Vilka är huvuddelarna i en kärnreaktor? Kärnkraftverk: hur det fungerar

Denna obeskrivliga grå cylinder är nyckellänken i den ryska kärnkraftsindustrin. Det ser naturligtvis inte särskilt presentabelt ut, men när du väl förstår dess syfte och tittar på de tekniska egenskaperna börjar du förstå varför hemligheten bakom dess skapelse och design skyddas av staten som dess ögonsten.

Ja, jag glömde att introducera: här är en gascentrifug för att separera uranisotoper VT-3F (n:te generationen). Funktionsprincipen är elementär, som en mjölkseparator, den tunga separeras från ljuset genom inverkan av centrifugalkraften. Så vad är betydelsen och unikheten?

Låt oss först svara på en annan fråga - i allmänhet, varför separera uran?

Naturligt uran, som ligger precis i marken, är en cocktail av två isotoper: uran-238 Och uran-235(och 0,0054 % U-234).
Uran-238, det är bara tung, grå metall. Du kan använda den för att göra ett artillerigranat, eller... en nyckelring. Här är vad du kan göra från uran-235? Jo, för det första en atombomb, och för det andra, bränsle för kärnkraftverk. Och här kommer vi till nyckelfrågan - hur man skiljer dessa två, nästan identiska atomer, från varandra? Nej verkligen HUR?!

Förresten: Radien för kärnan i en uranatom är 1,5 10 -8 cm.

För att uranatomer ska drivas in i den tekniska kedjan måste det (uran) omvandlas till ett gasformigt tillstånd. Det är ingen idé att koka, det räcker att kombinera uran med fluor och få uranhexafluorid HFC. Tekniken för dess produktion är inte särskilt komplicerad och dyr, och därför HFC de får det precis där detta uran bryts. UF6 är den enda mycket flyktiga uranföreningen (när den värms upp till 53°C omvandlas hexafluoriden (bilden) direkt från fast till gasformigt tillstånd). Sedan pumpas den i speciella behållare och skickas för anrikning.

Lite historia

I början av kärnkraftsloppet behärskade de största vetenskapliga sinnena i både Sovjetunionen och USA idén om diffusionsseparation - att passera uran genom en sikt. Små 235:a isotopen kommer att glida igenom, och "fettet" 238:a kommer att fastna. Dessutom var det inte den svåraste uppgiften att tillverka en såll med nanohål för den sovjetiska industrin 1946.

Från rapporten från Isaac Konstantinovich Kikoin vid det vetenskapliga och tekniska rådet under rådet för folkkommissarier (presenterad i en samling av hemligstämplad material om Sovjetunionens atomprojekt (Ed. Ryabev)): I dagsläget har vi lärt oss att göra maskor med hål på ca 5/1 000 mm, d.v.s. 50 gånger större än den fria vägen för molekyler vid atmosfärstryck. Följaktligen måste gastrycket vid vilket separationen av isotoper på sådana galler kommer att ske vara mindre än 1/50 av atmosfärstrycket. I praktiken antar vi att arbeta vid ett tryck på ca 0,01 atmosfärer, d.v.s. under goda vakuumförhållanden. Beräkningar visar att för att erhålla en produkt berikad till en koncentration av 90 % med en lätt isotop (denna koncentration är tillräcklig för att producera ett sprängämne) är det nödvändigt att kombinera cirka 2 000 sådana steg i en kaskad. I maskinen vi designar och delvis tillverkar förväntas den producera 75-100 g uran-235 per dag. Installationen kommer att bestå av cirka 80-100 "kolumner", som var och en kommer att ha 20-25 steg installerade.

Nedan är ett dokument - Berias rapport till Stalin om förberedelserna för den första atombombsexplosionen. Nedan följer en kort information om de kärnmaterial som producerades i början av sommaren 1949.

Och föreställ dig nu själv - 2000 rejäla installationer, för bara 100 grams skull! Tja, vad ska vi göra med det, vi behöver bomber. Och de började bygga fabriker, och inte bara fabriker, utan hela städer. Och okej, bara städerna, dessa diffusionsanläggningar krävde så mycket el att de var tvungna att bygga separata kraftverk i närheten.

I Sovjetunionen designades det första steget D-1 i anläggning nr 813 för en total produktion av 140 gram 92-93% uran-235 per dag vid 2 kaskader av 3100 separationssteg som är identiska i kraft. En ofullbordad flygplansfabrik i byn Verkh-Neyvinsk, 60 km från Sverdlovsk, tilldelades produktion. Senare förvandlades det till Sverdlovsk-44 och anläggning 813 (bilden) till Ural Electrochemical Plant - världens största separationsanläggning.

Och även om tekniken för diffusionsseparation, om än med stora tekniska svårigheter, felsöktes, lämnade inte idén om att utveckla en mer ekonomisk centrifugprocess agendan. När allt kommer omkring, om vi lyckas skapa en centrifug, kommer energiförbrukningen att minska från 20 till 50 gånger!

Hur fungerar en centrifug?

Dess struktur är mer än elementär och liknar den gamla tvättmaskin arbetar i läget "centrifug/torka". Den roterande rotorn är placerad i ett förseglat hölje. Gas tillförs denna rotor (UF6). På grund av centrifugalkraften, hundratusentals gånger större än jordens gravitationsfält, börjar gasen separeras i "tunga" och "lätta" fraktioner. Lätta och tunga molekyler börjar gruppera sig i olika zoner av rotorn, men inte i mitten och längs omkretsen, utan i toppen och botten.

Detta sker på grund av konvektionsströmmar - rotorkåpan värms upp och ett motflöde av gas uppstår. Det finns två små insugningsrör installerade på toppen och botten av cylindern. En mager blandning kommer in i det nedre röret och en blandning med en högre koncentration av atomer kommer in i det övre röret. 235U. Denna blandning går in i nästa centrifug, och så vidare, tills koncentrationen 235:a uran når inte det önskade värdet. En kedja av centrifuger kallas en kaskad.

Tekniska funktioner.

Jo, för det första är rotationshastigheten modern generation i centrifuger når den 2000 rps (jag vet inte ens vad jag ska jämföra med... 10 gånger snabbare än en turbin i en flygmotor)! Och det har fungerat oavbrutet i TRE DECANIER! De där. Nu roterar centrifuger, påslagna under Brezhnev, i kaskader! Sovjetunionen existerar inte längre, men de fortsätter att snurra och snurra. Det är inte svårt att beräkna att rotorn under sin arbetscykel gör 2 000 000 000 000 (två biljoner) varv. Och vilket lager tål detta? Ja, ingen! Det finns inga lager där.

Själva rotorn är en vanlig topp, i botten har den en kraftig nål som vilar på ett korundlager, och den övre änden hänger i ett vakuum, hållen av ett elektromagnetiskt fält. Nålen är inte heller enkel, gjord av vanlig tråd för pianosträngar, den är härdad på ett väldigt listigt sätt (som GT). Det är inte svårt att föreställa sig att med en sådan frenetisk rotationshastighet måste själva centrifugen inte bara vara hållbar utan extremt hållbar.

Akademikern Joseph Friedlander minns: "De kunde ha skjutit mig tre gånger. En gång när vi redan hade fått Leninpriset inträffade en stor olycka, locket på centrifugen flög av. Bitarna spreds och förstörde andra centrifuger. Ett radioaktivt moln steg. Vi var tvungna att stoppa hela linjen - en kilometer installationer! Vid Sredmash befäl general Zverev centrifugerna; innan atomprojektet arbetade han på Berias avdelning. Generalen vid mötet sa: "Situationen är kritisk. Landets försvar är i fara. Om vi ​​inte snabbt rättar till situationen kommer '37 att upprepas för dig." Och avslutade omedelbart mötet. Då kom vi helt på ny teknologi med en helt isotrop enhetlig täckstruktur, men mycket komplexa installationer krävdes. Sedan dess har dessa typer av lock producerats. Det fanns inga fler problem. I Ryssland finns det tre anrikningsanläggningar, många hundratusentals centrifuger.”
På bilden: tester av den första generationens centrifuger

Även rotorhusen var till en början gjorda av metall, tills de ersattes av... kolfiber. Lätt och hög draghållfasthet är det ett idealiskt material för en roterande cylinder.

UEIP:s generaldirektör (2009-2012) Alexander Kurkin påminner om: "Det började bli löjligt. När de testade och kontrollerade en ny, mer "resursstark" generation av centrifuger, väntade en av de anställda inte på att rotorn skulle stanna helt, kopplade bort den från kaskaden och bestämde sig för att bära den för hand till montern. Men istället för att gå framåt, hur han än gjorde motstånd, omfamnade han den här cylindern och började röra sig bakåt. Så vi såg med våra egna ögon att jorden roterar, och gyroskopet är en stor kraft."

Vem uppfann det?

Åh, det är ett mysterium, insvept i mystik och höljt i spänning. Här hittar du tillfångatagna tyska fysiker, CIA, SMERSH-officerare och till och med den nedskjutna spionpiloten Powers. I allmänhet beskrevs principen för en gascentrifug i slutet av 1800-talet.

Till och med i början av Atomic Project föreslog Viktor Sergeev, ingenjör vid Special Design Bureau of Kirov Plant, en centrifugseparationsmetod, men till en början godkände inte hans kollegor hans idé. Parallellt kämpade forskare från det besegrade Tyskland för att skapa en separationscentrifug vid ett speciellt forskningsinstitut-5 i Sukhumi: Dr Max Steenbeck, som arbetade som en ledande Siemens-ingenjör under Hitler, och före detta Luftwaffe-mekaniker, utexaminerad från universitetet i Wien, Gernot Zippe. Totalt inkluderade gruppen cirka 300 "exporterade" fysiker.

Alexey Kaliteevsky, generaldirektör för Centrotech-SPb CJSC, Rosatom State Corporation, påminner om: ”Våra experter kom fram till att den tyska centrifugen är absolut olämplig för industriell produktion. Steenbecks apparat hade inget system för att överföra den delvis anrikade produkten till nästa steg. Det föreslogs att kyla ändarna på locket och frysa gasen och sedan tina upp den, samla upp den och sätta den i nästa centrifug. Det vill säga systemet är inoperativt. Projektet hade dock flera mycket intressanta och ovanliga tekniska lösningar. Dessa "intressanta och ovanliga lösningar" kombinerades med de resultat som erhållits av sovjetiska forskare, särskilt med förslagen från Viktor Sergeev. Relativt sett är vår kompakta centrifug en tredjedel frukten av tyskt tänkande och två tredjedelar sovjetisk.” Förresten, när Sergeev kom till Abchazien och uttryckte sina tankar om valet av uran till samma Steenbeck och Zippe, avfärdade Steenbeck och Zippe dem som orealiserbara.

Så vad kom Sergeev på?

Och Sergeevs förslag var att skapa gasväljare i form av pitotrör. Men doktor Steenbeck, som, som han trodde, hade ätit sina tänder i detta ämne, var kategorisk: "De kommer att sakta ner flödet, orsaka turbulens och det kommer inte att bli någon separation!" År senare, när han arbetade med sina memoarer, skulle han ångra det: ”En idé som är värd att komma från oss! Men det föll mig aldrig in..."

