Reaktor jądrowy działa sprawnie i wydajnie. W przeciwnym razie, jak wiadomo, będą kłopoty. Ale co dzieje się w środku? Spróbujmy krótko i przejrzyście sformułować zasadę działania reaktora jądrowego (jądrowego) z przystankami.

W istocie zachodzi tam ten sam proces, co podczas wybuchu nuklearnego. Tylko eksplozja następuje bardzo szybko, ale w reaktorze wszystko to rozciąga się na długi czas. Dzięki temu wszystko pozostaje bezpieczne i zdrowe, a my otrzymujemy energię. Nie na tyle, żeby od razu zniszczyć wszystko dookoła, ale w zupełności wystarczy, żeby zapewnić miastu prąd.

Jak działa reaktor Wieże chłodnicze elektrowni jądrowej
Zanim zrozumiesz, jak zachodzi kontrolowana reakcja jądrowa, musisz wiedzieć, czym ogólnie jest reakcja jądrowa.

Reakcja jądrowa to proces transformacji (rozszczepienia) jąder atomowych podczas ich interakcji z cząstkami elementarnymi i promieniami gamma.

Reakcje jądrowe mogą zachodzić zarówno podczas absorpcji, jak i uwalniania energii. Reaktor wykorzystuje drugą reakcję.

Reaktor jądrowy to urządzenie, którego zadaniem jest utrzymanie kontrolowanej reakcji jądrowej z wyzwoleniem energii.

Często reaktor jądrowy nazywany jest także reaktorem atomowym. Zauważmy, że nie ma tu zasadniczej różnicy, ale z punktu widzenia nauki bardziej poprawne jest użycie słowa „jądrowy”. Obecnie istnieje wiele typów reaktorów jądrowych. Są to ogromne reaktory przemysłowe przeznaczone do wytwarzania energii w elektrowniach, reaktory jądrowe okrętów podwodnych, małe reaktory eksperymentalne wykorzystywane w eksperymentach naukowych. Istnieją nawet reaktory służące do odsalania wody morskiej.

Historia powstania reaktora jądrowego

Pierwszy reaktor jądrowy został uruchomiony w niedalekim 1942 roku. Stało się to w USA pod przewodnictwem Fermiego. Reaktor ten nazwano Chicago Woodpile.

W 1946 r. Zaczął działać pierwszy radziecki reaktor, uruchomiony pod kierownictwem Kurczatowa. Korpus tego reaktora był kulą o średnicy siedmiu metrów. Pierwsze reaktory nie posiadały układu chłodzenia, a ich moc była minimalna. Nawiasem mówiąc, radziecki reaktor miał średnią moc 20 watów, a amerykański - tylko 1 wat. Dla porównania średnia moc nowoczesnych reaktorów energetycznych wynosi 5 Gigawatów. Niecałe dziesięć lat po uruchomieniu pierwszego reaktora w mieście Obninsk otwarto pierwszą na świecie przemysłową elektrownię jądrową.

Zasada działania reaktora jądrowego (jądrowego).

Każdy reaktor jądrowy składa się z kilku części: rdzenia z paliwem i moderatorem, reflektora neutronów, chłodziwa, układu sterowania i ochrony. Izotopy uranu (235, 238, 233), plutonu (239) i toru (232) są najczęściej wykorzystywane jako paliwo w reaktorach. Rdzeń stanowi kocioł, przez który przepływa zwykła woda (chłodziwo). Wśród innych chłodziw rzadziej stosuje się „ciężką wodę” i ciekły grafit. Jeśli mówimy o działaniu elektrowni jądrowych, to do produkcji ciepła wykorzystuje się reaktor jądrowy. Sam prąd wytwarzany jest w ten sam sposób, co w innych typach elektrowni – para obraca turbinę, a energia ruchu zamieniana jest na energię elektryczną.

Poniżej znajduje się schemat działania reaktora jądrowego.

schemat działania reaktora jądrowego Schemat reaktora jądrowego w elektrowni jądrowej

Jak już powiedzieliśmy, w wyniku rozpadu ciężkiego jądra uranu powstają lżejsze pierwiastki i kilka neutronów. Powstałe neutrony zderzają się z innymi jądrami, powodując również ich rozszczepienie. Jednocześnie liczba neutronów rośnie jak lawina.

Tutaj musimy wspomnieć o współczynniku mnożenia neutronów. Jeśli więc współczynnik ten przekroczy wartość równą jedności, nastąpi wybuch jądrowy. Jeśli wartość jest mniejsza niż jeden, neutronów jest za mało i reakcja wygasa. Jeśli jednak utrzymamy wartość współczynnika równą jedności, reakcja będzie przebiegać długo i stabilnie.

Pytanie jak to zrobić? W reaktorze paliwo zawarte jest w tzw. elementach paliwowych (elementach paliwowych). Są to pręty zawierające paliwo nuklearne w postaci małych tabletek. Pręty paliwowe są połączone w sześciokątne kasety, których w reaktorze mogą być setki. Kasety z prętami paliwowymi ułożone są pionowo, a każdy pręt paliwowy posiada system pozwalający na regulację głębokości jego zanurzenia w rdzeniu. Oprócz samych kaset znajdują się wśród nich drążki sterujące i drążki zabezpieczenia awaryjnego. Pręty wykonane są z materiału dobrze pochłaniającego neutrony. W ten sposób pręty sterujące można opuszczać na różne głębokości w rdzeniu, dostosowując w ten sposób współczynnik mnożenia neutronów. Pręty awaryjne służą do wyłączania reaktora w sytuacji awaryjnej.

Jak uruchamia się reaktor jądrowy?

Opracowaliśmy już samą zasadę działania, ale jak uruchomić i sprawić, by reaktor działał? Z grubsza rzecz biorąc, oto kawałek uranu, ale reakcja łańcuchowa nie rozpoczyna się w nim sama. Faktem jest, że w fizyce jądrowej istnieje pojęcie masy krytycznej.

Paliwo jądrowe Paliwo jądrowe

Masa krytyczna to masa materiału rozszczepialnego wymagana do rozpoczęcia jądrowej reakcji łańcuchowej.

Za pomocą prętów paliwowych i prętów kontrolnych w reaktorze najpierw tworzona jest masa krytyczna paliwa jądrowego, a następnie w kilku etapach reaktor jest doprowadzany do optymalnego poziomu mocy.

Spodoba ci się: Sztuczki matematyczne dla studentów nauk humanistycznych i nie tylko (Część 1)
W tym artykule staraliśmy się dać ogólne pojęcie o budowie i zasadzie działania reaktora jądrowego (jądrowego). Jeżeli mają Państwo jakiekolwiek pytania w tym temacie lub zadano Państwu problem z fizyki jądrowej na uczelni, prosimy o kontakt ze specjalistami naszej firmy. Jak zwykle jesteśmy gotowi pomóc Ci rozwiązać każdy palący problem związany ze studiami. A skoro już przy tym jesteśmy, oto kolejny film edukacyjny, na który warto zwrócić uwagę!

blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

Znaczenie energetyki jądrowej we współczesnym świecie

Energia jądrowa poczyniła ogromne postępy w ciągu ostatnich kilku dekad, stając się jednym z najważniejszych źródeł energii elektrycznej dla wielu krajów. Jednocześnie należy pamiętać, że za rozwojem tego sektora gospodarki narodowej stoi ogromny wysiłek dziesiątek tysięcy naukowców, inżynierów i zwykłych robotników, robiących wszystko, aby „pokojowy atom” nie zamienił się w realne zagrożenie dla milionów ludzi. Prawdziwym rdzeniem każdej elektrowni jądrowej jest reaktor jądrowy.

Historia powstania reaktora jądrowego

Pierwsze takie urządzenie zostało zbudowane u szczytu II wojny światowej w USA przez słynnego naukowca i inżyniera E. Fermiego. Ze względu na swój niezwykły wygląd, który przypominał stos bloków grafitu ułożonych jeden na drugim, reaktor ten nazwano Chicago Stack. Warto dodać, że urządzenie to działało na uran, który umieszczano tuż pomiędzy blokami.

Utworzenie reaktora jądrowego w Związku Radzieckim

W naszym kraju większą uwagę poświęcono także zagadnieniom nuklearnym. Pomimo tego, że główne wysiłki naukowców koncentrowały się na militarnym wykorzystaniu atomu, aktywnie wykorzystywali uzyskane wyniki do celów pokojowych. Pierwszy reaktor jądrowy, o kryptonimie F-1, zbudowała grupa naukowców pod przewodnictwem słynnego fizyka I. Kurczatowa pod koniec grudnia 1946 roku. Jego istotną wadą był brak jakiegokolwiek układu chłodzenia, przez co moc wydzielanej przez niego energii była niezwykle znikoma. W tym samym czasie radzieccy badacze dokończyli rozpoczęte prace, których efektem zaledwie osiem lat później została otwarta pierwsza na świecie elektrownia jądrowa w mieście Obnińsk.

Zasada działania reaktora

Reaktor jądrowy jest niezwykle skomplikowanym i niebezpiecznym urządzeniem technicznym. Zasada jego działania polega na tym, że podczas rozpadu uranu uwalnia się kilka neutronów, które z kolei wybijają cząstki elementarne z sąsiednich atomów uranu. Ta reakcja łańcuchowa uwalnia znaczną ilość energii w postaci ciepła i promieni gamma. Jednocześnie należy wziąć pod uwagę fakt, że jeśli reakcja ta nie będzie w żaden sposób kontrolowana, wówczas rozszczepienie atomów uranu w możliwie najkrótszym czasie może doprowadzić do potężnej eksplozji z niepożądanymi konsekwencjami.

Aby reakcja przebiegała w ściśle określonych granicach, ogromne znaczenie ma konstrukcja reaktora jądrowego. Obecnie każda taka konstrukcja jest rodzajem kotła, przez który przepływa chłodziwo. W tym celu zwykle wykorzystuje się wodę, ale istnieją elektrownie jądrowe, które wykorzystują ciekły grafit lub ciężką wodę. Nie można sobie wyobrazić nowoczesnego reaktora jądrowego bez setek specjalnych sześciokątnych kaset. Zawierają elementy wytwarzające paliwo, przez które przepływają chłodziwa. Kaseta ta pokryta jest specjalną warstwą zdolną do odbijania neutronów i w ten sposób spowalniania reakcji łańcuchowej

Reaktor jądrowy i jego ochrona

Posiada kilka poziomów ochrony. Oprócz samego korpusu, od góry pokryty jest specjalną izolacją termiczną i ochroną biologiczną. Z inżynierskiego punktu widzenia konstrukcja ta jest potężnym żelbetowym bunkrem, którego drzwi są zamknięte tak szczelnie, jak to możliwe.

Reaktor jądrowy

Reaktor jądrowy to urządzenie, w którym zachodzi kontrolowana jądrowa reakcja łańcuchowa, której towarzyszy wyzwolenie energii. Pierwszy reaktor jądrowy zbudowano i uruchomiono w grudniu 1942 roku w USA pod kierownictwem E. Fermiego. Pierwszym reaktorem zbudowanym poza Stanami Zjednoczonymi był ZEEP, uruchomiony w Kanadzie we wrześniu 1945 roku. W Europie pierwszym reaktorem jądrowym była instalacja F-1, która rozpoczęła pracę 25 grudnia 1946 roku w Moskwie pod kierownictwem I.V. Kurczatowa.

Do 1978 roku na świecie działało już około stu reaktorów jądrowych różnego typu. Elementami każdego reaktora jądrowego są: rdzeń z paliwem jądrowym, zwykle otoczony reflektorem neutronów, chłodziwo, system kontroli reakcji łańcuchowej, ochrona przed promieniowaniem i system zdalnego sterowania. Zbiornik reaktora podlega zużyciu (zwłaszcza pod wpływem promieniowania jonizującego). Główną cechą reaktora jądrowego jest jego moc. Moc 1 MW odpowiada reakcji łańcuchowej, w której w ciągu 1 sekundy zachodzi 3·1016 zdarzeń rozszczepienia.

Fabuła

Na czele grupy teoretycznej „Projekt Uranowy” hitlerowskich Niemiec, działającej w Towarzystwie Cesarza Wilhelma, stał Weizsäcker, ale tylko formalnie. Heisenberg stał się de facto liderem, opracowując teoretyczne podstawy reakcji łańcuchowej, natomiast Weizsäcker wraz z grupą uczestników skupił się na stworzeniu „maszyny uranowej” – pierwszego reaktora. Późną wiosną 1940 roku jeden z naukowców grupy, Harteck, przeprowadził pierwszy eksperyment, próbując wywołać reakcję łańcuchową przy użyciu tlenku uranu i stałego moderatora grafitowego. Jednakże dostępny materiał rozszczepialny nie był wystarczający do osiągnięcia tego celu. W 1941 roku na Uniwersytecie w Lipsku członek grupy Heisenberga Doepel zbudował stanowisko z moderatorem ciężkiej wody, w ramach eksperymentów, na których do maja 1942 roku udało się osiągnąć produkcję neutronów w ilościach przekraczających ich absorpcję. Niemieckim naukowcom udało się doprowadzić do pełnej reakcji łańcuchowej w lutym 1945 r. w eksperymencie przeprowadzonym w kopalni działającej niedaleko Haigerloch. Jednak kilka tygodni później niemiecki program nuklearny przestał istnieć.

Reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądrowego (w skrócie reakcja łańcuchowa) została po raz pierwszy przeprowadzona w grudniu 1942 r. Grupa fizyków z Uniwersytetu w Chicago pod przewodnictwem E. Fermiego stworzyła pierwszy na świecie reaktor jądrowy, nazwany Chicago Pile-1 (CP-1). Składał się z bloków grafitowych, pomiędzy którymi znajdowały się kulki naturalnego uranu i jego dwutlenku. Szybkie neutrony pojawiające się po rozszczepieniu jąder 235U zostały spowolnione przez grafit do energii cieplnej, a następnie spowodowały nowe rozszczepienia jądrowe. Reaktory takie jak SR-1, w których większość rozszczepień zachodzi pod wpływem neutronów termicznych, nazywane są reaktorami neutronów termicznych. Zawierają dużo moderatora w porównaniu do paliwa jądrowego.

W ZSRR teoretyczne i eksperymentalne badania cech rozruchu, działania i sterowania reaktorów przeprowadziła grupa fizyków i inżynierów pod przewodnictwem akademika I.V. Kurczatowa. Pierwszy radziecki reaktor F-1 powstał w Laboratorium nr 2 Akademii Nauk ZSRR (Moskwa). Reaktor ten doprowadzono do stanu krytycznego 25 grudnia 1946 r. Reaktor F-1 wykonany był z bloków grafitowych i miał kształt kuli o średnicy około 7,5 m. W centralnej części kuli o średnicy 6 m przez otwory w blokach grafitowych umieszczono pręty uranowe. Reaktor F-1, podobnie jak reaktor CP-1, nie posiadał układu chłodzenia, dlatego pracował na bardzo niskich poziomach mocy (ułamki wata, rzadko kilka watów). Wyniki badań reaktora F-1 stały się podstawą do projektów bardziej złożonych reaktorów przemysłowych. W 1948 roku uruchomiono reaktor I-1 (według innych źródeł nazywano go A-1) do produkcji plutonu, a 27 czerwca 1954 roku pierwszą na świecie elektrownię jądrową o mocy elektrycznej 5 MW weszło do użytku w Obnińsku.

Konstrukcja i zasada działania

Mechanizm uwalniania energii Transformacji substancji towarzyszy wyzwolenie darmowej energii tylko wtedy, gdy substancja posiada zapas energii. To ostatnie oznacza, że ​​mikrocząstki substancji znajdują się w stanie o energii spoczynkowej większej niż w innym możliwym stanie, do którego następuje przejście. Spontanicznemu przejściu zawsze zapobiega bariera energetyczna, do pokonania której mikrocząstka musi otrzymać pewną ilość energii z zewnątrz – energię wzbudzenia. Reakcja egzoenergetyczna polega na tym, że w przemianie po wzbudzeniu uwalnia się więcej energii niż potrzeba do wzbudzenia procesu. Barierę energetyczną można pokonać na dwa sposoby: albo dzięki energii kinetycznej zderzających się cząstek, albo dzięki energii wiązania łączącej się cząstki.

Jeśli mamy na uwadze makroskopową skalę uwalniania energii, to wszystkie lub początkowo przynajmniej część cząstek substancji musi posiadać energię kinetyczną niezbędną do wzbudzenia reakcji. Można to osiągnąć jedynie poprzez podniesienie temperatury ośrodka do wartości, przy której energia ruchu cieplnego zbliża się do progu energetycznego ograniczającego przebieg procesu. W przypadku przemian molekularnych, czyli reakcji chemicznych, taki wzrost wynosi zwykle setki kelwinów, ale w przypadku reakcji jądrowych wynosi co najmniej 107 K ze względu na bardzo dużą wysokość barier Coulomba zderzających się jąder. Wzbudzanie termiczne reakcji jądrowych przeprowadza się w praktyce tylko podczas syntezy najlżejszych jąder, w których bariery kulombowskie są minimalne (fuzja termojądrowa).

Wzbudzenie poprzez połączenie cząstek nie wymaga dużej energii kinetycznej, a zatem nie zależy od temperatury ośrodka, ponieważ zachodzi z powodu niewykorzystanych wiązań właściwych siłom przyciągania cząstek. Ale aby wzbudzić reakcje, potrzebne są same cząstki. A jeśli znowu nie mamy na myśli osobnego aktu reakcji, ale wytwarzanie energii w skali makroskopowej, to jest to możliwe tylko wtedy, gdy zachodzi reakcja łańcuchowa. To drugie ma miejsce, gdy cząstki wzbudzające reakcję pojawiają się ponownie jako produkty reakcji egzoenergetycznej.

Projekt

Każdy reaktor jądrowy składa się z następujących części:

• Rdzeń z paliwem jądrowym i moderatorem;
• Odbłyśnik neutronów otaczający rdzeń;
• Płyn chłodzący;
• System kontroli reakcji łańcuchowej, w tym zabezpieczenie awaryjne;
• Ochrona przed promieniowaniem;
• System zdalnego sterowania.

Kopalnia jodu

Wgłębienie jodowe to stan reaktora jądrowego po jego wyłączeniu, charakteryzujący się nagromadzeniem krótkotrwałego izotopu ksenonu 135Xe. Proces ten prowadzi do chwilowego pojawienia się znacznej ujemnej reaktywności, co z kolei uniemożliwia doprowadzenie reaktora do projektowej wydajności w określonym czasie (około 1-2 dni).

Klasyfikacja

Według celu

Ze względu na charakter zastosowania reaktory jądrowe dzielą się na:

• Reaktory energetyczne przeznaczone do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej wykorzystywanej w energetyce, a także do odsalania wody morskiej (reaktory odsalające zaliczane są również do przemysłowych). Reaktory tego typu stosowane są głównie w elektrowniach jądrowych. Moc cieplna nowoczesnych reaktorów energetycznych sięga 5 GW. Odrębną grupę stanowią:
  • Reaktory transportowe przeznaczone do zasilania energią silników pojazdów. Najszersze grupy zastosowań stanowią reaktory transportu morskiego stosowane na okrętach podwodnych i różnych statkach nawodnych, a także reaktory stosowane w technice kosmicznej.
• Reaktory eksperymentalne przeznaczone do badania różnych wielkości fizycznych, których znaczenie jest niezbędne do projektowania i eksploatacji reaktorów jądrowych; Moc takich reaktorów nie przekracza kilku kW.
• Reaktory badawcze, w których strumienie neutronów i kwantów gamma powstające w rdzeniu wykorzystywane są do badań z zakresu fizyki jądrowej, fizyki ciała stałego, chemii radiacyjnej, biologii oraz do badania materiałów przeznaczonych do pracy w intensywnych strumieniach neutronów (m.in. części reaktorów jądrowych), do produkcji izotopów. Moc reaktorów badawczych nie przekracza 100 MW. Uwolniona energia zwykle nie jest wykorzystywana.
• Reaktory przemysłowe (broń, izotopy) służące do produkcji izotopów stosowanych w różnych dziedzinach. Najczęściej stosowany do produkcji materiałów do broni nuklearnej, takich jak 239Pu. Do przemysłowych zalicza się także reaktory stosowane do odsalania wody morskiej.

Reaktory są często używane do rozwiązywania dwóch lub więcej różnych problemów, w takim przypadku nazywa się je reaktorami wielofunkcyjnymi. Na przykład niektóre reaktory energetyczne, zwłaszcza w początkach energetyki jądrowej, były projektowane głównie do celów eksperymentalnych. Reaktory na neutrony szybkie mogą jednocześnie wytwarzać energię i wytwarzać izotopy. Reaktory przemysłowe, poza swoim głównym zadaniem, często wytwarzają energię elektryczną i cieplną.

Według widma neutronów

• Reaktor termiczny (powolny) na neutrony („reaktor termiczny”)
• Reaktor na neutrony szybkie („reaktor szybki”)
• Pośredni reaktor neutronowy
• Reaktor o mieszanym spektrum

Przez rozmieszczenie paliwa

• Reaktory heterogeniczne, w których paliwo umieszczane jest dyskretnie w rdzeniu w postaci bloków, pomiędzy którymi znajduje się moderator;
• Reaktory jednorodne, w których paliwo i moderator stanowią mieszaninę jednorodną (układ jednorodny).

W reaktorze heterogenicznym paliwo i moderator mogą być oddzielone przestrzennie, w szczególności w reaktorze wnękowym moderator-reflektor otacza wnękę z paliwem niezawierającym moderatora. Z fizyki jądrowej kryterium jednorodności/niejednorodności nie stanowi konstrukcja, lecz rozmieszczenie bloków paliwowych w odległości przekraczającej długość moderacji neutronów w danym moderatorze. Zatem reaktory z tzw. „siatką zamkniętą” projektowane są jako jednorodne, chociaż w nich paliwo jest zwykle oddzielane od moderatora.

Bloki paliwa jądrowego w reaktorze heterogenicznym nazywane są zespołami paliwowymi (FA), które są umieszczane w rdzeniu w węzłach regularnej sieci, tworząc komórki.

Według rodzaju paliwa

• izotopy uranu 235, 238, 233 (235U, 238U, 233U)
• izotop plutonu 239 (239Pu), także izotopy 239-242Pu w postaci mieszaniny z 238U (paliwo MOX)
• izotop toru 232 (232Th) (poprzez konwersję do 233U)

Według stopnia wzbogacenia:

• naturalny uran
• słabo wzbogacony uran
• wysoko wzbogacony uran

Według składu chemicznego:

• metal U
• UO2 (dwutlenek uranu)
• UC (węglik uranu) itp.

