Jakie procesy zachodzą w reaktorze jądrowym. Zasada działania reaktora jądrowego

Dla zwykłego człowieka nowoczesne, zaawansowane technologicznie urządzenia są tak tajemnicze i enigmatyczne, że nadszedł czas, aby oddać im cześć, tak jak starożytni czcili błyskawicę. Lekcje fizyki w szkole, pełne obliczeń matematycznych, nie rozwiązują problemu. Ale można nawet opowiedzieć ciekawą historię o reaktorze jądrowym, którego zasada działania jest jasna nawet dla nastolatka.

Jak działa reaktor jądrowy?

Zasada działania tego zaawansowanego technologicznie urządzenia jest następująca:

1. Po absorpcji neutronu paliwo jądrowe (najczęściej to uran-235 Lub pluton-239) następuje rozszczepienie jądra atomowego;
2. Uwalniana jest energia kinetyczna, promieniowanie gamma i wolne neutrony;
3. Energia kinetyczna zamieniana jest na energię cieplną (kiedy jądra zderzają się z otaczającymi atomami), promieniowanie gamma jest pochłaniane przez sam reaktor i również zamienia się w ciepło;
4. Część powstałych neutronów jest absorbowana przez atomy paliwa, co powoduje reakcję łańcuchową. Aby to kontrolować, stosuje się absorbery i moderatory neutronów;
5. Za pomocą chłodziwa (wody, gazu lub ciekłego sodu) ciepło jest usuwane z miejsca reakcji;
6. Para pod ciśnieniem z podgrzanej wody służy do napędzania turbin parowych;
7. Za pomocą generatora energia mechaniczna obrotu turbiny zamieniana jest na przemienny prąd elektryczny.

Podejścia do klasyfikacji

Przyczyn typologii reaktorów może być wiele:

• Według rodzaju reakcji jądrowej. Rozszczepienie (wszystkie instalacje komercyjne) lub synteza termojądrowa (energia termojądrowa, rozpowszechniona tylko w niektórych instytutach badawczych);
• Przez płyn chłodzący. W zdecydowanej większości przypadków wykorzystuje się do tego celu wodę (wrzącą lub ciężką). Czasami stosuje się alternatywne roztwory: ciekły metal (sód, ołów-bizmut, rtęć), gaz (hel, dwutlenek węgla lub azot), stopiona sól (sole fluorkowe);
• Według pokolenia. Pierwszym z nich były wczesne prototypy, które nie miały komercyjnego sensu. Po drugie, większość obecnie użytkowanych elektrowni jądrowych została zbudowana przed 1996 rokiem. Trzecia generacja różni się od poprzedniej jedynie drobnymi ulepszeniami. Prace nad czwartą generacją wciąż trwają;
• Według stanu skupienia paliwo (paliwo gazowe istnieje obecnie wyłącznie na papierze);
• Według celu użycia(do produkcji energii elektrycznej, rozruchu silników, produkcji wodoru, odsalania, transmutacji pierwiastkowej, pozyskiwania promieniowania neuronowego, do celów teoretycznych i badawczych).

Projekt reaktora jądrowego

Głównymi elementami reaktorów w większości elektrowni są:

1. Paliwo jądrowe to substancja potrzebna do wytworzenia ciepła dla turbin energetycznych (zwykle jest to uran niskowzbogacony);
2. W rdzeniu reaktora jądrowego zachodzi reakcja jądrowa;
3. Moderator neutronów - zmniejsza prędkość szybkich neutronów, zamieniając je w neutrony termiczne;
4. Początkowe źródło neutronów - wykorzystywane do niezawodnego i stabilnego rozpoczęcia reakcji jądrowej;
5. Absorber neutronów - dostępny w niektórych elektrowniach w celu zmniejszenia wysokiej reaktywności świeżego paliwa;
6. Haubica neutronowa - służy do ponownego zainicjowania reakcji po wyłączeniu;
7. Płyn chłodzący (woda oczyszczona);
8. Pręty kontrolne - do regulacji szybkości rozszczepienia jąder uranu lub plutonu;
9. Pompa wodna - pompuje wodę do kotła parowego;
10. Turbina parowa - przetwarza energię cieplną pary na energię mechaniczną ruchu obrotowego;
11. Wieża chłodnicza – urządzenie do usuwania nadmiaru ciepła do atmosfery;
12. System przyjmowania i składowania odpadów promieniotwórczych;
13. Systemy bezpieczeństwa (awaryjne generatory diesla, urządzenia do awaryjnego chłodzenia rdzenia).

Jak działają najnowsze modele

Do komercyjnej eksploatacji wprowadzone zostaną najnowsze reaktory czwartej generacji nie wcześniej niż w 2030 r. Obecnie zasada i struktura ich działania są w fazie rozwoju. Według współczesnych danych modyfikacje te będą różnić się od istniejących modeli m.in zalety:

• System szybkiego chłodzenia gazu. Zakłada się, że jako chłodziwo stosowany będzie hel. Zgodnie z dokumentacją projektową można w ten sposób chłodzić reaktory o temperaturze 850°C. Do pracy w tak wysokich temperaturach wymagane będą określone surowce: kompozytowe materiały ceramiczne i związki aktynowców;
• Jako główne chłodziwo można zastosować ołów lub stop ołowiowo-bizmutowy. Materiały te mają niski współczynnik absorpcji neutronów i stosunkowo niską temperaturę topnienia;
• Jako główne chłodziwo można również zastosować mieszaninę stopionych soli. Umożliwi to pracę w wyższych temperaturach niż nowoczesne odpowiedniki chłodzone wodą.

