Tänään teemme lyhyen matkan ydinfysiikan maailmaan. Retken teemana on ydinreaktori. Opit kuinka se toimii, mitkä fyysiset periaatteet ovat sen toiminnan taustalla ja missä tätä laitetta käytetään.

Ydinenergian synty

Maailman ensimmäinen ydinreaktori rakennettiin vuonna 1942 Yhdysvaltoihin. voittajan johtama fyysikkojen kokeellinen ryhmä Nobel palkinto Enrico Fermi. Samaan aikaan he suorittivat itseään ylläpitävän uraanin fissioreaktion. Atomigenie on vapautettu.

Ensimmäinen Neuvostoliiton ydinreaktori käynnistettiin vuonna 1946. ja 8 vuotta myöhemmin maailman ensimmäinen ydinvoimala Obninskin kaupungissa antoi virtaa. Neuvostoliiton ydinvoimateollisuuden työn johtava tieteellinen valvoja oli erinomainen fyysikko Igor Vasilievich Kurchatov.

Sen jälkeen useat ydinreaktorien sukupolvet ovat vaihtuneet, mutta sen suunnittelun pääelementit ovat pysyneet ennallaan.

Ydinreaktorin anatomia

Tämä ydinlaitos on paksuseinäinen terässäiliö, jonka sylinterimäinen tilavuus vaihtelee muutamasta kuutiosenttimetristä useisiin kuutiometreihin.

Tämän sylinterin sisällä on pyhien pyhä - reaktorin ydin. Täällä tapahtuu ydinpolttoaineen fission ketjureaktio.

Katsotaan kuinka tämä prosessi tapahtuu.

Erityisesti raskaiden alkuaineiden ytimet Uraani-235 (U-235), pienen energian työnnön vaikutuksesta ne pystyvät hajoamaan 2 kappaleeksi, joiden massa on suunnilleen yhtä suuri. Tämän prosessin aiheuttaja on neutroni.

Fragmentit ovat useimmiten barium- ja kryptonytimiä. Jokaisessa niistä on positiivinen varaus, joten Coulombin hylkimisvoimat pakottavat ne siroamaan eri suuntiin nopeudella, joka on noin 1/30 valon nopeudesta. Nämä fragmentit ovat kolossaalin kantajia kineettinen energia.

Käytännön energian käytön kannalta on välttämätöntä, että sen vapautuminen on itseään ylläpitävää. Ketjureaktio, Tämä on sitäkin mielenkiintoisempaa, koska jokaiseen fissiotapahtumaan liittyy uusien neutronien emissio. Yhtä alkuneutronia kohti syntyy keskimäärin 2-3 uutta neutronia. Halkeavien uraaniytimien määrä kasvaa kuin lumivyöry, aiheuttaen valtavan energian vapautumisen. Jos tätä prosessia ei valvota, tapahtuu ydinräjähdys. Se tapahtuu vuonna.

Neutronien määrän säätelyyn järjestelmään tuodaan materiaaleja, jotka absorboivat neutroneja, tarjoaa tasaisen energian vapautumisen. Kadmiumia tai booria käytetään neutronien absorboijana.

Kuinka hillitä ja käyttää fragmenttien valtavaa kineettistä energiaa? Näihin tarkoituksiin käytetään jäähdytysnestettä, ts. liikkuva erityinen väliaine, jossa palaset hidastetaan ja kuumennetaan erittäin korkeisiin lämpötiloihin. Tällainen väliaine voi olla tavallinen tai raskas vesi, nestemäiset metallit (natrium) sekä jotkut kaasut. Jotta jäähdytysneste ei muutu höyrytilaan, ytimessä ylläpidetään korkeaa painetta (jopa 160 atm). Tästä syystä reaktorin seinät on valmistettu kymmenen senttimetrin erikoisteräksestä.

Jos neutronit lentävät pois ydinpolttoaineesta, ketjureaktio voi katketa. Siksi halkeamiskelpoista materiaalia on kriittinen massa, ts. sen vähimmäismassa, jolla ketjureaktio ylläpidetään. Se riippuu useista parametreista, mukaan lukien reaktorin sydäntä ympäröivän heijastimen läsnäolo. Sen tehtävänä on estää neutronien vuotaminen ympäristöön. Tämän rakenneosan yleisin materiaali on grafiitti.

Reaktorissa tapahtuviin prosesseihin liittyy aineen vapautuminen vaarallinen laji säteily - gammasäteily. Tämän vaaran minimoimiseksi se tarjoaa säteilysuojan.

Kuinka ydinreaktori toimii

Ydinpolttoaine, jota kutsutaan polttoaine-elementeiksi, sijoitetaan reaktorin sydämeen. Ne ovat halkeamiskykyisestä materiaalista valmistettuja tabletteja, jotka on pakattu ohuisiin noin 3,5 m pitkiin ja 10 mm halkaisijaltaan putkiin.

Sydämeen sijoitetaan satoja samantyyppisiä polttoainenippuja, joista tulee ketjureaktion aikana vapautuvan lämpöenergian lähteitä. Polttoainesauvoja pesevä jäähdytysaine muodostaa reaktorin ensimmäisen piirin.

Korkeisiin parametreihin lämmitettynä se pumpataan höyrygeneraattoriin, jossa se siirtää energiansa toisiopiirin veteen muuttaen sen höyryksi. Tuloksena oleva höyry pyörittää turbiinigeneraattoria. Tämän laitteen tuottama sähkö siirtyy kuluttajalle. Ja jäähdytyslammen vedellä jäähdytetty poistohöyry kondensaatin muodossa palautetaan höyrygeneraattoriin. Kierto sulkeutuu.

Tällainen ydinlaitoksen kaksipiirinen toiminta sulkee pois sydämessä tapahtuviin prosesseihin liittyvän säteilyn tunkeutumisen sen rajojen ulkopuolelle.

Reaktorissa siis tapahtuu energianmuutosketju: halkeamiskelpoisen materiaalin ydinenergia → fragmenttien kineettiseksi energiaksi → jäähdytysnesteen lämpöenergiaksi → turbiinin kineettiseksi energiaksi → ja sähköenergiaksi generaattorissa.

Väistämätön energian menetys johtaa siihen tosiasiaan Ydinvoimalaitosten hyötysuhde on suhteellisen alhainen, 33-34 %.

Ydinvoimalaitosten sähköntuotannon lisäksi ydinreaktoreita käytetään erilaisten radioaktiivisten isotooppien tuottamiseen, tutkimukseen monilla teollisuuden aloilla sekä teollisuusreaktorien sallittujen parametrien tutkimiseen. Kuljetusreaktorit, jotka tuottavat energiaa ajoneuvojen moottoreille, ovat yleistymässä.

Ydinreaktorien tyypit

Tyypillisesti ydinreaktorit toimivat uraanilla U-235. Kuitenkin sen sisältö luonnollinen materiaali erittäin pieni, vain 0,7 %. Luonnonuraanin päämassa on U-238-isotooppi. Ketjureaktion U-235:ssä voivat aiheuttaa vain hitaat neutronit, ja U-238-isotooppi halkeavat vain nopeat neutronit. Ydinfission seurauksena syntyy sekä hitaita että nopeita neutroneja. Nopeat neutronit, jotka kokevat jäähdytysnesteen (veden) hidastuvan, muuttuvat hitaiksi. Mutta U-235-isotoopin määrä luonnonuraanissa on niin pieni, että on tarpeen turvautua sen rikastamiseen, jolloin sen pitoisuus saadaan 3-5 prosenttiin. Tämä menetelmä on erittäin kallis ja taloudellisesti epäedullinen. Lisäksi tämän isotoopin luonnonvarojen ehtymisajan arvioidaan olevan vain 100-120 vuotta.

Siksi ydinteollisuudessa asteittain siirrytään nopeilla neutroneilla toimiviin reaktoreihin.

Niiden tärkein ero on, että jäähdytysaineena käytetään nestemäisiä metalleja, jotka eivät hidasta neutroneja, ja U-238:aa käytetään ydinpolttoaineena. Tämän isotoopin ytimet kulkevat ydinmuutosketjun läpi Plutonium-239:ksi, joka on alttiina ketjureaktiolle samalla tavalla kuin U-235. Toisin sanoen ydinpolttoainetta lisääntyy ja määrä ylittää sen kulutuksen.

Asiantuntijoiden mukaan Uraani-238-isotooppivarantojen pitäisi riittää 3 000 vuodeksi. Tämä aika on aivan riittävä, jotta ihmiskunnalla on tarpeeksi aikaa kehittää muita teknologioita.

Ongelmia ydinenergian käytössä

Ilmeisten etujen lisäksi ydinvoima, ydinlaitosten toimintaan liittyvien ongelmien laajuutta ei voida aliarvioida.

Ensimmäinen näistä on radioaktiivisen jätteen ja purettujen laitteiden loppusijoitus ydinenergia. Näillä alkuaineilla on aktiivinen säteilytausta, joka säilyy pitkään. Näiden jätteiden hävittämiseen käytetään erityisiä lyijysäiliöitä. Ne on tarkoitus haudata ikirouta-alueille jopa 600 metrin syvyyteen. Siksi työtä tehdään jatkuvasti löytääkseen tapa käsitellä radioaktiivista jätettä, jonka pitäisi ratkaista loppusijoitusongelma ja auttaa säilyttämään planeettamme ekologia.

Toinen suuri ongelma on turvallisuuden varmistaminen ydinvoimalaitoksen käytön aikana. Tšernobylin kaltaiset suuronnettomuudet voivat viedä monia ihmishenkiä ja sulkea laajoja alueita käytöstä.

Japanin ydinvoimalaitoksen "Fukushima-1" onnettomuus vahvisti vain mahdollisen vaaran, joka ilmenee ydinlaitosten hätätilanteessa.

Ydinenergian mahdollisuudet ovat kuitenkin niin suuret, että ekologisia ongelmia häipyä taustalle.

Nykyään ihmiskunnalla ei ole muuta tapaa tyydyttää jatkuvasti kasvavaa energiannälkää. Tulevaisuuden ydinvoimateollisuuden perustana ovat luultavasti "nopeat" reaktorit, joiden tehtävänä on jalostaa ydinpolttoainetta.

Jos tästä viestistä oli sinulle hyötyä, olisin iloinen nähdessäni sinut

Tavalliselle ihmiselle nykyaikaiset korkean teknologian laitteet ovat niin salaperäisiä ja salaperäisiä, että niitä on aivan oikein palvoa, kuten muinaiset palvoivat salamaa. Koulun fysiikan tunnit, jotka ovat täynnä matemaattisia laskelmia, eivät ratkaise ongelmaa. Mutta siitä on jopa mielenkiintoista kertoa atomireaktori, jonka periaate on selvä teini-ikäisellekin.

Miten ydinreaktori toimii?

Tämän korkean teknologian laitteen toimintaperiaate on seuraava:

1. Kun neutroni absorboituu, ydinpolttoaine (useimmiten tämä uraani-235 tai plutonium-239) tapahtuu atomiytimen jakautuminen;
2. Kineettistä energiaa, gammasäteilyä ja vapaita neutroneja vapautuu;
3. Kineettinen energia muuttuu lämpöenergiaksi (kun ytimet törmäävät ympäröivien atomien kanssa), gammasäteily absorboituu itse reaktoriin ja muuttuu myös lämmöksi;
4. Polttoaineatomit absorboivat osan syntyneistä neutroneista, mikä aiheuttaa ketjureaktion. Sen hallitsemiseksi käytetään neutroniabsorboijia ja hidastajia;
5. Jäähdytysnesteen (vesi, kaasu tai nestemäinen natrium) avulla lämpö poistetaan reaktiopaikasta;
6. Kuumennetusta vedestä saatavaa paineistettua höyryä käytetään höyryturbiinien käyttämiseen;
7. Generaattorin avulla turbiinien pyörimisen mekaaninen energia muunnetaan vaihtosähkövirraksi.

Luokittelun lähestymistavat

Reaktoreiden typologialle voi olla monia syitä:

• Ydinreaktion tyypin mukaan. Fissio (kaikki kaupalliset laitokset) tai fuusio (lämpöydinvoima, on yleistä vain joissakin tutkimuslaitoksissa);
• Jäähdytysnesteen avulla. Useimmissa tapauksissa tähän tarkoitukseen käytetään vettä (kiehuvaa tai raskasta). Joskus käytetään vaihtoehtoisia ratkaisuja: nestemäinen metalli (natrium, lyijy-vismutti, elohopea), kaasu (helium, hiilidioksidi tai typpi), sula suola (fluoridisuolat);
• Sukupolven mukaan. Ensimmäinen on varhaiset prototyypit, joilla ei ollut kaupallista järkeä. Toinen on suurin osa tällä hetkellä käytössä olevista ydinvoimaloista, jotka on rakennettu ennen vuotta 1996. Kolmas sukupolvi eroaa edellisestä vain pienin parannuksin. Neljännen sukupolven työ on edelleen käynnissä;
• Kokonaistilan mukaan polttoaine (kaasua on edelleen vain paperilla);
• Käyttötarkoituksen mukaan(sähkön tuotantoon, moottorin käynnistämiseen, vedyn tuotantoon, suolanpoistoon, alkuaineiden transmutaatioon, hermosäteilyn saamiseen, teoreettisiin ja tutkimustarkoituksiin).

Ydinreaktorilaite

Useimpien voimalaitosten reaktorien pääkomponentit ovat:

1. Ydinpolttoaine - aine, jota tarvitaan lämmön tuottamiseen voimaturbiineja varten (yleensä vähän rikastettu uraani);
2. Ydinreaktorin aktiivinen vyöhyke - tämä on paikka ydinreaktio;
3. Neutronimoderaattori - vähentää nopeiden neutronien nopeutta muuttamalla ne lämpöneutroneiksi;
4. Käynnistysneutronilähde - käytetään luotettavaan ja vakaaseen ydinreaktion käynnistämiseen;
5. Neutroniabsorberi - saatavilla joissakin voimalaitoksissa tuoreen polttoaineen korkean reaktiivisuuden vähentämiseksi;
6. Neutronihaupitsi - käytetään reaktion käynnistämiseen uudelleen sammutuksen jälkeen;
7. Jäähdytysneste (puhdistettu vesi);
8. Säätösauvat - uraanin tai plutoniumytimien fissionopeuden säätelyyn;
9. Vesipumppu - pumppaa vettä höyrykattilaan;
10. Höyryturbiini - muuntaa höyryn lämpöenergian pyörimismekaaniseksi energiaksi;
11. Jäähdytystorni - laite ylimääräisen lämmön poistamiseksi ilmakehään;
12. Radioaktiivisen jätteen vastaanotto- ja varastointijärjestelmä;
13. Turvajärjestelmät (hätädieselgeneraattorit, sydämen hätäjäähdytyslaitteet).

Kuinka uusimmat mallit toimivat

Uusin 4. sukupolvi reaktoreita on saatavilla kaupalliseen käyttöön aikaisintaan vuonna 2030. Tällä hetkellä heidän työnsä periaate ja järjestely ovat kehitysvaiheessa. Tämänhetkisten tietojen mukaan nämä muutokset eroavat olemassa olevista malleista sellaisissa etuja:

• Nopea kaasujäähdytysjärjestelmä. Oletetaan, että heliumia käytetään jäähdytysnesteenä. Mukaan projektin dokumentaatio Näin ollen on mahdollista jäähdyttää reaktoreita, joiden lämpötila on 850 °C. Tällaisissa korkeissa lämpötiloissa työskentelyyn tarvitaan myös erityisiä raaka-aineita: keraamiset komposiittimateriaalit ja aktinidiyhdisteet;
• Ensisijaisena jäähdytysnesteenä on mahdollista käyttää lyijyä tai lyijy-vismutti-seosta. Näillä materiaaleilla on alhainen neutroniabsorptio ja suhteellisen alhainen sulamispiste;
• Pääjäähdytysaineena voidaan käyttää myös sulaneiden suolojen seosta. Siten on mahdollista työskennellä korkeammissa lämpötiloissa kuin nykyaikaiset vesijäähdytteiset vastineet.

Luonnolliset analogit luonnossa

Ydinreaktori nähdään julkisuudessa vain korkean teknologian tuotteena. Itse asiassa kuitenkin ensimmäinen laite on luonnollista alkuperää. Se löydettiin Oklon alueelta, Keski-Afrikan Gabonin osavaltiosta:

• Reaktori syntyi pohjaveden uraanikivien tulvimisen seurauksena. He toimivat neutronien hidastajina;
• Uraanin hajoamisen aikana vapautuva lämpöenergia muuttaa veden höyryksi ja ketjureaktio pysähtyy;
• Kun jäähdytysnesteen lämpötila laskee, kaikki toistuu uudelleen;
• Jos neste ei olisi kiehunut ja pysäyttänyt reaktion kulkua, ihmiskunta olisi kohdannut uuden luonnonkatastrofin;
• Itseään ylläpitävä ydinfissio alkoi tässä reaktorissa noin puolitoista miljardia vuotta sitten. Tänä aikana lähtötehoa oli varattu noin 0,1 miljoonaa wattia;
• Tällainen maailmanihme maan päällä on ainoa tunnettu. Uusien ilmaantuminen on mahdotonta: uraani-235:n osuus luonnollisista raaka-aineista on paljon pienempi kuin ketjureaktion ylläpitämiseen tarvittava taso.

