Atom nükleer reaktörünün yapısı. Nükleer reaktör: çalışma prensibi, özellikleri, tanımı

İçin sıradan insan modern yüksek teknolojili cihazlar o kadar gizemli ve esrarengiz ki, eskilerin şimşeğe taptığı gibi onlara da tapmak doğru. okul dersleri matematiksel hesaplamalarla dolu fizikçiler sorunu çözmüyor. Ancak çalışma prensibi bir genç için bile açık olan bir nükleer reaktörden bahsetmek bile ilginç.

Bir nükleer reaktör nasıl çalışır?

Bu yüksek teknoloji ürünü cihazın çalışma prensibi şu şekildedir:

1. Bir nötron emildiğinde, nükleer yakıt (çoğunlukla bu uranyum-235 veya plütonyum-239) atom çekirdeğinin bölünmesi gerçekleşir;
2. Kinetik enerji, gama radyasyonu ve serbest nötronlar açığa çıkar;
3. Kinetik enerji termal enerjiye dönüştürülür (çekirdekler çevredeki atomlarla çarpıştığında), gama radyasyonu reaktörün kendisi tarafından emilir ve ayrıca ısıya dönüştürülür;
4. Üretilen nötronların bir kısmı, bir zincirleme reaksiyona neden olan yakıt atomları tarafından emilir. Kontrol etmek için nötron emiciler ve moderatörler kullanılır;
5. Bir soğutucu (su, gaz veya sıvı sodyum) yardımıyla reaksiyon bölgesinden ısı uzaklaştırılır;
6. Buhar türbinlerini çalıştırmak için ısıtılmış sudan basınçlı buhar kullanılır;
7. Bir jeneratör yardımıyla, türbinlerin dönüşünün mekanik enerjisi alternatif elektrik akımına dönüştürülür.

sınıflandırma yaklaşımları

Reaktörlerin tipolojisinin birçok nedeni olabilir:

• Nükleer reaksiyon türüne göre. Fisyon (tüm ticari tesisler) veya füzyon (termonükleer enerji, yalnızca bazı araştırma enstitülerinde yaygındır);
• soğutucu ile. Vakaların büyük çoğunluğunda bu amaçla su (kaynar veya ağır) kullanılır. Bazen alternatif çözümler kullanılır: sıvı metal (sodyum, kurşun-bizmut alaşımı, cıva), gaz (helyum, karbon dioksit veya nitrojen), erimiş tuz (florür tuzları);
• Nesil olarak.İlki, herhangi bir ticari anlam ifade etmeyen ilk prototiplerdir. İkincisi, 1996'dan önce inşa edilmiş ve halen kullanılmakta olan nükleer santrallerin çoğunluğu. Üçüncü nesil, yalnızca küçük iyileştirmelerde öncekinden farklıdır. Dördüncü nesil üzerinde çalışmalar devam etmektedir;
• toplam durumuna göre yakıt (gaz hala yalnızca kağıt üzerinde mevcuttur);
• Kullanım amacına göre(elektrik üretimi, motor çalıştırma, hidrojen üretimi, tuzdan arındırma, elementlerin dönüştürülmesi, nöral radyasyon elde edilmesi, teorik ve araştırma amaçlı).

nükleer reaktör cihazı

Çoğu enerji santralindeki reaktörlerin ana bileşenleri şunlardır:

1. Nükleer yakıt - güç türbinleri için ısı üretimi için gerekli olan bir madde (genellikle düşük oranda zenginleştirilmiş uranyum);
2. Nükleer reaktörün aktif bölgesi - nükleer reaksiyonun gerçekleştiği yer burasıdır;
3. Nötron moderatörü - hızlı nötronların hızını azaltarak onları termal nötronlara dönüştürür;
4. Başlangıç ​​nötron kaynağı - bir nükleer reaksiyonun güvenilir ve istikrarlı bir şekilde başlatılması için kullanılır;
5. Nötron soğurucu - taze yakıtın yüksek reaktivitesini azaltmak için bazı enerji santrallerinde bulunur;
6. Nötron obüsü - kapatıldıktan sonra bir reaksiyonu yeniden başlatmak için kullanılır;
7. Soğutucu (arıtılmış su);
8. Kontrol çubukları - uranyum veya plütonyum çekirdeklerinin bölünme hızını kontrol etmek için;
9. Su pompası - suyu buhar kazanına pompalar;
10. Buhar türbini - buharın termal enerjisini dönme mekanik enerjisine dönüştürür;
11. Soğutma kulesi - fazla ısıyı atmosfere atmak için bir cihaz;
12. Radyoaktif atıkları almak ve depolamak için sistem;
13. Güvenlik sistemleri (acil durum dizel jeneratörleri, acil durumda çekirdek soğutma cihazları).

En son modeller nasıl çalışır?

En yeni 4. nesil reaktörler ticari işletme için hazır olacak 2030'dan önce değil. Şu anda, çalışmalarının ilke ve düzeni geliştirme aşamasındadır. Mevcut verilere göre, bu modifikasyonlar mevcut modellerden farklı olacaktır. faydalar:

• Hızlı gaz soğutma sistemi. Helyumun soğutucu olarak kullanılacağı varsayılmaktadır. Buna göre Proje belgeleri 850 °C sıcaklığa sahip reaktörleri soğutmak mümkündür. Bu kadar yüksek sıcaklıklarda çalışmak için özel ham maddeler de gereklidir: kompozit seramik malzemeler ve aktinit bileşikleri;
• Birincil soğutucu olarak kurşun veya kurşun-bizmut alaşımı kullanmak mümkündür. Bu malzemeler düşük bir nötron absorpsiyonuna sahiptir ve nispeten düşük sıcaklık erime;
• Ayrıca, ana soğutucu olarak erimiş tuzların bir karışımı da kullanılabilir. Böylece daha yüksek sıcaklıklarda çalışmak mümkün olacaktır. modern analoglar su soğutma ile.