Naturalne analogi w przyrodzie

Reaktor jądrowy jest postrzegany w świadomości społecznej wyłącznie jako produkt wysokiej technologii. Jednak w rzeczywistości pierwszy taki urządzenie jest pochodzenia naturalnego. Odkryto go w regionie Oklo w środkowoafrykańskim państwie Gabon:

• Reaktor powstał w wyniku zalania skał uranowych wodami gruntowymi. Działali jako moderatorzy neutronów;
• Energia cieplna uwolniona podczas rozpadu uranu zamienia wodę w parę i reakcja łańcuchowa zatrzymuje się;
• Gdy temperatura płynu chłodzącego spadnie, wszystko się powtarza;
• Gdyby ciecz nie zagotowała się i nie zatrzymała reakcji, ludzkość stanęłaby w obliczu nowej klęski żywiołowej;
• Około półtora miliarda lat temu w tym reaktorze rozpoczęło się samopodtrzymujące się rozszczepienie jądrowe. W tym czasie dostarczono około 0,1 miliona watów mocy wyjściowej;
• Taki cud świata na Ziemi jest jedyny znany. Pojawienie się nowych jest niemożliwe: udział uranu-235 w surowcach naturalnych jest znacznie niższy niż poziom niezbędny do utrzymania reakcji łańcuchowej.

Ile reaktorów jądrowych jest w Korei Południowej?

Uboga w zasoby naturalne, ale uprzemysłowiona i przeludniona Republika Korei ma niezwykłe zapotrzebowanie na energię. Na tle odmowy Niemiec wykorzystania pokojowego atomu kraj ten wiąże duże nadzieje z ograniczeniem technologii nuklearnej:

• Planuje się, że do 2035 r. udział energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowniach jądrowych osiągnie 60%, a łączna produkcja wyniesie ponad 40 gigawatów;
• Kraj nie posiada broni atomowej, ale badania z zakresu fizyki jądrowej trwają. Koreańscy naukowcy opracowali projekty nowoczesnych reaktorów: modułowych, wodorowych, z ciekłym metalem itp.;
• Sukcesy lokalnych badaczy umożliwiają sprzedaż technologii za granicą. Oczekuje się, że w ciągu najbliższych 15-20 lat kraj wyeksportuje 80 takich jednostek;
• Jednak na dzień dzisiejszy większość elektrowni jądrowych została zbudowana przy pomocy naukowców amerykańskich lub francuskich;
• Liczba stacji operacyjnych jest stosunkowo niewielka (tylko cztery), ale każda z nich ma znaczną liczbę reaktorów – łącznie 40 i liczba ta będzie rosnąć.

Bombardowane przez neutrony paliwo jądrowe wchodzi w reakcję łańcuchową, w wyniku której wydziela się ogromna ilość ciepła. Woda w systemie pobiera to ciepło i zamienia się w parę, która napędza turbiny wytwarzające energię elektryczną. Oto prosty schemat działania reaktora jądrowego, najpotężniejszego źródła energii na Ziemi.

Wideo: jak działają reaktory jądrowe

W tym filmie fizyk jądrowy Władimir Chaikin opowie, w jaki sposób wytwarzana jest energia elektryczna w reaktorach jądrowych i ich szczegółową strukturę:

Jesteśmy tak przyzwyczajeni do prądu, że nie zastanawiamy się, skąd pochodzi. Zasadniczo produkowany jest w elektrowniach, które wykorzystują do tego różne źródła. Elektrownie mogą być elektrowniami cieplnymi, wiatrowymi, geotermalnymi, słonecznymi, wodnymi i jądrowymi. To właśnie ten ostatni budzi najwięcej kontrowersji. Dyskutują o ich konieczności i niezawodności.

Pod względem produktywności energetyka jądrowa jest dziś jedną z najbardziej efektywnych, a jej udział w światowej produkcji energii elektrycznej jest dość znaczny, bo przekracza jedną czwartą.

Jak działa elektrownia jądrowa i jak wytwarza energię? Głównym elementem elektrowni jądrowej jest reaktor jądrowy. Zachodzi w nim jądrowa reakcja łańcuchowa, w wyniku której wydziela się ciepło. Reakcja ta jest kontrolowana, dlatego możemy zużywać energię stopniowo, zamiast doprowadzić do eksplozji nuklearnej.

Podstawowe elementy reaktora jądrowego

• Paliwo jądrowe: uran wzbogacony, izotopy uranu i plutonu. Najczęściej stosowany jest uran 235;
• Płyn chłodzący do usuwania energii powstałej podczas pracy reaktora: woda, ciekły sód itp.;
• Pręty sterujące;
• Moderator neutronów;
• Osłona chroniąca przed promieniowaniem.

Film przedstawiający działanie reaktora jądrowego

Jak działa reaktor jądrowy?

