Ajutor la Tele2, tarife, intrebari

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 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 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 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.

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 actuală a unui reactor nuclear poate fi caracterizată 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:

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”:

• 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.

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

Reactoarele în care combustibilul este soluții apoase de săruri ale izotopilor puri fisionali cu un reflector de neutroni de apă au cea mai mică masă critică. 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

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. Aceasta este o caracteristică specifică a combustibilului nuclear, care constă în faptul că, după încetarea reacției de fisiune în lanț și a inerției termice obișnuite pentru orice sursă de energie, degajarea de căldură în reactor continuă mult timp, ceea ce creează un număr de probleme tehnic complexe.

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 implică necesitatea unei perioade lungi de timp pentru a asigura îndepărtarea căldurii din miezul reactorului după ce acesta este oprit. Această sarcină necesită ca proiectarea instalației reactorului să aibă 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 un regim special de temperatură - piscine de răcire, care sunt situate de obicei 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. -

Reactorul nuclear, principiul de funcționare, funcționarea unui reactor nuclear.

În fiecare zi folosim electricitate și nu ne gândim la cum este produsă și cum a ajuns la noi. Cu toate acestea, este una dintre cele mai importante părți ale civilizației moderne. Fără electricitate nu ar exista nimic - nici lumină, nici căldură, nici mișcare.

Toată lumea știe că electricitatea este generată în centralele electrice, inclusiv în cele nucleare. Inima fiecărei centrale nucleare este reactor nuclear. Acesta este ceea ce ne vom uita în acest articol.

Reactor nuclear, un dispozitiv în care are loc o reacție nucleară controlată în lanț cu eliberarea de căldură. Aceste dispozitive sunt folosite în principal pentru a genera electricitate și pentru a conduce nave mari. Pentru a ne imagina puterea și eficiența reactoarelor nucleare, putem da un exemplu. Acolo unde un reactor nuclear mediu va necesita 30 de kilograme de uraniu, o centrală termică medie va necesita 60 de vagoane de cărbune sau 40 de rezervoare de păcură.

Prototip reactor nuclear a fost construit în decembrie 1942 în SUA sub conducerea lui E. Fermi. Era așa-numita „stivă Chicago”. Chicago Pile (mai târziu cuvântul„Motiv”, împreună cu alte semnificații, a ajuns să însemne un reactor nuclear). I s-a dat acest nume pentru că semăna cu un teanc mare de blocuri de grafit așezate unul peste altul.

Între blocuri au fost plasate „fluide de lucru” sferice din uraniu natural și dioxidul acestuia.

În URSS, primul reactor a fost construit sub conducerea academicianului I.V. Kurchatov. Reactorul F-1 a fost operațional pe 25 decembrie 1946. Reactorul era de formă sferică și avea un diametru de aproximativ 7,5 metri. Nu avea sistem de răcire, așa că funcționa la niveluri de putere foarte scăzute.

Cercetările au continuat și la 27 iunie 1954 a intrat în funcțiune la Obninsk prima centrală nucleară din lume cu o capacitate de 5 MW.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear.

În timpul descompunerii uraniului U 235, se eliberează căldură, însoțită de eliberarea a doi sau trei neutroni. Conform statisticilor – 2.5. Acești neutroni se ciocnesc cu alți atomi de uraniu U235. În timpul unei coliziuni, uraniul U 235 se transformă într-un izotop instabil U 236, care aproape imediat se descompune în Kr 92 și Ba 141 + acești 2-3 neutroni. Dezintegrarea este însoțită de eliberarea de energie sub formă de radiații gamma și căldură.

Aceasta se numește reacție în lanț. Atomii se împart, numărul dezintegrarilor crește exponențial, ceea ce duce în cele din urmă la o eliberare fulgerătoare, conform standardelor noastre, a unei cantități uriașe de energie - o explozie atomică are loc ca urmare a unei reacții în lanț incontrolabile.

Cu toate acestea, în reactor nuclear avem de-a face reacție nucleară controlată. Cum devine posibil acest lucru este descris mai jos.

Structura unui reactor nuclear.

În prezent, există două tipuri de reactoare nucleare: VVER (reactor de putere răcit cu apă) și RBMK (reactor cu canale de mare putere). Diferența este că RBMK este un reactor de fierbere, în timp ce VVER folosește apă sub presiune de 120 de atmosfere.

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;

Fiecare reactor nuclear industrial este un cazan prin care curge lichidul de răcire. De regulă, aceasta este apă obișnuită (aproximativ 75% în lume), grafit lichid (20%) și apă grea (5%). În scopuri experimentale, a fost folosit beriliu și sa presupus a fi o hidrocarbură.

TVEL– (element de combustibil). Acestea sunt tije într-o carcasă de zirconiu cu aliaj de niobiu, în interiorul căreia se află tablete de dioxid de uraniu.

TVEL raktor RBMK. Proiectare element combustibil reactor RBMK: 1 - dop; 2 - tablete de dioxid de uraniu; 3 - carcasa de zirconiu; 4 - primăvară; 5 - bucșă; 6 - pont.

TVEL include, de asemenea, un sistem cu arc pentru menținerea peleților de combustibil la același nivel, ceea ce face posibilă reglarea mai precisă a adâncimii de scufundare/eliminare a combustibilului în miez. Ele sunt asamblate în casete de formă hexagonală, fiecare dintre acestea incluzând câteva zeci de bare de combustibil. Lichidul de răcire curge prin canalele din fiecare casetă.

Tijele de combustibil din casetă sunt evidențiate cu verde.

Ansamblu casetă de combustibil.

Miezul reactorului este format din sute de casete așezate vertical și unite între ele printr-o carcasă metalică - un corp, care joacă și rolul unui reflector de neutroni. Printre casete se introduc la intervale regulate tije de control și tije de protecție în caz de urgență a reactorului, care sunt concepute pentru a opri reactorul în caz de supraîncălzire.

Să dăm ca exemplu date despre reactorul VVER-440:

Controlerele se pot mișca în sus și în jos, plonjând, sau invers, părăsind zona activă, unde reacția este cea mai intensă. Acest lucru este asigurat de motoare electrice puternice, în combinație cu un sistem de control.Tijele de protecție în caz de urgență sunt concepute pentru a opri reactorul în caz de urgență, căzând în miez și absorbind mai mulți neutroni liberi.

Fiecare reactor are un capac prin care sunt încărcate și descărcate casetele folosite și noi.

Izolația termică este de obicei instalată deasupra vasului reactorului. Următoarea barieră este protecția biologică. Acesta este de obicei un buncăr din beton armat, a cărui intrare este închisă de un sas cu uși sigilate. Protecția biologică este concepută pentru a preveni eliberarea în atmosferă a aburului radioactiv și a bucăților de reactor dacă are loc o explozie.

O explozie nucleară în reactoarele moderne este extrem de puțin probabilă. Deoarece combustibilul este destul de puțin îmbogățit și împărțit în elemente de combustibil. Chiar dacă miezul se topește, combustibilul nu va putea reacționa la fel de activ. Cel mai rău care se poate întâmpla este o explozie termică ca la Cernobîl, când presiunea din reactor a ajuns la astfel de valori încât carcasa metalică a explodat pur și simplu, iar capacul reactorului, cântărind 5.000 de tone, a făcut un salt inversat, rupând acoperișul compartimentul reactorului și eliberând abur în exterior. Dacă centrala nucleară de la Cernobîl ar fi fost echipată cu o protecție biologică adecvată, precum sarcofagul de astăzi, atunci dezastrul ar fi costat umanitatea mult mai puțin.

Exploatarea unei centrale nucleare.

Pe scurt, așa arată raboboa.

Centrală nucleară. (Se poate da clic)

După ce intră în miezul reactorului folosind pompe, apa este încălzită de la 250 la 300 de grade și iese din „cealaltă parte” a reactorului. Acesta se numește primul circuit. După care este trimis la schimbătorul de căldură, unde întâlnește al doilea circuit. După care aburul sub presiune curge pe paletele turbinei. Turbinele generează energie electrică.

Un reactor nuclear este un dispozitiv în care are loc o reacție nucleară controlată în lanț, însoțită de eliberarea de energie.

Poveste

O reacție în lanț controlată auto-susținută de fisiune nucleară (pe scurt, reacția în lanț) a fost efectuată pentru prima dată în decembrie 1942. Un grup de fizicieni Universitatea din Chicago, condus de E. Fermi, a construit primul reactor nuclear din lume, numit SR-1. Era format din blocuri de grafit, între care erau amplasate bile de uraniu natural și dioxidul acestuia. Neutroni rapizi care apar după fisiunea nucleară 235U, au fost încetinite de grafit la energii termice, iar apoi au provocat noi fisiuni nucleare. Reactoarele precum SR-1, în care majoritatea fisiunilor au loc sub influența neutronilor termici, se numesc reactoare cu neutroni termici. Conțin mult moderator în comparație cu uraniul.

ÎN URSS studii teoretice și experimentale ale caracteristicilor pornirii, funcționării și controlului reactoarelor au fost efectuate de un grup de fizicieni și ingineri sub conducerea unui academician I. V. Kurchatova. Primul reactor sovietic F1 pus în stare critică la 25 decembrie 1946. Reactorul F-1 este format din blocuri de grafit și are forma unei bile cu diametrul de aproximativ 7,5 m. În partea centrală a bilei cu diametrul de 6 m, uraniu tijele sunt plasate prin orificiile blocurilor de grafit. Rezultatele cercetării la reactorul F-1 au devenit baza proiectelor de reactoare industriale mai complexe. În 1949 a fost pus în funcțiune un reactor de producție de plutoniu, iar la 27 iunie 1954 a intrat în funcțiune la Obninsk prima centrală nucleară din lume cu o capacitate electrică de 5 MW.

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 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 din cauza înălțimii foarte mari a barierelor Coulomb ale 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.

Structura schematică a unui reactor cu neutroni termici eterogen1 - tijă de control; 2 - protectie biologica; 3 - protectie termica; 4 - moderator; 5 - combustibil nuclear; 6 - lichid de răcire.

Proiectarea schematică a unui reactor cu neutroni termici eterogen

tija de control;

protectie biologica;

protectie termala;

moderator;

combustibil nuclear;

lichid de răcire.

Proiecta

Orice reactor nuclear este format din următoarele părți:

Miez cu combustibil nuclear și moderator;

Reflector de neutroni care înconjoară miezul;

Lichid de răcire;

Sistem de control al reacției în lanț, inclusiv protecție în caz de urgență

Protecție împotriva radiațiilor

Sistem de control de la distanță

Principala caracteristică a unui reactor este puterea lui de ieșire. O putere de 1 MW corespunde unei reacții în lanț în care au loc 3·1016 fisiuni într-o secundă.

Principii fizice de funcționare

Starea actuală a unui reactor nuclear poate fi caracterizată prin factorul efectiv de multiplicare a neutronilor k sau reactivitatea 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 stare supercritică, reactivitatea sa ρ > 0;

k< 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, ρ < 0;

k = 1, ρ = 0 - numărul de fisiuni nucleare este constant, reactorul este într-o stare critică stabilă.

Condiție de criticitate pentru un reactor nuclear:

ω este fracția din numărul total de neutroni produși în reactor care sunt absorbiți în miezul reactorului sau probabilitatea ca un neutron să evite scurgerea din volumul final.

k 0 este factorul de multiplicare a neutronilor într-un miez infinit de mare.

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< k0, поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны

k0 pentru reactoare termice poate fi determinat folosind așa-numita „formulă a 4 factori”:

μ—factor de multiplicare rapidă a neutronilor;

φ este probabilitatea de a evita captarea rezonante;

θ—factor de utilizare a neutronilor termici;

η este randamentul de neutroni pe absorbție.

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

Volumul critic al unui reactor nuclear este volumul miezului reactorului într-o stare critică. Masa critică este masa materialului fisionabil dintr-un reactor care se află într-o stare critică.

Reactoarele în care combustibilul este soluții apoase de săruri ale izotopilor puri fisionali cu un reflector de neutroni de apă au cea mai mică masă critică. Pentru 235 U această masă este de 0,8 kg, pentru 239 Pu - 0,5 kg. Teoretic, 251 Cf are cea mai mică masă critică, pentru care această valoare este de numai 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 lui (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 posibilă utilizarea unei surse externe de neutroni pentru a porni reactorul, de exemplu, un amestec de Ra și Be, 252 Cf sau alte substanțe.

Groapă de iod

Groapa de iod este o stare a unui reactor nuclear după ce acesta este oprit, caracterizată prin acumularea unui izotop de scurtă durată de xenon (135 Xe). 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 natura utilizării

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

Reactoare experimentale concepute pentru a studia diferite mărimi fizice a căror semnificație este necesară pentru proiectarea și funcționarea reactoarelor nucleare; puterea unor astfel de reactoare nu depășește câțiva kW;

Reactoare de cercetare, în care fluxurile de neutroni și γ-quanta create în miez sunt utilizate pentru cercetare în domeniul fizicii nucleare, fizicii stării solide, chimia radiațiilor, biologie, pentru testarea materialelor destinate să funcționeze în fluxuri intense de neutroni (inclusiv . piese). de reactoare nucleare), pentru producerea de izotopi. Puterea reactoarelor de cercetare nu depășește 100 MW; Energia eliberată, de regulă, nu este utilizată.

Reactoarele cu izotopi (arme, industriale) utilizate pentru a produce izotopi folosiți în armele nucleare, de exemplu 239Pu.

Reactoare energetice destinate producerii de energie electrica si termica utilizata in sectorul energetic, pentru desalinizarea apei, pentru antrenarea centralelor electrice de nave etc.; Puterea termică a unui reactor energetic modern ajunge la 3-5 GW.

Conform spectrului de neutroni

Reactor cu neutroni termici („reactor termic”)

Reactor rapid cu neutroni („reactor rapid”)

Reactor cu neutroni intermediari

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).

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

După tipul de combustibil

După gradul de îmbogățire:

Uraniu natural

Uraniu ușor îmbogățit

Izotop pur fisionabil

După compoziția chimică:

metal U

UO 2 (dioxid de uraniu)

UC (carbură de uraniu), etc.

După tipul de lichid de răcire

H2O (apă, vezi reactor apă-apă)

Gaz, (vezi reactor grafit-gaz)

Reactor răcit organic

Reactor răcit cu metal lichid

Reactorul cu sare topită

După tipul de moderator

C (grafit, vezi reactor grafit-gaz, reactor grafit-apă)

H 2 O (apă, vezi reactor cu apă ușoară, reactor apă-apă, VVER)

D 2 O (apă grea, vezi reactor nuclear cu apă grea, CANDU)

Hidruri metalice

Fara retarder

De proiectare

Reactoare cu vas

Reactoarele cu canal

Prin metoda de generare a aburului

Reactor cu generator extern de abur

Reactor de fierbere

La începutul secolului al XXI-lea, cele mai comune sunt reactoarele nucleare eterogene care utilizează neutroni termici cu moderatori - H 2 O, C, D 2 O și agenți de răcire - H 2 O, gaz, D 2 O, de exemplu, apă-apă VVER , canalul RBMK.

Reactoarele rapide sunt de asemenea promițătoare. Combustibilul din ele este 238U, ceea ce face posibilă îmbunătățirea utilizării combustibilului nuclear de zece ori în comparație cu reactoarele termice, ceea ce crește semnificativ resursele de energie nucleară.