Senare, en gång utanför Sovjetunionen, arbetade Steenbeck inte längre med centrifuger. Men innan han lämnade till Tyskland hade Geront Zippe möjlighet att bekanta sig med en prototyp av Sergeevs centrifug och den genialiskt enkla principen för dess funktion. Väl i västvärlden patenterade "den listige Zippe", som han ofta kallades, centrifugdesignen under sitt eget namn (patent nr 1071597 från 1957, deklarerat i 13 länder). 1957, efter att ha flyttat till USA, byggde Zippe en fungerande installation där och återgav Sergeevs prototyp från minnet. Och han kallade det, låt oss hylla, "rysk centrifug" (bilden).

Förresten, rysk ingenjörskonst har visat sig i många andra fall. Ett exempel är en enkel nödavstängningsventil. Det finns inga sensorer, detektorer eller elektroniska kretsar. Det finns bara en samovarkran, som berör kaskadramen med sitt kronblad. Om något går fel och centrifugen ändrar sin position i rymden vänder den helt enkelt och stänger inloppsledningen. Det är som skämtet om en amerikansk penna och en rysk penna i rymden.

Våra dagar

Denna vecka deltog författaren till dessa rader vid en betydande händelse - stängningen av det ryska kontoret för observatörer från det amerikanska energidepartementet enligt ett kontrakt HEU-LEU. Denna affär (höganrikat uran - låganrikat uran) var och förblir det största avtalet på kärnenergiområdet mellan Ryssland och Amerika. Enligt villkoren i kontraktet bearbetade ryska kärnkraftsforskare 500 ton av vårt uran av vapenkvalitet (90 %) till bränsle (4 %) HFC för amerikanska kärnkraftverk. Intäkterna för 1993-2009 uppgick till 8,8 miljarder US-dollar. Detta var det logiska resultatet av det tekniska genombrottet för våra kärnkraftsforskare inom området isotopseparation som gjordes under efterkrigsåren.
På bilden: kaskader av gascentrifuger i en av UEIP-verkstäderna. Det finns cirka 100 000 av dem här.

Tack vare centrifuger har vi fått fram tusentals ton relativt billiga, både militära och kommersiella produkter. Kärnkraftsindustrin är en av de få kvarvarande (militär luftfart, rymd) där Ryssland har obestridligt företräde. Enbart utländska beställningar i tio år i förväg (från 2013 till 2022), Rosatoms portfölj exklusive kontraktet HEU-LEUär 69,3 miljarder dollar. 2011 översteg den 50 miljarder...
Bilden visar ett lager av containrar med HFC vid UEIP.

Den 28 september 1942 antogs resolution av statens försvarskommitté nr 2352ss "Om organisationen av arbetet med uran". Detta datum anses vara den officiella början på den ryska kärnkraftsindustrins historia.

Idag tar vi en kort resa in i kärnfysikens värld. Temat för vår utflykt kommer att vara en kärnreaktor. Du kommer att lära dig hur det fungerar, vilka fysiska principer som ligger till grund för dess funktion och var denna enhet används.

Kärnenergins födelse

Världens första kärnreaktor skapades 1942 i USA experimentell grupp fysiker under ledning av pristagaren Nobelpriset Enrico Fermi. Samtidigt genomförde de en självuppehållande reaktion av uranklyvning. Atomandan har släppts.

Den första sovjetiska kärnreaktorn lanserades 1946, och 8 år senare genererade världens första kärnkraftverk i staden Obninsk ström. Den främsta vetenskapliga chefen för arbetet inom kärnenergiindustrin i Sovjetunionen var en enastående fysiker Igor Vasilievich Kurchatov.

Sedan dess har flera generationer av kärnreaktorer förändrats, men huvuddelarna i dess design har förblivit oförändrade.

Anatomi av en kärnreaktor

Denna kärnkraftsanläggning är en tjockväggig ståltank med en cylindrisk kapacitet som sträcker sig från flera kubikcentimeter till många kubikmeter.

Inuti denna cylinder finns det allra heligaste - reaktorhärden. Det är här kärnklyvningskedjereaktionen inträffar.

Låt oss titta på hur denna process sker.

Kärnor av tunga grundämnen, i synnerhet Uranium-235 (U-235), under påverkan av en liten energichock kan de falla isär i 2 fragment med ungefär lika massa. Orsaken till denna process är neutronen.

Fragmenten är oftast barium- och kryptonkärnor. Var och en av dem har en positiv laddning, så Coulomb-avstötningskrafter tvingar dem att flyga isär i olika riktningar med en hastighet av cirka 1/30 av ljusets hastighet. Dessa fragment är bärare av kolossal kinetisk energi.

För den praktiska användningen av energi är det nödvändigt att dess frisättning är självförsörjande. Kedjereaktion, Klyvningen i fråga är särskilt intressant eftersom varje klyvningshändelse åtföljs av emission av nya neutroner. I genomsnitt produceras 2-3 nya neutroner per initial neutron. Antalet klyvbara urankärnor ökar som en lavin, orsakar utsläpp av enorm energi. Om denna process inte kontrolleras kommer en kärnvapenexplosion att inträffa. Det tog plats i .

För att reglera antalet neutroner material som absorberar neutroner införs i systemet, säkerställer en smidig frigöring av energi. Kadmium eller bor används som neutronabsorbenter.

Hur kan man bromsa och använda fragmentens enorma kinetiska energi? Kylvätskan används för dessa ändamål, dvs. en speciell miljö som rör sig där fragmenten bromsas upp och värmer det till extremt höga temperaturer. Ett sådant medium kan vara vanligt eller tungt vatten, flytande metaller (natrium), såväl som vissa gaser. För att inte orsaka övergången av kylvätskan till ett ångtillstånd, högt tryck upprätthålls i kärnan (upp till 160 atm). Av denna anledning är reaktorväggarna gjorda av tio centimeter stål av specialkvaliteter.

Om neutroner kommer ut utanför kärnbränslet kan kedjereaktionen avbrytas. Därför finns det en kritisk massa av klyvbart material, d.v.s. dess minimimassa vid vilken en kedjereaktion kommer att upprätthållas. Det beror på olika parametrar, inklusive närvaron av en reflektor som omger reaktorhärden. Det tjänar till att förhindra neutronläckage till miljön. Det vanligaste materialet för detta strukturella element är grafit.

Processerna som inträffar i reaktorn åtföljs av frigörandet av den farligaste typen av strålning - gammastrålning. För att minimera denna fara är den utrustad med antistrålskydd.

Hur fungerar en kärnreaktor?

Kärnbränsle, kallat bränslestavar, placeras i reaktorhärden. De är tabletter gjorda av krossbart material och placerade i tunna rör ca 3,5 m långa och 10 mm i diameter.

Hundratals liknande bränsleelement placeras i härden och de blir källor för termisk energi som frigörs under kedjereaktionen. Kylvätskan som strömmar runt bränslestavarna bildar reaktorns första krets.

Uppvärmd till höga parametrar pumpas den in i en ånggenerator, där den överför sin energi till det sekundära kretsvattnet och omvandlar det till ånga. Den resulterande ångan roterar turbogeneratorn. Elen som genereras av denna enhet överförs till konsumenten. Och avgasångan, kyld av vatten från kyldammen, i form av kondensat, går tillbaka till ånggeneratorn. Cykeln är avslutad.

Denna dubbelkretsdrift av en kärnkraftsanläggning eliminerar penetreringen av strålning som åtföljer de processer som sker i kärnan utanför dess gränser.

Så, en kedja av energiomvandlingar sker i reaktorn: kärnenergi från det klyvbara materialet → till kinetisk energi av fragment → termisk energi av kylvätskan → kinetisk energi från turbinen → och till elektrisk energi i generatorn.

Oundvikliga energiförluster leder till Verkningsgraden i kärnkraftverken är relativt låg, 33-34%.

Förutom att generera elektrisk energi vid kärnkraftverk används kärnreaktorer för att producera olika radioaktiva isotoper, för forskning inom många industriområden och för att studera de tillåtna parametrarna för industriella reaktorer. Transportreaktorer, som ger energi till fordonsmotorer, blir allt mer utbredda.

Typer av kärnreaktorer

Vanligtvis drivs kärnreaktorer på U-235 uran. Innehållet i naturmaterial är dock extremt lågt, endast 0,7 %. Huvuddelen av naturligt uran är isotopen U-238. Endast långsamma neutroner kan orsaka en kedjereaktion i U-235, och U-238 isotopen delas endast av snabba neutroner. Som ett resultat av kärnans splittring föds både långsamma och snabba neutroner. Snabba neutroner, som upplever hämning i kylvätskan (vatten), blir långsamma. Men mängden U-235-isotop i naturligt uran är så liten att det är nödvändigt att tillgripa dess anrikning, vilket ger dess koncentration till 3-5%. Denna process är mycket dyr och ekonomiskt olönsam. Dessutom börjar tiden rinna ut naturliga resurser Denna isotop beräknas bara hålla i 100-120 år.

Därför inom kärnkraftsindustrin Det sker en gradvis övergång till reaktorer som arbetar på snabba neutroner.

Deras huvudsakliga skillnad är att de använder flytande metaller som kylmedel, som inte bromsar neutroner, och U-238 används som kärnbränsle. Kärnorna i denna isotop passerar genom en kedja av kärnomvandlingar till Plutonium-239, som utsätts för en kedjereaktion på samma sätt som U-235. Det vill säga kärnbränsle reproduceras, och i mängder som överstiger dess förbrukning.

Enligt experter reserver av isotopen Uranium-238 borde räcka i 3000 år. Den här tiden räcker för att mänskligheten ska ha tillräckligt med tid för att utveckla andra teknologier.

Problem med att använda kärnenergi

Tillsammans med de uppenbara fördelarna med kärnkraft kan omfattningen av problemen i samband med driften av kärnkraftsanläggningar inte underskattas.

Den första är bortskaffande av radioaktivt avfall och demonterad utrustning kärnenergi. Dessa grundämnen har en aktiv bakgrundsstrålning som kvarstår under en lång period. För att kassera detta avfall används speciella blybehållare. De är tänkta att begravas i permafrostområden på upp till 600 meters djup. Därför pågår ett ständigt arbete för att hitta ett sätt att återvinna radioaktivt avfall, vilket bör lösa problemet med bortskaffande och bidra till att bevara vår planets ekologi.

Det andra inte mindre allvarliga problemet är säkerställer säkerheten under drift av kärnkraftverket. Stora olyckor som Tjernobyl kan ta bort många människoliv och sätta stora ytor ur bruk.

Olyckan vid det japanska kärnkraftverket Fukushima-1 bekräftade bara den potentiella faran som visar sig när en nödsituation inträffar vid kärnkraftsanläggningar.

Kärnenergins möjligheter är dock så stora att miljöproblemen hamnar i bakgrunden.

Idag har mänskligheten inget annat sätt att stilla sin ständigt ökande energihunger. Grunden för framtidens kärnenergi kommer sannolikt att vara ”snabba” reaktorer med funktionen att reproducera kärnbränsle.

Om detta meddelande var användbart för dig skulle jag vara glad att se dig

I mitten av 1900-talet fokuserades mänsklighetens uppmärksamhet kring atomen och forskarnas förklaring av kärnreaktionen, som de till en början bestämde sig för att använda för militära ändamål, och uppfann de första kärnvapenbomberna enligt Manhattan Project. Men på 50-talet av 1900-talet användes kärnreaktorn i Sovjetunionen för fredliga syften. Det är välkänt att den 27 juni 1954 gick världens första kärnkraftverk med en kapacitet på 5000 kW i mänsklighetens tjänst. Idag gör en kärnreaktor det möjligt att generera el på 4000 MW eller mer, det vill säga 800 gånger mer än för ett halvt sekel sedan.

