Danas ćemo krenuti na kratko putovanje u svijet nuklearne fizike. Tema našeg izleta bit će nuklearni reaktor. Naučit ćete kako funkcionira, koji su fizički principi u osnovi njegovog rada i gdje se ovaj uređaj koristi.

Rođenje nuklearne energije

Prvi nuklearni reaktor na svijetu stvoren je 1942. godine u SAD-u eksperimentalna grupa fizičara na čelu sa laureatom nobelova nagrada Enrico Fermi. Istovremeno su izveli samoodrživu reakciju fisije uranijuma. Atomski duh je pušten.

Prvi sovjetski nuklearni reaktor pokrenut je 1946. a 8 godina kasnije, prva nuklearna elektrana na svijetu u gradu Obninsku proizvela je struju. Glavni naučni direktor rada u industriji nuklearne energije SSSR-a bio je izvanredan fizičar Igor Vasiljevič Kurčatov.

Od tada se promijenilo nekoliko generacija nuklearnih reaktora, ali su glavni elementi njegovog dizajna ostali nepromijenjeni.

Anatomija nuklearnog reaktora

Ova nuklearna instalacija je čelični rezervoar debelih zidova cilindričnog kapaciteta od nekoliko kubnih centimetara do mnogo kubnih metara.

Unutar ovog cilindra je svetinja nad svetinjama - jezgro reaktora. Ovdje se događa lančana reakcija nuklearne fisije.

Pogledajmo kako se ovaj proces odvija.

Posebno jezgra teških elemenata Uran-235 (U-235), pod utjecajem malog energetskog šoka mogu se raspasti na 2 fragmenta približno jednake mase. Uzročnik ovog procesa je neutron.

Fragmenti su najčešće jezgra barija i kriptona. Svaki od njih nosi pozitivan naboj, pa ih Kulonova odbojnost prisiljava da se razlijeću u različitim smjerovima brzinom od oko 1/30 brzine svjetlosti. Ovi fragmenti su nosioci kolosalne kinetičke energije.

Za praktičnu upotrebu energije neophodno je da njeno oslobađanje bude samoodrživo. Lančana reakcija, Fisija o kojoj je riječ posebno je zanimljiva jer je svaki događaj fisije praćen emisijom novih neutrona. U prosjeku se proizvode 2-3 nova neutrona po početnom neutronu. Broj fisilnih jezgara uranijuma raste poput lavine, uzrokujući oslobađanje ogromne energije. Ako se ovaj proces ne kontroliše, desiće se nuklearna eksplozija. Održava se u .

Za regulaciju broja neutrona materijali koji apsorbuju neutrone se unose u sistem, osiguravaju nesmetano oslobađanje energije. Kadmijum ili bor se koriste kao apsorberi neutrona.

Kako obuzdati i iskoristiti enormno kinetička energija fragmenti? U ove svrhe se koristi rashladna tečnost, tj. posebno okruženje, kretanje u kojem se fragmenti usporavaju i zagrijavaju do ekstremno visoke temperature. Takav medij može biti obična ili teška voda, tečni metali (natrijum), kao i neki gasovi. Kako ne bi došlo do prelaska rashladnog sredstva u stanje pare, u jezgru se održava visok pritisak (do 160 atm). Zbog toga su zidovi reaktora izrađeni od deset centimetara čelika specijalnih klasa.

Ako neutroni pobjegnu izvan nuklearnog goriva, lančana reakcija može biti prekinuta. Dakle, postoji kritična masa fisionog materijala, tj. njegova minimalna masa pri kojoj će se održati lančana reakcija. Zavisi od različitih parametara, uključujući prisustvo reflektora koji okružuje jezgro reaktora. Služi za sprečavanje curenja neutrona okruženje. Najčešći materijal za ovaj strukturni element je grafit.

Procesi koji se odvijaju u reaktoru su praćeni oslobađanjem opasnog izgleda zračenje – gama zračenje. Da bi se ova opasnost svela na minimum, opremljena je zaštitom od zračenja.

Kako radi nuklearni reaktor?

Nuklearno gorivo, zvano gorivi štapovi, smješteno je u jezgro reaktora. To su tablete napravljene od lomljivog materijala i smještene u tanke cijevi dužine oko 3,5 m i prečnika 10 mm.

Stotine sličnih gorivnih sklopova postavljeno je u jezgro i oni postaju izvori toplotne energije oslobođene tokom lančane reakcije. Rashladna tečnost koja teče oko gorivih šipki formira prvi krug reaktora.

Zagrijana do visokih parametara, pumpa se u generator pare, gdje svoju energiju prenosi na vodu sekundarnog kruga, pretvarajući je u paru. Nastala para rotira turbogenerator. Električna energija koju proizvodi ovaj uređaj prenosi se do potrošača. A izduvna para, hlađena vodom iz rashladnog jezera, u obliku kondenzata, vraća se u generator pare. Ciklus je završen.

Ovaj dvokružni rad nuklearne instalacije sprječava prodiranje zračenja koje prati procese koji se odvijaju u jezgri izvan njenih granica.

Dakle, u reaktoru se dešava lanac energetskih transformacija: nuklearna energija fisionog materijala → u kinetičku energiju fragmenata → toplotna energija rashladnog sredstva → kinetička energija turbine → i u električnu energiju u generatoru.

Neizbježni gubici energije dovode do Efikasnost nuklearnih elektrana je relativno niska, 33-34%.

Pored proizvodnje električna energija U nuklearnim elektranama nuklearni reaktori se koriste za proizvodnju raznih radioaktivnih izotopa, za istraživanja u mnogim oblastima industrije i za proučavanje dozvoljenih parametara industrijskih reaktora. Transportni reaktori, koji daju energiju za motore vozila, postaju sve rasprostranjeniji.

Vrste nuklearnih reaktora

Obično nuklearni reaktori rade na U-235 uranijumu. Međutim, njegov sadržaj u prirodnom materijalu je izuzetno nizak, samo 0,7%. Najveći dio prirodnog uranijuma je izotop U-238. Samo spori neutroni mogu izazvati lančanu reakciju u U-235, a izotop U-238 se dijeli samo brzim neutronima. Kao rezultat cijepanja jezgra, rađaju se i spori i brzi neutroni. Brzi neutroni, koji doživljavaju inhibiciju u rashladnoj tečnosti (vodi), postaju spori. Ali količina izotopa U-235 u prirodnom uranijumu je toliko mala da je potrebno pribjeći njegovom obogaćivanju, dovodeći njegovu koncentraciju na 3-5%. Ovaj proces je veoma skup i ekonomski neisplativ. Osim toga, vrijeme iscrpljivanja prirodnih resursa ovog izotopa procjenjuje se na samo 100-120 godina.

Dakle, u nuklearnoj industriji Postoji postepeni prelazak na reaktore koji rade na brzim neutronima.

Njihova glavna razlika je u tome što kao rashladno sredstvo koriste tekuće metale, koji ne usporavaju neutrone, a U-238 se koristi kao nuklearno gorivo. Jezgra ovog izotopa prolaze kroz lanac nuklearnih transformacija u plutonijum-239, koji je podložan lančanoj reakciji na isti način kao i U-235. Odnosno, nuklearno gorivo se reprodukuje i to u količinama koje prevazilaze njegovu potrošnju.

Prema mišljenju stručnjaka rezerve izotopa uranijuma-238 trebale bi biti dovoljne za 3000 godina. Ovo vrijeme je dovoljno da čovječanstvo ima dovoljno vremena za razvoj drugih tehnologija.

Problemi korištenja nuklearne energije

Uz očigledne prednosti nuklearne energije, razmjeri problema povezanih s radom nuklearnih postrojenja ne mogu se potcijeniti.

