كيف يعمل المفاعل النووي؟ محطة الطاقة النووية: كيف تعمل

الجهاز ومبدأ العملية

آلية تحرير الطاقة

يترافق تحول المادة مع إطلاق الطاقة الحرة فقط إذا كانت المادة تحتوي على احتياطي من الطاقات. هذا الأخير يعني أن الجسيمات الدقيقة للمادة في حالة مع طاقة راحة أكبر مما كانت عليه في حالة أخرى محتملة ، والتي يوجد الانتقال إليها. يتم دائمًا منع الانتقال التلقائي من خلال حاجز الطاقة ، للتغلب على ما يجب أن تتلقى الجسيمات الدقيقة قدرًا من الطاقة من الخارج - طاقة الإثارة. يتكون التفاعل الخارجي للطاقة من حقيقة أنه في التحول الذي يلي الإثارة ، يتم إطلاق المزيد من الطاقة أكثر مما هو مطلوب لإثارة العملية. هناك طريقتان للتغلب على حاجز الطاقة: إما بسبب الطاقة الحركية للجسيمات المتصادمة ، أو بسبب طاقة الربط للجسيم المنضم.

إذا أخذنا في الاعتبار المقاييس العيانية لإطلاق الطاقة ، فإن الطاقة الحركية اللازمة لإثارة التفاعلات يجب أن تحتوي على كل أو على الأقل في البداية بعض جسيمات المادة. لا يمكن تحقيق ذلك إلا من خلال زيادة درجة حرارة الوسط إلى قيمة تقترب فيها طاقة الحركة الحرارية من قيمة عتبة الطاقة التي تحدد مسار العملية. في حالة التحولات الجزيئية ، أي التفاعلات الكيميائية ، عادة ما تكون هذه الزيادة مئات من الكلفينات ، بينما في حالة التفاعلات النووية تكون على الأقل 10 7 بسبب الارتفاع العالي جدًا لحواجز كولوم للنواة المتصادمة. تم إجراء الإثارة الحرارية للتفاعلات النووية في الممارسة العملية فقط في تخليق أخف نوى ، حيث تكون حواجز كولوم في حدها الأدنى (اندماج نووي حراري).

لا يتطلب الإثارة بواسطة الجسيمات الموصلة طاقة حركية كبيرة ، وبالتالي لا تعتمد على درجة حرارة الوسط ، حيث إنها تحدث بسبب الروابط غير المستخدمة المتأصلة في جسيمات القوى الجذابة. لكن من ناحية أخرى ، فإن الجسيمات نفسها ضرورية لإثارة ردود الفعل. وإذا لم يكن في أذهاننا فعل رد فعل منفصل ، ولكن إنتاج الطاقة على نطاق مجهري ، فإن هذا ممكن فقط عندما يحدث تفاعل متسلسل. ينشأ هذا الأخير عندما تظهر الجسيمات التي تثير التفاعل مرة أخرى كمنتجات لتفاعل خارجي للطاقة.

تصميم

يتكون أي مفاعل نووي من الأجزاء التالية:

• الأساسية مع الوقود النووي وسيط.
• عاكس نيوتروني يحيط باللب ؛
• نظام تنظيم التفاعل المتسلسل ، بما في ذلك الحماية في حالات الطوارئ ؛
• الحماية من الإشعاع؛
• نظام التحكم عن بعد.

المبادئ الفيزيائية للعملية

انظر أيضا المقالات الرئيسية:

يمكن وصف الحالة الحالية للمفاعل النووي بعامل مضاعفة النيوترونات الفعال كأو التفاعل ρ ، والتي ترتبط بالعلاقة التالية:

تتميز هذه القيم بالقيم التالية:

• ك> 1 - يزداد التفاعل المتسلسل بمرور الوقت ، يكون المفاعل في الداخل فوق الحرجةالدولة ، تفاعلها ρ > 0;
• ك < 1 - реакция затухает, реактор - دون الحرجة, ρ < 0;
• ك = 1, ρ = 0 - عدد الانشطار النووي ثابت ، والمفاعل في حالة مستقرة حرجحالة.

حالة حرجية المفاعل النووي:

يتم تحقيق تحويل عامل الضرب إلى وحدة من خلال موازنة تكاثر النيوترونات مع خسائرها. يوجد في الواقع سببان للخسارة: الالتقاط بدون انشطار وتسرب النيوترونات خارج وسط التكاثر.

من الواضح أن ك< k 0 , поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k 0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k 0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны.

يمكن تحديد k 0 للمفاعلات الحرارية من خلال ما يسمى ب "صيغة 4 عوامل":

• η هو ناتج النيوترون لكل عمليتي امتصاص.

يمكن أن تصل أحجام مفاعلات الطاقة الحديثة إلى مئات الأمتار المكعبة ويتم تحديدها بشكل أساسي ليس من خلال ظروف الحرجية ، ولكن من خلال إمكانيات إزالة الحرارة.

الحجم الحرجمفاعل نووي - حجم قلب المفاعل في حالة حرجة. الكتلة الحرجةهي كتلة المادة الانشطارية للمفاعل ، والتي تكون في حالة حرجة.

المفاعلات التي تغذيها المحاليل المائية لأملاح النظائر الانشطارية النقية بعاكس نيوتروني مائي لها أدنى كتلة حرجة. بالنسبة لـ 235 U ، هذه الكتلة تساوي 0.8 كجم ، أما بالنسبة لـ 239 Pu فهي 0.5 كجم. ومع ذلك ، من المعروف على نطاق واسع أن الكتلة الحرجة لمفاعل LOPO (أول مفاعل يورانيوم مخصب في العالم) ، والذي كان به عاكس لأكسيد البريليوم ، كان 0.565 كجم ، على الرغم من حقيقة أن درجة التخصيب في النظير 235 كانت قليلة فقط أكثر من 14٪. من الناحية النظرية ، فإن أصغر كتلة حرجة لها هذه القيمة هي 10 جم فقط.

من أجل تقليل تسرب النيوترونات ، يتم إعطاء اللب شكلًا كرويًا أو قريبًا من الشكل الكروي ، مثل أسطوانة قصيرة أو مكعب ، نظرًا لأن هذه الأشكال لها أصغر نسبة من مساحة السطح إلى الحجم.

على الرغم من حقيقة أن القيمة (e - 1) عادة ما تكون صغيرة ، إلا أن دور الضرب السريع للنيوترونات كبير جدًا ، لأنه بالنسبة للمفاعلات النووية الكبيرة (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

لبدء تفاعل متسلسل ، عادة ما يتم إنتاج عدد كافٍ من النيوترونات أثناء الانشطار التلقائي لنواة اليورانيوم. من الممكن أيضًا استخدام مصدر خارجي للنيوترونات لبدء المفاعل ، على سبيل المثال ، خليط من و ، أو مواد أخرى.

حفرة اليود

حفرة اليود - حالة المفاعل النووي بعد إغلاقه ، وتتميز بتراكم نظير الزينون قصير العمر. تؤدي هذه العملية إلى الظهور المؤقت للتفاعل السلبي الكبير ، والذي بدوره يجعل من المستحيل جلب المفاعل إلى طاقته التصميمية لفترة معينة (حوالي يوم إلى يومين).

تصنيف

بالميعاد

حسب طبيعة استخدام المفاعلات النووية تنقسم إلى:

• مفاعلات الطاقةمصممة لإنتاج الطاقة الكهربائية والحرارية المستخدمة في قطاع الطاقة ، وكذلك لتحلية مياه البحر (مفاعلات تحلية المياه مصنفة أيضًا على أنها صناعية). تستخدم هذه المفاعلات بشكل رئيسي في محطات الطاقة النووية. تصل الطاقة الحرارية لمفاعلات الطاقة الحديثة إلى 5 جيجاوات. في مجموعة منفصلة خصص:
  • مفاعلات النقلمصممة لتزويد محركات المركبات بالطاقة. أوسع مجموعات التطبيقات هي مفاعلات النقل البحري المستخدمة في الغواصات والسفن السطحية المختلفة ، وكذلك المفاعلات المستخدمة في تكنولوجيا الفضاء.
• المفاعلات التجريبية، مصممة لدراسة الكميات الفيزيائية المختلفة ، والتي تعتبر قيمتها ضرورية لتصميم وتشغيل المفاعلات النووية ؛ لا تتجاوز قوة هذه المفاعلات بضعة كيلوواط.
• مفاعلات البحث، حيث يتم استخدام تدفقات النيوترونات وأشعة غاما التي تم إنشاؤها في القلب للبحث في مجال الفيزياء النووية ، وفيزياء الحالة الصلبة ، وكيمياء الإشعاع ، وعلم الأحياء ، لاختبار المواد المعدة للتشغيل في تدفقات نيوترونية مكثفة (بما في ذلك أجزاء المفاعلات النووية) ، لإنتاج النظائر. لا تتجاوز قوة مفاعلات البحث 100 ميغاواط. عادة لا يتم استخدام الطاقة الصادرة.
• المفاعلات الصناعية (الأسلحة ، النظائر)تستخدم لإنتاج النظائر المستخدمة في مختلف المجالات. يستخدم على نطاق واسع لإنتاج المواد المستخدمة في صنع الأسلحة النووية ، مثل 239 Pu. كما تشمل المفاعلات الصناعية المستخدمة في تحلية مياه البحر.