Vad är en kärnreaktor: grundläggande definition och huvudkomponenter i enheten

En kärnreaktor är en speciell enhet som producerar energi som ett resultat av att korrekt upprätthålla en kontrollerad kärnreaktion. Det är tillåtet att använda ordet "atomic" i kombination med ordet "reaktor". Många anser generellt att begreppen "nukleär" och "atomär" är synonyma, eftersom de inte finner någon grundläggande skillnad mellan dem. Men representanter för vetenskapen är benägna att en mer korrekt kombination - "kärnreaktor".

Intressant faktum! Kärnreaktioner kan inträffa med frisättning eller absorption av energi.

Huvudkomponenterna i konstruktionen av en kärnreaktor är följande element:

• Moderator;
• Kontrollstavar;
• Stavar som innehåller en berikad blandning av uranisotoper;
• Särskilda skyddselement mot strålning;
• Kylvätska;
• Ånggenerator;
• Turbin;
• Generator;
• Kondensator;
• Kärnbränsle.

Vilka grundläggande principer för driften av en kärnreaktor bestäms av fysiker och varför de är orubbliga

Den grundläggande driftsprincipen för en kärnreaktor är baserad på särdragen i manifestationen av en kärnreaktion. I ögonblicket av en standardfysisk kedja kärnprocess interagerar en partikel med en atomkärna, som ett resultat förvandlas kärnan till en ny med frigörandet av sekundära partiklar, som forskare kallar gamma quanta. Under en kärnkedjereaktion frigörs enorma mängder termisk energi. Det utrymme där kedjereaktionen sker kallas reaktorhärden.

Intressant faktum! Den aktiva zonen liknar externt en panna genom vilken vanligt vatten strömmar och fungerar som ett kylmedel.

För att förhindra förlust av neutroner omges reaktorns kärnområde av en speciell neutronreflektor. Dess primära uppgift är att kassera de flesta av de emitterade neutronerna in i kärnan. Samma ämne som fungerar som moderator används vanligtvis som reflektor.

Huvudkontrollen av en kärnreaktor sker med hjälp av speciella styrstavar. Det är känt att dessa stavar införs i reaktorhärden och skapar alla förutsättningar för driften av enheten. Normalt är styrstavar gjorda av kemiska föreningar bor och kadmium. Varför används just dessa element? Ja, allt för att bor eller kadmium effektivt kan absorbera termiska neutroner. Och så snart lanseringen är planerad, enligt driftsprincipen för en kärnreaktor, sätts kontrollstavar in i härden. Deras primära uppgift är att absorbera en betydande del av neutroner och därigenom provocera utvecklingen av en kedjereaktion. Resultatet bör nå önskad nivå. När effekten ökar över den inställda nivån, slås automatiska maskiner på, vilket nödvändigtvis sänker ned styrstavarna djupt in i reaktorhärden.

Således blir det tydligt att styr- eller styrstavar spelar en viktig roll i driften av en termisk kärnreaktor.

Och för att minska neutronläckaget är reaktorhärden omgiven av en neutronreflektor, som kastar en betydande massa fritt utströmmande neutroner in i härden. Reflektorn använder vanligtvis samma substans som moderatorn.

Enligt standarden har kärnan i moderatorämnets atomer en relativt liten massa, så att när den kolliderar med en lätt kärna förlorar neutronen som finns i kedjan mer energi än när den kolliderar med en tung. De vanligaste moderatorerna är vanligt vatten eller grafit.

Intressant faktum! Neutroner i processen för en kärnreaktion kännetecknas av en extremt hög rörelsehastighet, varför det krävs en moderator för att uppmuntra neutronerna att förlora en del av sin energi.

Inte en enda reaktor i världen kan fungera normalt utan hjälp av kylvätska, eftersom dess syfte är att ta bort den energi som genereras i reaktorns hjärta. Vätska eller gaser måste användas som kylmedel, eftersom de inte kan absorbera neutroner. Låt oss ge ett exempel på ett kylmedel för en kompakt kärnreaktor - vatten, koldioxid och ibland till och med flytande natriummetall.

Således är principerna för driften av en kärnreaktor helt och hållet baserade på lagarna för kedjereaktionen och dess förlopp. Alla komponenter i reaktorn - moderator, stavar, kylvätska, kärnbränsle - utför sina tilldelade uppgifter och säkerställer normal drift av reaktorn.

Vilket bränsle som används för kärnreaktorer och varför dessa kemiska grundämnen väljs

Huvudbränslet i reaktorer kan vara isotoper av uran, plutonium eller torium.

Redan 1934 märkte F. Joliot-Curie, efter att ha observerat klyvningsprocessen av urankärnan, att som ett resultat kemisk reaktion urankärnan är uppdelad i fragment-kärnor och två eller tre fria neutroner. Detta innebär att det finns en möjlighet att fria neutroner kommer att ansluta sig till andra urankärnor och utlösa ytterligare en klyvning. Och så, som kedjereaktionen förutspår: sex till nio neutroner kommer att frigöras från tre urankärnor, och de kommer återigen att ansluta sig till de nybildade kärnorna. Och så vidare i det oändliga.

Viktigt att komma ihåg! Neutroner som uppträder under kärnklyvning kan framkalla klyvning av kärnor i uranisotopen med ett masstal av 235, och för att förstöra kärnorna i en uranisotop med ett massatal av 238 kan energin som genereras under sönderfallsprocessen vara otillräcklig. .

Uran nummer 235 finns sällan i naturen. Dess andel står för endast 0,7%, men naturligt uran-238 upptar en rymligare nisch och utgör 99,3%.

Trots en så liten andel av uran-235 i naturen kan fysiker och kemister fortfarande inte vägra det, eftersom det är mest effektivt för driften av en kärnreaktor, vilket minskar kostnaderna för energiproduktion för mänskligheten.

När dök de första kärnreaktorerna upp och var används de idag?

Redan 1919 hade fysiker redan segrat när Rutherford upptäckte och beskrev processen för bildning av rörliga protoner som ett resultat av kollisionen av alfapartiklar med kärnorna av kväveatomer. Denna upptäckt innebar att en kväveisotopkärna, som ett resultat av en kollision med en alfapartikel, omvandlades till en syreisotopkärna.

Innan de första kärnreaktorerna dök upp lärde sig världen flera nya fysiklagar som handlar om alla viktiga aspekter av kärnreaktioner. Sålunda, 1934, föreslog F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kowarski först samhället och kretsen av världsforskare ett teoretiskt antagande och en evidensbas om möjligheten att utföra kärnreaktioner. Alla experiment var relaterade till observationen av klyvningen av en urankärna.

1939 spårade E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Gan, O. Frisch klyvningsreaktionen hos urankärnor när de bombarderades med neutroner. Under forskningen fann forskare att när en accelererad neutron träffar en urankärna delas den befintliga kärnan i två eller tre delar.

Kedjereaktionen var praktiskt taget bevisad i mitten av 1900-talet. Forskare lyckades bevisa 1939 att klyvningen av en urankärna frigör cirka 200 MeV energi. Men ungefär 165 MeV allokeras till den kinetiska energin hos fragmentkärnor, och resten förs bort av gammakvanta. Denna upptäckt gjorde ett genombrott inom kvantfysiken.

E. Fermi fortsatte sitt arbete och forskning i flera år till och lanserade den första kärnreaktorn 1942 i USA. Det genomförda projektet fick namnet "Chicago Woodpile" och sattes på rälsen. Den 5 september 1945 lanserade Kanada sin kärnreaktor ZEEP. Den europeiska kontinenten låg inte långt efter, och samtidigt byggdes F-1-anläggningen. Och för ryssarna finns det ett annat minnesvärt datum - 25 december 1946 i Moskva, under ledning av I. Kurchatov, lanserades reaktorn. Dessa var inte de mest kraftfulla kärnreaktorerna, men det var början på människans behärskning av atomen.

För fredliga syften skapades en vetenskaplig kärnreaktor 1954 i Sovjetunionen. Världens första fredliga fartyg med ett kärnkraftverk, den kärnkraftsdrivna isbrytaren Lenin, byggdes i Sovjetunionen 1959. Och en annan prestation av vår stat är den nukleära isbrytaren "Arktika". Detta ytfartyg var det första i världen att nå Nordpolen. Detta hände 1975.

De första bärbara kärnreaktorerna använde långsamma neutroner.

Var används kärnreaktorer och vilka typer använder mänskligheten?

• Industriella reaktorer. De används för att generera energi vid kärnkraftverk.
• Kärnreaktorer som fungerar som framdrivningsenheter för atomubåtar.
• Experimentella (bärbara, små) reaktorer. Inte en enda modern dag kan passera utan dem. vetenskaplig erfarenhet eller forskning.

Idag har den vetenskapliga världen lärt sig att avsalta med hjälp av speciella reaktorer. havsvatten, ge befolkningen kvalitet dricker vatten. Det finns många kärnreaktorer i drift i Ryssland. Således, enligt statistik, från och med 2018 är cirka 37 enheter verksamma i staten.

Och enligt klassificering kan de vara som följer:

• Forskning (historisk). Dessa inkluderar F-1-stationen, som skapades som en experimentplats för produktion av plutonium. I.V. Kurchatov arbetade på F-1 och ledde den första fysiska reaktorn.
• Forskning (aktiv).
• Arsenal. Som ett exempel på en reaktor - A-1, som gick till historien som den första reaktorn med kylning. Kärnreaktorns tidigare kraft är liten, men funktionell.
• Energi.
• Fartygets. Det är känt att på fartyg och ubåtar, av nödvändighet och teknisk genomförbarhet, används vattenkylda eller flytande metallreaktorer.
• Plats. Som ett exempel, låt oss kalla Yenisei-installationen på rymdskepp, som kommer i drift om det är nödvändigt att få ytterligare energi, och det måste erhållas med hjälp av solpaneler och isotopkällor.

Således är ämnet kärnreaktorer ganska omfattande och kräver därför djupgående studier och förståelse av kvantfysikens lagar. Men kärnreaktorernas betydelse för statens energi och ekonomi är redan utan tvekan omgiven av en aura av användbarhet och nytta.

För vanlig person Moderna högteknologiska enheter är så mystiska och gåtfulla att de kan dyrkas som de gamla dyrkade blixtar. Skollektioner fysiker, fyllda med matematiska beräkningar, löser inte problemet. Men du kan till och med berätta en intressant historia om en kärnreaktor, vars funktionsprincip är tydlig även för en tonåring.

Hur fungerar en kärnreaktor?

Funktionsprincipen för denna högteknologiska enhet är som följer:

1. När en neutron absorberas kommer kärnbränsle (oftast detta uran-235 eller plutonium-239) klyvning av atomkärnan inträffar;
2. Kinetisk energi, gammastrålning och fria neutroner frigörs;
3. Kinetisk energi omvandlas till termisk energi (när kärnor kolliderar med omgivande atomer), gammastrålning absorberas av själva reaktorn och omvandlas även till värme;
4. En del av de producerade neutronerna absorberas av bränsleatomer, vilket orsakar en kedjereaktion. För att kontrollera det används neutronabsorbatorer och moderatorer;
5. Med hjälp av ett kylmedel (vatten, gas eller flytande natrium) avlägsnas värme från reaktionsstället;
6. Trycksatt ånga från uppvärmt vatten används för att driva ångturbiner;
7. Med hjälp av en generator omvandlas den mekaniska energin från turbinrotationen till elektrisk växelström.

Tillvägagångssätt för klassificering

Det kan finnas många anledningar till typologin för reaktorer:

• Efter typ av kärnreaktion. Fission (alla kommersiella installationer) eller fusion (termonukleär energi, utbredd endast i vissa forskningsinstitut);
• Med kylvätska. I de allra flesta fall används vatten (kokande eller tungt) för detta ändamål. Alternativa lösningar används ibland: flytande metall (natrium, bly-vismut, kvicksilver), gas (helium, koldioxid eller kväve), smält salt (fluoridsalt);
• Efter generation. Den första var tidiga prototyper som inte var kommersiellt meningsfulla. För det andra byggdes de flesta kärnkraftverk som för närvarande används före 1996. Den tredje generationen skiljer sig från den tidigare endast i mindre förbättringar. Arbetet med den fjärde generationen pågår fortfarande;
• Efter aggregationstillstånd bränsle (gasbränsle finns för närvarande endast på papper);
• Efter användningsändamål(för elproduktion, motorstart, väteproduktion, avsaltning, elementär transmutation, erhållande av neural strålning, teoretiska och undersökningsändamål).

Kärnreaktorstruktur

Huvudkomponenterna i reaktorer i de flesta kraftverk är:

1. Kärnbränsle är ett ämne som behövs för att producera värme till kraftturbiner (vanligtvis låganrikat uran);
2. Kärnreaktorhärden är där kärnreaktionen äger rum;
3. Neutronmoderator - minskar hastigheten på snabba neutroner och förvandlar dem till termiska neutroner;
4. Startande neutronkälla - används för pålitlig och stabil start av en kärnreaktion;
5. Neutronabsorbator - tillgänglig i vissa kraftverk för att minska den höga reaktiviteten hos färskt bränsle;
6. Neutronhaubits - används för att återinitiera en reaktion efter avstängning;
7. Kylvätska (renat vatten);
8. Kontrollstavar - för att reglera klyvningshastigheten för uran- eller plutoniumkärnor;
9. Vattenpump - pumpar vatten in i ångpannan;
10. Ångturbin - omvandlar ångans termiska energi till roterande mekanisk energi;
11. Kyltorn - en anordning för att ta bort överskottsvärme i atmosfären;
12. System för mottagning och lagring av radioaktivt avfall;
13. Säkerhetssystem (nöddieselgeneratorer, anordningar för nödkylning av kärnor).

Hur de senaste modellerna fungerar

Den senaste fjärde generationens reaktorer kommer att finnas tillgängliga för kommersiell drift tidigast 2030. För närvarande är principen och strukturen för deras verksamhet på utvecklingsstadiet. Enligt moderna data kommer dessa modifieringar att skilja sig från befintliga modeller i sådana fördelar:

• Snabbt gaskylsystem. Det antas att helium kommer att användas som kylvätska. Enligt projektdokumentation, på detta sätt är det möjligt att kyla reaktorer med en temperatur på 850 °C. För att arbeta vid så höga temperaturer kommer specifika råmaterial att krävas: kompositkeramiska material och aktinidföreningar;
• Det är möjligt att använda bly eller en bly-vismutlegering som primär kylvätska. Dessa material har en låg neutronabsorptionshastighet och är relativt låg temperatur smältande;
• Dessutom kan en blandning av smälta salter användas som huvudkylvätska. Detta kommer att göra det möjligt att arbeta vid högre temperaturer än moderna vattenkylda motsvarigheter.

Naturliga analoger i naturen

En kärnreaktor uppfattas i allmänhetens medvetande uteslutande som en högteknologisk produkt. Men i själva verket den första sådana enheten är av naturligt ursprung. Det upptäcktes i Oklo-regionen i den centralafrikanska staten Gabon:

• Reaktorn bildades på grund av översvämningen av uranbergarter grundvatten. De agerade som neutronmoderatorer;
• Den termiska energin som frigörs under sönderfallet av uran förvandlar vatten till ånga, och kedjereaktionen stannar;
• Efter att kylvätsketemperaturen sjunker, upprepas allt igen;
• Om vätskan inte hade kokat bort och stoppat reaktionen, skulle mänskligheten ha stått inför en ny naturkatastrof;
• Självförsörjande kärnklyvning började i denna reaktor för ungefär en och en halv miljard år sedan. Under denna tid gavs cirka 0,1 miljoner watts uteffekt;
• Ett sådant världsunder på jorden är det enda kända. Uppkomsten av nya är omöjlig: andelen uran-235 i naturliga råvaror är mycket lägre än den nivå som krävs för att upprätthålla en kedjereaktion.

Hur många kärnreaktorer finns det i Sydkorea?

Dålig på naturresurser, men industrialiserad och överbefolkad, har Republiken Korea ett extraordinärt behov av energi. Mot bakgrund av Tysklands vägran att använda den fredliga atomen har detta land stora förhoppningar om att stävja kärnteknik:

• Det är planerat att 2035 kommer andelen el som genereras av kärnkraftverk att nå 60 %, och den totala produktionen kommer att vara mer än 40 gigawatt;
• Landet har inga atomvapen, men forskning om kärnfysik pågår. Koreanska forskare har utvecklat design för moderna reaktorer: modulära, väte, med flytande metall, etc.;
• Lokala forskares framgångar gör det möjligt att sälja teknik utomlands. Landet förväntas exportera 80 sådana enheter under de kommande 15-20 åren;
• Men från och med idag byggdes de flesta kärnkraftverk med hjälp av amerikanska eller franska vetenskapsmän;
• Antalet driftstationer är relativt litet (endast fyra), men var och en av dem har ett betydande antal reaktorer - totalt 40, och denna siffra kommer att växa.

När det bombarderas av neutroner går kärnbränslet in i en kedjereaktion, vilket resulterar i en enorm mängd värme. Vattnet i systemet tar denna värme och förvandlas till ånga, som förvandlar turbiner som producerar el. Här är ett enkelt diagram över driften av en kärnreaktor, den mest kraftfulla energikällan på jorden.

Video: hur kärnreaktorer fungerar

I den här videon kommer kärnfysikern Vladimir Chaikin att berätta hur elektricitet genereras i kärnreaktorer och deras detaljerade struktur:

Skicka

Vad är en kärnreaktor?

En kärnreaktor, tidigare känd som en "kärnpanna" är en anordning som används för att initiera och kontrollera en ihållande kärnkedjereaktion. Kärnreaktorer används i kärnkraftverk för att producera el och för framdrivning av fartyg. Värmen från kärnklyvning överförs till en arbetsvätska (vatten eller gas) som passerar genom ångturbiner. Vatten eller gas sätter fartygets blad i rörelse eller roterar elektriska generatorer. Ånga som genereras till följd av en kärnreaktion kan i princip användas för termisk industri eller för fjärrvärme. Vissa reaktorer används för att producera isotoper som används för medicinska och industriella ändamål eller för att producera plutonium av vapenkvalitet. Vissa av dem är endast för forskningsändamål. Idag finns det cirka 450 kärnkraftsreaktorer som används för att generera el i cirka 30 länder runt om i världen.

Funktionsprincip för en kärnreaktor

Precis som konventionella kraftverk genererar elektricitet genom att använda termisk energi som frigörs från förbränning av fossila bränslen, omvandlar kärnreaktorer den energi som frigörs genom kontrollerad kärnklyvning till termisk energi för vidare omvandling till mekaniska eller elektriska former.

Processen för kärnklyvning

När ett betydande antal sönderfallande atomkärnor (som uran-235 eller plutonium-239) absorberar en neutron kan kärnklyvning inträffa. En tung kärna bryts ner i två eller flera lätta kärnor (klyvningsprodukter) och frigör kinetisk energi, gammastrålning och fria neutroner. En del av dessa neutroner kan sedan absorberas av andra klyvbara atomer och orsaka ytterligare klyvning, vilket frigör ännu fler neutroner, och så vidare. Denna process är känd som en kärnkedjereaktion.

För att kontrollera en sådan kärnkedjereaktion kan neutronabsorbatorer och moderatorer ändra andelen neutroner som går till att klyva fler kärnor. Kärnreaktorer styrs manuellt eller automatiskt för att kunna stoppa sönderfallsreaktionen när farliga situationer upptäcks.

Vanligt använda neutronflödesregulatorer är vanligt (”lätt”) vatten (74,8 % av reaktorerna i världen), fast grafit (20 % av reaktorerna) och ”tungt” vatten (5 % av reaktorerna). I vissa experimentella typer av reaktorer föreslås användning av beryllium och kolväten.

Värmeavgivning i en kärnreaktor

Reaktorns arbetsområde genererar värme på flera sätt:

• Den kinetiska energin hos fissionsprodukter omvandlas till termisk energi när kärnorna kolliderar med angränsande atomer.
• Reaktorn absorberar en del av gammastrålningen som genereras under fission och omvandlar dess energi till värme.
• Värme alstras av radioaktivt sönderfall av fissionsprodukter och de material som exponeras under absorptionen av neutroner. Denna värmekälla kommer att förbli oförändrad under en tid, även efter att reaktorn stängts av.

Under kärnreaktioner frigör ett kilogram uran-235 (U-235) ungefär tre miljoner gånger mer energi än ett kilo kol som förbränns konventionellt (7,2 × 1013 joule per kilogram uran-235 jämfört med 2,4 × 107 joule per kilogram kol) ,

Kärnreaktorns kylsystem

En kärnreaktors kylvätska - vanligtvis vatten, men ibland gas, flytande metall (som flytande natrium) eller smält salt - cirkulerar runt reaktorhärden för att absorbera värmen som genereras. Värmen avlägsnas från reaktorn och används sedan för att generera ånga. De flesta reaktorer använder ett kylsystem som är fysiskt isolerat från vattnet som kokar och genererar ångan som används för turbiner, som en tryckvattenreaktor. Men i vissa reaktorer kokar vattnet till ångturbinerna direkt i reaktorhärden; till exempel i en reaktor av tryckvattentyp.

Övervakning av neutronflödet i reaktorn

Reaktorns uteffekt regleras genom att styra antalet neutroner som kan orsaka fler klyvningar.

Kontrollstavar, som är gjorda av "neutrongift" används för att absorbera neutroner. Ju fler neutroner som absorberas av kontrollstaven, desto färre neutroner kan orsaka ytterligare klyvning. Följaktligen minskar nedsänkning av absorptionsstavarna djupt in i reaktorn dess uteffekt och omvänt kommer att ta bort styrstaven att öka den.

På den första nivån av kontroll i alla kärnreaktorer är processen med fördröjd neutronemission från ett antal neutronberikade fissionsisotoper en viktig fysisk process. Dessa fördröjda neutroner utgör cirka 0,65 % av det totala antalet neutroner som produceras under fission, och resten (de så kallade "snabba neutronerna") produceras omedelbart under fission. Klyvningsprodukterna som bildar fördröjda neutroner har halveringstider som sträcker sig från millisekunder till flera minuter, och därför tar det avsevärd tid att exakt bestämma när reaktorn når kritisk punkt. Att bibehålla reaktorn i kedjereaktivitetsläge, där fördröjda neutroner behövs för att nå kritisk massa, uppnås med hjälp av mekaniska anordningar eller mänsklig kontroll för att kontrollera kedjereaktionen i "realtid"; annars kommer tiden mellan att nå kritikalitet och smältning av kärnreaktorhärden som ett resultat av den exponentiella spänningshöjningen under en normal kärnkedjereaktion vara för kort för att ingripa. Detta sista steget, där fördröjda neutroner inte längre krävs för att upprätthålla kritikalitet, kallas prompt neutronkriticitet. Det finns en skala för att beskriva kritikalitet i numerisk form, där initial kritikalitet betecknas som "noll dollar", snabb kritikalitet som "en dollar", andra punkter i processen interpoleras i "cent".

