Головна › Огляди › Ядерні стрижні. Всі чули, але ні хто не знає

Ядерні стрижні. Всі чули, але ні хто не знає

Пристрій та принцип роботи

Механізм енерговиділення

Перетворення речовини супроводжується виділенням вільної енергії лише в тому випадку, якщо речовина має запас енергій. Останнє означає, що мікрочастинки речовини перебувають у стані з більшою енергією спокою, ніж в іншому можливому, перехід в яке існує. Мимовільному переходу завжди перешкоджає енергетичний бар'єр, для подолання якого мікрочастинка має отримати ззовні якусь кількість енергії – енергії збудження. Екзоенергетична реакція полягає в тому, що в наступному за збудженням перетворення виділяється енергії більше, ніж потрібно для збудження процесу. Існують два способи подолання енергетичного бар'єру: або за рахунок кінетичної енергії частинок, що стикаються, або за рахунок енергії зв'язку частинки, що приєднується.

Якщо на увазі макроскопічні масштаби енерговиділення, то необхідну для збудження реакцій кінетичну енергію повинні мати всі або спочатку хоча б деяка частка частинок речовини. Це можна досягти тільки при підвищенні температури середовища до величини, при якій енергія теплового руху наближається до величини енергетичного порога, що обмежує перебіг процесу. У разі молекулярних перетворень, тобто хімічних реакцій, Таке підвищення зазвичай становить сотні кельвінів, у разі ж ядерних реакцій - це мінімум 10 7 через дуже великої висотикулонівських бар'єрів стикаються ядер. Теплове збудження ядерних реакцій здійснено практично лише за синтезі найлегших ядер, які мають кулонівські бар'єри мінімальні (термоядерний синтез).

Порушення частинками, що приєднуються, не вимагає великої кінетичної енергії, і, отже, не залежить від температури середовища, оскільки відбувається за рахунок невикористаних зв'язків, властивих частинкам сил тяжіння. Зате для порушення реакцій необхідні самі частки. І якщо знову на увазі не окремий акт реакції, а отримання енергії в макроскопічних масштабах, то це можливо лише при виникненні ланцюгової реакції. Остання ж виникає, коли збуджуючі реакцію частинки знову з'являються як продукти екзоенергетичної реакції.

Конструкція

Будь-який ядерний реактор складається з наступних частин:

Активна зона з ядерним паливом та сповільнювачем;
Відбивач нейтронів, що оточує активну зону;
Система регулювання ланцюгової реакції, у тому числі аварійний захист;
Радіаційний захист;
Система дистанційного керування.

Фізичні принципи роботи

також основні статті:

поточний стан ядерного реактораможна охарактеризувати ефективним коефіцієнтом розмноження нейтронів kабо реактивністю ρ , які пов'язані наступним співвідношенням:

Для цих величин характерні такі значення:

k> 1 - ланцюгова реакція наростає в часі, реактор знаходиться в надкритичномустані, його реактивність ρ > 0;
k < 1 - реакция затухает, реактор - підкритичний, ρ < 0;
k = 1, ρ = 0 - число поділів ядер постійно, реактор знаходиться в стабільному критичномустані.

Умови критичності ядерного реактора:

, де

Звернення коефіцієнта розмноження в одиницю досягається збалансуванням розмноження нейтронів зі своїми втратами. Причин втрат практично дві: захоплення без поділу і витік нейтронів межі довкілля.

Очевидно, що 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 для теплових реакторів можна визначити за так званою формулою 4-х співмножників:

, де

η – вихід нейтронів на два поглинання.

Обсяги сучасних енергетичних реакторів можуть досягати сотень м³ і визначаються головним чином умовами критичності, а можливостями теплознімання.

Критичний обсягядерного реактора – обсяг активної зони реактора в критичному стані. Критична маса- маса речовини реактора, що ділиться, що знаходиться в критичному стані.

Найменшою критичною масою володіють реактори, в яких паливом служать водні розчини солей чистих ізотопів, що діляться, з водяним відбивачем нейтронів. Для 235 U ця маса дорівнює 0,8 кг, для 239 Pu – 0,5 кг. Широко відомо, проте, що критична маса для реактора LOPO (перший у світі реактор на збагаченому урані), що мав відбивач з окису берилію, становила 0,565 кг, незважаючи на те, що ступінь збагачення за ізотопом 235 був лише трохи більше 14%. Теоретично, найменшою критичною масою має , для якого ця величина складає всього 10 г.

З метою зменшення витоку нейтронів, активній зоні надають сферичну або близьку до сферичної форми, наприклад короткого циліндра або куба, так як ці фігури мають найменше відношення площі поверхні до обсягу.

Незважаючи на те, що величина (e – 1) зазвичай невелика, роль розмноження на швидких нейтронах досить велика, оскільки для великих ядерних реакторів (К ∞ – 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Для початку ланцюгової реакції зазвичай достатньо нейтронів, що народжуються при спонтанному розподілі ядер урану. Можливе також використання зовнішнього джерела нейтронів для запуску реактора, наприклад, суміші та , або інших речовин.

