Elementele de bază ale unui tabel de reactor nuclear. Cum se pornește un reactor
Reactorul nuclear funcționează fără probleme și eficient. Altfel, după cum știți, vor fi probleme. Dar ce se întâmplă înăuntru? Să încercăm să formulăm principiul de funcționare a unui reactor nuclear (nuclear) pe scurt, clar, cu opriri.
În esență, acolo are loc același proces ca în timpul unei explozii nucleare. Doar explozia are loc foarte repede, iar în reactor totul se întinde până la perioadă lungă de timp. Drept urmare, totul rămâne în siguranță și primim energie. Nu atât de mult încât totul în jur ar fi distrus dintr-o dată, dar destul de suficient pentru a furniza energie electrică orașului.
Cum funcționează un reactor Turnurile de răcire ale centralei nucleare
Înainte de a înțelege cum are loc o reacție nucleară controlată, trebuie să știți ce este o reacție nucleară în general.
O reacție nucleară este procesul de transformare (fisiune) a nucleelor atomice atunci când aceștia interacționează cu particulele elementare și razele gamma.
Reacțiile nucleare pot apărea atât cu absorbția, cât și cu eliberarea de energie. Reactorul folosește 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 atomic. Să remarcăm că aici nu există nicio diferență fundamentală, dar din punctul de vedere al științei este mai corect să folosim cuvântul „nuclear”. Acum există multe tipuri de reactoare nucleare. Acestea sunt reactoare industriale uriașe menite să genereze energie în centrale electrice, reactoare nucleare ale submarinelor, 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. Acest lucru s-a întâmplat în SUA sub conducerea lui Fermi. Acest reactor a fost numit Chicago Woodpile.
În 1946, a început să funcționeze primul reactor sovietic, lansat 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, iar cel american - doar 1 wați. 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 (nuclear).
Orice reactor nuclear are mai multe părți: un miez cu combustibil și moderator, un reflector de neutroni, un lichid de răcire, un 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. Miezul 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 centralelor nucleare, atunci un reactor nuclear este folosit pentru a produce căldură. Electricitatea în sine este generată folosind aceeași metodă 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.
diagrama funcționării unui reactor nuclear Schema unui reactor nuclear la o centrală nucleară
După cum am spus deja, degradarea unui nucleu greu de uraniu produce elemente mai ușoare și mai mulți neutroni. Neutronii rezultați se ciocnesc cu alte nuclee, provocându-le și fisiunea. În același timp, numărul de neutroni crește ca o avalanșă.
Aici trebuie să menționăm factorul de multiplicare a neutronilor. Deci, dacă acest coeficient depășește o valoare egală cu unu, are loc o explozie nucleară. Dacă valoarea este mai mică de unu, sunt prea puțini neutroni și reacția se stinge. Dar dacă mențineți valoarea coeficientului egală cu unu, reacția se va desfășura lung și stabil.
Întrebarea este cum să faci asta? În reactor, combustibilul este conținut în așa-numitele elemente de combustibil (elemente de combustibil). Acestea sunt tije care conțin combustibil nuclear sub formă de tablete mici. Barele de combustibil sunt conectate în casete de formă hexagonală, dintre care pot fi sute într-un reactor. Casetele cu tije de combustibil sunt dispuse vertical, iar 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 de principiul de funcționare în sine, dar cum să pornim și să facem funcționarea reactorului? În linii mari, aici este - o bucată de uraniu, dar reacția în lanț nu începe în ea de la sine. Cert este că în fizica nucleară există un concept de masă critică.
Combustibil nuclearCombustibil nuclear
Masa critică este masa de material fisionabil necesară pentru a începe o reacție nucleară în lanț.
Cu ajutorul tijelor 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 matematice pentru studenții la științe umaniste și nu atât de mult (Partea 1)
În acest articol am încercat să vă oferim ideea generala despre structura și principiul de funcționare al unui reactor nuclear (nuclear). Dacă aveți întrebări pe această temă sau vi s-a pus o problemă de fizică nucleară la universitate, vă rugăm să contactați specialiștii companiei noastre. Ca de obicei, suntem gata să vă ajutăm să rezolvați orice problemă presantă cu privire la studiile dumneavoastră. Și în timp ce suntem la asta, iată un alt videoclip educațional pentru atenția ta!
blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/
Reactorul nuclear funcționează fără probleme și eficient. Altfel, după cum știți, vor fi probleme. Dar ce se întâmplă înăuntru? Să încercăm să formulăm principiul de funcționare a unui reactor nuclear (nuclear) pe scurt, clar, cu opriri.
În esență, acolo are loc același proces ca în timpul unei explozii nucleare. Doar explozia are loc foarte repede, dar în reactor toate acestea se întind mult timp. Drept urmare, totul rămâne în siguranță și primim energie. Nu atât de mult încât totul în jur ar fi distrus dintr-o dată, dar destul de suficient pentru a furniza energie electrică orașului.
