Laite ja toimintaperiaate

Virranvapautusmekanismi

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. Spontaani siirtymä on aina estetty energiaesteellä, jonka ylittämiseksi mikrohiukkasen on saatava jokin määrä energiaa ulkopuolelta - 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 energia lämpöliikettä lähestyy energiakynnystä rajoittaen prosessin kulkua. Molekyylimuunnosten tapauksessa eli kemialliset reaktiot, tällainen nousu on yleensä satoja kelvinejä, kun taas ydinreaktioiden tapauksessa se on vähintään 10 7 törmäysytimien Coulombin esteiden erittäin suuren korkeuden vuoksi. Ydinreaktioiden termistä viritystä on toteutettu käytännössä vain kevyimpien ytimien synteesissä, jossa Coulombin esteet ovat minimaaliset (termonukleaarinen fuusio).

Viritys liittävien hiukkasten avulla ei vaadi paljon kineettinen energia, ja siksi se ei riipu väliaineen lämpötilasta, koska se johtuu käyttämättömistä sidoksista, jotka ovat luontaisia ​​vetovoimien hiukkasille. 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.

Design

Mikä tahansa ydinreaktori koostuu seuraavista osista:

• Ydin, jossa on ydinpolttoainetta ja hidastin;
• Neutroniheijastin, joka ympäröi ydintä;
• Ketjureaktion säätöjärjestelmä, mukaan lukien hätäsuojaus;
• Säteilysuojaus;
• Kaukosäädinjärjestelmä.

Fyysiset toimintaperiaatteet

Katso myös pääartikkelit:

Ydinreaktorin nykytilaa voidaan luonnehtia tehokkaalla neutronien kertoimella k tai reaktiivisuutta ρ , jotka liittyvät seuraavaan suhteeseen:

Näille arvoille on ominaista seuraavat arvot:

• k> 1 - ketjureaktio kiihtyy ajan myötä, reaktori on sisällä ylikriittinen tila, sen reaktiivisuus ρ > 0;
• k < 1 - реакция затухает, реактор - alikriittinen, ρ < 0;
• k = 1, ρ = 0 - ydinfissioiden lukumäärä on vakio, reaktori on vakaa kriittinen kunto.

Ydinreaktorin kriittisyystila:

, Missä

Kerroinkertoimen muuntaminen yksiköksi saadaan aikaan tasapainottamalla neutronien kertolaskua niiden häviöillä. Menetyksiin on itse asiassa kaksi syytä: sieppaus ilman fissiota ja neutronien vuotaminen lisääntymisalustan ulkopuolelle.

Ilmeisesti 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 lämpöreaktoreille voidaan määrittää niin kutsutulla "neljän tekijän kaavalla":

, Missä

• η on neutronin saanto kahta absorptiota kohden.

Nykyaikaisten voimareaktorien tilavuudet voivat nousta satoihin m³:iin, ja niitä eivät pääsääntöisesti määritä kriittisyyden olosuhteet, vaan lämmönpoistomahdollisuudet.

Kriittinen määrä ydinreaktori - reaktorin sydämen tilavuus kriittisessä tilassa. Kriittinen massa on reaktorin fissioituvan materiaalin massa, joka on kriittisessä tilassa.

Reaktorit, joilla on pienin kriittinen massa vesiliuokset puhtaiden halkeavien isotooppien suolat vesineutroniheijastimella. 235 U:lla tämä massa on 0,8 kg, 239 Pu:lla se on 0,5 kg. Laajalti tiedetään kuitenkin, että LOPO-reaktorin (maailman ensimmäinen rikastettu uraanireaktori), jossa oli berylliumoksidiheijastin, kriittinen massa oli 0,565 kg huolimatta siitä, että isotoopin 235 rikastusaste oli vain vähäinen. yli 14 %. Teoreettisesti pienin kriittinen massa on, jolle tämä arvo on vain 10 g.

Neutronivuodon vähentämiseksi ytimelle annetaan pallomainen tai lähes pallomainen muoto, kuten lyhyt sylinteri tai kuutio, koska näillä luvuilla on pienin pinta-alan suhde tilavuuteen.

Huolimatta siitä, että arvo (e - 1) on yleensä pieni, nopean neutronien lisääntymisen rooli on melko suuri, koska suurille ydinreaktoreille (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Ketjureaktion käynnistämiseksi uraaniytimien spontaanin fission aikana syntyy yleensä riittävästi neutroneja. Reaktorin käynnistämiseen on myös mahdollista käyttää ulkoista neutronilähdettä, esimerkiksi ja/tai muiden aineiden seosta.

jodi kuoppa

Pääartikkeli: Jodikuoppa

Jodikuoppa - ydinreaktorin tila sen sulkemisen jälkeen, jolle on ominaista lyhytikäisen ksenon-isotoopin kertyminen. Tämä prosessi johtaa tilapäiseen merkittävän negatiivisen reaktiivisuuden ilmaantumiseen, mikä puolestaan ​​tekee mahdottomaksi saada reaktoria sen suunniteltuun kapasiteettiin tietyksi ajaksi (noin 1-2 päivää).

Luokittelu

Ajanvarauksella

Ydinreaktorit jaetaan käytön luonteen mukaan:

• Voimareaktorit suunniteltu tuottamaan energia-alalla käytettävää sähkö- ja lämpöenergiaa sekä meriveden suolanpoistoon (myös suolanpoistoreaktorit luokitellaan teollisiksi). Tällaisia ​​reaktoreita käytettiin pääasiassa ydinvoimaloissa. Nykyaikaisten voimareaktorien lämpöteho on 5 GW. Erilliseen ryhmään jakaa:
  • Kuljetusreaktorit suunniteltu toimittamaan energiaa ajoneuvojen moottoreille. Laajimpia sovellusryhmiä ovat sukellusveneissä ja erilaisissa pinta-aluksissa käytettävät merikuljetusreaktorit sekä avaruusteknologiassa käytettävät reaktorit.
• Kokeelliset reaktorit, suunniteltu tutkimaan erilaisia ​​fysikaalisia suureita, joiden arvo on välttämätön ydinreaktorien suunnittelun ja toiminnan kannalta; tällaisten reaktorien teho ei ylitä muutamaa kW.
• Tutkimusreaktorit, jossa ytimessä syntyviä neutroni- ja gammasäteilyvöitä käytetään ydinfysiikan, kiinteän olomuodon fysiikan, säteilykemian, biologian alan tutkimukseen, voimakkaissa neutronivuoissa käytettäväksi tarkoitettujen materiaalien testaamiseen (mukaan lukien ydinreaktorien osat), isotooppien tuotantoon. Tutkimusreaktorien teho ei ylitä 100 MW. Vapautunutta energiaa ei yleensä käytetä.
• Teolliset (aseet, isotooppi) reaktorit käytetään isotooppien tuottamiseen eri aloilla. Yleisimmin käytetty ydinaselaatuisten materiaalien, kuten 239 Pu, valmistukseen. Teollisiin kuuluvat myös meriveden suolanpoistoon käytettävät reaktorit.

Usein reaktoreita käytetään kahden tai useamman erilaisen tehtävän ratkaisemiseen, jolloin niitä kutsutaan monikäyttöinen. Esimerkiksi jotkut voimareaktorit, varsinkin ydinvoiman kynnyksellä, oli tarkoitettu pääasiassa kokeisiin. Nopeat neutronireaktorit voivat olla samanaikaisesti sekä sähköä tuottavia että isotooppeja tuottavia. Teollisuusreaktorit tuottavat päätehtävänsä lisäksi usein sähkö- ja lämpöenergiaa.

