Ce procese au loc într-un reactor nuclear. Principiul de funcționare al unui reactor nuclear

Pentru o persoană obișnuită, dispozitivele moderne de înaltă tehnologie sunt atât de misterioase și enigmatice, încât este timpul să le venerăm, așa cum anticii se închinau fulgerelor. Lecțiile școlare de fizică, pline de calcule matematice, nu rezolvă problema. Dar poți chiar să spui o poveste interesantă despre un reactor nuclear, al cărui principiu de funcționare este clar chiar și pentru un adolescent.

Cum funcționează un reactor nuclear?

Principiul de funcționare al acestui dispozitiv de înaltă tehnologie este următorul:

1. Când un neutron este absorbit, combustibil nuclear (cel mai adesea acesta uraniu-235 sau plutoniu-239) are loc fisiunea nucleului atomic;
2. Se eliberează energia cinetică, radiația gamma și neutronii liberi;
3. Energia cinetică este transformată în energie termică (atunci când nucleele se ciocnesc cu atomii din jur), radiația gamma este absorbită de reactor însuși și, de asemenea, se transformă în căldură;
4. Unii dintre neutronii produși sunt absorbiți de atomii de combustibil, ceea ce provoacă o reacție în lanț. Pentru a-l controla se folosesc absorbante de neutroni si moderatori;
5. Cu ajutorul unui lichid de răcire (apă, gaz sau sodiu lichid), căldura este îndepărtată din locul de reacție;
6. Aburul sub presiune din apa încălzită este utilizat pentru a antrena turbinele cu abur;
7. Cu ajutorul unui generator, energia mecanică de rotație a turbinei este transformată în curent electric alternativ.

Abordări ale clasificării

Pot exista multe motive pentru tipologia reactoarelor:

• După tipul de reacție nucleară. Fisiunea (toate instalațiile comerciale) sau fuziunea (energie termonucleară, răspândită doar în unele institute de cercetare);
• Prin lichid de răcire. În marea majoritate a cazurilor, în acest scop este folosită apa (fiartă sau grea). Se folosesc uneori soluții alternative: metal lichid (sodiu, plumb-bismut, mercur), gaz (heliu, dioxid de carbon sau azot), sare topită (săruri fluorurate);
• După generație. Primul a fost prototipurile timpurii care nu aveau niciun sens comercial. În al doilea rând, majoritatea centralelor nucleare utilizate în prezent au fost construite înainte de 1996. A treia generație diferă de cea anterioară doar prin îmbunătățiri minore. Lucrările la a patra generație sunt încă în desfășurare;
• După starea de agregare combustibil (combustibilul gazos există în prezent doar pe hârtie);
• După scopul utilizării(pentru producerea de energie electrică, pornirea motoarelor, producerea hidrogenului, desalinizarea, transmutarea elementară, obținerea radiațiilor neuronale, în scopuri teoretice și de investigare).

Structura reactorului nuclear

Principalele componente ale reactoarelor din majoritatea centralelor electrice sunt:

1. Combustibilul nuclear este o substanță necesară pentru a produce căldură pentru turbinele de putere (de obicei uraniu slab îmbogățit);
2. Miezul reactorului nuclear este locul unde are loc reacția nucleară;
3. Moderator de neutroni - reduce viteza neutronilor rapizi, transformându-i în neutroni termici;
4. Sursă de neutroni de pornire - utilizată pentru pornirea sigură și stabilă a unei reacții nucleare;
5. Absorbant de neutroni - disponibil în unele centrale electrice pentru a reduce reactivitatea ridicată a combustibilului proaspăt;
6. Obuzier cu neutroni - folosit pentru a reiniția o reacție după oprire;
7. Lichid de răcire (apă purificată);
8. Tije de control - pentru a regla viteza de fisiune a nucleelor ​​de uraniu sau plutoniu;
9. Pompă de apă - pompează apa în cazanul de abur;
10. Turbină cu abur - transformă energia termică a aburului în energie mecanică de rotație;
11. Turn de răcire - un dispozitiv pentru îndepărtarea excesului de căldură în atmosferă;
12. Sistem de recepție și depozitare a deșeurilor radioactive;
13. Sisteme de siguranță (generatoare diesel de urgență, dispozitive pentru răcirea miezului de urgență).