Йодна яма

Основна стаття: Йодна яма

Йодна яма - стан ядерного реактора після його вимкнення, що характеризується накопиченням короткоживучого ізотопу ксенону. Цей процес призводить до тимчасової появи значної негативної реактивності, що, у свою чергу, унеможливлює виведення реактора на проектну потужність протягом певного періоду (близько 1-2 діб).

Класифікація

За призначенням

За характером використання ядерні реактори поділяються на:

Енергетичні реактори, призначені для отримання електричної та теплової енергії, що використовується в енергетиці, а також для опріснення морської води (реактори для опріснення також відносять до промислових). Основне застосування такі реактори отримали на атомних електростанціях. Теплова потужність сучасних енергетичних реакторів досягає 5 ГВт. В окрему групу виділяють:
- Транспортні реактори, призначені для постачання енергії двигунів транспортних засобів. Найбільш широкі групи застосування - морські транспортні реактори, що застосовуються на підводних човнах та різних надводних судах, а також реактори, що застосовуються у космічній техніці.
Експериментальні реакторипризначені для вивчення різних фізичних величин, значення яких необхідне для проектування та експлуатації ядерних реакторів; потужність таких реакторів не перевищує кількох кВт.
Дослідницькі реактори, В яких потоки нейтронів і гамма-квантів, створювані в активній зоні, використовуються для досліджень в галузі ядерної фізики, фізики твердого тіла, радіаційної хімії, біології, для випробування матеріалів, призначених для роботи в інтенсивних нейтронних потоках (в т.ч. ядерних реакторів) для виробництва ізотопів. Потужність дослідницьких реакторів вбирається у 100 МВт. Енергія, що виділяється, як правило, не використовується.
Промислові (збройові, ізотопні) реактори, що використовуються для напрацювання ізотопів, що застосовуються в різних сферах. Найбільш широко використовуються для виробництва ядерних збройових матеріалів, наприклад 239 Pu. Також до промислових відносять реактори, що використовуються для опріснення морської води.

Часто реактори застосовуються на вирішення двох і більше різних завдань, у разі вони називаються багатоцільовими. Наприклад, деякі енергетичні реактори, особливо на зорі атомної енергетики, призначалися в основному для експериментів. Реактори на швидких нейтронах можуть бути одночасно енергетичними і напрацьовувати ізотопи. Промислові реактори, крім свого основного завдання, часто виробляють електричну та теплову енергію.

За спектром нейтронів

Реактор на теплових (повільних) нейтронах (тепловий реактор)
Реактор на швидких нейтронах (швидкий реактор)

За розміщенням палива

Гетерогенні реактори де паливо розміщується в активній зоні дискретно у вигляді блоків, між якими знаходиться сповільнювач;
Гомогенні реактори , де паливо та сповільнювач представляють однорідну суміш (гомогенну систему).

У гетерогенному реакторі паливо і сповільнювач можуть бути просторово рознесені, зокрема, у порожнинному реакторі сповільнювач-відбивач оточує порожнину з паливом, що не містить сповільнювача. З ядерно-фізичної точки зору критерієм гомогенності/гетерогенності є не конструктивне виконання, а розміщення блоків палива на відстані, що перевищує довжину уповільнення нейтронів у цьому сповільнювачі. Так, реактори з так званими «тісними гратами» розраховуються як гомогенні, хоча в них паливо зазвичай відокремлено від сповільнювача.

Блоки ядерного палива в гетерогенному реакторі називаються тепловиділяючими зборками (ТВС), які розміщуються в активній зоні у вузлах правильної ґрати, утворюючи осередки.

По виду палива

ізотопи урану 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
ізотоп плутонію 239 ( 239 Pu), також ізотопи 239-242 Pu у вигляді суміші з 238 U (MOX-паливо)
ізотоп торію 232 (232 Th) (за допомогою перетворення в 233 U)

За ступенем збагачення:

природний уран
слабо збагачений уран
високо збагачений уран

За хімічним складом:

металевий U
UC (карбід урану) і т.д.

На вигляд теплоносія

Газ (див. Графіто-газовий реактор)
D 2 O (важка вода, див. Тяжководний ядерний реактор, CANDU)

За родом сповільнювача

З (графіт, див. Графіто-газовий реактор, Графіто-водний реактор)
H 2 O (вода, див. Легководний реактор, Водо-водяний реактор, ВВЕР)
D 2 O (важка вода, див. Тяжководний ядерний реактор, CANDU)
Гідриди металів
Без уповільнювача (див. Реактор на швидких нейтронах)

За конструкцією

За способом генерації пари

Реактор із зовнішнім парогенератором (Див. Водо-водяний реактор, ВВЕР)

Класифікація МАГАТЕ

PWR (pressurized water reactors) – водо-водяний реактор (реактор з водою під тиском);
BWR (boiling water reactor) - киплячий реактор;
FBR (fast breeder reactor) - реактор-розмножувач на швидких нейтронах;
GCR (gas-cooled reactor) - газоохолоджувальний реактор;
LWGR (light water graphite reactor) – графіто-водний реактор
PHWR (pressurised heavy water reactor) - важководний реактор

Найбільш поширеними у світі є водо-водяні (близько 62%) та киплячі (20%) реактори.

