Ako vyzerá reaktor? Jadrový reaktor: princíp činnosti, charakteristika, popis

Jadrový reaktor funguje hladko a efektívne. V opačnom prípade, ako viete, budú problémy. Ale čo sa deje vo vnútri? Skúsme stručne, prehľadne, so zastávkami sformulovať princíp fungovania jadrového (jadrového) reaktora.

V podstate sa tam deje rovnaký proces ako pri jadrovom výbuchu. Len k výbuchu dôjde veľmi rýchlo, ale v reaktore sa to všetko naťahuje na dlhú dobu. Výsledkom je, že všetko zostáva bezpečné a zdravé a dostávame energiu. Nie až tak, že by sa naraz zničilo všetko naokolo, ale úplne postačujúce na to, aby do mesta zabezpečili elektrinu.

Ako funguje reaktor Chladiace veže jadrovej elektrárne
Predtým, ako pochopíte, ako prebieha riadená jadrová reakcia, musíte vedieť, čo je jadrová reakcia vo všeobecnosti.

Jadrová reakcia je proces transformácie (štiepenia) atómových jadier, keď interagujú s elementárnymi časticami a gama lúčmi.

Jadrové reakcie môžu prebiehať pri absorpcii aj uvoľňovaní energie. Reaktor využíva druhé reakcie.

Jadrový reaktor je zariadenie, ktorého účelom je udržiavať riadenú jadrovú reakciu s uvoľňovaním energie.

Jadrový reaktor sa často nazýva aj atómový reaktor. Všimnime si, že tu nie je žiadny zásadný rozdiel, ale z hľadiska vedy je správnejšie používať slovo „jadrový“. V súčasnosti existuje veľa typov jadrových reaktorov. Ide o obrovské priemyselné reaktory určené na výrobu energie v elektrárňach, jadrové reaktory ponoriek, malé experimentálne reaktory používané pri vedeckých experimentoch. Existujú dokonca reaktory používané na odsoľovanie morskej vody.

História vzniku jadrového reaktora

Prvý jadrový reaktor bol spustený v nie tak vzdialenom roku 1942. Stalo sa tak v USA pod vedením Fermiho. Tento reaktor sa nazýval Chicago Woodpile.

V roku 1946 začal fungovať prvý sovietsky reaktor, spustený pod vedením Kurčatova. Telo tohto reaktora bola guľa s priemerom sedem metrov. Prvé reaktory nemali chladiaci systém a ich výkon bol minimálny. Mimochodom, sovietsky reaktor mal priemerný výkon 20 wattov a americký iba 1 watt. Pre porovnanie: priemerný výkon moderných energetických reaktorov je 5 gigawattov. Necelých desať rokov po spustení prvého reaktora bola v meste Obninsk otvorená prvá priemyselná jadrová elektráreň na svete.

Princíp činnosti jadrového (jadrového) reaktora

Každý jadrový reaktor má niekoľko častí: jadro s palivom a moderátorom, neutrónový reflektor, chladiacu kvapalinu, riadiaci a ochranný systém. Ako palivo v reaktoroch sa najčastejšie používajú izotopy uránu (235, 238, 233), plutónia (239) a tória (232). Jadrom je kotol, cez ktorý prúdi obyčajná voda (chladiaca kvapalina). Spomedzi iných chladív sa menej bežne používa „ťažká voda“ a tekutý grafit. Ak hovoríme o prevádzke jadrových elektrární, tak na výrobu tepla sa využíva jadrový reaktor. Samotná elektrina sa vyrába rovnakým spôsobom ako v iných typoch elektrární – para roztáča turbínu a energia pohybu sa premieňa na elektrickú energiu.

Nižšie je uvedený diagram činnosti jadrového reaktora.

schéma prevádzky jadrového reaktora Schéma jadrového reaktora v jadrovej elektrárni

Ako sme už povedali, pri rozpade ťažkého jadra uránu vznikajú ľahšie prvky a niekoľko neutrónov. Výsledné neutróny sa zrážajú s inými jadrami, čo tiež spôsobuje ich štiepenie. Zároveň počet neutrónov rastie ako lavína.

Tu treba spomenúť multiplikačný faktor neutrónov. Ak teda tento koeficient prekročí hodnotu rovnajúcu sa jednej, dôjde k jadrovému výbuchu. Ak je hodnota menšia ako jedna, neutrónov je príliš málo a reakcia vyhasne. Ale ak udržíte hodnotu koeficientu rovnú jednej, reakcia bude prebiehať dlho a stabilne.

Otázkou je, ako to urobiť? V reaktore je palivo obsiahnuté v takzvaných palivových článkoch (palivové články). Ide o tyče, ktoré obsahujú jadrové palivo vo forme malých tabliet. Palivové tyče sú spojené do kaziet šesťuholníkového tvaru, ktorých môžu byť v reaktore stovky. Kazety s palivovými tyčami sú usporiadané vertikálne a každá palivová tyč má systém, ktorý umožňuje nastaviť hĺbku jej ponorenia do jadra. Okrem samotných kaziet sú medzi nimi ovládacie tyče a tyče núdzovej ochrany. Tyčinky sú vyrobené z materiálu, ktorý dobre pohlcuje neutróny. Regulačné tyče tak môžu byť spustené do rôznych hĺbok v jadre, čím sa upraví faktor násobenia neutrónov. Havarijné tyče sú určené na odstavenie reaktora v prípade núdze.

