هيكل المفاعل الذري. مبدأ تشغيل المفاعل النووي

تم بناء أول مفاعل نووي في ديسمبر 1942 في الولايات المتحدة الأمريكية تحت إشراف E. فيرمي . في أوروبا ، تم تشغيل أول مفاعل نووي في ديسمبر 1946 في موسكو تحت قيادة I.V. كورتشاتوف . بحلول عام 1978 ، كان هناك بالفعل حوالي ألف مفاعل نووي من أنواع مختلفة تعمل في العالم. مكونات أي مفاعل نووي هي: النواةمع وقود نووي، عادة محاطًا بعاكس نيوتروني ، المبرد، نظام التحكم في التفاعل المتسلسل ، الحماية من الإشعاع ، نظام التحكم عن بعد ( أرز. واحد). السمة الرئيسية للمفاعل النووي هي قوته. القوة في 1 MVيتوافق مع تفاعل متسلسل يحدث فيه 3 10 16 أحداث انشطار في 1 ثانية.
جهاز مفاعلات الطاقة النووية.

مفاعل الطاقة النووية هو جهاز يتم فيه إجراء تفاعل متسلسل متحكم فيه للانشطار النووي للعناصر الثقيلة ، ويتم إزالة الطاقة الحرارية المنبعثة أثناء ذلك بواسطة المبرد. العنصر الرئيسي للمفاعل النووي هو اللب. يحتوي على وقود نووي وينفذ سلسلة تفاعل انشطاري. المنطقة النشطة عبارة عن مجموعة من عناصر الوقود تحتوي على وقود نووي موضوعة بطريقة معينة. تستخدم مفاعلات النيوترونات الحرارية وسيطًا. يتم ضخ المبرد عبر القلب ، والذي يبرد عناصر الوقود. في بعض أنواع المفاعلات ، يتم تنفيذ دور الوسيط والمبرد بواسطة نفس المادة ، على سبيل المثال ، الماء العادي أو الثقيل.

مخطط مفاعل متجانس: وعاء مفاعل واحد ، منطقة ثنائية النواة ، 3 معوضات حجم ، 4 مبادل حراري ، 5 مخرج بخار ، 6 مدخل ماء تغذية ، مضخة دوران 7

للتحكم في تشغيل المفاعل ، يتم إدخال قضبان تحكم مصنوعة من مواد ذات مقطع عرضي كبير لامتصاص النيوترونات في القلب. قلب مفاعلات القدرة محاط بعاكس نيوتروني - طبقة من مادة الوسيط لتقليل تسرب النيوترونات من اللب. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا للعاكس ، فإن كثافة النيوترونات وإطلاق الطاقة تتساوى مع حجم القلب ، مما يجعل من الممكن الحصول على طاقة أكبر لأحجام المنطقة المحددة ، لتحقيق مزيد من الاحتراق المنتظم للوقود ، لزيادة مدة مفاعل بدون التزود بالوقود ، وتبسيط نظام إزالة الحرارة. يتم تسخين العاكس بواسطة طاقة إبطاء وامتصاص النيوترونات وجاما كوانتا ، لذلك يتم تبريده. يتم وضع القلب والعاكس والعناصر الأخرى في مبيت أو غلاف مغلق بإحكام ، وعادة ما يكون محاطًا بدرع بيولوجي.

يحتوي قلب المفاعل النووي على وقود نووي ، وتفاعل سلسلة من الانشطار النووي ، ويتم إطلاق الطاقة. تتميز حالة المفاعل النووي بمعامل فعال الكافمضاعفة النيوترونات أو التفاعل ص:

ص \ u003d (ك - 1) / ك إف. (واحد)

اذا كان ك ef> 1 ، ثم ينمو التفاعل المتسلسل بمرور الوقت ، ويكون المفاعل النووي في حالة فوق حرجة وتفاعله هو r > 0 ؛ لو ك ef< 1 ، ثم يتحلل التفاعل ، يكون المفاعل دون الحرج ، r< 0; при ل ¥ = 1 ، r = 0 ، المفاعل في حالة حرجة ، وعملية ثابتة جارية ، وعدد الانشطار ثابت بمرور الوقت. لبدء تفاعل متسلسل أثناء بدء تشغيل مفاعل نووي ، عادةً ما يتم إدخال مصدر للنيوترونات (خليط من Ra و Be ، 252 Cf ، إلخ) في اللب ، على الرغم من أن هذا ليس ضروريًا ، نظرًا للانشطار التلقائي لليورانيوم و الأشعة الكونيةتعطي عددًا كافيًا من النيوترونات الأولية لتطوير تفاعل متسلسل عند ك ef> 1.

تستخدم معظم المفاعلات النووية 235 U كمادة انشطارية ، إذا كان اللب ، بالإضافة إلى الوقود النووي (اليورانيوم الطبيعي أو المخصب) ، يحتوي على وسيط نيوتروني (الجرافيت والماء ومواد أخرى تحتوي على نوى خفيفة ، انظر أدناه). الاعتدال النيوتروني) ، ثم يحدث الجزء الرئيسي من الانقسامات تحت الإجراء نيوترونات حرارية (مفاعل حراري). يمكن لمفاعل نووي حراري نيوتروني أن يستخدم اليورانيوم الطبيعي غير المخصب بـ 235 وحدة (مثل المفاعلات النووية الأولى). إذا لم يكن هناك وسيط في اللب ، فإن الجزء الرئيسي من الانشطار يكون ناتجًا عن نيوترونات سريعة ذات طاقة x n> 10 كيف (مفاعل سريع). مفاعلات نيوترونية وسيطة بطاقة 1-1000 إيف.

حالة الحرجية يكون للمفاعل النووي الشكل:

ك إف \ u003d ك ¥ × ف = 1 , (1)

حيث 1 - P هو احتمال خروج (تسرب) النيوترونات من المنطقة النشطة لمفاعل نووي ، ل ¥ - عامل مضاعفة النيوترونات في قلب الأبعاد الكبيرة بشكل لا نهائي ، والذي يتم تحديده للمفاعلات النووية الحرارية من خلال ما يسمى بـ "صيغة العوامل الأربعة":

ل¥ = نيجو. (2)

هنا n هو متوسط ​​عدد النيوترونات الثانوية (السريعة) الناشئة عن انشطار نواة 235 U بواسطة النيوترونات الحرارية ، e هو عامل الضرب على النيوترونات السريعة (زيادة في عدد النيوترونات بسبب انشطار النوى ، بشكل رئيسي 238 U النوى بواسطة النيوترونات السريعة) ؛ j هو احتمال ألا يتم التقاط النيوترون بواسطة نواة 238 U أثناء عملية التباطؤ ، u هو احتمال أن يتسبب النيوترون الحراري في الانشطار. غالبًا ما تُستخدم القيمة h \ u003d n / (l + a) ، حيث تمثل نسبة المقطع العرضي لالتقاط الإشعاع s p إلى المقطع العرضي للانشطار s d.

يحدد الشرط (1) أبعاد المفاعل النووي على سبيل المثال مفاعل نووي مصنوع من اليورانيوم الطبيعي والجرافيت n = 2.4 هـ »1.03 ، إيجو» 0.44 ، من أين ل¥ = 1.08. هذا يعني أن ل ¥ > 1 مطلوب ص<0,93, что соответствует (как показывает теория Ядерный реактор) размерам активной зоны Ядерный реактор ~ 5-10 م.يصل حجم مفاعل نووي حديث للطاقة إلى المئات م 3ويتم تحديده بشكل أساسي من خلال إمكانيات إزالة الحرارة ، وليس من خلال ظروف الحرجية. يُطلق على حجم المنطقة النشطة لمفاعل نووي في حالة حرجة الحجم الحرج للمفاعل النووي ، وتسمى كتلة المادة الانشطارية الكتلة الحرجة. المفاعل النووي المزود بوقود على شكل محاليل أملاح من نظائر انشطارية نقية في الماء وعاكس نيوتروني مائي له أصغر كتلة حرجة. تساوي هذه الكتلة لـ 235 U 0.8 كلغ، ل 239 بو - 0,5 كلغ . يحتوي 251 Cf على أصغر كتلة حرجة (نظريًا 10 جم). العوامل الحرجة لمفاعل نووي جرافيت مع يورانيوم طبيعي: كتلة اليورانيوم 45 ر، حجم الجرافيت 450 م 3 . لتقليل تسرب النيوترونات ، يُعطى اللب شكلًا كرويًا أو قريبًا من الشكل الكروي ، على سبيل المثال ، أسطوانة بارتفاع بترتيب القطر أو مكعب (أصغر نسبة من السطح إلى الحجم).

تُعرف قيمة n بالنيوترونات الحرارية بدقة 0.3٪ (الجدول 1). مع زيادة الطاقة x n للنيوترون التي تسببت في الانشطار ، تنمو n وفقًا للقانون: n \ u003d n t + 0.15x n (x n in ميف) ، حيث n t يقابل الانشطار بواسطة النيوترونات الحرارية.

فاتورة غير مدفوعة. 1. - القيمتان n و h) للنيوترونات الحرارية (حسب بيانات عام 1977)

عادة ما تكون قيمة (e-1) قليلة في المائة فقط ؛ ومع ذلك ، فإن دور مضاعفة النيوترونات السريعة مهم ، لأنه بالنسبة للمفاعلات النووية الكبيرة ( ل ¥ - 1) << 1 (графитовые Ядерный реактор с естественным ураном, в которых впервые была осуществлена цепная реакция, невозможно было бы создать, если бы не существовало деления на быстрых нейтронах).

يتم تحقيق أقصى قيمة ممكنة لـ J في مفاعل نووي يحتوي فقط على نوى انشطارية. تستخدم مفاعلات الطاقة النووية اليورانيوم المخصب ضعيفًا (تركيز 235 يو إلى 3-5٪) ، وتمتص نوى 238 يو جزءًا لا يستهان به من النيوترونات. وبالتالي ، بالنسبة لخليط طبيعي من نظائر اليورانيوم ، تكون القيمة القصوى لـ nJ = 1.32. عادة لا يتجاوز امتصاص النيوترونات في المهدئ والمواد الإنشائية 5-20٪ من امتصاص جميع نظائر الوقود النووي. من بين المهدئات ، يحتوي الماء الثقيل على أقل امتصاص للنيوترونات والمواد الإنشائية ، Al و Zr.

تقل احتمالية التقاط الرنين للنيوترونات بواسطة 238 يو أثناء التباطؤ (1-ي) بشكل كبير في المفاعلات النووية غير المتجانسة. يرجع الانخفاض (1 - ي) إلى حقيقة أن عدد النيوترونات ذات الطاقات القريبة من الرنين يتناقص بشكل حاد داخل كتلة الوقود وفي امتصاص الرنين ، تشارك فقط الطبقة الخارجية من الكتلة. هيكل غير متجانس يجعل المفاعل النووي من الممكن تنفيذ عملية تسلسلية على اليورانيوم الطبيعي. إنه يقلل من قيمة O ، لكن هذا الخسارة في التفاعل أصغر بكثير من الكسب بسبب انخفاض امتصاص الرنين.

لحساب مفاعل نووي حراري ، من الضروري تحديد طيف النيوترونات الحرارية. إذا كان امتصاص النيوترونات ضعيفًا جدًا وكان للنيوترون وقت للتصادم عدة مرات مع نوى الوسيط قبل الامتصاص ، فعندئذ يتم إنشاء التوازن الديناميكي الحراري (تحويل النيوترونات) بين الوسط المعتدل والغاز النيوتروني ، وطيف الحرارة النيوترونات موصوفة توزيع ماكسويل . في الواقع ، فإن امتصاص النيوترونات في المنطقة النشطة للمفاعل النووي كبير جدًا. هذا يؤدي إلى انحراف عن توزيع ماكسويل - متوسط ​​طاقة النيوترونات أكبر من متوسط ​​طاقة جزيئات الوسط. تتأثر عملية المعالجة الحرارية بحركات النوى والروابط الكيميائية للذرات ، إلخ.

حرق الوقود النووي وتكاثره. أثناء تشغيل المفاعل النووي ، يتغير تكوين الوقود بسبب تراكم شظايا الانشطار فيه (انظر الشكل. نوى الانشطار الذري) ومع التعليم عناصر ما بعد اليورانيوم، نظائر Pu بشكل رئيسي. تأثير الشظايا الانشطارية على التفاعل يسمى المفاعل النووي بالتسمم (للشظايا المشعة) والخبث (للأجزاء المستقرة). يرجع التسمم بشكل رئيسي إلى 135 Xe الذي يحتوي على أكبر مقطع عرضي لامتصاص النيوترونات (2.6 10 6 إسطبل). نصف العمر T 1/2 = 9.2 ساعة ، ومردود الانشطار هو 6-7٪. يتكون الجزء الرئيسي من 135 Xe نتيجة لانحلال 135] ( تي تي اس = 6,8 ح). عند التسمم ، يتغير الكاف بنسبة 1-3٪. يؤدي المقطع العرضي لامتصاص 135 Xe الكبير ووجود النظير 135 I الوسيط إلى ظاهرتين مهمتين: 1) زيادة في تركيز 135 Xe ، وبالتالي انخفاض في تفاعل المفاعل النووي بعد إغلاقه أو تم تقليل قوتها ("حفرة اليود"). وهذا يجعل من الضروري وجود هامش تفاعلي إضافي في الهيئات التنظيمية أو يجعل التوقفات قصيرة الأجل وتقلبات الطاقة مستحيلة. يعتمد عمق ومدة بئر اليود على تدفق النيوترونات Ф: عند Ф = 5 10 13 نيوترون / سم 2 × ثانيةمدة حفرة اليود ~ 30 ح، والعمق أكبر مرتين من التغيير الثابت ك efبسبب التسمم 135 Xe. 2) بسبب التسمم ، التقلبات المكانية والزمانية لتدفق النيوترون ، وبالتالي يمكن أن تحدث الطاقة. المفاعل النووي تحدث هذه التقلبات عند Ф> 10 13 نيوترون / سم 2 × ثانية والأحجام الكبيرة فترات تذبذب المفاعل النووي ~ 10 ح.

عدد الأجزاء المستقرة المختلفة الناتجة عن الانشطار النووي كبير. توجد شظايا ذات مقاطع عرضية كبيرة وصغيرة الامتصاص مقارنةً بالمقطع العرضي للامتصاص للنظير الانشطاري. يصل تركيز الأول إلى التشبع خلال الأيام القليلة الأولى من تشغيل مفاعل نووي (بشكل رئيسي 149 سم ، والذي يغير Keff بنسبة 1 ٪). يزداد تركيز الأخير والتفاعلية السلبية التي أدخلتها خطيًا بمرور الوقت.

يحدث تكوين عناصر عبر اليورانيوم في مفاعل نووي وفقًا للمخططات:

هنا z تعني أسر النيوترون ، والرقم الموجود أسفل السهم هو نصف العمر.

تراكم 239 Pu (الوقود النووي) في بداية التشغيل يحدث المفاعل النووي خطيًا في الوقت المناسب ، وكلما كان أسرع (عند احتراق 235 U ثابتًا) ، انخفض تخصيب اليورانيوم. ثم يميل تركيز 239 Pu إلى قيمة ثابتة ، والتي لا تعتمد على درجة التخصيب ، ولكن يتم تحديدها من خلال نسبة المقاطع العرضية لالتقاط النيوترونات البالغة 238 U و 239 Pu. . الوقت المميز لتأسيس تركيز التوازن 239 بو ~ 3/ F سنوات (F بالوحدات 10 13 نيوترون / سم 2× ثانية). تصل النظائر 240 Pu ، 241 Pu إلى تركيز توازن فقط عندما يُعاد حرق الوقود في مفاعل نووي بعد تجديد الوقود النووي.

يتميز احتراق الوقود النووي بإجمالي الطاقة المنبعثة في المفاعل النووي لكل 1 رالوقود. بالنسبة لمفاعل نووي يعمل باليورانيوم الطبيعي ، يكون الحد الأقصى للاحتراق ~ 10 جي دبليو تي × يوم / ر(مفاعل نووي الماء الثقيل). في مفاعل نووي به يورانيوم منخفض التخصيب (2-3٪ 235 يو) نضوب ~ 20-30 غيغاواط- يوم / ر.في مفاعل نووي نيوتروني سريع - ما يصل إلى 100 غيغاواط- يوم / ر.الإرهاق 1 غيغاواط- يوم / ريتوافق مع احتراق 0.1٪ من الوقود النووي.

مع احتراق الوقود النووي ، تقل فعالية المفاعل النووي (في مفاعل نووي يعمل باليورانيوم الطبيعي ، تحدث بعض الزيادة في التفاعل عند الاحتراق المنخفض). يمكن إجراء استبدال الوقود المحترق على الفور من القلب بالكامل أو تدريجياً على طول قضبان الوقود بحيث توجد قضبان وقود من جميع الأعمار في القلب - وضع التزود بالوقود المستمر (الخيارات الوسيطة ممكنة). في الحالة الأولى ، يكون للمفاعل النووي بوقود جديد تفاعل زائد يجب تعويضه. في الحالة الثانية ، يكون هذا التعويض مطلوبًا فقط عند بدء التشغيل الأولي ، قبل الدخول في وضع التحميل الزائد المستمر. التزود بالوقود المستمر يجعل من الممكن زيادة عمق الاحتراق ، حيث يتم تحديد تفاعل المفاعل النووي من خلال متوسط ​​تركيزات النويدات الانشطارية (يتم تفريغ TVELs مع تركيز أدنى من النويدات الانشطارية). ويبين الجدول 2 تكوين الوقود النووي المستخرج (في كلغ) في مفاعل الماء المضغوطقوة 3 جي دبليو تي.يتم تفريغ القلب بالكامل في وقت واحد بعد تشغيل المفاعل النووي لمدة 3 أعوامو "مقتطفات" 3 أعوام(F = 3 × 10 13 نيوترون / سم 2 × ثانية). التكوين الأولي: 238 يو - 77350 ، 235 يو - 2630 ، 234 يو - 20.

فاتورة غير مدفوعة. 2. - تكوين الوقود المفرغ ، كلغ

إلى الأمام

انتباه! تعد معاينة الشريحة للأغراض الإعلامية فقط وقد لا تمثل النطاق الكامل للعرض التقديمي. إذا كنت مهتمًا بهذا العمل ، فيرجى تنزيل النسخة الكاملة.

أهداف الدرس:

• التعليمية: تحديث المعرفة الموجودة ؛ مواصلة تشكيل المفاهيم: انشطار نوى اليورانيوم ، تفاعل نووي متسلسل ، شروط حدوثه ، الكتلة الحرجة ؛ إدخال مفاهيم جديدة: مفاعل نووي ، والعناصر الرئيسية للمفاعل النووي ، وتصميم مفاعل نووي ومبدأ تشغيله ، والتحكم في التفاعل النووي ، وتصنيف المفاعلات النووية واستخدامها ؛
• النامية: الاستمرار في تكوين القدرة على الملاحظة واستخلاص النتائج ، وكذلك تنمية القدرات الفكرية وفضول الطلاب ؛
• التعليمية: لمواصلة تعليم الموقف تجاه الفيزياء كعلم تجريبي ؛ لزراعة موقف ضميري للعمل والانضباط وموقف إيجابي تجاه المعرفة.

نوع الدرس:تعلم مواد جديدة.

معدات:تركيب الوسائط المتعددة.

خلال الفصول

1. لحظة تنظيمية.

شباب! اليوم في الدرس سنكرر انشطار نوى اليورانيوم ، تفاعل نووي متسلسل ، شروط حدوثه ، الكتلة الحرجة ، سوف نتعلم ماهية المفاعل النووي ، العناصر الرئيسية للمفاعل النووي ، تصميم المفاعل النووي المفاعل ومبدأ تشغيله والتحكم في التفاعل النووي وتصنيف المفاعلات النووية واستخداماتها.

2. فحص المادة المدروسة.

1. آلية انشطار نوى اليورانيوم.
2. صف آلية تفاعل نووي متسلسل.
3. أعط مثالاً على تفاعل انشطار نووي لنواة اليورانيوم.
4. ما يسمى الكتلة الحرجة؟
5. كيف يستمر التفاعل المتسلسل في اليورانيوم إذا كانت كتلته أقل من حرجة ، أكثر من حرجة؟
6. ما هي الكتلة الحرجة لليورانيوم 295 ، هل من الممكن تقليل الكتلة الحرجة؟
7. كيف يمكنك تغيير مسار تفاعل نووي متسلسل؟
8. ما هو الغرض من إبطاء النيوترونات السريعة؟
9. ما هي المواد المستخدمة كوسيط؟
10. بسبب أي عوامل يمكن زيادة عدد النيوترونات الحرة في قطعة من اليورانيوم ، وبالتالي ضمان إمكانية حدوث تفاعل فيها؟

3. شرح المواد الجديدة.

يا رفاق ، أجبوا على هذا السؤال: ما هو الجزء الرئيسي من أي محطة للطاقة النووية؟ ( مفاعل نووي)

أتقنه. لذا ، يا رفاق ، دعونا الآن نتحدث عن هذه المسألة بمزيد من التفصيل.

مرجع التاريخ.

إيغور فاسيليفيتش كورتشاتوف هو عالم فيزياء سوفييتي بارز وأكاديمي ومؤسس وأول مدير لمعهد الطاقة الذرية من عام 1943 إلى عام 1960 ، والزعيم العلمي الأول للمشكلة الذرية في الاتحاد السوفياتي ، وأحد مؤسسي استخدام الطاقة النووية للأغراض السلمية. . أكاديمي في أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية (1943). تم اختبار أول قنبلة ذرية سوفيتية في عام 1949. بعد أربع سنوات ، تم اختبار أول قنبلة هيدروجينية في العالم بنجاح. وفي عام 1949 ، بدأ إيغور فاسيليفيتش كورتشاتوف العمل في مشروع محطة للطاقة النووية. محطة الطاقة النووية رسول الاستخدام السلمي للطاقة الذرية. اكتمل المشروع بنجاح: في 27 يوليو 1954 ، أصبحت محطتنا للطاقة النووية الأولى في العالم! ابتهج كورتشاتوف واستمتع مثل طفل!

تعريف المفاعل النووي.

المفاعل النووي هو جهاز يتم فيه تنفيذ وصيانة تفاعل متسلسل متحكم فيه لانشطار بعض النوى الثقيلة.

تم بناء أول مفاعل نووي في عام 1942 في الولايات المتحدة الأمريكية تحت قيادة E. Fermi. في بلدنا ، تم بناء أول مفاعل في عام 1946 تحت قيادة الرابع كورتشاتوف.

العناصر الرئيسية للمفاعل النووي هي:

• الوقود النووي (اليورانيوم 235 ، اليورانيوم 238 ، البلوتونيوم 239) ؛
• وسيط النيوترون (ماء ثقيل ، جرافيت ، إلخ) ؛
• المبرد لإخراج الطاقة المتولدة أثناء تشغيل المفاعل (ماء ، صوديوم سائل ، إلخ) ؛
• قضبان التحكم (البورون والكادميوم) - تمتص النيوترونات بقوة
• غلاف واقي يؤخر الإشعاع (الخرسانة مع حشو الحديد).

مبدأ التشغيل مفاعل نووي

يقع الوقود النووي في القلب على شكل قضبان عمودية تسمى عناصر الوقود (TVEL). قضبان الوقود مصممة للتحكم في قوة المفاعل.

كتلة كل قضيب وقود أقل بكثير من الكتلة الحرجة ، لذلك لا يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل في قضيب واحد. يبدأ بعد الغمر في المنطقة النشطة لجميع قضبان اليورانيوم.

المنطقة النشطة محاطة بطبقة من المادة تعكس النيوترونات (عاكس) وقشرة واقية من الخرسانة تحبس النيوترونات والجزيئات الأخرى.

إزالة الحرارة من خلايا الوقود. المبرد - يغسل الماء القضيب ، ويسخن إلى 300 درجة مئوية تحت ضغط عالٍ ، ويدخل في المبادلات الحرارية.

دور المبادل الحراري - الماء المسخن إلى 300 درجة مئوية ، يعطي حرارة للماء العادي ، يتحول إلى بخار.

التحكم في التفاعل النووي

يتم التحكم في المفاعل بواسطة قضبان تحتوي على الكادميوم أو البورون. مع تمديد القضبان من قلب المفاعل ، K> 1 ، ومع تراجعي القضبان تمامًا ، K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

مفاعل على نيوترونات بطيئة.

يحدث الانشطار الأكثر كفاءة لنوى اليورانيوم 235 تحت تأثير النيوترونات البطيئة. تسمى هذه المفاعلات مفاعلات نيوترونية بطيئة. تكون النيوترونات الثانوية المنتجة في تفاعل الانشطار سريعة. من أجل أن يكون تفاعلها اللاحق مع نوى اليورانيوم -235 في تفاعل متسلسل أكثر فاعلية ، يتم إبطاء سرعتها عن طريق إدخال وسيط في اللب - وهي مادة تقلل الطاقة الحركية للنيوترونات.

مفاعل نيوتروني سريع.

لا يمكن لمفاعلات النيوترونات السريعة أن تعمل على اليورانيوم الطبيعي. يمكن الحفاظ على التفاعل فقط في خليط مخصب يحتوي على 15٪ على الأقل من نظير اليورانيوم. تتمثل ميزة مفاعلات النيوترونات السريعة في تكوين كمية كبيرة من البلوتونيوم أثناء تشغيلها ، والتي يمكن استخدامها كوقود نووي.

المفاعلات المتجانسة وغير المتجانسة.

المفاعلات النووية ، اعتمادًا على الترتيب المتبادل للوقود والوسيط ، مقسمة إلى متجانسة وغير متجانسة. في مفاعل متجانس ، اللب هو كتلة متجانسة من الوقود ، وسيط ومبرد في شكل محلول أو خليط أو مصهور. يسمى المفاعل غير المتجانس حيث يتم وضع الوقود على شكل كتل أو تجميعات الوقود في الوسيط ، مما يشكل شبكة هندسية منتظمة فيه.

تحويل الطاقة الداخلية للنواة الذرية إلى طاقة كهربائية.

المفاعل النووي هو العنصر الرئيسي لمحطة الطاقة النووية (NPP) ، والتي تحول الطاقة النووية الحرارية إلى طاقة كهربائية. يتم تحويل الطاقة وفق المخطط التالي:

• الطاقة الداخلية لنواة اليورانيوم -
• الطاقة الحركية للنيوترونات وشظايا النوى -
• الطاقة الداخلية للمياه -
• طاقة البخار الداخلية -
• الطاقة الحركية للبخار -
• الطاقة الحركية لدوار التوربين ودوار المولد -
• الطاقة الكهربائية.

استخدام المفاعلات النووية.

اعتمادًا على الغرض ، المفاعلات النووية هي الطاقة والمحولات والمولدات والأبحاث ومتعددة الأغراض والنقل والصناعية.

تُستخدم مفاعلات الطاقة النووية لتوليد الكهرباء في محطات الطاقة النووية ، وفي محطات توليد الطاقة بالسفن ، ومحطات الطاقة والحرارة المشتركة النووية ، وكذلك في محطات إمداد الحرارة النووية.

تسمى المفاعلات المصممة لإنتاج وقود نووي ثانوي من اليورانيوم الطبيعي والثوريوم بالمحولات أو المولدات. يتكون الوقود النووي الثانوي في محول المفاعل أقل مما تم استهلاكه في الأصل.

في المفاعل المولّد ، يتم إجراء الاستنساخ الموسع للوقود النووي ، أي اتضح أكثر مما أنفق.

تستخدم مفاعلات البحث لدراسة عمليات تفاعل النيوترونات مع المادة ، ودراسة سلوك مواد المفاعل في المجالات المكثفة لإشعاع النيوترونات وغاما ، والبحوث الكيميائية الإشعاعية والبيولوجية ، وإنتاج النظائر ، والبحث التجريبي في فيزياء المفاعلات النووية.

المفاعلات لها طاقة مختلفة ، ثابتة أو نبضية. المفاعلات متعددة الأغراض هي مفاعلات تخدم أغراضًا متعددة ، مثل توليد الطاقة وإنتاج الوقود النووي.

الكوارث البيئية في محطات الطاقة النووية

• 1957 - حادث في المملكة المتحدة
• 1966 - الانصهار الجزئي لللب بعد فشل تبريد المفاعل بالقرب من ديترويت.
• 1971 - ذهب الكثير من المياه الملوثة إلى نهر الولايات المتحدة
• 1979 - أكبر حادث في الولايات المتحدة
• 1982 - إطلاق البخار المشع في الغلاف الجوي
• 1983 - حادث مروع في كندا (المياه المشعة تدفقت لمدة 20 دقيقة - طن في الدقيقة)
• 1986 - حادث في المملكة المتحدة
• 1986 - حادث في ألمانيا
• 1986 - محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية
• 1988 - حريق في محطة للطاقة النووية في اليابان

تم تجهيز محطات الطاقة النووية الحديثة بجهاز كمبيوتر ، وفي وقت سابق ، حتى بعد وقوع حادث ، استمرت المفاعلات في العمل ، حيث لم يكن هناك نظام إغلاق تلقائي.

4. تحديد المواد.

1. ما هو المفاعل النووي؟
2. ما هو الوقود النووي في المفاعل؟
3. ما المادة التي تعمل كوسيط نيوتروني في مفاعل نووي؟
4. ما هو الغرض من وسيط النيوترون؟
5. ما هي قضبان التحكم؟ كيف يتم استخدامها؟
6. ما الذي يستخدم كمبرد في المفاعلات النووية؟
7. لماذا من الضروري أن تكون كتلة كل قضيب من اليورانيوم أقل من الكتلة الحرجة؟

5. تنفيذ الاختبار.

1. ما هي الجسيمات التي تدخل في انشطار نوى اليورانيوم؟
   أ. البروتونات
   نيوترونات B.
   ب. الإلكترونات.
   نوى الهليوم G.
2. ما هي كتلة اليورانيوم الحرجة؟
   أ. أكبر تفاعل ممكن عنده ؛
   أي كتلة ؛
   V. أصغر ما يمكن عنده حدوث تفاعل متسلسل ؛
   د- الكتلة التي سيتوقف عندها التفاعل.
3. ما هي الكتلة الحرجة التقريبية لليورانيوم 235؟
   9 كجم ؛
   20 كجم ؛
   50 كجم ؛
   90 كجم.
4. أي من المواد التالية يمكن استخدامها في المفاعلات النووية كوسيط للنيوترونات؟
   ألف الجرافيت
   الكادميوم ؛
   الماء الثقيل.
   ج. بور.
5. لكي يحدث تفاعل نووي متسلسل في محطة طاقة نووية ، من الضروري أن يكون عامل مضاعفة النيوترونات:
   أ يساوي 1 ؛
   أكثر من 1 ؛
   أقل من 1.
6. يتم تنظيم معدل الانشطار لنواة الذرات الثقيلة في المفاعلات النووية:
   أ بسبب امتصاص النيوترونات عند خفض القضبان باستخدام جهاز امتصاص ؛
   بسبب زيادة في إزالة الحرارة مع زيادة سرعة المبرد ؛
   ب- عن طريق زيادة إمداد المستهلكين بالكهرباء ؛
   G. عن طريق تقليل كتلة الوقود النووي في القلب عند إزالة قضبان الوقود.
7. ما هي تحويلات الطاقة التي تحدث في المفاعل النووي؟
   يتم تحويل الطاقة الداخلية للنواة الذرية إلى طاقة ضوئية ؛
   يتم تحويل الطاقة الداخلية للنواة الذرية إلى طاقة ميكانيكية ؛
   يتم تحويل الطاقة الداخلية للنواة الذرية إلى طاقة كهربائية ؛
   لا توجد إجابة صحيحة بين الإجابات.
8. في عام 1946 ، تم بناء أول مفاعل نووي في الاتحاد السوفيتي. من كان قائد هذا المشروع؟
   أ. س. كوروليف ؛
   ب. إ. كورتشاتوف ؛
   في. د. ساخاروف ؛
   G. A. Prokhorov.
9. ما هي الطريقة التي تعتبرها الأنسب لزيادة موثوقية محطات الطاقة النووية ومنع تلوث البيئة الخارجية؟
   أ. تطوير مفاعلات قادرة على تبريد قلب المفاعل تلقائيًا ، بغض النظر عن إرادة المشغل ؛
   زيادة معرفة القراءة والكتابة لعملية NPP ، ومستوى التدريب المهني لمشغلي NPP ؛
   تطوير تقنيات عالية الكفاءة لتفكيك محطات الطاقة النووية ومعالجة النفايات المشعة.
   د- موقع المفاعلات في أعماق الأرض ؛
   هـ- رفض بناء وتشغيل محطات الطاقة النووية.
10. ما هي مصادر التلوث البيئي المرتبطة بتشغيل محطات الطاقة النووية؟
    صناعة اليورانيوم ؛
    المفاعلات النووية بمختلف أنواعها.
    الصناعة الإشعاعية الكيميائية.
    د- أماكن معالجة النفايات المشعة والتخلص منها ؛
    ه. استخدام النويدات المشعة في الاقتصاد الوطني ؛
    هـ- التفجيرات النووية.

الإجابات: 1 ب ؛ 2 فولت ؛ 3 فولت ؛ 4 أ ، ب ؛ 5 أ ؛ 6 أ ؛ 7 فولت ؛. 8 ب ؛ 9 ب. 10 أ ، ب ، ج ، د ، ف.

6. نتائج الدرس.

ما الجديد الذي تعلمته في الدرس اليوم؟

ما الذي أعجبك في الدرس؟

ماهي الأسئلة؟

شكرًا لك على عملك في الدرس!

دائمًا ما يكون تفاعل الانشطار المتسلسل مصحوبًا بإطلاق طاقة هائلة الحجم. الاستخدام العملي لهذه الطاقة هو المهمة الرئيسية للمفاعل النووي.

المفاعل النووي هو جهاز يحدث فيه تفاعل انشطاري نووي متحكم فيه أو متحكم فيه.

وفقًا لمبدأ التشغيل ، تنقسم المفاعلات النووية إلى مجموعتين: مفاعلات نيوترونية حرارية ومفاعلات نيوترونية سريعة.

كيف يعمل مفاعل نووي حراري نيوتروني؟

يحتوي المفاعل النووي النموذجي على:

• الأساسية والمنسق ؛
• عاكس نيوتروني
• المبرد.
• نظام التحكم في رد الفعل المتسلسل ، الحماية في حالات الطوارئ ؛
• نظام التحكم والحماية من الإشعاع ؛
• نظام التحكم عن بعد.

1 - منطقة نشطة 2 - عاكس 3 - الحماية ؛ 4 - قضبان التحكم 5 - المبرد 6 - مضخات 7 - مبادل حراري 8 - التوربينات 9 - المولد 10 - مكثف.

الأساسية والوسيط

في القلب يحدث تفاعل سلسلة الانشطار المتحكم به.

تعمل معظم المفاعلات النووية على نظائر ثقيلة من اليورانيوم 235. لكن في العينات الطبيعية من خام اليورانيوم ، لا يتجاوز محتواها 0.72٪. هذا التركيز لا يكفي لتطور تفاعل متسلسل. لذلك ، يتم إثراء الخام صناعياً ، وبذلك يصل محتوى هذا النظير إلى 3٪.

يتم وضع المواد الانشطارية ، أو الوقود النووي ، على شكل كريات في قضبان محكمة الإغلاق تسمى TVELs (عناصر الوقود). أنها تتخلل كامل المنطقة النشطة مليئة الوسيطالنيوترونات.

لماذا يحتاج المفاعل النووي إلى وسيط نيوتروني؟

الحقيقة هي أن النيوترونات التي ولدت بعد اضمحلال نوى اليورانيوم -235 لها سرعة عالية جدًا. إن احتمال التقاطها بواسطة نوى يورانيوم أخرى أقل بمئات المرات من احتمال التقاط النيوترونات البطيئة. وإذا لم تقلل من سرعتها ، فقد يتلاشى التفاعل النووي بمرور الوقت. الوسيط يحل مشكلة تقليل سرعة النيوترونات. إذا تم وضع الماء أو الجرافيت في مسار النيوترونات السريعة ، فيمكن تقليل سرعتها بشكل مصطنع وبالتالي يمكن زيادة عدد الجسيمات التي تلتقطها الذرات. في الوقت نفسه ، هناك حاجة إلى كمية أقل من الوقود النووي للتفاعل المتسلسل في المفاعل.

نتيجة لعملية التباطؤ ، نيوترونات حرارية، سرعتها عمليا تساوي سرعة الحركة الحرارية لجزيئات الغاز في درجة حرارة الغرفة.

كوسيط في المفاعلات النووية ، يتم استخدام الماء والماء الثقيل (أكسيد الديوتيريوم D 2 O) والبريليوم والجرافيت. لكن أفضل وسيط هو الماء الثقيل D 2 O.

عاكس نيوتروني

لتجنب تسرب النيوترونات إلى البيئة ، يتم إحاطة قلب المفاعل النووي عاكس نيوتروني. كمادة للعاكسات ، غالبًا ما تستخدم نفس المواد كمادة في الوسطاء.

المبرد

تتم إزالة الحرارة المنبعثة أثناء التفاعل النووي باستخدام مبرد. كمبرد في المفاعلات النووية ، غالبًا ما يتم استخدام الماء الطبيعي العادي ، والذي تم تنقيته مسبقًا من الشوائب والغازات المختلفة. ولكن نظرًا لأن الماء يغلي بالفعل عند درجة حرارة 100 ْم وضغط 1 ضغط جوي ، من أجل زيادة نقطة الغليان ، يزداد الضغط في دائرة المبرد الأساسي. يغسل ماء الدائرة الأولية ، التي تدور عبر قلب المفاعل ، قضبان الوقود ، بينما تسخن إلى درجة حرارة 320 ْم. علاوة على ذلك ، داخل المبادل الحراري ، تنبعث الحرارة إلى ماء الدائرة الثانية. يمر التبادل عبر أنابيب التبادل الحراري ، لذلك لا يوجد اتصال مع ماء الدائرة الثانوية. هذا لا يشمل دخول المواد المشعة إلى الدائرة الثانية للمبادل الحراري.

وبعد ذلك يحدث كل شيء كما هو الحال في محطة توليد الطاقة الحرارية. يتحول الماء في الدائرة الثانية إلى بخار. يعمل البخار على تشغيل التوربينات التي تشغل المولد الكهربائي الذي ينتج الكهرباء.

في مفاعلات الماء الثقيل ، المبرد هو الماء الثقيل D 2 O ، وفي المفاعلات ذات المبردات المعدنية السائلة ، يكون معدنًا منصهرًا.

نظام التحكم في التفاعل المتسلسل

تتميز الحالة الحالية للمفاعل بكمية تسمى التفاعلية.

ρ = ( ك -1) / ك ,

ك = ن أنا / ن أنا -1 ,

أين ك هو عامل الضرب النيوتروني ،

ن أنا هو عدد نيوترونات الجيل القادم في تفاعل الانشطار النووي ،

ن أنا -1 , هو عدد نيوترونات الجيل السابق في نفس التفاعل.

اذا كان ك ˃ 1 ، يتراكم التفاعل المتسلسل ، يسمى النظام فوق الحرجةذ. اذا كان ك< 1 ، يتحلل التفاعل المتسلسل ، ويسمى النظام دون الحرجة. في ك = 1 المفاعل في حالة حرجة مستقرة، لأن عدد النوى الانشطارية لا يتغير. في هذه الحالة ، التفاعلية ρ = 0 .

يتم الحفاظ على الحالة الحرجة للمفاعل (عامل مضاعفة النيوترونات المطلوب في مفاعل نووي) عن طريق الحركة قضبان التحكم. تشتمل المواد التي صنعت منها على مواد تمتص النيوترونات. يتحكم دفع أو دفع هذه القضبان في القلب في معدل تفاعل الانشطار النووي.

يوفر نظام التحكم التحكم في المفاعل أثناء بدء التشغيل ، والإغلاق المخطط له ، والتشغيل عند الطاقة ، فضلاً عن الحماية الطارئة للمفاعل النووي. يتم تحقيق ذلك عن طريق تغيير موضع قضبان التحكم.

إذا انحرفت أي من معلمات المفاعل (درجة الحرارة ، والضغط ، ومعدل دوران الطاقة ، واستهلاك الوقود ، وما إلى ذلك) عن القاعدة ، وقد يؤدي ذلك إلى وقوع حادث خاص قضبان الطوارئوهناك توقف سريع للتفاعل النووي.

للتأكد من أن معلمات المفاعل تتوافق مع المعايير ، راقب أنظمة المراقبة والحماية من الإشعاع.

لحماية البيئة من الإشعاع المشع ، يوضع المفاعل في صندوق خرساني سميك.

أنظمة التحكم عن بعد

يتم إرسال جميع الإشارات حول حالة المفاعل النووي (درجة حرارة المبرد ، ومستوى الإشعاع في أجزاء مختلفة من المفاعل ، وما إلى ذلك) إلى لوحة التحكم في المفاعل ومعالجتها في أنظمة الكمبيوتر. يتلقى المشغل جميع المعلومات والتوصيات اللازمة لإزالة بعض الانحرافات.

مفاعلات نيوترونية سريعة

الفرق بين هذا النوع من المفاعلات ومفاعلات النيوترونات الحرارية هو أن النيوترونات السريعة التي تنشأ بعد تحلل اليورانيوم -235 لا تتباطأ ، بل يمتصها اليورانيوم 238 مع تحوله اللاحق إلى بلوتونيوم 239. لذلك ، تُستخدم مفاعلات النيوترونات السريعة لإنتاج البلوتونيوم 239 المستخدم في صنع الأسلحة والطاقة الحرارية ، والتي يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية بواسطة مولدات محطات الطاقة النووية.

والوقود النووي في هذه المفاعلات هو اليورانيوم 238 والمادة الخام اليورانيوم 235.

في خام اليورانيوم الطبيعي ، 99.2745٪ هو اليورانيوم 238. عندما يتم امتصاص نيوترون حراري ، فإنه لا ينشطر ، بل يصبح نظيرًا لليورانيوم 239.

بعد مرور بعض الوقت على تحلل β ، يتحول اليورانيوم 239 إلى نواة النبتونيوم 239:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 هـ

بعد ثاني اضمحلال بيتا ، يتكون البلوتونيوم 239 الانشطاري:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

وأخيرًا ، بعد تحلل ألفا لنواة البلوتونيوم 239 ، يتم الحصول على اليورانيوم 235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

توجد عناصر الوقود بالمواد الخام (اليورانيوم المخصب -235) في قلب المفاعل. هذه المنطقة محاطة بمنطقة تكاثر ، وهي قضبان وقود بالوقود (اليورانيوم المستنفد 238). يتم التقاط النيوترونات السريعة المنبعثة من اللب بعد تحلل اليورانيوم 235 بواسطة نوى اليورانيوم 238. والنتيجة هي البلوتونيوم 239. وهكذا ، يتم إنتاج وقود نووي جديد في مفاعلات نيوترونية سريعة.

تُستخدم المعادن السائلة أو مخاليطها كمبردات في المفاعلات النووية النيوترونية السريعة.

تصنيف وتطبيق المفاعلات النووية

تستخدم المفاعلات النووية بشكل رئيسي في محطات الطاقة النووية. بمساعدتهم ، يتم الحصول على الطاقة الكهربائية والحرارية على نطاق صناعي. تسمى هذه المفاعلات طاقة .

تستخدم المفاعلات النووية على نطاق واسع في أنظمة الدفع للغواصات النووية الحديثة ، والسفن السطحية ، وفي تكنولوجيا الفضاء. أنها تزود الطاقة الكهربائية للمحركات ويسمى مفاعلات النقل .

للبحث العلمي في مجال الفيزياء النووية والكيمياء الإشعاعية ، يتم استخدام تدفقات النيوترونات وأشعة جاما ، والتي يتم الحصول عليها في القلب مفاعلات البحث. لا تتعدى الطاقة المولدة منها 100 ميغاواط ولا تستخدم للأغراض الصناعية.

قوة المفاعلات التجريبية حتى أقل. تصل قيمة بضعة كيلوواط فقط. في هذه المفاعلات ، تمت دراسة الكميات الفيزيائية المختلفة ، والتي تعتبر أهميتها مهمة في تصميم التفاعلات النووية.

ل مفاعلات صناعية مفاعلات لإنتاج النظائر المشعة المستخدمة للأغراض الطبية ، وكذلك في مختلف مجالات الصناعة والتكنولوجيا. مفاعلات تحلية مياه البحر هي أيضًا مفاعلات صناعية.

بالنسبة لشخص عادي ، فإن الأجهزة الحديثة عالية التقنية غامضة وغامضة لدرجة أنه من الصواب عبادتها ، كما كان القدماء يعبدون البرق. دروس الفيزياء المدرسية المليئة بالحسابات الرياضية لا تحل المشكلة. لكن من المثير للاهتمام التحدث حتى عن مفاعل نووي ، مبدأ تشغيله واضح حتى للمراهق.

كيف يعمل المفاعل النووي؟

مبدأ تشغيل هذا الجهاز عالي التقنية كما يلي:

1. عندما يتم امتصاص النيوترون ، يتم استخدام الوقود النووي (غالبًا هذا اليورانيوم 235أو البلوتونيوم 239) يحدث انقسام النواة الذرية ؛
2. يتم إطلاق الطاقة الحركية وإشعاع جاما والنيوترونات الحرة ؛
3. يتم تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية (عندما تتصادم النوى مع الذرات المحيطة) ، يمتص المفاعل نفسه إشعاع جاما ويتحول أيضًا إلى حرارة ؛
4. يتم امتصاص بعض النيوترونات المتولدة بواسطة ذرات الوقود ، مما يتسبب في حدوث تفاعل متسلسل. للسيطرة عليه ، يتم استخدام ماصات ومعدلات النيوترونات ؛
5. بمساعدة المبرد (الماء أو الغاز أو الصوديوم السائل) ، تتم إزالة الحرارة من موقع التفاعل ؛
6. يستخدم البخار المضغوط الناتج عن الماء الساخن لتشغيل التوربينات البخارية ؛
7. بمساعدة المولد ، يتم تحويل الطاقة الميكانيكية لدوران التوربينات إلى تيار كهربائي متناوب.

مقاربات التصنيف

يمكن أن يكون هناك العديد من الأسباب لتصنيف المفاعلات:

• حسب نوع التفاعل النووي. الانشطار (جميع المنشآت التجارية) أو الاندماج (الطاقة النووية الحرارية ، منتشر فقط في بعض المعاهد البحثية) ؛
• بواسطة المبرد. في الغالبية العظمى من الحالات ، يتم استخدام الماء (غليان أو ثقيل) لهذا الغرض. تستخدم الحلول البديلة أحيانًا: معدن سائل (الصوديوم ، سبائك الرصاص البزموت ، الزئبق) ، الغاز (الهيليوم ، ثاني أكسيد الكربون أو النيتروجين) ، الملح المصهور (أملاح الفلوريد) ؛
• بالجيل.الأول هو النماذج الأولية المبكرة ، والتي لم يكن لها أي معنى تجاري. والثاني هو غالبية محطات الطاقة النووية المستخدمة حاليًا والتي تم بناؤها قبل عام 1996. يختلف الجيل الثالث عن الجيل السابق فقط في تحسينات طفيفة. لا يزال العمل على الجيل الرابع جاريًا ؛
• حسب الحالة الكليةالوقود (الغاز لا يزال موجودًا على الورق فقط) ؛
• عن طريق الغرض من الاستخدام(لإنتاج الكهرباء ، تشغيل المحرك ، إنتاج الهيدروجين ، تحلية المياه ، تحويل العناصر ، الحصول على الإشعاع العصبي ، الأغراض النظرية والاستقصائية).

جهاز المفاعل النووي

المكونات الرئيسية للمفاعلات في معظم محطات الطاقة هي:

1. الوقود النووي - مادة ضرورية لإنتاج الحرارة لتوربينات الطاقة (عادة اليورانيوم المنخفض التخصيب) ؛
2. المنطقة النشطة للمفاعل النووي - هذا هو المكان الذي يحدث فيه التفاعل النووي ؛
3. وسيط النيوترونات - يقلل من سرعة النيوترونات السريعة ، ويحولها إلى نيوترونات حرارية ؛
4. مصدر بدء نيوتروني - يستخدم لإطلاق موثوق ومستقر لتفاعل نووي ؛
5. جهاز امتصاص نيوتروني - متوفر في بعض محطات توليد الطاقة لتقليل الفعالية العالية للوقود الطازج ؛
6. هاوتزر نيوترون - يستخدم لإعادة بدء التفاعل بعد إيقافه ؛
7. المبرد (الماء النقي) ؛
8. قضبان التحكم - للتحكم في معدل انشطار نوى اليورانيوم أو البلوتونيوم ؛
9. مضخة مياه - تضخ الماء إلى غلاية البخار ؛
10. توربين بخاري - يحول الطاقة الحرارية للبخار إلى طاقة ميكانيكية دورانية ؛
11. برج التبريد - جهاز لإزالة الحرارة الزائدة في الغلاف الجوي ؛
12. نظام استقبال وتخزين النفايات المشعة.
13. أنظمة الأمان (مولدات الديزل للطوارئ ، أجهزة التبريد الأساسي للطوارئ).

كيف تعمل أحدث الموديلات

سيكون أحدث جيل رابع من المفاعلات متاحًا للتشغيل التجاري ليس قبل عام 2030. حاليا ، مبدأ وترتيب عملهم في مرحلة التطوير. وفقًا للبيانات الحالية ، ستختلف هذه التعديلات عن النماذج الحالية في مثل هذا فوائد:

• نظام تبريد غازي سريع. من المفترض أن الهليوم سوف يستخدم كمبرد. وفقًا لوثائق التصميم ، يمكن تبريد المفاعلات بدرجة حرارة 850 درجة مئوية بهذه الطريقة. للعمل في درجات حرارة عالية ، هناك حاجة أيضًا إلى مواد خام محددة: مواد السيراميك المركبة ومركبات الأكتينيد ؛
• من الممكن استخدام الرصاص أو سبيكة الرصاص البزموت كمبرد أولي. تتميز هذه المواد بامتصاص نيوتروني منخفض ودرجة انصهار منخفضة نسبيًا ؛
• أيضًا ، يمكن استخدام خليط من الأملاح المنصهرة كمبرد رئيسي. وبالتالي ، سيكون من الممكن العمل في درجات حرارة أعلى من مثيلاتها الحديثة المبردة بالماء.

نظائرها الطبيعية في الطبيعة

يُنظر إلى المفاعل النووي في ذهن الجمهور فقط على أنه نتاج تكنولوجيا عالية. ومع ذلك ، في الواقع الأول الجهاز من أصل طبيعي. تم اكتشافه في منطقة أوكلو ، في دولة الجابون بوسط إفريقيا:

• تم تشكيل المفاعل نتيجة غمر صخور اليورانيوم بالمياه الجوفية. قاموا بدور الوسطاء النيوترونيين.
• الطاقة الحرارية المنبعثة أثناء اضمحلال اليورانيوم تحول الماء إلى بخار ، ويتوقف التفاعل المتسلسل ؛
• بعد انخفاض درجة حرارة سائل التبريد ، يتكرر كل شيء مرة أخرى ؛
• إذا لم يغلي السائل وأوقف مسار رد الفعل ، لكانت البشرية قد واجهت كارثة طبيعية جديدة ؛
• بدأ الانشطار النووي الذاتي في هذا المفاعل منذ حوالي مليار ونصف المليار سنة. خلال هذا الوقت ، تم تخصيص حوالي 0.1 مليون واط من طاقة الإخراج ؛
• هذه العجائب من العالم على الأرض هي الوحيدة المعروفة. ظهور مواد جديدة أمر مستحيل: نسبة اليورانيوم 235 في المواد الخام الطبيعية أقل بكثير من المستوى اللازم للحفاظ على تفاعل متسلسل.

كم عدد المفاعلات النووية في كوريا الجنوبية؟

إن جمهورية كوريا فقيرة في الموارد الطبيعية ، لكنها صناعية ومكتظة بالسكان ، في حاجة ماسة إلى الطاقة. على خلفية رفض ألمانيا للذرة السلمية ، فإن هذا البلد لديه آمال كبيرة في كبح التكنولوجيا النووية:

• ومن المقرر أنه بحلول عام 2035 ستصل حصة الكهرباء المولدة من محطات الطاقة النووية إلى 60٪ ، والإنتاج الإجمالي - أكثر من 40 جيجاوات ؛
• لا تمتلك البلاد أسلحة ذرية ، لكن الأبحاث في الفيزياء النووية مستمرة. طور العلماء الكوريون تصميمات للمفاعلات الحديثة: معيارية ، هيدروجين ، مع معدن سائل ، إلخ ؛
• يتيح لك نجاح الباحثين المحليين بيع التكنولوجيا في الخارج. ومن المتوقع أن تصدر الدولة 80 وحدة من هذا القبيل خلال 15-20 سنة القادمة ؛
• ولكن اعتبارًا من اليوم ، تم بناء معظم محطات الطاقة النووية بمساعدة علماء أمريكيين أو فرنسيين.
• عدد محطات التشغيل صغير نسبيًا (أربعة فقط) ، لكن لكل منها عدد كبير من المفاعلات - 40 في المجموع ، وسيزداد هذا الرقم.

عندما يتم قصفه بالنيوترونات ، يدخل الوقود النووي في تفاعل متسلسل ، ونتيجة لذلك يتم توليد كمية هائلة من الحرارة. يأخذ الماء في النظام هذه الحرارة ويحولها إلى بخار يحول التوربينات التي تنتج الكهرباء. فيما يلي رسم تخطيطي بسيط لتشغيل مفاعل ذري ، أقوى مصدر للطاقة على الأرض.

فيديو: كيف تعمل المفاعلات النووية

في هذا الفيديو ، سيخبرك الفيزيائي النووي فلاديمير تشيكين كيف يتم توليد الكهرباء في المفاعلات النووية ، هيكلها التفصيلي:

المفاعل النووي يعمل بسلاسة ودقة. خلاف ذلك ، كما تعلم ، ستكون هناك مشكلة. لكن ما الذي يحدث بالداخل؟ دعونا نحاول صياغة مبدأ تشغيل مفاعل نووي (ذري) بإيجاز ، وبوضوح ، مع توقفات.

في الواقع ، نفس العملية تجري هناك كما في التفجير النووي. الآن فقط يحدث الانفجار بسرعة كبيرة ، ويمتد كل هذا في المفاعل لفترة طويلة. في النهاية ، كل شيء يبقى آمناً وسليماً ، ونحصل على الطاقة. ليس كثيرًا لدرجة أن كل شيء تحطم على الفور ، ولكن ما يكفي لتوفير الكهرباء للمدينة.

كيف يعمل المفاعل أبراج التبريد NPP
قبل أن تفهم كيف يعمل التفاعل النووي الخاضع للرقابة ، عليك أن تعرف ماهية التفاعل النووي بشكل عام.

التفاعل النووي هو عملية تحول (انشطار) النوى الذرية أثناء تفاعلها مع الجسيمات الأولية وكوانتا جاما.

يمكن أن تحدث التفاعلات النووية مع كل من الامتصاص وإطلاق الطاقة. تستخدم التفاعلات الثانية في المفاعل.

المفاعل النووي هو جهاز يهدف إلى الحفاظ على تفاعل نووي متحكم فيه مع إطلاق الطاقة.

غالبًا ما يُطلق على المفاعل النووي أيضًا اسم مفاعل نووي. لاحظ أنه لا يوجد فرق جوهري هنا ، ولكن من وجهة نظر العلم فمن الأصح استخدام كلمة "نووي". يوجد الآن أنواع عديدة من المفاعلات النووية. هذه مفاعلات صناعية ضخمة مصممة لتوليد الطاقة في محطات الطاقة والمفاعلات البحرية النووية والمفاعلات التجريبية الصغيرة المستخدمة في التجارب العلمية. حتى أن هناك مفاعلات تستخدم لتحلية مياه البحر.

تاريخ إنشاء مفاعل نووي

تم إطلاق أول مفاعل نووي في عام 1942 غير البعيد. حدث ذلك في الولايات المتحدة الأمريكية تحت قيادة فيرمي. أطلق على هذا المفاعل اسم "Chicago woodpile".

في عام 1946 ، بدأ أول مفاعل سوفيتي تحت قيادة كورتشاتوف. كان جسم هذا المفاعل عبارة عن كرة قطرها سبعة أمتار. لم يكن لدى المفاعلات الأولى نظام تبريد ، وكانت قوتها ضئيلة. بالمناسبة ، كان متوسط ​​قوة المفاعل السوفيتي 20 واط ، بينما كان للمفاعل الأمريكي 1 واط فقط. للمقارنة: متوسط ​​قوة مفاعلات الطاقة الحديثة 5 جيجاوات. بعد أقل من عشر سنوات على إطلاق المفاعل الأول ، تم افتتاح أول محطة للطاقة النووية الصناعية في العالم في مدينة أوبنينسك.

مبدأ تشغيل المفاعل النووي (الذري)

يتكون أي مفاعل نووي من عدة أجزاء: قلب مزود بوقود ومهدئ ، وعاكس نيوتروني ، ومبرد ، ونظام تحكم وحماية. غالبًا ما تستخدم نظائر اليورانيوم (235 ، 238 ، 233) ، البلوتونيوم (239) والثوريوم (232) كوقود في المفاعلات. المنطقة النشطة عبارة عن غلاية يتدفق من خلالها الماء العادي (المبرد). من بين المبردات الأخرى ، يقل استخدام "الماء الثقيل" والجرافيت السائل. إذا تحدثنا عن تشغيل محطة للطاقة النووية ، فسيتم استخدام مفاعل نووي لتوليد الحرارة. يتم توليد الكهرباء نفسها بنفس الطريقة كما في أنواع أخرى من محطات توليد الطاقة - يقوم البخار بتدوير التوربينات ، ويتم تحويل طاقة الحركة إلى طاقة كهربائية.

يوجد أدناه رسم تخطيطي لتشغيل مفاعل نووي.

مخطط تشغيل مفاعل نووي مخطط مفاعل نووي في محطة للطاقة النووية

كما قلنا من قبل ، فإن اضمحلال نواة اليورانيوم الثقيل ينتج عناصر أخف وعدد قليل من النيوترونات. تتصادم النيوترونات الناتجة مع نوى أخرى ، مما يؤدي أيضًا إلى انشطارها. في هذه الحالة ، ينمو عدد النيوترونات مثل الانهيار الجليدي.

هنا من الضروري ذكر عامل الضرب النيوتروني. لذلك ، إذا تجاوز هذا المعامل قيمة تساوي واحدًا ، يحدث انفجار نووي. إذا كانت القيمة أقل من واحد ، فهناك عدد قليل جدًا من النيوترونات ويموت التفاعل. لكن إذا حافظت على قيمة المعامل تساوي واحدًا ، فسيستمر التفاعل لفترة طويلة ومستقرة.

السؤال هو كيف نفعل ذلك؟ يوجد الوقود في المفاعل فيما يسمى بعناصر الوقود (TVELs). هذه قضبان تحتوي على وقود نووي على شكل كريات صغيرة. ترتبط قضبان الوقود بأشرطة سداسية الشكل ، يمكن أن يوجد المئات منها في المفاعل. توجد الكاسيت المزودة بقضبان الوقود عموديًا ، بينما يحتوي كل قضيب وقود على نظام يسمح لك بضبط عمق الانغماس في القلب. بالإضافة إلى الكاسيتات نفسها ، يوجد بينها قضبان تحكم وقضبان حماية للطوارئ. القضبان مصنوعة من مادة تمتص النيوترونات جيدًا. وبالتالي ، يمكن إنزال قضبان التحكم إلى أعماق مختلفة في القلب ، وبالتالي تعديل عامل مضاعفة النيوترونات. تم تصميم قضبان الطوارئ لإغلاق المفاعل في حالة الطوارئ.

كيف بدأ مفاعل نووي؟

لقد توصلنا إلى مبدأ التشغيل ذاته ، ولكن كيف نبدأ ونجعل المفاعل يعمل؟ بشكل تقريبي ، ها هو - قطعة من اليورانيوم ، لكن بعد كل شيء ، لا يبدأ التفاعل المتسلسل فيها من تلقاء نفسها. الحقيقة هي أنه في الفيزياء النووية يوجد مفهوم الكتلة الحرجة.

وقود نووي وقود نووي

الكتلة الحرجة هي كتلة المادة الانشطارية اللازمة لبدء تفاعل نووي متسلسل.

بمساعدة عناصر الوقود وقضبان التحكم ، يتم إنشاء الكتلة الحرجة للوقود النووي أولاً في المفاعل ، ثم يتم نقل المفاعل إلى مستوى الطاقة الأمثل على عدة مراحل.

سوف يعجبك: حيل الرياضيات للعلوم الإنسانية والطلاب غير البشر (الجزء الأول)
في هذه المقالة ، حاولنا أن نقدم لك فكرة عامة عن هيكل ومبدأ تشغيل المفاعل النووي (الذري). إذا كان لا يزال لديك أسئلة حول الموضوع أو طرحت الجامعة مشكلة في الفيزياء النووية - يرجى الاتصال بالمتخصصين في شركتنا. نحن ، كالعادة ، على استعداد لمساعدتك في حل أي قضية ملحة تتعلق بدراستك. في غضون ذلك ، نحن نقوم بذلك ، انتباهك فيديو تعليمي آخر!

blog / kak-rabotaet-yadernyj-reaktor /