Według rodzaju płynu chłodzącego

• H2O (reaktor woda-woda)
• Gaz (reaktor gazowo-grafitowy)
• Reaktor chłodzony organicznie
• Reaktor chłodzony ciekłym metalem
• Reaktor ze stopioną solą
• Reaktor ze stałym chłodziwem

Według typu moderatora

• C (reaktor grafitowo-gazowy, reaktor grafitowo-wodny)
• H2O (reaktor lekkowodny, reaktor chłodzony wodą, VVER)
• D2O (ciężkowodny reaktor jądrowy, CANDU)
• Bądź, BeO
• Wodorki metali
• Bez moderatora (szybki reaktor)

Przez projekt

• Reaktory okrętowe
• Reaktory kanałowe

Metodą wytwarzania pary

• Reaktor z zewnętrzną wytwornicą pary (reaktor wodno-wodny, WWER)
• Wrzący reaktor

Klasyfikacja MAEA

• PWR (reaktory wodne ciśnieniowe) - reaktor wodno-wodny (reaktor wodny ciśnieniowy);
• BWR (reaktor wrzącej wody) - reaktor wrzącej wody;
• FBR (reaktor szybkiego powielania) - reaktor szybkiego powielania;
• GCR (reaktor chłodzony gazem) - reaktor chłodzony gazem;
• LWGR (reaktor lekkowodny grafitowy) - reaktor grafitowo-wodny
• PHWR (ciśnieniowy reaktor ciężkowodny) - reaktor ciężkowodny

Najpopularniejsze na świecie są reaktory wodne pod ciśnieniem (około 62%) i wrzące (20%).

Sterowanie reaktorem jądrowym

Sterowanie reaktorem jądrowym jest możliwe tylko dzięki temu, że podczas rozszczepienia część neutronów wylatuje z fragmentów z opóźnieniem, które może wynosić od kilku milisekund do kilku minut.

Do sterowania reaktorem stosuje się wprowadzane do rdzenia pręty absorberów wykonane z materiałów silnie pochłaniających neutrony (głównie B, Cd i niektóre inne) i/lub roztwór kwasu borowego dodawany do chłodziwa w określonym stężeniu (kontrola boru ). Ruchem prętów sterują specjalne mechanizmy, napędy działające na podstawie sygnałów operatora lub urządzenia do automatycznego sterowania strumieniem neutronów.

Na wypadek różnych sytuacji awaryjnych każdy reaktor wyposażony jest w awaryjne zakończenie reakcji łańcuchowej, realizowane poprzez wrzucenie do rdzenia wszystkich prętów absorbujących – system zabezpieczenia awaryjnego.

Ciepło resztkowe

Ważnym zagadnieniem bezpośrednio związanym z bezpieczeństwem jądrowym jest ciepło rozpadu. Jest to specyficzna cecha paliwa jądrowego, która polega na tym, że po ustaniu reakcji łańcuchowej rozszczepienia i zwykłej dla każdego źródła energii inercji cieplnej, wydzielanie ciepła w reaktorze trwa przez długi czas, co powoduje powstanie szereg skomplikowanych technicznie problemów.

Uwalnianie ciepła resztkowego jest konsekwencją rozkładu β i γ produktów rozszczepienia, które nagromadziły się w paliwie podczas pracy reaktora. Jądra produktów rozszczepienia na skutek rozpadu przechodzą w stan bardziej stabilny lub całkowicie stabilny wraz z wyzwoleniem znacznej energii.

Choć szybkość wydzielania ciepła podczas rozpadu szybko maleje do wartości małych w porównaniu do wartości ustalonych, to w reaktorach mocy dużej mocy jest ona znacząca w wartościach bezwzględnych. Z tego powodu wytwarzanie ciepła resztkowego wiąże się z koniecznością długiego okresu czasu, aby zapewnić odprowadzenie ciepła z rdzenia reaktora po jego wyłączeniu. Zadanie to wymaga zaprojektowania instalacji reaktora tak, aby posiadała układy chłodzenia z niezawodnym zasilaniem, a także konieczność długotrwałego (3-4 lata) przechowywania wypalonego paliwa jądrowego w obiektach magazynujących o specjalnym reżimie temperaturowym – basenach chłodniczych, które są zwykle znajduje się w pobliżu reaktora.

Konstrukcja i zasada działania

Mechanizm uwalniania energii

Transformacji substancji towarzyszy wyzwolenie darmowej energii tylko wtedy, gdy substancja posiada zapas energii. To ostatnie oznacza, że ​​mikrocząstki substancji znajdują się w stanie o energii spoczynkowej większej niż w innym możliwym stanie, do którego następuje przejście. Spontanicznemu przejściu zawsze zapobiega bariera energetyczna, do pokonania której mikrocząstka musi otrzymać pewną ilość energii z zewnątrz – energię wzbudzenia. Reakcja egzoenergetyczna polega na tym, że w przemianie po wzbudzeniu uwalnia się więcej energii niż potrzeba do wzbudzenia procesu. Barierę energetyczną można pokonać na dwa sposoby: albo dzięki energii kinetycznej zderzających się cząstek, albo dzięki energii wiązania łączącej się cząstki.

Jeśli mamy na uwadze makroskopową skalę uwalniania energii, to wszystkie lub początkowo przynajmniej część cząstek substancji musi posiadać energię kinetyczną niezbędną do wzbudzenia reakcji. Można to osiągnąć jedynie poprzez podniesienie temperatury ośrodka do wartości, przy której energia ruchu cieplnego zbliża się do progu energetycznego ograniczającego przebieg procesu. W przypadku przemian molekularnych, czyli reakcji chemicznych, taki wzrost wynosi zwykle setki kelwinów, ale w przypadku reakcji jądrowych wynosi co najmniej 10 7 ze względu na bardzo dużą wysokość barier Coulomba zderzających się jąder. Wzbudzanie termiczne reakcji jądrowych przeprowadza się w praktyce tylko podczas syntezy najlżejszych jąder, w których bariery kulombowskie są minimalne (fuzja termojądrowa).

Wzbudzenie poprzez połączenie cząstek nie wymaga dużej energii kinetycznej, a zatem nie zależy od temperatury ośrodka, ponieważ zachodzi z powodu niewykorzystanych wiązań właściwych siłom przyciągania cząstek. Ale aby wzbudzić reakcje, potrzebne są same cząstki. A jeśli znowu nie mamy na myśli osobnego aktu reakcji, ale wytwarzanie energii w skali makroskopowej, to jest to możliwe tylko wtedy, gdy zachodzi reakcja łańcuchowa. To drugie ma miejsce, gdy cząstki wzbudzające reakcję pojawiają się ponownie jako produkty reakcji egzoenergetycznej.

Projekt

Każdy reaktor jądrowy składa się z następujących części:

• Rdzeń z paliwem jądrowym i moderatorem;
• Odbłyśnik neutronów otaczający rdzeń;
• System kontroli reakcji łańcuchowej, w tym zabezpieczenie awaryjne;
• Ochrona przed promieniowaniem;
• System zdalnego sterowania.

Fizyczne zasady działania

Zobacz także główne artykuły:

Aktualny stan reaktora jądrowego można scharakteryzować za pomocą efektywnego współczynnika mnożenia neutronów k lub reaktywność ρ , które powiązane są zależnością:

Następujące wartości są typowe dla tych ilości:

• k> 1 - reakcja łańcuchowa narasta z czasem, reaktor jest włączony nadkrytyczny stan, jego reaktywność ρ > 0;
• k < 1 - реакция затухает, реактор - podkrytyczny, ρ < 0;
• k = 1, ρ = 0 - liczba rozszczepień jądrowych jest stała, reaktor znajduje się w stanie stabilnym krytyczny stan : schorzenie.

Stan krytyczności reaktora jądrowego:

Odwrócenie mnożnika do jedności osiąga się poprzez zrównoważenie mnożenia neutronów z ich stratami. W rzeczywistości istnieją dwie przyczyny strat: wychwytywanie bez rozszczepienia i wyciek neutronów poza podłoże hodowlane.

Jest rzeczą oczywistą, że 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 dla reaktorów termicznych można wyznaczyć tzw. „wzorem 4 współczynników”:

• η jest wydajnością neutronów dla dwóch absorpcji.

Objętości nowoczesnych reaktorów energetycznych mogą sięgać setek m3 i są determinowane głównie nie warunkami krytycznymi, ale możliwościami odprowadzania ciepła.