Матеріали реакторів

Матеріали, з яких будують реактори, працюють при високій температурі в полі нейтронів, γ-квантів та осколків поділу. Тож реакторобудування придатні в повному обсязі матеріали, які застосовують у інших галузях техніки. При виборі реакторних матеріалів враховують їхню радіаційну стійкість, хімічну інертність, перетин поглинання та інші властивості.

Радіаційна нестійкість матеріалів менше позначається за високих температур. Рухливість атомів стає настільки великою, що ймовірність повернення вибитих із кристалічних ґрат атомів на своє місце або рекомбінація водню та кисню в молекулу води помітно збільшується. Так, радіоліз води несуттєвий в енергетичних некиплячих реакторах (наприклад, ВВЕР), тоді як у потужних дослідницьких реакторах виділяється значна кількість гримучої суміші. У реакторах є спеціальні системи її спалювання.

Реакторні матеріали контактують між собою (оболонка ТВЕЛу з теплоносієм та ядерним паливом, тепловиділяючі касети - з теплоносієм та сповільнювачем тощо). Природно, що матеріали, що контактують, повинні бути хімічно інертними (сумісними). Прикладом несумісності є уран і гаряча вода, що вступають у хімічну реакцію.

Більшість матеріалів міцнісні властивості різко погіршуються із підвищенням температури. В енергетичних реакторах конструкційні матеріали працюють за високих температур. Це обмежує вибір конструкційних матеріалів, особливо тих деталей енергетичного реактора, які мають витримувати високий тиск.

Вигоряння та відтворення ядерного палива

У процесі роботи ядерного реактора через накопичення в паливі осколків поділу змінюється його ізотопний та хімічний склад, відбувається утворення трансуранових елементів, головним чином ізотопів. Вплив уламків поділу на реактивність ядерного реактора називається отруєнням(для радіоактивних уламків) та зашлаковуванням(Для стабільних ізотопів).

Основна причина отруєння реактора - , що має найбільший переріз поглинання нейтронів (2,6 · 10 6 барн). Період напіврозпаду 135 Xe T 1/2 = 9,2 год; вихід при розподілі становить 6-7%. Основна частина 135 Xe утворюється в результаті розпаду ( T 1/2 = 6,8 год). При отруєнні Кеф змінюється на 1-3%. Великий переріз поглинання 135 Xe та наявність проміжного ізотопу 135 I призводять до двох важливих явищ:

До збільшення концентрації 135 Xe і, отже, зменшення реактивності реактора після його зупинки або зниження потужності («йодна яма»), що унеможливлює короткочасні зупинки і коливання вихідної потужності. Цей ефект долається запровадженням запасу реактивності органів регулювання. Глибина і тривалість йодної ями залежать від потоку нейтронів Ф: при Ф = 5·10 18 нейтрон/(см²·сек) тривалість йодної ями ˜ 30 год, а глибина в 2 рази перевищує стаціонарну зміну Кеф, викликане отруєнням.
Через отруєння можуть відбуватися просторово-часові коливання нейтронного потоку Ф, отже, і потужності реактора. Ці коливання виникають при Ф > 10 18 нейтронів/(см²·сек) та великих розмірах реактора. Періоди коливань ˜ 10 год.

При розподілі ядер виникає велике числостабільних уламків, які розрізняються перерізами поглинання в порівнянні з перерізом поглинання ізотопу, що ділиться. Концентрація уламків з великим значеннямперерізу поглинання досягає насичення протягом декількох перших діб роботи реактора. Головним чином це ТВЕЛ різних «віків».

У разі повної заміни палива реактор має надмірну реактивність, яку потрібно компенсувати, тоді як у другому випадку компенсація потрібна тільки при першому пуску реактора. Безперервне перевантаження дозволяє підвищити глибину вигоряння, так як реактивність реактора визначається середніми концентраціями ізотопів, що діляться.

Маса завантаженого палива перевищує масу вивантаженого за рахунок «ваги» енергії, що виділилася. Після зупинки реактора, спочатку головним чином за рахунок поділу нейтронами, що запізнюються, а потім, через 1-2 хв, за рахунок β- і γ-випромінювання осколків поділу і трансуранових елементів, в паливі триває виділення енергії. Якщо реактор працював досить довго до моменту зупинки, то через 2 хвилини після зупинки виділення енергії становить близько 3%, через 1 год - 1%, через добу - 0,4%, через рік - 0,05% від початкової потужності.

Відношення кількості ізотопів Pu, що діляться, утворилися в ядерному реакторі, до кількості вигорілого 235 U називається коефіцієнтом конверсії K K . Величина K K збільшується при зменшенні збагачення та вигоряння. Для важководного реактора на природному урані, при вигоранні 10 ГВт·сут/т K K = 0,55, а при невеликих вигораннях (у цьому випадку K K називається початковим плутонієвим коефіцієнтом) K K = 0,8. Якщо ядерний реактор спалює і виробляє ті самі ізотопи (реактор-розмножувач), то відношення швидкості відтворення до швидкості вигоряння називається коефіцієнтом відтворенняК В. У ядерних реакторах на теплових нейтронах К В< 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 gзростає, а ападає.

Управління ядерним реактором

Управління ядерним реактором можливе тільки завдяки тому, що частина нейтронів при розподілі вилітає з уламків із запізненням, яке може становити від кількох мілісекунд до декількох хвилин.

Для управління реактором використовують поглинаючі стрижні, що вводяться в активну зону, виготовлені з матеріалів, що сильно поглинають нейтрони (в основному, і деякі ін.) та/або розчин борної кислоти, певної концентрації додається в теплоносій (борне регулювання). Рух стрижнів керується спеціальними механізмами, приводами, що працюють за сигналами від оператора чи апаратури автоматичного регулювання нейтронного потоку.

На випадок різних аварійних ситуацій у кожному реакторі передбачено екстрене припинення ланцюгової реакції, що здійснюється скиданням в активну зону всіх поглинаючих стрижнів - система аварійного захисту.

Залишкове тепловиділення

Важливою проблемою, що безпосередньо пов'язана з ядерною безпекою, є залишкове тепловиділення. Це специфічна особливістьядерного палива, що полягає в тому, що після припинення ланцюгової реакції поділу і звичайної для будь-якого енергоджерела теплової інерції виділення тепла в реакторі триває ще довгий часщо створює ряд технічно складних проблем.

Залишкове тепловиділення є наслідком β- та γ-розпаду продуктів поділу, які накопичилися у паливі під час роботи реактора. Ядра продуктів розподілу внаслідок розпаду переходять у більш стабільний або повністю стабільний стан із виділенням значної енергії.

Хоча потужність залишкового тепловиділення швидко спадає до величин, малих порівняно зі стаціонарними значеннями, потужних енергетичних реакторах вона значна в абсолютних величинах. З цієї причини залишкове тепловиділення спричиняє необхідність довгий часзабезпечувати тепловідведення від активної зони реактора після його зупинки. Це завдання вимагає наявності в конструкції реакторної установки систем розхолодження з надійним електропостачанням, а також обумовлює необхідність тривалого (протягом 3-4 років) зберігання відпрацьованого ядерного палива в сховищах зі спеціальним температурним режимом - басейнах витримки, які зазвичай розташовані в безпосередній близькості від реактора.

Див. також

Перелік атомних реакторів, спроектованих та побудованих у Радянському Союзі

Література

Левін Ст. Ядерна фізика та ядерні реактори. 4-те вид. - М.: Атоміздат, 1979.
Шуколюков А. Ю. «Уран. Природний ядерний реактор». «Хімія та Життя» № 6, 1980 р., с. 20-24

Примітки

"ZEEP - Canada's First Nuclear Reactor", Canada Science and Technology Museum.
Грешилов А. А., Єгупов Н. Д., Матущенко О. М.Ядерний щит. – М.: Логос, 2008. – 438 с. -

Неосяжна енергія крихітного атома

«Хороша наука – фізика! Тільки життя коротке». Ці слова належать вченому, який зробив у фізиці напрочуд багато. Їх якось промовив академік Ігор Васильович Курчатов, творець першої у світі атомної електростанції

27 червня 1954 року ця унікальна електростанція почала працювати. У людства з'явилося ще одне могутнє джерело електроенергії.

Шлях до оволодіння енергією атома був довгим та нелегким. Почався він у перші десятиліття XX століття з відкриття природної радіоактивності подружжям Кюрі, з постулатів Бора, планетарної моделі атома Резерфорда та докази такого, як зараз здається, очевидного факту – ядро будь-якого атома складається з позитивно заряджених протонів та нейтральних нейтронів.

У 1934 році подружжя Фредерік та Ірен Жоліо-Кюрі (дочка Марі Склодовської-Кюрі та П'єра Кюрі) виявили, що бомбардуванням альфа-частинками (ядрами атомів гелію) можна перетворити звичайні хімічні елементи на радіоактивні. Нове явище отримало назву штучної радіоактивності.

І. В. Курчатов (праворуч) та А. І. Алиханов (у центрі) зі своїм учителем А. Ф. Іоффе. (Початок 30-х.)

Якщо таке бомбардування вести дуже швидкими та важкими частинками, то починається каскад хімічних перетворень. Елементи зі штучною радіоактивністю поступово поступляться своїм місцем стабільним елементам, які вже не будуть розпадатися.

За допомогою опромінення або бомбардування легко зробити дійсністю мрію алхіміків - виготовити золото з інших хімічних елементів. Тільки вартість такого перетворення значно перевищить ціну отриманого золота.

Поділ ядер урану

Більше користі (і, на жаль, тривог) принесло людству відкрите у 1938-1939 роках групою німецьких фізиків та хіміків розподіл ядер урану. При опроміненні нейтронами важкі ядра урану розпадаються більш легкі хімічні елементи, що належать до середньої частини періодичної системи Менделєєва, і виділяють кілька нейтронів. Для ядер легких елементів ці нейтрони виявляються зайвими… При «розколюванні» ядер урану може початися ланцюгова реакція: кожен із двох-трьох отриманих нейтронів здатний своєю чергою зробити кілька нейтронів, потрапивши у ядро сусіднього атома.

Загальна маса продуктів такої ядерної реакції виявилася, як підрахували вчені, меншою за масу ядер вихідної речовини - урану.

За рівнянням Ейнштейна, який зв'язує масу з енергією, можна легко визначити, що при цьому має виділитися величезна енергія! Причому станеться це за дуже малий час. Якщо, звичайно, ланцюгова реакція стане некерованою і пройде до кінця.

На прогулянці після конференції Е. Фермі (праворуч) зі своїм учнем Б. Понтекорво. (Базель, 1949 р.)

Величезні фізичні та технічні можливості, приховані у процесі поділу урану, одним із перших оцінив Енріко ФерміУ ті далекі тридцяті роки нашого століття ще дуже молодий, але вже визнаний голова італійської школи фізиків. Задовго до Другої світової війни він із групою талановитих співробітників досліджував поведінку різних речовин при нейтронному опроміненні та визначив, що ефективність процесу поділу урану можна значно підвищити… уповільнивши рух нейтронів. Як це не дивно на перший погляд, при зменшенні швидкості нейтронів збільшується ймовірність їхнього захоплення ядрами урану. Ефективними «сповільнювачами» нейтронів є цілком доступні речовини: парафін, вуглець, вода…

Переїхавши до США, Фермі продовжував бути мозком і серцем ядерних досліджень, які там проводилися. Два обдарування, які зазвичай виключають одне одного, поєднувалися у Фермі: видатного теоретика і блискучого експериментатора. «Мине ще дуже багато часу, як ми зможемо побачити рівного йому людини»,- писав великий учений У. Зінн після передчасної смерті Фермі від злоякісної пухлини 1954 року у віці 53 років.

Колектив учених, які згуртувалися навколо Фермі в роки Другої світової війни, вирішив на основі ланцюгової реакції поділу урану створити зброю небаченої руйнівної сили. атомну бомбу. Вчені поспішали: раптом нацистська Німеччина зуміє раніше за всіх виготовити нову зброю і використовує її у своєму нелюдському прагненні до поневолення інших народів?

Будівництво в нашій країні атомного реактора

Вченим вдалося вже у 1942 році зібрати та запустити на території стадіону Чиказького університету перший атомний реактор . Стрижні з урану в реакторі перемежовувалися вугільними «цеглинами» - сповільнювачами, а якщо ланцюгова реакція все ж таки ставала занадто бурхливою, її можна було швидко зупинити, ввівши в реактор пластини з кадмію, що роз'єднували уранові стрижні і нейтрони, що повністю поглинали.

Дослідники дуже пишалися вигаданими ними простими пристроями до реактора, які зараз викликають у нас посмішку. Один із співробітників Фермі в Чикаго, відомий фізик Г. Андерсон згадує, що кадмієву жерсть прибивали до дерев'яного бруску, який при необхідності миттєво опускався в котел під дією власної тяжкості, що стало приводом дати йому назву «мить». Г. Андерсон пише: «Перед запуском котла цей стрижень слід витягнути нагору і закріпити мотузкою. При аварії мотузку можна було б перерізати і «мить» зайняв би своє місце усередині котла».

На атомному реакторі було отримано керована ланцюгова реакція, перевірено теоретичні розрахунки та передбачення. У реакторі йшов ланцюг хімічних перетворень, внаслідок яких накопичувався новий хімічний елемент- Плутоній. Його, як і уран, можна використовуватиме створення атомної бомби.

Вчені визначили, що існує критична маса урану або плутонію. Якщо атомної речовини досить багато, ланцюгова реакція призводить до вибуху, якщо мало, менше «критичної маси», відбувається просто виділення тепла.

Будівництво атомної електростанції

В атомній бомбі найпростішої конструкції укладено поруч два шматки урану або плутонію, причому маса кожного трохи не «дотягує» до критичної. У потрібний момент запал зі звичайної вибухової речовини з'єднує шматки, маса атомного палива перевищує критичне значення - і виділення руйнівної енергії жахливої сили відбувається миттєво.

Сліпуче світлове випромінювання, ударна хвиля, що змітає все на своєму шляху, і радіоактивне випромінювання, що проникає, обрушилися на жителів двох японських міст - Хіросіми і Нагасакі - після вибуху американських атомних бомб у 1945 році, поселивши з тих пір у серцях людей тривогу перед страшними наслідками застосування атомного. зброї.

Під об'єднуючим науковим початком І. В. Курчатова радянські фізики розробили атомну зброю.

Але керівник цих робіт не переставав думати про мирне використання атомної енергії. Адже атомний реактор доводиться інтенсивно охолоджувати, чому ж це тепло не віддати паровій або газовій турбіні, не застосувати для обігріву будинків?

Через атомний реактор пропустили трубки з рідким металом легкоплавким. Розігрітий метал надходив у теплообмінник, де передавав своє тепло воді. Вода перетворювалася на перегріту пару, починала працювати турбіна. Реактор оточили захисною оболонкою з бетону з металевим наповнювачем: радіоактивне випромінювання не повинно вириватися назовні.

Атомний реактор перетворився на атомну електростанцію, яка несе людям спокійне світло, затишне тепло, бажаний світ.

Для звичайної людинисучасні високотехнологічні пристрої настільки таємничі і загадкові, що можна їм поклонятися, як древні поклонялися блискавки. Шкільні урокифізики, які рясніють математичними викладками, не вирішують проблему. Але ж розповісти цікаво можна навіть про атомний реактор, принцип роботи якого зрозумілий навіть підлітку.

Як працює атомний реактор?

Принцип дії даного високотехнологічного пристрою має такий вигляд:

При поглинанні нейтрону ядерне паливо (найчастіше це уран-235або плутоній-239) відбувається розподіл атомного ядра;
Вивільняється кінетична енергія, гамма-випромінювання та вільні нейтрони;
Кінетична енергія перетворюється на теплову (коли ядра зіштовхуються з навколишніми атомами), гамма-випромінювання поглинається самим реактором і перетворюється також на тепло;
Частина з утворених нейтронів поглинається атомами палива, що спричиняє ланцюгову реакцію. Для керування їй використовуються поглиначі та сповільнювачі нейтронів;
За допомогою теплоносія (вода, газ або рідкий натрій) відбувається відведення тепла від місця проходження реакції;
Пар, що знаходиться під тиском, від нагрітої води використовується для приведення в обертання парових турбін;
За допомогою генератора механічна енергія обертання турбін перетворюється на змінний електричний струм.

Підходи до класифікації

Підстав для типології реакторів може бути безліч:

За типом ядерної реакції. Розподіл (всі комерційні установки) чи синтез (термоядерна енергетика, має поширення лише деяких НДІ);
За теплоносієм. В абсолютній більшості випадків із цією метою використовується вода (кипляча або важка). Іноді використовують альтернативні рішення: рідкий метал (натрій, свинець-вісмутовий сплав, ртуть), газ (гелій, вуглекислий газ або азот), розплавлена сіль (фторидні солі);
За поколінням.Перше - ранні прототипи, які мали ніякого комерційного сенсу. Друге - більшість АЕС, які нині використовуються, які були побудовані до 1996 року. Третє покоління відрізняється від попереднього лише невеликими удосконаленнями. Робота над четвертим поколінням ведеться;
За агрегатним станомпалива (газове поки що існує тільки на папері);
За цілями використання(для виробництва електрики, пуску двигуна, виробництва водню, опріснення, трансмутації елементів, отримання нейронного випромінювання, теоретичні та слідчі цілі).

Пристрій атомного реактора

Основними компонентами реакторів на більшості електростанцій є:

Ядерне паливо - речовина, яка потрібна для виробництва тепла для енергетичних турбін (як правило, низькозбагачений уран);
Активна зона ядерного ректора – саме тут відбувається ядерна реакція;
Уповільнювач нейтронів - знижує швидкість швидких нейтронів, перетворюючи в теплові нейтрони;
Пускове нейтронне джерело - використовується для надійного та стабільного пуску ядерної реакції;
Поглинач нейтронів - є на деяких електростанціях зниження високої реакційної здатності свіжого палива;
Нейтронна гаубиця – використовується для повторного ініціювання реакції після вимкнення;
Охолоджуюча рідина (очищена вода);
Керуючі стрижні - регулювання швидкості розподілу ядер урану чи плутонію;
Водний насос – перекачує воду у паровий котел;
Парова турбіна - перетворює теплову енергію пари на обертальну механічну;
Градирня – пристрій для відведення зайвого тепла в атмосферу;
Система прийому та зберігання радіоактивних відходів;
Системи безпеки (аварійні дизель-генератори, пристрої аварійного охолодження активної зони).

Як влаштовані останні моделі

Останнє 4-е покоління реакторів буде доступним для комерційної експлуатації. не раніше 2030 року. В даний час принцип та влаштування їх роботи знаходяться на етапі розробки. Згідно з сучасними даними, ці модифікації відрізнятимуться від існуючих моделей такими перевагами:

Система швидкого газового охолодження Передбачається, що як охолоджувальна речовина буде використаний гелій. Згідно проектної документаціїтаким чином можна охолоджувати реактори з температурою 850 °С. Для роботи при таких високих температурах знадобиться і специфічна сировина: композитні керамічні матеріали та актинідні сполуки;
Як первинний теплоносій можливе використання свинцю або свинцево-вісмутового сплаву. Ці матеріали мають низький показник нейтронного поглинання та відносно низьку температуруплавлення;
Також як основний теплоносій може використовуватися суміш із розплавлених солей. Тим самим вдасться працювати за більш високих температур, ніж сучасні аналогиіз водяним охолодженням.