Ako sa spúšťa jadrový reaktor?

Prišli sme na samotný princíp fungovania, ale ako spustiť a zabezpečiť fungovanie reaktora? Zhruba povedané, tu to je - kúsok uránu, ale reťazová reakcia v ňom nezačína sama od seba. Faktom je, že v jadrovej fyzike existuje koncept kritického množstva.

Jadrové palivoJadrové palivo

Kritická hmotnosť je množstvo štiepneho materiálu potrebného na spustenie jadrovej reťazovej reakcie.

Pomocou palivových tyčí a regulačných tyčí sa najskôr v reaktore vytvorí kritické množstvo jadrového paliva a následne sa reaktor v niekoľkých stupňoch uvedie na optimálnu úroveň výkonu.

Bude sa vám páčiť: Matematické triky pre študentov humanitných odborov a nie až tak (1. časť)
V tomto článku sme sa vám pokúsili poskytnúť všeobecnú predstavu o štruktúre a princípe fungovania jadrového (jadrového) reaktora. Ak máte akékoľvek otázky k danej téme alebo ste boli požiadaní o problém z jadrovej fyziky na univerzite, obráťte sa na špecialistov našej spoločnosti. Ako obvykle, sme pripravení pomôcť vám vyriešiť akýkoľvek naliehavý problém týkajúci sa vášho štúdia. A keď už sme pri tom, tu je pre vašu pozornosť ďalšie vzdelávacie video!

blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

: ... celkom banálne, no stále som nenašiel informáciu v stráviteľnej forme – ako ZAČÍNA fungovať jadrový reaktor. Všetko o princípe a štruktúre práce už bolo prežuté viac ako 300-krát a je jasné, ale tu je návod, ako sa palivo získava a z čoho a prečo nie je také nebezpečné, kým nie je v reaktore a prečo nereaguje skôr, ako je ponorený do reaktora! - hreje sa predsa len vo vnútri, napriek tomu je palivo pred naložením studené a všetko je v poriadku, takže nie je celkom jasné, čo spôsobuje zahrievanie článkov, ako sú ovplyvnené a pod, najlepšie nie vedecky).

Samozrejme, je ťažké ohraničiť takúto tému nevedeckým spôsobom, ale skúsim to. Poďme najprv zistiť, čo sú tieto palivové tyče.

Jadrové palivo sú čierne tablety s priemerom asi 1 cm a výškou asi 1,5 cm. Obsahujú 2 % oxidu uraničitého 235 a 98 % uránu 238, 236, 239. Vo všetkých prípadoch pri akomkoľvek množstve jadrového paliva jadrový výbuch nemôže vzniknúť, pretože pre lavínovú rýchlu štiepnu reakciu charakteristickú pre jadrový výbuch je potrebná koncentrácia uránu 235 vyššia ako 60 %.

Dvesto peliet jadrového paliva je naložených do trubice vyrobenej zo zirkónového kovu. Dĺžka tejto trubice je 3,5 m. priemer 1,35 cm.Táto trubica sa nazýva palivový článok - palivový článok. 36 palivových tyčí je zostavených do kazety (iný názov je „montáž“).

Konštrukcia palivového článku reaktora RBMK: 1 - zátka; 2 - tablety oxidu uraničitého; 3 - zirkónový plášť; 4 - pružina; 5 - puzdro; 6 - hrot.

Transformácia látky je sprevádzaná uvoľnením voľnej energie iba vtedy, ak má látka rezervu energie. To znamená, že mikročastice látky sú v stave s pokojovou energiou väčšou ako v inom možnom stave, do ktorého existuje prechod. Spontánnemu prechodu vždy bráni energetická bariéra, na prekonanie ktorej musí mikročastica prijať zvonku určité množstvo energie – excitačnej energie. Exoenergetická reakcia spočíva v tom, že pri transformácii po excitácii sa uvoľní viac energie, ako je potrebné na vybudenie procesu. Existujú dva spôsoby, ako prekonať energetickú bariéru: buď vďaka kinetickej energii zrážaných častíc, alebo vďaka väzbovej energii spájajúcej sa častice.

Ak vezmeme do úvahy makroskopickú škálu uvoľňovania energie, potom všetky alebo spočiatku aspoň niektoré častice látky musia mať kinetickú energiu potrebnú na vybudenie reakcií. To je možné dosiahnuť len zvýšením teploty média na hodnotu, pri ktorej sa energia tepelného pohybu blíži k energetickému prahu obmedzujúcemu priebeh procesu. V prípade molekulárnych premien, teda chemických reakcií, je takéto zvýšenie zvyčajne stoviek stupňov Kelvina, ale v prípade jadrových reakcií je to najmenej 107 K kvôli veľmi vysokej výške Coulombových bariér kolidujúcich jadier. Tepelná excitácia jadrových reakcií sa v praxi uskutočňuje len pri syntéze najľahších jadier, v ktorých sú Coulombove bariéry minimálne (termonukleárna fúzia).