Prvi je odlaganje radioaktivnog otpada i demontirane opreme Nuklearna energija. Ovi elementi su aktivni pozadinsko zračenje, koji traje dugo vremena. Za odlaganje ovog otpada koriste se posebni olovni kontejneri. Predviđeno je da budu zakopani u oblastima permafrosta na dubini do 600 metara. Stoga se stalno radi na pronalaženju načina za reciklažu radioaktivnog otpada, koji bi trebao riješiti problem odlaganja i pomoći očuvanju ekologije naše planete.

Drugi ništa manje ozbiljan problem je osiguranje sigurnosti tokom rada NE. Velike nesreće poput Černobila mogu odneti mnoge živote i učiniti ogromne teritorije neupotrebljivim.

Nesreća u japanskoj nuklearnoj elektrani Fukushima-1 samo je potvrdila potencijalnu opasnost koja se manifestira kada dođe do vanredne situacije u nuklearnim objektima.

Međutim, mogućnosti nuklearne energije su toliko velike da ekološki problemi blede u pozadini.

Danas čovječanstvo nema drugog načina da zadovolji svoju sve veću energetsku glad. Osnova nuklearne energije budućnosti vjerovatno će biti “brzi” reaktori sa funkcijom reprodukcije nuklearnog goriva.

Ako vam je ova poruka bila korisna, bilo bi mi drago da vas vidim

Dvadeset petog decembra navršava se 70 godina od lansiranja prvog domaćeg nuklearnog reaktora F-1, stvorenog za implementaciju sovjetskog nuklearnog projekta. Reaktor, izgrađen u Moskvi na teritoriji Laboratorije br. 2 Akademije nauka SSSR-a (sada Nacionalni istraživački centar Kurčatovski institut), postao je polazna tačka za razvoj mnogih miroljubivih nuklearnih područja u kojima Rusija zauzima vodeću poziciju.

Predsednik centra, dopisni član, govorio je u intervjuu specijalnom dopisniku RIA Novosti Vladimiru Sičevu o značaju tog događaja za istoriju Rusije i celog sveta, o značaju države da izabere prave strateške prioritete za svoj razvoj. i o novim jedinstvenim tehnologijama koje je razvio Institut Kurchatov. Ruska akademija nauke Mikhail Kovalchuk.

Mihaile Valentinoviču, šta je lansiranje prvog reaktora F-1 na evroazijskom kontinentu značilo za našu nuklearnu industriju, za državu?

Ne samo za zemlju, već i za budućnost cijelog svijeta. Ovo je bio događaj čiji je značaj teško precijeniti. Zamislite vojno-politički kontekst tog vremena. Sovjetski Savez je pobijedio velika pobeda maja 1945. Naša zemlja je podnijela najveći teret bitke sa nacističkom Njemačkom. Pred kraj Velikog Otadžbinski rat Sovjetski Savez je imao najspremniju i tehnički opremljenu vojsku. Jačala se uloga SSSR-a u svijetu. Uz naše učešće odlučivala se sudbina svijeta - na konferencijama u Teheranu, Jalti, Potsdamu.

I tako su 6. i 9. avgusta 1945. Sjedinjene Države bacile atomske bombe na Hirošimu i Nagasaki. U stvari, ispostavilo se da je jedna zemlja vlasnik neviđenog oružja kolosalne razorne moći. Zapravo, naša pobjeda je obezvrijeđena. Do 29. avgusta 1949. - testovi Sovjetskog Saveza atomska bomba na poligonu Semipalatinsk - budućnost naše zemlje bila je u pitanju. Kao što znate, 1. januara 1950. godine, prema američkom trojanskom planu, planirano je baciti 300 nuklearnih i 20 hiljada konvencionalnih bombi na gradove SSSR-a.

Stoga je implementacija sovjetskog nuklearnog projekta, čija je prva faza bilo lansiranje reaktora F-1, u vrlo kratkom roku, uz nevjerovatne napore i sredstva, omogućila uspostavljanje nuklearnog pariteta. Do sada svijet živi bez globalnog rata samo zato što postoji ravnoteža snaga. A Rusija je opstala do danas kao suverena država jer su tada, u najtežim vremenima, rukovodstvo zemlje i napredna nauka nailazili na međusobno razumijevanje u suočavanju s prijetnjom. Za nas danas ti događaji služe kao primjer kako država treba da bira i kombinuje taktičke i strateške prioritete, uključujući i naučne i tehnološke.

- O kojim prioritetima je reč?

Taktički prioriteti su kratkoročni, oni osiguravaju naše dnevni život, usmjereni su na proizvodnju specifičnih proizvoda, stvaranje i razvoj određenih tržišta i zapravo su specifični za industriju.

A strateški prioriteti su srednjoročne i dugoročne prirode. Od njih se u početku ne očekuje stvaranje novih proizvoda i tržišta, ali oni osiguravaju stvaranje fundamentalno novih, prodornih tehnologija i dovode do promjene tehnološke strukture. U stvari, strateški prioriteti određuju budućnost.

Ali taktički i strateški prioriteti su međusobno povezani. Iako trenutne probleme nećete rješavati bez taktičkih prioriteta, ako zanemarite strateške prioritete, posvećujući snage i resurse samo rješavanju taktičkih problema, tada sigurnost i nezavisnost zemlje i njena budućnost mogu biti ugroženi. Važno je napomenuti da se strateški prioritet, pa tako ni u nauci, nikada ne može izabrati, slikovito rečeno, na narodnom skupu.

Taktički prioritet je zapravo balans interesa ogromnog broja igrača, učesnika na tržištu sa svojim proizvodima i novcem. Ozbiljan, strateški prioritet može identificirati samo grupa progresivnih ljudi koji gledaju naprijed i vide budućnost.

Strateški prioriteti uvijek napreduju kroz borbu, savladavajući otpor okoline. Njihova opravdanost mora biti potvrđena velikim brojem stručnih pregleda. Tek tada se može pojaviti slika koja gleda u budućnost.

- A atomski projekat je primjer za to?

Mislim da je ovo najviše glavni primjer. Tokom rata taktički prioriteti su bili, na primjer, evakuacija odbrambenih preduzeća na istok, postavljanje proizvodnje novih vrsta naoružanja, uz pomoć kojih smo pobijedili. Ali početak rada na atomskom oružju u Sjedinjenim Državama postao je pravi strateški izazov za našu zemlju.

I zamislite šta bi se dogodilo da na samom teške godine Za vrijeme rata dio naše naučne zajednice nije zvonio na sva zvona govoreći da treba da napravimo svoje atomsko oružje, a vlasti neće podržati naučnike i nećemo početi raditi na ovoj temi. Možda je do početka 1950-ih naša zemlja mogla sasvim prestati da postoji i ne bismo sada razgovarali s vama.

Program za kreiranje nuklearno oružje U SAD-u se zvao Projekt Manhattan. Prva atomska bomba detonirana je na poligonu u Novom Meksiku u julu 1945. Izvanredni svjetski znanstvenici, od kojih su mnogi emigrirali u Sjedinjene Države iz okupirane Europe, privlačeći ogromne financijske i proizvodne mogućnosti, 130 tisuća radnika i inženjera - sve je to omogućilo Amerikancima da naprave atomsku bombu za nešto više od tri godine.

U SSSR-u 1930-ih, jedan broj fizikalni instituti postigao značajne rezultate u proučavanju, kako se tada zvalo, perspektiva korišćenja intranuklearne energije: Lenjingradski institut za fiziku i tehnologiju na čelu sa Abramom Jofeom, Institut za hemijsku fiziku na čelu sa Nikolajem Semenovim, Institut za radijum na čelu sa Vitalijem Hlopinom, Lebedev Fizički institut Institut na čelu sa Sergejem Vavilovim, KIPT u Harkovu.

Među Ioffeovim studentima (usput rečeno, koji je svojevremeno studirao i sa samim Wilhelmom Roentgenom) bio je Igor Vasiljevič Kurčatov, koji je vodio odsjek nuklearne fizike na LPTI početkom 1930-ih. Godine 1937. u Institutu za radijum, on i Lev Mysovski lansirali su prvi ciklotron u Evropi, a tamo su 1940. Konstantin Petržak i Georgij Flerov otkrili fenomen spontane fisije uranijuma.