Doğadaki doğal analoglar

Nükleer reaktör şu şekilde algılanıyor: kamu bilinci sadece bir ürün olarak yüksek teknoloji. Ancak aslında ilk cihaz doğal kökenlidir. Orta Afrika'nın Gabon eyaletindeki Oklo bölgesinde keşfedildi:

• Reaktör, uranyum kayalarının taşması nedeniyle oluştu. yeraltı suyu. Nötron moderatörleri olarak hareket ettiler;
• Uranyumun bozunması sırasında açığa çıkan termal enerji, suyu buhara dönüştürür ve zincirleme reaksiyon durur;
• Soğutucu sıcaklığı düştükten sonra her şey tekrar eder;
• Sıvı kaynayıp reaksiyonun seyrini durdurmasaydı, insanlık yeni bir doğal afetle karşı karşıya kalacaktı;
• Bu reaktörde yaklaşık bir buçuk milyar yıl önce kendi kendini idame ettiren nükleer fisyon başladı. Bu süre zarfında yaklaşık 0,1 milyon watt çıkış gücü tahsis edildi;
• Böyle bir harika dünya üzerinde bilinen tek dünyadır. Yenilerinin ortaya çıkması imkansızdır: doğal hammaddelerdeki uranyum-235 oranı, bir zincirleme reaksiyonu sürdürmek için gereken seviyeden çok daha düşüktür.

Güney Kore'de kaç tane nükleer reaktör var?

Zavallı Doğal Kaynaklar, ancak sanayileşmiş ve aşırı nüfuslu Kore Cumhuriyeti'nin ciddi bir şekilde enerjiye ihtiyacı var. Almanya'nın barışçıl atomu reddetmesi zemininde, bu ülkenin nükleer teknolojiyi dizginlemek için büyük umutları var:

• 2035 yılına kadar nükleer santraller tarafından üretilen elektriğin payının% 60'a ve toplam üretimin - 40 gigawatt'tan fazla olması planlanıyor;
• Ülkenin atom silahları yok ama nükleer fizik araştırmaları devam ediyor. Koreli bilim adamları modern reaktörler için tasarımlar geliştirdiler: modüler, hidrojen, sıvı metal vb.;
• Yerel araştırmacıların başarısı, yurtdışında teknoloji satmanıza olanak tanır. Önümüzdeki 15-20 yıl içinde ülkenin bu tür 80 birim ihraç etmesi bekleniyor;
• Ancak bugün itibariyle nükleer santrallerin çoğu Amerikalı veya Fransız bilim adamlarının yardımıyla inşa edilmiştir;
• İşletme istasyonlarının sayısı nispeten azdır (sadece dört), ancak her birinin önemli sayıda reaktörü vardır - toplamda 40 ve bu rakam artacaktır.

Nötronlarla bombardıman edildiğinde, nükleer yakıt bir zincirleme reaksiyona girer ve bunun sonucunda büyük miktarda ısı üretilir. Sistemdeki su bu ısıyı alıp buhara çeviriyor ve bu da elektrik üreten türbinleri çeviriyor. Burada basit devre dünyadaki en güçlü enerji kaynağı olan bir nükleer reaktörün işletilmesi.

Video: nükleer reaktörler nasıl çalışır?

Bu videoda nükleer fizikçi Vladimir Chaikin size nükleer reaktörlerde elektriğin nasıl üretildiğini, detaylı yapısını anlatacak:

Nükleer reaktör sorunsuz ve doğru bir şekilde çalışıyor. Aksi takdirde, bildiğiniz gibi, sorun çıkar. Ama içeride neler oluyor? Bir nükleer (atomik) reaktörün çalışma prensibini kısaca, net bir şekilde duraklamalarla formüle etmeye çalışalım.

Aslında, orada bir nükleer patlamada olduğu gibi aynı süreç devam ediyor. Ancak şimdi patlama çok hızlı gerçekleşir ve reaktörde tüm bunlar uzar. uzun zaman. Sonunda, her şey güvenli ve sağlam kalır ve enerji elde ederiz. Etraftaki her şey hemen parçalanacak kadar değil ama şehre elektrik sağlamaya yetecek kadar.

bir reaktör nasıl çalışırNPP soğutma kuleleri
Kontrollü bir nükleer reaksiyonun nasıl çalıştığını anlamadan önce, genel olarak bir nükleer reaksiyonun ne olduğunu bilmeniz gerekir.

Bir nükleer reaksiyon, temel parçacıklar ve gama kuantumları ile etkileşimleri sırasında atom çekirdeğinin bir dönüşüm (fisyon) işlemidir.

Nükleer reaksiyonlar hem absorpsiyon hem de enerjinin salınması ile gerçekleşebilir. Reaktörde ikinci reaksiyonlar kullanılır.

Bir nükleer reaktör, amacı enerjinin serbest bırakılmasıyla kontrollü bir nükleer reaksiyonu sürdürmek olan bir cihazdır.

