Proiectare și principiu de funcționare

Mecanism de eliberare a energiei

Transformarea unei substanțe este însoțită de eliberarea de energie liberă numai dacă substanța are o rezervă de energie. Aceasta din urmă înseamnă că microparticulele unei substanțe se află într-o stare cu o energie de repaus mai mare decât într-o altă stare posibilă la care există o tranziție. O tranziție spontană este întotdeauna împiedicată de o barieră energetică, pentru a o depăși microparticula trebuie să primească o anumită cantitate de energie din exterior - energie de excitație. Reacția exoenergetică constă în faptul că în transformarea care urmează excitării 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 se unește.

Dacă ținem cont de scara macroscopică a eliberării de energie, atunci toate sau inițial cel puțin o parte din particulele substanței trebuie să aibă energia cinetică necesară pentru a excita reacțiile. Acest lucru este realizabil doar prin creșterea temperaturii mediului până la o valoare la care energia mișcarea termică se apropie de pragul energetic care limitează cursul procesului. În cazul transformărilor moleculare, adică reacții chimice, o astfel de creștere este de obicei de sute de kelvin, dar în cazul reacțiilor nucleare este de cel puțin 10 7 din cauza înălțimii foarte mari a barierelor Coulomb a nucleelor ​​care se ciocnesc. Excitarea termică a reacțiilor nucleare se realizează în practică numai în timpul sintezei celor mai ușoare nuclee, în care barierele Coulomb sunt minime (fuziune termonucleară).

Excitarea prin unirea particulelor nu necesită mult energie kinetică, și, prin urmare, nu depinde de temperatura mediului, deoarece apare din cauza legăturilor neutilizate inerente particulelor de forțe atractive. Dar pentru a excita reacțiile, particulele în sine sunt necesare. Și dacă ne referim din nou nu la un act separat de reacție, ci la 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.

Proiecta

Orice reactor nuclear este format din următoarele părți:

• Miez cu combustibil nuclear și moderator;
• Reflector de neutroni care înconjoară miezul;
• Sistem de control al reacției în lanț, inclusiv protecție în caz de urgență;
• Protecție împotriva radiațiilor;
• Sistem de control de la distanță.

Principii fizice de funcționare

Vezi și articolele principale:

Starea curenta reactor nuclear poate fi caracterizat prin factorul efectiv de multiplicare a neutronilor k sau reactivitate ρ , care sunt legate prin următoarea relație:

Următoarele valori sunt tipice pentru aceste cantități:

• k> 1 - reacția în lanț crește în timp, reactorul este în supercritic starea, reactivitatea acesteia ρ > 0;
• k < 1 - реакция затухает, реактор - subcritic, ρ < 0;
• k = 1, ρ = 0 - numărul de fisiuni nucleare este constant, reactorul se află într-un stabil critic condiție.

Condiție de criticitate pentru un reactor nuclear:

, Unde

Inversarea factorului de multiplicare la unitate se realizează prin echilibrarea înmulțirii neutronilor cu pierderile acestora. De fapt, există două motive pentru pierderi: captarea fără fisiune și scurgerea neutronilor în afara mediului de reproducere.

Este evident că 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 pentru reactoare termice poate fi determinat prin așa-numita „formulă a 4 factori”:

, Unde

• η este randamentul de neutroni pentru două absorbții.

Volumele reactoarelor de putere moderne pot atinge sute de m³ și sunt determinate în principal nu de condițiile de criticitate, ci de capacitățile de îndepărtare a căldurii.

Volumul critic reactor nuclear - volumul miezului reactorului într-o stare critică. Masa critica- masa materialului fisionabil al reactorului, care se află în stare critică.

Reactoarele care folosesc combustibil drept combustibil au cea mai mică masă critică. solutii apoase săruri ale izotopilor puri fisionali cu un reflector de neutroni de apă. Pentru 235 U această masă este de 0,8 kg, pentru 239 Pu - 0,5 kg. Este cunoscut, totuși, că masa critică pentru reactorul LOPO (primul reactor cu uraniu îmbogățit din lume), care avea un reflector de oxid de beriliu, a fost de 0,565 kg, în ciuda faptului că gradul de îmbogățire pentru izotopul 235 a fost doar puțin mai mare. peste 14%. Teoretic, are cea mai mică masă critică, pentru care această valoare este de doar 10 g.

Pentru a reduce scurgerea de neutroni, miezul primește o formă sferică sau apropiată de sferică, de exemplu, un cilindru sau un cub scurt, deoarece aceste cifre au cel mai mic raport suprafață la volum.

În ciuda faptului că valoarea (e - 1) este de obicei mică, rolul înmulțirii rapide a neutronilor este destul de mare, deoarece pentru reactoarele nucleare mari (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Pentru a începe o reacție în lanț, neutronii produși în timpul fisiunii spontane a nucleelor ​​de uraniu sunt de obicei suficienti. De asemenea, este posibil să se utilizeze o sursă externă de neutroni pentru a porni reactorul, de exemplu, un amestec de și, sau alte substanțe.

Groapă de iod

Articolul principal: groapă de iod

Groapa de iod este o stare a unui reactor nuclear după ce acesta este oprit, caracterizată prin acumularea de xenon izotop de scurtă durată. Acest proces duce la apariția temporară a reactivității negative semnificative, care, la rândul său, face imposibilă aducerea reactorului la capacitatea sa de proiectare într-o anumită perioadă (aproximativ 1-2 zile).

Clasificare

După scop

În funcție de natura utilizării lor, reactoarele nucleare sunt împărțite în:

• Reactoarele de putere concepute pentru a produce energie electrică și termică utilizată în sectorul energetic, precum și pentru desalinizarea apei de mare (reactoarele de desalinizare sunt, de asemenea, clasificate ca industriale). Astfel de reactoare sunt utilizate în principal în centralele nucleare. Puterea termică a reactoarelor de putere moderne ajunge la 5 GW. Un grup separat include:
  • Reactoare de transport, conceput pentru a furniza energie motoarele vehiculelor. Cele mai largi grupuri de aplicații sunt reactoarele de transport maritim utilizate pe submarine și diferite nave de suprafață, precum și reactoarele utilizate în tehnologia spațială.
• Reactoare experimentale, destinat studiului diferitelor mărimi fizice, a căror valoare este necesară pentru proiectarea și funcționarea reactoarelor nucleare; Puterea unor astfel de reactoare nu depășește câțiva kW.
• Reactoarele de cercetare, în care fluxurile de neutroni și cuante gama create în nucleu sunt utilizate pentru cercetări în domeniul fizicii nucleare, fizicii stării solide, chimiei radiațiilor, biologiei, pentru testarea materialelor destinate să funcționeze în fluxuri intense de neutroni (inclusiv părți reactoare nucleare) pt. producerea de izotopi. Puterea reactoarelor de cercetare nu depășește 100 MW. Energia eliberată nu este de obicei folosită.
• Reactoare industriale (arme, izotopi)., folosit pentru a produce izotopi folosiți în diverse domenii. Cel mai utilizat pentru a produce materiale pentru arme nucleare, cum ar fi 239 Pu. De asemenea, clasificate ca industriale sunt reactoarele utilizate pentru desalinizarea apei de mare.

Adesea reactoarele sunt folosite pentru a rezolva două sau mai multe probleme diferite, caz în care sunt numite polivalent. De exemplu, unele reactoare de putere, în special în primele zile ale energiei nucleare, au fost proiectate în primul rând pentru experimentare. Reactoarele cu neutroni rapidi pot produce simultan energie și izotopi. Reactoarele industriale, pe lângă sarcina lor principală, generează adesea energie electrică și termică.

Conform spectrului de neutroni

• Reactor termic (lent) cu neutroni („reactor termic”)
• Reactor rapid cu neutroni („reactor rapid”)

Prin plasarea combustibilului

• Reactoare eterogene, în care combustibilul este plasat discret în miez sub formă de blocuri, între care se află un moderator;
• Reactoare omogene, în care combustibilul și moderatorul sunt un amestec omogen (sistem omogen).