غالبًا ما تُستخدم المفاعلات لحل مهمتين مختلفتين أو أكثر ، وفي هذه الحالة يتم استدعاؤها متعدد الأغراض. على سبيل المثال ، كانت بعض مفاعلات الطاقة ، خاصة في فجر الطاقة النووية ، مخصصة أساسًا للتجارب. يمكن أن تكون مفاعلات النيوترونات السريعة مولدة للطاقة وتنتج نظائر في نفس الوقت. غالبًا ما تولد المفاعلات الصناعية ، بالإضافة إلى مهمتها الرئيسية ، طاقة كهربائية وحرارية.

حسب الطيف النيوتروني

• مفاعل نيوتروني حراري (بطيء) ("مفاعل حراري")
• مفاعل نيوتروني سريع ("مفاعل سريع")

عن طريق وضع الوقود

• المفاعلات غير المتجانسة ، حيث يتم وضع الوقود في القلب بشكل منفصل على شكل كتل ، يوجد بينها وسيط ؛
• المفاعلات المتجانسة ، حيث يكون الوقود والوسيط خليطًا متجانسًا (نظام متجانس).

في مفاعل غير متجانس ، يمكن تباعد الوقود والوسيط ، على وجه الخصوص ، في مفاعل تجويفي ، يحيط عاكس الوسيط التجويف بالوقود الذي لا يحتوي على الوسيط. من وجهة نظر الفيزياء النووية ، فإن معيار التجانس / عدم التجانس ليس التصميم ، ولكن وضع كتل الوقود على مسافة تتجاوز طول الاعتدال النيوتروني في وسيط معين. على سبيل المثال ، تم تصميم ما يسمى بمفاعلات "الشبكة القريبة" لتكون متجانسة ، على الرغم من أن الوقود يتم فصله عادة عن الوسيط فيها.

تسمى كتل الوقود النووي في مفاعل غير متجانس تجميعات الوقود (FA) ، والتي توضع في القلب عند عقد شبكة منتظمة ، وتشكل الخلايا.

حسب نوع الوقود

• نظائر اليورانيوم 235 ، 238 ، 233 (235 يو ، 238 يو ، 233 يو)
• نظير البلوتونيوم 239 (239 Pu) ، أيضًا النظائر 239-242 Pu كمزيج مع 238 U (وقود MOX)
• نظير الثوريوم 232 (232 ث) (عن طريق التحويل إلى 233 يو)

حسب درجة التخصيب:

• اليورانيوم الطبيعي
• يورانيوم منخفض التخصيب
• اليورانيوم عالي التخصيب

عن طريق التركيب الكيميائي:

• معدن يو
• UC (كربيد اليورانيوم) ، إلخ.

حسب نوع المبرد

• الغاز (انظر مفاعل غاز الجرافيت)
• D 2 O (الماء الثقيل ، انظر المفاعل النووي الذي يعمل بالماء الثقيل ، CANDU)

حسب نوع الوسيط

• C (الجرافيت ، انظر مفاعل غاز الجرافيت ، مفاعل الجرافيت والماء)
• H 2 O (ماء ، انظر مفاعل الماء الخفيف ، مفاعل الماء المضغوط ، VVER)
• D 2 O (الماء الثقيل ، انظر المفاعل النووي الذي يعمل بالماء الثقيل ، CANDU)
• هيدرات المعادن
• بدون وسيط (انظر مفاعل النيوترون السريع)

من تصمبم

طريقة توليد البخار

• مفاعل مزود بمولد بخار خارجي (انظر PWR ، VVER)

تصنيف الوكالة الدولية للطاقة الذرية

• PWR (مفاعلات الماء المضغوط) - مفاعل الماء المضغوط (مفاعل الماء المضغوط) ؛
• BWR (مفاعل الماء المغلي) - مفاعل الماء المغلي ؛
• FBR (مفاعل التوليد السريع) - مفاعل التوليد السريع ؛
• مفاعل مبرد بالغاز (GCR) - مفاعل مبرد بالغاز ؛
• LWGR (مفاعل الجرافيت بالماء الخفيف) - مفاعل الجرافيت والماء
• PHWR (مفاعل الماء الثقيل المضغوط) - مفاعل الماء الثقيل

الأكثر شيوعًا في العالم هي مفاعلات الماء المضغوط (حوالي 62٪) والماء المغلي (20٪).

مواد المفاعل

تعمل المواد التي تُبنى منها المفاعلات في درجات حرارة عالية في مجال النيوترونات والكميات والفتات الانشطارية. لذلك ، ليست كل المواد المستخدمة في فروع التكنولوجيا الأخرى مناسبة لبناء المفاعل. عند اختيار مواد المفاعل ، يتم أخذ مقاومتها للإشعاع ، والخمول الكيميائي ، وقسم الامتصاص ، وخصائص أخرى في الاعتبار.

يتأثر عدم الاستقرار الإشعاعي للمواد بدرجة أقل في درجات الحرارة المرتفعة. تصبح حركة الذرات كبيرة لدرجة أن احتمال عودة الذرات التي خرجت من الشبكة البلورية إلى مكانها أو إعادة اتحاد الهيدروجين والأكسجين في جزيء ماء يزداد بشكل ملحوظ. وبالتالي ، فإن التحلل الإشعاعي للماء غير مهم في مفاعلات الطاقة غير الغليان (على سبيل المثال ، VVER) ، بينما في مفاعلات البحث القوية يتم إطلاق كمية كبيرة من الخليط المتفجر. المفاعلات لها أنظمة خاصة لحرقها.

تتلامس مواد المفاعل مع بعضها البعض (عنصر وقود مغطى بسائل التبريد والوقود النووي ، وأشرطة الوقود مع المبرد والمهدئ ، وما إلى ذلك). بطبيعة الحال ، يجب أن تكون المواد الملامسة خاملة كيميائيًا (متوافقة). مثال على عدم التوافق هو دخول اليورانيوم والماء الساخن في تفاعل كيميائي.

بالنسبة لمعظم المواد ، تتدهور خصائص القوة بشكل حاد مع زيادة درجة الحرارة. في مفاعلات الطاقة ، تعمل المواد الإنشائية في درجات حرارة عالية. هذا يحد من اختيار المواد الإنشائية ، خاصة لأجزاء مفاعل الطاقة التي يجب أن تتحمل الضغط العالي.

حرق الوقود النووي وتكاثره

أثناء تشغيل المفاعل النووي ، نتيجة لتراكم شظايا الانشطار في الوقود ، تتشكل التغييرات النظائرية والكيميائية ، وعناصر عبر اليورانيوم ، خاصة النظائر. يسمى تأثير شظايا الانشطار على تفاعل مفاعل نووي تسمم(للشظايا المشعة) و الخبث(للنظائر المستقرة).

السبب الرئيسي لتسمم المفاعل هو أنه يحتوي على أكبر مقطع عرضي لامتصاص النيوترونات (2.6 10 6 حظيرة). نصف عمر 135 Xe تي 1/2 = 9.2 ساعة ؛ عائد القسمة هو 6-7٪. يتكون الجزء الرئيسي من 135 Xe نتيجة الاضمحلال ( تي 1/2 = 6.8 ساعة). في حالة التسمم يتغير الكاف بنسبة 1-3٪. المقطع العرضي للامتصاص الكبير لـ 135 Xe ووجود النظير المتوسط ​​135 يؤدي إلى ظاهرتين مهمتين:

1. لزيادة تركيز 135 Xe ، وبالتالي ، إلى انخفاض في تفاعل المفاعل بعد إيقاف تشغيله أو تقليل الطاقة ("حفرة اليود") ، مما يجعل من المستحيل إيقاف التشغيل على المدى القصير والتقلبات في طاقة الخرج. يتم التغلب على هذا التأثير من خلال إدخال هامش تفاعل في الهيئات التنظيمية. يعتمد عمق ومدة بئر اليود على تدفق النيوترون Ф: عند Ф = 5 10 18 نيوترون / (سم 2 ثانية) ، تكون مدة بئر اليود ˜ 30 ساعة ، والعمق أكبر بمرتين من التغيير الثابت في Keff الناجم عن 135 تسمم Xe.
2. بسبب التسمم ، يمكن أن تحدث التقلبات المكانية والزمانية لتدفق النيوترونات Ф ، وبالتالي في طاقة المفاعل. تحدث هذه التقلبات عند Ф> 10 18 نيوترون / (سم 2 ثانية) وأحجام مفاعلات كبيرة. فترات التذبذب ˜ 10 ساعات.

