Branduolinio reaktoriaus grandinė. „Fiziniai branduolinės energijos pagrindai

Branduolinės energijos svarba šiuolaikiniame pasaulyje

Branduolinė energija per pastaruosius kelis dešimtmečius padarė didžiulę pažangą ir tapo vienu iš svarbiausių elektros energijos šaltinių daugeliui šalių. Kartu reikia prisiminti, kad už šio šalies ūkio sektoriaus plėtros slypi didžiulės dešimčių tūkstančių mokslininkų, inžinierių ir paprastų darbuotojų pastangos, darančios viską, kad „taikus atomas“ netaptų reali grėsmė milijonams žmonių. Tikrasis bet kurios atominės elektrinės branduolys yra branduolinis reaktorius.

Branduolinio reaktoriaus sukūrimo istorija

Pirmąjį tokį įrenginį Antrojo pasaulinio karo įkarštyje JAV pastatė garsus mokslininkas ir inžinierius E. Fermi. Dėl neįprastos išvaizdos, kuri priminė grafito blokų krūvą, sukrautą vienas ant kito, šis branduolinis reaktorius buvo vadinamas Čikagos kaminu. Verta paminėti, kad šis įrenginys veikė uranu, kuris buvo patalpintas tiesiog tarp blokų.

Branduolinio reaktoriaus sukūrimas Sovietų Sąjungoje

Mūsų šalyje didesnis dėmesys buvo skiriamas ir branduolinėms problemoms. Nepaisant to, kad pagrindinės mokslininkų pastangos buvo sutelktos į karinį atomo panaudojimą, gautus rezultatus jie aktyviai naudojo taikiems tikslams. Pirmąjį branduolinį reaktorių, kodiniu pavadinimu F-1, 1946 metų gruodžio pabaigoje pastatė mokslininkų grupė, vadovaujama žinomo fiziko I. Kurchatovo. Reikšmingas jo trūkumas buvo jokios aušinimo sistemos nebuvimas, todėl jos išskiriamos energijos galia buvo itin nereikšminga. Tuo pat metu sovietų tyrinėtojai baigė pradėtą darbą, kurio rezultatas – vos po aštuonerių metų Obninsko mieste buvo atidaryta pirmoji pasaulyje atominė elektrinė.

Reaktoriaus veikimo principas

Branduolinis reaktorius yra labai sudėtingas ir pavojingas techninis įrenginys. Jo veikimo principas grindžiamas tuo, kad urano skilimo metu išsiskiria keli neutronai, kurie savo ruožtu išmuša elementarias daleles iš gretimų urano atomų. Ši grandininė reakcija išskiria didelį kiekį energijos šilumos ir gama spindulių pavidalu. Tuo pat metu reikėtų atsižvelgti į tai, kad jei ši reakcija niekaip nebus kontroliuojama, urano atomų dalijimasis trumpi terminai gali sukelti galingą sprogimą su nepageidaujamomis pasekmėmis.

Kad reakcija vyktų griežtai apibrėžtose ribose, branduolinio reaktoriaus konstrukcija turi didelę reikšmę. Šiuo metu kiekviena tokia konstrukcija yra savotiškas katilas, per kurį teka aušinimo skystis. Paprastai tokiais pajėgumais naudojamas vanduo, tačiau yra atominių elektrinių, kuriose naudojamas skystas grafitas arba sunkusis vanduo. Neįmanoma įsivaizduoti šiuolaikinio branduolinio reaktoriaus be šimtų specialių šešiakampių kasečių. Juose yra kurą generuojančių elementų, kurių kanalais teka aušinimo skysčiai. Ši kasetė yra padengta specialiu sluoksniu, kuris gali atspindėti neutronus ir taip sulėtinti grandininę reakciją.

Branduolinis reaktorius ir jo apsauga

Jis turi kelis apsaugos lygius. Be paties korpuso, jis padengtas specialia šilumos izoliacija ir iš viršaus biologine apsauga. Inžineriniu požiūriu ši konstrukcija yra galingas gelžbetoninis bunkeris, kurio durys uždaromos kuo sandariau.

1948 m., I. V. Kurchatovo siūlymu, pirmasis darbas apie praktinis pritaikymas atominės energijos elektrai gaminti. Pirmoji pasaulyje pramoninė 5 MW galios atominė elektrinė buvo paleista 1954 metų birželio 27 dieną SSRS, Obninsko mieste, esančiame Kalugos srityje.

Už SSRS ribų pirmoji pramoninė 46 MW galios atominė elektrinė buvo pradėta eksploatuoti 1956 m. Calder Hall mieste (Didžioji Britanija). Po metų Shippingport mieste (JAV) pradėjo veikti 60 MW galios atominė elektrinė.

Didžiausias pasaulyje atominių elektrinių parkas priklauso JAV. Veikia 104 jėgos agregatai, kurių bendra galia apie 100 GW. Jie pagamina 20% elektros energijos.

Prancūzija yra pasaulinė atominių elektrinių naudojimo lyderė. Jo 59 atominės elektrinės pagamina apie 80% visos elektros energijos. Be to, jų bendra galia mažesnė nei amerikietiškų – apie 70 GW.

Tarp lyderių pagal branduolinių reaktorių skaičių pasaulyje galite rasti dvi Azijos šalis - Japoniją ir Pietų Korėją.

Per branduolinės energetikos plėtros metus rimtos avarijos įvyko keletą kartų, ypač Amerikos Three Mile Island atominėje elektrinėje, Ukrainos Černobylio atominėje elektrinėje ir Japonijos Fukušimos-1 atominėje elektrinėje.

Baltarusijos valdžia planuoja statyti atominę elektrinę Gardino srityje, keliasdešimt kilometrų nuo sienos su Lietuva. Stotyje bus du blokai, kurių bendra galia – 2,4 tūkst. megavatų. Pirmasis turėtų pradėti veikti 2016 m., antrasis – 2018 m.

Nuorodos

Branduolinis reaktorius

Branduolinis reaktorius vadinamas reaktoriumi, kuriame vyksta kontroliuojama branduolio dalijimosi grandininė reakcija. Šiuo metu yra daug įvairių skirtingos galios branduolinių reaktorių tipų, kurie skiriasi naudojamų neutronų energija, naudojamo branduolinio kuro rūšimi, reaktoriaus aktyviosios zonos sandara, moderatoriaus tipu, aušinimo skysčiu ir kt. Pirmasis branduolinis reaktorius buvo pastatytas 1942 metų gruodį JAV vadovaujant E. Fermi. Europoje pirmasis branduolinis reaktorius buvo F-1 įrenginys. Jis buvo paleistas 1946 metų gruodžio 25 dieną Maskvoje, vadovaujant I. V. Kurchatovui.