Cum funcționează cele mai recente modele

Cea mai recentă generație de reactoare va fi disponibilă pentru funcționare comercială nu mai devreme de 2030. În prezent, principiul și structura funcționării acestora sunt în stadiul de dezvoltare. Conform datelor moderne, aceste modificări vor diferi de modelele existente în acest sens avantaje:

• Sistem rapid de racire cu gaz. Se presupune că heliul va fi folosit ca lichid de răcire. Conform documentației de proiectare, reactoarele cu o temperatură de 850 °C pot fi răcite în acest fel. Pentru a funcționa la astfel de temperaturi ridicate vor fi necesare materii prime specifice: materiale ceramice compozite și compuși actinidici;
• Este posibil să se folosească plumb sau un aliaj plumb-bismut ca agent de răcire primar. Aceste materiale au o rată scăzută de absorbție a neutronilor și un punct de topire relativ scăzut;
• Un amestec de săruri topite poate fi, de asemenea, utilizat ca agent de răcire principal. Acest lucru va face posibilă funcționarea la temperaturi mai ridicate decât omologii moderni răciți cu apă.

Analogi naturali în natură

Un reactor nuclear este perceput în conștiința publicului exclusiv ca un produs de înaltă tehnologie. Cu toate acestea, de fapt, primul astfel dispozitivul este de origine naturală. A fost descoperit în regiunea Oklo din statul Gabon central din Africa:

• Reactorul s-a format din cauza inundării rocilor de uraniu de către apele subterane. Ei au acționat ca moderatori de neutroni;
• Energia termică eliberată în timpul descompunerii uraniului transformă apa în abur, iar reacția în lanț se oprește;
• După ce temperatura lichidului de răcire scade, totul se repetă din nou;
• Dacă lichidul nu ar fi fiert și nu ar fi oprit reacția, omenirea s-ar fi confruntat cu un nou dezastru natural;
• Fisiunea nucleară auto-susținută a început în acest reactor în urmă cu aproximativ un miliard și jumătate de ani. În acest timp, au fost furnizate aproximativ 0,1 milioane de wați de putere;
• O astfel de minune a lumii de pe Pământ este singura cunoscută. Apariția altora noi este imposibilă: ponderea uraniului-235 în materiile prime naturale este mult mai mică decât nivelul necesar pentru a menține o reacție în lanț.

Câte reactoare nucleare sunt în Coreea de Sud?

Săracă în resurse naturale, dar industrializată și suprapopulată, Republica Coreea are o nevoie extraordinară de energie. Pe fundalul refuzului Germaniei de a folosi atomul pașnic, această țară are mari speranțe pentru a reduce tehnologia nucleară:

• Se preconizează ca până în 2035 ponderea energiei electrice generate de centralele nucleare să ajungă la 60%, iar producția totală să depășească 40 de gigawați;
• Țara nu are arme atomice, dar cercetările privind fizica nucleară sunt în desfășurare. Oamenii de știință coreeni au dezvoltat modele pentru reactoare moderne: modulare, cu hidrogen, cu metal lichid etc.;
• Succesele cercetătorilor locali fac posibilă vânzarea tehnologiilor în străinătate. Se așteaptă ca țara să exporte 80 de astfel de unități în următorii 15-20 de ani;
• Dar de astăzi, majoritatea centralelor nucleare au fost construite cu ajutorul oamenilor de știință americani sau francezi;
• Numărul de stații de operare este relativ mic (doar patru), dar fiecare dintre ele are un număr semnificativ de reactoare - în total 40, iar această cifră va crește.