يؤدي الانشطار النووي إلى ظهور عدد كبير من الشظايا المستقرة ، والتي تختلف في المقاطع العرضية للامتصاص مقارنةً بالمقطع العرضي للامتصاص للنظير الانشطاري. يصل تركيز الشظايا ذات المقطع العرضي للامتصاص الكبير إلى التشبع خلال الأيام القليلة الأولى من تشغيل المفاعل. هذه هي بشكل أساسي TVELs من "أعمار" مختلفة.

في حالة الاستبدال الكامل للوقود ، يكون للمفاعل تفاعل زائد ، والذي يجب تعويضه ، بينما في الحالة الثانية ، يكون التعويض مطلوبًا فقط عند البدء الأول للمفاعل. يجعل التزود بالوقود المستمر من الممكن زيادة عمق الاحتراق ، حيث يتم تحديد تفاعل المفاعل من خلال متوسط ​​تركيزات النظائر الانشطارية.

كتلة الوقود المحمل تتجاوز كتلة التفريغ بسبب "وزن" الطاقة المحررة. بعد إغلاق المفاعل ، أولاً بسبب الانشطار بواسطة النيوترونات المتأخرة ، ثم بعد 1-2 دقيقة ، بسبب إشعاع و γ لشظايا الانشطار وعناصر عبر اليورانيوم ، يستمر إطلاق الطاقة في الوقود. إذا عمل المفاعل لفترة كافية قبل الإغلاق ، ثم بعد دقيقتين من الإغلاق ، يكون إطلاق الطاقة حوالي 3٪ ، بعد ساعة واحدة - 1٪ ، بعد يوم - 0.4٪ ، بعد عام - 0.05٪ من الطاقة الأولية.

تسمى نسبة عدد نظائر البلوتونيوم الانشطارية المتكونة في مفاعل نووي إلى كمية 235 وحدة محترقة. معدل التحويلك ك. تزداد قيمة K K مع انخفاض التخصيب والاحتراق. بالنسبة لمفاعل الماء الثقيل الذي يعمل على اليورانيوم الطبيعي ، مع احتراق 10 جيجاواط / طن K K = 0.55 ، وللاحتراق الصغير (في هذه الحالة ، يسمى K K معامل البلوتونيوم الأولي) K K = 0.8. إذا احترق مفاعل نووي وأنتج نفس النظائر (مفاعل التوليد) ، فإن نسبة معدل التكاثر إلى معدل الاحتراق تسمى معدل التكاثر K V. في المفاعلات الحرارية KV< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов زينمو و أالسقوط.

التحكم في المفاعلات النووية

لا يمكن التحكم في المفاعل النووي إلا بسبب حقيقة أن بعض النيوترونات تطير من الشظايا خلال الانشطار مع تأخير ، والذي يمكن أن يتراوح من عدة ميلي ثانية إلى عدة دقائق.

للتحكم في المفاعل ، يتم استخدام قضبان ممتصة ، يتم إدخالها في القلب ، مصنوعة من مواد تمتص النيوترونات بقوة (بشكل أساسي ، وبعض المواد الأخرى) و / أو محلول حمض البوريك ، يضاف إلى سائل التبريد بتركيز معين (تنظيم البورون) . يتم التحكم في حركة القضبان بواسطة آليات خاصة ومحركات تعمل على إشارات من المشغل أو معدات للتحكم الآلي في تدفق النيوترونات.

في حالة حدوث حالات طوارئ مختلفة في كل مفاعل ، يتم توفير إنهاء طارئ للتفاعل المتسلسل ، ويتم تنفيذه عن طريق إسقاط جميع قضبان الامتصاص في القلب - نظام حماية في حالات الطوارئ.

الحرارة المتبقية

قضية مهمة تتعلق مباشرة بالسلامة النووية هي تسوس الحرارة. هذه سمة محددة للوقود النووي ، والتي تتمثل في حقيقة أنه بعد إنهاء تفاعل سلسلة الانشطار والقصور الذاتي الحراري ، وهو أمر شائع لأي مصدر للطاقة ، يستمر إطلاق الحرارة في المفاعل لفترة طويلة ، مما يخلق عدد المشاكل المعقدة تقنيًا.

إن تسوس الحرارة هو نتيجة لانحلال بيتا وبيتا لنواتج الانشطار التي تراكمت في الوقود أثناء تشغيل المفاعل. تنتقل نوى نواتج الانشطار ، نتيجة الاضمحلال ، إلى حالة أكثر استقرارًا أو استقرارًا تمامًا مع إطلاق طاقة كبيرة.

على الرغم من أن معدل إطلاق حرارة الاضمحلال ينخفض ​​بسرعة إلى قيم صغيرة مقارنة بالقيم الثابتة ، إلا أنه مهم من حيث القيمة المطلقة في المفاعلات عالية القدرة. لهذا السبب ، يتطلب إطلاق حرارة التسوس وقتًا طويلاً لتوفير إزالة الحرارة من قلب المفاعل بعد إيقاف تشغيله. تتطلب هذه المهمة وجود أنظمة تبريد مزودة بإمدادات طاقة موثوقة في تصميم منشأة المفاعل ، كما تتطلب تخزينًا طويل الأجل (لمدة 3-4 سنوات) للوقود النووي المستهلك في منشآت التخزين ذات نظام درجة حرارة خاص - تجمعات الوقود المستهلك ، والتي تقع عادة في المنطقة المجاورة مباشرة للمفاعل.

أنظر أيضا

• قائمة المفاعلات النووية المصممة والمبنية في الاتحاد السوفيتي

المؤلفات

• ليفين ف. الفيزياء النووية والمفاعلات النووية.الطبعة الرابعة. - م: أتوميزدات ، 1979.
• Shukolyukov A. Yu. "أورانوس. مفاعل نووي طبيعي. "الكيمياء والحياة" رقم 6 ، 1980 ، ص. 20-24

ملحوظات

1. "ZEEP - أول مفاعل نووي في كندا" ، متحف كندا للعلوم والتكنولوجيا.
2. Greshilov A. A.، Egupov N.D، Matushchenko A. M.الدرع النووي. - م: الشعارات ، 2008. - 438 ص. -

إلى الأمام

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

أهداف الدرس:

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

نوع الدرس:تعلم مواد جديدة.

معدات:تركيب الوسائط المتعددة.

خلال الفصول

1. لحظة تنظيمية.

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

2. فحص المادة المدروسة.

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

3. شرح المواد الجديدة.

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

أحسنت. لذا ، يا رفاق ، دعونا الآن نتناول هذه المسألة بمزيد من التفصيل.

مرجع التاريخ.

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

تعريف المفاعل النووي.

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

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

العناصر الرئيسية للمفاعل النووي هي:

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

مبدأ التشغيل مفاعل نووي

يقع الوقود النووي في المنطقة النشطة على شكل قضبان عمودية تسمى عناصر الوقود (TVEL). تم تصميم قضبان الوقود للتحكم في قوة المفاعل.

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

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

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

دور المبادل الحراري - الماء المسخن إلى 300 درجة مئوية ، ينطلق الحرارة من الماء العادي ، يتحول إلى بخار.

التحكم في التفاعل النووي

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

مفاعل على نيوترونات بطيئة.

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

مفاعل نيوتروني سريع.

لا يمكن لمفاعلات النيوترونات السريعة أن تعمل على اليورانيوم الطبيعي. يمكن الحفاظ على التفاعل فقط في خليط مخصب يحتوي على 15٪ على الأقل من نظير اليورانيوم. تتمثل ميزة مفاعلات النيوترونات السريعة في أن تشغيلها ينتج كمية كبيرة من البلوتونيوم ، والذي يمكن بعد ذلك استخدامه كوقود نووي.

المفاعلات المتجانسة وغير المتجانسة.

