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 kolosalnog kinetička energija.

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 kontrolira, dogodit će 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 ogromnu kinetičku energiju fragmenata? U ove svrhe se koristi rashladna tečnost, tj. posebno okruženje, kretanje u kojem se fragmenti usporavaju i zagrijavaju do ekstremno visokih temperatura. Takav medij može biti obična ili teška voda, tečni metali (natrijum), kao i neki gasovi. Kako ne bi došlo do prijelaza rashladne tekućine 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 u okolinu. 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 eliminira 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%.

Osim za proizvodnju električne energije u nuklearnim elektranama, nuklearni reaktori se koriste za proizvodnju različitih radioaktivnih izotopa, za istraživanja u mnogim oblastima industrije, te 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 je prirodni materijal izuzetno mali, 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 ljudski životi i izbaciti ogromna područja iz upotrebe.

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

Za obicna osoba Moderni uređaji visoke tehnologije toliko su misteriozni i zagonetni da se mogu obožavati kao što su se drevni obožavali munjama. Školski časovi fizike, prepuni matematičkih proračuna, ne rješavaju problem. Ali čak možete ispričati i zanimljivu priču atomski reaktor, čiji je princip rada jasan čak i tinejdžeru.

Kako radi nuklearni reaktor?

Princip rada ovog visokotehnološkog uređaja je sljedeći:

1. Kada se neutron apsorbira, nuklearno gorivo (najčešće ovo uranijum-235 ili plutonijum-239) dolazi do fisije atomskog jezgra;
2. Oslobađaju se kinetička energija, gama zračenje i slobodni neutroni;
3. Kinetička energija se pretvara u toplotnu energiju (kada se jezgra sudare sa okolnim atomima), gama zračenje apsorbuje sam reaktor i takođe se pretvara u toplotu;
4. Neki od proizvedenih neutrona se apsorbiraju od strane atoma goriva, što uzrokuje lančanu reakciju. Za njegovu kontrolu koriste se apsorberi i moderatori neutrona;
5. Uz pomoć rashladnog sredstva (voda, plin ili tekući natrij), toplina se uklanja sa mjesta reakcije;
6. Para pod pritiskom iz zagrijane vode koristi se za pogon parnih turbina;
7. Uz pomoć generatora, mehanička energija rotacije turbine pretvara se u naizmjeničnu električnu struju.

Pristupi klasifikaciji

Može biti mnogo razloga za tipologiju reaktora:

• Po vrsti nuklearne reakcije. Fisija (sve komercijalne instalacije) ili fuzija (termonuklearna energija, rasprostranjena samo u nekim istraživačkim institutima);
• Rashladnom tečnošću. U velikoj većini slučajeva u tu svrhu koristi se voda (ključala ili teška). Ponekad se koriste alternativna rješenja: tečni metal (natrijum, legura olova i bizmuta, živa), gas (helijum, ugljen-dioksid ili dušik), rastopljena sol (fluoridne soli);
• Po generacijama. Prvi su bili rani prototipovi koji nisu imali komercijalnog smisla. Drugo, većina nuklearnih elektrana koje se trenutno koriste izgrađene su prije 1996. godine. Treća generacija se od prethodne razlikuje samo po manjim poboljšanjima. Rad na četvrtoj generaciji je još u toku;
• Prema stanju agregacije gorivo (gasno gorivo trenutno postoji samo na papiru);
• Po nameni upotrebe(za proizvodnju električne energije, pokretanje motora, proizvodnju vodonika, desalinizaciju, elementarnu transmutaciju, dobijanje neuronskog zračenja, teorijske i istraživačke svrhe).

Struktura nuklearnog reaktora

Glavne komponente reaktora u većini elektrana su:

1. Nuklearno gorivo je supstanca potrebna za proizvodnju toplote za energetske turbine (obično nisko obogaćeni uranijum);
2. Aktivna zona nuklearnog reaktora je gdje nuklearna reakcija;
3. Neutronski moderator - smanjuje brzinu brzih neutrona, pretvarajući ih u termalne neutrone;
4. Početni izvor neutrona - koristi se za pouzdano i stabilno pokretanje nuklearne reakcije;
5. Neutronski apsorber - dostupan u nekim elektranama za smanjenje visoke reaktivnosti svježeg goriva;
6. Neutronska haubica - koristi se za ponovno pokretanje reakcije nakon gašenja;
7. Rashladno sredstvo (pročišćena voda);
8. Kontrolne šipke - za regulaciju brzine fisije jezgara uranijuma ili plutonijuma;
9. Pumpa za vodu - pumpa vodu u parni kotao;
10. Parna turbina - pretvara toplotnu energiju pare u obrtnu mehaničku energiju;
11. Rashladni toranj - uređaj za odvođenje viška toplote u atmosferu;
12. Sistem za prihvat i skladištenje radioaktivnog otpada;
13. Sigurnosni sistemi (dizel generatori u slučaju nužde, uređaji za hitno hlađenje jezgra).

Kako rade najnoviji modeli

Najnovija četvrta generacija reaktora bit će dostupna za komercijalni rad ne ranije od 2030. Trenutno su princip i struktura njihovog rada u fazi razvoja. Prema savremenim podacima, ove modifikacije će se po tome razlikovati od postojećih modela prednosti:

• Brzi sistem hlađenja gasom. Pretpostavlja se da će se helijum koristiti kao rashladno sredstvo. Prema projektnu dokumentaciju, na ovaj način je moguće hladiti reaktore na temperaturu od 850 °C. Za rad na tako visokim temperaturama biće potrebne specifične sirovine: kompozitni keramički materijali i jedinjenja aktinida;
• Kao primarno rashladno sredstvo moguće je koristiti olovo ili leguru olova i bizmuta. Ovi materijali imaju nisku stopu apsorpcije neutrona i relativno su niske temperature topljenje;
• Također, mješavina rastopljenih soli može se koristiti kao glavno rashladno sredstvo. To će omogućiti rad na višim temperaturama od modernih vodeno hlađenih kolega.

Prirodni analozi u prirodi

Nuklearni reaktor se u javnoj svijesti doživljava isključivo kao proizvod visoke tehnologije. Međutim, u stvari, prvi takav uređaj je prirodnog porijekla. Otkriven je u regiji Oklo u centralnoafričkoj državi Gabon:

• Reaktor je nastao zbog plavljenja uranijumskih stijena podzemnim vodama. Oni su djelovali kao moderatori neutrona;
• Toplotna energija oslobođena tokom raspada uranijuma pretvara vodu u paru i lančana reakcija se zaustavlja;
• Nakon što temperatura rashladne tekućine padne, sve se ponavlja;
• Da tečnost nije proključala i zaustavila reakciju, čovečanstvo bi se suočilo sa novom prirodnom katastrofom;
• Samoodrživa nuklearna fisija započela je u ovom reaktoru prije otprilike milijardu i pol godina. Tokom ovog vremena, obezbeđeno je približno 0,1 milion vati izlazne snage;
• Takvo čudo svijeta na Zemlji je jedino poznato. Pojava novih je nemoguća: udio uranijuma-235 u prirodnim sirovinama je mnogo niži od nivoa potrebnog za održavanje lančane reakcije.

Koliko nuklearnih reaktora ima u Južnoj Koreji?

Siromašna prirodnim resursima, ali industrijalizirana i prenaseljena, Republika Koreja ima izuzetnu potrebu za energijom. U pozadini njemačkog odbijanja miroljubivih atoma, ova zemlja se postavlja velike nade za obuzdavanje nuklearne tehnologije:

• Planirano je da do 2035. godine udio električne energije proizvedene u nuklearnim elektranama dostigne 60%, a ukupna proizvodnja bude veća od 40 gigavata;
• Zemlja nema atomsko oružje, ali istraživanja nuklearne fizike su u toku. Korejski naučnici su razvili dizajne za moderne reaktore: modularne, vodonične, sa tečnim metalom, itd.;
• Uspjesi domaćih istraživača omogućavaju prodaju tehnologija u inostranstvu. Očekuje se da zemlja izveze 80 takvih jedinica u narednih 15-20 godina;
• Ali od danas, većina nuklearnih elektrana izgrađena je uz pomoć američkih ili francuskih naučnika;
• Broj operativnih stanica je relativno mali (samo četiri), ali svaka od njih ima značajan broj reaktora – ukupno 40, a ta brojka će rasti.

Kada je bombardirano neutronima, nuklearno gorivo ide u lančanu reakciju, što rezultira ogromnom količinom topline. Voda u sistemu preuzima tu toplotu i pretvara se u paru, koja pretvara turbine koje proizvode električnu energiju. Evo jednostavnog dijagrama rada nuklearnog reaktora, najmoćnijeg izvora energije na Zemlji.

Video: kako rade nuklearni reaktori

U ovom videu, nuklearni fizičar Vladimir Chaikin će vam reći kako se električna energija proizvodi u nuklearnim reaktorima i njihovu detaljnu strukturu:

Lančana reakcija fisije je uvijek praćena oslobađanjem ogromne energije. Praktična upotreba ove energije je glavni zadatak nuklearnog reaktora.

Nuklearni reaktor je uređaj u kojem se odvija kontrolirana ili kontrolirana reakcija nuklearne fisije.

Na osnovu principa rada, nuklearni reaktori se dijele u dvije grupe: reaktori toplinskih neutrona i reaktori na brzim neutronima.

Kako radi nuklearni reaktor na termalnim neutronima?

Tipičan nuklearni reaktor ima:

• Jezgro i moderator;
• Neutronski reflektor;
• Rashladna tečnost;
• Sistem kontrole lančane reakcije, zaštita u slučaju nužde;
• Sistem kontrole i zaštite od zračenja;
• Sistem daljinskog upravljanja.

1 - aktivna zona; 2 - reflektor; 3 - zaštita; 4 - upravljačke šipke; 5 - rashladna tečnost; 6 - pumpe; 7 - izmjenjivač topline; 8 - turbina; 9 - generator; 10 - kondenzator.

Jezgro i moderator

U jezgri se događa kontrolirana lančana reakcija fisije.

Većina nuklearnih reaktora radi na teškim izotopima uranijuma-235. Ali u prirodnim uzorcima ruda uranijuma njegov sadržaj je samo 0,72%. Ova koncentracija nije dovoljna za razvoj lančane reakcije. Stoga se ruda umjetno obogaćuje, čime se sadržaj ovog izotopa dovodi do 3%.

Fisijski materijal, odnosno nuklearno gorivo, u obliku tableta stavlja se u hermetički zatvorene šipke, koje se nazivaju gorivi elementi (gorivi elementi). Oni prožimaju cijelu aktivnu zonu ispunjenu moderator neutroni.

Zašto je potreban moderator neutrona u nuklearnom reaktoru?

Činjenica je da neutroni rođeni nakon raspada jezgara uranijuma-235 imaju vrlo veliku brzinu. Vjerovatnoća njihovog hvatanja drugim jezgrima uranijuma je stotine puta manja od vjerovatnoće hvatanja sporih neutrona. A ako se njihova brzina ne smanji, nuklearna reakcija može zamrijeti s vremenom. Moderator rješava problem smanjenja brzine neutrona. Ako se voda ili grafit stave na put brzih neutrona, njihova brzina se može umjetno smanjiti i na taj način se može povećati broj čestica zarobljenih od strane atoma. U isto vrijeme, lančana reakcija u reaktoru zahtijevat će manje nuklearnog goriva.

Kao rezultat procesa usporavanja, termalnih neutrona, čija je brzina skoro jednaka brzini termičko kretanje molekule gasa na sobnoj temperaturi.

Voda, teška voda (deuterijum oksid D 2 O), berilijum i grafit koriste se kao moderatori u nuklearnim reaktorima. Ali najbolji moderator je teška voda D2O.

Neutronski reflektor

Da bi se izbjeglo curenje neutrona u okolinu, jezgro nuklearnog reaktora je okruženo reflektor neutrona. Materijal koji se koristi za reflektore je često isti kao i za moderatore.

Rashladna tečnost

Toplota koja se oslobađa tokom nuklearne reakcije uklanja se pomoću rashladnog sredstva. Obična prirodna voda, prethodno pročišćena od raznih nečistoća i plinova, često se koristi kao rashladno sredstvo u nuklearnim reaktorima. Ali pošto voda ključa već na temperaturi od 100 0 C i pritisku od 1 atm, kako bi se povećala tačka ključanja, povećava se pritisak u krugu primarnog rashladnog sredstva. Voda primarnog kruga koja cirkulira kroz jezgro reaktora ispire gorivne šipke, zagrijavajući se do temperature od 320 0 C. Zatim, unutar izmjenjivača topline, odaje toplinu vodi sekundarnog kruga. Izmjena se odvija kroz cijevi za izmjenu topline, tako da nema kontakta sa vodom sekundarnog kruga. To sprječava ulazak radioaktivnih tvari u drugi krug izmjenjivača topline.

A onda se sve dešava kao u termoelektrani. Voda u drugom krugu pretvara se u paru. Para rotira turbinu, koja pokreće električni generator, koji proizvodi električnu struju.

U reaktorima s teškom vodom rashladno sredstvo je teška voda D2O, au reaktorima s tekućim metalnim rashladnim tekućinama to je rastopljeni metal.

Sistem kontrole lančane reakcije

Trenutno stanje reaktora karakteriše veličina tzv reaktivnost.

ρ = ( k -1)/ k ,

k = n i / n i -1 ,

Gdje k – faktor umnožavanja neutrona,

n i - broj neutrona sljedeće generacije u reakciji nuklearne fisije,

n i -1 , - broj neutrona prethodne generacije u istoj reakciji.

Ako k ˃ 1 , lančana reakcija raste, sistem se zove superkritičan y. Ako k< 1 , lančana reakcija se gasi i sistem se poziva podkritični. At k = 1 reaktor je unutra stabilno kritično stanje, budući da se broj fisijskih jezgara ne mijenja. U ovom stanju reaktivnost ρ = 0 .

Kritično stanje reaktora (potrebni faktor umnožavanja neutrona u nuklearnom reaktoru) održava se pomicanjem kontrolne šipke. Materijal od kojeg su napravljeni uključuje supstance koje upijaju neutrone. Produživanjem ili guranjem ovih šipki u jezgro, kontrolira se brzina reakcije nuklearne fisije.

Upravljački sistem omogućava upravljanje reaktorom prilikom njegovog puštanja u pogon, planiranog gašenja, rada na snazi, kao i hitnu zaštitu nuklearnog reaktora. To se postiže promjenom položaja upravljačkih šipki.

Ako neki od parametara reaktora (temperatura, pritisak, brzina porasta snage, potrošnja goriva, itd.) odstupa od norme, a to može dovesti do nesreće, posebne štapovi za hitne slučajeve i nuklearna reakcija brzo prestaje.

Osigurajte da su parametri reaktora u skladu sa standardima sistemi kontrole i zaštite od zračenja.

Za čuvara okruženje radi zaštite od radioaktivnog zračenja, reaktor je postavljen u debelo betonsko kućište.

Sistemi daljinskog upravljanja

Svi signali o stanju nuklearnog reaktora (temperatura rashladne tečnosti, nivo zračenja u različitim dijelovima reaktor, itd.) stižu do kontrolne table reaktora i u njoj se obrađuju kompjuterski sistemi. Operater dobija sve potrebne informacije i preporuke za otklanjanje određenih odstupanja.

Brzi reaktori

Razlika između reaktora ovog tipa i reaktora termičkih neutrona je u tome što se brzi neutroni koji nastaju nakon raspada uranijuma-235 ne usporavaju, već se apsorbuju uranijum-238 sa njegovom kasnijom konverzijom u plutonijum-239. Stoga se reaktori na brzim neutronima koriste za proizvodnju plutonijuma-239 za oružje i toplotnu energiju, koju generatori nuklearnih elektrana pretvaraju u električnu energiju.

Nuklearno gorivo u takvim reaktorima je uranijum-238, a sirovina je uranijum-235.

U prirodnoj rudi uranijuma, 99,2745% čini uranijum-238. Kada se apsorbuje termalni neutron, on se ne fisije, već postaje izotop uranijuma-239.

Neko vrijeme nakon β-raspada, uran-239 se pretvara u jezgro neptunija-239:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Nakon drugog β-raspada, formira se fisijski plutonijum-239:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

I konačno, nakon alfa raspada jezgra plutonijum-239, dobija se uranijum-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Gorivne šipke sa sirovinama (obogaćenim uranijumom-235) nalaze se u jezgri reaktora. Ova zona je okružena zonom razmnožavanja, koja se sastoji od gorivih šipki sa gorivom (osiromašeni uranijum-238). Brzi neutroni emitovani iz jezgra nakon raspada uranijuma-235 zarobljeni su jezgrima uranijuma-238. Kao rezultat, nastaje plutonijum-239. Tako se u reaktorima na brzim neutronima proizvodi novo nuklearno gorivo.

Tečni metali ili njihove mješavine koriste se kao rashladna sredstva u nuklearnim reaktorima na brzim neutronima.

Klasifikacija i primjena nuklearnih reaktora

Nuklearni reaktori se uglavnom koriste u nuklearne elektrane. Uz njihovu pomoć proizvodi se električna i toplinska energija u industrijskim razmjerima. Takvi reaktori se nazivaju energije .

Nuklearni reaktori se široko koriste u pogonskim sistemima modernih nuklearnih podmornica, površinskih brodova, svemirska tehnologija. Oni snabdevaju električna energija motori se zovu transportni reaktori .

Za naučno istraživanje u oblasti nuklearne fizike i radijacione hemije koriste se fluksovi neutrona i gama kvanta koji se dobijaju u jezgru istraživački reaktori. Energija koju oni proizvode ne prelazi 100 MW i ne koristi se u industrijske svrhe.

Snaga eksperimentalnih reaktora čak i manje. Dostiže vrijednost od samo nekoliko kW. Ovi reaktori se koriste za proučavanje raznih fizičke veličine, čiji je značaj važan u dizajnu nuklearnih reakcija.

TO industrijski reaktori obuhvataju reaktore za proizvodnju radioaktivnih izotopa koji se koriste u medicinske svrhe, kao iu raznim oblastima industrije i tehnologije. Reaktori za desalinizaciju morske vode također se klasificiraju kao industrijski reaktori.

Nuklearna proizvodnja je moderan način proizvodnje električne energije koji se brzo razvija. Znate li kako rade nuklearne elektrane? Koji je princip rada nuklearne elektrane? Koje vrste nuklearnih reaktora danas postoje? Pokušat ćemo detaljno razmotriti shemu rada nuklearne elektrane, ući u strukturu nuklearnog reaktora i saznati koliko je siguran nuklearni način proizvodnje električne energije.

Svaka stanica je zatvoreno područje udaljeno od stambenog naselja. Na njenoj teritoriji nalazi se nekoliko objekata. Najvažnija građevina je zgrada reaktora, pored nje je turbinska prostorija iz koje se upravlja reaktorom, te sigurnosni objekat.

Shema je nemoguća bez nuklearnog reaktora. Atomski (nuklearni) reaktor je uređaj nuklearne elektrane koji je dizajniran da organizira lančanu reakciju neutronske fisije uz obavezno oslobađanje energije tijekom ovog procesa. Ali koji je princip rada nuklearne elektrane?

Cijela reaktorska instalacija smještena je u zgradi reaktora, velikom betonskom tornju koji skriva reaktor i koji će sadržavati sve produkte nuklearne reakcije u slučaju nesreće. Ovaj veliki toranj se naziva zaštitom, hermetičkim omotačem ili zonom zadržavanja.

Hermetička zona u novim reaktorima ima 2 debela betonska zida - školjke.
Vanjski omotač, debljine 80 cm, štiti zonu zadržavanja od vanjskih utjecaja.

Unutrašnja školjka, debljine 1 metar 20 cm, ima posebne čelične sajle koje povećavaju čvrstoću betona skoro tri puta i sprečavaju rušenje konstrukcije. Sa unutrašnje strane je obložen tanak list specijalni čelik, koji je dizajniran da služi kao dodatna zaštita za kontejnment i da u slučaju nesreće ne ispušta sadržaj reaktora van zone kontejnmenta.

Ovakav dizajn nuklearne elektrane omogućava joj da izdrži pad aviona težine do 200 tona, potres magnitude 8, tornado i cunami.

Prva zatvorena školjka izgrađena je u američkoj nuklearnoj elektrani Connecticut Yankee 1968. godine.

Ukupna visina zone zadržavanja je 50-60 metara.

Od čega se sastoji nuklearni reaktor?

Da biste razumjeli princip rada nuklearnog reaktora, a time i princip rada nuklearne elektrane, morate razumjeti komponente reaktora.

• Aktivna zona. Ovo je prostor u kojem se postavljaju nuklearno gorivo (generator goriva) i moderator. Atomi goriva (najčešće uranijum je gorivo) prolaze kroz lančanu reakciju fisije. Moderator je dizajniran da kontroliše proces fisije i omogućava potrebnu reakciju u smislu brzine i snage.
• Neutronski reflektor. Reflektor okružuje jezgro. Sastoji se od istog materijala kao i moderator. U suštini, ovo je kutija, čija je glavna svrha da spriječi neutrone da napuste jezgro i uđu u okolinu.
• Rashladna tečnost. Rashladno sredstvo mora apsorbirati toplinu oslobođenu tokom fisije atoma goriva i prenijeti je na druge tvari. Rashladna tečnost u velikoj mjeri određuje kako će se projektirati nuklearna elektrana. Najpopularnija rashladna tečnost danas je voda.
  Sistem upravljanja reaktorom. Senzori i mehanizmi koji napajaju reaktor nuklearne elektrane.

Gorivo za nuklearne elektrane

Na čemu radi nuklearna elektrana? Gorivo za nuklearne elektrane su hemijski elementi sa radioaktivnim svojstvima. U svim nuklearnim elektranama ovaj element je uranijum.

Dizajn stanica podrazumijeva da nuklearne elektrane rade na složenom kompozitnom gorivu, a ne na čistom hemijski element. A da bi se iz prirodnog uranijuma, koje se puni u nuklearni reaktor, izdvojilo uranijsko gorivo, potrebno je izvršiti mnoge manipulacije.

Obogaćeni uranijum

Uranijum se sastoji od dva izotopa, odnosno sadrži jezgra sa različite težine. Ime su dobili po broju protona i neutrona izotopa -235 i izotopa-238. Istraživači 20. veka počeli su da izvlače uranijum 235 iz rude, jer... bilo je lakše razgraditi i transformisati. Ispostavilo se da takvog uranijuma u prirodi ima samo 0,7% (preostali procenat ide na 238. izotop).

Šta učiniti u ovom slučaju? Odlučili su da obogate uranijum. Obogaćivanje uranijuma je proces u kojem ostaje mnogo potrebnih 235x izotopa i nekoliko nepotrebnih 238x izotopa. Zadatak obogaćivača uranijuma je da 0,7% pretvore u skoro 100% uranijum-235.

Uranijum se može obogatiti korišćenjem dve tehnologije: gasne difuzije ili gasne centrifuge. Za njihovo korištenje, uran izvađen iz rude pretvara se u plinovito stanje. Obogaćen je u obliku gasa.

Uranijum u prahu

Gas obogaćeni uranijum se pretvara u čvrsto stanje - uranijum dioksid. Ovaj čisti čvrsti uranijum 235 izgleda kao veliki bijeli kristali, koji se kasnije drobe u prah uranijuma.

Uranijumske tablete

Uranijumske tablete su čvrsti metalni diskovi, dugi nekoliko centimetara. Za formiranje takvih tableta od praha uranijuma, pomiješa se sa supstancom - plastifikatorom, što poboljšava kvalitetu presovanja tableta.

Presovani pakovi se peku na temperaturi od 1200 stepeni Celzijusa više od jednog dana kako bi tablete dobile posebnu čvrstoću i otpornost na visoke temperature. Kako nuklearna elektrana radi direktno ovisi o tome koliko je dobro uranijsko gorivo komprimirano i pečeno.

Tablete se peku u kutijama od molibdena, jer samo ovaj metal je sposoban da se ne topi na "paklenim" temperaturama od preko hiljadu i po stepeni. Nakon toga, uranijsko gorivo za nuklearne elektrane smatra se spremnim.

Šta su TVEL i FA?

Jezgra reaktora izgleda kao ogroman disk ili cijev sa rupama u zidovima (u zavisnosti od tipa reaktora), 5 puta veća od ljudskog tijela. Ove rupe sadrže gorivo uranijuma, čiji atomi izvode željenu reakciju.

Nemoguće je samo baciti gorivo u reaktor, pa, osim ako ne želite da izazovete eksploziju cijele stanice i nesreću sa posljedicama za par obližnjih država. Zbog toga se uranijumsko gorivo stavlja u gorivne šipke, a zatim sakuplja u gorive sklopove. Šta znače ove skraćenice?

• TVEL – gorivi element (ne brkati sa isto ime ruska kompanija koja ih proizvodi). To je u suštini tanka i duga cirkonijumska cijev napravljena od legura cirkonijuma u koju se stavljaju tablete uranijuma. Upravo u gorivim šipkama atomi uranijuma počinju da međusobno komuniciraju, oslobađajući toplotu tokom reakcije.

Cirkonij je odabran kao materijal za proizvodnju gorivih šipki zbog svoje vatrostalnosti i antikorozivnih svojstava.

Vrsta gorivih šipki ovisi o vrsti i strukturi reaktora. U pravilu se struktura i namjena gorivih šipki ne mijenjaju, dužina i širina cijevi mogu biti različite.

Mašina ubacuje više od 200 uranijumskih peleta u jednu cirkonijsku cijev. Ukupno, oko 10 miliona uranijumskih peleta istovremeno radi u reaktoru.
FA – gorivni sklop. Radnici u NEK zovu snopove goriva.

U suštini, ovo je nekoliko gorivih šipki spojenih zajedno. FA je gotovo nuklearno gorivo, na čemu radi nuklearna elektrana. To su gorivi sklopovi koji se ubacuju u nuklearni reaktor. U jednom reaktoru se nalazi oko 150 – 400 gorivnih sklopova.
Ovisno o reaktoru u kojem će gorivi sklopovi raditi, oni mogu biti različitih oblika. Ponekad su snopovi presavijeni u kubični, ponekad u cilindrični, ponekad u heksagonalni oblik.

Jedan gorivni sklop tokom 4 godine rada proizvodi istu količinu energije kao pri sagorevanju 670 vagona uglja, 730 rezervoara sa prirodni gas ili 900 rezervoara napunjenih naftom.
Danas se gorivi sklopovi proizvode uglavnom u tvornicama u Rusiji, Francuskoj, SAD-u i Japanu.

Za isporuku goriva za nuklearne elektrane u druge zemlje, gorivni sklopovi su zapečaćeni po dužini i širini metalne cijevi, vazduh se ispumpava iz cevi i isporučuje posebnim mašinama u teretne avione.

Nuklearno gorivo za nuklearne elektrane teško je previsoko, jer... uranijum je jedan od najtežih metala na planeti. Njegova specifična težina je 2,5 puta veća od one čelika.

Nuklearna elektrana: princip rada

Koji je princip rada nuklearne elektrane? Princip rada nuklearnih elektrana zasniva se na lančanoj reakciji fisije atoma radioaktivne supstance - uranijuma. Ova reakcija se odvija u jezgri nuklearnog reaktora.

VAŽNO JE ZNATI:

Ne ulazeći u zamršenosti nuklearne fizike, princip rada nuklearne elektrane izgleda ovako:
Nakon pokretanja nuklearnog reaktora, apsorberske šipke se uklanjaju iz gorivih šipki, koje sprječavaju reakciju urana.

Kada se šipke uklone, uranijumski neutroni počinju da stupaju u interakciju jedni s drugima.

Kada se neutroni sudare, dolazi do mini eksplozije na atomskom nivou, oslobađa se energija i rađaju se novi neutroni, počinje da se dešava lančana reakcija. Ovaj proces stvara toplinu.

Toplota se prenosi na rashladno sredstvo. Ovisno o vrsti rashladnog sredstva, pretvara se u paru ili plin, koji rotira turbinu.

Turbina pokreće električni generator. On je taj koji zapravo stvara električnu struju.

Ako ne pratite proces, uranijumski neutroni se mogu sudarati jedni s drugima sve dok ne eksplodiraju reaktor i razbiju cijelu nuklearnu elektranu u paramparčad. Procesom upravljaju kompjuterski senzori. Oni otkrivaju povećanje temperature ili promjenu tlaka u reaktoru i mogu automatski zaustaviti reakcije.

Po čemu se princip rada nuklearnih elektrana razlikuje od termoelektrana (termoelektrana)?

Razlike u radu postoje samo u prvim fazama. U nuklearnoj elektrani rashladno sredstvo prima toplinu fisijom atoma uranijskog goriva, u termoelektrani rashladno sredstvo prima toplinu izgaranjem organskog goriva (uglja, plina ili nafte). Nakon što su ili atomi urana ili plin i ugalj oslobodili toplinu, sheme rada nuklearnih elektrana i termoelektrana su iste.

Vrste nuklearnih reaktora

Kako radi nuklearna elektrana ovisi o tome kako radi njen nuklearni reaktor. Danas postoje dva glavna tipa reaktora, koji su klasifikovani prema spektru neurona:
Reaktor sa sporim neutronima, koji se još naziva i termalni reaktor.

Za njegov rad koristi se uranijum 235 koji prolazi kroz faze obogaćivanja, stvaranja uranijumskih peleta itd. Danas velika većina reaktora koristi spore neutrone.
Reaktor na brzim neutronima.

Ovi reaktori su budućnost, jer... Oni rade na uranijumu-238, koji je u prirodi desetka i nema potrebe za obogaćivanjem ovog elementa. Jedina mana takvih reaktora su veoma visoki troškovi projektovanja, izgradnje i puštanja u rad. Danas reaktori na brzim neutronima rade samo u Rusiji.

Rashladno sredstvo u reaktorima na brzim neutronima je živa, gas, natrijum ili olovo.

Reaktori sa sporim neutronima, koje danas koriste sve nuklearne elektrane u svijetu, također postoje u nekoliko vrsta.

Organizacija IAEA (Međunarodna agencija za atomsku energiju) kreirala je vlastitu klasifikaciju koja se najčešće koristi u globalnoj industriji nuklearne energije. Budući da princip rada nuklearne elektrane u velikoj mjeri ovisi o izboru rashladnog sredstva i moderatora, IAEA je svoju klasifikaciju bazirala na tim razlikama.

Sa hemijske tačke gledišta, deuterijum oksid je idealan moderator i rashladno sredstvo, jer njegovi atomi najefikasnije komuniciraju sa neutronima uranijuma u poređenju sa drugim supstancama. Jednostavno rečeno, teška voda svoj zadatak obavlja uz minimalne gubitke i maksimalne rezultate. Međutim, njegova proizvodnja košta, dok je običnu "laganu" i poznatu vodu mnogo lakše koristiti.

Nekoliko činjenica o nuklearnim reaktorima...

Zanimljivo je da je za izgradnju jednog reaktora nuklearne elektrane potrebno najmanje 3 godine!
Za izgradnju reaktora potrebna vam je oprema koja radi na električnu struju od 210 kiloampera, što je milion puta veće od struje koja može ubiti čovjeka.

Jedna školjka (strukturni element) nuklearnog reaktora teži 150 tona. U jednom reaktoru ima 6 takvih elemenata.

Reaktor vode pod pritiskom

Već smo saznali kako radi nuklearna elektrana općenito; da bismo sve stavili u perspektivu, pogledajmo kako radi najpopularniji nuklearni reaktor s vodom pod pritiskom.
Širom svijeta danas se koriste reaktori s vodom pod pritiskom generacije 3+. Smatraju se najpouzdanijim i sigurnijim.

Svi reaktori s vodom pod pritiskom u svijetu, tokom svih godina svog rada, već su akumulirali više od 1000 godina nesmetanog rada i nikada nisu dali ozbiljnija odstupanja.

Struktura nuklearnih elektrana koje koriste reaktore s vodom pod pritiskom podrazumijeva da između gorivih šipki cirkulira destilirana voda zagrijana na 320 stupnjeva. Da bi se spriječilo da pređe u stanje pare, drži se pod pritiskom od 160 atmosfera. Dijagram nuklearne elektrane to naziva vodom primarnog kruga.

Zagrijana voda ulazi u generator pare i predaje svoju toplinu vodi sekundarnog kruga, nakon čega se ponovo „vraća“ u reaktor. Izvana izgleda kao da su cijevi za vodu prvog kruga u kontaktu s drugim cijevima - voda drugog kruga prenose toplinu jedna na drugu, ali vode ne dolaze u kontakt. Cijevi su u kontaktu.

Time je isključena mogućnost ulaska zračenja u vodu sekundarnog kruga, koja će dalje učestvovati u procesu proizvodnje električne energije.