Materiale reactoare

Materialele din care sunt construite reactoarele funcționează la temperaturi ridicate în domeniul neutronilor, γ-quanta și al fragmentelor 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.

Învelișurile, canalele, moderatoarele (reflectoarele) ale elementelor de combustibil sunt realizate din materiale cu secțiuni transversale de absorbție mici. Utilizarea materialelor care absorb slab neutronii reduce consumul de risipă de neutroni, reduce încărcarea combustibilului nuclear și crește coeficientul de reproducere al neutronilor. Pentru tijele absorbante, dimpotrivă, sunt potrivite materiale cu o secțiune transversală mare de absorbție. Acest lucru reduce semnificativ numărul de tije necesare pentru a controla reactorul.

Neutronii rapizi, γ-quanta și fragmentele de fisiune dăunează structurii materiei. Astfel, într-o materie solidă, neutronii rapizi scot atomii din rețeaua cristalină sau îi mută din loc. Ca urmare, proprietățile plastice și conductivitatea termică a materialelor se deteriorează. Moleculele complexe sunt descompuse prin radiație în molecule mai simple sau atomi constituenți. De exemplu, apa se descompune în oxigen și hidrogen. Acest fenomen este cunoscut sub numele de radioliză a apei.

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 (placarea combustibilului 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 Pu. Efectul fragmentelor de fisiune asupra reactivității unui reactor nuclear se numește otrăvire (pentru fragmentele radioactive) și zgură (pentru izotopii stabili).

Principala cauză a otrăvirii reactorului este 135 Xe, care are cea mai mare secțiune transversală de absorbție a neutronilor (2,6 106 barn). Timpul de înjumătățire al 135 Xe T½ = 9,2 ore; Randamentul de fisiune este de 6-7%. Partea principală a 135Xe este formată ca urmare a dezintegrarii 135I (T½ = 6,8 h). În caz de otrăvire, Cef se modifică cu 1-3%. Secțiunea transversală mare de absorbție a 135 Xe și prezența izotopului intermediar 135 I conduc la două fenomene importante:

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 = 5·1018 neutroni/(cm 2 ·sec) durata puțului de iod este de ˜ 30 de ore, iar adâncimea este de 2 ori mai mare decât cea staționară. modificarea Kef-ului cauzată de otrăvirea cu 135 Xe.

Din cauza otrăvirii, pot apărea fluctuații spațio-temporale ale fluxului de neutroni F și, în consecință, ale puterii reactorului. Aceste oscilații apar la Ф > 1018 neutroni/(cm 2 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. Acesta este în principal 149Sm, care schimbă Kef cu 1%). Concentrația fragmentelor cu secțiune transversală de absorbție mică și reactivitatea negativă pe care o introduc cresc liniar cu timpul.

Formarea elementelor transuraniu într-un reactor nuclear are loc conform următoarelor scheme:

235 U + n → 236 U + n → 237 U →(7 zile)→ 237 Np + n → 238 Np →(2,1 zile)→ 238 Pu

238 U + n → 239 U →(23 min)→ 239 Np →(2,3 zile)→ 239 Pu (+fragmente) + n → 240 Pu + n → 241 Pu (+fragmente) + n → 242 Pu + n → 243 Pu →(5 h)→ 243 Am + n → 244 Am →(26 min)→ 244 Cm

Timpul dintre săgeți indică timpul de înjumătățire, „+n” indică absorbția neutronilor.

La începutul funcționării reactorului, are loc o acumulare liniară de 239 Pu, iar cu cât mai rapidă (cu o ardere fixă ​​de 235 U) cu atât este mai mică îmbogățirea uraniului. În plus, concentrația de 239 Pu tinde spre o valoare constantă, care nu depinde de gradul de îmbogățire, ci este determinată de raportul dintre secțiunile transversale de captare a neutronilor de 238 U și 239 Pu. Timpul caracteristic pentru stabilirea concentrației de echilibru de 239 Pu ˜ 3/F ani (F în unități de 1013 neutroni/cm 2 ×sec). Izotopii 240 Pu și 241 Pu ating concentrații de echilibru numai atunci când combustibilul este re-ars într-un reactor nuclear după regenerarea combustibilului nuclear.

Arderea combustibilului nuclear se caracterizează prin energia totală eliberată în reactor per 1 combustibil. Această valoare este:

˜ 10 GW zi/t - reactoare cu apă grea;

˜ 20-30 GW zi/t - reactoare care utilizează uraniu slab îmbogățit (2-3% 235U);

până la 100 GW zi/t - reactoare rapide cu neutroni.

O ardere de 1 GW zi/t corespunde arderii a 0,1% din combustibil nuclear.

Pe măsură ce combustibilul se arde, reactivitatea reactorului scade. Înlocuirea combustibilului ars se efectuează imediat din întregul miez sau treptat, lăsând în funcțiune tije de combustibil de diferite „vârste”. Acest mod se numește alimentare continuă.

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 a se opri, atunci la 2 minute după oprire eliberarea de energie este de aproximativ 3%, după 1 oră - 1%, după 24 de ore - 0,4%, după un an - 0,05%.

Raportul dintre cantitatea de izotopi Pu fisionali formați într-un reactor nuclear și cantitatea de 235 U ars se numește coeficient de conversie KK. Valoarea KK crește odată cu scăderea îmbogățirii și arderii. Pentru un reactor cu apă grea care utilizează uraniu natural, la o ardere de 10 GW zi/t, KK = 0,55, iar la arderi mici (în acest caz, KK se numește coeficient inițial de plutoniu) KK = 0,8. Dacă un reactor nuclear arde și produce aceiași izotopi (reactor de reproducere), atunci raportul dintre viteza de reproducere și rata de ardere se numește factor de reproducere KB. În reactoarele nucleare care utilizează neutroni termici KV< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах КВ может достигать 1,4—1,5. Рост КВ для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g растёт, а а падает.

Controlul reactorului nuclear

Un reactor nuclear poate funcționa mult timp la o putere dată numai dacă are o rezervă de reactivitate la începutul funcționării. Procesele care au loc în reactor determină o deteriorare a proprietăților de multiplicare ale mediului, iar fără un mecanism de restabilire a reactivității, reactorul nu ar putea funcționa nici măcar pentru o perioadă scurtă de timp. 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, în miez sunt introduse substanțe absorbante de neutroni. Absorbantele fac parte din materialul tijelor de control care se deplasează de-a lungul canalelor corespunzătoare din miez. Mai mult, dacă doar câteva tije sunt suficiente pentru reglare, atunci pentru a compensa excesul de reactivitate inițial numărul de tije poate ajunge la sute. Tijele de compensare sunt îndepărtate treptat din miezul reactorului, asigurând o stare critică pe toată durata funcționării acestuia. Compensarea arderii se poate realiza si prin folosirea unor absorbante speciale, a caror eficienta scade atunci cand capteaza neutroni (Cd, B, elemente de pamant rare) sau solutii de substante absorbante in moderator.

Controlul unui reactor nuclear este simplificat de faptul că, în timpul fisiunii, unii dintre neutroni zboară din fragmente cu o întârziere care poate varia de la 0,2 la 55 de secunde. Datorită acestui fapt, fluxul de neutroni și, în consecință, puterea se schimbă destul de ușor, dând timp să luați o decizie și să schimbați starea reactorului din exterior.

Un sistem de control și protecție (CPS) este utilizat pentru a controla un reactor nuclear. Organele CPS sunt împărțite în:

Urgență, reducerea reactivității (introducerea reactivității negative în reactor) când apar semnale de urgență;

Regulatoare automate care mențin constant un flux de neutroni F (adică puterea de ieșire);

Compensator, care servește la compensarea efectelor otrăvirii, epuizării, temperaturii.

În cele mai multe cazuri, tijele introduse în miez și realizate din materiale care absorb puternic neutronii (Cd, B etc.) sunt folosite pentru a controla reactorul. Mișcarea tijelor este controlată de mecanisme speciale care funcționează pe baza semnalelor de la dispozitive sensibile la mărimea fluxului de neutroni.

Funcționarea tijelor de control este simplificată considerabil pentru reactoarele cu un coeficient de reactivitate de temperatură negativ (r scade odată cu creșterea temperaturii).

Pe baza informațiilor despre starea reactorului, un complex special de calculatoare generează recomandări operatorului de a schimba starea reactorului sau, în anumite limite, reactorul este controlat fără participarea operatorului.

În cazul unei dezvoltări catastrofale neprevăzute a unei reacții în lanț, fiecare reactor este prevăzut cu o terminare de urgență a reacției în lanț, realizată prin scăparea tijelor speciale de urgență sau a tijelor de siguranță în miez - un sistem de protecție în caz de urgență.

Reactorul nuclear funcționează fără probleme și eficient. Altfel, după cum știți, vor fi probleme. Dar ce se întâmplă înăuntru? Să încercăm să formulăm principiul de funcționare a unui reactor nuclear (nuclear) pe scurt, clar, cu opriri.

În esență, acolo are loc același proces ca în timpul unei explozii nucleare. Doar explozia are loc foarte repede, dar în reactor toate acestea se întind mult timp. Drept urmare, totul rămâne în siguranță și primim energie. Nu atât de mult încât totul în jur ar fi distrus dintr-o dată, dar destul de suficient pentru a furniza energie electrică orașului.

Înainte de a înțelege cum are loc o reacție nucleară controlată, trebuie să știți ce este reacție nucleară deloc.

Reacție nucleară este procesul de transformare (fisiune) a nucleelor ​​atomice atunci când interacționează cu particulele elementare și cuante gamma.

Reacțiile nucleare pot apărea atât cu absorbția, cât și cu eliberarea de energie. Reactorul folosește a doua reacție.

Reactor nuclear este un dispozitiv al cărui scop este menținerea unei reacții nucleare controlate cu eliberare de energie.

Adesea, un reactor nuclear este numit și reactor atomic. Să remarcăm că aici nu există nicio diferență fundamentală, dar din punctul de vedere al științei este mai corect să folosim cuvântul „nuclear”. Acum există multe tipuri de reactoare nucleare. Acestea sunt reactoare industriale uriașe menite să genereze energie în centrale electrice, reactoare nucleare ale submarinelor, reactoare experimentale mici folosite în experimente științifice. Există chiar reactoare folosite pentru desalinizarea apei de mare.

Istoria creării unui reactor nuclear

Primul reactor nuclear a fost lansat în 1942, nu atât de îndepărtat. Acest lucru s-a întâmplat în SUA sub conducerea lui Fermi. Acest reactor a fost numit „Chicago Woodpile”.

În 1946, a început să funcționeze primul reactor sovietic, lansat sub conducerea lui Kurchatov. Corpul acestui reactor era o minge de șapte metri în diametru. Primele reactoare nu aveau sistem de răcire, iar puterea lor era minimă. Apropo, reactorul sovietic avea o putere medie de 20 de wați, iar cel american - doar 1 wați. Pentru comparație: puterea medie a reactoarelor de putere moderne este de 5 gigawați. La mai puțin de zece ani de la lansarea primului reactor, în orașul Obninsk a fost deschisă prima centrală nucleară industrială din lume.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear (nuclear).

Orice reactor nuclear are mai multe părți: miez Cu combustibil Și moderator , reflector de neutroni , lichid de răcire , sistem de control și protecție . Izotopii sunt folosiți cel mai adesea ca combustibil în reactoare. uraniu (235, 238, 233), plutoniu (239) și toriu (232). Miezul este un cazan prin care curge apa obișnuită (lichid de răcire). Printre alți agenți de răcire, „apa grea” și grafitul lichid sunt mai puțin utilizate. Dacă vorbim despre funcționarea centralelor nucleare, atunci un reactor nuclear este folosit pentru a produce căldură. Electricitatea în sine este generată folosind aceeași metodă ca și în alte tipuri de centrale electrice - aburul rotește o turbină, iar energia mișcării este convertită în energie electrică.

