Reaktoriaus struktūra. Kaip veikia branduolinis reaktorius?

Suprasti veikimo principą ir įrenginį branduolinis reaktorius, reikia padaryti nedidelė ekskursijaį praeitį. Branduolinis reaktorius yra šimtmečių senumo, nors ir ne iki galo įgyvendinta, žmonijos svajonė apie neišsenkamą energijos šaltinį. Jo senovinis „protėvis“ – iš sausų šakų sukurta ugnis, kuri kadaise apšvietė ir šildė urvo skliautus, kur mūsų tolimi protėviai rado išsigelbėjimą nuo šalčio. Vėliau žmonės įvaldė angliavandenilius – anglį, skalūnus, naftą ir gamtines dujas.

Prasidėjo nerami, bet trumpalaikė garo era, kurią pakeitė dar fantastiškesnė elektros era. Miestai prisipildė šviesos, o dirbtuvės – iki šiol nematytų elektros varikliais varomų mašinų ūžesio. Tada atrodė, kad pažanga pasiekė apogėjų.

Viskas pasikeitė viduje pabaigos XIX amžiuje, kai prancūzų chemikas Antoine'as Henri Becquerel atsitiktinai atrado, kad urano druskos yra radioaktyvios. Po 2 metų jo tautiečiai Pierre'as Curie ir jo žmona Maria Sklodowska-Curie iš jų gavo radžio ir polonio, o jų radioaktyvumo lygis buvo milijonus kartų didesnis nei torio ir urano.

Lazdelę perėmė Ernestas Rutherfordas, detaliai ištyręs radioaktyviųjų spindulių prigimtį. Taip prasidėjo atomo amžius, kuris pagimdė jo mylimą vaiką – atominį reaktorių.

Pirmasis branduolinis reaktorius

„Firstborn“ kilęs iš JAV. 1942 m. gruodį reaktorius sukūrė pirmąją srovę, kuri gavo savo kūrėjo vardą - vieną iš didžiausi fizikai amžiaus E. Fermi. Po trejų metų ZEEP branduolinis objektas atgijo Kanadoje. „Bronza“ atiteko pirmajam sovietų reaktoriui F-1, paleistam 1946 m. I. V. Kurchatovas tapo vidaus branduolinio projekto vadovu. Šiandien pasaulyje sėkmingai veikia daugiau nei 400 branduolinių blokų.

Branduolinių reaktorių tipai

Jų pagrindinis tikslas yra palaikyti kontroliuojamą branduolinę reakciją, kuri gamina elektrą. Kai kurie reaktoriai gamina izotopus. Trumpai tariant, tai prietaisai, kurių gelmėse kai kurios medžiagos paverčiamos kitomis didelis kiekisšiluminė energija. Tai savotiška „orkaitė“, kur vietoj tradiciniai tipai Kuras „degina“ urano izotopus – U-235, U-238 ir plutonį (Pu).

Skirtingai nei, pavyzdžiui, automobilis, skirtas kelių rūšių benzinui, kiekviena radioaktyviojo kuro rūšis turi savo reaktorių. Jų yra du – ant lėtųjų (su U-235) ir greitųjų (su U-238 ir Pu) neutronais. Dauguma atominių elektrinių turi lėtuosius neutroninius reaktorius. Be atominių elektrinių, įrenginiai „dirba“ tyrimų centruose, branduoliniuose povandeniniuose laivuose ir kt.

Kaip veikia reaktorius

Visi reaktoriai turi maždaug tą pačią grandinę. Jo „širdis“ yra aktyvioji zona. Ją galima grubiai palyginti su įprastos krosnies židiniu. Tik vietoje malkų yra branduolinis kuras kuro elementų pavidalu su moderatoriumi – kuro strypais. Aktyvioji zona yra savotiškos kapsulės viduje – neutronų reflektorius. Kuro strypus „plauna“ aušinimo skystis – vanduo. Nes „širdyje“ yra labai aukštas lygis radioaktyvumas, jį supa patikima radiacinė apsauga.

Operatoriai valdo įrenginio veikimą naudodami du kritinės sistemos– grandininės reakcijos reguliavimas ir nuotolinė sistema valdymas. Atsitikus nelaimei, avarinė apsauga įsijungia akimirksniu.

Kaip veikia reaktorius?

Atominė „liepsna“ yra nematoma, nes procesai vyksta branduolio dalijimosi lygiu. Vykstant grandininei reakcijai, sunkieji branduoliai skyla į smulkesnius fragmentus, kurie, būdami sužadinti, tampa neutronų ir kitų subatominių dalelių šaltiniais. Tačiau procesas tuo nesibaigia. Neutronai ir toliau „skaldo“, dėl to išsiskiria dideli energijos kiekiai, tai yra, kas nutinka dėl kurių statomos atominės elektrinės.

Pagrindinė personalo užduotis – grandininę reakciją valdymo strypų pagalba palaikyti pastoviame, reguliuojamame lygyje. Tai yra pagrindinis jo skirtumas nuo atominė bomba, kur branduolinio skilimo procesas yra nevaldomas ir vyksta greitai, galingo sprogimo pavidalu.

Kas atsitiko Černobylio atominėje elektrinėje

Viena iš pagrindinių nelaimės priežasčių Černobylio atominė elektrinė 1986 m. balandžio mėn. - šiurkštus eksploatacijos saugos taisyklių pažeidimas atliekant 4-ojo energetinio bloko einamąją priežiūrą. Tada iš šerdies vienu metu buvo pašalinti 203 grafito strypai, o ne 15, leidžiamų pagal taisykles. Dėl to prasidėjusi nekontroliuojama grandininė reakcija baigėsi terminiu sprogimu ir visišku jėgos agregato sunaikinimu.

Naujos kartos reaktoriai

Už nugaros praėjusį dešimtmetį Rusija tapo viena iš pasaulio branduolinės energetikos lyderių. Įjungta Šis momentas Valstybinė korporacija „Rosatom“ atomines elektrines stato 12 šalių, kuriose statomi 34 energijos blokai. Tokia didelė paklausa rodo aukštą šiuolaikinės Rusijos branduolinės technologijos lygį. Toliau rikiuojasi nauji 4-osios kartos reaktoriai.

"Brestas"

Vienas iš jų – Brestas, kuriamas kaip „Breakthrough“ projekto dalis. Dabar Operacinės sistemos atviro ciklo sistemos veikia su mažai prisodrintu uranu, dėl kurio lieka daug panaudoto kuro, kurį reikia laidoti, o tai reikalauja milžiniškų išlaidų. „Brestas“ – greitųjų neutronų reaktorius yra unikalus savo uždaru ciklu.

Jame panaudotas kuras, tinkamai apdorojus greitųjų neutronų reaktoriuje, vėl tampa visaverčiu kuru, kurį galima krauti atgal į tą patį įrenginį.

Brestas išsiskiria aukštu saugumo lygiu. Jis niekada „nesprogs“ net rimčiausios avarijos metu, yra labai ekonomiškas ir nekenksmingas aplinkai, nes pakartotinai naudoja „atnaujintą“ uraną. Jis taip pat negali būti naudojamas ginklams tinkamo plutonio gamybai, o tai atveria didžiausias jo eksporto perspektyvas.

VVER-1200

VVER-1200 yra naujoviškas 3+ kartos reaktorius, kurio galia 1150 MW. Dėl savo unikalių techninių galimybių jis pasižymi beveik absoliučia eksploatavimo sauga. Reaktorius gausiai aprūpintas pasyviomis saugos sistemomis, kurios veiks automatiškai net ir nesant elektros tiekimo.

Viena iš jų – pasyvioji šilumos šalinimo sistema, kuri automatiškai įsijungia visiškai išjungus reaktorių. Šiuo atveju yra numatyti avariniai hidrauliniai bakai. Jei pirminėje grandinėje nukrenta nenormalus slėgis, į reaktorių pradedamas tiekti didelis kiekis vandens, kuriame yra boro, o tai užgesina branduolinę reakciją ir sugeria neutronus.

Kitas know-how yra apatinėje apsauginio apvalkalo dalyje - lydalo „spąstai“. Jei dėl nelaimingo atsitikimo šerdis „nutekės“, „spąstai“ neleis sugriūti izoliaciniam apvalkalui ir neleis radioaktyviems produktams patekti į žemę.

Branduolinis reaktorius veikia sklandžiai ir efektyviai. Priešingu atveju, kaip žinote, bus problemų. Bet kas vyksta viduje? Pabandykime trumpai, aiškiai, su sustojimais suformuluoti branduolinio (branduolinio) reaktoriaus veikimo principą.

Tiesą sakant, ten vyksta tas pats procesas, kaip ir per branduolinį sprogimą. Tik sprogimas įvyksta labai greitai, bet reaktoriuje visa tai išsitęsia ilgam. Dėl to viskas išlieka saugu, gauname energijos. Ne tiek, kad viskas aplink būtų iš karto sunaikinta, bet visiškai pakankamai, kad miestui būtų suteikta elektros energija.

Prieš suprasdami, kaip vyksta kontroliuojama branduolinė reakcija, turite žinoti, kas tai yra. branduolinė reakcija iš viso.

branduolinė reakcija yra atomų branduolių transformacijos (skilimo) procesas, kai jie sąveikauja su elementariosiomis dalelėmis ir gama spinduliais.

Branduolinės reakcijos gali vykti ir absorbuojant, ir išleidžiant energiją. Reaktorius naudoja antrąsias reakcijas.

Branduolinis reaktorius yra prietaisas, kurio paskirtis yra palaikyti kontroliuojamą branduolinę reakciją išskiriant energiją.

Dažnai branduolinis reaktorius dar vadinamas atominiu reaktoriumi. Prisimink tai esminis skirtumas ne čia, bet moksliniu požiūriu teisingiau vartoti žodį „branduolinis“. Dabar yra daugybė branduolinių reaktorių tipų. Tai didžiuliai pramoniniai reaktoriai, skirti gaminti energiją elektrinėse, povandeninių laivų branduoliniai reaktoriai, maži eksperimentiniai reaktoriai, naudojami moksliniams eksperimentams. Yra net reaktoriai, naudojami jūros vandeniui gėlinti.

Branduolinio reaktoriaus sukūrimo istorija

Pirmasis branduolinis reaktorius buvo paleistas ne taip jau 1942 m. Tai įvyko JAV, vadovaujant Fermi. Šis reaktorius buvo vadinamas „Chicago Woodpile“.

1946 metais pradėjo veikti pirmasis sovietinis reaktorius, paleistas vadovaujant Kurchatovui. Šio reaktoriaus korpusas buvo septynių metrų skersmens rutulys. Pirmieji reaktoriai neturėjo aušinimo sistemos, o jų galia buvo minimali. Beje, sovietinio reaktoriaus vidutinė galia siekė 20 vatų, o amerikietiško – tik 1 vatą. Palyginimui, vidutinė šiuolaikinių galios reaktorių galia yra 5 gigavatai. Mažiau nei dešimt metų nuo pirmojo pasaulyje pramoninio reaktoriaus paleidimo atominė jėgainė Obninsko mieste.

Branduolinio (branduolinio) reaktoriaus veikimo principas

Bet kuris branduolinis reaktorius turi keletą dalių: šerdis Su kuro Ir moderatorius , neutronų reflektorius , aušinimo skystis , valdymo ir apsaugos sistema . Izotopai dažniausiai naudojami kaip kuras reaktoriuose. uranas (235, 238, 233), plutonio (239) ir torio (232). Aktyvi zona yra katilas, per kurį teka grynas vanduo(aušinimo skystis). Be kitų aušinimo skysčių, rečiau naudojamas „sunkusis vanduo“ ir skystas grafitas. Jei kalbame apie atominių elektrinių darbą, tai šilumai gaminti naudojamas branduolinis reaktorius. Pati elektra gaminama tokiu pačiu būdu kaip ir kitų tipų elektrinėse – garai suka turbiną, o judėjimo energija paverčiama elektros energija.

Žemiau pateikta branduolinio reaktoriaus veikimo schema.

Kaip jau minėjome, sunkaus urano branduolio skilimo metu susidaro lengvesni elementai ir keli neutronai. Susidarę neutronai susiduria su kitais branduoliais, taip pat sukeldami jų dalijimąsi. Tuo pačiu metu neutronų skaičius auga kaip lavina.

Čia reikėtų paminėti neutronų dauginimo koeficientas . Taigi, jei šis koeficientas viršija vertę, lygią vienetui, branduolinis sprogimas. Jei reikšmė mažesnė už vieną, neutronų yra per mažai ir reakcija užgęsta. Bet jei išlaikysite koeficiento vertę, lygią vienetui, reakcija vyks ilgai ir stabiliai.

Kyla klausimas, kaip tai padaryti? Reaktoriuje kuras yra vadinamajame kuro elementai (TVELakh). Tai yra lazdelės, kuriose yra mažų tablečių pavidalo branduolinis kuras . Kuro strypai sujungti į šešiakampes kasetes, kurių reaktoriuje gali būti šimtai. Kasetės su kuro strypais išdėstytos vertikaliai, o kiekvienas kuro strypas turi sistemą, leidžiančią reguliuoti jo panardinimo į šerdį gylį. Be pačių kasečių, tarp jų yra valdymo strypai Ir avarinės apsaugos strypai . Strypai pagaminti iš medžiagos, kuri gerai sugeria neutronus. Taigi valdymo strypai gali būti nuleisti į skirtingus šerdies gylius, taip reguliuojant neutronų dauginimo koeficientą. Avariniai strypai skirti reaktoriui išjungti avarijos atveju.

Kaip paleidžiamas branduolinis reaktorius?

