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Varetas nucleares. Todo mundo já ouviu falar, mas ninguém sabe

Design e princípio de operação

Mecanismo de liberação de energia

A transformação de uma substância é acompanhada pela liberação de energia livre somente se a substância possuir reserva de energia. Este último significa que as micropartículas de uma substância estão em um estado com energia de repouso maior do que em outro estado possível para o qual existe uma transição. Uma transição espontânea é sempre impedida por uma barreira de energia, para superá-la a micropartícula deve receber uma certa quantidade de energia externa - energia de excitação. A reação exoenergética consiste no fato de que na transformação após a excitação é liberada mais energia do que a necessária para excitar o processo. Existem duas maneiras de superar a barreira energética: ou devido à energia cinética das partículas em colisão, ou devido à energia de ligação da partícula que se junta.

Se tivermos em mente a escala macroscópica de liberação de energia, então todas ou inicialmente pelo menos uma fração das partículas da substância devem ter a energia cinética necessária para excitar as reações. Isto só é possível aumentando a temperatura do meio para um valor no qual a energia do movimento térmico se aproxima do limite de energia que limita o curso do processo. No caso de transformações moleculares, isto é reações químicas, tal aumento é geralmente de centenas de Kelvins, mas no caso de reações nucleares é de pelo menos 10 7 devido ao próprio alta altitude Barreiras de Coulomb de núcleos em colisão. A excitação térmica das reações nucleares é realizada na prática apenas durante a síntese dos núcleos mais leves, nos quais as barreiras de Coulomb são mínimas (fusão termonuclear).

A excitação pela união de partículas não requer grande energia cinética e, portanto, não depende da temperatura do meio, pois ocorre devido a ligações não utilizadas inerentes às forças de atração das partículas. Mas para excitar reações, as próprias partículas são necessárias. E se novamente não nos referimos a um ato separado de reação, mas à produção de energia em escala macroscópica, então isso só é possível quando ocorre uma reação em cadeia. Este último ocorre quando as partículas que excitam a reação reaparecem como produtos de uma reação exoenergética.

Projeto

Qualquer reator nuclear consiste nas seguintes partes:

Núcleo com combustível nuclear e moderador;
Refletor de nêutrons envolvendo o núcleo;
Sistema de controle de reação em cadeia, incluindo proteção de emergência;
Proteção contra Radiação;
Sistema de controle remoto.

Princípios físicos de operação

Veja também os principais artigos:

Estado atual Reator nuclear pode ser caracterizado pelo fator efetivo de multiplicação de nêutrons k ou reatividade ρ , que estão relacionados pela seguinte relação:

Os seguintes valores são típicos para essas quantidades:

k> 1 - a reação em cadeia aumenta com o tempo, o reator está em supercrítico estado, sua reatividade ρ > 0;
k < 1 - реакция затухает, реактор - subcrítico, ρ < 0;
k = 1, ρ = 0 - o número de fissões nucleares é constante, o reator está estável crítico doença.

Condição de criticidade para um reator nuclear:

, Onde

A reversão do fator de multiplicação para a unidade é conseguida equilibrando a multiplicação dos nêutrons com suas perdas. Na verdade, existem duas razões para as perdas: captura sem fissão e vazamento de nêutrons fora do meio de reprodução.

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

k 0 para reatores térmicos pode ser determinado pela chamada “fórmula de 4 fatores”:

, Onde

η é o rendimento de nêutrons para duas absorções.

Os volumes dos reatores de energia modernos podem chegar a centenas de m³ e são determinados principalmente não pelas condições de criticidade, mas pela capacidade de remoção de calor.

Volume crítico reator nuclear - o volume do núcleo do reator em estado crítico. Massa crítica- a massa do material físsil do reator, que se encontra em estado crítico.

Os reatores nos quais o combustível são soluções aquosas de sais de isótopos físseis puros com um refletor de nêutrons de água têm a massa crítica mais baixa. Para 235 U esta massa é de 0,8 kg, para 239 Pu - 0,5 kg. É amplamente conhecido, no entanto, que a massa crítica do reator LOPO (o primeiro reator de urânio enriquecido do mundo), que tinha um refletor de óxido de berílio, era de 0,565 kg, apesar do fato de o grau de enriquecimento do isótopo 235 ter sido apenas um pouco mais de 14%. Teoricamente, possui a menor massa crítica, para a qual esse valor é de apenas 10 g.

Para reduzir o vazamento de nêutrons, o núcleo recebe uma forma esférica ou quase esférica, por exemplo, um cilindro ou cubo curto, uma vez que essas figuras têm a menor relação entre área superficial e volume.

Apesar do valor (e - 1) ser geralmente pequeno, o papel da criação rápida de nêutrons é bastante grande, pois para grandes reatores nucleares (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Para iniciar uma reação em cadeia, os nêutrons produzidos durante a fissão espontânea dos núcleos de urânio são geralmente suficientes. Também é possível utilizar uma fonte externa de nêutrons para iniciar o reator, por exemplo, uma mistura de e, ou outras substâncias.

