Tabela nuklearnih reaktora. Nuklearni reaktor, princip rada, rad nuklearnog reaktora
Nuklearni reaktor radi glatko i tačno. Inače, kao što znate, bit će problema. Ali šta se događa unutra? Pokušajmo kratko, jasno, sa zaustavljanjima formulirati princip rada nuklearnog (atomskog) reaktora.
Zapravo se tamo odvija isti proces kao u nuklearnoj eksploziji. Tek sada se eksplozija događa vrlo brzo, ali u reaktoru se sve to dugo razvlači. Kao rezultat, sve ostaje sigurno i zdravo, a mi dobivamo energiju. Ne toliko da je sve uokolo odmah dignuto u zrak, već sasvim dovoljno da grad opskrbi električnom energijom.
Prije nego što shvatite kako ide kontrolirana nuklearna reakcija, morate znati što je nuklearna reakcija uopšte.
Nuklearna reakcija Je li proces transformacije (fisije) atomskih jezgara u interakciji s elementarnim česticama i gama kvantima.
Nuklearne reakcije mogu se odvijati i apsorpcijom i oslobađanjem energije. U reaktoru se koriste druge reakcije.
Nuklearni reaktor - je uređaj čija je svrha održavanje kontrolirane nuklearne reakcije s oslobađanjem energije.
Često se nuklearni reaktor naziva i atomskim. Primijetite da ovdje nema suštinske razlike, ali sa stanovišta nauke ispravnije je koristiti riječ "nuklearna". Sada postoji mnogo vrsta nuklearnih reaktora. To su ogromni industrijski reaktori dizajnirani za proizvodnju energije u elektranama, nuklearni reaktori u podmornicama, mali eksperimentalni reaktori koji se koriste u naučnim eksperimentima. Postoje čak i reaktori koji se koriste za desalinizaciju morske vode.
Istorija stvaranja nuklearnog reaktora
Prvi nuklearni reaktor pokrenut je ne tako daleke 1942. godine. To se dogodilo u SAD-u pod vođstvom Fermija. Ovaj reaktor nazvan je "Chicago Woodpile".
1946. godine pokrenut je prvi sovjetski reaktor pod vodstvom Kurčatova. Tijelo ovog reaktora predstavljalo je kuglu promjera sedam metara. Prvi reaktori nisu imali rashladni sistem, a snaga im je bila minimalna. Inače, sovjetski reaktor imao je prosječnu snagu od 20 vata, dok je američki imao samo 1 vata. Za usporedbu: prosječna snaga modernih energetskih reaktora je 5 Gigawatts. Nepunih deset godina nakon lansiranja prvog reaktora, u gradu Obninsku otvorena je prva svjetska industrijska nuklearna elektrana.
Princip rada nuklearnog (atomskog) reaktora
Bilo koji nuklearni reaktor ima nekoliko dijelova: aktivna zona od gorivo i moderator , neutronski reflektor , rashladna tečnost , sistem upravljanja i zaštite ... Izotopi se najčešće koriste kao gorivo u reaktorima urana (235, 238, 233), plutonij (239) i torijum (232). Aktivna zona je kotao kroz koji teče obična voda (nosač toplote). Među ostalim tečnostima za prenos toplote, "teška voda" i tečni grafit se ređe koriste. Ako govorimo o radu nuklearne elektrane, tada se nuklearni reaktor koristi za proizvodnju topline. Sama električna energija generira se istom metodom kao i kod ostalih vrsta elektrana - para okreće turbinu, a energija kretanja pretvara se u električnu.
Ispod je dijagram rada nuklearnog reaktora.
Kao što smo već rekli, tijekom raspada jezgre teškog urana nastaju lakši elementi i nekoliko neutrona. Rezultirajući neutroni sudaraju se s drugim jezgrima, što uzrokuje i njihovu fisiju. U ovom slučaju, broj neutrona raste poput lavine.
Ovdje treba spomenuti faktor umnožavanja neutrona ... Dakle, ako ovaj koeficijent prelazi vrijednost jednaku jedinici, dolazi do nuklearne eksplozije. Ako je vrijednost manja od jedan, premalo je neutrona i reakcija blijedi. Ali ako zadržite vrijednost koeficijenta jednakom jedinici, reakcija će se odvijati dugo i stabilno.
Pitanje je kako to učiniti? U reaktoru se gorivo nalazi u tzv gorivni elementi (TVELakh). To su štapići u kojima postoje, u obliku malih tableta nuklearno gorivo ... Šipke za gorivo povezane su u šesterokutne kasete, kojih u reaktoru može biti stotine. Kasete sa šipkama za gorivo smještene su okomito, a svaka šipka za gorivo ima sistem koji vam omogućava podešavanje dubine uranjanja u jezgru. Među njima su i same kasete kontrolne šipke i šipke za zaštitu u nuždi ... Šipke su napravljene od materijala koji dobro apsorbira neutrone. Stoga se upravljačke šipke mogu spustiti na različite dubine u jezgri, čime se podešava faktor umnožavanja neutrona. Stupovi za slučaj nužde dizajnirani su da isključe reaktor u slučaju nužde.
Kako se pokreće nuklearni reaktor?
Shvatili smo sam princip rada, ali kako pokrenuti i natjerati reaktor da radi? Grubo govoreći, evo ga - komada urana, ali lančana reakcija u njemu ne započinje sama od sebe. Činjenica je da u nuklearnoj fizici postoji koncept kritična masa .
Kritična masa je masa cijepljive materije potrebne za početak nuklearne lančane reakcije.
Uz pomoć gorivih šipki i kontrolnih šipki, u reaktoru se prvo stvara kritična masa nuklearnog goriva, a zatim se reaktor u nekoliko faza dovodi do optimalnog nivoa snage.
U ovom članku pokušali smo vam dati opću ideju o strukturi i principu rada nuklearnog (atomskog) reaktora. Ako imate pitanja na tu temu ili ste na univerzitetu postavili problem u nuklearnoj fizici - kontaktirajte stručnjaci naše kompanije... Mi smo vam, kao i obično, spremni pomoći u rješavanju bilo kojeg gorućeg problema na studijama. U međuvremenu radimo ovo, vaša pažnja je još jedan edukativni video!
Pogotovo jezgra izotopa i najefikasnije hvataju spore neutrone. Vjerovatnoća hvatanja sporih neutrona s naknadnom nuklearnom cijepanjem stotinama je puta veća od vjerovatnoće brzih. Zbog toga se u nuklearnim reaktorima na prirodni uran koriste neutronski moderatori za povećanje faktora umnožavanja neutrona. Procesi u nuklearnom reaktoru shematski su prikazani na slici 13.15.
Glavni elementi nuklearnog reaktora. Na slici 13.16 prikazan je dijagram elektrane s nuklearnim reaktorom.
Glavni elementi nuklearnog reaktora su: nuklearno gorivo, neutronski moderator (teška ili obična voda, grafit itd.), Rashladna tečnost za uklanjanje energije koja nastaje tokom rada reaktora (voda, tečni natrijum itd.) I uređaj za regulaciju brzine reakcije (uveden štapići koji sadrže kadmij ili bor - supstance koje dobro apsorbiraju neutrone iz reaktora). Vani je reaktor okružen zaštitnom ljuskom koja blokira γ-zračenje i neutrone. Ljuska je izrađena od betona ispunjenog gvožđem.
Fermi Enrico (1901. - 1954.)- veliki talijanski fizičar koji je dao veliki doprinos razvoju moderne teorijske i eksperimentalne fizike. 1938. emigrirao je u SAD. Istovremeno s Dirac-om stvorio je kvantnu statističku teoriju elektrona i drugih čestica (Fermi-Dirac-ova statistika). Razvio kvantitativnu teoriju p-raspada - prototip moderne kvantne teorije interakcije elementarnih čestica. Otkrio niz temeljnih otkrića u neutronskoj fizici. Pod njegovim vodstvom 1942. godine prvi put je izvedena kontrolirana nuklearna reakcija.