Când este bombardat de neutroni, combustibilul nuclear intră într-o reacție în lanț, ducând la producerea unei cantități uriașe de căldură. Apa din sistem preia această căldură și se transformă în abur, care transformă turbinele care produc energie electrică. Iată o diagramă simplă a funcționării unui reactor nuclear, cea mai puternică sursă de energie de pe Pământ.

Video: cum funcționează reactoarele nucleare

În acest videoclip, fizicianul nuclear Vladimir Chaikin vă va spune cum este generată electricitatea în reactoarele nucleare și structura lor detaliată:

Suntem atât de obișnuiți cu electricitatea încât nu ne gândim de unde vine. Practic, este produs la centralele electrice, care folosesc diverse surse pentru aceasta. Centralele electrice pot fi termice, eoliene, geotermale, solare, hidroelectrice și nucleare. Acesta din urmă este cel care provoacă cele mai multe controverse. Ei discută despre necesitatea și fiabilitatea lor.

Din punct de vedere al productivității, energia nucleară este astăzi una dintre cele mai eficiente și ponderea sa în producția globală de energie electrică este destul de semnificativă, mai mult de un sfert.

Cum funcționează o centrală nucleară și cum generează energie? Elementul principal al unei centrale nucleare este un reactor nuclear. Are loc o reacție nucleară în lanț, care are ca rezultat eliberarea de căldură. Această reacție este controlată, motiv pentru care putem folosi energia treptat, în loc să obținem o explozie nucleară.

Elementele de bază ale unui reactor nuclear

• Combustibil nuclear: uraniu îmbogățit, izotopi de uraniu și plutoniu. Cel mai des folosit este uraniul 235;
• Lichid de răcire pentru îndepărtarea energiei generate în timpul funcționării reactorului: apă, sodiu lichid etc.;
• Tije de control;
• moderator de neutroni;
• Manta de protectie impotriva radiatiilor.

Video cu un reactor nuclear în funcțiune

Cum funcționează un reactor nuclear?

În miezul reactorului există elemente de combustibil (elemente de combustibil) - combustibil nuclear. Acestea sunt asamblate în casete care conțin câteva zeci de bare de combustibil. Lichidul de răcire curge prin canale prin fiecare casetă. Barele de combustibil reglează puterea reactorului. O reacție nucleară este posibilă numai la o anumită masă (critică) a tijei de combustibil. Masa fiecărei tije individual este sub cea critică. Reacția începe când toate tijele sunt în zona activă. Prin introducerea și îndepărtarea barelor de combustibil, reacția poate fi controlată.

Deci, atunci când masa critică este depășită, elementele de combustibil radioactiv emit neutroni care se ciocnesc cu atomii. Rezultatul este un izotop instabil care se descompune imediat, eliberând energie sub formă de radiații gamma și căldură. Particulele care se ciocnesc împart energie cinetică între ele, iar numărul dezintegrarilor crește exponențial. Aceasta este o reacție în lanț - principiul funcționării unui reactor nuclear. Fără control, are loc cu viteza fulgerului, ceea ce duce la o explozie. Dar într-un reactor nuclear procesul este sub control.

Astfel, în miez este eliberată energie termică, care este transferată în apa care spală această zonă (circuit primar). Aici temperatura apei este de 250-300 de grade. În continuare, apa transferă căldură către al doilea circuit și apoi către paletele turbinei care generează energie. Conversia energiei nucleare în energie electrică poate fi reprezentată schematic:

1. Energia internă a nucleului de uraniu,
2. Energia cinetică a fragmentelor de nuclee degradate și a neutronilor eliberați,
3. Energia internă a apei și aburului,
4. Energia cinetică a apei și aburului,
5. Energia cinetică a rotoarelor turbinei și generatoarelor,
6. Energie electrica.

