Hem › Recensioner › Kärnvapenstavar. Alla hörde men ingen vet

Kärnvapenstavar. Alla hörde men ingen vet

Enhet och funktionsprincip

Kraftutlösningsmekanism

Omvandlingen av ett ämne åtföljs av frigörandet av fri energi endast om ämnet har en reserv av energier. Det senare innebär att ämnets mikropartiklar befinner sig i ett tillstånd med en viloenergi som är större än i ett annat möjligt tillstånd, vars övergång finns. Spontan övergång förhindras alltid av en energibarriär, för att övervinna vilken mikropartikeln måste ta emot en viss mängd energi från utsidan - excitationsenergin. Den exoenergetiska reaktionen består i att i omvandlingen efter excitationen frigörs mer energi än vad som krävs för att excitera processen. Det finns två sätt att övervinna energibarriären: antingen på grund av den kinetiska energin hos de kolliderande partiklarna, eller på grund av den anslutande partikelns bindningsenergi.

Om vi tänker på de makroskopiska skalorna för energifrisättningen, så måste den kinetiska energin som är nödvändig för exciteringen av reaktioner ha alla eller till en början åtminstone några av partiklarna i ämnet. Detta kan endast uppnås genom att höja mediets temperatur till ett värde vid vilket energin för termisk rörelse närmar sig värdet för energitröskeln som begränsar processens förlopp. När det gäller molekylära transformationer, det vill säga kemiska reaktioner, en sådan ökning är vanligtvis hundratals kelviner, i fallet med kärnreaktioner är den minst 10 7 på grund av mycket hög höjd Coulomb-barriärer av kolliderande kärnor. Termisk excitation av kärnreaktioner har i praktiken endast utförts i syntesen av de lättaste kärnorna, där Coulomb-barriärerna är minimala (termonukleär fusion).

Excitering av de sammanfogande partiklarna kräver inte en stor kinetisk energi och beror därför inte på mediets temperatur, eftersom den uppstår på grund av oanvända bindningar som är inneboende i partiklarna av attraktionskrafter. Men å andra sidan är själva partiklarna nödvändiga för att excitera reaktionerna. Och om vi återigen inte har en separat reaktionshandling i åtanke, utan produktionen av energi i makroskopisk skala, så är detta endast möjligt när en kedjereaktion inträffar. Det senare uppstår när de partiklar som exciterar reaktionen återuppstår som produkter av en exoenergetisk reaktion.

Design

Varje kärnreaktor består av följande delar:

Kärna med kärnbränsle och moderator;
Neutronreflektor som omger kärnan;
Kedjereaktionsregleringssystem, inklusive nödskydd;
Strålskydd;
Fjärrkontrollsystem.

Fysiska principer för drift

Se även huvudartiklar:

Nuvarande tillstånd kärnreaktor kan karakteriseras av den effektiva neutronmultiplikationsfaktorn k eller reaktivitet ρ , som är relaterade av följande relation:

Dessa värden kännetecknas av följande värden:

k> 1 - kedjereaktionen ökar med tiden, reaktorn är inne superkritisk tillstånd, dess reaktivitet ρ > 0;
k < 1 - реакция затухает, реактор - subkritisk, ρ < 0;
k = 1, ρ = 0 - antalet kärnklyvningar är konstant, reaktorn är stabil kritisk skick.

Kärnreaktorns kritiska tillstånd:

, Var

Omvandlingen av multiplikationsfaktorn till enhet uppnås genom att balansera multiplikationen av neutroner med deras förluster. Det finns faktiskt två orsaker till förluster: fångst utan fission och läckage av neutroner utanför avelsmediet.

Uppenbarligen, 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 för termiska reaktorer kan bestämmas med den så kallade "formeln med 4 faktorer":

, Var

η är neutronutbytet per två absorptioner.

Volymerna hos moderna kraftreaktorer kan nå hundratals m³ och bestäms huvudsakligen inte av kritiska förhållanden, utan av möjligheterna att avlägsna värme.

Kritisk volym kärnreaktor - volymen av reaktorhärden i ett kritiskt tillstånd. Kritisk massaär massan av det klyvbara materialet i reaktorn, som är i ett kritiskt tillstånd.

Reaktorer som drivs av vattenlösningar av salter av rena klyvbara isotoper med en vattenneutronreflektor har den lägsta kritiska massan. För 235 U är denna massa 0,8 kg, för 239 Pu är den 0,5 kg. Det är dock allmänt känt att den kritiska massan för LOPO-reaktorn (världens första anrikade uranreaktor), som hade en berylliumoxidreflektor, var 0,565 kg, trots att anrikningsgraden i isotopen 235 endast var svagt. mer än 14 %. Teoretiskt har den minsta kritiska massan, för vilken detta värde bara är 10 g.

För att minska neutronläckaget ges kärnan en sfärisk eller nära sfärisk form, såsom en kort cylinder eller kub, eftersom dessa figurer har det minsta förhållandet mellan ytarea och volym.