I vissa reaktorer fungerar kylvätskan även som en neutronmoderator. Moderatorn ökar kraften i reaktorn genom att få de snabba neutroner som frigörs under fission att förlora energi och bli termiska neutroner. Termiska neutroner är mer benägna än snabba neutroner att orsaka fission. Om kylvätskan också är en neutronmoderator kan förändringar i temperatur påverka kylvätskans/moderatorns densitet och därför förändringen i reaktoreffekten. Ju högre temperatur kylvätskan har, desto mindre tät blir den, och därför desto mindre effektiv blir retardern.

I andra typer av reaktorer fungerar kylvätskan som ett "neutrongift", som absorberar neutroner på samma sätt som styrstavar. I dessa reaktorer kan effektuttaget ökas genom att värma upp kylvätskan, vilket gör den mindre tät. Kärnreaktorer har vanligtvis automatiska och manuella system för att stänga av reaktorn för nödstopp. Dessa system placerar stora mängder "neutrongift" (ofta bor i form av borsyra) i reaktorn för att stoppa klyvningsprocessen om farliga förhållanden upptäcks eller misstänks.

De flesta typer av reaktorer är känsliga för en process som kallas "xenongropen" eller "jodgrop". Den utbredda sönderfallsprodukten xenon-135, som härrör från fissionsreaktionen, spelar rollen som en neutronabsorbator som tenderar att stänga av reaktorn. Ansamlingen av xenon-135 kan kontrolleras genom att hålla en effektnivå som är tillräckligt hög för att förstöra den genom att absorbera neutroner så snabbt som den produceras. Fission resulterar också i bildandet av jod-135, som i sin tur sönderfaller (med en halveringstid på 6,57 timmar) för att bilda xenon-135. När reaktorn stängs av fortsätter jod-135 att sönderfalla för att bilda xenon-135, vilket gör det svårare att starta om reaktorn inom en dag eller två eftersom xenon-135 sönderfaller för att bilda cesium-135, som inte är en neutronabsorbator som xenon -135. 135, med en halveringstid på 9,2 timmar. Detta tillfälliga tillstånd är ett "jodhål". Om reaktorn har tillräcklig extra effekt kan den startas om. Ju mer xenon-135 förvandlas till xenon-136, vilket är mindre av en neutronabsorbator, och inom några timmar upplever reaktorn vad som kallas ett "xenonutbränningsstadium". Dessutom måste kontrollstavar sättas in i reaktorn för att kompensera för absorptionen av neutroner för att ersätta det förlorade xenon-135. Underlåtenheten att korrekt följa ett sådant förfarande var en nyckelorsak till Tjernobylolyckan.

Reaktorer som används i kärnkraftverk ombord (särskilt kärnubåtar) kan ofta inte drivas kontinuerligt för att producera kraft på samma sätt som landbaserade kraftreaktorer. Dessutom måste sådana kraftverk ha lång drifttid utan att byta bränsle. Av denna anledning använder många konstruktioner anrikat uran men innehåller en brännbar neutronabsorbator i bränslestavarna. Detta gör det möjligt att konstruera en reaktor med ett överskott av klyvbart material, vilket är relativt säkert i början av utbränningen av reaktorns bränslecykel på grund av närvaron av neutronabsorberande material, som sedan ersätts av konventionell långlivslängd neutronabsorbenter (mer hållbara än xenon-135), som gradvis ackumuleras under bränslets livslängd.

Hur produceras el?

Den energi som genereras under fission genererar värme, varav en del kan omvandlas till användbar energi. Allmän metod Användningen av denna termiska energi är att använda den för att koka vatten och producera ånga under tryck, vilket i sin tur roterar drivningen av en ångturbin, som roterar en generator och producerar elektricitet.

De första reaktorernas historia

Neutroner upptäcktes 1932. Kedjereaktionsschemat som utlöstes av kärnreaktioner till följd av exponering för neutroner implementerades först av den ungerske vetenskapsmannen Leo Sillard 1933. Han ansökte om patent på sin enkla reaktoridé under nästa års arbete vid amiralitetet i London. Szilards idé inkluderade dock inte teorin om kärnklyvning som en källa till neutroner, eftersom denna process ännu inte hade upptäckts. Szilards idéer för kärnreaktorer som använder neutronförmedlade kärnkedjereaktioner i lätta element visade sig vara omöjliga.

Drivkraften för att skapa en ny typ av reaktor med uran var upptäckten av Lise Meitner, Fritz Strassmann och Otto Hahn 1938, som "bombarderade" uran med neutroner (med hjälp av alfasönderfallsreaktionen av beryllium, en "neutronpistol") för att producera barium, som de trodde att det härrörde från sönderfallet av urankärnor. Efterföljande forskning i början av 1939 (Szilard och Fermi) visade att vissa neutroner också producerades genom atomklyvning, vilket möjliggjorde den kärnkedjereaktion som Szilard hade föreställt sig sex år tidigare.

Den 2 augusti 1939 undertecknade Albert Einstein ett brev skrivet av Szilard till president Franklin D. Roosevelt, där det stod att upptäckten av uranklyvning kunde leda till skapandet av "extremt kraftfulla bomber av en ny typ". Detta satte fart på studiet av reaktorer och radioaktivt sönderfall. Szilard och Einstein kände varandra väl och hade arbetat tillsammans i många år, men Einstein hade aldrig tänkt på denna möjlighet för kärnkraft förrän Szilard informerade honom tidigt i sin strävan att skriva ett brev till Einstein-Szilard för att varna USA:s regering,

Kort därefter, 1939, attackerade Hitlertyskland Polen och startade andra världskriget i Europa. USA var ännu inte officiellt i krig, men i oktober, när Einstein-Szilard-brevet levererades, noterade Roosevelt att syftet med studien var att se till att "nazisterna inte spränger oss i luften". USA:s kärnkraftsprojekt började, om än med viss fördröjning, eftersom skepsisen kvarstod (särskilt från Fermi) och på grund av det lilla antalet regeringstjänstemän som till en början övervakade projektet.

Året därpå fick den amerikanska regeringen Frisch-Peierls Memorandum från Storbritannien, där det stod att mängden uran som krävs för att genomföra kedjereaktionen var mycket mindre än man tidigare trott. Memorandumet skapades med deltagande av Maud Committee, som arbetade med atombombprojektet i Storbritannien, senare känt under kodnamnet "Tube Alloys" och senare inkluderat i Manhattan Project.

I slutändan byggdes den första konstgjorda kärnreaktorn, kallad Chicago Woodpile 1, vid University of Chicago av ett team ledd av Enrico Fermi i slutet av 1942. Vid denna tidpunkt hade USA:s atomprogram redan påskyndats på grund av landets inträde in i kriget. Chicago Woodpile nådde sin kritiska punkt den 2 december 1942, klockan 15:25. Reaktorramen var gjord av trä, som höll ihop en stapel grafitblock (därav namnet) med kapslade "briketter" eller "pseudo-sfärer" av naturlig uranoxid.

Med början 1943, strax efter skapandet av Chicago Woodpile, utvecklade den amerikanska militären en serie kärnreaktorer för Manhattanprojektet. Huvudsyftet med de största reaktorerna (som ligger vid Hanford-komplexet i delstaten Washington) var att massproducera plutonium för kärnvapen. Fermi och Szilard lämnade in en patentansökan för reaktorerna den 19 december 1944. Dess beviljande försenades i 10 år på grund av krigstidshemligheter.

"World's First" är inskriptionen på platsen för EBR-I-reaktorn, som nu är ett museum nära Arco, Idaho. Ursprungligen kallad Chicago Woodpile 4, skapades denna reaktor under ledning av Walter Sinn för Aregon National Laboratory. Denna experimentella snabbuppfödningsreaktor drevs av US Atomic Energy Commission. Reaktorn producerade 0,8 kW effekt när den testades den 20 december 1951 och 100 kW effekt (elektrisk) nästa dag, med en designkapacitet på 200 kW (elektrisk effekt).

Utöver den militära användningen av kärnreaktorer fanns det politiska skäl att fortsätta forskningen om atomenergi för fredliga ändamål. USA:s president Dwight Eisenhower gjorde sitt berömt tal"Atomer för fred" vid FN:s generalförsamling den 8 december 1953. Detta diplomatiska drag ledde till spridningen av reaktorteknik både i USA och över hela världen.

Det första kärnkraftverket som byggdes för civila ändamål var kärnkraftverket AM-1 i Obninsk, som sjösattes den 27 juni 1954 i Sovjetunionen. Den producerade cirka 5 MW elektrisk energi.

Efter andra världskriget sökte den amerikanska militären andra tillämpningar för kärnreaktorteknik. Forskning utförd av armén och flygvapnet genomfördes inte; Den amerikanska flottan nådde dock framgång genom att sjösätta atomubåten USS Nautilus (SSN-571) den 17 januari 1955.

Det första kommersiella kärnkraftverket (Calder Hall i Sellafield, England) öppnade 1956 med en initial kapacitet på 50 MW (senare 200 MW).

Den första bärbara kärnreaktorn, Alco PM-2A, användes för att generera elektricitet (2 MW) till den amerikanska militärbasen Camp Century 1960.

Huvudkomponenter i ett kärnkraftverk

Huvudkomponenterna i de flesta typer av kärnkraftverk är:

Kärnreaktorelement

• Kärnbränsle (kärnreaktorhärd; neutronmoderator)
• Ursprunglig neutronkälla
• Neutronabsorbent
• Neutronpistol (ger en konstant källa av neutroner för att återuppta reaktionen efter avstängning)
• Kylsystem (ofta är neutronmoderatorn och kylvätskan samma sak, vanligtvis renat vatten)
• Styrstavar
• Kärnreaktorfartyg (NRP)

Vattenförsörjningspump för panna

• Ånggeneratorer (ej i kokvattenkärnreaktorer)
• Ångturbin
• Elgenerator
• Kondensator
• Kyltorn (krävs inte alltid)
• System för behandling av radioaktivt avfall (en del av stationen för bortskaffande av radioaktivt avfall)
• Omladdningsplats för kärnbränsle
• Använt bränsle pool

Strålsäkerhetssystem

• Rektorskyddssystem (RPS)
• Akut dieselgeneratorer
• Emergency reactor core kylningssystem (ECCS)
• Nödvätskekontrollsystem (nödborinjektion, endast i kokvattenreaktorer)
• System för att leverera processvatten till ansvarsfulla konsumenter (SOTVOP)

Skyddsskal

• Fjärrkontroll
• Nödinstallation
• Nukleärt träningskomplex (som regel finns det en imiterad kontrollpanel)

Klassificeringar av kärnreaktorer

Typer av kärnreaktorer

Kärnreaktorer klassificeras på flera sätt; sammanfattning Dessa klassificeringsmetoder presenteras nedan.

Klassificering av kärnreaktorer efter moderatortyp

Termiska reaktorer som används:

• Grafitreaktorer
  
• Tryckvattenreaktorer
• Tungvattenreaktorer(används i Kanada, Indien, Argentina, Kina, Pakistan, Rumänien och Sydkorea).
• Lättvattenreaktorer(LVR). Lättvattenreaktorer (den vanligaste typen av termisk reaktor) använder vanligt vatten för att styra och kyla reaktorerna. Om temperaturen på vattnet ökar, minskar dess densitet, vilket saktar ner flödet av neutroner tillräckligt för att orsaka ytterligare kedjereaktioner. Denna negativa återkoppling stabiliserar kärnreaktionshastigheten. Grafit- och tungvattenreaktorer tenderar att värmas upp mer intensivt än lättvattenreaktorer. På grund av tilläggsuppvärmningen kan sådana reaktorer använda naturligt uran/oanrikat bränsle.
• Reaktorer baserade på lätta elementmoderatorer.
• Smält saltmodererade reaktorer(MSR) drivs av närvaron av lätta element som litium eller beryllium, som finns i LiF och BEF2 kylmedel/bränslematrissalter.
• Reaktorer med flytande metallkylare, där kylvätskan är en blandning av bly och vismut, kan använda BeO-oxid som neutronabsorbator.
• Reaktorer baserade på organisk moderator(OMR) använder bifenyl och terfenyl som moderator och kylkomponenter.

Klassificering av kärnreaktorer efter typ av kylmedel

• Vattenkyld reaktor. Det finns 104 reaktorer i drift i USA. 69 av dessa är tryckvattenreaktorer (PWR) och 35 är kokvattenreaktorer (BWR). Kärnkraftsreaktorer med tryckvatten (PWR) utgör den stora majoriteten av alla västerländska kärnkraftverk. Det huvudsakliga kännetecknet för RVD-typen är närvaron av en kompressor, ett speciellt högtryckskärl. De flesta kommersiella RVD-reaktorer och marinreaktorinstallationer använder överladdare. Under normal drift är fläkten delvis fylld med vatten och en ångbubbla upprätthålls ovanför den, som skapas genom att värma vatten med elpatron. I normalt läge är överladdaren ansluten till högtrycksreaktorkärlet (HRVV) och tryckkompensatorn säkerställer närvaron av ett hålrum vid en förändring av vattenvolymen i reaktorn. Detta schema ger också kontroll av trycket i reaktorn genom att öka eller minska ångtrycket i kompensatorn med hjälp av värmare.

• Högtrycks tungvattenreaktorer tillhör en typ av tryckvattenreaktor (PWR), som kombinerar principerna för att använda tryck, en isolerad termisk cykel, förutsatt användning av tungt vatten som kylmedel och moderator, vilket är ekonomiskt fördelaktigt.
• Kokvattenreaktor(BWR). Kokvattenreaktormodeller kännetecknas av närvaron av kokande vatten runt bränslestavarna i botten av huvudreaktorkärlet. Kokvattenreaktorn använder anrikat 235U, i form av urandioxid, som bränsle. Bränslet sätts ihop till stavar placerade i ett stålkärl, som i sin tur sänks ned i vatten. Processen med kärnklyvning gör att vatten kokar och ånga bildas. Denna ånga passerar genom rörledningar i turbiner. Turbinerna drivs av ånga, och denna process genererar elektricitet. Under normal drift styrs trycket av mängden vattenånga som strömmar från reaktorns tryckkärl in i turbinen.
• Reaktor av pooltyp
• Flytande metallkyld reaktor. Eftersom vatten är en neutronmoderator kan det inte användas som kylmedel i en snabb neutronreaktor. Flytande metallkylmedel inkluderar natrium, NaK, bly, bly-vismut eutektikum, och för tidigare generationers reaktorer, kvicksilver.
• Natriumkyld snabb neutronreaktor.
• Snabb neutronreaktor med blykylvätska.
• Gaskylda reaktorer kyls av cirkulerande inert gas, skapad av helium i högtemperaturstrukturer. Samtidigt användes koldioxid tidigare vid brittiska och franska kärnkraftverk. Kväve användes också. Användningen av värme beror på typen av reaktor. Vissa reaktorer är så varma att gasen direkt kan driva en gasturbin. Äldre reaktorkonstruktioner involverade vanligtvis att passera gas genom en värmeväxlare för att skapa ånga för en ångturbin.
• Smält saltreaktorer(MSR) kyls genom att cirkulera smält salt (vanligtvis eutektiska blandningar av fluoridsalter såsom FLiBe). I en typisk MSR används kylvätskan även som en matris där det klyvbara materialet löses.

Generationer av kärnreaktorer

• Första generationens reaktor(tidiga prototyper, forskningsreaktorer, icke-kommersiella kraftreaktorer)
• Andra generationens reaktor(de flesta moderna kärnkraftverk 1965-1996)
• Tredje generationens reaktor(evolutionära förbättringar av befintlig design 1996–nutid)
• Fjärde generationens reaktor(teknik fortfarande under utveckling, okänt startdatum, möjligen 2030)

2003 introducerade det franska kommissariatet för atomenergi (CEA) beteckningen "Gen II" för första gången under Nukleonveckan.

Det första omnämnandet av "Gen III" 2000 gjordes i samband med starten av Generation IV International Forum (GIF).

"Gen IV" nämndes 2000 av United States Department of Energy (DOE) för utvecklingen av nya typer av kraftverk.

Klassificering av kärnreaktorer efter typ av bränsle

• Fastbränslereaktor
• Reaktor för flytande bränsle
• Homogen vattenkyld reaktor
• Smält saltreaktor
• Gasdrivna reaktorer (teoretiskt)

Klassificering av kärnreaktorer efter syfte

• Elproduktion
• Kärnkraftverk, inklusive små klusterreaktorer
• Självgående enheter (se kärnkraftverk)
• Nukleära offshoreanläggningar
• Olika typer av raketmotorer erbjuds
• Andra former av värmeanvändning
• Avsaltning
• Värmegenerering för hushålls- och industrivärme
• Vätgasproduktion för användning i väteenergi
• Produktionsreaktorer för elementomvandling
• Uppfödningsreaktorer som kan producera mer klyvbart material än de förbrukar under en kedjereaktion (genom att omvandla moderisotoperna U-238 till Pu-239, eller Th-232 till U-233). Sålunda, efter att ha avslutat en cykel, kan uranförädlarreaktorn fyllas på med naturligt eller till och med utarmat uran. I sin tur kan toriumförädlarreaktorn fyllas på med torium. En initial tillförsel av klyvbart material krävs dock.
• Skapande av olika radioaktiva isotoper, såsom americium för användning i rökdetektorer och kobolt-60, molybden-99 och andra, som används som indikatorer och för behandling.
• Tillverkning av material för kärnvapen, såsom plutonium av vapenkvalitet
• Skapande av en källa för neutronstrålning (till exempel Lady Godiva-pulsreaktorn) och positronstrålning (till exempel neutronaktiveringsanalys och kalium-argon-datering)
• Forskningsreaktor: Reaktorer används vanligtvis för vetenskaplig forskning och undervisning, testmaterial eller för att producera radioisotoper för medicin och industri. De är mycket mindre än kraftreaktorer eller fartygsreaktorer. Många av dessa reaktorer finns på universitetsområden. Det finns cirka 280 sådana reaktorer i drift i 56 länder. Vissa arbetar med höganrikat uranbränsle. Internationella ansträngningar pågår för att ersätta låganrikade bränslen.

Moderna kärnreaktorer

Tryckvattenreaktorer (PWR)

Dessa reaktorer använder ett högtryckskärl för att hålla kärnbränsle, styrstavar, moderator och kylvätska. Kylning av reaktorer och moderering av neutroner sker med flytande vatten under högt tryck. Det varma radioaktiva vattnet som lämnar högtryckskärlet passerar genom en ånggeneratorkrets, som i sin tur värmer upp den sekundära (icke-radioaktiva) kretsen. Dessa reaktorer utgör majoriteten av moderna reaktorer. Detta är en neutronreaktoruppvärmningsanordning, varav de senaste är VVER-1200, Advanced Pressurized Water Reactor och European Pressurized Water Reactor. US Navy reaktorer är av denna typ.

Kokvattenreaktorer (BWR)

Kokvattenreaktorer liknar tryckvattenreaktorer utan ånggenerator. Kokvattenreaktorer använder också vatten som kylmedel och neutronmoderator som tryckvattenreaktorer, men vid ett lägre tryck, vilket gör att vattnet kan koka inuti en panna, vilket skapar ånga som gör turbiner. Till skillnad från en tryckvattenreaktor finns det ingen primär eller sekundär krets. Uppvärmningskapaciteten hos dessa reaktorer kan vara högre, och de kan vara enklare i design och ännu mer stabila och säkra. Detta är en termisk neutronreaktoranordning, varav de senaste är Advanced Boiling Water Reactor och Economical Simplified Boiling Water Nuclear Reactor.

Trycksatt tungvattenmodererad reaktor (PHWR)

En kanadensisk design (känd som CANDU), dessa är tungvattenmodererade, trycksatta kylvätskereaktorer. Istället för att använda ett enda tryckkärl, som i tryckvattenreaktorer, finns bränslet i hundratals högtryckspassager. Dessa reaktorer arbetar på naturligt uran och är termiska neutronreaktorer. Tungvattenreaktorer kan tankas under drift full styrka, vilket gör dem mycket effektiva vid användning av uran (detta gör att flödet i kärnan kan kontrolleras exakt). CANDU-reaktorer för tungt vatten har byggts i Kanada, Argentina, Kina, Indien, Pakistan, Rumänien och Sydkorea. Indien driver också ett antal tungvattenreaktorer, ofta kallade "CANDU-derivat", byggda efter att den kanadensiska regeringen avslutade sin kärnkraftsrelation med Indien efter 1974 års Smiling Buddhas kärnvapentest.

Högeffektkanalreaktor (RBMK)

En sovjetisk utveckling, designad för att producera såväl plutonium som elektricitet. RBMK använder vatten som kylmedel och grafit som neutronmoderator. RBMK liknar CANDU i vissa avseenden, eftersom de kan laddas under drift och använder tryckrör istället för ett högtryckskärl (som i tryckvattenreaktorer). Men till skillnad från CANDU är de mycket instabila och skrymmande, vilket gör reaktorhuven dyr. Ett antal kritiska säkerhetsbrister identifierades också i RBMK-konstruktioner, även om några av dessa brister korrigerades efter Tjernobyl-katastrofen. Deras huvudsakliga kännetecken är användningen av lätt vatten och oberikat uran. Från och med 2010 förblir 11 reaktorer öppna, till stor del på grund av förbättrade säkerhetsnivåer och stöd från internationella säkerhetsorganisationer som US Department of Energy. Trots dessa förbättringar anses RBMK-reaktorer fortfarande vara en av de farligaste reaktorkonstruktionerna att använda. RBMK-reaktorer användes endast i fd Sovjetunionen.

Gaskyld reaktor (GCR) och avancerad gaskyld reaktor (AGR)

De använder vanligtvis en grafitneutronmoderator och CO2-kylvätska. På grund av deras höga driftstemperaturer kan de vara mer effektiva på att producera värme än tryckvattenreaktorer. Det finns ett antal driftreaktorer av denna design, främst i Storbritannien där konceptet utvecklades. De äldre byggnaderna (dvs Magnox Station) är antingen stängda eller kommer att stängas inom en snar framtid. Förbättrade gaskylda reaktorer har dock en förväntad livslängd på ytterligare 10 till 20 år. Reaktorer av denna typ är termiska neutronreaktorer. De monetära kostnaderna för att avveckla sådana reaktorer kan vara höga på grund av härdens stora volym.

Fast Breeder Reactor (LMFBR)

Denna reaktor är designad för att kylas med flytande metall, utan moderator, och producerar mer bränsle än den förbrukar. De sägs vara bränsle-"uppfödare" eftersom de producerar klyvbart bränsle genom neutroninfångning. Sådana reaktorer kan fungera på samma sätt som tryckvattenreaktorer vad gäller effektivitet, men de kräver kompensation för ökat tryck eftersom de använder flytande metall som inte skapar övertryck även vid mycket höga temperaturer. BN-350 och BN-600 i USSR och Superphoenix i Frankrike var reaktorer av denna typ, liksom Fermi-I i USA. Monju-reaktorn i Japan, skadad av en natriumläcka 1995, återupptogs i drift i maj 2010. Alla dessa reaktorer använder/har använt flytande natrium. Dessa reaktorer är snabba neutronreaktorer och tillhör inte termiska neutronreaktorer. Dessa reaktorer är av två typer:

Bly kylt

Användningen av bly som flytande metall ger ett utmärkt skydd mot radioaktiv strålning och tillåter drift vid mycket höga temperaturer. Dessutom är bly (för det mesta) transparent för neutroner, så färre neutroner går förlorade till kylvätskan och kylvätskan blir inte radioaktiv. Till skillnad från natrium är bly i allmänhet inert, så det är mindre risk för explosion eller olycka, men så stora mängder bly kan orsaka problem ur ett toxicitets- och avfallshanteringsperspektiv. Eutektiska blandningar av bly-vismut kan ofta användas i denna typ av reaktorer. I det här fallet kommer vismut att ge liten störning för strålning eftersom den inte är helt transparent för neutroner och lättare kan mutera till en annan isotop än bly. Den ryska alfa-klassens ubåt använder en bly-vismutkyld snabbreaktor som sitt huvudsakliga kraftgenereringssystem.

Natriumkyld

De flesta flytande metallförädlarreaktorer (LMFBR) är av denna typ. Natrium är relativt lätt att få tag på och lätt att arbeta med, och det hjälper till att förhindra korrosion av olika delar av reaktorn nedsänkta i den. Natrium reagerar dock häftigt vid kontakt med vatten, så försiktighet måste iakttas, även om sådana explosioner inte kommer att vara mycket kraftigare än till exempel läckor av överhettad vätska från en SCWR- eller RWD-reaktor. EBR-I är den första reaktorn i sitt slag där kärnan består av en smälta.

Kulbäddsreaktor (PBR)

De använder bränsle som pressas till keramiska kulor där gas cirkuleras genom kulorna. Resultatet är effektiva, opretentiösa, mycket säkra reaktorer med billigt, standardiserat bränsle. Prototypen var AVR-reaktorn.

Smält saltreaktorer

I dem löses bränsle i fluorsalter, eller så används fluorider som kylmedel. Deras olika säkerhetssystem, höga effektivitet och höga energitäthet är lämpliga för fordon. Noterbart är att de inte har några högtrycksdelar eller brandfarliga komponenter i kärnan. Prototypen var MSRE-reaktorn, som också använde en toriumbränslecykel. Som en förädlingsreaktor upparbetar den använt bränsle och utvinner både uran och transuranelement, vilket bara lämnar 0,1 % av transuranavfallet jämfört med konventionella lättvattenreaktorer med engångsuran som för närvarande är i drift. En separat fråga är radioaktiva klyvningsprodukter, som inte upparbetas och måste omhändertas i konventionella reaktorer.

Vattenhaltig homogen reaktor (AHR)

Dessa reaktorer använder bränsle i form av lösliga salter, som löses i vatten och blandas med ett kylmedel och en neutronmoderator.

Innovativa kärntekniska system och projekt

Avancerade reaktorer

Mer än ett dussin avancerade reaktorprojekt befinner sig i olika utvecklingsstadier. Vissa har utvecklats från RWD-, BWR- och PHWR-reaktordesigner, vissa skiljer sig mer markant. De förstnämnda inkluderar Advanced Boiling Water Reactor (ABWR) (varav två är för närvarande i drift och andra under uppbyggnad), samt de planerade Economy Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR) och AP1000-anläggningarna (se Nuclear Energy Program 2010).

Integrerad snabb neutronkärnreaktor(IFR) byggdes, testades och testades under 1980-talet och gick sedan i pension efter att Clinton-administrationen lämnade kontoret på 1990-talet på grund av kärnvapenickespridningspolitik. Upparbetning av använt kärnbränsle är inbyggt i dess design och producerar därför endast en bråkdel av avfallet från reaktorer i drift.

Modulär högtemperatur gaskyld reaktor reaktor (HTGCR), är utformad på ett sådant sätt att höga temperaturer minskar uteffekten på grund av dopplerbreddning av neutronstrålens tvärsnitt. Reaktorn använder en keramisk typ av bränsle, så dess säkra driftstemperaturer överstiger effektreduktionstemperaturområdet. De flesta strukturer kyls med inert helium. Helium kan inte orsaka en explosion på grund av ångexpansion, är inte en neutronabsorbator som skulle orsaka radioaktivitet och löser inte upp föroreningar som kan vara radioaktiva. Typiska konstruktioner består av fler lager av passivt skydd (upp till 7) än i lättvattenreaktorer (vanligtvis 3). En unik egenskap som kan garantera säkerheten är att bränslekulorna faktiskt utgör kärnan och byts ut en efter en med tiden. Bränslecellernas designegenskaper gör dem dyra att återvinna.

Liten, stängd, mobil, autonom reaktor (SSTAR) testades och utvecklades ursprungligen i USA. Reaktorn var designad som en snabb neutronreaktor, med ett passivt skyddssystem som kunde stängas av på distans om man misstänkte problem.

Rent och miljövänligt avancerad reaktor (CAESAR)är ett koncept för en kärnreaktor som använder ånga som neutronmoderator - en design som fortfarande är under utveckling.

Den nedskalade vattenmodererade reaktorn är baserad på den förbättrade kokvattenreaktorn (ABWR) som för närvarande är i drift. Det är inte en helsnabb neutronreaktor, utan använder huvudsakligen epitermiska neutroner, som har hastigheter mellan termisk och snabb.

Självreglerande kärnkraftsmodul med väte neutronmoderator (HPM)är en designtyp av reaktor producerad av Los Alamos National Laboratory som använder uranhydrid som bränsle.

Subkritiska kärnreaktorerär avsedda att vara säkrare och stabilare, men är komplexa i tekniska och ekonomiska termer. Ett exempel är Energy Booster.

Toriumbaserade reaktorer. Det är möjligt att omvandla torium-232 till U-233 i reaktorer utformade speciellt för detta ändamål. På så sätt kan torium, som är fyra gånger mer förekommande än uran, användas för att producera U-233-baserat kärnbränsle. U-233 tros ha gynnsamma nukleära egenskaper jämfört med traditionellt använda U-235, i synnerhet bästa oddsen fördelaktig användning av neutroner och minska mängden långlivat transuranavfall som produceras.

Förbättrad tungvattenreaktor (AHWR)- en föreslagen tungvattenreaktor som ska representera utvecklingen nästa generation typ PHWR. Under utveckling vid Bhabha Nuclear Research Center (BARC), Indien.

KAMINI- en unik reaktor som använder isotopen uran-233 som bränsle. Byggd i Indien vid BARC Research Center och Indira Gandhi Center for Nuclear Research (IGCAR).

Indien planerar också att bygga snabba reaktorer med bränslecykeln torium-uran-233. FBTR (Fast Breeder Reactor) (Kalpakkam, Indien) använder plutonium som bränsle och flytande natrium som kylmedel under drift.

Vad är fjärde generationens reaktorer?

Den fjärde generationens reaktorer är en samling av olika teoretiska konstruktioner som för närvarande övervägs. Dessa projekt kommer sannolikt inte att slutföras till 2030. Nuvarande reaktorer i drift anses generellt sett vara andra eller tredje generationens system. Första generationens system har inte använts på ett tag. Utvecklingen av denna fjärde generation av reaktorer lanserades officiellt vid Generation IV International Forum (GIF) baserat på åtta teknikmål. De huvudsakliga målen var att förbättra kärnsäkerheten, öka spridningsmotståndet, minimera avfall och användning av naturresurser och att minska kostnaderna för att bygga och driva sådana anläggningar.

• Gaskyld snabb neutronreaktor
• Snabb reaktor med blykylare
• Flytande saltreaktor
• Natriumkyld snabbreaktor
• Superkritisk vattenkyld kärnreaktor
• Ultrahög temperatur kärnreaktor

Vad är femte generationens reaktorer?

Den femte generationens reaktorer är projekt vars genomförande är möjligt ur teoretisk synvinkel, men som för närvarande inte är föremål för aktiv övervägande och forskning. Även om sådana reaktorer kan byggas på kort eller kort sikt, har de tilldragit sig lite intresse av ekonomiska genomförbarhet, praktiska eller säkerhetsmässiga skäl.

• Vätskefasreaktor. En sluten krets med vätska i kärnan av en kärnreaktor, där det klyvbara materialet är i form av smält uran eller en uranlösning kyld av en arbetsgas som injiceras i genomgående hål i botten av uppsamlingskärlet.
• Gasfasreaktor i härden. Ett slutet kretslopp alternativ för en kärnkraftsdriven raket, där det klyvbara materialet är uranhexafluoridgas placerad i en kvartsbehållare. Arbetsgasen (som väte) kommer att strömma runt detta kärl och absorbera ultraviolett strålning från kärnreaktionen. En sådan design skulle kunna användas som en raketmotor, som nämns i Harry Harrisons science fiction-roman Skyfall från 1976. I teorin skulle användning av uranhexafluorid som ett kärnbränsle (snarare än som en mellanprodukt, som för närvarande görs) resultera i lägre energiproduktionskostnader och skulle också avsevärt minska storleken på reaktorer. I praktiken skulle en reaktor som arbetar med så höga effekttätheter producera ett okontrollerat flöde av neutroner, vilket försvagar hållfasthetsegenskaperna hos mycket av reaktormaterialen. Således skulle flödet likna flödet av partiklar som frigörs i termonukleära installationer. Detta skulle i sin tur kräva användning av material som liknar de material som används inom ramen för det internationella projektet för implementering av en anläggning för bestrålning av material under termonukleära reaktionsförhållanden.
• Gasfas elektromagnetisk reaktor. Samma som en gasfasreaktor, men med solceller som omvandlar ultraviolett ljus direkt till elektricitet.
• Fragmenteringsreaktor
• Hybrid kärnfusion. De neutroner som emitteras under sammansmältningen och sönderfallet av originalet eller "ämnet i häckningszonen" används. Till exempel omvandlingen av U-238, Th-232 eller använt bränsle/radioaktivt avfall från en annan reaktor till relativt godartade isotoper.

Reaktor med en gasfas i härden. Ett slutet kretslopp alternativ för en kärnkraftsdriven raket, där det klyvbara materialet är uranhexafluoridgas placerad i en kvartsbehållare. Arbetsgasen (som väte) kommer att strömma runt detta kärl och absorbera ultraviolett strålning från kärnreaktionen. En sådan design skulle kunna användas som en raketmotor, som nämns i Harry Harrisons science fiction-roman Skyfall från 1976. I teorin skulle användning av uranhexafluorid som ett kärnbränsle (snarare än som en mellanprodukt, som för närvarande görs) resultera i lägre energiproduktionskostnader och skulle också avsevärt minska storleken på reaktorer. I praktiken skulle en reaktor som arbetar med så höga effekttätheter producera ett okontrollerat flöde av neutroner, vilket försvagar hållfasthetsegenskaperna hos mycket av reaktormaterialen. Således skulle flödet likna flödet av partiklar som frigörs i termonukleära installationer. Detta skulle i sin tur kräva användning av material som liknar de material som används inom ramen för det internationella projektet för implementering av en anläggning för bestrålning av material under termonukleära reaktionsförhållanden.

Gasfas elektromagnetisk reaktor. Samma som en gasfasreaktor, men med solceller som omvandlar ultraviolett ljus direkt till elektricitet.

Fragmenteringsreaktor

Hybrid kärnfusion. De neutroner som emitteras under sammansmältningen och sönderfallet av originalet eller "ämnet i häckningszonen" används. Till exempel omvandlingen av U-238, Th-232 eller använt bränsle/radioaktivt avfall från en annan reaktor till relativt godartade isotoper.

Fusionsreaktorer

Kontrollerad kärnfusion kan användas i fusionskraftverk för att producera elektricitet utan de komplikationer som är förknippade med att arbeta med aktinider. Det finns dock betydande vetenskapliga och tekniska hinder kvar. Flera fusionsreaktorer har byggts, men först nyligen har reaktorerna kunnat frigöra mer energi än de förbrukar. Även om forskningen började på 1950-talet, förväntas det att en kommersiell fusionsreaktor inte kommer att fungera förrän 2050. Ansträngningar för att utnyttja fusionsenergi pågår för närvarande inom ITER-projektet.

Kärnbränslecykeln

Termiska reaktorer är i allmänhet beroende av graden av uranrening och anrikning. Vissa kärnreaktorer kan drivas av en blandning av plutonium och uran (se MOX-bränsle). Processen genom vilken uranmalm bryts, bearbetas, anrikas, används, eventuellt återvinns och bortskaffas är känd som kärnbränslecykeln.

Upp till 1 % av uranet i naturen är den lättklyvbara isotopen U-235. Utformningen av de flesta reaktorer innebär således användning av anrikat bränsle. Anrikning innebär en ökning av andelen U-235 och utförs vanligtvis genom gasdiffusion eller i en gascentrifug. Den anrikade produkten omvandlas vidare till urandioxidpulver, som pressas och bränns till granulat. Dessa granulat placeras i rör, som sedan förseglas. Dessa rör kallas bränslestavar. Varje kärnreaktor använder många av dessa bränslestavar.

De flesta kommersiella BWR- och PWR-reaktorer använder uran anrikat till cirka 4 % U-235. Dessutom kräver vissa industriella reaktorer med hög neutronbesparing inte anrikat bränsle alls (det vill säga de kan använda naturligt uran). Enligt International Atomic Energy Agency finns det minst 100 forskningsreaktorer i världen som använder höganrikat bränsle (vapenkvalitet/90 % urananrikning). Risken för stöld av denna typ av bränsle (möjligt för användning i kärnvapentillverkning) har lett till en kampanj som kräver en övergång till reaktorer som använder låganrikat uran (vilket utgör ett mindre spridningshot).

Klyvbar U-235 och icke-klyvbar, klyvbar U-238 används i den nukleära omvandlingsprocessen. U-235 klyvs av termiska (d.v.s. långsamma) neutroner. En termisk neutron är en som rör sig med ungefär samma hastighet som atomerna runt den. Eftersom atomernas vibrationsfrekvens är proportionell mot deras absoluta temperatur, har en termisk neutron en större förmåga att dela U-235 när den rör sig med samma vibrationshastighet. Å andra sidan är det mer sannolikt att U-238 fångar en neutron om neutronen rör sig mycket snabbt. U-239-atomen sönderfaller så snabbt som möjligt och bildar plutonium-239, som i sig är ett bränsle. Pu-239 är ett värdefullt bränsle och måste beaktas även vid användning av höganrikat uranbränsle. Plutoniumsönderfallsprocesser kommer att dominera U-235 fissionsprocesser i vissa reaktorer. Speciellt efter att den originalladdade U-235 är uttömd. Plutonium klyvs i både snabba och termiska reaktorer, vilket gör den idealisk för både kärnreaktorer och kärnvapenbomber.

De flesta befintliga reaktorer är termiska reaktorer, som vanligtvis använder vatten som en neutronmoderator (moderator betyder att den saktar ner en neutron till termisk hastighet) och även som ett kylmedel. En snabb neutronreaktor använder dock en något annan typ av kylvätska som inte kommer att bromsa neutronflödet för mycket. Detta tillåter snabba neutroner att dominera, som effektivt kan användas för att ständigt fylla på bränsletillförseln. Helt enkelt genom att placera billigt, oberikat uran i kärnan, kommer spontant icke-klyvbar U-238 att förvandlas till Pu-239, som "föder upp" bränslet.

I den toriumbaserade bränslecykeln absorberar torium-232 en neutron i både en snabbreaktor och en termisk reaktor. Beta-sönderfallet av torium producerar protactinium-233 och sedan uran-233, som i sin tur används som bränsle. Därför, liksom uran-238, är torium-232 ett bördigt material.

Kärnreaktorunderhåll

Mängden energi i en kärnbränslereservoar uttrycks ofta i termer av "full effektdagar", vilket är antalet 24-timmarsperioder (dagar) som reaktorn arbetar med full effekt för att producera termisk energi. Dagarna med full effekt i en reaktordriftcykel (mellan de intervall som krävs för tankning) är relaterade till mängden sönderfallande uran-235 (U-235) som finns i bränslepatronerna i början av cykeln. Ju högre procentandel av U-235 i härden i början av cykeln, desto fler dagars drift med full effekt kommer att tillåta reaktorn att fungera.

I slutet av driftcykeln "arbetas" bränslet i vissa aggregat, lossas och ersätts i form av nya (färska) bränslepatroner. Även denna reaktion av ackumulering av sönderfallsprodukter i kärnbränsle bestämmer livslängden för kärnbränsle i reaktorn. Även långt innan den slutliga processen med bränsleklyvning inträffar har långlivade neutronabsorberande sönderfallsbiprodukter samlats i reaktorn, vilket förhindrar kedjereaktionen från att inträffa. Andelen av reaktorhärden som ersätts under reaktortankning är typiskt en fjärdedel för en kokvattenreaktor och en tredjedel för en tryckvattenreaktor. Omhändertagande och lagring av detta använda bränsle är en av de svåraste uppgifterna för att organisera driften av ett industriellt kärnkraftverk. Sådant kärnavfall är extremt radioaktivt och dess toxicitet utgör en risk i tusentals år.

Alla reaktorer behöver inte tas ur drift för tankning; kärnreaktorer med kulbränslekärnor, RBMK-reaktorer, smältsaltreaktorer, Magnox-, AGR- och CANDU-reaktorer gör att bränsleelement kan flyttas under anläggningens drift. I en CANDU-reaktor är det möjligt att placera enskilda bränsleelement i härden på ett sådant sätt att bränsleelementets U-235-innehåll justeras.

Mängden energi som utvinns från ett kärnbränsle kallas dess utbränning, vilket uttrycks i termer av den termiska energi som produceras av bränslets ursprungliga viktenhet. Utbränning uttrycks vanligtvis i termer av termiska megawattdagar per ton modertungmetall.

Kärnenergisäkerhet

Kärnsäkerhet representerar åtgärder som syftar till att förhindra kärnkraftsolyckor och strålningsolyckor eller lokalisera deras konsekvenser. Kärnkraft har förbättrat reaktorsäkerhet och prestanda, och har också introducerat nya, säkrare reaktorkonstruktioner (som i allmänhet inte har testats). Det finns dock ingen garanti för att sådana reaktorer kommer att konstrueras, byggas och kan fungera tillförlitligt. Misstag har inträffat när reaktorkonstruktörer vid kärnkraftverket Fukushima i Japan inte förväntade sig att en tsunami genererad av en jordbävning skulle stänga av backupsystemet som var tänkt att stabilisera reaktorn efter jordbävningen, trots många varningar från NRG (den nationella forskningen). grupp) och den japanska administrationen om kärnsäkerhet. Enligt UBS AG ifrågasätter kärnkraftsolyckan i Fukushima I om även avancerade ekonomier som Japan kan garantera kärnsäkerhet. Katastrofala scenarier, inklusive terroristattacker, är också möjliga. Ett tvärvetenskapligt team från MIT (Massachusetts Institute of Technology) uppskattar att med tanke på den förväntade tillväxten av kärnkraft kan minst fyra allvarliga kärnkraftsolyckor förväntas mellan 2005 och 2055.

Kärnkraftsolyckor och strålningsolyckor

Några allvarliga kärnkraftsolyckor och strålningsolyckor har inträffat. Kärnkraftsolyckor inkluderar SL-1-olyckan (1961), Three Mile Island-olyckan (1979), Tjernobyl-katastrofen (1986) och Fukushima Daiichi kärnkraftskatastrofen (2011). Olyckor på kärnkraftsdrivna fartyg inkluderar reaktorolyckor på K-19 (1961), K-27 (1968) och K-431 (1985).

Kärnreaktoranläggningar har lanserats i omloppsbana runt jorden minst 34 gånger. En serie incidenter som involverade den sovjetiska obemannade kärnkraftsdrivna RORSAT-satelliten resulterade i att använt kärnbränsle släpptes ut i jordens atmosfär från omloppsbanan.

Naturliga kärnreaktorer

Även om man ofta tror att fissionsreaktorer är en produkt modern teknologi, de första kärnreaktorerna är tillgängliga i naturliga förhållanden. En naturlig kärnreaktor kan bildas under vissa förhållanden som efterliknar dem i en konstruerad reaktor. Hittills har upp till femton naturliga kärnreaktorer upptäckts inom tre separata malmfyndigheter i Oklo-urangruvan i Gabon ( Västafrika). De välkända "döda" Okllo-reaktorerna upptäcktes först 1972 av den franske fysikern Francis Perrin. En självförsörjande kärnklyvningsreaktion inträffade i dessa reaktorer för cirka 1,5 miljarder år sedan och upprätthölls i flera hundra tusen år och producerade i genomsnitt 100 kW effekt under denna period. Konceptet med en naturlig kärnreaktor förklarades i teoretiska termer redan 1956 av Paul Kuroda vid University of Arkansas.

Sådana reaktorer kan inte längre bildas på jorden: radioaktivt sönderfall under denna enorma tidsperiod har minskat andelen U-235 i naturligt uran under den nivå som krävs för att upprätthålla kedjereaktionen.

Naturliga kärnreaktorer bildades när rika uranmineralfyndigheter började fyllas med underjordiskt vatten, vilket fungerade som en neutronmoderator och startade en betydande kedjereaktion. Neutronmoderatorn, i form av vatten, avdunstade, vilket fick reaktionen att påskyndas, och kondenserade sedan tillbaka, vilket fick kärnreaktionen att sakta ner och nedsmältning förhindrades. Klyvningsreaktionen pågick i hundratusentals år.

Sådana naturliga reaktorer har studerats ingående av forskare som är intresserade av bortskaffande av radioaktivt avfall i en geologisk miljö. De föreslår en fallstudie av hur radioaktiva isotoper skulle vandra genom ett lager av jordskorpan. Detta är en nyckelpunkt för kritiker av geologisk avfallshantering, som fruktar att isotoper som finns i avfallet kan hamna i vattenförsörjning eller migrera ut i miljön.

Miljöproblem av kärnkraft

En kärnreaktor släpper ut små mängder tritium, Sr-90, i luften och grundvattnet. Vatten kontaminerat med tritium är färglöst och luktfritt. Stora doser av Sr-90 ökar risken för skelettcancer och leukemi hos djur, och förmodligen hos människor.