Mai jos este o diagramă a funcționării unui reactor nuclear.

După cum am spus deja, degradarea unui nucleu greu de uraniu produce elemente mai ușoare și mai mulți neutroni. Neutronii rezultați se ciocnesc cu alte nuclee, provocându-le și fisiunea. În același timp, numărul de neutroni crește ca o avalanșă.

Ar trebui menționat aici factor de multiplicare a neutronilor . Deci, dacă acest coeficient depășește o valoare egală cu unu, are loc o explozie nucleară. Dacă valoarea este mai mică de unu, sunt prea puțini neutroni și reacția se stinge. Dar dacă mențineți valoarea coeficientului egală cu unu, reacția se va desfășura lung și stabil.

Întrebarea este cum să faci asta? În reactor, combustibilul este în așa-numitul elemente de combustibil (TVELakh). Acestea sunt baghete care conțin, sub formă de tablete mici, combustibil nuclear . Barele de combustibil sunt conectate în casete de formă hexagonală, dintre care pot fi sute într-un reactor. Casetele cu tije de combustibil sunt dispuse vertical, iar fiecare tijă de combustibil are un sistem care vă permite să reglați adâncimea imersiei sale în miez. Pe lângă casetele în sine, acestea includ tije de control Și tije de protecție în caz de urgență . Tijele sunt realizate dintr-un material care absoarbe bine neutronii. Astfel, tijele de control pot fi coborâte la diferite adâncimi în miez, ajustând astfel factorul de multiplicare a neutronilor. Tijele de urgență sunt proiectate pentru a opri reactorul în caz de urgență.

Cum pornește un reactor nuclear?

Ne-am dat seama de principiul de funcționare în sine, dar cum să pornim și să facem funcționarea reactorului? În linii mari, aici este - o bucată de uraniu, dar reacția în lanț nu începe în ea de la sine. Cert este că în fizica nucleară există un concept masa critica .

Masa critică este masa de material fisionabil necesară pentru a începe o reacție nucleară în lanț.

Cu ajutorul barelor de combustibil și a barelor de control, se creează mai întâi o masă critică de combustibil nuclear în reactor, iar apoi reactorul este adus la nivelul optim de putere în mai multe etape.

În acest articol, am încercat să vă oferim o idee generală despre structura și principiul de funcționare a unui reactor nuclear (nuclear). Dacă aveți întrebări pe această temă sau vi s-a pus o problemă de fizică nucleară la universitate, vă rugăm să contactați specialiştilor companiei noastre. Ca de obicei, suntem gata să vă ajutăm să rezolvați orice problemă presantă cu privire la studiile dumneavoastră. Și în timp ce suntem la asta, iată un alt videoclip educațional pentru atenția ta!

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 la sfârșitul secolului al XIX-lea, 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 aceștia radiu și poloniu, iar nivelul lor de radioactivitate a fost 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 dat naștere copilului său iubit - reactorul atomic.

Primul reactor nuclear

„Firstborn” vine din SUA. În decembrie 1942, primul curent a fost produs de reactor, care a fost numit după creatorul său, unul dintre cei mai mari fizicieni ai secolului, 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” în care, în loc de combustibili tradiționali, sunt arse 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 energiei nucleare globale. În acest moment, corporația de stat Rosatom construiește centrale nucleare în 12 țări, unde se construiesc 34 de unități electrice. O cerere atât de mare este o dovadă a nivelului înalt al tehnologiei nucleare moderne rusești. Urmează noile reactoare de generația a 4-a.

"Brest"

Una dintre ele este Brest, care este dezvoltată ca parte a proiectului Breakthrough. Sistemele actuale cu ciclu deschis funcționează cu uraniu slab îmbogățit, lăsând cantități mari de combustibil uzat să fie eliminate cu cheltuieli 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.