Excitácia spájaním častíc nevyžaduje veľkú kinetickú energiu, a preto nezávisí od teploty média, pretože k nej dochádza v dôsledku nevyužitých väzieb, ktoré sú súčasťou príťažlivých síl častíc. Ale na vybudenie reakcií sú potrebné samotné častice. A ak opäť nemáme na mysli samostatný akt reakcie, ale výrobu energie v makroskopickom meradle, potom je to možné len vtedy, keď dôjde k reťazovej reakcii. Tá nastáva vtedy, keď sa častice, ktoré vzrušujú reakciu, znovu objavia ako produkty exoenergetickej reakcie.

Na riadenie a ochranu jadrového reaktora sa používajú riadiace tyče, ktoré sa dajú posúvať po celej výške aktívnej zóny. Tyčinky sú vyrobené z látok, ktoré silne pohlcujú neutróny – napríklad bór alebo kadmium. Keď sú tyče zasunuté hlboko, reťazová reakcia sa stáva nemožnou, pretože neutróny sú silne absorbované a odstránené z reakčnej zóny.

Prúty sa pohybujú diaľkovo z ovládacieho panela. Pri miernom pohybe tyčí sa reťazový proces buď rozvinie alebo vybledne. Týmto spôsobom sa reguluje výkon reaktora.

Leningradská JE, reaktor RBMK

Začiatok prevádzky reaktora:

V počiatočnom okamihu po prvom naložení paliva neprebieha v reaktore reťazová štiepna reakcia, reaktor je v podkritickom stave. Teplota chladiacej kvapaliny je výrazne nižšia ako prevádzková teplota.

Ako sme tu už spomenuli, na spustenie reťazovej reakcie musí štiepny materiál vytvoriť kritickú masu - dostatočné množstvo samovoľne štiepiteľného materiálu v dostatočne malom priestore, čo je podmienka, pri ktorej musí byť počet neutrónov uvoľnených počas jadrového štiepenia väčší ako počet absorbovaných neutrónov. Dá sa to dosiahnuť zvýšením obsahu uránu-235 (množstvo naložených palivových tyčí), alebo spomalením rýchlosti neutrónov, aby nepreleteli okolo jadier uránu-235.

Reaktor sa uvedie do chodu v niekoľkých stupňoch. Pomocou regulátorov reaktivity sa reaktor prevedie do nadkritického stavu Kef>1 a výkon reaktora sa zvýši na úroveň 1-2% nominálneho. V tomto štádiu sa reaktor zahrieva na prevádzkové parametre chladiva a rýchlosť ohrevu je obmedzená. Počas procesu ohrevu ovládače udržiavajú výkon na konštantnej úrovni. Potom sa spustia obehové čerpadlá a uvedie sa do prevádzky systém odvodu tepla. Potom môže byť výkon reaktora zvýšený na ľubovoľnú úroveň v rozsahu od 2 do 100 % menovitého výkonu.

Keď sa reaktor zahrieva, reaktivita sa mení v dôsledku zmien teploty a hustoty materiálov aktívnej zóny. Niekedy sa počas zahrievania mení relatívna poloha jadra a ovládacích prvkov, ktoré vstupujú do jadra alebo z neho vystupujú, čo spôsobuje reaktivitu pri absencii aktívneho pohybu ovládacích prvkov.

Regulácia pevnými, pohyblivými absorpčnými prvkami

Na rýchlu zmenu reaktivity sa v drvivej väčšine prípadov používajú pevné pohyblivé absorbéry. V reaktore RBMK obsahujú riadiace tyče puzdrá z karbidu bóru uzavreté v rúrke z hliníkovej zliatiny s priemerom 50 alebo 70 mm. Každá regulačná tyč je umiestnená v samostatnom kanáli a je chladená vodou z okruhu riadiaceho a ochranného systému (riadiaci a ochranný systém) na priemernú teplotu 50 °C. Podľa účelu sa tyče delia na AZ (havarijná ochrana ) prúty, takýchto prútov je v RBMK 24. Tyče automatického riadenia - 12 kusov, tyče lokálneho automatického riadenia - 12 kusov, tyče manuálneho riadenia - 131 a 32 skrátených tyčí absorbéra (USP). Spolu je to 211 prútov. Navyše, skrátené tyče sú vložené do jadra zospodu, zvyšok zhora.

reaktor VVER 1000. 1 - pohon riadiaceho systému; 2 - kryt reaktora; 3 - teleso reaktora; 4 - blok ochranných rúr (BZT); 5 - hriadeľ; 6 - kryt jadra; 7 - palivové články (FA) a regulačné tyče;

Horľavé absorbčné prvky.

Na kompenzáciu nadmernej reaktivity po naložení čerstvého paliva sa často používajú horľavé absorbéry. Princíp fungovania spočíva v tom, že podobne ako palivo po zachytení neutrónu následne prestanú neutróny absorbovať (vyhorieť). Okrem toho je rýchlosť poklesu v dôsledku absorpcie neutrónov jadrami absorbéra menšia alebo rovná rýchlosti poklesu v dôsledku štiepenia jadier paliva. Ak jadro reaktora zaťažíme palivom určeným na prevádzku na rok, potom je zrejmé, že počet jadier štiepneho paliva na začiatku prevádzky bude väčší ako na konci a prebytok reaktivity musíme kompenzovať umiestnením absorbérov. v jadre. Ak sa na tento účel použijú regulačné tyče, musíme nimi neustále pohybovať, keď sa počet palivových jadier znižuje. Použitie horľavých absorbérov znižuje použitie pohyblivých tyčí. V súčasnosti sa horľavé absorbenty často pridávajú priamo do palivových peliet pri ich výrobe.

Kontrola reaktivity tekutín.

Takáto regulácia sa využíva najmä pri prevádzke reaktora typu VVER, do chladiva sa zavádza kyselina boritá H3BO3 s obsahom 10B jadier absorbujúcich neutróny. Zmenou koncentrácie kyseliny boritej v dráhe chladiva tým meníme reaktivitu v aktívnej zóne. Počas počiatočného obdobia prevádzky reaktora, keď je veľa palivových jadier, je koncentrácia kyseliny maximálna. Ako palivo horí, koncentrácia kyseliny klesá.

Mechanizmus reťazovej reakcie

Jadrový reaktor môže pracovať pri danom výkone dlhodobo len vtedy, ak má na začiatku prevádzky rezervu reaktivity. Výnimkou sú podkritické reaktory s externým zdrojom tepelných neutrónov. Uvoľňovanie viazanej reaktivity pri jej znižovaní z prirodzených dôvodov zabezpečuje udržanie kritického stavu reaktora v každom okamihu jeho prevádzky. Počiatočná rezerva reaktivity je vytvorená konštrukciou jadra s rozmermi výrazne presahujúcimi kritické. Aby sa zabránilo tomu, že sa reaktor stane superkritickým, súčasne sa umelo zníži k0 živného média. Dosahuje sa to zavedením látok absorbujúcich neutróny do jadra, ktoré je možné následne z jadra odstrániť. Rovnako ako v riadiacich prvkoch reťazovej reakcie sú absorbčné látky obsiahnuté v materiáli tyčí jedného alebo druhého prierezu, ktoré sa pohybujú cez zodpovedajúce kanály v jadre. Ak však na reguláciu stačí jedna alebo dve alebo niekoľko tyčí, potom na kompenzáciu počiatočnej nadmernej reaktivity môže počet tyčí dosiahnuť stovky. Tieto tyče sa nazývajú kompenzačné tyče. Riadiace a kompenzačné tyče nemusia nevyhnutne predstavovať rôzne dizajnové prvky. Množstvo kompenzačných tyčí môže byť riadiacich tyčí, ale funkcie oboch sú odlišné. Regulačné tyče sú navrhnuté tak, aby udržali kritický stav kedykoľvek, zastavili a spustili reaktor a prešli z jednej úrovne výkonu na druhú. Všetky tieto operácie vyžadujú malé zmeny reaktivity. Z aktívnej zóny reaktora sa postupne odstraňujú kompenzačné tyče, ktoré zabezpečujú kritický stav počas celej doby jeho prevádzky.

Niekedy nie sú riadiace tyče vyrobené z absorpčných materiálov, ale zo štiepneho materiálu alebo rozptylového materiálu. V tepelných reaktoroch ide najmä o absorbéry neutrónov, účinné rýchle absorbéry neutrónov neexistujú. Absorbéry ako kadmium, hafnium a iné silne absorbujú iba tepelné neutróny v dôsledku blízkosti prvej rezonancie k tepelnej oblasti a mimo nej sa svojimi absorpčnými vlastnosťami nelíšia od iných látok. Výnimkou je bór, ktorého prierez absorpcie neutrónov klesá s energiou oveľa pomalšie ako u uvedených látok podľa l/v zákona. Preto bór absorbuje rýchle neutróny, hoci slabo, ale o niečo lepšie ako iné látky. Materiál absorbéra v reaktore s rýchlymi neutrónmi môže byť iba bór, ak je to možné, obohatený o izotop 10B. Okrem bóru sa na regulačné tyče v reaktoroch s rýchlymi neutrónmi používajú aj štiepne materiály. Kompenzačná tyč vyrobená zo štiepneho materiálu plní rovnakú funkciu ako tyč absorbéra neutrónov: zvyšuje reaktivitu reaktora, pričom sa prirodzene znižuje. Na rozdiel od absorbéra sa však takáto tyč nachádza mimo aktívnej zóny na začiatku prevádzky reaktora a následne sa zavádza do aktívnej zóny.