Genellikle bir nükleer reaktöre nükleer reaktör de denir. Burada temel bir fark olmadığına dikkat edin, ancak bilim açısından "nükleer" kelimesini kullanmak daha doğrudur. Artık birçok nükleer reaktör türü var. Bunlar enerji santrallerinde enerji üretmek için tasarlanmış devasa endüstriyel reaktörler, nükleer denizaltı reaktörleri, sanayide kullanılan küçük deneysel reaktörlerdir. bilimsel deneyler. Deniz suyunu tuzdan arındırmak için kullanılan reaktörler bile var.

Bir nükleer reaktörün yaratılış tarihi

İlk nükleer reaktör çok uzak olmayan 1942'de fırlatıldı. ABD'de Fermi önderliğinde oldu. Bu reaktöre "Chicago odun yığını" adı verildi.

1946'da Kurchatov liderliğinde ilk Sovyet reaktörü çalışmaya başladı. Bu reaktörün gövdesi yedi metre çapında bir toptu. İlk reaktörlerin soğutma sistemi yoktu ve güçleri minimum düzeydeydi. Bu arada, Sovyet reaktörünün ortalama gücü 20 watt iken, Amerikan reaktörünün gücü sadece 1 watt'tı. Karşılaştırma için: Modern güç reaktörlerinin ortalama gücü 5 Gigawatt'tır. İlk reaktörün lansmanından on yıldan az bir süre sonra, dünyanın ilk endüstriyel nükleer santrali Obninsk şehrinde açıldı.

Bir nükleer (atomik) reaktörün çalışma prensibi

Herhangi bir nükleer reaktörün birkaç parçası vardır: yakıt ve moderatörlü çekirdek, nötron reflektörü, soğutma sıvısı, kontrol ve koruma sistemi. Uranyum (235, 238, 233), plütonyum (239) ve toryumun (232) izotopları en çok reaktörlerde yakıt olarak kullanılır. Aktif bölge, normal suyun (soğutma sıvısının) aktığı bir kazandır. Diğer soğutma sıvıları arasında "ağır su" ve sıvı grafit daha az kullanılır. Bir nükleer santralin işletilmesinden bahsedersek, ısı üretmek için bir nükleer reaktör kullanılır. Elektriğin kendisi, diğer enerji santrallerinde olduğu gibi üretilir - buhar bir türbini döndürür ve hareket enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülür.

Aşağıda bir nükleer reaktörün çalışmasının bir diyagramı bulunmaktadır.

bir nükleer reaktörün çalışma şemasıbir nükleer santralde bir nükleer reaktörün şeması

Daha önce de söylediğimiz gibi, ağır bir uranyum çekirdeğinin bozunması daha hafif elementler ve birkaç nötron üretir. Ortaya çıkan nötronlar diğer çekirdeklerle çarpışarak onların da parçalanmasına neden olur. Bu durumda nötron sayısı çığ gibi büyür.

Burada nötron çarpım faktöründen bahsetmek gerekir. Yani, bu katsayı bire eşit bir değeri aşarsa, bir nükleer patlama meydana gelir. Değer birden küçükse, çok az nötron vardır ve reaksiyon ölür. Ancak katsayının değerini bire eşit tutarsanız, reaksiyon uzun süre ve istikrarlı bir şekilde ilerleyecektir.

Soru, nasıl yapılacağıdır? Reaktörde yakıt, sözde yakıt elemanlarında (TVEL'ler) bulunur. Bunlar küçük topaklar şeklinde nükleer yakıt içeren çubuklardır. Yakıt çubukları, reaktörde yüzlerce olabilen altıgen kasetlere bağlanır. Yakıt çubuklu kasetler dikey olarak yerleştirilmiştir, her yakıt çubuğu ise çekirdeğe daldırma derinliğini ayarlamanıza izin veren bir sisteme sahiptir. Kasetlerin kendilerine ek olarak, aralarında kontrol çubukları ve acil durum koruma çubukları bulunmaktadır. Çubuklar, nötronları iyi emen bir malzemeden yapılmıştır. Böylece kontrol çubukları çekirdekte farklı derinliklere indirilerek nötron çoğalma faktörü ayarlanabiliyor. Acil durum çubukları, acil bir durumda reaktörü kapatmak için tasarlanmıştır.

Bir nükleer reaktör nasıl başlatılır?

Çalışma prensibini anladık, ancak reaktör nasıl çalıştırılır ve çalışır hale getirilir? Kabaca konuşursak, işte burada - bir uranyum parçası, ama sonuçta, içinde kendi başına bir zincirleme reaksiyon başlamıyor. Gerçek şu ki, nükleer fizikte kritik kütle kavramı var.

Nükleer yakıtNükleer yakıt

Kritik kütle, bir nükleer zincir reaksiyonunu başlatmak için gerekli olan bölünebilir malzeme kütlesidir.

Yakıt elemanları ve kontrol çubukları yardımıyla, önce reaktörde kritik bir nükleer yakıt kütlesi oluşturulur ve ardından reaktör birkaç aşamada optimum güç seviyesine getirilir.

Hoşunuza Gidecek: Beşeri Bilimler ve İnsan Olmayan Öğrenciler İçin Matematik Hileleri (1. Bölüm)
Bu yazımızda size bir nükleer (atomik) reaktörün yapısı ve çalışma prensibi hakkında genel bir fikir vermeye çalıştık. Konuyla ilgili hala sorularınız varsa veya üniversite nükleer fizikle ilgili bir sorun sorduysa - lütfen şirketimizin uzmanlarıyla iletişime geçin. Her zaman olduğu gibi, çalışmalarınızın herhangi bir acil sorununu çözmenize yardımcı olmaya hazırız. Bu arada bunu da yapıyoruz, dikkatinize bir eğitim videosu daha geliyor!

blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

20. yüzyılın ortalarında insanoğlunun dikkati atoma çevrildi ve bilim adamları başlangıçta askeri amaçlar için kullanmaya karar verdikleri nükleer reaksiyonu açıklayarak Manhattan Projesi kapsamında ilk nükleer bombaları icat ettiler. Ancak XX yüzyılın 50'lerinde SSCB'de bir nükleer reaktör barışçıl amaçlarla kullanıldı. 27 Haziran 1954 tarihinde dünyanın ilk 5000 kW kapasiteli nükleer santralinin insanlığın hizmetine girdiği bilinmektedir. Bugün bir nükleer reaktör 4.000 MW veya daha fazla, yani yarım asır öncesine göre 800 kat daha fazla elektrik üretebilir.