Neutronispektrin mukaan

• Terminen (hidas) neutronireaktori ("lämpöreaktori")
• Nopea neutronireaktori ("nopea reaktori")

Polttoaineen sijoittamisen mukaan

• Heterogeeniset reaktorit, joissa polttoaine sijoitetaan sydämeen diskreetti lohkojen muodossa, joiden välissä on hidastin;
• Homogeeniset reaktorit, joissa polttoaine ja hidastin ovat homogeeninen seos (homogeeninen järjestelmä).

Heterogeenisessä reaktorissa polttoaine ja hidastin voidaan sijoittaa erilleen, erityisesti onkaloreaktorissa moderaattori-heijastin ympäröi onteloa polttoaineella, joka ei sisällä hidastajaa. Ydinfysikaalisesta näkökulmasta homogeenisuuden/heterogeenisuuden kriteerinä ei ole suunnittelu, vaan polttoainelohkojen sijoittaminen etäisyydelle, joka ylittää neutronin hidastuspituuden tietyssä hidastimessa. Esimerkiksi ns. "close-lattice" -reaktorit on suunniteltu homogeenisiksi, vaikka niissä polttoaine yleensä erotetaan hidastimesta.

Ydinpolttoainelohkoja heterogeenisessa reaktorissa kutsutaan polttoainenippuiksi (FA), jotka sijoitetaan ytimeen säännöllisen hilan solmukohtiin muodostaen soluja.

Polttoaineen tyypin mukaan

• uraanin isotoopit 235, 238, 233 ( 235 U , 238 U , 233 U)
• plutonium-isotooppi 239 (239 Pu), myös isotoopit 239-242 Pu seoksena 238 U:n kanssa (MOX-polttoaine)
• torium-isotooppi 232 (232 Th) (muuntamalla 233 U:ksi)

Rikastusasteen mukaan:

• luonnonuraani
• vähän rikastettua uraania
• korkeasti rikastettua uraania

Kemiallisen koostumuksen mukaan:

• metalli U
• UC (uraanikarbidi) jne.

Jäähdytysnesteen tyypin mukaan

• Kaasu, (katso Grafiittikaasureaktori)
• D 2 O (raskas vesi, katso Raskaan veden ydinreaktori, CANDU)

Moderaattorityypin mukaan

• C (grafiitti, katso Grafiittikaasureaktori, Grafiitti-vesireaktori)
• H 2 O (vesi, katso kevytvesireaktori, painevesireaktori, VVER)
• D 2 O (raskas vesi, katso Raskaan veden ydinreaktori, CANDU)
• Metallihydridit
• Ilman moderaattoria (katso nopea neutronireaktori)

Suunnittelultaan

höyrynmuodostusmenetelmä

• Reaktori ulkoisella höyrygeneraattorilla (katso PWR, VVER)

IAEA:n luokitus

• PWR (painevesireaktorit) - painevesireaktori (painevesireaktori);
• BWR (boiling water Reactor) - kiehuva vesireaktori;
• FBR (fast Breeder Reactor) - nopea kasvattajareaktori;
• GCR (kaasujäähdytteinen reaktori) - kaasujäähdytteinen reaktori;
• LWGR (kevyen veden grafiittireaktori) - grafiitti-vesireaktori
• PHWR (paineistettu raskaan veden reaktori) - raskaan veden reaktori

Maailman yleisimmät ovat painevesireaktorit (noin 62 %) ja kiehuvavesireaktorit (20 %).

Reaktorin materiaalit

Materiaalit, joista reaktorit rakennetaan, toimivat korkeassa lämpötilassa neutronien, γ-kvanttien ja fissiofragmenttien kentällä. Siksi kaikki muilla tekniikan aloilla käytetyt materiaalit eivät sovellu reaktorin rakentamiseen. Reaktorin materiaaleja valittaessa otetaan huomioon niiden säteilynkestävyys, kemiallinen inertisyys, absorption poikkileikkaus ja muut ominaisuudet.

Materiaalien säteilyn epästabiilisuus vaikuttaa vähemmän korkeissa lämpötiloissa. Atomien liikkuvuus kasvaa niin suureksi, että todennäköisyys kidehilasta syrjäytettyjen atomien palautumiselle paikoilleen tai vedyn ja hapen rekombinaatiolle vesimolekyyliksi kasvaa huomattavasti. Siten veden radiolyysi on merkityksetöntä tehoreaktoreissa (esim. VVER), kun taas voimakkaissa tutkimusreaktoreissa vapautuu huomattava määrä räjähtävää seosta. Reaktoreissa on erityiset järjestelmät sen polttamiseksi.

Reaktorin materiaalit joutuvat kosketukseen toistensa kanssa (jäähdytysnesteellä ja ydinpolttoaineella päällystetty polttoaine-elementti, polttoainekasetit jäähdytysnesteellä ja hidastimella jne.). Luonnollisesti kosketusmateriaalien tulee olla kemiallisesti inerttejä (yhteensopivia). Esimerkki yhteensopimattomuudesta on uraanin ja kuuman veden joutuminen kemialliseen reaktioon.

Useimpien materiaalien lujuusominaisuudet heikkenevät jyrkästi lämpötilan noustessa. Voimareaktoreissa rakennemateriaalit toimivat korkeissa lämpötiloissa. Tämä rajoittaa rakennemateriaalien valintaa erityisesti voimareaktorin niissä osissa, joiden on kestettävä korkeaa painetta.

Ydinpolttoaineen palaminen ja lisääntyminen

Ydinreaktorin toiminnan aikana polttoaineeseen kertyvien fissiofragmenttien vuoksi sen isotooppinen ja kemiallinen koostumus muuttuu ja muodostuu transuraanialkuaineita, pääasiassa isotooppeja. Fissiofragmenttien vaikutusta ydinreaktorin reaktiivisuuteen kutsutaan myrkytys(radioaktiivisille fragmenteille) ja kuonaa(stabiileille isotoopeille).

Suurin syy reaktorin myrkytykseen on se, jolla on suurin neutroniabsorptiopoikkileikkaus (2,6 10 6 barn). 135 Xe:n puoliintumisaika T 1/2 = 9,2 h; jakosaanto on 6-7 %. Suurin osa 135 Xe:stä muodostuu hajoamisen seurauksena ( T 1/2 = 6,8 tuntia). Myrkytyksen sattuessa Kef muuttuu 1-3%. 135 Xe:n suuri absorptiopoikkileikkaus ja väli-isotoopin 135 I läsnäolo johtavat kahteen tärkeään ilmiöön:

1. 135 Xe:n pitoisuuden nousuun ja siten reaktorin reaktiivisuuden laskuun sen sammuttamisen tai tehon pienentämisen jälkeen ("jodikuoppa"), mikä tekee mahdottomaksi lyhytaikaiset seisokit ja lähtötehon vaihtelut. Tämä vaikutus poistuu ottamalla käyttöön sääntelyelinten reaktiivisuusmarginaali. Jodikaivon syvyys ja kesto riippuvat neutronivuosta Ф: kun Ф = 5 10 18 neutronia/(cm² sek), jodikaivon kesto on ˜ 30 h ja syvyys on 2 kertaa suurempi kuin paikallaan pysyvä muutos Keffissä 135 Xe -myrkytys aiheuttaa.
2. Myrkytyksestä johtuen neutronivuon Ф ja sitä kautta reaktorin tehon tila-ajallisia vaihteluita voi esiintyä. Nämä vaihtelut tapahtuvat ä > 10 18 neutronia/(cm² s) ja suurilla reaktorikooilla. Värähtelyjaksot ˜ 10 h.