Kuinka monta ydinreaktoria Etelä-Koreassa on?

Luonnonvaroiltaan köyhä, mutta teollistunut ja ylikansoitettu Korean tasavalta tarvitsee kipeästi energiaa. Taustalla Saksan kieltäytyminen rauhanomaisesta atomista, tämä maa makaa suuria toiveita ydinteknologian hillitsemiseksi:

• Suunnitelmien mukaan vuoteen 2035 mennessä ydinvoimaloiden tuottaman sähkön osuus nousee 60 prosenttiin ja kokonaistuotannon - yli 40 gigawattia;
• Maalla ei ole atomiaseita, mutta ydinfysiikan tutkimus on käynnissä. Korealaiset tutkijat ovat kehittäneet suunnitelmia nykyaikaisille reaktoreille: modulaarinen, vety, nestemäinen metalli jne.;
• Paikallisten tutkijoiden menestys mahdollistaa teknologian myynnin ulkomaille. Seuraavien 15-20 vuoden aikana maan odotetaan vievän 80 tällaista yksikköä;
• Mutta tähän päivään mennessä suurin osa ydinvoimaloista on rakennettu amerikkalaisten tai ranskalaisten tutkijoiden avulla;
• Käyttöasemien määrä on suhteellisen pieni (vain neljä), mutta jokaisessa niistä on huomattava määrä reaktoreita - yhteensä 40, ja tämä luku tulee kasvamaan.

Neutroneilla pommitettuna ydinpolttoaine joutuu ketjureaktioon, jonka seurauksena syntyy valtava määrä lämpöä. Järjestelmässä oleva vesi ottaa tämän lämmön ja muuttaa sen höyryksi, joka muuttaa sähköä tuottavat turbiinit. Tässä on yksinkertainen kaavio atomireaktorin toiminnasta, joka on maan tehokkain energialähde.

Video: kuinka ydinreaktorit toimivat

Tällä videolla ydinfyysikko Vladimir Chaikin kertoo, kuinka sähköä tuotetaan ydinreaktoreissa, niiden yksityiskohtaisen rakenteen:

Fission ketjureaktioon liittyy aina valtavan energian vapautuminen. Tämän energian käyttö käytännössä on ydinreaktorin päätehtävä.

Ydinreaktori on laite, jossa tapahtuu kontrolloitu tai kontrolloitu ydinfissioreaktio.

Toimintaperiaatteen mukaan ydinreaktorit jaetaan kahteen ryhmään: lämpöneutronireaktorit ja nopeat neutronireaktorit.

Kuinka lämpöneutroniydinreaktori toimii?

Tyypillisessä ydinreaktorissa on:

• Ydin ja moderaattori;
• Neutroni heijastin;
• Jäähdytysneste;
• Ketjureaktion valvontajärjestelmä, hätäsuojaus;
• Valvonta- ja säteilysuojelujärjestelmä;
• Kaukosäädinjärjestelmä.

1 - aktiivinen vyöhyke; 2 - heijastin; 3 - suojaus; 4 - ohjaussauvat; 5 - jäähdytysneste; 6 - pumput; 7 - lämmönvaihdin; 8 - turbiini; 9 - generaattori; 10 - kondensaattori.

Ydin ja moderaattori

Hallittu fissioketjureaktio tapahtuu ytimessä.

Useimmat ydinreaktorit toimivat uraani-235:n raskailla isotoopeilla. Mutta uraanimalmin luonnollisissa näytteissä sen pitoisuus on vain 0,72%. Tämä pitoisuus ei riitä ketjureaktion kehittymiseen. Siksi malmi on keinotekoisesti rikastettu, jolloin tämän isotoopin pitoisuus on 3%.

Pellettien muodossa oleva halkeamiskelpoinen materiaali tai ydinpolttoaine sijoitetaan ilmatiiviisti suljettuihin tankoihin, joita kutsutaan TVEL:iksi (polttoaine-elementit). Ne läpäisevät koko aktiivisen vyöhykkeen täynnä moderaattori neutroneja.

Miksi ydinreaktoriin tarvitaan neutronihidastaja?

Tosiasia on, että uraani-235-ytimien hajoamisen jälkeen syntyneillä neutroneilla on erittäin suuri nopeus. Todennäköisyys, että ne sieppaavat muut uraaniytimet, on satoja kertoja pienempi kuin hitaiden neutronien sieppaamisen todennäköisyys. Ja jos et vähennä niiden nopeutta, ydinreaktio voi hiipua ajan myötä. Moderaattori ratkaisee neutronien nopeuden vähentämisen ongelman. Jos vesi tai grafiitti sijoitetaan nopeiden neutronien tielle, voidaan niiden nopeutta vähentää keinotekoisesti ja siten lisätä atomien sieppaamien hiukkasten määrää. Samalla tarvitaan pienempi määrä ydinpolttoainetta ketjureaktioon reaktorissa.

Hidastusprosessin seurauksena lämpöneutroneja, jonka nopeus on melkein sama kuin nopeus lämpöliikettä kaasumolekyylejä huoneenlämpötilassa.

Hidastimena ydinreaktoreissa käytetään vettä, raskasta vettä (deuteriumoksidi D 2 O), berylliumia ja grafiittia. Mutta paras moderaattori on raskas vesi D 2 O.

Neutroniheijastin

Neutronien vuotamisen välttämiseksi ympäristöön ydinreaktorin sydäntä ympäröi neutroniheijastin. Heijastimien materiaalina käytetään usein samoja aineita kuin moderaattoreissa.

jäähdytysnestettä

Ydinreaktion aikana vapautuva lämpö poistetaan jäähdytysnesteellä. Jäähdytysaineena ydinreaktoreissa käytetään usein tavallista luonnonvettä, joka on aiemmin puhdistettu erilaisista epäpuhtauksista ja kaasuista. Mutta koska vesi kiehuu jo lämpötilassa 100 0 C ja paineessa 1 atm, kiehumispisteen nostamiseksi primäärijäähdytyspiirin painetta nostetaan. Reaktorisydämen läpi kiertävä primääripiirin vesi pesee polttoaine-elementit samalla kuumentaen 320 0 C lämpötilaan. Edelleen lämmönvaihtimen sisällä se luovuttaa lämpöä toisen piirin veteen. Vaihto kulkee lämmönvaihtoputkien läpi, joten se ei ole kosketuksissa toisiopiirin veteen. Tämä sulkee pois radioaktiivisten aineiden pääsyn lämmönvaihtimen toiseen piiriin.

Ja sitten kaikki tapahtuu kuin lämpövoimalaitoksessa. Toisessa piirissä oleva vesi muuttuu höyryksi. Höyry kääntää turbiinin, joka käyttää generaattoria, joka tuottaa sähköä.

Raskasvesireaktoreissa jäähdytysaine on raskasta vettä D 2 O, ja reaktoreissa, joissa on nestemäisiä metallijäähdytysaineita, se on sulaa metallia.

Ketjureaktion ohjausjärjestelmä

Reaktorin nykytilaa kuvaa ns reaktiivisuus.

ρ = ( k-1)/ k ,

k = n i / n i -1 ,

Missä k on neutronien kerroin,

n i on seuraavan sukupolven neutronien lukumäärä ydinfissioreaktiossa,

n i -1 , on edellisen sukupolven neutronien lukumäärä samassa reaktiossa.

Jos k ˃ 1 , ketjureaktio muodostuu, järjestelmää kutsutaan ylikriittinen th. Jos k< 1 , ketjureaktio hajoaa ja systeemiä kutsutaan alikriittinen. klo k = 1 reaktori on sisällä vakaa kriittinen tila, koska halkeavien ytimien määrä ei muutu. Tässä tilassa reaktiivisuus ρ = 0 .

Reaktorin kriittinen tila (ydinreaktorissa vaadittava neutronien kerroin) ylläpidetään siirtämällä ohjaussauvat. Materiaali, josta ne on valmistettu, sisältää aineita, jotka absorboivat neutroneja. Näiden sauvojen työntäminen tai työntäminen ytimeen ohjaa ydinfissioreaktion nopeutta.

Ohjausjärjestelmä ohjaa reaktoria sen käynnistyksen, suunnitellun sammutuksen, tehokäytön aikana sekä ydinreaktorin hätäsuojauksen. Tämä saavutetaan muuttamalla säätösauvojen asentoa.

Jos jokin reaktorin parametreista (lämpötila, paine, tehonsiirtonopeus, polttoaineenkulutus jne.) poikkeaa normista ja tämä voi johtaa onnettomuuteen, hätäsauvat ja ydinreaktio lakkaa nopeasti.

Varmista, että reaktorin parametrit ovat standardien mukaiset, valvo valvonta- ja säteilysuojelujärjestelmät.

Vartijaksi ympäristöön radioaktiivisesta säteilystä reaktori sijoitetaan paksuun betonikoteloon.

Kaukosäädinjärjestelmät

Kaikki signaalit ydinreaktorin tilasta (jäähdytysnesteen lämpötila, säteilytaso in eri osat reaktori jne.) lähetetään reaktorin ohjauspaneeliin ja käsitellään tietokonejärjestelmissä. Operaattori saa kaikki tarvittavat tiedot ja suositukset tiettyjen poikkeamien poistamiseksi.

Nopeat neutronireaktorit

Ero tämän tyyppisten reaktorien ja lämpöneutronireaktorien välillä on se, että uraani-235:n hajoamisen jälkeen syntyviä nopeita neutroneja ei hidastu, vaan uraani-238 absorboi ne, jolloin se muuttuu myöhemmin plutonium-239:ksi. Siksi nopeita neutronireaktoreita käytetään tuottamaan aselaatuista plutonium-239:ää ja lämpöenergiaa, joka muunnetaan sähköenergiaksi ydinvoimalaitosten generaattoreissa.

Tällaisten reaktorien ydinpolttoaine on uraani-238 ja raaka-aine uraani-235.

Luonnollisessa uraanimalmia 99,2745 % on uraani-238:aa. Kun lämpöneutroni absorboituu, se ei fissio, vaan siitä tulee uraani-239:n isotooppi.

Jonkin aikaa β-hajoamisen jälkeen uraani-239 muuttuu neptunium-239:n ytimeksi:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Toisen β-hajoamisen jälkeen muodostuu halkeavaa plutonium-239:ää:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

Ja lopuksi, plutonium-239-ytimen alfahajoamisen jälkeen saadaan uraani-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Polttoaineelementit raaka-aineineen (rikastettu uraani-235) sijaitsevat reaktorin sydämessä. Tätä vyöhykettä ympäröi lisääntymisvyöhyke, joka on polttoainesauvoja, joissa on polttoainetta (köyhdytetty uraani-238). Nopeat neutronit, jotka vapautuvat ytimestä uraani-235:n hajoamisen jälkeen, vangitaan uraani-238-ytimiin. Tuloksena on plutonium-239. Näin uutta ydinpolttoainetta tuotetaan nopeissa neutronireaktoreissa.

Nestemäisiä metalleja tai niiden seoksia käytetään jäähdytysaineina nopeiden neutronien ydinreaktoreissa.

Ydinreaktorien luokittelu ja sovellus

Ydinreaktoreita käytetään pääasiassa ydinvoimaloita. Niiden avulla saadaan sähkö- ja lämpöenergiaa teollisessa mittakaavassa. Tällaisia ​​reaktoreita kutsutaan energiaa .

Ydinreaktoreita käytetään laajalti nykyaikaisten ydinsukellusveneiden, pinta-alusten, avaruusteknologiaa. Ne syöttävät sähköenergiaa moottoreille ja niitä kutsutaan kuljetusreaktorit .

varten tieteellinen tutkimus ydinfysiikan ja säteilykemian alalla he käyttävät neutronivirtoja, gamma-kvantteja, jotka saadaan ytimessä tutkimusreaktorit. Niiden tuottama energia ei ylitä 100 MW, eikä sitä käytetä teollisiin tarkoituksiin.

Tehoa kokeelliset reaktorit Jopa vähemmän. Se saavuttaa vain muutaman kW:n arvon. Näitä reaktoreita käytetään tutkimaan erilaisia fyysisiä määriä, jonka merkitys on tärkeä ydinreaktioiden suunnittelussa.

TO teollisuusreaktorit reaktoreita, jotka tuottavat radioaktiivisia isotooppeja, joita käytetään lääketieteellisiin tarkoituksiin sekä eri teollisuuden ja tekniikan aloilla. Meriveden suolanpoistoreaktorit ovat myös teollisuusreaktoreita.

Ydinvoima on moderni ja nopeasti kehittyvä tapa tuottaa sähköä. Tiedätkö miten ydinvoimalat on järjestetty? Mikä on ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate? Millaisia ​​ydinreaktoreita on nykyään olemassa? Yritämme pohtia yksityiskohtaisesti ydinvoimalaitoksen toimintasuunnitelmaa, syventyä ydinreaktorin rakenteeseen ja selvittää, kuinka turvallinen atomimenetelmä sähkön tuottamiseksi on.

Mikä tahansa asema on suljettu alue kaukana asuinalueesta. Sen alueella on useita rakennuksia. Tärkein rakennus on reaktorirakennus, sen vieressä on turbiinihalli, josta reaktoria ohjataan, sekä turvallisuusrakennus.

Järjestelmä on mahdoton ilman ydinreaktoria. Atomi (ydin)reaktori on ydinvoimalaitoksen laite, joka on suunniteltu järjestämään neutronifission ketjureaktio pakollisella energian vapautumisella tässä prosessissa. Mutta mikä on ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate?

Koko reaktorilaitos sijoitetaan reaktorirakennukseen, isoon betonitorniin, joka piilottaa reaktorin ja sisältää onnettomuuden sattuessa kaikki ydinreaktion tuotteet. Tätä suurta tornia kutsutaan suojarakennukseksi, hermeettiseksi kuoreksi tai suojarakennukseksi.

Uusien reaktoreiden suojavyöhykkeellä on 2 paksua betoniseinämää - vaippaa.
80 cm paksu ulkokuori suojaa suojarakennusta ulkoisilta vaikutuksilta.

Sisäkuoressa, jonka paksuus on 1 metri 20 cm, laitteessa on erikoisteräskaapelit, jotka lisäävät betonin lujuutta lähes kolme kertaa eivätkä anna rakenteen murentua. Sisäpuolelta se on vuorattu ohut levy erikoisteräs, joka on suunniteltu toimimaan suojarakennuksen lisäsuojana ja onnettomuuden sattuessa olemaan vapauttamatta reaktorin sisältöä suojarakennuksen ulkopuolelle.

Tällainen ydinvoimalan laite kestää jopa 200 tonnia painavan lentokoneen putoamisen, 8 magnitudin maanjäristyksen, tornadon ja tsunamin.

Ensimmäinen paineistettu kotelo rakennettiin amerikkalaiselle Connecticut Yankee -ydinvoimalaitokselle vuonna 1968.

Suoja-alueen kokonaiskorkeus on 50-60 metriä.

Mistä ydinreaktori on tehty?

Ydinreaktorin toimintaperiaatteen ja siten ydinvoimalaitoksen toimintaperiaatteen ymmärtämiseksi sinun on ymmärrettävä reaktorin komponentit.

• aktiivinen vyöhyke. Tämä on alue, johon ydinpolttoaine (lämmönvapautin) ja moderaattori sijoitetaan. Polttoaineen atomit (useimmiten uraani on polttoaine) suorittavat fissioketjureaktion. Moderaattori on suunniteltu hallitsemaan fissioprosessia, ja sen avulla voit suorittaa vaaditun reaktion nopeuden ja voimakkuuden suhteen.
• Neutroniheijastin. Heijastin ympäröi aktiivista aluetta. Se koostuu samasta materiaalista kuin moderaattori. Itse asiassa tämä on laatikko, jonka päätarkoituksena on estää neutronien poistuminen ytimestä ja pääsy ympäristöön.
• Jäähdytysneste. Jäähdytysnesteen tulee imeä polttoaineatomien fissiossa vapautunut lämpö ja siirtää se muihin aineisiin. Jäähdytysneste määrää suurelta osin sen, miten ydinvoimala suunnitellaan. Nykyään suosituin jäähdytysneste on vesi.
  Reaktorin ohjausjärjestelmä. Anturit ja mekanismit, jotka saavat ydinvoimalaitoksen reaktorin toimintaan.

Polttoaine ydinvoimaloihin

Mitä ydinvoimalaitos tekee? Ydinvoimalaitosten polttoaineet ovat kemiallisia alkuaineita, joilla on radioaktiivisia ominaisuuksia. Kaikissa ydinvoimalaitoksissa uraani on tällainen alkuaine.

Asemien suunnittelu tarkoittaa, että ydinvoimalaitokset toimivat monimutkaisella komposiittipolttoaineella, eivät puhtaalla kemiallisella alkuaineella. Ja uraanipolttoaineen uuttamiseksi luonnonuraanista, joka ladataan ydinreaktoriin, sinun on suoritettava paljon manipulaatioita.

Rikastettu uraani

Uraani koostuu kahdesta isotoopista, eli se sisältää ytimiä eri paino. Ne nimettiin protonien ja neutronien lukumäärän mukaan isotooppi -235 ja isotooppi-238. 1900-luvun tutkijat alkoivat erottaa uraani 235 malmista, koska. se oli helpompi hajottaa ja muuttaa. Kävi ilmi, että tällaista uraania on luonnossa vain 0,7 % (loput prosenttiosuudet menivät 238. isotooppiin).

Mitä tehdä tässä tapauksessa? He päättivät rikastaa uraania. Uraanin rikastaminen on prosessi, jossa siinä on paljon tarpeellisia 235x isotooppeja ja vähän tarpeettomia 238x isotooppeja jäljellä. Uraanin rikastajien tehtävänä on valmistaa lähes 100 % uraani-235 0,7 %:sta.

Uraania voidaan rikastaa käyttämällä kahta tekniikkaa - kaasudiffuusiota tai kaasusentrifugia. Niiden käyttöä varten malmista uutettu uraani muunnetaan kaasumaiseen tilaan. Kaasun muodossa se on rikastettu.

uraanijauhetta

Rikastettu uraanikaasu muunnetaan kiinteäksi olomuodoksi - uraanidioksidiksi. Tämä puhdas kiinteä uraani 235 näyttää suurilta valkoisilta kiteiltä, ​​jotka myöhemmin murskataan uraanijauheeksi.

Uraani tabletit

Uraanipelletit ovat umpimetallisia aluslevyjä, joiden pituus on pari senttimetriä. Tällaisten tablettien muovaamiseksi uraanijauheesta se sekoitetaan aineen - pehmittimen kanssa, se parantaa tablettien puristuksen laatua.

Puristettuja aluslevyjä paistetaan 1200 celsiusasteen lämpötilassa yli vuorokauden, jotta tabletit ovat erityisen vahvoja ja kestäviä korkeita lämpötiloja vastaan. Ydinvoimalaitoksen toimintatapa riippuu suoraan siitä, kuinka hyvin uraanipolttoaine puristetaan ja paistetaan.

Tabletit paistetaan molybdeenilaatikoissa, koska. vain tämä metalli ei pysty sulamaan "helvetissä" yli puolentoista tuhannen asteen lämpötiloissa. Sen jälkeen ydinvoimalaitosten uraanipolttoaine katsotaan valmiiksi.

Mikä on TVEL ja TVS?

Reaktorin sydän näyttää valtavalta levyltä tai putkelta, jonka seinissä on reikiä (reaktorin tyypistä riippuen), 5 kertaa suurempi kuin ihmiskeho. Nämä reiät sisältävät uraanipolttoainetta, jonka atomit suorittavat halutun reaktion.

On mahdotonta yksinkertaisesti heittää polttoainetta reaktoriin, jos ei halua saada koko aseman räjähdystä ja onnettomuutta, jonka seuraukset ovat parille lähivaltiolle. Siksi uraanipolttoaine sijoitetaan polttoainesauvoihin ja kerätään sitten polttoainenippuihin. Mitä nämä lyhenteet tarkoittavat?

• TVEL - polttoaine-elementti (ei pidä sekoittaa samalla nimellä venäläinen yritys, joka valmistaa niitä). Itse asiassa tämä on ohut ja pitkä zirkoniumseoksia valmistettu zirkoniumputki, johon laitetaan uraanipellettejä. Polttoainesauvoissa uraaniatomit alkavat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa vapauttaen lämpöä reaktion aikana.

Zirkonium valittiin materiaaliksi polttoainesauvojen valmistukseen sen tulenkestävyyden ja korroosionesto-ominaisuuksien vuoksi.

Polttoaine-elementtien tyyppi riippuu reaktorin tyypistä ja rakenteesta. Polttoainesauvojen rakenne ja käyttötarkoitus eivät pääsääntöisesti muutu, putken pituus ja leveys voivat olla erilaisia.

Kone lataa yli 200 uraanipellettiä yhteen zirkoniumputkeen. Kaikkiaan reaktorissa työskentelee samanaikaisesti noin 10 miljoonaa uraanipellettiä.
FA - polttoainenippu. Ydinvoimalaitoksen työntekijät kutsuvat polttoainenippuja nipuiksi.

Itse asiassa nämä ovat useita yhteen kiinnitettyjä TVEL:itä. Polttoaineniput ovat valmista ydinpolttoainetta, jolla ydinvoimalaitos toimii. Se on polttoainenippuja, jotka ladataan ydinreaktoriin. Yhdessä reaktorissa on noin 150 - 400 polttoainenippua.
Riippuen siitä, missä reaktorissa polttoainenippu toimii, ne ovat erilaisia ​​muotoja. Joskus niput taitetaan kuutioiksi, joskus lieriömäisiksi, joskus kuusikulmioiksi.

Yksi polttoainenippu neljän käyttövuoden aikana tuottaa saman määrän energiaa kuin poltettaessa 670 hiiliautoa, 730 säiliötä maakaasu tai 900 säiliötä täynnä öljyä.
Nykyään polttoainenippuja valmistetaan pääasiassa Venäjän, Ranskan, Yhdysvaltojen ja Japanin tehtailla.

Ydinvoimalaitosten polttoaineen toimittamiseksi muihin maihin polttoainenippuja suljetaan pitkiä ja leveitä metalliputket, ilma pumpataan ulos putkista ja toimitetaan rahtikoneisiin erikoiskoneilla.

Ydinvoimalaitosten ydinpolttoaine painaa kohtuuttoman paljon, tk. uraani on yksi planeetan raskaimmista metalleista. Sen ominaispaino on 2,5 kertaa teräksen ominaispaino.

Ydinvoimalaitos: toimintaperiaate

Mikä on ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate? Ydinvoimalaitosten toimintaperiaate perustuu radioaktiivisen aineen - uraanin - atomien fission ketjureaktioon. Tämä reaktio tapahtuu ydinreaktorin sydämessä.

ON TÄRKEÄÄ TIETÄÄ:

Jos et mene ydinfysiikan monimutkaisuuteen, ydinvoimalan toimintaperiaate näyttää tältä:
Ydinreaktorin käynnistyksen jälkeen polttoainesauvoista poistetaan absorboivat sauvat, jotka estävät uraanin reagoimasta.

Heti kun sauvat poistetaan, uraanineutronit alkavat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.

Kun neutronit törmäävät, tapahtuu miniräjähdys atomitasolla, energiaa vapautuu ja uusia neutroneja syntyy, ketjureaktio alkaa tapahtua. Tämä prosessi vapauttaa lämpöä.

Lämpö siirtyy jäähdytysnesteeseen. Jäähdytysnesteen tyypistä riippuen se muuttuu höyryksi tai kaasuksi, joka pyörittää turbiinia.

Turbiini käyttää sähkögeneraattoria. Hän itse asiassa tuottaa sähköä.

Jos prosessia ei seurata, uraanineutronit voivat törmätä toisiinsa, kunnes reaktori räjäytetään ja koko ydinvoimalaitos räjäytetään palasiksi. Tietokoneen anturit ohjaavat prosessia. Ne havaitsevat lämpötilan nousun tai paineen muutoksen reaktorissa ja voivat pysäyttää reaktiot automaattisesti.

Mitä eroa on ydinvoimaloiden ja lämpövoimaloiden (lämpövoimaloiden) toimintaperiaatteella?

Erot työssä ovat vasta alkuvaiheessa. Ydinvoimalaitoksissa jäähdytysneste saa lämpöä uraanipolttoaineen atomien fissiosta, lämpövoimalaitoksissa jäähdytysneste saa lämpöä orgaanisen polttoaineen (hiili, kaasu tai öljy) palamisesta. Sen jälkeen kun joko uraaniatomit tai kaasu hiilen kanssa ovat vapauttaneet lämpöä, ydinvoimaloiden ja lämpövoimalaitosten toimintakaaviot ovat samat.

Ydinreaktorien tyypit

Ydinvoimalaitoksen toiminta riippuu siitä, miten sen ydinreaktori toimii. Nykyään on olemassa kaksi päätyyppiä reaktoreita, jotka luokitellaan neuronien spektrin mukaan:
Hidas neutronireaktori, jota kutsutaan myös lämpöreaktoriksi.

Sen toimintaan käytetään 235 uraania, joka käy läpi rikastusvaiheet, uraanitablettien valmistamisen jne. Nykyään hitaita neutronireaktoreita on valtaosa.
Nopea neutronireaktori.

Nämä reaktorit ovat tulevaisuutta, koska ne työskentelevät uraani-238:lla, joka on luonteeltaan kymmenkunta senttiä, eikä tätä alkuainetta tarvitse rikastaa. Tällaisten reaktorien haittana on vain erittäin korkeat suunnittelu-, rakentamis- ja käynnistämiskustannukset. Nykyään nopeat neutronireaktorit toimivat vain Venäjällä.

Nopeiden neutronireaktorien jäähdytysaine on elohopeaa, kaasua, natriumia tai lyijyä.

Hitaita neutronireaktoreita, joita nykyään käyttävät kaikki maailman ydinvoimalat, on myös useita tyyppejä.

IAEA-järjestö (International Atomic Energy Agency) on luonut oman luokituksensa, jota käytetään yleisimmin maailman ydinteollisuudessa. Koska ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate riippuu pitkälti jäähdytysaineen ja hidastimen valinnasta, on IAEA luokituksensa perustanut näihin eroihin.

Kemiallisesta näkökulmasta deuteriumoksidi on ihanteellinen hidastin ja jäähdytysneste, koska sen atomit ovat tehokkaimmin vuorovaikutuksessa uraanin neutronien kanssa verrattuna muihin aineisiin. Yksinkertaisesti sanottuna raskas vesi suorittaa tehtävänsä minimaalisilla häviöillä ja maksimaalisilla tuloksilla. Sen valmistus kuitenkin maksaa rahaa, kun taas meille tavallista "kevyt" ja tuttua vettä on paljon helpompi käyttää.

Muutama fakta ydinreaktoreista...

On mielenkiintoista, että yhtä ydinvoimalan reaktoria rakennetaan vähintään 3 vuodeksi!
Reaktorin rakentamiseen tarvitaan laitteita, jotka toimivat 210 kiloampeerin sähkövirralla, mikä on miljoona kertaa ihmisen tappava virta.

Ydinreaktorin yksi kuori (rakenneelementti) painaa 150 tonnia. Yhdessä reaktorissa on 6 tällaista elementtiä.

Painevesireaktori

Olemme jo selvittäneet, miten ydinvoimalaitos toimii yleisesti, jotta "selvitetään" katsotaan kuinka suosituin paineistettu ydinreaktori toimii.
Nykyään kaikkialla maailmassa käytetään 3+ sukupolven painevesireaktoreita. Niitä pidetään luotettavimpana ja turvallisimpana.

Kaikki maailman painevesireaktorit ovat kaikkien toimintavuosiensa aikana yhteensä onnistuneet saamaan jo yli 1000 vuoden häiriöttömän toiminnan eivätkä ole koskaan antaneet vakavia poikkeamia.

Painevesireaktoreihin perustuvien ydinvoimalaitosten rakenne tarkoittaa, että polttoainesauvojen välissä kiertää tislattua vettä, joka on lämmitetty 320 asteeseen. Jotta se ei menisi höyrytilaan, sitä pidetään 160 ilmakehän paineessa. Ydinvoimalaitosjärjestelmä kutsuu sitä primäärivedeksi.

Lämmitetty vesi tulee höyrygeneraattoriin ja luovuttaa lämpönsä toisiopiirin veteen, jonka jälkeen se "palaa" uudelleen reaktoriin. Ulkoisesti näyttää siltä, ​​​​että ensisijaisen vesipiirin putket ovat kosketuksissa muihin putkiin - toisen piirin vesi, ne siirtävät lämpöä toisiinsa, mutta vedet eivät kosketa toisiinsa. Putket ovat kosketuksissa.

Näin ollen mahdollisuus, että säteilyä pääsee toisiopiirin veteen, joka osallistuu edelleen sähköntuotantoprosessiin, on suljettu pois.

Ydinvoimalaitosten turvallisuus

Kun olemme oppineet ydinvoimalaitosten toimintaperiaatteen, meidän on ymmärrettävä, miten turvallisuus on järjestetty. Nykypäivän ydinvoimalan laite vaatii lisääntynyt huomio turvallisuussääntöihin.
Ydinvoimalaitosturvallisuuden kustannukset ovat noin 40 % itse laitoksen kokonaiskustannuksista.

Ydinvoimalaitossuunnitelma sisältää 4 fyysistä estettä, jotka estävät radioaktiivisten aineiden vapautumisen. Mitä näiden esteiden pitäisi tehdä? Pystyy oikeaan aikaan pysäyttämään ydinreaktio, varmistamaan jatkuvan lämmönpoiston sydämestä ja itse reaktorista sekä estämään radionuklidien vapautumisen suojarakennuksesta (suojavyöhykkeestä).

• Ensimmäinen este on uraanipellettien lujuus. On tärkeää, että ne eivät romahdu korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta ydinreaktorissa. Ydinvoimalaitoksen toiminta riippuu monella tapaa siitä, kuinka uraanipelletit "paistettiin" tuotannon alkuvaiheessa. Jos uraanipolttoainepelletit paistetaan väärin, uraaniatomien reaktiot reaktorissa ovat arvaamattomia.
• Toinen este on polttoainesauvojen tiiviys. Zirkoniumputket on suljettava tiiviisti, jos tiiviys katkeaa, niin parhaimmillaan reaktori vaurioituu ja työ pysähtyy, pahimmillaan kaikki lentää ilmaan.
• Kolmas este on vahva teräksinen reaktoriastia a, (sama iso torni- suojavyöhyke), joka "pitää" itsessään kaikki radioaktiiviset prosessit. Runko on vaurioitunut - säteilyä vapautuu ilmakehään.
• Neljäs este on hätäsuojatangot. Aktiivisen vyöhykkeen yläpuolella magneeteilla on ripustettu hidastimella varustetut sauvat, jotka voivat absorboida kaikki neutronit 2 sekunnissa ja pysäyttää ketjureaktion.

Jos monien suojausasteiden ydinvoimalaitoksen rakentamisesta huolimatta reaktorisydämen jäähdyttäminen ei onnistu oikeaan aikaan ja polttoaineen lämpötila nousee 2600 asteeseen, tulee turvajärjestelmän viimeinen toivo. - niin sanottu sulaloukku.

Tosiasia on, että tällaisessa lämpötilassa reaktoriastian pohja sulaa ja kaikki ydinpolttoaineen jäännökset ja sulat rakenteet virtaavat erityiseen "lasiin", joka on ripustettu reaktorin sydämen yläpuolelle.

Sulatoluukku on jäähdytetty ja tulenkestävä. Se on täytetty niin kutsutulla "uhrimateriaalilla", joka asteittain pysäyttää fissioketjureaktion.

Näin ollen ydinvoimalaitosjärjestelmä sisältää useita suojausasteita, jotka sulkevat lähes kokonaan pois kaiken mahdollisen onnettomuuden.

: ... aika banaalia, mutta siitä huolimatta en koskaan löytänyt tietoa sulavassa muodossa - kuinka ydinreaktori ALKOA toimia. Kaikki laitteen periaatteesta ja toiminnasta on pureskeltu ja ymmärretty jo 300 kertaa, mutta tässä on kuinka polttoaine saadaan ja mistä ja miksi se ei ole niin vaarallista ennen kuin se on reaktorissa ja miksi se ei reagoi ennen kuin se on upotettu reaktoriin! - loppujen lopuksi se lämpenee vain sisällä, kuitenkin ennen lataamista polttoainesauvat ovat kylmiä ja kaikki on kunnossa, joten se, mikä aiheuttaa elementtien kuumenemisen, ei ole täysin selvää, miten ne vaikuttavat ja niin edelleen, mieluiten ei tieteellisesti).

Tietenkin on vaikea järjestää tällaista aihetta ei "tieteen mukaan", mutta yritän. Ymmärretään ensin, mitä nämä TVEL:t ovat.

Ydinpolttoaine on mustia tabletteja, joiden halkaisija on noin 1 cm ja korkeus noin 1,5 cm. Ne sisältävät 2 % uraanidioksidia 235 ja 98 % uraania 238, 236, 239. Kaikissa tapauksissa, millä tahansa määrällä ydinpolttoainetta, ydinräjähdys ei voi kehittyä, koska lumivyörymäiseen nopeaan fissioreaktioon, joka on ominainen ydinräjähdys, vaaditaan yli 60 % uraani 235:n pitoisuus.

Kaksisataa ydinpolttoainepellettiä ladataan zirkoniummetallista valmistettuun putkeen. Tämän putken pituus on 3,5 m. halkaisija 1,35 cm Tämä putki on nimeltään TVEL - polttoaine-elementti. 36 TVEL:ää kootaan kasetiksi (toinen nimi on "kokoonpano").

RBMK-reaktorin polttoaine-elementin laite: 1 - tulppa; 2 - uraanidioksiditabletit; 3 - zirkoniumkuori; 4 - jousi; 5 - holkki; 6 - kärki.

Aineen muuntumiseen liittyy vapaan energian vapautuminen vain, jos aineella on energiavarasto. Jälkimmäinen tarkoittaa, että aineen mikropartikkelit ovat tilassa, jossa lepoenergia on suurempi kuin muussa mahdollisessa tilassa, johon siirtyminen on olemassa. Spontaania siirtymistä estää aina energiaeste, jonka voittamiseksi mikropartikkelin on saatava ulkopuolelta jonkin verran energiaa - viritysenergiaa. Eksoenergeettinen reaktio koostuu siitä, että virityksen jälkeisessä muutoksessa vapautuu enemmän energiaa kuin prosessin virittäminen vaatii. Energiaesteen voittamiseksi on kaksi tapaa: joko törmäävien hiukkasten kineettisen energian vuoksi tai saapuvan hiukkasen sitoutumisenergian ansiosta.

Jos pidetään mielessä energian vapautumisen makroskooppiset mittakaavat, niin reaktioiden herättämiseen tarvittavassa kineettisessä energiassa on oltava kaikki tai aluksi ainakin osa aineen hiukkasista. Tämä voidaan saavuttaa vain nostamalla väliaineen lämpötilaa arvoon, jossa lämpöliikkeen energia lähestyy prosessin kulkua rajoittavan energiakynnyksen arvoa. Molekyylimuunnosten tapauksessa eli kemialliset reaktiot, tällainen nousu on yleensä satoja Kelvin-asteita, kun taas ydinreaktioissa se on vähintään 107 K johtuen törmäävien ytimien Coulombin esteiden erittäin korkeasta korkeudesta. Ydinreaktioiden termistä viritystä on toteutettu käytännössä vain kevyimpien ytimien synteesissä, jossa Coulombin esteet ovat minimaaliset (termonukleaarinen fuusio).

Kiinnittyvien hiukkasten aiheuttama viritys ei vaadi suurta kineettistä energiaa, eikä se siksi riipu väliaineen lämpötilasta, koska se tapahtuu vetovoiman hiukkasille ominaisten käyttämättömien sidosten vuoksi. Mutta toisaalta, itse hiukkaset ovat välttämättömiä reaktioiden herättämiseksi. Ja jos taas emme tarkoita erillistä reaktiota, vaan energian tuotantoa makroskooppisessa mittakaavassa, niin tämä on mahdollista vain ketjureaktion tapahtuessa. Jälkimmäinen syntyy, kun reaktiota kiihottavat hiukkaset ilmaantuvat uudelleen eksoenergeettisen reaktion tuotteina.

Ydinreaktorin ohjaamiseen ja suojaamiseen käytetään säätösauvoja, joita voidaan liikuttaa sydämen koko korkeudelta. Tangot on valmistettu aineista, jotka absorboivat voimakkaasti neutroneja, kuten boorista tai kadmiumista. Kun sauvat viedään syvälle, ketjureaktio muuttuu mahdottomaksi, koska neutronit absorboituvat voimakkaasti ja poistuvat reaktioalueelta.

Tangot siirretään etänä ohjauspaneelista. Tankojen pienellä liikkeellä ketjuprosessi joko kehittyy tai rappeutuu. Tällä tavalla reaktorin tehoa säädetään.

Leningradin ydinvoimalaitos, RBMK-reaktori

Reaktorin käynnistys:

Alkuhetkellä ensimmäisen polttoainelatauksen jälkeen reaktorissa ei tapahdu fissioketjureaktiota, reaktori on alikriittisessä tilassa. Jäähdytysnesteen lämpötila on paljon alhaisempi kuin käyttölämpötila.

Kuten olemme täällä jo maininneet, ketjureaktion käynnistämiseksi halkeamiskelpoisen materiaalin tulee muodostaa kriittinen massa - riittävä määrä spontaanisti halkeavaa materiaalia riittävän pienessä tilassa, missä olosuhteissa ydinfission aikana vapautuvien neutronien lukumäärän on oltava olla suurempi kuin absorboituneiden neutronien lukumäärä. Tämä voidaan tehdä lisäämällä uraani-235-pitoisuutta (ladattujen polttoaine-elementtien määrää) tai hidastamalla neutronien nopeutta, jotta ne eivät lennä uraani-235-ytimien ohi.

Reaktori saatetaan virtaan useassa vaiheessa. Reaktiivisuussäätimien avulla reaktori siirretään ylikriittiseen tilaan Kef>1 ja reaktorin teho nousee tasolle 1-2 % nimellisarvosta. Tässä vaiheessa reaktori lämmitetään jäähdytysnesteen toimintaparametreihin ja lämmitysnopeus on rajoitettu. Lämmitysprosessin aikana säätimet pitävät tehon tasaisena. Sitten kiertovesipumput käynnistetään ja lämmönpoistojärjestelmä otetaan käyttöön. Tämän jälkeen reaktorin tehoa voidaan nostaa mille tahansa tasolle välillä 2 - 100 % nimellistehosta.

Kun reaktoria kuumennetaan, reaktiivisuus muuttuu sydänmateriaalien lämpötilan ja tiheyden muutosten vuoksi. Joskus lämmityksen aikana sydämen ja ytimeen tulevien tai sieltä poistuvien ohjauselementtien keskinäinen sijainti muuttuu aiheuttaen reaktiivisuusvaikutuksen ohjauselementtien aktiivisen liikkeen puuttuessa.

Ohjaus kiinteillä, liikkuvilla vaimennuselementeillä

Suurimmassa osassa tapauksia käytetään kiinteitä liikkuvia absorboijia muuttamaan reaktiivisuutta nopeasti. RBMK-reaktorissa säätösauvat sisältävät boorikarbidiholkkeja, jotka on suljettu alumiiniseosputkeen, jonka halkaisija on 50 tai 70 mm. Jokainen säätösauva asetetaan erilliseen kanavaan ja jäähdytetään vedellä CPS-piiristä (ohjaus- ja suojajärjestelmä) keskimäärin 50 °C:n lämpötilassa. Tangot on jaettu käyttötarkoituksensa mukaan tankoihin AZ (hätäsuojaus), RBMK:ssa on 24 tällaista sauvaa. Automaattiset säätötangot - 12 kpl, Paikalliset automaattiset säätötangot - 12 kpl, manuaaliset säätötangot -131 ja 32 lyhennettyä vaimennustankoa (USP). Vapoja on yhteensä 211 kappaletta. Lisäksi lyhennetyt tangot viedään AZ:iin alhaalta, loput ylhäältä.

VVER 1000 reaktori 1 - CPS-käyttö; 2 - reaktorin kansi; 3 - reaktoriastia; 4 - suojaputkien lohko (BZT); 5 - minun; 6 - ytimen ohjauslevy; 7 - polttoaineniput (FA) ja ohjaussauvat;

Palaneet absorboivat elementit.

Palavia myrkkyjä käytetään usein kompensoimaan ylimääräistä reaktiivisuutta tuoreen polttoaineen lataamisen jälkeen. Sen toimintaperiaate on, että ne, kuten polttoaine, neutronin sieppauksen jälkeen lakkaavat myöhemmin absorboimasta neutroneja (palavat). Lisäksi neutronien, absorboijaytimien, absorptiosta johtuva laskunopeus on pienempi tai yhtä suuri kuin polttoaineen ytimien fissiosta johtuva häviönopeus. Jos lastataan reaktorisydämeen käyttöön suunniteltua polttoainetta vuoden aikana, niin on selvää, että halkeamiskelpoisten polttoaineiden ytimiä tulee työn alussa enemmän kuin lopussa, ja ylimääräinen reaktiivisuus on kompensoitava absorptioimalla. ytimessä. Jos säätösauvoja käytetään tähän tarkoitukseen, meidän on liikutettava niitä jatkuvasti, kun polttoaineytimien lukumäärä vähenee. Palavien myrkkyjen käyttö mahdollistaa liikkuvien sauvojen käytön vähentämisen. Tällä hetkellä palavia myrkkyjä lisätään usein suoraan polttoainepelletteihin niiden valmistuksen aikana.

Nestemäinen reaktiivisuuden säätö.

Tällaista säätöä käytetään erityisesti VVER-tyyppisen reaktorin käytön aikana, jäähdytysnesteeseen syötetään boorihappoa H3BO3, joka sisältää 10B neutroneja absorboivaa ydintä. Muuttamalla boorihapon pitoisuutta jäähdytysnesteen reitillä muutamme siten ytimen reaktiivisuutta. Reaktorin toiminnan alkuvaiheessa, kun polttoaineytimiä on paljon, happopitoisuus on maksimi. Polttoaineen palaessa happopitoisuus pienenee.

ketjureaktiomekanismi

Ydinreaktori voi toimia tietyllä teholla pitkään vain, jos sillä on toiminnan alussa reaktiivisuusmarginaali. Poikkeuksen muodostavat alikriittiset reaktorit, joissa on ulkoinen lämpöneutronien lähde. Sitoutuneen reaktiivisuuden vapautuminen luonnollisista syistä johtuen sen vähentyessä varmistaa, että reaktorin kriittinen tila säilyy sen jokaisella toimintahetkellä. Alkuperäinen reaktiivisuusmarginaali luodaan rakentamalla ydin, jonka mitat ovat paljon suuremmat kuin kriittiset. Reaktorin ylikriittiseksi muodostumisen estämiseksi vähennetään samalla keinotekoisesti kasvualustan k0:aa. Tämä saavutetaan viemällä ytimeen neutroniabsorboijia, jotka voidaan myöhemmin poistaa ytimestä. Kuten ketjureaktion hallinnan elementeissä, yhden tai toisen poikkileikkauksen omaavien sauvojen materiaaliin sisältyy imukykyisiä aineita, jotka liikkuvat vastaavia ytimessä olevia kanavia pitkin. Mutta jos yksi, kaksi tai useampi sauva riittää säätelyyn, sauvojen lukumäärä voi nousta satoihin kompensoimaan alkuperäisen ylimääräisen reaktiivisuuden. Näitä sauvoja kutsutaan kompensoiviksi. Säätö- ja tasaussauvat eivät välttämättä ole erilaisia ​​rakenneosia. Useat tasaussauvat voivat olla säätösauvoja, mutta molempien toiminnot ovat erilaisia. Säätösauvat on suunniteltu ylläpitämään kriittistä tilaa milloin tahansa, pysäyttämään, käynnistämään reaktorin, vaihtamaan tehotasolta toiselle. Kaikki nämä toiminnot vaativat pieniä muutoksia reaktiivisuuteen. Tasaussauvat vedetään asteittain pois reaktorin sydämestä, mikä varmistaa kriittisen tilan koko sen toiminta-ajan.

Joskus säätösauvoja ei ole valmistettu imukykyisistä materiaaleista, vaan halkeamis- tai sirontamateriaalista. Lämpöreaktoreissa nämä ovat pääasiassa neutroniabsorboijia, kun taas tehokkaita nopeita neutroniabsorboijia ei ole. Sellaiset absorboijat, kuten kadmium, hafnium ja muut, absorboivat voimakkaasti vain lämpöneutroneja johtuen ensimmäisen resonanssin läheisyydestä lämpöalueelle, ja jälkimmäisen ulkopuolella ne eivät eroa muista aineista absorbointiominaisuuksiltaan. Poikkeuksena on boori, jonka neutronien absorption poikkileikkaus pienenee energian myötä paljon hitaammin kuin ilmoitettujen aineiden l / v -lain mukaan. Siksi boori absorboi nopeita neutroneja, vaikkakin heikosti, mutta jonkin verran paremmin kuin muut aineet. Vain boori, mikäli mahdollista 10B-isotoopilla rikastettuna, voi toimia absorbenttimateriaalina nopeassa neutronireaktorissa. Nopeiden neutronireaktorien säätösauvoissa käytetään boorin lisäksi halkeamiskelpoisia materiaaleja. Halkeavasta materiaalista valmistettu kompensointisauva suorittaa saman tehtävän kuin neutroneja absorboiva sauva: se lisää reaktorin reaktiivisuutta luonnollisella laskullaan. Toisin kuin absorboija, tällainen sauva on kuitenkin sijoitettu sydämen ulkopuolelle reaktorin toiminnan alussa, ja sitten se viedään sydämeen.

Nopeiden reaktorien sirontamateriaaleista käytetään nikkeliä, jonka sirontapoikkileikkaus nopeille neutroneille on hieman suurempi kuin muiden aineiden poikkileikkaukset. Sirontasauvat sijaitsevat sydämen kehällä ja niiden upottaminen vastaavaan kanavaan aiheuttaa neutronivuodon vähenemisen ytimestä ja sen seurauksena reaktiivisuuden lisääntymistä. Joissain erikoistapauksissa ketjureaktion ohjauksen tarkoituksena on neutroniheijastimien liikkuvat osat, jotka liikkuessaan muuttavat neutronien vuotoa ytimestä. Ohjaus-, kompensointi- ja hätäsauvat yhdessä kaikkien niiden normaalin toiminnan varmistavien laitteiden kanssa muodostavat reaktorin ohjaus- ja suojausjärjestelmän (CPS).

Hätäsuojaus:

Ydinreaktorin hätäsuojaus - joukko laitteita, jotka on suunniteltu pysäyttämään nopeasti ydinketjureaktio reaktorin sydämessä.

Aktiivinen hätäsuojaus laukeaa automaattisesti, kun jokin ydinreaktorin parametreista saavuttaa arvon, joka voi johtaa onnettomuuteen. Tällaisia ​​parametreja voivat olla: lämpötila, paine ja jäähdytysnesteen virtausnopeus, taso ja tehon nousu.

Hätäsuojauksen toimeenpanoelementit ovat useimmissa tapauksissa sauvoja, joissa on neutroneja hyvin absorboivaa ainetta (boori tai kadmium). Joskus jäähdytysnestesilmukkaan ruiskutetaan nesteenpoistoainetta reaktorin sammuttamiseksi.

Aktiivisen suojauksen lisäksi monet nykyaikaiset mallit sisältävät myös passiivisuojauksen elementtejä. Esimerkiksi VVER-reaktorien nykyaikaiset versiot sisältävät "Emergency Core Cooling System" (ECCS) - erikoissäiliöt, joissa on boorihappoa, jotka sijaitsevat reaktorin yläpuolella. Maksimisuunnitteluonnettomuuden sattuessa (reaktorin primäärijäähdytyspiirin rikkoutuminen) näiden säiliöiden sisältö on painovoiman vaikutuksesta reaktorisydämen sisällä ja ydinketjureaktion sammuttaa suuri määrä booria sisältävää ainetta. joka imee neutroneja hyvin.

"Ydinvoimalaitosten reaktoriasennuksia koskevien ydinturvallisuussääntöjen" mukaan vähintään yhden toimitetuista reaktorin sammutusjärjestelmistä tulee suorittaa hätäsuojaus (EP). Hätäsuojauksella on oltava vähintään kaksi itsenäistä työelinten ryhmää. AZ:n merkillä AZ:n työkappaleita on ohjattava kaikista työ- tai väliasennoista.

AZ-laitteiden tulee koostua vähintään kahdesta erillisestä sarjasta.

Jokainen AZ-laitesarja on suunniteltava siten, että neutronivuon tiheyden vaihteluvälillä 7 %:sta 120 %:iin nimellisarvosta on suojattu:

1. Neutronivuon tiheyden mukaan - vähintään kolme itsenäistä kanavaa;
2. Neutronivuon tiheyden kasvunopeuden mukaan - vähintään kolmella itsenäisellä kanavalla.

Jokainen AZ-laitesarja on suunniteltava siten, että kaikissa reaktorilaitoksen (RP) suunnittelussa määritellyissä prosessiparametrimuutoksissa hätäsuojaus tarjotaan vähintään kolmella itsenäisellä kanavalla kullekin prosessiparametrille, jolle suojataan. tarpeellista.

Jokaisen AZ-toimilaitteiden sarjan ohjauskomennot on lähetettävä vähintään kahden kanavan kautta. Kun yksi kanava poistetaan toiminnasta jossakin AZ-laitesarjassa ilman, että tämä laite poistetaan käytöstä, tälle kanavalle tulee automaattisesti luoda hälytyssignaali.

Hätäsuojan laukeamisen tulee tapahtua ainakin seuraavissa tapauksissa:

1. Saavutettuaan AZ-asetuspisteen neutronivuon tiheydellä.
2. Saavutettuaan AZ-asetuspisteen neutronivuon tiheyden kasvunopeuden suhteen.
3. Virtakatkon sattuessa missä tahansa AZ-laitteistossa ja CPS-virtalähdeväylässä, jota ei ole poistettu käytöstä.
4. Jos jokin kahdesta kolmesta suojauskanavasta vioittuu neutronivuon tiheyden tai neutronivuon kasvunopeuden suhteen kaikissa AZ-laitteistoissa, joita ei ole poistettu käytöstä.
5. Kun AZ-asetukset saavutetaan teknisillä parametreilla, joiden mukaan suojaus on suoritettava.
6. Kun AZ:n toiminta käynnistetään lohkon ohjauspisteen (BCR) tai varaohjauspisteen (RCP) avaimella.

Ehkä joku osaa selittää lyhyesti vielä vähemmän tieteellisesti kuinka ydinvoimalaitoksen voimayksikkö alkaa toimia? :-)

Muista aihe, kuten Alkuperäinen artikkeli on verkkosivustolla InfoGlaz.rf Linkki artikkeliin, josta tämä kopio on tehty -