Poço de iodo

Artigo principal: poço de iodo

O poço de iodo é um estado de um reator nuclear após ser desligado, caracterizado pelo acúmulo do isótopo xenônio de curta duração. Este processo leva ao aparecimento temporário de reatividade negativa significativa, o que, por sua vez, torna impossível levar o reator à sua capacidade projetada dentro de um determinado período (cerca de 1-2 dias).

Classificação

Por propósito

De acordo com a natureza de sua utilização, os reatores nucleares são divididos em:

Reatores de energia destinados à produção de energia elétrica e térmica utilizada no setor energético, bem como à dessalinização da água do mar (os reatores de dessalinização também são classificados como industriais). Esses reatores são usados principalmente em usinas nucleares. A potência térmica dos reatores modernos chega a 5 GW. Um grupo separado inclui:
- Reatores de transporte, projetado para fornecer energia aos motores dos veículos. Os grupos mais amplos de aplicações são reatores de transporte marítimo usados em submarinos e diversas embarcações de superfície, bem como reatores usados em tecnologia espacial.
Reatores experimentais, destinado ao estudo de diversas grandezas físicas, cujo valor é necessário ao projeto e operação de reatores nucleares; A potência de tais reatores não excede vários kW.
Reatores de pesquisa, em que fluxos de nêutrons e quanta gama criados no núcleo são usados para pesquisas no campo da física nuclear, física do estado sólido, química da radiação, biologia, para testar materiais destinados a operar em fluxos intensos de nêutrons (incluindo peças de reatores nucleares) para a produção de isótopos. A potência dos reatores de pesquisa não ultrapassa 100 MW. A energia liberada geralmente não é usada.
Reatores industriais (armas, isótopos), usado para produzir isótopos usados em vários campos. Mais amplamente utilizado para produzir materiais para armas nucleares, como 239 Pu. Também classificados como industriais são os reatores utilizados para dessalinização da água do mar.

Muitas vezes os reatores são usados para resolver dois ou mais problemas diferentes, caso em que são chamados multifuncional. Por exemplo, alguns reactores eléctricos, especialmente nos primórdios da energia nuclear, foram concebidos principalmente para experimentação. Os reatores rápidos de nêutrons podem simultaneamente produzir energia e produzir isótopos. Os reatores industriais, além de sua função principal, costumam gerar energia elétrica e térmica.

De acordo com o espectro de nêutrons

Reator térmico (lento) de nêutrons (“reator térmico”)
Reator rápido de nêutrons ("reator rápido")

Por colocação de combustível

Reatores heterogêneos, onde o combustível é colocado discretamente no núcleo em forma de blocos, entre os quais existe um moderador;
Reatores homogêneos, onde o combustível e o moderador são uma mistura homogênea (sistema homogêneo).

Em um reator heterogêneo, o combustível e o moderador podem ser separados espacialmente, em particular, em um reator de cavidade, o moderador-refletor circunda uma cavidade com combustível que não contém um moderador. Do ponto de vista da física nuclear, o critério de homogeneidade/heterogeneidade não é o projeto, mas a colocação de blocos de combustível a uma distância que excede o comprimento de moderação de nêutrons em um determinado moderador. Assim, os reatores com a chamada “rede fechada” são projetados como homogêneos, embora neles o combustível seja geralmente separado do moderador.

Os blocos de combustível nuclear em um reator heterogêneo são chamados de conjuntos de combustível (FA), que estão localizados no núcleo nos nós de uma rede regular, formando células.

Por tipo de combustível

isótopos de urânio 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
isótopo de plutônio 239 (239 Pu), também isótopos 239-242 Pu na forma de uma mistura com 238 U (combustível MOX)
isótopo de tório 232 (232 Th) (via conversão para 233 U)

Por grau de enriquecimento:

urânio natural
urânio fracamente enriquecido
urânio altamente enriquecido

Por composição química:

metal você
UC (carboneto de urânio), etc.

Por tipo de refrigerante

Gás, (ver reator de gás grafite)
D 2 O (água pesada, consulte Reator nuclear de água pesada, CANDU)

Por tipo de moderador

C (grafite, ver reator de gás grafite, reator de água grafite)
H2O (água, consulte Reator de água leve, Reator resfriado a água, VVER)
D 2 O (água pesada, consulte Reator nuclear de água pesada, CANDU)
Hidretos metálicos
Sem moderador (ver Reator rápido)

Por design

Pelo método de geração de vapor

Reator com gerador de vapor externo (ver reator água-água, VVER)

Classificação da AIEA

PWR (reatores de água pressurizada) - reator água-água (reator de água pressurizada);
BWR (reator de água fervente) - reator de água fervente;
FBR (reator reprodutor rápido) - reator reprodutor rápido;
GCR (reator resfriado a gás) - reator resfriado a gás;
LWGR (reator de grafite de água leve) - reator de grafite-água
PHWR (reator de água pesada pressurizada) - reator de água pesada

Os mais comuns no mundo são os reatores de água pressurizada (cerca de 62%) e de água fervente (20%).

