Când chimiștii germani Otto Hahn și Fritz Strassmann au reușit pentru prima dată să fisioneze un nucleu de uraniu prin iradiere cu neutroni în 1938, au întârziat să informeze publicul despre amploarea descoperirii lor. Aceste experimente au pus bazele utilizării energiei atomice atât în ​​scopuri pașnice, cât și în scopuri militare.

Un produs secundar al bombei atomice

Otto Hahn, care colaborase cu fizicianul austriac Lise Meitner înainte de înființarea sa în 1938, știa foarte bine că fisiunea nucleului de uraniu - o reacție în lanț de neoprit - însemna o bombă atomică. Statele Unite, grăbindu-se să treacă înaintea Germaniei în crearea de arme nucleare, au lansat Proiectul Manhattan, o întreprindere de proporții fără precedent. Trei orașe au crescut în deșertul Nevada. 40.000 de oameni au lucrat aici în secret profund sub conducerea lui Robsorg Oppenheimer, „tatăl lui bombă atomică”, au apărut în timp record aproximativ 40 de instituții de cercetare, laboratoare și fabrici. Pentru extragerea plutoniului, primul reactor nuclear a fost creat sub podiumul stadionului de fotbal al Universității din Chicago. Aici, sub conducerea lui Enrico Fermi, a fost lansată în 1942 prima reacție în lanț controlată și autosusținută. La acel moment, nu a fost găsită nicio aplicație utilă pentru căldura degajată ca urmare.

Energia electrică dintr-o reacție nucleară

În 1954, prima centrală nucleară din lume a fost lansată în URSS. Era situat în Obninsk, la aproximativ 100 km de Moscova, și avea o capacitate de 5 MW. În 1956, primul reactor nuclear mare a început să funcționeze în orașul englez Calder Hall. Această centrală nucleară avea răcire cu gaz, ceea ce asigura o funcționare relativ sigură. Dar pe piața mondială, reactoarele nucleare sub presiune răcite cu apă dezvoltate în SUA în 1957 au devenit mai răspândite. Astfel de stații pot fi construite la un cost relativ scăzut, dar fiabilitatea lor lasă de dorit. La centrala nucleară ucraineană Cernobîl, topirea miezului reactorului a dus la o explozie cu eliberarea de substanțe radioactive V mediu inconjurator. Catastrofa, care a dus la moartea și îmbolnăvirea gravă a mii de oameni, a dus, mai ales în Europa, la numeroase proteste împotriva folosirii energiei atomice.

• 1896: Henri Bequerel a descoperit emisia radioactivă de uraniu.
• 1919 Ernest Rutherford a reușit pentru prima dată să inducă artificial o reacție nucleară prin bombardarea atomilor de azot cu particule alfa, care în acest proces s-au transformat în oxigen.
• 1932: James Chadwick a bombardat atomii de beriliu cu particule alfa și a descoperit neutronii.
• 19.38: Otto Hahn realizează prima reacție în lanț în laborator prin scindarea unui nucleu de uraniu cu neutroni.

Ce este un reactor nuclear?

Reactor nuclear, cunoscut anterior ca „cazan nuclear” este un dispozitiv folosit pentru a iniția și controla o reacție nucleară susținută în lanț. Reactoarele nucleare sunt utilizate în centralele nucleare pentru a genera energie electrică și pentru motoarele de nave. Căldura din fisiunea nucleară este transferată în fluidul de lucru (apă sau gaz) care este trecut prin turbinele cu abur. Apa sau gazul antrenează palele navei sau rotesc generatoarele electrice. Aburul rezultat dintr-o reacție nucleară poate fi utilizat, în principiu, pentru industria termică sau pentru termoficare. Unele reactoare sunt folosite pentru a produce izotopi pentru aplicații medicale și industriale sau pentru a produce plutoniu pentru arme. Unele dintre ele sunt doar în scop de cercetare. Astăzi, există aproximativ 450 de reactoare nucleare care sunt folosite pentru a genera electricitate în aproximativ 30 de țări din întreaga lume.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear

Așa cum centralele electrice convenționale generează energie electrică folosind energia termică eliberată din arderea combustibililor fosili, reactoarele nucleare transformă energia eliberată prin fisiunea nucleară controlată în energie termică pentru o conversie ulterioară în forme mecanice sau electrice.

Procesul de fisiune nucleară

Când un număr semnificativ de degradare nuclee atomice(cum ar fi uraniu-235 sau plutoniu-239) absorb un neutron, poate avea loc procesul de dezintegrare nucleară. Un nucleu greu se descompune în două sau mai multe nuclee ușoare (produși de fisiune), eliberând energie cinetică, raze gamma și neutroni liberi. Unii dintre acești neutroni pot fi absorbiți ulterior de alți atomi fisionali și pot provoca o fisiune ulterioară, care eliberează și mai mulți neutroni și așa mai departe. Acest proces este cunoscut sub numele de reacție nucleară în lanț.

Pentru a controla o astfel de reacție nucleară în lanț, absorbanții și moderatorii de neutroni pot schimba proporția de neutroni care intră în fisiunea mai multor nuclee. Reactoarele nucleare sunt controlate manual sau automat pentru a putea opri reacția de descompunere atunci când sunt detectate situații periculoase.

Regulatoarele de flux de neutroni utilizate în mod obișnuit sunt apa obișnuită („ușoară”) (74,8% din reactoarele din lume), grafitul solid (20% din reactoare) și apa „grea” (5% din reactoare). În unele tipuri experimentale de reactoare, se propune utilizarea beriliului și a hidrocarburilor.

Generarea de căldură într-un reactor nuclear

Zona de lucru a reactorului generează căldură în mai multe moduri:

• Energia cinetică a produselor de fisiune este transformată în energie termică atunci când nucleele se ciocnesc cu atomii vecini.
• Reactorul absoarbe o parte din radiația gamma produsă în timpul fisiunii și își transformă energia în căldură.
• Căldura este generată din degradarea radioactivă a produselor de fisiune și a acelor materiale care au fost afectate de absorbția neutronilor. Această sursă de căldură va rămâne neschimbată o perioadă de timp, chiar și după ce reactorul este oprit.

În timpul reacțiilor nucleare, un kilogram de uraniu-235 (U-235) eliberează de aproximativ trei milioane de ori mai multă energie decât un kilogram de cărbune ars convențional (7,2 × 1013 jouli pe kilogram de uraniu-235 comparativ cu 2,4 × 107 jouli pe kilogram de cărbune) ,

Sistem de răcire a reactorului nuclear

Lichidul de răcire al unui reactor nuclear - de obicei apă, dar uneori gaz, metal lichid (cum ar fi sodiul lichid) sau sare topită - este circulat în jurul miezului reactorului pentru a absorbi căldura generată. Căldura este îndepărtată din reactor și apoi folosită pentru a genera abur. Majoritatea reactoarelor folosesc un sistem de răcire care este izolat fizic de apa care fierbe și generează abur folosit pentru turbine, la fel ca un reactor cu apă sub presiune. Cu toate acestea, în unele reactoare, apa pentru turbinele cu abur este fiartă direct în miezul reactorului; de exemplu, într-un reactor cu apă sub presiune.

Controlul fluxului de neutroni în reactor

Puterea reactorului este controlată prin controlul numărului de neutroni capabili să provoace mai multe fisiuni.

Tijele de control care sunt fabricate din „otravă cu neutroni” sunt folosite pentru a absorbi neutronii. Cu cât sunt absorbiți mai mulți neutroni de tija de control, cu atât mai puțini neutroni pot provoca fisiune ulterioară. Astfel, scufundarea tijelor de absorbție adânc în reactor reduce puterea de ieșire a acestuia și, invers, scoaterea tijei de control o va crește.

La primul nivel de control în toate reactoarele nucleare, emisia întârziată de neutroni dintr-un număr de izotopi de fisiune îmbogățiți cu neutroni este un proces fizic important. Acești neutroni întârziați reprezintă aproximativ 0,65% din numărul total de neutroni produși în timpul fisiunii, în timp ce restul (așa-numiții „neutroni rapizi”) se formează imediat în timpul fisiunii. Produșii de fisiune care formează neutronii întârziați au timpi de înjumătățire cuprins între milisecunde și câteva minute și, prin urmare, este nevoie de o perioadă considerabilă de timp pentru a determina exact când reactorul atinge punctul critic. Menținerea reactorului într-un mod de reactivitate în lanț, în care neutronii întârziați sunt necesari pentru a atinge masa critică, se realizează prin dispozitive mecanice sau control uman pentru a controla reacția în lanț în „timp real”; în caz contrar, timpul dintre atingerea criticității și topirea miezului unui reactor nuclear ca urmare a creșterii exponențiale a puterii într-o reacție nucleară normală în lanț ar fi prea scurt pentru a interveni. Această ultimă etapă, în care neutronii întârziați nu mai sunt necesari pentru a menține criticitatea, este cunoscută sub numele de criticitate promptă. Există o scară pentru descrierea criticității sub formă numerică, în care criticitatea inițială este indicată prin termenul „zero dolari”, punctul critic rapid ca „un dolar”, alte puncte din proces sunt interpolate în „cenți”.

În unele reactoare, lichidul de răcire acționează și ca un moderator de neutroni. Moderatorul crește puterea reactorului determinând ca neutronii rapizi care sunt eliberați în timpul fisiunii să piardă energie și să devină neutroni termici. Neutronii termici sunt mai probabil decât neutronii rapizi să provoace fisiune. Dacă lichidul de răcire este, de asemenea, un moderator de neutroni, atunci schimbările de temperatură pot afecta densitatea lichidului de răcire/moderatorului și, prin urmare, modificarea puterii reactorului. Cu cât temperatura lichidului de răcire este mai mare, cu atât va fi mai puțin dens și, prin urmare, moderatorul este mai puțin eficient.

În alte tipuri de reactoare, lichidul de răcire acționează ca o „otrăvire cu neutroni”, absorbind neutronii în același mod ca tijele de control. În aceste reactoare, puterea de ieșire poate fi crescută prin încălzirea lichidului de răcire, făcându-l mai puțin dens. Reactoarele nucleare au de obicei sisteme automate și manuale pentru oprirea reactorului pentru oprirea de urgență. Aceste sisteme pun cantități mari de „otrăvire cu neutroni” (adesea bor sub formă de acid boric) în reactor pentru a opri procesul de fisiune dacă sunt detectate sau suspectate condiții periculoase.

Cele mai multe tipuri de reactoare sunt sensibile la un proces cunoscut sub numele de „groapă de xenon” sau „groapă de iod”. Un produs de fisiune comun, xenon-135, acționează ca un absorbant de neutroni care încearcă să închidă reactorul. Acumularea de xenon-135 poate fi controlată prin menținerea unui nivel de putere suficient de ridicat pentru a-l distruge prin absorbția neutronilor la fel de repede pe măsură ce este produs. Fisiunea are ca rezultat, de asemenea, formarea de iod-135, care la rândul său se descompune (cu un timp de înjumătățire de 6,57 ore) pentru a forma xenon-135. Când reactorul este oprit, iodul-135 continuă să se descompună pentru a forma xenon-135, ceea ce face repornirea reactorului mai dificilă într-o zi sau două, deoarece xenonul-135 se descompune pentru a forma cesiu-135, care nu este un absorbant de neutroni ca xenon-135.135, cu un timp de înjumătățire de 9,2 ore. Această stare temporară este „groapa de iod”. Dacă reactorul are suficientă putere suplimentară, atunci poate fi repornit. Mai mult xenon-135 se va transforma în xenon-136, care este mai puțin decât absorbantul de neutroni, iar în câteva ore reactorul experimentează așa-numita „etapă de ardere a xenonului”. În plus, tijele de control trebuie introduse în reactor pentru a compensa absorbția neutronilor pentru a înlocui xenonul-135 pierdut. Nerespectarea corectă a acestei proceduri a fost un motiv cheie al accidentului de la centrala nucleară de la Cernobîl.

Reactoarele utilizate în instalațiile nucleare marine (în special submarinele nucleare) nu pot fi deseori pornite într-un mod de putere continuă, în același mod ca reactoarele de putere terestre. În plus, astfel de centrale electrice trebuie să aibă o perioadă lungă de funcționare fără a schimba combustibilul. Din acest motiv, multe modele folosesc uraniu foarte îmbogățit, dar conțin un absorbant de neutroni care se poate arde în barele de combustibil. Acest lucru face posibilă proiectarea unui reactor cu un exces de material fisionabil, care este relativ sigur la începutul arderii ciclului combustibilului reactorului datorită prezenței materialului absorbant de neutroni, care este ulterior înlocuit cu absorbante convenționale de neutroni cu viață lungă. (mai durabil decât xenonul-135), care se acumulează treptat pe durata de viață a reactorului.combustibil.

Cum se produce electricitatea?

Energia generată în timpul fisiunii generează căldură, dintre care o parte poate fi transformată în energie utilă. O metodă comună de valorificare a acestei energii termice este folosirea acesteia pentru a fierbe apa și a produce abur sub presiune, care, la rândul său, antrenează o turbină cu abur care antrenează un alternator și generează electricitate.

Istoria apariției primelor reactoare

Neutronii au fost descoperiți în 1932. Schema unei reacții în lanț provocată de reacții nucleare ca urmare a expunerii la neutroni a fost realizată pentru prima dată de omul de știință ungur Leo Sillard în 1933. A cerut un brevet pentru ideea lui simplă de reactor în cursul anului următor la Amiraalitatea din Londra. Cu toate acestea, ideea lui Szilard nu includea teoria fisiunii nucleare ca sursă de neutroni, deoarece acest proces nu fusese încă descoperit. Ideile lui Szilard pentru reactoare nucleare care utilizează o reacție nucleară în lanț mediată de neutroni în elemente ușoare s-au dovedit imposibil de realizat.

Impulsul pentru crearea unui nou tip de reactor folosind uraniu a fost descoperirea lui Lise Meitner, Fritz Strassmann și Otto Hahn în 1938, care au „bombardat” uraniul cu neutroni (folosind reacția de descompunere alfa a beriliului, „tunul cu neutroni”). pentru a forma bariu, care, după cum credeau ei, provine din degradarea nucleelor ​​de uraniu. Studiile ulterioare la începutul anului 1939 (Szilard și Fermi) au arătat că unii neutroni au fost produși și în timpul fisiunii atomului, iar acest lucru a făcut posibilă realizarea unei reacții nucleare în lanț, așa cum prevăzuse Szilard cu șase ani mai devreme.

La 2 august 1939, Albert Einstein a semnat o scrisoare scrisă de Szilard către președintele Franklin D. Roosevelt în care afirmă că descoperirea fisiunii uraniului ar putea duce la crearea de „noi tipuri de bombe extrem de puternice”. Acest lucru a dat impuls studiului reactoarelor și al dezintegrarii radioactive. Szilard și Einstein se cunoșteau bine și au lucrat împreună mulți ani, dar Einstein nu s-a gândit niciodată la o asemenea posibilitate pentru energia nucleară până când Szilard l-a informat, chiar la începutul căutării sale, să scrie o scrisoare Einstein-Szilard pentru a ne avertiza guvernul,

La scurt timp după aceea, în 1939, Germania nazistă a invadat Polonia, declanșând al Doilea Război Mondial în Europa. Oficial, SUA nu erau încă în război, dar în octombrie, când a fost trimisă scrisoarea Einstein-Szilard, Roosevelt a remarcat că scopul studiului era să se asigure că „naziștii nu ne aruncă în aer”. Proiectul nuclear american a început, deși cu o oarecare întârziere, deoarece a rămas scepticismul (în special din partea Fermi) și din cauza numărului mic de oficiali guvernamentali care au supravegheat inițial proiectul.

ÎN anul urmator guvernul SUA a primit un memorandum Frisch-Peierls din Marea Britanie, în care se afirma că cantitatea de uraniu necesară pentru a realiza o reacție în lanț a fost mult mai mică decât se credea anterior. Memorandumul a fost creat cu participarea Comitetului Maud, care a lucrat la proiectul bombei atomice din Marea Britanie, cunoscut ulterior sub numele de cod „Tube Alloys” (aliajele tubulare) și ulterior inclus în Proiectul Manhattan.

În cele din urmă, primul reactor nuclear creat de om, numit Chicago Woodpile 1, a fost construit la Universitatea din Chicago de o echipă condusă de Enrico Fermi la sfârșitul anului 1942. Până atunci, programul nuclear al SUA fusese deja accelerat de intrarea țării în razboiul. „Chicago Woodpile” a atins un punct critic pe 2 decembrie 1942 la 15 ore și 25 de minute. Cadrul reactorului era din lemn, ținând împreună un teanc de blocuri de grafit (de unde și numele) cu „brichete” sau „pseudosfere” de oxid de uraniu natural.

Începând din 1943, la scurt timp după crearea Chicago Woodpile, armata americană a dezvoltat o serie întreagă de reactoare nucleare pentru Proiectul Manhattan. Scopul principal al celor mai mari reactoare (situate în complexul Hanford din statul Washington) a fost producția în masă de plutoniu pentru arme nucleare. Fermi și Szilard au depus o cerere de brevet pentru reactoare la 19 decembrie 1944. Eliberarea acesteia a fost amânată cu 10 ani din cauza secretului de război.

„Prima lume” - această inscripție a fost făcută la locul reactorului EBR-I, care acum este un muzeu lângă orașul Arco, Idaho. Numit inițial „Chicago Woodpile-4”, acest reactor a fost construit sub conducerea lui Walter Zinn pentru Laboratorul Național Aregonne. Acest reactor experimental de reproducere rapidă a fost la dispoziția Comisiei pentru Energie Atomică din SUA. Reactorul a produs 0,8 kW de putere la testare pe 20 decembrie 1951 și 100 kW de putere (electrică) a doua zi, cu o capacitate de proiectare de 200 kW (putere electrică).

Pe lângă utilizarea militară a reactoarelor nucleare, au existat motive politice pentru a continua cercetările în domeniul energiei atomice în scopuri pașnice. Președintele SUA Dwight Eisenhower a ținut faimosul său discurs „Atomi pentru pace” în fața Adunării Generale a ONU pe 8 decembrie 1953. Această mișcare diplomatică a dus la răspândirea tehnologiei reactoarelor atât în ​​SUA, cât și în întreaga lume.

Prima centrală nucleară construită în scopuri civile a fost centrala nucleară AM-1 din Obninsk, lansată la 27 iunie 1954 în Uniunea Sovietică. A produs aproximativ 5 MW de energie electrică.

După al Doilea Război Mondial, armata americană a căutat alte aplicații pentru tehnologia reactoarelor nucleare. Studiile efectuate în Armată și Forțele Aeriene nu au fost implementate; Cu toate acestea, Marina SUA a avut succes cu lansarea submarinului nuclear USS Nautilus (SSN-571) pe 17 ianuarie 1955.

Prima centrală nucleară comercială (Calder Hall din Sellafield, Anglia) a fost deschisă în 1956 cu o capacitate inițială de 50 MW (mai târziu 200 MW).

Primul reactor nuclear portabil „Alco PM-2A” a fost folosit pentru a genera energie electrică (2 MW) pentru baza militară americană „Camp Century” din 1960.

Componentele principale ale unei centrale nucleare

Principalele componente ale majorității tipurilor de centrale nucleare sunt:

Elemente ale unui reactor nuclear

• Combustibil nuclear (miez de reactor nuclear; moderator de neutroni)
• Sursa inițială de neutroni
• Absorbant de neutroni
• Pistolul cu neutroni (oferă o sursă constantă de neutroni pentru a reinițializa reacția după ce a fost oprit)
• Sistem de răcire (de multe ori moderatorul de neutroni și lichidul de răcire sunt la fel, de obicei apă purificată)
• tije de control
• Vasul reactorului nuclear (NRC)

Pompa de apa cazanului

• Generatoare de abur (nu în reactoare cu apă clocotită)
• Turbină cu abur
• Generator de electricitate
• Condensator
• Turn de răcire (nu este întotdeauna necesar)
• Sistem de tratare a deșeurilor radioactive (parte a instalației de eliminare a deșeurilor radioactive)
• Locul de reîncărcare a combustibilului nuclear
• Piscina cu combustibil uzat

Sistem de protecție împotriva radiațiilor

• Sistem de protecție a rectorului (SZR)
• Generatoare diesel de urgență
• Sistem de răcire de urgență a miezului reactorului (ECCS)
• Sistem de control al fluidului de urgență (injecție de urgență cu bor, numai în reactoare cu apă clocotită)
• Sistem de alimentare cu apă de serviciu pentru consumatori responsabili (SOTVOP)

Înveliș de protecție

• Telecomandă
• Instalare de urgență
• Complex de antrenament nuclear (de regulă, există o simulare a panoului de control)

Clasificarea reactoarelor nucleare

Tipuri de reactoare nucleare

Reactoarele nucleare sunt clasificate în mai multe moduri; rezumat aceste metode de clasificare sunt prezentate mai jos.

Clasificarea reactoarelor nucleare după tipul de moderator

Reactoarele termice folosite:

• Reactoare de grafit
  
• Reactoare cu apă sub presiune
• Reactoare cu apă grea(utilizat în Canada, India, Argentina, China, Pakistan, România și Coreea de Sud).
• Reactoare cu apă ușoară(LVR). Reactoarele cu apă ușoară (cel mai comun tip de reactor termic) folosesc apă obișnuită pentru a controla și răci reactoarele. Dacă temperatura apei crește, atunci densitatea acesteia scade, încetinind suficient fluxul de neutroni pentru a provoca reacții în lanț ulterioare. Acest feedback negativ stabilizează viteza reacției nucleare. Reactoarele cu grafit și cu apă grea tind să se încălzească mai intens decât reactoarele cu apă ușoară. Datorită căldurii suplimentare, astfel de reactoare pot folosi uraniu natural/combustibil neîmbogățit.
• Reactoare bazate pe moderatori cu elemente ușoare.
• Reactoare moderate cu sare topită(MSR) sunt controlate de prezența elementelor ușoare, cum ar fi litiu sau beriliu, care fac parte din sărurile matricei lichidului de răcire/combustibil LiF și BEF2.
• Reactoare cu răcitoare din metal lichid, unde lichidul de răcire este un amestec de plumb și bismut, poate folosi oxid de BeO în absorbantul de neutroni.
• Reactoare bazate pe moderator organic(OMR) utilizează difenil și terfenil ca moderator și componente de răcire.

Clasificarea reactoarelor nucleare după tipul de lichid de răcire

• Reactor răcit cu apă. Există 104 reactoare în funcțiune în Statele Unite. Dintre acestea, 69 sunt reactoare cu apă sub presiune (PWR) și 35 sunt reactoare cu apă fierbinte (BWR). Reactoarele nucleare cu apă sub presiune (PWR) reprezintă marea majoritate a tuturor centralelor nucleare occidentale. Principala caracteristică a tipului RVD este prezența unui compresor, un vas special de înaltă presiune. Majoritatea reactoarelor comerciale de înaltă presiune și a centralelor de reactoare navale folosesc supraalimentatoare. În timpul funcționării normale, suflantul este parțial umplut cu apă, iar deasupra ei se menține o bulă de abur, care este creată prin încălzirea apei cu încălzitoare de imersie. În modul normal, compresorul este conectat la vasul sub presiune al reactorului (HRV), iar compensatorul de presiune asigură o cavitate în cazul modificării volumului de apă din reactor. O astfel de schemă asigură, de asemenea, controlul presiunii în reactor prin creșterea sau scăderea presiunii aburului în compensator folosind încălzitoare.

• Reactoare cu apă grea de înaltă presiune aparțin unei varietăți de reactoare cu apă sub presiune (PWR), combinând principiile utilizării presiunii, a unui ciclu termic izolat, presupunând utilizarea apei grele ca agent de răcire și moderator, ceea ce este benefic din punct de vedere economic.
• reactor cu apă clocotită(BWR). Modelele de reactoare cu apă clocotită sunt caracterizate prin prezența apei clocotite în jurul barelor de combustibil de la fundul vasului principal al reactorului. Reactorul cu apă clocotită folosește ca combustibil 235U îmbogățit, sub formă de dioxid de uraniu. Combustibilul este dispus în tije plasate într-un vas de oțel, care, la rândul său, este scufundat în apă. Procesul de fisiune nucleară face ca apa să fiarbă și să se formeze abur. Acest abur trece prin conductele din turbine. Turbinele sunt alimentate cu abur, iar acest proces generează energie electrică. În timpul funcționării normale, presiunea este controlată de cantitatea de abur care curge din vasul sub presiune al reactorului în turbină.
• Reactor de tip bazin
• Reactor cu lichid de răcire din metal lichid. Deoarece apa este un moderator de neutroni, nu poate fi folosită ca lichid de răcire într-un reactor cu neutroni rapid. Lichizi de răcire cu metale includ sodiu, NaK, plumb, eutectic plumb-bismut, iar pentru reactoarele de generație timpurie, mercur.
• Reactor rapid cu neutroni cu lichid de răcire cu sodiu.
• Reactor pe neutroni rapizi cu lichid de răcire cu plumb.
• Reactoare răcite cu gaz sunt racite prin circulatie de gaz inert, concepute cu heliu in structuri la temperaturi ridicate. în care, dioxid de carbon a fost folosit mai devreme la centralele nucleare britanice și franceze. S-a folosit și azot. Utilizarea căldurii depinde de tipul de reactor. Unele reactoare sunt atât de fierbinți încât gazul poate conduce direct o turbină cu gaz. Proiectele mai vechi de reactoare implicau de obicei trecerea gazului printr-un schimbător de căldură pentru a genera abur pentru o turbină cu abur.
• Reactoare cu sare topită(MSR) sunt răcite prin circularea sării topite (de obicei amestecuri eutectice de săruri de fluorură, cum ar fi FLiBe). Într-un MSR tipic, lichidul de răcire este, de asemenea, utilizat ca o matrice în care materialul fisionabil este dizolvat.

Generații de reactoare nucleare

• Reactorul de prima generatie(prototipuri timpurii, reactoare de cercetare, reactoare de putere necomerciale)
• Reactorul de a doua generație(cele mai moderne centrale nucleare 1965-1996)
• Reactorul de a treia generație(îmbunătățiri evolutive ale modelelor existente 1996-prezent)
• reactor de generația a patra(tehnologii încă în curs de dezvoltare, dată de începere necunoscută, posibil 2030)

În 2003, Comisariatul francez pentru energie nucleară(CEA) a introdus denumirea „Gen II” pentru prima dată în cursul Săptămânii Nucleonice.

Prima mențiune despre „Gen. III” în 2000 a fost făcută în legătură cu începerea Forumului Internațional Generația a IV-a (GIF).

„Gen IV” a fost menționat în 2000 de Departamentul de Energie al Statelor Unite (DOE) pentru dezvoltarea de noi tipuri de centrale electrice.

Clasificarea reactoarelor nucleare după tipul de combustibil

• Reactorul cu combustibil solid
• reactor cu combustibil lichid
• Reactor omogen răcit cu apă
• Reactorul cu sare topită
• Reactoare pe gaz (teoretic)

Clasificarea reactoarelor nucleare după scop

• Producerea energiei electrice
• Centrale nucleare, inclusiv reactoare cu clustere mici
• Dispozitive autopropulsate (vezi centrale nucleare)
• Instalații nucleare offshore
• Diferite tipuri de motoare rachete propuse
• Alte utilizări ale căldurii
• Desalinizare
• Generare de căldură pentru încălzire casnică și industrială
• Producția de hidrogen pentru utilizare în energia hidrogenului
• Reactoare de producție pentru conversia elementelor
• Reactoarele de reproducere capabile să producă mai mult material fisionabil decât consumă în timpul reacției în lanț (prin conversia izotopilor părinte U-238 în Pu-239 sau Th-232 în U-233). Astfel, după ce a lucrat un ciclu, reactorul de generare a uraniului poate fi alimentat în mod repetat cu uraniu natural sau chiar sărăcit. La rândul său, reactorul generator de toriu poate fi reumplut cu toriu. Cu toate acestea, este necesară o aprovizionare inițială cu material fisionabil.
• Crearea diverșilor izotopi radioactivi, cum ar fi americiu pentru utilizare în detectoare de fum și cobalt-60, molibden-99 și alții, utilizați ca trasori și pentru tratament.
• Producția de materiale pentru arme nucleare, cum ar fi plutoniu pentru arme
• Crearea unei surse de radiații neutronice (de exemplu, reactorul cu impulsuri Lady Godiva) și radiații cu pozitroni (de exemplu, analiza activării neutronilor și datarea potasiu-argon)
• Reactor de cercetare: De obicei, reactoarele sunt utilizate pentru cercetarea științifică și predare, testarea materialelor sau producerea de radioizotopi pentru medicină și industrie. Sunt mult mai mici decât reactoarele de putere sau reactoarele de nave. Multe dintre aceste reactoare sunt situate în campusurile universitare. Există aproximativ 280 de astfel de reactoare care funcționează în 56 de țări. Unele funcționează cu combustibil de uraniu foarte îmbogățit. Eforturile internaționale sunt în desfășurare pentru a înlocui combustibilii slab îmbogățiți.

Reactoarele nucleare moderne

Aceste reactoare folosesc un vas sub presiune pentru a conține combustibilul nuclear, tijele de control, moderatorul și lichidul de răcire. Reactoarele sunt răcite, iar neutronii sunt moderați de apă lichidă la presiune ridicată. Apa fierbinte radioactivă care iese din vasul sub presiune trece prin circuit generator de aburi, care la rândul său încălzește circuitul secundar (neradioactiv). Aceste reactoare constituie majoritatea reactoarelor moderne. Acesta este dispozitivul de proiectare a încălzirii reactorului cu neutroni, dintre care cele mai recente sunt VVER-1200, reactorul avansat cu apă sub presiune și reactorul european cu apă sub presiune. Reactoarele US Navy sunt de acest tip.

Reactoarele cu apă fierbinte sunt similare cu reactoarele cu apă sub presiune fără generator de abur. Reactoarele cu apă fierbinte folosesc, de asemenea, apa ca agent de răcire și moderator de neutroni ca reactoare cu apă sub presiune, dar la o presiune mai mică, ceea ce permite apei să fiarbă în interiorul cazanului, creând abur care transformă turbinele. Spre deosebire de un reactor cu apă sub presiune, nu există circuit primar și secundar. Capacitatea de încălzire a acestor reactoare poate fi mai mare și pot fi mai simple în design și chiar mai stabile și mai sigure. Acesta este un dispozitiv cu reactor cu neutroni termici, dintre care cele mai recente sunt reactorul avansat cu apă fierbinte și reactorul nuclear simplificat economic cu apă clocotită.

Un design canadian (cunoscut sub numele de CANDU), acestea sunt reactoare moderate cu apă grea sub presiune. În loc să folosiți un singur vas sub presiune, ca în reactoarele cu apă sub presiune, combustibilul se află în sute de canale de înaltă presiune. Aceste reactoare funcționează cu uraniu natural și sunt reactoare cu neutroni termici. Reactoarele cu apă grea pot fi alimentate în timp ce funcționează la putere maximă, făcându-le foarte eficiente atunci când se utilizează uraniu (acest lucru permite controlul precis al debitului în miez). Reactoarele de apă grea CANDU au fost construite în Canada, Argentina, China, India, Pakistan, România și Coreea de Sud. India operează, de asemenea, o serie de reactoare cu apă grea, denumite adesea „derivate CANDU”, construite după ce guvernul canadian a încheiat relațiile nucleare cu India în urma testului de arme nucleare „Smiling Buddha” din 1974.

Dezvoltare sovietică, menită să producă plutoniu, precum și electricitate. RBMK-urile folosesc apa ca lichid de răcire și grafitul ca moderator de neutroni. RBMK-urile sunt similare în unele privințe cu CANDU-urile, deoarece pot fi reîncărcate în timpul funcționării și folosesc tuburi sub presiune în locul unui vas sub presiune (cum se întâmplă în reactoarele cu apă sub presiune). Cu toate acestea, spre deosebire de CANDU, acestea sunt foarte instabile și voluminoase, ceea ce face ca capacul reactorului să fie scump. Un număr de deficiențe critice de siguranță au fost, de asemenea, identificate în proiectele RBMK, deși unele dintre aceste deficiențe au fost corectate după dezastrul de la Cernobîl. Caracteristica lor principală este utilizarea apei ușoare și a uraniului neîmbogățit. Începând cu 2010, 11 reactoare rămân deschise, în mare parte datorită siguranței îmbunătățite și sprijinului din partea organizațiilor internaționale de siguranță, cum ar fi Departamentul de Energie al SUA. În ciuda acestor îmbunătățiri, reactoarele RBMK sunt încă considerate unul dintre cele mai periculoase modele de reactoare de utilizat. Reactoarele RBMK au fost folosite doar în fosta Uniune Sovietică.

Ei folosesc de obicei un moderator de neutroni din grafit și un răcitor de CO2. Datorită temperaturilor ridicate de funcționare, acestea pot avea o eficiență mai mare pentru generarea de căldură decât reactoarele cu apă sub presiune. Disponibil întreaga linie operarea reactoarelor de acest design, în principal în Regatul Unit, unde a fost dezvoltat conceptul. Construcțiile mai vechi (adică stațiile Magnox) sunt fie închise, fie vor fi închise în viitorul apropiat. Cu toate acestea, reactoarele îmbunătățite răcite cu gaz au o durată de funcționare estimată de încă 10 până la 20 de ani. Reactoarele de acest tip sunt reactoare cu neutroni termici. Costurile monetare ale dezafectării unor astfel de reactoare pot fi mari din cauza volumului mare al miezului.

Designul acestui reactor este răcit cu metal lichid, fără moderator și produce mai mult combustibil decât consumă. Se spune că aceștia „produc” combustibil, deoarece produc combustibil fisionabil în cursul captării neutronilor. Astfel de reactoare pot funcționa la fel ca reactoarele cu apă sub presiune în ceea ce privește eficiența, trebuie să compenseze tensiune arterială crescută, deoarece se folosește metal lichid, care nu creează exces de presiune chiar și la temperaturi foarte ridicate. BN-350 și BN-600 din URSS și Superphoenix din Franța au fost reactoare de acest tip, la fel ca și Fermi I în Statele Unite. Reactorul Monju din Japonia, avariat de o scurgere de sodiu în 1995, și-a reluat funcționarea în mai 2010. Toate aceste reactoare folosesc/au folosit sodiu lichid. Aceste reactoare sunt reactoare cu neutroni rapidi și nu aparțin reactoarelor cu neutroni termici. Aceste reactoare sunt de două tipuri:

Utilizarea plumbului ca metal lichid oferă o protecție excelentă împotriva radiațiilor și permite funcționarea la temperaturi foarte ridicate. De asemenea, plumbul este (în cea mai mare parte) transparent pentru neutroni, astfel încât mai puțini neutroni sunt pierduți în lichidul de răcire și lichidul de răcire nu devine radioactiv. Spre deosebire de sodiu, plumbul este în general inert, deci există mai puțin risc de explozie sau accident, dar cantități atât de mari de plumb pot cauza toxicitate și probleme de eliminare a deșeurilor. Adesea amestecurile eutectice plumb-bismut pot fi utilizate în reactoare de acest tip. În acest caz, bismutul va prezenta o mică interferență cu radiația, deoarece nu este complet transparent pentru neutroni și se poate transforma într-un alt izotop mai ușor decât plumbul. Submarinul rusesc din clasa Alpha folosește ca sistem principal de generare a energiei un reactor de neutroni rapid răcit cu plumb-bismut.

Majoritatea reactoarelor de reproducere a metalelor lichide (LMFBR) sunt de acest tip. Sodiul este relativ ușor de obținut și ușor de lucrat și, de asemenea, ajută la prevenirea coroziunii diferitelor părți ale reactorului scufundate în el. Cu toate acestea, sodiul reacționează violent la contactul cu apa, așa că trebuie avut grijă, deși astfel de explozii nu vor fi cu mult mai puternice decât, de exemplu, scurgerile de lichid supraîncălzit din SCWR sau RWD. EBR-I este primul reactor de acest tip, unde miezul este format dintr-o topitură.

Ei folosesc combustibil presat în bile ceramice în care gazul circulă prin bile. Drept urmare, sunt reactoare eficiente, nepretențioase, foarte sigure, cu combustibil ieftin, standardizat. Prototipul a fost reactorul AVR.

În ele, combustibilul este dizolvat în săruri de fluor sau fluorurile sunt folosite ca lichid de răcire. Diferitele lor sisteme de securitate, Eficiență ridicatăși densitate mare de energie potrivite pentru Vehicul. În mod remarcabil, nu au piese supuse la presiuni mari sau componente combustibile în miez. Prototipul a fost reactorul MSRE, care a folosit și un ciclu de combustibil cu toriu. Ca reactor de generare, reprocesează combustibilul uzat, recuperând atât elementele de uraniu, cât și cele transuraniu, lăsând doar 0,1% din deșeuri transuraniu, comparativ cu reactoarele convenționale cu apă ușoară cu uraniu, aflate în funcțiune în prezent. O problemă separată o reprezintă produsele de fisiune radioactivă, care nu sunt reciclate și trebuie eliminate în reactoare convenționale.

Aceste reactoare folosesc combustibil sub formă de săruri solubile care sunt dizolvate în apă și amestecate cu un lichid de răcire și un moderator de neutroni.

Sisteme și proiecte nucleare inovatoare

reactoare avansate

Peste o duzină de proiecte avansate de reactoare se află în diferite stadii de dezvoltare. Unele dintre acestea au evoluat din modelele RWD, BWR și PHWR, unele diferă mai semnificativ. Primele includ Reactorul Avansat de Apă Fiertă (ABWR) (dintre care două sunt în prezent operaționale, iar altele în construcție), precum și Reactorul de Apă Fierbintă Economic Simplificat de Siguranță Pasivă (ESBWR) și instalațiile AP1000 (vezi mai jos). 2010).

Reactor nuclear cu neutroni rapidi integral(IFR) a fost construit, testat și testat de-a lungul anilor 1980, apoi dezafectat după demisia administrației Clinton în anii 1990 din cauza politicilor de neproliferare nucleară. Reprocesarea combustibilului nuclear uzat se află în centrul designului său și, prin urmare, produce doar o parte din deșeurile din reactoarele în funcțiune.

Reactor modular de înaltă temperatură răcit cu gaz reactorul (HTGCR) este proiectat astfel încât temperaturile ridicate reduc puterea de ieșire din cauza lărgirii Doppler a secțiunii transversale a fasciculului de neutroni. Reactorul folosește un combustibil de tip ceramic, astfel încât temperaturile sale de funcționare în condiții de siguranță depășesc intervalul de temperatură de reducere. Majoritatea structurilor sunt răcite cu heliu inert. Heliul nu poate provoca o explozie din cauza expansiunii vaporilor, nu absoarbe neutronii, ceea ce ar duce la radioactivitate și nu dizolvă contaminanții care ar putea fi radioactivi. Modelele tipice constau din mai multe straturi protectie pasiva(până la 7) decât în ​​reactoarele cu apă ușoară (de obicei 3). Trasatura unica Ceea ce poate oferi siguranță este că bilele de combustibil formează de fapt miezul și sunt înlocuite una câte una în timp. Caracteristicile de design ale pilelor de combustibil le fac să fie reciclate costisitoare.

Mic, închis, mobil, reactor autonom (SSTAR) a fost testat și dezvoltat inițial în SUA. Reactorul a fost conceput ca un reactor cu neutroni rapid, cu un sistem de protecție pasivă care putea fi oprit de la distanță în cazul în care se suspectează o defecțiune.

Curat și prietenos cu mediul reactor avansat (CAESAR) este un concept pentru un reactor nuclear care folosește abur ca moderator de neutroni - acest design este încă în dezvoltare.

Reactorul moderat cu apă redusă se bazează pe Reactorul avansat cu apă fierbinte (ABWR) aflat în funcțiune în prezent. Acesta nu este un reactor cu neutroni complet rapid, dar folosește în principal neutroni epitermici, care au viteze intermediare între termică și rapidă.

Modul de energie nucleară cu autoreglare cu moderator de hidrogen (HPM) este un tip de reactor de proiectare lansat de Laboratorul Național Los Alamos care utilizează hidrură de uraniu drept combustibil.

Reactoarele nucleare subcritice concepute ca o muncă mai sigură și mai stabilă, dar sunt dificile din punct de vedere ingineresc și economic. Un exemplu este „Amplificatorul de energie”.

Reactoare pe bază de toriu. Este posibil să se transforme toriu-232 în U-233 în reactoare proiectate special pentru acest scop. În acest fel, toriul, care este de patru ori mai comun decât uraniul, poate fi folosit pentru a produce combustibil nuclear pe bază de U-233. Se crede că U-233 are proprietăți nucleare favorabile față de U-235 convențional, în special o eficiență mai bună a neutronilor și o producție redusă de deșeuri transuraniu cu viață lungă.

Reactor avansat cu apă grea (AHWR)- reactorul de apă grea propus, care va reprezenta dezvoltarea următoarei generații de tip PHWR. În curs de dezvoltare la Bhabha Nuclear Research Center (BARC), India.

KAMINI- un reactor unic care utilizează izotopul de uraniu-233 drept combustibil. Construit în India la Centrul de Cercetare BARC și Centrul de Cercetare Nucleară Indira Gandhi (IGCAR).

De asemenea, India intenționează să construiască reactoare cu neutroni rapidi folosind ciclul combustibilului toriu-uraniu-233. FBTR (reactor cu neutroni rapidi) (Kalpakkam, India) folosește plutoniu drept combustibil și sodiu lichid ca lichid de răcire în timpul funcționării.

Ce sunt reactoarele de generația a patra

A patra generație de reactoare este un set de proiecte teoretice diferite care sunt luate în considerare în prezent. Este puțin probabil ca aceste proiecte să fie implementate până în 2030. Reactoarele moderne aflate în funcțiune sunt, în general, considerate sisteme de a doua sau a treia generație. Sistemele de prima generație nu au fost folosite de ceva timp. Dezvoltarea acestei a patra generații de reactoare a fost lansată oficial la Forumul Internațional Generația IV (GIF) pe baza a opt obiective tehnologice. Principalele obiective au fost îmbunătățirea siguranței nucleare, creșterea securității împotriva proliferării, reducerea la minimum a deșeurilor și utilizarea resurse naturale, precum și pentru a reduce costul construirii și lansării unor astfel de stații.

• Reactor rapid cu neutroni răcit cu gaz
• Reactor rapid cu neutroni cu răcitor de plumb
• Reactor cu sare lichidă
• Reactor cu neutroni rapid răcit cu sodiu
• Reactor nuclear supercritic răcit cu apă
• Reactor nuclear de temperatură ultra-înaltă

Ce sunt reactoarele de generația a cincea?

A cincea generație de reactoare sunt proiecte, a căror implementare este posibilă din punct de vedere teoretic, dar care nu fac în prezent obiectul unei analize și cercetări active. Deși astfel de reactoare pot fi construite în prezent sau pe termen scurt, ele prezintă un interes redus din motive de fezabilitate economică, practicitate sau siguranță.

• reactor în fază lichidă. O buclă închisă cu lichid în miezul unui reactor nuclear, unde materialul fisionabil este sub formă de uraniu topit sau o soluție de uraniu răcită cu ajutorul unui gaz de lucru injectat în orificiile traversante din baza vasului de reținere.
• Reactorul cu o fază gazoasă în miez. O variantă în buclă închisă pentru o rachetă cu propulsie nucleară, în care materialul fisionabil este hexafluorură de uraniu gazoasă situată într-un vas de cuarț. Un gaz de lucru (cum ar fi hidrogenul) va curge în jurul acestui vas și va absorbi radiații ultraviolete rezultată dintr-o reacție nucleară. Acest design ar putea fi folosit ca motor rachetă, așa cum se menționează în romanul science-fiction al lui Harry Harrison din 1976 Skyfall. Teoretic, utilizarea hexafluorurei de uraniu ca combustibil nuclear (mai degrabă decât ca intermediar, așa cum se face în prezent) ar duce la costuri mai mici de generare a energiei, precum și la reducerea semnificativă a dimensiunii reactoarelor. În practică, un reactor care funcționează cu astfel de densități mari putere, ar produce un flux necontrolat de neutroni, slăbind proprietățile de rezistență ale majorității materialelor din reactor. Astfel, debitul ar fi similar cu fluxul de particule eliberate în instalațiile termonucleare. La rândul său, acest lucru ar necesita utilizarea unor materiale similare cu cele utilizate de Proiectul Internațional pentru Implementarea unei Instalații de Iradiere prin Fuziune.
• Reactor electromagnetic în fază gazoasă. Similar cu un reactor în fază gazoasă, dar cu celule fotovoltaice care convertesc lumina ultravioletă direct în electricitate.
• Reactorul bazat pe fragmentare
• Fuziune nucleară hibridă. Sunt utilizați neutronii emiși în timpul fuziunii și descompunerii originalului sau „substanței din zona de reproducere”. De exemplu, transmutarea U-238, Th-232 sau a combustibilului uzat/deșeurilor radioactive dintr-un alt reactor în izotopi relativ mai benini.

Reactor cu fază gazoasă în zona activă. O variantă în buclă închisă pentru o rachetă cu propulsie nucleară, în care materialul fisionabil este hexafluorură de uraniu gazoasă situată într-un vas de cuarț. Gazul de lucru (cum ar fi hidrogenul) va curge în jurul acestui vas și va absorbi radiația ultravioletă rezultată din reacția nucleară. Un astfel de design ar putea fi folosit ca motor de rachetă, așa cum se menționează în romanul științifico-fantastic al lui Harry Harrison din 1976 Skyfall. Teoretic, utilizarea hexafluorurei de uraniu ca combustibil nuclear (mai degrabă decât ca intermediar, așa cum se face în prezent) ar duce la costuri mai mici de generare a energiei, precum și la reducerea semnificativă a dimensiunii reactoarelor. În practică, un reactor care funcționează la astfel de densități mari de putere ar produce un flux de neutroni necontrolat, slăbind proprietățile de rezistență ale majorității materialelor din reactor. Astfel, debitul ar fi similar cu fluxul de particule eliberate în instalațiile termonucleare. La rândul său, acest lucru ar necesita utilizarea unor materiale similare cu cele utilizate de Proiectul Internațional pentru Implementarea unei Instalații de Iradiere prin Fuziune.

Reactor electromagnetic în fază gazoasă. Similar cu un reactor în fază gazoasă, dar cu celule fotovoltaice care convertesc lumina ultravioletă direct în electricitate.

Reactorul bazat pe fragmentare

Fuziune nucleară hibridă. Sunt utilizați neutronii emiși în timpul fuziunii și descompunerii originalului sau „substanței din zona de reproducere”. De exemplu, transmutarea U-238, Th-232 sau a combustibilului uzat/deșeurilor radioactive dintr-un alt reactor în izotopi relativ mai benini.

Reactoare de fuziune

Fuziunea controlată poate fi utilizată în centralele electrice de fuziune pentru a produce energie electrică fără complexitatea lucrului cu actinide. Cu toate acestea, rămân obstacole științifice și tehnologice serioase. Au fost construite mai multe reactoare de fuziune, dar abia recent reactoarele au reușit să elibereze mai multă energie decât consumă. În ciuda faptului că cercetările au început în anii 1950, se presupune că un reactor comercial de fuziune nu va fi funcțional până în 2050. În prezent, proiectul ITER depune eforturi pentru a utiliza energia de fuziune.

Ciclul combustibilului nuclear

Reactoarele termice depind în general de gradul de purificare și îmbogățire a uraniului. Unele reactoare nucleare pot funcționa cu un amestec de plutoniu și uraniu (vezi combustibil MOX). Procesul prin care minereul de uraniu este extras, procesat, îmbogățit, utilizat, eventual reciclat și eliminat este cunoscut sub numele de ciclul combustibilului nuclear.

Până la 1% din uraniu din natură este izotopul ușor fisionabil U-235. Astfel, proiectarea majorității reactoarelor implică utilizarea combustibilului îmbogățit. Îmbogățirea implică creșterea proporției de U-235 și se realizează de obicei folosind difuzie gazoasă sau într-o centrifugă cu gaz. Produsul îmbogățit este transformat în continuare în pulbere de dioxid de uraniu, care este comprimat și ars în pelete. Aceste granule sunt plasate în tuburi, care sunt apoi sigilate. Astfel de tuburi se numesc bare de combustibil. Fiecare reactor nuclear folosește multe dintre aceste bare de combustibil.

Majoritatea BWR și PWR comerciale folosesc uraniu îmbogățit la 4% U-235, aproximativ. În plus, unele reactoare industriale cu economie mare de neutroni nu necesită deloc combustibil îmbogățit (adică pot folosi uraniu natural). Potrivit Agenției Internaționale pentru Energie Atomică, în lume există cel puțin 100 de reactoare de cercetare care utilizează combustibil foarte îmbogățit (grad pentru arme / 90% uraniu îmbogățit). Riscul de furt al acestui tip de combustibil (posibil pentru utilizare la fabricarea armelor nucleare) a condus la o campanie care cere trecerea la utilizarea reactoarelor cu uraniu slab îmbogățit (care reprezintă o amenințare mai mică de proliferare).

În procesul de transformare nucleară se utilizează U-235 fisionabil și U-238 nefisil, fisionabil. U-235 este fisionat de neutroni termici (adică cu mișcare lentă). Un neutron termic este unul care se mișcă aproximativ cu aceeași viteză cu atomii din jurul lui. Deoarece frecvența de vibrație a atomilor este proporțională cu temperatura lor absolută, neutronul termic are o capacitate mai mare de a diviza U-235 atunci când se mișcă cu aceeași viteză de vibrație. Pe de altă parte, U-238 are mai multe șanse să capteze un neutron dacă neutronul se mișcă foarte repede. Atomul U-239 se descompune cât mai repede posibil pentru a forma plutoniu-239, care este el însuși un combustibil. Pu-239 este un combustibil complet și ar trebui luat în considerare chiar și atunci când se utilizează combustibil cu uraniu foarte îmbogățit. Procesele de fisiune a plutoniului vor avea prioritate față de procesele de fisiune U-235 în unele reactoare. Mai ales după ce U-235 încărcat inițial este epuizat. Plutoniul se fisiune atât în ​​reactoare rapide, cât și în cele termice, ceea ce îl face ideal atât pentru reactoare nucleare, cât și pentru bombe nucleare.

Majoritatea reactoarelor existente sunt reactoare termice, care folosesc de obicei apa ca moderator de neutroni (moderatorul înseamnă că încetinește un neutron la viteza termică) și, de asemenea, ca lichid de răcire. Cu toate acestea, într-un reactor cu neutroni rapid, este utilizat un tip de lichid de răcire ușor diferit, care nu va încetini prea mult fluxul de neutroni. Acest lucru permite predominarea neutronilor rapizi, care pot fi utilizați eficient pentru a reumple în mod constant alimentarea cu combustibil. Pur și simplu plasând uraniu ieftin și neîmbogățit în miez, U-238 spontan nefisil se va transforma în Pu-239, „reproducând” combustibilul.

Într-un ciclu de combustibil pe bază de toriu, toriu-232 absoarbe un neutron atât în ​​reactoarele rapide, cât și în cele termice. Dezintegrarea beta a toriului produce protactiniu-233 și apoi uraniu-233, care la rândul său este folosit ca combustibil. Prin urmare, la fel ca uraniul-238, toriu-232 este un material fertil.

Întreținerea reactoarelor nucleare

Cantitatea de energie dintr-un rezervor de combustibil nuclear este adesea exprimată în termeni de „zile cu putere maximă”, adică numărul de perioade de 24 de ore (zile) în care reactorul este exploatat la putere maximă pentru a genera energie termică. Zilele de funcționare la putere maximă într-un ciclu de funcționare a reactorului (între intervalele necesare pentru realimentare) sunt legate de cantitatea de uraniu-235 (U-235) în descompunere conținută în ansamblurile combustibile la începutul ciclului. Cu cât procentul de U-235 în miez este mai mare la începutul ciclului, cu atât mai multe zile de funcționare la putere maximă vor permite reactorului să funcționeze.

La sfârșitul ciclului de funcționare, combustibilul din unele ansambluri este „usat”, descărcat și înlocuit sub formă de ansambluri combustibile noi (proaspete). De asemenea, o astfel de reacție de acumulare a produselor de degradare în combustibilul nuclear determină durata de viață a combustibilului nuclear în reactor. Chiar și cu mult înainte de a avea loc procesul final de fisiune, subprodușii de degradare care absorb neutroni cu viață lungă au timp să se acumuleze în reactor, împiedicând reacția în lanț să continue. Proporția miezului reactorului care este înlocuită în timpul realimentării este de obicei un sfert pentru un reactor cu apă clocotită și o treime pentru un reactor cu apă sub presiune. Eliminarea și depozitarea acestui combustibil uzat este una dintre cele mai dificile sarcini în organizarea funcționării unei centrale nucleare industriale. Astfel de deșeuri nucleare sunt extrem de radioactive, iar toxicitatea lor reprezintă un pericol de mii de ani.

Nu toate reactoarele trebuie scoase din funcțiune pentru realimentare; de exemplu, reactoarele nucleare cu pat sferic, RBMK (reactor cu conducte de mare putere), reactoarele cu sare topită, reactoarele Magnox, AGR și CANDU permit deplasarea elementelor de combustibil în timpul funcționării centralei. În reactorul CANDU, este posibil să plasați elemente de combustibil individuale în miez, astfel încât să se ajusteze conținutul de U-235 în elementul de combustibil.

Cantitatea de energie extrasă din combustibilul nuclear se numește arderea sa, care este exprimată în termeni de energie termică generată de greutatea unității inițiale a combustibilului. Burnup-ul este de obicei exprimat ca zile de megawați termici pe tonă de metal greu original.

Siguranța energiei nucleare

Securitatea nucleară reprezintă acțiunile care vizează prevenirea accidentelor nucleare și de radiații sau localizarea consecințelor acestora. Industria energiei nucleare a îmbunătățit siguranța și performanța reactoarelor și, de asemenea, a venit cu noi proiecte de reactoare mai sigure (care în general nu au fost testate). Cu toate acestea, nu există nicio garanție că astfel de reactoare vor fi proiectate, construite și vor putea funcționa în mod fiabil. Greșeli apar atunci când proiectanții de reactoare de la centrala nucleară Fukushima din Japonia nu se așteptau ca tsunami-ul generat de cutremur să închidă sistemul de rezervă care trebuia să stabilizeze reactorul după cutremur, în ciuda numeroaselor avertismente din partea NRG (Grupul Național de Cercetare) și administrația japoneză privind siguranța nucleară. Potrivit UBS AG, accidentele nucleare de la Fukushima I pun la îndoială dacă chiar și economiile avansate precum Japonia pot asigura securitatea nucleară. Sunt posibile și scenarii catastrofale, inclusiv Act de terorism. O echipă interdisciplinară de la MIT (Massachusetts Institute of Technology) a calculat că, având în vedere creșterea preconizată a energiei nucleare, ar trebui așteptate cel puțin patru accidente nucleare grave în perioada 2005-2055.

Accidente nucleare și de radiații

Unele dintre accidentele nucleare și de radiații grave care au avut loc. Accidentele din centralele nucleare includ incidentul SL-1 (1961), accidentul Three Mile Island (1979), Dezastrul de la Cernobîl(1986), precum și dezastrul nuclear de la Fukushima Daiichi (2011). Accidentele cu energie nucleară includ accidentele cu reactoare de pe K-19 (1961), K-27 (1968) și K-431 (1985).

Reactoarele nucleare au fost lansate pe orbită în jurul Pământului de cel puțin 34 de ori. O serie de incidente care au implicat satelitul sovietic fără pilot RORSAT alimentat de instalatie nucleara a dus la pătrunderea de pe orbită a combustibilului nuclear uzat în atmosfera Pământului.

reactoare nucleare naturale

Deși se crede adesea că reactoarele de fisiune nucleară sunt produsul tehnologiei moderne, se află primele reactoare nucleare conditii naturale. Un reactor nuclear natural poate fi format în anumite condiții care imită condițiile dintr-un reactor proiectat. Până acum, au fost descoperite până la cincisprezece reactoare nucleare naturale în trei zăcăminte separate de minereu ale minei de uraniu Oklo din Gabon ( Africa de Vest). Cunoscutele reactoare Ocllo „morte” au fost descoperite pentru prima dată în 1972 de către fizicianul francez Francis Perrin. O reacție de fisiune nucleară auto-susținută a avut loc în aceste reactoare cu aproximativ 1,5 miliarde de ani în urmă și a fost menținută timp de câteva sute de mii de ani, generând o medie de 100 kW de putere în această perioadă. Conceptul de reactor nuclear natural a fost explicat în termeni de teorie încă din 1956 de Paul Kuroda de la Universitatea din Arkansas.

Astfel de reactoare nu se mai pot forma pe Pământ: dezintegrarea radioactivă în această perioadă enormă de timp a redus proporția de U-235 din uraniul natural sub nivelul necesar pentru a menține o reacție în lanț.

Reactoarele nucleare naturale s-au format atunci când zăcămintele bogate de minerale de uraniu au început să se umple cu apă subterană, care a acționat ca un moderator de neutroni și a declanșat o reacție în lanț semnificativă. Moderatorul de neutroni sub formă de apă s-a evaporat, determinând accelerarea reacției, apoi s-a condensat înapoi, determinând încetinirea reacției nucleare și împiedicând topirea. Reacția de fisiune a persistat timp de sute de mii de ani.

Astfel de reactoare naturale au fost studiate în detaliu de oamenii de știință interesați de eliminarea deșeurilor radioactive într-un cadru geologic. Ei propun un studiu de caz despre modul în care izotopii radioactivi ar migra prin scoarța terestră. Acesta este un punct cheie pentru criticii eliminării geologice a deșeurilor, care se tem că izotopii conținuti în deșeuri ar putea ajunge în rezervele de apă sau ar putea migra în mediu.

Problemele de mediu ale energiei nucleare

Un reactor nuclear eliberează cantități mici de tritiu, Sr-90, în aer și în apele subterane. Apa contaminată cu tritiu este incoloră și inodoră. Dozele mari de Sr-90 cresc riscul de cancer osos și leucemie la animale și, probabil, la oameni.

Dispozitiv și principiu de funcționare

Mecanism de eliberare a puterii

Transformarea unei substanțe este însoțită de eliberarea de energie liberă numai dacă substanța are o rezervă de energii. Aceasta din urmă înseamnă că microparticulele substanței se află într-o stare cu o energie de repaus mai mare decât într-o altă stare posibilă, tranziția către care există. Tranziția spontană este întotdeauna împiedicată de o barieră energetică, pentru a o depăși microparticula trebuie să primească o anumită cantitate de energie din exterior - energia de excitație. Reacția exoenergetică constă în faptul că în transformarea care urmează excitației se eliberează mai multă energie decât este necesară pentru excitarea procesului. Există două moduri de a depăși bariera energetică: fie datorită energiei cinetice a particulelor care se ciocnesc, fie datorită energiei de legare a particulei care aderă.

Dacă ținem cont de scalele macroscopice ale eliberării de energie, atunci energia cinetică necesară pentru excitarea reacțiilor trebuie să aibă toate sau la început cel puțin o parte din particulele substanței. Acest lucru se poate realiza doar prin creșterea temperaturii mediului până la o valoare la care energia mișcării termice se apropie de valoarea pragului de energie care limitează cursul procesului. În cazul transformărilor moleculare, adică al reacțiilor chimice, o astfel de creștere este de obicei de sute de kelvin, în timp ce în cazul reacțiilor nucleare este de cel puțin 10 7 din cauza înălțimii foarte mari a barierelor Coulomb a nucleelor ​​care se ciocnesc. Excitarea termică a reacțiilor nucleare a fost efectuată în practică numai în sinteza celor mai ușoare nuclee, în care barierele Coulomb sunt minime (fuziune termonucleară).

Excitarea de către particulele de îmbinare nu necesită o energie cinetică mare și, prin urmare, nu depinde de temperatura mediului, deoarece se produce din cauza legăturilor neutilizate inerente particulelor de forțe atractive. Dar, pe de altă parte, particulele în sine sunt necesare pentru a excita reacțiile. Și dacă din nou avem în vedere nu un act separat de reacție, ci producerea de energie la scară macroscopică, atunci acest lucru este posibil numai atunci când are loc o reacție în lanț. Acesta din urmă apare atunci când particulele care excită reacția reapar ca produse ale unei reacții exoenergetice.

Proiecta

Orice reactor nuclear este format din următoarele părți:

• Miez cu combustibil nuclear și moderator;
• Reflector de neutroni care înconjoară miezul;
• Sistem de reglare cu reacție în lanț, inclusiv protecție în caz de urgență;
• Protecție împotriva radiațiilor;
• Sistem de control de la distanță.

Principii fizice de funcționare

Vezi și articolele principale:

Starea actuală a unui reactor nuclear poate fi caracterizată prin factorul efectiv de multiplicare a neutronilor k sau reactivitate ρ , care sunt legate prin următoarea relație:

Aceste valori sunt caracterizate de următoarele valori:

• k> 1 - reacția în lanț crește în timp, reactorul este în supercritic starea, reactivitatea acesteia ρ > 0;
• k < 1 - реакция затухает, реактор - subcritic, ρ < 0;
• k = 1, ρ = 0 - numărul de fisiuni nucleare este constant, reactorul se află într-un stabil critic condiție.

Condiția de criticitate a reactorului nuclear:

Conversia factorului de multiplicare în unitate se realizează prin echilibrarea înmulțirii neutronilor cu pierderile acestora. Există de fapt două motive pentru pierderi: captarea fără fisiune și scurgerea neutronilor în afara mediului de reproducere.

Evident, 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 pentru reactoare termice poate fi determinat prin așa-numita „formulă a 4 factori”:

• η este randamentul de neutroni la două absorbții.

Volumele reactoarelor de putere moderne pot ajunge la sute de m³ și sunt determinate în principal nu de condițiile de criticitate, ci de posibilitățile de îndepărtare a căldurii.

Volumul critic reactor nuclear - volumul miezului reactorului într-o stare critică. Masa critica este masa materialului fisionabil al reactorului, care se află într-o stare critică.

Reactoarele alimentate cu soluții apoase de săruri ale izotopilor puri fisionali cu un reflector de neutroni de apă au cea mai mică masă critică. Pentru 235 U această masă este de 0,8 kg, pentru 239 Pu este de 0,5 kg. Este cunoscut, totuși, că masa critică pentru reactorul LOPO (primul reactor cu uraniu îmbogățit din lume), care avea un reflector de oxid de beriliu, a fost de 0,565 kg, în ciuda faptului că gradul de îmbogățire în izotopul 235 a fost doar puțin. mai mult de 14%. Teoretic, cea mai mică masă critică are, pentru care această valoare este de numai 10 g.

Pentru a reduce scurgerea de neutroni, miezul primește o formă sferică sau apropiată de sferică, cum ar fi un cilindru scurt sau un cub, deoarece aceste cifre au cel mai mic raport dintre suprafață și volum.

În ciuda faptului că valoarea (e - 1) este de obicei mică, rolul înmulțirii rapide a neutronilor este destul de mare, deoarece pentru reactoarele nucleare mari (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Pentru a începe o reacție în lanț, de obicei sunt produși destui neutroni în timpul fisiunii spontane a nucleelor ​​de uraniu. De asemenea, este posibil să se utilizeze o sursă externă de neutroni pentru a porni reactorul, de exemplu, un amestec de și, sau alte substanțe.

groapă de iod

Groapă de iod - starea unui reactor nuclear după ce acesta a fost oprit, caracterizată prin acumularea izotopului de xenon de scurtă durată. Acest proces duce la apariția temporară a reactivității negative semnificative, care, la rândul său, face imposibilă aducerea reactorului la capacitatea sa de proiectare pentru o anumită perioadă (aproximativ 1-2 zile).

Clasificare

Prin programare

În funcție de natura utilizării reactoarelor nucleare, se împart în:

• Reactoarele de putere concepute pentru a produce energie electrică și termică utilizată în sectorul energetic, precum și pentru desalinizarea apei de mare (reactoarele de desalinizare sunt, de asemenea, clasificate ca industriale). Astfel de reactoare au fost utilizate în principal în centralele nucleare. Puterea termică a reactoarelor de putere moderne ajunge la 5 GW. Într-un grup separat alocă:
  • Reactoare de transport concepute pentru a furniza energie motoarele vehiculelor. Cele mai largi grupuri de aplicații sunt reactoarele de transport maritim utilizate pe submarine și diferite nave de suprafață, precum și reactoarele utilizate în tehnologia spațială.
• Reactoare experimentale, destinat studierii diferitelor mărimi fizice, a căror valoare este necesară pentru proiectarea și funcționarea reactoarelor nucleare; puterea unor astfel de reactoare nu depășește câțiva kW.
• Reactoarele de cercetare, în care fluxurile de neutroni și raze gamma create în nucleu sunt utilizate pentru cercetări în domeniul fizicii nucleare, fizicii stării solide, chimia radiațiilor, biologie, pentru testarea materialelor destinate funcționării în fluxuri intense de neutroni (inclusiv părți reactoare nucleare), pentru producerea de izotopi. Puterea reactoarelor de cercetare nu depășește 100 MW. Energia eliberată nu este de obicei folosită.
• Reactoare industriale (arme, izotopi). folosit pentru a produce izotopi folosiți în diverse domenii. Cel mai utilizat pentru producerea de materiale de calitate pentru arme nucleare, cum ar fi 239 Pu. De asemenea, industriale includ reactoarele utilizate pentru desalinizarea apei de mare.

Adesea reactoarele sunt folosite pentru a rezolva două sau mai multe sarcini diferite, caz în care sunt numite polivalent. De exemplu, unele reactoare de putere, în special în zorii energiei nucleare, erau destinate în principal experimentelor. Reactoarele cu neutroni rapizi pot fi atât generatoare de energie, cât și izotopi în același timp. Reactoarele industriale, pe lângă sarcina lor principală, generează adesea energie electrică și termică.

Conform spectrului de neutroni

• Reactor termic (lent) cu neutroni („reactor termic”)
• Reactor rapid cu neutroni („reactor rapid”)

Prin plasarea combustibilului

• Reactoare eterogene, în care combustibilul este plasat în miez discret sub formă de blocuri, între care se află un moderator;
• Reactoare omogene, în care combustibilul și moderatorul sunt un amestec omogen (sistem omogen).

Într-un reactor eterogen, combustibilul și moderatorul pot fi distanțate, în special, într-un reactor cu cavitate, moderatorul-reflector înconjoară cavitatea cu combustibil care nu conține moderatorul. Din punct de vedere nuclear-fizic, criteriul de omogenitate/eterogenitate nu este proiectarea, ci amplasarea blocurilor de combustibil la o distanţă ce depăşeşte lungimea de moderare a neutronilor la un moderator dat. De exemplu, așa-numitele reactoare „în zăbrele apropiate” sunt proiectate pentru a fi omogene, deși combustibilul este de obicei separat de moderatorul din ele.

Blocurile de combustibil nuclear dintr-un reactor eterogen sunt numite ansambluri de combustibil (FA), care sunt plasate în miez la nodurile unei rețele obișnuite, formând celule.

După tipul de combustibil

• izotopi de uraniu 235, 238, 233 ( 235 U , 238 U , 233 U)
• izotop de plutoniu 239 (239 Pu), de asemenea izotopi 239-242 Pu ca amestec cu 238 U (combustibil MOX)
• izotopul de toriu 232 (232 Th) (prin conversie la 233 U)

După gradul de îmbogățire:

• uraniu natural
• uraniu slab îmbogățit
• uraniu foarte îmbogățit

După compoziția chimică:

• metal U
• UC (carbură de uraniu), etc.

După tipul de lichid de răcire

• Gaz, (vezi reactor grafit-gaz)
• D 2 O (apă grea, vezi reactor nuclear cu apă grea, CANDU)

După tipul de moderator

• C (grafit, vezi reactor grafit-gaz, reactor grafit-apă)
• H 2 O (apă, vezi Reactorul cu apă ușoară, Reactorul cu apă sub presiune, VVER)
• D 2 O (apă grea, vezi reactor nuclear cu apă grea, CANDU)
• Hidruri metalice
• Fără moderator (vezi reactor rapid cu neutroni)

De proiectare

metoda de generare a aburului

• Reactor cu un generator de abur extern (vezi PWR, VVER)

clasificarea AIEA

• PWR (pressurized water reactors) - reactor cu apă presurizată (reactor cu apă presurizată);
• BWR (boiling water reactor) - reactor cu apă în fierbere;
• FBR (fast breeder reactor) - reactor de reproducere rapidă;
• GCR (gas-cooled reactor) - reactor răcit cu gaz;
• LWGR (reactor de grafit cu apă ușoară) - reactor grafit-apă
• PHWR (reactor cu apă grea sub presiune) - reactor cu apă grea

Cele mai comune din lume sunt reactoarele cu apă sub presiune (aproximativ 62%) și apă clocotită (20%).

Materiale reactoare

Materialele din care sunt construite reactoarele funcționează la temperatură ridicată în câmpul neutronilor, γ-quanta și al fragmentelor de fisiune. Prin urmare, nu toate materialele utilizate în alte ramuri ale tehnologiei sunt potrivite pentru construcția reactoarelor. La alegerea materialelor pentru reactor, se iau în considerare rezistența la radiații, inerția chimică, secțiunea transversală de absorbție și alte proprietăți.

Instabilitatea la radiații a materialelor este mai puțin afectată la temperaturi ridicate. Mobilitatea atomilor devine atât de mare încât probabilitatea de întoarcere a atomilor scoși din rețeaua cristalină la locul lor sau de recombinare a hidrogenului și oxigenului într-o moleculă de apă crește semnificativ. Astfel, radioliza apei este nesemnificativă în reactoarele de putere fără fierbere (de exemplu, VVER), în timp ce în reactoarele de cercetare puternice este eliberată o cantitate semnificativă de amestec exploziv. Reactoarele au sisteme speciale de ardere.

Materialele reactoarelor intră în contact unele cu altele (o placare a elementului de combustibil cu lichid de răcire și combustibil nuclear, casete de combustibil cu lichid de răcire și moderator etc.). Desigur, materialele de contact trebuie să fie inerte chimic (compatibile). Un exemplu de incompatibilitate este uraniul și apa fierbinte care intră într-o reacție chimică.

Pentru majoritatea materialelor, proprietățile de rezistență se deteriorează brusc odată cu creșterea temperaturii. În reactoarele de putere, materialele structurale funcționează la temperaturi ridicate. Acest lucru limitează alegerea materialelor structurale, în special pentru acele părți ale unui reactor de putere care trebuie să reziste la presiune ridicată.

Arderea și reproducerea combustibilului nuclear

În timpul funcționării unui reactor nuclear, datorită acumulării de fragmente de fisiune în combustibil, compoziția sa izotopică și chimică se modifică și se formează elemente transuraniu, în principal izotopi. Influența fragmentelor de fisiune asupra reactivității unui reactor nuclear se numește otrăvire(pentru fragmente radioactive) și zgură(pentru izotopi stabili).

Principalul motiv pentru otrăvirea reactorului este, care are cea mai mare secțiune transversală de absorbție a neutronilor (2,6 10 6 barn). Timpul de înjumătățire de 135 Xe T 1/2 = 9,2 h; randamentul de diviziune este de 6-7%. Partea principală a 135 Xe este formată ca urmare a dezintegrarii ( T 1/2 = 6,8 ore). În caz de otrăvire, Kef se modifică cu 1-3%. Secțiunea transversală mare de absorbție a 135 Xe și prezența izotopului intermediar 135 I conduc la două fenomene importante:

1. La o creștere a concentrației de 135 Xe și, în consecință, la o scădere a reactivității reactorului după oprirea acestuia sau reducerea puterii („groapă de iod”), ceea ce face imposibilă oprirea pe termen scurt și fluctuațiile puterii de ieșire. Acest efect este depășit prin introducerea unei marje de reactivitate în organismele de reglementare. Adâncimea și durata puțului de iod depind de fluxul de neutroni Ф: la Ф = 5 10 18 neutroni/(cm² sec), durata puțului de iod este de ˜ 30 h, iar adâncimea este de 2 ori mai mare decât schimbarea staționară în Keff cauzată de otrăvirea cu 135 Xe.
2. Din cauza otrăvirii, pot apărea fluctuații spațio-temporale ale fluxului de neutroni Ф și, în consecință, ale puterii reactorului. Aceste fluctuații apar la Ф > 10 18 neutroni/(cm² sec) și reactoare de dimensiuni mari. Perioade de oscilație ˜ 10 h.

Fisiunea nucleară dă naștere unui număr mare de fragmente stabile, care diferă în secțiunile lor transversale de absorbție față de secțiunea transversală de absorbție a unui izotop fisionabil. Concentrarea fragmentului cu de mare valoare secțiunea transversală de absorbție atinge saturația în primele zile de funcționare a reactorului. Acestea sunt în principal TVEL-uri de diferite „vârste”.

În cazul înlocuirii complete a combustibilului, reactorul are reactivitate în exces, care trebuie compensat, în timp ce în al doilea caz, compensarea este necesară doar la prima pornire a reactorului. Alimentarea continuă face posibilă creșterea adâncimii de ardere, deoarece reactivitatea reactorului este determinată de concentrațiile medii ale izotopilor fisionali.

Masa combustibilului încărcat depășește masa celui descărcat datorită „greutății” energiei eliberate. După oprirea reactorului, mai întâi din cauza fisiunii de către neutroni întârziați, iar apoi, după 1-2 minute, din cauza radiației β și γ a fragmentelor de fisiune și a elementelor transuraniu, energia continuă să fie eliberată în combustibil. Dacă reactorul a funcționat suficient de mult înainte de oprire, atunci la 2 minute după oprire, eliberarea de energie este de aproximativ 3%, după 1 oră - 1%, după o zi - 0,4%, după un an - 0,05% din puterea inițială.

Raportul dintre numărul de izotopi Pu fisionali formați într-un reactor nuclear și cantitatea de 235 U arsă se numește Rata de conversie K K . Valoarea K K crește odată cu scăderea îmbogățirii și arderii. Pentru un reactor cu apă grea care funcționează pe uraniu natural, cu o ardere de 10 GW zi/t K K = 0,55 și pentru arderi mici (în acest caz, K K se numește coeficientul inițial de plutoniu) K K = 0,8. Dacă un reactor nuclear arde și produce aceiași izotopi (reactor reproductor), atunci raportul dintre viteza de reproducere și rata de ardere se numește rata de reproducere K V. În reactoarele termice 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 este în creștere și A cade.

Controlul reactorului nuclear

Controlul unui reactor nuclear este posibil doar datorită faptului că în timpul fisiunii unii dintre neutroni zboară din fragmente cu o întârziere, care poate varia de la câteva milisecunde la câteva minute.

Pentru controlul reactorului se folosesc tije absorbante, introduse în miez, din materiale care absorb puternic neutronii (în principal, și unii alții) și/sau o soluție de acid boric, adăugată lichidului de răcire într-o anumită concentrație (reglarea borului). . Mișcarea tijelor este controlată prin mecanisme speciale, acționări, care funcționează pe semnale de la operator sau echipamente pentru controlul automat al fluxului de neutroni.

În cazul diferitelor situații de urgență în fiecare reactor, este prevăzută o terminare de urgență a reacției în lanț, efectuată prin aruncarea tuturor tijelor absorbante în miez - un sistem de protecție în caz de urgență.

Căldura reziduală

O problemă importantă direct legată de siguranța nucleară este căldura de descompunere. Aceasta este o caracteristică specifică a combustibilului nuclear, care constă în faptul că, după terminarea reacției în lanț de fisiune și a inerției termice, care este comună pentru orice sursă de energie, degajarea de căldură în reactor continuă pentru o lungă perioadă de timp, ceea ce creează un număr de probleme tehnic complexe.

Căldura de descompunere este o consecință a dezintegrarii β și γ a produselor de fisiune, care s-au acumulat în combustibil în timpul funcționării reactorului. Nucleele produselor de fisiune, ca urmare a descompunerii, trec într-o stare mai stabilă sau complet stabilă cu eliberarea de energie semnificativă.

Deși rata de eliberare a căldurii de dezintegrare scade rapid la valori care sunt mici în comparație cu valorile staționare, în reactoarele de putere mare este semnificativă în valori absolute. Din acest motiv, eliberarea de căldură prin dezintegrare necesită mult timp pentru a asigura îndepărtarea căldurii din miezul reactorului după ce acesta a fost oprit. Această sarcină necesită prezența sistemelor de răcire cu alimentare fiabilă în proiectarea instalației reactorului și necesită, de asemenea, depozitarea pe termen lung (în termen de 3-4 ani) a combustibilului nuclear uzat în instalații de depozitare cu o capacitate specială. regim de temperatură- piscine de combustibil uzat, care sunt de obicei situate în imediata apropiere a reactorului.

Vezi si

• Lista reactoarelor nucleare proiectate și construite în Uniunea Sovietică

Literatură

• Levin V. E. Fizica nuclearași reactoare nucleare. a 4-a ed. - M.: Atomizdat, 1979.
• Shukolyukov A. Yu. „Uranus. reactor nuclear natural. „Chimie și viață” nr. 6, 1980, p. 20-24

Note

1. „ZEEP - Primul Reactor Nuclear din Canada”, Muzeul de Știință și Tehnologie din Canada.
2. Greshilov A. A., Egupov N. D., Matushchenko A. M. Scut nuclear. - M .: Logos, 2008. - 438 p. -

Primul reactor nuclear a fost construit în decembrie 1942 în SUA sub conducerea lui E. Fermi . În Europa, primul reactor nuclear a fost pus în funcțiune în decembrie 1946 la Moscova sub conducerea lui I.V. Kurchatov . Până în 1978, în lume funcționau deja aproximativ o mie de reactoare nucleare de diferite tipuri. Componente ale oricărui reactor nuclear sunt: miez Cu combustibil nuclear, de obicei înconjurat de un reflector de neutroni, lichid de răcire, sistem de control al reacției în lanț, protecție împotriva radiațiilor, sistem de control de la distanță ( orez. 1). Principala caracteristică a unui reactor nuclear este puterea sa. Putere in 1 MV corespunde unei reacții în lanț în care 3 10 16 evenimente de fisiune au loc în 1 sec.
Dispozitivul reactoarelor nucleare de putere.

Un reactor nuclear este un dispozitiv în care se realizează o reacție controlată în lanț de fisiune nucleară a elementelor grele, iar energia termică eliberată în acest caz este îndepărtată de lichidul de răcire. Elementul principal al unui reactor nuclear este miezul. Adăpostește combustibil nuclear și efectuează o reacție în lanț de fisiune. Zona activă este un set de elemente combustibile care conțin combustibil nuclear plasate într-un anumit mod. Reactoarele cu neutroni termici folosesc un moderator. Un lichid de răcire este pompat prin miez, care răcește elementele de combustibil. În unele tipuri de reactoare, rolul de moderator și de lichid de răcire este îndeplinit de aceeași substanță, de exemplu, apa obișnuită sau grea.

Schema unui reactor omogen: vas cu 1 reactor, zonă cu 2 miezuri, compensator cu 3 volume, schimbător de căldură cu 4, ieșire cu 5 abur, intrare cu 6 apă de alimentare, pompă cu 7 circulații

Pentru a controla funcționarea reactorului, în miez sunt introduse tije de control din materiale cu o secțiune transversală mare de absorbție a neutronilor. Miezul reactoarelor de putere este înconjurat de un reflector de neutroni - un strat de material moderator pentru a reduce scurgerea de neutroni din miez. În plus, datorită reflectorului, densitatea neutronilor și eliberarea de energie sunt egalizate pe volumul miezului, ceea ce face posibilă obținerea unei puteri mai mari pentru dimensiunile zonelor date, pentru a obține o ardere mai uniformă a combustibilului, pentru a crește durata reactor fără realimentare cu combustibil și pentru a simplifica sistemul de îndepărtare a căldurii. Reflectorul este încălzit de energia încetinirii și a neutronilor absorbiți și a cuantelor gamma, astfel încât este asigurată răcirea acestuia. Miezul, reflectorul și alte elemente sunt găzduite într-o carcasă sau carcasă închisă ermetic, de obicei înconjurată de ecranare biologică.

Miezul unui reactor nuclear conține combustibil nuclear, are loc o reacție în lanț de fisiune nucleară și se eliberează energie. Starea unui reactor nuclear este caracterizată de un coeficient efectiv Kef multiplicarea neutronilor sau reactivitatea r:

R \u003d (K ¥ - 1) / K eff. (1)

Dacă K ef > 1, atunci reacția în lanț crește cu timpul, reactorul nuclear este într-o stare supercritică și reactivitatea sa este r > 0; Dacă K ef< 1 , apoi reacția decade, reactorul este subcritic, r< 0; при LA ¥ = 1, r = 0, reactorul este într-o stare critică, un proces staționar este în desfășurare, iar numărul de fisiuni este constant în timp. Pentru a iniția o reacție în lanț în timpul pornirii unui reactor nuclear, o sursă de neutroni (un amestec de Ra și Be, 252 Cf etc.) este de obicei introdusă în miez, deși acest lucru nu este necesar, deoarece fisiunea spontană a uraniului și raze cosmice da un număr suficient de neutroni inițiali pentru dezvoltarea unei reacții în lanț la K ef > 1.

Majoritatea reactoarelor nucleare folosesc ca material fisionabil 235 U. Dacă miezul, pe lângă combustibilul nuclear (uraniu natural sau îmbogățit), conține un moderator de neutroni (grafit, apă și alte substanțe care conțin nuclee ușoare, vezi mai jos). Moderare neutronică), atunci partea principală a diviziunilor are loc sub acțiune neutroni termici (reactor termic). Un reactor nuclear cu neutroni termici poate folosi uraniu natural care nu este îmbogățit cu 235 U (așa au fost primele reactoare nucleare). Dacă nu există un moderator în miez, atunci partea principală a fisiunilor este cauzată de neutroni rapizi cu energie x n > 10 kev (reactor rapid). Reactoare cu neutroni intermediari cu o energie de 1-1000 ev.

Condiția de criticitate Un reactor nuclear are forma:

K eff \u003d K ¥ × P = 1 , (1)

Unde 1 - P este probabilitatea de ieșire (scurgere) a neutronilor din zona activă a unui reactor nuclear, LA ¥ - factorul de multiplicare a neutronilor în miezul de dimensiuni infinit de mari, care este determinat pentru reactoarele nucleare termice prin așa-numita „formulă a 4 factori”:

LA¥ = neju. (2)

Aici n este numărul mediu de neutroni secundari (rapidi) care rezultă din fisiunea nucleului de 235 U de către neutroni termici, e este factorul de multiplicare pe neutroni rapizi (o creștere a numărului de neutroni datorită fisiunii nucleelor, în principal 238 U nuclee, prin neutroni rapizi); j este probabilitatea ca neutronul să nu fie captat de nucleul de 238 U în timpul procesului de decelerare, u este probabilitatea ca neutronul termic să provoace fisiunea. Este adesea folosită valoarea h \u003d n / (l + a), unde a este raportul dintre secțiunea transversală de captare a radiațiilor s p și secțiunea transversală de fisiune s d.

Condiția (1) determină dimensiunile reactorului nuclear De exemplu, pentru un reactor nuclear realizat din uraniu natural și grafit n = 2.4. e » 1,03, eju » 0,44, de unde LA¥=1,08. Aceasta înseamnă că pentru LA ¥ > 1 necesar P<0,93, что соответствует (как показывает теория Ядерный реактор) размерам активной зоны Ядерный реактор ~ 5-10 m. Volumul unui reactor nuclear de putere modern ajunge la sute m 3și este determinată în principal de posibilitățile de îndepărtare a căldurii, și nu de condițiile de criticitate. Volumul zonei active a unui reactor nuclear în stare critică se numește volumul critic al reactorului nuclear, iar masa materialului fisionabil se numește masă critică. Reactorul nuclear cu combustibil sub formă de soluții de săruri de izotopi fisionali puri în apă și cu un reflector de neutroni de apă au cea mai mică masă critică. Pentru 235 U această masă este 0,8 kg, Pentru 239 Pu - 0,5 kg . 251 Cf are cea mai mică masă critică (teoretic 10 g). Parametri critici ai unui reactor nuclear de grafit cu uraniu natural: masa de uraniu 45 T, volum de grafit 450 m 3 . Pentru a reduce scurgerea de neutroni, miezului i se dă o formă sferică sau apropiată de sferică, de exemplu, un cilindru cu o înălțime de ordinul diametrului sau un cub (cel mai mic raport dintre suprafață și volum).

Valoarea lui n este cunoscută pentru neutronii termici cu o precizie de 0,3% (Tabelul 1). Cu o creștere a energiei x n a neutronului care a provocat fisiunea, n crește conform legii: n \u003d n t + 0,15x n (x n în mev), unde n t corespunde fisiunii de către neutroni termici.

Tab. 1. - Valorile n și h) pentru neutroni termici (conform datelor pentru 1977)

Valoarea lui (e-1) este de obicei doar de câteva procente; cu toate acestea, rolul înmulțirii rapide a neutronilor este semnificativ, deoarece pentru reactoarele nucleare mari ( LA ¥ - 1) << 1 (графитовые Ядерный реактор с естественным ураном, в которых впервые была осуществлена цепная реакция, невозможно было бы создать, если бы не существовало деления на быстрых нейтронах).

Valoarea maximă posibilă a lui J este atinsă într-un reactor nuclear care conține doar nuclee fisionabile. Reactoarele nucleare de putere folosesc uraniu slab îmbogățit (concentrație de 235 U ~ 3-5%), iar nucleele de 238 U absorb o parte apreciabilă a neutronilor. Astfel, pentru un amestec natural de izotopi de uraniu, valoarea maximă a lui nJ = 1.32. Absorbția neutronilor în moderatorul și materialele structurale nu depășește de obicei 5-20% din absorbția de către toți izotopii combustibilului nuclear. Dintre moderatori, apa grea are cea mai scăzută absorbție de neutroni și de materiale structurale, Al și Zr.

Probabilitatea captării prin rezonanță a neutronilor de către 238 nuclee U în timpul decelerației (1-j) este redusă semnificativ în reactoarele nucleare eterogene.Scăderea (1-j) se datorează faptului că numărul de neutroni cu energii apropiate de rezonanță scade brusc. în interiorul blocului de combustibil și în absorbția rezonantă este implicat doar stratul exterior al blocului. Structură eterogenă Un reactor nuclear face posibilă efectuarea unui proces în lanț pe uraniu natural. Reduce valoarea lui O, dar această pierdere de reactivitate este mult mai mică decât câștigul datorită scăderii absorbției rezonante.

Pentru a calcula un reactor nuclear termic, este necesar să se determine spectrul neutronilor termici. Dacă absorbția neutronilor este foarte slabă și neutronul are timp să se ciocnească de multe ori cu nucleele moderatorului înainte de absorbție, atunci se stabilește echilibrul termodinamic (termalizarea neutronilor) între mediul de moderare și gazul neutron și este descris spectrul neutronilor termici. Distribuția Maxwell . În realitate, absorbția neutronilor în zona activă a unui reactor nuclear este destul de mare. Acest lucru duce la o abatere de la distribuția Maxwell - energia medie a neutronilor este mai mare decât energia medie a moleculelor mediului. Procesul de termalizare este influențat de mișcările nucleelor, de legăturile chimice ale atomilor etc.

Arderea și reproducerea combustibilului nuclear. În timpul funcționării unui reactor nuclear, compoziția combustibilului se modifică datorită acumulării de fragmente de fisiune în acesta (vezi Fig. Nuclee de fisiune atomică) și cu educația elemente transuranice, în principal izotopi Pu. Influența fragmentelor de fisiune asupra reactivității Un reactor nuclear se numește otrăvire (pentru fragmentele radioactive) și zgură (pentru cele stabile). Intoxicarea se datorează în principal 135 Xe care are cea mai mare secțiune transversală de absorbție a neutronilor (2,6 10 6 hambar). Timpul său de înjumătățire T 1/2 = 9,2 ore, randamentul de fisiune este de 6-7%. Partea principală a lui 135 Xe se formează ca urmare a dezintegrarii lui 135 ]( Tts = 6,8 h). Când este otrăvit, Kef se modifică cu 1-3%. Secțiunea transversală mare de absorbție a 135 Xe și prezența izotopului intermediar 135 I duc la două fenomene importante: 1) o creștere a concentrației de 135 Xe și, în consecință, o scădere a reactivității unui reactor nuclear după ce acesta a fost oprit. sau puterea a fost redusă („groapa de iod”). Acest lucru face necesară o marjă suplimentară de reactivitate în organismele de reglementare sau face imposibile opririle pe termen scurt și fluctuațiile de putere. Adâncimea și durata puțului de iod depind de fluxul de neutroni Ф: la Ф = 5 10 13 neutroni/cm 2 × sec durata gropii de iod ~ 30 h, iar adâncimea este de 2 ori mai mare decât schimbarea staționară K ef cauzate de otrăvirea cu 135 Xe. 2) Din cauza otrăvirii, fluctuațiilor spațio-temporale ale fluxului de neutroni Ф și, prin urmare, pot apărea puterea Reactorul nuclear Aceste fluctuații apar la Ф> 10 13 neutroni / cm 2 × sec și dimensiuni mari Reactorul nuclear Perioade de oscilație ~ 10 h.

Numărul de fragmente stabile diferite care decurg din fisiunea nucleară este mare. Există fragmente cu secțiuni transversale de absorbție mari și mici în comparație cu secțiunea transversală de absorbție a unui izotop fisionabil. Concentrația primului atinge saturația în primele zile de funcționare a unui reactor nuclear (în principal 149 Sm, care modifică Keff cu 1%). Concentrația acestora din urmă și reactivitatea negativă introdusă de acestea cresc liniar cu timpul.

Formarea elementelor transuraniu într-un reactor nuclear are loc conform schemelor:

Aici z înseamnă captarea neutronilor, numărul de sub săgeată este timpul de înjumătățire.

Acumularea de 239 Pu (combustibil nuclear) la începutul funcționării Un reactor nuclear are loc liniar în timp și cu cât mai rapid (la o ardere fixă ​​de 235 U), cu atât este mai mică îmbogățirea uraniului. Atunci concentrația de 239 Pu tinde spre o valoare constantă, care nu depinde de gradul de îmbogățire, ci este determinată de raportul dintre secțiunile transversale de captare a neutronilor de 238 U și 239 Pu . Timpul caracteristic de stabilire a concentrației de echilibru 239 Pu ~ 3/ F ani (F în unități 10 13 neutroni/ cm 2×sec). Izotopii 240 Pu, 241 Pu ating o concentrație de echilibru numai atunci când combustibilul este ard din nou într-un reactor nuclear după regenerarea combustibilului nuclear.

Arderea combustibilului nuclear se caracterizează prin energia totală eliberată în reactorul nuclear la 1 T combustibil. Pentru un reactor nuclear care funcționează cu uraniu natural, arderea maximă este de ~ 10 gwt × zi/t(reactor nuclear cu apă grea). Într-un reactor nuclear cu uraniu slab îmbogățit (2-3% 235 U) burnout ~ 20-30 GW-zi/t.Într-un reactor nuclear cu neutroni rapidi - până la 100 GW-zi/t. Burnout 1 GW-zi/t corespunde arderii a 0,1% din combustibil nuclear.

Pe măsură ce combustibilul nuclear arde, reactivitatea unui reactor nuclear scade (într-un reactor nuclear care funcționează cu uraniu natural, o oarecare creștere a reactivității are loc la arderi scăzute). Înlocuirea combustibilului ars poate fi efectuată imediat din întregul miez sau treptat de-a lungul tijelor de combustibil, astfel încât să existe tije de combustibil de toate vârstele în miez - modul de realimentare continuă (sunt posibile opțiuni intermediare). În primul caz, un reactor nuclear cu combustibil proaspăt are un exces de reactivitate care trebuie compensat. În al doilea caz, o astfel de compensare este necesară doar la pornirea inițială, înainte de a intra în modul de suprasarcină continuă. Alimentarea continuă face posibilă creșterea adâncimii de ardere, deoarece reactivitatea unui reactor nuclear este determinată de concentrațiile medii de nuclizi fisionali (TVEL-urile cu o concentrație minimă de nuclizi fisionali sunt descărcate).Tabelul 2 prezintă compoziția combustibilului nuclear extras. (în kg) V reactor cu apă sub presiune putere 3 Gwt.Întregul miez este descărcat simultan după funcționarea reactorului nuclear timp de 3 aniși „extrase” 3 ani(F \u003d 3 × 10 13 neutroni / cm 2 × sec). Compozitie initiala: 238 U - 77350, 235 U - 2630, 234 U - 20.

Tab. 2. - Compoziția combustibilului descărcat, kg

Pentru o persoană obișnuită, dispozitivele moderne de înaltă tehnologie sunt atât de misterioase și misterioase încât este corect să le venerezi, așa cum anticii se închinau fulgerelor. Lecțiile școlare de fizică, pline de calcule matematice, nu rezolvă problema. Dar este interesant să spunem chiar și despre un reactor nuclear, al cărui principiu de funcționare este clar chiar și pentru un adolescent.

Cum funcționează un reactor nuclear?

Principiul de funcționare al acestui dispozitiv de înaltă tehnologie este următorul:

1. Când un neutron este absorbit, combustibil nuclear (cel mai adesea acesta uraniu-235 sau plutoniu-239) are loc divizarea nucleului atomic;
2. Se eliberează energia cinetică, radiația gamma și neutronii liberi;
3. Energia cinetică este transformată în energie termică (când nucleele se ciocnesc cu atomii din jur), radiațiile gamma sunt absorbite de reactor însuși și sunt, de asemenea, transformate în căldură;
4. Unii dintre neutronii generați sunt absorbiți de atomii de combustibil, ceea ce provoacă o reacție în lanț. Pentru a-l controla se folosesc absorbante de neutroni si moderatori;
5. Cu ajutorul unui lichid de răcire (apă, gaz sau sodiu lichid), căldura este îndepărtată din locul de reacție;
6. Aburul sub presiune din apa încălzită este utilizat pentru a antrena turbinele cu abur;
7. Cu ajutorul unui generator, energia mecanică de rotație a turbinelor este transformată în curent electric alternativ.

Abordări ale clasificării

Pot exista multe motive pentru tipologia reactoarelor:

• După tipul de reacție nucleară. Fisiunea (toate instalațiile comerciale) sau fuziunea (puterea termonucleară, este răspândită doar în unele institute de cercetare);
• Prin lichid de răcire. În marea majoritate a cazurilor, în acest scop este folosită apa (fiartă sau grea). Se folosesc uneori soluții alternative: metal lichid (sodiu, aliaj plumb-bismut, mercur), gaz (heliu, dioxid de carbon sau azot), sare topită (săruri fluorurate);
• După generație. Primul este prototipurile timpurii, care nu aveau niciun sens comercial. A doua este majoritatea centralelor nucleare utilizate în prezent, care au fost construite înainte de 1996. A treia generație diferă de cea anterioară doar prin îmbunătățiri minore. Lucrările la a patra generație sunt încă în desfășurare;
• După starea agregată combustibil (gazul există încă doar pe hârtie);
• După scopul utilizării(pentru producerea energiei electrice, pornirea motorului, producerea hidrogenului, desalinizarea, transmutarea elementelor, obținerea radiațiilor neuronale, în scopuri teoretice și de investigare).

Dispozitiv cu reactor nuclear

Principalele componente ale reactoarelor din majoritatea centralelor electrice sunt:

1. Combustibil nuclear - o substanță care este necesară pentru producerea de căldură pentru turbinele de putere (de obicei uraniu slab îmbogățit);
2. Zona activă a reactorului nuclear - aici are loc reacția nucleară;
3. Moderator de neutroni - reduce viteza neutronilor rapizi, transformându-i în neutroni termici;
4. Sursă de neutroni de pornire - utilizată pentru lansarea fiabilă și stabilă a unei reacții nucleare;
5. Absorbant de neutroni - disponibil în unele centrale electrice pentru a reduce reactivitatea ridicată a combustibilului proaspăt;
6. Obuzier cu neutroni - folosit pentru a reiniția o reacție după ce a fost oprit;
7. Lichid de răcire (apă purificată);
8. Tije de control - pentru a controla viteza de fisiune a nucleelor ​​de uraniu sau plutoniu;
9. Pompa de apa - pompeaza apa la cazanul de abur;
10. Turbină cu abur - transformă energia termică a aburului în energie mecanică de rotație;
11. Turn de răcire - un dispozitiv pentru îndepărtarea excesului de căldură în atmosferă;
12. Sistem de recepție și depozitare a deșeurilor radioactive;
13. Sisteme de siguranță (generatoare diesel de urgență, dispozitive pentru răcirea miezului de urgență).

Cum funcționează cele mai recente modele

Cea mai recentă generație de reactoare va fi disponibilă pentru funcționare comercială nu mai devreme de 2030. În prezent, principiul și aranjarea muncii lor sunt în stadiul de dezvoltare. Conform datelor actuale, aceste modificări vor diferi de modelele existente în acest sens beneficii:

• Sistem rapid de racire cu gaz. Se presupune că heliul va fi folosit ca lichid de răcire. Conform documentației de proiectare, reactoarele cu o temperatură de 850 °C pot fi răcite în acest fel. Pentru a lucra la temperaturi atât de ridicate sunt necesare și materii prime specifice: materiale ceramice compozite și compuși actinidici;
• Este posibil să se utilizeze plumb sau un aliaj plumb-bismut ca agent de răcire primar. Aceste materiale au o absorbție scăzută de neutroni și un punct de topire relativ scăzut;
• De asemenea, un amestec de săruri topite poate fi folosit ca agent de răcire principal. Astfel, va fi posibil să se lucreze la temperaturi mai ridicate decât omologii moderni răciți cu apă.

Analogi naturali în natură

Un reactor nuclear este perceput în mintea publicului doar ca un produs de înaltă tehnologie. Cu toate acestea, de fapt primul dispozitivul este de origine naturală. A fost descoperit în regiunea Oklo, în statul Gabon central din Africa:

• Reactorul s-a format din cauza inundării rocilor de uraniu de către apele subterane. Ei au acționat ca moderatori de neutroni;
• Energia termică eliberată în timpul descompunerii uraniului transformă apa în abur, iar reacția în lanț se oprește;
• După ce temperatura lichidului de răcire scade, totul se repetă din nou;
• Dacă lichidul nu ar fi fiert și nu ar fi oprit cursul reacției, omenirea s-ar fi confruntat cu un nou dezastru natural;
• Fisiunea nucleară auto-susținută a început în acest reactor în urmă cu aproximativ un miliard și jumătate de ani. În acest timp, au fost alocate aproximativ 0,1 milioane de wați de putere de ieșire;
• O astfel de minune a lumii de pe Pământ este singura cunoscută. Apariția altora noi este imposibilă: proporția de uraniu-235 din materiile prime naturale este mult mai mică decât nivelul necesar pentru a menține o reacție în lanț.

Câte reactoare nucleare sunt în Coreea de Sud?

Săracă în resurse naturale, dar industrializată și suprapopulată, Republica Coreea are mare nevoie de energie. Pe fundalul respingerii de către Germania a atomului pașnic, această țară are mari speranțe pentru a reduce tehnologia nucleară:

• Este planificat ca până în 2035 ponderea energiei electrice generate de centralele nucleare să ajungă la 60%, iar producția totală - mai mult de 40 gigawați;
• Țara nu are arme atomice, dar cercetările în fizica nucleară sunt în desfășurare. Oamenii de știință coreeni au dezvoltat modele pentru reactoare moderne: modulare, cu hidrogen, cu metal lichid etc.;
• Succesul cercetătorilor locali vă permite să vindeți tehnologie în străinătate. Este de așteptat ca în următorii 15-20 de ani țara să exporte 80 de astfel de unități;
• Dar de astăzi, majoritatea centralelor nucleare au fost construite cu ajutorul oamenilor de știință americani sau francezi;
• Numărul de stații de operare este relativ mic (doar patru), dar fiecare dintre ele are un număr semnificativ de reactoare - 40 în total, iar această cifră va crește.

Când este bombardat cu neutroni, combustibilul nuclear intră într-o reacție în lanț, în urma căreia se generează o cantitate imensă de căldură. Apa din sistem preia această căldură și o transformă în abur, care transformă turbinele care produc energie electrică. Iată o diagramă simplă a funcționării unui reactor atomic, cea mai puternică sursă de energie de pe Pământ.

Video: cum funcționează reactoarele nucleare

În acest videoclip, fizicianul nuclear Vladimir Chaikin vă va spune cum este generată electricitatea în reactoarele nucleare, structura lor detaliată: