Astăzi vom face o scurtă călătorie în lumea fizicii nucleare. Tema excursiei noastre va fi un reactor nuclear. Veți afla cum funcționează, ce principii fizice stau la baza funcționării sale și unde este utilizat acest dispozitiv.

Nașterea energiei nucleare

Primul reactor nuclear din lume a fost construit în 1942 în SUA. grup experimental de fizicieni condus de laureat Premiul Nobel Enrico Fermi. În același timp, au efectuat o reacție de fisiune a uraniului auto-susținută. Geniul atomic a fost eliberat.

Primul reactor nuclear sovietic a fost lansat în 1946, iar 8 ani mai târziu, prima centrală nucleară din lume din orașul Obninsk a dat curent. Supraveghetorul științific șef al muncii în industria energiei nucleare a URSS a fost un fizician remarcabil Igor Vasilievici Kurchatov.

De atunci, mai multe generații de reactoare nucleare s-au schimbat, dar elementele principale ale designului său au rămas neschimbate.

Anatomia unui reactor nuclear

Această instalație nucleară este un rezervor de oțel cu pereți groși, cu o capacitate cilindrică variind de la câțiva centimetri cubi la mulți metri cubi.

În interiorul acestui cilindru se află sfântul sfintelor - miezul reactorului. Aici are loc reacția în lanț de fisiune a combustibilului nuclear.

Să vedem cum are loc acest proces.

Nucleele elementelor grele, în special Uraniu-235 (U-235), sub influența unei mici împingeri de energie, ele sunt capabile să se destrame în 2 fragmente de masă aproximativ egală. Agentul cauzal al acestui proces este neutronul.

Fragmentele sunt cel mai adesea nuclee de bariu și cripton. Fiecare dintre ele poartă o sarcină pozitivă, așa că forțele de repulsie coulombiană îi forțează să se împrăștie în direcții diferite cu o viteză de aproximativ 1/30 din viteza luminii. Aceste fragmente sunt purtătoare de colosale energie kinetică.

Pentru utilizarea în practică a energiei, este necesar ca eliberarea acesteia să fie autosusținută. Reacție în lanț, care este în discuție este cu atât mai interesant cu cât fiecare eveniment de fisiune este însoțit de emisia de noi neutroni. Pentru un neutron inițial, în medie, apar 2-3 neutroni noi. Numărul de nuclee de uraniu fisionabil crește ca o avalanșă, provocând eliberarea unei energii enorme. Dacă acest proces nu este controlat, va avea loc o explozie nucleară. Are loc în .

Pentru a controla numărul de neutroni materialele care absorb neutronii sunt introduse în sistem, oferind o eliberare lină de energie. Cadmiul sau borul sunt folosite ca absorbanți de neutroni.

Cum să reduceți și să utilizați energia cinetică uriașă a fragmentelor? În aceste scopuri, se utilizează un lichid de răcire, de ex. un mediu special, în mișcare în care fragmentele sunt decelerate și încălzite la temperaturi extrem de ridicate. Un astfel de mediu poate fi apă obișnuită sau grea, metale lichide (sodiu), precum și unele gaze. Pentru a nu provoca tranziția lichidului de răcire într-o stare de vapori, presiunea ridicată este menținută în miez (până la 160 atm). Din acest motiv, pereții reactorului sunt fabricați din oțel de zece centimetri de clase speciale.

Dacă neutronii zboară din combustibilul nuclear, atunci reacția în lanț poate fi întreruptă. Prin urmare, există o masă critică de material fisionabil, de ex. masa sa minimă la care se va menține o reacție în lanț. Depinde de diverși parametri, inclusiv prezența unui reflector în jurul miezului reactorului. Acesta servește la prevenirea scurgerilor de neutroni în mediu. Cel mai comun material pentru acest element structural este grafitul.

Procesele care au loc în reactor sunt însoțite de eliberarea tip periculos radiații – radiații gamma. Pentru a minimiza acest pericol, oferă protecție împotriva radiațiilor.

Cum funcționează un reactor nuclear

Combustibilul nuclear, numit elemente de combustibil, este plasat în miezul reactorului. Sunt tablete formate dintr-un material fisionabil și ambalate în tuburi subțiri de aproximativ 3,5 m lungime și 10 mm în diametru.

Sute de ansambluri de combustibil de același tip sunt plasate în miez și devin surse de energie termică eliberată în timpul reacției în lanț. Lichidul de răcire care spală barele de combustibil formează primul circuit al reactorului.

Incalzit la parametri inalti, este pompat la generatorul de abur, unde isi transfera energia in apa din circuitul secundar, transformandu-l in abur. Aburul rezultat rotește turbina generatoare. Electricitatea generată de această unitate este transferată către consumator. Iar aburul evacuat, răcit de apa din iazul de răcire, sub formă de condens, este returnat la generatorul de abur. Ciclul se închide.

O astfel de funcționare în două circuite a unei instalații nucleare exclude pătrunderea radiațiilor care însoțesc procesele care au loc în miez dincolo de limitele sale.

Deci, în reactor are loc un lanț de transformări energetice: energia nucleară a materialului fisionabil → în energia cinetică a fragmentelor → energia termică a lichidului de răcire → energia cinetică a turbinei → și în energie electrică în generator.

Pierderea inevitabilă de energie duce la faptul că Eficiența centralelor nucleare este relativ scăzută, 33-34%.

Pe lângă generarea de energie electrică la centralele nucleare, reactoarele nucleare sunt folosite pentru a produce diverși izotopi radioactivi, pentru cercetare în multe domenii ale industriei și pentru a studia parametrii admisibili ai reactoarelor industriale. Reactoarele de transport, care furnizează energie motoarelor vehiculelor, devin din ce în ce mai răspândite.

Tipuri de reactoare nucleare

De obicei, reactoarele nucleare funcționează cu uraniu U-235. Cu toate acestea, conținutul său material natural extrem de mic, doar 0,7%. Masa principală de uraniu natural este izotopul U-238. O reacție în lanț în U-235 poate fi cauzată doar de neutroni lenți, iar izotopul U-238 este fisionat doar de neutroni rapizi. Ca rezultat al fisiunii nucleare, se nasc atât neutroni lenți, cât și cei rapizi. Neutronii rapizi, care se confruntă cu decelerare în lichidul de răcire (apă), devin lenți. Însă cantitatea de izotop U-235 din uraniul natural este atât de mică încât este necesar să se recurgă la îmbogățirea lui, aducând concentrația acestuia la 3-5%. Acest proces este foarte costisitor și dezavantajos din punct de vedere economic. În plus, timpul de epuizare a resurselor naturale ale acestui izotop este estimat la doar 100-120 de ani.

Prin urmare, în industria nucleară are loc o tranziție treptată la reactoare care funcționează pe neutroni rapizi.

Principala lor diferență este că metalele lichide sunt folosite ca lichid de răcire, care nu încetinesc neutronii, iar U-238 este folosit ca combustibil nuclear. Nucleele acestui izotop trec printr-un lanț de transformări nucleare în Plutoniu-239, care este supus unei reacții în lanț în același mod ca U-235. Adică, există o reproducere a combustibilului nuclear și într-o cantitate care depășește consumul acestuia.

Potrivit experților Rezervele de izotopi de uraniu-238 ar trebui să dureze 3.000 de ani. Acest timp este suficient pentru ca omenirea să aibă suficient timp pentru a dezvolta alte tehnologii.

Probleme în utilizarea energiei nucleare

Alături de beneficiile evidente energie nucleara, amploarea problemelor asociate cu exploatarea instalațiilor nucleare nu poate fi subestimată.

Prima dintre acestea este eliminarea deșeurilor radioactive și a echipamentelor demontate energie nucleară. Aceste elemente au un fond activ de radiații, care persistă o perioadă lungă de timp. Pentru eliminarea acestor deșeuri se folosesc containere speciale de plumb. Acestea ar trebui să fie îngropate în zone de permafrost la o adâncime de până la 600 de metri. Prin urmare, se lucrează în mod constant pentru a găsi o modalitate de procesare a deșeurilor radioactive, care ar trebui să rezolve problema eliminării și să ajute la conservarea ecologiei planetei noastre.

A doua problemă majoră este asigurarea sigurantei in timpul functionarii CNE. Accidentele majore precum Cernobîl pot lua multe vieți omenești și pot scoate din uz teritorii vaste.

Accidentul de la centrala nucleară japoneză „Fukushima-1” nu a făcut decât să confirme potențialul pericol care se manifestă în cazul unei situații de urgență la instalațiile nucleare.

Cu toate acestea, posibilitățile energiei nucleare sunt atât de mari încât probleme ecologice se estompează în fundal.

Astăzi, omenirea nu are altă cale de a satisface foamea de energie din ce în ce mai mare. Baza industriei de energie nucleară a viitorului va fi probabil reactoarele „rapide” cu funcția de a genera combustibil nuclear.

Dacă acest mesaj ți-a fost de folos, m-aș bucura să te văd

Pentru o persoană obișnuită, dispozitivele moderne de înaltă tehnologie sunt atât de misterioase și misterioase încât este corect să le venerezi, așa cum anticii se închinau fulgerelor. Lecțiile școlare de fizică, pline de calcule matematice, nu rezolvă problema. Dar este interesant de spus chiar și despre reactor atomic, al cărui principiu este clar chiar și unui adolescent.

Cum funcționează un reactor nuclear?

Principiul de funcționare al acestui dispozitiv de înaltă tehnologie este următorul:

1. Când un neutron este absorbit, combustibil nuclear (cel mai adesea acesta uraniu-235 sau plutoniu-239) are loc divizarea nucleului atomic;
2. Se eliberează energia cinetică, radiația gamma și neutronii liberi;
3. Energia cinetică este transformată în energie termică (când nucleele se ciocnesc de atomii din jur), radiațiile gamma sunt absorbite de reactor însuși și sunt, de asemenea, transformate în căldură;
4. Unii dintre neutronii generați sunt absorbiți de atomii de combustibil, ceea ce provoacă o reacție în lanț. Pentru a-l controla se folosesc absorbante de neutroni si moderatori;
5. Cu ajutorul unui lichid de răcire (apă, gaz sau sodiu lichid), căldura este îndepărtată din locul de reacție;
6. Aburul sub presiune din apa încălzită este utilizat pentru a antrena turbinele cu abur;
7. Cu ajutorul unui generator, energia mecanică de rotație a turbinelor este transformată în curent electric alternativ.

Abordări ale clasificării

Pot exista multe motive pentru tipologia reactoarelor:

• După tipul de reacție nucleară. Fisiunea (toate instalațiile comerciale) sau fuziunea (puterea termonucleară, este răspândită doar în unele institute de cercetare);
• Prin lichid de răcire. În marea majoritate a cazurilor, în acest scop este folosită apa (fiartă sau grea). Uneori se folosesc soluții alternative: metal lichid (sodiu, aliaj plumb-bismut, mercur), gaz (heliu, dioxid de carbon sau azot), sare topită (săruri fluorurate);
• După generație. Primul este prototipurile timpurii, care nu aveau niciun sens comercial. A doua este majoritatea centralelor nucleare utilizate în prezent, care au fost construite înainte de 1996. A treia generație diferă de cea anterioară doar prin îmbunătățiri minore. Lucrările la a patra generație sunt încă în desfășurare;
• După starea agregată combustibil (gazul există încă doar pe hârtie);
• După scopul utilizării(pentru producerea energiei electrice, pornirea motorului, producerea hidrogenului, desalinizarea, transmutarea elementelor, obținerea radiațiilor neuronale, în scopuri teoretice și de investigare).

Dispozitiv cu reactor nuclear

Principalele componente ale reactoarelor din majoritatea centralelor electrice sunt:

1. Combustibil nuclear - o substanță care este necesară pentru producerea de căldură pentru turbinele de putere (de obicei uraniu slab îmbogățit);
2. Zona activă a reactorului nuclear - aici este locul reacție nucleară;
3. Moderator de neutroni - reduce viteza neutronilor rapizi, transformându-i în neutroni termici;
4. Sursă de neutroni de pornire - utilizată pentru lansarea fiabilă și stabilă a unei reacții nucleare;
5. Absorbant de neutroni - disponibil în unele centrale electrice pentru a reduce reactivitatea ridicată a combustibilului proaspăt;
6. Obuzier cu neutroni - folosit pentru a reiniția o reacție după ce a fost oprit;
7. Lichid de răcire (apă purificată);
8. Tije de control - pentru a controla viteza de fisiune a nucleelor ​​de uraniu sau plutoniu;
9. Pompa de apa - pompeaza apa la cazanul de abur;
10. Turbină cu abur - transformă energia termică a aburului în energie mecanică de rotație;
11. Turn de răcire - un dispozitiv pentru îndepărtarea excesului de căldură în atmosferă;
12. Sistem de recepție și depozitare a deșeurilor radioactive;
13. Sisteme de siguranță (generatoare diesel de urgență, dispozitive pentru răcirea miezului de urgență).

Cum funcționează cele mai recente modele

Cea mai recentă generație de reactoare va fi disponibilă pentru funcționare comercială nu mai devreme de 2030. În prezent, principiul și aranjarea muncii lor sunt în stadiul de dezvoltare. Conform datelor actuale, aceste modificări vor diferi de modelele existente în acest sens beneficii:

• Sistem rapid de racire cu gaz. Se presupune că heliul va fi folosit ca lichid de răcire. Conform documentatia proiectului, astfel este posibilă răcirea reactoarelor cu o temperatură de 850 °C. Pentru a lucra la temperaturi atât de ridicate sunt necesare și materii prime specifice: materiale ceramice compozite și compuși actinidici;
• Este posibil să se utilizeze plumb sau un aliaj plumb-bismut ca agent de răcire primar. Aceste materiale au o absorbție scăzută de neutroni și un punct de topire relativ scăzut;
• De asemenea, un amestec de săruri topite poate fi folosit ca agent de răcire principal. Astfel, va fi posibil să se lucreze la temperaturi mai ridicate decât omologii moderni răciți cu apă.

Analogi naturali în natură

Un reactor nuclear este perceput în mintea publicului doar ca un produs de înaltă tehnologie. Cu toate acestea, de fapt primul dispozitivul este de origine naturală. A fost descoperit în regiunea Oklo, în statul Gabon central din Africa:

• Reactorul s-a format din cauza inundării rocilor de uraniu de către apele subterane. Ei au acționat ca moderatori de neutroni;
• Energia termică eliberată în timpul descompunerii uraniului transformă apa în abur, iar reacția în lanț se oprește;
• După ce temperatura lichidului de răcire scade, totul se repetă din nou;
• Dacă lichidul nu ar fi fiert și nu ar fi oprit cursul reacției, omenirea s-ar fi confruntat cu un nou dezastru natural;
• Fisiunea nucleară auto-susținută a început în acest reactor în urmă cu aproximativ un miliard și jumătate de ani. În acest timp, au fost alocate aproximativ 0,1 milioane de wați de putere de ieșire;
• O astfel de minune a lumii de pe Pământ este singura cunoscută. Apariția altora noi este imposibilă: proporția de uraniu-235 din materiile prime naturale este mult mai mică decât nivelul necesar pentru a menține o reacție în lanț.

Câte reactoare nucleare sunt în Coreea de Sud?

Săracă în resurse naturale, dar industrializată și suprapopulată, Republica Coreea are mare nevoie de energie. Pe fundalul refuzului Germaniei de la atomul pașnic, această țară se află mari sperante pentru a reduce tehnologia nucleară:

• Este planificat ca până în 2035 ponderea energiei electrice generate de centralele nucleare să ajungă la 60%, iar producția totală - mai mult de 40 gigawați;
• Țara nu are arme atomice, dar cercetările în fizica nucleară sunt în desfășurare. Oamenii de știință coreeni au dezvoltat modele pentru reactoare moderne: modulare, cu hidrogen, cu metal lichid etc.;
• Succesul cercetătorilor locali vă permite să vindeți tehnologie în străinătate. Este de așteptat ca în următorii 15-20 de ani țara să exporte 80 de astfel de unități;
• Dar de astăzi, majoritatea centralelor nucleare au fost construite cu ajutorul oamenilor de știință americani sau francezi;
• Numărul de stații de operare este relativ mic (doar patru), dar fiecare dintre ele are un număr semnificativ de reactoare - 40 în total, iar această cifră va crește.

Când este bombardat cu neutroni, combustibilul nuclear intră într-o reacție în lanț, în urma căreia se generează o cantitate imensă de căldură. Apa din sistem preia această căldură și o transformă în abur, care transformă turbinele care produc energie electrică. Iată o diagramă simplă a funcționării unui reactor atomic, cea mai puternică sursă de energie de pe Pământ.

Video: cum funcționează reactoarele nucleare

În acest videoclip, fizicianul nuclear Vladimir Chaikin vă va spune cum este generată electricitatea în reactoarele nucleare, structura lor detaliată:

Reacția în lanț a fisiunii este întotdeauna însoțită de eliberarea de energie de o magnitudine enormă. Utilizarea practică a acestei energii este sarcina principală a unui reactor nuclear.

Un reactor nuclear este un dispozitiv în care are loc o reacție de fisiune nucleară controlată sau controlată.

Conform principiului de funcționare, reactoarele nucleare sunt împărțite în două grupe: reactoare cu neutroni termici și reactoare cu neutroni rapizi.

Cum funcționează un reactor nuclear cu neutroni termici?

Un reactor nuclear tipic are:

• Core și moderator;
• reflector de neutroni;
• Lichid de răcire;
• Sistem de control al reacției în lanț, protecție în caz de urgență;
• Sistem de control și protecție împotriva radiațiilor;
• Sistem de control de la distanță.

1 - zona activa; 2 - reflector; 3 - protectie; 4 - tije de control; 5 - lichid de răcire; 6 - pompe; 7 - schimbător de căldură; 8 - turbină; 9 - generator; 10 - condensator.

Core și moderator

În miez are loc reacția controlată în lanț de fisiune.

Majoritatea reactoarelor nucleare funcționează pe izotopi grei de uraniu-235. Dar în probele naturale de minereu de uraniu, conținutul său este de doar 0,72%. Această concentrație nu este suficientă pentru a se dezvolta o reacție în lanț. Prin urmare, minereul este îmbogățit artificial, aducând conținutul acestui izotop la 3%.

Materialul fisionabil, sau combustibilul nuclear, sub formă de pelete este plasat în tije închise ermetic numite TVEL-uri (elemente combustibile). Ele pătrund în întreaga zonă activă umplută cu moderator neutroni.

De ce este necesar un moderator de neutroni într-un reactor nuclear?

Cert este că neutronii născuți după dezintegrarea nucleelor ​​de uraniu-235 au o viteză foarte mare. Probabilitatea captării lor de către alte nuclee de uraniu este de sute de ori mai mică decât probabilitatea captării neutronilor lenți. Și dacă nu le reduceți viteza, reacția nucleară se poate estompa în timp. Moderatorul rezolvă problema reducerii vitezei neutronilor. Daca apa sau grafitul sunt plasate in calea neutronilor rapizi, viteza acestora poate fi redusa artificial si astfel numarul de particule captate de atomi poate fi crescut. În același timp, este necesară o cantitate mai mică de combustibil nuclear pentru o reacție în lanț într-un reactor.

Ca urmare a procesului de decelerare, neutroni termici, a cărui viteză este aproape egală cu viteza mișcarea termică molecule de gaz la temperatura camerei.

Ca moderator în reactoarele nucleare, se utilizează apă, apă grea (oxid de deuteriu D 2 O), beriliu și grafit. Dar cel mai bun moderator este apa grea D 2 O.

Reflector de neutroni

Pentru a evita scurgerea de neutroni în mediu, miezul unui reactor nuclear este înconjurat de reflector de neutroni. Ca material pentru reflectoare, se folosesc adesea aceleași substanțe ca și la moderatori.

lichid de răcire

Căldura eliberată în timpul unei reacții nucleare este îndepărtată folosind un lichid de răcire. Ca agent de răcire în reactoarele nucleare, este adesea folosită apa naturală obișnuită, purificată anterior din diverse impurități și gaze. Dar, deoarece apa fierbe deja la o temperatură de 100 0 C și o presiune de 1 atm, pentru a crește punctul de fierbere, presiunea în circuitul primar de răcire este crescută. Apa circuitului primar, care circulă prin miezul reactorului, spală elementele de combustibil, în timp ce se încălzește până la o temperatură de 320 0 C. Mai în interiorul schimbătorului de căldură, eliberează căldură apei celui de-al doilea circuit. Schimbul trece prin tuburile de schimb de căldură, deci nu există contact cu apa circuitului secundar. Aceasta exclude pătrunderea substanțelor radioactive în al doilea circuit al schimbătorului de căldură.

Și atunci totul se întâmplă ca într-o centrală termică. Apa din al doilea circuit se transformă în abur. Aburul transformă o turbină, care antrenează un generator electric, care produce energie electrică.

În reactoarele cu apă grea, lichidul de răcire este apă grea D 2 O, iar în reactoarele cu lichid de răcire din metal, este metal topit.

Sistem de control al reacției în lanț

Starea actuală a reactorului este caracterizată de o mărime numită reactivitate.

ρ = ( k-1)/ k ,

k = n i / n i -1 ,

Unde k este factorul de multiplicare a neutronilor,

n i este numărul de neutroni din generația următoare într-o reacție de fisiune nucleară,

n i -1 , este numărul de neutroni din generația anterioară în aceeași reacție.

Dacă k ˃ 1 , reacția în lanț se acumulează, sistemul este numit supercritic th. Dacă k< 1 , reacția în lanț scade și sistemul este numit subcritic. La k = 1 reactorul este în stare critică stabilă, deoarece numărul de nuclee fisionabile nu se modifică. În această stare, reactivitate ρ = 0 .

Starea critică a reactorului (factorul de multiplicare a neutronilor necesar într-un reactor nuclear) este menținută prin mișcare tije de control. Materialul din care sunt fabricate include substanțe care absorb neutronii. Împingerea sau împingerea acestor tije în miez controlează viteza reacției de fisiune nucleară.

Sistemul de control asigură controlul reactorului în timpul pornirii sale, opririi planificate, funcționării la putere, precum și protecția de urgență a reactorului nuclear. Acest lucru se realizează prin schimbarea poziției tijelor de control.

Dacă vreunul dintre parametrii reactorului (temperatura, presiunea, viteza de deplasare a puterii, consumul de combustibil etc.) se abate de la normă, iar acest lucru poate duce la un accident, special tije de urgențăși are loc o încetare rapidă a reacției nucleare.

Pentru a vă asigura că parametrii reactorului respectă standardele, monitorizați sisteme de monitorizare și radioprotecție.

Pentru pază mediu inconjurator de la radiații radioactive, reactorul este plasat într-o carcasă groasă de beton.

Sisteme de control de la distanță

Toate semnalele despre starea unui reactor nuclear (temperatura lichidului de răcire, nivelul de radiație în părți diferite reactor etc.) sunt trimise la panoul de control al reactorului și procesate în sisteme informatice. Operatorul primește toate informațiile și recomandările necesare pentru a elimina anumite abateri.

Reactoare rapide cu neutroni

Diferența dintre acest tip de reactoare și reactoarele cu neutroni termici este că neutronii rapizi care apar după dezintegrarea uraniului-235 nu sunt încetiniți, ci sunt absorbiți de uraniul-238 cu transformarea sa ulterioară în plutoniu-239. Prin urmare, reactoarele cu neutroni rapizi sunt folosite pentru a produce plutoniu-239 de calitate pentru arme și energie termică, care este convertită în energie electrică de către generatoarele centralei nucleare.

Combustibilul nuclear din astfel de reactoare este uraniu-238, iar materia primă este uraniu-235.

În natural minereu de uraniu 99,2745% sunt uraniu-238. Când un neutron termic este absorbit, acesta nu se fisiază, ci devine un izotop al uraniului-239.

La ceva timp după degradarea β, uraniul-239 se transformă în nucleul neptuniului-239:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

După a doua dezintegrare β, se formează plutoniu-239 fisionabil:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

Și, în cele din urmă, după dezintegrarea alfa a nucleului de plutoniu-239, se obține uraniu-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Elementele de combustibil cu materii prime (uraniu îmbogățit-235) sunt amplasate în miezul reactorului. Această zonă este înconjurată de o zonă de reproducere, care este tije de combustibil cu combustibil (uraniu sărăcit-238). Neutronii rapizi emiși din miez după dezintegrarea uraniului-235 sunt capturați de nucleele de uraniu-238. Rezultatul este plutoniu-239. Astfel, combustibilul nuclear nou este produs în reactoare cu neutroni rapizi.

Metalele lichide sau amestecurile lor sunt utilizate ca agenți de răcire în reactoarele nucleare cu neutroni rapidi.

Clasificarea și aplicarea reactoarelor nucleare

Reactoarele nucleare sunt utilizate în principal în centrale nucleare. Cu ajutorul lor se obține energie electrică și termică la scară industrială. Astfel de reactoare se numesc energie .

Reactoarele nucleare sunt utilizate pe scară largă în sistemele de propulsie ale submarinelor nucleare moderne, navelor de suprafață, tehnologie spațială. Ele furnizează energie electrică motoarelor și sunt numite reactoare de transport .

Pentru cercetare științificăîn domeniul fizicii nucleare și al chimiei radiațiilor, folosesc fluxuri de neutroni, cuante gama, care sunt obținute în miez. reactoare de cercetare. Energia generată de acestea nu depășește 100 MW și nu este utilizată în scopuri industriale.

Putere reactoare experimentale chiar mai puțin. Atinge o valoare de doar câțiva kW. Aceste reactoare sunt folosite pentru a studia diverse mărimi fizice, a căror semnificație este importantă în proiectarea reacțiilor nucleare.

LA reactoare industriale includ reactoare pentru producerea de izotopi radioactivi utilizați în scopuri medicale, precum și în diverse domenii ale industriei și tehnologiei. Reactoarele de desalinizare a apei de mare sunt, de asemenea, reactoare industriale.

Energia nucleară este o modalitate modernă și în dezvoltare rapidă de a genera energie electrică. Știți cum sunt amenajate centralele nucleare? Care este principiul de funcționare al unei centrale nucleare? Ce tipuri de reactoare nucleare există astăzi? Vom încerca să luăm în considerare în detaliu schema de funcționare a unei centrale nucleare, să ne aprofundăm în structura unui reactor nuclear și să aflăm cât de sigură este metoda atomică de generare a energiei electrice.

Orice statie este o zona inchisa departe de zona rezidentiala. Pe teritoriul său există mai multe clădiri. Cea mai importantă clădire este clădirea reactorului, alături este sala turbinelor din care se controlează reactorul, și clădirea de siguranță.

Schema este imposibilă fără un reactor nuclear. Un reactor atomic (nuclear) este un dispozitiv al unei centrale nucleare, care este conceput pentru a organiza o reacție în lanț de fisiune a neutronilor cu eliberarea obligatorie de energie în acest proces. Dar care este principiul de funcționare al unei centrale nucleare?

Întreaga centrală a reactorului este amplasată în clădirea reactorului, un turn mare de beton care ascunde reactorul și, în caz de accident, va conține toți produsele unei reacții nucleare. Acest turn mare se numește reținere, înveliș ermetic sau reținere.

Zona de izolare din noile reactoare are 2 pereți groși de beton - învelișuri.
O carcasă exterioară de 80 cm grosime protejează zona de izolare de influențele externe.

Carcasa interioară cu o grosime de 1 metru 20 cm are cabluri speciale de oțel în dispozitivul său, care măresc rezistența betonului de aproape trei ori și nu vor permite structurii să se prăbușească. Pe interior, este căptușită foaie subțire oțel special, care este proiectat să servească drept protecție suplimentară a rezervorului și, în caz de accident, să nu elibereze conținutul reactorului în afara zonei de izolare.

Un astfel de dispozitiv al unei centrale nucleare poate rezista la căderea unei aeronave cu o greutate de până la 200 de tone, un cutremur de 8 grade, tornade și tsunami.

Prima carcasă sub presiune a fost construită la centrala nucleară americană Connecticut Yankee în 1968.

Înălțimea totală a zonei de izolare este de 50-60 de metri.

Din ce este făcut un reactor nuclear?

Pentru a înțelege principiul funcționării unui reactor nuclear și, prin urmare, principiul funcționării unei centrale nucleare, trebuie să înțelegeți componentele reactorului.

• zona activă. Aceasta este zona în care sunt amplasate combustibilul nuclear (degajatorul de căldură) și moderatorul. Atomii de combustibil (cel mai adesea uraniul este combustibilul) efectuează o reacție în lanț de fisiune. Moderatorul este conceput pentru a controla procesul de fisiune și vă permite să efectuați reacția necesară în ceea ce privește viteza și puterea.
• Reflector de neutroni. Reflectorul înconjoară zona activă. Este alcătuit din același material ca și moderatorul. De fapt, aceasta este o cutie, al cărei scop principal este de a împiedica neutronii să părăsească nucleul și să intre în mediu.
• Lichidul de răcire. Lichidul de răcire trebuie să absoarbă căldura care a fost eliberată în timpul fisiunii atomilor de combustibil și să o transfere altor substanțe. Lichidul de răcire determină în mare măsură modul în care este proiectată o centrală nucleară. Cel mai popular lichid de răcire astăzi este apa.
  Sistem de control al reactorului. Senzori și mecanisme care pun în acțiune reactorul centralei nucleare.

Combustibil pentru centrale nucleare

Ce face o centrală nucleară? Combustibilul pentru centralele nucleare este elemente chimice cu proprietăți radioactive. La toate centralele nucleare, uraniul este un astfel de element.

Proiectarea stațiilor implică faptul că centralele nucleare funcționează cu combustibil compozit complex, și nu pe un element chimic pur. Și pentru a extrage combustibilul cu uraniu din uraniul natural, care este încărcat într-un reactor nuclear, trebuie să efectuați o mulțime de manipulări.

Uraniu îmbogățit

Uraniul este format din doi izotopi, adică conține nuclee cu greutate diferită. Au fost denumiți după numărul de protoni și neutroni izotop -235 și izotop-238. Cercetătorii secolului al XX-lea au început să extragă uraniu 235 din minereu, deoarece. era mai ușor să se descompună și să se transforme. S-a dovedit că există doar 0,7% din un astfel de uraniu în natură (procentele rămase au mers la izotopul 238).

Ce să faci în acest caz? Au decis să îmbogăţească uraniul. Îmbogățirea uraniului este un proces în care există mulți izotopi 235x necesari și puțini izotopi 238x inutili rămase în el. Sarcina îmbogățitorilor de uraniu este de a face aproape 100% uraniu-235 din 0,7%.

Uraniul poate fi îmbogățit folosind două tehnologii - difuzie de gaz sau centrifugare cu gaz. Pentru utilizarea lor, uraniul extras din minereu este transformat în stare gazoasă. Sub formă de gaz, este îmbogățit.

pulbere de uraniu

Gazul de uraniu îmbogățit este transformat într-o stare solidă - dioxid de uraniu. Acest uraniu solid pur 235 arată ca niște cristale albe mari care sunt zdrobite ulterior în pulbere de uraniu.

Tablete de uraniu

Peleții de uraniu sunt șaibe metalice solide, lungi de câțiva centimetri. Pentru a modela astfel de tablete din pulbere de uraniu, se amestecă cu o substanță - un plastifiant, îmbunătățește calitatea presării tabletelor.

Mașinile de spălat presate sunt coapte la o temperatură de 1200 de grade Celsius mai mult de o zi pentru a conferi tabletelor o rezistență deosebită și rezistență la temperaturi ridicate. Modul în care funcționează o centrală nucleară depinde direct de cât de bine este comprimat și copt combustibilul cu uraniu.

Tabletele sunt coapte în cutii de molibden, deoarece. doar acest metal este capabil să nu se topească la temperaturi „infernale” de peste o mie și jumătate de grade. După aceea, combustibilul cu uraniu pentru centralele nucleare este considerat gata.

Ce este TVEL și TVS?

Miezul reactorului arată ca un disc uriaș sau o țeavă cu găuri în pereți (în funcție de tipul de reactor), de 5 ori mai mare decât un corp uman. Aceste găuri conțin combustibil de uraniu, ai cărui atomi efectuează reacția dorită.

Este imposibil să aruncați pur și simplu combustibil într-un reactor, ei bine, dacă nu doriți să obțineți o explozie a întregii stații și un accident cu consecințe pentru câteva state din apropiere. Prin urmare, combustibilul cu uraniu este plasat în bare de combustibil și apoi colectat în ansambluri de combustibil. Ce înseamnă aceste abrevieri?

• TVEL - element de combustibil (a nu se confunda cu cu acelasi nume companie rusă care le produce). De fapt, acesta este un tub de zirconiu subțire și lung din aliaje de zirconiu, în care sunt plasate granule de uraniu. În barele de combustibil, atomii de uraniu încep să interacționeze între ei, eliberând căldură în timpul reacției.

Zirconiul a fost ales ca material pentru producerea barelor de combustibil datorită proprietăților sale refractare și anticorozive.

Tipul elementelor combustibile depinde de tipul și structura reactorului. De regulă, structura și scopul tijelor de combustibil nu se modifică; lungimea și lățimea tubului pot fi diferite.

Mașina încarcă peste 200 de pelete de uraniu într-un tub de zirconiu. În total, aproximativ 10 milioane de pelete de uraniu lucrează simultan în reactor.
FA - ansamblu combustibil. Lucrătorii CNE numesc pachete de combustibil.

De fapt, acestea sunt mai multe TVEL-uri legate între ele. Ansamblurile de combustibil sunt combustibil nuclear gata preparat, cu ce funcționează o centrală nucleară. Sunt ansambluri de combustibil care sunt încărcate într-un reactor nuclear. Într-un reactor sunt plasate aproximativ 150 - 400 de ansambluri de combustibil.
În funcție de reactorul în care va funcționa ansamblul combustibil, acestea sunt forme diferite. Uneori pachetele sunt pliate într-o formă cubică, alteori într-o formă cilindrice, alteori într-o formă hexagonală.

Un ansamblu de combustibil pentru 4 ani de funcționare generează aceeași cantitate de energie ca atunci când ard 670 de mașini cu cărbune, 730 de rezervoare cu gaz natural sau 900 de tancuri încărcate cu ulei.
Astăzi, ansamblurile de combustibil sunt produse în principal în fabrici din Rusia, Franța, SUA și Japonia.

Pentru a livra combustibil pentru centralele nucleare în alte țări, ansamblurile de combustibil sunt sigilate în lung și lat tevi metalice, aerul este pompat din conducte și livrat la bordul aeronavelor de marfă de mașini speciale.

Combustibilul nuclear pentru centralele nucleare cântărește prohibitiv de mult. uraniul este unul dintre cele mai grele metale de pe planetă. Greutatea sa specifică este de 2,5 ori mai mare decât a oțelului.

Centrală nucleară: principiu de funcționare

Care este principiul de funcționare al unei centrale nucleare? Principiul de funcționare al centralelor nucleare se bazează pe o reacție în lanț de fisiune a atomilor unei substanțe radioactive - uraniu. Această reacție are loc în miezul unui reactor nuclear.

ESTE IMPORTANT DE STI:

Dacă nu intrați în complexitatea fizicii nucleare, principiul de funcționare al unei centrale nucleare arată astfel:
După pornirea reactorului nuclear, barele absorbante sunt îndepărtate din barele de combustibil, care împiedică uraniul să reacționeze.

De îndată ce tijele sunt îndepărtate, neutronii de uraniu încep să interacționeze între ei.

Când neutronii se ciocnesc, are loc o mini-explozie la nivel atomic, se eliberează energie și se nasc noi neutroni, începe să aibă loc o reacție în lanț. Acest proces eliberează căldură.

Căldura este transferată la lichidul de răcire. În funcție de tipul de lichid de răcire, acesta se transformă în abur sau gaz, care rotește turbina.

Turbina antrenează un generator electric. El este cel care, de fapt, generează electricitate.

Dacă nu urmați procesul, neutronii de uraniu se pot ciocni între ei până când reactorul este aruncat în aer și întreaga centrală nucleară este aruncată în bucăți. Senzorii computerului controlează procesul. Ele detectează o creștere a temperaturii sau o schimbare a presiunii în reactor și pot opri automat reacțiile.

Care este diferența dintre principiul de funcționare al centralelor nucleare și al centralelor termice (centrale termice)?

Diferențele în muncă sunt doar în primele etape. În centralele nucleare, lichidul de răcire primește căldură din fisiunea atomilor de combustibil de uraniu, în termocentrale, lichidul de răcire primește căldură din arderea combustibilului organic (cărbune, gaz sau petrol). După ce fie atomii de uraniu, fie gazul cu cărbune au eliberat căldură, schemele de funcționare ale centralelor nucleare și ale centralelor termice sunt aceleași.

Tipuri de reactoare nucleare

Modul în care funcționează o centrală nucleară depinde de modul în care funcționează reactorul său nuclear. Astăzi există două tipuri principale de reactoare, care sunt clasificate în funcție de spectrul neuronilor:
Un reactor cu neutroni lent, numit și reactor termic.

Pentru funcționarea acestuia se utilizează 235 de uraniu, care trece prin etapele de îmbogățire, de creare a tabletelor de uraniu etc. Astăzi, reactoarele cu neutroni lenți sunt în marea majoritate.
Reactor rapid cu neutroni.

Aceste reactoare sunt viitorul, pentru că ele lucrează pe uraniu-238, care este un ban pe duzină în natură și nu este necesar să se îmbogățească acest element. Dezavantajul unor astfel de reactoare este doar în costurile foarte mari pentru proiectare, construcție și lansare. Astăzi, reactoarele cu neutroni rapidi funcționează numai în Rusia.

Lichidul de răcire din reactoarele cu neutroni rapidi este mercur, gaz, sodiu sau plumb.

Reactoarele cu neutroni lenți, care sunt folosite astăzi de toate centralele nucleare din lume, vin și ele în mai multe tipuri.

Organizația AIEA (Agenția Internațională pentru Energie Atomică) și-a creat propria clasificare, care este folosită cel mai des în industria nucleară mondială. Deoarece principiul de funcționare al unei centrale nucleare depinde în mare măsură de alegerea lichidului de răcire și a moderatorului, AIEA și-a bazat clasificarea pe aceste diferențe.

Din punct de vedere chimic, oxidul de deuteriu este un moderator și lichid de răcire ideal, deoarece atomii săi interacționează cel mai eficient cu neutronii uraniului în comparație cu alte substanțe. Pur și simplu, apa grea își îndeplinește sarcina cu pierderi minime și rezultate maxime. Cu toate acestea, producția sa costă bani, în timp ce este mult mai ușor să folosim apa obișnuită „ușoară” și familiară pentru noi.

Câteva fapte despre reactoarele nucleare...

Este interesant că un reactor de centrală nucleară este construit pentru cel puțin 3 ani!
Pentru a construi un reactor, aveți nevoie de echipamente care funcționează cu un curent electric de 210 kilo amperi, care este de un milion de ori curentul care poate ucide o persoană.

O carcasă (element structural) al unui reactor nuclear cântărește 150 de tone. Există 6 astfel de elemente într-un reactor.

Reactor cu apă sub presiune

Am aflat deja cum funcționează centrala nucleară în general, pentru a o „aranja” să vedem cum funcționează cel mai popular reactor nuclear sub presiune.
În întreaga lume, astăzi, sunt utilizate reactoare cu apă sub presiune de generația 3+. Sunt considerate cele mai fiabile și sigure.

Toate reactoarele cu apă sub presiune din lume de-a lungul tuturor anilor de funcționare au reușit deja să câștige peste 1000 de ani de funcționare fără probleme și nu au dat niciodată abateri serioase.

Structura centralelor nucleare bazate pe reactoare cu apă sub presiune presupune că apa distilată circulă între barele de combustibil, încălzită la 320 de grade. Pentru a preveni intrarea în stare de vapori, se menține sub o presiune de 160 de atmosfere. Schema CNE o numește apă primară.

Apa încălzită intră în generatorul de abur și își cedează căldura apei din circuitul secundar, după care se „întoarce” din nou în reactor. În exterior, se pare că conductele circuitului de apă primar sunt în contact cu alte conducte - apa celui de-al doilea circuit, transferă căldură între ele, dar apele nu intră în contact. Tuburile sunt în contact.

Astfel, este exclusă posibilitatea ca radiația să pătrundă în apa circuitului secundar, care va participa în continuare la procesul de generare a energiei electrice.

Siguranța centralei nucleare

După ce am învățat principiul funcționării centralelor nucleare, trebuie să înțelegem cum este aranjată siguranța. Dispozitivul unei centrale nucleare necesită astăzi atenție sporită la regulile de siguranță.
Costul securității centralei nucleare este de aproximativ 40% din costul total al centralei în sine.

Schema CNE include 4 bariere fizice care împiedică eliberarea de substanțe radioactive. Ce ar trebui să facă aceste bariere? La momentul potrivit, puteți opri reacția nucleară, asigurați îndepărtarea constantă a căldurii din miez și din reactor în sine și să împiedicați eliberarea de radionuclizi din reținere (zona de reținere).

• Prima barieră este rezistența peletelor de uraniu. Este important ca acestea să nu se prăbușească sub influența temperaturilor ridicate dintr-un reactor nuclear. În multe privințe, modul în care funcționează o centrală nucleară depinde de modul în care peletele de uraniu au fost „coapte” în stadiul inițial de producție. Dacă peletele de combustibil de uraniu sunt coapte incorect, reacțiile atomilor de uraniu din reactor vor fi imprevizibile.
• A doua barieră este etanșeitatea tijelor de combustibil. Tuburile de zirconiu trebuie să fie etanșate, dacă etanșeitatea este ruptă, atunci în cel mai bun caz reactorul va fi deteriorat și lucrul oprit, în cel mai rău caz totul va zbura în aer.
• A treia barieră este un vas puternic din oțel al reactorului a, (la fel turn mare- zona de izolare) care „reține” în sine toate procesele radioactive. Corpul este deteriorat - radiațiile vor fi eliberate în atmosferă.
• A patra barieră sunt tijele de protecție în caz de urgență. Deasupra zonei active, tijele cu moderatori sunt suspendate pe magneți, care pot absorbi toți neutronii în 2 secunde și pot opri reacția în lanț.

Dacă, în ciuda construcției unei centrale nucleare cu multe grade de protecție, nu este posibilă răcirea miezului reactorului la momentul potrivit, iar temperatura combustibilului crește la 2600 de grade, atunci intră în joc ultima speranță a sistemului de siguranță. - așa-numita capcană de topire.

Faptul este că la o astfel de temperatură fundul vasului reactorului se va topi și toate resturile de combustibil nuclear și structurile topite vor curge într-o „sticlă” specială suspendată deasupra miezului reactorului.

Sifonul de topire este refrigerat și refractar. Este umplut cu așa-numitul „material de sacrificiu”, care oprește treptat reacția în lanț de fisiune.

Astfel, schema CNE presupune mai multe grade de protecție, care exclud aproape complet orice posibilitate de accident.

: ... destul de banal, dar cu toate acestea nu am găsit niciodată informațiile într-o formă digerabilă - cum ÎNCEPE să funcționeze un reactor nuclear. Totul despre principiul și funcționarea dispozitivului a fost deja mestecat și înțeles de 300 de ori, dar iată cum se obține combustibilul și din ce, și de ce nu este atât de periculos până nu este în reactor și de ce nu reacționează înainte de a fi scufundat în reactor! - la urma urmei, se încălzește doar în interior, cu toate acestea, înainte de încărcare, tijele de combustibil sunt reci și totul este în regulă, așa că ceea ce face ca elementele să se încălzească nu este complet clar cum sunt afectate și așa mai departe, de preferință nu științific).

Desigur, este dificil să aranjezi un astfel de subiect nu „conform științei”, dar voi încerca. Să înțelegem mai întâi care sunt aceste TVEL-uri.

Combustibilul nuclear este tablete negre cu un diametru de aproximativ 1 cm și o înălțime de aproximativ 1,5 cm. Acestea conțin 2% dioxid de uraniu 235 și 98% uraniu 238, 236, 239. În toate cazurile, cu orice cantitate de combustibil nuclear, un explozia nucleară nu se poate dezvolta, deoarece pentru o reacție de fisiune rapidă ca o avalanșă, caracteristică unei explozii nucleare, este necesară o concentrație de uraniu 235 de peste 60%.

Două sute de pelete de combustibil nuclear sunt încărcate într-un tub din zirconiu metalic. Lungimea acestui tub este de 3,5 m. diametru 1,35 cm.Acest tub se numeste TTEL - element de combustibil. 36 de TVEL sunt asamblate într-o casetă (un alt nume este „asamblare”).

Dispozitivul elementului de combustibil al reactorului RBMK: 1 - dop; 2 - tablete de dioxid de uraniu; 3 - carcasa de zirconiu; 4 - primăvară; 5 - bucșă; 6 - pont.

Transformarea unei substanțe este însoțită de eliberarea de energie liberă numai dacă substanța are o rezervă de energii. Aceasta din urmă înseamnă că microparticulele substanței se află într-o stare cu o energie de repaus mai mare decât într-o altă stare posibilă, tranziția către care există. Tranziția spontană este întotdeauna împiedicată de o barieră energetică, pentru a o depăși, microparticula trebuie să primească o anumită cantitate de energie din exterior - energia excitației. Reacția exoenergetică constă în faptul că în transformarea care urmează excitației se eliberează mai multă energie decât este necesară pentru excitarea procesului. Există două moduri de a depăși bariera energetică: fie datorită energiei cinetice a particulelor care se ciocnesc, fie datorită energiei de legare a particulei care aderă.

Dacă ținem cont de scalele macroscopice ale eliberării de energie, atunci energia cinetică necesară pentru excitarea reacțiilor trebuie să aibă toate sau la început cel puțin o parte din particulele substanței. Acest lucru se poate realiza doar prin creșterea temperaturii mediului până la o valoare la care energia mișcării termice se apropie de valoarea pragului de energie care limitează cursul procesului. În cazul transformărilor moleculare, adică reacții chimice, o astfel de creștere este de obicei de sute de grade Kelvin, în timp ce în cazul reacțiilor nucleare este de cel puțin 107 K datorită înălțimii foarte mari a barierelor Coulomb a nucleelor ​​care se ciocnesc. Excitarea termică a reacțiilor nucleare a fost efectuată în practică numai în sinteza celor mai ușoare nuclee, în care barierele Coulomb sunt minime (fuziune termonucleară).

Excitarea de către particulele de îmbinare nu necesită o energie cinetică mare și, prin urmare, nu depinde de temperatura mediului, deoarece se produce din cauza legăturilor neutilizate inerente particulelor de forțe atractive. Dar, pe de altă parte, particulele în sine sunt necesare pentru a excita reacțiile. Și dacă din nou avem în vedere nu un act separat de reacție, ci producerea de energie la scară macroscopică, atunci acest lucru este posibil numai atunci când are loc o reacție în lanț. Acesta din urmă apare atunci când particulele care excită reacția reapar ca produse ale unei reacții exoenergetice.

Pentru a controla și proteja un reactor nuclear, se folosesc tije de control care pot fi deplasate de-a lungul întregii înălțimi a miezului. Tijele sunt fabricate din substanțe care absorb puternic neutronii, cum ar fi borul sau cadmiul. Odată cu introducerea profundă a tijelor, reacția în lanț devine imposibilă, deoarece neutronii sunt puternic absorbiți și îndepărtați din zona de reacție.

Tijele sunt mutate de la distanță de la panoul de control. Cu o mișcare mică a tijelor, procesul de lanț fie se va dezvolta, fie se va degrada. În acest fel, puterea reactorului este reglată.

CNE Leningrad, reactor RBMK

Pornirea reactorului:

În momentul inițial de timp după prima încărcare cu combustibil, nu există o reacție în lanț de fisiune în reactor, reactorul este într-o stare subcritică. Temperatura lichidului de răcire este mult mai mică decât temperatura de funcționare.

După cum am menționat deja aici, pentru a începe o reacție în lanț, materialul fisionabil trebuie să formeze o masă critică - o cantitate suficientă de material fisionabil spontan într-un spațiu suficient de mic, condiția în care numărul de neutroni eliberați în timpul fisiunii nucleare trebuie să să fie mai mare decât numărul de neutroni absorbiți. Acest lucru se poate face prin creșterea conținutului de uraniu-235 (numărul de elemente de combustibil încărcate) sau prin încetinirea vitezei neutronilor, astfel încât aceștia să nu zboare pe lângă nucleele de uraniu-235.

Reactorul este adus la putere în mai multe etape. Cu ajutorul regulatorilor de reactivitate, reactorul este transferat în starea supercritică Kef>1 iar puterea reactorului crește la un nivel de 1-2% din nominală. În această etapă, reactorul este încălzit până la parametrii de funcționare ai lichidului de răcire, iar viteza de încălzire este limitată. În timpul procesului de încălzire, comenzile mențin puterea la un nivel constant. Apoi se pornesc pompele de circulație și se pune în funcțiune sistemul de îndepărtare a căldurii. După aceea, puterea reactorului poate fi crescută la orice nivel în intervalul de la 2 la 100% din puterea nominală.

Când reactorul este încălzit, reactivitatea se modifică din cauza schimbărilor de temperatură și densitate a materialelor miezului. Uneori, în timpul încălzirii, poziția reciprocă a miezului și a elementelor de control care intră în miez sau ies din acesta se modifică, provocând un efect de reactivitate în absența mișcării active a elementelor de control.

Control prin elemente absorbante solide, mobile

În marea majoritate a cazurilor, absorbantele solide mobile sunt folosite pentru a modifica rapid reactivitatea. În reactorul RBMK, tijele de control conțin bucșe din carbură de bor închise într-un tub din aliaj de aluminiu cu diametrul de 50 sau 70 mm. Fiecare tijă de control este plasată într-un canal separat și răcită cu apă din circuitul CPS (sistem de control și protecție) la o temperatură medie de 50 ° C. În funcție de scopul lor, tijele sunt împărțite în tije AZ (protecție de urgență), în RBMK există 24 de astfel de tije. Tije de control automate - 12 bucăți, Tije de control automat local - 12 bucăți, tije de control manual -131 și 32 de tije de absorbție scurtate (USP). Sunt 211 lansete în total. Mai mult, tijele scurtate sunt introduse în AZ de jos, restul de sus.

reactor VVER 1000. 1 - actionare CPS; 2 - capac reactor; 3 - vas reactor; 4 - bloc de conducte de protectie (BZT); 5 - al meu; 6 - miez deflector; 7 - ansambluri combustibile (FA) si tije de control;

Elemente absorbante de ardere.

Otrăvurile ardabile sunt adesea folosite pentru a compensa reactivitatea excesivă după ce a fost încărcat combustibil proaspăt. Principiul de funcționare al cărui principiu este că ei, ca și combustibilul, după capturarea unui neutron, ulterior încetează să absoarbă neutroni (arde). Mai mult, rata de declin ca urmare a absorbției neutronilor, nuclee absorbante, este mai mică sau egală cu rata de pierdere, ca urmare a fisiunii, a nucleelor ​​de combustibil. Dacă încărcăm în miezul reactorului combustibil proiectat să funcționeze pe parcursul anului, atunci este evident că numărul de nuclee de combustibil fisionabil la începutul lucrării va fi mai mare decât la sfârșit și trebuie să compensăm excesul de reactivitate prin plasarea de absorbante. în miez. Dacă în acest scop se folosesc tije de control, atunci trebuie să le mișcăm constant pe măsură ce numărul de nuclee de combustibil scade. Utilizarea otrăvurilor ardabile face posibilă reducerea utilizării tijelor mobile. În prezent, otrăvurile ardabile sunt adesea încorporate direct în pelete de combustibil în timpul fabricării lor.

Reglarea lichidului a reactivității.

O astfel de reglare este utilizată, în special, în timpul funcționării unui reactor de tip VVER, acid boric H3BO3 care conține 10B nuclee care absorb neutroni este introdus în lichidul de răcire. Schimbând concentrația de acid boric în calea lichidului de răcire, modificăm astfel reactivitatea în miez. În perioada inițială a funcționării reactorului, când sunt multe nuclee de combustibil, concentrația de acid este maximă. Pe măsură ce combustibilul se arde, concentrația de acid scade.

mecanism de reacție în lanț

Un reactor nuclear poate funcționa la o putere dată timp îndelungat numai dacă are o marjă de reactivitate la începutul funcționării. Excepție fac reactoarele subcritice cu o sursă externă de neutroni termici. Eliberarea reactivității legate pe măsură ce aceasta scade din cauze naturale asigură menținerea stării critice a reactorului în fiecare moment al funcționării acestuia. Marja de reactivitate inițială este creată prin construirea unui miez cu dimensiuni mult mai mari decât cele critice. Pentru a preveni ca reactorul să devină supercritic, k0 din mediul de reproducere este redus în mod artificial în același timp. Acest lucru se realizează prin introducerea de absorbanți de neutroni în miez, care pot fi ulterior îndepărtați din miez. Ca și în elementele de control al reacției în lanț, substanțele absorbante sunt incluse în materialul tijelor de una sau alta secțiune transversală, deplasându-se de-a lungul canalelor corespunzătoare din miez. Dar dacă una, două sau mai multe tije sunt suficiente pentru reglare, atunci numărul de tije poate ajunge la sute pentru a compensa excesul inițial de reactivitate. Aceste tije se numesc compensatoare. Tijele de reglare și compensare nu sunt neapărat elemente structurale diferite. Un număr de tije compensatoare pot fi tije de control, dar funcțiile ambelor sunt diferite. Tijele de control sunt concepute pentru a menține o stare critică în orice moment, pentru a opri, a porni reactorul, a comuta de la un nivel de putere la altul. Toate aceste operațiuni necesită mici modificări ale reactivității. Tijele de compensare sunt retrase treptat din miezul reactorului, asigurând o stare critică pe toată durata de funcționare a acestuia.

Uneori, tijele de control nu sunt fabricate din materiale absorbante, ci din material fisionabil sau împrăștiat. În reactoarele termice, aceștia sunt în principal absorbanți de neutroni, în timp ce nu există absorbitori rapidi de neutroni eficienți. Astfel de absorbanți precum cadmiul, hafniul și altele absorb puternic doar neutronii termici datorită apropierii primei rezonanțe de regiunea termică, iar în afara acesteia din urmă nu diferă de alte substanțe prin proprietățile lor de absorbție. O excepție este borul, a cărui secțiune transversală de absorbție a neutronilor scade cu energia mult mai lent decât cea a substanțelor indicate, conform legii l/v. Prin urmare, borul absoarbe neutronii rapid, deși slab, dar oarecum mai bine decât alte substanțe. Numai borul, dacă este posibil îmbogățit în izotopul 10B, poate servi ca material absorbant într-un reactor cu neutroni rapid. Pe lângă bor, materialele fisionabile sunt folosite și pentru tijele de control în reactoarele cu neutroni rapidi. O tijă compensatoare din material fisionabil îndeplinește aceeași funcție ca o tijă absorbantă de neutroni: crește reactivitatea reactorului cu scăderea lui naturală. Cu toate acestea, spre deosebire de un absorbant, o astfel de tijă este situată în afara miezului la începutul funcționării reactorului și apoi este introdusă în miez.

Dintre materialele de împrăștiere din reactoarele rapide se folosește nichelul, care are o secțiune transversală de împrăștiere pentru neutronii rapizi ceva mai mare decât secțiunile transversale pentru alte substanțe. Tijele de împrăștiere sunt situate de-a lungul periferiei miezului și scufundarea lor în canalul corespunzător determină o scădere a scurgerii de neutroni din miez și, în consecință, o creștere a reactivității. În unele cazuri speciale, scopul controlării unei reacții în lanț îl reprezintă părțile mobile ale reflectoarelor de neutroni, care, atunci când se mișcă, schimbă scurgerea neutronilor din miez. Tijele de control, compensare și de urgență, împreună cu toate echipamentele care asigură funcționarea lor normală, formează sistemul de control și protecție a reactorului (CPS).

Protecție în caz de urgență:

Protecția de urgență a reactorului nuclear - un set de dispozitive concepute pentru a opri rapid o reacție nucleară în lanț în miezul reactorului.

Protecția activă de urgență este declanșată automat atunci când unul dintre parametrii unui reactor nuclear atinge o valoare care poate duce la un accident. Astfel de parametri pot fi: temperatura, presiunea și debitul lichidului de răcire, nivelul și viteza de creștere a puterii.

Elementele executive ale protecției în caz de urgență sunt, în cele mai multe cazuri, tije cu o substanță care absoarbe bine neutronii (bor sau cadmiu). Uneori, un captator de lichid este injectat în bucla de lichid de răcire pentru a opri reactorul.

Pe lângă protecția activă, multe modele moderne includ și elemente de protecție pasivă. De exemplu, versiunile moderne ale reactoarelor VVER includ „Emergency Core Cooling System” (ECCS) - rezervoare speciale cu acid boric situat deasupra reactorului. În cazul unui accident de bază de proiectare maximă (ruperea circuitului primar de răcire al reactorului), conținutul acestor rezervoare se află prin gravitație în interiorul miezului reactorului, iar reacția nucleară în lanț este stinsă de o cantitate mare de substanță care conține bor. care absoarbe bine neutronii.

Conform „Regulilor de siguranță nucleară pentru instalațiile de reactoare ale centralelor nucleare”, conform macar unul dintre sistemele de oprire a reactorului furnizate ar trebui să îndeplinească funcția de protecție în caz de urgență (EP). Protecția în caz de urgență trebuie să aibă cel puțin două grupuri independente de organisme de lucru. La semnalul AZ, corpurile de lucru ale AZ trebuie acționate din orice poziții de lucru sau intermediare.

Echipamentul AZ trebuie să fie format din cel puțin două seturi independente.

Fiecare set de echipamente AZ trebuie proiectat astfel încât, în intervalul de modificări ale densității fluxului de neutroni de la 7% la 120% din valoarea nominală, să se asigure protecție pentru:

1. După densitatea fluxului de neutroni - cel puțin trei canale independente;
2. În funcție de rata de creștere a densității fluxului de neutroni - cu cel puțin trei canale independente.

Fiecare set de echipamente AZ trebuie proiectat astfel încât, în întreaga gamă de modificări ale parametrilor de proces stabilite în proiectarea centralei reactorului (RP), protecția în caz de urgență să fie asigurată de cel puțin trei canale independente pentru fiecare parametru de proces pentru care este protejată. necesar.

Comenzile de control ale fiecărui set pentru actuatoarele AZ trebuie transmise pe cel puțin două canale. Când un canal este scos din funcțiune într-unul dintre seturile de echipamente AZ fără ca acest set să fie scos din funcțiune, un semnal de alarmă ar trebui să fie generat automat pentru acest canal.

Declanșarea protecției de urgență ar trebui să aibă loc cel puțin în următoarele cazuri:

1. La atingerea punctului de referință AZ în termeni de densitate a fluxului de neutroni.
2. La atingerea punctului de referință AZ în ceea ce privește viteza de creștere a densității fluxului de neutroni.
3. În cazul unei căderi de curent în orice set de echipamente AZ și magistrale de alimentare cu energie CPS care nu au fost scoase din funcțiune.
4. În cazul defectării oricăror două dintre cele trei canale de protecție din punct de vedere al densității fluxului de neutroni sau al ratei de creștere a fluxului de neutroni în orice set de echipamente AZ care nu a fost dezafectat.
5. Când setările AZ sunt atinse de parametrii tehnologici, conform cărora este necesar să se efectueze protecția.
6. La inițierea funcționării AZ-ului de la cheia din punctul de control al blocului (BCR) sau din punctul de control al rezervă (RCP).

Poate cineva va putea explica pe scurt și mai puțin științific cum începe să funcționeze unitatea de putere a unei centrale nucleare? :-)

Amintiți-vă un subiect ca Articolul original este pe site InfoGlaz.rf Link către articolul din care este făcută această copie -