Într-un reactor eterogen, combustibilul și moderatorul pot fi separate spațial, în special, într-un reactor cu cavitate, moderatorul-reflector înconjoară o cavitate cu combustibil care nu conține un moderator. Din punct de vedere fizic nuclear, criteriul de omogenitate/eterogenitate nu este proiectarea, ci amplasarea blocurilor de combustibil la o distanță care depășește lungimea de moderare a neutronilor într-un moderator dat. Astfel, reactoarele cu așa-numita „zăbrelă apropiată” sunt proiectate ca omogene, deși în ele combustibilul este de obicei separat de moderator.

Blocurile de combustibil nuclear dintr-un reactor eterogen sunt numite ansambluri de combustibil (FA), care sunt situate în miez la nodurile unei rețele obișnuite, formând celule.

După tipul de combustibil

• izotopi de uraniu 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
• izotop de plutoniu 239 (239 Pu), de asemenea izotopi 239-242 Pu sub formă de amestec cu 238 U (combustibil MOX)
• izotopul de toriu 232 (232 Th) (prin conversie la 233 U)

După gradul de îmbogățire:

• uraniu natural
• uraniu slab îmbogățit
• uraniu foarte îmbogățit

După compoziția chimică:

• metal U
• UC (carbură de uraniu), etc.

După tipul de lichid de răcire

• Gaz, (vezi reactor grafit-gaz)
• D 2 O (apă grea, vezi reactor nuclear cu apă grea, CANDU)

După tipul de moderator

• C (grafit, vezi reactor grafit-gaz, reactor grafit-apă)
• H2O (apă, vezi reactor cu apă ușoară, reactor răcit cu apă, VVER)
• D 2 O (apă grea, vezi reactor nuclear cu apă grea, CANDU)
• Hidruri metalice
• Fără moderator (vezi Reactor rapid)

De proiectare

Prin metoda de generare a aburului

• Reactor cu generator extern de abur (vezi reactor apă-apă, VVER)

clasificarea AIEA

• PWR (pressurized water reactors) - reactor apă-apă (reactor cu apă presurizată);
• BWR (boiling water reactor) - reactor cu apă în fierbere;
• FBR (fast breeder reactor) - reactor de reproducere rapidă;
• GCR (gas-cooled reactor) - reactor răcit cu gaz;
• LWGR (reactor de grafit cu apă ușoară) - reactor grafit-apă
• PHWR (reactor cu apă grea sub presiune) - reactor cu apă grea

Cele mai comune din lume sunt reactoarele cu apă sub presiune (aproximativ 62%) și apă clocotită (20%).

Materiale reactoare

Materialele din care sunt construite reactoarele funcționează la temperaturi ridicate într-un câmp de neutroni, cuante γ și fragmente de fisiune. Prin urmare, nu toate materialele utilizate în alte ramuri ale tehnologiei sunt potrivite pentru construcția reactoarelor. La alegerea materialelor pentru reactor, se ia în considerare rezistența la radiații, inerția chimică, secțiunea transversală de absorbție și alte proprietăți.

Instabilitatea de radiație a materialelor are un efect mai mic la temperaturi ridicate. Mobilitatea atomilor devine atât de mare încât probabilitatea de întoarcere a atomilor scoși din rețeaua cristalină la locul lor sau de recombinare a hidrogenului și oxigenului într-o moleculă de apă crește semnificativ. Astfel, radioliza apei este nesemnificativă în reactoarele energetice fără fierbere (de exemplu, VVER), în timp ce în reactoarele de cercetare puternice este eliberată o cantitate semnificativă de amestec exploziv. Reactoarele au sisteme speciale de ardere.

Materialele reactoarelor sunt în contact unele cu altele (carcasa de combustibil cu lichid de răcire și combustibil nuclear, casete de combustibil cu lichid de răcire și moderator etc.). Desigur, materialele de contact trebuie să fie inerte chimic (compatibile). Un exemplu de incompatibilitate este uraniul și apa fierbinte care intră într-o reacție chimică.

Pentru majoritatea materialelor, proprietățile de rezistență se deteriorează brusc odată cu creșterea temperaturii. În reactoarele de putere, materialele structurale funcționează la temperaturi ridicate. Acest lucru limitează alegerea materialelor de construcție, în special pentru acele părți ale reactorului de putere care trebuie să reziste la presiune ridicată.

Epuizarea și reproducerea combustibilului nuclear

În timpul funcționării unui reactor nuclear, datorită acumulării de fragmente de fisiune în combustibil, compoziția sa izotopică și chimică se modifică și se formează elemente transuranice, în principal izotopi. Efectul fragmentelor de fisiune asupra reactivității unui reactor nuclear se numește otrăvire(pentru fragmente radioactive) și zgură(pentru izotopi stabili).

Principalul motiv pentru otrăvirea reactorului este , care are cea mai mare secțiune transversală de absorbție a neutronilor (2,6·10 6 barn). Timpul de înjumătățire de 135 Xe T 1/2 = 9,2 ore; Randamentul în timpul divizării este de 6-7%. Cea mai mare parte a 135 Xe se formează ca urmare a dezintegrarii ( T 1/2 = 6,8 ore). În caz de otrăvire, Keff se modifică cu 1-3%. Secțiunea transversală mare de absorbție a 135 Xe și prezența izotopului intermediar 135 I conduc la două fenomene importante:

1. La o creștere a concentrației de 135 Xe și, în consecință, la o scădere a reactivității reactorului după oprirea acestuia sau reducerea puterii („groapă de iod”), ceea ce face imposibile opririle pe termen scurt și fluctuațiile puterii de ieșire. . Acest efect este depășit prin introducerea unei rezerve de reactivitate în organismele de reglementare. Adâncimea și durata puțului de iod depind de fluxul de neutroni Ф: la Ф = 5·10 18 neutroni/(cm²·sec) durata puțului de iod este de ˜ 30 de ore, iar adâncimea este de 2 ori mai mare decât cea staționară schimbare în Keff cauzată de otrăvirea cu 135 Xe.
2. Din cauza otrăvirii, pot apărea fluctuații spațio-temporale ale fluxului de neutroni F și, în consecință, ale puterii reactorului. Aceste oscilații apar la Ф > 10 18 neutroni/(cm²·sec) și reactoare de dimensiuni mari. Perioade de oscilație ˜ 10 ore.

Fisiunea nucleară produce un număr mare de fragmente stabile, care diferă în secțiuni transversale de absorbție în comparație cu secțiunea transversală de absorbție a izotopului fisionabil. Concentrația de fragmente cu o secțiune transversală mare de absorbție atinge saturația în primele câteva zile de funcționare a reactorului. Acestea sunt în principal bare de combustibil de diferite „vârste”.

În cazul unei schimbări complete a combustibilului, reactorul are un exces de reactivitate care trebuie compensat, în timp ce în al doilea caz compensarea este necesară doar atunci când reactorul este pornit pentru prima dată. Supraîncărcarea continuă face posibilă creșterea adâncimii de ardere, deoarece reactivitatea reactorului este determinată de concentrațiile medii ale izotopilor fisionali.

Masa combustibilului încărcat depășește masa combustibilului descărcat datorită „greutății” energiei eliberate. După ce reactorul este oprit, mai întâi din cauza fisiunii de către neutroni întârziați, iar apoi, după 1-2 minute, din cauza radiațiilor β și γ ale fragmentelor de fisiune și elementelor transuraniu, eliberarea de energie în combustibil continuă. Dacă reactorul a funcționat suficient de mult înainte de oprire, atunci la 2 minute după oprire, eliberarea de energie este de aproximativ 3%, după 1 oră - 1%, după o zi - 0,4%, după un an - 0,05% din puterea inițială.

Raportul dintre numărul de izotopi Pu fisionali formați într-un reactor nuclear și cantitatea de 235 U ars se numește Rata de conversie K K . Valoarea K K crește odată cu scăderea îmbogățirii și arderii. Pentru un reactor cu apă grea care utilizează uraniu natural, cu o ardere de 10 GW zi/t K K = 0,55 și cu arderi mici (în acest caz K K se numește coeficientul inițial de plutoniu) K K = 0,8. Dacă un reactor nuclear arde și produce aceiași izotopi (reactor reproductor), atunci raportul dintre viteza de reproducere și rata de ardere se numește rata de reproducere K V. În reactoarele nucleare care folosesc neutroni termici 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 crește și A cade.

Controlul reactorului nuclear

Controlul unui reactor nuclear este posibil numai datorită faptului că, în timpul fisiunii, unii dintre neutroni zboară din fragmente cu o întârziere, care poate varia de la câteva milisecunde la câteva minute.

Pentru controlul reactorului se folosesc tije de absorbție, introduse în miez, din materiale care absorb puternic neutronii (în principal, și alții) și/sau o soluție de acid boric, adăugată lichidului de răcire într-o anumită concentrație (controlul borului) . Mișcarea tijelor este controlată prin mecanisme speciale, acționări, care funcționează conform semnalelor de la operator sau echipamente pentru controlul automat al fluxului de neutroni.

În cazul diverselor situații de urgență, fiecare reactor este prevăzut cu o terminare de urgență a reacției în lanț, realizată prin aruncarea tuturor tijelor absorbante în miez - un sistem de protecție în caz de urgență.

Căldura reziduală

O problemă importantă direct legată de siguranța nucleară este căldura de descompunere. Acest caracteristică specifică combustibil nuclear, care constă în faptul că, după încetarea reacției de fisiune în lanț și a inerției termice uzuale pentru orice sursă de energie, degajarea de căldură în reactor continuă mult timp, ceea ce creează o serie de probleme complexe din punct de vedere tehnic.

Căldura reziduală este o consecință a dezintegrarii β și γ a produselor de fisiune care s-au acumulat în combustibil în timpul funcționării reactorului. Nucleele produselor de fisiune, din cauza degradarii, se transformă într-o stare mai stabilă sau complet stabilă cu eliberarea de energie semnificativă.

Deși rata de eliberare a căldurii de dezintegrare scade rapid la valori mici în comparație cu valorile la starea de echilibru, în reactoarele de putere mare este semnificativă în termeni absoluti. Din acest motiv, generarea de căldură reziduală necesită perioadă lungă de timp asigurați îndepărtarea căldurii din miezul reactorului după oprire. Această sarcină necesită ca proiectarea instalației reactorului să includă sisteme de răcire cu o sursă de energie fiabilă și, de asemenea, necesită depozitarea pe termen lung (3-4 ani) a combustibilului nuclear uzat în instalații de depozitare cu conditii de temperatura- bazine de răcire, care sunt de obicei situate în imediata apropiere a reactorului.

Vezi si

• Lista reactoarelor nucleare proiectate și construite în Uniunea Sovietică

Literatură

• Levin V. E. Fizică nucleară și reactoare nucleare. a 4-a ed. - M.: Atomizdat, 1979.
• Shukolyukov A. Yu. „Uraniu. Reactorul nuclear natural.” „Chimie și viață” nr. 6, 1980, p. 20-24

Note

1. „ZEEP - Primul Reactor Nuclear din Canada”, Muzeul de Știință și Tehnologie din Canada.
2. Greshilov A. A., Egupov N. D., Matushchenko A. M. Scut nuclear. - M.: Logos, 2008. - 438 p. -

La mijlocul secolului al XX-lea, atenția umanității s-a concentrat în jurul explicației atomului și a oamenilor de știință asupra reacției nucleare, pe care au decis inițial să o folosească în scopuri militare, inventând primele bombe nucleare conform Proiectului Manhattan. Dar în anii 50 ai secolului XX, reactorul nuclear din URSS a fost folosit în scopuri pașnice. Este bine cunoscut faptul că la 27 iunie 1954 a intrat în slujba umanității prima centrală nucleară din lume cu o capacitate de 5000 kW. Astăzi, un reactor nuclear face posibilă generarea de energie electrică de 4000 MW sau mai mult, adică de 800 de ori mai mult decât acum o jumătate de secol.

Ce este un reactor nuclear: definiția de bază și componentele principale ale unității

Un reactor nuclear este o unitate specială care produce energie ca urmare a menținerii corecte a unei reacții nucleare controlate. Este permisă utilizarea cuvântului „atomic” în combinație cu cuvântul „reactor”. Mulți consideră, în general, conceptele „nuclear” și „atomic” ca fiind sinonime, deoarece nu găsesc o diferență fundamentală între ele. Dar reprezentanții științei sunt înclinați către o combinație mai corectă - „reactor nuclear”.

Interesant fapt! Reacțiile nucleare pot apărea cu eliberarea sau absorbția de energie.

Componentele principale în proiectarea unui reactor nuclear sunt următoarele elemente:

• Moderator;
• Tije de control;
• Tije care conțin un amestec îmbogățit de izotopi de uraniu;
• Elemente speciale de protecție împotriva radiațiilor;
• Lichid de răcire;
• Generator de aburi;
• Turbină;
• Generator;
• Condensator;
• Combustibil nuclear.

Ce principii fundamentale ale funcționării unui reactor nuclear sunt determinate de fizicieni și de ce sunt de neclintit

Principiul fundamental de funcționare al unui reactor nuclear se bazează pe particularitățile manifestării unei reacții nucleare. În momentul unui proces nuclear în lanț fizic standard, particula interacționează cu nucleul atomic Ca rezultat, nucleul se transformă într-unul nou cu eliberarea de particule secundare, pe care oamenii de știință le numesc raze gamma. În timpul unei reacții nucleare în lanț, sunt eliberate cantități enorme de energie termică. Spațiul în care are loc reacția în lanț se numește miezul reactorului.

Interesant fapt! Zona activă seamănă în exterior cu un cazan prin care curge apa obișnuită, acționând ca lichid de răcire.

Pentru a preveni pierderea de neutroni, zona centrală a reactorului este înconjurată de un reflector special de neutroni. Sarcina sa principală este de a respinge majoritatea neutronilor emiși în miez. Aceeași substanță care servește ca moderator este de obicei folosită ca reflector.

Controlul principal al unui reactor nuclear are loc folosind tije de control speciale. Se știe că aceste tije sunt introduse în miezul reactorului și creează toate condițiile pentru funcționarea unității. De obicei, tijele de control sunt fabricate din compuși chimici bor și cadmiu. De ce sunt folosite aceste elemente specifice? Da, totul pentru că borul sau cadmiul sunt capabili să absoarbă eficient neutronii termici. Și de îndată ce lansarea este planificată, conform principiului de funcționare al unui reactor nuclear, tijele de control sunt introduse în miez. Sarcina lor principală este de a absorbi o parte semnificativă de neutroni, provocând astfel dezvoltarea unei reacții în lanț. Rezultatul ar trebui să atingă nivelul dorit. Când puterea crește peste nivelul setat, mașinile automate sunt pornite, imersând în mod necesar tijele de control adânc în miezul reactorului.

Astfel, devine clar că tijele de control sau control joacă rol importantîn exploatarea unui reactor nuclear termic.

Și pentru a reduce scurgerea de neutroni, miezul reactorului este înconjurat de un reflector de neutroni, care aruncă o masă semnificativă de neutroni care evadează liber în miez. Reflectorul folosește de obicei aceeași substanță ca și moderatorul.

Conform standardului, nucleul atomilor substanței moderatoare are o masă relativ mică, astfel încât la ciocnirea cu un nucleu ușor, neutronul prezent în lanț pierde mai multă energie decât la ciocnirea cu unul greu. Cei mai des întâlniți moderatori sunt apa obișnuită sau grafitul.

Interesant fapt! Neutronii în procesul unei reacții nucleare sunt extrem de caracterizați de mare viteză mișcare, motiv pentru care este necesar un moderator, împingând neutronii să-și piardă o parte din energie.

Niciun reactor din lume nu poate funcționa normal fără ajutorul unui lichid de răcire, deoarece scopul său este de a elimina energia care este generată în inima reactorului. Lichidul sau gazele trebuie folosite ca lichid de răcire, deoarece nu sunt capabile să absoarbă neutroni. Să dăm un exemplu de lichid de răcire pentru un reactor nuclear compact - apă, dioxid de carbonși uneori chiar sodiu metalic lichid.

Astfel, principiile de funcționare a unui reactor nuclear se bazează în întregime pe legile reacției în lanț și ale cursului acesteia. Toate componentele reactorului - moderator, tije, lichid de răcire, combustibil nuclear - își îndeplinesc sarcinile atribuite, asigurând funcționarea normală a reactorului.

Ce combustibil este folosit pentru reactoarele nucleare și de ce sunt alese aceste elemente chimice

Principalul combustibil din reactoare poate fi izotopi de uraniu, plutoniu sau toriu.

În 1934, F. Joliot-Curie, după ce a observat procesul de fisiune a nucleului de uraniu, a observat că, în urma unei reacții chimice, nucleul de uraniu este împărțit în fragmente-nuclee și doi sau trei neutroni liberi. Aceasta înseamnă că există posibilitatea ca neutronii liberi să se alăture altor nuclee de uraniu și să declanșeze o altă fisiune. Și așa, așa cum prezice reacția în lanț: șase până la nouă neutroni vor fi eliberați din trei nuclee de uraniu și se vor alătura din nou nucleelor ​​nou formate. Și așa mai departe la infinit.

Important de reținut! Neutronii care apar în timpul fisiunii nucleare sunt capabili să provoace fisiunea nucleelor ​​izotopului de uraniu cu un număr de masă de 235, iar pentru a distruge nucleele unui izotop de uraniu cu un număr de masă de 238, energia generată în timpul procesului de descompunere poate fi insuficientă. .

Uraniul numărul 235 se găsește rar în natură. Cota sa reprezintă doar 0,7%, dar uraniul natural-238 ocupă o nișă mai spațioasă și reprezintă 99,3%.

În ciuda unei proporții atât de mici de uraniu-235 în natură, fizicienii și chimiștii încă nu o pot refuza, deoarece este cel mai eficient pentru funcționarea unui reactor nuclear, reducând costul de producție de energie pentru umanitate.

Când au apărut primele reactoare nucleare și unde sunt utilizate în mod obișnuit astăzi?

În 1919, fizicienii au triumfat deja când Rutherford a descoperit și descris procesul de formare a protonilor în mișcare ca urmare a ciocnirii particulelor alfa cu nucleele atomilor de azot. Această descoperire a însemnat că un nucleu izotop de azot, ca urmare a unei coliziuni cu o particulă alfa, a fost transformat într-un nucleu izotop de oxigen.

Înainte de apariția primelor reactoare nucleare, lumea a învățat câteva legi noi ale fizicii care guvernau totul aspecte importante reacție nucleară. Astfel, în 1934, F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kowarski au propus pentru prima dată societății și cercului oamenilor de știință din lume o presupunere teoretică și o bază de dovezi despre posibilitatea desfășurării reacțiilor nucleare. Toate experimentele au fost legate de observarea fisiunii unui nucleu de uraniu.

În 1939, E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Gan, O. Frisch au urmărit reacția de fisiune a nucleelor ​​de uraniu atunci când au fost bombardate cu neutroni. În timpul cercetării, oamenii de știință au descoperit că atunci când un neutron accelerat lovește un nucleu de uraniu, nucleul existent este împărțit în două sau trei părți.

Reacția în lanț a fost practic dovedită la mijlocul secolului al XX-lea. Oamenii de știință au reușit să demonstreze în 1939 că fisiunea unui nucleu de uraniu eliberează aproximativ 200 MeV de energie. Dar aproximativ 165 MeV sunt alocați energiei cinetice a nucleelor ​​fragmentelor, iar restul este purtat de cuante gamma. Această descoperire a făcut o descoperire în fizica cuantică.

E. Fermi și-a continuat munca și cercetarea încă câțiva ani și a lansat primul reactor nuclear în 1942 în SUA. Proiectul implementat a fost denumit „Chicago Woodpile” și a fost pus pe șine. Pe 5 septembrie 1945, Canada și-a lansat reactorul nuclear ZEEP. Continentul european nu era departe în urmă și, în același timp, se construia instalația F-1. Și pentru ruși există o altă dată memorabilă - 25 decembrie 1946 la Moscova, sub conducerea lui I. Kurchatov, reactorul a fost lansat. Acestea nu au fost cele mai puternice reactoare nucleare, dar a fost începutul stăpânirii omului asupra atomului.

În scopuri pașnice, un reactor nuclear științific a fost creat în 1954 în URSS. Prima navă pașnică din lume cu o centrală nucleară - spărgător de gheață nuclear„Lenin” - a fost construit în Uniunea Sovietică în 1959. Și o altă realizare a statului nostru este spărgătorul de gheață nuclear „Arktika”. Pentru prima dată în lume, această navă de suprafață a ajuns polul Nord. Acest lucru s-a întâmplat în 1975.

Primele reactoare nucleare portabile au folosit neutroni lenți.

Unde sunt folosite reactoare nucleare și ce tipuri folosește omenirea?

• Reactoare industriale. Sunt folosite pentru a genera energie la centralele nucleare.
• Reactoarele nucleare care acționează ca unități de propulsie pentru submarinele nucleare.
• Reactoare experimentale (portabile, mici). Fără ele, nu are loc un singur experiment sau cercetare științifică modernă.

Astăzi, lumea științifică a învățat să folosească reactoare speciale pentru a desaliniza apa de mare și pentru a oferi populației cu produse de înaltă calitate. bând apă. Există o mulțime de reactoare nucleare în funcțiune în Rusia. Astfel, conform statisticilor, din 2018, în stat funcționează aproximativ 37 de unități.

Și în funcție de clasificare, acestea pot fi după cum urmează:

• Cercetare (istorice). Printre acestea se numără stația F-1, care a fost creată ca un loc experimental pentru producția de plutoniu. I.V. Kurchatov a lucrat la F-1 și a condus primul reactor fizic.
• Cercetare (activ).
• Armeria. Ca exemplu de reactor - A-1, care a intrat în istorie ca primul reactor cu răcire. Puterea trecută a reactorului nuclear este mică, dar funcțională.
• Energie.
• Navei. Se știe că pe nave și submarine, din necesitate și fezabilitate tehnică, se folosesc reactoare răcite cu apă sau metalice lichide.
• Spaţiu. De exemplu, să numim instalarea „Yenisei”. nave spațiale, care intră în joc dacă este necesar să se extragă energie suplimentară, și va trebui să fie obținută folosind panouri solare și surse izotopice.

Astfel, tema reactoarelor nucleare este destul de extinsă și, prin urmare, necesită un studiu aprofundat și înțelegere a legilor fizică cuantică. Dar importanța reactoarelor nucleare pentru energia și economia statului este deja, fără îndoială, înconjurată de o aură de utilitate și beneficiu.

Pentru a înțelege principiul de funcționare și designul unui reactor nuclear, trebuie să faceți o scurtă excursie în trecut. Un reactor nuclear este un vis vechi de secole, deși nu pe deplin realizat, al umanității despre o sursă inepuizabilă de energie. „Strămoșul” său străvechi este un foc format din ramuri uscate, care cândva a luminat și a încălzit bolțile peșterii în care strămoșii noștri îndepărtați și-au găsit mântuirea de frig. Mai târziu, oamenii au stăpânit hidrocarburile - cărbune, șist, petrol și gaze naturale.

A început o eră turbulentă, dar de scurtă durată a aburului, care a fost înlocuită cu o eră și mai fantastică a electricității. Orașele erau pline de lumină, iar atelierele erau pline de zumzetul unor mașini nevăzute până acum, conduse de motoare electrice. Apoi părea că progresul a atins apogeul.

Totul s-a schimbat în sfârşitul XIX-lea secol, când chimistul francez Antoine Henri Becquerel a descoperit accidental că sărurile de uraniu sunt radioactive. 2 ani mai târziu, compatrioții săi Pierre Curie și soția sa Maria Sklodowska-Curie au obținut de la ei radi și poloniu, iar nivelul lor de radioactivitate era de milioane de ori mai mare decât cel al toriului și uraniului.

Bagheta a fost ridicată de Ernest Rutherford, care a studiat în detaliu natura razelor radioactive. Astfel a început epoca atomului, care a adus pe lume copilul său iubit - reactor atomic.

Primul reactor nuclear

„Firstborn” vine din SUA. În decembrie 1942, primul curent a fost generat de reactor, care a primit numele creatorului său - unul dintre cei mai mari fizicieni secolul E. Fermi. Trei ani mai târziu, instalația nucleară ZEEP a luat viață în Canada. „Bronzul” a revenit primului reactor sovietic F-1, lansat la sfârșitul anului 1946. I.V. Kurchatov a devenit șeful proiectului nuclear intern. Astăzi, peste 400 de unități nucleare funcționează cu succes în lume.

Tipuri de reactoare nucleare

Scopul lor principal este de a susține o reacție nucleară controlată care produce electricitate. Unele reactoare produc izotopi. Pe scurt, sunt dispozitive în adâncimea cărora unele substanțe sunt transformate în altele cu eliberarea unei cantități mari de energie termică. Acesta este un fel de „cuptor”, unde în loc de tipuri tradiționale Combustibilul „ard” izotopi de uraniu – U-235, U-238 și plutoniu (Pu).

Spre deosebire, de exemplu, de o mașină proiectată pentru mai multe tipuri de benzină, fiecare tip de combustibil radioactiv are propriul său tip de reactor. Există două dintre ele - pe neutroni lenți (cu U-235) și rapid (cu U-238 și Pu). Majoritatea centralelor nucleare au reactoare lente cu neutroni. Pe lângă centralele nucleare, instalațiile „funcționează” în centre de cercetare, pe submarine nucleare etc.

Cum funcționează reactorul

Toate reactoarele au aproximativ același circuit. „Inima” sa este zona activă. Poate fi comparat aproximativ cu focarul unei sobe convenționale. Numai în loc de lemn de foc există combustibil nuclear sub formă de elemente de combustibil cu un moderator - tije de combustibil. Zona activă este situată în interiorul unui fel de capsulă - un reflector de neutroni. Tijele de combustibil sunt „spălate” de lichidul de răcire – apă. Deoarece „inima” are un nivel foarte ridicat de radioactivitate, este înconjurată de o protecție fiabilă împotriva radiațiilor.

Operatorii controlează funcționarea instalației folosind două sisteme critice - controlul reacției în lanț și un sistem de control de la distanță. Dacă apare o urgență, protecția de urgență este activată instantaneu.

Cum funcționează un reactor?

„Flacăra” atomică este invizibilă, deoarece procesele au loc la nivelul fisiunii nucleare. În timpul unei reacții în lanț, nucleele grele se descompun în fragmente mai mici, care, fiind în stare excitată, devin surse de neutroni și alte particule subatomice. Dar procesul nu se termină aici. Neutronii continuă să se „împartă”, în urma căruia sunt eliberate cantități mari de energie, adică ceea ce se întâmplă de dragul cărora sunt construite centrale nucleare.

Sarcina principală a personalului este de a menține reacția în lanț cu ajutorul tijelor de control la un nivel constant, reglabil. Aceasta este principala sa diferență față de o bombă atomică, în care procesul de dezintegrare nucleară este incontrolabil și se desfășoară rapid, sub forma unei explozii puternice.

Ce s-a întâmplat la centrala nucleară de la Cernobîl

Unul dintre principalele motive pentru dezastrul de la centrala nucleară de la Cernobîl din aprilie 1986 a fost încălcarea gravă a regulilor de siguranță operațională în timpul întreținerii de rutină la a 4-a unitate de putere. Apoi 203 tije de grafit au fost îndepărtate simultan din miez în loc de cele 15 permise de reglementări. Ca urmare, reacția în lanț incontrolabilă care a început s-a încheiat cu o explozie termică și distrugerea completă a unității de putere.

Reactoare de nouă generație

În ultimul deceniu, Rusia a devenit unul dintre liderii lumii energie nucleara. Pe acest moment Corporația de stat Rosatom construiește centrale nucleare în 12 țări, unde sunt construite 34 de unități electrice. O cerere atât de mare este o dovadă nivel inalt tehnologie nucleară rusă modernă. Urmează noile reactoare de generația a 4-a.

"Brest"

Una dintre ele este Brest, care este dezvoltată ca parte a proiectului Breakthrough. Acum sisteme de operare sistemele cu ciclu deschis funcționează cu uraniu slab îmbogățit, care lasă o cantitate mare de combustibil uzat care trebuie eliminat, ceea ce necesită costuri enorme. „Brest” - un reactor cu neutroni rapid este unic în ciclul său închis.

În el, combustibilul uzat, după procesarea corespunzătoare într-un reactor cu neutroni rapid, devine din nou combustibil cu drepturi depline, care poate fi încărcat înapoi în aceeași instalație.

Brest se distinge printr-un nivel ridicat de siguranță. Niciodată nu va „exploda” nici măcar în cel mai grav accident, este foarte economic și prietenos cu mediul, deoarece își reutiliza uraniul „reînnoit”. De asemenea, nu poate fi folosit pentru a produce plutoniu de calitate pentru arme, ceea ce deschide cele mai largi perspective pentru exportul său.

VVER-1200

VVER-1200 este un reactor inovator de generație 3+ cu o capacitate de 1150 MW. Datorită capacităților sale tehnice unice, are siguranță operațională aproape absolută. Reactorul este echipat din belșug cu sisteme de siguranță pasivă care vor funcționa automat chiar și în absența alimentării cu energie electrică.

Unul dintre ele este un sistem pasiv de îndepărtare a căldurii, care este activat automat atunci când reactorul este complet dezactivat. În acest caz, sunt prevăzute rezervoare hidraulice de urgență. Dacă există o scădere anormală de presiune în circuitul primar, o cantitate mare de apă care conține bor începe să fie furnizată în reactor, care stinge reacția nucleară și absoarbe neutronii.

Un alt know-how este situat în partea inferioară a carcasei de protecție - „capcana” topită. Dacă, în urma unui accident, miezul „se scurge”, „capcana” nu va permite prăbușirea carcasei de izolare și va împiedica pătrunderea produselor radioactive în sol.

Reactoarele nucleare au o singură sarcină: să divizeze atomii într-o reacție controlată și să folosească energia eliberată pentru a genera energie electrică. Timp de mulți ani, reactoarele au fost văzute atât ca un miracol, cât și ca o amenințare.

Când primul reactor comercial din SUA a intrat în funcțiune la Shippingport, Pennsylvania, în 1956, tehnologia a fost salutată ca sursa de energie a viitorului, iar unii au crezut că reactoarele ar face generarea de electricitate prea ieftină. Există acum 442 de reactoare nucleare construite în întreaga lume, aproximativ un sfert dintre aceste reactoare sunt în Statele Unite. Lumea a devenit dependentă de reactoarele nucleare, producând 14% din electricitatea sa. Futuristii chiar fantezau despre mașini nucleare.

Când reactorul Unității 2 de la centrala electrică Three Mile Island din Pennsylvania a suferit o defecțiune a sistemului de răcire și topirea parțială a combustibilului său radioactiv în 1979, sentimentele calde despre reactoare s-au schimbat radical. Chiar dacă reactorul distrus a fost limitat și nu s-au emis radiații grave, mulți oameni au început să vadă reactoarele ca fiind prea complexe și vulnerabile, cu consecințe potențial catastrofale. Oamenii erau îngrijorați și de deșeurile radioactive din reactoare. Ca urmare, construcția de noi centrale nucleare în Statele Unite a stagnat. Când a avut loc un accident mai grav la centrala nucleară de la Cernobîl din Uniunea Sovietică în 1986, energia nucleară părea condamnată.

Dar la începutul anilor 2000, reactoarele nucleare au început să revină, datorită cererii în creștere de energie și scăderii rezervelor de combustibili fosili, precum și preocupărilor tot mai mari cu privire la schimbările climatice rezultate din emisiile de dioxid de carbon.

Dar în martie 2011, a avut loc o altă criză - de data aceasta centrala nucleară Fukushima 1 din Japonia a fost grav avariată de un cutremur.

Utilizarea reacției nucleare

Mai simplu spus, un reactor nuclear desparte atomii și eliberează energia care menține părțile lor împreună.

Dacă ai uitat de fizică liceu, vă vom aminti cum Fisiune nucleara lucrări. Atomii sunt ca sisteme solare minuscule, cu un nucleu ca Soarele și electroni ca planetele pe orbită în jurul lui. Nucleul este format din particule numite protoni și neutroni, care sunt legate între ele. Forța care leagă elementele miezului este greu de imaginat. Este de multe miliarde de ori mai puternică decât forța gravitației. În ciuda acestei forțe enorme, este posibil să se despartă un nucleu, împușcându-i neutroni. Când se va face acest lucru, va fi eliberată multă energie. Când atomii se descompun, particulele lor se lovesc de atomii din apropiere, împărțindu-i, iar aceștia, la rândul lor, sunt următorii, și următorii și următorii. Există un așa-zis reacție în lanț.

Uraniul, un element cu atomi mari, este ideal pentru procesul de fisiune deoarece forța care leagă particulele nucleului său este relativ slabă în comparație cu alte elemente. Reactoarele nucleare folosesc un izotop specific numit Ua fugit-235 . Uraniul-235 este rar în natură, minereul din minele de uraniu conținând doar aproximativ 0,7% uraniu-235. Acesta este motivul pentru care se folosesc reactoare îmbogățitUrăni, care este creat prin separarea și concentrarea uraniului-235 printr-un proces de difuzie gazoasă.

Un proces de reacție în lanț poate fi creat în bombă atomică, similare cu cele aruncate pe orașele japoneze Hiroshima și Nagasaki în timpul celui de-al Doilea Război Mondial. Dar într-un reactor nuclear, reacția în lanț este controlată prin introducerea de tije de control din materiale precum cadmiu, hafniu sau bor care absorb o parte din neutroni. Acest lucru permite încă procesului de fisiune să elibereze suficientă energie pentru a încălzi apa la aproximativ 270 de grade Celsius și a o transforma în abur, care este folosit pentru a învârti turbinele centralei și a genera electricitate. Practic, în acest caz, o bombă nucleară controlată funcționează în loc de cărbune pentru a crea electricitate, cu excepția faptului că energia de fierbere a apei provine din scindarea atomilor în loc de arderea carbonului.

Componentele Reactorului Nuclear

Sunt cateva tipuri variate reactoare nucleare, dar toate au unele Caracteristici generale. Toate au o sursă de pelete de combustibil radioactiv - de obicei oxid de uraniu - care sunt aranjate în tuburi pentru a forma bare de combustibil în zone activeereactor.

Reactorul are și cele menționate anterior manageriietijăȘi- realizat dintr-un material care absoarbe neutroni precum cadmiu, hafniu sau bor, care este introdus pentru a controla sau opri o reacție.

Reactorul are, de asemenea moderator, o substanță care încetinește neutronii și ajută la controlul procesului de fisiune. Majoritatea reactoarelor din Statele Unite folosesc apă obișnuită, dar reactoarele din alte țări folosesc uneori grafit sau greuWowapăla, în care hidrogenul este înlocuit cu deuteriu, un izotop al hidrogenului cu un proton și un neutron. O altă parte importantă a sistemului este răcireși eulichidb, de obicei apă obișnuită, care absoarbe și transferă căldură din reactor pentru a crea abur care să rotească turbina și răcește zona reactorului, astfel încât să nu atingă temperatura la care se va topi uraniul (aproximativ 3815 grade Celsius).

În cele din urmă, reactorul este închis în scoicila, o structură mare, grea, de obicei de câțiva metri grosime, din oțel și beton care ține în interior gazele și lichidele radioactive unde nu pot dăuna nimănui.

Există o serie de modele diferite de reactoare în uz, dar una dintre cele mai comune este reactor de putere cu apă sub presiune (VVER). Într-un astfel de reactor, apa este forțată să intre în contact cu miezul și apoi rămâne acolo sub o astfel de presiune încât nu se poate transforma în abur. Această apă vine apoi în contact cu apa nepresurizată din generatorul de abur, care se transformă în abur, care rotește turbinele. Există și un design reactor de tip canal de mare putere (RBMK) cu un circuit de apă și reactor rapid cu neutroni cu două circuite de sodiu și unul de apă.

Cât de sigur este un reactor nuclear?

Răspunsul la această întrebare este destul de dificil și depinde de cine întrebi și de cum definiți „sigur”. Vă îngrijorează radiațiile sau deșeurile radioactive generate în reactoare? Sau ești mai îngrijorat de posibilitatea unui accident catastrofal? Ce grad de risc considerați un compromis acceptabil pentru beneficiile energiei nucleare? Și în ce măsură aveți încredere în guvern și în energia nucleară?

„Radiația” este un argument puternic, în principal pentru că știm cu toții că doze mari de radiații, de exemplu, de la o explozie bombă nucleară, poate ucide multe mii de oameni.

Susținătorii energiei nucleare, totuși, subliniază că toți suntem expuși în mod regulat la radiații dintr-o varietate de surse, inclusiv razele cosmice și radiatii naturale emise de Pământ. Doza medie anuală de radiații este de aproximativ 6,2 milisievert (mSv), jumătate din surse naturale și jumătate din surse artificiale, de la raze X toracice, detectoare de fum și cadrane luminoase ale ceasurilor. Câte radiații primim de la reactoarele nucleare? Doar o mică parte dintr-un procent din expunerea noastră anuală tipică este de 0,0001 mSv.

În timp ce toate centralele nucleare scurg inevitabil cantități mici de radiații, comisiile de reglementare impun operatorii centralelor la cerințe stricte. Ele nu pot expune oamenii care locuiesc în jurul uzinei la mai mult de 1 mSv de radiații pe an, iar lucrătorii din fabrică au un prag de 50 mSv pe an. Poate părea mult, dar conform Comisiei de Reglementare Nucleară, nu există dovezi medicale că dozele anuale de radiații sub 100 mSv prezintă riscuri pentru sănătatea umană.

Dar este important de menționat că nu toată lumea este de acord cu această evaluare satisfăcută a riscurilor de radiații. De exemplu, Physicians for Social Responsibility, un critic îndelungat al industriei nucleare, a studiat copiii care trăiesc în jurul centralelor nucleare germane. Studiul a constatat că oamenii care locuiesc pe o rază de 5 km de centrale au un risc dublu de a contracta leucemie în comparație cu cei care trăiesc mai departe de centralele nucleare.

Deșeuri de reactoare nucleare

Energia nucleară este prezentată de susținătorii săi drept energie „curată”, deoarece reactorul nu emite cantități mari de gaze cu efect de seră în atmosferă în comparație cu centralele pe cărbune. Dar criticii subliniază o altă problemă de mediu: eliminarea deșeurilor nucleare. O parte din combustibilul uzat din reactoare încă eliberează radioactivitate. Alte materiale inutile care ar trebui salvate sunt deşeuri radioactive de mare activitate, reziduu lichid din reprocesarea combustibilului uzat, în care rămâne o parte din uraniu. În prezent, majoritatea acestor deșeuri sunt depozitate local la centrale nucleareîn iazuri de apă care absorb o parte din căldura rămasă produsă de combustibilul uzat și ajută la protejarea lucrătorilor de expunerea la radiații

Una dintre problemele cu combustibilul nuclear uzat este că acesta a fost alterat de procesul de fisiune.Când atomii mari de uraniu sunt împărțiți, aceștia creează produse secundare - izotopi radioactivi ai mai multor elemente ușoare, cum ar fi cesiu-137 și stronțiu-90, numiți. produse de fisiune. Sunt fierbinți și foarte radioactivi, dar în cele din urmă, pe o perioadă de 30 de ani, se descompun în mai puține forme periculoase. Această perioadă este chemată pentru ei Pperioadăohmjumătate de viață. Alte elemente radioactive vor avea timpi de înjumătățire diferit. În plus, unii atomi de uraniu captează și neutroni, formând elemente mai grele precum plutoniul. Aceste elemente transuraniu nu creează la fel de multă căldură sau radiații penetrante ca produsele de fisiune, dar durează mult mai mult până se descompune. Plutoniul-239, de exemplu, are un timp de înjumătățire de 24.000 de ani.

Aceste radioactivedeşeuris nivel inalt dintre reactoare sunt periculoase pentru oameni și pentru alte forme de viață, deoarece pot elibera doze uriașe și letale de radiații chiar și la o expunere scurtă. La zece ani după ce au scos combustibilul rămas din reactor, de exemplu, ei emit de 200 de ori mai multă radioactivitate pe oră decât ar fi nevoie pentru a ucide o persoană. Și dacă deșeurile ajung în apele subterane sau râuri, pot intra în lanțul trofic și pot pune în pericol un număr mare de oameni.

Deoarece deșeurile sunt atât de periculoase, mulți oameni se află într-o situație dificilă. 60.000 de tone de deșeuri sunt situate la centralele nucleare din apropiere marile orașe. Dar găsirea unui loc sigur pentru depozitarea deșeurilor nu este ușoară.

Ce poate merge prost cu un reactor nuclear?

Cu autoritățile guvernamentale privind experiența lor, inginerii au petrecut mult timp de-a lungul anilor proiectând reactoare pentru o siguranță optimă. Doar că nu se defectează, nu funcționează corect și nu au măsuri de siguranță de rezervă dacă ceva nu merge conform planului. Ca rezultat, an de an, centralele nucleare par a fi destul de sigure în comparație cu, să zicem, călătoriile aeriene, care ucid în mod regulat între 500 și 1.100 de oameni pe an în întreaga lume.

Cu toate acestea, reactoarele nucleare suferă defecțiuni majore. Pe Scala Internațională a Evenimentelor Nucleare, care evaluează accidentele cu reactoare de la 1 la 7, au existat cinci accidente din 1957, care au o rată de la 5 la 7.

Cel mai rău coșmar este o defecțiune a sistemului de răcire, care duce la supraîncălzirea combustibilului. Combustibilul se transformă în lichid și apoi arde prin reținere, eliberând radiații radioactive. În 1979, Unitatea 2 de la centrala nucleară Three Mile Island (SUA) era în pragul acestui scenariu. Din fericire, un sistem de izolare bine conceput a fost suficient de puternic pentru a opri radiația să scape.

URSS a fost mai puțin norocoasă. Un accident nuclear grav a avut loc în aprilie 1986 la a 4-a unitate de putere de la centrala nucleară de la Cernobîl. Acest lucru a fost cauzat de o combinație de defecțiuni ale sistemului, defecte de proiectare și personal slab pregătit. În timpul unui test de rutină, reacția s-a intensificat brusc și tijele de control s-au blocat, prevenind o oprire de urgență. Acumularea bruscă de abur a provocat două explozii termice, aruncând în aer moderatorul de grafit al reactorului. În absența a ceva care să răcească barele de combustibil ale reactorului, acestea au început să se supraîncălzească și să se prăbușească complet, drept urmare combustibilul a căpătat o formă lichidă. Mulți lucrători din stație și lichidatori de accidente au murit. Un numar mare de radiații răspândite pe o suprafață de 323.749 kilometri pătrați. Numărul deceselor cauzate de radiații este încă neclar, dar Organizația Mondială a Sănătății spune că este posibil să fi cauzat 9.000 de decese prin cancer.

Producătorii de reactoare nucleare oferă garanții bazate pe evaluare probabilisticăe, în care încearcă să echilibreze prejudiciul potențial al unui eveniment cu probabilitatea cu care acesta are loc efectiv. Dar unii critici spun că ar trebui să se pregătească în schimb pentru evenimente rare, neașteptate, dar extrem de periculoase. Caz elocvent- un accident în martie 2011 la centrala nucleară Fukushima 1 din Japonia. Se pare că stația a fost proiectată pentru a rezista unui cutremur puternic, dar nu la fel de catastrofal precum cutremurul cu magnitudinea de 9,0 care a trimis un val de tsunami de 14 metri deasupra digurilor proiectate să reziste unui val de 5,4 metri. Asaltul tsunami-ului a distrus generatoarele diesel de rezervă care erau destinate să alimenteze sistemul de răcire al celor șase reactoare ale centralei în caz de întrerupere.Așa că, chiar și după ce tijele de control ale reactoarelor de la Fukushima au oprit fisiunea, combustibilul încă fierbinte a permis temperaturilor să scadă. se ridică periculos în interiorul celor distruse.reactoare.

Oficialii japonezi au recurs la macar- inundarea reactoarelor cu o cantitate imensă de apă de mare cu adaos de acid boric, care a putut preveni un dezastru, dar a distrus echipamentul reactorului. În cele din urmă, cu ajutorul camioanelor de pompieri și șlepurilor, japonezii au reușit să pompeze apă proaspătă în reactoare. Dar până atunci, monitorizarea arătase deja niveluri alarmante de radiații în pământul și apa din jur. Într-un sat la 40 km de centrală, elementul radioactiv Cesiu-137 a fost găsit la niveluri mult mai mari decât după dezastrul de la Cernobîl, ridicând îndoieli cu privire la posibilitatea locuirii umane în zonă.

: ... destul de banal, dar cu toate acestea încă nu am găsit informațiile într-o formă digerabilă - cum ÎNCEPE să funcționeze un reactor nuclear. Totul despre principiul și structura muncii a fost deja mestecat de peste 300 de ori și este clar, 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, combustibilul este rece și totul este în regulă, deci nu este în totalitate clar ce cauzează încălzirea elementelor, cum sunt afectate și așa mai departe, de preferință nu științific).

Este dificil, desigur, să încadrezi un astfel de subiect într-un mod non-științific, dar voi încerca. Să ne dăm seama mai întâi care sunt aceste bare de combustibil.

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 asemănătoare unei avalanșe, 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. diametrul 1,35 cm.Acest tub se numeste element combustibil - element combustibil. 36 de tije de combustibil sunt asamblate într-o casetă (un alt nume este „asamblare”).

Proiectare element combustibil reactor 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 energie. Aceasta din urmă înseamnă că microparticulele unei substanțe se află într-o stare cu o energie de repaus mai mare decât într-o altă stare posibilă la care există o tranziție. O tranziție spontană este întotdeauna împiedicată de o barieră energetică, pentru a o depăși microparticula trebuie să primească o anumită cantitate de energie din exterior - energie de excitație. Reacția exoenergetică constă în faptul că în transformarea care urmează excitării 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 se unește.

Dacă ținem cont de scara macroscopică a eliberării de energie, atunci toate sau inițial cel puțin o parte din particulele substanței trebuie să aibă energia cinetică necesară pentru a excita reacțiile. Acest lucru este realizabil doar prin creșterea temperaturii mediului până la o valoare la care energia mișcării termice se apropie de pragul de energie care limitează cursul procesului. În cazul transformărilor moleculare, adică al reacțiilor chimice, o astfel de creștere este de obicei de sute de grade Kelvin, dar 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 se realizează în practică numai în timpul sintezei celor mai ușoare nuclee, în care barierele Coulomb sunt minime (fuziune termonucleară).

Excitarea prin unirea particulelor nu necesită energie cinetică mare și, prin urmare, nu depinde de temperatura mediului, deoarece apare din cauza legăturilor neutilizate inerente forțelor atractive ale particulelor. Dar pentru a excita reacțiile, particulele în sine sunt necesare. Și dacă ne referim din nou nu la un act separat de reacție, ci la 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 făcute din substanțe care absorb puternic neutronii - de exemplu, bor sau cadmiu. Când tijele sunt introduse adânc, o reacție 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 ușoară a tijelor, procesul de lanț fie se va dezvolta, fie se va estompa. În acest fel este reglată puterea reactorului.