Paveiksle pavaizduota atominės elektrinės su dvigrandžiu slėginio vandens jėgos reaktoriumi veikimo schema. Reaktoriaus aktyvioje zonoje išsiskirianti energija perduodama pirminiam aušinimo skysčiui. Tada aušinimo skystis patenka į šilumokaitį (garų generatorių), kur jis pašildo antrinio kontūro vandenį iki virimo. Susidarę garai patenka į turbinas, kurios suka elektros generatorius. Prie turbinų išėjimo garai patenka į kondensatorių, kur juos vėsina didelis vandens kiekis, ateinantis iš rezervuaro.

Lėtų neutronų reaktoriai

Reaktoriai, veikiantys šiluminiais neutronais (jų greitis 2·10 3 m/s) susideda iš šių pagrindinių dalių:

A) skiliosios medžiagos, kuris naudojamas kaip urano izotopai (\(~^(233)_(92)U\) ,\(~^(235)_(92)U\)), torio (\(~^(232)_) ( 90)Th\)) arba plutonis (\(~^(239)_(94)Pu\) , \(~^(240)_(94)Pu\) , \(~^(241)_(94 ) Pu\)); b) neutronų moderatorius , kuris yra grafitas, sunkus arba paprastas vanduo; V) neutronų reflektorius, kuriai dažniausiai naudojamos tos pačios medžiagos kaip ir neutronams reguliuoti; G) aušinimo skystis , skirtas pašalinti šilumą iš reaktoriaus aktyviosios zonos. Vanduo, skysti metalai ir kai kurie organiniai skysčiai naudojami kaip aušinimo skysčiai; d) γ valdymo strypai

; e)(kuro elementai), kurių vieno struktūra parodyta 2 paveiksle. Cirkonio apvalkalas skirtas izoliuoti uraną ir radioaktyviuosius grandininės reakcijos produktus nuo cheminio kontakto su išorinę aplinką, visų pirma, su aušinimo skysčiu. Kuro elementas turi gerai praleisti šilumą, perkeldamas ją iš branduolinio kuro į aušinimo skystį.

Ryžiai. 2. Kuro elementai (kuro strypai)

Jei reakcijos metu susidaro mažiau neutronų nei reikia, grandininė reakcija anksčiau ar vėliau sustos. Jei pagaminama daugiau neutronų nei būtina, dalijimosi reakcijoje dalyvaujančių urano branduolių skaičius padidės eksponentiškai. Jei neutronų absorbcijos greitis nepadidinamas, kontroliuojama reakcija gali išsivystyti į branduolinį sprogimą.

Neutronų sugerties greitį galima keisti naudojant valdymo strypus, pagamintus iš kadmio, hafnio, boro ar kitų medžiagų (3 pav.).

Šiluma, išsiskirianti branduoliniame reaktoriuje vykstant grandininei branduolio dalijimosi reakcijai, pašalinama aušinimo skysčiu - vandeniu, kurio slėgis yra 10 MPa, dėl to vanduo įkaista iki 270 ° C be virimo. Toliau vanduo patenka į šilumokaitį, kur didelę vidinės energijos dalį atiduoda antrinio kontūro vandeniui ir siurblių pagalba vėl patenka į reaktoriaus aktyvią zoną. Antrinės grandinės vanduo šilumokaityje virsta garais, kurie patenka į garo turbina, vairuodamas elektros generatorių. Antroji grandinė, kaip ir pirmoji, yra uždaryta. Po turbinos garai patenka į kondensatorių, kur gyvatukas aušinamas šaltu tekančiu vandeniu. Čia garai virsta vandeniu ir siurblių pagalba vėl patenka į šilumokaitį. Vandens judėjimo grandinėse kryptis yra tokia, kad šilumokaityje vandens srautai abiejose grandinėse juda vienas kito link. Atskiros grandinės taip pat būtinos, nes pirminėje grandinėje vanduo, einantis per reaktoriaus aktyvią zoną, tampa radioaktyvus. Antroje grandinėje garai ir vanduo praktiškai nėra radioaktyvūs.

Nuorodos

Greitieji reaktoriai

Jei kaip branduolinis kuras naudojamas uranas, kuriame žymiai padidinamas izotopo \(~^(235)_(92)U\) kiekis, tai branduolinis reaktorius gali veikti nenaudojant greitųjų neutronų, išsiskiriančių branduolio dalijimasis. Tokiame reaktoriuje daugiau nei 1/3 grandininės reakcijos metu išsiskiriančių neutronų gali būti absorbuojami urano-238 izotopo branduoliuose, todėl susidaro urano-239 izotopo branduoliai.

Naujojo izotopo branduoliai yra beta radioaktyvūs. Dėl beta skilimo susidaro devyniasdešimt trečiojo periodinės lentelės elemento – neptulio – branduolys. Neptūno branduolys, savo ruožtu, per beta skilimą virsta devyniasdešimt ketvirto elemento – plutonio – branduoliu:

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

Taigi, urano-238 izotopo branduolys, sugėręs neutroną, spontaniškai virsta plutonio izotopo \(~^(239)_(94)Pu\) branduoliu.

Plutonis-239 savo gebėjimu sąveikauti su neutronais yra labai panašus į urano-235 izotopą. Kai neutronas yra absorbuojamas, plutonio branduolys dalijasi ir išskiria 3 neutronus, kurie gali palaikyti grandininės reakcijos vystymąsi. Vadinasi, greitųjų neutronų reaktorius yra ne tik įrenginys, skirtas grandininei urano-235 izotopų branduolių dalijimosi reakcijai atlikti, bet ir įrenginys, skirtas iš plačiai paplitusio ir palyginti pigaus naujo branduolinio kuro plutonio-239 gaminti. urano-238 izotopas. Už 1 kg urano-235, sunaudoto greitųjų neutronų reaktoriuje, galima gauti daugiau nei kilogramą plutonio-239, kuris savo ruožtu gali būti panaudotas grandininei reakcijai atlikti ir iš urano pagaminti naują plutonio dalį.

Taigi greitųjų neutronų branduolinis reaktorius gali vienu metu tarnauti ir kaip elektrinė, ir kaip branduolinio kuro reaktorius, o tai galiausiai leidžia panaudoti ne tik retą urano-235 izotopą, bet ir urano-238 izotopą, kuris yra 140 kartų didesnis. gausu gamtoje, energijos gamybai .

Nuorodos

Atominė elektrinė su greitųjų neutronų reaktoriais (BN 600)
Greitųjų neutronų baladė: unikalus Belojarsko atominės elektrinės reaktorius

Branduolinių reaktorių paskirtis

Pagal paskirtį branduoliniai reaktoriai skirstomi į šiuos tipus:

A) tyrimai - jų pagalba mokslo tikslais gaunami galingi neutronų pluoštai; b) energija – skirta gauti elektros energija

Nuorodos

pramoniniu mastu;

Atominės elektrinės turi daug privalumų, palyginti su šiluminėmis elektrinėmis, naudojančiomis iškastinį kurą:

mažas sunaudojamo kuro kiekis ir galimybė jį pakartotinai panaudoti po perdirbimo: 1 kg natūralaus urano pakeičia 20 tonų anglies. Palyginimui, vien Troitskaya GRES, kurio galia 2000 MW, per dieną sudegina du traukinio krovinius anglies;
Nors veikiant atominei elektrinei į atmosferą išleidžiamas tam tikras kiekis jonizuotų dujų, įprasta šiluminė elektrinė kartu su dūmais jis išskiria dar daugiau radiacijos dėl natūralaus anglies radioaktyviųjų elementų kiekio;
Didesnę galią galima gauti iš vieno atominės elektrinės reaktoriaus (1000-1600 MW vienam galios blokui).