Trots det faktum att värdet (e - 1) vanligtvis är litet, är rollen för snabb neutronmultiplikation ganska stor, eftersom för stora kärnreaktorer (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

För att starta en kedjereaktion produceras vanligtvis tillräckligt med neutroner under den spontana klyvningen av urankärnor. Det är också möjligt att använda en extern neutronkälla för att starta reaktorn, till exempel en blandning av och, eller andra ämnen.

jodgrop

Huvudartikel: Jodgrop

Jodgrop - tillståndet för en kärnreaktor efter att den har stängts, kännetecknad av ackumuleringen av den kortlivade xenonisotopen. Denna process leder till det tillfälliga uppkomsten av betydande negativ reaktivitet, vilket i sin tur gör det omöjligt att få reaktorn till sin designkapacitet under en viss period (ca 1-2 dagar).

Klassificering

Enligt överenskommelse

Enligt arten av användningen av kärnreaktorer är indelade i:

Kraftreaktorer utformad för att producera elektrisk och termisk energi som används inom energisektorn, samt för avsaltning av havsvatten (avsaltningsreaktorer klassificeras också som industriella). Sådana reaktorer användes främst i kärnkraftverk. Den termiska effekten hos moderna kraftreaktorer når 5 GW. Tilldela i en separat grupp:
- Transportreaktorer utformad för att leverera energi till fordonsmotorer. De bredaste applikationsgrupperna är marina transportreaktorer som används på ubåtar och olika ytfartyg, samt reaktorer som används inom rymdteknik.
Experimentella reaktorer, utformad för att studera olika fysiska storheter, vars värde är nödvändigt för konstruktion och drift av kärnreaktorer; effekten av sådana reaktorer överstiger inte några kW.
Forskningsreaktorer, där neutron- och gammastrålningsflöden som skapas i kärnan används för forskning inom kärnfysik, fasta tillståndets fysik, strålningskemi, biologi, för att testa material avsedda för drift i intensiva neutronflöden (inklusive delar av kärnreaktorer), för framställning av isotoper. Effekten av forskningsreaktorer överstiger inte 100 MW. Den frigjorda energin används vanligtvis inte.
Industriella (vapen, isotoper) reaktorer används för att producera isotoper som används inom olika områden. Används mest för tillverkning av kärnvapenmaterial, såsom 239 Pu. Även industriella inkluderar reaktorer som används för avsaltning av havsvatten.

Ofta används reaktorer för att lösa två eller flera olika uppgifter, i så fall kallas de mångsidigt. Till exempel var vissa kraftreaktorer, särskilt i början av kärnkraften, främst avsedda för experiment. Snabba neutronreaktorer kan vara både kraftgenererande och producerande isotoper på samma gång. Industriella reaktorer genererar, utöver sin huvuduppgift, ofta elektrisk och termisk energi.

Enligt neutronspektrumet

Termisk (långsam) neutronreaktor ("termisk reaktor")
Snabb neutronreaktor ("snabb reaktor")

Genom bränsleplacering

Heterogena reaktorer, där bränslet placeras i härden diskret i form av block, mellan vilka det finns en moderator;
Homogena reaktorer, där bränslet och moderatorn är en homogen blandning (homogent system).

I en heterogen reaktor kan bränslet och moderatorn vara åtskilda, i synnerhet i en kavitetsreaktor omger moderator-reflektorn kaviteten med bränsle som inte innehåller moderatorn. Ur en kärnfysikalisk synvinkel är kriteriet för homogenitet/heterogenitet inte designen, utan placeringen av bränsleblock på ett avstånd som överstiger neutronmodereringslängden i en given moderator. Till exempel är så kallade "nära gitter"-reaktorer designade för att vara homogena, även om bränslet vanligtvis separeras från moderatorn i dem.

Block av kärnbränsle i en heterogen reaktor kallas bränslepatroner (FA), som placeras i härden vid noderna av ett vanligt gitter, och bildar celler.

Efter typ av bränsle

uranisotoper 235, 238, 233 ( 235 U , 238 U , 233 U)
plutoniumisotop 239 ( 239 Pu), även isotoper 239-242 Pu som en blandning med 238 U (MOX-bränsle)
toriumisotop 232 (232 Th) (via konvertering till 233 U)

Beroende på graden av berikning:

naturligt uran
låganrikat uran
starkt anrikat uran

Efter kemisk sammansättning:

metall U
UC (urankarbid) etc.

Efter typ av kylvätska

Gas, (se grafitgasreaktor)
D 2 O (tungt vatten, se Tungvatten kärnreaktor, CANDU)

Efter typ av moderator

C (grafit, se Grafit-gasreaktor, Grafit-vattenreaktor)
H 2 O (vatten, se lättvattenreaktor, tryckvattenreaktor, VVER)
D 2 O (tungt vatten, se Tungvatten kärnreaktor, CANDU)
Metallhydrider
Utan moderator (se snabb neutronreaktor)

Genom design

ånggenereringsmetod

Reaktor med extern ånggenerator (se PWR, VVER)

IAEA klassificering

PWR (tryckvattenreaktorer) - tryckvattenreaktor (tryckvattenreaktor);
BWR (kokvattenreaktor) - kokvattenreaktor;
FBR (fast breeder reactor) - snabb uppfödningsreaktor;
GCR (gaskyld reaktor) - gaskyld reaktor;
LWGR (lättvattengrafitreaktor) - grafitvattenreaktor
PHWR (tryckvattenreaktor) - tungvattenreaktor

De vanligaste i världen är reaktorer med tryckvatten (ca 62 %) och kokande vatten (20 %).

Reaktormaterial

Materialen som reaktorerna är byggda av arbetar vid hög temperatur inom området neutroner, γ-kvanta och fissionsfragment. Därför är inte alla material som används inom andra teknikgrenar lämpliga för reaktorkonstruktion. Vid val av reaktormaterial tas hänsyn till deras strålningsbeständighet, kemiska tröghet, absorptionstvärsnitt och andra egenskaper.

Strålningsinstabiliteten hos material påverkas mindre vid höga temperaturer. Atomernas rörlighet blir så stor att sannolikheten för att atomer som slagits ut ur kristallgittret återvänder till sin plats eller att väte och syre rekombineras till en vattenmolekyl ökar markant. Sålunda är radiolysen av vatten obetydlig i icke-kokande kraftreaktorer (till exempel VVER), medan det i kraftfulla forskningsreaktorer frigörs en betydande mängd explosiv blandning. Reaktorerna har speciella system för att bränna den.

Reaktormaterial kommer i kontakt med varandra (ett bränsleelement som täcks med kylvätska och kärnbränsle, bränslekassetter med kylvätska och moderator, etc.). Naturligtvis måste kontaktmaterialen vara kemiskt inerta (kompatibla). Ett exempel på inkompatibilitet är uran och varmt vatten som går in i en kemisk reaktion.

För de flesta material försämras hållfasthetsegenskaperna kraftigt med ökande temperatur. I kraftreaktorer arbetar konstruktionsmaterial vid höga temperaturer. Detta begränsar valet av konstruktionsmaterial, särskilt för de delar av en kraftreaktor som måste tåla högt tryck.

Utbränning och reproduktion av kärnbränsle

Under driften av en kärnreaktor, på grund av ackumuleringen av fissionsfragment i bränslet, förändras dess isotopiska och kemiska sammansättning, och transuranelement, främst isotoper, bildas. Inverkan av fissionsfragment på reaktiviteten hos en kärnreaktor kallas förgiftning(för radioaktiva fragment) och slaggning(för stabila isotoper).

Den främsta orsaken till förgiftningen av reaktorn är, som har det största neutronabsorptionstvärsnittet (2,6 10 6 barn). Halveringstid på 135 Xe T 1/2 = 9,2 h; divisionens avkastning är 6-7%. Huvuddelen av 135 Xe bildas som ett resultat av förfall ( T 1/2 = 6,8 timmar). Vid förgiftning ändras Kef med 1-3%. Det stora absorptionstvärsnittet av 135 Xe och närvaron av den mellanliggande isotopen 135 I leder till två viktiga fenomen:

Till en ökning av koncentrationen av 135 Xe och, följaktligen, till en minskning av reaktorns reaktivitet efter dess avstängning eller effektminskning ("jodgrop"), vilket gör det omöjligt för kortvariga avstängningar och fluktuationer i uteffekten. Denna effekt övervinns genom att införa en reaktivitetsmarginal i tillsynsorganen. Jodbrunnens djup och varaktighet beror på neutronflödet Ф: vid Ф = 5 10 18 neutron/(cm² sek), är jodbrunnens varaktighet ~ 30 timmar, och djupet är 2 gånger större än den stationära förändringen i Keff orsakad av 135 Xe-förgiftning.
På grund av förgiftning kan spatio-temporala fluktuationer av neutronflödet Ф, och följaktligen av reaktoreffekten, uppstå. Dessa fluktuationer inträffar vid Ф > 10 18 neutroner/(cm² sek) och stora reaktorstorlekar. Svängningsperioder ~ 10 timmar.

Under kärnklyvning, stort antal stabila fragment som skiljer sig i sina absorptionstvärsnitt jämfört med absorptionstvärsnittet av en klyvbar isotop. Fragmentkoncentration med stort värde absorptionstvärsnittet når mättnad under de första dagarna av reaktordrift. Dessa är främst TVEL i olika "åldrar".

Vid fullständigt bränslebyte har reaktorn överdriven reaktivitet, som måste kompenseras, medan i det andra fallet krävs kompensation endast vid första start av reaktorn. Kontinuerlig tankning gör det möjligt att öka utbränningsdjupet, eftersom reaktorns reaktivitet bestäms av de genomsnittliga koncentrationerna av klyvbara isotoper.

Massan av det laddade bränslet överstiger massan av det oladdade på grund av "vikten" av den frigjorda energin. Efter avstängningen av reaktorn, först främst på grund av fission av fördröjda neutroner, och sedan, efter 1-2 minuter, på grund av β- och γ-strålning av fissionsfragment och transuranelement, fortsätter energi att frigöras i bränslet. Om reaktorn arbetade tillräckligt länge före avstängning, sedan 2 minuter efter avstängning, är energiutsläppet cirka 3%, efter 1 timme - 1%, efter en dag - 0,4%, efter ett år - 0,05% av den initiala effekten.

Förhållandet mellan antalet klyvbara Pu-isotoper som bildas i en kärnreaktor och mängden 235 U utbrända kallas omvandlingsfrekvens K K . Värdet på K K ökar med minskande anrikning och utbränning. För en tungvattenreaktor som drivs på naturligt uran, med en utbränning på 10 GW dygn/t K K = 0,55, och för små utbränning (i detta fall kallas K K initial plutoniumkoefficient) KK = 0,8. Om en kärnreaktor brinner och producerar samma isotoper (uppfödningsreaktor), så kallas förhållandet mellan reproduktionshastigheten och utbränningshastigheten reproduktionshastighet K V. I termiska reaktorer K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g växer och A faller.

Kärnreaktorkontroll

Styrningen av en kärnreaktor är endast möjlig på grund av det faktum att under fission flyger några av neutronerna ut ur fragmenten med en fördröjning, som kan sträcka sig från flera millisekunder till flera minuter.

För att styra reaktorn används absorberande stavar, införda i kärnan, gjorda av material som starkt absorberar neutroner (huvudsakligen och några andra) och / eller en lösning av borsyra, tillsatt till kylvätskan i en viss koncentration (borreglering) . Stängernas rörelse styrs av speciella mekanismer, drivningar, som arbetar på signaler från operatören eller utrustning för automatisk styrning av neutronflödet.

I händelse av olika nödsituationer i varje reaktor tillhandahålls en nödavslutning av kedjereaktionen, utförd genom att tappa alla absorberande stavar i härden - ett nödskyddssystem.

Restvärme

En viktig fråga direkt relaterad till kärnkraftssäkerhet är sönderfallsvärme. Detta specifik funktion kärnbränsle, vilket ligger i det faktum att efter upphörandet av klyvningskedjereaktionen och den termiska trögheten som är gemensam för alla energikällor, fortsätter värmealstringen i reaktorn ytterligare en under en lång tid, vilket skapar ett antal tekniskt svåra problem.

Sönderfallsvärme är en följd av β- och γ-sönderfallet av klyvningsprodukter, som har ansamlats i bränslet under driften av reaktorn. Kärnorna i klyvningsprodukter, som ett resultat av sönderfall, övergår till ett mer stabilt eller helt stabilt tillstånd med frigörande av betydande energi.

Även om sönderfallsvärmeavgivningshastigheten snabbt sjunker till värden som är små jämfört med stationära värden, är den i högeffektsreaktorer signifikant i absoluta termer. Av denna anledning kräver restvärmegenerering länge sedan se till att värmen avlägsnas från reaktorhärden efter att den har stängts av. Denna uppgift kräver närvaron av kylsystem med tillförlitlig strömförsörjning i utformningen av reaktoranläggningen, och kräver också långtidslagring (i 3-4 år) av använt kärnbränsle i lagringsanläggningar med en speciell temperaturregim - använt kärnbränslepooler , som vanligtvis är belägna i omedelbar närhet av reaktorn.

se även

Lista över kärnreaktorer designade och byggda i Sovjetunionen

Litteratur

Levin V.E. Kärnfysik och kärnreaktorer. 4:e uppl. - M.: Atomizdat, 1979.
Shukolyukov A. Yu. ”Uranus. naturlig kärnreaktor. "Chemistry and Life" nr 6, 1980, sid. 20-24

Anteckningar

"ZEEP - Kanadas första kärnreaktor", Canada Science and Technology Museum.
Greshilov A. A., Egupov N. D., Matushchenko A. M. Kärnvapensköld. - M .: Logos, 2008. - 438 sid. -

Den enorma energin hos en liten atom

"Bra vetenskap är fysik! Bara livet är kort." Dessa ord tillhör en vetenskapsman som har gjort otroligt mycket inom fysik. De uttalades en gång av en akademiker Igor Vasilievich Kurchatov, skapare av världens första kärnkraftverk.

Den 27 juni 1954 tog detta unika kraftverk i drift. Mänskligheten har en annan kraftfull källa till elektricitet.

Vägen till att bemästra atomens energi var lång och svår. Det började under de första decennierna av 1900-talet med upptäckten av naturlig radioaktivitet av Curies, med Bohrs postulat, Rutherfords planetmodell av atomen, och beviset för en sådan, som det verkar nu, ett uppenbart faktum - kärnan i alla atom består av positivt laddade protoner och neutrala neutroner.

År 1934 upptäckte Frederic och Irene Joliot-Curie (dotter till Marie Sklodowska-Curie och Pierre Curie) att genom att bombardera dem med alfapartiklar (heliumatomernas kärnor) kunde vanliga kemiska grundämnen förvandlas till radioaktiva. Det nya fenomenet kallas artificiell radioaktivitet.

I. V. Kurchatov (höger) och A. I. Alikhanov (mitten) med sin lärare A. F. Ioffe. (Tidigt 30-tal.)

Om ett sådant bombardemang utförs med mycket snabba och tunga partiklar, börjar en kaskad av kemiska omvandlingar. Grundämnen med artificiell radioaktivitet kommer gradvis att ge vika för stabila grundämnen som inte längre sönderfaller.

Med hjälp av bestrålning eller bombardemang är det lätt att förverkliga alkemisternas dröm – att göra guld av andra kemiska grundämnen. Endast kostnaden för en sådan omvandling kommer att avsevärt överstiga priset på det mottagna guldet ...

Klyvning av urankärnor

Mer nytta (och, tyvärr, ångest) gav mänskligheten genom upptäckten 1938-1939 av en grupp tyska fysiker och kemister klyvning av urankärnor. När de bestrålas med neutroner sönderfaller tunga urankärnor till lättare kemiska grundämnen som tillhör den mellersta delen av Mendeleevs periodiska system och frigör flera neutroner. För kärnorna av lätta element visar sig dessa neutroner vara överflödiga ... När urankärnorna "spjälkas" kan en kedjereaktion börja: var och en av de två eller tre resulterande neutronerna kan producera flera neutroner i sin tur, träffar kärnan i en angränsande atom.

Den totala massan av produkterna från en sådan kärnreaktion visade sig, som forskare beräknade, vara mindre än massan av kärnorna i det ursprungliga ämnet - uran.

Enligt Einsteins ekvation, som relaterar massa till energi, kan man lätt avgöra att en enorm mängd energi måste frigöras i detta fall! Och det kommer att ske inom väldigt kort tid. Såvida inte, naturligtvis, kedjereaktionen blir okontrollerbar och går till slutet ...

Promenad efter konferensen E. Fermi (höger) med sin elev B. Pontecorvo. (Basel, 1949)

De enorma fysiska och tekniska möjligheter som gömdes i processen med uranklyvning var bland de första att uppskatta Enrico Fermi, under de avlägsna trettiotalet av vårt århundrade, fortfarande en mycket ung, men redan erkänd chef för den italienska fysikerskolan. Långt före andra världskriget undersökte han och en grupp duktiga medarbetare beteendet hos olika ämnen under neutronbestrålning och fastställde att effektiviteten i uranklyvningsprocessen kunde ökas avsevärt ... genom att bromsa neutronernas rörelse. Hur konstigt det än kan verka vid första anblicken, med en minskning av neutronernas hastighet ökar sannolikheten för att de fångas av urankärnor. Ganska tillgängliga ämnen fungerar som effektiva "moderatorer" av neutroner: paraffin, kol, vatten ...

När han flyttade till USA fortsatte Fermi att vara hjärnan och hjärtat i kärnkraftsforskningen där. Två talanger, vanligtvis ömsesidigt uteslutande, kombinerades i Fermi: en enastående teoretiker och en briljant experimenterare. "Det kommer att ta lång tid innan vi kan se en person som är lika med honom", skrev den framstående vetenskapsmannen W. Zinn efter Fermis alltför tidiga död av en elakartad tumör 1954 vid 53 års ålder.

Ett team av forskare som samlade sig runt Fermi under andra världskriget bestämde sig för att skapa ett vapen med oöverträffad destruktiv kraft baserat på en kedjereaktion av uranklyvning - atombomb. Forskare hade bråttom: tänk om Nazityskland blir först med att tillverka ett nytt vapen och använda det i sin omänskliga önskan att förslava andra folk?

Byggande av en kärnreaktor i vårt land

Redan 1942 lyckades forskare montera och lansera på territoriet till stadion vid University of Chicago först atomreaktor . Uranstavarna i reaktorn var varvade med kol-"tegelstenar" - moderatorer, och om kedjereaktionen trots allt blev för våldsam kunde den snabbt stoppas genom att föra in kadmiumplattor i reaktorn, som separerade uranstavarna och helt absorberade neutronerna.

Forskarna var mycket stolta över de enkla apparater de uppfann för reaktorn, som nu får oss att le. En av Fermis anställda i Chicago, den berömde fysikern G. Anderson, minns att kadmiumtenn spikades fast på ett träblock, som vid behov omedelbart sänktes ner i pannan under påverkan av sin egen gravitation, vilket var anledningen till att ge det. namnet "instant". G. Anderson skriver: ”Innan man startade pannan borde denna stav ha dragits upp och säkrats med ett rep. Vid en olycka kunde repet kapas och "momentet" ta sin plats inne i pannan.