Bio je to isti Georgij Flerov, potporučnik tehničar (kasnije akademik, Kurčatovljev drug u stvaranju prve sovjetske atomske bombe, jedan od osnivača Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja u Dubni) koji je napisao pismo s fronta Josifu Staljin u aprilu 1942. godine, gdje je gotovo sa sigurnošću govorio o tome da je rad na stvaranju nuklearnog oružja u Sjedinjenim Državama počeo u punom jeku. Otprilike u isto vrijeme, rukovodstvo GRU Generalštaba Crvene armije obavijestilo je Akademiju nauka SSSR-a o strani radovi o korištenju atomske energije u vojne svrhe.

Ali stvarnim početkom sovjetskog atomskog projekta smatra se 28. septembar 1942. godine, kada je Državni komitet odbrane (GOKO) prepoznao potrebu da se nastavi „rad na proučavanju mogućnosti ovladavanja intranuklearnom energijom“, prekinut izbijanjem rata. Rukovodstvo zemlje je, oslanjajući se na svoj sistem ekspertize, na podatke dobijene raznim kanalima, uključujući i obavještajne, procijenilo šta su naučnici rekli i uradili apsolutno pravi izbor, započinjući rad na atomskom problemu.

- Zašto se stvaranje i pokretanje reaktora F-1 smatra ključnom etapom u našem nuklearnom projektu?

Činjenica je da je centralna srž svakog programa za stvaranje atomskog oružja proizvodnja fisionih materijala i nuklearnog eksploziva. Možete razviti originalne dizajne nuklearnih punjenja koliko želite, ali bez potrebne količine plutonijuma-239 ili uranijuma-235, ove ideje će ostati ideje.

Prvobitno, za našu prvu atomsku bombu, odabrana je opcija sa plutonijumskim punjenjem - proizvodnja plutonijuma u industrijskom reaktoru bila je ostvariva od proizvodnje obogaćenog uranijuma, i to sa vremenske tačke gledišta, što je veoma važno.

Ali prvo je bilo potrebno izgraditi eksperimentalni reaktor ili kotao, kako se tada zvao. Prvi eksperimenti su pokazali da materijali koje proizvodi naša industrija, od kojih bi se mogao sastaviti reaktor, sadrže dosta štetnih nečistoća. Za implementaciju istog lanca nuklearna reakcija potreban je samo veoma čist uranijum. dakle, glavni cilj bilo je stvaranje uranijum-grafitnog kotla kao osnove za sljedeći korak - industrijska proizvodnja nuklearni eksploziv - plutonijum. Sovjetski Savez je započeo svoj atomski program u uslovima rata, gotovo potpunog nedostatka resursa i ogromnih ljudskih i materijalnih gubitaka.

Za stvaranje našeg prvog reaktora bilo je potrebno osigurati geološka istraživanja i eksploataciju uranijuma, stvoriti njegovu metalurgiju od nule i uspostaviti proizvodnju grafita najvišeg kvaliteta bez presedana. Osim toga, stvoreni su potrebni instrumenti. Tek krajem 1945. godine počeli su proizvoditi uran i grafit traženog kvaliteta iu dovoljnim količinama.

Drugo važno područje rada bilo je proračun operabilnosti dizajna reaktora za provedbu samoodržive nuklearne lančane reakcije. Ovo je takođe bio kolosalan poduhvat. U ljeto 1946. godine izgrađena je posebna zgrada sa reaktorskim oknom dubine 10 metara, sa pouzdanom biološkom zaštitom, unutrašnjim i vanjskim uređajima za nadzor zračenja i daljinskim upravljanjem reaktorom.

Četiri sklopa su sastavljena jedan po jedan (stotine tona grafita), a istovremeno je izgrađena zgrada za reaktor. U njegovoj jami je sastavljen poslednji peti sklop, koji je 25. decembra 1946. postao legendarni reaktor F-1 - „Fizički prvi“. Za završetak ovog grandioznog projekta bilo je potrebno samo 16 mjeseci! Od tada je Institut Kurchatov bio na čelu stvaranja novih reaktora. A sve je počelo sa reaktorom F-1.

Tako je lansiranje F-1 bilo zaista epohalni događaj - eksperimentalno je dokazano da naši naučnici mogu provesti kontroliranu samoodrživu lančanu reakciju fisije uranijuma. Poznata je fraza koju je Kurčatov izgovorio odmah nakon lansiranja F-1: „Atomska energija je sada podređena volji sovjetskog naroda“.

To je omogućilo da se odmah počne sa stvaranjem moćnih industrijskih reaktora za proizvodnju plutonijuma za oružje. Nakon lansiranja reaktora F-1, izveden je niz vrlo važnih eksperimenata koji su omogućili izgradnju i pokretanje prvog industrijskog reaktora na južnom Uralu 1948. godine. Evo tri ključne tačke u stvaranju naše prve atomske bombe: 25. decembra 1946. - lansiranje eksperimentalnog reaktora F-1, 22. juna 1948. - industrijski reaktor izgrađen na Uralu - proizvođač plutonijuma za oružje" Annushka" - doveden je u punu snagu, 29. avgusta 1949. - eksplozijom našeg prvog atomskog punjenja na poligonu u Semipalatinsku.

Najvažniji zaključak iz tih događaja je sledeći: stvaranje i puštanje u rad reaktora F-1 u najtežim uslovima za zemlju je demonstracija pravovremenosti rukovodstva zemlje u donošenju strateški ispravnih odluka u najtežim, ponekad i kritičnim uslovima. .
Ali lansiranje F-1 je također postalo polazna tačka za vrlo brz, brz razvoj nuklearne nauke i tehnologije, te nuklearne industrije zemlje. 1957. godine porinuli smo našu prvu nuklearnu podmornicu Lenjinski komsomol, a 1959. pušten je u rad prvi nuklearni ledolomac na svijetu, Lenjin. Danas je Rusija vlasnik jedine flote nuklearnih ledolomaca na svijetu. Garantuje nam strateško prisustvo na severnim geografskim širinama, gde su koncentrisane ogromne rezerve nafte, gasa i bioloških resursa.

Davne 1954. godine Igor Vasiljevič Kurčatov pokrenuo je prvu nuklearnu industrijsku elektranu na svijetu u Obninsku. Danas je Rusija, državna korporacija Rosatom, svjetski lider u izgradnji nuklearnih elektrana. Nuklearna elektrana Kudankulam u Indiji, nuklearna elektrana Tianwan u Kini, nuklearna elektrana Bushehr u Iranu - one elektrane koje su pokrenute u ovog veka. Stanica Ostrovets se gradi u Bjelorusiji, nuklearna elektrana Paks-2 planirana je u Mađarskoj, Rooppur u Bangladešu, Hanhikivi u Finskoj i Akkuyu u Turskoj. Portfolio narudžbi Rosatoma sada premašuje 300 milijardi dolara. Nuklearnom energijom ovladavamo u svim oblastima - od vađenja uranijuma do projektovanja, izgradnje nuklearnih elektrana, obezbjeđivanja njihovog rada, opskrbe gorivom i dekomisije (dakle, kroz cijeli životni ciklus).

- Kakva je uloga Instituta Kurčatov ovde?

Institut Kurchatov je oduvijek bio glavna naučna organizacija naše zemlje u oblasti atomske energije. Imamo takvu šemu, kako je zovemo „Kurčatovsko reaktorsko drvo“. Pokazuje kako su iz reaktora F-1 izašle različite vrste reaktora - industrijski, energetski, istraživački, transportni, koji se koriste na podmornicama, na nuklearni ledolomci, nuklearni elektrane za prostor.

I sada se može reći da smo nezavisni think tank, koji pruža naučnu podršku projektima Rosatoma. Praksa je dokazala ispravnost stvaranja takve nacionalne laboratorije kao što je Institut Kurchatov. Imamo najmoćniji nuklearni fizički potencijal u zemlji. Delujemo ne samo kao ekspert za projekte Rosatoma, već i kao njihov direktni naučni učesnik. Svaka nuklearna elektrana razvijena je i puštena u rad uz učešće Kurčatovskog instituta.

Nuklearna elektrana je tehnološki složen, gigantski objekat. To su stotine sistema koji rade istovremeno. Ali srce nuklearne jedinice je nuklearni reaktor. Institut Kurchatov je naučni direktor njihovog dizajna i instalacije. Izračunavamo parametre ovih reaktora, njihove aktivne zone i nuklearno gorivo.

Nakon Černobila, neko vrijeme se pojavila idiosinkrazija prema nuklearnoj energiji, uglavnom uzrokovana snažnom informativnom kampanjom. Vjerujem da je Zapad u velikoj mjeri iskoristio černobilsku katastrofu da potkopa strukturu Sovjetskog Saveza, koji je u to vrijeme već bio oslabljen ekonomski i geopolitički. U javnom mnjenju se stvorila užasna slika o našoj zemlji, nesposobnoj za upravljanje nuklearnom energijom. Neću sada ulaziti u raspravu o tim događajima - ovo je tema za poseban razgovor, ali je u stvari Černobil iskorišćen da se zada težak udarac Sovjetski savez. I moram reći da je, nažalost, ovo bio uspjeh.

Ali nakon nesreće u Černobilu, počeli smo aktivno raditi, uključujući međunarodnu saradnju, na razvoju novih sigurnosnih sistema za nuklearne elektrane. A novi sigurnosni sistemi koje smo kreirali - takozvane zamke za topljenje - već su dio opreme za nuklearnu elektranu, a prvi put su instalirani u nuklearnoj elektrani Tianwan u Kini i nuklearnoj elektrani Kudankulam u Indiji. Takve zamke za taljenje su dizajnirane da pouzdano prikupljaju, sadrže i sprečavaju da radioaktivne supstance napuste reaktorsko postrojenje u slučaju teške nesreće.

Osim toga, izračunavamo čak i scenarije gotovo nevjerovatnih, takozvanih vanprojektnih nesreća, sve do hipotetičkog pada aviona na kupolu stanice ili terorističkog napada.

Bavimo se i radom na produženju vijeka trajanja nuklearnih jedinica. I ne samo proučavamo mogućnosti toga, već ih i provodimo u praksi - naši stručnjaci razvili su sistem za takozvano žarenje reaktorskih posuda, zbog čega su njihove operativne karakteristike gotovo potpuno obnovljene.

Jedno od naših glavnih područja ostaje nuklearna tehnologija, njen razvoj i unapređenje. Mi nismo samo naučni vođe modernih projekata kao što su NPP-2006 i VVER-TOI, već i aktivni kreatori. Na primjer, u oblasti nauke o materijalima, uz naše učešće, razvijena je nova vrsta čelika, koja uz pomoć nanotehnologije dobija posebna svojstva, a to će pomoći da se život reaktorskih posuda produži na stotine godina.

Imamo i dosta razvoja vezanih za nuklearne elektrane male snage, relevantnih, na primjer, za Arktik. Ogromne su udaljenosti, malo naseljenih mjesta, uglavnom mala sela, vojne baze i tamo jednostavno nema potrebe za velikim elektranama. Ono što je takođe suštinski važno jeste da u ovoj regiji postoji potražnja za instalacijama koje ne zahtevaju stalno održavanje tokom više godina. Institut Kurchatov radi u ovom pravcu od 1970-ih godina, kreirali smo radne prototipe ovakvih stanica male snage koje rade na principu direktne konverzije energije. Takvi reaktori po svojim projektnim parametrima pružaju pasivnu sigurnost, a osim toga, mogu se proizvoditi u tvornici u sklopu masovne proizvodnje i instalirati gotovo bilo gdje.

Danas je naša nuklearna industrija blizu obnavljanja punopravnog sistema naučnih liderskih organizacija. Šta mislite koliko je ovo važno?

Ovo je, sa moje tačke gledišta, apsolutno neophodan proces. Očigledno je da su bez obnove sistema naučnog vodstva nemogući novi iskoraci – ni u nuklearnoj oblasti, ni u odbrambenoj industriji, ni u svemirskom sektoru. Uostalom, bilo koja inženjerska, tehnološka, ​​proizvodna struktura ili organizacija sama po sebi ne može i ne bi trebala generirati nove ideje, jer ovladava naučnim rezultatima koji su joj preneseni kroz inženjering i tehnologiju i odgovorna je za kvalitetnu i pouzdanu proizvodnju finalnih proizvodi. Dakle, on je u suštini konzervativan, a ovo je zdrav konzervativizam.

Ali svaki novi princip može predložiti i opravdati samo nauka - uz pun kontakt sa inženjerima i tehnolozima.

Institut Kurčatov obavlja ovu funkciju naučnog direktora, a ovom sistemu treba da se vratimo u drugim oblastima. U vojno-industrijskom kompleksu već oživljava institut generalnih konstruktora i glavnih tehnologa.

- Kako Institut Kurčatov vidi puteve razvoja nuklearne energije?

Sadašnja nuklearna energija izgrađena je na reaktorima koji koriste takozvane termalne neutrone. Glavno nuklearno gorivo za takva postrojenja je uranijum-235. Ali u prirodnom uranijumu udio izotopa uranijuma-235 iznosi samo 0,7%, ostatak je gotovo u potpunosti uranijum-238, a da bi se stvorilo gorivo za nuklearne elektrane potrebno je dobiti obogaćeni uran, u kojem je udio od 235 izotopa bi već bilo nekoliko posto .

Inače, domaće tehnologije obogaćivanja uranijuma razvijene su i na Institutu Kurčatov pod rukovodstvom akademika Isaka Kikoina. Naša industrija obogaćivanja i kompleks za odvajanje izotopa i danas su jedni od najboljih na svijetu. Pred nama je nova generacija plinskih centrifuga, a na primjer, Sjedinjene Države su ove godine zatvorile svoj program plinskih centrifuga, jer nisu uspjele savladati ovu tehnologiju.

Dakle, spaljivanjem uranijuma-235 u reaktorima na termalnim neutronima, nuklearna energija gotovo ne koristi ogromne količine vrijednih sirovina - uranijuma-238. I to je veliki problem sa stanovišta efikasnog snabdevanja nuklearne energije sirovinama. Ali ovaj problem se može riješiti korištenjem reaktora na brzim neutronima, gdje uran-238 "gori". Osim toga, uz pomoć takozvanih breeder reaktora, ili oplemenjivača, moguća je proširena reprodukcija nuklearnog "goriva".

Postoji još jedna prednost "brzih" reaktora. Uostalom, nuklearna energija za sobom ostavlja istrošeno nuklearno gorivo i radioaktivni otpad koji se mora zakopati, a za to postoje odgovarajuće tehnologije. Međutim, sa ekološke tačke gledišta, ovo, naravno, nije najbolja opcija.

Ali moguće je stvoriti zatvoreni ciklus nuklearnog goriva - preraditi istrošeno nuklearno gorivo, izvući iz njega vrijedne fisione materijale, koristiti ih za stvaranje novog nuklearnog goriva, kako za reaktore na brze neutrone tako i za termalne reaktore, i spaljivati ​​opasne radionuklide u "brzim" reaktorima. . I tada ćemo ne samo riješiti problem sirovina, već ćemo doći i do prave “zelene” nuklearne energije u smislu minimiziranja radioaktivnog otpada.

Rusija je svjetski lider u razvoju ovih tehnologija. Mi smo sada jedina zemlja u kojoj rade industrijski reaktori na brzim neutronima, to su reaktori BN-600 i BN-800 u NEK-u Belojarsk. Sada jedan dio stručnjaka kaže da je budućnost samo za reaktorima na brzim neutronima, dok se drugi s tim ne slaže. U stvarnosti, moramo shvatiti da naša obećavajuća nuklearna energija mora biti dvokomponentna, u kojoj će oba tipa reaktora biti međusobno povezana. To znači da moramo unaprijediti postojeću bazu naših vodeno hlađenih termoneutronskih energetskih reaktora VVER, budući da se radi o masivnim instalacijama za proizvodnju električne energije. I istovremeno ga dovesti do visokog kvaliteta novi nivo"brze" reaktore, koristeći ih za "naknadno sagorijevanje" uranijuma-238 i stvaranje baze goriva za termalne reaktore. I zajedno ćemo postići potpunu harmoniju.

Budućnost energije povezana je i sa upotrebom termonuklearnih reakcija. A Institut Kurchatov, kao što je poznato, bio je osnivač tehnologije u ovom pravcu.

Nuklearna energija se zasniva na upotrebi energije koja se oslobađa tokom fisije teških atomska jezgra. A osnova termonuklearne energije trebala bi biti upotreba energije koja se oslobađa tokom fuzije jezgri lakih izotopa vodonika - deuterijuma, tricijuma. Štaviše, reakcije fuzije oslobađaju redove veličine više energije nego reakcije fisije, pa je stoga termonuklearna fuzija energetski mnogo povoljnija.

Naši sovjetski naučnici sa Instituta Kurčatov predložili su termonuklearnu tehnologiju još sredinom 1950-ih, izgrađena je prva tokamak instalacija (toroidalna komora sa magnetnim kalemovima), koja je stvorila uslove neophodne za kontrolisanu termonuklearnu fuziju. Budući da je nemoguće dobiti materijale koji mogu držati plazmu zagrijanu do gigantskih temperatura od desetine miliona stupnjeva, plazma kabel u tokamaku je držao snažno magnetsko polje.

Ali potrebno je ne samo zapaliti plazmu, već je i držati određeno vrijeme, kako bi plazma izgorjela, radila, da biste dobili barem istu količinu energije koliko je potrošena na njeno paljenje. Stoga, sada na jugu Francuske, u Cadaracheu, uz aktivno učešće Rusije, uključujući i naš centar, međunarodna fuzijski reaktor ITER. Ovo nije termonuklearna elektrana, već pilot postrojenje, čija je svrha upravo da dokaže tu mogućnost rada plazme.

Općenito, projekt ITER je zapravo prijelaz na nove principe za ovladavanje energijom i procesima nuklearne fuzije koji se dešavaju na Suncu i zvijezdama. Ovo je teško procijeniti koristeći bilo koji šablon. Uostalom, u početku niko nije razmišljao o ekonomskim koristima nuklearne energije, ali sada je ona osnova modernog energetskog razvoja.

Pitanje kakva će biti termonuklearna elektrana je veoma teško i očigledno ne u bliskoj budućnosti. Ali već je vidljiva bliža mogućnost korištenja plazma tehnologija.

Termonuklearna fuzija proizvodi ogroman broj neutrona visoke energije. Zahvaljujući tome, moguće je dramatično povećati efikasnost instalacija koje rade na principima fisije teških jezgara. Odnosno, moguće je stvoriti hibridni reaktor - na primjer, okružiti termonuklearni izvor neutrona takozvanim pokrivačem, strukturom koja sadrži fisijske jezgre, na primjer u obliku tekućih soli, uključujući uran-238. Rad u ovom pravcu je već u toku u Institutu Kurchatov.

Uz pomoć reaktora rastopljene soli moguće je riješiti problem resursa nuklearne energije korištenjem torija-232, čije su rezerve velike na Zemlji, i pretvaranjem u uranijum-233. Atraktivnost koncepta reaktora s rastopljenom soli, za razliku od tradicionalnih reaktora s čvrstim gorivom, leži u mogućnosti promjene sastava nuklearnog goriva bez gašenja reaktora, osim toga, eliminira se nakupljanje fisijskih produkata u njegovoj jezgri. Osim toga, u istoj instalaciji, termonuklearni izvor može se kombinirati sa zatvorenim nuklearnim gorivnim ciklusom.

Dakle, po mom mišljenju, hibridni reaktori su realno ostvariva upotreba termonuklearne energije kao izvora neutrona, sposobna da približi, da tako kažem, „ozelenjavanje“ nuklearne energije.

- Gdje se još, po vašem mišljenju, mogu naći primjene plazma tehnologija?

U svemiru. Nalazimo se na pragu istraživanja dubokog svemira. Ali uz pomoć brodova opremljenih samo solarnim baterijama, to će biti nemoguće učiniti iz očiglednih razloga. Potrebni su fundamentalno različiti izvori energije. A danas, kao što znate, u Rusiji se stvara nuklearna elektrana klase megavata. Dozvolite mi da naglasim ovu riječ – energetski motiv. Sva moderna kosmonautika je, slikovito rečeno, let Minhauzena na topovskoj kugli. Odnosno, lansiramo raketu kao da pucamo iz topa, u smislu da ne možemo promijeniti putanju “jezgra”. Ali za istraživanje dubokog svemira ovo je apsolutno neophodno.

Danas se orbita naših geostacionarnih satelita koriguje pomoću plazma motora koji su instalirani na njima, koje je razvio Kurčatovski institut i proizveo Kalinjingradski konstruktorski biro Fakel. Ideja o ovim takozvanim motorima Morozov datira još iz 60-ih godina prošlog stoljeća.

Ali tada je moguće stvoriti moćne plazma raketne motore bez elektroda. Takvi motori se već mogu koristiti za međuplanetarne letove na velike udaljenosti. I sljedeći korak je termonuklearni raketni motor baziran na termonuklearnoj fuzijskoj instalaciji, nazvanoj "otvorena zamka", iz koje će teći plazma, stvarajući mlazni potisak. Uz pomoć takvog motora bit će moguće ubrzati ili usporiti kretanje i manevrirati u prostoru. Ovo je fundamentalna stvar i, u suštini, dovest će do promjene paradigme u astronautici.

Mihaile Valentinoviču, u decembru 2015. godine, na sastanku sa predsednikom zemlje, predložili ste usvajanje domaćeg termonuklearnog programa. Ima li napretka u tom pravcu?

Da. Postoji odgovarajuća instrukcija predsjednika države. Osim toga, početkom juna ove godine potpisali smo ugovore sa Rosatomom o stvaranju dva interresorna centra - centra za plazma i termonuklearna istraživanja, kao i centra za istraživanje neutrina.

Predlagali smo i da se Ruska akademija nauka pridruži projektima oba centra, ali, nažalost, nismo naišli na razumijevanje. Ali neki akademski instituti su izrazili interesovanje - Institut za fiziku i tehnologiju u Sankt Peterburgu, Institut za nuklearnu fiziku u Novosibirsku traže da se uključe u ovaj posao.

Takvi centri se sada formiraju. Za Centar za plazma i termonuklearna istraživanja zajedno sa Rosatomom se kreira istraživački program, njegov koncept je formiran i saslušan na relevantnim naučno-tehničkim vijećima. Sada je ovaj koncept poslat predsjedniku zemlje.

Govorili ste o "Kurčatovljevom evolucijskom stablu" nuklearnih reaktora. Ali na zidu u hodniku u blizini vaše kancelarije nalazi se još jedan dijagram - ovo je "drvo" različitih tehnologija koje je izašlo iz zidova Instituta Kurchatov. Postoji, na primjer, ono što se danas naziva tehnologijama živih sistema.

Malo ljudi zna, ali i domaća molekularna biologija počela je u Institutu Kurčatov, u njegovom radiobiološkom odjelu, stvorenom na inicijativu Kurčatova 1958. godine.

Činjenica je da je za razumijevanje utjecaja zračenja na žive organizme bilo potrebno poznavati njihovu strukturu molekularnom nivou. Kurčatov i Aleksandrov, u vrijeme kada je bilo progona genetike, spasili su ovaj trend u SSSR-u, jer je njihovo mišljenje uvijek bilo značajno za vlasti. Iz radiobiološkog odeljenja tada su nastali Institut za genetiku i selekciju industrijskih mikroorganizama (GosNIIGenetiki) i Institut za molekularnu genetiku. Danas nauke o živim bićima i nanobiotehnologije postaju glavna oblast, s više od 70 posto svih svjetskih istraživanja fokusirano na žive objekte. A naši očevi osnivači bili su zaslepljeni kada su izašli u znak podrške radu u oblasti biologije pre skoro 60 godina.

IN poslednjih godina rad na tehnologijama sličnim prirodi postao je jedan od vizitke Institut Kurchatov. Postoji li ovdje kontradikcija sa smjernicama o kojima ste govorili?

Naprotiv, to je logika razvoja nauke. Kao što sam već rekao, nuklearna tehnologija i nuklearna energija ostaju jedan od naših prioriteta – to su isti taktički prioriteti o kojima smo govorili na samom početku. Međutim, danas se suočavamo s novim izborom strateškog prioriteta, ništa manje teškim nego sredinom 1940-ih. Globalno je povezan sa održivim razvojem naše civilizacije, koji je nemoguć bez dovoljno energije i resursa. Štaviše, ne govorimo samo o nafti i gasu: iscrpljuju se zalihe pitke vode, oranica, šuma, minerala. Za njih se već vodi žestoka borba u svijetu, to vidimo svaki dan. Mnogima je već sada jasno da se današnja globalna kriza ne može riješiti u okviru postojeće paradigme moderne civilizacije.

Potreban nam je kvalitativni iskorak, prelazak na druge principe, prije svega, proizvodnje i potrošnje energije, koji sa sobom povlače sve druge oblasti. U tehnosferi koju je napravio čovjek koristimo mašine i mehanizme koji troše ogromne količine energije. Tehnički napredak je poremetio neobičan metabolizam prirode, stvarajući tehnologije koje su joj neprijateljske. Ove tehnologije su, u stvari, slabe kopije pojedinih elemenata prirodnih procesa i zasnovane su na visoko specijalizovanom modelu nauke i industrijskih tehnologija.

Općenito, takav razvoj je bio neizbježan i prirodan, postao je cijena za tehnički napredak, za udobnost naših života. Ali na kraju, ljudski uticaj na svijet već blizu kritične tačke. Ali posljednjih decenija, u kontekstu globalizacije, tehnološki razvoj, a zapravo uništavanje resursa, uključuje sve više zemalja i regija, približavajući resursnu katastrofu.

Možete se kretati u staroj paradigmi, graditi nove Atomske stanice i povećati proizvodnju energije, iscrpljujući resurse do kraja. Ali postoji i drugi način - stvaranje fundamentalno novih tehnologija i sistema za korištenje energije kroz hibridne materijale i sisteme zasnovane na njima, odnosno zamjena današnjeg krajnjeg potrošača energije sistemima koji reproduciraju principe žive prirode - redova veličine ekonomičnije i sigurno.

Najveći superkompjuteri troše desetine megavata energije. A vjeruje se da će ograničenje snage kompjutera biti posljedica upravo nedostatka energije za njih. Ali ljudski mozak troši samo deset vati - odnosno milion puta manje! Danas je razvoj nauke dostigao takav nivo da je već moguće konstruisati takve materijale i sisteme slične prirodi.

Alat za stvaranje nove tehnosfere nalik prirodi su konvergentne nano-, bio-, informacione, kognitivne i socio-humanitarne tehnologije (NBICS tehnologije). Upravo su oni postali drugi najvažniji glavni pravac naučnog razvoja Kurčatovskog instituta posljednjih godina.

- Kako u praksi izgleda konkretan NBICS projekat?

Nanobiotehnologije su već postale nova tehnološka kultura, gdje se na atomskom nivou brišu granice između živog i neživog, organskog prirodnog svijeta i neorganskog. Stvar bliske budućnosti je reprodukcija sistema i procesa žive prirode u obliku sintetičke ćelije, masovno stvaranje veštačkih tkiva i organa, aditivne tehnologije koje koriste prirodni princip formiranja objekata, njihovog uzgoja, kreiranja po narudžbini. .

Aktivno se razvija i bioenergetika, uređaji koji proizvode i koriste energiju prirodnim metaboličkim procesima u živim sistemima. Sljedeći korak je stvaranje vještačke inteligencije zasnovane na kognitivnim, informacionim tehnologijama i na materijalnoj bazi nano-bio. Slikovito rečeno, planiramo da napravimo računar koji bi po performansama i potrošnji energije bio uporediv sa našim mozgom, na osnovu veze najnovije tehnologije sa onima nalik prirodi.

Imamo kolosalan istraživački program. Zaista, današnji nacionalni istraživački centar „Kurčatov institut“ uključuje šest lokacija u Moskvi, Protvini i Sankt Peterburgu. U narednih nekoliko godina puštamo u rad najmoćniji svjetski istraživački neutronski reaktor punog toka, PIK, na našoj lokaciji u Gatčini, a planiramo i da tamo izgradimo najnoviji sinhrotronski izvor četvrte generacije.

Svojim istraživanjima dodajemo i moćnu obrazovnu infrastrukturu – nedaleko od Gatčine, u Peterhofu, nalazi se Fakultet fizike Univerziteta u Sankt Peterburgu, čiji sam ja dekan. A ovde u Moskvi, na bazi MIPT-a, pre sedam godina smo stvorili prvi svetski fakultet NBICS tehnologija, koji svake godine isporučuje oko 50 diplomaca Institutu Kurčatov. Imamo i čitavu interdisciplinarnu edukaciju školski program, koju smo pokrenuli zajedno sa Vladom Moskve i u kojoj danas učestvuje skoro 40 škola.

Odnosno, ako mogu da se izrazim jednom frazom, budućnost Kurčatovskog instituta je, u stvari, stvaranje same budućnosti unutar njega?

Rekao bih ovo - stvaranje. Imamo sve za ovo.

Nuklearni reaktori.

Nuklearni (atomski) reaktor je uređaj dizajniran za organiziranje kontrolirane samoodržive lančane reakcije atomske fisije, koja je praćena oslobađanjem velika količina energije.

Nuklearni reaktori su glavni element modernih nuklearnih elektrana.

Prvi nuklearni reaktori.

Prvi nuklearni reaktor izgrađen je i pušten u rad u decembru 1942. u SAD pod vodstvom E. Fermija.

Prvi reaktor izgrađen izvan Sjedinjenih Država bio je ZEEP, lansiran u Kanadi 5. septembra 1945. godine.

U Evropi je prvi nuklearni reaktor bila instalacija F-1, koja je počela sa radom 25. decembra 1946. godine u Moskvi pod vodstvom I.V.

Do 1978. godine u svijetu je radilo već stotinjak nuklearnih reaktora različitih tipova.

Istorija stvaranja nuklearnih reaktora.

Naučni rad u Njemačkoj.

Teorijsku grupu „Uranijumski projekat“ nacističke Nemačke, koja je radila u društvu Kaiser Wilhelm, predvodio je Weizsäcker, ali samo formalno. Stvarni vođa je bio Heisenberg, koji je razvio teorijska osnova lančanom reakcijom, Weizsäcker i grupa učesnika fokusirali su se na stvaranje "uranijumske mašine" - prvog reaktora.

U kasno proljeće 1940., jedan od naučnika grupe, Harteck, izveo je prvi eksperiment pokušavajući stvoriti lančanu reakciju koristeći uranijum oksid i čvrsti grafitni moderator. Međutim, raspoloživi fisijski materijal nije bio dovoljan za postizanje ovog cilja.

Godine 1941. na Univerzitetu u Lajpcigu, član Heisenbergove grupe, Doepel, izgradio je štand sa moderatorom teške vode, u eksperimentima na kojima je do maja 1942. godine bilo moguće postići proizvodnju neutrona u količinama koje su bile veće od njihove apsorpcije.

Njemački naučnici uspjeli su postići potpunu lančanu reakciju u februaru 1945. u eksperimentu sprovedenom u rudniku u blizini Haigerlocha. Međutim, nekoliko sedmica kasnije, njemački nuklearni program je prestao da postoji.

Naučni rad u SAD.

Lančanu reakciju nuklearne fisije (skraćeno lančanu reakciju) prvi su izveli američki naučnici u decembru 1942. godine. Grupa fizičara sa Univerziteta u Čikagu, predvođena E. Fermijem, stvorila je prvi nuklearni reaktor na svetu, nazvan Chicago Pile-1 (CP-1). Sastojao se od grafitnih blokova, između kojih su se nalazile kuglice prirodnog uranijuma i njegovog dioksida. Brzi neutroni koji se pojavljuju nakon fisije 235U jezgri su usporeni grafitom do toplinske energije, a zatim su izazvali nove nuklearne fisije. Reaktori poput SR-1, u kojima se većina fisija događa pod utjecajem toplinskih neutrona, nazivaju se reaktori toplinskih neutrona. Sadrže mnogo moderatora u odnosu na nuklearno gorivo.

Naučni rad u SSSR-u.

U SSSR-u je grupa fizičara i inženjera pod vodstvom akademika I.V.

Prvi sovjetski reaktor F-1 izgrađen je u Laboratoriji br. 2 Akademije nauka SSSR (Moskva). Ovaj reaktor je doveden u kritično stanje 25. decembra 1946. godine. Reaktor F-1 sastavljen je od grafitnih blokova i imao je oblik kugle prečnika oko 7,5 m. U središnjem dijelu kugle prečnika 6 m, kroz rupe u grafitnim blokovima postavljene su uranijske šipke. Reaktor F-1, kao i reaktor CP-1, nije imao sistem hlađenja, pa je radio na vrlo niskim nivoima snage (prosječna snaga nije prelazila 20 W. Poređenja radi, prvi američki reaktor CP-1 rijetko je prelazio 1 W snage). Rezultati istraživanja na reaktoru F-1 postali su osnova za projekte složenijih industrijskih reaktora. Godine 1948. pušten je u rad reaktor I-1 (prema drugim izvorima zvao se A-1) za proizvodnju plutonijuma.

27. juna 1954 počeo sa radom prva nuklearna elektrana na svijetu sa električnim kapacitetom od 5 MW u gradu Obninsku.

Fizički principi rada nuklearnog reaktora.

Dijagram nuklearnog reaktora na termalnim neutronima:

1 - Kontrolna šipka.

2 - Zaštita od zračenja.

3 - Toplotna izolacija.

4 - Retarder.

5 - Nuklearno gorivo.

6 - Rashladna tečnost.

Trenutno stanje nuklearnog reaktora može se okarakterizirati efektivnim faktorom umnožavanja neutrona k ili reaktivnošću ρ, koji su povezani sljedećim odnosom:

Dakle, moguće su sljedeće opcije za razvoj lančane reakcije atomske fisije:

1. ρ<0, Кэф

2. ρ>0, Kef>1 - reaktor je superkritičan, povećava se intenzitet reakcije i snaga reaktora.

3. ρ=0, Kef=1 - reaktor je kritičan, intenzitet reakcije i snaga reaktora su konstantni.

Klasifikacija nuklearnih reaktora.

Prema svojoj namjeni i prirodi upotrebe, nuklearni reaktori se dijele na:

Energetski reaktori dizajnirani za proizvodnju električne i toplinske energije koja se koristi u energetskom sektoru, kao i za desalinizaciju morske vode (reaktori za desalinizaciju također se klasificiraju kao industrijski). Takvi se reaktori uglavnom koriste u nuklearnim elektranama. Toplinska snaga savremenih energetskih reaktora dostiže 5 GW.

Transportni reaktori dizajnirani za opskrbu motorima vozila energijom. Najšire grupe primjena su pomorski transportni reaktori koji se koriste na podmornicama i raznim površinskim plovilima, kao i reaktori koji se koriste u svemirskoj tehnici.

Eksperimentalni reaktori dizajnirani za proučavanje različitih fizičkih veličina čiji je značaj neophodan za projektovanje i rad nuklearnih reaktora. Snaga takvih reaktora obično ne prelazi nekoliko kW.

Istraživački reaktori, u kojima se stvaraju tok neutrona i gama kvanta u jezgru, koriste se za istraživanja u području nuklearne fizike, fizike čvrstog stanja, radijacijske kemije, biologije, za ispitivanje materijala namijenjenih za rad u intenzivnim neutronskim tokovima (uključujući dijelove nuklearnih reaktora ) za proizvodnju izotopa. Snaga istraživačkih reaktora obično nije veća od 100 MW. Oslobođena energija se obično ne koristi.

Industrijski (oružje, izotopski) reaktori koji se koriste za proizvodnju izotopa koji se koriste u različitim oblastima. Najviše se koristi za proizvodnju materijala za nuklearno oružje, kao što je 239Pu. Industrijski nuklearni reaktori također uključuju reaktore koji se koriste za desalinizaciju morske vode.

Nuklearni reaktori se često koriste za rješavanje dva ili više različitih problema, u kom slučaju se nazivaju višenamjenskim. Na primjer, neki energetski reaktori, posebno u ranim danima nuklearne energije, bili su dizajnirani prvenstveno za eksperimentiranje. Reaktori na brzim neutronima mogu istovremeno proizvoditi energiju i proizvoditi izotope. Industrijski reaktori, pored svog glavnog zadatka, često proizvode električnu i toplinsku energiju.

Nuklearni reaktor. Atomski reaktor.

Nuklearni reaktor radi glatko i efikasno. U suprotnom, kao što znate, biće problema. Ali šta se dešava unutra? Pokušajmo ukratko, jasno, sa zaustavljanjima, formulirati princip rada nuklearnog (nuklearnog) reaktora.

U suštini, tamo se dešava isti proces kao i prilikom nuklearne eksplozije. Samo se eksplozija dogodi vrlo brzo, a u reaktoru se sve proteže dugo vrijeme. Kao rezultat, sve ostaje sigurno i zdravo, a mi primamo energiju. Ne toliko da bi sve okolo bilo uništeno odjednom, ali sasvim dovoljno da se grad opskrbi strujom.

Prije nego što shvatite kako dolazi do kontrolirane nuklearne reakcije, morate znati što je to nuklearna reakcija uopšte.

Nuklearna reakcija je proces transformacije (fisije) atomskih jezgri kada su u interakciji sa elementarnim česticama i gama kvantima.

Nuklearne reakcije se mogu odvijati i sa apsorpcijom i oslobađanjem energije. Reaktor koristi drugu reakciju.

Nuklearni reaktor je uređaj čija je svrha održavanje kontrolirane nuklearne reakcije uz oslobađanje energije.

Često se nuklearni reaktor naziva i atomski reaktor. Napominjemo da ovdje nema fundamentalne razlike, ali sa stanovišta nauke ispravnije je koristiti riječ "nuklearni". Sada postoji mnogo vrsta nuklearnih reaktora. To su ogromni industrijski reaktori dizajnirani za proizvodnju energije u elektranama, nuklearni reaktori podmornica, mali eksperimentalni reaktori koji se koriste u naučnim eksperimentima. Postoje čak i reaktori koji se koriste za desalinizaciju morske vode.

Istorija stvaranja nuklearnog reaktora

Prvi nuklearni reaktor pokrenut je ne tako daleke 1942. godine. To se dogodilo u SAD-u pod vodstvom Fermija. Ovaj reaktor je nazvan "Chicago Woodpile".

Godine 1946. počeo je sa radom prvi sovjetski reaktor, pokrenut pod vodstvom Kurčatova. Tijelo ovog reaktora bila je lopta prečnika sedam metara. Prvi reaktori nisu imali sistem za hlađenje, a snaga im je bila minimalna. Inače, sovjetski reaktor imao je prosječnu snagu od 20 vati, a američki samo 1 vati. Poređenja radi: prosječna snaga modernih energetskih reaktora je 5 gigavata. Manje od deset godina nakon puštanja u rad prvog reaktora, u gradu Obninsku otvorena je prva svjetska industrijska nuklearna elektrana.

Princip rada nuklearnog (nuklearnog) reaktora

Svaki nuklearni reaktor ima nekoliko dijelova: jezgro With gorivo I moderator , reflektor neutrona , rashladna tečnost , sistem kontrole i zaštite . Izotopi se najčešće koriste kao gorivo u reaktorima. uranijum (235, 238, 233), plutonijum (239) i torijum (232). Jezgro je bojler kroz koji teče obična voda (rashladno sredstvo). Među ostalim rashladnim tečnostima, „teška voda“ i tečni grafit se rjeđe koriste. Ako govorimo o radu nuklearnih elektrana, tada se nuklearni reaktor koristi za proizvodnju topline. Sama električna energija se proizvodi istom metodom kao iu drugim tipovima elektrana - para rotira turbinu, a energija kretanja se pretvara u električnu energiju.

Ispod je dijagram rada nuklearnog reaktora.

Kao što smo već rekli, raspad teškog jezgra uranijuma proizvodi lakši elementi i nekoliko neutrona. Nastali neutroni sudaraju se s drugim jezgrima, također uzrokujući njihovu fisiju. Istovremeno, broj neutrona raste poput lavine.

Ovdje treba spomenuti faktor multiplikacije neutrona . Dakle, ako ovaj koeficijent prelazi vrijednost jednaku jedan, dolazi do nuklearne eksplozije. Ako je vrijednost manja od jedan, ima premalo neutrona i reakcija se gasi. Ali ako zadržite vrijednost koeficijenta jednaku jedan, reakcija će teći dugo i stabilno.

Pitanje je kako to učiniti? U reaktoru se gorivo nalazi u tzv gorivi elementi (TVELakh). To su štapići koji sadrže, u obliku malih tableta, nuklearno gorivo . Gorivne šipke su povezane u kasete šestougaonog oblika, kojih u reaktoru može biti na stotine. Kasete sa gorivim šipkama su raspoređene okomito, a svaki gorivni štap ima sistem koji vam omogućava da podesite dubinu njegovog uranjanja u jezgro. Osim samih kaseta, one uključuju kontrolne šipke I šipke za zaštitu u nuždi . Štapovi su napravljeni od materijala koji dobro upija neutrone. Tako se kontrolne šipke mogu spustiti na različite dubine u jezgru, čime se podešava faktor umnožavanja neutrona. Šipke za hitne slučajeve su dizajnirane da isključe reaktor u slučaju nužde.

Kako se pokreće nuklearni reaktor?

Shvatili smo sam princip rada, ali kako pokrenuti i natjerati reaktor da funkcionira? Grubo rečeno, evo ga - komad uranijuma, ali lančana reakcija u njemu ne počinje sama. Činjenica je da u nuklearnoj fizici postoji koncept kritična masa .

Kritična masa je masa fisionog materijala potrebna za pokretanje nuklearne lančane reakcije.

Uz pomoć gorivnih i kontrolnih šipki u reaktoru se prvo stvara kritična masa nuklearnog goriva, a zatim se reaktor u nekoliko faza dovodi na optimalnu snagu.

U ovom članku pokušali smo vam dati opću predstavu o strukturi i principu rada nuklearnog (nuklearnog) reaktora. Ako imate bilo kakva pitanja o ovoj temi ili vam je postavljen problem iz nuklearne fizike na fakultetu, kontaktirajte stručnjacima naše kompanije. Kao i obično, spremni smo da vam pomognemo da rešite bilo koji hitan problem u vezi sa vašim studiranjem. I dok smo već kod toga, evo još jednog edukativnog videa za vašu pažnju!

Značaj nuklearne energije u savremenom svijetu

Nuklearna energija je napravila ogroman napredak u proteklih nekoliko decenija, postavši jedan od najvažnijih izvora električne energije za mnoge zemlje. Istovremeno, treba imati na umu da je razvoj ove industrije Nacionalna ekonomija Vrijedan je ogromnih napora desetina hiljada naučnika, inženjera i običnih radnika koji čine sve da osiguraju da se „mirni atom“ ne pretvori u stvarnu prijetnju milionima ljudi. Prava jezgra svake nuklearne elektrane je nuklearni reaktor.

Istorija stvaranja nuklearnog reaktora

Prvi takav uređaj napravio je u jeku Drugog svjetskog rata u SAD-u poznati naučnik i inženjer E. Fermi. Zbog svog neobičnog izgleda, koji je podsjećao na hrpu grafitnih blokova naslaganih jedan na drugi, ovaj nuklearni reaktor nazvan je Chicago Stack. Vrijedi napomenuti da je ovaj uređaj radio na uranijumu, koji je bio postavljen neposredno između blokova.

Stvaranje nuklearnog reaktora u Sovjetskom Savezu

Kod nas su se davala i nuklearna pitanja povećana pažnja. Unatoč činjenici da su glavni napori naučnika bili koncentrirani na vojnu upotrebu atoma, oni su aktivno koristili dobivene rezultate u miroljubive svrhe. Prvi nuklearni reaktor, kodnog naziva F-1, izgradila je grupa naučnika na čelu sa poznatim fizičarom I. Kurčatovom krajem decembra 1946. godine. Njegov značajan nedostatak bio je nepostojanje sistema za hlađenje, pa je snaga energije koju je oslobađala bila krajnje neznatna. U isto vrijeme, sovjetski istraživači su završili posao koji su započeli, što je rezultiralo otvaranjem samo osam godina kasnije prve nuklearne elektrane na svijetu u gradu Obninsku.

Princip rada reaktora

Nuklearni reaktor je izuzetno složen i opasan tehnički uređaj. Njegov princip rada zasniva se na činjenici da se tokom raspada uranijuma oslobađa nekoliko neutrona, koji zauzvrat izbijaju elementarne čestice od susednih atoma uranijuma. Ova lančana reakcija oslobađa značajnu količinu energije u obliku toplote i gama zraka. Istovremeno, treba uzeti u obzir činjenicu da ako se ova reakcija ni na koji način ne kontrolira, onda će fisija atoma urana kratko vrijeme može dovesti do snažne eksplozije sa neželjenim posljedicama.

Da bi se reakcija odvijala u strogo određenim granicama, dizajn nuklearnog reaktora je od velike važnosti. Trenutno je svaka takva konstrukcija svojevrsni kotao kroz koji teče rashladna tekućina. Voda se obično koristi u ovom svojstvu, ali postoje nuklearne elektrane koje koriste tekući grafit ili tešku vodu. Nemoguće je zamisliti moderni nuklearni reaktor bez stotina specijalnih heksagonalnih kaseta. Sadrže elemente za proizvodnju goriva, kroz čije kanale teku rashladna sredstva. Ova kaseta je presvučena posebnim slojem koji je sposoban reflektirati neutrone i na taj način usporiti lančanu reakciju

Nuklearni reaktor i njegova zaštita

Ima nekoliko nivoa zaštite. Pored samog karoserije, odozgo je prekriveno posebnom toplotnom izolacijom i biološkom zaštitom. Sa inženjerske tačke gledišta, ova konstrukcija je snažan armiranobetonski bunker, čija su vrata zatvorena što je moguće čvršće.