Sigurnost rada NE

Nakon što smo naučili princip rada nuklearnih elektrana, moramo razumjeti kako funkcionira sigurnost. Izgradnja nuklearne elektrane danas zahtijeva povećana pažnja sigurnosnim pravilima.
Troškovi sigurnosti NEK čine oko 40% ukupnih troškova samog postrojenja.

Projekt nuklearne elektrane uključuje 4 fizičke barijere koje sprječavaju ispuštanje radioaktivnih tvari. Šta bi ove barijere trebale da urade? U pravom trenutku moći zaustaviti nuklearnu reakciju, osigurati konstantno odvođenje topline iz jezgre i samog reaktora i spriječiti ispuštanje radionuklida izvan kontejnmenta (hermetička zona).

• Prva prepreka je snaga uranijumskih peleta. Važno je da ih ne unište visoke temperature u nuklearnom reaktoru. Mnogo toga kako nuklearna elektrana radi zavisi od toga kako se uranijumske pelete „peku” u početnoj fazi proizvodnje. Ako pelete uranijumskog goriva nisu pravilno pečene, reakcije atoma uranijuma u reaktoru će biti nepredvidive.
• Druga prepreka je nepropusnost gorivih šipki. Cirkonijumske cijevi moraju biti dobro zatvorene; ako se pečat pokvari, tada će se u najboljem slučaju reaktor oštetiti i rad će prestati; u najgorem, sve će poletjeti u zrak.
• Treća barijera je izdržljiva čelična reaktorska posuda a, (isti veliki toranj– hermetička zona) koja „sadrži“ sve radioaktivne procese. Ako je kućište oštećeno, zračenje će izaći u atmosferu.
• Četvrta barijera su šipke za zaštitu u nuždi.Štapovi sa moderatorima su okačeni iznad jezgra pomoću magneta, koji mogu apsorbovati sve neutrone za 2 sekunde i zaustaviti lančanu reakciju.

Ako, uprkos dizajnu nuklearne elektrane sa mnogo stepeni zaštite, nije moguće rashladiti jezgru reaktora u pravo vreme, a temperatura goriva poraste na 2600 stepeni, onda dolazi u obzir poslednja nada sigurnosnog sistema - takozvana zamka topljenja.

Činjenica je da će se na ovoj temperaturi dno reaktorske posude otopiti, a svi ostaci nuklearnog goriva i rastopljenih struktura će teći u posebno "staklo" obješeno iznad jezgre reaktora.

Zamka za topljenje je rashlađena i vatrostalna. Ispunjen je takozvanim "žrtvenim materijalom", koji postepeno zaustavlja lančanu reakciju fisije.

Dakle, projekt nuklearne elektrane podrazumijeva nekoliko stupnjeva zaštite, koji gotovo u potpunosti eliminiraju svaku mogućnost nesreće.

: ... prilično banalno, ali ipak još uvijek nisam našao informaciju u probavljivom obliku - kako nuklearni reaktor POČINJE da radi. Sve o principu i strukturi rada je vec savakano preko 300 puta i jasno, ali evo kako se dobija gorivo i od cega i zasto nije toliko opasno dok ne bude u reaktoru i zasto ne reaguje pre nego sto bude uronjen u reaktor! - na kraju krajeva, zagrijava se samo iznutra, ipak, prije punjenja gorivo je hladno i sve je u redu, tako da nije sasvim jasno šta uzrokuje zagrijavanje elemenata, kako na njih utječe i tako dalje, po mogućnosti ne znanstveno).

Teško je, naravno, takvu temu uokviriti na nenaučan način, ali pokušaću. Hajde da prvo shvatimo šta su to gorive šipke.

Nuklearno gorivo su crne tablete prečnika oko 1 cm i visine oko 1,5 cm.Sadrže 2% uranijum dioksida 235 i 98% uranijuma 238, 236, 239. U svim slučajevima, sa bilo kojom količinom nuklearnog goriva, nuklearna eksplozija se ne može razviti, jer je za lavinu nalik brza reakcija fisije karakteristična za nuklearna eksplozija potrebna je koncentracija uranijuma 235 veća od 60%.

Dvjesto peleta nuklearnog goriva se stavlja u cijev napravljenu od metala cirkonija. Dužina ove cijevi je 3,5m. prečnika 1,35 cm Ova cijev se naziva gorivi element - gorivi element. 36 gorivih šipki je sastavljeno u kasetu (drugi naziv je "montaža").

Dizajn gorivnog elementa reaktora RBMK: 1 - utikač; 2 - tablete uranijum dioksida; 3 - školjka od cirkonija; 4 - opruga; 5 - čahura; 6 - vrh.

Transformacija tvari je praćena oslobađanjem slobodne energije samo ako supstanca ima rezervu energije. Ovo posljednje znači da su mikročestice tvari u stanju s energijom mirovanja većom nego u drugom mogućem stanju u koje postoji prijelaz. Spontani prijelaz je uvijek spriječen energetskom barijerom, za savladavanje koje mikročestica mora primiti određenu količinu energije izvana – energiju pobude. Egzoenergetska reakcija se sastoji u činjenici da se u transformaciji koja slijedi nakon pobuđivanja oslobađa više energije nego što je potrebno za pobuđivanje procesa. Postoje dva načina za prevazilaženje energetske barijere: ili zbog kinetičke energije sudarajućih čestica, ili zbog energije vezivanja čestica koje se spajaju.

Ako imamo na umu makroskopsku skalu oslobađanja energije, tada sve ili u početku barem neki dio čestica tvari moraju imati kinetičku energiju potrebnu za pobuđivanje reakcija. To je moguće postići samo povećanjem temperature medija na vrijednost pri kojoj se energija toplinskog kretanja približava energetskom pragu koji ograničava tok procesa. U slučaju molekularnih transformacija, tj hemijske reakcije, takvo povećanje obično iznosi stotine stupnjeva Kelvina, ali u slučaju nuklearnih reakcija iznosi najmanje 107 K zbog vrlo velike visine Kulombovih barijera sudarajućih jezgara. Termičko pobuđivanje nuklearnih reakcija u praksi se provodi samo pri sintezi najlakših jezgara, u kojima su Kulonove barijere minimalne (termonuklearna fuzija).

Pobuđivanje spajanjem čestica ne zahtijeva veliku kinetičku energiju, pa stoga ne ovisi o temperaturi medija, jer nastaje zbog neiskorištenih veza svojstvenih privlačnim silama čestica. Ali da bi se izazvale reakcije, potrebne su same čestice. A ako opet ne mislimo na poseban čin reakcije, već na proizvodnju energije u makroskopskoj skali, onda je to moguće samo kada dođe do lančane reakcije. Potonje se događa kada se čestice koje pobuđuju reakciju ponovo pojave kao produkti egzoenergetske reakcije.

Za upravljanje i zaštitu nuklearnog reaktora koriste se upravljačke šipke koje se mogu pomicati duž cijele visine jezgre. Štapovi su napravljeni od tvari koje snažno apsorbiraju neutrone - na primjer, bor ili kadmij. Kada se štapovi duboko umetnu, lančana reakcija postaje nemoguća, jer se neutroni snažno apsorbuju i uklanjaju iz zone reakcije.

Šipke se pomeraju daljinski sa kontrolne table. Uz lagano pomicanje šipki, proces lanca će se ili razviti ili izblijediti. Na taj način se reguliše snaga reaktora.

Lenjingradska NPP, reaktor RBMK

Početak rada reaktora:

U početnom trenutku nakon prvog punjenja goriva u reaktoru nema lančane reakcije fisije, reaktor je u subkritičnom stanju. Temperatura rashladne tečnosti je znatno niža od radne temperature.

Kao što smo već spomenuli ovdje, da bi započela lančana reakcija, fisioni materijal mora formirati kritičnu masu - dovoljnu količinu spontano fisionog materijala u dovoljno malom prostoru, što je uvjet pod kojim broj neutrona koji se oslobađaju tijekom nuklearne fisije mora biti veći od broja apsorbovanih neutrona. To se može postići povećanjem sadržaja uranijuma-235 (količina učitanih gorivih šipki) ili usporavanjem brzine neutrona kako ne bi proletjeli pored jezgara uranijuma-235.

Reaktor se dovodi u pogon u nekoliko faza. Uz pomoć regulatora reaktivnosti reaktor se prebacuje u natkritično stanje Kef>1 i snaga reaktora se povećava na nivo od 1-2% od nominalne. U ovoj fazi, reaktor se zagrijava do radnih parametara rashladnog sredstva, a brzina zagrijavanja je ograničena. Tokom procesa grijanja, kontrole održavaju snagu na konstantnom nivou. Zatim se pokreću cirkulacijske pumpe i pušta se u rad sistem za odvod toplote. Nakon toga, snaga reaktora se može povećati na bilo koji nivo u rasponu od 2 do 100% nazivne snage.

Kada se reaktor zagrije, reaktivnost se mijenja zbog promjena temperature i gustine materijala jezgre. Ponekad se tokom zagrijavanja mijenja relativni položaj jezgra i kontrolnih elemenata koji ulaze ili izlaze iz jezgre, što uzrokuje efekat reaktivnosti u odsustvu aktivnog kretanja upravljačkih elemenata.

Regulacija čvrstim, pokretnim upijajućim elementima

Za brzu promjenu reaktivnosti, u velikoj većini slučajeva koriste se čvrsti pokretni apsorberi. U reaktoru RBMK kontrolne šipke sadrže čaure od bor karbida zatvorene u cijev od aluminijske legure promjera 50 ili 70 mm. Svaka upravljačka šipka je postavljena u poseban kanal i hladi se vodom iz kola upravljačkog i zaštitnog sistema (sistem upravljanja i zaštite) na prosječnoj temperaturi od 50°C. Prema svojoj namjeni, šipke se dijele na AZ (zaštita u slučaju nužde). ) štapova; u RBMK-u ima 24 takva štapa. Automatske upravljačke šipke - 12 komada, lokalne automatske upravljačke šipke - 12 komada, ručne upravljačke šipke - 131 i 32 skraćene apsorberske šipke (USP). Ukupno ima 211 štapova. Štaviše, skraćene šipke se ubacuju u jezgro odozdo, a ostale odozgo.

Reaktor VVER 1000. 1 - pogon upravljačkog sistema; 2 - poklopac reaktora; 3 - tijelo reaktora; 4 - blok zaštitnih cijevi (BZT); 5 - osovina; 6 - kućište jezgra; 7 - gorive sklopove (FA) i upravljačke šipke;

Zapaljivi upijajući elementi.

Za kompenzaciju viška reaktivnosti nakon punjenja svježeg goriva, često se koriste zapaljivi apsorberi. Princip rada je da oni, poput goriva, nakon hvatanja neutrona, naknadno prestaju da apsorbuju neutrone (sagorevaju). Štaviše, brzina smanjenja kao rezultat apsorpcije neutrona jezgrima apsorbera je manja ili jednaka brzini smanjenja kao rezultat fisije jezgri goriva. Ako jezgro reaktora napunimo gorivom koje je predviđeno da radi godinu dana, onda je očito da će broj fisijskih jezgri goriva na početku rada biti veći nego na kraju, a višak reaktivnosti moramo kompenzirati postavljanjem apsorbera. u jezgru. Ako se kontrolne šipke koriste u tu svrhu, moramo ih stalno pomicati kako se broj jezgri goriva smanjuje. Upotreba zapaljivih apsorbera smanjuje upotrebu pokretnih šipki. Danas se zapaljivi upijači često dodaju direktno u pelete goriva tokom njihove proizvodnje.

Kontrola reaktivnosti fluida.

Takva regulacija se koristi, posebno, tokom rada reaktora tipa VVER, u rashladno sredstvo se uvodi borna kiselina H3BO3 koja sadrži 10B jezgre koje apsorbuju neutrone. Promjenom koncentracije borne kiseline u putu rashladne tekućine mijenjamo i reaktivnost u jezgru. U početnom periodu rada reaktora, kada ima mnogo jezgri goriva, koncentracija kiseline je maksimalna. Kako gorivo izgara, koncentracija kiseline se smanjuje.

Mehanizam lančane reakcije

Nuklearni reaktor može raditi na datoj snazi ​​dugo vremena samo ako ima rezervu reaktivnosti na početku rada. Izuzetak su subkritični reaktori sa vanjskim izvorom toplinskih neutrona. Oslobađanje vezane reaktivnosti kako se smanjuje zbog prirodnih razloga osigurava održavanje kritičnog stanja reaktora u svakom trenutku njegovog rada. Inicijalna rezerva reaktivnosti se stvara izgradnjom jezgra čija su dimenzije znatno veće od kritičnih. Kako bi se spriječilo da reaktor postane superkritičan, k0 medija za razmnožavanje se istovremeno umjetno smanjuje. To se postiže uvođenjem supstanci apsorbera neutrona u jezgro, koje se naknadno mogu ukloniti iz jezgre. Kao iu elementima upravljanja lančanom reakcijom, apsorbirajuće tvari su uključene u materijal šipki jednog ili drugog poprečnog presjeka koji se kreću kroz odgovarajuće kanale u jezgru. Ali ako je za regulaciju dovoljna jedna ili dvije ili više šipki, tada za kompenzaciju početne viška reaktivnosti broj šipki može doseći stotine. Ove šipke se nazivaju kompenzacionim štapovima. Kontrolne i kompenzacijske šipke ne predstavljaju nužno različite elemente dizajna. Brojni kompenzacijski štapovi mogu biti kontrolne šipke, ali funkcije oba su različite. Kontrolne šipke su dizajnirane da održavaju kritično stanje u bilo kojem trenutku, da zaustave i pokrenu reaktor i da pređu s jednog nivoa snage na drugi. Sve ove operacije zahtijevaju male promjene u reaktivnosti. Kompenzacijske šipke se postupno uklanjaju iz jezgre reaktora, osiguravajući kritično stanje tijekom cijelog vremena njegovog rada.

Ponekad se kontrolne šipke izrađuju ne od upijajućih materijala, već od fisijskog materijala ili materijala koji se raspršuje. U termičkim reaktorima to su uglavnom apsorberi neutrona; efikasnih apsorbera brzih neutrona nema. Apsorberi kao što su kadmijum, hafnij i drugi snažno apsorbuju samo termičke neutrone zbog blizine prve rezonancije toplotnom području, a izvan potonjeg se po svojim apsorpcijskim svojstvima ne razlikuju od drugih supstanci. Izuzetak je bor, čiji presjek apsorpcije neutrona opada s energijom mnogo sporije nego kod navedenih supstanci, prema l/v zakonu. Stoga bor apsorbira brze neutrone, iako slabo, ali nešto bolje od drugih tvari. Materijal apsorbera u reaktoru na brzim neutronima može biti samo bor, ako je moguće obogaćen izotopom 10B. Osim bora, fisijski materijali se također koriste za kontrolne šipke u reaktorima na brzim neutronima. Kompenzacijski štap napravljen od fisionog materijala obavlja istu funkciju kao štap apsorbera neutrona: povećava reaktivnost reaktora dok se prirodno smanjuje. Međutim, za razliku od apsorbera, takav štap se nalazi izvan jezgre na početku rada reaktora, a zatim se unosi u jezgro.

Materijali za raspršivanje koji se koriste u brzim reaktorima su nikal, koji ima poprečni presjek raspršenja brzih neutrona koji je nešto veći od presjeka drugih supstanci. Raspršivači se nalaze duž periferije jezgre i njihovo uranjanje u odgovarajući kanal uzrokuje smanjenje curenja neutrona iz jezgre i, posljedično, povećanje reaktivnosti. U nekim posebnim slučajevima, svrhu kontrole lančane reakcije služe pokretni dijelovi neutronskih reflektora, koji pomjeranjem mijenjaju curenje neutrona iz jezgre. Upravljački, kompenzacijski i hitni štapovi, zajedno sa svom opremom koja osigurava njihov normalan rad, čine sistem upravljanja i zaštite reaktora (CPS).

Zaštita u hitnim slučajevima:

Hitna zaštita nuklearnog reaktora je skup uređaja dizajniranih za brzo zaustavljanje nuklearne lančane reakcije u jezgri reaktora.

Aktivna zaštita od nužde automatski se aktivira kada jedan od parametara nuklearnog reaktora dostigne vrijednost koja bi mogla dovesti do nesreće. Takvi parametri mogu uključivati: temperaturu, pritisak i protok rashladne tečnosti, nivo i brzinu povećanja snage.

Izvršni elementi hitne zaštite su, u većini slučajeva, šipke sa supstancom koja dobro upija neutrone (bor ili kadmijum). Ponekad, da bi se reaktor isključio, apsorber tečnosti se ubrizgava u petlju rashladne tečnosti.

Osim aktivne zaštite, mnogi moderni dizajni uključuju i elemente pasivne zaštite. Na primjer, moderne verzije VVER reaktora uključuju "Emergency Core Cooling System" (ECCS) - posebne spremnike s bornom kiselinom smještene iznad reaktora. U slučaju najveće projektne nesreće (puknuće prvog rashladnog kruga reaktora), sadržaj ovih rezervoara gravitacijom završava unutar jezgre reaktora i nuklearna lančana reakcija se gasi velikom količinom tvari koja sadrži bor. , koji dobro apsorbuje neutrone.

Prema “Pravilima o nuklearnoj sigurnosti za reaktorska postrojenja nuklearnih elektrana”, prema najmanje jedan od predviđenih sistema za gašenje reaktora mora obavljati funkciju hitne zaštite (EP). Zaštita u vanrednim situacijama mora imati najmanje dvije nezavisne grupe radnih elemenata. Na signal AZ, radni dijelovi AZ moraju se aktivirati iz bilo kojeg radnog ili međupoložaja.

AZ oprema se mora sastojati od najmanje dva nezavisna seta.

Svaki set AZ opreme mora biti projektovan na način da se obezbedi zaštita u opsegu promena gustine neutronskog fluksa od 7% do 120% nominalne:

1. Po gustini neutronskog fluksa - ne manje od tri nezavisna kanala;
2. Prema stopi povećanja gustine neutronskog fluksa - ne manje od tri nezavisna kanala.

Svaki komplet opreme za hitnu zaštitu mora biti projektovan tako da u cijelom rasponu promjena tehnoloških parametara utvrđenih projektom reaktorskog postrojenja (RP), zaštitu od nužde obezbjeđuju najmanje tri nezavisna kanala za svaki tehnološki parametar. za koje je neophodna zaštita.

Upravljačke komande svakog seta za AZ aktuatore moraju se prenositi kroz najmanje dva kanala. Kada se jedan kanal u jednom od setova AZ opreme isključi iz rada, a da se ovaj set ne isključi, alarmni signal bi trebao biti automatski generiran za ovaj kanal.

Zaštita u hitnim slučajevima mora se aktivirati barem u sljedećim slučajevima:

1. Nakon postizanja AZ postavke za gustinu neutronskog fluksa.
2. Nakon postizanja AZ postavke za brzinu povećanja gustine neutronskog fluksa.
3. Ako napon nestane u bilo kojem kompletu opreme za hitnu zaštitu i CPS sabirnica napajanja koje nisu stavljene iz pogona.
4. U slučaju kvara bilo koja dva od tri zaštitna kanala za gustinu neutronskog fluksa ili za stopu povećanja neutronskog fluksa u bilo kojem setu AZ opreme koja nije stavljena iz pogona.
5. Kada se dostignu AZ podešavanja tehnološkim parametrima za koje se mora izvršiti zaštita.
6. Prilikom aktiviranja AZ iz ključa iz blok kontrolne točke (BCP) ili rezervne kontrolne točke (RCP).

Možda neko može ukratko na još manje naučni način objasniti kako blok nuklearne elektrane počinje sa radom? :-)

Zapamtite temu poput Originalni članak je na web stranici InfoGlaz.rf Link na članak iz kojeg je napravljena ova kopija -