Mitä reaktorissa on. Kuinka ydinreaktori on järjestetty ja toimii

Luku VIII Ydinreaktorin toimintaperiaate ja ominaisuudet I. Ydinreaktorin suunnittelu Ydinreaktori koostuu seuraavista viidestä pääelementistä: 1) ydinpolttoaine 2) neutronien hidastin 3) ohjausjärjestelmä 4) jäähdytysjärjestelmä. 5) suojaava

Luku 11 DIELEKTRIN SISÄLAITE §1. Molekyylidipolit§2. Elektroninen polarisaatio §3. polaariset molekyylit; orientaatiopolarisaatio§4. Sähkökentät eristeen onteloissa §5. Nesteiden dielektrisyysvakio; Clausiuksen kaava - Mossotti§6.

Tavalliselle ihmiselle nykyaikaiset korkean teknologian laitteet ovat niin salaperäisiä ja salaperäisiä, että niitä on aivan oikein palvoa, kuten muinaiset palvoivat salamaa. Koulun fysiikan tunnit, jotka ovat täynnä matemaattisia laskelmia, eivät ratkaise ongelmaa. Mutta on mielenkiintoista kertoa jopa ydinreaktorista, jonka toimintaperiaate on selvä jopa teini-ikäiselle.

Miten ydinreaktori toimii?

Tämän korkean teknologian laitteen toimintaperiaate on seuraava:

1. Kun neutroni absorboituu, ydinpolttoaine (useimmiten tämä uraani-235 tai plutonium-239) tapahtuu atomiytimen jakautuminen;
2. Kineettistä energiaa, gammasäteilyä ja vapaita neutroneja vapautuu;
3. Kineettinen energia muuttuu lämpöenergiaksi (kun ytimet törmäävät ympäröivien atomien kanssa), gammasäteily absorboituu itse reaktoriin ja muuttuu myös lämmöksi;
4. Polttoaineatomit absorboivat osan syntyneistä neutroneista, mikä aiheuttaa ketjureaktion. Sen hallitsemiseksi käytetään neutroniabsorboijia ja hidastajia;
5. Jäähdytysnesteen (vesi, kaasu tai nestemäinen natrium) avulla lämpö poistetaan reaktiopaikasta;
6. Kuumennetusta vedestä saatavaa paineistettua höyryä käytetään höyryturbiinien käyttämiseen;
7. Generaattorin avulla turbiinien pyörimisen mekaaninen energia muunnetaan vaihtosähkövirraksi.

Luokittelun lähestymistavat

Reaktoreiden typologialle voi olla monia syitä:

• Ydinreaktion tyypin mukaan. Fissio (kaikki kaupalliset laitokset) tai fuusio (lämpöydinvoima, on yleistä vain joissakin tutkimuslaitoksissa);
• Jäähdytysnesteen avulla. Useimmissa tapauksissa tähän tarkoitukseen käytetään vettä (kiehuvaa tai raskasta). Vaihtoehtoisia ratkaisuja käytetään joskus: nestemäinen metalli (natrium, lyijy-vismutti-seos, elohopea), kaasu (helium, hiilidioksidi tai typpi), sula suola (fluoridisuolat);
• Sukupolven mukaan. Ensimmäinen on varhaiset prototyypit, joilla ei ollut kaupallista järkeä. Toinen on suurin osa tällä hetkellä käytössä olevista ydinvoimaloista, jotka on rakennettu ennen vuotta 1996. Kolmas sukupolvi eroaa edellisestä vain pienin parannuksin. Neljännen sukupolven työ on edelleen käynnissä;
• Kokonaistilan mukaan polttoaine (kaasua on edelleen vain paperilla);
• Käyttötarkoituksen mukaan(sähkön tuotantoon, moottorin käynnistykseen, vedyn tuotantoon, suolanpoistoon, alkuaineiden transmutaatioon, hermosäteilyn saamiseen, teoreettisiin ja tutkimustarkoituksiin).

Ydinreaktorilaite

Useimpien voimalaitosten reaktorien pääkomponentit ovat:

1. Ydinpolttoaine - aine, jota tarvitaan lämmön tuottamiseen voimaturbiineja varten (yleensä vähän rikastettu uraani);
2. Ydinreaktorin aktiivinen vyöhyke - tässä tapahtuu ydinreaktio;
3. Neutronimoderaattori - vähentää nopeiden neutronien nopeutta muuttamalla ne lämpöneutroneiksi;
4. Käynnistysneutronilähde - käytetään luotettavaan ja vakaaseen ydinreaktion käynnistämiseen;
5. Neutronin absorboija - saatavana joissakin voimalaitoksissa tuoreen polttoaineen korkean reaktiivisuuden vähentämiseksi;
6. Neutronihaupitsi - käytetään reaktion käynnistämiseen uudelleen sammutuksen jälkeen;
7. Jäähdytysneste (puhdistettu vesi);
8. Säätösauvat - uraanin tai plutoniumytimien fissionopeuden säätelyyn;
9. Vesipumppu - pumppaa vettä höyrykattilaan;
10. Höyryturbiini - muuntaa höyryn lämpöenergian pyörimismekaaniseksi energiaksi;
11. Jäähdytystorni - laite ylimääräisen lämmön poistamiseksi ilmakehään;
12. Radioaktiivisen jätteen vastaanotto- ja varastointijärjestelmä;
13. Turvajärjestelmät (hätädieselgeneraattorit, sydämen hätäjäähdytyslaitteet).