المفاعلات النووية ، اعتمادًا على الترتيب المتبادل للوقود والوسيط ، تنقسم إلى متجانسة وغير متجانسة. في مفاعل متجانس ، اللب هو كتلة متجانسة من الوقود ، وسيط ومبرد في شكل محلول أو خليط أو ذوبان. يُطلق على المفاعل اسم غير متجانس ، حيث يتم وضع الوقود على شكل كتل أو تجميعات الوقود في الوسيط ، مكونًا شبكة هندسية منتظمة فيه.

تحويل الطاقة الداخلية للنواة الذرية إلى طاقة كهربائية.

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

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

استخدام المفاعلات النووية.

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

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

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

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

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

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

الكوارث البيئية في محطات الطاقة النووية

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

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

4. إصلاح المادة.

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

5. تنفيذ الاختبار.

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

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

6. نتائج الدرس.

ما الجديد الذي تعلمته في الدرس اليوم؟

ما الذي أعجبك في الدرس؟

ماهي الأسئلة؟

شكرًا لك على عملك في الدرس!

مفاعل نووي ، مبدأ التشغيل ، تشغيل مفاعل نووي.

نستخدم الكهرباء كل يوم ولا نفكر في كيفية إنتاجها وكيف وصلت إلينا. ومع ذلك ، فهي من أهم أجزاء الحضارة الحديثة. بدون كهرباء ، لن يكون هناك شيء - لا ضوء ولا حرارة ولا حركة.

يعلم الجميع أن الكهرباء يتم توليدها في محطات الطاقة ، بما في ذلك المحطات النووية. قلب كل محطة للطاقة النووية مفاعل نووي. هذا ما سنناقشه في هذا المقال.

مفاعل نووي، جهاز يحدث فيه تفاعل نووي متسلسل متحكم فيه مع إطلاق الحرارة. في الأساس ، تُستخدم هذه الأجهزة لتوليد الكهرباء وكمحرك للسفن الكبيرة. من أجل تخيل قوة وكفاءة المفاعلات النووية ، يمكن للمرء أن يعطي مثالاً. حيث يحتاج المفاعل النووي المتوسط ​​إلى 30 كيلوجرامًا من اليورانيوم ، فإن متوسط ​​الطاقة الحرارية يحتاج إلى 60 عربة من الفحم أو 40 خزانًا من زيت الوقود.

النموذج المبدئي مفاعل نوويتم بناؤه في ديسمبر 1942 في الولايات المتحدة الأمريكية تحت إشراف E. Fermi. كان ما يسمى ب "شيكاغو ستيك". شيكاغو بايل (فيما بعد كلمةبدأ "بايل" مع المعاني الأخرى للدلالة على مفاعل نووي).تم إعطاء هذا الاسم له نظرًا لحقيقة أنه يشبه كومة كبيرة من كتل الجرافيت الموضوعة واحدة فوق الأخرى.

بين الكتل تم وضع "أجسام عاملة" كروية من اليورانيوم الطبيعي وثاني أكسيده.

في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تم بناء أول مفاعل تحت قيادة الأكاديمي الرابع كورتشاتوف. تم تشغيل مفاعل F-1 في 25 ديسمبر 1946. كان المفاعل على شكل كرة ويبلغ قطره حوالي 7.5 متر. لم يكن لديها نظام تبريد ، لذلك كانت تعمل بمستويات طاقة منخفضة للغاية.

استمر البحث وفي 27 يونيو 1954 ، تم تشغيل أول محطة للطاقة النووية في العالم بسعة 5 ميجاوات في مدينة أوبنينسك.

مبدأ تشغيل المفاعل النووي.

أثناء تحلل اليورانيوم U 235 ، يتم إطلاق الحرارة ، مصحوبة بإطلاق نيوترونين أو ثلاثة نيوترونات. وفقا للإحصاءات - 2.5. تتصادم هذه النيوترونات مع ذرات يورانيوم أخرى U 235. في حالة حدوث تصادم ، يتحول اليورانيوم U 235 إلى نظير غير مستقر U 236 ، والذي يتحلل على الفور تقريبًا إلى Kr 92 و Ba 141 + هذين النيوترونات نفسها. يصاحب الانحلال إطلاق طاقة في شكل أشعة جاما والحرارة.

وهذا ما يسمى بالتفاعل المتسلسل. تنقسم الذرات ، ويزداد عدد الاضمحلال أضعافًا مضاعفة ، مما يؤدي في النهاية إلى إطلاق كمية هائلة من الطاقة بسرعة البرق ، وفقًا لمعاييرنا - يحدث انفجار ذري نتيجة لتفاعل تسلسلي غير متحكم فيه.

ومع ذلك، في مفاعل نووينحن نتعامل مع تفاعل نووي خاضع للرقابة.كيف يصبح هذا ممكنا موصوفة أكثر.

جهاز مفاعل نووي.

في الوقت الحاضر ، هناك نوعان من المفاعلات النووية VVER (مفاعل طاقة الماء المضغوط) و RBMK (مفاعل قناة عالية الطاقة). الفرق هو أن RBMK عبارة عن مفاعل يعمل بالماء المغلي ، بينما يستخدم VVER الماء تحت ضغط 120 جوًا.

مفاعل VVER 1000.1 - محرك CPS ؛ 2 - غطاء المفاعل. 3 - وعاء المفاعل. 4 - كتلة من الأنابيب الواقية (BZT) ؛ 5 - لي ؛ 6 - يربك الأساسية ؛ 7 - مجموعات الوقود (FA) وقضبان التحكم ؛

كل مفاعل نووي من النوع الصناعي عبارة عن غلاية يتدفق من خلالها المبرد. كقاعدة عامة ، هذا هو الماء العادي (حوالي 75٪ في العالم) ، والجرافيت السائل (20٪) والماء الثقيل (5٪). للأغراض التجريبية ، تم استخدام البريليوم وافترض وجود هيدروكربون.

TVEL- (عنصر الوقود). هذه قضبان في غلاف من الزركونيوم مع سبيكة من النيوبيوم ، يوجد بداخلها أقراص من ثاني أكسيد اليورانيوم.

TVEL raktor RBMK. جهاز عنصر الوقود في مفاعل RBMK: 1 - قابس ؛ 2 - أقراص من ثاني أكسيد اليورانيوم. 3 - قشرة الزركونيوم ؛ 4 - ربيع 5 - جلبة 6 - نصيحة.

يشتمل TVEL أيضًا على نظام نابض لعقد كريات الوقود على نفس المستوى ، مما يجعل من الممكن التحكم بشكل أكثر دقة في عمق غمر / إزالة الوقود في القلب. يتم تجميعها في أشرطة سداسية ، كل منها يتضمن عدة عشرات من قضبان الوقود. يتدفق المبرد عبر القنوات في كل كاسيت.

عناصر الوقود في الكاسيت مظللة باللون الأخضر.

تجميع علبة الوقود.

يتكون قلب المفاعل من مئات الكاسيتات ، موضوعة رأسياً ومتحدة معاً بواسطة غلاف معدني - الجسم ، الذي يلعب أيضًا دور عاكس نيوتروني. من بين الأشرطة ، يتم إدخال قضبان التحكم وقضبان الحماية في حالات الطوارئ للمفاعل على فترات منتظمة ، والتي ، في حالة ارتفاع درجة الحرارة ، مصممة لإغلاق المفاعل.

دعونا نعطي كمثال البيانات الموجودة على مفاعل VVER-440:

يمكن أن تتحرك وحدات التحكم لأعلى ولأسفل عن طريق الغرق ، أو العكس ، تاركة القلب ، حيث يكون التفاعل أكثر كثافة. يتم توفير ذلك من خلال محركات كهربائية قوية ، جنبًا إلى جنب مع نظام التحكم. تم تصميم قضبان الحماية في حالات الطوارئ لإغلاق المفاعل في حالة الطوارئ ، والسقوط في القلب وامتصاص المزيد من النيوترونات الحرة.

يحتوي كل مفاعل على غطاء يتم من خلاله تحميل وتفريغ الكاسيتات المستخدمة والجديدة.

عادة ما يتم تركيب العزل الحراري أعلى وعاء المفاعل. الحاجز التالي هو الحماية البيولوجية. عادة ما يكون هذا القبو خرسانيًا مسلحًا ، يتم إغلاق مدخله بغرفة معادلة الضغط بأبواب محكمة الغلق. تم تصميم الحماية البيولوجية بحيث لا تطلق البخار المشع وقطع المفاعل في الغلاف الجوي ، في حالة حدوث انفجار.

إن حدوث انفجار نووي في المفاعلات الحديثة أمر مستبعد للغاية. لأن الوقود ليس مخصبًا بدرجة كافية ، وينقسم إلى TVELs. حتى لو انصهر القلب ، فلن يكون الوقود قادرًا على التفاعل بنشاط. الحد الأقصى الذي يمكن أن يحدث هو انفجار حراري ، كما حدث في تشيرنوبيل ، عندما وصل الضغط في المفاعل إلى هذه القيم بحيث تمزق الهيكل المعدني ببساطة ، وقام غطاء المفاعل ، الذي يزن 5000 طن ، بقفزة قلب ، والاختراق. سقف حجرة المفاعل وإخراج البخار. إذا كانت محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية مجهزة بالحماية البيولوجية الصحيحة ، مثل التابوت الحجري اليوم ، فإن الكارثة كانت ستكلف البشرية أقل بكثير.

عمل محطة للطاقة النووية.

باختصار ، تبدو الرابوبوا هكذا.

محطة طاقة نووية. (قابل للنقر)

بعد دخول قلب المفاعل بمساعدة المضخات ، يتم تسخين الماء من 250 إلى 300 درجة ويخرج من "الجانب الآخر" للمفاعل. هذه تسمى الحلقة الأولى. ثم يذهب إلى المبادل الحراري ، حيث يلتقي بالدائرة الثانية. بعد ذلك ، يدخل البخار تحت الضغط إلى شفرات التوربينات. توربينات توليد الكهرباء.

: ... مبتذلة تمامًا ، لكن مع ذلك لم أجد المعلومات في شكل سهل الهضم - كيف يبدأ المفاعل النووي في العمل. لقد تم بالفعل مضغ كل شيء عن مبدأ وتشغيل الجهاز وفهمه 300 مرة ، ولكن إليك كيفية الحصول على الوقود ومن ماذا ولماذا لا يكون خطيرًا حتى يكون في المفاعل ولماذا لا يتفاعل قبل أن يتم مغمورة في المفاعل! - بعد كل شيء ، يتم تسخينه فقط في الداخل ، ومع ذلك ، قبل تحميل قضبان الوقود باردة وكل شيء على ما يرام ، لذا فإن سبب تسخين العناصر ليس واضحًا تمامًا كيف تتأثر ، وما إلى ذلك ، ويفضل ألا يكون ذلك علميًا).

بالطبع ، من الصعب ترتيب مثل هذا الموضوع ليس "حسب العلم" ، لكنني سأحاول. دعونا نفهم أولاً ما هي هذه TVELs.

الوقود النووي عبارة عن أقراص سوداء يبلغ قطرها حوالي 1 سم وارتفاعها حوالي 1.5 سم وتحتوي على 2٪ من ثاني أكسيد اليورانيوم 235 و 98٪ يورانيوم 238 و 236 و 239. لا يمكن أن يتطور انفجار نووي ، لأن التفاعل الانشطاري السريع الذي يشبه الانهيار الجليدي ، وهو سمة من سمات الانفجار النووي ، يتطلب تركيز اليورانيوم 235 لأكثر من 60٪.

يتم تحميل مائتي حبة وقود نووي في أنبوب مصنوع من معدن الزركونيوم. طول هذا الأنبوب 3.5 م. قطره 1.35 سم يسمى هذا الأنبوب TVEL - عنصر الوقود. يتم تجميع 36 TVELs في شريط (اسم آخر هو "التجميع").

جهاز عنصر الوقود في مفاعل RBMK: 1 - قابس ؛ 2 - أقراص من ثاني أكسيد اليورانيوم. 3 - قشرة الزركونيوم ؛ 4 - ربيع 5 - جلبة 6 - نصيحة.

يترافق تحول المادة مع إطلاق الطاقة الحرة فقط إذا كانت المادة تحتوي على احتياطي من الطاقات. هذا الأخير يعني أن الجسيمات الدقيقة للمادة في حالة مع طاقة راحة أكبر مما كانت عليه في حالة أخرى محتملة ، والتي يوجد الانتقال إليها. دائمًا ما يتم إعاقة الانتقال التلقائي بواسطة حاجز طاقة ، للتغلب عليه يجب أن تتلقى الجسيمات الدقيقة قدرًا من الطاقة من الخارج - طاقة الإثارة. يتكون التفاعل الخارجي للطاقة من حقيقة أنه في التحول الذي يلي الإثارة ، يتم إطلاق المزيد من الطاقة أكثر مما هو مطلوب لإثارة العملية. هناك طريقتان للتغلب على حاجز الطاقة: إما بسبب الطاقة الحركية للجسيمات المتصادمة ، أو بسبب طاقة الربط للجسيم المنضم.

إذا أخذنا في الاعتبار المقاييس العيانية لإطلاق الطاقة ، فإن الطاقة الحركية اللازمة لإثارة التفاعلات يجب أن تحتوي على كل أو على الأقل في البداية بعض جسيمات المادة. لا يمكن تحقيق ذلك إلا من خلال زيادة درجة حرارة الوسط إلى قيمة تقترب فيها طاقة الحركة الحرارية من قيمة عتبة الطاقة التي تحدد مسار العملية. في حالة التحولات الجزيئية ، أي التفاعلات الكيميائية ، عادة ما تكون هذه الزيادة مئات الدرجات كلفن ، بينما في حالة التفاعلات النووية تكون 107 كلفن على الأقل بسبب الارتفاع العالي جدًا لحواجز كولوم من النوى المتصادمة. تم إجراء الإثارة الحرارية للتفاعلات النووية في الممارسة العملية فقط في تخليق أخف نوى ، حيث تكون حواجز كولوم في حدها الأدنى (اندماج نووي حراري).

لا يتطلب الإثارة بواسطة الجسيمات الموصلة طاقة حركية كبيرة ، وبالتالي لا تعتمد على درجة حرارة الوسط ، حيث إنها تحدث بسبب الروابط غير المستخدمة المتأصلة في جسيمات القوى الجذابة. لكن من ناحية أخرى ، فإن الجسيمات نفسها ضرورية لإثارة ردود الفعل. وإذا لم يكن في أذهاننا فعل رد فعل منفصل ، ولكن إنتاج الطاقة على نطاق مجهري ، فإن هذا ممكن فقط عندما يحدث تفاعل متسلسل. ينشأ هذا الأخير عندما تظهر الجسيمات التي تثير التفاعل مرة أخرى كمنتجات لتفاعل خارجي للطاقة.

للتحكم في المفاعل النووي وحمايته ، يتم استخدام قضبان التحكم التي يمكن تحريكها على طول ارتفاع القلب بالكامل. القضبان مصنوعة من مواد تمتص النيوترونات بقوة ، مثل البورون أو الكادميوم. مع الإدخال العميق للقضبان ، يصبح التفاعل المتسلسل مستحيلًا ، حيث يتم امتصاص النيوترونات بقوة وإزالتها من منطقة التفاعل.

يتم نقل القضبان عن بعد من لوحة التحكم. مع حركة صغيرة للقضبان ، سوف تتطور عملية السلسلة أو تتحلل. بهذه الطريقة ، يتم تنظيم قوة المفاعل.

مفاعل لينينغراد NPP ، RBMK

بدء المفاعل:

في اللحظة الأولى بعد التحميل الأول بالوقود ، لا يوجد تفاعل تسلسلي انشطاري في المفاعل ، يكون المفاعل في حالة دون حرجة. درجة حرارة المبرد أقل بكثير من درجة حرارة التشغيل.

كما ذكرنا سابقًا ، من أجل بدء تفاعل متسلسل ، يجب أن تشكل المادة الانشطارية كتلة حرجة - كمية كافية من المادة الانشطارية تلقائيًا في مساحة صغيرة بدرجة كافية ، وهي الحالة التي يجب بموجبها على عدد النيوترونات المنبعثة أثناء الانشطار النووي تكون أكبر من عدد النيوترونات الممتصة. يمكن القيام بذلك عن طريق زيادة محتوى اليورانيوم 235 (عدد عناصر الوقود المحملة) ، أو عن طريق إبطاء سرعة النيوترونات بحيث لا تتخطى نوى اليورانيوم 235.

يتم تشغيل المفاعل على عدة مراحل. بمساعدة منظمات التفاعل ، يتم نقل المفاعل إلى الحالة فوق الحرجة Kef> 1 وتزداد قوة المفاعل إلى مستوى 1-2٪ من الاسمي. في هذه المرحلة ، يتم تسخين المفاعل حتى معاملات التشغيل الخاصة بالمبرد ، ويكون معدل التسخين محدودًا. أثناء عملية الإحماء ، تحافظ أدوات التحكم على الطاقة عند مستوى ثابت. ثم يتم تشغيل مضخات الدوران وتشغيل نظام إزالة الحرارة. بعد ذلك ، يمكن زيادة طاقة المفاعل إلى أي مستوى في النطاق من 2 إلى 100٪ من القدرة المقدرة.

عندما يتم تسخين المفاعل ، يتغير التفاعل بسبب التغيرات في درجة حرارة وكثافة المواد الأساسية. في بعض الأحيان ، أثناء التسخين ، يتغير الوضع المتبادل للنواة وعناصر التحكم التي تدخل اللب أو تتركه ، مما يتسبب في حدوث تأثير تفاعلي في غياب الحركة النشطة لعناصر التحكم.

التحكم عن طريق عناصر امتصاص صلبة ومتحركة

في الغالبية العظمى من الحالات ، يتم استخدام الماصات الصلبة المتحركة لتغيير التفاعل بسرعة. في مفاعل RBMK ، تحتوي قضبان التحكم على بطانات من كربيد البورون محاطة بأنبوب من سبائك الألومنيوم بقطر 50 أو 70 مم. يتم وضع كل قضيب تحكم في قناة منفصلة ويتم تبريده بالماء من دائرة CPS (نظام التحكم والحماية) بمتوسط ​​درجة حرارة 50 درجة مئوية وفقًا للغرض منها ، يتم تقسيم القضبان إلى قضبان AZ (حماية الطوارئ) ، في يوجد RBMK 24 من هذه القضبان. قضبان التحكم الأوتوماتيكية - 12 قطعة ، قضبان التحكم الأوتوماتيكية المحلية - 12 قطعة ، قضبان التحكم اليدوية - 131 ، و 32 قضيب امتصاص قصير (USP). يوجد إجمالي 211 قضيبًا. علاوة على ذلك ، يتم إدخال قضبان مختصرة في AZ من الأسفل ، والباقي من الأعلى.

مفاعل VVER 1000.1 - محرك CPS ؛ 2 - غطاء المفاعل. 3 - وعاء المفاعل. 4 - كتلة من الأنابيب الواقية (BZT) ؛ 5 - لي ؛ 6 - يربك الأساسية ؛ 7 - مجموعات الوقود (FA) وقضبان التحكم ؛

عناصر امتصاص محترقة.

غالبًا ما تستخدم السموم القابلة للاحتراق للتعويض عن التفاعل الزائد بعد تحميل الوقود الجديد. مبدأ عملها هو أنها ، مثل الوقود ، بعد التقاط النيوترون ، تتوقف لاحقًا عن امتصاص النيوترونات (تحترق). علاوة على ذلك ، فإن معدل الانخفاض نتيجة امتصاص النيوترونات ، نوى الامتصاص ، أقل من أو يساوي معدل الفقد ، نتيجة الانشطار ، لنواة الوقود. إذا قمنا بتحميل الوقود الأساسي للمفاعل المصمم للتشغيل خلال العام ، فمن الواضح أن عدد نوى الوقود الانشطاري في بداية العمل سيكون أكبر مما كان عليه في النهاية ، ويجب علينا تعويض التفاعل الزائد عن طريق وضع ماصات في الصميم. إذا تم استخدام قضبان التحكم لهذا الغرض ، فيجب علينا نقلها باستمرار مع انخفاض عدد نوى الوقود. يتيح استخدام السموم القابلة للاحتراق تقليل استخدام القضبان المتحركة. في الوقت الحاضر ، غالبًا ما يتم دمج السموم القابلة للاحتراق مباشرة في كريات الوقود أثناء تصنيعها.

التنظيم السائل للتفاعل.

يتم استخدام هذا التنظيم ، على وجه الخصوص ، أثناء تشغيل مفاعل من نوع VVER ، يتم إدخال حمض البوريك H3BO3 الذي يحتوي على 10B نوى ماصة للنيوترونات في المبرد. عن طريق تغيير تركيز حمض البوريك في مسار المبرد ، فإننا بذلك نغير التفاعل في القلب. في الفترة الأولى من تشغيل المفاعل ، عندما يكون هناك العديد من نوى الوقود ، يكون تركيز الحمض في الحد الأقصى. مع احتراق الوقود ، ينخفض ​​تركيز الحمض.

آلية التفاعل المتسلسل

يمكن للمفاعل النووي أن يعمل بطاقة معينة لفترة طويلة فقط إذا كان لديه هامش تفاعلي في بداية التشغيل. الاستثناء هو المفاعلات دون الحرجة مع مصدر خارجي للنيوترونات الحرارية. إن إطلاق التفاعل المربوط أثناء تناقصه لأسباب طبيعية يضمن الحفاظ على الحالة الحرجة للمفاعل في كل لحظة من تشغيله. يتم إنشاء هامش التفاعل الأولي من خلال بناء نواة ذات أبعاد أكبر بكثير من الأبعاد الحرجة. لمنع المفاعل من أن يصبح فوق الحرج ، يتم تقليل k0 لوسط التكاثر بشكل مصطنع في نفس الوقت. يتم تحقيق ذلك عن طريق إدخال ماصات نيوترونية في اللب ، والتي يمكن إزالتها لاحقًا من القلب. كما هو الحال في عناصر التحكم في التفاعل المتسلسل ، يتم تضمين المواد الماصة في مادة قضبان مقطع عرضي واحد أو آخر ، تتحرك على طول القنوات المقابلة في القلب. ولكن إذا كان هناك قضيب واحد أو قضبان أو عدة قضبان كافية للتنظيم ، فيمكن أن يصل عدد القضبان إلى المئات لتعويض الزيادة الأولية في التفاعل. تسمى هذه القضبان بالتعويض. لا تعد قضبان التنظيم والتعويض بالضرورة عناصر هيكلية مختلفة. يمكن أن يكون عدد من قضبان التعويض قضبان تحكم ، لكن وظائف كلاهما مختلفة. تم تصميم قضبان التحكم للحفاظ على الحالة الحرجة في أي وقت ، للتوقف ، وبدء تشغيل المفاعل ، والانتقال من مستوى طاقة إلى آخر. كل هذه العمليات تتطلب تغييرات صغيرة في التفاعل. يتم سحب قضبان التعويض تدريجياً من قلب المفاعل ، مما يضمن حالة حرجة طوال فترة تشغيله.

في بعض الأحيان ، لا تُصنع قضبان التحكم من مواد ماصة ، ولكن من مواد انشطارية أو مبعثرة. في المفاعلات الحرارية ، هذه هي بشكل أساسي ماصات نيوترونية ، بينما لا توجد ماصات نيوترونية سريعة فعالة. تمتص هذه الماصات مثل الكادميوم والهافنيوم وغيرها بقوة النيوترونات الحرارية فقط بسبب قرب الرنين الأول من المنطقة الحرارية ، وخارج الأخيرة لا تختلف عن المواد الأخرى في خصائص امتصاصها. الاستثناء هو البورون ، حيث يتناقص المقطع العرضي لامتصاص النيوترونات مع الطاقة بشكل أبطأ بكثير من تلك الموجودة في المواد المشار إليها ، وفقًا لقانون l / v. لذلك ، يمتص البورون النيوترونات السريعة ، وإن كان ذلك ضعيفًا ، ولكنه أفضل إلى حد ما من المواد الأخرى. يمكن للبورون فقط ، إذا أمكن المخصب بالنظير 10B ، أن يعمل كمادة ماصة في مفاعل نيوتروني سريع. بالإضافة إلى البورون ، تُستخدم المواد الانشطارية أيضًا في قضبان التحكم في مفاعلات النيوترونات السريعة. يؤدي قضيب التعويض المصنوع من مادة انشطارية نفس وظيفة قضيب امتصاص النيوترون: فهو يزيد من تفاعل المفاعل بنقصه الطبيعي. ومع ذلك ، على عكس جهاز الامتصاص ، يوجد مثل هذا القضيب خارج القلب في بداية تشغيل المفاعل ، ثم يتم إدخاله في القلب.

من المواد المشتتة في المفاعلات السريعة ، يتم استخدام النيكل ، الذي يحتوي على مقطع عرضي للتشتت للنيوترونات السريعة الأكبر إلى حد ما من المقاطع العرضية للمواد الأخرى. توجد قضبان الانتثار على طول محيط القلب ويؤدي غمرها في القناة المقابلة إلى انخفاض في تسرب النيوترونات من القلب ، وبالتالي زيادة في التفاعل. في بعض الحالات الخاصة ، يكون الغرض من التحكم في تفاعل متسلسل هو الأجزاء المتحركة من عاكسات النيوترونات ، والتي ، عند التحرك ، تغير تسرب النيوترونات من القلب. تشكل قضبان التحكم والتعويض والطوارئ ، جنبًا إلى جنب مع جميع المعدات التي تضمن عملها الطبيعي ، نظام التحكم في المفاعل والحماية (CPS).

