excesso de calor na atmosfera;
12. Sistema de recebimento e armazenamento de rejeitos radioativos;
13. Sistemas de segurança (geradores a diesel de emergência, dispositivos para resfriamento de núcleo de emergência).

Como funcionam os modelos mais recentes

A mais recente 4ª geração de reatores estará disponível para operação comercial não antes de 2030. Atualmente, o princípio e o arranjo de seu trabalho estão em fase de desenvolvimento. De acordo com os dados atuais, essas modificações serão diferentes dos modelos existentes em tais benefícios:

• Sistema de resfriamento rápido de gás. Supõe-se que o hélio será usado como refrigerante. De acordo com Documentação do projeto, assim é possível resfriar reatores com temperatura de 850 °C. Para trabalhar em temperaturas tão altas, também são necessárias matérias-primas específicas: materiais cerâmicos compósitos e compostos de actinídeos;
• É possível usar chumbo ou uma liga de chumbo-bismuto como refrigerante primário. Esses materiais têm baixa absorção de nêutrons e são relativamente temperatura baixa Derretendo;
• Além disso, uma mistura de sais fundidos pode ser usada como refrigerante principal. Assim, será possível trabalhar em temperaturas mais altas do que as modernas contrapartes refrigeradas a água.

Análogos naturais na natureza

O reator nuclear é percebido como consciência pública exclusivamente como um produto de alta tecnologia. Porém, na verdade, o primeiro o dispositivo é de origem natural. Foi descoberto na região de Oklo, no estado centro-africano do Gabão:

• O reator foi formado devido à inundação de rochas de urânio lençóis freáticos. Eles atuaram como moderadores de nêutrons;
• A energia térmica liberada durante o decaimento do urânio transforma a água em vapor e a reação em cadeia para;
• Depois que a temperatura do refrigerante cai, tudo se repete novamente;
• Se o líquido não tivesse fervido e parado o curso da reação, a humanidade teria enfrentado um novo desastre natural;
• A fissão nuclear autossustentável começou neste reator há cerca de um bilhão e meio de anos. Durante esse tempo, cerca de 0,1 milhão de watts de potência de saída foram alocados;
• Tal maravilha do mundo na Terra é a única conhecida. O surgimento de novos é impossível: a proporção de urânio-235 nas matérias-primas naturais é muito inferior ao nível necessário para manter uma reação em cadeia.

Quantos reatores nucleares existem na Coreia do Sul?

Pobre em recursos naturais, mas industrializada e superpovoada, a República da Coreia precisa urgentemente de energia. Tendo como pano de fundo a rejeição da Alemanha ao átomo pacífico, este país tem grandes esperanças de restringir a tecnologia nuclear:

• Prevê-se que até 2035 a parcela de eletricidade gerada por usinas nucleares chegue a 60% e a produção total - mais de 40 gigawatts;
• O país não possui armas atômicas, mas as pesquisas em física nuclear estão em andamento. Cientistas coreanos desenvolveram projetos de reatores modernos: modulares, de hidrogênio, com metal líquido, etc.;
• O sucesso dos pesquisadores locais permite vender tecnologia no exterior. A expectativa é de que nos próximos 15 a 20 anos o país exporte 80 dessas unidades;
• Mas até hoje, a maioria das usinas nucleares foi construída com a ajuda de cientistas americanos ou franceses;
• O número de estações operacionais é relativamente pequeno (apenas quatro), mas cada uma delas possui um número significativo de reatores - 40 no total, e esse número vai crescer.

Quando bombardeado com nêutrons, o combustível nuclear entra em uma reação em cadeia, resultando na geração de uma grande quantidade de calor. A água do sistema capta esse calor e o transforma em vapor, que aciona turbinas que produzem eletricidade. Aqui está um diagrama simples da operação de um reator atômico, a fonte de energia mais poderosa da Terra.

Vídeo: como funcionam os reatores nucleares

Neste vídeo, o físico nuclear Vladimir Chaikin contará como a eletricidade é gerada em reatores nucleares, sua estrutura detalhada:

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O que é um reator nuclear?

Um reator nuclear, anteriormente conhecido como "caldeira nuclear" é um dispositivo usado para iniciar e controlar uma reação nuclear em cadeia sustentada. Os reatores nucleares são usados ​​em usinas nucleares para gerar eletricidade e para motores de navios. O calor da fissão nuclear é transferido para o fluido de trabalho (água ou gás) que passa pelas turbinas a vapor. Água ou gás acionam as pás do navio ou giram geradores elétricos. O vapor resultante de uma reação nuclear pode, em princípio, ser usado para a indústria térmica ou para aquecimento urbano. Alguns reatores são usados ​​para produzir isótopos para aplicações médicas e industriais ou para produzir plutônio para armas. Alguns deles são apenas para fins de pesquisa. Hoje, existem cerca de 450 reatores de energia nuclear usados ​​para gerar eletricidade em cerca de 30 países ao redor do mundo.

O princípio de operação de um reator nuclear

Assim como as usinas convencionais geram eletricidade usando a energia térmica liberada pela queima de combustíveis fósseis, os reatores nucleares convertem a energia liberada pela fissão nuclear controlada em energia térmica para posterior conversão em formas mecânicas ou elétricas.

processo de fissão nuclear

Quando um número significativo de núcleos atômicos em decomposição (como urânio-235 ou plutônio-239) absorve um nêutron, pode ocorrer o processo de decaimento nuclear. Um núcleo pesado decai em dois ou mais núcleos leves (produtos de fissão), liberando energia cinética, raios gama e nêutrons livres. Alguns desses nêutrons podem ser posteriormente absorvidos por outros átomos físseis e causar mais fissão, que libera ainda mais nêutrons e assim por diante. Esse processo é conhecido como reação nuclear em cadeia.

Para controlar essa reação em cadeia nuclear, os absorvedores e moderadores de nêutrons podem alterar a proporção de nêutrons que entram em fissão de mais núcleos. Os reatores nucleares são controlados manualmente ou automaticamente para poder interromper a reação de decaimento quando situações perigosas são identificadas.

Os reguladores de fluxo de nêutrons comumente usados ​​são água comum ("leve") (74,8% dos reatores no mundo), grafite sólido (20% dos reatores) e água "pesada" (5% dos reatores). Em alguns tipos de reatores experimentais, é proposto o uso de berílio e hidrocarbonetos.

Geração de calor em um reator nuclear

A zona de trabalho do reator gera calor de várias maneiras:

• A energia cinética dos produtos da fissão é convertida em energia térmica quando os núcleos colidem com os átomos vizinhos.
• O reator absorve parte da radiação gama produzida durante a fissão e converte sua energia em calor.
• O calor é gerado a partir do decaimento radioativo dos produtos de fissão e dos materiais que foram afetados pela absorção de nêutrons. Esta fonte de calor permanecerá inalterada por algum tempo, mesmo após o desligamento do reator.