Rozptyľovacie materiály používané v rýchlych reaktoroch sú nikel, ktorý má rozptylový prierez pre rýchle neutróny o niečo väčší ako prierezy iných látok. Rozptyľové tyče sú umiestnené pozdĺž obvodu aktívnej zóny a ich ponorenie do príslušného kanála spôsobuje zníženie úniku neutrónov z aktívnej zóny a následne zvýšenie reaktivity. V niektorých špeciálnych prípadoch slúžia na riadenie reťazovej reakcie pohyblivé časti neutrónových reflektorov, ktoré pri pohybe menia únik neutrónov z aktívnej zóny. Riadiace, kompenzačné a havarijné tyče spolu so všetkými zariadeniami, ktoré zabezpečujú ich normálnu činnosť, tvoria systém riadenia a ochrany reaktora (CPS).

Núdzová ochrana:

Núdzová ochrana jadrového reaktora je súbor zariadení určených na rýchle zastavenie reťazovej jadrovej reakcie v jadre reaktora.

Aktívna havarijná ochrana sa automaticky spustí, keď niektorý z parametrov jadrového reaktora dosiahne hodnotu, ktorá by mohla viesť k havárii. Takéto parametre môžu zahŕňať: teplotu, tlak a prietok chladiacej kvapaliny, úroveň a rýchlosť nárastu výkonu.

Výkonnými prvkami havarijnej ochrany sú vo väčšine prípadov tyče s látkou dobre pohlcujúcou neutróny (bór alebo kadmium). Niekedy sa na odstavenie reaktora vstrekuje kvapalinový absorbér do chladiacej slučky.

Mnohé moderné prevedenia obsahujú okrem aktívnej ochrany aj prvky pasívnej ochrany. Napríklad moderné verzie reaktorov VVER zahŕňajú „Emergency Core Cooling System“ (ECCS) – špeciálne nádrže s kyselinou boritou umiestnené nad reaktorom. V prípade maximálnej projektovej havárie (prasknutie prvého chladiaceho okruhu reaktora) sa obsah týchto nádrží gravitáciou dostane do vnútra aktívnej zóny reaktora a jadrová reťazová reakcia je uhasená veľkým množstvom látky obsahujúcej bór. , ktorý dobre pohlcuje neutróny.

Podľa „Pravidiel jadrovej bezpečnosti pre reaktorové zariadenia jadrových elektrární“ musí aspoň jeden z poskytovaných systémov odstavenia reaktora plniť funkciu havarijnej ochrany (EP). Núdzová ochrana musí mať najmenej dve nezávislé skupiny pracovných prvkov. Pri signáli AZ musia byť pracovné časti AZ aktivované z akejkoľvek pracovnej alebo medzipolohy.

Výstroj AZ musí pozostávať minimálne z dvoch nezávislých súprav.

Každý súbor zariadení AZ musí byť navrhnutý tak, aby bola zabezpečená ochrana v rozsahu zmien hustoty toku neutrónov od 7 % do 120 % nominálnej hodnoty:

1. Podľa hustoty toku neutrónov - nie menej ako tri nezávislé kanály;
2. Podľa rýchlosti nárastu hustoty toku neutrónov - nie menej ako tri nezávislé kanály.

Každý súbor zariadení havarijnej ochrany musí byť navrhnutý tak, aby v celom rozsahu zmien technologických parametrov stanovených v projekte reaktorového bloku (RP) bola havarijná ochrana zabezpečovaná najmenej tromi nezávislými kanálmi pre každý technologický parameter. pre ktoré je potrebná ochrana.

Ovládacie povely každej sady pre servopohony AZ musia byť prenášané cez minimálne dva kanály. Keď sa jeden kanál v jednej zo sád zariadení AZ vyradí z prevádzky bez toho, aby sa táto súprava vyradila z prevádzky, pre tento kanál by sa mal automaticky vygenerovať poplachový signál.

Núdzová ochrana sa musí spustiť aspoň v týchto prípadoch:

1. Po dosiahnutí nastavenia AZ pre hustotu toku neutrónov.
2. Po dosiahnutí nastavenia AZ pre rýchlosť nárastu hustoty toku neutrónov.
3. Ak napätie zmizne v niektorej súprave núdzového ochranného zariadenia a napájacích zberníc CPS, ktoré neboli vyradené z prevádzky.
4. V prípade poruchy ktoréhokoľvek z dvoch z troch ochranných kanálov pre hustotu toku neutrónov alebo pre rýchlosť nárastu toku neutrónov v niektorom súbore zariadení AZ, ktoré nebolo vyradené z prevádzky.
5. Pri dosiahnutí nastavení AZ technologickými parametrami, pre ktoré je potrebné vykonať ochranu.
6. Pri spúšťaní AZ z kľúča z kontrolného bodu bloku (BCP) alebo kontrolného bodu rezervy (RCP).

Možno niekto dokáže ešte menej vedecky stručne vysvetliť, ako sa spúšťa blok jadrovej elektrárne? :-)

Zapamätajte si podobnú tému Pôvodný článok je na webe InfoGlaz.rf Odkaz na článok, z ktorého bola vytvorená táto kópia -

Každý deň používame elektrinu a nemyslíme na to, ako sa vyrába a ako sa k nám dostala. Napriek tomu je to jedna z najdôležitejších súčastí modernej civilizácie. Bez elektriny by nebolo nič – žiadne svetlo, žiadne teplo, žiadny pohyb.

Každý vie, že elektrina sa vyrába v elektrárňach, vrátane jadrových. Srdcom každej jadrovej elektrárne je nukleárny reaktor. To je to, na čo sa pozrieme v tomto článku.

Nukleárny reaktor, zariadenie, v ktorom dochádza k riadenej jadrovej reťazovej reakcii s uvoľňovaním tepla. Tieto zariadenia sa používajú najmä na výrobu elektriny a na pohon veľkých lodí. Aby sme si predstavili výkon a účinnosť jadrových reaktorov, môžeme uviesť príklad. Tam, kde priemerný jadrový reaktor bude vyžadovať 30 kilogramov uránu, bude priemerná tepelná elektráreň vyžadovať 60 vagónov uhlia alebo 40 nádrží vykurovacieho oleja.

Prototyp nukleárny reaktor bola postavená v decembri 1942 v USA pod vedením E. Fermiho. Bol to takzvaný „Chicago stack“. Chicago Pile (neskôr slovo„Hromada“ spolu s inými význammi znamená jadrový reaktor). Tento názov dostal, pretože pripomínal veľký stoh grafitových blokov umiestnených jeden na druhom.

Medzi bloky boli umiestnené sférické „pracovné tekutiny“ vyrobené z prírodného uránu a jeho oxidu.

V ZSSR postavili prvý reaktor pod vedením akademika I.V.Kurčatova. Reaktor F-1 bol uvedený do prevádzky 25. decembra 1946. Reaktor bol guľového tvaru a mal priemer asi 7,5 metra. Nemal žiadny chladiaci systém, takže fungoval pri veľmi nízkych úrovniach výkonu.

Výskum pokračoval a 27. júna 1954 bola v Obninsku uvedená do prevádzky prvá jadrová elektráreň na svete s výkonom 5 MW.

Princíp činnosti jadrového reaktora.

Pri rozpade uránu U 235 sa uvoľňuje teplo sprevádzané uvoľnením dvoch alebo troch neutrónov. Podľa štatistík - 2.5. Tieto neutróny sa zrážajú s inými atómami uránu U235. Pri zrážke sa urán U 235 mení na nestabilný izotop U 236, ktorý sa takmer okamžite rozpadá na Kr 92 a Ba 141 + rovnaké 2-3 neutróny. Rozpad je sprevádzaný uvoľňovaním energie vo forme gama žiarenia a tepla.

Toto sa nazýva reťazová reakcia. Atómy sa delia, počet rozpadov narastá exponenciálne, čo v konečnom dôsledku vedie k bleskurýchlemu, na naše pomery, uvoľneniu obrovského množstva energie – ako dôsledok nekontrolovateľnej reťazovej reakcie dochádza k atómovému výbuchu.

Avšak v nukleárny reaktor máme do činenia riadená jadrová reakcia. Ako je to možné, je opísané ďalej.

Konštrukcia jadrového reaktora.

V súčasnosti existujú dva typy jadrových reaktorov: VVER (vodou chladený energetický reaktor) a RBMK (vysokovýkonný kanálový reaktor). Rozdiel je v tom, že RBMK je varný reaktor a VVER používa vodu pod tlakom 120 atmosfér.

reaktor VVER 1000. 1 - pohon riadiaceho systému; 2 - kryt reaktora; 3 - teleso reaktora; 4 - blok ochranných rúr (BZT); 5 - hriadeľ; 6 - kryt jadra; 7 - palivové články (FA) a regulačné tyče;

Každý priemyselný jadrový reaktor je kotol, cez ktorý prúdi chladivo. Spravidla ide o obyčajnú vodu (asi 75% vo svete), tekutý grafit (20%) a ťažkú ​​vodu (5%). Na experimentálne účely sa použilo berýlium a považovalo sa za uhľovodík.

TVEL- (palivový prvok). Ide o tyče v zirkónovom plášti so zliatinou nióbu, vo vnútri ktorých sú umiestnené tablety oxidu uraničitého.

Palivové tyče v kazete sú zvýraznené zelenou farbou.

Zostava palivovej kazety.

Jadro reaktora pozostáva zo stoviek kaziet umiestnených vertikálne a spojených dohromady kovovým plášťom - telom, ktoré zároveň plní úlohu reflektora neutrónov. Medzi kazetami sú v pravidelných intervaloch vložené regulačné tyče a tyče havarijnej ochrany reaktora, ktoré sú určené na odstavenie reaktora v prípade prehriatia.

Uveďme ako príklad údaje o reaktore VVER-440:

Ovládače sa môžu pohybovať hore a dole, klesať alebo naopak, pričom opúšťajú aktívnu zónu, kde je reakcia najintenzívnejšia. O to sa starajú výkonné elektromotory, v spojení s riadiacim systémom.Tyče havarijnej ochrany sú určené na odstavenie reaktora v prípade havarijnej situácie, pádu do aktívnej zóny a pohlcovania väčšieho množstva voľných neutrónov.

Každý reaktor má veko, cez ktoré sa vkladajú a vyberajú použité a nové kazety.

Tepelná izolácia sa zvyčajne inštaluje na vrch nádoby reaktora. Ďalšou bariérou je biologická ochrana. Zvyčajne ide o železobetónový bunker, do ktorého je vstup uzavretý vzduchovou komorou s utesnenými dverami. Biologická ochrana je navrhnutá tak, aby v prípade výbuchu zabránila úniku rádioaktívnej pary a kúskov reaktora do atmosféry.

Jadrový výbuch v moderných reaktoroch je extrémne nepravdepodobný. Pretože palivo je dosť mierne obohatené a rozdelené na palivové články. Aj keď sa jadro roztopí, palivo nebude schopné reagovať tak aktívne. Najhoršie, čo sa môže stať, je tepelný výbuch ako v Černobyle, keď tlak v reaktore dosiahol také hodnoty, že jednoducho prasklo kovové puzdro a kryt reaktora s hmotnosťou 5000 ton urobil obrátený skok a prerazil strechu. priestor reaktora a vypúšťanie pary von. Ak by bola jadrová elektráreň v Černobyle vybavená správnou biologickou ochranou, ako je dnešný sarkofág, potom by katastrofa stála ľudstvo oveľa menej.

Prevádzka jadrovej elektrárne.

V skratke, takto vyzerá raboboa.

Jadrová elektráreň. (Kliknuteľné)

Po vstupe do aktívnej zóny reaktora pomocou čerpadiel sa voda ohreje z 250 na 300 stupňov a vystupuje z „druhej strany“ reaktora. Toto sa nazýva prvý okruh. Potom je odoslaný do výmenníka tepla, kde sa stretáva s druhým okruhom. Potom para pod tlakom prúdi na lopatky turbíny. Turbíny vyrábajú elektrinu.

Jadrový (jadrový) reaktor
nukleárny reaktor

Jadrový (jadrový) reaktor – zariadenie, v ktorom sa vykonáva riadená reťazová reakcia jadrového štiepenia. Jadrové reaktory sa využívajú v jadrovej energetike a na výskumné účely. Hlavnou časťou reaktora je jeho jadro, kde dochádza k štiepeniu jadra a uvoľňovaniu jadrovej energie. Aktívna zóna, ktorá má zvyčajne tvar valca s objemom od zlomku litra do mnohých metrov kubických, obsahuje štiepny materiál (jadrové palivo) v množstve presahujúcom kritickú hmotnosť. Jadrové palivo (urán, plutónium) je zvyčajne umiestnené vo vnútri palivových článkov (palivových tyčí), ktorých počet v aktívnej zóne môže dosiahnuť desaťtisíce. Palivové tyče sú zoskupené do balíkov po niekoľkých desiatkach alebo stovkách kusov. Jadro je vo väčšine prípadov súbor palivových tyčí ponorených do moderujúceho média (moderátora) - látky, v dôsledku elastických zrážok s atómami, ktorej energia neutrónov, ktoré spôsobujú a sprevádzajú štiepenie, sa redukuje na energiu tepelnej rovnováhy s stredná. Takéto „tepelné“ neutróny majú zvýšenú schopnosť spôsobovať štiepenie. Ako moderátor sa zvyčajne používa voda (vrátane ťažkej vody, D 2 O) a grafit. Jadro reaktora je obklopené reflektorom vyrobeným z materiálov schopných dobre rozptyľovať neutróny. Táto vrstva vracia neutróny emitované z jadra späť do tejto zóny, čím zvyšuje rýchlosť reťazovej reakcie a znižuje kritickú hmotnosť. Radiačné biologické tienenie vyrobené z betónu a iných materiálov je umiestnené okolo reflektora na zníženie žiarenia mimo reaktora na prijateľnú úroveň.
V jadre sa pri štiepení uvoľňuje obrovská energia vo forme tepla. Z aktívnej zóny sa odstraňuje pomocou plynu, vody alebo inej látky (chladiacej kvapaliny), ktorá je neustále prečerpávaná aktívnou zónu a umýva palivové tyče. Toto teplo môže byť použité na vytvorenie horúcej pary, ktorá roztáča turbínu elektrárne.
Na riadenie rýchlosti štiepnej reťazovej reakcie sa používajú riadiace tyče vyrobené z materiálov, ktoré silne absorbujú neutróny. Ich zavedenie do aktívnej zóny znižuje rýchlosť reťazovej reakcie a v prípade potreby ju úplne zastaví, napriek tomu, že množstvo jadrového paliva presahuje kritické množstvo. Keď sú riadiace tyče odstránené z jadra, absorpcia neutrónov sa znižuje a reťazová reakcia môže byť privedená do štádia samoudržania.
Prvý reaktor bol spustený v USA v roku 1942. V Európe bol prvý reaktor spustený v roku 1946 v ZSSR.

Sme tak zvyknutí na elektrinu, že nepremýšľame o tom, odkiaľ pochádza. V podstate sa vyrába v elektrárňach, ktoré na to využívajú rôzne zdroje. Elektrárne môžu byť tepelné, veterné, geotermálne, solárne, vodné a jadrové. Práve to posledné vyvoláva najväčšiu kontroverziu. Dohadujú sa o ich nevyhnutnosti a spoľahlivosti.

Z hľadiska produktivity je dnes jadrová energetika jednou z najefektívnejších a jej podiel na celosvetovej výrobe elektrickej energie je pomerne významný, viac ako štvrtinový.

Ako funguje jadrová elektráreň a ako vyrába energiu? Hlavným prvkom jadrovej elektrárne je jadrový reaktor. Prebieha v ňom jadrová reťazová reakcia, ktorej výsledkom je uvoľnenie tepla. Táto reakcia je riadená, a preto môžeme energiu využívať postupne, namiesto toho, aby sme dosiahli jadrový výbuch.

Základné prvky jadrového reaktora

• Jadrové palivo: obohatený urán, izotopy uránu a plutónia. Najčastejšie sa používa urán 235;
• Chladivo na odstraňovanie energie generovanej počas prevádzky reaktora: voda, tekutý sodík atď.;
• Ovládacie tyče;
• moderátor neutrónov;
• Ochranný plášť pred žiarením.

Video z prevádzky jadrového reaktora

Ako funguje jadrový reaktor?

V aktívnej zóne reaktora sú palivové články (palivové články) - jadrové palivo. Sú zostavené do kaziet obsahujúcich niekoľko desiatok palivových tyčí. Chladivo prúdi cez kanály cez každú kazetu. Palivové tyče regulujú výkon reaktora. Jadrová reakcia je možná len pri určitej (kritickej) hmotnosti palivovej tyče. Hmotnosť každej tyče jednotlivo je pod kritickou hodnotou. Reakcia začína, keď sú všetky tyče v aktívnej zóne. Vložením a vybratím palivových tyčí je možné riadiť reakciu.

Takže, keď je prekročená kritická hmotnosť, rádioaktívne palivové články emitujú neutróny, ktoré sa zrážajú s atómami. Výsledkom je nestabilný izotop, ktorý sa okamžite rozpadá a uvoľňuje energiu vo forme gama žiarenia a tepla. Zrážané častice si navzájom odovzdávajú kinetickú energiu a počet rozpadov sa exponenciálne zvyšuje. Ide o reťazovú reakciu – princíp fungovania jadrového reaktora. Bez kontroly k nemu dochádza rýchlosťou blesku, čo vedie k výbuchu. Ale v jadrovom reaktore je proces pod kontrolou.

V aktívnej zóne sa teda uvoľňuje tepelná energia, ktorá sa prenáša do vody obmývajúcej túto zónu (primárny okruh). Tu je teplota vody 250-300 stupňov. Ďalej voda prenáša teplo do druhého okruhu a potom do lopatiek turbíny, ktoré generujú energiu. Premenu jadrovej energie na elektrickú možno schematicky znázorniť:

1. Vnútorná energia jadra uránu,
2. Kinetická energia fragmentov rozpadnutých jadier a uvoľnených neutrónov,
3. Vnútorná energia vody a pary,
4. Kinetická energia vody a pary,
5. Kinetická energia rotorov turbíny a generátora,
6. Elektrická energia.

Jadro reaktora pozostáva zo stoviek kaziet spojených kovovým plášťom. Tento plášť tiež zohráva úlohu reflektora neutrónov. Medzi kazetami sú vložené ovládacie tyče pre nastavenie rýchlosti reakcie a tyče havarijnej ochrany reaktora. Ďalej sa okolo reflektora nainštaluje tepelná izolácia. Na tepelnej izolácii je ochranný plášť z betónu, ktorý zachytáva rádioaktívne látky a nedovolí im preniknúť do okolitého priestoru.

Kde sa používajú jadrové reaktory?

• Jadrové reaktory sa používajú v jadrových elektrárňach, v elektrických inštaláciách lodí a na jadrových zásobovacích staniciach tepla.
• Konvektorové a množivé reaktory sa používajú na výrobu sekundárneho jadrového paliva.
• Výskumné reaktory sú potrebné pre rádiochemický a biologický výskum a výrobu izotopov.

Napriek všetkým kontroverziám a kontroverziám týkajúcim sa jadrovej energie sa jadrové elektrárne naďalej stavajú a prevádzkujú. Jedným z dôvodov je efektívnosť nákladov. Jednoduchý príklad: 40 nádrží vykurovacieho oleja alebo 60 vagónov uhlia vyrobí rovnaké množstvo energie ako 30 kilogramov uránu.