Înainte de a înțelege cum are loc o reacție nucleară controlată, trebuie să știți ce este reacție nucleară deloc.
Reacție nucleară este procesul de transformare (fisiune) a nucleelor atomice atunci când interacționează cu particulele elementare și cuante gamma.
Reacțiile nucleare pot apărea atât cu absorbția, cât și cu eliberarea de energie. Reactorul folosește a doua reacție.
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 atomic. Să remarcăm că aici nu există nicio diferență fundamentală, dar din punctul de vedere al științei este mai corect să folosim cuvântul „nuclear”. Acum există multe tipuri de reactoare nucleare. Acestea sunt reactoare industriale uriașe menite să genereze energie în centrale electrice, reactoare nucleare ale submarinelor, 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. Acest lucru s-a întâmplat în SUA sub conducerea lui Fermi. Acest reactor a fost numit „Chicago Woodpile”.
În 1946, a început să funcționeze primul reactor sovietic, lansat 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, iar cel american - doar 1 wați. 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 (nuclear).
Orice reactor nuclear are mai multe părți: miez Cu combustibil Și moderator , reflector de neutroni , lichid de răcire , sistem de control și protecție . Izotopii sunt folosiți cel mai adesea ca combustibil în reactoare. uraniu (235, 238, 233), plutoniu (239) și toriu (232). Miezul 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 centralelor nucleare, atunci un reactor nuclear este folosit pentru a produce căldură. Electricitatea în sine este generată folosind aceeași metodă 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.
După cum am spus deja, degradarea unui nucleu greu de uraniu produce elemente mai ușoare și mai mulți neutroni. Neutronii rezultați se ciocnesc cu alte nuclee, provocându-le și fisiunea. În același timp, numărul de neutroni crește ca o avalanșă.
Ar trebui menționat aici factor de multiplicare a neutronilor . Deci, dacă acest coeficient depășește o valoare egală cu unu, are loc o explozie nucleară. Dacă valoarea este mai mică de unu, sunt prea puțini neutroni și reacția se stinge. Dar dacă mențineți valoarea coeficientului egală cu unu, reacția se va desfășura lung și stabil.
Întrebarea este cum să faci asta? În reactor, combustibilul este în așa-numitul elemente de combustibil (TVELakh). Acestea sunt baghete care conțin, sub formă de tablete mici, combustibil nuclear . Barele de combustibil sunt conectate în casete de formă hexagonală, dintre care pot fi sute într-un reactor. Casetele cu tije de combustibil sunt dispuse vertical, iar fiecare tijă de combustibil are un sistem care vă permite să reglați adâncimea imersiei sale în miez. Pe lângă casetele în sine, acestea includ 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 de principiul de funcționare în sine, dar cum să pornim și să facem funcționarea reactorului? În linii mari, aici este - o bucată de uraniu, dar reacția în lanț nu începe în ea de la sine. Cert este că în fizica nucleară există un concept masa critica .
Masa critică este masa de material fisionabil necesară pentru a începe o reacție nucleară în lanț.
Cu ajutorul tijelor 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.
În acest articol, am încercat să vă oferim o idee generală despre structura și principiul de funcționare a unui reactor nuclear (nuclear). Dacă aveți întrebări pe această temă sau vi s-a pus o problemă de fizică nucleară la universitate, vă rugăm să contactați specialiştilor companiei noastre. Ca de obicei, suntem gata să vă ajutăm să rezolvați orice problemă presantă cu privire la studiile dumneavoastră. Și în timp ce suntem la asta, iată un alt videoclip educațional pentru atenția ta!
Astăzi vom face o scurtă călătorie în lumea fizicii nucleare. Tema excursiei noastre va fi un reactor nuclear. Veți afla cum funcționează, ce principii fizice stau la baza funcționării sale și unde este utilizat acest dispozitiv.
Nașterea energiei nucleare
Primul reactor nuclear din lume a fost creat în 1942 în SUA grup experimental de fizicieni condus de laureat Premiul Nobel Enrico Fermi. În același timp, au efectuat o reacție de auto-susținere de fisiune a uraniului. Geniul atomic a fost eliberat.
Primul reactor nuclear sovietic a fost lansat în 1946, iar 8 ani mai târziu, prima centrală nucleară din lume din orașul Obninsk a generat curent. Directorul științific șef al lucrărilor în industria energiei nucleare a URSS a fost un fizician remarcabil Igor Vasilievici Kurchatov.
De atunci, mai multe generații de reactoare nucleare s-au schimbat, dar elementele principale ale designului său au rămas neschimbate.
Anatomia unui reactor nuclear
Această instalație nucleară este un rezervor de oțel cu pereți groși, cu o capacitate cilindrică variind de la câțiva centimetri cubi până la mulți metri cubi.