Durante as reações nucleares, um quilograma de urânio-235 (U-235) libera cerca de três milhões de vezes mais energia do que um quilograma de carvão queimado convencionalmente (7,2 × 1013 joules por quilograma de urânio-235 em comparação com 2,4 × 107 joules por quilograma de carvão) ,

Sistema de resfriamento do reator nuclear

O refrigerante de um reator nuclear - geralmente água, mas às vezes gás, metal líquido (como sódio líquido) ou sal fundido - circula ao redor do núcleo do reator para absorver o calor gerado. O calor é removido do reator e então usado para gerar vapor. A maioria dos reatores usa um sistema de resfriamento fisicamente isolado da água que ferve e gera vapor usado para turbinas, muito parecido com um reator de água pressurizada. No entanto, em alguns reatores, a água para turbinas a vapor é fervida diretamente no núcleo do reator; por exemplo, em um reator de água pressurizada.

Controle de fluxo de nêutrons no reator

A potência do reator é controlada controlando o número de nêutrons capazes de causar mais fissões.

Barras de controle feitas de "veneno de nêutrons" são usadas para absorver nêutrons. Quanto mais nêutrons forem absorvidos pela haste de controle, menos nêutrons podem causar mais fissão. Assim, imergir as hastes de absorção profundamente no reator reduz sua potência de saída e, inversamente, remover a haste de controle irá aumentá-la.

No primeiro nível de controle em todos os reatores nucleares, a emissão retardada de nêutrons de vários isótopos de fissão enriquecidos com nêutrons é um importante processo físico. Esses nêutrons atrasados ​​representam cerca de 0,65% do número total de nêutrons produzidos durante a fissão, enquanto o restante (os chamados "nêutrons rápidos") é formado imediatamente durante a fissão. Os produtos de fissão que formam os nêutrons atrasados ​​têm meias-vidas variando de milissegundos a vários minutos e, portanto, leva um tempo considerável para determinar com precisão quando o reator atinge ponto crítico. A manutenção do reator em um modo de reatividade em cadeia, onde os nêutrons atrasados ​​são necessários para atingir a massa crítica, é conseguida por dispositivos mecânicos ou controle humano para controlar a reação em cadeia em "tempo real"; caso contrário, o tempo entre atingir a criticidade e derreter o núcleo de um reator nuclear como resultado do aumento exponencial de energia em uma reação nuclear em cadeia normal seria muito curto para intervir. Esse estágio final, onde os nêutrons atrasados ​​não são mais necessários para manter a criticidade, é conhecido como criticidade imediata. Existe uma escala para descrever a criticidade de forma numérica, na qual a criticalidade inicial é indicada pelo termo "zero dólares", o ponto crítico rápido como "um dólar", os demais pontos do processo são interpolados em "centavos".

Em alguns reatores, o refrigerante também atua como um moderador de nêutrons. O moderador aumenta a potência do reator fazendo com que os nêutrons rápidos que são liberados durante a fissão percam energia e se tornem nêutrons térmicos. Os nêutrons térmicos são mais propensos do que os nêutrons rápidos a causar fissão. Se o refrigerante também for um moderador de nêutrons, as mudanças na temperatura podem afetar a densidade do refrigerante/moderador e, portanto, a mudança na potência do reator. Quanto maior a temperatura do refrigerante, menos denso ele será e, portanto, o moderador menos eficaz.

Em outros tipos de reatores, o refrigerante atua como um "veneno de nêutrons", absorvendo nêutrons da mesma forma que as hastes de controle. Nesses reatores, a potência pode ser aumentada pelo aquecimento do refrigerante, tornando-o menos denso. Os reatores nucleares normalmente têm sistemas automáticos e manuais para desligar o reator para desligamento de emergência. Esses sistemas colocam grandes quantidades de "veneno de nêutrons" (geralmente boro na forma de ácido bórico) no reator para interromper o processo de fissão se condições perigosas forem detectadas ou suspeitadas.

A maioria dos tipos de reatores são sensíveis a um processo conhecido como "poço de xenônio" ou "poço de iodo". Um produto de fissão comum, o xenônio-135, atua como um absorvedor de nêutrons que procura desligar o reator. O acúmulo de xenônio-135 pode ser controlado mantendo um nível de energia alto o suficiente para destruí-lo, absorvendo nêutrons tão rapidamente quanto é produzido. A fissão também resulta na formação de iodo-135, que por sua vez decai (com meia-vida de 6,57 horas) para formar xenônio-135. Quando o reator é desligado, o iodo-135 continua a decair para formar o xenônio-135, o que torna a reinicialização do reator mais difícil em um ou dois dias, pois o xenônio-135 decai para formar o césio-135, que não é um absorvedor de nêutrons como xenônio-135.135, com meia-vida de 9,2 horas. Este estado temporário é o "poço de iodo". Se o reator tiver energia adicional suficiente, ele poderá ser reiniciado. Quanto mais xenônio-135 se transformará em xenônio-136, que é menor que o absorvedor de nêutrons, e em poucas horas o reator experimenta o chamado "estágio de queima de xenônio". Além disso, hastes de controle devem ser inseridas no reator para compensar a absorção de nêutrons para substituir o xenônio-135 perdido. A falha em seguir corretamente este procedimento foi uma das principais razões para o acidente na usina nuclear de Chernobyl.

Os reatores usados ​​em instalações nucleares marítimas (especialmente submarinos nucleares) muitas vezes não podem ser iniciados em um modo de energia contínua da mesma forma que os reatores de energia baseados em terra. Além disso, tais usinas devem ter um longo período de operação sem trocar o combustível. Por esta razão, muitos projetos usam urânio altamente enriquecido, mas contêm um absorvedor de nêutrons queimável nas varetas de combustível. Isso torna possível projetar um reator com excesso de material físsil, que é relativamente seguro no início da queima do ciclo de combustível do reator devido à presença de material absorvedor de nêutrons, que é posteriormente substituído por absorvedores convencionais de nêutrons de longa duração (mais durável que o xenônio-135), que se acumula gradualmente ao longo da vida útil do reator.

Como é produzida a eletricidade?

A energia gerada durante a fissão gera calor, parte do qual pode ser convertida em energia útil. método geral O aproveitamento dessa energia térmica é utilizá-la para ferver água e produzir vapor pressurizado, que por sua vez aciona uma turbina a vapor que aciona um alternador e gera eletricidade.

A história do surgimento dos primeiros reatores

Os nêutrons foram descobertos em 1932. O esquema de uma reação em cadeia provocada por reações nucleares como resultado da exposição a nêutrons foi realizado pela primeira vez pelo cientista húngaro Leo Sillard em 1933. Ele solicitou uma patente para sua ideia de reator simples durante o ano seguinte no Almirantado em Londres. No entanto, a ideia de Szilard não incluía a teoria da fissão nuclear como fonte de nêutrons, pois esse processo ainda não havia sido descoberto. As ideias de Szilard para reatores nucleares usando uma reação em cadeia nuclear mediada por nêutrons em elementos leves se mostraram impraticáveis.