Природні аналоги у природі

Ядерний реактор сприймається в суспільній свідомостівиключно як продукт високих технологій. Однак за фактом перше таке пристрій має природне походження. Воно було виявлено у регіоні Окло, що у центральноафриканській державі Габон:

Реактор був утворений через підтоплення уранових порід підземними водами. Вони виступили як нейтронні сповільнювачі;
Теплова енергія, що виділяється при розпаді урану, перетворює воду на пару, і ланцюгова реакція зупиняється;
Після падіння температури охолоджуючої рідини повторюється знову;
Якби рідина не википала і не зупиняла перебіг реакції, людство зіткнулося б з новою природною катастрофою;
Поділ ядер, що самопідтримується, почався в цьому реакторі близько півтора мільярда років тому. За цей час було виділено близько 0,1 мільйона ват вихідної потужності;
Подібне диво світу на Землі є єдиним відомим. Поява нових неможлива: частка урану-235 у природній сировині набагато нижча від рівня, необхідного для підтримки ланцюгової реакції.

Скільки атомних реакторів у Південній Кореї?

Бідна на природні ресурсиАле промислово розвинена і перенаселена Республіка Корея відчуває надзвичайну потребу в енергії. На тлі відмови Німеччини від мирного атома ця країна покладає великі надії на приборкання ядерних технологій:

Планується, що до 2035 року частка електроенергії, що генерується на АЕС, досягне 60%, а сукупне виробництво – понад 40 гігават;
Країна не має атомної зброї, але дослідження з ядерної фізики ведуться безперервно. Корейські вчені розробили проекти сучасних реакторів: модульні, водневі, з рідким металом та ін;
Успіхи місцевих дослідників дають змогу продавати технології за кордон. Очікується, що у найближчі 15-20 років країна експортує 80 таких установок;
Але станом нині більшість АЕС споруджено за сприяння американських чи французьких учених;
Кількість станцій, що діють, відносно невелика (тільки чотири), але кожна з них має значну кількість реакторів - в сукупності 40, причому ця цифра зростатиме.

При бомбардуванні нейтронами ядерне паливо входить у ланцюгову реакцію, у результаті якої утворюється дуже багато тепла. Вода, що знаходиться в системі, забирає це тепло і перетворюється на пару, яка обертає турбіни, що виробляють електрику. Ось проста схемароботи атомного реактора, потужного джерела енергії Землі.

Відео: як працюють атомні реактори

У цьому ролику фізик-ядерник Володимир Чайкін розповість, за допомогою чого впрацьовується електрика в атомних реакторах, їх докладний пристрій:

Побудований під західними трибунами футбольного поля університету Чикаго і включений 2 грудня 1942 року, Chicago Pile-1 (CP-1) був першим у світі ядерним реактором. Він складався з графітових та уранових блоків, а також мав кадмієві, індієві та срібні регулюючі стрижні, але не мав жодного захисту від радіації та системи охолодження. Науковий керівник проекту, фізик Енріко Фермі, описав СР-1 як «сира купа чорної цегли та дерев'яних колод».

Робота над реактором було розпочато 16 листопада 1942 року. Була виконана складна робота. Фізики та співробітники університету працювали цілодобово. Вони побудували ґрати з 57 шарів оксиду урану та уранових злитків, вбудованих у графітові блоки. Дерев'яний каркас підтримував конструкцію. Протеже Фермі, Леона Вудс - єдина жінка на проекті - вела ретельні виміри в міру зростання купи.

2 грудня 1942 року реактор готовий до тесту. Він містив 22 000 уранових злитків і на нього пішло 380 тонн графіту, а також 40 тонн оксиду урану та шість тонн металевого урану. На створення реактора пішло 2,7 млн. доларів. Експеримент розпочався о 09-45. На ньому були присутні 49 осіб: Фермі, Комптон, Сцілард, Зін, Хіберрі, Вудс, молодий тесляр, який виготовив графітові блоки та кадмієві стрижні, медики, звичайні студенти та інші вчені.

Троє людей складали «загін смертників» — вони були частиною системи безпеки. Їхнє завдання полягало в тому, щоб загасити пожежу, якщо щось піде не так. Було й управління: регулюючі стрижні, якими керували вручну та аварійний стрижень, який був прив'язаний до поручнів балкона над реактором. У разі аварійної ситуації мотузку мала перерізати людина, яка спеціально чергувала на балконі, і стрижень би погасив реакцію.

У 15-53, вперше в історії, почалася ланцюгова ядерна реакція, що самопідтримується. Експеримент увінчався успіхом. Реактор пропрацював 28 хвилин.

Ядерний реактор працює злагоджено та чітко. Інакше, як відомо, буде біда. Але що там твориться всередині? Спробуємо сформулювати принцип роботи ядерного (атомного) реактора коротко, чітко із зупинками.

По суті, там відбувається той самий процес, що і при ядерному вибуху. Тільки вибух відбувається дуже швидко, а в реакторі все це розтягується на тривалий час. У результаті все залишається цілим і неушкодженим, а ми отримуємо енергію. Не стільки, щоб усе довкола одразу рознесло, але цілком достатню для того, щоб забезпечити електрикою місто.

як працює реакторГрадирні АЕС
Перш ніж зрозуміти, як іде керована ядерна реакція, потрібно дізнатися, що таке ядерна реакція взагалі.

Ядерна реакція - це процес перетворення (розподілу) атомних ядер при взаємодії їх з елементарними частинками та гамма-квантами.

Ядерні реакції можуть проходити як із поглинанням, так і з виділенням енергії. У реакторі використовуються другі реакції.

Ядерний реактор - це пристрій, призначенням якого є підтримка контрольованої ядерної реакції із виділенням енергії.

Часто ядерний реактор називають ще атомним. Зазначимо, що принципової різниці тут немає, але з погляду науки правильніше використовувати слово «ядерний». Нині існує безліч типів ядерних реакторів. Це величезні промислові реактори, призначені для вироблення енергії на електростанціях, атомні реактори підводних човнів, малі експериментальні реактори, що використовуються в наукових дослідах. Існують навіть реактори, які застосовуються для опріснення морської води.

Історія створення атомного реактора

Перший ядерний реактор був запущений у не такому вже далекому 1942 році. Сталося це у США під керівництвом Фермі. Цей реактор назвали «Чиказькою бронею».

1946 року запрацював перший радянський реактор, запущений під керівництвом Курчатова. Корпус цього реактора був куля семи метрів у діаметрі. Перші реактори не мали системи охолодження, і їхня потужність була мінімальною. До речі, радянський реактор мав середню потужність 20 Ватт, а американський - лише 1 Ватт. Для порівняння: середня потужність сучасних енергетичних реакторів складає 5 Гігават. Менш ніж через десять років після запуску першого реактора було відкрито першу у світі промислову атомну електростанцію у місті Обнінську.

Принцип роботи ядерного (атомного) реактора

Будь-який ядерний реактор має кілька частин: активну зону з паливом і сповільнювачем, відбивач нейтронів, теплоносій, систему управління та захисту. Як паливо в реакторах найчастіше використовуються ізотопи урану (235, 238, 233), плутонію (239) та торію (232). Активна зона є котел, через який протікає звичайна вода (теплоносій). Серед інших теплоносіїв рідше використовується «важка вода» та рідкий графіт. Якщо говорити про роботу АЕС, то ядерний реактор використовується для одержання тепла. Сама електрика виробляється тим самим методом, що й інших типах електростанцій — пар обертає турбіну, а енергія руху перетворюється на електричну енергію.

Наведемо нижче схему роботи ядерного реактора.

схема роботи ядерного реактора Схема ядерного реактора на АЕС

Як ми вже говорили, при розпаді важкого ядра урану утворюються легші елементи та кілька нейтронів. Утворені нейтрони стикаються з іншими ядрами, також викликаючи їх поділ. При цьому кількість нейтронів зростає лавиноподібно.

Тут слід згадати коефіцієнт розмноження нейтронів. Так, якщо цей коефіцієнт перевищує значення, що дорівнює одиниці, відбувається ядерний вибух. Якщо значення менше одиниці, нейтронів замало і реакція згасає. А ось якщо підтримувати значення коефіцієнта дорівнює одиниці, реакція протікатиме довго і стабільно.

Питання, як це зробити? У реакторі паливо знаходиться у так званих тепловиділяючих елементах (ТВЕЛах). Це стрижні, у яких як невеликих таблеток знаходиться ядерне паливо. ТВЕЛи з'єднані в касети шестигранної форми, яких у реакторі можуть бути сотні. Касети з ТВЕЛ розташовуються вертикально, при цьому кожен ТВЕЛ має систему, що дозволяє регулювати глибину його занурення в активну зону. Крім самих касет серед них розташовуються стрижні, що управляють, і стрижні аварійного захисту. Стрижні виготовлені з матеріалу, що добре поглинає нейтрони. Так, стрижні, що управляють, можуть бути опущені на різну глибину в активній зоні, тим самим регулюючи коефіцієнт розмноження нейтронів. Аварійні стрижні мають заглушити реактор у разі надзвичайної ситуації.

Як запускають ядерний реактор?

З самим принципом роботи ми розібралися, але як запустити та змусити реактор функціонувати? Грубо кажучи, ось він — шматок урану, але ланцюгова реакція не починається в ньому сама по собі. Справа в тому, що в ядерній фізиці існує поняття критичної маси.

Ядерне паливоЯдерне паливо

Критична маса - це необхідна для початку ланцюгової ядерної реакції маса речовини, що ділиться.

За допомогою ТВЕЛів та керуючих стрижнів у ректорі спочатку створюється критична маса ядерного палива, а потім реактор у кілька етапів виводиться на оптимальний рівень потужності.

Математичні штучки-фокуси для студентів-гуманітаріїв і не дуже (Частина 1)
У цій статті ми постаралися дати Вам загальне уявлення про будову та принцип роботи ядерного (атомного) реактора. Якщо у Вас залишилися питання на тему або в університеті поставили завдання з ядерної фізики - звертайтесь до фахівців нашої компанії. Ми, як завжди, готові допомогти Вам вирішити будь-яке питання по навчанню. А поки ми цим займаємося, до Вашої уваги чергове освітнє відео!

blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

Популярне в рубриці: