Reactoarele nucleare moderne. Toată lumea a auzit, dar nimeni nu știe

Reactor nuclear- un dispozitiv în care se realizează o reacție nucleară controlată în lanț, însoțită de eliberarea de energie.

Poveste

O reacție în lanț controlată de fisiune nucleară (pe scurt - o reacție în lanț) a fost efectuată pentru prima dată în decembrie 1942. Un grup de fizicieni Universitatea din Chicago, condus de E. Fermi, a construit primul reactor nuclear din lume, numit SR-1. Era format din blocuri de grafit, între care erau amplasate bile de uraniu natural și dioxidul acestuia. Neutroni rapizi care apar după fisiunea nucleară 235U, au fost încetiniți de grafit la energii termice și apoi au provocat o nouă fisiune nucleară. Reactoarele precum SR-1, în care ponderea principală a fisiunilor au loc sub acțiunea neutronilor termici, se numesc reactoare cu neutroni termici. Conțin mult moderator în comparație cu uraniul.

ÎN URSS teoretic şi studii experimentale caracteristicile pornirii, exploatării și controlului reactoarelor au fost efectuate de un grup de fizicieni și ingineri sub îndrumarea academicianului I. V. Kurchatova. Primul reactor sovietic F-1 a fost pus în stare critică la 25 decembrie 1946. Reactorul F-1 a fost asamblat din blocuri de grafit și are forma unei bile cu diametrul de aproximativ 7,5 m. În partea centrală a bilei cu diametrul de 6 m. , tijele de uraniu sunt plasate prin orificiile blocurilor de grafit. Rezultatele cercetării la reactorul F-1 au devenit baza proiectelor de reactoare industriale mai complexe. În 1949 a fost dat în funcțiune un reactor de producție de plutoniu, iar la 27 iunie 1954 a fost pusă în funcțiune în orașul Obninsk prima centrală nucleară din lume cu o putere electrică de 5 MW.

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, i.e. reacții chimice, o astfel de creștere este de obicei de sute de grade Kelvin, în cazul reacțiilor nucleare este de cel puțin 107 ° K datorită foarte altitudine inalta Bariere Coulomb ale 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 reacției exoenergetice.

Dispunerea schematică a unui reactor cu neutroni termici eterogen1 - tijă de control; 2 - protectie biologica; 3 - protectie termica; 4 - moderator; 5 - combustibil nuclear; 6 - lichid de răcire.

Dispunerea schematică a unui reactor cu neutroni termici eterogen

tija de control;

protectie biologica;

protectie termala;

moderator;

combustibil nuclear;

lichid de răcire.

Proiecta

Orice reactor nuclear este format din următoarele părți:

Miez cu combustibil nuclear și moderator;

Reflector de neutroni care înconjoară miezul;

Lichid de răcire;

Sistem de control al reacției în lanț, inclusiv protecție în caz de urgență

Protecție împotriva radiațiilor

Sistem de control de la distanță

Principala caracteristică a unui reactor este puterea sa de ieșire. O putere de 1 MW corespunde unei reacții în lanț în care au loc 3 1016 diviziuni în 1 sec.

Principii fizice de funcționare

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

Aceste valori sunt caracterizate de următoarele valori:

k > 1 - reacția în lanț crește cu timpul, reactorul este în stare supercritică, reactivitatea sa ρ > 0;

k< 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, ρ < 0;

k = 1, ρ = 0 - numărul de fisiuni nucleare este constant, reactorul este într-o stare critică stabilă.

Stare de criticitate a reactorului nuclear:

ω este fracția din numărul total de neutroni produși în reactor care sunt absorbiți în miezul reactorului sau probabilitatea ca un neutron să evite scurgerea din volumul final.

k 0 este factorul de multiplicare a neutronilor în zona activă de dimensiuni infinit de mari.

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< k0, поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны

k0 pentru reactoare termice poate fi determinat prin așa-numita „formulă cu 4 factori”:

μ este factorul de multiplicare pentru neutronii rapizi;

φ este probabilitatea de a evita captarea rezonante;

θ este factorul de utilizare pentru neutronii termici;

η este randamentul de neutroni pe absorbție.

Volumele reactoarelor de putere moderne pot ajunge la sute de m 3 și sunt determinate în principal nu de condițiile de criticitate, ci de posibilitățile de îndepărtare a căldurii.

Volumul critic al unui reactor nuclear este volumul miezului reactorului într-o stare critică. Masa critică - 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. Teoretic, 251 Cf are cea mai mică masă critică, 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 posibilă utilizarea unei surse externe de neutroni pentru a porni reactorul, de exemplu, un amestec de Ra și Be, 252 Cf sau alte substanțe.

groapă de iod

O groapă de iod este starea unui reactor nuclear după ce acesta a fost oprit, caracterizată prin acumularea izotopului de xenon de scurtă durată (135 Xe). 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

După natura utilizării

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

Reactoare experimentale concepute pentru a studia diferite mărimi fizice, a căror valoare este necesară pentru proiectarea și funcționarea reactoarelor nucleare; puterea unor astfel de reactoare nu depășește câțiva kW;

Reactoare de cercetare în care fluxurile de neutroni și raze γ generate în nucleu sunt utilizate pentru cercetare în domeniul fizicii nucleare, fizicii stării solide, chimia radiațiilor, biologie, pentru testarea materialelor destinate funcționării în fluxuri intense de neutroni (inclusiv . părți ale nucleare). reactoare), pentru producerea de izotopi. Puterea reactoarelor de cercetare nu depășește 100 MW; energia eliberată de obicei nu este utilizată.

Reactoarele izotopice (de arme, industriale) utilizate pentru a produce izotopi folosiți în armele nucleare, cum ar fi 239Pu.

Reactoarele de putere destinate producerii de energie electrica si termica utilizate in sectorul energetic, in desalinizarea apei, pentru antrenarea centralelor electrice ale navelor etc.; Puterea termică a unui reactor de putere modern ajunge la 3–5 GW.

Conform spectrului de neutroni

Reactor cu neutroni termici („reactor termic”)

Reactor rapid cu neutroni („reactor rapid”)

Reactorul pe neutroni intermediari

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).

Blocuri combustibil nuclearîntr-un reactor eterogen se numesc elemente de combustibil (TVEL), care sunt plasate în zona activă la nodurile unei rețele obișnuite, formând celule.

După tipul de combustibil

După gradul de îmbogățire:

uraniu natural

Uraniu slab îmbogățit

Izotop pur fisionabil

După compoziția chimică:

metal U

UO 2 (dioxid de uraniu)

UC (carbură de uraniu), etc.

După tipul de lichid de răcire

H2O (apă, vezi PWR)

Gaz, (vezi reactor grafit-gaz)

Reactor cu lichid de răcire organic

Reactor cu lichid de răcire din metal

Reactorul cu sare topită

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 retarder

De proiectare

Reactoarele cu rezervor

Reactoarele cu canal

metoda de generare a aburului

Reactor cu generator extern de abur

Reactorul de fierbere

La începutul secolului al XXI-lea, cele mai comune sunt reactoarele nucleare cu neutroni termici eterogene cu moderatori - H 2 O, C, D 2 O și agenți de răcire - H 2 O, gaz, D 2 O, de exemplu, apă-apă VVER, canalul RBMK.

Reactoarele rapide sunt de asemenea promițătoare. Combustibilul din ele este 238U, ceea ce face posibilă îmbunătățirea utilizării combustibilului nuclear de zece ori în comparație cu reactoarele termice, ceea ce crește semnificativ resursele. energie nucleara.

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.

Coji de tije de combustibil, canale, moderatoare (reflectoare) sunt realizate din materiale cu secțiuni transversale de absorbție mici. Utilizarea materialelor care absorb slab neutronii reduce consumul neproductiv de neutroni, reduce încărcarea combustibilului nuclear și crește rata de reproducere a HF. Pentru tijele absorbante, dimpotrivă, sunt potrivite materiale cu o secțiune transversală mare de absorbție. Acest lucru reduce foarte mult numărul de tije necesare pentru a controla reactorul.

Neutronii rapizi, γ-quanta și fragmentele de fisiune dăunează structurii materiei. Deci, într-o materie solidă, neutronii rapidi scot atomii din rețeaua cristalină sau îi mută de la locul lor. Ca urmare, proprietățile plastice și conductivitatea termică a materialelor se deteriorează. Moleculele complexe sub influența radiațiilor se descompun în molecule mai simple sau atomi compoziți. De exemplu, apa se descompune în oxigen și hidrogen. Acest fenomen este cunoscut sub numele de radioliză a apei.

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 (placarea combustibilului 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, din cauza acumulării de fragmente de fisiune în combustibil, compoziția sa izotopică și chimică se modifică și se formează elemente transuraniu, în principal izotopi Pu. Efectul fragmentelor de fisiune asupra reactivității unui reactor nuclear se numește otrăvire (pentru fragmentele radioactive) și zgură (pentru izotopii stabili).

Principala cauză a otrăvirii reactorului este 135 Xe, care are cea mai mare secțiune transversală de absorbție a neutronilor (2,6 106 barn). Timp de înjumătățire 135 Xe T½ = 9,2 ore; randamentul de diviziune este de 6-7%. Partea principală a 135Xe se formează ca urmare a dezintegrarii lui 135 I (T½ = 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 conduc la două fenomene importante:

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 1018 neutroni/(cm 2 sec), durata puțului de iod este de ˜ 30 h, iar adâncimea este de 2 ori mai mare decât schimbarea staționară Kef cauzat de otrăvirea cu 135 Xe.

Din cauza otrăvirii, pot apărea fluctuații spațio-temporale ale fluxului de neutroni Ф și, în consecință, ale puterii reactorului. Aceste oscilații apar la Ф > 1018 neutroni/(cm 2 sec) și reactoare de dimensiuni mari. Perioade de oscilație ˜ 10 h.

În timpul fisiunii nucleare, număr mare fragmente stabile care diferă în secțiunile lor transversale de absorbție în comparație cu 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. În principal este 149Sm schimbând Kef-ul cu 1%. Concentrația fragmentelor cu secțiune transversală de absorbție mică și reactivitatea negativă introdusă de acestea cresc liniar cu timpul.

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

235 U + n → 236 U + n → 237 U → (7 zile) → 237 Np + n → 238 Np → (2,1 zile) → 238 Pu

238 U + n → 239 U → (23 min) → 239 Np → (2,3 zile) → 239 Pu (+ fragmente) + n → 240 Pu + n → 241 Pu (+ fragmente) + n → 242 Pu + n → 243 Pu →(5 h)→ 243 Am + n → 244 Am →(26 min)→ 244 Cm

Timpul dintre săgeți indică timpul de înjumătățire, „+n” indică absorbția neutronului.

La începutul funcționării reactorului, are loc o acumulare liniară de 239 Pu, iar cu cât mai rapidă (la o ardere fixă ​​de 235 U), cu atât este mai mică îmbogățirea cu uraniu. În plus, concentrația de 239 Pu tinde să valoare constantă, care nu depinde de gradul de îmbogățire, ci este determinat de raportul secțiunilor transversale de captare a neutronilor pentru 238U și 239Pu. Timpul caracteristic pentru stabilirea concentrației de echilibru a 239 Pu este ˜ 3/F ani (F în unități este 1013 neutroni/cm 2 s). Izotopii 240 Pu, 241 Pu ajung la 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 reactor per 1 combustibil. Această valoare este:

˜ 10 GW zi/t — reactoare cu apă grea;

˜ 20–30 GW zi/t pentru reactoare cu uraniu slab îmbogățit (2–3% 235U);

până la 100 GW zi/t - reactoare rapide cu neutroni.

O ardere de 1 GW zi/t corespunde arderii a 0,1% din combustibil nuclear.

Pe măsură ce combustibilul arde, reactivitatea reactorului scade. Înlocuirea combustibilului ars se efectuează imediat din întregul miez sau treptat, lăsând în funcțiune elemente de combustibil de diferite „vârste”. Acest mod se numește alimentare continuă.

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, apoi, după 1-2 min, din cauza radiațiilor β și γ a fragmentelor de fisiune și a elementelor transuraniu, eliberarea de energie continuă în combustibil. Dacă reactorul a funcționat un timp suficient de lung 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%.

Raportul dintre numărul de izotopi Pu fisionali formați într-un reactor nuclear și cantitatea de 235 U arsă se numește factor de conversie KK. Valoarea KK 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, KK = 0,55, iar pentru arderi mici (în acest caz, KK se numește factorul plutoniu inițial) KK = 0,8. Dacă un reactor nuclear arde și produce aceiași izotopi (reactor de reproducere), atunci raportul dintre rata de reproducere și rata de ardere se numește raportul de reproducere CV. În reactoarele nucleare pe neutroni termici KV< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах КВ может достигать 1,4—1,5. Рост КВ для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g растёт, а а падает.

Controlul reactorului nuclear

Un reactor nuclear poate funcționa la o putere dată timp îndelungat numai dacă are o marjă de reactivitate la începutul funcționării. Procesele care au loc în reactor determină o deteriorare a proprietăților de ameliorare ale mediului, iar fără mecanismul de recuperare a reactivității, reactorul nu ar putea funcționa nici măcar pentru o perioadă scurtă de timp. Marja de reactivitate inițială este creată prin construirea unui miez cu dimensiuni mult mai mari decât cele critice. Pentru a preveni ca reactorul să devină supercritic, în miez sunt introduși absorbanți de neutroni. Absorbantele fac parte din materialul tijelor de control care se deplasează de-a lungul canalelor corespunzătoare din miez. Mai mult, dacă doar câteva tije sunt suficiente pentru reglare, atunci numărul de tije poate ajunge la sute pentru a compensa excesul inițial de reactivitate. Tijele de compensare sunt retrase treptat din miezul reactorului, asigurând o stare critică pe toată durata de funcționare a acestuia. Compensarea arderii se poate realiza si prin folosirea unor absorbante speciale, a caror eficienta scade atunci cand capteaza neutroni (Cd, B, elemente de pamant rare) sau solutii de substante absorbante in moderator.

Controlul unui reactor nuclear este simplificat de faptul că în timpul fisiunii unii dintre neutroni zboară din fragmente cu o întârziere care poate varia de la 0,2 la 55 de secunde. Datorită acestui fapt, fluxul de neutroni și, în consecință, puterea se schimbă destul de ușor, dând timp pentru a lua o decizie și a schimba starea reactorului din exterior.

Un sistem de control și protecție (CPS) este utilizat pentru a controla un reactor nuclear. Organele CPS sunt împărțite în:

Urgență, reducerea reactivității (introducerea reactivității negative în reactor) când apar semnale de urgență;

Regulatoare automate care mențin un flux de neutroni constant Ф (adică puterea de ieșire);

Compensator, care servește la compensarea efectelor otrăvirii, epuizării, temperaturii.

În cele mai multe cazuri, pentru controlul reactorului se folosesc tije care sunt introduse în miez, realizate din materiale care absorb puternic neutronii (Cd, B etc.). Mișcarea tijelor este controlată de mecanisme speciale care funcționează pe semnalele dispozitivelor care sunt sensibile la mărimea fluxului de neutroni.

Funcționarea organelor CPS este simplificată considerabil pentru reactoarele cu un coeficient de temperatură negativ de reactivitate (r scade odată cu creșterea temperaturii).

Pe baza informațiilor despre starea reactorului, un sistem informatic special generează recomandări operatorului de a schimba starea reactorului sau, în anumite limite, reactorul este controlat fără participarea operatorului.

În cazul unei dezvoltări catastrofale neprevăzute a unei reacții în lanț, fiecare reactor prevede o terminare de urgență a reacției în lanț, realizată prin aruncarea tijelor speciale de urgență sau a tijelor de siguranță în miez - un sistem de protecție în caz de urgență.

Reactoarele nucleare au o singură sarcină: să divizeze atomii într-o reacție controlată și să folosească energia eliberată pentru a genera energie electrică. De mulți ani, reactoarele au fost văzute atât ca un miracol, cât și ca o amenințare.

Când primul reactor comercial din SUA a intrat în funcțiune la Shippingport, Pennsylvania, în 1956, tehnologia a fost salutată ca puterea viitorului, unii crezând că reactoarele ar face generarea de electricitate prea ieftină. Acum au fost construite 442 de reactoare nucleare în întreaga lume, aproximativ un sfert dintre aceste reactoare sunt în Statele Unite. Lumea a devenit dependentă de reactoarele nucleare, care generează 14% din electricitate. Futuristii chiar fantezau despre mașini nucleare.

Când reactorul Unității 2 de la centrala electrică Three Mile Island din Pennsylvania a suferit o defecțiune de răcire în 1979 și, ca urmare, o topire parțială a combustibilului său radioactiv, sentimentele calde despre reactoare s-au schimbat radical. Chiar dacă a fost efectuată o blocare a reactorului distrus și nu a avut loc nicio eliberare radioactivă majoră, mulți oameni au început să vadă reactoarele ca fiind prea complexe și vulnerabile, cu consecințe potențial catastrofale. Oamenii au devenit îngrijorați și de deșeurile radioactive din reactoare. Drept urmare, construcția de noi centrale nucleare în Statele Unite a încetat. Când a avut loc un accident mai grav la centrala nucleară de la Cernobîl din Uniunea Sovietică în 1986, energia nucleară părea condamnată.

Dar, la începutul anilor 2000, reactoarele nucleare au început să revină, datorită unei cereri în creștere de energie și unei oferte în scădere de combustibili fosili, precum și preocupărilor tot mai mari cu privire la schimbările climatice cauzate de emisiile de dioxid de carbon.

Dar în martie 2011, a lovit o altă criză - de data aceasta, Fukushima 1, o centrală nucleară din Japonia, a fost grav avariată de un cutremur.

Utilizarea reacției nucleare

Mai simplu spus, într-un reactor nuclear, atomii se divid și eliberează energia care menține părțile lor împreună.

Dacă ai uitat de fizică liceu vă vom aminti cum Fisiune nucleara lucrări. Atomii sunt mici sisteme solare, cu un nucleu ca Soarele și electroni precum planetele care orbitează în jurul lui. Nucleul este format din particule numite protoni și neutroni care sunt legate între ele. Forța care leagă elementele nucleului este greu de imaginat. Este de multe miliarde de ori mai puternică decât forța gravitației. În ciuda acestei forțe enorme, este posibil să se scindeze nucleul trăgând neutroni în el. Când se va face acest lucru, va fi eliberată multă energie. Când atomii se despart, particulele lor se lovesc de atomii din apropiere, împărțindu-i, iar pe aceștia, la rândul lor, următorul, următorul, următorul. Există un așa-zis reacție în lanț.

Uraniul, un element cu atomi mari, este ideal pentru procesul de fisiune, deoarece forța care leagă particulele din miezul său este relativ slabă în comparație cu alte elemente. Reactoarele nucleare folosesc un izotop specific numit Laa fugit-235 . Uraniul-235 este rar în natură, minereul din minele de uraniu conținând doar aproximativ 0,7% U-235. De aceea folosesc reactoare îmbogățitLaalerga, care este creat prin izolarea și concentrarea uraniului-235 printr-un proces de difuzie gazoasă.

Un proces de reacție în lanț poate fi creat într-o bombă atomică, asemănătoare celor care au fost aruncate asupra orașelor japoneze Hiroshima și Nagasaki în timpul celui de-al Doilea Război Mondial. Dar într-un reactor nuclear, reacția în lanț este controlată prin introducerea tijelor de control din materiale precum cadmiu, hafniu sau bor, care absorb o parte din neutroni. Acest lucru permite încă procesului de fisiune să elibereze suficientă energie pentru a încălzi apa la aproximativ 270 de grade Celsius și a o transforma în abur, care este folosit pentru a transforma turbinele centralei și a genera electricitate. În principiu, în acest caz, o bombă nucleară controlată funcționează în loc de cărbune, creând electricitate, cu excepția faptului că energia de fierbere a apei provine din scindarea atomilor, în loc de arderea carbonului.

Componentele reactoarelor nucleare

Sunt cateva tipuri variate reactoare nucleare, dar toate au unele caracteristici comune. Toate au un depozit de pelete de combustibil radioactiv - de obicei oxid de uraniu - care sunt aranjate în tuburi pentru a forma bare de combustibil în miezereactor.

Reactorul are și cele menționate anterior manageriietijăȘi— dintr-un material care absoarbe neutroni, cum ar fi cadmiul, hafniul sau borul, care este introdus pentru a controla sau opri reacția.

Reactorul are, de asemenea moderator, o substanță care încetinește neutronii și ajută la controlul procesului de fisiune. Majoritatea reactoarelor din Statele Unite folosesc apă plată, dar reactoarele din alte țări folosesc uneori grafit sau greuWowapela, în care hidrogenul este înlocuit cu deuteriu, un izotop al hidrogenului cu un proton și un neutron. O altă parte importantă a sistemului este răcireși eulichidb, de obicei apă obișnuită, care absoarbe și transferă căldură din reactor pentru a crea abur care să rotească turbina și răcește zona reactorului, astfel încât să nu atingă temperatura la care se va topi uraniul (aproximativ 3815 grade Celsius).

În cele din urmă, reactorul este închis în coajăla, o structură mare, grea, de obicei de câțiva metri grosime, din oțel și beton, care ține în interior gazele și lichidele radioactive acolo unde nu pot dăuna nimănui.

Mânca întreaga linie diverse modele reactoare în uz, dar unul dintre cele mai comune este reactor de putere cu apă sub presiune (VVER). Într-un astfel de reactor, apa este forțată să intre în contact cu miezul și apoi rămâne acolo sub o astfel de presiune încât nu se poate transforma în abur. Această apă aflată apoi în generatorul de abur intră în contact cu apa furnizată fără presiune, care se transformă în abur care rotește turbinele. Există și un design reactor de tip canal de mare putere (RBMK) cu un singur circuit de apă și reactor rapid cu neutroni cu două circuite de sodiu și unul de apă.

Cât de sigur este un reactor nuclear?

Răspunsul la această întrebare este destul de dificil și depinde de cine întrebi și de ce înțelegeți prin „sigur”. Vă îngrijorează radiațiile sau deșeurile radioactive generate în reactoare? Sau ești mai îngrijorat de posibilitatea unui accident catastrofal? Ce grad de risc considerați un compromis acceptabil pentru beneficiile energiei nucleare? Și în ce măsură ai încredere în guvern și energie nucleara?

„Radiația” este un argument valid, în principal pentru că știm cu toții că doze mari de radiații, cum ar fi cele dintr-o explozie bombă nucleară poate ucide multe mii de oameni.

Susținătorii energiei nucleare, totuși, subliniază că toți suntem expuși în mod regulat la radiații de la diverse surse, inclusiv razele cosmice și radiațiile naturale emise de Pământ. Doza medie anuală de radiații este de aproximativ 6,2 milisievert (mSv), jumătate din aceasta sursele naturaleși jumătate din surse artificiale, de la radiografii toracice, detectoare de fum și fețe de ceas luminoase. Câte radiații primim de la reactoarele nucleare? Doar o mică parte dintr-un procent din expunerea noastră anuală tipică, 0,0001 mSv.

În timp ce toate centralele nucleare scurg inevitabil cantități mici de radiații, comisiile de reglementare țin operatorii centralelor nucleare sub reglementări stricte. Ele nu pot expune oamenii care locuiesc în jurul uzinei la mai mult de 1 mSv de radiații pe an, iar lucrătorii din fabrică au un prag de 50 mSv pe an. Acest lucru poate părea mult, dar conform Comisiei de Reglementare Nucleară, nu există dovezi medicale că dozele anuale de radiații sub 100 mSv prezintă riscuri pentru sănătatea oamenilor.

Dar este important de menționat că nu toată lumea este de acord cu o astfel de evaluare a riscurilor de radiații. De exemplu, organizația Medici pentru responsabilitate socială, un critic de multă vreme al industriei nucleare, a studiat copiii care trăiesc în jurul centralelor nucleare germane. Studiul a arătat că oamenii care locuiesc la 5 km de centrale au un risc dublu de a contracta leucemie în comparație cu cei care locuiesc mai departe de centrala nucleară.

reactor de deșeuri nucleare

Energia nucleară este prezentată de susținătorii săi drept energie „curată”, deoarece reactorul nu emite cantități mari de gaze cu efect de seră în atmosferă, în comparație cu centrale electrice pe cărbune. Dar criticii indică un altul problemă de mediu— Eliminarea deșeurilor nucleare. O parte din deșeurile de combustibil uzat de la reactoare încă eliberează radioactivitate. Alte lucruri inutile care ar trebui salvate sunt deseuri radioactive nivel inalt , reziduul lichid de la prelucrarea combustibilului uzat, în care rămâne o parte din uraniu. În prezent, majoritatea acestor deșeuri sunt stocate local la centralele nucleare în iazuri de apă care absorb o parte din căldura rămasă produsă de combustibilul uzat și ajută la protejarea lucrătorilor de expunerea la radiații.

Una dintre problemele combustibilului nuclear uzat este că acesta a fost alterat în timpul procesului de fisiune.Când atomii mari de uraniu sunt fisurați, aceștia creează produse secundare - izotopi radioactivi ai mai multor elemente ușoare precum cesiu-137 și stronțiu-90, numiți. produse de fisiune. Sunt fierbinți și extrem de radioactivi, dar în cele din urmă, pe o perioadă de 30 de ani, se degradează în forme mai puțin periculoase. Această perioadă se numește Pperioadăohmjumătate de viață. Pentru alte elemente radioactive, timpul de înjumătățire va fi diferit. În plus, unii atomi de uraniu captează și neutroni, formând elemente mai grele precum plutoniul. Aceste elemente transuraniu nu generează atât de multă căldură sau radiații penetrante ca produsele de fisiune, dar durează mult mai mult până se descompune. Plutoniul-239, de exemplu, are un timp de înjumătățire de 24.000 de ani.

Aceste radioactiveplecares nivel inalt de la reactoare sunt periculoase pentru oameni și alte forme de viață, deoarece pot elibera doze uriașe și letale de radiații chiar și la o expunere scurtă. La zece ani de la scoaterea combustibilului dintr-un reactor, de exemplu, emit de 200 de ori mai multă radioactivitate pe oră decât este nevoie pentru a ucide o persoană. Și dacă deșeurile ajung în panza freatica sau râuri, pot intra în lanțul trofic și pot pune în pericol un numar mare de al oamenilor.

Deoarece deșeurile sunt atât de periculoase, mulți oameni se află într-o poziție dificilă. 60.000 de tone de deșeuri sunt situate la centralele nucleare din apropierea marilor orașe. Dar găsirea unui loc sigur pentru depozitarea deșeurilor este foarte dificilă.

Ce poate merge prost cu un reactor nuclear?

Cu autoritățile guvernamentale privind experiența lor, inginerii au petrecut mult timp de-a lungul anilor proiectând reactoare pentru o siguranță optimă. Doar că nu se sparg, nu funcționează corect și au copii de rezervă dacă lucrurile nu merg conform planului. Ca urmare, an de an, centralele nucleare par a fi destul de sigure în comparație cu, să zicem, călătoriile cu avionul, care ucid în mod obișnuit între 500 și 1.100 de oameni pe an în întreaga lume.

Cu toate acestea, reactoarele nucleare depășesc defecțiuni majore. De scara internationala de evenimente nucleare, în care accidentele de reactoare sunt evaluate de la 1 la 7, au existat cinci accidente din 1957 care au fost evaluate de la 5 la 7.

Cel mai rău coșmar este defectarea sistemului de răcire, ceea ce duce la supraîncălzirea combustibilului. Combustibilul se transformă într-un lichid și apoi arde prin reținere, aruncând radiații radioactive. În 1979, Unitatea 2 de la centrala nucleară Three Mile Island (SUA) era în pragul acestui scenariu. Din fericire, un sistem de izolare bine conceput a fost suficient de puternic pentru a împiedica scăparea radiațiilor.

URSS a fost mai puțin norocoasă. Un accident nuclear grav a avut loc în aprilie 1986 la a 4-a unitate de putere de la centrala nucleară de la Cernobîl. Acest lucru a fost cauzat de o combinație de defecțiuni ale sistemului, defecte de proiectare și personal slab pregătit. În timpul unui test de rutină, reacția a crescut brusc și tijele de control s-au blocat, prevenind oprirea de urgență. Acumularea bruscă de abur a provocat două explozii termice, aruncând în aer moderatorul de grafit al reactorului. În absența a ceva care să răcească barele de combustibil ale reactorului, acestea au început să se supraîncălzească și să se distrugă complet, drept urmare combustibilul a căpătat o formă lichidă. Mulți lucrători ai stației și lichidatorii accidentului au murit. O cantitate mare de radiații s-a răspândit pe o suprafață de 323.749 de kilometri pătrați. Numărul deceselor cauzate de radiații este încă neclar, dar Organizația Mondială a Sănătății spune că este posibil să fi cauzat 9.000 de decese prin cancer.

Constructorii de reactoare nucleare dau garanții bazate pe estimare probabilisticaeîn care încearcă să echilibreze prejudiciul potențial al unui eveniment cu probabilitatea ca acesta să se producă efectiv. Unii critici spun însă că ar trebui să se pregătească, în schimb, pentru evenimentele rare, cele mai neașteptate, dar foarte periculoase. Un exemplu ilustrativ este accidentul din martie 2011 de la centrala nucleară Fukushima 1 din Japonia. Se pare că stația a fost proiectată să reziste cutremur puternic, dar nu la fel de catastrofal ca cutremurul cu magnitudinea de 9,0 care a ridicat un val de tsunami de 14 metri peste diguri concepute pentru a rezista unui val de 5,4 metri. Asaltoul tsunami-ului a distrus generatoarele diesel de rezervă care erau menite să alimenteze sistemul de răcire al celor șase reactoare ale centralei nucleare în cazul unei întreruperi de curent.Astfel, chiar și după ce tijele de control ale reactoarelor de la Fukushima au oprit reacția de fisiune, combustibil încă fierbinte a permis temperatura în interiorul reactoarelor distruse.

Oficialii japonezi au recurs în ultimă instanță - inundarea reactoarelor cu o cantitate imensă de apă de mare cu adaos de acid boric, care a putut preveni o catastrofă, dar a distrus echipamentul reactorului. În cele din urmă, cu ajutorul camioanelor de pompieri și șlepurilor, japonezii au reușit să pompeze apă proaspătă în reactoare. Dar până atunci, monitorizarea arătase deja niveluri alarmante de radiații în pământul și apa din jur. Într-un sat la 40 km de această centrală nucleară, elementul radioactiv Cesiu-137 s-a dovedit a fi la niveluri mult mai ridicate decât după Dezastrul de la Cernobîl, ceea ce a ridicat îndoieli cu privire la posibilitatea locuirii umane în această zonă.

Reactorul nuclear (atomic).
reactor nuclear

Reactorul nuclear (atomic). - o instalație în care se desfășoară o reacție în lanț de fisiune nucleară controlată auto-susținută. Reactoarele nucleare sunt utilizate în industria nucleară și în scopuri de cercetare. Partea principală a reactorului este zona sa activă, unde are loc fisiunea nucleară și este eliberată energia nucleară. Zona activă, care are de obicei forma unui cilindru cu un volum de la fracțiuni de litru la mulți metri cubi, conține material fisionabil (combustibil nuclear) într-o cantitate care depășește masa critică. Combustibilul nuclear (uraniu, plutoniu) este plasat, de regulă, în interiorul elementelor de combustibil (elementele FE), al căror număr în miez poate ajunge la zeci de mii. TVEL-urile sunt grupate în pachete de câteva zeci sau sute de bucăți. Miezul, în cele mai multe cazuri, este un set de elemente de combustibil scufundate într-un mediu de moderare (moderator) - o substanță, datorită ciocnirilor elastice cu atomii a căror energie neutronilor care provoacă și însoțesc fisiunea este redusă la energiile echilibrului termic cu mediu. Astfel de neutroni „termici” au o capacitate crescută de a provoca fisiune. Ca moderator, se folosesc de obicei apa (inclusiv grea, D 2 O) și grafitul. Miezul reactorului este înconjurat de un reflector format din materiale care pot împrăștia bine neutronii. Acest strat returnează neutronii emiși din miez înapoi în această zonă, crescând viteza reacției în lanț și reducând masa critică. Ecranul biologic împotriva radiațiilor din beton și alte materiale este plasat în jurul reflectorului pentru a reduce radiația din exteriorul reactorului la un nivel acceptabil.
În zona activă, ca urmare a fisiunii, o energie uriașă este eliberată sub formă de căldură. Se scoate din miez cu ajutorul gazului, apei sau a unei alte substante (lichid de racire), care este pompat constant prin miez, spalandu-se elementele de combustibil. Această căldură poate fi folosită pentru a crea abur fierbinte care transformă o turbină într-o centrală electrică.
Pentru a controla viteza reacției în lanț de fisiune, se folosesc tije de control din materiale care absorb puternic neutronii. Introducerea lor în miez reduce viteza reacției în lanț și, dacă este necesar, o oprește complet, în ciuda faptului că masa combustibilului nuclear o depășește pe cea critică. Pe măsură ce tijele de control sunt îndepărtate din miez, absorbția neutronilor scade, iar reacția în lanț poate fi adusă la stadiul de auto-susținere.
Primul reactor a fost lansat în SUA în 1942. În Europa, primul reactor a fost lansat în 1946 în URSS.

Dispozitivul și principiul de funcționare se bazează pe inițializarea și controlul unei reacții nucleare autosusținute. Este folosit ca instrument de cercetare, pentru producerea de izotopi radioactivi și ca sursă de energie pentru centralele nucleare.

principiul de funcționare (pe scurt)

Aici, se folosește un proces în care un nucleu greu se rupe în două fragmente mai mici. Aceste fragmente sunt într-o stare foarte excitată și emit neutroni, alte particule subatomice și fotoni. Neutronii pot provoca noi fisiuni, în urma cărora sunt emiși mai mulți neutroni și așa mai departe. O astfel de serie continuă de divizări auto-susținută se numește reacție în lanț. În acest caz, se eliberează o cantitate mare de energie, a cărei producție este scopul utilizării centralelor nucleare.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear este astfel încât aproximativ 85% din energia de fisiune este eliberată într-o perioadă foarte scurtă de timp după începerea reacției. Restul este produs de dezintegrarea radioactivă a produselor de fisiune după ce au emis neutroni. Dezintegrarea radioactivă este procesul prin care un atom ajunge într-o stare mai stabilă. Continuă chiar și după finalizarea diviziunii.

Într-o bombă atomică, reacția în lanț crește în intensitate până când cea mai mare parte a materialului a fost divizată. Acest lucru se întâmplă foarte repede, producând exploziile extrem de puternice caracteristice unor astfel de bombe. Dispozitivul și principiul de funcționare al unui reactor nuclear se bazează pe menținerea unei reacții în lanț la un nivel controlat, aproape constant. Este proiectat în așa fel încât va exploda ca bombă atomică, nu poti.

Reacție în lanț și criticitate

Fizica unui reactor de fisiune nucleară este că reacția în lanț este determinată de probabilitatea de fisiune nucleară după emisia de neutroni. Dacă populația acestuia din urmă scade, atunci rata de fisiune va scădea în cele din urmă la zero. În acest caz, reactorul va fi într-o stare subcritică. Dacă populația de neutroni este menținută la un nivel constant, atunci rata de fisiune va rămâne stabilă. Reactorul va fi în stare critică. Și, în sfârșit, dacă populația de neutroni crește în timp, rata de fisiune și puterea vor crește. Starea nucleului va deveni supercritică.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear este următorul. Înainte de lansare, populația de neutroni este aproape de zero. Operatorii scot apoi tijele de control din miez, crescând fisiunea nucleară, ceea ce pune temporar reactorul într-o stare supercritică. După atingerea puterii nominale, operatorii returnează parțial tijele de comandă, ajustând numărul de neutroni. În viitor, reactorul este menținut într-o stare critică. Când trebuie oprit, operatorii introduc tijele complet. Acest lucru suprimă fisiunea și aduce miezul într-o stare subcritică.

Tipuri de reactoare

Majoritatea instalațiilor nucleare din lume sunt generatoare de energie, generând căldura necesară pentru a roti turbinele care antrenează generatoarele de energie electrică. Există, de asemenea, multe reactoare de cercetare, iar unele țări au submarine sau nave de suprafață cu propulsie nucleară.

Centrale electrice

Există mai multe tipuri de reactoare de acest tip, dar designul cu apă ușoară și-a găsit o aplicație largă. La rândul său, poate folosi apă sub presiune sau apă clocotită. În primul caz, lichidul presiune ridicataîncălzit de căldura miezului și intră în generatorul de abur. Acolo, căldura din circuitul primar este transferată în secundar, care conține și apă. Aburul generat în cele din urmă servește ca fluid de lucru în ciclul turbinei cu abur.

Reactorul de tip fierbere funcționează pe principiul unui ciclu energetic direct. Apa, care trece prin zona activă, este adusă la fierbere la un nivel mediu de presiune. Aburul saturat trece printr-o serie de separatoare și uscătoare situate în vasul reactorului, ceea ce îl aduce într-o stare supraîncălzită. Vaporii de apă supraîncălziți sunt apoi utilizați ca fluid de lucru pentru a transforma o turbină.

Răcit cu gaz la temperatură ridicată

Un reactor răcit cu gaz la temperatură înaltă (HTGR) este un reactor nuclear al cărui principiu de funcționare se bazează pe utilizarea unui amestec de microsfere de grafit și combustibil drept combustibil. Există două modele concurente:

• sistemul german „de umplere”, care folosește elemente de combustibil sferice de 60 mm, care sunt un amestec de grafit și combustibil într-o carcasă de grafit;
• o versiune americană sub formă de prisme hexagonale din grafit care se întrepătrund pentru a forma o zonă activă.

În ambele cazuri, lichidul de răcire este format din heliu la o presiune de aproximativ 100 de atmosfere. În sistemul german, heliul trece prin goluri din stratul de elemente de combustibil sferice, iar în sistemul american, prin găuri în prisme de grafit situate de-a lungul axei zonei centrale a reactorului. Ambele opțiuni pot funcționa la temperaturi foarte ridicate, deoarece grafitul are o temperatură de sublimare extrem de ridicată, în timp ce heliul este complet inert din punct de vedere chimic. Heliul fierbinte poate fi utilizat direct ca fluid de lucru într-o turbină cu gaz la temperatură ridicată, sau căldura sa poate fi folosită pentru a genera abur ciclului apei.

Metal lichid și principiu de lucru

Reactoarele cu neutroni rapidi răcite cu sodiu au primit multă atenție în anii 1960 și 1970. Apoi s-a părut că capacitatea lor de a se reproduce în viitorul apropiat era necesară pentru producerea de combustibil pentru industria nucleară în dezvoltare rapidă. Când a devenit clar în anii 1980 că această așteptare era nerealistă, entuziasmul a dispărut. Cu toate acestea, o serie de reactoare de acest tip au fost construite în SUA, Rusia, Franța, Marea Britanie, Japonia și Germania. Cele mai multe dintre ele funcționează cu dioxid de uraniu sau amestecul acestuia cu dioxid de plutoniu. În Statele Unite, însă, cel mai mare succes a fost realizat cu combustibili metalici.

CANDU

Canada și-a concentrat eforturile asupra reactoarelor care folosesc uraniu natural. Acest lucru elimină necesitatea îmbogățirii sale de a recurge la serviciile altor țări. Rezultatul acestei politici a fost reactorul deuteriu-uraniu (CANDU). Controlul și răcirea în el se realizează cu apă grea. Dispozitivul și principiul de funcționare al unui reactor nuclear este utilizarea unui rezervor cu D 2 O rece la presiunea atmosferică. Miezul este străpuns de țevi din aliaj de zirconiu cu combustibil natural de uraniu, prin care apa grea îl răcește. Electricitatea este produsă prin transferul căldurii de fisiune din apa grea la lichidul de răcire care circulă prin generatorul de abur. Aburul din circuitul secundar trece apoi printr-un ciclu convențional de turbină.

Facilități de cercetare

Pentru cercetare științifică cel mai des utilizat reactor nuclear, al cărui principiu de funcționare este utilizarea de răcire cu apă și elemente de combustibil de uraniu sub formă de plăci sub formă de ansambluri. Capabil să funcționeze pe o gamă largă de niveluri de putere, de la câțiva kilowați la sute de megawați. Deoarece generarea de energie nu este sarcina principală a reactoarelor de cercetare, acestea se caracterizează prin energia termică generată, densitatea și energia nominală a neutronilor din miez. Acești parametri ajută la cuantificarea capacității unui reactor de cercetare de a efectua studii specifice. Sistemele de putere redusă sunt utilizate de obicei în universități pentru predare, în timp ce puterea mare este necesară în laboratoarele de cercetare pentru testarea materialelor și a performanței și cercetarea generală.

Cel mai comun reactor nuclear de cercetare, a cărui structură și principiu de funcționare este după cum urmează. Zona sa activă este situată pe fundul unui bazin mare de apă adânc. Acest lucru simplifică observarea și plasarea canalelor prin care pot fi direcționate fasciculele de neutroni. La niveluri scăzute de putere, nu este nevoie să purjați lichidul de răcire, deoarece convecția naturală a lichidului de răcire asigură o disipare suficientă a căldurii pentru a menține o stare de funcționare sigură. Schimbatorul de caldura este de obicei situat la suprafata sau in partea superioara a piscinei unde se acumuleaza apa calda.

Instalații de nave

Aplicația originală și principală a reactoarelor nucleare este utilizarea lor în submarine. Principalul lor avantaj este că, spre deosebire de sistemele de ardere a combustibililor fosili, nu au nevoie de aer pentru a genera electricitate. Prin urmare, un submarin nuclear poate rămâne scufundat pentru perioade lungi de timp, în timp ce un submarin diesel-electric convențional trebuie să iasă periodic la suprafață pentru a-și porni motoarele în aer. oferă un avantaj strategic navelor navale. Datorită acesteia, nu este nevoie să realimentați în porturi străine sau din tancuri ușor vulnerabile.

Principiul de funcționare a unui reactor nuclear pe un submarin este clasificat. Cu toate acestea, se știe că în SUA folosește uraniu foarte îmbogățit, iar încetinirea și răcirea se face cu apă ușoară. Designul primului reactor al submarinului nuclear USS Nautilus a fost puternic influențat de facilități puternice de cercetare. Caracteristicile sale unice sunt o marjă de reactivitate foarte mare, care asigură o perioadă lungă de funcționare fără realimentare și capacitatea de a reporni după o oprire. Centrala electrică din submarine trebuie să fie foarte silențioasă pentru a evita detectarea. Pentru a satisface nevoile specifice ale diferitelor clase de submarine, au fost create diferite modele de centrale electrice.

Portavionele Marinei SUA folosesc un reactor nuclear, al cărui principiu se crede că este împrumutat de la cele mai mari submarine. Detaliile despre designul lor nu au fost, de asemenea, publicate.

Pe lângă Statele Unite, Marea Britanie, Franța, Rusia, China și India au submarine nucleare. În fiecare caz, designul nu a fost dezvăluit, dar se crede că toate sunt foarte asemănătoare - aceasta este o consecință a acelorași cerințe pentru specificatii tehnice. Rusia are, de asemenea, o mică flotă care a fost echipată cu aceleași reactoare ca și submarinele sovietice.

Plante industriale

În scopuri de producție, se utilizează un reactor nuclear, al cărui principiu de funcționare este o productivitate ridicată cu un nivel scăzut de producție de energie. Acest lucru se datorează faptului că o ședere lungă a plutoniului în miez duce la acumularea de 240 Pu nedorite.

Producția de tritiu

În prezent, principalul material produs de astfel de sisteme este tritiul (3 H sau T) - taxa pentru Plutoniu-239 are un timp de înjumătățire lung de 24.100 de ani, așa că țările cu arsenale arme nucleare Cei care folosesc acest element tind să aibă mai mult decât este necesar. Spre deosebire de 239 Pu, tritiul are un timp de înjumătățire de aproximativ 12 ani. Astfel, pentru a menține rezervele necesare, acest izotop radioactiv al hidrogenului trebuie produs continuu. În Statele Unite, Savannah River, Carolina de Sud, de exemplu, operează mai multe reactoare cu apă grea care produc tritiu.

Unități de putere plutitoare

Au fost create reactoare nucleare care pot furniza energie electrică și încălzire cu abur în zone izolate îndepărtate. În Rusia, de exemplu, micile centrale electrice concepute special pentru a deservi comunitățile arctice și-au găsit folosință. În China, o centrală HTR-10 de 10 MW furnizează căldură și energie către institutul de cercetare în care se află. Reactoarele mici controlate cu capacități similare sunt dezvoltate în Suedia și Canada. Între 1960 și 1972, armata americană a folosit reactoare compacte cu apă pentru a alimenta bazele îndepărtate din Groenlanda și Antarctica. Au fost înlocuite cu centrale electrice pe bază de petrol.

Explorarea spațiului

În plus, au fost dezvoltate reactoare pentru alimentarea cu energie și deplasarea în interior spațiul cosmic. Între 1967 și 1988 Uniunea Sovietică au instalat mici instalații nucleare pe sateliții din seria Kosmos pentru a alimenta echipamente și telemetrie, dar această politică a devenit o țintă pentru critici. Cel puțin unul dintre acești sateliți a intrat în atmosfera Pământului, ducând la contaminarea radioactivă a zonelor îndepărtate ale Canadei. Statele Unite au lansat un singur satelit cu propulsie nucleară în 1965. Cu toate acestea, proiectele pentru utilizarea lor în zboruri în spațiul profund, explorarea cu echipaj uman a altor planete sau pe o bază lunară permanentă continuă să fie dezvoltate. Va fi cu siguranță un reactor nuclear răcit cu gaz sau metal lichid, principii fizice care va asigura cea mai mare temperatură posibilă necesară pentru a minimiza dimensiunea radiatorului. În plus, reactorul navei spațiale ar trebui să fie cât mai compact posibil pentru a minimiza cantitatea de material folosită pentru ecranare și pentru a reduce greutatea în timpul lansării și zborului spațial. Alimentarea cu combustibil va asigura funcționarea reactorului pe toată perioada zborului spațial.

Reactorul nuclear funcționează fără probleme și cu precizie. Altfel, după cum știți, vor fi probleme. Dar ce se întâmplă înăuntru? Să încercăm să formulăm principiul de funcționare a unui reactor nuclear (atomic) pe scurt, clar, cu opriri.

De fapt, acolo are loc același proces ca într-o explozie nucleară. Abia acum explozia are loc foarte repede, iar în reactor toate acestea se întind pt perioadă lungă de timp. În cele din urmă, totul rămâne în siguranță și obținem energie. Nu atât de mult încât totul în jur s-a spulberat imediat, dar destul pentru a furniza energie electrică orașului.

cum funcționează un reactor Turnuri de răcire NPP
Înainte de a înțelege cum funcționează o reacție nucleară controlată, trebuie să știți ce este o reacție nucleară în general.

O reacție nucleară este un proces de transformare (fisiune) nuclee atomice atunci când interacționează cu particulele elementare și cuante gamma.

Reacțiile nucleare pot avea loc atât cu absorbție, cât și cu eliberare de energie. În reactor se utilizează a doua reacție.

Un reactor nuclear este un dispozitiv al cărui scop este menținerea unei reacții nucleare controlate cu eliberare de energie.

Adesea, un reactor nuclear este numit și reactor nuclear. Rețineți că aici nu există nicio diferență fundamentală, dar din punctul de vedere al științei, este mai corect să folosiți cuvântul „nuclear”. Acum există multe tipuri de reactoare nucleare. Acestea sunt reactoare industriale uriașe menite să genereze energie la centrale electrice, reactoare submarine nucleare, reactoare experimentale mici folosite în experimente științifice. Există chiar reactoare folosite pentru desalinizarea apei de mare.

Istoria creării unui reactor nuclear

Primul reactor nuclear a fost lansat în 1942, nu atât de îndepărtat. S-a întâmplat în SUA sub conducerea lui Fermi. Acest reactor s-a numit „morda de lemne din Chicago”.

În 1946, primul reactor sovietic a pornit sub conducerea lui Kurchatov. Corpul acestui reactor era o minge de șapte metri în diametru. Primele reactoare nu aveau sistem de răcire, iar puterea lor era minimă. Apropo, reactorul sovietic avea o putere medie de 20 de wați, în timp ce cel american avea doar 1 watt. Pentru comparație: puterea medie a reactoarelor de putere moderne este de 5 gigawați. La mai puțin de zece ani de la lansarea primului reactor, în orașul Obninsk a fost deschisă prima centrală nucleară industrială din lume.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear (atomic).

Orice reactor nuclear are mai multe părți: miez cu combustibil și moderator, reflector de neutroni, lichid de răcire, sistem de control și protecție. Izotopii de uraniu (235, 238, 233), plutoniu (239) și toriu (232) sunt cel mai adesea folosiți ca combustibil în reactoare. Zona activă este un cazan prin care curge apa obișnuită (lichid de răcire). Printre alți agenți de răcire, „apa grea” și grafitul lichid sunt mai puțin utilizate. Dacă vorbim despre funcționarea unei centrale nucleare, atunci un reactor nuclear este folosit pentru a genera căldură. Electricitatea în sine este generată în același mod ca și în alte tipuri de centrale electrice - aburul rotește o turbină, iar energia mișcării este convertită în energie electrică.

Mai jos este o diagramă a funcționării unui reactor nuclear.

schema de funcționare a unui reactor nuclearSchema unui reactor nuclear la o centrală nucleară

După cum am spus deja, degradarea unui nucleu greu de uraniu produce elemente mai ușoare și câțiva neutroni. Neutronii rezultați se ciocnesc cu alte nuclee, provocându-le și fisiunea. În acest caz, numărul de neutroni crește ca o avalanșă.

Aici este necesar să menționăm factorul de multiplicare a neutronilor. Deci, dacă acest coeficient depășește o valoare egală cu unu, există explozie nucleara. Dacă valoarea este mai mică de unu, sunt prea puțini neutroni și reacția se stinge. Dar dacă mențineți valoarea coeficientului egală cu unu, reacția va decurge mult timp și stabil.

Întrebarea este cum se face? În reactor, combustibilul se află în așa-numitele elemente de combustibil (TVEL). Acestea sunt tije care conțin combustibil nuclear sub formă de pelete mici. Barele de combustibil sunt conectate în casete hexagonale, dintre care pot fi sute în reactor. Casetele cu tije de combustibil sunt amplasate vertical, în timp ce fiecare tijă de combustibil are un sistem care vă permite să reglați adâncimea imersiei sale în miez. Pe lângă casetele în sine, există și tije de control și tije de protecție în caz de urgență. Tijele sunt realizate dintr-un material care absoarbe bine neutronii. Astfel, tijele de control pot fi coborâte la diferite adâncimi în miez, ajustând astfel factorul de multiplicare a neutronilor. Tijele de urgență sunt proiectate pentru a opri reactorul în caz de urgență.

Cum pornește un reactor nuclear?

Ne-am dat seama chiar principiul de funcționare, dar cum să pornim și să facem funcționarea reactorului? În linii mari, aici este o bucată de uraniu, dar la urma urmei, o reacție în lanț nu începe în ea de la sine. Cert este că în fizica nucleară există conceptul de masă critică.

Combustibil nuclearCombustibil nuclear

Masa critică este masa de material fisionabil necesară pentru a începe o reacție nucleară în lanț.

Cu ajutorul elementelor de combustibil și a tijelor de control, se creează mai întâi o masă critică de combustibil nuclear în reactor, iar apoi reactorul este adus la nivelul optim de putere în mai multe etape.

Îți va plăcea: Trucuri de matematică pentru studenți umaniști și non-umani (Partea 1)
În acest articol, am încercat să vă oferim o idee generală a structurii și principiului de funcționare a unui reactor nuclear (atomic). Dacă mai aveți întrebări pe această temă sau universitatea a pus o problemă în fizica nucleară - vă rugăm să contactați specialiștii companiei noastre. Noi, ca de obicei, suntem gata să vă ajutăm să rezolvați orice problemă presantă a studiilor dumneavoastră. Între timp, facem asta, atenția voastră este un alt videoclip educațional!

blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/