Nükleer reaktör nedir: ünitenin temel tanımı ve ana bileşenleri

Bir nükleer reaktör, kontrollü bir nükleer reaksiyonun doğru şekilde sürdürülmesi sonucunda enerjinin üretildiği özel bir ünitedir. "Atomik" kelimesinin "reaktör" kelimesiyle birlikte kullanılmasına izin verilir. Birçoğu, aralarında temel bir fark bulamadıkları için genellikle "nükleer" ve "atomik" kavramlarının eşanlamlı olduğunu düşünür. Ancak bilim temsilcileri, daha doğru bir kombinasyon olan "nükleer reaktör" e eğilimlidir.

İlginç hakikat! Nükleer reaksiyonlar, enerjinin salınması veya emilmesi ile devam edebilir.

Bir nükleer reaktörün cihazındaki ana bileşenler aşağıdaki unsurlardır:

• moderatör;
• Kontrol çubukları;
• Zenginleştirilmiş bir uranyum izotopları karışımı içeren çubuklar;
• Radyasyona karşı özel koruyucu elemanlar;
• Soğutucu;
• Buhar jeneratörü;
• türbin;
• Jeneratör;
• kapasitör;
• Nükleer yakıt.

Fizikçiler tarafından belirlenen bir nükleer reaktörün çalışmasının temel ilkeleri nelerdir ve neden sarsılmazdır?

Bir nükleer reaktörün çalışmasının temel prensibi, bir nükleer reaksiyonun tezahürünün özelliklerine dayanmaktadır. Standart bir fiziksel zincir nükleer işlem anında, parçacık atom çekirdeği ile etkileşime girer, bunun sonucunda bilim adamlarının gama quanta dediği ikincil parçacıkların salınmasıyla çekirdek yeni bir taneye dönüşür. Bir nükleer zincir reaksiyonu sırasında, büyük miktarda termal enerji açığa çıkar. Zincirleme reaksiyonun gerçekleştiği boşluğa reaktör çekirdeği denir.

İlginç hakikat! Aktif bölge, dışarıdan, içinden soğutucu görevi gören sıradan suyun aktığı bir kazanı andırır.

Nötron kaybını önlemek için, reaktör çekirdek alanı özel bir nötron reflektörü ile çevrilidir. Birincil görevi, yayılan nötronların çoğunu çekirdeğe reddetmektir. Yansıtıcı genellikle moderatör görevi gören aynı maddedir.

Bir nükleer reaktörün ana kontrolü, özel kontrol çubukları yardımıyla gerçekleşir. Bu çubukların reaktör çekirdeğine yerleştirildiği ve ünitenin çalışması için tüm koşulları oluşturduğu bilinmektedir. Tipik olarak, kontrol çubukları yapılır kimyasal bileşikler bor ve kadmiyum. Bu elemanlar neden kullanılır? Evet, bunun nedeni bor veya kadmiyumun termal nötronları etkili bir şekilde absorbe edebilmesidir. Ve bir nükleer reaktörün çalışma prensibine göre fırlatma planlanır planlanmaz, çekirdeğe kontrol çubukları sokulur. Birincil görevleri, nötronların önemli bir bölümünü emmek ve böylece bir zincirleme reaksiyonun gelişimini tetiklemektir. Sonuç istenen seviyeye ulaşmalıdır. Güç ayarlanan seviyenin üzerine çıktığında, kontrol çubuklarını zorunlu olarak reaktör çekirdeğinin derinliklerine daldıran otomatik makineler açılır.

Böylece, bir termal nükleer reaktörün çalışmasında kontrol veya kontrol çubuklarının önemli bir rol oynadığı ortaya çıkıyor.

Ve nötron sızıntısını azaltmak için, reaktör çekirdeği, çekirdeğe önemli miktarda serbestçe yayılan nötron fırlatan bir nötron reflektörü ile çevrilidir. Yansıtıcı anlamında genellikle moderatör ile aynı madde kullanılır.

Standarda göre, moderatör maddenin atomlarının çekirdeği nispeten küçük bir kütleye sahiptir, böylece hafif bir çekirdekle çarpıştığında, zincirde bulunan nötron, ağır bir çekirdekle çarpıştığında olduğundan daha fazla enerji kaybeder. En yaygın moderatörler sıradan su veya grafittir.

İlginç hakikat! Bir nükleer reaksiyon sürecindeki nötronlar son derece yüksek hız hareket ve bu nedenle nötronları enerjilerinin bir kısmını kaybetmeleri için iten bir moderatör gereklidir.

Amacı, reaktörün kalbinde üretilen enerjiyi uzaklaştırmak olduğundan, dünyadaki tek bir reaktör bir soğutucu yardımı olmadan normal şekilde çalışamaz. Bir soğutucu olarak, nötronları ememedikleri için mutlaka sıvı veya gazlar kullanılır. Kompakt bir nükleer reaktör için bir soğutucu örneği verelim - su, karbondioksit ve hatta bazen sıvı metalik sodyum.

Bu nedenle, bir nükleer reaktörün çalışma ilkeleri tamamen bir zincirleme reaksiyonun yasalarına, seyrine dayanmaktadır. Reaktörün tüm bileşenleri - moderatör, çubuklar, soğutucu, nükleer yakıt - görevlerini yerine getirerek reaktörün normal çalışmasına neden olur.

Nükleer reaktörler için hangi yakıt kullanılır ve neden tam olarak bu kimyasal elementler seçilir?

Reaktörlerdeki ana yakıt uranyum izotopları, ayrıca plütonyum veya toryum olabilir.

1934'te, uranyum çekirdeğinin parçalanma sürecini gözlemleyen F. Joliot-Curie, sonuç olarak şunu fark etti: Kimyasal reaksiyon uranyum çekirdeği, çekirdek parçalarına ve iki veya üç serbest nötrona bölünmüştür. Ve bu, serbest nötronların diğer uranyum çekirdeklerine katılma ve başka bir fisyonu tetikleme olasılığının olduğu anlamına gelir. Ve böylece, zincirleme reaksiyonun öngördüğü gibi: üç uranyum çekirdeğinden altı ila dokuz nötron salınacak ve bunlar yeniden yeni oluşan çekirdeklere katılacaklar. Ve böylece sonsuza kadar.

Hatırlamak önemlidir! Nükleer fisyon sırasında ortaya çıkan nötronlar, kütle numarası 235 olan uranyum izotopunun çekirdeklerinin bölünmesine neden olabilir ve kütle numarası 238 olan uranyum izotopunun çekirdeklerinin yok edilmesi için, ortaya çıkan çok az enerji olabilir. çürüme süreci.

235 numaralı uranyum doğada nadirdir. Sadece %0,7'sini oluşturur, ancak doğal uranyum-238 daha geniş bir niş işgal eder ve %99,3'ünü oluşturur.

Doğada bu kadar küçük bir uranyum-235 oranına rağmen, fizikçiler ve kimyagerler hala onu reddedemezler, çünkü bir nükleer reaktörün çalışması için en etkili olanıdır ve insanlık için enerji elde etme maliyetini azaltır.

İlk nükleer reaktörler ne zaman ortaya çıktı ve bugün nerede kullanılıyor?

1919'da fizikçiler, Rutherford alfa parçacıklarının nitrojen atomlarının çekirdekleriyle çarpışmasının bir sonucu olarak hareket eden protonların oluşum sürecini keşfettiğinde ve tanımladığında zaten zafer kazanmıştı. Bu keşif, nitrojen izotopunun çekirdeğinin, bir alfa parçacığıyla çarpışmanın bir sonucu olarak, bir oksijen izotopunun çekirdeğine dönüştüğü anlamına geliyordu.

İlk gelmeden önce nükleer reaktörler, dünya nükleer reaksiyonun tüm önemli yönlerini yorumlayarak birkaç yeni fizik yasası öğrendi. Böylece, 1934'te F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky, topluma ve dünya bilim adamları çevresine ilk kez nükleer reaksiyonların olasılığına dayanan teorik bir varsayım ve kanıt temeli sundu. Tüm deneyler, uranyum çekirdeğinin bölünmesinin gözlemlenmesiyle ilgiliydi.

1939'da E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch, uranyum çekirdeklerinin nötron bombardımanı sırasında parçalanma tepkimesinin izini sürdüler. Araştırmalar sırasında bilim adamları, hızlandırılmış bir nötron uranyum çekirdeğine girdiğinde, mevcut çekirdeğin iki veya üç parçaya bölündüğünü bulmuşlardır.

Zincirleme reaksiyon, 20. yüzyılın ortalarında pratik olarak kanıtlanmıştır. 1939'da bilim adamları, bir uranyum çekirdeğinin bölünmesinin yaklaşık 200 MeV enerji açığa çıkardığını kanıtlamayı başardılar. Ancak parça çekirdeklerin kinetik enerjisine yaklaşık 165 MeV tahsis edilir ve geri kalanı onunla birlikte gama kuantumunu taşır. Bu keşif kuantum fiziğinde çığır açtı.

E. Fermi, çalışmalarını ve araştırmalarını birkaç yıl daha sürdürür ve 1942'de Amerika Birleşik Devletleri'nde ilk nükleer reaktörü fırlatır. Somutlaştırılmış projeye "Chicago odun yığını" adı verildi ve raylara kondu. 5 Eylül 1945'te Kanada, ZEEP nükleer reaktörünü başlattı. Avrupa kıtası geride kalmadı ve aynı zamanda F-1 kurulumu yapılıyordu. Ve Ruslar için bir tane daha var. Unutulmaz bir tarih- 25 Aralık 1946'da Moskova'da I. Kurchatov önderliğinde bir reaktör başlatıldı. Bunlar en güçlü nükleer reaktörler değildi, ancak bu, atomun insan tarafından geliştirilmesinin başlangıcıydı.

Barışçıl amaçlar için, 1954'te SSCB'de bilimsel bir nükleer reaktör kuruldu. Dünyanın nükleer enerji santraline sahip ilk barışçıl gemisi olan Lenin nükleer buzkıran, 1959'da Sovyetler Birliği'nde inşa edildi. Ve devletimizin bir başarısı daha nükleer buzkıran Arktika. Bu yüzey gemisi dünyada ilk kez Kuzey Kutbu'na ulaştı. 1975'te oldu.

Yavaş nötronlarla çalışan ilk taşınabilir nükleer reaktörler.

Nükleer reaktörler nerede kullanılır ve insanlık hangi türleri kullanır?

• Endüstriyel reaktörler. Nükleer santrallerde enerji üretmek için kullanılırlar.
• Nükleer denizaltıların itici gücü olarak görev yapan nükleer reaktörler.
• Deneysel (taşınabilir, küçük) reaktörler. Onlar olmadan, tek bir modern bilimsel deneyim veya araştırma gerçekleşmez.

Bugün bilimsel ışık, özel reaktörler yardımıyla tuzdan arındırmayı öğrendi. deniz suyu nüfusa kalite sağlamak içme suyu. Rusya'da çok sayıda faal nükleer reaktör var. Yani istatistiklere göre 2018 itibariyle eyalette yaklaşık 37 blok faaliyet gösteriyor.

Ve sınıflandırmaya göre, aşağıdaki gibi olabilirler:

• Araştırma (tarihsel). Bunlar, plütonyum üretimi için deneysel bir alan olarak oluşturulan F-1 istasyonunu içerir. I.V. Kurchatov, F-1'de çalıştı, ilk fiziksel reaktörü denetledi.
• Araştırma (aktif).
• Cephanelik. Reaktörün bir örneği olarak - soğutmalı ilk reaktör olarak tarihe geçen A-1. Bir nükleer reaktörün geçmiş gücü küçük ama işlevseldir.
• Enerji.
• Gemi. Gemilerde ve denizaltılarda, ihtiyaç ve teknik olarak yapılabilirlik gereği su soğutmalı veya sıvı metal reaktörlerin kullanıldığı bilinmektedir.
• Uzay. Örnek olarak, ek bir miktar enerji çıkarmak gerekirse devreye giren ve kullanılarak elde edilmesi gerekecek olan uzay aracına Yenisey kurulumunu söyleyelim. Solar paneller ve izotop kaynakları.

Bu nedenle, nükleer reaktörler konusu oldukça geniştir, bu nedenle kuantum fiziği yasalarının derinlemesine çalışılmasını ve anlaşılmasını gerektirir. Ancak nükleer reaktörlerin enerji endüstrisi ve devlet ekonomisi için önemi, şüphesiz şimdiden bir fayda ve fayda havasıyla körüklenmiştir.

Her gün elektrik kullanıyoruz ve nasıl üretildiğini ve bize nasıl geldiğini düşünmüyoruz. Bununla birlikte, modern uygarlığın en önemli parçalarından biridir. Elektrik olmadan hiçbir şey olmazdı - ışık yok, ısı yok, hareket yok.

Nükleer santraller de dahil olmak üzere elektrik santrallerinde elektrik üretildiğini herkes bilir. Her nükleer santralin kalbi nükleer reaktör. Bu makalede tartışacağımız şey budur.

nükleer reaktör, ısının serbest bırakılmasıyla kontrollü bir nükleer zincir reaksiyonunun meydana geldiği bir cihaz. Temel olarak, bu cihazlar elektrik üretmek için ve büyük gemiler için bir sürücü olarak kullanılır. Nükleer reaktörlerin gücünü ve verimliliğini hayal edebilmek için bir örnek verilebilir. Ortalama bir nükleer reaktörün 30 kilogram uranyuma ihtiyaç duyacağı yerde, ortalama bir termik santralin 60 vagon kömüre veya 40 tank fuel oil'e ihtiyacı olacaktır.

prototip nükleer reaktör Aralık 1942'de ABD'de E. Fermi yönetiminde inşa edilmiştir. Sözde "Chicago yığını" idi. Chicago Pile (daha sonra kelimeDiğer anlamlarla birlikte "yığın", bir nükleer reaktörü belirtmeye başladı). Bu isim, üst üste yerleştirilmiş büyük bir grafit blok yığınına benzediği için ona verildi.

Blokların arasına, doğal uranyum ve dioksitin küresel "çalışan gövdeleri" yerleştirildi.

SSCB'de ilk reaktör Akademisyen IV Kurchatov'un önderliğinde inşa edildi. F-1 reaktörü 25 Aralık 1946'da işletmeye açıldı. Reaktör top şeklindeydi ve yaklaşık 7,5 metre çapındaydı. Soğutma sistemi olmadığı için çok düşük güç seviyelerinde çalışıyordu.

Araştırmalar devam etti ve 27 Haziran 1954'te dünyanın ilk 5 MW kapasiteli nükleer santrali Obninsk şehrinde işletmeye açıldı.

Bir nükleer reaktörün çalışma prensibi.

Uranyum U 235'in bozunması sırasında, iki veya üç nötronun salınmasıyla birlikte ısı açığa çıkar. İstatistiklere göre - 2.5. Bu nötronlar diğer uranyum atomları U235 ile çarpışır. Bir çarpışmada, uranyum U 235, neredeyse anında Kr 92 ve Ba 141 + bu aynı 2-3 nötronlara dönüşen dengesiz bir U 236 izotopuna dönüşür. Çürümeye, gama radyasyonu ve ısı şeklinde enerjinin salınması eşlik eder.

Buna zincirleme reaksiyon denir. Atomlar bölünür, bozunma sayısı katlanarak artar, bu da sonuçta standartlarımıza göre yıldırım hızında büyük miktarda enerjinin salınmasına yol açar - kontrolsüz bir zincirleme reaksiyonun sonucu olarak bir atomik patlama meydana gelir.

Ancak, içinde nükleer reaktör halletmeye calisiyoruz kontrollü nükleer reaksiyon Bunun nasıl mümkün olduğu daha ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.

Bir nükleer reaktörün cihazı.

Şu anda, iki tip nükleer reaktör VVER (basınçlı su güç reaktörü) ve RBMK (yüksek güçlü kanal reaktörü) bulunmaktadır. Aradaki fark, RBMK'nin kaynar su reaktörü olması ve VVER'in 120 atmosfer basınç altında su kullanmasıdır.

VVER 1000 reaktörü 1 - CPS sürücüsü; 2 - reaktör kapağı; 3 - reaktör kabı; 4 - koruyucu boru bloğu (BZT); 5 - benim; 6 - çekirdekli bölme; 7 - yakıt tertibatları (FA) ve kontrol çubukları;

Her endüstriyel tip nükleer reaktör, içinden bir soğutucunun aktığı bir kazandır. Kural olarak, bu normal su (dünyada yaklaşık %75), sıvı grafit (%20) ve ağır sudur (%5). Deneysel amaçlar için berilyum kullanıldı ve bir hidrokarbon olduğu varsayıldı.

TVEL- (yakıt elemanı). Bunlar, içinde uranyum dioksit tabletleri bulunan niyobyum alaşımlı bir zirkonyum kabuğundaki çubuklardır.

Kasetteki yakıt elemanları yeşil renkle vurgulanmıştır.

Yakıt kaseti tertibatı.

Reaktör çekirdeği, dikey olarak yerleştirilmiş ve bir nötron reflektörü görevi de gören bir gövde olan metal bir kabukla birleştirilmiş yüzlerce kasetten oluşur. Kasetler arasına, aşırı ısınma durumunda reaktörü kapatacak şekilde tasarlanmış, reaktörün kontrol çubukları ve reaktörün acil durum koruma çubukları düzenli aralıklarla yerleştirilmiştir.

Örnek olarak VVER-440 reaktöründeki verileri verelim:

Denetleyiciler, reaksiyonun en yoğun olduğu yerde çekirdeği bırakarak batarak yukarı ve aşağı hareket edebilir veya tam tersi olabilir. Bu, kontrol sistemi ile birlikte güçlü elektrik motorları tarafından sağlanır.Acil durum koruma çubukları, acil bir durumda reaktörü kapatmak, çekirdeğe düşmek ve daha fazla serbest nötron emmek için tasarlanmıştır.

Her reaktörün, kullanılmış ve yeni kasetlerin yüklenip boşaltıldığı bir kapağı vardır.

Isı yalıtımı genellikle reaktör kabının üstüne kurulur. Bir sonraki engel biyolojik korumadır. Bu genellikle, girişi sızdırmaz kapıları olan bir hava kilidi ile kapatılan betonarme bir sığınaktır. Biyolojik koruma, bir patlama olması durumunda radyoaktif buharı ve reaktör parçalarını atmosfere salmayacak şekilde tasarlanmıştır.

Modern reaktörlerde bir nükleer patlama olasılığı son derece düşüktür. Çünkü yakıt yeterince zenginleştirilmemiştir ve TVEL'lere bölünmüştür. Çekirdek erise bile yakıt bu kadar aktif tepki veremez. Olabilecek maksimum, Çernobil'de olduğu gibi, reaktördeki basınç, metal kasanın basitçe parçalandığı ve 5000 ton ağırlığındaki reaktör kapağının bir takla atlayarak kırıldığı değerlere ulaştığı zaman bir termal patlamadır. reaktör bölmesinin çatısı ve buharın dışarı salınması. Çernobil nükleer santrali, günümüzün lahitleri gibi doğru biyolojik korumayla donatılmış olsaydı, o zaman felaket insanlığa çok daha ucuza mal olurdu.

Bir nükleer santralin çalışması.

Özetle, raboboa böyle görünüyor.

Nükleer enerji santrali. (tıklanabilir)

Pompalar yardımıyla reaktör çekirdeğine girdikten sonra su 250 ila 300 derece arasında ısıtılır ve reaktörün "diğer tarafından" çıkar. Buna ilk döngü denir. Daha sonra ikinci devre ile buluştuğu ısı eşanjörüne gider. Bundan sonra, basınç altındaki buhar türbin kanatlarına girer. Türbinler elektrik üretir.

Nükleer reaktör sorunsuz ve doğru bir şekilde çalışıyor. Aksi takdirde, bildiğiniz gibi, sorun çıkar. Ama içeride neler oluyor? Bir nükleer (atomik) reaktörün çalışma prensibini kısaca, net bir şekilde duraklamalarla formüle etmeye çalışalım.

Aslında, orada bir nükleer patlamada olduğu gibi aynı süreç devam ediyor. Ancak şimdi patlama çok hızlı gerçekleşir ve reaktörde tüm bunlar uzun süre uzar. Sonunda, her şey güvenli ve sağlam kalır ve enerji elde ederiz. Etraftaki her şey hemen parçalanacak kadar değil ama şehre elektrik sağlamaya yetecek kadar.

Kontrollü bir nükleer reaksiyonun nasıl çalıştığını anlamadan önce, ne olduğunu bilmeniz gerekir. Nükleer reaksiyon hiç.

Nükleer reaksiyon - bu, atom çekirdeğinin temel parçacıklar ve gama kuantumları ile etkileşimleri sırasında dönüşüm (fisyon) sürecidir.

Nükleer reaksiyonlar hem absorpsiyon hem de enerjinin salınması ile gerçekleşebilir. Reaktörde ikinci reaksiyonlar kullanılır.