W rdzeniu reaktora znajdują się elementy paliwowe (elementy paliwowe) – paliwo jądrowe. Składane są w kasety zawierające po kilkadziesiąt prętów paliwowych. Chłodziwo przepływa kanałami przez każdą kasetę. Pręty paliwowe regulują moc reaktora. Reakcja jądrowa jest możliwa tylko przy określonej (krytycznej) masie pręta paliwowego. Masa każdego pręta z osobna jest poniżej wartości krytycznej. Reakcja rozpoczyna się, gdy wszystkie pręty znajdą się w strefie aktywnej. Wkładając i wyjmując pręty paliwowe, reakcję można kontrolować.

Zatem po przekroczeniu masy krytycznej radioaktywne elementy paliwowe emitują neutrony, które zderzają się z atomami. Rezultatem jest niestabilny izotop, który natychmiast się rozpada, uwalniając energię w postaci promieniowania gamma i ciepła. Zderzające się cząstki przekazują sobie nawzajem energię kinetyczną, a liczba rozpadów rośnie wykładniczo. To reakcja łańcuchowa – zasada działania reaktora jądrowego. Bez kontroli następuje to z szybkością błyskawicy, co prowadzi do eksplozji. Ale w reaktorze jądrowym proces jest pod kontrolą.

W ten sposób w rdzeniu uwalniana jest energia cieplna, która przekazywana jest wodzie płuczącej tę strefę (obieg pierwotny). Tutaj temperatura wody wynosi 250-300 stopni. Następnie woda przekazuje ciepło do drugiego obwodu, a następnie do łopatek turbiny, które wytwarzają energię. Konwersję energii jądrowej na energię elektryczną można przedstawić schematycznie:

1. Energia wewnętrzna jądra uranu,
2. Energia kinetyczna fragmentów rozpadających się jąder i uwolnionych neutronów,
3. Energia wewnętrzna wody i pary,
4. Energia kinetyczna wody i pary,
5. Energia kinetyczna wirników turbin i generatorów,
6. Energia elektryczna.

Rdzeń reaktora składa się z setek kaset połączonych metalową osłoną. Powłoka ta pełni także rolę reflektora neutronów. Pomiędzy kasety umieszczone są pręty sterujące do regulacji szybkości reakcji oraz pręty zabezpieczenia awaryjnego reaktora. Następnie wokół odbłyśnika instalowana jest izolacja termiczna. Na izolacji termicznej znajduje się betonowa powłoka ochronna, która wychwytuje substancje radioaktywne i nie pozwala im przedostać się do otaczającej przestrzeni.

Gdzie wykorzystuje się reaktory jądrowe?

• Reaktory jądrowe stosowane są w elektrowniach jądrowych, w instalacjach elektrycznych statków oraz w ciepłowniach jądrowych.
• Reaktory konwektorowe i powielające służą do produkcji wtórnego paliwa jądrowego.
• Reaktory badawcze są potrzebne do badań radiochemicznych i biologicznych oraz produkcji izotopów.

Pomimo wszystkich kontrowersji i kontrowersji związanych z energią jądrową, elektrownie jądrowe są nadal budowane i eksploatowane. Jednym z powodów jest efektywność kosztowa. Prosty przykład: 40 zbiorników oleju opałowego lub 60 wagonów węgla wytwarza tyle samo energii, co 30 kilogramów uranu.

Reaktory jądrowe mają jedno zadanie: rozbijać atomy w kontrolowanej reakcji i wykorzystywać uwolnioną energię do wytwarzania energii elektrycznej. Przez wiele lat reaktory postrzegano zarówno jako cud, jak i zagrożenie.

Kiedy w 1956 r. w Shippingport w Pensylwanii uruchomiono pierwszy komercyjny reaktor w USA, technologię tę okrzyknięto źródłem energii przyszłości, a niektórzy wierzyli, że dzięki reaktorom wytwarzanie energii elektrycznej stanie się zbyt tanie. Obecnie na całym świecie zbudowano 442 reaktory jądrowe, z czego około jedna czwarta znajduje się w Stanach Zjednoczonych. Świat uzależnił się od reaktorów jądrowych, wytwarzających 14 procent energii elektrycznej. Futuryści marzyli nawet o samochodach nuklearnych.

Kiedy w 1979 r. reaktor bloku nr 2 w elektrowni Three Mile Island w Pensylwanii uległ awarii układu chłodzenia i częściowemu stopieniu radioaktywnego paliwa, pozytywne nastawienie do reaktorów zmieniło się radykalnie. Mimo że zniszczony reaktor został zabezpieczony i nie wyemitowano żadnego poważnego promieniowania, wiele osób zaczęło postrzegać reaktory jako zbyt złożone i podatne na zagrożenia, co może mieć potencjalnie katastrofalne skutki. Ludzie niepokoili się także odpadami radioaktywnymi z reaktorów. W rezultacie budowa nowych elektrowni jądrowych w Stanach Zjednoczonych utknęła w martwym punkcie. Kiedy w 1986 r. w elektrowni jądrowej w Czarnobylu w Związku Radzieckim wydarzył się poważniejszy wypadek, wydawało się, że energetyka jądrowa jest skazana na zagładę.