Ydinfissio synnyttää suuren määrän stabiileja fragmentteja, jotka eroavat absorptiopoikkileikkauksiltaan halkeavan isotoopin absorptiopoikkileikkauksesta. Suuren absorptiopoikkileikkauksen omaavien fragmenttien pitoisuus saavuttaa kyllästymisen reaktorin toiminnan ensimmäisten päivien aikana. Nämä ovat pääasiassa eri "ikäisiä" TVEL:itä.

Täydellisen polttoaineen vaihdon tapauksessa reaktorissa on ylireaktiivisuutta, joka on kompensoitava, kun taas toisessa tapauksessa kompensointi vaaditaan vasta reaktorin ensimmäisen käynnistyksen yhteydessä. Jatkuva tankkaus mahdollistaa palamissyvyyden lisäämisen, koska reaktorin reaktiivisuus määräytyy halkeavien isotooppien keskimääräisistä pitoisuuksista.

Ladatun polttoaineen massa ylittää kuormittamattoman massan vapautuneen energian "painon" vuoksi. Reaktorin sammuttamisen jälkeen, ensin pääasiassa viivästyneiden neutronien aiheuttaman fission vuoksi, ja sitten 1-2 minuutin kuluttua fissiofragmenttien ja transuraanielementtien β- ja γ-säteilyn seurauksena energian vapautuminen polttoaineessa jatkuu. Jos reaktori toimi tarpeeksi kauan ennen sammutusta, sitten 2 minuuttia sammutuksen jälkeen, energian vapautuminen on noin 3%, 1 tunnin kuluttua - 1%, päivän kuluttua - 0,4%, vuoden kuluttua - 0,05% alkuperäisestä tehosta.

Ydinreaktorissa muodostuneiden halkeavien Pu-isotooppien lukumäärän suhdetta palaneen 235 U:n määrään kutsutaan ns. muuntokurssi K K . K K:n arvo kasvaa rikastumisen ja palamisen pienentyessä. Luonnonuraanilla toimivalle raskasvesireaktorille, jonka palaminen on 10 GW vrk/t K K = 0,55, ja pienille palamisille (tässä tapauksessa K K on ns. alkuperäinen plutoniumkerroin) K K = 0,8. Jos ydinreaktori palaa ja tuottaa samoja isotooppeja (jalostusreaktori), niin lisääntymisnopeuden suhdetta palamisnopeuteen kutsutaan ns. lisääntymisnopeus K V. Lämpöreaktoreissa 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 kasvaa ja A putoaa.

Ydinreaktorin ohjaus

Ydinreaktorin ohjaus on mahdollista vain siksi, että fission aikana osa neutroneista lentää fragmenteista viiveellä, joka voi vaihdella useista millisekunneista useisiin minuutteihin.

Reaktorin ohjaamiseen käytetään absorboivia sauvoja, jotka viedään ytimeen ja jotka on valmistettu materiaaleista, jotka absorboivat voimakkaasti neutroneja (pääasiassa ja joitain muita) ja / tai boorihappoliuosta, joka on lisätty jäähdytysnesteeseen tietyssä pitoisuudessa (boorin säätö). . Tankojen liikettä ohjataan erityisillä mekanismeilla, käyttötavoilla, jotka toimivat käyttäjän signaaleilla tai laitteistolla neutronivuon automaattista ohjaamiseksi.

Erilaisten hätätilanteiden sattuessa kussakin reaktorissa on ketjureaktion hätäkatkaisu, joka suoritetaan pudottamalla kaikki absorbointisauvat ytimeen - hätäsuojajärjestelmä.

Jäännöslämpö

Tärkeä suoraan ydinturvallisuuteen liittyvä asia on jälkilämpö. Tämä erityinen ominaisuus ydinpolttoaine, joka johtuu siitä, että fissioketjureaktion ja kaikille energialähteille yhteisen lämpöinertian päättymisen jälkeen lämmön vapautuminen reaktorissa jatkuu pitkään, mikä aiheuttaa useita teknisesti monimutkaisia ​​ongelmia.

Jälkilämpö on seurausta fissiotuotteiden β- ja γ-hajoamisesta, jotka ovat kertyneet polttoaineeseen reaktorin toiminnan aikana. Fissiotuotteiden ytimet siirtyvät hajoamisen seurauksena vakaampaan tai täysin vakaampaan tilaan vapauttaen merkittävää energiaa.

Vaikka jälkilämmön vapautumisnopeus putoaa nopeasti kiinteisiin arvoihin verrattuna pieniin arvoihin, suuritehoisissa tehoreaktoreissa se on absoluuttisesti merkittävä. Tästä syystä jälkilämmön tuotanto on välttämätöntä pitkä aika varmistaa lämmön poiston reaktorin sydämestä sen sammuttamisen jälkeen. Tämä tehtävä edellyttää jäähdytysjärjestelmien läsnäoloa luotettavalla teholla reaktorilaitoksen suunnittelussa, ja se edellyttää myös käytetyn ydinpolttoaineen pitkäaikaista (3-4 vuoden) varastointia varastotiloissa, joissa on erityinen lämpötilajärjestelmä - käytetyn polttoaineen altaat. , jotka sijaitsevat yleensä reaktorin välittömässä läheisyydessä.

Katso myös

• Luettelo Neuvostoliitossa suunnitelluista ja rakennetuista ydinreaktoreista

Kirjallisuus

• Levin V.E. Ydinfysiikka ja ydinreaktorit. 4. painos - M.: Atomizdat, 1979.
• Shukolyukov A. Yu. "Uranus. luonnollinen ydinreaktori. "Kemia ja elämä" nro 6, 1980, s. 20-24

Huomautuksia

1. "ZEEP - Kanadan ensimmäinen ydinreaktori", Kanadan tiede- ja teknologiamuseo.
2. Greshilov A. A., Egupov N. D., Matushchenko A. M. Ydinsuoja. - M .: Logos, 2008. - 438 s. -

1900-luvun puolivälissä ihmiskunnan huomio keskittyi atomiin ja tutkijoiden selitykseen ydinreaktiosta, jota he alun perin päättivät käyttää sotilaallisiin tarkoituksiin keksiessään ensimmäiset ydinpommit Manhattan-projektin puitteissa. Mutta XX vuosisadan 50-luvulla Neuvostoliiton ydinreaktoria käytettiin rauhanomaisiin tarkoituksiin. Tiedetään hyvin, että 27. kesäkuuta 1954 maailman ensimmäinen 5000 kW:n ydinvoimala astui ihmiskunnan palvelukseen. Nykyään ydinreaktorilla voidaan tuottaa sähköä 4000 MW tai enemmän, eli 800 kertaa enemmän kuin puoli vuosisataa sitten.

Mikä on ydinreaktori: yksikön perusmääritelmä ja pääkomponentit

Ydinreaktori on erikoisyksikkö, jonka avulla tuotetaan energiaa hallitun ydinreaktion oikean ylläpidon seurauksena. Sanan "atomi" käyttö yhdessä sanan "reaktori" kanssa on sallittua. Monet pitävät yleisesti käsitteitä "ydin" ja "atomi" synonyymeinä, koska he eivät löydä perustavanlaatuista eroa niiden välillä. Mutta tieteen edustajat ovat taipuvaisia ​​oikeampaan yhdistelmään - "ydinreaktoriin".

Mielenkiintoista tosiasia! Ydinreaktiot voivat edetä vapauttamalla tai absorboimalla energiaa.

Ydinreaktorin laitteen pääkomponentit ovat seuraavat:

• Moderaattori;
• Ohjaussauvat;
• Uraani-isotooppien rikastettua seosta sisältävät sauvat;
• Erityiset suojaelementit säteilyä vastaan;
• Jäähdytysneste;
• höyry generaattori;
• Turbiini;
• Generaattori;
• Kondensaattori;
• Ydinpolttoaine.