În interiorul acestui cilindru se află sfântul sfintelor - miezul reactorului. Aici are loc reacția în lanț de fisiune nucleară.
Să vedem cum are loc acest proces.
Miezuri elemente grele, în special Uraniu-235 (U-235), sub influența unui mic șoc energetic, ele sunt capabile să se destrame în 2 fragmente de masă aproximativ egală. Agentul cauzal al acestui proces este neutronul.
Fragmentele sunt cel mai adesea nuclee de bariu și cripton. Fiecare dintre ele poartă o sarcină pozitivă, așa că forțele de repulsie coulombiană îi forțează să se despartă în direcții diferite cu o viteză de aproximativ 1/30 din viteza luminii. Aceste fragmente sunt purtători de energie cinetică colosală.
Pentru uz practic energie, este necesar ca eliberarea acesteia să fie autosusținută. Reacție în lanț, Fisiunea în cauză este deosebit de interesantă deoarece fiecare eveniment de fisiune este însoțit de emisia de noi neutroni. În medie, sunt produși 2-3 neutroni noi per neutron inițial. Numărul de nuclee de uraniu fisionabil crește ca o avalanșă, provocând eliberarea unei energii enorme. Dacă acest proces nu este controlat, va avea loc o explozie nucleară. Are loc în .
Pentru a regla numărul de neutroni materialele care absorb neutronii sunt introduse în sistem, asigurând o eliberare lină de energie. Cadmiul sau borul sunt folosite ca absorbanți de neutroni.
Cum să reduceți și să utilizați enorma energie cinetică a fragmentelor? Lichidul de răcire este utilizat în aceste scopuri, de ex. un mediu special, în mișcare în care fragmentele sunt încetinite și se încălzesc la extrem temperaturi mari. Un astfel de mediu poate fi apă obișnuită sau grea, metale lichide (sodiu), precum și unele gaze. Pentru a nu provoca tranziția lichidului de răcire într-o stare de vapori, in miez este sustinuta presiune ridicata(până la 160 atm). Din acest motiv, pereții reactorului sunt fabricați din oțel de zece centimetri de clase speciale.
Dacă neutronii scapă dincolo de combustibilul nuclear, reacția în lanț poate fi întreruptă. Prin urmare, există o masă critică de material fisionabil, de ex. masa sa minimă la care se va menține o reacție în lanț. Depinde de diverși parametri, inclusiv prezența unui reflector în jurul miezului reactorului. Acesta servește la prevenirea scurgerii de neutroni în mediu inconjurator. Cel mai comun material pentru acest element structural este grafitul.
Procesele care au loc în reactor sunt însoțite de eliberarea celui mai periculos tip de radiație - radiația gamma. Pentru a minimiza acest pericol, este echipat cu protecție anti-radiații.
Cum funcționează un reactor nuclear?
Combustibilul nuclear, numit bare de combustibil, este plasat în miezul reactorului. Sunt tablete formate din material sfărâmat și plasate în tuburi subțiri de aproximativ 3,5 m lungime și 10 mm în diametru.
Sute de ansambluri similare de combustibil sunt plasate în miez și devin surse de energie termică eliberată în timpul reacției în lanț. Lichidul de răcire care curge în jurul barelor de combustibil formează primul circuit al reactorului.
Incalzit la parametri inalti, este pompat intr-un generator de abur, unde isi transfera energia in apa din circuitul secundar, transformandu-l in abur. Aburul rezultat rotește turbogeneratorul. Electricitatea generată de această unitate este transmisă consumatorului. Iar aburul evacuat, racit de apa din iazul de racire, sub forma de condens, revine in generatorul de abur. Ciclul este finalizat.
Această schemă cu dublu circuit funcționează instalatie nucleara previne pătrunderea proceselor care însoțesc radiațiile care au loc în nucleu dincolo de limitele sale.
Deci, în reactor există un lanț de transformări energetice: energia nucleară a materialului fisionabil → în energia cinetică a fragmentelor → energie termală lichid de răcire → energia cinetică a turbinei → și în energie electrică în generator.
Pierderile inevitabile de energie duc la Eficiența centralelor nucleare este relativ scăzută, 33-34%.
Pe lângă producție energie electrica La centralele nucleare, reactoarele nucleare sunt folosite pentru a produce diverși izotopi radioactivi, pentru cercetare în multe domenii ale industriei și pentru a studia parametrii admiși ai reactoarelor industriale. Reactoarele de transport care furnizează energie pentru motoare devin din ce în ce mai răspândite. Vehicul.
Tipuri de reactoare nucleare
De obicei, reactoarele nucleare funcționează cu uraniu U-235. Cu toate acestea, conținutul său în material natural este extrem de scăzut, doar 0,7%. Cea mai mare parte a uraniului natural este izotopul U-238. Numai neutronii lenți pot provoca o reacție în lanț în U-235, iar izotopul U-238 este divizat doar de neutroni rapizi. Ca urmare a divizării nucleului, se nasc atât neutroni lenți, cât și cei rapizi. Neutronii rapizi, care se confruntă cu inhibiție în lichidul de răcire (apă), devin lenți. Însă cantitatea de izotop U-235 din uraniul natural este atât de mică încât este necesar să se recurgă la îmbogățirea lui, aducând concentrația acestuia la 3-5%. Acest proces este foarte costisitor și neprofitabil din punct de vedere economic. În plus, timpul de epuizare a resurselor naturale ale acestui izotop este estimat la doar 100-120 de ani.
Prin urmare în industria nucleară Există o tranziție treptată la reactoare care funcționează pe neutroni rapizi.
Principala lor diferență este că folosesc metale lichide ca lichid de răcire, care nu încetinesc neutronii, iar U-238 este folosit ca combustibil nuclear. Nucleele acestui izotop trec printr-un lanț de transformări nucleare în Plutoniu-239, care este supus unei reacții în lanț în același mod ca U-235. Adică, combustibilul nuclear este reprodus, și în cantități care depășesc consumul său.
Potrivit experților rezervele izotopului Uraniu-238 ar trebui să fie suficiente pentru 3000 de ani. Acest timp este suficient pentru ca omenirea să aibă suficient timp pentru a dezvolta alte tehnologii.
Probleme de utilizare a energiei nucleare
Împreună cu avantaje evidente energie nucleară, amploarea problemelor asociate cu exploatarea instalațiilor nucleare nu poate fi subestimată.
Primul este eliminarea deșeurilor radioactive și a echipamentelor demontate energie nucleară. Aceste elemente au o radiație de fond activă care persistă o perioadă lungă de timp. Pentru eliminarea acestor deșeuri, se folosesc recipiente speciale de plumb. Acestea ar trebui să fie îngropate în zone de permafrost la o adâncime de până la 600 de metri. Prin urmare, se lucrează în mod constant pentru a găsi o modalitate de reciclare a deșeurilor radioactive, care ar trebui să rezolve problema eliminării și să ajute la conservarea ecologiei planetei noastre.
A doua problemă nu mai puțin serioasă este asigurarea sigurantei in timpul functionarii CNE. Accidentele majore precum Cernobîl pot lua multe vieți umaneși scoate din uz suprafețe vaste.
Accidentul de la centrala nucleară japoneză Fukushima-1 a confirmat doar potențialul pericol care se manifestă atunci când apare o situație de urgență la instalațiile nucleare.
Cu toate acestea, posibilitățile energiei nucleare sunt atât de mari încât probleme ecologice se estompează în fundal.
Astăzi, omenirea nu are altă modalitate de a-și satisface foamea de energie din ce în ce mai mare. Baza energiei nucleare a viitorului va fi probabil reactoarele „rapide” cu funcția de a reproduce combustibilul nuclear.
Dacă acest mesaj ți-a fost de folos, m-aș bucura să te văd
Reactor nuclear
Un reactor nuclear este un dispozitiv în care are loc o reacție nucleară controlată în lanț, însoțită de eliberarea de energie. Primul reactor nuclear a fost construit și lansat în decembrie 1942 în SUA sub conducerea lui E. Fermi. Primul reactor construit în afara Statelor Unite a fost ZEEP, lansat în Canada în septembrie 1945. În Europa, primul reactor nuclear a fost instalația F-1, care a început să funcționeze la 25 decembrie 1946 la Moscova sub conducerea lui I.V. Kurchatov.
Până în 1978, în lume funcționau deja aproximativ o sută de reactoare nucleare de diferite tipuri. Componente ale oricărui reactor nuclear sunt: un miez cu combustibil nuclear, de obicei înconjurat de un reflector de neutroni, un lichid de răcire, un sistem de control al reacției în lanț, protecție împotriva radiațiilor și un sistem de control de la distanță. Vasul reactorului este supus uzurii (mai ales sub influența radiațiilor ionizante). Principala caracteristică a unui reactor nuclear este puterea sa. O putere de 1 MW corespunde unei reacții în lanț în care au loc 3·1016 evenimente de fisiune într-o secundă.
Poveste
Grupul teoretic „Proiectul Uraniului” al Germaniei naziste, care lucra în cadrul Societății Kaiser Wilhelm, a fost condus de Weizsäcker, dar numai formal. Heisenberg a devenit liderul de facto, în curs de dezvoltare baza teoretica reacție în lanț, Weizsäcker și un grup de participanți s-au concentrat pe crearea unei „mașini de uraniu” - primul reactor. La sfârșitul primăverii anului 1940, unul dintre oamenii de știință ai grupului, Harteck, a efectuat primul experiment încercând să creeze o reacție în lanț folosind oxid de uraniu și un moderator de grafit solid. Cu toate acestea, materialul fisionabil disponibil nu a fost suficient pentru a atinge acest obiectiv. În 1941, la Universitatea din Leipzig, un membru al grupului lui Heisenberg, Doepel, a construit un stand cu un moderator de apă grea, în experimente pe care, până în mai 1942, a fost posibil să se realizeze producția de neutroni în cantități care depășesc absorbția acestora. Oamenii de știință germani au reușit să obțină o reacție în lanț cu drepturi depline în februarie 1945 într-un experiment efectuat într-o mină care lucra lângă Haigerloch. Cu toate acestea, câteva săptămâni mai târziu, programul nuclear al Germaniei a încetat să mai existe.
Reacția în lanț de fisiune nucleară (pe scurt, reacția în lanț) a fost efectuată pentru prima dată în decembrie 1942. Un grup de fizicieni de la Universitatea din Chicago, condus de E. Fermi, a creat primul reactor nuclear din lume, numit Chicago Pile-1 (CP-1). Era format din blocuri de grafit, între care erau amplasate bile de uraniu natural și dioxidul acestuia. Neutronii rapizi care au apărut după fisiunea nucleelor de 235U au fost încetiniți de grafit la energii termice și apoi au provocat noi fisiuni nucleare. Reactoarele precum SR-1, în care majoritatea fisiunilor au loc sub influența neutronilor termici, se numesc reactoare cu neutroni termici. Conțin mult moderator în comparație cu combustibilul nuclear.
În URSS, studiile teoretice și experimentale ale caracteristicilor pornirii, funcționării și controlului reactoarelor au fost efectuate de un grup de fizicieni și ingineri sub conducerea academicianului I.V. Kurchatov. Primul reactor sovietic F-1 a fost construit în Laboratorul nr. 2 al Academiei de Științe a URSS (Moscova). Acest reactor a fost adus în stare critică la 25 decembrie 1946. Reactorul F-1 era realizat din blocuri de grafit și avea forma unei bile cu diametrul de aproximativ 7,5 m. În partea centrală a bilei cu diametrul de 6 m, prin orificiile blocurilor de grafit erau plasate tije de uraniu. Reactorul F-1, ca și reactorul CP-1, nu avea sistem de răcire, așa că funcționa la niveluri de putere foarte scăzute (fracții de watt, rar câțiva wați). Rezultatele cercetării la reactorul F-1 au devenit baza proiectelor de reactoare industriale mai complexe. În 1948, reactorul I-1 (conform altor surse, se numea A-1) pentru producția de plutoniu a fost dat în funcțiune, iar la 27 iunie 1954 a intrat în funcțiune prima centrală nucleară din lume. putere electrica 5 MW în Obninsk.
Proiectare și principiu de funcționare
Mecanism de eliberare a energiei Transformarea unei substanțe este însoțită de eliberarea de energie liberă numai dacă substanța are o rezervă de energie. Aceasta din urmă înseamnă că microparticulele unei substanțe se află într-o stare cu o energie de repaus mai mare decât într-o altă stare posibilă la care există o tranziție. O tranziție spontană este întotdeauna împiedicată de o barieră energetică, pentru a o depăși microparticula trebuie să primească o anumită cantitate de energie din exterior - energie de excitație. Reacția exoenergetică constă în faptul că în transformarea care urmează excitării 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 se unește.
Dacă ținem cont de scara macroscopică a eliberării de energie, atunci toate sau inițial cel puțin o parte din particulele substanței trebuie să aibă energia cinetică necesară pentru a excita reacțiile. Acest lucru este realizabil doar prin creșterea temperaturii mediului până la o valoare la care energia mișcării termice se apropie de pragul de energie care limitează cursul procesului. În cazul transformărilor moleculare, adică al reacțiilor chimice, o astfel de creștere este de obicei de sute de kelvin, dar în cazul reacțiilor nucleare este de cel puțin 107 K din cauza înălțimii foarte mari a barierelor Coulomb a nucleelor care se ciocnesc. Excitarea termică a reacțiilor nucleare se realizează în practică numai în timpul sintezei celor mai ușoare nuclee, în care barierele Coulomb sunt minime (fuziune termonucleară).
Excitarea prin unirea particulelor nu necesită energie cinetică mare și, prin urmare, nu depinde de temperatura mediului, deoarece apare din cauza legăturilor neutilizate inerente forțelor atractive ale particulelor. Dar pentru a excita reacțiile, particulele în sine sunt necesare. Și dacă ne referim din nou nu la un act separat de reacție, ci la producerea de energie la scară macroscopică, atunci acest lucru este posibil numai atunci când are loc o reacție în lanț. Acesta din urmă apare atunci când particulele care excită reacția reapar ca produse ale unei reacții exoenergetice.