O ímpeto para a criação de um novo tipo de reator usando urânio foi a descoberta de Lise Meitner, Fritz Strassmann e Otto Hahn em 1938, que "bombardearam" urânio com nêutrons (usando a reação de decaimento alfa do berílio, a "arma de nêutrons") para formar bário, que, como eles acreditavam, originou-se da decomposição de núcleos de urânio. Estudos subsequentes no início de 1939 (Szilard e Fermi) mostraram que alguns nêutrons também foram produzidos durante a fissão do átomo, e isso tornou possível realizar uma reação nuclear em cadeia, como Szilard havia previsto seis anos antes.

Em 2 de agosto de 1939, Albert Einstein assinou uma carta escrita por Szilard ao presidente Franklin D. Roosevelt afirmando que a descoberta da fissão de urânio poderia levar à criação de "novos tipos de bombas extremamente poderosas". Isso deu impulso ao estudo de reatores e decaimento radioativo. Szilard e Einstein se conheciam bem e trabalharam juntos por muitos anos, mas Einstein nunca pensou em tal possibilidade de energia nuclear até que Szilard o informou, logo no início de sua busca, para escrever uma carta Einstein-Szilard para alertar o governo americano,

Pouco tempo depois, em 1939, a Alemanha nazista invadiu a Polônia, iniciando a Segunda Guerra Mundial na Europa. Oficialmente, os EUA ainda não estavam em guerra, mas em outubro, quando a carta de Einstein-Szilard foi entregue, Roosevelt observou que o objetivo do estudo era garantir que "os nazistas não nos explodissem". O projeto nuclear dos EUA começou, embora com algum atraso, porque o ceticismo permaneceu (particularmente de Fermi) e por causa do pequeno número de funcionários do governo que inicialmente supervisionaram o projeto.

No ano seguinte, o governo dos EUA recebeu um memorando Frisch-Peierls da Grã-Bretanha afirmando que a quantidade de urânio necessária para realizar uma reação em cadeia era muito menor do que se pensava anteriormente. O memorando foi elaborado com a participação de Maud Commity, que trabalhou no projeto da bomba atômica no Reino Unido, posteriormente conhecida pelo codinome "Tube Alloys" (Tubular Alloys) e posteriormente incluída no Projeto Manhattan.

Por fim, o primeiro reator nuclear feito pelo homem, chamado Chicago Woodpile 1, foi construído na Universidade de Chicago por uma equipe liderada por Enrico Fermi no final de 1942. Nessa época, o programa nuclear dos EUA já havia sido acelerado pela entrada do país no a guerra. "Chicago Woodpile" atingiu um ponto crítico em 2 de dezembro de 1942 às 15 horas e 25 minutos. A estrutura do reator era de madeira, segurando uma pilha de blocos de grafite (daí o nome) com "briquetes" ou "pseudosferas" aninhadas de óxido de urânio natural.

A partir de 1943, logo após a criação do Chicago Woodpile, os militares dos EUA desenvolveram toda uma série de reatores nucleares para o Projeto Manhattan. O principal objetivo dos maiores reatores (localizados no complexo de Hanford, no estado de Washington) era a produção em massa de plutônio para armas nucleares. Fermi e Szilard apresentaram um pedido de patente para os reatores em 19 de dezembro de 1944. Sua emissão foi adiada por 10 anos devido ao sigilo durante a guerra.

"Primeiro do Mundo" - esta inscrição foi feita no local do reator EBR-I, que agora é um museu perto da cidade de Arco, Idaho. Originalmente denominado "Chicago Woodpile-4", este reator foi construído sob a direção de Walter Zinn para o Laboratório Nacional de Argonne. Este reator reprodutor rápido experimental estava à disposição da Comissão de Energia Atômica dos Estados Unidos. O reator produziu 0,8 kW de potência em testes em 20 de dezembro de 1951 e 100 kW de potência (elétrica) no dia seguinte, com uma capacidade projetada de 200 kW (potência elétrica).

Além do uso militar de reatores nucleares, havia razões políticas para continuar a pesquisa em energia atômica para fins pacíficos. O presidente dos Estados Unidos, Dwight Eisenhower, fez sua famoso discurso"Atoms for Peace" na Assembléia Geral da ONU em 8 de dezembro de 1953 Este movimento diplomático levou à disseminação da tecnologia de reatores nos Estados Unidos e em todo o mundo.

A primeira usina nuclear construída para fins civis foi a usina nuclear AM-1 em Obninsk, lançada em 27 de junho de 1954 na União Soviética. Produziu cerca de 5 MW de energia elétrica.

Após a Segunda Guerra Mundial, os militares dos EUA procuraram outras aplicações para a tecnologia de reatores nucleares. Estudos realizados no Exército e na Aeronáutica não foram implementados; No entanto, a Marinha dos EUA teve sucesso com o lançamento do submarino nuclear USS Nautilus (SSN-571) em 17 de janeiro de 1955.

A primeira usina nuclear comercial (Calder Hall em Sellafield, Inglaterra) foi inaugurada em 1956 com uma capacidade inicial de 50 MW (mais tarde 200 MW).

O primeiro reator nuclear portátil "Alco PM-2A" foi usado para gerar eletricidade (2 MW) para a base militar dos EUA "Camp Century" desde 1960.

Principais componentes de uma usina nuclear

Os principais componentes da maioria dos tipos de usinas nucleares são:

Elementos de um reator nuclear

• Combustível nuclear (núcleo do reator nuclear; moderador de nêutrons)
• Fonte inicial de nêutrons
• Absorvedor de nêutrons
• Pistola de nêutrons (fornece uma fonte constante de nêutrons para reiniciar a reação após ser desligada)
• Sistema de resfriamento (geralmente o moderador de nêutrons e o refrigerante são os mesmos, geralmente água purificada)
• hastes de controle
• Vaso do reator nuclear (NRC)

Bomba de água da caldeira

• Geradores de vapor (não em reatores de água fervente)
• Turbina a vapor
• Gerador de eletricidade
• Capacitor
• Torre de resfriamento (nem sempre necessária)
• Sistema de Tratamento de Resíduos Radioativos (Parte da Estação de Descarte de Resíduos Radioativos)
• Local de recarga de combustível nuclear
• Piscina de combustível gasto

Sistema de segurança contra radiação

• Sistema de proteção do reitor (SZR)
• Geradores a diesel de emergência
• Sistema de Resfriamento de Emergência do Núcleo do Reator (ECCS)
• Sistema de controle de fluido de emergência (injeção de emergência de boro, somente em reatores de água fervente)
• Sistema de abastecimento de água de serviço para consumidores responsáveis ​​(SOTVOP)

Escudo protetor

• Controle remoto
• Instalação de emergência
• Complexo de treinamento nuclear (como regra, há uma simulação do painel de controle)

Classificações de reatores nucleares

Tipos de reatores nucleares

Os reatores nucleares são classificados de várias maneiras; resumo esses métodos de classificação são apresentados a seguir.

Classificação de reatores nucleares por tipo de moderador

Reatores térmicos usados:

• reatores de grafite
  
• Reatores de água pressurizada
• Reatores de água pesada(usado no Canadá, Índia, Argentina, China, Paquistão, Romênia e Coreia do Sul).
• Reatores de água leve(LVR). Os reatores de água leve (o tipo mais comum de reator térmico) usam água comum para controlar e resfriar os reatores. Se a temperatura da água aumenta, sua densidade diminui, diminuindo o fluxo de nêutrons o suficiente para causar mais reações em cadeia. Este feedback negativo estabiliza a taxa da reação nuclear. Os reatores de grafite e água pesada tendem a aquecer mais intensamente do que os reatores de água leve. Devido ao calor extra, tais reatores podem usar urânio natural/combustível não enriquecido.
• Reatores baseados em moderadores de elementos leves.
• Reatores moderados a sal fundido(MSR) são controlados pela presença de elementos leves, como lítio ou berílio, que fazem parte dos sais da matriz refrigerante/combustível LiF e BEF2.
• Reatores com resfriadores de metal líquido, onde o refrigerante é uma mistura de chumbo e bismuto, pode usar óxido de BeO no absorvedor de nêutrons.
• Reatores baseados em moderador orgânico(OMR) usam difenil e terfenil como componentes moderadores e refrigerantes.

Classificação de reatores nucleares por tipo de refrigerante

• Reator refrigerado a água. Existem 104 reatores em operação nos Estados Unidos. Destes, 69 são reatores de água pressurizada (PWRs) e 35 são reatores de água fervente (BWRs). Os reatores nucleares de água pressurizada (PWRs) compõem a grande maioria de todas as usinas nucleares ocidentais. A principal característica do tipo RVD é a presença de um superalimentador, um vaso especial de alta pressão. A maioria dos reatores comerciais de alta pressão e plantas de reatores navais usam superchargers. Durante a operação normal, o soprador é parcialmente preenchido com água e uma bolha de vapor é mantida acima dele, criada pelo aquecimento da água com aquecedores de imersão. No modo normal, o superalimentador é conectado ao vaso de pressão do reator (HRV) e o compensador de pressão fornece uma cavidade em caso de alteração no volume de água no reator. Tal esquema também fornece controle da pressão no reator aumentando ou diminuindo a pressão do vapor no compensador usando aquecedores.

• Reatores de água pesada de alta pressão pertencem a uma variedade de reatores de água pressurizada (PWR), combinando os princípios de uso de pressão, um ciclo térmico isolado, assumindo o uso de água pesada como refrigerante e moderador, o que é economicamente benéfico.
• reator de água fervente(BWR). Modelos de reatores de água fervente são caracterizados pela presença de água fervente ao redor das varetas de combustível no fundo do vaso principal do reator. O reator de água fervente usa 235U enriquecido como combustível, na forma de dióxido de urânio. O combustível é disposto em varetas colocadas em um recipiente de aço, que, por sua vez, é imerso em água. O processo de fissão nuclear faz com que a água ferva e o vapor se forme. Esse vapor passa por tubulações nas turbinas. As turbinas são movidas a vapor, e esse processo gera eletricidade. Durante a operação normal, a pressão é controlada pela quantidade de vapor que flui do vaso de pressão do reator para a turbina.
• Reator tipo piscina
• Reator com refrigerante de metal líquido. Como a água é um moderador de nêutrons, ela não pode ser usada como refrigerante em um reator de nêutrons rápidos. Refrigerantes de metal líquido incluem sódio, NaK, chumbo, chumbo-bismuto eutético e, para reatores de primeira geração, mercúrio.
• Reator de nêutrons rápidos com refrigerante de sódio.
• Reator de nêutrons rápidos com refrigerante de chumbo.
• Reatores refrigerados a gás são resfriados por gás inerte circulante, concebidos com hélio em estruturas de alta temperatura. Ao mesmo tempo, o dióxido de carbono foi usado anteriormente em usinas nucleares britânicas e francesas. Nitrogênio também tem sido usado. O uso de calor depende do tipo de reator. Alguns reatores são tão quentes que o gás pode acionar diretamente uma turbina a gás. Projetos de reatores mais antigos normalmente envolviam a passagem de gás através de um trocador de calor para gerar vapor para uma turbina a vapor.
• Reatores de sal fundido(MSR) são resfriados pela circulação de sal fundido (geralmente misturas eutéticas de sais de fluoreto, como FLiBe). Em um MSR típico, o refrigerante também é usado como uma matriz na qual o material físsil é dissolvido.

Gerações de reatores nucleares

• Reator de primeira geração(primeiros protótipos, reatores de pesquisa, reatores de energia não comerciais)
• Reator de segunda geração(a maioria das usinas nucleares modernas 1965-1996)
• Reator de terceira geração(melhorias evolutivas para projetos existentes 1996-presente)
• reator de quarta geração(tecnologias ainda em desenvolvimento, data de início desconhecida, possivelmente 2030)

Em 2003, o Comissariado Francês de Energia Atômica (CEA) introduziu a designação "Gen II" pela primeira vez durante a Semana Nucleônica.

A primeira menção de "Gen III" em 2000 foi feita em conexão com o início do Generation IV International Forum (GIF).

"Gen IV" foi mencionado em 2000 pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) para o desenvolvimento de novos tipos de usinas de energia.

Classificação de reatores nucleares por tipo de combustível

• Reator de combustível sólido
• reator de combustível líquido
• Reator refrigerado a água homogênea
• Reator de sal fundido
• Reatores a gás (teoricamente)

Classificação de reatores nucleares por finalidade

• Geração da eletricidade
• Usinas nucleares, incluindo pequenos reatores de cluster
• Dispositivos automotores (ver usinas nucleares)
• Instalações nucleares offshore
• Vários tipos propostos de motores de foguete
• Outros usos do calor
• Dessalinização
• Geração de calor para aquecimento doméstico e industrial
• Produção de hidrogênio para uso em energia de hidrogênio
• Reatores de produção para conversão de elementos
• Reatores criadores capazes de produzir mais material físsil do que consomem durante a reação em cadeia (convertendo os isótopos originais U-238 em Pu-239 ou Th-232 em U-233). Assim, tendo realizado um ciclo, o reator criador de urânio pode ser reabastecido repetidamente com urânio natural ou mesmo empobrecido. Por sua vez, o reator criador de tório pode ser recarregado com tório. No entanto, é necessário um suprimento inicial de material físsil.
• Criação de diversos isótopos radioativos, como amerício para uso em detectores de fumaça e cobalto-60, molibdênio-99 e outros, usados ​​como rastreadores e para tratamento.
• Produção de materiais para armas nucleares, como plutônio para armas
• Criação de uma fonte de radiação de nêutrons (por exemplo, o reator pulsado Lady Godiva) e radiação de pósitrons (por exemplo, análise de ativação de nêutrons e datação de potássio-argônio)
• Reator de pesquisa: Normalmente, os reatores são usados ​​para pesquisa científica e ensino, teste de materiais ou produção de radioisótopos para medicina e indústria. Eles são muito menores que os reatores de energia ou reatores de navios. Muitos desses reatores estão localizados em campi universitários. Existem cerca de 280 desses reatores operando em 56 países. Alguns operam com combustível de urânio altamente enriquecido. Esforços internacionais estão em andamento para substituir combustíveis pouco enriquecidos.

Reatores nucleares modernos

Reatores de Água Pressurizada (PWR)

Esses reatores usam um vaso de pressão para conter o combustível nuclear, as hastes de controle, o moderador e o refrigerante. Os reatores são resfriados e os nêutrons são moderados por água líquida sob alta pressão. A água radioativa quente que sai do vaso de pressão passa pelo circuito do gerador de vapor, que por sua vez aquece o circuito secundário (não radioativo). Esses reatores constituem a maioria dos reatores modernos. Este é o dispositivo de projeto de aquecimento do reator de nêutrons, o mais recente dos quais é o VVER-1200, o reator avançado de água pressurizada e o reator europeu de água pressurizada. Os reatores da Marinha dos Estados Unidos são desse tipo.

Reatores de água fervente (BWRs)

Os reatores de água fervente são semelhantes aos reatores de água pressurizada sem gerador de vapor. Os reatores de água fervente também usam água como refrigerante e moderador de nêutrons como reatores de água pressurizada, mas a uma pressão mais baixa, o que permite que a água ferva dentro da caldeira, criando vapor que gira as turbinas. Ao contrário de um reator de água pressurizada, não há circuito primário e secundário. A capacidade de aquecimento desses reatores pode ser maior, e eles podem ter um projeto mais simples e ainda mais estáveis ​​e seguros. Este é um dispositivo de reator térmico de nêutrons, o mais recente dos quais é o reator avançado de água fervente e o econômico reator nuclear simplificado de água fervente.

Reator moderado de água pesada pressurizada (PHWR)

Um projeto canadense (conhecido como CANDU), estes são reatores moderados de água pesada pressurizada. Em vez de usar um único vaso de pressão, como nos reatores de água pressurizada, o combustível está em centenas de canais de alta pressão. Esses reatores funcionam com urânio natural e são reatores de nêutrons térmicos. Reatores de água pesada podem ser reabastecidos enquanto operam em poder total, o que os torna muito eficientes ao usar urânio (isso permite um controle preciso do fluxo no núcleo). Reatores CANDU de água pesada foram construídos no Canadá, Argentina, China, Índia, Paquistão, Romênia e Coréia do Sul. A Índia também opera uma série de reatores de água pesada, muitas vezes referidos como "derivados CANDU", construídos depois que o governo canadense encerrou as relações nucleares com a Índia após o teste de armas nucleares "Buda Sorridente" em 1974.

Reator de canal de alta potência (RBMK)

Desenvolvimento soviético, projetado para produzir plutônio, bem como eletricidade. RBMKs usam água como refrigerante e grafite como moderador de nêutrons. Os RBMKs são semelhantes em alguns aspectos aos CANDUs, pois podem ser recarregados durante o serviço e usam tubos de pressão em vez de um vaso de pressão (como fazem em reatores de água pressurizada). No entanto, ao contrário do CANDU, eles são muito instáveis ​​e volumosos, tornando a tampa do reator cara. Uma série de deficiências críticas de segurança também foram identificadas nos projetos RBMK, embora algumas dessas deficiências tenham sido corrigidas após o desastre de Chernobyl. Sua principal característica é o uso de água leve e urânio não enriquecido. A partir de 2010, 11 reatores permanecem abertos, em grande parte devido à melhoria da segurança e ao apoio de organizações internacionais de segurança, como o Departamento de Energia dos Estados Unidos. Apesar dessas melhorias, os reatores RBMK ainda são considerados um dos projetos de reatores mais perigosos de se usar. Os reatores RBMK foram usados ​​apenas na antiga União Soviética.

Reator refrigerado a gás (GCR) e Reator refrigerado a gás avançado (AGR)

Eles normalmente usam um moderador de nêutrons de grafite e um resfriador de CO2. Devido às altas temperaturas de operação, eles podem ter maior eficiência para geração de calor do que os reatores de água pressurizada. Existem vários reatores operacionais com esse projeto, principalmente no Reino Unido, onde o conceito foi desenvolvido. Desenvolvimentos mais antigos (ou seja, estações Magnox) estão fechados ou serão fechados em um futuro próximo. No entanto, reatores refrigerados a gás aprimorados têm uma vida operacional estimada de mais 10 a 20 anos. Reatores deste tipo são reatores de nêutrons térmicos. Os custos monetários de descomissionamento de tais reatores podem ser altos devido ao grande volume do núcleo.

Reator de Criador Rápido (LMFBR)

O projeto deste reator é resfriado por metal líquido, sem moderador e produz mais combustível do que consome. Diz-se que eles "produzem" combustível à medida que produzem combustível físsil durante a captura de nêutrons. Tais reatores podem funcionar da mesma forma que os reatores de água pressurizada em termos de eficiência, eles precisam compensar o aumento da pressão, porque é usado metal líquido que não cria excesso de pressão mesmo em temperaturas muito altas. O BN-350 e o BN-600 na URSS e o Superphoenix na França eram reatores desse tipo, assim como o Fermi I nos Estados Unidos. O reator Monju no Japão, danificado por um vazamento de sódio em 1995, retomou as operações em maio de 2010. Todos esses reatores usam/usaram sódio líquido. Esses reatores são reatores de nêutrons rápidos e não pertencem a reatores de nêutrons térmicos. Esses reatores são de dois tipos:

chumbo resfriado

O uso de chumbo como metal líquido fornece excelente proteção contra radiação e permite operação em temperaturas muito altas. Além disso, o chumbo é (principalmente) transparente para os nêutrons, então menos nêutrons são perdidos para o refrigerante e o refrigerante não se torna radioativo. Ao contrário do sódio, o chumbo é geralmente inerte, portanto, há menos risco de explosão ou acidente, mas grandes quantidades de chumbo podem causar toxicidade e problemas de descarte de resíduos. Freqüentemente, misturas eutéticas de chumbo-bismuto podem ser usadas em reatores desse tipo. Nesse caso, o bismuto terá uma pequena interferência na radiação, pois não é totalmente transparente aos nêutrons, podendo se transformar em outro isótopo com mais facilidade do que o chumbo. O submarino russo da classe Alpha usa um reator de nêutrons rápidos refrigerado a chumbo e bismuto como seu principal sistema de geração de energia.

sódio resfriado

A maioria dos reatores de criação de metal líquido (LMFBRs) são deste tipo. O sódio é relativamente fácil de obter e fácil de trabalhar, e também ajuda a prevenir a corrosão das várias partes do reator imersas nele. No entanto, o sódio reage violentamente em contato com a água, portanto, deve-se tomar cuidado, embora tais explosões não sejam muito mais poderosas do que, por exemplo, vazamentos de líquido superaquecido de SCWRs ou RWDs. O EBR-I é o primeiro reator desse tipo, onde o núcleo consiste em um fundido.

Reator de Leito de Esferas (PBR)

Eles usam combustível prensado em bolas de cerâmica nas quais o gás circula pelas bolas. Como resultado, são reatores eficientes, despretensiosos e muito seguros, com combustível padronizado e barato. O protótipo foi o reator AVR.

Reatores de sal fundido

Neles, o combustível é dissolvido em sais de flúor, ou os flúor são usados ​​como refrigerante. Seus diversificados sistemas de segurança, alta eficiência e alta densidade de energia são adequados para veículos. Notavelmente, eles não têm partes submetidas a altas pressões ou componentes combustíveis no núcleo. O protótipo foi o reator MSRE, que também utilizava um ciclo de combustível de tório. Como um reator reprodutor, ele reprocessa o combustível usado, recuperando elementos de urânio e transurânio, deixando apenas 0,1% de resíduos de transurânio em comparação com os reatores convencionais de água leve de urânio de passagem única atualmente em operação. Uma questão à parte são os produtos da fissão radioativa, que não são reciclados e devem ser descartados em reatores convencionais.

Reator Aquoso Homogêneo (AHR)

Esses reatores usam combustível na forma de sais solúveis que são dissolvidos em água e misturados com um refrigerante e um moderador de nêutrons.

Sistemas e projetos nucleares inovadores

reatores avançados

Mais de uma dúzia de projetos avançados de reatores estão em vários estágios de desenvolvimento. Alguns deles evoluíram de projetos RWD, BWR e PHWR, alguns diferem de forma mais significativa. Os primeiros incluem o Reator Avançado de Água Fervente (ABWR) (dois dos quais estão atualmente em operação e outros em construção), bem como o planejado Reator Econômico Simplificado de Segurança Passiva de Água Fervente (ESBWR) e instalações AP1000 (veja abaixo). 2010).

Reator nuclear de nêutrons rápidos integral(IFR) foi construído, testado e testado ao longo da década de 1980, depois desativado após a renúncia do governo Clinton na década de 1990 devido a políticas de não proliferação nuclear. O reprocessamento de combustível nuclear usado está no centro de seu projeto e, portanto, produz apenas uma fração dos resíduos dos reatores em operação.

Reator refrigerado a gás de alta temperatura modular O reator (HTGCR) é projetado de tal forma que as altas temperaturas reduzem a produção de energia devido ao alargamento Doppler da seção transversal do feixe de nêutrons. O reator usa um tipo de combustível cerâmico, de modo que suas temperaturas operacionais seguras excedem a faixa de temperatura de redução. A maioria das estruturas é resfriada com hélio inerte. O hélio não pode causar explosão devido à expansão do vapor, não absorve nêutrons, o que levaria à radioatividade e não dissolve contaminantes que poderiam ser radioativos. Projetos típicos consistem em mais camadas de proteção passiva (até 7) do que em reatores de água leve (normalmente 3). Uma característica única que pode fornecer segurança é que as bolas de combustível realmente formam o núcleo e são substituídas uma a uma ao longo do tempo. As características de design das células de combustível as tornam dispendiosas para reciclar.

Pequeno, fechado, móvel, reator autônomo (SSTAR) foi originalmente testado e desenvolvido nos EUA. O reator foi concebido como um reator de nêutrons rápidos, com um sistema de proteção passiva que poderia ser desligado remotamente em caso de suspeita de mau funcionamento.

Limpo e amigo do ambiente reator avançado (CAESAR)é um conceito para um reator nuclear que usa vapor como moderador de nêutrons - esse projeto ainda está em desenvolvimento.

O reator moderado de água reduzida é baseado no reator avançado de água fervente (ABWR) atualmente em operação. Este não é um reator de nêutrons rápido completo, mas usa principalmente nêutrons epitermais, que têm velocidades intermediárias entre térmica e rápida.

Módulo de energia nuclear autorregulado com moderador de hidrogênio (HPM)é um tipo de projeto de reator lançado pelo Laboratório Nacional de Los Alamos que usa hidreto de urânio como combustível.

Reatores nucleares subcríticos projetados como mais seguros e de trabalho mais estável, mas são difíceis em termos de engenharia e econômicos. Um exemplo é o "Amplificador de Energia".

Reatores à base de tório. É possível converter tório-232 em U-233 em reatores projetados especificamente para esse fim. Dessa forma, o tório, que é quatro vezes mais comum que o urânio, pode ser usado para fabricar combustível nuclear à base de U-233. Acredita-se que o U-233 tenha propriedades nucleares favoráveis ​​em relação ao U-235 convencional, em particular melhores probabilidades uso benéfico de nêutrons e redução da quantidade de resíduos transurânicos de vida longa produzidos.

Reator Avançado de Água Pesada (AHWR)- o reator de água pesada proposto, que representará o desenvolvimento próxima geração tipo PHWR. Em desenvolvimento no Bhabha Nuclear Research Center (BARC), Índia.

KAMINI- um reator único usando o isótopo de urânio-233 como combustível. Construído na Índia no BARC Research Center e no Indira Gandhi Nuclear Research Center (IGCAR).

A Índia também planeja construir reatores de nêutrons rápidos usando o ciclo de combustível tório-urânio-233. O FBTR (reator de nêutrons rápidos) (Kalpakkam, Índia) usa plutônio como combustível e sódio líquido como refrigerante durante a operação.

O que são reatores de quarta geração

A quarta geração de reatores é um conjunto de diferentes projetos teóricos que estão sendo considerados. Esses projetos provavelmente não serão implementados até 2030. Os reatores modernos em operação são geralmente considerados sistemas de segunda ou terceira geração. Os sistemas de primeira geração não são usados ​​há algum tempo. O desenvolvimento desta quarta geração de reatores foi lançado oficialmente no Fórum Internacional Geração IV (GIF) com base em oito objetivos tecnológicos. Os principais objetivos eram melhorar a segurança nuclear, aumentar a segurança contra a proliferação, minimizar o desperdício e o uso de recursos naturais, bem como reduzir o custo de construção e operação dessas estações.

• Reator de nêutrons rápidos refrigerado a gás
• Reator de nêutrons rápidos com resfriador de chumbo
• Reator de sal líquido
• Reator de nêutrons rápidos resfriado a sódio
• Reator nuclear supercrítico refrigerado a água
• Reator nuclear de ultra alta temperatura

O que são reatores de quinta geração?

A quinta geração de reatores são projetos cuja implementação é possível do ponto de vista teórico, mas que atualmente não são objeto de consideração e pesquisa ativa. Embora tais reatores possam ser construídos no presente ou em curto prazo, eles são de pouco interesse por questões de viabilidade econômica, praticidade ou segurança.