Objętość krytyczna reaktor jądrowy - objętość rdzenia reaktora w stanie krytycznym. Masa Krytyczna- masa materiału rozszczepialnego reaktora, który jest w stanie krytycznym.

Najniższą masę krytyczną charakteryzują się reaktory, w których paliwem są wodne roztwory soli czystych izotopów rozszczepialnych z wodnym odbłyśnikiem neutronów. Dla 235 U masa ta wynosi 0,8 kg, dla 239 Pu - 0,5 kg. Powszechnie jednak wiadomo, że masa krytyczna reaktora LOPO (pierwszego na świecie reaktora ze wzbogaconym uranem), który posiadał reflektor z tlenku berylu, wynosiła 0,565 kg, mimo że stopień wzbogacenia w izotop 235 był tylko nieznacznie większy niż 14%. Teoretycznie ma najmniejszą masę krytyczną, dla której wartość ta wynosi zaledwie 10 g.

Aby zmniejszyć wyciek neutronów, rdzeń otrzymuje kształt kulisty lub zbliżony do kuli, na przykład krótki cylinder lub sześcian, ponieważ te figury mają najmniejszy stosunek pola powierzchni do objętości.

Pomimo tego, że wartość (e - 1) jest zwykle niewielka, rola hodowli prędkich neutronów jest dość duża, ponieważ w przypadku dużych reaktorów jądrowych (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Do zapoczątkowania reakcji łańcuchowej zwykle wystarczą neutrony powstałe podczas spontanicznego rozszczepienia jąder uranu. Do uruchomienia reaktora można także wykorzystać zewnętrzne źródło neutronów, na przykład mieszaninę i/lub innych substancji.

Kopalnia jodu

Wgłębienie jodowe to stan reaktora jądrowego po jego wyłączeniu, charakteryzujący się nagromadzeniem krótkotrwałego izotopu ksenonu. Proces ten prowadzi do chwilowego pojawienia się znacznej ujemnej reaktywności, co z kolei uniemożliwia doprowadzenie reaktora do projektowej wydajności w określonym czasie (około 1-2 dni).

Klasyfikacja

Według celu

Ze względu na charakter zastosowania reaktory jądrowe dzielą się na:

• Reaktory energetyczne przeznaczone do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej wykorzystywanej w energetyce, a także do odsalania wody morskiej (reaktory odsalające zaliczane są również do przemysłowych). Reaktory tego typu stosowane są głównie w elektrowniach jądrowych. Moc cieplna nowoczesnych reaktorów energetycznych sięga 5 GW. Odrębną grupę stanowią:
  • Reaktory transportowe, przeznaczony do zasilania silników pojazdów w energię. Najszersze grupy zastosowań stanowią reaktory transportu morskiego stosowane na okrętach podwodnych i różnych statkach nawodnych, a także reaktory stosowane w technice kosmicznej.
• Reaktory eksperymentalne, przeznaczone do badania różnych wielkości fizycznych, których wartość jest niezbędna do projektowania i eksploatacji reaktorów jądrowych; Moc takich reaktorów nie przekracza kilku kW.
• Reaktory badawcze, w którym strumienie neutronów i kwantów gamma powstałe w rdzeniu wykorzystywane są do badań z zakresu fizyki jądrowej, fizyki ciała stałego, chemii radiacyjnej, biologii, do badania materiałów przeznaczonych do pracy w intensywnych strumieniach neutronów (m.in. części reaktorów jądrowych) do produkcja izotopów. Moc reaktorów badawczych nie przekracza 100 MW. Uwolniona energia zwykle nie jest wykorzystywana.
• Reaktory przemysłowe (broń, izotopy)., używany do produkcji izotopów stosowanych w różnych dziedzinach. Najczęściej stosowany do produkcji materiałów do broni nuklearnej, takich jak 239 Pu. Do przemysłowych zalicza się także reaktory stosowane do odsalania wody morskiej.

Często reaktory służą do rozwiązania dwóch lub więcej różnych problemów i w takim przypadku nazywa się je różnego przeznaczenia. Na przykład niektóre reaktory energetyczne, zwłaszcza w początkach energetyki jądrowej, były projektowane głównie do celów eksperymentalnych. Reaktory na neutrony szybkie mogą jednocześnie wytwarzać energię i wytwarzać izotopy. Reaktory przemysłowe, poza swoim głównym zadaniem, często wytwarzają energię elektryczną i cieplną.

Według widma neutronów

• Reaktor termiczny (powolny) na neutrony („reaktor termiczny”)
• Reaktor na neutrony szybkie („reaktor szybki”)

Przez rozmieszczenie paliwa

• Reaktory heterogeniczne, w których paliwo umieszczane jest dyskretnie w rdzeniu w postaci bloków, pomiędzy którymi znajduje się moderator;
• Reaktory jednorodne, w których paliwo i moderator stanowią mieszaninę jednorodną (układ jednorodny).

W reaktorze heterogenicznym paliwo i moderator mogą być oddzielone przestrzennie, w szczególności w reaktorze wnękowym moderator-reflektor otacza wnękę z paliwem niezawierającym moderatora. Z fizyki jądrowej kryterium jednorodności/niejednorodności nie stanowi konstrukcja, lecz rozmieszczenie bloków paliwowych w odległości przekraczającej długość moderacji neutronów w danym moderatorze. Zatem reaktory z tzw. „siatką zamkniętą” projektowane są jako jednorodne, chociaż w nich paliwo jest zwykle oddzielane od moderatora.

Bloki paliwa jądrowego w reaktorze heterogenicznym nazywane są zespołami paliwowymi (FA), które znajdują się w rdzeniu w węzłach regularnej sieci, tworząc komórki.

Według rodzaju paliwa

• izotopy uranu 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
• izotop plutonu 239 (239 Pu), także izotopy 239-242 Pu w postaci mieszaniny z 238 U (paliwo MOX)
• izotop toru 232 (232 Th) (poprzez konwersję do 233 U)

Według stopnia wzbogacenia:

• naturalny uran
• słabo wzbogacony uran
• wysoko wzbogacony uran

Według składu chemicznego:

• metal U
• UC (węglik uranu) itp.

Według rodzaju płynu chłodzącego

• Gaz (patrz reaktor gazowo-grafitowy )
• D 2 O (ciężka woda, patrz reaktor jądrowy ciężkowodny, CANDU)

Według typu moderatora

• C (grafit, patrz reaktor grafitowo-gazowy, reaktor grafitowo-wodny)
• H2O (woda, patrz Reaktor lekkowodny, Reaktor chłodzony wodą, WWER)
• D 2 O (ciężka woda, patrz reaktor jądrowy ciężkowodny, CANDU)
• Wodorki metali
• Bez moderatora (patrz Szybki reaktor)

Przez projekt

Metodą wytwarzania pary

• Reaktor z zewnętrzną wytwornicą pary (patrz Reaktor wodno-wodny, WWER)

Klasyfikacja MAEA

• PWR (reaktory wodne ciśnieniowe) - reaktor wodno-wodny (reaktor wodny ciśnieniowy);
• BWR (reaktor wrzącej wody) - reaktor wrzącej wody;
• FBR (reaktor szybkiego powielania) - reaktor szybkiego powielania;
• GCR (reaktor chłodzony gazem) - reaktor chłodzony gazem;
• LWGR (reaktor lekkowodny grafitowy) - reaktor grafitowo-wodny
• PHWR (ciśnieniowy reaktor ciężkowodny) - reaktor ciężkowodny

Najpopularniejsze na świecie są reaktory wodne pod ciśnieniem (około 62%) i wrzące (20%).

Materiały reaktorowe

Materiały, z których budowane są reaktory, pracują w wysokich temperaturach w polu neutronów, kwantów γ i fragmentów rozszczepienia. Dlatego nie wszystkie materiały stosowane w innych gałęziach techniki nadają się do budowy reaktorów. Przy wyborze materiałów reaktorowych bierze się pod uwagę ich odporność na promieniowanie, obojętność chemiczną, przekrój absorpcyjny i inne właściwości.

Niestabilność radiacyjna materiałów ma mniejszy wpływ w wysokich temperaturach. Mobilność atomów staje się tak duża, że ​​prawdopodobieństwo powrotu atomów wyrzuconych z sieci krystalicznej na swoje miejsce lub rekombinacji wodoru i tlenu w cząsteczkę wody znacznie wzrasta. Zatem radioliza wody jest nieznaczna w niewrzących reaktorach energetycznych (na przykład WWER), podczas gdy w potężnych reaktorach badawczych uwalniana jest znaczna ilość mieszaniny wybuchowej. Reaktory posiadają specjalne systemy jego spalania.

Materiały reaktora stykają się ze sobą (płaszcz paliwowy z chłodziwem i paliwem jądrowym, kasety paliwowe z chłodziwem i moderatorem itp.). Naturalnie materiały stykające się muszą być chemicznie obojętne (kompatybilne). Przykładem niezgodności jest wchodzenie uranu i gorącej wody w reakcję chemiczną.

W przypadku większości materiałów właściwości wytrzymałościowe gwałtownie pogarszają się wraz ze wzrostem temperatury. W reaktorach energetycznych materiały konstrukcyjne pracują w wysokich temperaturach. Ogranicza to wybór materiałów konstrukcyjnych, zwłaszcza tych części reaktora energetycznego, które muszą wytrzymać wysokie ciśnienie.

Wypalanie i reprodukcja paliwa jądrowego

Podczas pracy reaktora jądrowego, w wyniku gromadzenia się w paliwie fragmentów rozszczepialnych, zmieniają się jego składy izotopowe i chemiczne oraz powstają pierwiastki transuranowe, głównie izotopy. Nazywa się wpływ fragmentów rozszczepienia na reaktywność reaktora jądrowego zatrucie(dla fragmentów radioaktywnych) i żużlowanie(dla stabilnych izotopów).

Główną przyczyną zatrucia reaktora jest , który ma największy przekrój poprzeczny absorpcji neutronów (2,6·10 6 barn). Okres półtrwania 135 Xe T 1/2 = 9,2 godziny; Plon podczas podziału wynosi 6-7%. W wyniku rozpadu powstaje większość 135 Xe ( T 1/2 = 6,8 godziny). W przypadku zatrucia Keff zmienia się o 1-3%. Duży przekrój absorpcyjny 135 Xe i obecność pośredniego izotopu 135 I prowadzą do dwóch ważnych zjawisk:

1. Do wzrostu stężenia 135 Xe i w konsekwencji do zmniejszenia reaktywności reaktora po jego zatrzymaniu lub zmniejszeniu mocy („doły jodowe”), co uniemożliwia krótkotrwałe postoje i wahania mocy wyjściowej . Efekt ten przezwycięża się poprzez wprowadzenie rezerwy reaktywności w organach regulacyjnych. Głębokość i czas trwania studni jodowej zależą od strumienia neutronów Ф: przy Ф = 5,10 18 neutronów/(cm²·sec) czas trwania studni jodowej wynosi ~ 30 godzin, a głębokość jest 2 razy większa niż w studni stacjonarnej zmiana Keff spowodowana zatruciem 135 Xe.
2. W wyniku zatrucia mogą wystąpić czasoprzestrzenne wahania strumienia neutronów F, a co za tym idzie, mocy reaktora. Oscylacje te występują przy Ф > 10 18 neutronów/(cm²·s) i przy dużych rozmiarach reaktorów. Okresy oscylacji ~ 10 godzin.

Rozszczepienie jądrowe wytwarza dużą liczbę stabilnych fragmentów, które różnią się przekrojami absorpcji w porównaniu z przekrojem absorpcji izotopu rozszczepialnego. Koncentracja fragmentów o dużym przekroju absorpcyjnym osiąga nasycenie w ciągu pierwszych kilku dni pracy reaktora. Są to głównie pręty paliwowe w różnym „wieku”.

W przypadku całkowitej zmiany paliwa reaktor ma nadmierną reaktywność, którą należy skompensować, natomiast w drugim przypadku kompensacja wymagana jest tylko przy pierwszym uruchomieniu reaktora. Ciągłe przeciążenie umożliwia zwiększenie głębokości wypalenia, gdyż o reaktywności reaktora decyduje średnie stężenie izotopów rozszczepialnych.

Masa załadowanego paliwa przewyższa masę paliwa nieobciążonego ze względu na „ciężar” wydzielonej energii. Po wyłączeniu reaktora, najpierw głównie na skutek rozszczepienia przez opóźnione neutrony, a następnie po 1-2 minutach na skutek promieniowania β i γ fragmentów rozszczepienia i pierwiastków transuranowych, uwalnianie energii w paliwie trwa nadal. Jeżeli reaktor pracował wystarczająco długo przed zatrzymaniem, to 2 minuty po zatrzymaniu uwolnienie energii wynosi około 3%, po 1 godzinie - 1%, po dniu - 0,4%, po roku - 0,05% mocy początkowej.

Stosunek liczby rozszczepialnych izotopów Pu powstałych w reaktorze jądrowym do ilości spalonego 235 U nazywa się współczynnik konwersji K K. Wartość K K wzrasta wraz ze spadkiem wzbogacania i wypalania. Dla reaktora ciężkowodnego wykorzystującego uran naturalny, o wypaleniu 10 GW doba/t K K = 0,55 i o małych wypaleniach (w tym przypadku K K nazywa się początkowy współczynnik plutonu) KK = 0,8. Jeżeli reaktor jądrowy spala się i wytwarza te same izotopy (reaktor hodowlany), wówczas nazywa się stosunek szybkości reprodukcji do szybkości spalania współczynnik reprodukcji K V. W reaktorach jądrowych wykorzystujących neutrony termiczne 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 rośnie i A spada.

Sterowanie reaktorem jądrowym

Sterowanie reaktorem jądrowym jest możliwe tylko dzięki temu, że podczas rozszczepienia część neutronów wylatuje z fragmentów z opóźnieniem, które może wynosić od kilku milisekund do kilku minut.

Do sterowania reaktorem stosuje się pręty absorbera, wprowadzane do rdzenia, wykonane z materiałów silnie pochłaniających neutrony (głównie i niektóre inne) i/lub roztwór kwasu borowego dodawany do chłodziwa w określonym stężeniu (kontrola boru). . Ruchem prętów sterują specjalne mechanizmy, napędy działające na podstawie sygnałów operatora lub urządzenia do automatycznego sterowania strumieniem neutronów.

Na wypadek różnych sytuacji awaryjnych każdy reaktor wyposażony jest w awaryjne zakończenie reakcji łańcuchowej, realizowane poprzez wrzucenie do rdzenia wszystkich prętów absorbujących – system zabezpieczenia awaryjnego.

Ciepło resztkowe

Ważnym zagadnieniem bezpośrednio związanym z bezpieczeństwem jądrowym jest ciepło rozpadu. Jest to specyficzna cecha paliwa jądrowego, która polega na tym, że po ustaniu reakcji łańcuchowej rozszczepienia i zwykłej dla każdego źródła energii inercji cieplnej, wydzielanie ciepła w reaktorze trwa przez długi czas, co powoduje powstanie szereg skomplikowanych technicznie problemów.

Ciepło resztkowe jest konsekwencją rozpadu β i γ produktów rozszczepienia, które nagromadziły się w paliwie podczas pracy reaktora. Jądra produktów rozszczepienia na skutek rozpadu przechodzą w stan bardziej stabilny lub całkowicie stabilny wraz z wyzwoleniem znacznej energii.

