Kaip prasideda reakcija branduoliniame reaktoriuje? Branduolinių reaktorių klasifikavimas pagal aušinimo skysčio tipą. Kaip veikia naujausi modeliai

VIII skyrius Branduolinio reaktoriaus veikimo principas ir galimybės Branduolinis reaktorius susideda iš šių penkių elementų: 1) branduolinio kuro 3) aušinimo sistemos; ) apsauginis

11 skyrius DIELEKTIKŲ VIDAUS STRUKTŪRA §1. Molekuliniai dipoliai§2. Elektroninė poliarizacija §3. Polinės molekulės; orientacijos poliarizacija§4. Elektriniai laukai dielektrinėse tuštumose§5. Dielektrinė konstanta skysčiai; Clausius-Mossotti formulė§6.

Branduolinis (branduolinis) reaktorius
branduolinis reaktorius

Branduolinis (branduolinis) reaktorius – įrenginys, kuriame atliekama savaime išsilaikanti kontroliuojama grandininė branduolio dalijimosi reakcija. Branduoliniai reaktoriai naudojami branduolinėje energetikoje ir mokslinių tyrimų tikslais. Pagrindinė reaktoriaus dalis yra jo aktyvioji zona, kurioje vyksta branduolio dalijimasis ir atominė energija. Aktyviojoje zonoje, kuri paprastai yra cilindro formos, kurios tūris yra nuo litro dalies iki daugelio kubinių metrų, daliosios medžiagos (branduolinio kuro) kiekis viršija kritinę masę. Branduolinis kuras (uranas, plutonis) dažniausiai dedamas į kuro elementus (kuro strypus), kurių skaičius šerdyje gali siekti dešimtis tūkstančių. Kuro strypai sugrupuojami į pakuotes po keliasdešimt ar šimtus vienetų. Daugeliu atvejų šerdis yra kuro strypų rinkinys, panardintas į moderuojančią terpę (moderatorių) - medžiagą, dėl elastingų susidūrimų su atomais, kurių skilimą sukeliančių ir lydinčių neutronų energija sumažėja iki šiluminės pusiausvyros su vidutinis. Tokie „terminiai“ neutronai turi didesnį gebėjimą sukelti dalijimąsi. Paprastai kaip moderatorius naudojamas vanduo (įskaitant sunkųjį vandenį, D 2 O) ir grafitas. Reaktoriaus šerdį supa reflektorius, pagamintas iš medžiagų, galinčių gerai išsklaidyti neutronus. Šis sluoksnis grąžina iš šerdies išmestus neutronus atgal į šią zoną, padidindamas grandininės reakcijos greitį ir sumažindamas kritinę masę. Aplink atšvaitą yra iš betono ir kitų medžiagų pagaminta radiacinė apsauga, siekiant sumažinti spinduliuotę už reaktoriaus ribų iki priimtino lygio.
Šerdyje dalijimasis išskiria milžinišką energiją šilumos pavidalu. Jis pašalinamas iš šerdies naudojant dujas, vandenį ar kitą medžiagą (aušinimo skystį), kuri nuolat pumpuojama per šerdį, plaunant kuro strypus. Šią šilumą galima panaudoti karštiems garams, kurie paverčia jėgainės turbiną, sukurti.
Norint kontroliuoti dalijimosi grandininės reakcijos greitį, naudojami valdymo strypai, pagaminti iš stipriai neutronus sugeriančių medžiagų. Jų įvedimas į šerdį sumažina grandininės reakcijos greitį ir prireikus ją visiškai sustabdo, nepaisant to, kad branduolinio kuro masė viršija kritinę masę. Kai valdymo strypai pašalinami iš šerdies, neutronų sugertis mažėja, o grandininė reakcija gali pereiti į savarankišką stadiją.
Pirmasis reaktorius buvo paleistas JAV 1942 m. Europoje pirmasis reaktorius buvo paleistas 1946 m. ​​SSRS.

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.

Jei 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 transformacijų atveju, tai yra cheminės reakcijos, toks padidėjimas paprastai yra šimtai kelvinų, tačiau branduolinių reakcijų atveju jis yra mažiausiai 10 7 dėl paties didelis aukštis Susidūrusių branduolių kulonų barjerai. Branduolinių reakcijų terminis sužadinimas praktiškai atliekamas 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 atskirą reakcijos veiksmą, 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:

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“:

• 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

Jodo duobė yra 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.
• Tyrimų 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.

Dažnai reaktoriai naudojami sprendžiant dvi ar daugiau skirtingų problemų, tokiu atveju jie vadinami daugiafunkcinis. Pavyzdžiui, kai kurie elektriniai reaktoriai, ypač pirmaisiais branduolinės energetikos laikais, buvo skirti pirmiausia 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 vadinamąja „uždara grotele“ yra suprojektuoti kaip vienalyčiai, nors juose kuras paprastai 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 (slėginio vandens reaktorius);
• 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 sugrįžimo į savo vietą arba vandenilio ir deguonies rekombinacijos į vandens molekulę tikimybė pastebimai 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 transuraniniai elementai, daugiausia izotopai. Skilimo fragmentų poveikis branduolinio reaktoriaus reaktyvumui vadinamas apsinuodijimas(radioaktyviems fragmentams) ir šlakavimas(stabiliems izotopams).

Pagrindinė apsinuodijimo reaktoriumi priežastis yra didžiausias neutronų sugerties skerspjūvis (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:

1. 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.
2. 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.

Kai įvyksta branduolio skilimas didelis skaičius stabilūs fragmentai, kurie skiriasi absorbciniais skerspjūviais, palyginti su skiliojo izotopo sugerties skerspjūviu. 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 perskaičiavimo kursas 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 krinta.

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

Liekamoji šiluma

Svarbus klausimas, tiesiogiai susijęs su branduoline sauga, yra skilimo šiluma. Tai specifinė savybė branduolinis kuras, kuris susideda iš to, kad pasibaigus dalijimosi grandininei reakcijai ir bet kuriam energijos šaltiniui įprastai šiluminei inercijai, šilumos išsiskyrimas reaktoriuje tęsiasi. ilgam laikui, o tai sukuria daugybę 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 būtina generuoti liekamąją šilumą ilgas laikas užtikrinti šilumos pašalinimą iš reaktoriaus aktyvios zonos po išjungimo. Šiai užduočiai atlikti būtina, kad reaktoriaus įrenginio projekte būtų numatytos aušinimo sistemos su patikimu energijos tiekimu, taip pat būtinas ilgalaikis (3-4 metų) panaudoto branduolinio kuro saugojimas saugyklose su specialiomis temperatūros sąlygos- aušinimo baseinai, kurie 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

1. „ZEEP – pirmasis Kanados branduolinis reaktorius“, Kanados mokslo ir technologijų muziejus.
2. 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. Tačiau tai yra viena iš svarbiausių dalių. šiuolaikinė civilizacija. 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). Jis buvo pavadintas tokiu pavadinimu, nes jis buvo panašus į 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. Dėl atomų dalijimosi skilimų skaičius didėja eksponentiškai, o tai galiausiai lemia žaibišką, pagal mūsų standartus, išsiskyrimą didelis kiekis energija – atominis sprogimas įvyksta kaip nekontroliuojamos grandininės reakcijos pasekmė.

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

Branduolinio reaktoriaus struktūra.

Šiuo metu yra dviejų tipų VVER branduoliniai reaktoriai (aušinami vandeniu energetinis reaktorius) ir RBMK (didelės galios kanalo reaktorius). Skirtumas tas, kad RBMK yra verdantis 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 struktūra: 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 reguliariais intervalais įkišti 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 avarinės apsaugos strypai yra skirti reaktoriui išjungti avarinė situacija, patenka į šerdį ir sugeria daugiau laisvųjų neutronų.

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. Jeigu Černobylio atominė elektrinė buvo įrengta tinkama biologinė apsauga, kaip ir šiandieninis sarkofagas, tada nelaimė žmonijai kainavo daug pigiau.

Atominės elektrinės eksploatavimas.

Trumpai tariant, taip atrodo raboboa.

Atominė jėgainė. (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.