Najbolji moderator je teška voda (vidi § 102). Obična voda sama zahvata neutrone i pretvara se u tešku vodu. Grafit, čija jezgra ne apsorbuje neutrone, takođe se smatra dobrim moderatorom.
Kritična masa. Faktor množenja k može postati jednak jedinici samo ako dimenzije reaktora i, shodno tome, masa urana prelaze neke kritične vrijednosti. Kritična masa je najmanja masa cijepljive materije kod koje još uvijek može doći do nuklearne lančane reakcije.
Za male veličine, propuštanje neutrona kroz površinu jezgre reaktora (zapremina u kojoj se nalaze uranove šipke) je preveliko.
Kako se veličina sistema povećava, broj jezgara koji učestvuju u fisiji raste proporcionalno zapremini, a broj neutrona izgubljenih usled curenja povećava se proporcionalno površini. Stoga je povećanjem veličine sistema moguće postići vrijednost faktora množenja k 1. Sustav će imati kritične dimenzije ako je broj neutrona izgubljenih zahvaćanjem i propuštanjem jednak broju neutrona dobivenih u procesu cijepanja. Kritične dimenzije i, shodno tome, kritična masa određuju se vrstom nuklearnog goriva, moderatorom i karakteristikama konstrukcije reaktora.
Za čisti (bez moderatora) uranij u obliku kugle, kritična masa je približno 50 kg. U ovom slučaju, radijus kugle je približno 9 cm (uran je vrlo teška tvar). Korištenjem neutronskih moderatora i berilijeve ljuske koja odražava neutron, kritična masa je smanjena na 250 g.
Kurchatov Igor Vasilievich (1903-1960)- sovjetski fizičar i organizator naučnog istraživanja, tri puta heroj socijalističkog rada. 1943. vodio je naučni rad vezan za atomski problem. Pod njegovim vodstvom stvoreni su prvi nuklearni reaktor u Evropi (1946) i prva sovjetska atomska bomba (1949). Rani radovi povezani sa proučavanjem feroelektrike, nuklearnih reakcija izazvanih neutronima, umjetne radioaktivnosti. Otkrili postojanje pobuđenih stanja jezgara s relativno dugim "životnim vijekom".
Reaktorom se upravljaju šipkama koje sadrže kadmij ili bor. Kada su štapovi ispruženi iz jezgre reaktora k\u003e 1, a kada su štapovi potpuno ispruženi, k< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.
Reaktori sa brzim neutronima. Izgrađeni su reaktori koji rade bez moderatora na brzim neutronima. Budući da je vjerovatnoća fisije uzrokovane brzim neutronima mala, takvi reaktori ne mogu raditi na prirodnom uranijumu.
Reakcija se može održavati samo u obogaćenoj smjesi koja sadrži najmanje 15% izotopa. Prednost brzih reaktora je što generiraju značajnu količinu plutonijuma, koji se zatim može koristiti kao nuklearno gorivo. Ti se reaktori nazivaju uzgajivačima, jer reproduciraju cijepljivi materijal. Reaktori sa omjerom oplemenjivanja do 1,5 su u izgradnji. To znači da fisija 1 kg izotopa u reaktoru stvara do 1,5 kg plutonijuma. U konvencionalnim reaktorima omjer oplemenjivanja je 0,6-0,7.
Prvi nuklearni reaktori. Po prvi put je tim naučnika pod vodstvom Enrica Fermija u decembru 1942. godine izveo vrijednu reakciju nuklearne fisije urana u SAD-u.
Kod nas je prvi nuklearni urednik lansiran 25. decembra 1946. godine od strane tima fizičara na čelu s našim izvanrednim naučnikom Igorom Vasiljevich Kurchatov-om. Trenutno su stvoreni različiti tipovi reaktora koji se međusobno razlikuju i po snazi \u200b\u200bi po namjeni.
U nuklearnim reaktorima, pored nuklearnog goriva, postoji neutronski moderator i upravljačke šipke. Oslobođenu energiju uklanja nosač toplote.
1. Šta je kritična masa!
2. Zašto se neutronski moderator koristi u nuklearnom reaktoru!
Uređaj i princip rada
Mehanizam oslobađanja energije
Transformaciju supstance prati oslobađanje slobodne energije samo ako supstanca ima rezervu energije. Ovo drugo znači da su mikročestice supstance u stanju sa energijom odmora većom nego u drugom mogućem, čiji prijelaz postoji. Spontani prijelaz uvijek ometa energetska barijera, za čije prevladavanje mikročestica mora primiti izvana određenu količinu energije - energiju pobude. Egzoenergetska reakcija sastoji se u činjenici da se u transformaciji nakon pobude oslobađa više energije nego što je potrebno za pobuđivanje procesa. Postoje dva načina za prevladavanje energetske barijere: bilo zbog kinetičke energije sudarajućih čestica, bilo zbog energije vezivanja čestice koja se spaja.
Ako imamo na umu makroskopske skale oslobađanja energije, tada kinetička energija neophodna za pobuđivanje reakcija mora imati sve ili, prvo, barem neki udio čestica supstance. To je moguće postići samo kada temperatura medija naraste do vrijednosti pri kojoj se energija toplotnog kretanja približava vrijednosti energetskog praga koji ograničava proces. U slučaju molekularnih transformacija, odnosno kemijskih reakcija, takav porast obično iznosi stotine kelvina, u slučaju nuklearnih reakcija iznosi najmanje 10 7 zbog vrlo visoke visine Coulomovih barijera sudarajućih jezgara. Termičko pobuđivanje nuklearnih reakcija ostvaruje se u praksi samo tokom sinteze najlakših jezgara, za koje su Coulomb-ove barijere minimalne (termonuklearna fuzija).
Uzbuda pričvršćivanjem čestica ne zahtijeva visoku kinetičku energiju, pa prema tome ne ovisi o temperaturi medija, jer se javlja uslijed neiskorištenih veza svojstvenih česticama sila privlačenja. Ali same čestice su potrebne da pobude reakcije. A ako opet mislimo ne na zaseban čin reakcije, već na proizvodnju energije u makroskopskom mjerilu, onda je to moguće samo kada se dogodi lančana reakcija. Ovo posljednje nastaje kada se čestice koje pobuđuju reakciju ponovo pojave kao produkti egzoenergetske reakcije.
Dizajn
Bilo koji nuklearni reaktor sastoji se od sljedećih dijelova:
- Jezgro sa nuklearnim gorivom i moderator;
- Reflektor neutrona koji okružuje jezgru;
- Sistem kontrole lančane reakcije, uključujući zaštitu u slučaju nužde;
- Zaštita od zračenja;
- Sistem daljinskog upravljanja.
Fizički principi rada
Pogledajte i glavne članke:
Trenutno stanje nuklearnog reaktora može se okarakterizirati efektivnim faktorom umnožavanja neutrona k ili reaktivnost ρ , koji su povezani sljedećim odnosom:
Ove vrijednosti karakteriziraju sljedeće vrijednosti:
- k \u003e 1 - lančana reakcija raste s vremenom, reaktor je u nadkritično stanje, njegova reaktivnost ρ > 0;
- k < 1 - реакция затухает, реактор - podkritično, ρ < 0;
- k = 1, ρ \u003d 0 - broj nuklearnih fisija je konstantan, reaktor je u staji kritično stanje.