Jednak na początku XXI wieku reaktory jądrowe zaczęły powracać do łask dzięki rosnącemu zapotrzebowaniu na energię i malejącym dostawom paliw kopalnych, a także rosnącym obawom związanym ze zmianami klimatycznymi wynikającymi z emisji dwutlenku węgla.

Jednak w marcu 2011 roku nastąpił kolejny kryzys – tym razem elektrownia jądrowa Fukushima 1 w Japonii została poważnie uszkodzona przez trzęsienie ziemi.

Zastosowanie reakcji jądrowej

Mówiąc najprościej, reaktor jądrowy rozszczepia atomy i uwalnia energię, która spaja ich części.

Jeśli zapomniałeś fizyki w szkole średniej, przypomnimy Ci, jak to zrobić rozszczepienia jądrowego Pracuje. Atomy są jak maleńkie układy słoneczne, z rdzeniem jak Słońce i elektronami jak planety krążące wokół niego. Jądro składa się z cząstek zwanych protonami i neutronami, które są ze sobą powiązane. Siłę spajającą elementy jądra trudno sobie nawet wyobrazić. Jest wiele miliardów razy silniejsza niż siła grawitacji. Pomimo tej ogromnej siły możliwe jest rozszczepienie jądra poprzez wystrzelenie w nie neutronów. Kiedy to nastąpi, uwolniona zostanie duża ilość energii. Kiedy atomy się rozpadają, ich cząstki zderzają się z pobliskimi atomami, dzieląc je, a te z kolei są następne i następne, i następne. Istnieje tzw reakcja łańcuchowa.

Uran, pierwiastek o dużych atomach, idealnie nadaje się do procesu rozszczepienia, ponieważ siła wiążąca cząstki jego jądra jest stosunkowo słaba w porównaniu z innymi pierwiastkami. Reaktory jądrowe wykorzystują specyficzny izotop zwany Ubiegł-235 . Uran-235 występuje rzadko w przyrodzie, a ruda z kopalń uranu zawiera tylko około 0,7% uranu-235. Dlatego używa się reaktorów wzbogaconyUrany, który powstaje w wyniku oddzielenia i zagęszczenia uranu-235 w procesie dyfuzji gazu.

W bombie atomowej można wywołać reakcję łańcuchową, podobną do tej zrzuconej na japońskie miasta Hiroszima i Nagasaki podczas II wojny światowej. Jednak w reaktorze jądrowym reakcja łańcuchowa jest kontrolowana poprzez wprowadzenie prętów regulacyjnych wykonanych z materiałów takich jak kadm, hafn lub bor, które pochłaniają część neutronów. Nadal pozwala to procesowi rozszczepienia wyzwolić energię wystarczającą do podgrzania wody do temperatury około 270 stopni Celsjusza i przekształcenia jej w parę, która służy do obracania turbin elektrowni i wytwarzania energii elektrycznej. Zasadniczo w tym przypadku kontrolowana bomba atomowa zamiast węgla wytwarza energię elektryczną, z tą różnicą, że energia do zagotowania wody pochodzi z rozszczepiania atomów, a nie ze spalania węgla.

Elementy reaktora jądrowego

Istnieje kilka różnych typów reaktorów jądrowych, ale wszystkie mają pewne wspólne cechy. Wszystkie mają zapas radioaktywnych granulek paliwa – zwykle tlenku uranu – które są ułożone w rurki, tworząc w nich pręty paliwowe. strefy aktywnemireaktor.

Reaktor posiada również wspomniane wcześniej menedżerowiemiprętI- wykonane z materiału pochłaniającego neutrony, takiego jak kadm, hafn lub bor, który jest wprowadzany w celu kontrolowania lub zatrzymania reakcji.

Reaktor też ma moderator, substancję spowalniającą neutrony i pomagającą kontrolować proces rozszczepienia. Większość reaktorów w Stanach Zjednoczonych wykorzystuje zwykłą wodę, ale reaktory w innych krajach czasami wykorzystują grafit lub ciężkiWowwodaNa, w którym wodór zastępuje się deuterem, izotopem wodoru z jednym protonem i jednym neutronem. Kolejną ważną częścią systemu jest chłodzeniei japłynB, zwykle zwykła woda, która pochłania i przekazuje ciepło z reaktora, tworząc parę, która obraca turbinę i schładza obszar reaktora, aby nie osiągnął temperatury, w której topi się uran (około 3815 stopni Celsjusza).

Na koniec reaktor jest zamknięty muszleNa, duża, ciężka konstrukcja, zwykle o grubości kilku metrów, wykonana ze stali i betonu, która przechowuje wewnątrz radioaktywne gazy i ciecze, gdzie nie mogą nikomu zaszkodzić.

W użyciu jest wiele różnych konstrukcji reaktorów, ale jednym z najpowszechniejszych jest ciśnieniowy wodny reaktor energetyczny (WWER). W takim reaktorze woda wtłaczana jest w kontakt z rdzeniem i pozostaje tam pod takim ciśnieniem, że nie może zamienić się w parę. Woda ta następnie styka się z wodą bezciśnieniową w generatorze pary, która zamienia się w parę, która obraca turbiny. Jest też projekt reaktor kanałowy dużej mocy (RBMK) z jednym obiegiem wody i reaktor na neutrony szybkie z dwoma obiegami sodowymi i jednym wodnym.

Jak bezpieczny jest reaktor jądrowy?

Odpowiedź na to pytanie jest dość trudna i zależy od tego, kogo spytasz i jak zdefiniujesz „bezpieczny”. Martwisz się promieniowaniem lub odpadami radioaktywnymi wytwarzanymi w reaktorach? A może bardziej martwisz się możliwością wystąpienia katastrofalnego wypadku? Jaki stopień ryzyka uważa Pan za akceptowalny kompromis w zamian za korzyści płynące z energii jądrowej? A na ile ufacie rządowi i energii nuklearnej?

„Promieniowanie” to mocny argument, głównie dlatego, że wszyscy wiemy, że duże dawki promieniowania, np. pochodzące z bomby atomowej, mogą zabić wiele tysięcy ludzi.

Zwolennicy energetyki jądrowej zwracają jednak uwagę, że wszyscy jesteśmy regularnie narażeni na promieniowanie z różnych źródeł, w tym promieniowanie kosmiczne i promieniowanie naturalne emitowane przez Ziemię. Średnia roczna dawka promieniowania wynosi około 6,2 milisiwerta (mSv), z czego połowa pochodzi ze źródeł naturalnych, a połowa ze źródeł sztucznych, takich jak prześwietlenia klatki piersiowej, czujniki dymu i świecące tarcze zegarków. Ile promieniowania otrzymujemy z reaktorów jądrowych? Tylko niewielki ułamek procenta naszej typowej rocznej ekspozycji wynosi 0,0001 mSv.

Chociaż wszystkie elektrownie jądrowe nieuchronnie emitują niewielkie ilości promieniowania, komisje regulacyjne nakładają na operatorów elektrowni rygorystyczne wymagania. Nie mogą narażać ludzi mieszkających w pobliżu elektrowni na promieniowanie większe niż 1 mSv rocznie, a próg dla pracowników elektrowni wynosi 50 mSv rocznie. To może wydawać się dużo, ale według Komisji Dozoru Jądrowego nie ma dowodów medycznych na to, że roczne dawki promieniowania poniżej 100 mSv stwarzają jakiekolwiek ryzyko dla zdrowia ludzkiego.

Należy jednak zauważyć, że nie wszyscy zgadzają się z tą beztroską oceną ryzyka radiologicznego. Na przykład organizacja Physicians for Social Responsibility, długoletni krytyk przemysłu nuklearnego, badała dzieci mieszkające w pobliżu niemieckich elektrowni jądrowych. Badanie wykazało, że u osób mieszkających w promieniu 5 km od elektrowni ryzyko zapadnięcia na białaczkę było dwukrotnie wyższe w porównaniu z osobami mieszkającymi dalej od elektrowni jądrowych.

Odpady z reaktorów jądrowych

Energia jądrowa jest reklamowana przez jej zwolenników jako „czysta” energia, ponieważ reaktor nie emituje do atmosfery dużych ilości gazów cieplarnianych w porównaniu z elektrowniami węglowymi. Krytycy wskazują jednak na inny problem środowiskowy: usuwanie odpadów nuklearnych. Część wypalonego paliwa z reaktorów nadal emituje substancje radioaktywne. Innym niepotrzebnym materiałem, który należy zapisać, jest odpady radioaktywne o wysokim stężeniu, płynna pozostałość z przerobu wypalonego paliwa jądrowego, w której pozostaje część uranu. Obecnie większość tych odpadów jest składowana lokalnie w elektrowniach jądrowych w zbiornikach wodnych, które pochłaniają część pozostałego ciepła wytwarzanego przez wypalone paliwo i pomagają chronić pracowników przed narażeniem na promieniowanie.

Jednym z problemów związanych z wypalonym paliwem jądrowym jest to, że zostało ono zmienione w procesie rozszczepienia.W przypadku rozszczepienia dużych atomów uranu powstają produkty uboczne — radioaktywne izotopy kilku lekkich pierwiastków, takich jak cez-137 i stront-90, zwane produkty rozszczepienia. Są gorące i wysoce radioaktywne, ale ostatecznie w ciągu 30 lat rozpadają się na mniej niebezpieczne formy. Ten okres jest dla nich powołany Pokresompół życia. Inne pierwiastki promieniotwórcze będą miały różne okresy półtrwania. Ponadto niektóre atomy uranu wychwytują również neutrony, tworząc cięższe pierwiastki, takie jak pluton. Te pierwiastki transuranowe nie wytwarzają tak dużo ciepła ani promieniowania przenikliwego jak produkty rozszczepienia, ale ich rozkład trwa znacznie dłużej. Na przykład pluton-239 ma okres półtrwania wynoszący 24 000 lat.

Te radioaktywnymimarnowaćS wysoki poziom reaktorów jest niebezpiecznych dla ludzi i innych form życia, ponieważ mogą uwolnić ogromne, śmiertelne dawki promieniowania nawet w przypadku krótkiego narażenia. Na przykład dziesięć lat po usunięciu pozostałego paliwa z reaktora emitują 200 razy więcej radioaktywności na godzinę, niż potrzeba do zabicia człowieka. A jeśli odpady trafią do wód gruntowych lub rzek, mogą przedostać się do łańcucha pokarmowego i zagrozić dużej liczbie ludzi.