Kuinka uusimmat mallit toimivat

Uusin 4. sukupolvi reaktoreita on saatavilla kaupalliseen käyttöön aikaisintaan vuonna 2030. Tällä hetkellä heidän työnsä periaate ja järjestely ovat kehitysvaiheessa. Tämänhetkisten tietojen mukaan nämä muutokset eroavat olemassa olevista malleista sellaisissa etuja:

• Nopea kaasujäähdytysjärjestelmä. Oletetaan, että heliumia käytetään jäähdytysnesteenä. Suunnitteludokumentaation mukaan tällä tavalla voidaan jäähdyttää reaktoreita, joiden lämpötila on 850 °C. Tällaisissa korkeissa lämpötiloissa työskentelyyn tarvitaan myös erityisiä raaka-aineita: keraamiset komposiittimateriaalit ja aktinidiyhdisteet;
• Ensisijaisena jäähdytysnesteenä on mahdollista käyttää lyijyä tai lyijy-vismutti-seosta. Näillä materiaaleilla on alhainen neutroniabsorptio ja suhteellisen alhainen sulamispiste;
• Myös sulien suolojen seosta voidaan käyttää pääjäähdytysaineena. Siten on mahdollista työskennellä korkeammissa lämpötiloissa kuin nykyaikaiset vesijäähdytteiset vastineet.

Luonnolliset analogit luonnossa

Ydinreaktori nähdään julkisuudessa vain korkean teknologian tuotteena. Itse asiassa kuitenkin ensimmäinen laite on luonnollista alkuperää. Se löydettiin Oklon alueelta, Keski-Afrikan Gabonin osavaltiosta:

• Reaktori syntyi pohjaveden uraanikivien tulvimisen seurauksena. He toimivat neutronien hidastajina;
• Uraanin hajoamisen aikana vapautuva lämpöenergia muuttaa veden höyryksi ja ketjureaktio pysähtyy;
• Kun jäähdytysnesteen lämpötila laskee, kaikki toistuu uudelleen;
• Jos neste ei olisi kiehunut ja pysäyttänyt reaktion kulkua, ihmiskunta olisi kohdannut uuden luonnonkatastrofin;
• Itseään ylläpitävä ydinfissio alkoi tässä reaktorissa noin puolitoista miljardia vuotta sitten. Tänä aikana lähtötehoa varattiin noin 0,1 miljoonaa wattia;
• Tällainen maailmanihme maan päällä on ainoa tunnettu. Uusien ilmaantuminen on mahdotonta: uraani-235:n osuus luonnollisista raaka-aineista on paljon pienempi kuin ketjureaktion ylläpitämiseen tarvittava taso.

Kuinka monta ydinreaktoria Etelä-Koreassa on?

Luonnonvaroiltaan köyhä, mutta teollistunut ja ylikansoitettu Korean tasavalta tarvitsee kipeästi energiaa. Saksan rauhanomaisen atomin hylkäämisen taustalla tällä maalla on suuria toiveita ydinteknologian hillitsemisestä:

• Suunnitelman mukaan vuoteen 2035 mennessä ydinvoimaloiden tuottaman sähkön osuus nousee 60 prosenttiin ja kokonaistuotannon - yli 40 gigawattia;
• Maalla ei ole atomiaseita, mutta ydinfysiikan tutkimus on käynnissä. Korealaiset tutkijat ovat kehittäneet suunnitelmia nykyaikaisille reaktoreille: modulaarinen, vety, nestemäinen metalli jne.;
• Paikallisten tutkijoiden menestys mahdollistaa teknologian myynnin ulkomaille. Seuraavien 15-20 vuoden aikana maan odotetaan vievän 80 tällaista yksikköä;
• Mutta tähän päivään mennessä suurin osa ydinvoimaloista on rakennettu amerikkalaisten tai ranskalaisten tutkijoiden avulla;
• Käyttöasemien määrä on suhteellisen pieni (vain neljä), mutta jokaisessa niistä on huomattava määrä reaktoreita - yhteensä 40, ja tämä luku tulee kasvamaan.

Neutroneilla pommitettuna ydinpolttoaine joutuu ketjureaktioon, jonka seurauksena syntyy valtava määrä lämpöä. Järjestelmässä oleva vesi ottaa tämän lämmön ja muuttaa sen höyryksi, joka muuttaa sähköä tuottavat turbiinit. Tässä on yksinkertainen kaavio atomireaktorin toiminnasta, joka on maan tehokkain energialähde.

Video: kuinka ydinreaktorit toimivat

Tällä videolla ydinfyysikko Vladimir Chaikin kertoo kuinka sähköä tuotetaan ydinreaktoreissa, niiden yksityiskohtaisen rakenteen:

Ydinvoima on nykyaikainen ja nopeasti kehittyvä tapa tuottaa sähköä. Tiedätkö kuinka ydinvoimalat on järjestetty? Mikä on ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate? Millaisia ​​ydinreaktoreita on nykyään olemassa? Yritämme pohtia yksityiskohtaisesti ydinvoimalaitoksen toimintasuunnitelmaa, syventyä ydinreaktorin rakenteeseen ja selvittää, kuinka turvallinen atomimenetelmä sähkön tuottamiseksi on.

Mikä tahansa asema on suljettu alue kaukana asuinalueesta. Sen alueella on useita rakennuksia. Tärkein rakennus on reaktorirakennus, sen vieressä on turbiinihalli, josta reaktoria ohjataan, sekä turvallisuusrakennus.

Järjestelmä on mahdoton ilman ydinreaktoria. Atomi (ydin)reaktori on ydinvoimalaitoksen laite, joka on suunniteltu järjestämään neutronifission ketjureaktio pakollisella energian vapautumisella tässä prosessissa. Mutta mikä on ydinvoimalan toimintaperiaate?

Koko reaktorilaitos sijoitetaan reaktorirakennukseen, isoon betonitorniin, joka piilottaa reaktorin ja sisältää onnettomuuden sattuessa kaikki ydinreaktion tuotteet. Tätä suurta tornia kutsutaan suojarakennukseksi, hermeettiseksi kuoreksi tai suojarakennukseksi.

Uusien reaktoreiden suojavyöhykkeellä on 2 paksua betoniseinämää - vaippaa.
80 cm paksu ulkokuori suojaa suojarakennusta ulkoisilta vaikutuksilta.

Sisäkuoressa, jonka paksuus on 1 metri 20 cm, laitteessa on erikoisteräskaapelit, jotka lisäävät betonin lujuutta lähes kolme kertaa eivätkä anna rakenteen murenemista. Sisäpuolelta se on vuorattu ohuella erikoisteräslevyllä, joka on suunniteltu toimimaan lisäsuojana suojarakennukselle ja estämään onnettomuuden sattuessa reaktorin sisällön vapautumista suojarakennuksen ulkopuolelle.

Tällainen ydinvoimalan laite kestää jopa 200 tonnia painavan lentokoneen putoamisen, 8 magnitudin maanjäristyksen, tornadon ja tsunamin.

Ensimmäinen paineistettu kotelo rakennettiin amerikkalaiselle Connecticut Yankee -ydinvoimalaitokselle vuonna 1968.

Suoja-alueen kokonaiskorkeus on 50-60 metriä.

Mistä ydinreaktori on tehty?

Ydinreaktorin toimintaperiaatteen ja siten ydinvoimalaitoksen toimintaperiaatteen ymmärtämiseksi sinun on ymmärrettävä reaktorin komponentit.

• aktiivinen vyöhyke. Tämä on alue, johon ydinpolttoaine (lämmönvapautin) ja moderaattori sijoitetaan. Polttoaineen atomit (useimmiten uraani on polttoaine) suorittavat fissioketjureaktion. Moderaattori on suunniteltu hallitsemaan fissioprosessia, ja sen avulla voit suorittaa vaaditun reaktion nopeuden ja voimakkuuden suhteen.
• Neutroniheijastin. Heijastin ympäröi aktiivista aluetta. Se koostuu samasta materiaalista kuin moderaattori. Itse asiassa tämä on laatikko, jonka päätarkoituksena on estää neutronien poistuminen ytimestä ja pääsy ympäristöön.
• Jäähdytysneste. Jäähdytysnesteen tulee imeä polttoaineatomien fission aikana vapautunut lämpö ja siirtää se muihin aineisiin. Jäähdytysneste määrää suurelta osin sen, miten ydinvoimala suunnitellaan. Nykyään suosituin jäähdytysneste on vesi.
  Reaktorin ohjausjärjestelmä. Anturit ja mekanismit, jotka saavat ydinvoimalaitoksen reaktorin toimintaan.

Polttoaine ydinvoimaloihin

Mitä ydinvoimalaitos tekee? Ydinvoimalaitosten polttoaineet ovat kemiallisia alkuaineita, joilla on radioaktiivisia ominaisuuksia. Kaikissa ydinvoimalaitoksissa uraani on sellainen alkuaine.

Asemien suunnittelu tarkoittaa, että ydinvoimalaitokset toimivat monimutkaisella komposiittipolttoaineella, eivät puhtaalla kemiallisella alkuaineella. Ja uraanipolttoaineen uuttamiseksi luonnonuraanista, joka ladataan ydinreaktoriin, sinun on suoritettava paljon manipulaatioita.

Rikastettu uraani

Uraani koostuu kahdesta isotoopista, eli se sisältää ytimiä, joilla on eri massat. Ne nimettiin protonien ja neutronien lukumäärän mukaan isotooppi -235 ja isotooppi-238. 1900-luvun tutkijat alkoivat erottaa uraani 235 malmista, koska. se oli helpompi hajottaa ja muuttaa. Kävi ilmi, että tällaista uraania on luonnossa vain 0,7 % (loput prosenttiosuudet menivät 238. isotooppiin).

Mitä tehdä tässä tapauksessa? He päättivät rikastaa uraania. Uraanin rikastaminen on prosessi, jossa siinä on paljon tarpeellisia 235x isotooppeja ja vähän tarpeettomia 238x isotooppeja jäljellä. Uraanin rikastajien tehtävänä on valmistaa lähes 100 % uraani-235 0,7 %:sta.

Uraania voidaan rikastaa käyttämällä kahta tekniikkaa - kaasudiffuusiota tai kaasusentrifugia. Niiden käyttöä varten malmista uutettu uraani muunnetaan kaasumaiseen tilaan. Kaasun muodossa se on rikastettu.

uraanijauhetta

Rikastettu uraanikaasu muunnetaan kiinteäksi olomuodoksi - uraanidioksidiksi. Tämä puhdas kiinteä uraani 235 näyttää suurilta valkoisilta kiteiltä, ​​jotka myöhemmin murskataan uraanijauheeksi.

Uraani tabletit

Uraanipelletit ovat umpimetallisia aluslevyjä, joiden pituus on pari senttimetriä. Tällaisten tablettien muovaamiseksi uraanijauheesta se sekoitetaan aineen - pehmittimen kanssa, se parantaa tablettien puristuksen laatua.

Puristettuja aluslevyjä paistetaan 1200 celsiusasteen lämpötilassa yli vuorokauden, jotta tabletit ovat erityisen vahvoja ja kestäviä korkeita lämpötiloja vastaan. Ydinvoimalaitoksen toimintatapa riippuu suoraan siitä, kuinka hyvin uraanipolttoaine puristetaan ja paistetaan.

Tabletit paistetaan molybdeenilaatikoissa, koska. vain tämä metalli ei pysty sulamaan "helvetissä" yli puolentoista tuhannen asteen lämpötiloissa. Sen jälkeen ydinvoimalaitosten uraanipolttoaine katsotaan valmiiksi.

Mikä on TVEL ja TVS?

Reaktorin sydän näyttää valtavalta levyltä tai putkelta, jonka seinissä on reikiä (reaktorin tyypistä riippuen), 5 kertaa suurempi kuin ihmiskeho. Nämä reiät sisältävät uraanipolttoainetta, jonka atomit suorittavat halutun reaktion.

On mahdotonta heittää polttoainetta reaktoriin, no, jos ei halua saada koko aseman räjähdystä ja onnettomuutta, jolla on seurauksia parille lähivaltiolle. Siksi uraanipolttoaine sijoitetaan polttoainesauvoihin ja kerätään sitten polttoainenippuihin. Mitä nämä lyhenteet tarkoittavat?

• TVEL - polttoaine-elementti (ei pidä sekoittaa niitä valmistavan venäläisen yrityksen samaan nimeen). Itse asiassa tämä on ohut ja pitkä zirkoniumseoksia valmistettu zirkoniumputki, johon laitetaan uraanipellettejä. Polttoainesauvoissa uraaniatomit alkavat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa vapauttaen lämpöä reaktion aikana.

Zirkonium valittiin materiaaliksi polttoainesauvojen valmistukseen sen tulenkestävyyden ja korroosionesto-ominaisuuksien vuoksi.

Polttoaine-elementtien tyyppi riippuu reaktorin tyypistä ja rakenteesta. Polttoainesauvojen rakenne ja käyttötarkoitus eivät pääsääntöisesti muutu, putken pituus ja leveys voivat olla erilaisia.

Kone lataa yli 200 uraanipellettiä yhteen zirkoniumputkeen. Kaikkiaan reaktorissa työskentelee samanaikaisesti noin 10 miljoonaa uraanipellettiä.
FA - polttoainenippu. Ydinvoimalaitoksen työntekijät kutsuvat polttoainenippuja nipuiksi.