Nükleer reaktör - Bu, amacı enerjinin serbest bırakılmasıyla kontrollü bir nükleer reaksiyonu sürdürmek olan bir cihazdır.

Genellikle bir nükleer reaktöre nükleer reaktör de denir. Burada temel bir fark olmadığına dikkat edin, ancak bilim açısından "nükleer" kelimesini kullanmak daha doğrudur. Artık birçok nükleer reaktör türü var. Bunlar enerji santrallerinde enerji üretmek için tasarlanmış devasa endüstriyel reaktörler, nükleer denizaltı reaktörleri, bilimsel deneylerde kullanılan küçük deneysel reaktörlerdir. Deniz suyunu tuzdan arındırmak için kullanılan reaktörler bile var.

Bir nükleer reaktörün yaratılış tarihi

İlk nükleer reaktör çok uzak olmayan 1942'de fırlatıldı. ABD'de Fermi önderliğinde oldu. Bu reaktöre "Chicago odun yığını" adı verildi.

1946'da Kurchatov liderliğinde ilk Sovyet reaktörü çalışmaya başladı. Bu reaktörün gövdesi yedi metre çapında bir toptu. İlk reaktörlerin soğutma sistemi yoktu ve güçleri minimum düzeydeydi. Bu arada, Sovyet reaktörünün ortalama gücü 20 watt iken, Amerikan reaktörünün gücü sadece 1 watt'tı. Karşılaştırma için: Modern güç reaktörlerinin ortalama gücü 5 Gigawatt'tır. İlk reaktörün lansmanından on yıldan az bir süre sonra, dünyanın ilk endüstriyel nükleer santrali Obninsk şehrinde açıldı.

Bir nükleer (atomik) reaktörün çalışma prensibi

Herhangi bir nükleer reaktör birkaç bölümden oluşur: çekirdek İle yakıt Ve moderatör , nötron reflektörü , soğutucu , kontrol ve koruma sistemi . Reaktörlerde en çok kullanılan yakıt izotoplardır. uranyum (235, 238, 233), plütonyum (239) ve toryum (232). Aktif bölge, normal suyun (soğutma sıvısının) aktığı bir kazandır. Diğer soğutma sıvıları arasında "ağır su" ve sıvı grafit daha az kullanılır. Bir nükleer santralin işletilmesinden bahsedersek, ısı üretmek için bir nükleer reaktör kullanılır. Elektriğin kendisi, diğer enerji santrallerinde olduğu gibi aynı yöntemle üretilir - buhar türbini döndürür ve hareket enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülür.

Aşağıda bir nükleer reaktörün çalışmasının bir diyagramı bulunmaktadır.

Daha önce de söylediğimiz gibi, ağır bir uranyum çekirdeğinin bozunması daha hafif elementler ve birkaç nötron üretir. Ortaya çıkan nötronlar diğer çekirdeklerle çarpışarak onların da parçalanmasına neden olur. Bu durumda nötron sayısı çığ gibi büyür.

Burada belirtilmesi gerekiyor nötron çarpım faktörü . Yani, bu katsayı bire eşit bir değeri aşarsa, bir nükleer patlama meydana gelir. Değer birden küçükse, çok az nötron vardır ve reaksiyon ölür. Ancak katsayının değerini bire eşit tutarsanız, reaksiyon uzun süre ve istikrarlı bir şekilde ilerleyecektir.

Soru, nasıl yapılacağıdır? Reaktörde, yakıt sözde yakıt elemanları (TVELah). Bunlar, küçük tabletler şeklinde, nükleer yakıt . Yakıt çubukları, reaktörde yüzlerce olabilen altıgen kasetlere bağlanır. Yakıt çubuklu kasetler dikey olarak yerleştirilmiştir, her yakıt çubuğu ise çekirdeğe daldırma derinliğini ayarlamanıza izin veren bir sisteme sahiptir. Kasetlerin kendilerine ek olarak, aralarında kontrol çubukları Ve acil durum koruma çubukları . Çubuklar, nötronları iyi emen bir malzemeden yapılmıştır. Böylece kontrol çubukları çekirdekte farklı derinliklere indirilerek nötron çoğalma faktörü ayarlanabiliyor. Acil durum çubukları, acil bir durumda reaktörü kapatmak için tasarlanmıştır.

Bir nükleer reaktör nasıl başlatılır?

Çalışma prensibini anladık, ancak reaktör nasıl çalıştırılır ve çalışır hale getirilir? Kabaca konuşursak, işte burada - bir uranyum parçası, ama sonuçta, içinde kendi başına bir zincirleme reaksiyon başlamıyor. Gerçek şu ki, nükleer fizikte bir kavram var. Kritik kitle .

Kritik kütle, bir nükleer zincir reaksiyonunu başlatmak için gerekli olan bölünebilir malzeme kütlesidir.

Yakıt elemanları ve kontrol çubukları yardımıyla, önce reaktörde kritik bir nükleer yakıt kütlesi oluşturulur ve ardından reaktör birkaç aşamada optimum güç seviyesine getirilir.

Bu yazımızda size bir nükleer (atomik) reaktörün yapısı ve çalışma prensibi hakkında genel bir fikir vermeye çalıştık. Konuyla ilgili herhangi bir sorunuz varsa veya üniversite nükleer fizikte bir problem sorduysa, lütfen iletişime geçin. şirketimizin uzmanları. Her zaman olduğu gibi, çalışmalarınızın herhangi bir acil sorununu çözmenize yardımcı olmaya hazırız. Bu arada bunu da yapıyoruz, dikkatinize bir eğitim videosu daha geliyor!