Ponieważ odpady są tak niebezpieczne, wiele osób znajduje się w trudnej sytuacji. ton odpadów znajduje się w elektrowniach jądrowych w pobliżu dużych miast. Znalezienie bezpiecznego miejsca do przechowywania odpadów nie jest jednak łatwe.

Co może pójść nie tak z reaktorem jądrowym?

Ponieważ rządowe organy regulacyjne spoglądają wstecz na swoje doświadczenia, inżynierowie spędzili przez lata dużo czasu na projektowaniu reaktorów zapewniających optymalne bezpieczeństwo. Tyle, że się nie psują, działają prawidłowo i mają zapasowe zabezpieczenia, gdyby coś nie poszło zgodnie z planem. W rezultacie rok po roku elektrownie jądrowe wydają się dość bezpieczne w porównaniu, powiedzmy, z podróżami lotniczymi, w wyniku których na całym świecie regularnie zabija się od 500 do 1100 osób rocznie.

Jednak reaktory jądrowe ulegają poważnym awariom. W Międzynarodowej Skali Zdarzeń Jądrowych, która ocenia awarie reaktorów w skali od 1 do 7, od 1957 roku miało miejsce pięć awarii, w których wskaźnik ten wynosił od 5 do 7.

Najgorszym koszmarem jest awaria układu chłodzenia, która prowadzi do przegrzania paliwa. Paliwo zamienia się w ciecz, a następnie spala się w obudowie, uwalniając promieniowanie radioaktywne. W 1979 r. blok 2 elektrowni jądrowej Three Mile Island (USA) był o krok od realizacji tego scenariusza. Na szczęście dobrze zaprojektowany system zabezpieczający był wystarczająco mocny, aby zapobiec ucieczce promieniowania.

ZSRR miał mniej szczęścia. Do poważnej awarii jądrowej doszło w kwietniu 1986 r. w czwartym bloku energetycznym elektrowni jądrowej w Czarnobylu. Było to spowodowane połączeniem awarii systemu, wad konstrukcyjnych i słabo wyszkolonego personelu. Podczas rutynowego testu reakcja nagle się nasiliła, a drążki sterujące zakleszczyły się, uniemożliwiając awaryjne wyłączenie. Nagłe nagromadzenie pary spowodowało dwie eksplozje termiczne, wyrzucając w powietrze grafitowy moderator reaktora. W przypadku braku czegokolwiek do chłodzenia prętów paliwowych reaktora, zaczęły się one przegrzewać i całkowicie zapadać, w wyniku czego paliwo przybrało postać płynną. Zginęło wielu pracowników stacji i likwidatorów wypadków. Duża ilość promieniowania rozprzestrzeniła się na obszarze 323 749 kilometrów kwadratowych. Liczba zgonów spowodowanych promieniowaniem jest nadal niejasna, ale Światowa Organizacja Zdrowia twierdzi, że mogło to być przyczyną 9 000 zgonów z powodu raka.

Producenci reaktorów jądrowych udzielają gwarancji na podstawie ocena probabilistycznami, w którym próbują zrównoważyć potencjalną szkodę wynikającą ze zdarzenia z prawdopodobieństwem jego rzeczywistego wystąpienia. Jednak niektórzy krytycy twierdzą, że zamiast tego powinni przygotować się na rzadkie, nieoczekiwane, ale bardzo niebezpieczne zdarzenia. Dobrym przykładem jest wypadek w marcu 2011 r. w elektrowni jądrowej Fukushima 1 w Japonii. Według doniesień stację zaprojektowano tak, aby wytrzymała silne trzęsienie ziemi, ale nie tak katastrofalne jak trzęsienie o sile 9,0 w skali Richtera, które spowodowało 14-metrową falę tsunami nad groblami zaprojektowanymi tak, aby wytrzymać falę o średnicy 5,4 metra. Atak tsunami zniszczył rezerwowe generatory diesla, które miały zasilać układ chłodzenia sześciu reaktorów elektrowni w przypadku przerwy w dostawie prądu. Zatem nawet po tym, jak pręty sterujące reaktorów w Fukushimie przestały się rozszczepiać, wciąż gorące paliwo utrzymywało temperaturę niebezpiecznie wznieść się wewnątrz zniszczonych reaktorów.

Japońscy urzędnicy uciekali się do ostateczności - zalewając reaktory ogromną ilością wody morskiej z dodatkiem kwasu borowego, co było w stanie zapobiec katastrofie, ale zniszczyło wyposażenie reaktora. Ostatecznie przy pomocy wozów strażackich i barek Japończykom udało się wpompować świeżą wodę do reaktorów. Jednak do tego czasu monitorowanie wykazało już alarmujący poziom promieniowania w otaczającej ziemi i wodzie. W jednej z wiosek oddalonych o 40 km od elektrowni pierwiastek promieniotwórczy cez-137 stwierdzono w stężeniach znacznie wyższych niż po katastrofie w Czarnobylu, co budzi wątpliwości co do możliwości zamieszkania ludzi na tym obszarze.

Aby zrozumieć zasadę działania i konstrukcję reaktora jądrowego, należy wybrać się na krótką wycieczkę w przeszłość. Reaktor jądrowy to wielowiekowe, choć nie do końca zrealizowane, marzenie ludzkości o niewyczerpanym źródle energii. Jego starożytnym „przodkiem” jest ogień z suchych gałęzi, który niegdyś oświetlał i ogrzewał sklepienia jaskini, w której nasi dalecy przodkowie znaleźli wybawienie od zimna. Później ludzie opanowali węglowodory - węgiel, łupki, ropę i gaz ziemny.

Rozpoczęła się burzliwa, ale krótkotrwała era pary, którą zastąpiła jeszcze bardziej fantastyczna era elektryczności. Miasta wypełniły się światłem, a warsztaty wypełnił szum niewidzianych dotąd maszyn napędzanych silnikami elektrycznymi. Wtedy wydawało się, że postęp osiągnął apogeum.

Wszystko zmieniło się pod koniec XIX wieku, kiedy francuski chemik Antoine Henri Becquerel przypadkowo odkrył, że sole uranu są radioaktywne. 2 lata później jego rodacy Pierre Curie i jego żona Maria Skłodowska-Curie uzyskali od nich rad i polon, a ich poziom radioaktywności był miliony razy wyższy niż toru i uranu.

Pałeczkę przejął Ernest Rutherford, który szczegółowo zbadał naturę promieni radioaktywnych. Tak rozpoczęła się era atomu, która dała życie swojemu ukochanemu dziecku – reaktorowi atomowemu.

Pierwszy reaktor jądrowy

„Firstborn” pochodzi z USA. W grudniu 1942 r. reaktor wyprodukował pierwszy prąd, któremu nadano imię jego twórcy, jednego z najwybitniejszych fizyków stulecia, E. Fermiego. Trzy lata później w Kanadzie powstał obiekt nuklearny ZEEP. „Brąz” zdobył pierwszy radziecki reaktor F-1, uruchomiony pod koniec 1946 roku. I.V. Kurchatov został szefem krajowego projektu nuklearnego. Dziś na świecie z powodzeniem pracuje ponad 400 elektrowni jądrowych.

Rodzaje reaktorów jądrowych

Ich głównym celem jest wspieranie kontrolowanej reakcji jądrowej, w wyniku której wytwarzana jest energia elektryczna. Niektóre reaktory wytwarzają izotopy. Krótko mówiąc, są to urządzenia, w głębinach których niektóre substancje przekształcają się w inne z wyzwoleniem dużej ilości energii cieplnej. Jest to rodzaj „pieca”, w którym zamiast tradycyjnych paliw spalane są izotopy uranu – U-235, U-238 i pluton (Pu).

W przeciwieństwie do np. samochodu przystosowanego do kilku rodzajów benzyny, każdy rodzaj paliwa radioaktywnego ma swój własny typ reaktora. Są dwa z nich - na wolnych (z U-235) i szybkich (z U-238 i Pu) neutronach. Większość elektrowni jądrowych ma powolne reaktory neutronowe. Oprócz elektrowni jądrowych instalacje „pracują” w ośrodkach badawczych, na atomowych okrętach podwodnych itp.

Jak działa reaktor

Wszystkie reaktory mają w przybliżeniu ten sam obwód. Jego „sercem” jest strefa aktywna. Można go z grubsza porównać do paleniska konwencjonalnego pieca. Tylko zamiast drewna opałowego jest paliwo nuklearne w postaci elementów paliwowych z moderatorem – prętów paliwowych. Strefa aktywna znajduje się wewnątrz czegoś w rodzaju kapsuły – reflektora neutronów. Pręty paliwowe są „myte” przez płyn chłodzący – wodę. Ponieważ „serce” ma bardzo wysoki poziom radioaktywności, jest otoczone niezawodną ochroną przed promieniowaniem.

Operatorzy kontrolują pracę zakładu za pomocą dwóch krytycznych systemów – kontroli reakcji łańcuchowej i systemu zdalnego sterowania. W przypadku wystąpienia sytuacji awaryjnej ochrona awaryjna zostaje natychmiast aktywowana.

Jak działa reaktor?

Atomowy „płomień” jest niewidoczny, ponieważ procesy zachodzą na poziomie rozszczepienia jądrowego. Podczas reakcji łańcuchowej ciężkie jądra rozpadają się na mniejsze fragmenty, które będąc w stanie wzbudzonym stają się źródłem neutronów i innych cząstek subatomowych. Ale na tym proces się nie kończy. Neutrony w dalszym ciągu „rozszczepiają się”, w wyniku czego uwalniane są duże ilości energii, czyli tego, dla czego buduje się elektrownie jądrowe.

Głównym zadaniem personelu jest utrzymanie reakcji łańcuchowej za pomocą drążków sterujących na stałym, regulowanym poziomie. Na tym polega główna różnica w stosunku do bomby atomowej, w której proces rozpadu jądrowego jest niekontrolowany i postępuje szybko, w postaci potężnej eksplozji.

Co się stało w elektrowni atomowej w Czarnobylu

Jedną z głównych przyczyn katastrofy w elektrowni jądrowej w Czarnobylu w kwietniu 1986 r. było rażące naruszenie zasad bezpieczeństwa pracy podczas rutynowych remontów bloku nr 4. Następnie z rdzenia usunięto jednocześnie 203 pręty grafitowe zamiast 15 dozwolonych przepisami. W rezultacie rozpoczęta niekontrolowana reakcja łańcuchowa zakończyła się eksplozją termiczną i całkowitym zniszczeniem jednostki napędowej.

Reaktory nowej generacji

W ciągu ostatniej dekady Rosja stała się jednym z liderów światowej energetyki jądrowej. W tej chwili państwowy koncern Rosatom buduje elektrownie jądrowe w 12 krajach, gdzie budowane są 34 bloki energetyczne. Tak wysoki popyt świadczy o wysokim poziomie nowoczesnej rosyjskiej technologii nuklearnej. Następne w kolejce są nowe reaktory czwartej generacji.

„Brześć”

Jednym z nich jest Brześć, który powstaje w ramach projektu Przełom. Obecne systemy pracujące w cyklu otwartym wykorzystują nisko wzbogacony uran, co powoduje, że duże ilości wypalonego paliwa należy usuwać przy ogromnych kosztach. „Brześć” – reaktor na neutronach szybkich jest unikalny w swoim obiegu zamkniętym.

W nim wypalone paliwo, po odpowiednim przetworzeniu w reaktorze na neutrony prędkie, ponownie staje się pełnowartościowym paliwem, które można ponownie załadować do tej samej instalacji.

Brześć wyróżnia się wysokim poziomem bezpieczeństwa. Nigdy nie „eksploduje” nawet w najpoważniejszym wypadku, jest bardzo ekonomiczny i przyjazny dla środowiska, ponieważ wykorzystuje ponownie „odnowiony” uran. Nie można go także wykorzystać do produkcji plutonu do celów wojskowych, co otwiera najszersze perspektywy jego eksportu.

WWER-1200

WWER-1200 to innowacyjny reaktor generacji 3+ o mocy 1150 MW. Dzięki swoim unikalnym możliwościom technicznym charakteryzuje się niemal absolutnym bezpieczeństwem eksploatacji. Reaktor jest bogato wyposażony w pasywne systemy bezpieczeństwa, które będą działać automatycznie nawet w przypadku braku zasilania.

Jednym z nich jest pasywny system odprowadzania ciepła, który uruchamia się automatycznie po całkowitym odłączeniu zasilania reaktora. W takim przypadku zapewnione są awaryjne zbiorniki hydrauliczne. W przypadku nieprawidłowego spadku ciśnienia w obwodzie pierwotnym do reaktora zaczyna być dostarczana duża ilość wody zawierającej bor, która tłumi reakcję jądrową i pochłania neutrony.

W dolnej części skorupy ochronnej znajduje się kolejny know-how - „pułapka” stopu. Jeżeli w wyniku wypadku rdzeń „wycieknie”, „pułapka” nie pozwoli na zapadnięcie się powłoki zabezpieczającej i zapobiegnie przedostaniu się produktów radioaktywnych do ziemi.

Rdzeń reaktora jądrowego- koncentracja najbardziej skoncentrowanego rodzaju energii ze wszystkich obecnie wykorzystywanych - zlokalizowana jest w stalowej skorupie o 15-centymetrowych ściankach. Rdzeń zawiera uran-235 w postaci granulek załadowanych do setek rur ze stali nierdzewnej, każda o długości około trzech metrów.

Atomy uranu-235 przechodzą reakcję łańcuchową rozszczepienia jądrowego, podczas której zostają rozbite na kawałki, uwalniając ogromne ilości energii. Rozszczepienie 1 grama (0,35 uncji) uranu-235 uwalnia tyle energii, co spalenie około 2000 litrów ropy. Woda przepływająca przez rdzeń reaktora podgrzewa wtórną wodę zasilającą, zamieniając ją w parę dostarczaną do łopatek turbiny .

Oprócz uwalniania energii, rozszczepienie atomów uranu-235 uwalnia neutrony, jeden z dwóch głównych typów cząstek w jądrze atomowym. Te neutrony zderzają się z innymi atomami uranu-235, rozszczepiając je i uwalniając dodatkowe neutrony potrzebne do podtrzymania reakcji łańcuchowej, tworząc w ten sposób długoterminowe źródło energii. Reakcja łańcuchowa jest kontrolowana poprzez wprowadzenie do rdzenia prętów boru lub kadmu – materiałów dobrze pochłaniających neutrony.

Reakcja łańcuchowa w uranie-235

Podczas zderzenia z neutronem atom uranu-235 staje się niestabilny i dzieli się na dwa mniejsze atomy. Proces ten nazywany jest rozszczepieniem jądra. Podczas rozszczepienia uranu-235 uwalniane są dwa lub trzy neutrony, które mogą zderzyć się z innymi atomami uranu-235 i rozpocząć samopodtrzymującą się reakcję łańcuchową.

Energia atomowa

Rozszczepienie jądrowe uwalnia ogromne ilości energii wewnątrz rdzenia reaktora. Woda przepływająca przez gorący rdzeń podgrzewa wtórną wodę zasilającą i zamienia ją w parę, która następnie jest podawana do turbiny.

Elektrownia jądrowa w Japońskim Instytucie Badań nad Energią Atomową.