Uređaj i princip rada

Mehanizam za oslobađanje snage

Transformacija supstance je praćena oslobađanjem slobodne energije samo ako supstanca ima rezervu energija. 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 prevladavanje koje mikročestica mora primiti određenu količinu energije izvana – energiju pobuđenja. 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 da se prevlada energetska barijera: ili zbog kinetičke energije čestica koje se sudaraju, ili zbog energije vezivanja čestice koja se približava.

Ako imamo na umu makroskopske razmjere oslobađanja energije, tada kinetičku energiju potrebnu za pobuđivanje reakcija moraju imati sve ili u početku barem neke čestice tvari. To se može postići samo povećanjem temperature medija na vrijednost na kojoj je energija termičko kretanje približava se energetskom pragu ograničavajući tok procesa. U slučaju molekularnih transformacija, tj hemijske reakcije, takvo povećanje obično iznosi stotine kelvina, dok je u slučaju nuklearnih reakcija najmanje 10 7 zbog vrlo velike visine Kulombovih barijera sudarajućih jezgara. Termičko pobuđivanje nuklearnih reakcija u praksi se provodi samo u sintezi najlakših jezgara, u kojima su Kulonove barijere minimalne (termonuklearna fuzija).

Pobuđivanje prilaskom čestica ne zahtijeva mnogo kinetička energija, te stoga ne ovisi o temperaturi medija, jer nastaje zbog neiskorištenih veza svojstvenih česticama privlačnih sila. Ali s druge strane, same čestice su neophodne za pobuđivanje reakcija. A ako opet imamo na umu ne poseban čin reakcije, već proizvodnju energije u makroskopskoj skali, onda je to moguće samo kada dođe do lančane reakcije. Ovo posljednje nastaje kada se čestice koje pobuđuju reakciju ponovo pojave kao produkti egzoenergetske reakcije.

Dizajn

Svaki nuklearni reaktor sastoji se od sljedećih dijelova:

• Jezgro s nuklearnim gorivom i moderatorom;
• Neutronski reflektor koji okružuje jezgro;
• Sistem regulacije lančane reakcije, uključujući zaštitu u hitnim slučajevima;
• Zaštita od zračenja;
• Sistem daljinskog upravljanja.

Fizički principi rada

Pogledajte i glavne članke:

Trenutno stanje nuklearnog reaktora može se okarakterisati efektivnim faktorom umnožavanja neutrona k ili reaktivnost ρ , koji su povezani sljedećom relacijom:

Ove vrijednosti karakteriziraju sljedeće vrijednosti:

• k> 1 - lančana reakcija se vremenom povećava, reaktor je unutra superkritičan stanje, njegovu reaktivnost ρ > 0;
• k < 1 - реакция затухает, реактор - podkritični, ρ < 0;
• k = 1, ρ = 0 - broj nuklearnih fisija je konstantan, reaktor je u stabilnom stanju kritičan stanje.

Uvjet kritičnosti nuklearnog reaktora:

, gdje

Pretvaranje faktora množenja u jedinicu postiže se balansiranjem množenja neutrona sa njihovim gubicima. Zapravo postoje dva razloga za gubitke: hvatanje bez fisije i curenje neutrona izvan medija za razmnožavanje.

Očigledno, k< k 0 , поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k 0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k 0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны.

k 0 za termičke reaktore može se odrediti pomoću takozvane "formule 4 faktora":

, gdje

• η je prinos neutrona po dvije apsorpcije.

Zapremine modernih energetskih reaktora mogu doseći stotine m³ i uglavnom se ne određuju uvjetima kritičnosti, već mogućnostima odvođenja topline.

Critical Volume nuklearni reaktor - volumen jezgre reaktora u kritičnom stanju. Kritična masa je masa fisijskog materijala reaktora, koji je u kritičnom stanju.

Reaktori sa najmanjom kritičnom masom imaju vodeni rastvori soli čistih fisionih izotopa s reflektorom vodenih neutrona. Za 235 U ova masa je 0,8 kg, za 239 Pu je 0,5 kg. Opšte je poznato, međutim, da je kritična masa za LOPO reaktor (prvi reaktor obogaćenog uranijuma na svijetu), koji je imao reflektor od berilijum oksida, bila 0,565 kg, uprkos činjenici da je stepen obogaćivanja izotopa 235 bio samo neznatan. više od 14%. Teoretski, najmanju kritičnu masu ima, za koju je ova vrijednost samo 10 g.

Da bi se smanjilo curenje neutrona, jezgri se daje sferni ili blizak sferičkom obliku, kao što je kratki cilindar ili kocka, budući da ove figure imaju najmanji omjer površine prema zapremini.

Unatoč činjenici da je vrijednost (e - 1) obično mala, uloga umnožavanja brzih neutrona je prilično velika, jer za velike nuklearne reaktore (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Za pokretanje lančane reakcije obično se proizvede dovoljno neutrona tokom spontane fisije jezgri uranijuma. Također je moguće koristiti vanjski izvor neutrona za pokretanje reaktora, na primjer, mješavinu i/ili drugih supstanci.

jodna jama

Glavni članak: Jodna jama

Jodna jama - stanje nuklearnog reaktora nakon gašenja, karakterizirano akumulacijom kratkotrajnog izotopa ksenona. Ovaj proces dovodi do privremene pojave značajne negativne reaktivnosti, što zauzvrat onemogućava dovođenje reaktora u projektni kapacitet na određeno vrijeme (oko 1-2 dana).

Klasifikacija

Po dogovoru

Prema prirodi upotrebe nuklearni reaktori se dijele na:

• Energetski reaktori projektovani za proizvodnju električne i toplotne energije koja se koristi u energetskom sektoru, kao i za desalinizaciju morske vode (reaktori za desalinizaciju takođe se klasifikuju kao industrijski). Takvi reaktori su se uglavnom koristili u nuklearnim elektranama. Toplinska snaga savremenih energetskih reaktora dostiže 5 GW. U posebnu grupu izdvojite:
  • Transportni reaktori dizajniran za opskrbu motorima vozila energijom. Najšire grupe primjene su pomorski transportni reaktori koji se koriste na podmornicama i raznim površinskim plovilima, kao i reaktori koji se koriste u svemirskoj tehnici.
• Eksperimentalni reaktori, dizajniran za proučavanje različitih fizičkih veličina, čija je vrijednost neophodna za projektiranje i rad nuklearnih reaktora; snaga takvih reaktora ne prelazi nekoliko kW.
• Istraživački reaktori, u kojoj se tok neutrona i gama zraka koji nastaju u jezgru koriste za istraživanja u oblasti nuklearne fizike, fizike čvrstog stanja, radijacijske hemije, biologije, za ispitivanje materijala namijenjenih za rad u intenzivnim neutronskim tokovima (uključujući dijelove nuklearnih reaktora), za proizvodnju izotopa. Snaga istraživačkih reaktora ne prelazi 100 MW. Oslobođena energija se obično ne koristi.
• Industrijski (oružje, izotopski) reaktori koristi se za proizvodnju izotopa koji se koriste u raznim poljima. Najviše se koristi za proizvodnju materijala za nuklearno oružje, kao što je 239 Pu. U industrijske spadaju i reaktori koji se koriste za desalinizaciju morske vode.

Često se reaktori koriste za rješavanje dva ili više različitih zadataka, u kom slučaju se nazivaju višenamjenski. Na primjer, neki energetski reaktori, posebno u zoru nuklearne energije, bili su namijenjeni uglavnom za eksperimente. Reaktori na brzim neutronima mogu istovremeno proizvoditi energiju i proizvoditi izotope. Industrijski reaktori, pored svog glavnog zadatka, često proizvode električnu i toplinsku energiju.

Prema neutronskom spektru

• Reaktor sa termalnim (sporim) neutronima ("termički reaktor")
• Reaktor na brzim neutronima ("brzi reaktor")

Po postavljanju goriva

• Heterogeni reaktori, gde je gorivo diskretno postavljeno u jezgru u obliku blokova, između kojih se nalazi moderator;
• Homogeni reaktori, gdje su gorivo i moderator homogena smjesa (homogeni sistem).

U heterogenom reaktoru gorivo i moderator mogu biti razmaknuti, posebno u reaktoru sa šupljinom, moderator-reflektor okružuje šupljinu gorivom koje ne sadrži moderator. Sa nuklearno-fizičke tačke gledišta, kriterijum homogenosti/heterogenosti nije dizajn, već postavljanje gorivih blokova na udaljenosti većoj od dužine moderacije neutrona u datom moderatoru. Na primjer, takozvani reaktori "bliske rešetke" su dizajnirani da budu homogeni, iako je gorivo u njima obično odvojeno od moderatora.

Blokovi nuklearnog goriva u heterogenom reaktoru nazivaju se gorivi sklopovi (FA), koji su smješteni u jezgru na čvorovima pravilne rešetke, formirajući ćelije.

Po vrsti goriva

• izotopi urana 235, 238, 233 ( 235 U , 238 U , 233 U)
• izotop plutonijuma 239 (239 Pu), takođe izotopi 239-242 Pu kao mešavina sa 238 U (MOX gorivo)
• izotop torija 232 (232 Th) (preko konverzije u 233 U)

Prema stepenu obogaćenosti:

• prirodni uranijum
• nisko obogaćeni uranijum
• visoko obogaćenog uranijuma

Po hemijskom sastavu:

• metal U
• UC (uranijum karbid) itd.

Po vrsti rashladnog sredstva

• Plin, (vidi grafitno-gasni reaktor)
• D 2 O (teška voda, vidi nuklearni reaktor teške vode, CANDU)

Po tipu moderatora

• C (grafit, vidi Grafit-gasni reaktor, Grafit-vodeni reaktor)
• H 2 O (voda, vidi Lakovodni reaktor, Vodeni reaktor pod pritiskom, VVER)
• D 2 O (teška voda, vidi nuklearni reaktor teške vode, CANDU)
• Metalni hidridi
• Bez moderatora (vidi reaktor na brzim neutronima)

Po dizajnu

metoda stvaranja pare

• Reaktor s vanjskim generatorom pare (vidi PWR, VVER)

IAEA klasifikacija

• PWR (pressurized water reactors) - vodeni reaktor pod pritiskom (pressurized water reactor);
• BWR (boiling water reactor) - reaktor kipuće vode;
• FBR (fast breeder reactor) - brzi reaktor;
• GCR (gas-cooled reactor) - gasno hlađeni reaktor;
• LWGR (light water graphite reactor) - grafitno-vodeni reaktor
• PHWR (pressuresed heavy water reactor) - reaktor teške vode

Najzastupljeniji u svijetu su reaktori s vodom pod pritiskom (oko 62%) i kipućom vodom (20%).

Materijali reaktora

Materijali od kojih su izgrađeni reaktori rade na visokoj temperaturi u polju neutrona, γ-kvanta i fisionih fragmenata. Stoga nisu svi materijali koji se koriste u drugim granama tehnologije pogodni za izgradnju reaktora. Prilikom odabira materijala reaktora uzimaju se u obzir njihova otpornost na zračenje, kemijska inertnost, poprečni presjek apsorpcije i druga svojstva.

Visoke temperature manje utiču na radijacionu nestabilnost materijala. Mobilnost atoma postaje tolika da se značajno povećava vjerovatnoća povratka atoma izbačenih iz kristalne rešetke na svoje mjesto ili rekombinacije vodonika i kisika u molekul vode. Tako je radioliza vode neznatna u energetskim reaktorima bez ključanja (na primjer, VVER), dok se u snažnim istraživačkim reaktorima oslobađa značajna količina eksplozivne smjese. Reaktori imaju posebne sisteme za sagorevanje.

Materijali reaktora dolaze u dodir jedni s drugima (obloga gorivnog elementa sa rashladnim sredstvom i nuklearnim gorivom, kasete za gorivo sa rashladnim sredstvom i moderatorom, itd.). Naravno, materijali u kontaktu moraju biti hemijski inertni (kompatibilni). Primjer nekompatibilnosti je uranijum i vruća voda koji ulaze u hemijsku reakciju.

Za većinu materijala, svojstva čvrstoće naglo se pogoršavaju s povećanjem temperature. U energetskim reaktorima, konstrukcijski materijali rade na visokim temperaturama. To ograničava izbor konstrukcijskih materijala, posebno za one dijelove energetskog reaktora koji moraju izdržati visok pritisak.

Izgaranje i reprodukcija nuklearnog goriva

U toku rada nuklearnog reaktora, zbog nakupljanja fisijskih fragmenata u gorivu, mijenja se njegov izotopski i kemijski sastav, a nastaju transuranski elementi, uglavnom izotopi. Utjecaj fisijskih fragmenata na reaktivnost nuklearnog reaktora naziva se trovanja(za radioaktivne fragmente) i slagging(za stabilne izotope).

Glavni razlog trovanja reaktora je, koji ima najveći presjek apsorpcije neutrona (2,6 10 6 barn). Poluživot od 135 Xe T 1/2 = 9,2 h; prinos podjele je 6-7%. Glavni dio 135 Xe nastaje kao rezultat raspadanja ( T 1/2 = 6,8 sati). U slučaju trovanja, Kef se mijenja za 1-3%. Veliki poprečni presjek apsorpcije 135 Xe i prisustvo srednjeg izotopa 135 I dovode do dva važna fenomena:

1. Do povećanja koncentracije 135 Xe i, posljedično, do smanjenja reaktivnosti reaktora nakon njegovog gašenja ili smanjenja snage (“jodna jama”), što onemogućuje kratkotrajna isključenja i fluktuacije izlazne snage. Ovaj efekat se prevazilazi uvođenjem granice reaktivnosti u regulatornim tijelima. Dubina i trajanje jodnog bunara zavise od neutronskog fluksa F: pri F = 5 10 18 neutrona/(cm² sek), trajanje jodnog bunara je ˜ 30 h, a dubina je 2 puta veća od stacionarne promjene u Keffu uzrokovano trovanjem 135 Xe.
2. Usljed trovanja može doći do prostorno-vremenskih fluktuacija neutronskog fluksa F, a samim tim i snage reaktora. Ove fluktuacije se javljaju pri F > 10 18 neutrona/(cm² sec) i velikim veličinama reaktora. Periodi oscilovanja ˜ 10 h.

Nuklearna fisija stvara veliki broj stabilnih fragmenata, koji se razlikuju po presjeku apsorpcije u odnosu na presjek apsorpcije fisijskog izotopa. Koncentracija fragmenata velikog presjeka apsorpcije dostiže zasićenje tokom prvih nekoliko dana rada reaktora. To su uglavnom TVEL-i različitih "doba".

U slučaju potpune zamjene goriva, reaktor ima višak reaktivnosti, koji se mora nadoknaditi, dok je u drugom slučaju kompenzacija potrebna samo pri prvom pokretanju reaktora. Kontinuirano punjenje gorivom omogućava povećanje dubine sagorijevanja, budući da je reaktivnost reaktora određena prosječnim koncentracijama fisionih izotopa.

Masa napunjenog goriva premašuje masu nenatovarenog zbog "težine" oslobođene energije. Nakon gašenja reaktora, najprije uglavnom zbog fisije odloženim neutronima, a zatim, nakon 1-2 minute, zbog β- i γ-zračenja fisionih fragmenata i transuranijskih elemenata, energija nastavlja da se oslobađa u gorivu. Ako je reaktor radio dovoljno dugo prije gašenja, onda 2 minute nakon gašenja, oslobađanje energije iznosi oko 3%, nakon 1 sata - 1%, nakon dana - 0,4%, nakon godine - 0,05% početne snage.

Omjer broja fisilnih Pu izotopa nastalih u nuklearnom reaktoru i količine od 235 U izgorjelog naziva se Stopa konverzije K K . Vrijednost K K raste sa smanjenjem obogaćivanja i sagorijevanja. Za reaktor sa teškom vodom koji radi na prirodnom uranijumu, sa sagorevanjem od 10 GW dan/t K K = 0,55, i za mala sagorevanja (u ovom slučaju K K se naziva početni koeficijent plutonijuma) K K = 0,8. Ako nuklearni reaktor gori i proizvodi iste izotope (reaktor za razmnožavanje), tada se omjer stope reprodukcije i brzine izgaranja naziva stopa reprodukcije K V. U termičkim reaktorima K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g raste i a pada.

Kontrola nuklearnog reaktora

Upravljanje nuklearnim reaktorom moguće je samo zbog činjenice da tijekom fisije dio neutrona izleti iz fragmenata sa zakašnjenjem, koje može biti od nekoliko milisekundi do nekoliko minuta.

Za upravljanje reaktorom koriste se apsorbirajuće šipke, uvedene u jezgro, napravljene od materijala koji snažno apsorbiraju neutrone (uglavnom i neke druge) i/ili otopine borne kiseline, dodane rashladnoj tekućini u određenoj koncentraciji (regulacija bora) . Kretanjem štapova upravljaju posebni mehanizmi, pogoni, koji rade na signale operatera ili opreme za automatsku kontrolu neutronskog fluksa.

U slučaju različitih hitnih situacija u svakom reaktoru, predviđen je hitni prekid lančane reakcije, koji se vrši spuštanjem svih upijajućih šipki u jezgro - sistem hitne zaštite.

Preostala toplota

Važno pitanje koje se direktno odnosi na nuklearnu sigurnost je toplota raspadanja. to specifična karakteristika nuklearnog goriva, što leži u činjenici da se nakon završetka lančane reakcije fisije i toplinske inercije uobičajene za svaki izvor energije, oslobađanje topline u reaktoru nastavlja dugo vremena, što stvara niz tehnički složenih problema.

Toplina raspada je posljedica β- i γ-raspada produkata fisije, koji su se nakupili u gorivu tokom rada reaktora. Jezgra fisionih produkata, kao rezultat raspadanja, prelaze u stabilnije ili potpuno stabilnije stanje uz oslobađanje značajne energije.

Iako brzina oslobađanja raspadne topline brzo pada na vrijednosti koje su male u usporedbi sa stacionarnim vrijednostima, u reaktorima velike snage ona je značajna u apsolutnom iznosu. Zbog toga je neophodna proizvodnja preostale toplote dugo vrijeme osigurati odvođenje topline iz jezgre reaktora nakon što se zatvori. Ovaj zadatak zahteva prisustvo rashladnih sistema sa pouzdanim napajanjem u projektu reaktorskog postrojenja, a takođe zahteva dugotrajno (3-4 godine) skladištenje istrošenog nuklearnog goriva u skladištima sa posebnim temperaturnim režimom - bazenima istrošenog goriva. , koji se obično nalaze u neposrednoj blizini reaktora.

vidi takođe

• Spisak nuklearnih reaktora projektovanih i izgrađenih u Sovjetskom Savezu

Književnost

• Levin V. E. Nuklearna fizika i nuklearni reaktori. 4th ed. - M.: Atomizdat, 1979.
• Šukoljukov A. Yu. „Uran. prirodni nuklearni reaktor. "Hemija i život" br. 6, 1980, str. 20-24

Bilješke

1. "ZEEP - Kanadski prvi nuklearni reaktor", Kanadski muzej nauke i tehnologije.
2. Grešilov A. A., Egupov N. D., Matuščenko A. M. Nuklearni štit. - M.: Logos, 2008. - 438 str. -

Sredinom dvadesetog stoljeća pažnja čovječanstva bila je usmjerena na atom i objašnjenje nuklearne reakcije naučnika, koju su u početku odlučili koristiti u vojne svrhe, izumljavajući prve nuklearne bombe u okviru projekta Manhattan. Ali 50-ih godina XX vijeka nuklearni reaktor u SSSR-u korišten je u miroljubive svrhe. Poznato je da je 27. juna 1954. godine prva svjetska nuklearna elektrana snage 5000 kW stupila u službu čovječanstva. Danas nuklearni reaktor može proizvesti električnu energiju od 4.000 MW ili više, odnosno 800 puta više nego prije pola stoljeća.

Što je nuklearni reaktor: osnovna definicija i glavne komponente jedinice

Nuklearni reaktor je posebna jedinica uz pomoć koje se proizvodi energija kao rezultat ispravnog održavanja kontrolirane nuklearne reakcije. Dozvoljena je upotreba riječi "atomski" u kombinaciji sa riječju "reaktor". Mnogi općenito smatraju da su pojmovi "nuklearni" i "atomski" sinonimi, jer ne nalaze suštinsku razliku između njih. Ali predstavnici nauke su skloni ispravnijoj kombinaciji - "nuklearni reaktor".

Zanimljivo činjenica! Nuklearne reakcije se mogu odvijati oslobađanjem ili apsorpcijom energije.

Glavne komponente u uređaju nuklearnog reaktora su sljedeći elementi:

• Moderator;
• Kontrolne šipke;
• Štapovi koji sadrže obogaćenu mješavinu izotopa urana;
• Posebni zaštitni elementi od zračenja;
• Rashladna tečnost;
• generator pare;
• Turbina;
• Generator;
• Capacitor;
• Nuklearno gorivo.

Koje su osnovne principe rada nuklearnog reaktora utvrdili fizičari i zašto su oni nepokolebljivi

Temeljni princip rada nuklearnog reaktora temelji se na karakteristikama manifestacije nuklearne reakcije. U vrijeme standardnog fizičkog lanca nuklearni procesčestica je u interakciji sa atomsko jezgro, kao rezultat toga, jezgro se pretvara u novo uz oslobađanje sekundarnih čestica, koje naučnici nazivaju gama kvanti. Tijekom nuklearne lančane reakcije oslobađa se ogromna količina toplinske energije. Prostor u kojem se odvija lančana reakcija naziva se jezgro reaktora.

Zanimljivo činjenica! Aktivna zona spolja podsjeća na kotao kroz koji teče obična voda, koja djeluje kao rashladno sredstvo.

Da bi se spriječio gubitak neutrona, područje jezgra reaktora je okruženo posebnim neutronskim reflektorom. Njegov primarni zadatak je da odbaci većinu emitovanih neutrona u jezgro. Reflektor je obično ista supstanca koja služi kao moderator.

Glavno upravljanje nuklearnim reaktorom odvija se uz pomoć posebnih upravljačkih šipki. Poznato je da se ove šipke uvode u jezgro reaktora i stvaraju sve uslove za rad bloka. Kontrolne šipke se obično prave od hemijska jedinjenja bor i kadmijum. Zašto se koriste ovi elementi? Da, sve zato što bor ili kadmijum mogu efikasno apsorbovati toplotne neutrone. I čim se planira lansiranje, prema principu rada nuklearnog reaktora, u jezgru se uvode kontrolne šipke. Njihov primarni zadatak je apsorbirati značajan dio neutrona, izazivajući na taj način razvoj lančane reakcije. Rezultat bi trebao dostići željeni nivo. Kada se snaga poveća iznad zadatog nivoa, uključuju se automatske mašine koje obavezno uranjaju kontrolne šipke duboko u jezgro reaktora.

Tako postaje jasno da upravljačke ili upravljačke šipke igraju važnu ulogu u radu termalnog nuklearnog reaktora.

A da bi se smanjilo curenje neutrona, jezgro reaktora je okruženo reflektorom neutrona koji baca značajnu masu slobodno emitovanih neutrona u jezgro. U smislu reflektora, obično se koristi ista supstanca kao i za moderator.

Prema standardu, jezgro atoma moderatorske supstance ima relativno malu masu, tako da pri sudaru sa lakim jezgrom neutron prisutan u lancu gubi više energije nego pri sudaru sa teškim. Najčešći moderatori su obična voda ili grafit.

Zanimljivo činjenica! Neutroni u procesu nuklearne reakcije su izuzetno velika brzina kretanje, pa je stoga potreban moderator koji gura neutrone da izgube dio svoje energije.

Niti jedan reaktor na svijetu ne može normalno funkcionirati bez pomoći rashladnog sredstva, jer je njegova svrha da ukloni energiju koja se stvara u srcu reaktora. Kao rashladno sredstvo, tečnost ili gasovi se nužno koriste, jer nisu u stanju da apsorbuju neutrone. Navedimo primjer rashladnog sredstva za kompaktni nuklearni reaktor - vodu, ugljen-dioksid a ponekad čak i tečni metalni natrijum.

Dakle, principi rada nuklearnog reaktora su u potpunosti zasnovani na zakonima lančane reakcije, njenog toka. Sve komponente reaktora - moderator, šipke, rashladno sredstvo, nuklearno gorivo - obavljaju svoje zadatke, uzrokujući normalan rad reaktora.

Koje se gorivo koristi za nuklearne reaktore i zašto su odabrani upravo ovi hemijski elementi

Glavno gorivo u reaktorima mogu biti izotopi uranijuma, takođe plutonijum ili torijum.

F. Joliot-Curie je još 1934. godine, posmatrajući proces fisije jezgra uranijuma, primijetio da se kao rezultat kemijske reakcije jezgro urana dijeli na fragmente-jezgre i dva ili tri slobodna neutrona. A to znači da postoji mogućnost da se slobodni neutroni pridruže drugim jezgrima urana i izazovu još jednu fisiju. I tako, kako predviđa lančana reakcija: šest do devet neutrona će se osloboditi iz tri jezgra uranijuma, i oni će se ponovo pridružiti novonastalim jezgrima. I tako u nedogled.

Važno je zapamtiti! Neutroni koji se pojavljuju tokom nuklearne fisije sposobni su da izazovu fisiju jezgara uranovog izotopa masenog broja 235, a za uništavanje jezgri izotopa uranijuma s masenim brojem 238 može doći do malo energije u proces propadanja.

Uranijum broj 235 je rijedak u prirodi. On čini samo 0,7%, ali prirodni uranijum-238 zauzima prostraniju nišu i čini 99,3%.

Unatoč tako malom udjelu uranijuma-235 u prirodi, fizičari i kemičari ga još uvijek ne mogu odbiti, jer je najefikasniji za rad nuklearnog reaktora, smanjujući troškove dobivanja energije za čovječanstvo.

Kada su se pojavili prvi nuklearni reaktori i gdje se danas koriste

Davne 1919. godine fizičari su već trijumfovali kada je Rutherford otkrio i opisao proces formiranja protona u pokretu kao rezultat sudara alfa čestica s jezgrama atoma dušika. Ovo otkriće značilo je da se jezgro izotopa dušika, kao rezultat sudara s alfa česticom, pretvorilo u jezgro izotopa kisika.

Prije nego što su se pojavili prvi nuklearni reaktori, svijet je naučio nekoliko novih zakona fizike, tumačeći sve važni aspekti nuklearna reakcija. Tako su 1934. godine F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky po prvi put ponudili društvu i krugu svjetskih naučnika teorijsku pretpostavku i bazu dokaza o mogućnosti nuklearnih reakcija. Svi eksperimenti su se odnosili na posmatranje fisije jezgra uranijuma.

Godine 1939. E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch pratili su reakciju fisije jezgri uranijuma tokom njihovog bombardiranja neutronima. Tokom istraživanja naučnici su otkrili da kada jedan ubrzani neutron uđe u jezgro uranijuma, postojeće jezgro se dijeli na dva ili tri dijela.

Lančana reakcija je praktično dokazana sredinom 20. veka. 1939. godine naučnici su uspjeli dokazati da se fisijom jednog jezgra uranijuma oslobađa oko 200 MeV energije. Ali oko 165 MeV se dodjeljuje kinetičkoj energiji jezgara fragmenata, a ostatak sa sobom nosi gama kvante. Ovo otkriće napravilo je iskorak u kvantnoj fizici.

E. Fermi nastavlja rad i istraživanja još nekoliko godina i pokreće prvi nuklearni reaktor 1942. godine u Sjedinjenim Državama. Utjelovljeni projekat nazvan je - "Čikaška gomila drva" i stavljen je na šine. Kanada je 5. septembra 1945. lansirala svoj nuklearni reaktor ZEEP. Evropski kontinent nije zaostajao, a istovremeno se gradila i instalacija F-1. A za Ruse postoji još jedan nezaboravan datum - 25. decembra 1946. godine pušten je reaktor u Moskvi pod vodstvom I. Kurchatova. To nisu bili najmoćniji nuklearni reaktori, ali je to bio početak razvoja atoma od strane čovjeka.

U miroljubive svrhe, naučni nuklearni reaktor stvoren je 1954. godine u SSSR-u. Prvi mirni brod na svijetu s nuklearnom elektranom - nuklearni ledolomac"Lenjin" - izgrađen je u Sovjetskom Savezu 1959. godine. I još jedno dostignuće naše države je nuklearni ledolomac Arktika. Ovaj površinski brod je prvi put u svijetu stigao sjeverni pol. Desilo se to 1975. godine.

Prvi prijenosni nuklearni reaktori radili su na sporim neutronima.

Gdje se koriste nuklearni reaktori i koje vrste koristi čovječanstvo

• Industrijski reaktori. Koriste se za proizvodnju energije u nuklearnim elektranama.
• Nuklearni reaktori koji djeluju kao pogoni nuklearnih podmornica.
• Eksperimentalni (prijenosni, mali) reaktori. Bez njih se ne odvija ni jedno moderno naučno iskustvo ili istraživanje.

Danas je naučni svijet naučio kako desalinizirati morsku vodu uz pomoć posebnih reaktora, kako bi se stanovništvu obezbijedila visokokvalitetna pije vodu. U Rusiji postoji mnogo nuklearnih reaktora koji rade. Dakle, prema statistikama, od 2018. godine u državi radi oko 37 blokova.

A prema klasifikaciji, oni mogu biti sljedeći:

• Istraživanja (istorijska). To uključuje stanicu F-1, koja je stvorena kao eksperimentalno mjesto za proizvodnju plutonijuma. I.V. Kurchatov je radio na F-1, nadgledao prvi fizički reaktor.
• Istraživanje (aktivno).
• Armory. Kao primer reaktora - A-1, koji je ušao u istoriju kao prvi reaktor sa hlađenjem. Prošla snaga nuklearnog reaktora je mala, ali funkcionalna.
• Energija.
• Brod. Poznato je da se na brodovima i podmornicama, po potrebi i tehničkoj izvodljivosti, koriste vodeno hlađeni ili tečno-metalni reaktori.
• Prostor. Kao primjer, nazovimo instalaciju "Yenisei". svemirski brodovi, koji dolazi u obzir ako je potrebno proizvesti dodatnu energiju, a morat će se dobiti korištenjem solarnih panela i izvora izotopa.

Dakle, tema nuklearnih reaktora je prilično proširena, stoga zahtijeva duboko proučavanje i razumijevanje zakona kvantna fizika. Ali važnost nuklearnih reaktora za elektroenergetsku industriju i privredu države već je, bez sumnje, napunjena aurom korisnosti i koristi.

Da biste razumjeli princip rada i dizajna nuklearnog reaktora, morate napraviti kratku digresiju u prošlost. Nuklearni reaktor je stoljećima oličen, iako ne u potpunosti, san čovječanstva o neiscrpnom izvoru energije. Njen prastari „roditelj“ je vatra od suvog grana, koja je nekada obasjavala i grejala svodove pećine, u kojoj su naši daleki preci našli spas od hladnoće. Kasnije su ljudi savladali ugljovodonike - ugalj, škriljce, naftu i prirodni gas.

Počela je burna, ali kratkotrajna era pare, koju je zamijenila još fantastičnija era električne energije. Gradovi su bili ispunjeni svjetlošću, a radionice zujanjem do tada nepoznatih mašina koje su pokretali elektromotori. Tada se činilo da je napredak dostigao vrhunac.

Sve se promenilo kasno XIX stoljeća, kada je francuski hemičar Antoine Henri Becquerel slučajno otkrio da su soli uranijuma radioaktivne. Nakon 2 godine, njegovi sunarodnici Pierre Curie i njegova supruga Maria Sklodowska-Curie su od njih dobili radijum i polonijum, a njihov nivo radioaktivnosti bio je milione puta veći od nivoa torijuma i uranijuma.

Palicu je preuzeo Ernest Rutherford, koji je detaljno proučavao prirodu radioaktivnih zraka. Tako je počelo doba atoma, koji je na svijet donio svoje voljeno dijete - atomski reaktor.

Prvi nuklearni reaktor

"Prvenca" je iz SAD. U decembru 1942. dao je prvu struju reaktoru, koji je dobio ime svog tvorca - jednog od najveći fizičari veka E. Fermi. Tri godine kasnije, nuklearna elektrana ZEEP zaživjela je u Kanadi. "Bronza" je pripala prvom sovjetskom reaktoru F-1, lansiranom krajem 1946. godine. I. V. Kurchatov postao je šef domaćeg nuklearnog projekta. Danas u svijetu uspješno radi više od 400 nuklearnih jedinica.

Vrste nuklearnih reaktora

Njihova glavna svrha je podržati kontroliranu nuklearnu reakciju koja proizvodi električnu energiju. Neki reaktori proizvode izotope. Ukratko, to su uređaji u čijim se dubinama neke tvari pretvaraju u druge uz oslobađanje velike količine toplinske energije. Ovo je neka vrsta "pećnice", gdje umjesto tradicionalni tipovi gorivom "sagorevaju" izotope uranijuma - U-235, U-238 i plutonijum (Pu).

Za razliku od, na primjer, automobila dizajniranog za nekoliko vrsta benzina, svaka vrsta radioaktivnog goriva ima svoj tip reaktora. Ima ih dva - na sporim (sa U-235) i brzim (sa U-238 i Pu) neutronima. Većina nuklearnih elektrana opremljena je reaktorima sa sporim neutronima. Pored nuklearnih elektrana, instalacije "rade" u istraživačkim centrima, na nuklearnim podmornicama i.

Kako je reaktor

Svi reaktori imaju približno istu shemu. Njegovo "srce" je aktivna zona. Može se otprilike uporediti s peći konvencionalne peći. Samo umjesto drva za ogrjev postoji nuklearno gorivo u obliku gorivnih elemenata s moderatorom - TVEL-i. Aktivna zona se nalazi unutar svojevrsne kapsule - reflektora neutrona. Gorivne šipke se "pere" rashladnom tečnošću - vodom. Pošto „srce” ima veoma visok nivo radioaktivnosti, okruženo je pouzdanom zaštitom od zračenja.

Operateri kontrolišu rad postrojenja uz pomoć dva kritična sistema, upravljanja lančanom reakcijom i sistema daljinskog upravljanja. Ako dođe do vanredne situacije, hitna zaštita se trenutno aktivira.

Kako reaktor radi

Atomski "plamen" je nevidljiv, jer se procesi odvijaju na nivou nuklearne fisije. U toku lančane reakcije teška jezgra se raspadaju na manje fragmente, koji u pobuđenom stanju postaju izvori neutrona i drugih subatomskih čestica. Ali proces se tu ne završava. Neutroni se nastavljaju „gnječiti“, uslijed čega se oslobađa mnogo energije, odnosno onoga za što se grade nuklearne elektrane.

Glavni zadatak osoblja je održavanje lančane reakcije uz pomoć kontrolnih šipki na stalnom, podesivom nivou. To je njena glavna razlika u odnosu na atomsku bombu, gdje je proces nuklearnog raspada nekontrolisan i odvija se brzo, u obliku snažne eksplozije.

Šta se desilo u nuklearnoj elektrani u Černobilu

Jedan od glavnih uzroka katastrofe u nuklearnoj elektrani Černobil u aprilu 1986. godine bilo je grubo kršenje pravila sigurnosti u radu u procesu redovnog održavanja 4. bloka. Tada su iz jezgre istovremeno uklonjene 203 grafitne šipke umjesto 15 propisanih propisa. Kao rezultat toga, nekontrolirana lančana reakcija koja je započela završila je toplinskom eksplozijom i potpunim uništenjem agregata.

Reaktori nove generacije

Tokom protekle decenije, Rusija je postala jedan od lidera u svetu nuklearne energije. U ovom trenutku državna korporacija Rosatom gradi nuklearne elektrane u 12 zemalja, gdje se grade 34 elektrane. Tolika potražnja je dokaz visoki nivo moderna ruska nuklearna tehnologija. Sljedeći na redu su novi reaktori 4. generacije.

"brest"

Jedan od njih je Brest, koji se razvija u sklopu projekta Breakthrough. Sad operativni sistemi reaktori otvorenog ciklusa rade na nisko obogaćenom uranijumu, ostavljajući za sobom veliku količinu istrošenog goriva koje treba odložiti uz ogromne troškove. "Brest" - reaktor na brzim neutronima jedinstven je u zatvorenom ciklusu.

U njemu istrošeno gorivo, nakon odgovarajuće obrade u reaktoru na brzim neutronima, ponovo postaje punopravno gorivo koje se može utovariti nazad u isto postrojenje.

Brest se odlikuje visokim nivoom sigurnosti. Nikada neće "eksplodirati" čak ni u najtežoj nesreći, veoma je ekonomičan i ekološki prihvatljiv, jer ponovo koristi svoj "obnovljeni" uranijum. Takođe se ne može koristiti za proizvodnju plutonijuma za oružje, što otvara najšire izglede za njegov izvoz.

VVER-1200

VVER-1200 je inovativni reaktor generacije 3+ kapaciteta 1150 MW. Zahvaljujući svojim jedinstvenim tehničkim mogućnostima, ima gotovo apsolutnu sigurnost u radu. Reaktor je opremljen pasivnim sigurnosnim sistemima u izobilju, koji će raditi čak iu nedostatku napajanja u automatskom režimu.

Jedan od njih je pasivni sistem odvođenja toplote, koji se automatski aktivira kada se reaktor potpuno isključi. U tom slučaju su predviđeni hidraulički spremnici za nuždu. S nenormalnim padom tlaka u primarnom krugu, velika količina vode koja sadrži bor se dovodi u reaktor, koji gasi nuklearnu reakciju i apsorbira neutrone.

Još jedan know-how nalazi se u donjem dijelu kontejnera - "zamka" taline. Ako ipak, kao rezultat nesreće, jezgro "procuri", "zamka" neće dozvoliti da se kontejnment uruši i spriječi ulazak radioaktivnih proizvoda u tlo.

Nuklearni reaktori imaju jedan zadatak: da razdvoje atome u kontrolisanoj reakciji i koriste oslobođenu energiju za proizvodnju električne energije. Dugi niz godina na reaktori se gledalo i kao na čudo i kao prijetnju.

Kada je prvi američki komercijalni reaktor pušten u rad u Shippingportu u Pensilvaniji 1956. godine, tehnologija je hvaljena kao elektrana budućnosti, a neki su vjerovali da će reaktori učiniti proizvodnju električne energije previše jeftinom. Sada su širom svijeta izgrađena 442 nuklearna reaktora, od kojih je otprilike četvrtina u Sjedinjenim Državama. Svijet je postao ovisan o nuklearnim reaktorima koji proizvode 14 posto električne energije. Futuristi su čak maštali o atomskim automobilima.

Kada je reaktor bloka 2 u elektrani Three Mile Island u Pensilvaniji 1979. pretrpio kvar na hlađenju i, kao rezultat, djelomično topljenje radioaktivnog goriva, topli osjećaji prema reaktorima su se radikalno promijenili. Iako je izvršena blokada uništenog reaktora i nije došlo do većeg ispuštanja radioaktivnih tvari, mnogi su reaktori počeli gledati kao previše složene i ranjive, s potencijalno katastrofalnim posljedicama. Ljudi su također postali zabrinuti zbog radioaktivnog otpada iz reaktora. Kao rezultat toga, izgradnja novih nuklearne elektrane zaustavio u Sjedinjenim Državama. Kada se 1986. godine dogodila ozbiljnija nesreća u nuklearnoj elektrani Černobil u Sovjetskom Savezu, činilo se da je nuklearna energija osuđena na propast.

No, početkom 2000-ih, nuklearni reaktori su počeli da se vraćaju, zahvaljujući rastućoj potražnji za energijom i smanjenju ponude fosilnih goriva, kao i sve većoj zabrinutosti zbog klimatskih promjena zbog emisije ugljičnog dioksida.

Ali u martu 2011. udarila je još jedna kriza - ovoga puta, Fukushima 1, nuklearna elektrana u Japanu, teško je oštećena u zemljotresu.

Upotreba nuklearne reakcije

Jednostavno rečeno, u nuklearnom reaktoru atomi se dijele i oslobađaju energiju koja drži njihove dijelove zajedno.

Ako ste zaboravili fiziku srednja škola podsetićemo vas kako nuklearna fisija radi. Atomi su poput sićušnih solarnih sistema, sa jezgrom poput Sunca i elektronima poput planeta u orbiti oko njega. Jezgro se sastoji od čestica zvanih protoni i neutroni koji su međusobno povezani. Silu koja vezuje elemente jezgra teško je i zamisliti. Mnogo je milijarde puta jača od sile gravitacije. Uprkos ovoj ogromnoj sili, moguće je razdvojiti jezgro ispaljivanjem neutrona na njega. Kada se to uradi, oslobodiće se mnogo energije. Kada se atomi raspadnu, njihove čestice se razbijaju u obližnje atome, cijepajući ih, a one, zauzvrat, sljedeće, sljedeće, sljedeće. Postoji tzv lančana reakcija.

Uranijum, element sa velikim atomima, idealan je za proces fisije, jer je sila koja vezuje čestice njegovog jezgra relativno slaba u poređenju sa drugim elementima. Nuklearni reaktori koriste specifični izotop tzv Attrčao-235 . Uran-235 je rijedak u prirodi, a ruda iz rudnika uranijuma sadrži samo oko 0,7% U-235. Zato se koriste reaktori obogaćenAttrči, koji nastaje izolacijom i koncentriranjem Uranijuma-235 kroz proces difuzije plina.

Proces lančane reakcije može se stvoriti u atomska bomba, slične onima koje su bačene na japanske gradove Hirošimu i Nagasaki tokom Drugog svetskog rata. Ali u nuklearnom reaktoru, lančana reakcija se kontrolira umetanjem kontrolnih šipki napravljenih od materijala kao što su kadmij, hafnij ili bor, koji apsorbiraju dio neutrona. Ovo i dalje omogućava procesu fisije da oslobodi dovoljno energije da zagrije vodu na oko 270 stepeni Celzijusa i pretvori je u paru, koja se koristi za okretanje turbina elektrane i proizvodnju električne energije. U principu, u ovom slučaju, kontrolirana nuklearna bomba radi umjesto uglja, stvarajući električnu energiju, osim što energija za ključanje vode dolazi od cijepanja atoma, umjesto sagorijevanja ugljika.

Komponente nuklearnog reaktora

Ima ih nekoliko razne vrste nuklearni reaktori, ali svi imaju neke Opće karakteristike. Svi oni imaju zalihe radioaktivnih peleta goriva - obično uranovog oksida - koje su raspoređene u cijevi da formiraju gorivne šipke u jezgroereaktor.

Reaktor također ima prethodno spomenuto menadžerierodi— od materijala koji apsorbira neutrone kao što je kadmijum, hafnij ili bor, koji se ubacuje da kontroliše ili zaustavi reakciju.

Reaktor takođe ima moderator, supstanca koja usporava neutrone i pomaže u kontroli procesa fisije. Većina reaktora u Sjedinjenim Državama koristi običnu vodu, ali reaktori u drugim zemljama ponekad koriste grafit, ili težakwowvodamaat, u kojem je vodonik zamijenjen deuterijumom, izotopom vodika s jednim protonom i jednim neutronom. Drugi važan dio sistema je hlađenjei jatečnostb, obično obična voda, koja apsorbira i prenosi toplinu iz reaktora kako bi stvorila paru za okretanje turbine i hladi područje reaktora tako da ne dostigne temperaturu na kojoj će se uranijum otopiti (oko 3815 stepeni Celzijusa).

Konačno, reaktor je zatvoren školjkaat, velika, teška konstrukcija, obično nekoliko metara debljine, napravljena od čelika i betona, koja zadržava radioaktivne plinove i tekućine unutra gdje ne mogu nikome naštetiti.

U upotrebi je veliki broj različitih dizajna reaktora, ali jedan od najčešćih je energetski reaktor sa vodom pod pritiskom (VVER). U takvom reaktoru voda je prisiljena u kontakt sa jezgrom i tada ostaje tamo pod takvim pritiskom da se ne može pretvoriti u paru. Ova voda tada u parogeneratoru dolazi u kontakt sa vodom koja se dovodi bez pritiska, koja se pretvara u paru koja rotira turbine. Tu je i dizajn reaktor kanalnog tipa velike snage (RBMK) sa jednim vodenim krugom i reaktor na brzim neutronima sa dva natrijumova i jednim vodenim krugom.

Koliko je bezbedan nuklearni reaktor?

Odgovor na ovo pitanje je prilično težak i zavisi od toga koga pitate i šta podrazumevate pod "sigurno". Da li ste zabrinuti zbog radijacije ili radioaktivnog otpada koji nastaje u reaktorima? Ili vas više brine mogućnost katastrofalne nesreće? Koji stepen rizika smatrate prihvatljivim kompromisom za koristi od nuklearne energije? I koliko vjerujete vladi i nuklearnoj energiji?

"Zračenje" je valjan argument, uglavnom zato što svi znamo da velike doze radijacije, poput eksplozije nuklearna bomba može ubiti hiljade ljudi.

Zagovornici nuklearne energije, međutim, ističu da smo svi redovno izloženi zračenju iz raznih izvora, uključujući kosmičke zrake i prirodno zračenje koje emituje zemlja. Prosječna godišnja doza zračenja je oko 6,2 milisiverta (mSv), polovina iz prirodnih izvora, a polovina iz izvora koje je napravio čovjek, u rasponu od rendgenskih zraka grudnog koša, detektora dima i svjetlećih brojčanika. Koliko radijacije dobijamo od nuklearnih reaktora? Samo mali dio procenta naše tipične godišnje izloženosti, 0,0001 mSv.

Dok sve nuklearne elektrane neizbježno ispuštaju male količine radijacije, regulatorne komisije drže operatere nuklearnih elektrana pod strogim propisima. Oni ne mogu izlagati ljude koji žive oko postrojenja radijaciji više od 1 mSv godišnje, a radnici u elektrani imaju prag od 50 mSv godišnje. Ovo može izgledati puno, ali prema Nuklearnoj regulatornoj komisiji, ne postoje medicinski dokazi da godišnje doze zračenja ispod 100 mSv predstavljaju bilo kakav zdravstveni rizik za ljude.

Ali važno je napomenuti da se ne slažu svi s tako samozadovoljnom procjenom rizika od zračenja. Na primjer, Liječnici za društvenu odgovornost, dugogodišnji kritičar nuklearne industrije, proučavali su djecu koja žive oko njemačkih nuklearnih elektrana. Studija je pokazala da ljudi koji žive u krugu od 5 km od elektrana imaju dvostruko veći rizik od oboljevanja od leukemije u odnosu na one koji žive dalje od nuklearne elektrane.

reaktor za nuklearni otpad

Njeni zagovornici nuklearnu energiju reklamiraju kao "čistu" energiju jer reaktor ne emituje velike količine stakleničkih plinova u atmosferu, u poređenju s elektranama na ugalj. Ali kritičari ukazuju na još jedan ekološki problem: odlaganje nuklearnog otpada. Dio otpada od istrošenog goriva iz reaktora još uvijek oslobađa radioaktivnost. Ostale nepotrebne stvari koje treba sačuvati su visokoradioaktivnog otpada, tečni ostatak od prerade istrošenog goriva, u kojem je ostao dio uranijuma. Trenutno se većina ovog otpada skladišti lokalno u nuklearnim elektranama u jezercima s vodom koja apsorbiraju dio preostale topline proizvedene od istrošenog goriva i pomažu u zaštiti radnika od izlaganja radijaciji.

Jedan od problema s istrošenim nuklearnim gorivom je taj što je ono promijenjeno tokom procesa fisije.Kada se veliki atomi uranijuma raspuknu, oni stvaraju nusproizvode - radioaktivne izotope nekoliko lakih elemenata kao što su cezij-137 i stroncij-90, tzv. fisioni proizvodi. Oni su vrući i visoko radioaktivni, ali se na kraju, u periodu od 30 godina, raspadaju u manje opasnim oblicima. Ovaj period se zove Pperiodohmpoluživot. Za ostale radioaktivne elemente, vrijeme poluraspada bit će drugačije. Osim toga, neki atomi uranijuma također hvataju neutrone, formirajući teže elemente kao što je plutonij. Ovi transuranski elementi ne stvaraju toliko topline ili prodornog zračenja kao proizvodi fisije, ali im je potrebno mnogo duže da se raspadnu. Plutonijum-239, na primjer, ima vrijeme poluraspada od 24.000 godina.

Ove radioaktivaneodlazaks visoki nivo iz reaktora su opasni za ljude i druge oblike života jer mogu osloboditi ogromne, smrtonosne doze radijacije čak i pri kratkom izlaganju. Deset godina nakon uklanjanja goriva iz reaktora, na primjer, emituju 200 puta više radioaktivnosti po satu nego što je potrebno da ubiju osobu. A ako otpad završi u podzemnim vodama ili rijekama, može ući u lanac ishrane i ugroziti veliki broj ljudi.

Budući da je otpad toliko opasan, mnogi ljudi su u teškom položaju. 60.000 tona otpada nalazi se u nuklearnim elektranama u blizini veliki gradovi. Ali vrlo je teško pronaći sigurno mjesto za skladištenje otpada.

Šta može poći po zlu s nuklearnim reaktorom?

S obzirom da se vladini regulatori osvrću na svoje iskustvo, inženjeri su proveli mnogo vremena tokom godina dizajnirajući reaktore za optimalnu sigurnost. Samo se ne kvare, rade kako treba i imaju rezervne kopije ako stvari ne idu po planu. Kao rezultat toga, iz godine u godinu, čini se da su nuklearne elektrane prilično bezbedne u poređenju sa, recimo, vazdušnim saobraćajem, koji rutinski ubija između 500 i 1.100 ljudi godišnje širom sveta.

Ipak, nuklearni reaktori preuzimaju velike kvarove. Na Međunarodnoj skali nuklearnih događaja, koja ocjenjuje nesreće na reaktorima od 1 do 7, od 1957. godine bilo je pet nesreća koje su ocijenjene od 5 do 7.

Najgora noćna mora je kvar rashladnog sistema, što dovodi do pregrijavanja goriva. Gorivo se pretvara u tečnost, a zatim sagoreva kroz kontejner, izbacujući radioaktivno zračenje. Godine 1979. blok 2 u nuklearnoj elektrani Three Mile Island (SAD) bio je na ivici ovog scenarija. Srećom, dobro dizajniran sistem zaštite bio je dovoljno jak da spriječi izlazak radijacije.

SSSR je imao manje sreće. Teška nuklearna nesreća dogodila se u aprilu 1986. na 4. bloku u nuklearnoj elektrani Černobil. Ovo je uzrokovano kombinacijom kvarova sistema, nedostataka u dizajnu i loše obučenog osoblja. Tokom rutinskog testa, reakcija se naglo povećala i kontrolne šipke su se zaglavile, sprečavajući hitno isključivanje. Iznenadno nakupljanje pare izazvalo je dvije termalne eksplozije, koje su izbacile grafitni moderator reaktora u zrak. U nedostatku bilo čega za hlađenje gorivih šipki reaktora, počele su se pregrijati i potpuno uništavati, zbog čega je gorivo poprimilo tekući oblik. Mnogi radnici stanice i likvidatori nesreće su poginuli. Veliki broj radijacija se proširila na površinu od 323.749 kvadratnih kilometara. Broj smrtnih slučajeva uzrokovanih zračenjem još uvijek je nejasan, ali Svjetska zdravstvena organizacija kaže da je to moglo uzrokovati 9.000 smrti od raka.

Graditelji nuklearnih reaktora daju garancije na osnovu vjerovatnoća procjenae u kojem pokušavaju uravnotežiti potencijalnu štetu nekog događaja sa vjerovatnoćom da se on zaista dogodi. No, neki kritičari kažu da bi se umjesto toga trebali pripremiti za rijetke, najneočekivanije, ali vrlo opasne događaje. Slučaj u tački- nesreća u martu 2011. u nuklearnoj elektrani Fukushima 1 u Japanu. Stanica je navodno dizajnirana da izdrži veliki potres, ali ne tako katastrofalan kao potres jačine 9,0 koji je podigao 14-metarski talas cunamija preko nasipa dizajniranih da izdrži talas od 5,4 metara. Nalet cunamija uništio je rezervne dizel generatore koji su trebali da napajaju sistem hlađenja šest reaktora nuklearne elektrane u slučaju nestanka struje.Tako su, čak i nakon što su upravljačke šipke reaktora Fukushima zaustavile reakciju fisije, još vruće gorivo je omogućilo temperaturu unutar uništenih reaktora.

Japanski zvaničnici su pribjegli najmanje- zalivanje reaktora ogromnom količinom morske vode uz dodatak borne kiseline, što je moglo spriječiti katastrofu, ali je uništilo reaktorsku opremu. Na kraju, uz pomoć vatrogasnih vozila i barži, Japanci su uspjeli upumpati svježu vodu u reaktore. Ali do tada je monitoring već pokazao alarmantne nivoe radijacije u okolnom zemljištu i vodi. U jednom selu udaljenom 40 km od ove nuklearne elektrane pokazalo se da je radioaktivni element cezijum-137 na mnogo većim nivoima nego nakon černobilske katastrofe, što je izazvalo sumnju u mogućnost ljudskog stanovanja u ovoj zoni.

: ... prilično banalno, ali ipak nikada nisam našao informaciju u probavljivom obliku - kako nuklearni reaktor POČINJE da radi. Sve o principu i radu uređaja je već 300 puta prožvakano i shvaćeno, ali evo kako se dobija gorivo i od čega, i zašto nije toliko opasno dok nije u reaktoru i zašto ne reaguje pre nego što bude uronjen u reaktor! - uostalom, zagrijava se samo iznutra, ipak, prije punjenja gorivne šipke su hladne i sve je u redu, tako da nije sasvim jasno zašto se elementi zagrijavaju, i tako dalje, po mogućnosti ne znanstveno).

Naravno, teško je urediti takvu temu ne „po nauci“, ali pokušaću. Hajde da prvo shvatimo šta su ovi TVEL-ovi.

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 reakciju brze fisije nalik lavini, karakterističnu za nuklearnu eksploziju, potrebna koncentracija uranijuma 235 veća od 60%.

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

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

Transformacija supstance je praćena oslobađanjem slobodne energije samo ako supstanca ima rezervu energija. Ovo posljednje znači da su mikročestice tvari u stanju s energijom mirovanja većom nego u drugom mogućem stanju, u koje postoji prijelaz. Spontanu tranziciju uvijek ometa energetska barijera, da bi se prevladala, mikročestica mora primiti određenu količinu energije izvana – energiju pobuđenja. 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 da se prevlada energetska barijera: ili zbog kinetičke energije čestica koje se sudaraju, ili zbog energije vezivanja čestice koja se približava.

Ako imamo na umu makroskopske razmjere oslobađanja energije, tada kinetičku energiju potrebnu za pobuđivanje reakcija moraju imati sve ili u početku barem neke čestice tvari. To se može postići samo povećanjem temperature medija na vrijednost pri kojoj se energija toplinskog kretanja približava vrijednosti energetskog praga koji ograničava tok procesa. U slučaju molekularnih transformacija, odnosno hemijskih reakcija, takav porast obično iznosi stotine stepeni Kelvina, dok je kod nuklearnih reakcija najmanje 107 K zbog veoma velike visine Kulombovih barijera sudarajućih jezgara. Termičko pobuđivanje nuklearnih reakcija u praksi se provodi samo u sintezi najlakših jezgara, u kojima su Kulonove barijere minimalne (termonuklearna fuzija).

Pobuđivanje česticama koje se spajaju ne zahtijeva veliku kinetičku energiju, pa stoga ne ovisi o temperaturi medija, jer nastaje zbog neiskorištenih veza svojstvenih česticama privlačnih sila. Ali s druge strane, same čestice su neophodne za pobuđivanje reakcija. A ako opet imamo na umu ne poseban čin reakcije, već proizvodnju energije u makroskopskoj skali, onda je to moguće samo kada dođe do lančane reakcije. Ovo posljednje nastaje 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 supstanci koje snažno apsorbuju neutrone, kao što su bor ili kadmijum. Dubokim uvođenjem štapova lančana reakcija postaje nemoguća, jer se neutroni snažno apsorbiraju i uklanjaju iz zone reakcije.

Šipke se pomeraju daljinski sa kontrolne table. Uz malo pomicanje šipki, lančani proces će se ili razviti ili propasti. Na ovaj način se reguliše snaga reaktora.

Lenjingradska NPP, reaktor RBMK

Start reaktora:

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

Kao što smo već spomenuli, da bi se pokrenula lančana reakcija, fisioni materijal mora formirati kritičnu masu - dovoljnu količinu spontano fisionog materijala u dovoljno malom prostoru, uslov pod kojim broj neutrona koji se oslobađaju tokom nuklearne fisije mora biti veći od broja apsorbovanih neutrona. To se može postići povećanjem sadržaja uranijuma-235 (broja napunjenih gorivnih elemenata), 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 superkritično 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 zagrijavanja, 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 jezgra. Ponekad se tokom zagrijavanja mijenja međusobni položaj jezgra i upravljačkih elemenata koji ulaze u jezgro ili izlaze iz njega, što uzrokuje efekat reaktivnosti u odsustvu aktivnog kretanja upravljačkih elemenata.

Kontrola pomoću čvrstih, pokretnih apsorberskih elemenata

U velikoj većini slučajeva koriste se čvrsti mobilni apsorberi za brzu promjenu reaktivnosti. U reaktoru RBMK kontrolne šipke sadrže čaure od bor karbida zatvorene u cijev od aluminijske legure promjera 50 ili 70 mm. Svaka upravljačka šipka se postavlja u poseban kanal i hladi vodom iz CPS kola (sistem upravljanja i zaštite) na prosječnoj temperaturi od 50°C. Prema svojoj namjeni, šipke se dijele na šipke AZ (zaštita u slučaju nužde), u RBMK 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 uvode u AZ odozdo, ostale odozgo.

Reaktor VVER 1000. 1 - CPS pogon; 2 - poklopac reaktora; 3 - posuda reaktora; 4 - blok zaštitnih cijevi (BZT); 5 - moj; 6 - pregrada jezgra; 7 - gorive sklopove (FA) i upravljačke šipke;

Upijajući elementi sagorevanja.

Zapaljivi otrovi se često koriste za kompenzaciju viška reaktivnosti nakon punjenja svježeg goriva. Princip rada je da oni, kao i gorivo, nakon hvatanja neutrona, naknadno prestaju da apsorbuju neutrone (sagorevaju). Štaviše, stopa opadanja kao rezultat apsorpcije neutrona, apsorberskih jezgara, manja je ili jednaka brzini gubitka, kao rezultat fisije, jezgri goriva. Ako u jezgru reaktora ubacimo gorivo koje je predviđeno za rad tokom godine, onda je očito da će broj fisijskih jezgri goriva na početku rada biti veći nego na kraju, a višak reaktivnosti moramo nadoknaditi postavljanjem apsorbera. u jezgru. Ako se u tu svrhu koriste kontrolne šipke, onda ih moramo stalno pomicati kako se broj jezgri goriva smanjuje. Upotreba zapaljivih otrova omogućava smanjenje upotrebe pokretnih šipki. Trenutno se zapaljivi otrovi često ugrađuju direktno u pelete za gorivo tokom njihove proizvodnje.

Regulacija reaktivnosti tekućinom.

Takva regulacija se koristi, posebno, tokom rada reaktora tipa VVER, u rashladno sredstvo se uvodi borna kiselina H3BO3 koja sadrži 10B jezgara koje apsorbiraju 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 marginu reaktivnosti na početku rada. Izuzetak su subkritični reaktori sa vanjskim izvorom toplinskih neutrona. Oslobađanje vezane reaktivnosti kako se smanjuje zbog prirodnih uzroka osigurava da se kritično stanje reaktora održava u svakom trenutku njegovog rada. Početna margina reaktivnosti se stvara izgradnjom jezgra sa dimenzijama koje su mnogo veće od kritičnih. Kako bi se spriječilo da reaktor postane superkritičan, k0 medija za razmnožavanje se istovremeno umjetno smanjuje. To se postiže uvođenjem apsorbera neutrona u jezgro, koji se naknadno mogu ukloniti iz jezgre. Kao iu elementima upravljanja lančanom reakcijom, u materijalu šipki jednog ili drugog poprečnog presjeka uključene su upijajuće tvari koje se kreću duž odgovarajućih kanala u jezgri. Ali ako je za regulaciju dovoljan jedan, dva ili više štapova, tada broj šipki može doseći stotine kako bi se kompenzirao početni višak reaktivnosti. Ove šipke se nazivaju kompenzacijskim. Regulatorne i kompenzacijske šipke nisu nužno različiti strukturni elementi. Brojni kompenzacijski štapovi mogu biti kontrolne šipke, ali funkcije oba su različite. Kontrolne šipke su dizajnirane da održavaju kritično stanje u bilo koje vrijeme, za zaustavljanje, pokretanje reaktora, prebacivanje s jednog nivoa snage na drugi. Sve ove operacije zahtijevaju male promjene u reaktivnosti. Kompenzacijske šipke se postupno izvlače iz jezgre reaktora, osiguravajući kritično stanje za cijelo vrijeme njegovog rada.

Ponekad kontrolne šipke nisu napravljene od upijajućih materijala, već od fisivnog ili raspršenog materijala. U termičkim reaktorima to su uglavnom apsorberi neutrona, dok efikasnih apsorbera brzih neutrona nema. Takvi apsorberi kao što su kadmij, hafnij i drugi snažno apsorbiraju samo toplinske neutrone zbog blizine prve rezonancije toplinskom području, a izvan potonjeg se ne razlikuju od drugih tvari po svojim apsorpcijskim svojstvima. 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. Samo bor, ako je moguće obogaćen izotopom 10B, može poslužiti kao upijajući materijal u reaktoru na brzim neutronima. 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 s njegovim prirodnim smanjenjem. Međutim, za razliku od apsorbera, takav štap se nalazi izvan jezgre na početku rada reaktora, a zatim se unosi u jezgro.

Od materijala za raspršivanje u brzim reaktorima koristi se nikl, čiji poprečni presjek za brze neutrone je nešto veći od presjeka za druge tvari. 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, svrha kontrole lančane reakcije su pokretni dijelovi neutronskih reflektora, koji pri pomicanju mijenjaju curenje neutrona iz jezgre. Upravljačke, kompenzacijske i hitne šipke, zajedno sa svom opremom koja osigurava njihov normalan rad, čine sistem upravljanja i zaštite reaktora (CPS).

Zaštita u hitnim slučajevima:

Zaštita nuklearnog reaktora u hitnim slučajevima - 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 može dovesti do nesreće. Takvi parametri mogu biti: temperatura, pritisak i brzina protoka rashladnog sredstva, nivo i brzina povećanja snage.

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

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 maksimalno projektovane nesreće (puknuće primarnog rashladnog kruga reaktora), sadržaj ovih rezervoara je gravitacijom unutar jezgre reaktora i nuklearna lančana reakcija se gasi velikom količinom supstance koja sadrži bor. koji dobro apsorbuje neutrone.

Prema "Pravilima o nuklearnoj sigurnosti reaktorskih instalacija nuklearnih elektrana", najmanje jedan od predviđenih sistema za gašenje reaktora mora obavljati funkciju zaštite od nužde (EP). Zaštita u vanrednim situacijama mora imati najmanje dvije nezavisne grupe radnih tijela. Na signal AZ, radna tijela AZ moraju se aktivirati iz bilo kojeg radnog ili međupoložaja.

AZ oprema se mora sastojati od najmanje dva nezavisna seta.

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

1. Prema gustini neutronskog fluksa - najmanje tri nezavisna kanala;
2. Prema brzini povećanja gustine neutronskog fluksa - za najmanje tri nezavisna kanala.

Svaki set AZ opreme mora biti projektovan tako da, u cijelom rasponu promjena procesnih parametara utvrđenih projektom reaktorskog postrojenja (RP), zaštita u slučaju nužde bude osigurana najmanje tri nezavisna kanala za svaki procesni parametar za koji je zaštita predviđena. neophodno.

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

Isključivanje zaštite u nuždi trebalo bi da se dogodi barem u sljedećim slučajevima:

1. Nakon postizanja AZ zadane vrijednosti u smislu gustine neutronskog fluksa.
2. Po dostizanju AZ zadane vrijednosti u smislu brzine povećanja gustine neutronskog fluksa.
3. U slučaju nestanka struje u bilo kom kompletu AZ opreme i CPS sabirnica napajanja koje nisu stavljene iz pogona.
4. U slučaju kvara bilo koja dva od tri zaštitna kanala u smislu gustine neutronskog fluksa ili u smislu brzine povećanja neutronskog fluksa u bilo kojem setu AZ opreme koja nije stavljena iz pogona.
5. Kada se dostignu AZ podešavanja po tehnološkim parametrima prema kojima je potrebno izvršiti zaštitu.
6. Prilikom pokretanja rada AZ iz ključa iz blok kontrolne točke (BCR) ili rezervne kontrolne točke (RCP).

Možda će neko moći ukratko još manje naučno objasniti kako agregat nuklearne elektrane počinje da radi? :-)

Prisjetite se teme poput Originalni članak je na web stranici InfoGlaz.rf Link na članak iz kojeg je napravljena ova kopija -