Aplinkosaugos klausimai

Šiuolaikinių atominių elektrinių naudingumo koeficientas yra maždaug 30%. Todėl norint pagaminti 1000 MW elektros energijos, reaktoriaus šiluminė galia turi siekti 3000 MW. 2000 MW turi nunešti kondensatorių aušinantis vanduo. Tai lemia vietinį natūralių rezervuarų perkaitimą ir vėlesnių aplinkos problemų atsiradimą. Labai svarbus uždavinys – užtikrinti visišką atominėse elektrinėse dirbančių žmonių radiacinę saugą ir užkirsti kelią atsitiktiniam radioaktyviųjų medžiagų, kurios kaupiasi dideliais kiekiais reaktoriaus aktyviojoje erdvėje, išmetimo į aplinką. Kuriant branduolinius reaktorius ši problema sprendžiama didelis dėmesys. Tačiau branduolinei energetikai, kaip ir daugeliui kitų pramonės šakų, būdingi žalingi ir pavojingi veiksniai aplinką. Didžiausias galimas pavojus yra radioaktyvioji tarša.

Patirtis eksploatuojant atomines elektrines visame pasaulyje rodo, kad normaliai veikiant atominėms elektrinėms biosfera yra patikimai apsaugota nuo radiacijos poveikio. Po avarijos Černobylio atominėje elektrinėje (1986 m.) branduolinės energetikos saugumo problema tapo ypač aktuali. Černobylio atominės elektrinės ketvirtojo reaktoriaus sprogimas parodė, kad reaktoriaus aktyviosios zonos sunaikinimo rizika dėl personalo klaidų ir projektavimo trūkumų išlieka realybe. Norint sumažinti šią riziką, reikia imtis griežčiausių priemonių.

Sudėtingų problemų kyla dėl radioaktyviųjų atliekų šalinimo ir senų atominių elektrinių išmontavimo. Garsiausi tarp skilimo produktų yra stroncis ir cezis. Panaudoto branduolinio kuro blokai turi būti aušinami. Faktas yra tas, kad radioaktyvaus skilimo metu išsiskiria tiek daug šilumos, kad blokai gali ištirpti. Be to, blokai gali skleisti naujus radioaktyvius elementus. Šie elementai naudojami kaip radioaktyvumo šaltiniai medicinoje, pramonėje ir moksliniuose tyrimuose. Visos kitos branduolinės atliekos turi būti izoliuotos ir saugomos daugelį metų. Tik po kelių šimtų metų atliekų radioaktyvumas sumažės ir taps panašus į natūralų foną. Atliekos dedamos į specialius konteinerius, kurie užkasami iškastose kasyklose ar uolienų plyšiuose.

Dizainas ir veikimo principas

Energijos išleidimo mechanizmas

Medžiagos virsmą lydi laisvos energijos išsiskyrimas tik tuo atveju, jei medžiaga turi energijos rezervą. Pastarasis reiškia, kad medžiagos mikrodalelės yra būsenoje, kurios ramybės energija yra didesnė nei kitoje galimoje būsenoje, į kurią vyksta perėjimas. Spontaniškam perėjimui visada trukdo energetinis barjeras, kurį įveikti mikrodalelė turi gauti tam tikrą energijos kiekį iš išorės – sužadinimo energijos. Egzoenergetinė reakcija susideda iš to, kad transformuojant po sužadinimo išsiskiria daugiau energijos, nei reikia procesui sužadinti. Energijos barjerą galima įveikti dviem būdais: arba dėl susidūrusių dalelių kinetinės energijos, arba dėl besijungiančios dalelės surišimo energijos.

Jeigu turėtume omenyje makroskopinį energijos išsiskyrimo mastą, tai visos arba iš pradžių bent dalis medžiagos dalelių turi turėti kinetinę energiją, reikalingą reakcijoms sužadinti. Tai pasiekiama tik padidinus terpės temperatūrą iki tokios vertės, kuriai esant šiluminio judėjimo energija artėja prie energijos slenksčio, ribojančio proceso eigą. Molekulinių virsmų, tai yra cheminių reakcijų, atveju toks padidėjimas dažniausiai siekia šimtus kelvinų, tačiau branduolinių reakcijų atveju jis yra mažiausiai 10 7 dėl labai didelio susidūrusių branduolių Kulono barjerų aukščio. Branduolinių reakcijų terminis sužadinimas praktiškai vykdomas tik lengviausių branduolių sintezės metu, kuriuose Kulono barjerai yra minimalūs (termobrandulių sintezė).

Sužadinimas sujungiant daleles nereikalauja didelės kinetinės energijos, todėl nepriklauso nuo terpės temperatūros, nes tai vyksta dėl nepanaudotų ryšių, būdingų dalelių traukos jėgoms. Tačiau norint sužadinti reakcijas, reikalingos pačios dalelės. Ir jei vėl turime omenyje ne individualų reakcijos aktą, o energijos gamybą makroskopiniu mastu, tai tai įmanoma tik tada, kai įvyksta grandininė reakcija. Pastaroji atsiranda tada, kai reakciją sužadinančios dalelės vėl pasirodo kaip egzoenergetinės reakcijos produktai.

Dizainas

Bet kuris branduolinis reaktorius susideda iš šių dalių:

Šerdis su branduoliniu kuru ir moderatoriumi;
Neutronų reflektorius, supantis šerdį;
Grandininės reakcijos valdymo sistema, įskaitant avarinę apsaugą;
Radiacinė apsauga;
Nuotolinio valdymo sistema.

Fiziniai veikimo principai

Taip pat žiūrėkite pagrindinius straipsnius:

Dabartinę branduolinio reaktoriaus būklę galima apibūdinti efektyviu neutronų dauginimo koeficientu k arba reaktyvumas ρ , kurie yra susiję tokiu ryšiu:

Šiems kiekiams būdingos šios vertės:

k> 1 - grandininė reakcija laikui bėgant didėja, reaktorius yra superkritinis būsena, jos reaktyvumas ρ > 0;
k < 1 - реакция затухает, реактор - subkritinis, ρ < 0;
k = 1, ρ = 0 - branduolio skilimų skaičius yra pastovus, reaktorius yra stabilioje būsenoje kritiškas sąlyga.

Branduolinio reaktoriaus kritiškumo sąlyga:

, Kur

Dauginimo koeficientas paverčiamas vienetu, subalansuojant neutronų dauginimąsi su jų nuostoliais. Iš tikrųjų yra dvi nuostolių priežastys: gaudymas be dalijimosi ir neutronų nutekėjimas už veisimosi terpės ribų.