• reator de fase líquida. Um circuito fechado com líquido no núcleo de um reator nuclear, onde o material físsil está na forma de urânio fundido ou uma solução de urânio resfriada com a ajuda de um gás de trabalho injetado em orifícios na base do recipiente de contenção.
• Reator com uma fase gasosa no núcleo. Uma variante de circuito fechado para um foguete movido a energia nuclear, onde o material físsil é o hexafluoreto de urânio gasoso localizado em um recipiente de quartzo. O gás de trabalho (como o hidrogênio) fluirá em torno desse recipiente e absorverá a radiação ultravioleta resultante da reação nuclear. Tal projeto poderia ser usado como um motor de foguete, conforme mencionado no romance de ficção científica de Harry Harrison, Skyfall, de 1976. Teoricamente, o uso do hexafluoreto de urânio como combustível nuclear (e não como intermediário, como é feito atualmente) levaria a menores custos de geração de energia, além de reduzir significativamente o tamanho dos reatores. Na prática, um reator operando em densidades de potência tão altas produziria um fluxo de nêutrons descontrolado, enfraquecendo as propriedades de resistência da maioria dos materiais do reator. Assim, o fluxo seria semelhante ao fluxo de partículas liberadas em instalações termonucleares. Por sua vez, isso exigiria o uso de materiais semelhantes aos usados ​​pelo Projeto Internacional para a Implementação de uma Instalação de Irradiação por Fusão.
• Reator eletromagnético de fase gasosa. Semelhante a um reator de fase gasosa, mas com células fotovoltaicas que convertem a luz ultravioleta diretamente em eletricidade.
• Reator baseado em fragmentação
• Fusão nuclear híbrida. Os nêutrons emitidos durante a fusão e decaimento do original ou "substância na zona de reprodução" são usados. Por exemplo, transmutação de U-238, Th-232 ou combustível irradiado/resíduos radioativos de outro reator em isótopos relativamente mais benignos.

Reator com uma fase gasosa na zona ativa. Uma variante de circuito fechado para um foguete movido a energia nuclear, onde o material físsil é o hexafluoreto de urânio gasoso localizado em um recipiente de quartzo. O gás de trabalho (como o hidrogênio) fluirá em torno desse recipiente e absorverá a radiação ultravioleta resultante da reação nuclear. Tal projeto poderia ser usado como um motor de foguete, conforme mencionado no romance de ficção científica de Harry Harrison, Skyfall, de 1976. Teoricamente, o uso do hexafluoreto de urânio como combustível nuclear (e não como intermediário, como é feito atualmente) levaria a menores custos de geração de energia, além de reduzir significativamente o tamanho dos reatores. Na prática, um reator operando em densidades de potência tão altas produziria um fluxo de nêutrons descontrolado, enfraquecendo as propriedades de resistência da maioria dos materiais do reator. Assim, o fluxo seria semelhante ao fluxo de partículas liberadas em instalações termonucleares. Por sua vez, isso exigiria o uso de materiais semelhantes aos usados ​​pelo Projeto Internacional para a Implementação de uma Instalação de Irradiação por Fusão.

Reator eletromagnético em fase gasosa. Semelhante a um reator de fase gasosa, mas com células fotovoltaicas que convertem a luz ultravioleta diretamente em eletricidade.

Reator baseado em fragmentação

Fusão nuclear híbrida. Os nêutrons emitidos durante a fusão e decaimento do original ou "substância na zona de reprodução" são usados. Por exemplo, transmutação de U-238, Th-232 ou combustível irradiado/resíduos radioativos de outro reator em isótopos relativamente mais benignos.

reatores de fusão

A fusão controlada pode ser usada em usinas de fusão para produzir eletricidade sem as complexidades de trabalhar com actinídeos. No entanto, persistem sérios obstáculos científicos e tecnológicos. Vários reatores de fusão foram construídos, mas só recentemente os reatores conseguiram liberar mais energia do que consomem. Apesar do fato de que a pesquisa começou na década de 1950, presume-se que um reator de fusão comercial não estará operacional até 2050. O projeto ITER está atualmente fazendo esforços para usar a energia de fusão.

Ciclo do combustível nuclear

Os reatores térmicos geralmente dependem do grau de purificação e enriquecimento do urânio. Alguns reatores nucleares podem funcionar com uma mistura de plutônio e urânio (ver combustível MOX). O processo pelo qual o minério de urânio é extraído, processado, enriquecido, usado, possivelmente reciclado e descartado é conhecido como ciclo do combustível nuclear.

Até 1% do urânio na natureza é o isótopo facilmente físsil U-235. Assim, o projeto da maioria dos reatores envolve o uso de combustível enriquecido. O enriquecimento envolve o aumento da proporção de U-235 e geralmente é realizado por meio de difusão gasosa ou em uma centrífuga de gás. O produto enriquecido é posteriormente convertido em pó de dióxido de urânio, que é comprimido e queimado em pelotas. Esses grânulos são colocados em tubos, que são selados. Esses tubos são chamados de barras de combustível. Cada reator nuclear usa muitas dessas barras de combustível.

A maioria dos BWRs e PWRs comerciais usa urânio enriquecido a 4% de U-235, aproximadamente. Além disso, alguns reatores industriais com alta economia de nêutrons não requerem combustível enriquecido (isto é, eles podem usar urânio natural). Segundo a Agência Internacional de Energia Atômica, existem pelo menos 100 reatores de pesquisa no mundo usando combustível altamente enriquecido (grau de armas / 90% de urânio enriquecido). O risco de roubo desse tipo de combustível (possível para uso na fabricação de armas nucleares) levou a uma campanha pedindo a mudança para o uso de reatores com urânio de baixo enriquecimento (que representa menos ameaça de proliferação).

O U-235 físsil e o U-238 não físsil e físsil são usados ​​no processo de transformação nuclear. O U-235 é fissionado por nêutrons térmicos (ou seja, de movimento lento). Um nêutron térmico é aquele que se move aproximadamente na mesma velocidade que os átomos ao seu redor. Como a frequência vibracional dos átomos é proporcional à sua temperatura absoluta, o nêutron térmico tem maior capacidade de dividir o U-235 quando se move na mesma velocidade vibracional. Por outro lado, é mais provável que o U-238 capture um nêutron se o nêutron estiver se movendo muito rápido. O átomo de U-239 decai o mais rápido possível para formar o plutônio-239, que é um combustível. O Pu-239 é um combustível completo e deve ser considerado mesmo ao usar combustível de urânio altamente enriquecido. Os processos de fissão do plutônio terão precedência sobre os processos de fissão do U-235 em alguns reatores. Especialmente depois que o U-235 original carregado estiver esgotado. Fissões de plutônio em reatores rápidos e térmicos, tornando-o ideal para reatores nucleares e bombas nucleares.

A maioria dos reatores existentes são reatores térmicos, que normalmente usam água como moderador de nêutrons (moderador significa que reduz a velocidade de um nêutron até a velocidade térmica) e também como refrigerante. No entanto, em um reator de nêutrons rápidos, um tipo ligeiramente diferente de refrigerante é usado, o que não diminuirá muito o fluxo de nêutrons. Isso permite que os nêutrons rápidos predominem, o que pode ser efetivamente usado para reabastecer constantemente o suprimento de combustível. Simplesmente colocando urânio barato e não enriquecido no núcleo, o U-238 não físsil espontaneamente se converterá em Pu-239, "reproduzindo" o combustível.

Em um ciclo de combustível baseado em tório, o tório-232 absorve um nêutron em reatores rápidos e térmicos. O decaimento beta do tório produz protactínio-233 e depois urânio-233, que por sua vez é usado como combustível. Portanto, como o urânio-238, o tório-232 é um material fértil.

Manutenção de reatores nucleares

A quantidade de energia em um tanque de combustível nuclear é frequentemente expressa em termos de "dias de potência total", que é o número de períodos de 24 horas (dias) em que o reator é operado em potência máxima para gerar energia térmica. Os dias de operação a plena potência em um ciclo de operação do reator (entre os intervalos necessários para reabastecimento) estão relacionados à quantidade de urânio-235 (U-235) em decomposição contido nos conjuntos de combustível no início do ciclo. Quanto maior a porcentagem de U-235 no núcleo no início do ciclo, mais dias de operação em plena potência permitirão que o reator opere.

No final do ciclo operacional, o combustível em alguns conjuntos é "usado", descarregado e substituído na forma de conjuntos de combustível novos (frescos). Além disso, essa reação de acúmulo de produtos de decomposição no combustível nuclear determina a vida útil do combustível nuclear no reator. Mesmo muito antes do processo de fissão final ocorrer, subprodutos de decaimento de absorção de nêutrons de vida longa têm tempo para se acumular no reator, impedindo que a reação em cadeia prossiga. A proporção do núcleo do reator que é substituído durante o reabastecimento é tipicamente um quarto para um reator de água fervente e um terço para um reator de água pressurizada. O descarte e armazenamento desse combustível irradiado é uma das tarefas mais difíceis na organização da operação de uma usina nuclear industrial. Esses resíduos nucleares são extremamente radioativos e sua toxicidade é um perigo há milhares de anos.

Nem todos os reatores precisam ser retirados de serviço para reabastecimento; por exemplo, reatores nucleares de leito de seixos, reatores RBMK (reator de canal de alta potência), reatores de sal fundido, reatores Magnox, AGR e CANDU permitem que os elementos de combustível sejam movidos durante a operação da planta. No reator CANDU, é possível colocar elementos combustíveis individuais no núcleo de forma a ajustar o teor de U-235 no elemento combustível.

A quantidade de energia extraída do combustível nuclear é chamada de burnup, que é expressa em termos de energia térmica gerada pelo peso unitário inicial do combustível. A queima geralmente é expressa em dias de megawatts térmicos por tonelada do metal pesado original.

Segurança de energia nuclear

Segurança nuclear são ações destinadas a prevenir acidentes nucleares e de radiação ou localizar suas consequências. A indústria de energia nuclear melhorou a segurança e o desempenho dos reatores e também criou novos projetos de reatores mais seguros (que geralmente não foram testados). No entanto, não há garantia de que tais reatores serão projetados, construídos e operados de forma confiável. Erros ocorrem quando os projetistas do reator da usina nuclear de Fukushima, no Japão, não esperavam que o tsunami gerado pelo terremoto desligasse o sistema de backup que deveria estabilizar o reator após o terremoto, apesar dos inúmeros avisos do NRG (National Research Group). e a administração japonesa sobre segurança nuclear. De acordo com o UBS AG, os acidentes nucleares de Fukushima I lançam dúvidas sobre se mesmo economias avançadas como o Japão podem garantir a segurança nuclear. Cenários catastróficos, incluindo ataques terroristas, também são possíveis. Uma equipe interdisciplinar do MIT (Massachusetts Institute of Technology) calculou que, dado o crescimento esperado da energia nuclear, devem ser esperados pelo menos quatro acidentes nucleares graves no período 2005-2055.

Acidentes nucleares e de radiação

Alguns dos graves acidentes nucleares e de radiação que ocorreram. Acidentes em usinas nucleares incluem o incidente SL-1 (1961), o acidente de Three Mile Island (1979), o desastre de Chernobyl (1986) e o desastre nuclear de Fukushima Daiichi (2011). Acidentes movidos a energia nuclear incluem os acidentes do reator K-19 (1961), K-27 (1968) e K-431 (1985).

Reatores nucleares foram lançados em órbita ao redor da Terra pelo menos 34 vezes. Uma série de incidentes envolvendo o satélite não tripulado soviético RORSAT levou à penetração de combustível nuclear usado na atmosfera da Terra a partir da órbita.

reatores nucleares naturais

Embora muitas vezes se acredite que os reatores de fissão nuclear são o produto de tecnologia moderna, os primeiros reatores nucleares estão disponíveis em condições naturais. Um reator nuclear natural pode ser formado sob certas condições que imitam as condições de um reator projetado. Até agora, até quinze reatores nucleares naturais foram descobertos dentro de três depósitos de minério separados da mina de urânio Oklo no Gabão ( África Ocidental). Os conhecidos reatores Ocllo "mortos" foram descobertos pela primeira vez em 1972 pelo físico francês Francis Perrin. Uma reação de fissão nuclear autossustentável ocorreu nesses reatores há aproximadamente 1,5 bilhão de anos e foi mantida por várias centenas de milhares de anos, gerando uma média de 100 kW de potência durante esse período. O conceito de um reator nuclear natural foi explicado em termos teóricos já em 1956 por Paul Kuroda na Universidade de Arkansas.

Esses reatores não podem mais ser formados na Terra: o decaimento radioativo durante esse enorme período de tempo reduziu a proporção de U-235 no urânio natural abaixo do nível necessário para manter uma reação em cadeia.

Os reatores nucleares naturais se formaram quando os ricos depósitos minerais de urânio começaram a se encher de água subterrânea, que atuou como um moderador de nêutrons e desencadeou uma reação em cadeia significativa. O moderador de nêutrons na forma de água evaporou, fazendo com que a reação acelerasse, e depois condensou novamente, fazendo com que a reação nuclear desacelerasse e evitasse o derretimento. A reação de fissão persistiu por centenas de milhares de anos.

Tais reatores naturais têm sido extensivamente estudados por cientistas interessados ​​na eliminação de resíduos radioativos em um ambiente geológico. Eles propõem um estudo de caso sobre como os isótopos radioativos migrariam pela crosta terrestre. Este é um ponto-chave para os críticos do descarte geológico de rejeitos, que temem que os isótopos contidos nos rejeitos possam ir parar nas fontes de água ou migrar para o meio ambiente.

Problemas ambientais da energia nuclear

Um reator nuclear libera pequenas quantidades de trítio, Sr-90, no ar e nas águas subterrâneas. A água contaminada com trítio é incolor e inodora. Grandes doses de Sr-90 aumentam o risco de câncer ósseo e leucemia em animais e, presumivelmente, em humanos.