Materiais do reator

Os materiais com os quais os reatores são construídos operam em altas temperaturas em um campo de nêutrons, γ quanta e fragmentos de fissão. Portanto, nem todos os materiais utilizados em outros ramos da tecnologia são adequados para a construção de reatores. Ao escolher os materiais do reator, sua resistência à radiação, inércia química, seção transversal de absorção e outras propriedades são levadas em consideração.

A instabilidade de radiação dos materiais tem menos efeito em altas temperaturas. A mobilidade dos átomos torna-se tão grande que a probabilidade de os átomos retirados da rede cristalina retornarem ao seu lugar ou a recombinação de hidrogênio e oxigênio em uma molécula de água aumenta acentuadamente. Assim, a radiólise da água é insignificante em reatores energéticos sem ebulição (por exemplo, VVER), enquanto em poderosos reatores de pesquisa uma quantidade significativa de mistura explosiva é liberada. Os reatores possuem sistemas especiais para queimá-lo.

Os materiais do reator estão em contato uns com os outros (carcaça de combustível com refrigerante e combustível nuclear, cassetes de combustível com refrigerante e moderador, etc.). Naturalmente, os materiais de contato devem ser quimicamente inertes (compatíveis). Um exemplo de incompatibilidade é o urânio e a água quente entrando em uma reação química.

Para a maioria dos materiais, as propriedades de resistência deterioram-se acentuadamente com o aumento da temperatura. Em reatores de potência, os materiais estruturais operam em altas temperaturas. Isto limita a escolha dos materiais de construção, especialmente para as partes do reator de potência que devem suportar alta pressão.

Burnout e reprodução de combustível nuclear

Durante a operação de um reator nuclear, devido ao acúmulo de fragmentos de fissão no combustível, sua composição isotópica e química muda, formando-se elementos transurânicos, principalmente isótopos. O efeito dos fragmentos de fissão na reatividade de um reator nuclear é chamado envenenamento(para fragmentos radioativos) e escória(para isótopos estáveis).

A principal razão para o envenenamento do reator é , que tem a maior seção transversal de absorção de nêutrons (2,6·10 6 celeiros). Meia-vida de 135 Xe T 1/2 = 9,2 horas; O rendimento durante a divisão é de 6-7%. A maior parte de 135 Xe é formada como resultado do decaimento ( T 1/2 = 6,8 horas). Em caso de envenenamento, o Keff muda em 1-3%. A grande seção transversal de absorção do 135 Xe e a presença do isótopo intermediário 135 I levam a dois fenômenos importantes:

Ao aumento da concentração de 135 Xe e, consequentemente, à diminuição da reatividade do reator após sua parada ou redução da potência (“poço de iodo”), o que impossibilita paradas de curto prazo e flutuações na potência de saída . Este efeito é superado com a introdução de uma reserva de reatividade nos órgãos reguladores. A profundidade e a duração do poço de iodo dependem do fluxo de nêutrons Ф: em Ф = 5·10 18 nêutrons/(cm²·seg) a duração do poço de iodo é ~ 30 horas, e a profundidade é 2 vezes maior que a estacionária mudança no Keff causada pelo envenenamento por 135 Xe.
Devido ao envenenamento, podem ocorrer flutuações espaço-temporais no fluxo de nêutrons F e, conseqüentemente, na potência do reator. Essas oscilações ocorrem em Ф > 10 18 nêutrons/(cm²·seg) e em reatores grandes. Períodos de oscilação ~ 10 horas.

Quando ocorre a fissão nuclear grande número fragmentos estáveis que diferem nas seções transversais de absorção em comparação com a seção transversal de absorção do isótopo físsil. Concentração de fragmentos com grande valor A seção transversal de absorção atinge a saturação nos primeiros dias de operação do reator. Estas são principalmente barras de combustível de diferentes “idades”.

No caso de uma troca completa de combustível, o reator apresenta excesso de reatividade que precisa ser compensado, enquanto no segundo caso a compensação é necessária apenas quando o reator é iniciado pela primeira vez. A sobrecarga contínua permite aumentar a profundidade de queima, uma vez que a reatividade do reator é determinada pelas concentrações médias de isótopos físseis.

A massa do combustível carregado excede a massa do combustível descarregado devido ao “peso” da energia liberada. Após o desligamento do reator, primeiro principalmente devido à fissão por nêutrons retardados, e depois, após 1-2 minutos, devido à radiação β e γ de fragmentos de fissão e elementos transurânicos, a liberação de energia no combustível continua. Se o reator funcionou por tempo suficiente antes de parar, então 2 minutos após a parada a liberação de energia é de cerca de 3%, após 1 hora - 1%, após um dia - 0,4%, após um ano - 0,05% da potência inicial.