Mes išsiaiškinome patį veikimo principą, bet kaip paleisti ir priversti reaktorių veikti? Grubiai tariant, štai – urano gabalėlis, bet grandininė reakcija jame neprasideda savaime. Faktas yra tas, kad branduolinėje fizikoje yra koncepcija kritinė masė .

Kritinė masė yra skiliosios medžiagos masė, reikalinga branduolinei grandininei reakcijai pradėti.

Kuro strypų ir valdymo strypų pagalba reaktoriuje pirmiausia sukuriama kritinė branduolinio kuro masė, o vėliau keliais etapais reaktorius pakeliamas iki optimalaus galios lygio.

Šiame straipsnyje mes bandėme jums suteikti bendra idėja apie branduolinio (branduolinio) reaktoriaus sandarą ir veikimo principą. Jei turite klausimų šia tema ar jums buvo užduotas branduolinės fizikos uždavinys universitete, susisiekite mūsų įmonės specialistams. Kaip įprasta, esame pasiruošę padėti išspręsti bet kokią aktualią studijų problemą. O kol mes ties tuo, jūsų dėmesiui – dar vienas mokomasis vaizdo įrašas!

Branduolinis reaktorius veikia sklandžiai ir efektyviai. Priešingu atveju, kaip žinote, bus problemų. Bet kas vyksta viduje? Pabandykime trumpai, aiškiai, su sustojimais suformuluoti branduolinio (branduolinio) reaktoriaus veikimo principą.

Tiesą sakant, ten vyksta tas pats procesas, kaip ir per branduolinį sprogimą. Tik sprogimas įvyksta labai greitai, bet reaktoriuje visa tai išsitęsia ilgam. Dėl to viskas išlieka saugu, gauname energijos. Ne tiek, kad viskas aplink būtų iš karto sunaikinta, bet visiškai pakankamai, kad miestui būtų suteikta elektros energija.

Kaip veikia Atominės elektrinės aušinimo bokštai?
Prieš suprasdami, kaip vyksta kontroliuojama branduolinė reakcija, turite žinoti, kas apskritai yra branduolinė reakcija.

Branduolinė reakcija – tai atominių branduolių transformacijos (skilimo) procesas, kai jie sąveikauja su elementariosiomis dalelėmis ir gama spinduliais.

Branduolinės reakcijos gali vykti ir absorbuojant, ir išleidžiant energiją. Reaktorius naudoja antrąsias reakcijas.

Branduolinis reaktorius yra įrenginys, kurio paskirtis yra palaikyti kontroliuojamą branduolinę reakciją išskiriant energiją.

Dažnai branduolinis reaktorius dar vadinamas atominiu reaktoriumi. Pastebėkime, kad esminio skirtumo čia nėra, tačiau mokslo požiūriu teisingiau vartoti žodį „branduolinis“. Dabar yra daugybė branduolinių reaktorių tipų. Tai didžiuliai pramoniniai reaktoriai, skirti gaminti energiją elektrinėse, povandeninių laivų branduoliniai reaktoriai, maži eksperimentiniai reaktoriai, naudojami moksliniams eksperimentams. Yra net reaktoriai, naudojami jūros vandeniui gėlinti.

Kūrybos istorija branduolinis reaktorius

Pirmasis branduolinis reaktorius buvo paleistas ne taip jau 1942 m. Tai įvyko JAV, vadovaujant Fermi. Šis reaktorius buvo vadinamas Chicago Woodpile.

1946 metais pradėjo veikti pirmasis sovietinis reaktorius, paleistas vadovaujant Kurchatovui. Šio reaktoriaus korpusas buvo septynių metrų skersmens rutulys. Pirmieji reaktoriai neturėjo aušinimo sistemos, o jų galia buvo minimali. Beje, sovietinio reaktoriaus vidutinė galia siekė 20 vatų, o amerikietiško – tik 1 vatą. Palyginimui, vidutinė šiuolaikinių galios reaktorių galia yra 5 gigavatai. Nepraėjus nė dešimčiai metų nuo pirmojo reaktoriaus paleidimo, Obninsko mieste buvo atidaryta pirmoji pasaulyje pramoninė atominė elektrinė.

Branduolinio (branduolinio) reaktoriaus veikimo principas

Bet kurį branduolinį reaktorių sudaro kelios dalys: aktyvioji zona su kuru ir moderatoriumi, neutronų reflektorius, aušinimo skystis, valdymo ir apsaugos sistema. Kaip kuras reaktoriuose dažniausiai naudojami urano (235, 238, 233), plutonio (239) ir torio (232) izotopai. Šerdis yra katilas, per kurį teka paprastas vanduo (aušinimo skystis). Be kitų aušinimo skysčių, rečiau naudojamas „sunkusis vanduo“ ir skystas grafitas. Jei kalbame apie atominių elektrinių darbą, tai šilumai gaminti naudojamas branduolinis reaktorius. Pati elektra gaminama tokiu pačiu būdu kaip ir kitų tipų elektrinėse – garai suka turbiną, o judėjimo energija paverčiama elektros energija.

Žemiau pateikta branduolinio reaktoriaus veikimo schema.

branduolinio reaktoriaus veikimo schema Atominės elektrinės branduolinio reaktoriaus schema

Kaip jau minėjome, sunkaus urano branduolio skilimo metu susidaro lengvesni elementai ir keli neutronai. Susidarę neutronai susiduria su kitais branduoliais, taip pat sukeldami jų dalijimąsi. Tuo pačiu metu neutronų skaičius auga kaip lavina.

Čia reikia paminėti neutronų dauginimo koeficientą. Taigi, jei šis koeficientas viršija vertę, lygią vienetui, įvyksta branduolinis sprogimas. Jei reikšmė mažesnė už vieną, neutronų yra per mažai ir reakcija užgęsta. Bet jei išlaikysite koeficiento vertę, lygią vienetui, reakcija vyks ilgai ir stabiliai.

Kyla klausimas, kaip tai padaryti? Reaktoryje kuras yra vadinamuosiuose kuro elementuose (kuro elementuose). Tai strypai, kuriuose yra branduolinio kuro mažų tablečių pavidalu. Kuro strypai sujungti į šešiakampes kasetes, kurių reaktoriuje gali būti šimtai. Kasetės su kuro strypais išdėstytos vertikaliai, o kiekvienas kuro strypas turi sistemą, leidžiančią reguliuoti jo panardinimo į šerdį gylį. Be pačių kasečių, tarp jų yra valdymo strypai ir avarinės apsaugos strypai. Strypai pagaminti iš medžiagos, kuri gerai sugeria neutronus. Taigi valdymo strypai gali būti nuleisti į skirtingus šerdies gylius, taip reguliuojant neutronų dauginimo koeficientą. Avariniai strypai skirti reaktoriui išjungti avarijos atveju.

Kaip paleidžiamas branduolinis reaktorius?

Mes išsiaiškinome patį veikimo principą, bet kaip paleisti ir priversti reaktorių veikti? Grubiai tariant, štai – urano gabalėlis, bet grandininė reakcija jame neprasideda savaime. Faktas yra tas, kad branduolinėje fizikoje yra kritinės masės sąvoka.

Branduolinis kuras Branduolinis kuras

Kritinė masė yra skiliosios medžiagos masė, reikalinga branduolinei grandininei reakcijai pradėti.

Kuro strypų ir valdymo strypų pagalba reaktoriuje pirmiausia sukuriama kritinė branduolinio kuro masė, o vėliau keliais etapais reaktorius pakeliamas iki optimalaus galios lygio.

Jums patiks: Matematiniai triukai humanitarinių mokslų studentams ir ne taip (1 dalis)
Šiame straipsnyje mes bandėme suteikti jums bendrą supratimą apie branduolinio (branduolinio) reaktoriaus struktūrą ir veikimo principą. Jei turite klausimų šia tema ar universitete iškilo branduolinės fizikos problema, kreipkitės į mūsų įmonės specialistus. Kaip įprasta, esame pasiruošę padėti išspręsti bet kokią aktualią studijų problemą. O kol mes ties tuo, jūsų dėmesiui – dar vienas mokomasis vaizdo įrašas!

dienoraštis/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

Branduolinės energijos svarba šiuolaikiniame pasaulyje

Branduolinė energija per pastaruosius kelis dešimtmečius padarė didžiulę pažangą ir tapo vienu iš svarbiausių elektros energijos šaltinių daugeliui šalių. Tuo pačiu metu reikia prisiminti, kad šios pramonės plėtra Nacionalinė ekonomika Verta milžiniškų dešimčių tūkstančių mokslininkų, inžinierių ir paprastų darbuotojų pastangų, kurie daro viską, kad „taikus atomas“ netaptų realia grėsme milijonams žmonių. Tikrasis bet kurios atominės elektrinės branduolys yra branduolinis reaktorius.

Branduolinio reaktoriaus sukūrimo istorija

Pirmas panašus įrenginys buvo pastatytas Antrojo pasaulinio karo įkarštyje JAV garsaus mokslininko ir inžinieriaus E. Fermi. Dėl jo neįprasta išvaizda, primenantis vienas ant kito sukrautų grafito blokų šūsnį, šis branduolinis reaktorius buvo vadinamas Čikagos kaminu. Verta paminėti, kad šis įrenginys veikė uranu, kuris buvo patalpintas tiesiog tarp blokų.

Branduolinio reaktoriaus sukūrimas Sovietų Sąjungoje

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

Reaktoriaus veikimo principas

Branduolinis reaktorius yra labai sudėtingas ir pavojingas techninis prietaisas. Jo veikimo principas pagrįstas tuo, kad urano skilimo metu išsiskiria keli neutronai, kurie savo ruožtu išmuša elementarias daleles iš gretimų urano atomų. Dėl šios grandininės reakcijos reikšminga suma energijos šilumos ir gama spindulių pavidalu. Tuo pačiu metu reikėtų atsižvelgti į tai, kad jei ši reakcija niekaip nebus kontroliuojama, urano atomų dalijimasis trumpą laiką gali sukelti galingas sprogimas su nepageidaujamomis pasekmėmis.

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

Branduolinis reaktorius ir jo apsauga

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

XX amžiaus viduryje žmonijos dėmesys buvo sutelktas į atomą ir mokslininkų paaiškinimą apie branduolinę reakciją, kurią jie iš pradžių nusprendė panaudoti kariniams tikslams, išradę pirmąjį. branduolines bombas. Tačiau XX amžiaus šeštajame dešimtmetyje branduolinis reaktorius SSRS buvo naudojamas taikiems tikslams. Gerai žinoma, kad 1954 m. birželio 27 d. pirmoji pasaulyje 5000 kW galios atominė elektrinė pradėjo tarnauti žmonijai. Šiandien branduolinis reaktorius leidžia pagaminti 4000 MW ar didesnę elektros energiją, tai yra 800 kartų daugiau nei prieš pusę amžiaus.

Kas yra branduolinis reaktorius: pagrindinė apibrėžtis ir pagrindiniai bloko komponentai

Branduolinis reaktorius yra specialus blokas, kuris gamina energiją tinkamai palaikydamas kontroliuojamą branduolinę reakciją. Žodį „atominis“ leidžiama vartoti kartu su žodžiu „reaktorius“. Daugelis sąvokas „branduolinis“ ir „atominis“ paprastai laiko sinonimais, nes neranda esminio skirtumo tarp jų. Tačiau mokslo atstovai yra linkę į teisingesnį derinį - „branduolinį reaktorių“.

Įdomus faktas! Branduolinės reakcijos gali įvykti išskiriant arba absorbuojant energiją.

Pagrindiniai branduolinio reaktoriaus projektavimo komponentai yra šie elementai:

• Moderatorius;
• Valdymo strypai;
• Strypai, turintys sodrinto urano izotopų mišinio;
• Specialusis apsauginiai elementai nuo radiacijos;
• Aušinimo skystis;
• garų generatorius;
• turbina;
• generatorius;
• Kondensatorius;
• Branduolinis kuras.

Kokius pagrindinius branduolinio reaktoriaus veikimo principus nustato fizikai ir kodėl jie yra nepajudinami

Pagrindinis branduolinio reaktoriaus veikimo principas grindžiamas branduolinės reakcijos pasireiškimo ypatumais. Standartinio fizinės grandinės branduolinio proceso metu dalelė sąveikauja su atomo branduolys Dėl to branduolys virsta nauju, kai išsiskiria antrinės dalelės, kurias mokslininkai vadina gama spinduliais. Branduolinės grandininės reakcijos metu išsiskiria didžiulis šiluminės energijos kiekis. Erdvė, kurioje vyksta grandininė reakcija, vadinama reaktoriaus šerdimi.

Įdomus faktas! Aktyvioji zona išoriškai primena katilą, per kurį teka paprastas vanduo, veikdamas kaip aušinimo skystis.

Siekiant išvengti neutronų praradimo, reaktoriaus aktyviosios zonos plotas yra apsuptas specialiu neutronų reflektoriumi. Jo pagrindinė užduotis yra atmesti didžiąją dalį skleidžiamų neutronų į šerdį. Ta pati medžiaga, kuri tarnauja kaip moderatorius, dažniausiai naudojama kaip atšvaitas.

Pagrindinis branduolinio reaktoriaus valdymas vyksta naudojant specialius valdymo strypus. Yra žinoma, kad šie strypai įvedami į reaktoriaus aktyvią zoną ir sukuria visas sąlygas bloko veikimui. Paprastai valdymo strypai yra pagaminti iš cheminiai junginiai boras ir kadmis. Kodėl naudojami šie konkretūs elementai? Taip, nes boras arba kadmis gali efektyviai sugerti šiluminius neutronus. O kai tik planuojama paleisti, pagal branduolinio reaktoriaus veikimo principą į aktyviąją zoną įkišami valdymo strypai. Jų pagrindinė užduotis yra absorbuoti didelę neutronų dalį, taip išprovokuojant grandininės reakcijos vystymąsi. Rezultatas turėtų pasiekti norimą lygį. Kai galia padidėja virš nustatyto lygio, įjungiamos automatinės mašinos, būtinai panardinančios valdymo strypus giliai į reaktoriaus aktyvią zoną.

Taigi tampa aišku, kad valdymas arba valdymo strypai žaidžia svarbus vaidmuo veikiant šiluminiam branduoliniam reaktoriui.

O siekiant sumažinti neutronų nuotėkį, reaktoriaus aktyvioji zona yra apsupta neutronų reflektoriaus, kuris išmeta į aktyviąją erdvę nemažą masę laisvai išeinančių neutronų. Atšvaitas dažniausiai naudoja tą pačią medžiagą kaip ir moderatorius.

Pagal standartą moderuojančios medžiagos atomų branduolys turi santykinai mažą masę, todėl susidūręs su lengvuoju branduoliu grandinėje esantis neutronas praranda daugiau energijos nei susidūręs su sunkiuoju. Dažniausi moderatoriai yra paprastas vanduo arba grafitas.

Įdomus faktas! Branduolinės reakcijos procese esantys neutronai yra ypač apibūdinami didelis greitis judėjimas, todėl reikalingas moderatorius, stumiantis neutronus, kad prarastų dalį savo energijos.

Nė vienas reaktorius pasaulyje negali normaliai veikti be aušinimo skysčio, nes jo tikslas yra pašalinti energiją, kuri susidaro reaktoriaus širdyje. Skystis arba dujos turi būti naudojami kaip aušinimo skystis, nes jie nesugeba sugerti neutronų. Pateiksime kompaktiško branduolinio reaktoriaus aušinimo skysčio pavyzdį - vandenį, anglies dioksidas, o kartais net skysto natrio metalo.

Taigi branduolinio reaktoriaus veikimo principai yra visiškai pagrįsti grandininės reakcijos ir jos eigos dėsniais. Visi reaktoriaus komponentai – moderatorius, strypai, aušinimo skystis, branduolinis kuras – atlieka jiems skirtas užduotis, užtikrina normalų reaktoriaus darbą.

Koks kuras naudojamas branduoliniams reaktoriams ir kodėl pasirenkami šie cheminiai elementai

Pagrindinis kuras reaktoriuose gali būti urano, plutonio arba torio izotopai.

Dar 1934 metais F. Joliot-Curie, stebėjęs urano branduolio dalijimosi procesą, pastebėjo, kad dėl to cheminė reakcija urano branduolys yra padalintas į fragmentus-branduolius ir du ar tris laisvuosius neutronus. Tai reiškia, kad yra tikimybė, kad laisvieji neutronai prisijungs prie kitų urano branduolių ir sukels kitą skilimą. Ir taip, kaip numato grandininė reakcija: iš trijų urano branduolių išsiskirs nuo šešių iki devynių neutronų, kurie vėl prisijungs prie naujai susidariusių branduolių. Ir taip toliau iki begalybės.

Svarbu atsiminti! Branduolio dalijimosi metu atsirandantys neutronai gali išprovokuoti 235 masės urano izotopo branduolių dalijimąsi ir sunaikinti urano izotopo, kurio masės skaičius 238, branduolius, skilimo proceso metu susidarančios energijos gali nepakakti. .

Urano numeris 235 gamtoje randamas retai. Jo dalis sudaro tik 0,7%, tačiau gamtinis uranas-238 užima erdvesnę nišą ir sudaro 99,3%.

Nepaisant tokios mažos urano-235 dalies gamtoje, fizikai ir chemikai vis dar negali jo atsisakyti, nes jis yra efektyviausias branduolinio reaktoriaus darbui, mažinantis energijos gamybos sąnaudas žmonijai.

Kada atsirado pirmieji branduoliniai reaktoriai ir kur jie dažniausiai naudojami šiandien?

1919 m. fizikai jau triumfavo, kai Rutherfordas atrado ir aprašė judančių protonų susidarymo procesą, susidariusį alfa dalelėms susidūrus su azoto atomų branduoliais. Šis atradimas reiškė, kad azoto izotopų branduolys, susidūręs su alfa dalele, buvo paverstas deguonies izotopo branduoliu.

Prieš pasirodant pirmiesiems branduoliniams reaktoriams, pasaulis išmoko keletą naujų fizikos dėsnių, kurie valdė viską svarbius aspektus branduolinė reakcija. Taigi 1934 metais F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kowarski visuomenei ir pasaulio mokslininkų ratui pirmą kartą pasiūlė teorinę prielaidą ir įrodymų bazę apie galimybę vykdyti branduolines reakcijas. Visi eksperimentai buvo susiję su urano branduolio skilimo stebėjimu.

1939 metais E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Gan, O. Frisch stebėjo urano branduolių dalijimosi reakciją, kai buvo bombarduojami neutronais. Tyrimo metu mokslininkai išsiaiškino, kad vienam pagreitėjusiam neutronui patekus į urano branduolį, esamas branduolys padalijamas į dvi ar tris dalis.

Grandininė reakcija buvo praktiškai įrodyta XX amžiaus viduryje. Mokslininkams 1939 metais pavyko įrodyti, kad dalijantis vienam urano branduoliui išsiskiria apie 200 MeV energijos. Bet toliau kinetinė energija iš fragmentų branduolių pašalinama maždaug 165 MeV, o likusi dalis neša gama spindulius. Šis atradimas padarė proveržį kvantinėje fizikoje.

E. Fermi dar keletą metų tęsė savo darbą ir tyrimus ir 1942 metais JAV paleido pirmąjį branduolinį reaktorių. Įgyvendintas projektas buvo pavadintas „Chicago Woodpile“ ir buvo pastatytas ant bėgių. 1945 m. rugsėjo 5 d. Kanada paleido savo ZEEP branduolinį reaktorių. Nedaug atsiliko ir Europos žemynas, o tuo pat metu buvo statoma ir F-1 instaliacija. O rusams yra kita įsimintina data– 1946 12 25 Maskvoje, vadovaujant I. Kurchatovui, buvo paleistas reaktorius. Tai nebuvo patys galingiausi branduoliniai reaktoriai, bet tai buvo žmogaus įvaldymo atomo pradžia.

Taikiems tikslams SSRS 1954 metais buvo sukurtas mokslinis branduolinis reaktorius. Pirmasis pasaulyje taikus branduoliniu varikliu varomas laivas elektrinė – branduolinis ledlaužis„Leninas“ – pastatytas Sovietų Sąjungoje 1959 m. O dar vienas mūsų valstybės pasiekimas – atominis ledlaužis „Arktika“. Pirmą kartą pasaulyje šis laivas pasiekė paviršių Šiaurės ašigalis. Tai įvyko 1975 m.

Pirmuosiuose nešiojamuosiuose branduoliniuose reaktoriuose buvo naudojami lėtieji neutronai.

Kur naudojami branduoliniai reaktoriai ir kokius tipus naudoja žmonija?

• Pramoniniai reaktoriai. Jie naudojami energijai gaminti atominėse elektrinėse.
• Branduoliniai reaktoriai, veikiantys kaip branduolinių povandeninių laivų varomieji įrenginiai.
• Eksperimentiniai (nešiojami, maži) reaktoriai. Be jų neįvyksta nei vienas šiuolaikinis mokslinis eksperimentas ar tyrimas.

Šiandien mokslo pasaulis išmoko naudoti specialius reaktorius jūros vandeniui gėlinti ir gyventojams aprūpinti aukštos kokybės geriamas vanduo. Rusijoje yra daug veikiančių branduolinių reaktorių. Taigi, pagal statistiką, 2018 metais valstybėje veikia apie 37 padaliniai.

Ir pagal klasifikaciją jie gali būti tokie:

• Tyrimai (istoriniai). Tai yra F-1 stotis, kuri buvo sukurta kaip eksperimentinė plutonio gamybos vieta. I. V. Kurchatovas dirbo F-1 ir vadovavo pirmajam fiziniam reaktoriui.
• Tyrimas (aktyvus).
• Ginklas. Kaip reaktoriaus pavyzdys – A-1, kuris įėjo į istoriją kaip pirmasis reaktorius su aušinimu. Branduolinio reaktoriaus ankstesnė galia yra nedidelė, bet funkcionali.
• Energija.
• Laivas. Yra žinoma, kad laivuose ir povandeniniuose laivuose dėl būtinybės ir techninių galimybių naudojami vandeniu aušinami arba skysto metalo reaktoriai.
• Erdvė. Pavyzdžiui, pavadinkime instaliaciją „Yenisei“. erdvėlaivių, kuris įsigalioja, jei reikia gauti papildomos energijos, ir ją reikės gauti naudojant saulės elementai ir izotopų šaltiniai.

Taigi branduolinių reaktorių tema yra gana plati, todėl reikia nuodugniai ištirti ir suprasti dėsnius Kvantinė fizika. Tačiau branduolinių reaktorių svarba energetikos sektoriui ir valstybės ekonomikai neabejotinai jau dabar apgaubta naudingumo ir naudos aura.