Mitkä ovat fyysikkojen määrittämät ydinreaktorin toiminnan perusperiaatteet ja miksi ne ovat horjumattomia

Ydinreaktorin toiminnan perusperiaate perustuu ydinreaktion ilmentymisen ominaisuuksiin. Normaalin fyysisen ketjun aikaan ydinprosessi hiukkanen on vuorovaikutuksessa atomiydin Tämän seurauksena ydin muuttuu uudeksi sekundaaristen hiukkasten vapautuessa, joita tiedemiehet kutsuvat gamma-kvanteiksi. Ydinketjureaktion aikana vapautuu valtava määrä lämpöenergiaa. Tilaa, jossa ketjureaktio tapahtuu, kutsutaan reaktorisydämeksi.

Mielenkiintoista tosiasia! Aktiivinen vyöhyke muistuttaa ulkoisesti kattilaa, jonka läpi virtaa tavallista vettä, joka toimii jäähdytysnesteenä.

Neutronihäviön estämiseksi reaktorisydämen aluetta ympäröi erityinen neutroniheijastin. Sen ensisijainen tehtävä on hylätä suurin osa säteilevistä neutroneista ytimeen. Heijastin on yleensä sama aine, joka toimii moderaattorina.

Ydinreaktorin pääohjaus tapahtuu erityisten ohjaussauvojen avulla. Tiedetään, että nämä sauvat viedään reaktorin sydämeen ja luovat kaikki olosuhteet yksikön toiminnalle. Tyypillisesti ohjaussauvat on valmistettu kemialliset yhdisteet boori ja kadmium. Miksi näitä elementtejä käytetään? Kyllä, kaikki siksi, että boori tai kadmium pystyvät absorboimaan tehokkaasti lämpöneutroneja. Ja heti kun laukaisu on suunniteltu, ydinreaktorin toimintaperiaatteen mukaisesti ohjaussauvat viedään ytimeen. Niiden ensisijainen tehtävä on absorboida merkittävä osa neutroneista, mikä aiheuttaa ketjureaktion kehittymisen. Tuloksen tulee saavuttaa haluttu taso. Tehon noustessa asetetun tason yläpuolelle kytkeytyvät päälle automaattiset koneet, jotka välttämättä upottavat säätösauvat syvälle reaktorin sydämeen.

Näin käy selväksi, että ohjaussauvat tai ohjaussauvat pelaavat tärkeä rooli lämpöydinreaktorin toiminnassa.

Ja neutronien vuotamisen vähentämiseksi reaktorin sydäntä ympäröi neutroniheijastin, joka heittää ytimeen merkittävän massan vapaasti emittoivia neutroneja. Heijastimen merkityksessä käytetään yleensä samaa ainetta kuin moderaattorissa.

Standardin mukaan hidastavan aineen atomiytimen massa on suhteellisen pieni, joten kevyen ytimen kanssa törmääessään ketjussa oleva neutroni menettää enemmän energiaa kuin törmääessään raskaaseen ytimeen. Yleisimmät hidastimet ovat tavallinen vesi tai grafiitti.

Mielenkiintoista tosiasia! Ydinreaktion prosessissa olevat neutronit ovat äärimmäisiä suuri nopeus liikettä, ja siksi tarvitaan moderaattori, joka työntää neutroneja menettämään osan energiastaan.

Yksikään reaktori maailmassa ei voi toimia normaalisti ilman jäähdytysnesteen apua, sillä sen tarkoituksena on poistaa reaktorin sydämessä syntyvä energia. Jäähdytysaineena käytetään välttämättä nesteitä tai kaasuja, koska ne eivät pysty absorboimaan neutroneja. Otetaan esimerkki kompaktin ydinreaktorin jäähdytysnesteestä - vesi, hiilidioksidi ja joskus jopa nestemäistä metallista natriumia.

Siten ydinreaktorin toimintaperiaatteet perustuvat täysin ketjureaktion lakeihin, sen kulkuun. Kaikki reaktorin komponentit - hidastin, sauvat, jäähdytysneste, ydinpolttoaine - suorittavat tehtävänsä aiheuttaen reaktorin normaalin toiminnan.

Mitä polttoainetta ydinreaktoreissa käytetään ja miksi juuri nämä kemialliset alkuaineet valitaan

Reaktoreiden pääpolttoaineena voi olla uraani-isotooppeja, myös plutoniumia tai toriumia.

Jo vuonna 1934 F. Joliot-Curie havainnoi uraanin ytimen fissioprosessia, että uraaniydin jakautuu kemiallisen reaktion seurauksena fragmenteiksi-ytimiksi ja kahdeksi tai kolmeksi vapaaksi neutroniksi. Ja tämä tarkoittaa, että on mahdollista, että vapaat neutronit liittyvät muihin uraanin ytimiin ja aiheuttavat uuden fission. Ja niin, kuten ketjureaktio ennustaa: kolmesta uraanin ytimestä vapautuu kuudesta yhdeksään neutronia, ja ne liittyvät jälleen uusiin muodostuneisiin ytimiin. Ja niin edelleen loputtomiin.

Tärkeää muistaa! Ydinfission aikana ilmaantuvat neutronit pystyvät provosoimaan uraani-isotoopin, jonka massaluku on 235, ytimien fissiota, ja uraani-isotoopin, jonka massaluku on 238, ytimien tuhoamiseen voi syntyä vähän energiaa. hajoamisprosessi.

Uraani numero 235 on harvinainen luonnossa. Sen osuus on vain 0,7 %, mutta luonnonuraani-238:lla on tilavampi markkinarako ja sen osuus on 99,3 %.

Huolimatta niin pienestä uraani-235:n osuudesta luonnossa, fyysikot ja kemistit eivät silti voi kieltäytyä siitä, koska se on tehokkain ydinreaktorin toiminnalle, mikä vähentää ihmiskunnan energian hankintakustannuksia.

Milloin ensimmäiset ydinreaktorit ilmestyivät ja missä niitä käytetään nykyään?

Vuonna 1919 fyysikot voittivat jo, kun Rutherford löysi ja kuvasi liikkuvien protonien muodostumisprosessin alfa-hiukkasten törmäyksen seurauksena typpiatomien ytimien kanssa. Tämä löytö merkitsi sitä, että typen isotoopin ydin muuttui alfahiukkasen kanssa tapahtuneen törmäyksen seurauksena happi-isotoopin ytimeksi.

Ennen kuin ensimmäiset ydinreaktorit ilmestyivät, maailma oppi useita uusia fysiikan lakeja, jotka tulkitsivat kaiken tärkeitä näkökohtia ydinreaktio. Niinpä vuonna 1934 F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky tarjosivat ensimmäistä kertaa yhteiskunnalle ja maailman tiedemiehille teoreettisen oletuksen ja todisteiden perustan ydinreaktioiden mahdollisuudesta. Kaikki kokeet liittyivät uraanin ytimen fission havainnointiin.

Vuonna 1939 E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch jäljittelivät uraaniytimien fissioreaktion niiden pommituksen aikana neutroneilla. Tutkimuksen aikana tiedemiehet ovat havainneet, että kun yksi kiihdytetty neutroni tulee uraanin ytimeen, olemassa oleva ydin jaetaan kahteen tai kolmeen osaan.

Ketjureaktio todistettiin käytännössä 1900-luvun puolivälissä. Vuonna 1939 tutkijat onnistuivat todistamaan, että yhden uraaniytimen fissio vapauttaa noin 200 MeV energiaa. Mutta noin 165 MeV on varattu fragmenttiytimien kineettiselle energialle, ja loppuosa kuljettaa mukanaan gamma-kvantit. Tämä löytö teki läpimurron kvanttifysiikassa.

E. Fermi jatkaa työtä ja tutkimusta vielä useita vuosia ja laukaisee ensimmäisen ydinreaktorin vuonna 1942 Yhdysvalloissa. Kehittyneen projektin nimi oli "Chicago woodpile" ja laitettiin kiskoille. 5. syyskuuta 1945 Kanada käynnisti ZEEP-ydinreaktorinsa. Euroopan maanosa ei jäänyt jälkeen, ja samaan aikaan rakennettiin F-1-laitteistoa. Ja venäläisille on toinen ikimuistoinen päivämäärä - 25. joulukuuta 1946 Moskovassa käynnistetään reaktori I. Kurchatovin johdolla. Nämä eivät olleet tehokkaimpia ydinreaktoreita, mutta tämä oli alku ihmisen atomin kehitykselle.

Rauhanomaisia ​​tarkoituksia varten luotiin tieteellinen ydinreaktori vuonna 1954 Neuvostoliitossa. Maailman ensimmäinen rauhanomainen laiva, jossa on ydinvoimala - ydinjäänmurtaja"Lenin" - rakennettiin Neuvostoliitossa vuonna 1959. Ja vielä yksi valtiomme saavutus on ydinjäänmurtaja Arktika. Tämä pinta-alus saavutti ensimmäistä kertaa maailmassa Pohjoisnapa. Se tapahtui vuonna 1975.

Ensimmäiset kannettavat ydinreaktorit toimivat hitailla neutroneilla.

Missä ydinreaktoreita käytetään ja mitä tyyppejä ihmiskunta käyttää

• Teollisuusreaktorit. Niitä käytetään energian tuottamiseen ydinvoimaloissa.
• Ydinreaktorit, jotka toimivat ydinsukellusveneiden käyttövoimana.
• Koereaktorit (siirrettävät, pienet). Ilman niitä ei tapahdu yhtäkään nykyaikaista tieteellistä kokemusta tai tutkimusta.

Nykyään tiedemaailma on oppinut suolanpoistamaan merivedestä erityisten reaktorien avulla, jotta väestö saa korkealaatuista vettä. juomavesi. Venäjällä on paljon toimivia ydinreaktoreita. Joten tilastojen mukaan osavaltiossa toimii noin 37 korttelia vuodesta 2018 lähtien.

Ja luokituksen mukaan ne voivat olla seuraavat:

• Tutkimus (historiallinen). Näihin kuuluu F-1-asema, joka luotiin koepaikaksi plutoniumin tuotantoa varten. I. V. Kurchatov työskenteli F-1:ssä, valvoi ensimmäistä fyysistä reaktoria.
• Tutkimus (aktiivinen).
• Asevarasto. Esimerkkinä reaktorista - A-1, joka meni historiaan ensimmäisenä jäähdyttämällä reaktorina. Ydinreaktorin aiempi teho on pieni, mutta toimiva.
• Energiaa.
• Alus. Tiedetään, että laivoissa ja sukellusveneissä käytetään välttämättömyyden ja teknisen toteutettavuuden mukaan vesijäähdytteisiä tai nestemäisiä metallireaktoreita.
• Avaruus. Esimerkkinä voidaan kutsua asennus "Yenisei" päälle avaruusaluksia, joka tulee käyttöön, jos on tarpeen tuottaa lisäenergiaa, ja se on hankittava aurinkopaneeleilla ja isotooppilähteillä.

Siten ydinreaktoreiden aihe on melko laaja, joten se vaatii syvällistä tutkimista ja lakien ymmärtämistä kvanttifysiikka. Mutta ydinreaktorien merkitys energiateollisuudelle ja valtion taloudelle on jo epäilemättä täynnä hyödyllisyyden ja hyötyjen ilmapiiriä.

Ydinreaktorin toimintaperiaatteen ja suunnittelun ymmärtämiseksi sinun on tehtävä lyhyt poikkeama menneisyyteen. Ydinreaktori on vuosisatoja vanha, vaikkakaan ei täysin, ihmiskunnan unelma ehtymättömästä energialähteestä. Sen ikivanha "esivanhempi" on kuivista oksista tehty tuli, joka kerran valaisi ja lämmitti luolan holveja, joista kaukaiset esi-isämme löysivät pelastuksen kylmältä. Myöhemmin ihmiset oppivat hiilivedyt - hiiltä, ​​liusketta, öljyä ja maakaasua.

Alkoi myrskyisä mutta lyhytaikainen höyryn aikakausi, jonka tilalle tuli vieläkin fantastisempi sähkön aikakausi. Kaupungit olivat täynnä valoa ja työpajat tähän asti tuntemattomien sähkömoottorikäyttöisten koneiden huminaa. Sitten näytti siltä, ​​että edistys oli saavuttanut huippunsa.

Kaikki on muuttunut sisään myöhään XIX luvulla, kun ranskalainen kemisti Antoine Henri Becquerel huomasi vahingossa, että uraanisuolat ovat radioaktiivisia. Kahden vuoden kuluttua hänen maanmiehensä Pierre Curie ja hänen vaimonsa Maria Sklodowska-Curie saivat heiltä radiumia ja poloniumia, ja heidän radioaktiivisuustasonsa oli miljoonia kertoja korkeampi kuin toriumin ja uraanin.

Sen otti Ernest Rutherford, joka tutki yksityiskohtaisesti radioaktiivisten säteiden luonnetta. Näin alkoi atomin aikakausi, joka toi maailmaan sen rakkaan lapsen - atomireaktori.

Ensimmäinen ydinreaktori

"Esisyntynyt" on Yhdysvalloista. Joulukuussa 1942 hän antoi ensimmäisen virran reaktorille, joka sai luojansa nimen - yksi suurimmat fyysikot vuosisadalla E. Fermi. Kolme vuotta myöhemmin ZEEP-ydinvoimala heräsi eloon Kanadassa. "Pronssi" meni ensimmäiselle Neuvostoliiton F-1-reaktorille, joka laukaistiin vuoden 1946 lopussa. I. V. Kurchatovista tuli kotimaisen ydinhankkeen johtaja. Nykyään maailmassa toimii menestyksekkäästi yli 400 ydinvoimalaitosta.

Ydinreaktorien tyypit

Niiden päätarkoituksena on tukea hallittua ydinreaktiota, joka tuottaa sähköä. Jotkut reaktorit tuottavat isotooppeja. Lyhyesti sanottuna ne ovat laitteita, joiden syvyyksissä jotkut aineet muuttuvat toisiksi vapauttamalla suuren määrän lämpöenergiaa. Tämä on eräänlainen "uuni", jossa sen sijaan perinteiset tyypit polttoaineen "poltto" uraanin isotoopit - U-235, U-238 ja plutonium (Pu).

Toisin kuin esimerkiksi useille bensiinityypeille suunniteltu auto, jokaisella radioaktiivisella polttoainetyypillä on oma reaktorityyppi. Niitä on kaksi - hitailla (U-235) ja nopeilla (U-238 ja Pu) neutroneilla. Suurin osa ydinvoimaloista on varustettu hitailla neutronireaktoreilla. Ydinvoimaloiden lisäksi laitokset "toimivat" tutkimuskeskuksissa, ydinsukellusveneissä ja.

Miten on reaktori

Kaikilla reaktoreilla on suunnilleen sama kaava. Sen "sydän" on aktiivinen vyöhyke. Sitä voidaan karkeasti verrata perinteisen uunin uuniin. Vain polttopuun sijasta on ydinpolttoainetta polttoaine-elementtien muodossa, joissa on moderaattori - TVEL. Aktiivinen vyöhyke sijaitsee eräänlaisen kapselin - neutroniheijastimen - sisällä. Polttoainesauvat "pestään" jäähdytysnesteellä - vedellä. Koska "sydämen" radioaktiivisuus on erittäin korkea, sitä ympäröi luotettava säteilysuoja.

Operaattorit ohjaavat laitoksen toimintaa kahden kriittisen järjestelmän, ketjureaktion ohjauksen ja kauko-ohjausjärjestelmän, avulla. Hätätilanteessa hätäsuoja laukeaa välittömästi.

Kuinka reaktori toimii

Atomi "liekki" on näkymätön, koska prosessit tapahtuvat ydinfission tasolla. Ketjureaktion aikana raskaat ytimet hajoavat pienemmiksi fragmenteiksi, jotka virittyneenä muuttuvat neutronien ja muiden subatomisten hiukkasten lähteiksi. Mutta prosessi ei lopu tähän. Neutronit jatkavat "murskaamista", jonka seurauksena vapautuu paljon energiaa, eli mitä tapahtuu, mitä varten ydinvoimaloita rakennetaan.

Henkilökunnan päätehtävänä on ylläpitää ketjureaktiota säätösauvojen avulla tasaisella, säädettävällä tasolla. Tämä on sen tärkein ero atomipommiin, jossa ydinten hajoamisprosessi on hallitsematon ja etenee nopeasti voimakkaan räjähdyksen muodossa.

Mitä tapahtui Tšernobylin ydinvoimalassa

Yksi Tšernobylin ydinvoimalaitoksen huhtikuussa 1986 tapahtuneen katastrofin tärkeimmistä syistä oli käyttöturvallisuussääntöjen törkeä rikkominen neljännen voimalaitoksen rutiinihuollon yhteydessä. Sitten ytimestä poistettiin 203 grafiittitankoa samanaikaisesti määräysten salliman 15 sijasta. Tämän seurauksena alkanut hallitsematon ketjureaktio päättyi lämpöräjähdykseen ja voimayksikön täydelliseen tuhoutumiseen.

Uuden sukupolven reaktorit

Viimeisen vuosikymmenen aikana Venäjästä on tullut yksi maailman johtajista ydinvoima. Tällä hetkellä valtionyhtiö Rosatom rakentaa ydinvoimaloita 12 maahan, joihin rakennetaan 34 voimayksikköä. Tällainen suuri kysyntä on todiste korkeatasoinen moderni venäläinen ydinteknologia. Seuraavaksi jonossa ovat uudet 4. sukupolven reaktorit.

"Brest"

Yksi niistä on Brest, jota kehitetään osana Breakthrough-projektia. Nyt käyttöjärjestelmät avoimen kierron reaktorit käyttävät vähän rikastettua uraania, mikä jättää jälkeensä suuren määrän käytettyä polttoainetta loppusijoitettavaksi valtavilla kustannuksilla. "Brest" - nopea neutronireaktori on ainutlaatuinen suljetussa syklissä.

Siinä käytetystä polttoaineesta tulee asianmukaisen käsittelyn jälkeen nopeassa neutronireaktorissa jälleen täysimittainen polttoaine, joka voidaan ladata takaisin samaan laitokseen.

Brest erottuu korkeasta turvallisuustasosta. Se ei koskaan "räjähdä" edes vakavimmassa onnettomuudessa, se on erittäin taloudellinen ja ympäristöystävällinen, koska se käyttää uudelleen "uusittua" uraania. Sitä ei myöskään voida käyttää aselaatuisen plutoniumin tuottamiseen, mikä avaa laajimmat mahdollisuudet sen vientiin.

VVER-1200

VVER-1200 on innovatiivinen 3+ sukupolven reaktori, jonka teho on 1150 MW. Ainutlaatuisten teknisten ominaisuuksiensa ansiosta sillä on lähes ehdoton käyttöturvallisuus. Reaktori on varustettu runsaasti passiivisilla turvajärjestelmillä, jotka toimivat myös ilman virtalähdettä automaattitilassa.

Yksi niistä on passiivinen lämmönpoistojärjestelmä, joka aktivoituu automaattisesti, kun reaktori on täysin jännitteetön. Tässä tapauksessa hätähydraulisäiliöt ovat käytettävissä. Primääripiirin epänormaalin paineen laskun yhteydessä reaktoriin syötetään suuri määrä booria sisältävää vettä, joka sammuttaa ydinreaktion ja absorboi neutroneja.

Toinen osaaminen sijaitsee suojarakennuksen alaosassa - sulatteen "ansassa". Jos ydin kuitenkin "vuotaa" onnettomuuden seurauksena, "loukku" ei salli suojarakennuksen romahtamista eikä radioaktiivisten tuotteiden pääsyä maahan.

Ydinreaktoreilla on yksi tehtävä: jakaa atomeja kontrolloidussa reaktiossa ja käyttää vapautunutta energiaa sähkön tuottamiseen. Useiden vuosien ajan reaktorit on nähty sekä ihmeenä että uhkana.

Kun ensimmäinen yhdysvaltalainen kaupallinen reaktori otettiin käyttöön Shippingportissa Pennsylvaniassa vuonna 1956, tekniikkaa ylistettiin tulevaisuuden voimanlähteeksi, ja jotkut uskoivat, että reaktorit tekisivät sähköntuotannosta liian halpaa. Nyt ympäri maailmaa on rakennettu 442 ydinreaktoria, noin neljännes näistä reaktoreista on Yhdysvalloissa. Maailma on tullut riippuvaiseksi ydinreaktoreista, jotka tuottavat 14 prosenttia sähköstä. Futuristit jopa fantasioivat atomiautoista.

Kun Unit 2 -reaktori Three Mile Islandin voimalaitoksella Pennsylvaniassa joutui jäähdytyshäiriöön vuonna 1979 ja sen seurauksena sen radioaktiivisen polttoaineen osittaiseen sulamiseen, lämpimät tunteet reaktoreita kohtaan muuttuivat radikaalisti. Vaikka tuhoutunut reaktori suljettiin eikä suurta radioaktiivista päästöä tapahtunut, monet ihmiset alkoivat pitää reaktoreita liian monimutkaisina ja haavoittuvina, joilla oli mahdollisesti katastrofaalisia seurauksia. Ihmiset olivat myös huolissaan reaktorien radioaktiivisesta jätteestä. Tämän seurauksena uuden rakentaminen ydinvoimaloita pysähtyi Yhdysvalloissa. Kun Neuvostoliitossa Tšernobylin ydinvoimalassa tapahtui vakavampi onnettomuus vuonna 1986, ydinvoima vaikutti tuhoon tuomitulta.

Mutta 2000-luvun alussa ydinreaktorit alkoivat tehdä paluun energian kysynnän kasvun ja fossiilisten polttoaineiden tarjonnan vähenemisen sekä hiilidioksidipäästöjen aiheuttaman ilmastonmuutoksen kasvavan huolen ansiosta.

Mutta maaliskuussa 2011 iski toinen kriisi - tällä kertaa Fukushima 1, japanilainen ydinvoimala, vaurioitui pahasti maanjäristyksen seurauksena.

Ydinreaktion käyttö

Yksinkertaisesti sanottuna ydinreaktorissa atomit halkeavat ja vapauttavat energiaa, joka pitää niiden osat yhdessä.

Jos unohdat fysiikan lukio muistutamme teitä kuinka ydinfissio toimii. Atomit ovat kuin pieniä aurinkojärjestelmiä, joiden ydin kuin aurinko ja elektronit kuten planeetat kiertävät sen ympärillä. Ydin koostuu hiukkasista, joita kutsutaan protoneiksi ja neutroneiksi, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa. Voimaa, joka sitoo ytimen elementtejä, on vaikea edes kuvitella. Se on monia miljardeja kertoja vahvempi kuin painovoima. Tästä valtavasta voimasta huolimatta on mahdollista jakaa ydin ampumalla siihen neutroneja. Kun tämä on tehty, vapautuu paljon energiaa. Kun atomit hajoavat, niiden hiukkaset törmäävät lähellä oleviin atomeihin, jakaen ne ja nämä puolestaan ​​seuraavaksi, seuraavaksi, seuraavaksi. On olemassa ns ketjureaktio.

Uraani, suuriatominen alkuaine, on ihanteellinen fissioprosessiin, koska sen ytimen hiukkasia sitova voima on suhteellisen heikko muihin alkuaineisiin verrattuna. Ydinreaktorit käyttävät erityistä isotooppia nimeltä klojuoksi-235 . Uraani-235 on luonnossa harvinaista, sillä uraanikaivoksista peräisin oleva malmi sisältää vain noin 0,7 % U-235:tä. Siksi reaktorit käyttävät rikastettuklojuosta, joka syntyy eristämällä ja konsentroimalla uraani-235 kaasudiffuusioprosessin kautta.

Ketjureaktioprosessi voidaan luoda atomipommi, samanlaisia ​​kuin ne, jotka pudotettiin Japanin kaupunkeihin Hiroshimaan ja Nagasakiin toisen maailmansodan aikana. Mutta ydinreaktorissa ketjureaktiota ohjataan asettamalla säätösauvoja, jotka on valmistettu materiaaleista, kuten kadmiumista, hafniumista tai boorista, jotka absorboivat osan neutroneista. Tämä antaa edelleen fissioprosessin vapauttaa tarpeeksi energiaa veden lämmittämiseksi noin 270 celsiusasteeseen ja sen muuttamiseksi höyryksi, jota käytetään voimalaitoksen turbiinien kääntämiseen ja sähkön tuottamiseen. Periaatteessa tässä tapauksessa ohjattu ydinpommi toimii hiilen sijasta ja tuottaa sähköä, paitsi että energia veden kiehumiseen tulee atomien halkaisemisesta, ei hiilen polttamisesta.

Ydinreaktorin komponentit

Niitä on muutama erilaisia ​​tyyppejä ydinreaktoreita, mutta niitä kaikissa on Yleiset luonteenpiirteet. Niillä kaikilla on varasto radioaktiivisia polttoainepellettejä - yleensä uraanioksidia -, jotka on järjestetty putkiin muodostamaan polttoainesauvoja ydinereaktori.

Reaktorissa on myös edellä mainittu johtajatesauvaJa— neutroneja absorboivasta materiaalista, kuten kadmiumista, hafniumista tai boorista, joka on lisätty ohjaamaan tai pysäyttämään reaktio.

Reaktorissa on myös moderaattori, aine, joka hidastaa neutroneja ja auttaa hallitsemaan fissioprosessia. Useimmat Yhdysvaltojen reaktorit käyttävät pelkkää vettä, mutta muiden maiden reaktoreissa käytetään joskus grafiittia tai raskasVauvedetklo, jossa vety on korvattu deuteriumilla, vedyn isotoopilla, jossa on yksi protoni ja yksi neutroni. Toinen tärkeä osa järjestelmää on jäähdytysja minänestettäb, yleensä tavallinen vesi, joka absorboi ja siirtää lämpöä reaktorista muodostaen höyryä turbiinin pyörittämiseksi ja jäähdyttää reaktorin alueen niin, ettei se saavuta lämpötilaa, jossa uraani sulaa (noin 3815 celsiusastetta).

Lopuksi reaktori suljetaan sisään kuoriklo, iso, raskas, yleensä useita metrejä paksu, teräksestä ja betonista valmistettu rakenne, joka pitää radioaktiiviset kaasut ja nesteet sisällä, missä ne eivät voi vahingoittaa ketään.

Käytössä on useita erilaisia ​​reaktorimalleja, mutta yksi yleisimmistä on painevesivoimareaktori (VVER). Tällaisessa reaktorissa vesi pakotetaan kosketukseen sydämen kanssa ja pysyy siellä sellaisen paineen alaisena, ettei se voi muuttua höyryksi. Tämä vesi joutuu sitten höyrynkehittimessä kosketukseen ilman painetta syötetyn veden kanssa, joka muuttuu höyryksi, joka pyörittää turbiineja. Siellä on myös muotoilu suuritehoinen kanavatyyppinen reaktori (RBMK) yhdellä vesikierrolla ja nopea neutronireaktori kahdella natrium- ja yhdellä vesikierrolla.

Kuinka turvallinen ydinreaktori on?

Vastaus tähän kysymykseen on melko vaikea, ja se riippuu siitä, keneltä kysyt ja mitä tarkoitat "turvallisella". Oletko huolissasi reaktoreissa syntyvästä säteilystä tai radioaktiivisesta jätteestä? Vai oletko enemmän huolissasi katastrofaalisen onnettomuuden mahdollisuudesta? Minkä tason riskin pidätte hyväksyttävänä kompromissina ydinvoiman hyötyjen suhteen? Ja missä määrin luotat hallitukseen ja ydinenergiaan?

"Säteily" on pätevä argumentti, lähinnä siksi, että me kaikki tiedämme, että suuret säteilyannokset, kuten räjähdys ydinpommi voi tappaa tuhansia ihmisiä.

Ydinvoiman kannattajat huomauttavat kuitenkin, että olemme kaikki säännöllisesti alttiina säteilylle useista eri lähteistä, mukaan lukien kosmiset säteet ja luonnollinen säteily maan lähettämä. Keskimääräinen vuotuinen säteilyannos on noin 6,2 millisievertiä (mSv), josta puolet tulee luonnollisista lähteistä ja puolet ihmisen aiheuttamista lähteistä, kuten rintakehän röntgenkuvauksista, savuilmaisimista ja valaisevista kellotauluista. Kuinka paljon säteilyä saamme ydinreaktoreista? Vain pieni murto-osa prosentista tyypillisestä vuosialtistumisestamme, 0,0001 mSv.

Vaikka kaikista ydinvoimaloista vuotaa väistämättä pieniä määriä säteilyä, viranomaistoimikunnat pitävät ydinvoimaloiden operaattorit tiukkojen määräysten alaisina. Ne eivät saa altistaa laitoksen ympäristössä asuvia yli 1 mSv:n säteilylle vuodessa, ja laitoksen työntekijöiden raja-arvo on 50 mSv vuodessa. Tämä saattaa tuntua suurelta, mutta ydinalan sääntelykomission mukaan ei ole olemassa lääketieteellistä näyttöä siitä, että alle 100 mSv:n vuotuiset säteilyannokset aiheuttaisivat terveysriskejä ihmisille.

Mutta on tärkeää huomata, että kaikki eivät ole samaa mieltä tällaisesta omahyväisestä säteilyriskien arvioinnista. Esimerkiksi Physicians for Social Responsibility, pitkäaikainen ydinalan kriitikko, on tutkinut saksalaisten ydinvoimaloiden ympärillä asuvia lapsia. Tutkimus osoitti, että 5 kilometrin säteellä ydinvoimaloista asuvilla oli kaksinkertainen riski sairastua leukemiaan verrattuna niillä, jotka asuvat kauempana ydinvoimalaitoksesta.

ydinjätereaktori

Sen kannattajat mainostavat ydinvoimaa "puhtaana" energiana, koska reaktori ei päästä suuria määriä kasvihuonekaasuja ilmakehään verrattuna hiilivoimaloihin. Mutta kriitikot viittaavat toiseen ympäristöongelmaan: ydinjätteen loppusijoitukseen. Osa reaktorien käytetystä polttoainejätteestä vapauttaa edelleen radioaktiivisuutta. Muut tarpeettomat tavarat, jotka pitäisi säästää, on korkea-aktiivinen radioaktiivinen jäte, nestemäinen jäännös käytetyn polttoaineen käsittelystä, johon osa uraanista jäi. Tällä hetkellä suurin osa tästä jätteestä varastoidaan paikallisesti ydinvoimalaitoksilla vesialtaisiin, jotka imevät osan käytetyn polttoaineen tuottamasta jäljellä olevasta lämmöstä ja auttavat suojaamaan työntekijöitä säteilyaltistukselta.

Eräs käytetyn ydinpolttoaineen ongelmista on se, että se on muuttunut fissioprosessin aikana ja suuria uraaniatomeja halkeamalla syntyy sivutuotteita - useiden kevyiden alkuaineiden, kuten cesium-137 ja strontium-90, radioaktiivisia isotooppeja, ns. fissiotuotteet. Ne ovat kuumia ja erittäin radioaktiivisia, mutta lopulta 30 vuoden aikana ne hajoavat pienemmiksi vaarallisia muotoja. Tätä ajanjaksoa kutsutaan Pajanjaksoaohmpuolikas elämä. Muiden radioaktiivisten alkuaineiden puoliintumisaika on erilainen. Lisäksi jotkut uraaniatomit vangitsevat myös neutroneja muodostaen raskaampia alkuaineita, kuten plutoniumia. Nämä transuraanielementit eivät tuota yhtä paljon lämpöä tai läpäisevää säteilyä kuin fissiotuotteet, mutta niiden hajoaminen kestää paljon kauemmin. Esimerkiksi plutonium-239:n puoliintumisaika on 24 000 vuotta.

Nämä radioaktiivinenelähtöäs korkeatasoinen reaktoreista ovat vaarallisia ihmisille ja muille elämänmuodoille, koska ne voivat vapauttaa valtavia, tappavia säteilyannoksia jo lyhyestäkin altistumisesta. Esimerkiksi kymmenen vuoden kuluttua polttoaineen poistamisesta reaktorista ne päästävät 200 kertaa enemmän radioaktiivisuutta tunnissa kuin ihmisen tappamiseen kuluu. Ja jos jäte päätyy pohjaveteen tai jokiin, se voi päästä ravintoketjuun ja vaarantaa suuren määrän ihmisiä.

Koska jäte on niin vaarallista, monet ihmiset ovat vaikeassa tilanteessa. 60 000 tonnia jätettä sijaitsee lähellä olevilla ydinvoimaloilla isot kaupungit. Mutta turvallisen paikan löytäminen jätteiden varastointiin on erittäin vaikeaa.

Mikä voi mennä pieleen ydinreaktorissa?

Valtion sääntelijät katsovat taaksepäin kokemuksiaan, joten insinöörit ovat viettäneet paljon aikaa vuosien varrella reaktorien suunnitteluun optimaalisen turvallisuuden takaamiseksi. Ne eivät vain hajoa, toimivat kunnolla ja niillä on varmuuskopiot, jos asiat eivät mene suunnitelmien mukaan. Tämän seurauksena ydinvoimalat näyttävät vuosi vuodelta melko turvallisilta verrattuna esimerkiksi lentomatkoihin, jotka tappavat rutiininomaisesti 500–1 100 ihmistä vuodessa maailmanlaajuisesti.

Siitä huolimatta ydinreaktorit ohittavat suuret häiriöt. Kansainvälisellä ydintapahtuma-asteikolla, jossa reaktorionnettomuudet arvostetaan 1–7, on vuodesta 1957 lähtien sattunut viisi onnettomuutta, jotka on arvosteltu 5–7.

Pahin painajainen on jäähdytysjärjestelmän rikkoutuminen, joka johtaa polttoaineen ylikuumenemiseen. Polttoaine muuttuu nesteeksi ja palaa sitten suojarakennuksen läpi ja levittää radioaktiivista säteilyä. Vuonna 1979 Three Mile Islandin ydinvoimalan (USA) yksikkö 2 oli tämän skenaarion partaalla. Onneksi hyvin suunniteltu suojajärjestelmä oli riittävän vahva estämään säteilyn karkaamisen.

Neuvostoliitto oli vähemmän onnekas. Vakava ydinonnettomuus tapahtui huhtikuussa 1986 Tšernobylin ydinvoimalan neljännessä voimalaitoksessa. Tämä johtui järjestelmävikojen, suunnitteluvirheiden ja huonosti koulutetun henkilöstön yhdistelmästä. Rutiinitestin aikana reaktio lisääntyi äkillisesti ja ohjaussauvat jumiutuivat, mikä esti hätäpysäytyksen. Äkillinen höyryn kertymä aiheutti kaksi lämpöräjähdystä, jotka heittivät reaktorin grafiittihidastajan ilmaan. Koska reaktorin polttoainesauvoja ei jäähdyttänyt, ne alkoivat ylikuumentua ja tuhoutua kokonaan, minkä seurauksena polttoaine sai nestemäisen muodon. Monet aseman työntekijät ja selvittäjät kuolivat onnettomuudessa. Suuri määrä säteily levisi 323 749 alueelle neliökilometrit. Säteilykuolemien määrä on edelleen epäselvä, mutta Maailman terveysjärjestön mukaan se on saattanut aiheuttaa 9 000 syöpäkuolemaa.

Ydinreaktorien rakentajat antavat takuun perustuen todennäköisyysarvioe jossa he yrittävät tasapainottaa tapahtuman mahdollisen haitan ja sen todennäköisyyden, että se todella tapahtuu. Mutta jotkut kriitikot sanovat, että heidän pitäisi sen sijaan valmistautua harvinaisimpiin, odottamattomimpiin, mutta erittäin vaarallisiin tapahtumiin. Esimerkki- onnettomuus maaliskuussa 2011 Fukushima 1 -ydinvoimalaitoksessa Japanissa. Aseman kerrotaan olevan suunniteltu kestämään suuri järistys, mutta ei niin katastrofaalinen kuin 9.0 järistys, joka nosti 14 metrin tsunamiaallon patojen yli, jotka oli suunniteltu kestämään 5,4 metrin aaltoa. Tsunamin hyökkäys tuhosi varadieselgeneraattorit, jotka oli tarkoitettu toimittamaan voimanlähteenä kuuden ydinvoimalaitoksen reaktorin jäähdytysjärjestelmää sähkökatkon sattuessa, joten jopa sen jälkeen, kun Fukushiman reaktorien säätösauvat pysäyttivät fissioreaktion, vielä kuuma polttoaine mahdollisti lämpötilan tuhoutuneiden reaktorien sisällä.

Japanin viranomaiset turvautuivat vähintään- reaktorien tulviminen valtavalla määrällä merivettä boorihappoa lisäämällä, mikä voisi estää katastrofin, mutta tuhosi reaktorilaitteiston. Lopulta japanilaiset pystyivät pumppaamaan makeaa vettä paloautojen ja proomujen avulla reaktoreihin. Mutta siihen mennessä valvonta oli jo osoittanut hälyttäviä säteilytasoja ympäröivässä maassa ja vedessä. Yhdessä kylässä 40 kilometrin päässä tästä ydinvoimalaitoksesta radioaktiivinen elementti Cesium-137 osoittautui paljon korkeammalle tasolle kuin Tšernobylin katastrofin jälkeen, mikä herätti epäilyksiä ihmisten asumisen mahdollisuudesta tällä vyöhykkeellä.

: ... 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 upotettuna reaktoriin! - loppujen lopuksi se lämpenee vain sisällä, kuitenkin ennen lastausta 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 eli kemiallisten reaktioiden tapauksessa 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 ainakin yhden toimitetuista reaktorin sammutusjärjestelmistä on suoritettava 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 -