CNE Leningrad, reactor RBMK

Începutul funcționării reactorului:

În momentul inițial de timp după prima încărcare a combustibilului, nu există o reacție în lanț de fisiune în reactor, reactorul este într-o stare subcritică. Temperatura lichidului de răcire este semnificativ 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, condiție în care numărul de neutroni eliberați în timpul fisiunii nucleare trebuie să fie mai mare decât numărul de neutroni absorbiți. Acest lucru se poate face prin creșterea conținutului de uraniu-235 (cantitatea de bare 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 cea nominală. În această etapă, reactorul este încălzit 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 aceasta, puterea reactorului poate fi mărită la orice nivel în intervalul de la 2 la 100% din puterea nominală.

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

Reglare prin elemente absorbante solide, mobile

Pentru a schimba rapid reactivitatea, în marea majoritate a cazurilor se folosesc absorbante solide mobile. 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 este răcită cu apă din circuitul sistemului de control și protecție (sistem de control și protecție) la o temperatură medie de 50 ° C. În funcție de scopul lor, tijele sunt împărțite în AZ (protecție de urgență). ) tije; există 24 de astfel de tije în RBMK. Tije de control automat - 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 miez de jos, restul de sus.

Reactorul VVER 1000. 1 - actionare sistem de control; 2 - capac reactor; 3 - corpul reactorului; 4 - bloc de conducte de protectie (BZT); 5 - arbore; 6 - carcasă miez; 7 - ansambluri combustibile (FA) si tije de control;

Elemente absorbante ardebile.

Pentru a compensa excesul de reactivitate după încărcarea combustibilului proaspăt, se folosesc adesea absorbante ardabile. Principiul de funcționare al cărui principiu este că ei, ca și combustibilul, după capturarea unui neutron, încetează ulterior să absoarbă neutroni (arde). Mai mult, rata de scădere ca urmare a absorbției neutronilor de către nucleele absorbante este mai mică sau egală cu rata de scădere ca urmare a fisiunii nucleelor ​​de combustibil. Dacă încărcăm un miez de reactor cu combustibil proiectat să funcționeze timp de un an, atunci este evident că numărul de nuclee de combustibil fisionabil la începutul funcționării 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, trebuie să le mișcăm continuu pe măsură ce numărul de nuclee de combustibil scade. Utilizarea absorbantelor ardabile reduce utilizarea tijelor mobile. În zilele noastre, absorbanții ardebili sunt adesea adăugați direct pe pelete de combustibil în timpul fabricării lor.

Controlul reactivității fluidelor.

O astfel de reglare este utilizată, în special, în timpul funcționării unui reactor de tip VVER, acid boric H3BO3 care conține nuclee de absorbție de neutroni 10B este introdus în lichidul de răcire. Schimbând concentrația de acid boric în calea lichidului de răcire, modificăm astfel reactivitatea în miez. În perioada inițială de funcționare a reactorului, când există 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 mult timp la o putere dată numai dacă are o rezervă 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 motive naturale asigură menținerea stării critice a reactorului în fiecare moment al funcționării acestuia. Rezerva inițială de reactivitate este creată prin construirea unui miez cu dimensiuni care le depășesc semnificativ pe cele critice. Pentru a preveni ca reactorul să devină supercritic, k0 al mediului de reproducere este simultan redus artificial. Acest lucru se realizează prin introducerea de substanțe absorbante de neutroni în miez, care pot fi ulterior îndepărtate din miez. Ca și în elementele de control al reacției în lanț, substanțele absorbante sunt incluse în materialul tijelor cu una sau alta secțiune transversală care se deplasează prin canalele corespunzătoare din miez. Dar dacă una sau două sau mai multe tije sunt suficiente pentru reglare, atunci pentru a compensa excesul de reactivitate inițial, numărul de tije poate ajunge la sute. Aceste tije se numesc tije compensatoare. Tijele de control și compensare nu reprezintă neapărat elemente de proiectare 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 și a porni reactorul și pentru a trece de la un nivel de putere la altul. Toate aceste operațiuni necesită mici modificări ale reactivității. Tijele de compensare sunt îndepărtate treptat din miezul reactorului, asigurând o stare critică pe toată durata funcționării acestuia.

Uneori, tijele de control nu sunt fabricate din materiale absorbante, ci din material fisionabil sau material de împrăștiere. În reactoarele termice, aceștia sunt în principal absorbanți de neutroni; nu există absorbitori rapidi de neutroni eficienți. Absorbanții precum cadmiul, hafniul și altele absorb puternic doar neutronii termici datorită apropierii primei rezonanțe de regiunea termică, iar în afara acesteia din urmă nu se deosebesc de alte substanțe în proprietățile lor absorbante. 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. Materialul absorbant dintr-un reactor cu neutroni rapidi poate fi doar bor, dacă este posibil îmbogățit cu izotopul 10B. 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 în timp ce aceasta scade în mod natural. Totuși, spre deosebire de un absorbant, o astfel de tijă este situată în afara miezului la începutul funcționării reactorului și apoi este introdusă în miez.

Materialele de împrăștiere utilizate în reactoarele rapide sunt nichelul, care are o secțiune transversală de împrăștiere pentru neutronii rapizi care este puțin mai mare decât secțiunile transversale ale altor 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 controlului reacției în lanț este servit de părțile mobile ale reflectoarelor de neutroni, care, atunci când sunt mutate, 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 unui reactor nuclear este 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 ar putea duce la un accident. Astfel de parametri pot include: 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, pentru a opri reactorul, un absorbant de lichid este injectat în bucla de răcire.

Pe lângă protecția activă, multe modele moderne includ și elemente de protecție pasivă. De exemplu, versiunile moderne ale reactoarelor VVER includ un „Sistem de răcire a miezului de urgență” (ECCS) - rezervoare speciale cu acid boric situat deasupra reactorului. În cazul unui accident de bază de proiectare maximă (ruperea primului circuit de răcire al reactorului), conținutul acestor rezervoare ajunge în interiorul miezului reactorului prin gravitație, 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 reactoarelor centralelor nucleare”, cel puțin unul dintre sistemele de oprire a reactorului prevăzute trebuie să îndeplinească funcția de protecție în caz de urgență (EP). Protecția în caz de urgență trebuie să aibă cel puțin două grupuri independente de elemente de lucru. La semnalul AZ, părțile de lucru AZ trebuie activate din orice poziție de lucru sau intermediară.

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

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

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

Fiecare set de echipamente de protecție în caz de urgență trebuie proiectat astfel încât, pe întreaga gamă de modificări ale parametrilor tehnologici stabilite în proiectarea centralei reactoare (RP), protecția în caz de urgență să fie asigurată prin cel puțin trei canale independente pentru fiecare parametru tehnologic. pentru care este necesară protecția.

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

Protecția de urgență trebuie declanșată cel puțin în următoarele cazuri:

1. La atingerea setării AZ pentru densitatea fluxului de neutroni.
2. La atingerea setării AZ pentru rata de creștere a densității fluxului de neutroni.
3. Dacă tensiunea dispare în orice set de echipamente de protecție în caz de urgență și magistralele de alimentare CPS care nu au fost scoase din funcțiune.
4. În cazul defectării a două dintre cele trei canale de protecție pentru densitatea fluxului de neutroni sau pentru rata de creștere a fluxului de neutroni în orice set de echipamente AZ care nu a fost scos din funcțiune.
5. Când setările AZ sunt atinse de parametrii tehnologici pentru care trebuie efectuată protecția.
6. La declanșarea AZ de la o cheie dintr-un punct de control al blocului (BCP) sau dintr-un punct de control al rezervă (RCP).

Poate cineva poate explica pe scurt, într-un mod și mai puțin științific, cum începe să funcționeze o centrală nucleară? :-)

Amintește-ți un subiect ca Articolul original este pe site InfoGlaz.rf Link către articolul din care a fost făcută această copie -