Proiecta
Orice reactor nuclear este format din următoarele părți:
- Miez cu combustibil nuclear și moderator;
- Reflector de neutroni care înconjoară miezul;
- 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.
Groapă de iod
Groapa de iod este o stare a unui reactor nuclear după ce acesta este oprit, caracterizată prin acumularea izotopului de xenon de scurtă durată 135Xe. Acest proces duce la apariția temporară a reactivității negative semnificative, care, la rândul său, face imposibilă aducerea reactorului la capacitatea sa de proiectare într-o anumită perioadă (aproximativ 1-2 zile).
Clasificare
După scop
În funcție de natura utilizării lor, reactoarele nucleare sunt împărțite în:
- Reactoarele energetice concepute pentru a produce energie electrică și termică utilizate în sectorul energetic, precum și pentru desalinizarea apei de mare (reactoarele de desalinizare sunt, de asemenea, clasificate ca industriale). Astfel de reactoare au fost utilizate în principal în centrale nucleare. Puterea termică a reactoarelor de putere moderne ajunge la 5 GW. Un grup separat include:
- Reactoare de transport concepute pentru a furniza energie motoarele vehiculelor. Cele mai largi grupuri de aplicații sunt reactoarele de transport maritim utilizate pe submarine și diferite nave de suprafață, precum și reactoarele utilizate în tehnologia spațială.
- Reactoare experimentale concepute pentru a studia diferite mărimi fizice a căror semnificație 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 cuante gamma create în miez sunt utilizate pentru cercetare în domeniul fizicii nucleare, fizicii stării solide, chimia radiațiilor, biologie și pentru testarea materialelor destinate să funcționeze în fluxuri intense de neutroni (inclusiv . piese). de reactoare nucleare), pentru producerea de izotopi. Puterea reactoarelor de cercetare nu depășește 100 MW. Energia eliberată nu este de obicei folosită.
- Reactoare industriale (arme, izotopi) utilizate pentru producerea de izotopi utilizați în diverse domenii. Cel mai utilizat pentru producerea de materiale pentru arme nucleare, cum ar fi 239Pu. De asemenea, clasificate ca industriale sunt reactoarele utilizate pentru desalinizarea apei de mare.
Reactoarele sunt adesea folosite pentru a rezolva două sau mai multe diverse sarcini, caz în care sunt numite polivalente. De exemplu, unele reactoare de putere, în special în primele zile ale energiei nucleare, au fost proiectate în primul rând pentru experimentare. Reactoarele cu neutroni rapidi pot produce simultan energie și izotopi. Reactoarele industriale, pe lângă sarcina lor principală, generează adesea energie electrică și termică.
Conform spectrului de neutroni
- Reactor termic (lent) cu neutroni („reactor termic”)
- Reactor rapid cu neutroni („reactor rapid”)
- Reactor cu neutroni intermediari
- Reactor cu spectru mixt
Prin plasarea combustibilului
- Reactoare eterogene, în care combustibilul este plasat discret în miez sub formă de blocuri, între care se află un moderator;
- Reactoare omogene, în care combustibilul și moderatorul sunt un amestec omogen (sistem omogen).
Într-un reactor eterogen, combustibilul și moderatorul pot fi separate spațial, în special, într-un reactor cu cavitate, moderatorul-reflector înconjoară o cavitate cu combustibil care nu conține un moderator. Din punct de vedere fizic nuclear, criteriul de omogenitate/eterogenitate nu este proiectarea, ci amplasarea blocurilor de combustibil la o distanță care depășește lungimea de moderare a neutronilor într-un moderator dat. Astfel, reactoarele cu așa-numita „zăbrelă apropiată” sunt proiectate ca omogene, deși în ele combustibilul este de obicei separat de moderator.
Blocurile de combustibil nuclear dintr-un reactor eterogen sunt numite ansambluri de combustibil (FA), care sunt plasate în miez la nodurile unei rețele obișnuite, formând celule.
După tipul de combustibil
- izotopi de uraniu 235, 238, 233 (235U, 238U, 233U)
- izotop de plutoniu 239 (239Pu), de asemenea izotopi 239-242Pu sub formă de amestec cu 238U (combustibil MOX)
- izotopul de toriu 232 (232Th) (prin conversie la 233U)
După gradul de îmbogățire:
- uraniu natural
- uraniu slab îmbogățit
- uraniu foarte îmbogățit
După compoziția chimică:
- metal U
- UO2 (dioxid de uraniu)
- UC (carbură de uraniu), etc.