Uslov za kritičnost nuklearnog reaktora:
gdjeKonverzija faktora množenja u jedinicu postiže se balansiranjem množenja neutrona sa njihovim gubicima. Zapravo postoje dva razloga za gubitke: hvatanje bez fisije i curenje neutrona izvan uzgojnog medija.
Očigledno, 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 za termičke reaktore može se odrediti takozvanom "formulom 4 faktora":
gdje- η je prinos neutrona za dvije apsorpcije.
Količine savremenih energetskih reaktora mogu doseći stotine m³ i uglavnom se ne određuju uslovima kritičnosti, već mogućnostima uklanjanja toplote.
Kritični volumen nuklearni reaktor - zapremina jezgre reaktora u kritičnom stanju. Kritična masa je masa fisionog materijala reaktora u kritičnom stanju.
Najmanje kritičnu masu imaju reaktori u kojima vodeni rastvori soli čistih cepljivih izotopa sa vodenim reflektorom neutrona služe kao gorivo. Za 235 U ova masa je 0,8 kg, za 239 Pu je 0,5 kg. Široko je poznato, međutim, da je kritična masa za reaktor LOPO (prvi reaktor za obogaćeni uran na svijetu) sa reflektorom za berilijev oksid bila 0,565 kg, iako je obogaćivanje izotopa od 235 tek nešto više od 14%. Teoretski, ima najmanju kritičnu masu, za koju je ova vrijednost samo 10 g.
Kako bi se smanjilo propuštanje neutrona, jezgru se daje sferni ili gotovo sferični oblik, na primjer kratki cilindar ili kocka, jer ove brojke imaju najmanji odnos površine i zapremine.
Uprkos činjenici da je vrijednost (e - 1) obično mala, uloga množenja brzih neutrona je prilično velika, jer je za velike nuklearne reaktore (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.
Da bi započela lančana reakcija, obično se stvara dovoljno neutrona tokom spontane fisije jezgara uranijuma. Također je moguće koristiti vanjski izvor neutrona za pokretanje reaktora, na primjer, smjesu i ili drugih supstanci.
Jodna jama
Glavni članak: Jodna jamaJodna bušotina - stanje nuklearnog reaktora nakon njegovog isključivanja, karakterizirano nakupljanjem kratkotrajnog izotopa ksenona. Ovaj postupak dovodi do privremene pojave značajne negativne reaktivnosti, što zauzvrat onemogućava dovođenje reaktora u njegov projektni kapacitet u određenom periodu (oko 1-2 dana).
Klasifikacija
Po dogovoru
Po prirodi upotrebe nuklearni reaktori se dijele na:
- Energetski reaktori, dizajniran za dobivanje električne i toplotne energije koja se koristi u elektroenergetici, kao i za desalinizaciju morske vode (reaktori za desalinizaciju su takođe klasifikovani kao industrijski). Takvi se reaktori uglavnom koriste u nuklearnim elektranama. Toplinska snaga modernih energetskih reaktora dostiže 5 GW. Odvojena grupa se izdvaja:
- Transportni reaktoridizajniran za napajanje motora vozila. Najšire grupe primjene su reaktori za pomorski transport koji se koriste na podmornicama i raznim površinskim brodovima, kao i reaktori koji se koriste u svemirskoj tehnologiji.
- Eksperimentalni reaktoridizajniran za proučavanje različitih fizičkih veličina čija je vrijednost potrebna za dizajn i rad nuklearnih reaktora; snaga takvih reaktora ne prelazi nekoliko kW.
- Istraživački reaktori, u kojem se fluksovi neutrona i gama kvanti generirani u jezgri koriste za istraživanja u području nuklearne fizike, fizike čvrstog stanja, radijacione kemije, biologije, za ispitivanje materijala namijenjenih za rad u intenzivnim neutronskim fluksima (uključujući dijelove nuklearni reaktori) za proizvodnju izotopa. Kapacitet istraživačkog reaktora ne prelazi 100 MW. Oslobođena energija se obično ne koristi.
- Industrijski (oružje, izotop) reaktorikoristi se za proizvodnju izotopa koji se koriste u raznim poljima. Najrasprostranjeniji za proizvodnju nuklearnog oružja kao što je 239 Pu. Industrijski reaktori uključuju i reaktore koji se koriste za desalinizaciju morske vode.
Reaktori se često koriste za rješavanje dva ili više različitih problema, u tom slučaju se nazivaju višenamjenski... Na primjer, neki energetski reaktori, posebno u zoru nuklearne energije, bili su uglavnom namijenjeni eksperimentima. Brzi reaktori mogu istovremeno biti i energetski i stvaraju izotope. Industrijski reaktori, uz svoj glavni zadatak, često generiraju električnu i toplotnu energiju.
Spektrom neutrona
- Termički (polagani) neutronski reaktor ("termalni reaktor")
- Brzi reaktor ("brzi reaktor")
Polaganjem goriva
- Heterogeni reaktori, gdje se gorivo diskretno smješta u jezgru u obliku blokova, između kojih se nalazi moderator;
- Homogeni reaktori u kojima su gorivo i moderator homogena smjesa (homogeni sistem).
U heterogenom reaktoru gorivo i moderator mogu se prostorno razdvojiti, posebno u reaktoru sa šupljinom moderator-reflektor okružuje šupljinu gorivom koje ne sadrži moderator. S nuklearno-fizičke točke gledišta, kriterij homogenosti / heterogenosti nije dizajn, već postavljanje blokova goriva na udaljenost koja premašuje umjerenu dužinu neutrona u datom moderatoru. Dakle, reaktori s takozvanom "nepropusnom mrežom" računaju se kao homogeni, iako se gorivo u njima obično odvaja od moderatora.
Blokovi nuklearnog goriva u heterogenom reaktoru nazivaju se sklopovi goriva (FA), koji se postavljaju u jezgru u čvorovima pravilne mreže, formirajući ćelija.
Po vrsti goriva
- izotopi urana 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
- izotop plutonijuma 239 (239 Pu), takođe izotopi 239-242 Pu u obliku smeše sa 238 U (MOX gorivo)
- izotop torija 232 (232 Th) (pretvaranjem u 233 U)
Po stepenu obogaćenja:
- prirodni uran
- slabo obogaćeni uran
- visoko obogaćeni uran
Po hemijskom sastavu:
- metal U
- UC (uranijum karbid) itd.
Po tipu rashladne tečnosti
- Plin, (vidi reaktor grafit-gas)
- D 2 O (teška voda, vidi nuklearni reaktor za teške vode, CANDU)
Po prirodi moderatora
- C (grafit, vidi reaktor grafit-gas, reaktor grafit-voda)
- H 2 O (voda, vidi Reaktor za laganu vodu, Reaktor za moderiranje vodom, VVER)
- D 2 O (teška voda, vidi nuklearni reaktor za teške vode, CANDU)
- Metalni hidridi
- Bez moderatora (vidi Brzi reaktor)
Po dizajnu
Način stvaranja pare
- Reaktor s vanjskim generatorom pare (vidi Reaktor pod pritiskom, VVER)
Klasifikacija IAEA
- PWR (reaktori pod pritiskom) - reaktor za vodu pod pritiskom;
- BWR (reaktor sa kipućom vodom) - reaktor sa kipućom vodom;
- FBR (reaktor za brzo uzgajanje) - reaktor za brzo uzgajanje;
- GCR (gas-cooled reactor) - gasno hlađeni reaktor;
- LWGR (lagani vodeni grafitni reaktor) - reaktor grafit-voda
- PHWR (reaktor za tešku vodu pod pritiskom) - reaktor za tešku vodu
Najčešći u svijetu su vodeno hlađeni (oko 62%) i kipući (20%) reaktori.
Reaktorski materijali
Materijali koji se koriste za izgradnju reaktora rade na visokim temperaturama u polju neutrona, γ-kvanta i fisionih fragmenata. Stoga nisu svi materijali koji se koriste u drugim granama tehnologije pogodni za izgradnju reaktora. Prilikom odabira materijala reaktora uzima se u obzir njihova otpornost na zračenje, hemijska inertnost, apsorpcijski presjek i druga svojstva.
Nestabilnost zračenja materijala manje utiče na visokim temperaturama. Pokretljivost atoma postaje toliko velika da se vjerovatnoća povratka atoma izbijenih iz kristalne rešetke na svoje mjesto ili rekombinacije vodonika i kiseonika u molekul vode znatno povećava. Dakle, radioliza vode je beznačajna u reaktorima koji ne vreju (na primjer, VVER), dok se u moćnim istraživačkim reaktorima oslobađa značajna količina eksplozivne smjese. Reaktori imaju posebne sisteme za njegovo sagorijevanje.
Materijali reaktora su u međusobnom kontaktu (obloga gorivih elemenata rashladnom tečnošću i nuklearnim gorivom, kasete za gorivo sa rashladnom tečnošću i moderatorom, itd.). Prirodno, materijali za kontakt moraju biti kemijski inertni (kompatibilni). Primjer nekompatibilnosti su uran i topla voda, koji reagiraju kemijski.
Za većinu materijala svojstva čvrstoće naglo se pogoršavaju s porastom temperature. U energetskim reaktorima strukturni materijali rade na visokim temperaturama. To ograničava izbor građevinskih materijala, posebno za one dijelove energetskog reaktora koji moraju izdržati visoki pritisak.
Izgaranje i reprodukcija nuklearnog goriva
Tijekom rada nuklearnog reaktora, uslijed nakupljanja fisionih fragmenata u gorivu, mijenja se njegov izotopski i kemijski sastav, te nastaju transuranski elementi, uglavnom izotopi. Pozvan je efekt fisionih fragmenata na reaktivnost nuklearnog reaktora trovanje (za radioaktivne ostatke) i slagging (za stabilne izotope).
Glavni razlog za trovanje reaktora je onaj s najvećim presjekom apsorpcije neutrona (2,6 · 10 6 bara). Poluvrijeme 135 Xe T 1/2 \u003d 9,2 sata; prinos fisije je 6-7%. Glavni dio 135 Xe nastaje kao rezultat raspadanja ( T 1/2 \u003d 6,8 sati). U slučaju trovanja, Keff se mijenja za 1-3%. Veliki presjek apsorpcije 135 Xe i prisustvo među izotopa 135 I dovode do dva važna fenomena:
- Povećanju koncentracije od 135 Xe i, posljedično tome, smanjenju reaktivnosti reaktora nakon njegovog isključivanja ili smanjenja snage („jodna bušotina“), što onemogućava kratkotrajna zaustavljanja i kolebanja izlazne snage. Ovaj se efekat prevazilazi uvođenjem margine reaktivnosti u regulatore. Dubina i trajanje jodne bušotine ovise o fluktu neutrona F: pri F \u003d 5 · 10 18 neutrona / (cm² · sec), trajanje jodne jažice je ˜30 h, a dubina je dva puta veća od stacionarne promjene u Keffu uzrokovane trovanjem 135 Xe.
- Zbog trovanja mogu nastati prostorno-vremenske fluktuacije neutronskog fluksa F i, shodno tome, snage reaktora. Ove oscilacije se javljaju na F\u003e 10 18 neutrona / (cm² · sec) i velikim veličinama reaktora. Periodi oscilacija su ~ 10 h.
Cjepanjem jezgara nastaje velik broj stabilnih fragmenata koji se razlikuju po apsorpcijskim presjecima u usporedbi s apsorpcijskim presjecima fisualnog izotopa. Koncentracija fragmenata s velikim poprečnim presjekom apsorpcije doseže zasićenje tijekom prvih nekoliko dana rada reaktora. To su uglavnom gorivi elementi različite "starosti".
U slučaju potpune zamjene goriva, reaktor ima višak reaktivnosti koji treba nadoknaditi, dok je u drugom slučaju kompenzacija potrebna samo pri prvom pokretanju reaktora. Kontinuirano punjenje gorivom omogućava povećanje dubine sagorijevanja, jer se reaktivnost reaktora određuje prosječnim koncentracijama fisionih izotopa.
Masa napunjenog goriva premašuje masu ispražnjenog goriva zbog "težine" oslobođene energije. Nakon zaustavljanja reaktora, prvo uglavnom zbog fisije odloženim neutronima, a zatim, nakon 1–2 minute, zbog β- i γ-zračenja iz fisionih fragmenata i transuranskih elemenata, energija se i dalje oslobađa u gorivu. Ako je reaktor radio dovoljno dugo do trenutka isključenja, tada 2 minute nakon isključivanja oslobađanje energije iznosi oko 3%, nakon 1 sata - 1%, nakon jednog dana - 0,4%, nakon godinu dana - 0,05% početne snage.
Odnos broja fisionih izotopa Pu nastalih u nuklearnom reaktoru i količine izgaranih 235 U naziva se stopa konverzije K K. Vrijednost K K povećava se sa smanjenjem obogaćivanja i sagorijevanja. Za reaktor sa teškom vodom koji radi na prirodni uranij, sa sagorijevanjem od 10 GW dan / t K K \u003d 0,55 i s malim sagorijevanjima (u ovom slučaju, K K se naziva početni koeficijent plutonijuma) K K \u003d 0,8. Ako nuklearni reaktor sagorijeva i proizvodi iste izotope (reaktor uzgajivača), tada se naziva omjer brzine razmnožavanja i brzine sagorijevanja stopa reprodukcije K V. U termičkim reaktorima K B< 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 raste i i pada.
Upravljanje nuklearnim reaktorom
Upravljanje nuklearnim reaktorom moguće je samo zbog činjenice da se dio neutrona tokom fisije emituje iz fragmenata sa zakašnjenjem koje može biti u rasponu od nekoliko milisekundi do nekoliko minuta.
Za kontrolu reaktora koriste se apsorpcione šipke uvedene u jezgru, izrađene od materijala koji snažno apsorbiraju neutrone (uglavnom neke druge) i / ili otopine borne kiseline dodate u rashladnu tečnost u određenoj koncentraciji (regulacija bora). Kretanje šipki kontrolira se pomoću posebnih mehanizama, pogona koji djeluju na signale operatera ili opreme za automatsku regulaciju neutronskog fluksa.
U slučaju različitih hitnih slučajeva, svaki reaktor predviđa hitno prekidanje lančane reakcije, izvedeno ispuštanjem svih upijajućih šipki u jezgru - sustav zaštite u nuždi.
Proizvodnja zaostale toplote
Važno pitanje izravno vezano za nuklearnu sigurnost je zaostala toplota. To je specifična značajka nuklearnog goriva, koja se sastoji u činjenici da se, nakon prestanka fisione lančane reakcije i toplotne inercije, što je uobičajeno za bilo koji izvor energije, oslobađanje topline u reaktoru nastavlja dulje vrijeme, što stvara niz tehnički složenih problema.
Preostalo oslobađanje toplote posljedica je β- i γ- raspadanja produkata cijepanja koji su se akumulirali u gorivu tijekom rada reaktora. Kao rezultat raspadanja, jezgra produkata fisije prelaze u stabilnije ili potpuno stabilnije stanje oslobađanjem značajne energije.