الحماية في حالات الطوارئ:

الحماية في حالات الطوارئ للمفاعل النووي - مجموعة من الأجهزة المصممة لإيقاف تفاعل نووي متسلسل بسرعة في قلب المفاعل.

يتم تشغيل الحماية النشطة في حالات الطوارئ تلقائيًا عندما تصل إحدى معلمات المفاعل النووي إلى قيمة يمكن أن تؤدي إلى وقوع حادث. يمكن أن تكون هذه المعلمات: درجة الحرارة والضغط ومعدل تدفق المبرد ومستوى ومعدل زيادة الطاقة.

العناصر التنفيذية للحماية في حالات الطوارئ هي ، في معظم الحالات ، قضبان بمادة تمتص النيوترونات جيدًا (البورون أو الكادميوم). في بعض الأحيان يتم حقن كاسح سائل في حلقة المبرد لإغلاق المفاعل.

بالإضافة إلى الحماية النشطة ، تشتمل العديد من التصميمات الحديثة أيضًا على عناصر الحماية السلبية. على سبيل المثال ، تشتمل الإصدارات الحديثة من مفاعلات VVER على "نظام التبريد الأساسي للطوارئ" (ECCS) - خزانات خاصة بها حمض البوريك تقع فوق المفاعل. في حالة وقوع حادث أساس التصميم الأقصى (تمزق دائرة التبريد الأولية للمفاعل) ، تكون محتويات هذه الخزانات بالجاذبية داخل قلب المفاعل ويتم إخماد التفاعل المتسلسل النووي بكمية كبيرة من مادة تحتوي على البورون تمتص النيوترونات جيدًا.

وفقًا لـ "قواعد الأمان النووي لمنشآت مفاعلات محطات الطاقة النووية" ، يجب أن يؤدي أحد أنظمة إيقاف تشغيل المفاعلات على الأقل وظيفة الحماية في حالات الطوارئ (EP). يجب أن يكون للحماية في حالات الطوارئ مجموعتان مستقلتان على الأقل من الهيئات العاملة. عند إشارة من الألف إلى الياء ، يجب تشغيل الهيئات العاملة في منطقة الألف إلى الياء من أي مناصب عاملة أو وسيطة.

يجب أن تتكون معدات AZ من مجموعتين مستقلتين على الأقل.

يجب تصميم كل مجموعة من معدات AZ بطريقة تتغير فيها كثافة تدفق النيوترونات من 7٪ إلى 120٪ من القيمة الاسمية ، ويتم توفير الحماية لما يلي:

1. وفقًا لكثافة تدفق النيوترونات - ثلاث قنوات مستقلة على الأقل ؛
2. حسب معدل الزيادة في كثافة تدفق النيوترونات - بثلاث قنوات مستقلة على الأقل.

يجب تصميم كل مجموعة من معدات AZ بطريقة ، في النطاق الكامل لتغييرات معلمات العملية المحددة في تصميم مصنع المفاعل (RP) ، يتم توفير الحماية في حالات الطوارئ من خلال ثلاث قنوات مستقلة على الأقل لكل معلمة عملية يتم توفير الحماية لها من الضروري.

يجب إرسال أوامر التحكم لكل مجموعة لمشغلات AZ عبر قناتين على الأقل. عند إخراج إحدى القنوات من التشغيل في إحدى مجموعات معدات AZ دون إخراج هذه المجموعة من التشغيل ، يجب إنشاء إشارة إنذار تلقائيًا لهذه القناة.

يجب أن يحدث إطلاق الحماية في حالات الطوارئ على الأقل في الحالات التالية:

1. عند الوصول إلى نقطة ضبط AZ من حيث كثافة تدفق النيوترونات.
2. عند الوصول إلى نقطة الضبط AZ من حيث معدل الزيادة في كثافة تدفق النيوترونات.
3. في حالة انقطاع التيار الكهربائي في أي مجموعة من معدات AZ وحافلات تزويد الطاقة CPS التي لم يتم إيقاف تشغيلها.
4. في حالة فشل أي اثنتين من قنوات الحماية الثلاث من حيث كثافة تدفق النيوترون أو من حيث معدل زيادة تدفق النيوترونات في أي مجموعة من معدات AZ التي لم يتم إيقاف تشغيلها.
5. عندما يتم الوصول إلى إعدادات AZ من خلال المعلمات التكنولوجية ، والتي بموجبها من الضروري تنفيذ الحماية.
6. عند بدء تشغيل AZ من المفتاح من نقطة التحكم في الكتلة (BCR) أو نقطة التحكم الاحتياطية (RCP).

ربما يمكن لشخص ما أن يشرح بإيجاز حتى بطريقة أقل علميًا كيف تبدأ وحدة الطاقة في محطة الطاقة النووية بالعمل؟ :-)

أذكر موضوعًا مثل المقال الأصلي موجود على الموقع InfoGlaz.rfرابط للمقال الذي صنعت منه هذه النسخة -

I. تصميم مفاعل نووي

يتكون المفاعل النووي من العناصر الخمسة الرئيسية التالية:

1) الوقود النووي.

2) وسيط النيوترون.

3) الأنظمة التنظيمية.

4) أنظمة التبريد.

5) شاشة واقية.

1. الوقود النووي.

الوقود النووي هو مصدر للطاقة. هناك ثلاثة أنواع من المواد الانشطارية معروفة حاليًا:

أ) اليورانيوم 235 ، ويمثل 0.7٪ من اليورانيوم الطبيعي ، أو 1/140 جزء ؛

6) البلوتونيوم 239 ، والذي يتكون في بعض المفاعلات على أساس اليورانيوم 238 ، والذي يشكل تقريباً كامل كتلة اليورانيوم الطبيعي (99.3٪ ، أو 139/140 جزء).

بالتقاط النيوترونات ، تتحول نوى اليورانيوم 238 إلى نوى النبتونيوم - العنصر 93 من النظام الدوري لمندلييف ؛ الأخير ، بدوره ، يتحول إلى نوى البلوتونيوم - العنصر 94 من النظام الدوري. يُستخرج البلوتونيوم بسهولة من اليورانيوم المشع بوسائل كيميائية ويمكن استخدامه كوقود نووي ؛

ج) اليورانيوم 233 ، وهو نظير اصطناعي لليورانيوم يتم الحصول عليه من الثوريوم.

على عكس اليورانيوم 235 الموجود في اليورانيوم الطبيعي ، فإن البلوتونيوم 239 واليورانيوم 233 يتم إنتاجهما صناعياً فقط. لذلك ، يطلق عليهم اسم الوقود النووي الثانوي ؛ يعتبر اليورانيوم 238 والثوريوم 232 مصدر هذا الوقود.

وبالتالي ، من بين جميع أنواع الوقود النووي المذكورة أعلاه ، يعتبر اليورانيوم هو النوع الرئيسي. وهذا يفسر النطاق الهائل الذي تتخذه آفاق واستكشاف رواسب اليورانيوم في جميع البلدان.

تُقارن الطاقة المنبعثة في مفاعل نووي أحيانًا بتلك الصادرة في تفاعل احتراق كيميائي. ومع ذلك ، هناك اختلاف جوهري بينهما.

كمية الحرارة التي يتم الحصول عليها في عملية انشطار اليورانيوم أكبر بما لا يقاس من كمية الحرارة الناتجة عن الاحتراق ، على سبيل المثال ، الفحم: 1 كجم من اليورانيوم 235 ، مساوٍ لحجم علبة سجائر ، يمكن نظريًا توفير نفس القدر من الطاقة 2600 طن من الفحم.

ومع ذلك ، فإن إمكانيات الطاقة هذه لا تُستغل بالكامل ، حيث لا يمكن فصل كل اليورانيوم 235 عن اليورانيوم الطبيعي. ونتيجة لذلك ، فإن 1 كجم من اليورانيوم ، حسب درجة تخصيبه باليورانيوم 235 ، يعادل حاليًا حوالي 10 أطنان من الفحم. ولكن يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن استخدام الوقود النووي يسهل النقل وبالتالي يقلل بشكل كبير من تكلفة الوقود. وقد قدر خبراء بريطانيون أنهم من خلال تخصيب اليورانيوم سيكونون قادرين على زيادة الحرارة التي يتم استقبالها في المفاعلات بمقدار 10 أضعاف ، وهو ما يعادل طنًا واحدًا من اليورانيوم إلى 100000 طن من الفحم.

الاختلاف الثاني بين عملية الانشطار النووي ، والتي تبدأ بإطلاق الحرارة ، والاحتراق الكيميائي هو أن الأكسجين ضروري لتفاعل الاحتراق ، في حين أن القليل من النيوترونات وكتلة معينة من الوقود النووي تساوي الكتلة الحرجة ، التعريف الذي نحدده ، مطلوب لبدء تفاعل متسلسل. سبق ذكره في القسم الخاص بالقنبلة الذرية.

وأخيرًا ، فإن العملية غير المرئية للانشطار النووي مصحوبة بانبعاث إشعاعات شديدة الخطورة ، والتي من الضروري توفير الحماية منها.

2. وسيط النيوترون.

من أجل تجنب انتشار نواتج الاضمحلال في المفاعل ، يجب وضع الوقود النووي في أغلفة خاصة. لتصنيع هذه الأصداف ، يمكن استخدام الألومنيوم (يجب ألا تتجاوز درجة حرارة المبرد 200 درجة) ، والأفضل من ذلك ، البريليوم أو الزركونيوم - معادن جديدة ، يرتبط تحضيرها في شكلها النقي بصعوبات كبيرة.

تحتوي النيوترونات المتكونة في عملية الانشطار النووي (في المتوسط ​​2-3 نيوترون أثناء انشطار نواة واحدة لعنصر ثقيل) على طاقة معينة. من أجل أن يكون احتمال الانشطار بواسطة نيوترونات النوى الأخرى هو الأكبر ، والذي بدونه لن يكون التفاعل مستدامًا ذاتيًا ، من الضروري أن تفقد هذه النيوترونات جزءًا من سرعتها. يتم تحقيق ذلك عن طريق وضع وسيط في المفاعل ، حيث يتم تحويل النيوترونات السريعة إلى نيوترونات بطيئة نتيجة العديد من الاصطدامات المتتالية. نظرًا لأن المادة المستخدمة كوسيط يجب أن تحتوي على نوى بكتلة تساوي تقريبًا كتلة النيوترونات ، أي نوى العناصر الخفيفة ، فقد تم استخدام الماء الثقيل كوسيط منذ البداية (D 2 0 ، حيث D هو الديوتيريوم التي حلت محل الهيدروجين الخفيف في الماء العادي H 2 0). ومع ذلك ، يحاولون الآن استخدام المزيد والمزيد من الجرافيت - فهو أرخص ويعطي نفس التأثير تقريبًا.

شراء طن من الماء الثقيل في السويد يكلف 70-80 مليون فرنك. في مؤتمر جنيف حول الاستخدامات السلمية للطاقة الذرية ، أعلن الأمريكيون أنهم سيتمكنون قريبًا من بيع الماء الثقيل بسعر 22 مليون فرنك للطن.

طن من الجرافيت يكلف 400000 فرنك ، والطن من أكسيد البريليوم يكلف 20 مليون فرنك.

يجب أن تكون المادة المستخدمة كوسيط نقية لتجنب فقد النيوترونات أثناء مرورها عبر الوسيط. في نهاية السباق ، يبلغ متوسط ​​سرعة النيوترونات حوالي 2200 م / ثانية ، بينما كانت سرعتها الأولية حوالي 20 ألف كم / ثانية. في المفاعلات ، يتم إطلاق الحرارة تدريجياً ويمكن التحكم فيها ، على عكس القنبلة الذرية ، حيث تحدث على الفور وتتخذ صفة الانفجار.

لا تتطلب بعض أنواع مفاعلات النيوترونات السريعة وسيطًا.

3. النظام التنظيمي.

يجب أن يكون الشخص قادرًا على إحداث تفاعل نووي وتنظيمه وإيقافه حسب الرغبة. يتم تحقيق ذلك باستخدام قضبان التحكم المصنوعة من فولاذ البورون أو الكادميوم ، وهي مواد لها القدرة على امتصاص النيوترونات. اعتمادًا على العمق الذي يتم فيه خفض قضبان التحكم في المفاعل ، يزداد أو يتناقص عدد النيوترونات في القلب ، مما يجعل التحكم في العملية ممكنًا في النهاية. يتم التحكم في قضبان التحكم تلقائيًا بواسطة آليات مؤازرة ؛ بعض هذه القضبان ، في حالة الخطر ، يمكن أن تقع على الفور في القلب.

في البداية ، تم الإعراب عن مخاوف من أن يتسبب انفجار المفاعل في نفس الضرر الذي تسبب فيه انفجار القنبلة الذرية. من أجل إثبات أن انفجار المفاعل لا يحدث إلا في ظل ظروف مختلفة عن الظروف المعتادة ولا يشكل خطراً جسيماً على السكان الذين يعيشون بالقرب من المحطة النووية ، فجر الأمريكيون عمداً ما يسمى بمفاعل "الغليان". وبالفعل حدث انفجار يمكننا وصفه بأنه "كلاسيكي" أي غير نووي. هذا يثبت مرة أخرى أنه يمكن بناء المفاعلات النووية بالقرب من المناطق المأهولة بالسكان دون أي خطر خاص على الأخيرة.

4. نظام التبريد.

في عملية الانشطار النووي ، يتم إطلاق طاقة معينة ، والتي يتم نقلها إلى نواتج الاضمحلال والنيوترونات الناتجة. يتم تحويل هذه الطاقة إلى طاقة حرارية نتيجة تصادمات عديدة للنيوترونات ، وبالتالي ، من أجل منع فشل المفاعل السريع ، يجب إزالة الحرارة. في المفاعلات المصممة لإنتاج نظائر مشعة ، لا يتم استخدام هذه الحرارة ، بينما في المفاعلات المصممة لإنتاج الطاقة ، تصبح ، على العكس من ذلك ، المنتج الرئيسي. يمكن إجراء التبريد باستخدام الغاز أو الماء ، والذي يدور في المفاعل تحت ضغط من خلال أنابيب خاصة ثم يتم تبريده في مبادل حراري. يمكن استخدام الحرارة المنبعثة لتسخين البخار الذي يقوم بتدوير التوربينات المتصلة بالمولد ؛ مثل هذا الجهاز سيكون محطة للطاقة النووية.

5. شاشة واقية.

من أجل تجنب الآثار الضارة للنيوترونات التي يمكن أن تطير من المفاعل ، ولحماية نفسك من أشعة جاما المنبعثة أثناء التفاعل ، فإن الحماية الموثوقة ضرورية. لقد حسب العلماء أن مفاعلًا بسعة 100 ألف كيلوواط يصدر كمية من الإشعاع المشع بحيث يستقبلها الشخص الموجود على مسافة 100 متر منه في دقيقتين. جرعة قاتلة. لضمان حماية العاملين في خدمة المفاعل ، تم بناء جدران بارتفاع مترين من خرسانة خاصة بألواح من الرصاص.

تم بناء أول مفاعل في ديسمبر 1942 من قبل شركة فيرمي الإيطالية. بحلول نهاية عام 1955 ، كان هناك حوالي 50 مفاعلًا نوويًا في العالم (الولايات المتحدة -2 1 ، إنجلترا - 4 ، كندا - 2 ، فرنسا - 2). يجب أن يضاف إلى ذلك أنه بحلول بداية عام 1956 ، تم تصميم حوالي 50 مفاعلًا إضافيًا للأغراض البحثية والصناعية (الولايات المتحدة الأمريكية - 23 ، فرنسا - 4 ، إنجلترا - 3 ، كندا - 1).

أنواع هذه المفاعلات متنوعة للغاية ، بدءًا من مفاعلات النيوترونات البطيئة بمعدلات الجرافيت واليورانيوم الطبيعي كوقود إلى مفاعلات النيوترونات السريعة التي تستخدم اليورانيوم المخصب بالبلوتونيوم أو اليورانيوم 233 الذي تم الحصول عليه صناعياً من الثوريوم كوقود.

بالإضافة إلى هذين النوعين المتعارضين ، هناك عدد من المفاعلات التي تختلف عن بعضها البعض إما في تكوين الوقود النووي ، أو في نوع الوسيط ، أو في المبرد.

من المهم للغاية ملاحظة أنه على الرغم من أن الجانب النظري للقضية يدرس جيدًا الآن من قبل المتخصصين في جميع البلدان ، إلا أنه في المجال العملي ، لم تصل البلدان المختلفة إلى نفس المستوى بعد. تتقدم الولايات المتحدة وروسيا على الدول الأخرى. يمكن القول أن مستقبل الطاقة الذرية سيعتمد بشكل أساسي على تقدم التكنولوجيا.