Akivaizdu, kad 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 šiluminiams reaktoriams gali būti nustatomas pagal vadinamąją „4 faktorių formulę“:

, Kur

η yra dviejų absorbcijų neutronų išeiga.

Šiuolaikinių galios reaktorių tūriai gali siekti šimtus m³ ir juos daugiausia lemia ne kritiškumo sąlygos, o šilumos šalinimo galimybės.

Kritinis tūris branduolinis reaktorius – kritinės būsenos reaktoriaus aktyviosios zonos tūris. Kritinė masė- reaktoriaus skiliosios medžiagos masė, kuri yra kritinės būklės.

Reaktoriai, kuriuose kuras yra grynų skiliųjų izotopų druskų vandeniniai tirpalai su vandens neutronų reflektoriumi, turi mažiausią kritinę masę. 235 U ši masė yra 0,8 kg, 239 Pu - 0,5 kg. Vis dėlto plačiai žinoma, kad LOPO reaktoriaus (pirmojo pasaulyje sodrinto urano reaktoriaus), turinčio berilio oksido reflektorių, kritinė masė buvo 0,565 kg, nepaisant to, kad izotopo 235 sodrinimo laipsnis buvo tik šiek tiek didesnis. nei 14 proc. Teoriškai ji turi mažiausią kritinę masę, kuriai ši vertė yra tik 10 g.

Siekiant sumažinti neutronų nuotėkį, šerdims suteikiama sferinė arba artima rutulio forma, pavyzdžiui, trumpas cilindras arba kubas, nes šios figūros turi mažiausią paviršiaus ploto ir tūrio santykį.

Nepaisant to, kad vertė (e - 1) paprastai yra maža, greitųjų neutronų dauginimosi vaidmuo yra gana didelis, nes dideliems branduoliniams reaktoriams (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Grandininei reakcijai pradėti paprastai pakanka neutronų, susidarančių savaiminio urano branduolių dalijimosi metu. Reaktoriui paleisti taip pat galima naudoti išorinį neutronų šaltinį, pavyzdžiui, ir (arba) kitų medžiagų mišinį.

Jodo duobė

Pagrindinis straipsnis: Jodo duobė

Jodo duobė - branduolinio reaktoriaus būsena po jo išjungimo, kuriai būdingas trumpalaikio izotopo ksenono kaupimasis. Dėl šio proceso laikinai atsiranda reikšmingas neigiamas reaktyvumas, dėl kurio per tam tikrą laikotarpį (apie 1–2 dienas) neįmanoma pasiekti reaktoriaus projektinio pajėgumo.

Klasifikacija

Pagal paskirtį

Pagal naudojimo pobūdį branduoliniai reaktoriai skirstomi į:

Energijos reaktoriai skirti gaminti elektros ir šiluminę energiją, naudojamą energetikos sektoriuje, taip pat jūros vandens gėlinimui (gėlinimo reaktoriai taip pat priskiriami pramoniniams). Tokie reaktoriai daugiausia naudojami atominėse elektrinėse. Šiuolaikinių elektrinių reaktorių šiluminė galia siekia 5 GW. Į atskirą grupę įeina:
- Transporto reaktoriai, skirtas tiekti energiją transporto priemonių varikliams. Plačiausios panaudojimo grupės – povandeniniuose laivuose ir įvairiuose antvandeniniuose laivuose naudojami jūrinio transporto reaktoriai, taip pat kosminėse technologijose naudojami reaktoriai.
Eksperimentiniai reaktoriai, skirtas įvairiems fizikiniams dydžiams, kurių vertė reikalinga branduoliniams reaktoriams projektuoti ir eksploatuoti, tirti; Tokių reaktorių galia neviršija kelių kW.
Tyrimo reaktoriai, kuriame šerdyje susidarę neutronų ir gama kvantų srautai naudojami branduolinės fizikos, kietojo kūno fizikos, radiacinės chemijos, biologijos tyrimams, medžiagų, skirtų veikti intensyviuose neutronų srautuose (įskaitant branduolinių reaktorių dalis), bandymams. izotopų gamyba. Mokslinių tyrimų reaktorių galia neviršija 100 MW. Išsiskyrusi energija dažniausiai nenaudojama.
Pramoniniai (ginklai, izotopiniai) reaktoriai, naudojamas įvairiose srityse naudojamų izotopų gamybai. Plačiausiai naudojamas branduolinių ginklų medžiagų, tokių kaip 239 Pu, gamybai. Pramoniniams taip pat priskiriami reaktoriai, naudojami jūros vandens gėlinimui.

Reaktoriai dažnai naudojami sprendžiant dvi ar daugiau skirtingų problemų, tokiu atveju jie vadinami daugiafunkcinis. Pavyzdžiui, kai kurie galios reaktoriai, ypač pirmaisiais branduolinės energetikos laikais, pirmiausia buvo skirti eksperimentams. Greitųjų neutronų reaktoriai gali vienu metu gaminti energiją ir gaminti izotopus. Pramoniniai reaktoriai, be savo pagrindinės užduoties, dažnai gamina elektros ir šiluminę energiją.

Pagal neutronų spektrą

Terminis (lėtas) neutronų reaktorius („terminis reaktorius“)
Greitųjų neutronų reaktorius („greitasis reaktorius“)

Pagal kuro išdėstymą

Heterogeniniai reaktoriai, kuriuose kuras yra diskretiškai dedamas į aktyvią zoną blokų pavidalu, tarp kurių yra moderatorius;
Homogeniniai reaktoriai, kur kuras ir moderatorius yra vienalytis mišinys (homogeninė sistema).

Heterogeniniame reaktoriuje kuras ir moderatorius gali būti erdviškai atskirti, ypač tuščiaviduriame reaktoriuje moderatorius-reflektorius supa ertmę kuru, kuriame nėra moderatoriaus. Branduolinės fizikos požiūriu homogeniškumo / heterogeniškumo kriterijus yra ne konstrukcija, o kuro blokų išdėstymas atstumu, viršijančiu neutronų stabdymo ilgį tam tikrame moderatoriuje. Taigi reaktoriai su vadinamuoju „uždaruoju tinkleliu“ yra suprojektuoti kaip vienalyčiai, nors juose kuras dažniausiai yra atskirtas nuo moderatoriaus.

Branduolinio kuro blokai nevienalyčiame reaktoriuje vadinami kuro rinkiniais (FA), kurie yra šerdyje įprastos gardelės mazguose ir sudaro ląstelės.

Pagal kuro rūšį

urano izotopai 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
plutonio izotopas 239 (239 Pu), taip pat izotopai 239-242 Pu mišinio su 238 U (MOX degalai) pavidalu
torio izotopas 232 (232 Th) (konvertuojant į 233 U)

Pagal sodrinimo laipsnį:

natūralus uranas
silpnai prisodrintas uranas
labai prisodrintas uranas

Pagal cheminę sudėtį:

metalinis U
UC (urano karbidas) ir kt.