După tipul de lichid de răcire
- H2O (reactor apă-apă)
- Gaz, (reactor de grafit-gaz)
- Reactor răcit organic
- Reactor răcit cu metal lichid
- Reactorul cu sare topită
- Reactor solid de răcire
După tipul de moderator
- C (Reactor grafit-gaz, reactor grafit-apă)
- H2O (reactor cu apă ușoară, reactor răcit cu apă, VVER)
- D2O (reactor nuclear cu apă grea, CANDU)
- Fii, BeO
- Hidruri metalice
- Fără moderator (reactor rapid)
De proiectare
- Reactoare cu vas
- Reactoarele cu canal
Prin metoda de generare a aburului
- Reactor cu generator extern de abur (reactor apă-apă, VVER)
- Reactor de fierbere
clasificarea AIEA
- PWR (pressurized water reactors) - reactor apă-apă (reactor cu apă presurizată);
- BWR (boiling water reactor) - reactor cu apă în fierbere;
- FBR (fast breeder reactor) - reactor de reproducere rapidă;
- GCR (gas-cooled reactor) - reactor răcit cu gaz;
- LWGR (reactor de grafit cu apă ușoară) - reactor grafit-apă
- PHWR (reactor cu apă grea sub presiune) - reactor cu apă grea
Cele mai comune din lume sunt reactoarele cu apă sub presiune (aproximativ 62%) și apă clocotită (20%).
Controlul reactorului nuclear
Controlul unui reactor nuclear este posibil numai datorită faptului că, în timpul fisiunii, unii dintre neutroni zboară din fragmente cu o întârziere, care poate varia de la câteva milisecunde la câteva minute.
Pentru controlul reactorului se folosesc tije de absorbție, introduse în miez, din materiale care absorb puternic neutronii (în principal B, Cd și alții) și/sau o soluție de acid boric adăugată lichidului de răcire într-o anumită concentrație (controlul borului). ). Mișcarea tijelor este controlată prin mecanisme speciale, acționări, care funcționează conform semnalelor de la operator sau echipament reglare automată flux de neutroni.
În caz de diferit Situații de urgențăÎn fiecare reactor, este prevăzută o terminare de urgență a reacției în lanț, realizată prin aruncarea tuturor tijelor absorbante în miez - un sistem de protecție în caz de urgență.
Căldura reziduală
O problemă importantă direct legată de siguranța nucleară este căldura de descompunere. Acest caracteristică specifică combustibil nuclear, care constă în faptul că, după încetarea reacției de fisiune în lanț și a inerției termice uzuale pentru orice sursă de energie, degajarea de căldură în reactor continuă mult timp, ceea ce creează o serie de probleme complexe din punct de vedere tehnic.
Eliberarea de căldură reziduală este o consecință a dezintegrarii β și γ a produselor de fisiune care s-au acumulat în combustibil în timpul funcționării reactorului. Nucleele produselor de fisiune, din cauza degradarii, se transformă într-o stare mai stabilă sau complet stabilă cu eliberarea de energie semnificativă.
Deși rata de eliberare a căldurii de descompunere scade rapid la valori mici în comparație cu valorile la starea staționară, în reactoarele de putere puternice este semnificativă în valori absolute. Din acest motiv, generarea de căldură reziduală implică necesitatea unei perioade lungi de timp pentru a asigura îndepărtarea căldurii din miezul reactorului după ce acesta este oprit. Această sarcină necesită proiectarea instalației reactorului să includă sisteme de răcire cu o sursă de energie fiabilă și, de asemenea, necesită depozitarea pe termen lung (3-4 ani) a combustibilului nuclear uzat în instalații de depozitare cu conditii de temperatura- bazine de răcire, care sunt de obicei situate în imediata apropiere a reactorului.
În special nucleele izotopice și cel mai eficient captează neutronii lenți. Probabilitatea de a capta neutroni lenți cu fisiunea ulterioară a nucleelor este de sute de ori mai mare decât a celor rapizi. Prin urmare, reactoarele nucleare alimentate cu uraniu natural folosesc moderatori de neutroni pentru a crește factorul de multiplicare a neutronilor. Procesele dintr-un reactor nuclear sunt prezentate schematic în Figura 13.15.
Elementele de bază ale unui reactor nuclear. Figura 13.16 prezintă o diagramă a unei centrale electrice cu reactor nuclear.
Elementele principale ale unui reactor nuclear sunt: combustibilul nuclear, un moderator de neutroni (apă grea sau obișnuită, grafit etc.), un lichid de răcire pentru îndepărtarea energiei generate în timpul funcționării reactorului (apă, sodiu lichid etc.), și un dispozitiv de reglare a vitezei de reacție (injectate în spațiul de lucru al reactorului sunt tije care conțin cadmiu sau bor - substanțe care absorb bine neutronii). Exteriorul reactorului este înconjurat de o carcasă de protecție care blochează radiațiile și neutronii. Carcasa este din beton cu umplutură de fier.
Fermi Enrico (1901 - 1954)- un mare fizician italian care a adus o mare contribuție la dezvoltarea fizicii teoretice și experimentale moderne. În 1938 a emigrat în SUA. Concomitent cu Dirac, el a creat teoria statistică cuantică a electronilor și a altor particule (statistica Fermi-Dirac). El a dezvoltat o teorie cantitativă a dezintegrarii p - un prototip al teoriei cuantice moderne a interacțiunii particulelor elementare. A făcut o serie de descoperiri fundamentale în fizica neutronilor. Sub conducerea sa, în 1942, a avut loc pentru prima dată o reacție nucleară controlată.
Cel mai bun moderator este apa grea (vezi § 102). Apa obișnuită în sine captează neutroni și se transformă în apă grea. Grafitul, ale cărui nuclee nu absorb neutronii, este, de asemenea, considerat un bun moderator.
Masa critica. Factorul de multiplicare k poate deveni egal cu unitatea numai dacă dimensiunile reactorului și, în consecință, masa uraniului depășesc anumite valori critice. Masa critică este cea mai mică masă de material fisionabil la care poate avea loc încă o reacție nucleară în lanț.
Cu dimensiuni mici, scurgerea de neutroni prin suprafața miezului reactorului (volumul în care se află tijele de uraniu) este prea mare.
Pe măsură ce dimensiunea sistemului crește, numărul de nuclee implicate în fisiune crește proporțional cu volumul, iar numărul de neutroni pierduți din cauza scurgerilor crește proporțional cu suprafața. Prin urmare, prin creșterea dimensiunii sistemului, este posibilă obținerea unei valori a factorului de multiplicare k 1. Sistemul va avea dimensiuni critice dacă numărul de neutroni pierduți din cauza captării și scurgerii este egal cu numărul de neutroni obținuți în timpul procesul de fisiune. Dimensiunile critice și, în consecință, masa critică sunt determinate de tipul de combustibil nuclear, moderator și caracteristici de proiectare reactor.
Pentru uraniul sferic pur (fără moderator), masa critică este de aproximativ 50 kg. În acest caz, raza mingii este de aproximativ 9 cm (uraniul este o substanță foarte grea). Folosind moderatori de neutroni și o înveliș de beriliu care reflectă neutronii, a fost posibilă reducerea masei critice la 250 g.
Kurchatov Igor Vasilievici (1903-1960)- Fizician și organizator sovietic cercetare științifică, de trei ori Erou al Muncii Socialiste. În 1943 a condus lucrări științifice legate de problema atomică. Sub conducerea sa, au fost create primul reactor atomic din Europa (1946) și prima bombă atomică sovietică (1949). Lucrări timpurii legate de studiul feroelectricilor, reacțiilor nucleare cauzate de neutroni și radioactivitatea artificială. S-a descoperit existența stărilor excitate ale nucleelor cu o „durată de viață” relativ lungă.
Reactorul este controlat cu tije care conțin cadmiu sau bor. Când tijele sunt extinse de la miezul reactorului, k > 1, iar când tijele sunt complet retractate, k< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.
Reactoare rapide cu neutroni. Au fost construite reactoare care funcționează fără un moderator folosind neutroni rapizi. Deoarece probabilitatea de fisiune cauzată de neutroni rapizi este mică, astfel de reactoare nu pot funcționa cu uraniu natural.
Reacția poate fi menținută numai într-un amestec îmbogățit care conține cel puțin 15% izotop. Avantajul reactoarelor cu neutroni rapizi este că funcționarea lor produce o cantitate semnificativă de plutoniu, care poate fi apoi folosit ca combustibil nuclear. Aceste reactoare sunt numite reactoare de reproducere deoarece reproduc material fisionabil. Se construiesc reactoare cu un factor de reproducere de până la 1,5. Aceasta înseamnă că într-un reactor, la fisiunea a 1 kg de izotop, se obține până la 1,5 kg de plutoniu. În reactoarele convenționale, factorul de reproducere este de 0,6-0,7.
Primele reactoare nucleare. Pentru prima dată, valoroasa reacție de fisiune nucleară a uraniului a fost efectuată în SUA de o echipă de oameni de știință condusă de Enrico Fermi în decembrie 1942.
În țara noastră, primul editor nuclear a fost lansat pe 25 decembrie 1946 de o echipă de fizicieni, condusă de minunatul nostru om de știință Igor Vasilyevich Kurchatov. Creat în prezent Tipuri variate reactoare care se deosebesc între ele atât prin putere cât și prin scopul lor.
În reactoarele nucleare, pe lângă combustibilul nuclear, există un moderator de neutroni și tije de control. Energia eliberată este îndepărtată de lichidul de răcire.
1. Ce este masa critică!
2. De ce reactor nuclear Se folosește un moderator de neutroni!