A razão entre o número de isótopos físseis de Pu formados em um reator nuclear e a quantidade de 235 U queimado é chamada taxa de conversão K K. O valor de K K aumenta com a diminuição do enriquecimento e da queima. Para um reator de água pesada usando urânio natural, com queima de 10 GW dia/t K K = 0,55, e com pequenas queimas (neste caso K K é chamado coeficiente inicial de plutônio) K K = 0,8. Se um reator nuclear queima e produz os mesmos isótopos (reator reprodutor), então a razão entre a taxa de reprodução e a taxa de queima é chamada taxa de reprodução K V. Em reatores nucleares usando nêutrons térmicos K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g cresce e A cai.

Controle de reator nuclear

O controle de um reator nuclear só é possível devido ao fato de que, durante a fissão, alguns nêutrons voam para fora dos fragmentos com um atraso que pode variar de vários milissegundos a vários minutos.

Para controlar o reator são utilizadas hastes absorvedoras, introduzidas no núcleo, feitas de materiais que absorvem fortemente nêutrons (principalmente, e alguns outros) e/ou uma solução de ácido bórico, adicionada ao refrigerante em determinada concentração (controle de boro). . O movimento das hastes é controlado por mecanismos especiais, acionamentos, operando de acordo com sinais do operador ou equipamento para controle automático do fluxo de nêutrons.

No caso de diversas situações de emergência, cada reator é dotado de uma terminação de emergência da reação em cadeia, realizada colocando todas as hastes absorventes no núcleo - um sistema de proteção de emergência.

Calor Residual

Uma questão importante diretamente relacionada à segurança nuclear é o calor de decomposição. Esse recurso específico combustível nuclear, que consiste no fato de que, após a cessação da reação em cadeia de fissão e da inércia térmica usual para qualquer fonte de energia, a liberação de calor no reator continua por muito tempo, o que cria uma série de problemas tecnicamente complexos.

O calor residual é uma consequência do decaimento β e γ dos produtos de fissão que se acumularam no combustível durante a operação do reator. Os núcleos dos produtos de fissão, devido ao decaimento, transformam-se em um estado mais estável ou completamente estável com a liberação de energia significativa.

Embora a taxa de liberação de calor de decaimento diminua rapidamente para valores pequenos em comparação com os valores do estado estacionário, em reatores de alta potência ela é significativa em termos absolutos. Por esta razão, a geração de calor residual necessita muito tempo garantir a remoção de calor do núcleo do reator após o desligamento. Esta tarefa exige que o projeto da instalação do reator tenha sistemas de resfriamento com fornecimento de energia confiável e também requer armazenamento de longo prazo (3-4 anos) de combustível nuclear irradiado em instalações de armazenamento com um regime especial de temperatura - piscinas de resfriamento, que são geralmente localizado próximo ao reator.

Veja também

Lista de reatores nucleares projetados e construídos na União Soviética

Literatura

Levin V.E. Física nuclear e reatores nucleares. 4ª edição. - M.: Atomizdat, 1979.
Shukolyukov A. Yu. “Urânio. Reator nuclear natural." “Química e Vida” nº 6, 1980, p. 20-24

Notas

"ZEEP - Primeiro Reator Nuclear do Canadá", Museu de Ciência e Tecnologia do Canadá.
Greshilov A.A., Egupov N.D., Matushchenko A.M. Escudo nuclear. - M.: Logos, 2008. - 438 p. -

A imensa energia de um minúsculo átomo

“Boa ciência - física! Só a vida é curta." Estas palavras pertencem a um cientista que fez muito na física. Eles foram ditos uma vez por um acadêmico Igor Vasilyevich Kurchatov, criador da primeira usina nuclear do mundo.

Em 27 de junho de 1954, esta usina única entrou em operação. A humanidade agora tem outra fonte poderosa de eletricidade.

O caminho para dominar a energia do átomo foi longo e difícil. Tudo começou nas primeiras décadas do século XX com a descoberta da radioactividade natural pelos Curie, com os postulados de Bohr, o modelo planetário do átomo de Rutherford e a prova do que agora parece ser um facto óbvio - o núcleo de qualquer átomo consiste em prótons carregados positivamente e nêutrons neutros.

Em 1934, o casal Frédéric e Irène Joliot-Curie (filha de Marie Skłodowska-Curie e Pierre Curie) descobriu que bombardeá-los com partículas alfa (os núcleos dos átomos de hélio) poderia transformar elementos químicos comuns em radioativos. O novo fenômeno é chamado radioatividade artificial.

I. V. Kurchatov (à direita) e A. I. Alikhanov (centro) com seu professor A. F. Ioffe. (Início dos anos 30.)

Se tal bombardeio for realizado com partículas muito rápidas e pesadas, começa uma cascata de transformações químicas. Elementos com radioatividade artificial darão gradualmente lugar a elementos estáveis que não irão mais decair.

Com a ajuda da irradiação ou bombardeio, é fácil realizar o sonho dos alquimistas - fazer ouro a partir de outros elementos químicos. Somente o custo de tal transformação excederá significativamente o preço do ouro resultante...

Fissão nuclear de urânio

O que foi descoberto em 1938-1939 por um grupo de físicos e químicos alemães trouxe mais benefícios (e, infelizmente, ansiedade) para a humanidade. fissão de núcleos de urânio. Quando irradiados com nêutrons, os núcleos pesados de urânio decaem em elementos químicos mais leves pertencentes à parte intermediária da tabela periódica de Mendeleev e liberam vários nêutrons. Para os núcleos de elementos leves, esses nêutrons revelam-se supérfluos... Quando os núcleos de urânio “se dividem”, uma reação em cadeia pode começar: cada um dos dois ou três nêutrons resultantes é capaz, por sua vez, de produzir vários nêutrons, caindo no núcleo de um átomo vizinho.

A massa total dos produtos de tal reação nuclear acabou sendo, como calcularam os cientistas, menor que a massa dos núcleos da substância original - o urânio.

De acordo com a equação de Einstein, que relaciona massa com energia, pode-se facilmente determinar que uma enorme energia deve ser libertada neste caso! E isso acontecerá em um tempo insignificantemente curto. Se, claro, a reação em cadeia se tornar incontrolável e chegar ao fim...

Caminhando após a conferência, E. Fermi (à direita) com seu aluno B. Pontecorvo. (Basileia, 1949)

Ele foi um dos primeiros a apreciar as enormes capacidades físicas e técnicas ocultas no processo de fissão do urânio. Enrico Fermi, naqueles longínquos anos trinta do nosso século, ainda muito jovem, mas já reconhecido como chefe da escola italiana de físicos. Muito antes da Segunda Guerra Mundial, ele e um grupo de colaboradores talentosos estudaram o comportamento de várias substâncias sob irradiação de nêutrons e determinaram que a eficiência do processo de fissão do urânio poderia ser significativamente aumentada... desacelerando o movimento dos nêutrons. Por mais estranho que possa parecer à primeira vista, à medida que a velocidade dos nêutrons diminui, a probabilidade de sua captura pelos núcleos de urânio aumenta. “Moderadores” eficazes de nêutrons são substâncias bastante acessíveis: parafina, carbono, água...

Depois de se mudar para os Estados Unidos, Fermi continuou a ser o cérebro e o coração da pesquisa nuclear conduzida lá. Dois talentos, geralmente mutuamente exclusivos, foram combinados em Fermi: um teórico notável e um experimentador brilhante. “Ainda levará muito tempo até que possamos ver alguém igual a ele”, escreveu o eminente cientista W. Zinn após a morte prematura de Fermi devido a um tumor maligno em 1954, aos 53 anos.

Uma equipe de cientistas que se reuniu em torno do Fermi durante a Segunda Guerra Mundial decidiu criar uma arma de poder destrutivo sem precedentes baseada na reação em cadeia da fissão do urânio - bomba atômica. Os cientistas estavam com pressa: e se a Alemanha nazista conseguir fabricar novas armas antes de qualquer outra pessoa e usá-las em sua busca desumana para escravizar outros povos?

Construção de um reator nuclear em nosso país

Já em 1942, os cientistas conseguiram montá-lo e lançá-lo no território do estádio da Universidade de Chicago primeiro reator atômico . As hastes de urânio no reator foram intercaladas com “tijolos” de carbono - moderadores, e se a reação em cadeia ainda se tornasse muito violenta, ela poderia ser rapidamente interrompida pela introdução de placas de cádmio no reator, que separaram as hastes de urânio e absorveram completamente os nêutrons.

Os pesquisadores ficaram muito orgulhosos das adaptações simples dos reatores que criaram, que agora nos fazem sorrir. Um dos colaboradores de Fermi em Chicago, o famoso físico G. Anderson, lembra que o estanho de cádmio era pregado em um bloco de madeira, que, se necessário, caía instantaneamente na caldeira sob a influência de sua própria gravidade, razão pela qual o deu o nome “instantâneo”. G. Anderson escreve: “Antes de ligar a caldeira, esta haste deveria ter sido puxada para cima e presa com uma corda. Em caso de acidente, a corda poderia ser cortada e o “momento” ocuparia o seu lugar dentro da caldeira.”

Uma reação em cadeia controlada foi alcançada em um reator nuclear, e cálculos teóricos e previsões foram testados. Uma cadeia de transformações químicas ocorreu no reator, como resultado de novas Elemento químico- plutônio. Tal como o urânio, pode ser usado para criar uma bomba atómica.

Os cientistas determinaram que existe uma “massa crítica” de urânio ou plutônio. Se houver uma quantidade suficientemente grande de substância atômica, a reação em cadeia leva a uma explosão; se for pequena, menor que a “massa crítica”, então simplesmente o calor é liberado.

Construção de uma usina nuclear

Em uma bomba atômica do projeto mais simples, dois pedaços de urânio ou plutônio são colocados lado a lado, e a massa de cada um é um pouco menor que a crítica. No momento certo, um fusível de um explosivo convencional conecta as peças, a massa do combustível atômico ultrapassa um valor crítico - e a liberação de energia destrutiva de força monstruosa ocorre instantaneamente...

A radiação luminosa deslumbrante, uma onda de choque que varreu tudo em seu caminho e a radiação radioativa penetrante atingiram os moradores de duas cidades japonesas - Hiroshima e Nagasaki - após a explosão das bombas atômicas americanas em 1945, aumentando a ansiedade nos corações das pessoas sobre o terríveis consequências do uso de bombas atômicas.

Sob a liderança científica unificadora de I. V. Kurchatov, os físicos soviéticos desenvolveram armas atômicas.

Mas o líder dessas obras não deixou de pensar no uso pacífico da energia atômica. Afinal, um reator nuclear precisa ser resfriado intensamente, então por que não “dar” esse calor a uma turbina a vapor ou a gás ou usá-lo para aquecer casas?

Tubos contendo metal líquido de baixo ponto de fusão foram passados através de um reator nuclear. O metal aquecido entrou no trocador de calor, onde transferiu seu calor para a água. A água se transformou em vapor superaquecido e a turbina começou a funcionar. O reator foi cercado por uma casca protetora de concreto com enchimento de metal: a radiação radioativa não deveria escapar para fora.

O reator nuclear se transformou em uma usina nuclear, trazendo luz calma, calor aconchegante e a paz desejada às pessoas...

Para pessoa comum Os dispositivos modernos de alta tecnologia são tão misteriosos e enigmáticos que podem ser adorados como os antigos adoravam o relâmpago. Aulas escolares os físicos, repletos de cálculos matemáticos, não resolvem o problema. Mas você pode até contar uma história interessante sobre um reator nuclear, cujo princípio de funcionamento é claro até para um adolescente.

Como funciona um reator nuclear?

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

Quando um nêutron é absorvido, o combustível nuclear (na maioria das vezes este urânio-235 ou plutônio-239) ocorre a fissão do núcleo atômico;
Energia cinética, radiação gama e nêutrons livres são liberados;
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 se transforma em calor;
Alguns dos nêutrons produzidos são absorvidos pelos átomos do combustível, o que causa uma reação em cadeia. Para controlá-lo, são utilizados absorvedores e moderadores de nêutrons;
Com a ajuda de um refrigerante (água, gás ou sódio líquido), o calor é removido do local da reação;
O vapor pressurizado da água aquecida é usado para acionar turbinas a vapor;
Com a ajuda de um gerador, a energia mecânica de rotação da turbina é convertida em corrente elétrica alternada.

Abordagens para classificação

Pode haver muitas razões para a tipologia dos reatores:

Por tipo de reação nuclear. Fissão (todas as instalações comerciais) ou fusão (energia termonuclear, difundida apenas em alguns institutos de investigação);
Por refrigerante. Na grande maioria dos casos, utiliza-se água (fervente ou pesada) para esse fim. Às vezes são utilizadas soluções alternativas: metal líquido (sódio, chumbo-bismuto, mercúrio), gás (hélio, dióxido de carbono ou nitrogênio), sal fundido (sais de fluoreto);
Por geração. O primeiro foram os primeiros protótipos que não faziam sentido comercial. Em segundo lugar, a maioria das centrais nucleares actualmente em utilização foram construídas antes de 1996. A terceira geração difere da anterior apenas em pequenas melhorias. O trabalho na quarta geração ainda está em andamento;
Por estado de agregação combustível (o gás combustível atualmente existe apenas no papel);
Por finalidade de uso(para produção de eletricidade, partida de motores, produção de hidrogênio, dessalinização, transmutação elementar, obtenção de radiação neural, fins teóricos e investigativos).

Estrutura do reator nuclear

Os principais componentes dos reatores na maioria das usinas são:

O combustível nuclear é uma substância necessária para produzir calor para turbinas elétricas (geralmente urânio pouco enriquecido);
O núcleo do reator nuclear é onde ocorre a reação nuclear;
Moderador de nêutrons - reduz a velocidade dos nêutrons rápidos, transformando-os em nêutrons térmicos;
Fonte inicial de nêutrons - usada para início confiável e estável de uma reação nuclear;
Absorvedor de nêutrons - disponível em algumas usinas para reduzir a alta reatividade do combustível novo;
Obus de nêutrons - usado para reiniciar uma reação após o desligamento;
Refrigerante (água purificada);
Barras de controle - para regular a taxa de fissão dos núcleos de urânio ou plutônio;
Bomba de água - bombeia água para a caldeira a vapor;
Turbina a vapor - converte a energia térmica do vapor em energia mecânica rotacional;
Torre de resfriamento - dispositivo para remoção do excesso de calor para a atmosfera;
Sistema de recepção e armazenamento de resíduos radioativos;
Sistemas de segurança (geradores diesel de emergência, dispositivos para refrigeração emergencial do núcleo).

Como funcionam os modelos mais recentes

A última 4ª geração de reatores estará disponível para operação comercial não antes de 2030. Atualmente, o princípio e a estrutura de seu funcionamento estão em fase de desenvolvimento. De acordo com dados modernos, essas modificações serão diferentes dos modelos existentes em tais vantagens:

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

Análogos naturais na natureza

Um reator nuclear é percebido em consciência pública exclusivamente como produto alta tecnologia. No entanto, na verdade, o primeiro desses 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 a decomposição do urânio transforma a água em vapor e a reação em cadeia cessa;
Depois que a temperatura do líquido refrigerante cai, tudo se repete;
Se o líquido não tivesse evaporado e interrompido a 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 período, foram fornecidos aproximadamente 0,1 milhão de watts de potência;
Tal maravilha do mundo na Terra é a única conhecida. O surgimento de novos é impossível: a participação do 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 não Recursos naturais, mas a industrializada e sobrepovoada República da Coreia tem uma necessidade extraordinária de energia. Tendo como pano de fundo a recusa da Alemanha em utilizar o átomo pacífico, este país tem grandes esperanças de restringir a tecnologia nuclear:

Está previsto que até 2035 a parcela da eletricidade gerada pelas usinas nucleares chegue a 60% e a produção total seja superior a 40 gigawatts;
O país não possui armas atômicas, mas a pesquisa em física nuclear está em andamento. Cientistas coreanos desenvolveram projetos para reatores modernos: modulares, de hidrogênio, com metal líquido, etc.;
Os sucessos dos pesquisadores locais possibilitam a venda de tecnologias no exterior. Espera-se que o país exporte 80 dessas unidades nos próximos 15-20 anos;
Mas até hoje, a maioria das centrais nucleares foram construídas 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 - um total de 40, e esse número aumentará.

Quando bombardeado por nêutrons, o combustível nuclear entra em uma reação em cadeia, resultando em uma enorme quantidade de calor. A água do sistema pega esse calor e se transforma em vapor, que aciona turbinas que produzem eletricidade. Aqui circuito simples operação de um reator nuclear, 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 e sua estrutura detalhada:

Construído sob a arquibancada oeste do campo de futebol da Universidade de Chicago e inaugurado em 2 de dezembro de 1942, o Chicago Pile-1 (CP-1) foi o primeiro reator nuclear do mundo. Consistia em blocos de grafite e urânio, e também possuía hastes de controle de cádmio, índio e prata, mas não possuía proteção radiológica ou sistema de resfriamento. O diretor científico do projeto, o físico Enrico Fermi, descreveu o CP-1 como “uma pilha úmida de tijolos pretos e toras de madeira”.

Os trabalhos no reator começaram em 16 de novembro de 1942. Um trabalho difícil foi feito. Físicos e funcionários da universidade trabalharam 24 horas por dia. Eles construíram uma rede de 57 camadas de óxido de urânio e lingotes de urânio embutidos em blocos de grafite. Uma moldura de madeira sustentava a estrutura. A protegida de Fermi, Leona Woods – a única mulher no projeto – fez medições cuidadosas à medida que a pilha crescia.

Em 2 de dezembro de 1942, o reator estava pronto para testes. Continha 22.000 lingotes de urânio e usava 380 toneladas de grafite, além de 40 toneladas de óxido de urânio e seis toneladas de urânio metálico. Foram necessários US$ 2,7 milhões para construir o reator. A experiência começou às 09h45. Participaram 49 pessoas: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Heberry, Woods, um jovem carpinteiro que fabricava blocos de grafite e barras de cádmio, médicos, estudantes comuns e outros cientistas.

Três pessoas formavam o “esquadrão suicida” - faziam parte do sistema de segurança. O trabalho deles era apagar o fogo se algo desse errado. Havia também controle: hastes de controle controladas manualmente e uma haste de emergência amarrada à grade da varanda acima do reator. Em caso de emergência, a corda deveria ser cortada por um atendente especial na varanda e a haste extinguiria a reação.

Às 15h53, pela primeira vez na história, começou uma reação nuclear autossustentável em cadeia. O experimento foi um sucesso. O reator operou por 28 minutos.

O reator nuclear funciona de maneira suave e eficiente. Caso contrário, como você sabe, haverá problemas. Mas o que está acontecendo lá dentro? Vamos tentar formular o princípio de funcionamento de um reator nuclear (nuclear) de forma breve, clara e com paradas.

Em essência, o mesmo processo ocorre lá como durante uma explosão nuclear. Só que a explosão acontece muito rápido, mas no reator tudo isso se estende por muito tempo. Como resultado, tudo permanece são e salvo e recebemos energia. Não tanto para que tudo ao redor fosse destruído de uma vez, mas o suficiente para fornecer eletricidade à cidade.

Como funciona um reator? Torres de resfriamento de usinas nucleares
Antes de entender como ocorre uma reação nuclear controlada, você precisa saber o que é uma reação nuclear em geral.

Uma reação nuclear é o processo de transformação (fissão) dos núcleos atômicos quando eles interagem com partículas elementares e raios gama.

As reações nucleares podem ocorrer tanto com absorção quanto com liberação de energia. O reator usa as segundas reações.

Um reator nuclear é um dispositivo cuja finalidade é manter uma reação nuclear controlada com liberação de energia.

Freqüentemente, um reator nuclear também é chamado de reator atômico. Notemos que aqui não há diferença fundamental, mas do ponto de vista da ciência é mais correto usar a palavra “nuclear”. Existem agora muitos tipos de reatores nucleares. São enormes reatores industriais projetados para gerar energia em usinas, reatores nucleares de submarinos, pequenos reatores experimentais utilizados em experimentos científicos. Existem até reatores usados para dessalinizar a água do mar.

A história da criação de um reator nuclear

O primeiro reator nuclear foi lançado em 1942, não tão distante. Isso aconteceu nos EUA sob a liderança de Fermi. Este reator foi chamado de Chicago Woodpile.

Em 1946, o primeiro reator soviético, lançado sob a liderança de Kurchatov, começou a operar. O corpo deste reator era uma bola de sete metros de diâmetro. Os primeiros reatores não possuíam sistema de refrigeração e sua potência era mínima. Aliás, o reator soviético tinha potência média de 20 Watts, e o americano - apenas 1 Watt. Para efeito de comparação: a potência média dos reatores modernos é de 5 Gigawatts. Menos de dez anos após o lançamento do primeiro reator, a primeira usina nuclear industrial do mundo foi inaugurada na cidade de Obninsk.

O princípio de operação de um reator nuclear (nuclear)

Qualquer reator nuclear possui várias partes: um núcleo com combustível e moderador, um refletor de nêutrons, um refrigerante, um sistema de controle e proteção. Os isótopos de urânio (235, 238, 233), plutônio (239) e tório (232) são mais frequentemente usados como combustível em reatores. O núcleo é uma caldeira através da qual flui água comum (refrigerante). Entre outros refrigerantes, “água pesada” e grafite líquido são menos comumente usados. Se falamos da operação de usinas nucleares, então um reator nuclear é usado para produzir calor. A própria eletricidade é gerada usando o mesmo método de outros tipos de usinas de energia - o vapor gira uma turbina e a energia do movimento é convertida em energia elétrica.

Abaixo está um diagrama da operação de um reator nuclear.

diagrama da operação de um reator nuclear Diagrama de um reator nuclear em uma usina nuclear

Como já dissemos, o decaimento de um núcleo pesado de urânio produz elementos mais leves e vários nêutrons. Os nêutrons resultantes colidem com outros núcleos, causando também sua fissão. Ao mesmo tempo, o número de nêutrons cresce como uma avalanche.

Aqui precisamos mencionar o fator de multiplicação de nêutrons. Portanto, se esse coeficiente ultrapassar um valor igual a um, ocorre uma explosão nuclear. Se o valor for menor que um, há poucos nêutrons e a reação desaparece. Mas se mantivermos o valor do coeficiente igual a um, a reação prosseguirá de forma longa e estável.

A questão é como fazer isso? No reator, o combustível está contido nos chamados elementos combustíveis (elementos combustíveis). São varetas que contêm combustível nuclear na forma de pequenos comprimidos. As barras de combustível são conectadas em cassetes de formato hexagonal, dos quais pode haver centenas em um reator. Os cassetes com barras de combustível são dispostos verticalmente, e cada barra de combustível possui um sistema que permite ajustar a profundidade de sua imersão no núcleo. Além dos próprios cassetes, entre eles estão hastes de controle e hastes de proteção de emergência. As hastes são feitas de um material que absorve bem os nêutrons. Assim, as hastes de controle podem ser baixadas para diferentes profundidades no núcleo, ajustando assim o fator de multiplicação de nêutrons. As hastes de emergência são projetadas para desligar o reator em caso de emergência.

Como um reator nuclear é iniciado?

Descobrimos o princípio de funcionamento em si, mas como iniciar e fazer o reator funcionar? Grosso modo, aqui está ele - um pedaço de urânio, mas a reação em cadeia não começa por si só. O fato é que na física nuclear existe um conceito de massa crítica.

Combustível nuclearCombustível nuclear

Massa crítica é a massa de material físsil necessária para iniciar uma reação nuclear em cadeia.

Com a ajuda de barras de combustível e barras de controle, uma massa crítica de combustível nuclear é primeiro criada no reator e, em seguida, o reator é levado ao nível de potência ideal em vários estágios.

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Neste artigo, tentamos dar uma ideia geral da estrutura e princípio de funcionamento de um reator nuclear (nuclear). Se você tiver alguma dúvida sobre o tema ou tiver algum problema de física nuclear na universidade, entre em contato com os especialistas de nossa empresa. Como sempre, estamos prontos para ajudá-lo a resolver qualquer questão urgente em relação aos seus estudos. E já que estamos nisso, aqui está outro vídeo educativo para sua atenção!

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