Pagal aušinimo skysčio tipą

Dujos (žr. Grafito dujų reaktorius)
D 2 O (sunkusis vanduo, žr. Sunkiojo vandens branduolinis reaktorius, CANDU)

Pagal moderatoriaus tipą

C (grafitas, žr. Grafito-dujų reaktorius, Grafito-vandens reaktorius)
H2O (vanduo, žr. Lengvojo vandens reaktorius, Vandeniu aušinamas reaktorius, VVER)
D 2 O (sunkusis vanduo, žr. Sunkiojo vandens branduolinis reaktorius, CANDU)
Metalo hidridai
Be moderatoriaus (žr. Greitasis reaktorius)

Pagal dizainą

Garo generavimo būdu

Reaktorius su išoriniu garo generatoriumi (žr. Vandens-vandens reaktorius, VVER)

TATENA klasifikacija

PWR (slėginio vandens reaktoriai) - vanduo-vanduo reaktorius (reaktorius su suslėgtu vandeniu);
BWR (boiling water reactor) – verdančio vandens reaktorius;
FBR (fast Breeder Reactor) – greito aktyvumo reaktorius;
GCR (dujomis aušinamas reaktorius) – dujomis aušinamas reaktorius;
LWGR (lengvo vandens grafito reaktorius) – grafito-vandens reaktorius
PHWR (suslėgto sunkiojo vandens reaktorius) – sunkiojo vandens reaktorius

Pasaulyje labiausiai paplitę yra suslėgto vandens (apie 62%) ir verdančio vandens (20%) reaktoriai.

Reaktoriaus medžiagos

Medžiagos, iš kurių statomi reaktoriai, veikia aukštoje temperatūroje neutronų, γ kvantų ir dalijimosi fragmentų lauke. Todėl ne visos kitose technologijos šakose naudojamos medžiagos yra tinkamos reaktoriaus statybai. Renkantis reaktorių medžiagas, atsižvelgiama į jų atsparumą spinduliuotei, cheminį inertiškumą, sugerties skerspjūvį ir kitas savybes.

Medžiagų radiacinis nestabilumas turi mažesnį poveikį esant aukštai temperatūrai. Atomų judrumas tampa toks didelis, kad iš kristalinės gardelės išmuštų atomų grįžimo į savo vietą arba vandenilio ir deguonies rekombinacijos į vandens molekulę tikimybė žymiai padidėja. Taigi energetiniuose neverdančių reaktorių (pavyzdžiui, VVER) vandens radiolizė yra nereikšminga, o galinguose tyrimų reaktoriuose išsiskiria nemažas kiekis sprogstamojo mišinio. Reaktoriai turi specialias sistemas jai deginti.

Reaktoriaus medžiagos liečiasi viena su kita (kuro korpusas su aušinimo skysčiu ir branduoliniu kuru, kuro kasetės su aušinimo skysčiu ir moderatoriumi ir kt.). Natūralu, kad besiliečiančios medžiagos turi būti chemiškai inertiškos (suderinamos). Nesuderinamumo pavyzdys yra uranas ir karštas vanduo, patenkantys į cheminę reakciją.

Daugumos medžiagų stiprumo savybės smarkiai pablogėja didėjant temperatūrai. Energijos reaktoriuose konstrukcinės medžiagos veikia aukštoje temperatūroje. Tai riboja statybinių medžiagų pasirinkimą, ypač toms galios reaktoriaus dalims, kurios turi atlaikyti aukštą slėgį.

Branduolinio kuro perdegimas ir dauginimasis

Eksploatuojant branduolinį reaktorių, kure susikaupus dalijimosi fragmentams, keičiasi jo izotopinė ir cheminė sudėtis, susidaro transurano elementai, daugiausia izotopai. Skilimo fragmentų poveikis branduolinio reaktoriaus reaktyvumui vadinamas apsinuodijimas(radioaktyviems fragmentams) ir šlakavimas(stabiliems izotopams).

Pagrindinė apsinuodijimo reaktoriumi priežastis yra , turintis didžiausią neutronų sugerties skerspjūvį (2,6·10 6 barn). 135 Xe pusinės eliminacijos laikas T 1/2 = 9,2 valandos; Išeiga dalijimosi metu yra 6-7%. Didžioji dalis 135 Xe susidaro dėl skilimo ( T 1/2 = 6,8 valandos). Apsinuodijus Keff pakinta 1-3%. Didelis 135 Xe absorbcijos skerspjūvis ir tarpinio izotopo 135 I buvimas lemia du svarbius reiškinius:

Į 135 Xe koncentracijos padidėjimą ir atitinkamai sumažėjusį reaktoriaus reaktyvumą jį sustabdžius arba sumažinus galią („jodo duobė“), dėl ko neįmanomi trumpalaikiai sustojimai ir išėjimo galios svyravimai. . Šis poveikis įveikiamas įvedus reaktyvumo rezervą reguliavimo institucijose. Jodo šulinio gylis ir trukmė priklauso nuo neutronų srauto Ф: esant Ф = 5·10 18 neutronų/(cm²·sek) jodo šulinio trukmė yra ˜ 30 valandų, o gylis 2 kartus didesnis nei stacionarios. Keff pokytis, kurį sukėlė apsinuodijimas 135 Xe.
Dėl apsinuodijimo gali atsirasti neutronų srauto F ir, atitinkamai, reaktoriaus galios, erdvės ir laiko svyravimai. Šie svyravimai vyksta esant Ф > 10 18 neutronų/(cm²·sek) ir dideliems reaktorių dydžiams. Virpesių periodai ~ 10 valandų.

Branduolio dalijimosi metu susidaro daug stabilių fragmentų, kurių sugerties skerspjūviai skiriasi nuo skiliojo izotopo absorbcinio skerspjūvio. Didelio absorbcinio skerspjūvio fragmentų koncentracija pasiekia prisotinimą per pirmąsias kelias reaktoriaus veikimo dienas. Tai daugiausia skirtingo „amžiaus“ kuro strypai.

Visiško kuro pakeitimo atveju reaktorius turi perteklinį reaktyvumą, kurį reikia kompensuoti, o antruoju atveju kompensuoti reikia tik pirmą kartą paleidžiant reaktorių. Nuolatinis perkrovimas leidžia padidinti degimo gylį, nes reaktoriaus reaktyvumą lemia vidutinės skiliųjų izotopų koncentracijos.

Pakrauto kuro masė viršija nepakrauto kuro masę dėl išsiskiriančios energijos „svorio“. Išjungus reaktorių, pirmiausia daugiausia dėl dalijimosi uždelstais neutronais, o po 1–2 minučių – dėl dalijimosi fragmentų ir transurano elementų β- ir γ-spinduliavimo, kuro energijos išsiskyrimas tęsiasi. Jei reaktorius veikė pakankamai ilgai iki sustojimo, tai praėjus 2 minutėms po sustojimo, energijos išsiskyrimas yra apie 3%, po 1 valandos - 1%, po paros - 0,4%, po metų - 0,05% pradinės galios.

Branduoliniame reaktoriuje susidariusių skiliųjų Pu izotopų skaičiaus ir sudegusių 235 U kiekio santykis vadinamas konversijos koeficientas K K . K K vertė didėja mažėjant sodrėjimui ir degimui. Sunkiojo vandens reaktoriui naudojant natūralų uraną, kurio sudegimas 10 GW parą/t K K = 0,55 ir su nedideliais sudegimais (šiuo atveju K K vadinamas pradinis plutonio koeficientas) K K = 0,8. Jei branduolinis reaktorius dega ir gamina tuos pačius izotopus (breeder reaktorius), tada dauginimosi greičio ir degimo greičio santykis vadinamas reprodukcijos greitis K V. Branduoliniuose reaktoriuose, kuriuose naudojami šiluminiai neutronai K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g auga ir A patenka.

Branduolinio reaktoriaus valdymas

Branduolinio reaktoriaus valdymas įmanomas tik dėl to, kad dalijimosi metu dalis neutronų išskrenda iš fragmentų su vėlavimu, kuris gali svyruoti nuo kelių milisekundžių iki kelių minučių.

Reaktoriui valdyti naudojami absorberiniai strypai, įvedami į aktyvią zoną, pagaminti iš medžiagų, kurios stipriai sugeria neutronus (daugiausia ir kai kuriuos kitus) ir (arba) boro rūgšties tirpalas, įpilamas į aušinimo skystį tam tikra koncentracija (boro kontrolė). . Strypų judėjimas valdomas specialiais mechanizmais, pavaromis, veikiančiais pagal operatoriaus signalus arba automatinio neutronų srauto valdymo įrangą.

Esant kitokiam avarinės situacijos Kiekviename reaktoriuje yra numatytas avarinis grandininės reakcijos nutraukimas, atliekamas nuleidžiant visus sugeriančius strypus į aktyvią zoną - avarinės apsaugos sistemą.

Liekamoji šiluma

Svarbus klausimas, tiesiogiai susijęs su branduoline sauga, yra skilimo šiluma. Tai yra specifinė branduolinio kuro savybė, kuri susideda iš to, kad pasibaigus dalijimosi grandininei reakcijai ir bet kuriam energijos šaltiniui įprastai šiluminei inercijai, šilumos išsiskyrimas reaktoriuje tęsiasi ilgą laiką, o tai sukuria daug techniškai sudėtingų problemų.

Liekamoji šiluma yra dalijimosi produktų, susikaupusių kure reaktoriaus veikimo metu, β ir γ skilimo pasekmė. Skilimo produktų branduoliai dėl skilimo transformuojasi į stabilesnę arba visiškai stabilesnę būseną, išskirdami didelę energiją.

Nors skilimo šilumos išsiskyrimo greitis greitai sumažėja iki mažų, palyginti su pastovios būsenos vertėmis, didelės galios galios reaktoriuose jis yra reikšmingas absoliučiais skaičiais. Dėl šios priežasties liekamajai šilumai gaminti reikia ilgą laiką, kad būtų užtikrintas šilumos pašalinimas iš reaktoriaus aktyviosios zonos po jo uždarymo. Šiai užduočiai atlikti būtina suprojektuoti reaktoriaus įrenginį, kad būtų aušinimo sistemos su patikimu elektros energijos tiekimu, taip pat būtinas ilgalaikis (3-4 metų) panaudoto branduolinio kuro saugojimas saugyklose su specialiu temperatūros režimu - aušinimo baseinuose, kurie yra paprastai yra arti reaktoriaus.

Taip pat žr

Sovietų Sąjungoje suprojektuotų ir pastatytų branduolinių reaktorių sąrašas

Literatūra

Levinas V.E. Branduolinė fizika ir branduoliniai reaktoriai. 4-asis leidimas - M.: Atomizdat, 1979 m.
Šukolyukovas A. Yu „Uranas. Natūralus branduolinis reaktorius“. „Chemija ir gyvenimas“ Nr. 6, 1980, p. 20-24

Pastabos

„ZEEP – pirmasis Kanados branduolinis reaktorius“, Kanados mokslo ir technologijų muziejus.
Grešilovas A. A., Egupovas N. D., Matuščenka A. M. Branduolinis skydas. - M.: Logos, 2008. - 438 p. -

Dizainas ir veikimo principas

Energijos išleidimo mechanizmas

Dizainas

Bet kuris branduolinis reaktorius susideda iš šių dalių:

Šerdis su branduoliniu kuru ir moderatoriumi;
Neutronų reflektorius, supantis šerdį;
Grandininės reakcijos valdymo sistema, įskaitant avarinę apsaugą;
Radiacinė apsauga;
Nuotolinio valdymo sistema.

Fiziniai veikimo principai

Taip pat žiūrėkite pagrindinius straipsnius:

Dabartinę branduolinio reaktoriaus būklę galima apibūdinti efektyviu neutronų dauginimo koeficientu k arba reaktyvumas ρ , kurie yra susiję tokiu ryšiu:

Šiems kiekiams būdingos šios vertės:

k> 1 - grandininė reakcija laikui bėgant didėja, reaktorius yra superkritinis būsena, jos reaktyvumas ρ > 0;
k < 1 - реакция затухает, реактор - subkritinis, ρ < 0;
k = 1, ρ = 0 - branduolio skilimų skaičius yra pastovus, reaktorius yra stabilioje būsenoje kritiškas sąlyga.

Branduolinio reaktoriaus kritiškumo sąlyga:

, Kur

k 0 šiluminiams reaktoriams gali būti nustatomas pagal vadinamąją „4 faktorių formulę“:

, Kur

η yra dviejų absorbcijų neutronų išeiga.

Šiuolaikinių galios reaktorių tūriai gali siekti šimtus m³ ir juos daugiausia lemia ne kritiškumo sąlygos, o šilumos šalinimo galimybės.

Kritinis tūris branduolinis reaktorius – kritinės būsenos reaktoriaus aktyviosios zonos tūris. Kritinė masė- reaktoriaus skiliosios medžiagos masė, kuri yra kritinės būklės.

Jodo duobė

Pagrindinis straipsnis: Jodo duobė

Klasifikacija

Pagal paskirtį

Pagal naudojimo pobūdį branduoliniai reaktoriai skirstomi į:

Energijos reaktoriai skirti gaminti elektros ir šiluminę energiją, naudojamą energetikos sektoriuje, taip pat jūros vandens gėlinimui (gėlinimo reaktoriai taip pat priskiriami pramoniniams). Tokie reaktoriai daugiausia naudojami atominėse elektrinėse. Šiuolaikinių elektrinių reaktorių šiluminė galia siekia 5 GW. Į atskirą grupę įeina:
- Transporto reaktoriai, skirtas tiekti energiją transporto priemonių varikliams. Plačiausios panaudojimo grupės – povandeniniuose laivuose ir įvairiuose antvandeniniuose laivuose naudojami jūrinio transporto reaktoriai, taip pat kosminėse technologijose naudojami reaktoriai.
Eksperimentiniai reaktoriai, skirtas įvairiems fizikiniams dydžiams, kurių vertė reikalinga branduoliniams reaktoriams projektuoti ir eksploatuoti, tirti; Tokių reaktorių galia neviršija kelių kW.
Tyrimo reaktoriai, kuriame šerdyje susidarę neutronų ir gama kvantų srautai naudojami branduolinės fizikos, kietojo kūno fizikos, radiacinės chemijos, biologijos tyrimams, medžiagų, skirtų veikti intensyviuose neutronų srautuose (įskaitant branduolinių reaktorių dalis), bandymams. izotopų gamyba. Mokslinių tyrimų reaktorių galia neviršija 100 MW. Išsiskyrusi energija dažniausiai nenaudojama.
Pramoniniai (ginklai, izotopiniai) reaktoriai, naudojamas įvairiose srityse naudojamų izotopų gamybai. Plačiausiai naudojamas branduolinių ginklų medžiagų, tokių kaip 239 Pu, gamybai. Pramoniniams taip pat priskiriami reaktoriai, naudojami jūros vandens gėlinimui.

Pagal neutronų spektrą

Terminis (lėtas) neutronų reaktorius („terminis reaktorius“)
Greitųjų neutronų reaktorius („greitasis reaktorius“)

Pagal kuro išdėstymą

Heterogeniniai reaktoriai, kuriuose kuras yra diskretiškai dedamas į aktyvią zoną blokų pavidalu, tarp kurių yra moderatorius;
Homogeniniai reaktoriai, kur kuras ir moderatorius yra vienalytis mišinys (homogeninė sistema).

Branduolinio kuro blokai nevienalyčiame reaktoriuje vadinami kuro rinkiniais (FA), kurie yra šerdyje įprastos gardelės mazguose ir sudaro ląstelės.

Pagal kuro rūšį

urano izotopai 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
plutonio izotopas 239 (239 Pu), taip pat izotopai 239-242 Pu mišinio su 238 U (MOX degalai) pavidalu
torio izotopas 232 (232 Th) (konvertuojant į 233 U)

Pagal sodrinimo laipsnį:

natūralus uranas
silpnai prisodrintas uranas
labai prisodrintas uranas

Pagal cheminę sudėtį:

metalinis U
UC (urano karbidas) ir kt.

Pagal aušinimo skysčio tipą

Dujos (žr. Grafito dujų reaktorius)
D 2 O (sunkusis vanduo, žr. Sunkiojo vandens branduolinis reaktorius, CANDU)

Pagal moderatoriaus tipą

C (grafitas, žr. Grafito-dujų reaktorius, Grafito-vandens reaktorius)
H2O (vanduo, žr. Lengvojo vandens reaktorius, Vandeniu aušinamas reaktorius, VVER)
D 2 O (sunkusis vanduo, žr. Sunkiojo vandens branduolinis reaktorius, CANDU)
Metalo hidridai
Be moderatoriaus (žr. Greitasis reaktorius)

Pagal dizainą

Garo generavimo būdu

Reaktorius su išoriniu garo generatoriumi (žr. Vandens-vandens reaktorius, VVER)

TATENA klasifikacija

PWR (slėginio vandens reaktoriai) - vanduo-vanduo reaktorius (reaktorius su suslėgtu vandeniu);
BWR (boiling water reactor) – verdančio vandens reaktorius;
FBR (fast Breeder Reactor) – greito aktyvumo reaktorius;
GCR (dujomis aušinamas reaktorius) – dujomis aušinamas reaktorius;
LWGR (lengvo vandens grafito reaktorius) – grafito-vandens reaktorius
PHWR (suslėgto sunkiojo vandens reaktorius) – sunkiojo vandens reaktorius

Pasaulyje labiausiai paplitę yra suslėgto vandens (apie 62%) ir verdančio vandens (20%) reaktoriai.

Reaktoriaus medžiagos

Branduolinio kuro perdegimas ir dauginimasis

Į 135 Xe koncentracijos padidėjimą ir atitinkamai sumažėjusį reaktoriaus reaktyvumą jį sustabdžius arba sumažinus galią („jodo duobė“), dėl ko neįmanomi trumpalaikiai sustojimai ir išėjimo galios svyravimai. . Šis poveikis įveikiamas įvedus reaktyvumo rezervą reguliavimo institucijose. Jodo šulinio gylis ir trukmė priklauso nuo neutronų srauto Ф: esant Ф = 5·10 18 neutronų/(cm²·sek) jodo šulinio trukmė yra ˜ 30 valandų, o gylis 2 kartus didesnis nei stacionarios. Keff pokytis, kurį sukėlė apsinuodijimas 135 Xe.
Dėl apsinuodijimo gali atsirasti neutronų srauto F ir, atitinkamai, reaktoriaus galios, erdvės ir laiko svyravimai. Šie svyravimai vyksta esant Ф > 10 18 neutronų/(cm²·sek) ir dideliems reaktorių dydžiams. Virpesių periodai ~ 10 valandų.

Branduolinio reaktoriaus valdymas

Esant įvairioms avarinėms situacijoms, kiekviename reaktoriuje yra numatytas avarinis grandininės reakcijos nutraukimas, vykdomas numetant visus sugeriančius strypus į aktyviąją zoną – avarinės apsaugos sistemą.

Liekamoji šiluma

Taip pat žr

Sovietų Sąjungoje suprojektuotų ir pastatytų branduolinių reaktorių sąrašas

Literatūra

Levinas V.E. Branduolinė fizika ir branduoliniai reaktoriai. 4-asis leidimas - M.: Atomizdat, 1979 m.
Šukolyukovas A. Yu „Uranas. Natūralus branduolinis reaktorius“. „Chemija ir gyvenimas“ Nr. 6, 1980, p. 20-24

Pastabos

„ZEEP – pirmasis Kanados branduolinis reaktorius“, Kanados mokslo ir technologijų muziejus.
Grešilovas A. A., Egupovas N. D., Matuščenka A. M. Branduolinis skydas. - M.: Logos, 2008. - 438 p. -

Branduolinis reaktorius, veikimo principas, branduolinio reaktoriaus veikimas.

Kasdien naudojame elektrą ir negalvojame, kaip ji gaminama ir kaip ji pas mus pateko. Nepaisant to, tai viena svarbiausių šiuolaikinės civilizacijos dalių. Be elektros nebūtų nieko – nei šviesos, nei šilumos, nei judėjimo.

Visi žino, kad elektros energija gaminama elektrinėse, taip pat ir atominėse. Kiekvienos atominės elektrinės širdis yra branduolinis reaktorius. Tai mes apžvelgsime šiame straipsnyje.

Branduolinis reaktorius, prietaisas, kuriame vyksta kontroliuojama branduolinė grandininė reakcija, išsiskirianti šiluma. Šie įrenginiai daugiausia naudojami elektrai gaminti ir dideliems laivams vairuoti. Norėdami įsivaizduoti branduolinių reaktorių galią ir efektyvumą, galime pateikti pavyzdį. Kai vidutiniam branduoliniam reaktoriui reikės 30 kilogramų urano, vidutinei šiluminei elektrinei reikės 60 vagonų anglies arba 40 cisternų mazuto.

