Moderné jadrové reaktory. Prvý jadrový reaktor - Kto ho vynašiel

Pre bežného človeka sú moderné high-tech zariadenia také tajomné a tajomné, že je správne ich uctievať, ako starovekí ľudia uctievali blesky. Školské hodiny fyziky, plné matematických výpočtov, problém neriešia. Je však zaujímavé hovoriť aj o jadrovom reaktore, ktorého princíp fungovania je jasný aj pre teenagerov.

Ako funguje jadrový reaktor?

Princíp fungovania tohto high-tech zariadenia je nasledujúci:

1. Keď je neutrón absorbovaný, jadrové palivo (najčastejšie toto urán-235 alebo plutónium-239) dochádza k deleniu atómového jadra;
2. Uvoľňuje sa kinetická energia, gama žiarenie a voľné neutróny;
3. Kinetická energia sa mení na tepelnú energiu (pri zrážke jadier s okolitými atómami), gama žiarenie je absorbované samotným reaktorom a tiež sa mení na teplo;
4. Niektoré z vytvorených neutrónov sú absorbované atómami paliva, čo spôsobuje reťazovú reakciu. Na jeho riadenie sa používajú absorbéry a moderátory neutrónov;
5. Pomocou chladiacej kvapaliny (voda, plyn alebo kvapalný sodík) sa teplo odoberá z miesta reakcie;
6. Tlaková para z ohriatej vody sa používa na pohon parných turbín;
7. Pomocou generátora sa mechanická energia otáčania turbín premieňa na striedavý elektrický prúd.

Prístupy ku klasifikácii

Existuje mnoho dôvodov pre typológiu reaktorov:

• Podľa typu jadrovej reakcie. Štiepenie (všetky komerčné zariadenia) alebo fúzia (termonukleárna energia, je rozšírená len v niektorých výskumných ústavoch);
• Cez chladiacu kvapalinu. Vo veľkej väčšine prípadov sa na tento účel používa voda (vriaca alebo ťažká). Niekedy sa používajú alternatívne riešenia: tekutý kov (sodík, zliatina olova a bizmutu, ortuť), plyn (hélium, oxid uhličitý alebo dusík), roztavená soľ (fluoridové soli);
• Podľa generácie. Prvým sú prvé prototypy, ktoré nedávali žiadny komerčný zmysel. Druhým je väčšina v súčasnosti používaných jadrových elektrární, ktoré boli postavené pred rokom 1996. Tretia generácia sa od predchádzajúcej líši len drobnými vylepšeniami. Práce na štvrtej generácii stále prebiehajú;
• Podľa súhrnného stavu palivo (plyn stále existuje len na papieri);
• Podľa účelu použitia(na výrobu elektriny, štart motora, výrobu vodíka, odsoľovanie, transmutáciu prvkov, získavanie neurálneho žiarenia, teoretické a výskumné účely).

Zariadenie jadrového reaktora

Hlavné komponenty reaktorov vo väčšine elektrární sú:

1. Jadrové palivo - látka, ktorá je potrebná na výrobu tepla pre energetické turbíny (zvyčajne nízko obohatený urán);
2. Aktívna zóna jadrového reaktora – tu prebieha jadrová reakcia;
3. Neutrónový moderátor - znižuje rýchlosť rýchlych neutrónov a mení ich na tepelné neutróny;
4. Štartovací neutrónový zdroj - slúži na spoľahlivé a stabilné spustenie jadrovej reakcie;
5. Absorbér neutrónov – dostupný v niektorých elektrárňach na zníženie vysokej reaktivity čerstvého paliva;
6. Neutrónová húfnica – slúži na opätovné spustenie reakcie po vypnutí;
7. Chladiaca kvapalina (čistená voda);
8. Kontrolné tyče - na kontrolu rýchlosti štiepenia jadier uránu alebo plutónia;
9. Vodné čerpadlo - čerpá vodu do parného kotla;
10. Parná turbína - otáča termálna energia para do rotačného mechanického;
11. Chladiaca veža - zariadenie na odvádzanie prebytočného tepla do atmosféry;
12. Systém na príjem a skladovanie rádioaktívneho odpadu;
13. Bezpečnostné systémy (núdzové dieselové generátory, zariadenia na núdzové chladenie aktívnej zóny).

Ako fungujú najnovšie modely

Najnovšia 4. generácia reaktorov bude dostupná pre komerčnú prevádzku nie skôr ako v roku 2030. V súčasnosti je princíp a usporiadanie ich práce v štádiu vývoja. Podľa aktuálnych údajov sa tieto úpravy budú líšiť od existujúcich modelov v takých výhod:

• Systém rýchleho chladenia plynu. Predpokladá sa, že ako chladivo sa bude používať hélium. Podľa projektovej dokumentácie, teda je možné chladiť reaktory s teplotou 850 °C. Na prácu pri takýchto vysokých teplotách sú potrebné aj špecifické suroviny: kompozitné keramické materiály a zlúčeniny aktinidov;
• Ako primárne chladivo je možné použiť olovo alebo zliatinu olova a bizmutu. Tieto materiály majú nízky index absorpcie neutrónov a relatívne nízku teplotu topenia;
• Ako hlavné chladivo možno použiť aj zmes roztavených solí. Bude teda možné pracovať pri vyšších teplotách ako moderné vodou chladené náprotivky.

Prírodné analógy v prírode

Nukleárny reaktor je vo verejnej mysli vnímaný výlučne ako produkt špičkových technológií. V skutočnosti však prvý zariadenie je prírodného pôvodu. Bol objavený v regióne Oklo, v stredoafrickom štáte Gabon:

• Reaktor vznikol v dôsledku zaplavenia uránových hornín spodnou vodou. Pôsobili ako moderátori neutrónov;
• Tepelná energia uvoľnená počas rozpadu uránu premení vodu na paru a reťazová reakcia sa zastaví;
• Po poklese teploty chladiacej kvapaliny sa všetko opakuje;
• Ak by kvapalina nevyvrela a nezastavila priebeh reakcie, ľudstvo by čakala nová prírodná katastrofa;
• Autonómne jadrové štiepenie začalo v tomto reaktore asi pred jeden a pol miliardou rokov. Počas tejto doby bolo pridelených približne 0,1 milióna wattov výstupného výkonu;
• Takýto div sveta na Zemi je jediný známy. Vznik nových je nemožný: podiel uránu-235 v prírodných surovinách je oveľa nižší ako úroveň potrebná na udržanie reťazovej reakcie.

Koľko jadrových reaktorov je v Južnej Kórei?

Chudobná na prírodné zdroje, no industrializovaná a preľudnená Kórejská republika nutne potrebuje energiu. Na pozadí nemeckého odmietnutia mierového atómu má táto krajina veľké nádeje na obmedzenie jadrovej technológie:

• Plánuje sa, že do roku 2035 podiel elektriny vyrobenej v jadrových elektrárňach dosiahne 60% a celková výroba - viac ako 40 gigawattov;
• Krajina nemá atómové zbrane, ale výskum v oblasti jadrovej fyziky pokračuje. Kórejskí vedci vyvinuli návrhy moderných reaktorov: modulárny, vodíkový, s tekutým kovom atď.;
• Úspech miestnych výskumníkov umožňuje predávať technológie do zahraničia. Očakáva sa, že v najbližších 15-20 rokoch krajina vyvezie 80 takýchto jednotiek;
• Ale k dnešnému dňu bola väčšina jadrových elektrární postavená s pomocou amerických alebo francúzskych vedcov;
• Počet prevádzkových staníc je relatívne malý (iba štyri), ale každá z nich má značný počet reaktorov – celkovo 40 a toto číslo bude rásť.

Pri bombardovaní neutrónmi vstupuje jadrové palivo do reťazovej reakcie, v dôsledku ktorej vzniká obrovské množstvo tepla. Voda v systéme odoberá toto teplo a mení ho na paru, ktorá roztáča turbíny vyrábajúce elektrinu. Tu jednoduchý obvod prevádzka jadrového reaktora, najvýkonnejšieho zdroja energie na Zemi.

Video: ako fungujú jadrové reaktory

V tomto videu vám jadrový fyzik Vladimir Chaikin povie, ako vzniká elektrina v jadrových reaktoroch, ich podrobná štruktúra:

Zariadenie a princíp činnosti sú založené na inicializácii a riadení samoudržiavacej jadrovej reakcie. Používa sa ako výskumný nástroj na výrobu rádioaktívnych izotopov a ako zdroj energie pre jadrové elektrárne.

princíp fungovania (v skratke)

Tu sa používa proces, pri ktorom sa ťažké jadro rozpadne na dva menšie fragmenty. Tieto fragmenty sú vo vysoko excitovanom stave a emitujú neutróny, iné subatomárne častice a fotóny. Neutróny môžu spôsobiť nové štiepenie, v dôsledku čoho sa uvoľní viac neutrónov atď. Takáto nepretržitá samoudržujúca séria štiepení sa nazýva reťazová reakcia. V tomto prípade sa uvoľňuje veľké množstvo energie, ktorej výroba je účelom využitia jadrových elektrární.

Princíp činnosti jadrového reaktora je taký, že asi 85 % štiepnej energie sa uvoľní vo veľmi krátkom čase po začiatku reakcie. Zvyšok je produkovaný rádioaktívnym rozpadom štiepnych produktov po tom, čo emitovali neutróny. Rádioaktívny rozpad je proces, pri ktorom atóm dosiahne stabilnejší stav. Pokračuje aj po dokončení rozdelenia.

V atómovej bombe sa reťazová reakcia zvyšuje na intenzite, až kým sa väčšina materiálu nerozštiepi. Stáva sa to veľmi rýchlo a spôsobuje extrémne silné výbuchy charakteristické pre takéto bomby. Zariadenie a princíp činnosti jadrového reaktora sú založené na udržiavaní reťazovej reakcie na kontrolovanej, takmer konštantnej úrovni. Je navrhnutý tak, aby nemohol vybuchnúť ako atómová bomba.

Reťazová reakcia a kritickosť

Fyzika jadrového štiepneho reaktora je taká, že reťazová reakcia je určená pravdepodobnosťou jadrového štiepenia po emisii neutrónov. Ak sa populácia tých druhých zníži, potom rýchlosť štiepenia nakoniec klesne na nulu. V tomto prípade bude reaktor v podkritickom stave. Ak sa populácia neutrónov udržiava na konštantnej úrovni, rýchlosť štiepenia zostane stabilná. Reaktor bude v kritickom stave. A nakoniec, ak populácia neutrónov časom narastie, rýchlosť štiepenia a výkon sa zvýši. Stav jadra sa stane superkritickým.

Princíp činnosti jadrového reaktora je nasledovný. Pred vypustením sa neutrónová populácia blíži k nule. Operátori potom odstránia riadiace tyče z aktívnej zóny, čím sa zvýši jadrové štiepenie, čo dočasne uvedie reaktor do superkritického stavu. Po dosiahnutí menovitého výkonu operátori čiastočne vrátia riadiace tyče, pričom upravia počet neutrónov. V budúcnosti bude reaktor udržiavaný v kritickom stave. Keď je potrebné zastaviť, operátori zasunú tyče úplne. To potláča štiepenie a privádza jadro do podkritického stavu.

Typy reaktorov

Väčšina svetových jadrových zariadení vyrába energiu a generuje teplo potrebné na otáčanie turbín, ktoré poháňajú generátory. elektrická energia. Existuje tiež veľa výskumných reaktorov a niektoré krajiny majú ponorky s jadrovým pohonom alebo povrchové lode.

Elektrárne

Existuje niekoľko typov reaktorov tohto typu, ale ľahkovodný dizajn našiel široké uplatnenie. Na druhej strane môže použiť tlakovú vodu alebo vriacu vodu. V prvom prípade sa kvapalina pod vysokým tlakom zahrieva teplom aktívnej zóny a vstupuje do parogenerátora. Tam sa teplo z primárneho okruhu odovzdáva sekundárnemu, v ktorom je aj voda. Nakoniec vytvorená para slúži ako pracovná tekutina v cykle parnej turbíny.

Varný reaktor pracuje na princípe priameho energetického cyklu. Voda prechádzajúca aktívnou zónou sa privedie do varu pri priemernej úrovni tlaku. Nasýtená para prechádza sériou separátorov a sušičiek umiestnených v nádobe reaktora, čím sa dostáva do prehriateho stavu. Prehriata vodná para sa potom použije ako pracovná kvapalina ktorý roztáča turbínu.

Vysokoteplotné chladenie plynom

Vysokoteplotný plynom chladený reaktor (HTGR) je jadrový reaktor, ktorého princíp činnosti je založený na použití zmesi grafitu a mikroguľôčok paliva ako paliva. Existujú dva konkurenčné návrhy:

• nemecký „fill“ systém, ktorý využíva 60 mm sférické palivové články, ktoré sú zmesou grafitu a paliva v grafitovom plášti;
• americká verzia vo forme grafitových šesťhranných hranolov, ktoré do seba zapadajú a vytvárajú aktívnu zónu.

V oboch prípadoch chladivo pozostáva z hélia pod tlakom asi 100 atmosfér. V nemeckom systéme hélium prechádza cez medzery vo vrstve sférických palivových článkov a v americkom systéme cez otvory v grafitových hranoloch umiestnených pozdĺž osi centrálnej zóny reaktora. Obe možnosti môžu pracovať pri veľmi vysokých teplotách, pretože grafit má extrémne vysokú teplotu sublimácie, zatiaľ čo hélium je úplne chemicky inertné. Horúce hélium sa môže aplikovať priamo ako pracovná tekutina plynová turbína pri vysokej teplote alebo jeho teplo možno využiť na výrobu pary vodného cyklu.

Tekutý kov a princíp fungovania

Rýchlym neutrónovým reaktorom chladeným sodíkom bola v 60. a 70. rokoch 20. storočia venovaná veľká pozornosť. Potom sa zdalo, že ich schopnosť reprodukcie v blízkej budúcnosti je nevyhnutná na výrobu paliva pre rýchlo sa rozvíjajúci jadrový priemysel. Keď sa v 80. rokoch ukázalo, že toto očakávanie je nereálne, nadšenie vyprchalo. Množstvo reaktorov tohto typu sa však postavilo v USA, Rusku, Francúzsku, Veľkej Británii, Japonsku a Nemecku. Väčšina z nich beží na oxide uránu alebo jeho zmesi s oxidom plutóniom. V Spojených štátoch však najväčší úspech zaznamenali kovové pohonné hmoty.

CANDU

Kanada zamerala svoje úsilie na reaktory, ktoré využívajú prírodný urán. Tým odpadá nutnosť jeho obohacovania sa uchýliť k službám iných krajín. Výsledkom tejto politiky bol deutérium-uránový reaktor (CANDU). Ovládanie a chladenie v ňom prebieha ťažkou vodou. Zariadenie a princíp činnosti jadrového reaktora spočíva v použití nádrže so studeným D 2 O pri atmosférickom tlaku. Jadro je prerazené rúrkami zo zliatiny zirkónu s prírodným uránovým palivom, cez ktoré ho ochladzuje ťažká voda. Elektrina sa vyrába prenosom štiepneho tepla v ťažkej vode do chladiacej kvapaliny, ktorá cirkuluje cez generátor pary. Para v sekundárnom okruhu potom prechádza konvenčným turbínovým cyklom.

Výskumné zariadenia

Pre vedecký výskum sa najčastejšie využíva jadrový reaktor, ktorého princípom činnosti je využitie vodného chladenia a lamelových uránových palivových článkov vo forme zostáv. Schopný pracovať v širokom rozsahu úrovní výkonu, od niekoľkých kilowattov až po stovky megawattov. Keďže výroba energie nie je hlavnou úlohou výskumných reaktorov, vyznačujú sa generovanou tepelnou energiou, hustotou a nominálnou energiou neutrónov v aktívnej zóne. Práve tieto parametre pomáhajú kvantifikovať schopnosť výskumného reaktora vykonávať špecifické prieskumy. Nízkoenergetické systémy sa zvyčajne používajú na univerzitách na výučbu, zatiaľ čo vysoký výkon je potrebný vo výskumných laboratóriách na testovanie materiálov a výkonu a všeobecný výskum.

Najbežnejší výskumný jadrový reaktor, ktorého štruktúra a princíp činnosti je nasledovný. Jeho aktívna zóna sa nachádza na dne veľkého hlbokého bazéna s vodou. To zjednodušuje pozorovanie a umiestňovanie kanálov, cez ktoré môžu smerovať neutrónové lúče. Pri nízkych úrovniach výkonu nie je potrebné odvzdušňovať chladiacu kvapalinu, pretože prirodzená konvekcia chladiacej kvapaliny poskytuje dostatočný odvod tepla na udržanie bezpečného prevádzkového stavu. Výmenník tepla býva umiestnený na povrchu alebo v hornej časti bazéna, kde sa akumuluje teplá voda.

Lodné inštalácie

Pôvodnou a hlavnou aplikáciou jadrových reaktorov je ich využitie v ponorky. Ich hlavnou výhodou je, že na rozdiel od systémov spaľovania fosílnych palív nepotrebujú na výrobu elektriny vzduch. Preto môže jadrová ponorka zostať ponorená po dlhú dobu, zatiaľ čo konvenčná diesel-elektrická ponorka musí pravidelne stúpať na hladinu, aby naštartovala svoje motory vo vzduchu. dáva strategickú výhodu Námorné lode. Vďaka nemu nie je potrebné tankovať v zahraničných prístavoch alebo z ľahko zraniteľných tankerov.

Princíp činnosti jadrového reaktora na ponorke je klasifikovaný. Je však známe, že v USA sa používa vysoko obohatený urán a spomaľovanie a ochladzovanie robí ľahká voda. Dizajn prvého reaktora jadrovej ponorky USS Nautilus bol silne ovplyvnený výkonnými výskumnými zariadeniami. Jeho jedinečnými vlastnosťami sú veľmi veľká rezerva reaktivity, ktorá zaisťuje dlhú dobu prevádzky bez doplňovania paliva a možnosť opätovného spustenia po vypnutí. Elektráreň v ponorkách musí byť veľmi tichá, aby sa zabránilo detekcii. Na splnenie špecifických potrieb rôznych tried ponoriek boli vytvorené rôzne modely elektrární.

Lietadlové lode amerického námorníctva používajú jadrový reaktor, ktorého princíp je považovaný za požičaný od najväčších ponoriek. Podrobnosti o ich dizajne tiež neboli zverejnené.

Okrem Spojených štátov má jadrové ponorky Británia, Francúzsko, Rusko, Čína a India. V každom prípade nebol dizajn zverejnený, ale predpokladá sa, že sú všetky veľmi podobné - je to dôsledok rovnakých požiadaviek na ich Technické špecifikácie. Rusko má tiež malú flotilu, ktorá bola vybavená rovnakými reaktormi ako sovietske ponorky.

Priemyselné závody

Na výrobné účely sa používa jadrový reaktor, ktorého princípom činnosti je vysoká produktivita pri nízkej úrovni výroby energie. Je to spôsobené tým, že dlhý pobyt plutónia v jadre vedie k akumulácii nežiaduceho 240 Pu.

Výroba trícia

V súčasnosti je hlavným materiálom produkovaným takýmito systémami trícium (3 H alebo T) - náplň pre Plutónium-239 má dlhý polčas rozpadu 24 100 rokov, takže krajiny s arzenálom jadrových zbraní, ktoré používajú tento prvok, ho majú tendenciu mať viac než je potrebné. Na rozdiel od 239 Pu má trícium polčas rozpadu približne 12 rokov. Aby sa teda zachovali potrebné zásoby, musí sa tento rádioaktívny izotop vodíka vyrábať nepretržite. V Spojených štátoch amerických Savannah River v Južnej Karolíne napríklad prevádzkuje niekoľko ťažkovodných reaktorov, ktoré produkujú trícium.

Plávajúce pohonné jednotky

Boli vytvorené jadrové reaktory, ktoré dokážu zabezpečiť elektrinu a ohrev parou do vzdialených izolovaných oblastí. Napríklad v Rusku našli využitie malé elektrárne špeciálne navrhnuté na obsluhu Arktídy. osady. V Číne elektráreň HTR-10 s výkonom 10 MW dodáva teplo a energiu výskumnému ústavu, kde sa nachádza. Malé riadené reaktory s podobnými schopnosťami sa vyvíjajú vo Švédsku a Kanade. V rokoch 1960 až 1972 používala americká armáda kompaktné vodné reaktory na napájanie vzdialených základní v Grónsku a Antarktíde. Nahradili ich olejové elektrárne.

Prieskum vesmíru

Okrem toho boli vyvinuté reaktory na zásobovanie energiou a pohyb vo vesmíre. V rokoch 1967 až 1988 Sovietsky zväz inštaloval na satelitoch Kosmos malé jadrové zariadenia na napájanie zariadení a telemetrie, ale táto politika sa stala terčom kritiky. Najmenej jeden z týchto satelitov vstúpil do zemskej atmosféry, čo viedlo k rádioaktívnej kontaminácii vzdialených oblastí Kanady. Spojené štáty vypustili v roku 1965 iba jeden satelit s jadrovým pohonom. Naďalej sa však rozvíjajú projekty na ich využitie pri letoch do hlbokého vesmíru, pri prieskume iných planét s ľudskou posádkou či na stálej mesačnej základni. Nevyhnutne pôjde o plynom chladený alebo tekutý kov jadrový reaktor, ktorého fyzikálne princípy zabezpečia najvyššiu možnú teplotu potrebnú na minimalizáciu veľkosti radiátora. Reaktor kozmickej lode by mal byť navyše čo najkompaktnejší, aby sa minimalizovalo množstvo materiálu použitého na tienenie a aby sa znížila hmotnosť počas štartu a kozmického letu. Zásoba paliva zabezpečí chod reaktora po celú dobu kozmického letu.

Aby ste pochopili princíp fungovania a konštrukcie jadrového reaktora, musíte urobiť malá odbočka do minulosti. Jadrový reaktor je stáročia stelesnený, aj keď nie úplne, sen ľudstva o nevyčerpateľnom zdroji energie. Jeho pradávnym „predchodcom“ je oheň zo suchých konárov, ktorý kedysi osvetľoval a ohrieval klenby jaskyne, kde naši vzdialení predkovia našli spásu pred chladom. Neskôr ľudia ovládali uhľovodíky – uhlie, bridlicu, ropu a zemný plyn.

Začala sa turbulentná, no krátkodobá éra pary, ktorú vystriedala ešte fantastickejšia éra elektriny. Mestá boli naplnené svetlom a dielne hučaním dovtedy neznámych strojov poháňaných elektromotormi. Potom sa zdalo, že pokrok dosiahol svoj vrchol.

Všetko sa zmenilo na konci 19. storočia, keď francúzsky chemik Antoine Henri Becquerel náhodou zistil, že uránové soli sú rádioaktívne. Po 2 rokoch od nich jeho krajania Pierre Curie a jeho manželka Maria Sklodowska-Curie získali rádium a polónium a ich úroveň rádioaktivity bola miliónkrát vyššia ako u tória a uránu.

Taktovku sa chopil Ernest Rutherford, ktorý podrobne študoval povahu rádioaktívnych lúčov. Tak sa začal vek atómu, ktorý splodil svoje milované dieťa – jadrový reaktor.

Prvý jadrový reaktor

„Prvorodený“ je z USA. V decembri 1942 dal reaktor prvý prúd, ktorý dostal meno svojho tvorcu, jedného z najväčších fyzikov storočia, E. Fermiho. O tri roky neskôr v Kanade našiel život jadrové zariadenie ZEEP. „Bronz“ získal prvý sovietsky reaktor F-1, ktorý bol spustený koncom roku 1946. Šéfom domáceho jadrového projektu sa stal I. V. Kurčatov. Dnes vo svete úspešne funguje viac ako 400 jadrových blokov.

Typy jadrových reaktorov

Ich hlavným účelom je podpora riadenej jadrovej reakcie, ktorá vyrába elektrinu. Niektoré reaktory produkujú izotopy. Sú to skrátka zariadenia, v ktorých hĺbkach sa niektoré látky premieňajú na iné za uvoľnenia veľkého množstva tepelnej energie. Ide o akúsi „pec“, kde sa namiesto tradičných palív „spaľujú izotopy uránu – U-235, U-238 a plutónium (Pu).

Na rozdiel napríklad od auta určeného na niekoľko druhov benzínu má každý druh rádioaktívneho paliva svoj vlastný typ reaktora. Sú dva - na pomalých (s U-235) a rýchlych (s U-238 a Pu) neutrónoch. Väčšina jadrových elektrární je vybavená reaktormi s pomalými neutrónmi. Okrem jadrových elektrární „fungujú“ zariadenia vo výskumných centrách, na jadrových ponorkách a.

Ako je na tom reaktor

Všetky reaktory majú približne rovnakú schému. Jeho „srdcom“ je aktívna zóna. Dá sa zhruba porovnať s pecou bežnej pece. Len namiesto palivového dreva je jadrové palivo vo forme palivových článkov s moderátorom - TVEL. Aktívna zóna sa nachádza vo vnútri akejsi kapsuly – neutrónového reflektora. Palivové tyče sú „obmývané“ chladiacou kvapalinou – vodou. Keďže „srdce“ má veľmi vysokú úroveň rádioaktivity, je obklopené spoľahlivou ochranou proti žiareniu.

Operátori riadia prevádzku zariadenia pomocou dvoch kritických systémov - riadenia reťazovej reakcie a vzdialený systém zvládanie. Ak existuje núdzová situácia, núdzová ochrana sa aktivuje okamžite.

Ako funguje reaktor

Atómový „plameň“ je neviditeľný, pretože procesy prebiehajú na úrovni jadrového štiepenia. V priebehu reťazovej reakcie sa ťažké jadrá rozpadajú na menšie fragmenty, ktoré sa v excitovanom stave stávajú zdrojmi neutrónov a iných subatomárnych častíc. Tým sa však proces nekončí. Neutróny pokračujú v „drvení“, v dôsledku čoho sa uvoľňuje veľa energie, to znamená, čo sa deje, pre ktoré sa stavajú jadrové elektrárne.

Hlavnou úlohou personálu je udržiavať reťazovú reakciu pomocou ovládacích tyčí na konštantnej, nastaviteľnej úrovni. To je jeho hlavný rozdiel od atómovej bomby, kde je proces jadrového rozpadu nekontrolovateľný a prebieha rýchlo, vo forme silného výbuchu.

Čo sa stalo v jadrovej elektrárni v Černobyle

Jednou z hlavných príčin katastrofy v jadrovej elektrárni v Černobyle v apríli 1986 je flagrantné porušenie pravidlá prevádzkovej bezpečnosti v procese bežnej údržby na 4. pohonnom bloku. Potom bolo z jadra odstránených 203 grafitových tyčí súčasne namiesto 15 povolených predpismi. V dôsledku toho sa nekontrolovaná reťazová reakcia, ktorá sa začala, skončila tepelným výbuchom a úplným zničením pohonnej jednotky.

Reaktory novej generácie

Za posledné desaťročie sa Rusko stalo jedným zo svetových lídrov v oblasti jadrovej energetiky. Zapnuté tento momentŠtátna korporácia Rosatom stavia jadrové elektrárne v 12 krajinách, kde sa buduje 34 energetických blokov. Takýto vysoký dopyt je dôkazom vysokej úrovne modernej ruskej jadrovej technológie. Ďalšími v poradí sú nové reaktory 4. generácie.

"Brest"

Jedným z nich je Brest, ktorý sa vyvíja v rámci projektu Breakthrough. Súčasné systémy s otvoreným cyklom fungujú na nízko obohatenom uráne a zanechávajú za sebou veľké množstvo vyhoreného paliva, ktoré sa má zlikvidovať s obrovskými nákladmi. „Brest“ – rýchly neutrónový reaktor je unikát v uzavretom cykle.

V ňom sa vyhorené palivo po vhodnom spracovaní v rýchlom neutrónovom reaktore opäť stáva plnohodnotným palivom, ktoré je možné naložiť späť do toho istého zariadenia.

Brest sa vyznačuje vysokou úrovňou bezpečnosti. Nikdy „nevybuchne“ ani pri najvážnejšej nehode, je veľmi ekonomický a ekologický, keďže opätovne využíva svoj „obnovený“ urán. Nemožno ho použiť ani na výrobu plutónia na zbrane, ktoré sa otvára najširšie vyhliadky na jeho export.

VVER-1200

VVER-1200 je inovatívny reaktor 3+ generácie s výkonom 1150 MW. Vďaka svojim jedinečným technickým možnostiam má takmer absolútnu prevádzkovú bezpečnosť. Reaktor je bohato vybavený pasívnymi bezpečnostnými systémami, ktoré budú fungovať aj pri absencii napájania v automatickom režime.

Jedným z nich je pasívny systém odvodu tepla, ktorý sa automaticky aktivuje, keď je reaktor úplne bez napätia. V tomto prípade sú k dispozícii núdzové hydraulické nádrže. Pri abnormálnom poklese tlaku v primárnom okruhu sa do reaktora dodáva veľké množstvo vody obsahujúcej bór, ktorý uhasí jadrovú reakciu a pohltí neutróny.

Ďalšie know-how sa nachádza v spodnej časti kontajnmentu – „lapač“ taveniny. Ak napriek tomu v dôsledku havárie dôjde k „úniku“ aktívnej zóny, „lapač“ nedovolí, aby sa kontajnment zrútil a zabránil prenikaniu rádioaktívnych produktov do zeme.

V polovici dvadsiateho storočia sa pozornosť ľudstva sústredila na atóm a vysvetlenie vedcov o jadrovej reakcii, ktorú sa spočiatku rozhodli využiť na vojenské účely, pričom vynašli prvé jadrové bomby v rámci projektu Manhattan. Ale v 50-tych rokoch XX storočia sa jadrový reaktor v ZSSR používal na mierové účely. Je všeobecne známe, že 27. júna 1954 prvý na svete jadrová elektráreň výkonom 5000 kW. Jadrový reaktor dnes dokáže vyrobiť elektrinu s výkonom 4 000 MW a viac, teda 800-krát viac ako pred polstoročím.

Čo je jadrový reaktor: základná definícia a hlavné komponenty bloku

Jadrový reaktor je špeciálna jednotka, pomocou ktorej vzniká energia v dôsledku správneho udržiavania riadenej jadrovej reakcie. Použitie slova „atómový“ v kombinácii so slovom „reaktor“ je povolené. Mnohí vo všeobecnosti považujú pojmy „jadrový“ a „atómový“ za synonymá, keďže medzi nimi nenachádzajú zásadný rozdiel. Zástupcovia vedy sa však prikláňajú k správnejšej kombinácii - "jadrový reaktor".

zaujímavé fakt! Jadrové reakcie môžu prebiehať s uvoľňovaním alebo absorpciou energie.

Hlavnými komponentmi zariadenia jadrového reaktora sú tieto prvky:

• Moderátor;
• Ovládacie tyče;
• Tyčinky obsahujúce obohatenú zmes izotopov uránu;
• Špeciálne ochranné prvky proti žiareniu;
• chladiaca kvapalina;
• parný generátor;
• Turbína;
• Generátor;
• kondenzátor;
• Jadrové palivo.

Aké základné princípy fungovania jadrového reaktora určili fyzici a prečo sú neotrasiteľné

Základný princíp fungovania jadrového reaktora je založený na vlastnostiach prejavu jadrovej reakcie. V momente štandardného fyzikálneho reťazového jadrového procesu častica interaguje s atómovým jadrom, v dôsledku čoho sa jadro zmení na nové s uvoľnením sekundárnych častíc, ktoré vedci nazývajú gama kvantá. Pri jadrovej reťazovej reakcii sa uvoľňuje obrovské množstvo tepelnej energie. Priestor, v ktorom prebieha reťazová reakcia, sa nazýva jadro reaktora.

zaujímavé fakt! Aktívna zóna navonok pripomína kotol, cez ktorý preteká obyčajná voda, ktorá pôsobí ako chladivo.

Aby sa zabránilo strate neutrónov, oblasť aktívnej zóny reaktora je obklopená špeciálnym reflektorom neutrónov. Jeho primárnou úlohou je odmietnuť väčšinu emitovaných neutrónov do jadra. Reflektor je zvyčajne rovnaká látka, ktorá slúži ako moderátor.

Hlavné riadenie jadrového reaktora prebieha pomocou špeciálnych riadiacich tyčí. Je známe, že tieto tyče sú zavedené do aktívnej zóny reaktora a vytvárajú všetky podmienky pre prevádzku bloku. Typicky sú regulačné tyče vyrobené z chemických zlúčenín bóru a kadmia. Prečo sa tieto prvky používajú? Áno, všetko preto, že bór alebo kadmium sú schopné účinne absorbovať tepelné neutróny. A hneď ako sa plánuje spustenie, podľa princípu fungovania jadrového reaktora sa do aktívnej zóny zavádzajú riadiace tyče. Ich primárnou úlohou je absorbovať značnú časť neutrónov a tým vyvolať rozvoj reťazovej reakcie. Výsledok by mal dosiahnuť požadovanú úroveň. Pri zvýšení výkonu nad nastavenú úroveň sa zapnú automaty, ktoré nevyhnutne ponoria riadiace tyče hlboko do aktívnej zóny reaktora.

Je teda zrejmé, že riadiace alebo regulačné tyče hrajú dôležitú úlohu pri prevádzke tepelného jadrového reaktora.

A aby sa znížil únik neutrónov, jadro reaktora je obklopené neutrónovým reflektorom, ktorý do aktívnej zóny vrhá značné množstvo voľne emitovaných neutrónov. V zmysle reflektora sa zvyčajne používa rovnaká látka ako pre moderátor.

Jadro atómov moderátorskej látky má podľa normy relatívne malú hmotnosť, takže pri zrážke s ľahkým jadrom stráca neutrón prítomný v reťazci viac energie ako pri zrážke s ťažkým. Najbežnejšími moderátormi sú obyčajná voda alebo grafit.

zaujímavé fakt! Neutróny v procese jadrovej reakcie sú extrémne vysoká rýchlosť pohyb, a preto je potrebný moderátor, ktorý tlačí neutróny, aby stratili časť svojej energie.

Ani jeden reaktor na svete nemôže normálne fungovať bez pomoci chladiva, keďže jeho účelom je odstrániť energiu, ktorá vzniká v srdci reaktora. Ako chladivo sa nevyhnutne používa kvapalina alebo plyny, pretože nie sú schopné absorbovať neutróny. Uveďme príklad chladiva pre kompaktný jadrový reaktor – vodu, oxid uhličitý a niekedy aj tekutý kovový sodík.

Princípy fungovania jadrového reaktora sú teda úplne založené na zákonitostiach reťazovej reakcie, jej priebehu. Všetky komponenty reaktora – moderátor, tyče, chladivo, jadrové palivo – plnia svoje úlohy a spôsobujú normálnu prevádzku reaktora.

Aké palivo sa používa pre jadrové reaktory a prečo sú zvolené práve tieto chemické prvky

Hlavným palivom v reaktoroch môžu byť izotopy uránu, tiež plutónium alebo tórium.

Ešte v roku 1934 si F. Joliot-Curie pri pozorovaní procesu štiepenia jadra uránu všimol, že v dôsledku chemickej reakcie je jadro uránu rozdelené na fragmenty-jadrá a dva alebo tri voľné neutróny. A to znamená, že existuje možnosť, že sa voľné neutróny spoja s inými jadrami uránu a vyvolajú ďalšie štiepenie. A tak, ako predpovedá reťazová reakcia: z troch jadier uránu sa uvoľní šesť až deväť neutrónov, ktoré sa opäť spoja s novovzniknutými jadrami. A tak ďalej do nekonečna.

Dôležité mať na pamäti! Neutróny, ktoré sa objavujú počas jadrového štiepenia, sú schopné vyvolať štiepenie jadier izotopu uránu s hmotnostným číslom 235 a na deštrukciu jadier izotopu uránu s hmotnostným číslom 238 môže vzniknúť malá energia. proces rozkladu.

Urán číslo 235 je v prírode vzácny. Tvorí len 0,7 %, ale prírodný urán-238 zaberá priestrannejšie miesto a predstavuje 99,3 %.

Napriek takému malému podielu uránu-235 v prírode ho fyzici a chemici stále nemôžu odmietnuť, pretože je najefektívnejší pre prevádzku jadrového reaktora, čím ľudstvu znižuje náklady na získavanie energie.

Kedy sa objavili prvé jadrové reaktory a kde sa dnes používajú

Už v roku 1919 fyzici triumfovali, keď Rutherford objavil a opísal proces vzniku pohybujúcich sa protónov v dôsledku zrážky častíc alfa s jadrami atómov dusíka. Tento objav znamenal, že jadro izotopu dusíka sa v dôsledku zrážky s časticou alfa zmenilo na jadro izotopu kyslíka.

Pred objavením sa prvých jadrových reaktorov sa svet naučil niekoľko nových fyzikálnych zákonov, ktoré všetko interpretovali dôležité aspekty jadrovej reakcie. V roku 1934 tak F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky po prvýkrát ponúkli spoločnosti a okruhu svetových vedcov teoretický predpoklad a dôkazovú základňu o možnosti jadrových reakcií. Všetky experimenty súviseli s pozorovaním štiepenia jadra uránu.

V roku 1939 E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch sledovali reakciu štiepenia jadier uránu pri ich bombardovaní neutrónmi. Vedci v priebehu výskumu zistili, že keď jeden zrýchlený neutrón vstúpi do jadra uránu, existujúce jadro sa rozdelí na dve alebo tri časti.

Reťazová reakcia bola prakticky preukázaná v polovici 20. storočia. V roku 1939 sa vedcom podarilo dokázať, že pri štiepení jedného jadra uránu sa uvoľní asi 200 MeV energie. Ale asi 165 MeV je pridelených kinetickej energii jadier fragmentov a zvyšok so sebou odnáša gama kvantá. Tento objav urobil prelom v kvantovej fyzike.

E. Fermi pokračuje v práci a výskume ešte niekoľko rokov a v roku 1942 v USA spúšťa prvý jadrový reaktor. Stelesnený projekt sa nazýval „Chicago woodpile“ a bol umiestnený na koľajniciach. 5. septembra 1945 Kanada spustila svoj jadrový reaktor ZEEP. Európsky kontinent nezaostával a súčasne prebiehala výstavba inštalácie F-1. A pre Rusov je tu ešte jeden pamätný dátum – 25. decembra 1946 spúšťajú v Moskve reaktor pod vedením I. Kurčatova. Neboli to najvýkonnejšie jadrové reaktory, ale to bol začiatok vývoja atómu človekom.

Pre mierové účely bol v roku 1954 v ZSSR vytvorený vedecký jadrový reaktor. Prvá mierová loď na svete s jadrovou energiou elektráreň- jadrový ľadoborec "Lenin" - bol vyrobený v Sovietskom zväze v roku 1959. A ešte jeden úspech nášho štátu je jadrový ľadoborec Arktika. Táto povrchová loď prvýkrát na svete dosiahla severný pól. Stalo sa to v roku 1975.

Prvé prenosné jadrové reaktory fungovali na pomalých neutrónoch.

Kde sa používajú jadrové reaktory a aké typy ľudstvo používa

• Priemyselné reaktory. Používajú sa na výrobu energie v jadrových elektrárňach.
• Jadrové reaktory slúžiace ako pohon jadrových ponoriek.
• Experimentálne (prenosné, malé) reaktory. Bez nich ani jeden moderný vedecké skúsenosti alebo výskum.

Dnes sa vedecký svet naučil, ako odsoľovať morskú vodu pomocou špeciálnych reaktorov, aby obyvateľom poskytli vysokokvalitné pitná voda. V Rusku je v prevádzke veľa jadrových reaktorov. Podľa štatistík teda od roku 2018 v štáte funguje asi 37 blokov.

A podľa klasifikácie môžu byť nasledovné:

• Výskum (historický). Patrí medzi ne aj stanica F-1, ktorá vznikla ako experimentálne miesto na výrobu plutónia. I.V. Kurčatov pracoval na F-1, dohliadal na prvý fyzikálny reaktor.
• Výskum (aktívny).
• Zbrojnica. Ako príklad reaktor - A-1, ktorý vošiel do histórie ako prvý reaktor s chladením. Minulá sila jadrového reaktora je malá, ale funkčná.
• Energia.
• Loď. Je známe, že na lodiach a ponorkách sa z nevyhnutnosti a technickej realizovateľnosti používajú vodou chladené reaktory alebo reaktory s tekutým kovom.
• Priestor. Ako príklad nazvime inštaláciu „Yenisei“. vesmírne lode, ktorá prichádza do úvahy, ak je potrebné vyrábať dodatočnú energiu, a tú bude potrebné získať pomocou solárnych panelov a izotopových zdrojov.

Téma jadrových reaktorov je teda dosť rozsiahla, preto si vyžaduje hlboké štúdium a pochopenie zákonov kvantovej fyziky. Ale význam jadrových reaktorov pre energetiku a ekonomiku štátu je už nepochybne rozdúchaný aurou užitočnosti a výhod.