Choć szybkość wydzielania ciepła podczas rozpadu szybko maleje do wartości małych w porównaniu do wartości ustalonych, to w reaktorach mocy dużej mocy jest ona znacząca w wartościach bezwzględnych. Z tego powodu wytwarzanie ciepła resztkowego wiąże się z koniecznością długiego okresu czasu, aby zapewnić odprowadzenie ciepła z rdzenia reaktora po jego wyłączeniu. Zadanie to wymaga zaprojektowania instalacji reaktora tak, aby posiadała układy chłodzenia z niezawodnym zasilaniem, a także konieczność długotrwałego (3-4 lata) przechowywania wypalonego paliwa jądrowego w obiektach magazynujących o specjalnym reżimie temperaturowym – basenach chłodniczych, które są zwykle znajduje się w pobliżu reaktora.

Zobacz też

• Lista reaktorów jądrowych zaprojektowanych i zbudowanych w Związku Radzieckim

Literatura

• Levin V.E. Fizyka jądrowa i reaktory jądrowe. 4. wyd. - M.: Atomizdat, 1979.
• Shukolyukov A. Yu „Uran. Naturalny reaktor jądrowy.” „Chemia i życie” nr 6, 1980, s. 20-30. 20-24

Notatki

1. „ZEEP - pierwszy kanadyjski reaktor jądrowy”, Kanadyjskie Muzeum Nauki i Technologii.
2. Greshilov A. A., Egupov N. D., Matushchenko A. M. Tarcza nuklearna. - M.: Logos, 2008. - 438 s. -

W 1948 r., za namową I.V. Kurczatowa, rozpoczęto pierwsze prace nad praktycznym wykorzystaniem energii atomowej do wytwarzania energii elektrycznej. Pierwsza na świecie przemysłowa elektrownia jądrowa o mocy 5 MW została uruchomiona 27 czerwca 1954 roku w ZSRR, w mieście Obnińsk, położonym w obwodzie kałuskim.

Pierwszą poza ZSRR pierwszą przemysłową elektrownię jądrową o mocy 46 MW uruchomiono w 1956 roku w Calder Hall (Wielka Brytania). Rok później uruchomiono elektrownię jądrową o mocy 60 MW w Shippingport (USA).

Największa na świecie flota elektrowni jądrowych należy do Stanów Zjednoczonych. Pracują 104 bloki energetyczne o łącznej mocy około 100 GW. Zapewniają 20% produkcji energii elektrycznej.

Francja jest światowym liderem w wykorzystaniu elektrowni jądrowych. Jej 59 elektrowni jądrowych wytwarza około 80% całej energii elektrycznej. Co więcej, ich łączna moc jest mniejsza niż amerykańskich - około 70 GW.

Wśród liderów liczby reaktorów jądrowych na świecie można znaleźć dwa kraje azjatyckie - Japonię i Koreę Południową.

Na przestrzeni lat rozwoju energetyki jądrowej kilkakrotnie miały miejsce poważne awarie, przede wszystkim w amerykańskiej elektrowni jądrowej Three Mile Island, ukraińskiej elektrowni jądrowej w Czarnobylu i japońskiej elektrowni jądrowej Fukushima-1.

Władze białoruskie planują budowę elektrowni jądrowej w obwodzie grodzieńskim, kilkadziesiąt kilometrów od granicy z Litwą. Stacja składać się będzie z dwóch bloków o łącznej mocy 2,4 tys. MW. Pierwszy ma zostać oddany do użytku w 2016 r., drugi w 2018 r.

Spinki do mankietów

Reaktor jądrowy

Reaktor jądrowy nazywany reaktorem, w którym zachodzi kontrolowana reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądrowego. Obecnie istnieje wiele różnych typów reaktorów jądrowych o różnej mocy, które różnią się energią wykorzystywanych neutronów, rodzajem stosowanego paliwa jądrowego, konstrukcją rdzenia reaktora, rodzajem moderatora, chłodziwa itp. Pierwszy reaktor jądrowy zbudowano w grudniu 1942 roku w USA pod kierownictwem E. Fermiego. W Europie pierwszym reaktorem jądrowym była instalacja F-1. Został uruchomiony 25 grudnia 1946 roku w Moskwie pod dowództwem I.V. Kurczatowa.

Na rysunku przedstawiono schemat pracy elektrowni jądrowej z dwuobwodowym reaktorem wodnym ciśnieniowym. Energia uwolniona w rdzeniu reaktora przekazywana jest do chłodziwa pierwotnego. Następnie płyn chłodzący dostaje się do wymiennika ciepła (generatora pary), gdzie podgrzewa wodę w obiegu wtórnym do wrzenia. Powstała para wchodzi do turbin, które obracają generatory elektryczne. Na wyjściu turbin para dostaje się do skraplacza, gdzie jest chłodzona dużą ilością wody pochodzącej ze zbiornika.

Reaktory na neutrony wolne

Reaktory działające na neutronach termicznych (ich prędkość wynosi 2,10 3 m/s) składają się z następujących głównych części:

A) materiał rozszczepialny, który jest używany jako izotopy uranu (\(~^(233)_(92)U\) ,\(~^(235)_(92)U\)), toru (\(~^(232)_ ( 90)Th\)) lub pluton (\(~^(239)_(94)Pu\) , \(~^(240)_(94)Pu\) , \(~^(241)_(94 ) Pu\)); B) moderator neutronów, czyli grafit, ciężka lub zwykła woda; V) reflektor neutronów, w którym zwykle stosuje się te same substancje, co do moderowania neutronów; G) płyn chłodzący, przeznaczony do usuwania ciepła z rdzenia reaktora. Jako chłodziwa stosuje się wodę, ciekłe metale i niektóre ciecze organiczne; D) pręty sterujące; mi) systemy monitorowania promieniowania i ochrony biologicznejśrodowisko przed strumieniami neutronów i γ - promieniowanie powstające w rdzeniu reaktora.

Uran wchodzi w skład paliwa jądrowego w postaci związków ogniotrwałych. Wśród nich szczególnie popularny jest dwutlenek uranu U2O, który jest chemicznie obojętny i wytrzymuje temperatury do 2800°C. Z tej ceramiki powstają małe tabletki o średnicy kilku centymetrów. Powstałe paliwo jądrowe pakowane jest w tzw elementy paliwowe(elementy paliwowe), budowę jednego z nich przedstawiono na rysunku 2. Powłoka cyrkonowa służy do izolowania uranu i radioaktywnych produktów reakcji łańcuchowej od kontaktu chemicznego ze środowiskiem zewnętrznym, przede wszystkim z czynnikiem chłodzącym. Element paliwowy musi dobrze przewodzić ciepło, przenosząc je z paliwa jądrowego do chłodziwa.

Ryż. 2. Elementy paliwowe (pręty paliwowe)

Jeśli w wyniku reakcji powstanie mniej neutronów niż potrzeba, reakcja łańcuchowa prędzej czy później się zatrzyma. Jeśli wytworzy się więcej neutronów niż to konieczne, liczba jąder uranu biorących udział w reakcji rozszczepienia wzrośnie wykładniczo. Jeśli szybkość absorpcji neutronów nie zostanie zwiększona, kontrolowana reakcja może przerodzić się w eksplozję jądrową.

Szybkość absorpcji neutronów można zmieniać za pomocą prętów regulacyjnych wykonanych z kadmu, hafnu, boru lub innych substancji (rys. 3).

Ciepło wydzielające się w reaktorze jądrowym podczas reakcji łańcuchowej rozszczepienia jądrowego jest odprowadzane przez chłodziwo - wodę pod ciśnieniem 10 MPa, w wyniku czego woda nagrzewa się do 270 ° C bez wrzenia. Następnie woda wpływa do wymiennika ciepła, gdzie oddaje znaczną część swojej energii wewnętrznej wodzie z obiegu wtórnego i za pomocą pomp ponownie dostaje się do rdzenia reaktora. Woda z obiegu wtórnego w wymienniku ciepła zamieniana jest na parę, która trafia do turbiny parowej napędzającej generator elektryczny. Drugi obwód, podobnie jak pierwszy, jest zamknięty. Za turbiną para trafia do skraplacza, gdzie wężownica jest chłodzona zimną bieżącą wodą. Tutaj para zamienia się w wodę i za pomocą pomp ponownie dostaje się do wymiennika ciepła. Kierunek ruchu wody w obiegach jest taki, że w wymienniku ciepła strumienie wody w obu obiegach zbliżają się do siebie. Oddzielne obwody są również konieczne, ponieważ w obwodzie pierwotnym woda przepływająca przez rdzeń reaktora staje się radioaktywna. W drugim obiegu para i woda są praktycznie nieradioaktywne.

Spinki do mankietów

Szybkie reaktory

Jeżeli jako paliwo jądrowe zostanie zastosowany uran, w którym zawartość izotopu \(~^(235)_(92)U\) zostanie znacznie zwiększona, wówczas reaktor jądrowy może pracować bez użycia moderatora na prędkich neutronach uwalnianych podczas rozszczepienia jądrowego. W takim reaktorze ponad 1/3 neutronów uwolnionych podczas reakcji łańcuchowej może zostać zaabsorbowana przez jądra izotopu uranu-238, w wyniku czego powstają jądra izotopu uranu-239.

Jądra nowego izotopu są beta radioaktywne. W wyniku rozpadu beta powstaje jądro dziewięćdziesiątego trzeciego pierwiastka układu okresowego - neptun. Jądro neptunu z kolei przekształca się poprzez rozpad beta w jądro dziewięćdziesiątego czwartego pierwiastka – pluton:

\(~\begin(matrix) & \nearrow \beta^- & \nearrow \beta^- & \\ ^(238)_(92)U + \ ^1_0n \to & ^(239)_(92)U \to \ & ^(239)_(93)Np \to \ & ^(239)_(94)Pu \end(macierz)\) .

Zatem jądro izotopu uranu-238 po pochłonięciu neutronu samoistnie przekształca się w jądro izotopu plutonu \(~^(239)_(94)Pu\).

Pluton-239 ma bardzo podobną zdolność do interakcji z neutronami do izotopu uranu-235. Po absorpcji neutronu jądro plutonu dzieli się i emituje 3 neutrony, które mogą wspierać rozwój reakcji łańcuchowej. W konsekwencji reaktor prędkich neutronów to nie tylko instalacja do przeprowadzenia reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder izotopu uranu-235, ale jednocześnie instalacja do produkcji nowego paliwa jądrowego, plutonu-239, z powszechnego i stosunkowo taniego izotop uranu-238. Z 1 kg uranu-235 zużytego w reaktorze na neutrony prędkie można otrzymać ponad kilogram plutonu-239, który z kolei można wykorzystać do przeprowadzenia reakcji łańcuchowej i wytworzenia nowej porcji plutonu z uranu.

Tym samym reaktor jądrowy na neutronach szybkich może jednocześnie pełnić funkcję elektrowni i reaktora do reprodukcji paliwa jądrowego, co docelowo pozwala na wykorzystanie nie tylko rzadkiego izotopu uranu-235, ale także izotopu uranu-238, którego jest 140 razy więcej występujący powszechnie w przyrodzie, do produkcji energii.

Spinki do mankietów

1. Elektrownia jądrowa z reaktorami na prędkie neutrony (BN 600)
2. Ballada o szybkich neutronach: unikalny reaktor elektrowni jądrowej w Biełojarsku

Przeznaczenie reaktorów jądrowych

Ze względu na przeznaczenie reaktory jądrowe dzielą się na następujące typy:

A) badania - za ich pomocą uzyskuje się potężne wiązki neutronów do celów naukowych; b) energetyczne – przeznaczone do wytwarzania energii elektrycznej na skalę przemysłową; c) ciepłownictwo - odbierają ciepło na potrzeby przemysłu i ciepłownictwa; d) płodny - służy do otrzymywania rozszczepialnych materiałów plutonu z uranu \(~^(238)_(92)U\) i toru \(~^(232)_(90)Th\) (94)Pu\) i uranu \(~^(233)_(92)U\); e) transport – stosowane są w układach napędowych statków i łodzi podwodnych; f) reaktory do przemysłowej produkcji izotopów różnych pierwiastków chemicznych ze sztuczną radioaktywnością.

Spinki do mankietów

Zalety elektrowni jądrowych

Elektrownie jądrowe mają szereg zalet w porównaniu z elektrowniami cieplnymi zasilanymi paliwami kopalnymi:

• niewielka ilość zużytego paliwa i możliwość jego ponownego wykorzystania po przetworzeniu: 1 kg uranu naturalnego zastępuje 20 ton węgla. Dla porównania sama Troicka GRES o mocy 2000 MW spala dziennie dwa składy węgla;
• choć podczas pracy elektrowni jądrowej do atmosfery uwalniana jest pewna ilość zjonizowanego gazu, to konwencjonalna elektrownia cieplna wraz z dymem emituje jeszcze większą ilość emisji promieniowania ze względu na naturalną zawartość pierwiastków promieniotwórczych w węglu;
• Większą moc można uzyskać z jednego reaktora elektrowni jądrowej (1000-1600 MW na blok energetyczny).

Problemy ekologiczne

Nowoczesne elektrownie jądrowe charakteryzują się sprawnością rzędu 30%. Zatem, aby wytworzyć 1000 MW energii elektrycznej, moc cieplna reaktora musi osiągnąć 3000 MW. Woda chłodząca skraplacz musi odprowadzić moc 2000 MW. Prowadzi to do lokalnego przegrzania naturalnych zbiorników i późniejszego pojawienia się problemów środowiskowych. Bardzo ważnym zadaniem jest zapewnienie pełnego bezpieczeństwa radiacyjnego osób pracujących w elektrowniach jądrowych oraz zapobieganie przypadkowym uwolnieniom substancji promieniotwórczych gromadzących się w dużych ilościach w rdzeniu reaktora. Przy opracowywaniu reaktorów jądrowych wiele uwagi poświęca się temu problemowi. Jednakże energia jądrowa, podobnie jak wiele innych gałęzi przemysłu, ma szkodliwy i niebezpieczny wpływ na środowisko. Największym potencjalnym zagrożeniem jest skażenie radioaktywne.

Doświadczenie eksploatacji elektrowni jądrowych na całym świecie pokazuje, że biosfera jest niezawodnie chroniona przed narażeniem na promieniowanie podczas normalnej pracy elektrowni jądrowych. Po awarii w elektrowni jądrowej w Czarnobylu (1986) problem bezpieczeństwa energetyki jądrowej stał się szczególnie dotkliwy. Wybuch czwartego reaktora w elektrowni jądrowej w Czarnobylu pokazał, że ryzyko zniszczenia rdzenia reaktora na skutek błędów personalnych i wad konstrukcyjnych pozostaje realne. Należy podjąć najsurowsze środki, aby zmniejszyć to ryzyko.

Złożone problemy powstają w związku z usuwaniem odpadów radioaktywnych i demontażem starych elektrowni jądrowych. Najbardziej znanymi produktami rozpadu są stront i cez. Wypalone bloki paliwa jądrowego należy schłodzić. Faktem jest, że podczas rozpadu radioaktywnego uwalnia się tak dużo ciepła, że ​​bloki mogą się stopić. Ponadto bloki mogą emitować nowe pierwiastki radioaktywne. Pierwiastki te wykorzystywane są jako źródła promieniotwórczości w medycynie, przemyśle i badaniach naukowych. Wszystkie inne odpady nuklearne muszą być izolowane i składowane przez wiele lat. Dopiero po kilkuset latach radioaktywność odpadów zmniejszy się i stanie się porównywalna z naturalnym tłem. Odpady umieszczane są w specjalnych pojemnikach, które zakopuje się w wyeksploatowanych kopalniach lub szczelinach skalnych.