Prototipas branduolinis reaktorius buvo pastatytas 1942 metų gruodį JAV vadovaujant E. Fermi. Tai buvo vadinamasis „Čikagos kaminas“. Chicago Pile (vėliau žodis„Krūva“ kartu su kitomis reikšmėmis reiškia branduolinį reaktorių). Jai buvo suteiktas toks pavadinimas, nes jis priminė didelį grafito blokų krūvą, sudėtą vienas ant kito.

Tarp blokų buvo dedami sferiniai „darbiniai skysčiai“, pagaminti iš natūralaus urano ir jo dioksido.

SSRS pirmasis reaktorius buvo pastatytas vadovaujant akademikui I. V. Kurchatovui. Reaktorius F-1 pradėjo veikti 1946 m. gruodžio 25 d. Reaktorius buvo sferinės formos ir apie 7,5 metro skersmens. Jis neturėjo aušinimo sistemos, todėl veikė labai mažu galios lygiu.

Tyrimai buvo tęsiami ir 1954 m. birželio 27 d. Obninske pradėjo veikti pirmoji pasaulyje 5 MW galios atominė elektrinė.

Branduolinio reaktoriaus veikimo principas.

Skilstant uranui U 235, išsiskiria šiluma, kartu išsiskiria du ar trys neutronai. Pagal statistiką – 2,5. Šie neutronai susiduria su kitais urano atomais U235. Susidūrimo metu uranas U 235 virsta nestabiliu izotopu U 236, kuris beveik iš karto skyla į Kr 92 ir Ba 141 + tuos pačius 2-3 neutronus. Skilimą lydi energijos išsiskyrimas gama spinduliuotės ir šilumos pavidalu.

Tai vadinama grandinine reakcija. Atomai dalijasi, skilimų skaičius didėja eksponentiškai, o tai galiausiai lemia, kad pagal mūsų standartus žaibiškai išsiskiria didžiulis energijos kiekis - atominis sprogimas įvyksta dėl nekontroliuojamos grandininės reakcijos.

Tačiau į branduolinis reaktorius mes susiduriame su kontroliuojama branduolinė reakcija. Kaip tai tampa įmanoma, aprašyta toliau.

Branduolinio reaktoriaus struktūra.

Šiuo metu yra dviejų tipų branduoliniai reaktoriai: VVER (slėginio vandens reaktorius) ir RBMK (reaktorius). didelės galios kanalas). Skirtumas tas, kad RBMK yra verdančio vandens reaktorius, o VVER naudoja 120 atmosferų slėgio vandenį.

VVER 1000 reaktorius 1 - valdymo sistemos pavara; 2 - reaktoriaus dangtis; 3 - reaktoriaus korpusas; 4 - apsauginių vamzdžių blokas (BZT); 5 - velenas; 6 - šerdies gaubtas; 7 - kuro rinklės (FA) ir valdymo strypai;

Kiekvienas pramoninis branduolinis reaktorius yra katilas, per kurį teka aušinimo skystis. Paprastai tai yra paprastas vanduo (apie 75% pasaulyje), skystas grafitas (20%) ir sunkusis vanduo (5%). Eksperimentiniais tikslais buvo naudojamas berilis, kuris buvo laikomas angliavandeniliu.

TVEL– (kuro elementas). Tai strypai cirkonio apvalkale su niobio lydiniu, kurio viduje yra urano dioksido tabletės.

TVEL raktor RBMK. RBMK reaktoriaus kuro elemento konstrukcija: 1 - kamštis; 2 - urano dioksido tabletės; 3 - cirkonio apvalkalas; 4 - spyruoklė; 5 - įvorė; 6 - patarimas.

TVEL taip pat turi spyruoklinę kuro granulių laikymo tame pačiame lygyje sistemą, kuri leidžia tiksliau reguliuoti kuro panardinimo/išėmimo į šerdį gylį. Jie surenkami į šešiakampės formos kasetes, kurių kiekvienoje yra kelios dešimtys kuro strypų. Aušinimo skystis teka kiekvienoje kasetėje esančiais kanalais.

Kuro strypai kasetėje paryškinti žaliai.

Kuro kasetės surinkimas.

Reaktoriaus šerdį sudaro šimtai vertikaliai išdėstytų kasečių, sujungtų metaliniu apvalkalu – korpusu, kuris taip pat atlieka neutronų reflektoriaus vaidmenį. Tarp kasečių reguliariai įterpiami valdymo strypai ir reaktoriaus avarinės apsaugos strypai, kurie skirti reaktoriui išjungti perkaitimo atveju.

Pateikiame VVER-440 reaktoriaus duomenis kaip pavyzdį:

Valdikliai gali judėti aukštyn ir žemyn, pasinerti arba atvirkščiai, paliekant aktyviąją zoną, kurioje reakcija yra intensyviausia. Tai užtikrina galingi elektros varikliai, kartu su valdymo sistema.

Kiekvienas reaktorius turi dangtį, per kurį pakraunamos ir iškraunamos naudotos ir naujos kasetės.

Šilumos izoliacija paprastai įrengiama ant reaktoriaus indo viršaus. Kitas barjeras yra biologinė apsauga. Dažniausiai tai būna gelžbetoninis bunkeris, įėjimas į kurį uždaromas oro šliuzu su sandariomis durimis. Biologinė apsauga skirta užkirsti kelią radioaktyvių garų ir reaktoriaus gabalų išmetimui į atmosferą, jei įvyktų sprogimas.

Branduolinis sprogimas šiuolaikiniuose reaktoriuose yra labai mažai tikėtinas. Kadangi kuras yra gana nežymiai prisodrintas ir padalintas į kuro elementus. Net jei šerdis ištirps, kuras negalės taip aktyviai reaguoti. Blogiausias, kas gali nutikti, yra terminis sprogimas kaip Černobylyje, kai slėgis reaktoriuje pasiekė tokias reikšmes, kad metalinis korpusas tiesiog plyšo, o reaktoriaus dangtis, sveriantis 5000 tonų, padarė apverstą šuolį, prasiverždamas pro reaktoriaus stogą. reaktoriaus skyrių ir išleidžiant garus į lauką. Jei Černobylio atominėje elektrinėje būtų įrengta tinkama biologinė apsauga, kaip šiandieninis sarkofagas, tai nelaimė žmonijai būtų kainavusi daug pigiau.

Atominės elektrinės eksploatavimas.

Trumpai tariant, taip atrodo raboboa.

Atominė elektrinė. (Spustelėti)

Siurbliais patekus į reaktoriaus aktyvią zoną, vanduo pašildomas nuo 250 iki 300 laipsnių ir išeina iš „kitos reaktoriaus pusės“. Tai vadinama pirmąja grandine. Po to jis siunčiamas į šilumokaitį, kur jis atitinka antrąją grandinę. Po to suslėgti garai teka ant turbinos mentes. Turbinos gamina elektros energiją.