En kontrollerad kedjereaktion erhölls vid en atomreaktor, teoretiska beräkningar och förutsägelser verifierades. En kedja av kemiska omvandlingar ägde rum i reaktorn, vilket resulterade i en ny kemiskt element- plutonium. Det kan, precis som uran, användas för att skapa en atombomb.

Forskare har fastställt att det finns en "kritisk massa" av uran eller plutonium. Om det finns tillräckligt med atomärt material leder kedjereaktionen till en explosion, om den är liten, mindre än den "kritiska massan", frigörs helt enkelt värme.

Byggande av ett kärnkraftverk

I en atombomb av den enklaste designen staplas två bitar av uran eller plutonium sida vid sida, och massan av varje är något under den kritiska. I rätt ögonblick förbinder säkringen från en vanlig sprängämne bitarna, massan av atombränsle överstiger det kritiska värdet - och frigörandet av destruktiv energi av monstruös kraft sker omedelbart ...

Blindande ljusstrålning, en chockvåg som sveper bort allt i sin väg och inträngande radioaktiv strålning drabbade invånarna i två japanska städer - Hiroshima och Nagasaki - efter de amerikanska atombombernas explosion 1945, och sedan dess har människor blivit oroade av de fruktansvärda konsekvenserna av användningen av atombomber, vapen.

Under IV Kurchatovs förenande vetenskapliga ledning utvecklade sovjetiska fysiker atomvapen.

Men ledaren för dessa verk slutade inte tänka på den fredliga användningen av atomenergi. När allt kommer omkring måste en kärnreaktor kylas intensivt, varför "ges denna värme inte bort" till en ång- eller gasturbin, inte används för att värma hus?

Rör med flytande lågsmältande metall fördes genom kärnreaktorn. Den uppvärmda metallen kom in i värmeväxlaren, där den överförde sin värme till vattnet. Vattnet förvandlades till överhettad ånga, turbinen började fungera. Reaktorn var omgiven av ett skyddande skal av betong med metallfyllmedel: radioaktiv strålning borde inte komma ut.

Kärnreaktorn har förvandlats till ett kärnkraftverk, vilket ger människor lugnt ljus, mysig värme, den önskade världen ...

För vanlig person moderna högteknologiska enheter är så mystiska och mystiska att det är helt rätt att dyrka dem, eftersom de gamla dyrkade blixtar. Skollektioner fysiker, fyllda med matematiska beräkningar, löser inte problemet. Men det är intressant att berätta även om en kärnreaktor, vars funktionsprincip är tydlig även för en tonåring.

Hur fungerar en kärnreaktor?

Funktionsprincipen för denna högteknologiska enhet är som följer:

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

Tillvägagångssätt för klassificering

Det kan finnas många anledningar till typologin för reaktorer:

Efter typ av kärnreaktion. Fission (alla kommersiella installationer) eller fusion (termonukleär kraft, är 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-vismutlegering, kvicksilver), gas (helium, koldioxid eller kväve), smält salt (fluoridsalt);
Efter generation. Den första är de tidiga prototyperna, som inte var någon kommersiell mening. Den andra är majoriteten av nu använda kärnkraftverk som byggdes före 1996. Den tredje generationen skiljer sig från den tidigare endast i mindre förbättringar. Arbetet med den fjärde generationen pågår fortfarande;
Enligt aggregerat tillstånd bränsle (gas finns fortfarande bara på papper);
Efter användningsändamål(för produktion av elektricitet, motorstart, väteproduktion, avsaltning, omvandling av element, erhållande av neural strålning, teoretiska och undersökningsändamål).

Kärnreaktoranordning

Huvudkomponenterna i reaktorer i de flesta kraftverk är:

Kärnbränsle - ett ämne som är nödvändigt för produktion av värme för kraftturbiner (vanligtvis låganrikat uran);
Den aktiva zonen i kärnreaktorn - det är här kärnreaktionen äger rum;
Neutronmoderator - minskar hastigheten på snabba neutroner och förvandlar dem till termiska neutroner;
Startande neutronkälla - används för tillförlitlig och stabil lansering av en kärnreaktion;
Neutronabsorbator - tillgänglig i vissa kraftverk för att minska den höga reaktiviteten hos färskt bränsle;
Neutronhaubits - används för att återinitiera en reaktion efter att ha stängts av;
Kylvätska (renat vatten);
Kontrollstavar - för att kontrollera klyvningshastigheten för uran- eller plutoniumkärnor;
Vattenpump - pumpar vatten till ångpannan;
Ångturbin - omvandlar ångans termiska energi till roterande mekanisk energi;
Kyltorn - en anordning för att ta bort överskottsvärme i atmosfären;
System för att ta emot och lagra radioaktivt avfall;
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 arrangemanget för deras arbete på utvecklingsstadiet. Enligt nuvarande data kommer dessa modifieringar att skilja sig från befintliga modeller i sådana förmåner:

Snabbt gaskylsystem. Det antas att helium kommer att användas som kylvätska. Enligt projektdokumentation, sålunda är det möjligt att kyla reaktorer med en temperatur på 850 °C. För att arbeta vid så höga temperaturer krävs också specifika råmaterial: kompositkeramiska material och aktinidföreningar;
Det är möjligt att använda bly eller en bly-vismutlegering som primär kylvätska. Dessa material har en låg neutronabsorption och är relativt låg temperatur smältande;
Dessutom kan en blandning av smälta salter användas som huvudkylvätska. Därmed kommer det att vara möjligt att arbeta vid högre temperaturer än moderna analoger med vattenkylning.

Naturliga analoger i naturen

Kärnreaktorn uppfattas som allmänhetens medvetande uteslutande som produkt högteknologi. Men faktiskt den första enheten är av naturligt ursprung. Det upptäcktes i Oklo-regionen, i den centralafrikanska delstaten 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 av och stoppat reaktionens förlopp, 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 tilldelades cirka 0,1 miljoner watt uteffekt;
Ett sådant världsunder på jorden är det enda kända. Utseendet på nya är omöjligt: andelen uran-235 i naturliga råvaror är mycket lägre än den nivå som krävs för att upprätthålla en kedjereaktion.

Hur många kärnreaktorer finns i Sydkorea?

Stackars på Naturliga resurser, men den industrialiserade och överbefolkade republiken Korea är i stort behov av energi. Mot bakgrund av Tysklands förkastande av 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 - mer än 40 gigawatt;
Landet har inga atomvapen, men forskning inom kärnfysik pågår. Koreanska forskare har utvecklat design för moderna reaktorer: modulära, väte, med flytande metall, etc.;
Framgången för lokala forskare gör att du kan sälja teknik utomlands. Det förväntas att landet under de kommande 15-20 åren kommer att exportera 80 sådana enheter;
Men från och med idag har de flesta kärnkraftverken byggts med hjälp av amerikanska eller franska forskare;
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 med neutroner går kärnbränsle in i en kedjereaktion, som ett resultat av vilket en enorm mängd värme genereras. Vattnet i systemet tar denna värme och omvandlar den till ånga, som förvandlar turbiner som producerar elektricitet. Här enkel krets drift 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, deras detaljerade struktur:

Chicago Pile-1 (CP-1) byggdes under de västra läktarna på University of Chicagos fotbollsplan och slogs på den 2 december 1942 och var världens första kärnreaktor. Den bestod av grafit- och uranblock, och hade även kadmium-, indium- och silverkontrollstavar, men hade inget strålskydd och kylsystem. Projektets vetenskapliga chef, fysiker Enrico Fermi, beskrev SR-1 som "en fuktig hög med svarta tegelstenar och trästockar."

Arbetet med reaktorn började den 16 november 1942. Ett svårt arbete har utförts. Fysiker och universitetspersonal arbetade dygnet runt. De byggde ett rutnät av 57 lager av uranoxid och urangöt inbäddade i grafitblock. En träram stödde strukturen. Fermis skyddsling, Leona Woods - den enda kvinnan i projektet - tog noggranna mätningar när högen växte.

Den 2 december 1942 var reaktorn klar för ett test. Den innehöll 22 000 urangöt och tog 380 ton grafit, samt 40 ton uranoxid och sex ton uranmetall. Det tog 2,7 miljoner dollar att bygga reaktorn. Experimentet började kl 09-45. Det deltog 49 personer: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Hiberry, Woods, en ung snickare som gjorde grafitblock och kadmiumstavar, läkare, vanliga studenter och andra vetenskapsmän.

Tre personer utgjorde "självmordsgruppen" - de var en del av säkerhetssystemet. Deras uppgift var att släcka branden om något gick fel. Det fanns också kontroll: styrstavar som manövrerades manuellt och en nödstång som var bunden till balkongens räcke ovanför reaktorn. Vid en nödsituation skulle repet klippas av en särskilt tjänstgörande person på balkongen och spöet skulle ha släckt reaktionen.

År 1553, för första gången i historien, började en självförsörjande kärnkraftskedjereaktion. Experimentet var en framgång. Reaktorn arbetade i 28 minuter.

Kärnreaktorn fungerar smidigt och exakt. Annars blir det som bekant bråk. Men vad händer inuti? Låt oss försöka formulera principen för driften av en kärnreaktor (atomreaktor) kort, tydligt, med stopp.

Faktum är att samma process pågår där som vid en kärnvapenexplosion. Först nu sker explosionen mycket snabbt, och i reaktorn sträcker sig allt detta under lång tid. I slutändan förblir allt säkert och sunt, och vi får energi. Inte så mycket att allt runtomkring omedelbart slog sönder, men ganska tillräckligt för att ge ström till staden.

hur en reaktor fungerar NPP-kyltorn
Innan du förstår hur en kontrollerad kärnreaktion fungerar måste du veta vad en kärnreaktion är i allmänhet.

En kärnreaktion är en process för omvandling (klyvning) av atomkärnor under deras interaktion med elementarpartiklar och gammakvanta.

Kärnreaktioner kan ske både med absorption och med frigöring av energi. Andra reaktioner används i reaktorn.

En kärnreaktor är en anordning vars syfte är att upprätthålla en kontrollerad kärnreaktion med frigörande av energi.

Ofta kallas en kärnreaktor också för en kärnreaktor. Observera att det inte finns någon grundläggande skillnad här, men ur vetenskapens synvinkel är det mer korrekt att använda ordet "kärnkraft". Det finns nu många typer av kärnreaktorer. Dessa är enorma industriella reaktorer utformade för att generera energi vid kraftverk, kärnubåtsreaktorer, små experimentreaktorer som används i vetenskapliga experiment. Det finns till och med reaktorer som används för att avsalta havsvatten.

Historien om skapandet av en kärnreaktor

Den första kärnreaktorn lanserades inte så avlägset 1942. Det hände i USA under ledning av Fermi. Denna reaktor kallades "Chicago-vedhögen".

1946 startade den första sovjetiska reaktorn under Kurchatovs ledning. Kroppen på denna reaktor var en kula som var sju meter i diameter. De första reaktorerna hade inget kylsystem och deras effekt var minimal. Förresten hade den sovjetiska reaktorn en genomsnittlig effekt på 20 watt, medan den amerikanska bara hade 1 watt. Som jämförelse: den genomsnittliga effekten för moderna kraftreaktorer är 5 Gigawatt. Mindre än tio år efter lanseringen av den första reaktorn öppnades världens första industriella kärnkraftverk i staden Obninsk.

Principen för driften av en kärnreaktor (atomreaktor).

Varje kärnreaktor har flera delar: kärna med bränsle och moderator, neutronreflektor, kylvätska, kontroll- och skyddssystem. Isotoperna uran (235, 238, 233), plutonium (239) och torium (232) används oftast som bränsle i reaktorer. Den aktiva zonen är en panna genom vilken vanligt vatten (kylvätska) strömmar. Bland andra kylvätskor är "tungt vatten" och flytande grafit mindre vanliga. Om vi talar om driften av ett kärnkraftverk, används en kärnreaktor för att generera värme. Elektriciteten i sig genereras på samma sätt som i andra typer av kraftverk - ånga roterar en turbin och rörelseenergin omvandlas till elektrisk energi.

Nedan visas ett diagram över driften av en kärnreaktor.

schema för drift av en kärnreaktor Schema för en kärnreaktor vid ett kärnkraftverk

Som vi redan har sagt producerar sönderfallet av en tung urankärna lättare grundämnen och några neutroner. De resulterande neutronerna kolliderar med andra kärnor, vilket också får dem att klyvas. I det här fallet växer antalet neutroner som en lavin.

Här är det nödvändigt att nämna neutronmultiplikationsfaktorn. Så om denna koefficient överstiger ett värde lika med ett, inträffar en kärnvapenexplosion. Om värdet är mindre än ett blir det för få neutroner och reaktionen dör ut. Men om du bibehåller värdet på koefficienten lika med en, kommer reaktionen att fortsätta under lång tid och stabilt.

Frågan är hur man gör det? I reaktorn finns bränslet i de så kallade bränsleelementen (TVEL). Det är stavar som innehåller kärnbränsle i form av små pellets. Bränslestavarna är kopplade till hexagonala kassetter, av vilka det kan finnas hundratals i reaktorn. Kassetter med bränslestavar är placerade vertikalt, medan varje bränslestav har ett system som låter dig justera djupet på dess nedsänkning i kärnan. Förutom själva kassetterna finns styrstavar och nödskyddsstavar bland dem. Stavarna är gjorda av ett material som absorberar neutroner bra. Således kan styrstavarna sänkas till olika djup i kärnan och därigenom justera neutronmultiplikationsfaktorn. Nödstavarna är utformade för att stänga av reaktorn i händelse av en nödsituation.

Hur startas en kärnreaktor?

Vi kom på själva principen för driften, men hur startar man och får reaktorn att fungera? Grovt sett är det här - en bit uran, men trots allt startar inte en kedjereaktion i den av sig själv. Faktum är att inom kärnfysik finns begreppet kritisk massa.

KärnbränsleKärnbränsle

Kritisk massa är massan av klyvbart material som krävs för att starta en kärnkedjereaktion.

Med hjälp av bränsleelement och styrstavar skapas först en kritisk massa av kärnbränsle i reaktorn, och sedan bringas reaktorn till optimal effektnivå i flera steg.

Du kommer att gilla: Matematiktrick för humaniora och icke-mänskliga studenter (del 1)
I den här artikeln har vi försökt ge dig en allmän uppfattning om strukturen och principen för driften av en kärnreaktor (atomreaktor). Om du fortfarande har frågor om ämnet eller universitetet ställde ett problem inom kärnfysik - kontakta specialisterna på vårt företag. Vi är som vanligt redo att hjälpa dig att lösa alla akuta problem med dina studier. Under tiden gör vi detta, din uppmärksamhet är en annan pedagogisk video!

blogg/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

Populär i kategorin: