Az atomreaktor táblázat alapelemei. Hogyan indítsunk el egy reaktort
Az atomreaktor zökkenőmentesen és hatékonyan működik. Ellenkező esetben, mint tudod, bajok lesznek. De mi történik odabent? Próbáljuk meg röviden, érthetően, megállásokkal megfogalmazni az atom(atom)reaktor működési elvét.
Lényegében ugyanaz a folyamat zajlik ott, mint egy atomrobbanáskor. Csak a robbanás történik nagyon gyorsan, és a reaktorban mindez kinyúlik hosszú ideig. Ennek eredményeként minden épségben marad, és energiát kapunk. Nem annyira, hogy egyszerre minden elpusztuljon a környéken, de elég ahhoz, hogy a várost árammal láthassa el.
Hogyan működik egy reaktor Atomerőmű hűtőtornyai?
Mielőtt megértené, hogyan megy végbe egy szabályozott nukleáris reakció, tudnod kell, mi a nukleáris reakció általában.
A magreakció az atommagok átalakulási (hasadási) folyamata, amikor kölcsönhatásba lépnek elemi részecskékkel és gamma-sugárzással.
A nukleáris reakciók energia elnyelésével és felszabadulásával egyaránt előfordulhatnak. A reaktor a második reakciókat használja.
Az atomreaktor olyan berendezés, amelynek célja szabályozott nukleáris reakció fenntartása energia felszabadításával.
Az atomreaktort gyakran atomreaktornak is nevezik. Vegyük észre, hogy itt nincs alapvető különbség, de a tudomány szempontjából helyesebb a „nukleáris” szó használata. Manapság sokféle atomreaktor létezik. Ezek hatalmas ipari reaktorok, amelyeket erőművek energiatermelésére terveztek, tengeralattjárók atomreaktorai, tudományos kísérletekben használt kis kísérleti reaktorok. Vannak még tengervíz sótalanítására használt reaktorok is.
Az atomreaktor létrehozásának története
Az első atomreaktort a nem is olyan távoli 1942-ben indították el. Ez az USA-ban történt Fermi vezetésével. Ezt a reaktort Chicago Woodpile-nek hívták.
1946-ban megkezdte működését az első szovjet reaktor, amelyet Kurcsatov vezetésével indítottak. Ennek a reaktornak a teste hét méter átmérőjű golyó volt. Az első reaktorok nem rendelkeztek hűtőrendszerrel, teljesítményük minimális volt. Egyébként a szovjet reaktor átlagos teljesítménye 20 watt volt, az amerikaié pedig csak 1 watt. Összehasonlításképpen: a modern reaktorok átlagos teljesítménye 5 Gigawatt. Kevesebb mint tíz évvel az első reaktor beindítása után Obnyinszk városában megnyílt a világ első ipari atomerőműve.
A nukleáris (atom) reaktor működési elve
Bármely atomreaktor több részből áll: egy mag üzemanyaggal és moderátorral, egy neutron reflektor, egy hűtőfolyadék, egy vezérlő és védelmi rendszer. A reaktorokban üzemanyagként leggyakrabban használt izotópok az urán (235, 238, 233), a plutónium (239) és a tórium (232). A mag egy kazán, amelyen keresztül közönséges víz (hűtőfolyadék) áramlik. Egyéb hűtőfolyadékok között ritkábban használják a „nehézvizet” és a folyékony grafitot. Ha az atomerőművek működéséről beszélünk, akkor hőtermelésre atomreaktort használnak. Magát a villamos energiát ugyanazzal a módszerrel állítják elő, mint más típusú erőművekben - a gőz forgatja a turbinát, és a mozgás energiája elektromos energiává alakul.
Az alábbiakban egy atomreaktor működésének diagramja látható.
atomreaktor működésének diagramja Atomerőmű atomreaktorának diagramja
Mint már említettük, a nehéz uránmag bomlása során könnyebb elemek és több neutron keletkezik. A keletkező neutronok más atommagokkal ütköznek, ami szintén hasadást okoz. Ugyanakkor a neutronok száma lavinaszerűen nő.
Itt meg kell említenünk a neutronszorzótényezőt. Tehát, ha ez az együttható meghaladja az eggyel egyenlő értéket, akkor nukleáris robbanás következik be. Ha az érték kisebb, mint egy, akkor túl kevés a neutron, és a reakció kialszik. De ha az együttható értékét eggyel egyenlőnek tartja, a reakció sokáig és stabilan megy végbe.
A kérdés az, hogyan kell ezt megtenni? A reaktorban a tüzelőanyagot úgynevezett fűtőelemek (fűtőelemek) tartalmazzák. Ezek olyan rudak, amelyek nukleáris üzemanyagot tartalmaznak kis tabletták formájában. A tüzelőanyag rudak hatszögletű kazettákba vannak kötve, amelyekből több száz is lehet egy reaktorban. Az üzemanyagrudakkal ellátott kazetták függőlegesen vannak elrendezve, és minden üzemanyagrúdnak van egy olyan rendszere, amely lehetővé teszi a magba merülés mélységének szabályozását. Magukon a kazettákon kívül vannak köztük vezérlőrudak és vészvédelmi rudak is. A rudak olyan anyagból készülnek, amely jól elnyeli a neutronokat. Így a vezérlőrudak a magban különböző mélységekbe süllyeszthetők, ezáltal beállítható a neutronszorzótényező. A vészhelyzeti rudakat arra tervezték, hogy vészhelyzet esetén leállítsák a reaktort.
Hogyan indul el egy atomreaktor?
Magát a működési elvet kitaláltuk, de hogyan kell elindítani és működőképessé tenni a reaktort? Nagyjából itt van - egy darab urán, de a láncreakció nem kezdődik meg benne magától. A tény az, hogy a magfizikában létezik a kritikus tömeg fogalma.
Nukleáris üzemanyag Nukleáris üzemanyag
A kritikus tömeg a nukleáris láncreakció elindításához szükséges hasadóanyag tömege.
A fűtőelem- és vezérlőrudak segítségével a reaktorban először egy kritikus tömegű nukleáris üzemanyag jön létre, majd több lépcsőben hozzák létre a reaktort az optimális teljesítményszintre.
Tetszeni fog: Matematikai trükkök bölcsészhallgatóknak és nem annyira (1. rész)
Ebben a cikkben megpróbáltuk megadni általános elképzelés a nukleáris (atom)reaktor felépítéséről és működési elvéről. Ha kérdése van a témával kapcsolatban, vagy az egyetemen magfizikai problémát kérdezett, forduljon cégünk szakembereihez. Szokás szerint készen állunk a tanulmányaival kapcsolatos minden sürgető probléma megoldására. És ha már itt tartunk, itt van még egy oktatóvideó a figyelmedbe!
blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/
Az atomreaktor zökkenőmentesen és hatékonyan működik. Ellenkező esetben, mint tudod, bajok lesznek. De mi történik odabent? Próbáljuk meg röviden, érthetően, megállásokkal megfogalmazni az atom(atom)reaktor működési elvét.
Lényegében ugyanaz a folyamat zajlik ott, mint egy atomrobbanáskor. Csak a robbanás történik nagyon gyorsan, de a reaktorban mindez hosszú ideig elnyúlik. Ennek eredményeként minden épségben marad, és energiát kapunk. Nem annyira, hogy egyszerre minden elpusztuljon a környéken, de elég ahhoz, hogy árammal láthassa el a várost.
Mielőtt megértené, hogyan megy végbe egy szabályozott nukleáris reakció, tudnod kell, mi az. nukleáris reakció egyáltalán.
Nukleáris reakció az atommagok átalakulási (hasadási) folyamata, amikor kölcsönhatásba lépnek elemi részecskékkel és gamma-sugárzással.
A nukleáris reakciók energia elnyelésével és felszabadulásával egyaránt előfordulhatnak. A reaktor a második reakciókat használja.
Atomreaktor egy olyan eszköz, amelynek célja egy szabályozott nukleáris reakció fenntartása energia felszabadításával.
Az atomreaktort gyakran atomreaktornak is nevezik. Vegyük észre, hogy itt nincs alapvető különbség, de a tudomány szempontjából helyesebb a „nukleáris” szó használata. Manapság sokféle atomreaktor létezik. Ezek hatalmas ipari reaktorok, amelyeket erőművek energiatermelésére terveztek, tengeralattjárók atomreaktorai, tudományos kísérletekben használt kis kísérleti reaktorok. Vannak még tengervíz sótalanítására használt reaktorok is.
Az atomreaktor létrehozásának története
Az első atomreaktort a nem is olyan távoli 1942-ben indították el. Ez az USA-ban történt Fermi vezetésével. Ezt a reaktort "Chicago Woodpile"-nek hívták.
1946-ban megkezdte működését az első szovjet reaktor, amelyet Kurcsatov vezetésével indítottak. Ennek a reaktornak a teste hét méter átmérőjű golyó volt. Az első reaktorok nem rendelkeztek hűtőrendszerrel, teljesítményük minimális volt. Egyébként a szovjet reaktor átlagos teljesítménye 20 watt volt, az amerikaié pedig csak 1 watt. Összehasonlításképpen: a modern reaktorok átlagos teljesítménye 5 Gigawatt. Kevesebb mint tíz évvel az első reaktor beindítása után Obnyinszk városában megnyílt a világ első ipari atomerőműve.
A nukleáris (atom) reaktor működési elve
Minden atomreaktor több részből áll: mag Vel üzemanyag És moderátor , neutron reflektor , hűtőfolyadék , vezérlő és védelmi rendszer . Az izotópokat leggyakrabban reaktorokban használják üzemanyagként. uránium (235, 238, 233), plutónium (239) és tórium (232). A mag egy kazán, amelyen keresztül közönséges víz (hűtőfolyadék) áramlik. Egyéb hűtőfolyadékok között ritkábban használják a „nehézvizet” és a folyékony grafitot. Ha az atomerőművek működéséről beszélünk, akkor hőtermelésre atomreaktort használnak. Magát a villamos energiát ugyanazzal a módszerrel állítják elő, mint más típusú erőművekben - a gőz forgatja a turbinát, és a mozgás energiája elektromos energiává alakul.
Az alábbiakban egy atomreaktor működésének diagramja látható.
Mint már említettük, a nehéz uránmag bomlása során könnyebb elemek és több neutron keletkezik. A keletkező neutronok más atommagokkal ütköznek, ami szintén hasadást okoz. Ugyanakkor a neutronok száma lavinaszerűen nő.
Itt kell megemlíteni neutronszorzótényező . Tehát, ha ez az együttható meghaladja az eggyel egyenlő értéket, akkor nukleáris robbanás következik be. Ha az érték kisebb, mint egy, akkor túl kevés a neutron, és a reakció kialszik. De ha az együttható értékét eggyel egyenlőnek tartja, a reakció sokáig és stabilan megy végbe.
A kérdés az, hogyan kell ezt megtenni? A reaktorban az üzemanyag az ún fűtőelemek (TVELakh). Ezek olyan rudak, amelyek kis tabletták formájában tartalmazzák: nukleáris üzemanyag . A tüzelőanyag rudak hatszögletű kazettákba vannak kötve, amelyekből több száz is lehet egy reaktorban. Az üzemanyagrudakkal ellátott kazetták függőlegesen vannak elrendezve, és minden üzemanyagrúdnak van egy olyan rendszere, amely lehetővé teszi a magba merülés mélységének szabályozását. Magukon a kazettákon kívül tartalmazzák vezérlő rudak És vészvédelmi rudak . A rudak olyan anyagból készülnek, amely jól elnyeli a neutronokat. Így a vezérlőrudak a magban különböző mélységekbe süllyeszthetők le, ezáltal beállítható a neutronszorzótényező. A vészhelyzeti rudakat arra tervezték, hogy vészhelyzet esetén leállítsák a reaktort.
Hogyan indul el egy atomreaktor?
Magát a működési elvet kitaláltuk, de hogyan kell elindítani és működőképessé tenni a reaktort? Nagyjából itt van - egy darab urán, de a láncreakció nem kezdődik meg benne magától. A tény az, hogy a magfizikában van egy fogalom kritikus tömeg .
A kritikus tömeg a nukleáris láncreakció elindításához szükséges hasadóanyag tömege.
A fűtőelem- és vezérlőrudak segítségével a reaktorban először egy kritikus tömegű nukleáris üzemanyag jön létre, majd több lépcsőben hozzák létre a reaktort az optimális teljesítményszintre.
Ebben a cikkben megpróbáltunk általános képet adni egy nukleáris (nukleáris) reaktor felépítéséről és működési elvéről. Ha kérdése van a témával kapcsolatban, vagy magfizikai problémát kérdezett az egyetemen, forduljon bizalommal cégünk szakembereinek. Szokás szerint készen állunk a tanulmányaival kapcsolatos minden sürgető probléma megoldására. És ha már itt tartunk, itt van még egy oktatóvideó a figyelmedbe!
Ma egy rövid utazást teszünk a magfizika világába. Kirándulásunk témája egy atomreaktor lesz. Megtudhatja, hogyan működik, milyen fizikai elvek támasztják alá a működését, és hol használják ezt az eszközt.
Az atomenergia születése
A világ első atomreaktorát 1942-ben hozták létre az Egyesült Államokban a díjazott által vezetett fizikusok kísérleti csoportja Nobel-díj Enrico Fermi. Ezzel egyidejűleg egy önfenntartó uránhasadási reakciót hajtottak végre. Az atomdzsinnt elengedték.
Az első szovjet atomreaktort 1946-ban indították. 8 évvel később pedig a világ első atomerőműve, Obninsk városában termelt áramot. A Szovjetunió atomenergia-iparának tudományos főigazgatója kiváló fizikus volt Igor Vasziljevics Kurcsatov.
Azóta az atomreaktorok több generációja megváltozott, de kialakításának fő elemei változatlanok maradtak.
Az atomreaktor anatómiája
Ez a nukleáris létesítmény egy vastag falú acéltartály, amelynek hengerűrtartalma több köbcentimétertől sok köbméterig terjed.
Ebben a hengerben van a szentek szentje - reaktormag. Itt játszódik le a maghasadási láncreakció.
Nézzük meg, hogyan zajlik ez a folyamat.
Magok nehéz elemek, különösen Urán-235 (U-235), kis energiasokk hatására 2, megközelítőleg egyenlő tömegű töredékre képesek szétesni. Ennek a folyamatnak a kórokozója a neutron.
A töredékek leggyakrabban bárium és kripton magok. Mindegyik pozitív töltést hordoz, így a Coulomb-taszító erők arra kényszerítik őket, hogy különböző irányokba repüljenek szét, körülbelül a fénysebesség 1/30-a sebességgel. Ezek a töredékek kolosszális kinetikus energia hordozói.
Mert gyakorlati használat energia, szükséges, hogy felszabadulása önfenntartó legyen. Láncreakció, A szóban forgó hasadás különösen érdekes, mert minden hasadási esemény új neutronok kibocsátásával jár. Kezdeti neutrononként átlagosan 2-3 új neutron keletkezik. A hasadó urán atommagok száma lavinaszerűen növekszik, hatalmas energia felszabadulását okozva. Ha ezt a folyamatot nem irányítják, nukleáris robbanás következik be. ben játszódik.
A neutronok számának szabályozására neutronokat elnyelő anyagok kerülnek a rendszerbe, biztosítja az energia zökkenőmentes felszabadulását. A kadmiumot vagy a bórt neutronelnyelőként használják.
Hogyan lehet megfékezni és felhasználni a töredékek hatalmas mozgási energiáját? A hűtőfolyadékot ezekre a célokra használják, pl. egy speciális környezet, amelyben a töredékek lelassulnak és rendkívüli mértékben felmelegednek magas hőmérsékletek. Ilyen közeg lehet közönséges vagy nehéz víz, folyékony fémek (nátrium), valamint egyes gázok. Annak érdekében, hogy a hűtőfolyadék gőzállapotba ne kerüljön, a magban támogatott magas vérnyomás(160 atm-ig). Emiatt a reaktor falai speciális minőségű tíz centiméteres acélból készülnek.
Ha a neutronok a nukleáris üzemanyagon túlra szöknek, a láncreakció megszakadhat. Ezért van egy kritikus tömegű hasadóanyag, i.e. minimális tömege, amelynél a láncreakció fennmarad. Különféle paraméterektől függ, beleértve a reaktormagot körülvevő reflektor jelenlétét. Arra szolgál, hogy megakadályozza a neutronok beszivárgását környezet. Ennek a szerkezeti elemnek a leggyakoribb anyaga a grafit.
A reaktorban lezajló folyamatokat a legveszélyesebb sugárzás - a gamma-sugárzás - felszabadulása kíséri. Ennek a veszélynek a minimalizálása érdekében sugárzás elleni védelemmel van felszerelve.
Hogyan működik egy atomreaktor?
A nukleáris üzemanyagot, úgynevezett fűtőelem-rudakat helyeznek a reaktor zónájába. Zúzható anyagból készült tabletták, amelyeket körülbelül 3,5 m hosszú és 10 mm átmérőjű vékony csövekben helyeznek el.
Több száz hasonló tüzelőanyag-kazettát helyeznek el a zónában, amelyek a láncreakció során felszabaduló hőenergia forrásaivá válnak. A fűtőelemrudak körül áramló hűtőközeg alkotja a reaktor első körét.
Magas paraméterekre hevítve egy gőzfejlesztőbe szivattyúzzák, ahol energiáját a szekunder kör vízébe adja, gőzzé alakítva. A keletkező gőz forgatja a turbógenerátort. Az egység által termelt villamos energia a fogyasztóhoz kerül. A hűtőtóból vízzel lehűtött kipufogó gőz pedig kondenzátum formájában visszatér a gőzfejlesztőbe. A ciklus befejeződött.
Ez a kettős áramkörű séma működik nukleáris létesítmény megakadályozza a magban végbemenő sugárzás kísérőfolyamatainak határain túli behatolását.
Tehát a reaktorban energiaátalakulások láncolata zajlik: a hasadóanyag nukleáris energiája → töredékek mozgási energiája → hőenergia hűtőfolyadék → turbina mozgási energiája → és elektromos energiává a generátorban.
Az elkerülhetetlen energiaveszteséghez vezet Az atomerőművek hatásfoka viszonylag alacsony, 33-34%.
A gyártás mellett elektromos energia Az atomerőművekben az atomreaktorokat különféle radioaktív izotópok előállítására, az ipar számos területén végzett kutatásra, valamint az ipari reaktorok megengedett paramétereinek vizsgálatára használják. Egyre elterjedtebbek a motorok energiáját biztosító szállítóreaktorok. járművek.
Az atomreaktorok típusai
Az atomreaktorok jellemzően U-235 uránnal működnek. Természetes anyagtartalma azonban rendkívül alacsony, mindössze 0,7%. A természetes urán nagy része az U-238 izotóp. Csak a lassú neutronok okozhatnak láncreakciót az U-235-ben, és az U-238 izotópot csak a gyors neutronok hasítják. Az atommag felhasadásának eredményeként lassú és gyors neutronok is születnek. A gyors neutronok, amelyek gátlást tapasztalnak a hűtőfolyadékban (vízben), lelassulnak. De az U-235 izotóp mennyisége a természetes uránban olyan kicsi, hogy dúsításhoz kell folyamodni, így koncentrációja 3-5%-ra emelkedik. Ez az eljárás nagyon költséges és gazdaságilag veszteséges. Ráadásul ennek az izotópnak a természeti erőforrásainak kimerülési idejét mindössze 100-120 évre becsülik.
Ezért be nukleáris ipar Fokozatosan áttérnek a gyors neutronokon működő reaktorokra.
Legfőbb különbségük, hogy hűtőközegként folyékony fémeket használnak, amelyek nem lassítják a neutronokat, az U-238-at pedig nukleáris üzemanyagként használják. Ennek az izotópnak a magjai egy nukleáris átalakuláson keresztül haladnak át plutónium-239-be, amely ugyanúgy láncreakciónak van kitéve, mint az U-235. Vagyis a nukleáris fűtőanyag újratermelésre kerül, mégpedig a fogyasztását meghaladó mennyiségben.
Szakértők szerint az urán-238 izotóp tartalékai 3000 évre elegendőek. Ez az idő elég ahhoz, hogy az emberiségnek legyen elég ideje más technológiák fejlesztésére.
Az atomenergia felhasználásának problémái
Együtt nyilvánvaló előnyök Az atomenergia, a nukleáris létesítmények üzemeltetésével kapcsolatos problémák mértékét nem lehet alábecsülni.
Az első az radioaktív hulladékok és leszerelt berendezések elhelyezése nukleáris energia. Ezek az elemek aktív háttérsugárzással rendelkeznek, amely hosszú ideig fennmarad. Ennek a hulladéknak az ártalmatlanításához speciális ólomtartályokat használnak. Állítólag 600 méteres mélységig permafrost területeken temetik el őket. Ezért folyamatosan dolgoznak azon, hogy megtalálják a radioaktív hulladékok újrahasznosításának módját, ami megoldja az ártalmatlanítás problémáját és segít megőrizni bolygónk ökológiáját.
A második nem kevésbé súlyos probléma a biztonság biztosítása az atomerőmű üzemeltetése során. Az olyan súlyos balesetek, mint a csernobili, sokakat elvihetnek emberi életeketés hatalmas területeket tegyen ki a használatból.
A japán Fukushima-1 atomerőmű balesete csak megerősítette azt a potenciális veszélyt, amely akkor nyilvánul meg, amikor a nukleáris létesítményekben veszélyhelyzet alakul ki.
Az atomenergia lehetőségei azonban olyan nagyok, hogy környezeti problémák háttérbe szorul.
Ma az emberiségnek nincs más módja az egyre növekvő energiaéhség kielégítésére. A jövő atomenergiájának alapját valószínűleg a „gyors” reaktorok jelentik, amelyek nukleáris fűtőanyagot reprodukálnak.
Ha ez az üzenet hasznos volt számodra, szívesen látlak
Atomreaktor
Az atomreaktor olyan berendezés, amelyben szabályozott nukleáris láncreakció megy végbe, energia felszabadulásával. Az első atomreaktort 1942 decemberében építették meg és indították útjára az USA-ban E. Fermi vezetésével. Az első, az Egyesült Államokon kívül épített reaktor a ZEEP volt, amelyet 1945 szeptemberében indítottak Kanadában. Európában az első atomreaktor az F-1 volt, amely 1946. december 25-én kezdte meg működését Moszkvában I. V. Kurchatov vezetésével.
1978-ban már mintegy száz különféle típusú atomreaktor működött a világon. Alkatrészek Bármely atomreaktor esetében a következők: nukleáris üzemanyaggal ellátott zóna, amelyet általában neutronreflektor vesz körül, hűtőfolyadék, láncreakciót vezérlő rendszer, sugárvédelem, távirányító rendszer. A reaktortartály kopásnak van kitéve (különösen ionizáló sugárzás hatására). Az atomreaktor fő jellemzője a teljesítménye. 1 MW teljesítmény egy olyan láncreakciónak felel meg, amelyben 1 másodperc alatt 3·1016 hasadási esemény következik be.
Történet
A náci Németország „Uránprojekt” elméleti csoportját, amely a Kaiser Wilhelm Társaságban dolgozott, Weizsäcker vezette, de csak formálisan. Heisenberg lett a de facto vezető, fejlődött elméleti alapok láncreakció, Weizsäcker és a résztvevők egy csoportja egy „urángép” – az első reaktor – létrehozására összpontosított. 1940 késő tavaszán a csoport egyik tudósa, Harteck elvégezte az első kísérletet urán-oxid és szilárd grafit moderátor felhasználásával láncreakció létrehozására. A rendelkezésre álló hasadóanyag azonban nem volt elegendő e cél eléréséhez. 1941-ben a Lipcsei Egyetemen Heisenberg csoportjának egyik tagja, a Doepel nehézvizes moderátorral felszerelt standot épített, amelyen kísérletek során 1942 májusára az abszorpciójukat meghaladó mennyiségű neutrontermelést sikerült elérni. A német tudósoknak 1945 februárjában sikerült teljes értékű láncreakciót elérniük egy Haigerloch melletti bányában végzett kísérletben. Néhány héttel később azonban Németország nukleáris programja megszűnt.
A maghasadási láncreakciót (röviden láncreakciót) először 1942 decemberében hajtották végre. A Chicagói Egyetem fizikusainak egy csoportja E. Fermi vezetésével megalkotta a világ első atomreaktorát, a Chicago Pile-1-et (CP-1). Grafittömbökből állt, amelyek között természetes uránból és annak dioxidjából álló golyók helyezkedtek el. A 235 U atommagok hasadása után megjelenő gyors neutronokat a grafit hőenergiává lassította, majd újabb maghasadásokat idézett elő. Az olyan reaktorokat, mint az SR-1, amelyekben a hasadások többsége termikus neutronok hatására megy végbe, termikus neutronreaktoroknak nevezzük. A nukleáris üzemanyaghoz képest sok moderátort tartalmaznak.
A Szovjetunióban a reaktorok indításának, működésének és vezérlésének jellemzőinek elméleti és kísérleti tanulmányait fizikusok és mérnökök csoportja végezte I. V. Kurchatov akadémikus vezetésével. Az első szovjet F-1 reaktort a Szovjetunió Tudományos Akadémia 2. számú laboratóriumában építették (Moszkva). Ezt a reaktort 1946. december 25-én hozták kritikus állapotba. Az F-1 reaktor grafittömbökből készült, és körülbelül 7,5 m átmérőjű golyó alakú volt. A 6 m átmérőjű golyó középső részében uránrudakat helyeztek át a grafittömbökön. Az F-1 reaktor a CP-1 reaktorhoz hasonlóan nem rendelkezett hűtőrendszerrel, így nagyon alacsony teljesítményszinten működött (watt töredékek, ritkán néhány watt). Az F-1 reaktorban végzett kutatások eredményei összetettebb ipari reaktorok projektjeinek alapjául szolgáltak. 1948-ban üzembe helyezték a plutónium előállítására szolgáló I-1 reaktort (más források szerint A-1-nek hívták), majd 1954. június 27-én üzembe helyezték a világ első atomerőművét. elektromos teljesítmény 5 MW Obninskben.
Kialakítás és működési elv
Energiafelszabadító mechanizmus Egy anyag átalakulása csak akkor jár együtt szabadenergia felszabadulásával, ha az anyagnak van energiatartaléka. Ez utóbbi azt jelenti, hogy egy anyag mikrorészecskéi olyan állapotban vannak, amelynek nyugalmi energiája nagyobb, mint egy másik lehetséges állapotban, amelybe átmenet létezik. A spontán átmenetet mindig egy energiagát akadályozza meg, melynek leküzdéséhez a mikrorészecskének bizonyos mennyiségű energiát kell kapnia kívülről - gerjesztési energiát. Az exoenergetikus reakció abban áll, hogy a gerjesztést követő átalakulásban több energia szabadul fel, mint amennyi a folyamat gerjesztéséhez szükséges. Az energiagát leküzdésének két módja van: vagy az ütköző részecskék kinetikus energiája, vagy az összekapcsolódó részecske kötési energiája miatt.
Ha szem előtt tartjuk az energiafelszabadulás makroszkopikus léptékét, akkor az anyag összes részecskéjének vagy eleinte legalább egy részének rendelkeznie kell a reakciók gerjesztéséhez szükséges mozgási energiával. Ez csak a közeg hőmérsékletének olyan értékre való emelésével érhető el, amelynél a hőmozgás energiája megközelíti a folyamat lefolyását korlátozó energiaküszöböt. Molekuláris átalakulások, azaz kémiai reakciók esetén az ilyen növekedés általában több száz kelvin, de magreakcióknál legalább 107 K, az ütköző atommagok Coulomb-gátjainak igen magas magassága miatt. A magreakciók termikus gerjesztését a gyakorlatban csak a legkönnyebb atommagok szintézise során hajtják végre, amelyekben a Coulomb-gátak minimálisak (termonukleáris fúzió).
A részecskék összekapcsolásával történő gerjesztés nem igényel nagy kinetikus energiát, és ezért nem függ a közeg hőmérsékletétől, mivel ez a részecskék vonzó erőiben rejlő fel nem használt kötések miatt következik be. De a reakciók gerjesztéséhez maguk a részecskék szükségesek. És ha megint nem egyedi reakciócselekményre gondolunk, hanem makroszkopikus léptékű energiatermelésre, akkor ez csak láncreakció esetén lehetséges. Ez utóbbi akkor következik be, amikor a reakciót gerjesztő részecskék egy exoenergetikus reakció termékeiként újra megjelennek.
Tervezés
Minden atomreaktor a következő részekből áll:
- Mag nukleáris üzemanyaggal és moderátorral;
- A magot körülvevő neutronreflektor;
- Hűtőfolyadék;
- Láncreakció-vezérlő rendszer, beleértve a vészhelyzet elleni védelmet;
- Sugárvédelem;
- Távirányító rendszer.
Jód gödör
A jódgödör az atomreaktor kikapcsolása utáni állapota, amelyet a 135Xe rövid élettartamú xenon izotóp felhalmozódása jellemez. Ez a folyamat jelentős negatív reakcióképesség átmeneti megjelenéséhez vezet, ami viszont lehetetlenné teszi a reaktor tervezett kapacitásának elérését egy bizonyos időn belül (kb. 1-2 napon belül).
Osztályozás
Cél szerint
Felhasználásuk jellege szerint az atomreaktorokat a következőkre osztják:
- Az energiaszektorban használt elektromos és hőenergia előállítására, valamint tengervíz sótalanítására tervezett energiareaktorok (a sótalanító reaktorok szintén ipari kategóriába tartoznak). Az ilyen reaktorokat főként a atomerőművek. A modern erőművi reaktorok hőteljesítménye eléri az 5 GW-ot. Egy külön csoportba tartoznak:
- Szállítóreaktorok, amelyeket járművek motorjainak energiaellátására terveztek. Az alkalmazási területek legszélesebb csoportját a tengeralattjárókon és különféle felszíni hajókon használt tengeri szállítóreaktorok, valamint az űrtechnológiában használt reaktorok alkotják.
- Különféle fizikai mennyiségek tanulmányozására tervezett kísérleti reaktorok, amelyek jelentősége az atomreaktorok tervezése és üzemeltetése szempontjából szükséges; Az ilyen reaktorok teljesítménye nem haladja meg a néhány kW-ot.
- Kutatóreaktorok, amelyekben a zónában keletkező neutron- és gamma-sugarak fluxusait magfizika, szilárdtestfizika, sugárzási kémia, biológia kutatásaihoz, valamint intenzív neutronfluxusban működésre szánt anyagok (beleértve a . részeket is) vizsgálatára használják. atomreaktorok) izotópok előállítására. A kutatóreaktorok teljesítménye nem haladja meg a 100 MW-ot. A felszabaduló energiát általában nem használják fel.
- Különböző területeken használt izotópok előállítására használt ipari (fegyver, izotóp) reaktorok. Leggyakrabban nukleáris fegyverekhez használt anyagok, például 239Pu előállítására használják. Szintén ipari kategóriába tartoznak a tengervíz sótalanítására használt reaktorok.
A reaktorokat gyakran használják kettő vagy több megoldására különféle feladatokat, ebben az esetben többcélúnak nevezik őket. Például egyes erőműves reaktorokat, különösen az atomenergia korai időszakában, elsősorban kísérletezésre tervezték. A gyorsneutronreaktorok egyszerre képesek energiát és izotópokat termelni. Az ipari reaktorok fő feladatuk mellett gyakran elektromos és hőenergiát is termelnek.
A neutronspektrum szerint
- Termikus (lassú) neutronreaktor ("termikus reaktor")
- Gyors neutronreaktor ("gyors reaktor")
- Köztes neutronreaktor
- Vegyes spektrumú reaktor
Üzemanyag elhelyezés szerint
- Heterogén reaktorok, ahol az üzemanyagot diszkréten helyezik el a zónában blokkok formájában, amelyek között moderátor található;
- Homogén reaktorok, ahol a tüzelőanyag és a moderátor homogén keverék (homogén rendszer).
Heterogén reaktorban az üzemanyag és a moderátor térben elválasztható, különösen az üreges reaktorban a moderátor-reflektor egy üreget vesz körül olyan tüzelőanyaggal, amely nem tartalmaz moderátort. Magfizikai szempontból a homogenitás/heterogenitás kritériuma nem a tervezés, hanem a fűtőelemblokkok elhelyezése adott moderátorban a neutron moderálási hosszát meghaladó távolságra. Így az úgynevezett „zárt ráccsal” rendelkező reaktorokat homogénnek tervezik, bár ezekben a tüzelőanyag általában el van választva a moderátortól.
A heterogén reaktorokban lévő nukleáris fűtőelem-blokkokat fűtőelem-kazettáknak (FA) nevezzük, amelyek egy szabályos rács csomópontjainál helyezkednek el a zónában, és cellákat képeznek.
Üzemanyag típus szerint
- uránizotópok 235, 238, 233 (235U, 238U, 233U)
- 239-es plutónium-izotóp (239Pu), valamint a 239-242Pu izotópok 238U-val (MOX üzemanyag) keverék formájában
- 232-es tórium izotóp (232Th) (233U-ra való átalakítás révén)
A dúsítás mértéke szerint:
- természetes urán
- gyengén dúsított urán
- erősen dúsított urán
Kémiai összetétel szerint:
- fém U
- UO2 (urán-dioxid)
- UC (uránkarbid) stb.
A hűtőfolyadék típusa szerint
- H2O (víz-víz reaktor)
- Gáz, (Grafitgáz reaktor)
- Szerves hűtésű reaktor
- Folyékony fémhűtésű reaktor
- Olvadt só reaktor
- Szilárd hűtőközeg reaktor
A moderátor típusa szerint
- C (Grafit-gáz reaktor, Grafit-víz reaktor)
- H2O (könnyűvizes reaktor, vízhűtéses reaktor, VVER)
- D2O (Nehézvizes atomreaktor, CANDU)
- Legyen, BeO
- Fém-hidridek
- Moderátor nélkül (gyorsreaktor)
Tervezés szerint
- Hajós reaktorok
- Csatorna reaktorok
Gőzgenerációs módszerrel
- Reaktor külső gőzfejlesztővel (víz-víz reaktor, VVER)
- Forrás reaktor
NAÜ besorolás
- PWR (sűrített vizes reaktorok) - víz-víz reaktor (sűrített vizes reaktor);
- BWR (forralóvizes reaktor) - forrásban lévő vizes reaktor;
- FBR (gyorstenyésztő reaktor) - gyorstenyésztő reaktor;
- GCR (gázhűtéses reaktor) - gázhűtéses reaktor;
- LWGR (könnyűvizes grafitreaktor) - grafit-víz reaktor
- PHWR (nyomás alatt álló nehézvizes reaktor) - nehézvizes reaktor
A világon a legelterjedtebbek a túlnyomásos vizes (kb. 62%) és a forrásban lévő vizes (20%) reaktorok.
Atomreaktor vezérlés
Az atomreaktor irányítása csak annak köszönhető, hogy a hasadás során a neutronok egy része késéssel repül ki a töredékekből, ami több milliszekundumtól több percig terjedhet.
A reaktor szabályozására abszorber rudakat használnak, amelyeket a zónába vezetnek, és amelyek erősen elnyelő anyagokból (főleg B, Cd és mások) és/vagy a hűtőközeghez adott koncentrációban hozzáadott bórsavoldatból készülnek (bór szabályozás). ). A rudak mozgását speciális mechanizmusok, hajtások vezérlik, amelyek a kezelő vagy a berendezés jelei szerint működnek automatikus szabályozás neutron fluxus.
Különböző esetén vészhelyzetek Minden reaktorban a láncreakció vészhelyzeti leállítása biztosított, amelyet úgy hajtanak végre, hogy az összes elnyelő rudat a zónába ejtik - egy vészvédelmi rendszer.
Maradék hő
A nukleáris biztonsággal közvetlenül összefüggő fontos probléma a bomláshő. Ez sajátos jellemzője nukleáris fűtőanyag, ami abból áll, hogy a hasadási láncreakció és a bármely energiaforrásra jellemző hőtehetetlenség megszűnése után a reaktorban a hőleadás hosszú ideig folytatódik, ami számos technikailag összetett problémát okoz.
A maradékhő a reaktor működése során a tüzelőanyagban felhalmozódott hasadási termékek β- és γ-bomlásának következménye. A hasadási termékmagok a bomlás következtében jelentős energia felszabadulásával stabilabb vagy teljesen stabil állapotba kerülnek.
Bár a bomlási hőleadás sebessége az állandósult állapotokhoz képest gyorsan kicsire csökken, az erős teljesítményű reaktorokban jelentős abszolút értékeket. Emiatt a maradékhő felszabadulása miatt hosszú időre van szükség ahhoz, hogy biztosítsák a hőelvonást a reaktormagból a leállítás után. Ez a feladat megkívánja, hogy a reaktorlétesítményt megbízható áramellátású hűtőrendszerekkel kell megtervezni, valamint szükségessé válik a kiégett nukleáris fűtőelemek hosszú távú (3-4 éves) tárolása speciális tárolókban. hőmérsékleti viszonyok- hűtőmedencék, amelyek általában a reaktor közvetlen közelében helyezkednek el.
Különösen az izotóp atommagok és a leghatékonyabb a lassú neutronok befogása. A lassú neutronok befogásának valószínűsége az atommagok későbbi hasadásával több százszor nagyobb, mint a gyorsaké. Ezért a természetes uránnal fűtött atomreaktorok neutronmoderátorokat használnak a neutronszaporodási tényező növelésére. Az atomreaktorban zajló folyamatokat a 13.15. ábra mutatja vázlatosan.
Az atomreaktor alapelemei. A 13.16. ábra egy atomreaktorral rendelkező erőmű diagramját mutatja.
Az atomreaktor fő elemei: nukleáris üzemanyag, neutronmoderátor (nehéz- vagy közönséges víz, grafit stb.), hűtőközeg a reaktor működése során keletkező energia (víz, folyékony nátrium stb.) eltávolítására, valamint a reakciósebesség szabályozására szolgáló eszköz (a reaktor munkaterébe kadmiumot vagy bórt tartalmazó rudakat fecskendeznek be - olyan anyagok, amelyek jól elnyelik a neutronokat). A reaktor külsejét védőburkolat veszi körül, amely blokkolja a sugárzást és a neutronokat. A héj betonból készült vas töltőanyaggal.
Fermi Enrico (1901-1954)- egy nagyszerű olasz fizikus, aki nagyban hozzájárult a modern elméleti és kísérleti fizika fejlődéséhez. 1938-ban az Egyesült Államokba emigrált. Diraccal egyidőben megalkotta az elektronok és más részecskék kvantumstatisztikai elméletét (Fermi-Dirac statisztika). Kidolgozta a p-bomlás kvantitatív elméletét - az elemi részecskék kölcsönhatásának modern kvantumelméletének prototípusát. Számos alapvető felfedezést tett a neutronfizikában. Vezetése alatt 1942-ben hajtottak végre először irányított nukleáris reakciót.
A legjobb moderátor a nehézvíz (lásd 102. §). A közönséges víz maga megfogja a neutronokat, és nehézvízzé alakul. A grafit, amelynek magja nem nyeli el a neutronokat, szintén jó moderátornak számít.
Kritikus tömeg. A k szorzótényező csak akkor válhat egyenlővé egységgel, ha a reaktor méretei és ennek megfelelően az urán tömege meghalad bizonyos kritikus értékeket. A kritikus tömeg a hasadóanyag azon legkisebb tömege, amelynél még nukleáris láncreakció léphet fel.
Kis méreteknél a reaktormag felületén (az a térfogat, amelyben az uránrudak találhatók) túl nagy a neutronszivárgás.
A rendszer méretének növekedésével a térfogattal arányosan növekszik a hasadásban részt vevő atommagok száma, a felülettel arányosan nő a szivárgás miatt elvesztett neutronok száma. Ezért a rendszer méretének növelésével elérhető a k 1 szorzótényező értéke. A rendszer akkor lesz kritikus dimenziókkal, ha a befogás és szivárgás következtében elveszett neutronok száma megegyezik a során kapott neutronok számával. a hasadási folyamat. A kritikus méreteket és ennek megfelelően a kritikus tömeget a nukleáris üzemanyag típusa, moderátor és tervezési jellemzők reaktor.
A tiszta (moderátor nélküli) gömburán esetében a kritikus tömeg körülbelül 50 kg. Ebben az esetben a labda sugara körülbelül 9 cm (az urán nagyon nehéz anyag). A neutronmoderátorok és a neutront visszaverő berilliumhéj segítségével sikerült a kritikus tömeget 250 g-ra csökkenteni.
Kurcsatov Igor Vasziljevics (1903-1960)- szovjet fizikus és szervező tudományos kutatás, háromszor a szocialista munka hőse. 1943-ban vezette tudományos munkák az atomproblémával kapcsolatos. Az ő vezetése alatt készült el Európa első atomreaktora (1946) és az első szovjet atombomba (1949). Korai munkái a ferroelektrikumok, a neutronok által kiváltott magreakciók és a mesterséges radioaktivitás vizsgálatával kapcsolatosak. Felfedezte a viszonylag hosszú „élettartamú” magok gerjesztett állapotának létezését.
A reaktor szabályozása kadmiumot vagy bórt tartalmazó rudak segítségével történik. Ha a rudak ki vannak húzva a reaktormagból, k > 1, és amikor a rudak teljesen vissza vannak húzva, k< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.
Gyors neutron reaktorok. Gyorsneutronokat használó moderátor nélkül működő reaktorokat építettek. Mivel a gyors neutronok által okozott hasadás valószínűsége kicsi, az ilyen reaktorok nem működhetnek természetes uránnal.
A reakció csak olyan dúsított keverékben tartható fenn, amely legalább 15% izotópot tartalmaz. A gyorsneutronos reaktorok előnye, hogy működésük során jelentős mennyiségű plutónium keletkezik, amely aztán nukleáris üzemanyagként hasznosítható. Ezeket a reaktorokat tenyészreaktornak nevezik, mert reprodukálják a hasadóanyagot. Akár 1,5-ös reprodukciós tényezővel rendelkező reaktorok épülnek. Ez azt jelenti, hogy egy reaktorban 1 kg izotóp hasadásakor legfeljebb 1,5 kg plutónium keletkezik. A hagyományos reaktorokban a reprodukciós tényező 0,6-0,7.
Az első atomreaktorok. Az urán értékes maghasadási reakcióját először az Egyesült Államokban hajtotta végre egy tudóscsoport Enrico Fermi vezetésével 1942 decemberében.
Hazánkban az első nukleáris szerkesztőt 1946. december 25-én indította el egy fizikuscsoport, melynek élén csodálatos tudósunk, Igor Vasziljevics Kurcsatov állt. Jelenleg létrehozva különféle típusok reaktorok, amelyek mind teljesítményükben, mind rendeltetésükben különböznek egymástól.
Az atomreaktorokban a nukleáris üzemanyagon kívül neutron-moderátor és vezérlőrudak is találhatók. A felszabaduló energiát a hűtőfolyadék eltávolítja.
1. Mi a kritikus tömeg!
2. Miért atomreaktor Neutron moderátort használnak!