Itse asiassa nämä ovat useita yhteen kiinnitettyjä TVEL:itä. Polttoaineniput ovat valmista ydinpolttoainetta, jolla ydinvoimalaitos toimii. Se on polttoainenippuja, jotka ladataan ydinreaktoriin. Yhdessä reaktorissa on noin 150 - 400 polttoainenippua.
Sen mukaan, missä reaktorissa polttoainenippu toimii, niitä on eri muotoisia. Joskus niput taitetaan kuutioiksi, joskus lieriömäisiksi, joskus kuusikulmioiksi.

Yksi polttoainenippu neljän käyttövuoden aikana tuottaa saman määrän energiaa kuin poltettaessa 670 vaunua hiiltä, ​​730 säiliötä maakaasulla tai 900 säiliötä öljyllä.
Nykyään polttoainenippuja valmistetaan pääasiassa Venäjän, Ranskan, Yhdysvaltojen ja Japanin tehtailla.

Ydinvoimalaitosten polttoaineen toimittamiseksi muihin maihin polttoaineniput suljetaan pitkiin ja leveisiin metalliputkiin, putkista pumpataan ilmaa ja toimitetaan rahtilentokoneisiin erikoiskoneilla.

Ydinvoimalaitosten ydinpolttoaine painaa kohtuuttoman paljon, tk. uraani on yksi planeetan raskaimmista metalleista. Sen ominaispaino on 2,5 kertaa teräksen ominaispaino.

Ydinvoimalaitos: toimintaperiaate

Mikä on ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate? Ydinvoimalaitosten toimintaperiaate perustuu radioaktiivisen aineen - uraanin - atomien fission ketjureaktioon. Tämä reaktio tapahtuu ydinreaktorin sydämessä.

TÄRKEÄÄ TIETÄÄ:

Jos et mene ydinfysiikan monimutkaisuuteen, ydinvoimalan toimintaperiaate näyttää tältä:
Ydinreaktorin käynnistyksen jälkeen polttoainesauvoista poistetaan absorbointisauvat, jotka estävät uraanin reagoimasta.

Heti kun sauvat poistetaan, uraanineutronit alkavat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.

Kun neutronit törmäävät, tapahtuu miniräjähdys atomitasolla, energiaa vapautuu ja uusia neutroneja syntyy, ketjureaktio alkaa tapahtua. Tämä prosessi vapauttaa lämpöä.

Lämpö siirtyy jäähdytysnesteeseen. Jäähdytysnesteen tyypistä riippuen se muuttuu höyryksi tai kaasuksi, joka pyörittää turbiinia.

Turbiini käyttää sähkögeneraattoria. Hän itse asiassa tuottaa sähköä.

Jos prosessia ei seurata, uraanineutronit voivat törmätä toisiinsa, kunnes reaktori räjäytetään ja koko ydinvoimalaitos räjäytetään palasiksi. Tietokoneen anturit ohjaavat prosessia. Ne havaitsevat lämpötilan nousun tai paineen muutoksen reaktorissa ja voivat pysäyttää reaktiot automaattisesti.

Mitä eroa on ydinvoimaloiden ja lämpövoimaloiden (lämpövoimaloiden) toimintaperiaatteella?

Erot työssä ovat vasta alkuvaiheessa. Ydinvoimalaitoksissa jäähdytysneste saa lämpöä uraanipolttoaineen atomien fissiosta, lämpövoimalaitoksissa jäähdytysneste saa lämpöä orgaanisen polttoaineen (hiili, kaasu tai öljy) palamisesta. Sen jälkeen kun joko uraanin atomit tai kaasu hiilen kanssa ovat vapauttaneet lämpöä, ydinvoimalaitosten ja lämpövoimalaitosten toimintakaaviot ovat samat.

Ydinreaktorien tyypit

Ydinvoimalaitoksen toiminta riippuu siitä, kuinka sen ydinreaktori toimii. Nykyään on olemassa kaksi päätyyppiä reaktoreita, jotka luokitellaan neuronien spektrin mukaan:
Hidas neutronireaktori, jota kutsutaan myös lämpöreaktoriksi.

Sen toimintaan käytetään 235 uraania, joka käy läpi rikastusvaiheet, uraanitablettien valmistamisen jne. Nykyään hitaita neutronireaktoreita on valtaosa.
Nopea neutronireaktori.

Nämä reaktorit ovat tulevaisuutta, koska ne työskentelevät uraani-238:lla, joka on luonteeltaan kymmenkunta senttiä, eikä tätä alkuainetta tarvitse rikastaa. Tällaisten reaktorien haittana on vain erittäin korkeat suunnittelu-, rakentamis- ja käynnistämiskustannukset. Nykyään nopeat neutronireaktorit toimivat vain Venäjällä.

Nopeiden neutronireaktorien jäähdytysneste on elohopeaa, kaasua, natriumia tai lyijyä.

Hitaita neutronireaktoreita, joita nykyään käyttävät kaikki maailman ydinvoimalat, on myös useita tyyppejä.

IAEA-järjestö (International Atomic Energy Agency) on luonut oman luokituksensa, jota käytetään eniten maailman ydinteollisuudessa. Koska ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate riippuu pitkälti jäähdytysnesteen ja hidastimen valinnasta, on IAEA luokituksensa perustanut näihin eroihin.

Kemiallisesti deuteriumoksidi on ihanteellinen hidastin ja jäähdytysneste, koska sen atomit ovat tehokkaimmin vuorovaikutuksessa uraanin neutronien kanssa verrattuna muihin aineisiin. Yksinkertaisesti sanottuna raskas vesi suorittaa tehtävänsä minimaalisilla häviöillä ja maksimaalisilla tuloksilla. Sen valmistus kuitenkin maksaa rahaa, kun taas meille tavallista "kevyt" ja tuttua vettä on paljon helpompi käyttää.

Muutama fakta ydinreaktoreista...

On mielenkiintoista, että yhtä ydinvoimalan reaktoria rakennetaan vähintään 3 vuodeksi!
Reaktorin rakentamiseen tarvitaan laitteita, jotka toimivat 210 kiloampeerin sähkövirralla, mikä on miljoona kertaa ihmisen tappava virta.

Ydinreaktorin yksi kuori (rakenneelementti) painaa 150 tonnia. Yhdessä reaktorissa on 6 tällaista elementtiä.

Painevesireaktori

Olemme jo selvittäneet kuinka ydinvoimalaitos toimii yleisesti, jotta "selvitetään" katsotaan kuinka suosituin paineistettu ydinreaktori toimii.
Nykyään kaikkialla maailmassa käytetään 3+ sukupolven painevesireaktoreita. Niitä pidetään luotettavimpana ja turvallisimpana.

Kaikki maailman painevesireaktorit ovat kaikkien toimintavuosiensa aikana yhteensä onnistuneet saamaan jo yli 1000 vuoden häiriöttömän toiminnan eivätkä ole koskaan antaneet vakavia poikkeamia.

Painevesireaktoreihin perustuvien ydinvoimalaitosten rakenne tarkoittaa, että polttoainesauvojen välissä kiertää tislattua vettä, joka on lämmitetty 320 asteeseen. Jotta se ei menisi höyrytilaan, sitä pidetään 160 ilmakehän paineessa. Ydinvoimalaitosjärjestelmässä sitä kutsutaan primäärivedeksi.

Lämmitetty vesi tulee höyrygeneraattoriin ja luovuttaa lämpönsä toisiopiirin veteen, jonka jälkeen se "palaa" uudelleen reaktoriin. Ulkoisesti näyttää siltä, ​​​​että ensisijaisen vesipiirin putket ovat kosketuksissa muihin putkiin - toisen piirin vesi, ne siirtävät lämpöä toisiinsa, mutta vedet eivät kosketa toisiinsa. Putket ovat kosketuksissa.

Näin ollen mahdollisuus, että säteilyä pääsee toisiopiirin veteen, joka osallistuu edelleen sähköntuotantoprosessiin, on suljettu pois.

Ydinvoimalaitosten turvallisuus

Ydinvoimalaitosten toimintaperiaatteen oppimisen jälkeen on ymmärrettävä, miten turvallisuus on järjestetty. Ydinvoimalaitosten suunnittelu vaatii nykyään entistä enemmän turvallisuusmääräyksiä.
Ydinvoimalaitosturvallisuuden kustannukset ovat noin 40 % itse laitoksen kokonaiskustannuksista.

Ydinvoimalaitossuunnitelma sisältää 4 fyysistä estettä, jotka estävät radioaktiivisten aineiden vapautumisen. Mitä näiden esteiden pitäisi tehdä? Pystyä oikeaan aikaan pysäyttämään ydinreaktio, varmistamaan jatkuva lämmönpoisto sydämestä ja itse reaktorista sekä estämään radionuklidien vapautuminen suojarakennuksesta (suojavyöhykkeestä).

• Ensimmäinen este on uraanipellettien lujuus. On tärkeää, että ne eivät romahdu korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta ydinreaktorissa. Ydinvoimalaitoksen toiminta riippuu monella tapaa siitä, kuinka uraanipelletit "paistettiin" tuotannon alkuvaiheessa. Jos uraanipolttoainepelletit paistetaan väärin, uraaniatomien reaktiot reaktorissa ovat arvaamattomia.
• Toinen este on polttoainesauvojen tiiviys. Zirkoniumputket on suljettava tiiviisti, jos tiiviys katkeaa, niin parhaimmillaan reaktori vaurioituu ja työ pysähtyy, pahimmillaan kaikki lentää ilmaan.
• Kolmas este on vahva teräksinen reaktoriastia a, (sama suuri torni - suoja-alue), joka "pitää" kaikki radioaktiiviset prosessit itsessään. Runko on vaurioitunut - säteilyä vapautuu ilmakehään.
• Neljäs este on hätäsuojatangot. Aktiivisen vyöhykkeen yläpuolella magneeteille on ripustettu hidastimella varustetut sauvat, jotka voivat absorboida kaikki neutronit 2 sekunnissa ja pysäyttää ketjureaktion.

Jos monien suojausasteiden ydinvoimalaitoksen rakentamisesta huolimatta reaktorisydämen jäähdyttäminen ei onnistu oikeaan aikaan ja polttoaineen lämpötila nousee 2600 asteeseen, tulee turvajärjestelmän viimeinen toivo. - niin sanottu sulaloukku.

Tosiasia on, että tällaisessa lämpötilassa reaktoriastian pohja sulaa ja kaikki ydinpolttoaineen jäännökset ja sulat rakenteet virtaavat erityiseen "lasiin", joka on ripustettu reaktorin sydämen yläpuolelle.

Sulatoluukku on jäähdytetty ja tulenkestävä. Se on täytetty niin kutsutulla "uhrimateriaalilla", joka asteittain pysäyttää fissioketjureaktion.

Näin ollen ydinvoimalaitosjärjestelmä sisältää useita suojausasteita, jotka sulkevat lähes kokonaan pois kaiken mahdollisen onnettomuuden.

Laite ja toimintaperiaate

Virranvapautusmekanismi

Aineen muuntumiseen liittyy vapaan energian vapautuminen vain, jos aineella on energiavarasto. Jälkimmäinen tarkoittaa, että aineen mikropartikkelit ovat tilassa, jossa lepoenergia on suurempi kuin toisessa mahdollisessa tilassa, johon siirtyminen on olemassa. Spontaani siirtymä estetään aina energiaesteellä, jonka voittamiseksi mikropartikkelin on saatava ulkopuolelta jonkin verran energiaa - viritysenergiaa. Eksoenergeettinen reaktio koostuu siitä, että virityksen jälkeisessä muutoksessa vapautuu enemmän energiaa kuin prosessin virittäminen vaatii. Energiaesteen voittamiseksi on kaksi tapaa: joko törmäävien hiukkasten kineettisen energian vuoksi tai saapuvan hiukkasen sitoutumisenergian ansiosta.

Jos pidetään mielessä energian vapautumisen makroskooppiset mittakaavat, niin reaktioiden herättämiseen tarvittavassa kineettisessä energiassa on oltava kaikki tai aluksi ainakin osa aineen hiukkasista. Tämä voidaan saavuttaa vain nostamalla väliaineen lämpötilaa arvoon, jossa lämpöliikkeen energia lähestyy prosessin kulkua rajoittavan energiakynnyksen arvoa. Molekyylimuunnosten eli kemiallisten reaktioiden tapauksessa tällainen nousu on yleensä satoja kelvinejä, kun taas ydinreaktioissa se on vähintään 10 7 törmäysytimien Coulombin esteiden erittäin korkean korkeuden vuoksi. Ydinreaktioiden termistä viritystä on toteutettu käytännössä vain kevyimpien ytimien synteesissä, jossa Coulombin esteet ovat minimaaliset (termonukleaarinen fuusio).

Kiihtyminen yhdistyvien hiukkasten avulla ei vaadi suurta kineettistä energiaa, eikä se siksi riipu väliaineen lämpötilasta, koska se tapahtuu vetovoiman hiukkasille ominaisten käyttämättömien sidosten vuoksi. Mutta toisaalta, itse hiukkaset ovat välttämättömiä reaktioiden herättämiseksi. Ja jos taas emme tarkoita erillistä reaktiota, vaan energian tuotantoa makroskooppisessa mittakaavassa, niin tämä on mahdollista vain ketjureaktion tapahtuessa. Jälkimmäinen syntyy, kun reaktiota kiihottavat hiukkaset ilmaantuvat uudelleen eksoenergeettisen reaktion tuotteina.

Design

Mikä tahansa ydinreaktori koostuu seuraavista osista:

• Ydin ydinpolttoaineella ja hidastimella;
• Neutroniheijastin, joka ympäröi ydintä;
• Ketjureaktion säätöjärjestelmä, mukaan lukien hätäsuojaus;
• Säteilysuojaus;
• Kaukosäädinjärjestelmä.