Iako se snaga zaostalog ispuštanja toplote brzo smanjuje na vrednosti koje su male u poređenju sa stacionarnim vrednostima, u moćnim reaktorima snage je apsolutno značajna. Iz tog razloga, oslobađanje zaostale topline povlači za sobom potrebu dugo vremena osigurati uklanjanje topline iz jezgre reaktora nakon njegovog isključivanja. Ovaj zadatak zahtijeva prisutnost u dizajnu reaktorskog postrojenja rashladnih sistema s pouzdanim napajanjem, a također je potrebno dugoročno (3-4 godine) skladištenje istrošenog nuklearnog goriva u skladištima s posebnim temperaturnim režimom - istrošenim bazenima, koji se obično nalaze u neposrednoj blizini reaktora.
vidi takođe
- Popis nuklearnih reaktora dizajniranih i izgrađenih u Sovjetskom Savezu
Književnost
- Levin V.E. Nuklearna fizika i nuklearni reaktori. 4. izd. - M.: Atomizdat, 1979.
- Shukolyukov A. Yu. „Uran. Prirodni nuklearni reaktor ". "Hemija i život" br. 6, 1980, str. 20-24
Napomene
- ZEEP - prvi nuklearni reaktor u Kanadi, Kanadski muzej nauke i tehnologije.
- Grešilov A.A., Egupov N.D., Matuščenko A.M. Nuklearni štit. - M.: Logos, 2008. - 438 str. -
Uređaj i princip rada
Mehanizam oslobađanja energije
Transformaciju supstance prati oslobađanje slobodne energije samo ako supstanca ima rezervu energije. Ovo drugo znači da su mikročestice supstance u stanju sa energijom odmora većom nego u drugom mogućem, čiji prijelaz postoji. Spontani prijelaz uvijek ometa energetska barijera, za čije prevladavanje mikročestica mora primiti izvana određenu količinu energije - energiju pobude. Egzoenergetska reakcija sastoji se u činjenici da se u transformaciji nakon pobude oslobađa više energije nego što je potrebno za pobuđivanje procesa. Postoje dva načina za prevladavanje energetske barijere: bilo zbog kinetičke energije sudarajućih čestica, bilo zbog energije vezivanja čestice koja se spaja.
Ako imamo na umu makroskopske skale oslobađanja energije, tada kinetička energija neophodna za pobuđivanje reakcija mora imati sve ili, prvo, barem neki udio čestica supstance. To je moguće postići samo kada temperatura medija naraste do vrijednosti pri kojoj se energija toplotnog kretanja približava vrijednosti energetskog praga koji ograničava proces. U slučaju molekularnih transformacija, odnosno kemijskih reakcija, takav porast obično iznosi stotine kelvina, u slučaju nuklearnih reakcija iznosi najmanje 10 7 zbog vrlo visoke visine Coulomovih barijera sudarajućih jezgara. Termičko pobuđivanje nuklearnih reakcija ostvaruje se u praksi samo tokom sinteze najlakših jezgara, za koje su Coulomb-ove barijere minimalne (termonuklearna fuzija).
Uzbuda pričvršćivanjem čestica ne zahtijeva visoku kinetičku energiju, pa prema tome ne ovisi o temperaturi medija, jer se javlja uslijed neiskorištenih veza svojstvenih česticama sila privlačenja. Ali same čestice su potrebne da pobude reakcije. A ako opet mislimo ne na zaseban čin reakcije, već na proizvodnju energije u makroskopskom mjerilu, onda je to moguće samo kada se dogodi lančana reakcija. Ovo posljednje nastaje kada se čestice koje pobuđuju reakciju ponovo pojave kao produkti egzoenergetske reakcije.
Dizajn
Bilo koji nuklearni reaktor sastoji se od sljedećih dijelova:
- Jezgro sa nuklearnim gorivom i moderator;
- Reflektor neutrona koji okružuje jezgru;
- Sistem kontrole lančane reakcije, uključujući zaštitu u slučaju nužde;
- Zaštita od zračenja;
- Sistem daljinskog upravljanja.
Fizički principi rada
Pogledajte i glavne članke:
Trenutno stanje nuklearnog reaktora može se okarakterizirati efektivnim faktorom umnožavanja neutrona k ili reaktivnost ρ , koji su povezani sljedećim odnosom:
Ove vrijednosti karakteriziraju sljedeće vrijednosti:
- k \u003e 1 - lančana reakcija raste s vremenom, reaktor je u nadkritično stanje, njegova reaktivnost ρ > 0;
- k < 1 - реакция затухает, реактор - podkritično, ρ < 0;
- k = 1, ρ \u003d 0 - broj nuklearnih fisija je konstantan, reaktor je u staji kritično stanje.
Uslov za kritičnost nuklearnog reaktora:
gdjeKonverzija faktora množenja u jedinicu postiže se balansiranjem množenja neutrona sa njihovim gubicima. Zapravo postoje dva razloga za gubitke: hvatanje bez fisije i curenje neutrona izvan uzgojnog medija.
Očigledno, 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 za termičke reaktore može se odrediti takozvanom "formulom 4 faktora":
gdje- η je prinos neutrona za dvije apsorpcije.
Količine savremenih energetskih reaktora mogu doseći stotine m³ i uglavnom se ne određuju uslovima kritičnosti, već mogućnostima uklanjanja toplote.
Kritični volumen nuklearni reaktor - zapremina jezgre reaktora u kritičnom stanju. Kritična masa je masa fisionog materijala reaktora u kritičnom stanju.
Najmanje kritičnu masu imaju reaktori u kojima vodeni rastvori soli čistih cepljivih izotopa sa vodenim reflektorom neutrona služe kao gorivo. Za 235 U ova masa je 0,8 kg, za 239 Pu je 0,5 kg. Široko je poznato, međutim, da je kritična masa za reaktor LOPO (prvi reaktor za obogaćeni uran na svijetu) sa reflektorom za berilijev oksid bila 0,565 kg, iako je obogaćivanje izotopa od 235 tek nešto više od 14%. Teoretski, ima najmanju kritičnu masu, za koju je ova vrijednost samo 10 g.
Kako bi se smanjilo propuštanje neutrona, jezgru se daje sferni ili gotovo sferični oblik, na primjer kratki cilindar ili kocka, jer ove brojke imaju najmanji odnos površine i zapremine.
Uprkos činjenici da je vrijednost (e - 1) obično mala, uloga množenja brzih neutrona je prilično velika, jer je za velike nuklearne reaktore (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.
Da bi započela lančana reakcija, obično se stvara dovoljno neutrona tokom spontane fisije jezgara uranijuma. Također je moguće koristiti vanjski izvor neutrona za pokretanje reaktora, na primjer, smjesu i ili drugih supstanci.
Jodna jama
Glavni članak: Jodna jamaJodna bušotina - stanje nuklearnog reaktora nakon njegovog isključivanja, karakterizirano nakupljanjem kratkotrajnog izotopa ksenona. Ovaj postupak dovodi do privremene pojave značajne negativne reaktivnosti, što zauzvrat onemogućava dovođenje reaktora u njegov projektni kapacitet u određenom periodu (oko 1-2 dana).
Klasifikacija
Po dogovoru
Po prirodi upotrebe nuklearni reaktori se dijele na:
- Energetski reaktori, dizajniran za dobivanje električne i toplotne energije koja se koristi u elektroenergetici, kao i za desalinizaciju morske vode (reaktori za desalinizaciju su takođe klasifikovani kao industrijski). Takvi se reaktori uglavnom koriste u nuklearnim elektranama. Toplinska snaga modernih energetskih reaktora dostiže 5 GW. Odvojena grupa se izdvaja:
- Transportni reaktoridizajniran za napajanje motora vozila. Najšire grupe primjene su reaktori za pomorski transport koji se koriste na podmornicama i raznim površinskim brodovima, kao i reaktori koji se koriste u svemirskoj tehnologiji.
- Eksperimentalni reaktoridizajniran za proučavanje različitih fizičkih veličina čija je vrijednost potrebna za dizajn i rad nuklearnih reaktora; snaga takvih reaktora ne prelazi nekoliko kW.
- Istraživački reaktori, u kojem se fluksovi neutrona i gama kvanti generirani u jezgri koriste za istraživanja u području nuklearne fizike, fizike čvrstog stanja, radijacione kemije, biologije, za ispitivanje materijala namijenjenih za rad u intenzivnim neutronskim fluksima (uključujući dijelove nuklearni reaktori) za proizvodnju izotopa. Kapacitet istraživačkog reaktora ne prelazi 100 MW. Oslobođena energija se obično ne koristi.
- Industrijski (oružje, izotop) reaktorikoristi se za proizvodnju izotopa koji se koriste u raznim poljima. Najrasprostranjeniji za proizvodnju nuklearnog oružja kao što je 239 Pu. Industrijski reaktori uključuju i reaktore koji se koriste za desalinizaciju morske vode.
Reaktori se često koriste za rješavanje dva ili više različitih problema, u tom slučaju se nazivaju višenamjenski... Na primjer, neki energetski reaktori, posebno u zoru nuklearne energije, bili su uglavnom namijenjeni eksperimentima. Brzi reaktori mogu istovremeno biti i energetski i stvaraju izotope. Industrijski reaktori, uz svoj glavni zadatak, često generiraju električnu i toplotnu energiju.
Spektrom neutrona
- Termički (polagani) neutronski reaktor ("termalni reaktor")
- Brzi reaktor ("brzi reaktor")
Polaganjem goriva
- Heterogeni reaktori, gdje se gorivo diskretno smješta u jezgru u obliku blokova, između kojih se nalazi moderator;
- Homogeni reaktori u kojima su gorivo i moderator homogena smjesa (homogeni sistem).
U heterogenom reaktoru gorivo i moderator mogu se prostorno razdvojiti, posebno u reaktoru sa šupljinom moderator-reflektor okružuje šupljinu gorivom koje ne sadrži moderator. S nuklearno-fizičke točke gledišta, kriterij homogenosti / heterogenosti nije dizajn, već postavljanje blokova goriva na udaljenost koja premašuje umjerenu dužinu neutrona u datom moderatoru. Dakle, reaktori s takozvanom "nepropusnom mrežom" računaju se kao homogeni, iako se gorivo u njima obično odvaja od moderatora.
Blokovi nuklearnog goriva u heterogenom reaktoru nazivaju se sklopovi goriva (FA), koji se postavljaju u jezgru u čvorovima pravilne mreže, formirajući ćelija.
Po vrsti goriva
- izotopi urana 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
- izotop plutonijuma 239 (239 Pu), takođe izotopi 239-242 Pu u obliku smeše sa 238 U (MOX gorivo)
- izotop torija 232 (232 Th) (pretvaranjem u 233 U)
Po stepenu obogaćenja:
- prirodni uran
- slabo obogaćeni uran
- visoko obogaćeni uran
Po hemijskom sastavu:
- metal U
- UC (uranijum karbid) itd.
Po tipu rashladne tečnosti
- Plin, (vidi reaktor grafit-gas)
- D 2 O (teška voda, vidi nuklearni reaktor za teške vode, CANDU)
Po prirodi moderatora
- C (grafit, vidi reaktor grafit-gas, reaktor grafit-voda)
- H 2 O (voda, vidi Reaktor za laganu vodu, Reaktor za moderiranje vodom, VVER)
- D 2 O (teška voda, vidi nuklearni reaktor za teške vode, CANDU)
- Metalni hidridi
- Bez moderatora (vidi Brzi reaktor)
Po dizajnu
Način stvaranja pare
- Reaktor s vanjskim generatorom pare (vidi Reaktor pod pritiskom, VVER)
Klasifikacija IAEA
- PWR (reaktori pod pritiskom) - reaktor za vodu pod pritiskom;
- BWR (reaktor sa kipućom vodom) - reaktor sa kipućom vodom;
- FBR (reaktor za brzo uzgajanje) - reaktor za brzo uzgajanje;
- GCR (gas-cooled reactor) - gasno hlađeni reaktor;
- LWGR (lagani vodeni grafitni reaktor) - reaktor grafit-voda
- PHWR (reaktor za tešku vodu pod pritiskom) - reaktor za tešku vodu
Najčešći u svijetu su vodeno hlađeni (oko 62%) i kipući (20%) reaktori.
Reaktorski materijali
Materijali koji se koriste za izgradnju reaktora rade na visokim temperaturama u polju neutrona, γ-kvanta i fisionih fragmenata. Stoga nisu svi materijali koji se koriste u drugim granama tehnologije pogodni za izgradnju reaktora. Prilikom odabira materijala reaktora uzima se u obzir njihova otpornost na zračenje, hemijska inertnost, apsorpcijski presjek i druga svojstva.
Nestabilnost zračenja materijala manje utiče na visokim temperaturama. Pokretljivost atoma postaje toliko velika da se vjerovatnoća povratka atoma izbijenih iz kristalne rešetke na svoje mjesto ili rekombinacije vodonika i kiseonika u molekul vode znatno povećava. Dakle, radioliza vode je beznačajna u reaktorima koji ne vreju (na primjer, VVER), dok se u moćnim istraživačkim reaktorima oslobađa značajna količina eksplozivne smjese. Reaktori imaju posebne sisteme za njegovo sagorijevanje.
Materijali reaktora su u međusobnom kontaktu (obloga gorivih elemenata rashladnom tečnošću i nuklearnim gorivom, kasete za gorivo sa rashladnom tečnošću i moderatorom, itd.). Prirodno, materijali za kontakt moraju biti kemijski inertni (kompatibilni). Primjer nekompatibilnosti su uran i topla voda, koji reagiraju kemijski.
Za većinu materijala svojstva čvrstoće naglo se pogoršavaju s porastom temperature. U energetskim reaktorima strukturni materijali rade na visokim temperaturama. To ograničava izbor građevinskih materijala, posebno za one dijelove energetskog reaktora koji moraju izdržati visoki pritisak.
Izgaranje i reprodukcija nuklearnog goriva
Tijekom rada nuklearnog reaktora, uslijed nakupljanja fisionih fragmenata u gorivu, mijenja se njegov izotopski i kemijski sastav, te nastaju transuranski elementi, uglavnom izotopi. Pozvan je efekt fisionih fragmenata na reaktivnost nuklearnog reaktora trovanje (za radioaktivne ostatke) i slagging (za stabilne izotope).
Glavni razlog za trovanje reaktora je onaj s najvećim presjekom apsorpcije neutrona (2,6 · 10 6 bara). Poluvrijeme 135 Xe T 1/2 \u003d 9,2 sata; prinos fisije je 6-7%. Glavni dio 135 Xe nastaje kao rezultat raspadanja ( T 1/2 \u003d 6,8 sati). U slučaju trovanja, Keff se mijenja za 1-3%. Veliki presjek apsorpcije 135 Xe i prisustvo među izotopa 135 I dovode do dva važna fenomena:
- Povećanju koncentracije od 135 Xe i, posljedično tome, smanjenju reaktivnosti reaktora nakon njegovog isključivanja ili smanjenja snage („jodna bušotina“), što onemogućava kratkotrajna zaustavljanja i kolebanja izlazne snage. Ovaj se efekat prevazilazi uvođenjem margine reaktivnosti u regulatore. Dubina i trajanje jodne bušotine ovise o fluktu neutrona F: pri F \u003d 5 · 10 18 neutrona / (cm² · sec), trajanje jodne jažice je ˜30 h, a dubina je dva puta veća od stacionarne promjene u Keffu uzrokovane trovanjem 135 Xe.