Miezul reactorului este format din sute de casete unite printr-o carcasă metalică. Acest înveliș joacă, de asemenea, rolul unui reflector de neutroni. Printre casete sunt introduse tije de control pentru reglarea vitezei de reacție și tije de protecție în caz de urgență a reactorului. Apoi, izolația termică este instalată în jurul reflectorului. Deasupra izolației termice se află o carcasă de protecție din beton, care prinde substanțele radioactive și nu le permite să treacă în spațiul înconjurător.

Unde sunt folosite reactoarele nucleare?

• Reactoarele nucleare sunt utilizate la centralele nucleare, la instalațiile electrice ale navelor și la stațiile de alimentare cu căldură nucleară.
• Convectoarele și reactoarele de generare sunt folosite pentru a produce combustibil nuclear secundar.
• Reactoarele de cercetare sunt necesare pentru cercetarea radiochimică și biologică și pentru producerea de izotopi.

În ciuda tuturor controverselor și controverselor referitoare la energia nucleară, centralele nucleare continuă să fie construite și exploatate. Unul dintre motive este eficiența costurilor. Un exemplu simplu: 40 de rezervoare de păcură sau 60 de vagoane de cărbune produc aceeași cantitate de energie ca 30 de kilograme de uraniu.

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

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

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

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

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

Utilizarea reacției nucleare

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

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

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

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

Componentele Reactorului Nuclear

Există mai multe tipuri diferite de reactoare nucleare, dar toate au unele caracteristici comune. Toate au o sursă de pelete de combustibil radioactiv - de obicei oxid de uraniu - care sunt aranjate în tuburi pentru a forma bare de combustibil în zone activeereactor.

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

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

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

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

Cât de sigur este un reactor nuclear?

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

„Radiația” este un argument puternic, în principal pentru că știm cu toții că doze mari de radiații, cum ar fi cele provenite de la o bombă nucleară, pot ucide multe mii de oameni.

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

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

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

Deșeuri de reactoare nucleare

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

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

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

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

Ce poate merge prost cu un reactor nuclear?

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

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

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

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

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

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

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 noua generatie

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.

Miezul reactorului nuclear- concentrația celui mai concentrat tip de energie dintre toate cele utilizate în prezent - este situată într-o carcasă de oțel cu pereți de 15 centimetri. Miezul conține uraniu-235 sub formă de pelete încărcate în sute de tuburi de oțel inoxidabil, fiecare de aproximativ trei metri lungime.

Atomii de uraniu-235 suferă o reacție în lanț de fisiune nucleară, în timpul căreia sunt împărțiți în bucăți, eliberând cantități enorme de energie. Fisiunea a 1 gram (0,35 uncii) de uraniu 235 eliberează la fel de multă energie precum arderea a aproximativ 2.000 de litri de ulei.Apa care trece prin miezul reactorului încălzește apa secundară de alimentare, transformându-l în abur, care este furnizat palelor turbinei. .

Pe lângă eliberarea de energie, atomii de uraniu-235 de fisiune eliberează neutroni, unul dintre cele două tipuri principale de particule din nucleul atomic. Acești neutroni se ciocnesc cu alți atomi de uraniu-235, împărțindu-i și eliberând neutronii suplimentari necesari pentru a menține reacția în lanț și, prin urmare, a crea o sursă de energie pe termen lung. Reacția în lanț este controlată prin introducerea de tije de bor sau cadmiu în miez - materiale care absorb bine neutronii.

Reacția în lanț în uraniu-235

Când se ciocnește cu un neutron, un atom de uraniu-235 devine instabil și se împarte în doi atomi mai mici. Acest proces se numește fisiune nucleară. Când uraniul-235 se fisiază, eliberează doi sau trei neutroni, care se pot ciocni cu alți atomi de uraniu-235 și pot începe o reacție în lanț auto-susținută.

Energie nucleara

Fisiunea nucleară eliberează cantități enorme de energie în interiorul miezului reactorului. Apa care trece prin miezul fierbinte încălzește apa de alimentare secundară și o transformă în abur, care este apoi alimentat la turbină.

Centrală nucleară de la Institutul de Cercetare a Energiei Atomice din Japonia.