- Zbog trovanja mogu nastati prostorno-vremenske fluktuacije neutronskog fluksa F i, shodno tome, snage reaktora. Ove oscilacije se javljaju na F\u003e 10 18 neutrona / (cm² · sec) i velikim veličinama reaktora. Periodi oscilacija su ~ 10 h.
Cjepanjem jezgara nastaje velik broj stabilnih fragmenata koji se razlikuju po apsorpcijskim presjecima u usporedbi s apsorpcijskim presjecima fisualnog izotopa. Koncentracija fragmenata s velikim poprečnim presjekom apsorpcije doseže zasićenje tijekom prvih nekoliko dana rada reaktora. To su uglavnom gorivi elementi različite "starosti".
U slučaju potpune zamjene goriva, reaktor ima višak reaktivnosti koji treba nadoknaditi, dok je u drugom slučaju kompenzacija potrebna samo pri prvom pokretanju reaktora. Kontinuirano punjenje gorivom omogućava povećanje dubine sagorijevanja, jer se reaktivnost reaktora određuje prosječnim koncentracijama fisionih izotopa.
Masa napunjenog goriva premašuje masu ispražnjenog goriva zbog "težine" oslobođene energije. Nakon zaustavljanja reaktora, prvo uglavnom zbog fisije odloženim neutronima, a zatim, nakon 1–2 minute, zbog β- i γ-zračenja iz fisionih fragmenata i transuranskih elemenata, energija se i dalje oslobađa u gorivu. Ako je reaktor radio dovoljno dugo do trenutka isključenja, tada 2 minute nakon isključivanja oslobađanje energije iznosi oko 3%, nakon 1 sata - 1%, nakon jednog dana - 0,4%, nakon godinu dana - 0,05% početne snage.
Odnos broja fisionih izotopa Pu nastalih u nuklearnom reaktoru i količine izgaranih 235 U naziva se stopa konverzije K K. Vrijednost K K povećava se sa smanjenjem obogaćivanja i sagorijevanja. Za reaktor sa teškom vodom koji radi na prirodni uranij, sa sagorijevanjem od 10 GW dan / t K K \u003d 0,55 i s malim sagorijevanjima (u ovom slučaju, K K se naziva početni koeficijent plutonijuma) K K \u003d 0,8. Ako nuklearni reaktor sagorijeva i proizvodi iste izotope (reaktor uzgajivača), tada se naziva omjer brzine razmnožavanja i brzine sagorijevanja stopa reprodukcije K V. U termičkim reaktorima K B< 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 raste i i pada.
Upravljanje nuklearnim reaktorom
Upravljanje nuklearnim reaktorom moguće je samo zbog činjenice da se dio neutrona tokom fisije emituje iz fragmenata sa zakašnjenjem koje može biti u rasponu od nekoliko milisekundi do nekoliko minuta.
Za kontrolu reaktora koriste se apsorpcione šipke uvedene u jezgru, izrađene od materijala koji snažno apsorbiraju neutrone (uglavnom neke druge) i / ili otopine borne kiseline dodate u rashladnu tečnost u određenoj koncentraciji (regulacija bora). Kretanje šipki kontrolira se pomoću posebnih mehanizama, pogona koji djeluju na signale operatera ili opreme za automatsku regulaciju neutronskog fluksa.
U slučaju različitih hitnih slučajeva, svaki reaktor predviđa hitno prekidanje lančane reakcije, izvedeno ispuštanjem svih upijajućih šipki u jezgru - sustav zaštite u nuždi.
Proizvodnja zaostale toplote
Važno pitanje izravno vezano za nuklearnu sigurnost je zaostala toplota. To je specifična značajka nuklearnog goriva, koja se sastoji u činjenici da se, nakon prestanka fisione lančane reakcije i toplotne inercije, što je uobičajeno za bilo koji izvor energije, oslobađanje topline u reaktoru nastavlja dulje vrijeme, što stvara niz tehnički složenih problema.
Preostalo oslobađanje toplote posljedica je β- i γ- raspadanja produkata cijepanja koji su se akumulirali u gorivu tijekom rada reaktora. Kao rezultat raspadanja, jezgra produkata fisije prelaze u stabilnije ili potpuno stabilnije stanje oslobađanjem značajne energije.
Iako se snaga zaostalog ispuštanja toplote brzo smanjuje na vrednosti koje su male u poređenju sa stacionarnim vrednostima, u moćnim reaktorima snage je apsolutno značajna. Iz tog razloga, oslobađanje zaostale topline povlači za sobom potrebu dugo vremena osigurati uklanjanje topline iz jezgre reaktora nakon njegovog isključivanja. Ovaj zadatak zahtijeva prisutnost u dizajnu reaktorskog postrojenja rashladnih sistema s pouzdanim napajanjem, a također je potrebno dugoročno (3-4 godine) skladištenje istrošenog nuklearnog goriva u skladištima s posebnim temperaturnim režimom - istrošenim bazenima, koji se obično nalaze u neposrednoj blizini reaktora.
vidi takođe
- Popis nuklearnih reaktora dizajniranih i izgrađenih u Sovjetskom Savezu
Književnost
- Levin V.E. Nuklearna fizika i nuklearni reaktori. 4. izd. - M.: Atomizdat, 1979.
- Shukolyukov A. Yu. „Uran. Prirodni nuklearni reaktor ". "Hemija i život" br. 6, 1980, str. 20-24
Napomene
- ZEEP - prvi nuklearni reaktor u Kanadi, Kanadski muzej nauke i tehnologije.
- Grešilov A.A., Egupov N.D., Matuščenko A.M. Nuklearni štit. - M.: Logos, 2008. - 438 str. -
Lančanu reakciju fisije uvijek prati oslobađanje ogromne energije. Praktična upotreba ove energije glavni je zadatak nuklearnog reaktora.
Nuklearni reaktor je uređaj u kojem se provodi kontrolirana ili kontrolirana reakcija nuklearne fisije.
Prema principu rada, nuklearni reaktori su podijeljeni u dvije skupine: termički i brzi neutronski reaktori.
Kako radi nuklearni termički reaktor
Tipični nuklearni reaktor sadrži:
- Aktivna zona i moderator;
- Reflektor neutrona;
- Nosač topline;
- Sustav kontrole lančane reakcije, zaštita u slučaju nužde;
- Sistem za nadzor i zaštitu od zračenja;
- Sistem daljinskog upravljanja.
1 - aktivna zona; 2 - reflektor; 3 - zaštita; 4 - upravljačke šipke; 5 - rashladna tečnost; 6 - pumpe; 7 - izmjenjivač toplote; 8 - turbina; 9 - generator; 10 - kondenzator.
Aktivna zona i retarder
U srži se odvija kontrolirana fisiona lančana reakcija.
Većina nuklearnih reaktora radi na teškim izotopima uranij-235. Ali u prirodnim uzorcima rude urana, njegov sadržaj je samo 0,72%. Ova koncentracija nije dovoljna za razvoj lančane reakcije. Stoga se ruda umjetno obogaćuje, dovodeći sadržaj ovog izotopa do 3%.
Rascjepljivi materijal, ili nuklearno gorivo, u obliku tableta nalazi se u hermetički zatvorenim šipkama koje se nazivaju gorivima (gorivima). Oni prožimaju čitavo jezgro ispunjeno moderator neutroni.
Zašto vam treba neutronski moderator u nuklearnom reaktoru?
Činjenica je da neutroni rođeni nakon raspada jezgara uranijuma-235 imaju vrlo veliku brzinu. Verovatnoća njihovog hvatanja drugim jezgrima urana stotine je puta manja od verovatnoće hvatanja sporih neutrona. A ako se njihova brzina ne smanji, nuklearna reakcija može s vremenom nestati. Moderator takođe rješava problem smanjenja brzine neutrona. Ako se voda ili grafit stave na put brzih neutrona, njihova brzina se može umjetno smanjiti i tako povećati broj čestica koje atomi zarobljavaju. Istodobno, za lančanu reakciju u reaktoru potrebno je manje nuklearnog goriva.
Kao rezultat procesa usporavanja, toplotni neutroničija je brzina praktično jednaka brzini toplotnog kretanja molekula gasa na sobnoj temperaturi.
Kao moderator u nuklearnim reaktorima koriste se voda, teška voda (deuterijum oksid D20), berilij i grafit. Ali najbolji moderator je teška voda D 2 O.
Neutronski reflektor
Da bi se izbjeglo curenje neutrona u okoliš, jezgra nuklearnog reaktora okružena je neutronski reflektor... Materijali koji se koriste za reflektore često su isti kao i oni koji se koriste za usporivače.
Nosač toplote
Toplina koja se oslobodi tijekom nuklearne reakcije uklanja se pomoću rashladne tečnosti. Obična prirodna voda, prethodno pročišćena od različitih nečistoća i gasova, često se koristi kao rashladna tečnost u nuklearnim reaktorima. Ali s obzirom da voda ključa već na temperaturi od 100 0 C i pritisku od 1 atm, da bi se povećala tačka ključanja, povećava se pritisak u primarnom krugu rashladne tečnosti. Voda primarnog kruga, koja cirkulira kroz jezgru reaktora, pere gorivne šipke, zagrijavajući se do temperature od 320 0 C. Zatim, unutar izmjenjivača topline, odaje toplinu vodi sekundarnog kruga. Izmjena prolazi kroz cijevi za izmjenu toplote, tako da nema kontakta s vodom drugog kruga. Ovo isključuje ulazak radioaktivnih supstanci u drugu petlju izmjenjivača topline.
A onda se sve dogodi kao u termoelektrani. Voda u drugom krugu pretvara se u paru. Para okreće turbinu koja pokreće električni generator koji stvara električnu struju.
U reaktorima s teškom vodom teška voda D 2 O služi kao rashladno sredstvo, a rastopljeni metal se koristi u reaktorima sa tečnim rashladnim tečnostima.
Sistem kontrole lančane reakcije
Trenutno stanje reaktora karakterizira tzv. Količina reaktivnost.
ρ = ( k -1) / k ,
k \u003d n i / n i -1 ,
gde k - faktor umnožavanja neutrona,
n i - broj neutrona sljedeće generacije u reakciji nuklearne fisije,
n i -1 , - broj neutrona prethodne generacije u istoj reakciji.
Ako a k ˃ 1 , lančana reakcija raste, sistem se naziva nadkritičnoth. Ako a k< 1 , lančana reakcija izumire, i sistem je pozvan podkritično... Kada k \u003d 1 reaktor je u stabilno kritično stanje, budući da se broj cjepivih jezgara ne mijenja. U ovom stanju, reaktivnost ρ = 0 .
Kritično stanje reaktora (potreban faktor umnožavanja neutrona u nuklearnom reaktoru) održava se pomicanjem kontrolne šipke... Materijal od kojeg su izrađeni uključuje supstance koje apsorbiraju neutrone. Proširivanjem ili klizanjem ovih šipki u jezgru, oni kontroliraju brzinu reakcije nuklearne fisije.
Kontrolni sistem omogućava kontrolu reaktora za vrijeme pokretanja, planirano zaustavljanje, rad na struji, kao i hitnu zaštitu nuklearnog reaktora. To se postiže promjenom položaja upravljačkih šipki.
Ako bilo koji od parametara reaktora (temperatura, pritisak, brzina porasta snage, potrošnja goriva itd.) Odstupa od norme, a to može dovesti do nesreće, posebni parametri se ispuštaju u središnji dio jezgre. hitne šipke i dolazi do brzog prestanka nuklearne reakcije.
Da bi osigurali da parametri reaktora odgovaraju standardima, oni ih nadgledaju sistemi za nadzor i zaštitu od zračenja.
Da bi se zaštitio okoliš od radioaktivnog zračenja, reaktor se postavlja u debelo betonsko kućište.
Sistemi daljinskog upravljanja
Svi signali o stanju nuklearnog reaktora (temperatura rashladne tečnosti, nivo zračenja u različitim dijelovima reaktora, itd.) Šalju se na upravljačku ploču reaktora i obrađuju u računarskim sistemima. Operator dobiva sve potrebne informacije i preporuke za uklanjanje određenih odstupanja.
Brzi reaktori
Razlika između reaktora ovog tipa i reaktora toplotnih neutrona je u tome što brzi neutroni koji nastaju nakon raspada urana-235 nisu usporeni, već ih apsorbuje uran-238, nakon čega slijedi njegova transformacija u plutonij-239. Stoga se brzi reaktori koriste za dobivanje plutonijuma-239 oružja i toplotne energije, koju generatori nuklearne elektrane pretvaraju u električnu energiju.
Nuklearno gorivo u takvim reaktorima je uran-238, a sirovina uran-235.
U prirodnoj uranijumovoj rudi 99,2745% otpada na uran-238. Kada se toplotni neutron apsorbira, on se ne dijeli, već postaje izotop urana-239.
Neko vreme nakon β-raspada, uran-239 pretvara se u jezgru neptunijuma-239:
239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e
Nakon drugog β-raspada nastaje fisioni plutonij-239:
239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e
I konačno, nakon alfa raspada jezgara plutonijuma-239, dobija se uran-235:
239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He
U jezgri reaktora nalaze se gorivne šipke sa sirovinama (obogaćene uranijumom-235). Ova zona je okružena uzgajivačkom zonom koja se sastoji od gorivih šipki sa gorivom (osiromašeni uranijum-238). Brzi neutroni koji se emituju iz jezgra nakon raspada uranija-235 zahvaćaju jezgre uranijuma-238. Rezultat je plutonij-239. Tako se novo nuklearno gorivo proizvodi u brzim reaktorima.
Tečni metali ili njihove smjese koriste se kao rashladna sredstva u nuklearnim reaktorima sa brzim neutronima.
Klasifikacija i primjena nuklearnih reaktora
Nuklearni reaktori uglavnom se koriste u nuklearnim elektranama. Uz njihovu pomoć električna i toplotna energija dobijaju se u industrijskim razmjerima. Takvi reaktori se nazivaju energije .
Nuklearni reaktori se široko koriste u pogonskim sistemima modernih nuklearnih podmornica, površinskih brodova i u svemirskoj tehnologiji. Oni napajaju električnu energiju motora i pozvani su transportni reaktori .
Za naučna istraživanja u oblasti nuklearne fizike i hemije zračenja koriste se fluksovi neutrona i gama kvanti koji se dobijaju u jezgru istraživački reaktori. Energija koju generiraju ne prelazi 100 MW i ne koristi se u industrijske svrhe.
Snaga eksperimentalni reaktori čak i manje. Dostiže samo nekoliko kW. Na ovim reaktorima se proučavaju razne fizičke veličine, čija je važnost važna u dizajniranju nuklearnih reakcija.
TO industrijski reaktori uključuju reaktore za dobivanje radioaktivnih izotopa koji se koriste u medicinske svrhe, kao i u raznim oblastima industrije i tehnologije. Reaktori za desalinizaciju morske vode također se klasificiraju kao industrijski reaktori.