Fyysiset toimintaperiaatteet

Katso myös pääartikkelit:

Ydinreaktorin nykytilaa voidaan luonnehtia tehokkaalla neutronien kertoimella k tai reaktiivisuutta ρ , jotka liittyvät seuraavaan suhteeseen:

Näille arvoille on ominaista seuraavat arvot:

• k> 1 - ketjureaktio kiihtyy ajan myötä, reaktori on sisällä ylikriittinen tila, sen reaktiivisuus ρ > 0;
• k < 1 - реакция затухает, реактор - alikriittinen, ρ < 0;
• k = 1, ρ = 0 - ydinfissioiden lukumäärä on vakio, reaktori on vakaa kriittinen kunto.

Ydinreaktorin kriittisyystila:

Kerroinkertoimen muuntaminen yksiköksi saadaan aikaan tasapainottamalla neutronien kertolaskua niiden häviöillä. Menetyksiin on itse asiassa kaksi syytä: sieppaus ilman fissiota ja neutronien vuotaminen lisääntymisalustan ulkopuolelle.

Ilmeisesti k< 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.

k 0 lämpöreaktoreille voidaan määrittää ns. "4 tekijän kaavalla":

• η on neutronin saanto kahta absorptiota kohden.

Nykyaikaisten voimareaktorien tilavuudet voivat nousta satoihin m³:iin, ja ne eivät pääsääntöisesti perustu kriittisyyden olosuhteisiin, vaan lämmönpoistomahdollisuuksiin.

Kriittinen äänenvoimakkuus ydinreaktori - reaktorin sydämen tilavuus kriittisessä tilassa. Kriittinen massa on reaktorin fissioituvan materiaalin massa, joka on kriittisessä tilassa.

Pienin kriittinen massa on reaktoreilla, jotka käyttävät polttoaineena puhtaiden halkeavien isotooppien suolojen vesiliuoksia, joissa on vesineutroniheijastin. 235 U:lla tämä massa on 0,8 kg, 239 Pu:lla se on 0,5 kg. Laajalti tiedetään kuitenkin, että LOPO-reaktorin (maailman ensimmäinen rikastettu uraanireaktori), jossa oli berylliumoksidiheijastin, kriittinen massa oli 0,565 kg huolimatta siitä, että 235-isotoopin rikastusaste oli vain vähäinen. yli 14 %. Teoreettisesti pienin kriittinen massa on, jolle tämä arvo on vain 10 g.

Neutronivuodon vähentämiseksi ytimelle annetaan pallomainen tai lähes pallomainen muoto, kuten lyhyt sylinteri tai kuutio, koska näillä luvuilla on pienin pinta-alan suhde tilavuuteen.

Huolimatta siitä, että arvo (e - 1) on yleensä pieni, nopean neutronien lisääntymisen rooli on melko suuri, koska suurille ydinreaktoreille (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Ketjureaktion käynnistämiseksi uraaniytimien spontaanin fission aikana syntyy yleensä riittävästi neutroneja. Reaktorin käynnistämiseen on myös mahdollista käyttää ulkoista neutronilähdettä, esimerkiksi ja/tai muiden aineiden seosta.

jodi kuoppa

Jodikuoppa - ydinreaktorin tila sen sulkemisen jälkeen, jolle on ominaista lyhytikäisen ksenon-isotoopin kertyminen. Tämä prosessi johtaa tilapäiseen merkittävän negatiivisen reaktiivisuuden ilmaantumiseen, mikä puolestaan ​​tekee mahdottomaksi saada reaktoria sen suunniteltuun kapasiteettiin tietyksi ajaksi (noin 1-2 päivää).

Luokittelu

Ajanvarauksella

Ydinreaktorit jaetaan käytön luonteen mukaan:

• Voimareaktorit suunniteltu tuottamaan energia-alalla käytettävää sähkö- ja lämpöenergiaa sekä meriveden suolanpoistoon (myös suolanpoistoreaktorit luokitellaan teollisiksi). Tällaisia ​​reaktoreita käytettiin pääasiassa ydinvoimaloissa. Nykyaikaisten voimareaktorien lämpöteho on 5 GW. Erilliseen ryhmään jakaa:
  • Kuljetusreaktorit suunniteltu toimittamaan energiaa ajoneuvojen moottoreille. Laajimpia sovellusryhmiä ovat sukellusveneissä ja erilaisissa pinta-aluksissa käytettävät merikuljetusreaktorit sekä avaruusteknologiassa käytettävät reaktorit.
• Kokeelliset reaktorit, suunniteltu tutkimaan erilaisia ​​fysikaalisia suureita, joiden arvo on välttämätön ydinreaktorien suunnittelun ja toiminnan kannalta; tällaisten reaktorien teho ei ylitä muutamaa kW.
• Tutkimusreaktorit, jossa ytimessä syntyviä neutroni- ja gammasäteilyvöitä käytetään ydinfysiikan, kiinteän olomuodon fysiikan, säteilykemian, biologian alan tutkimukseen, voimakkaissa neutronivuoissa käytettäväksi tarkoitettujen materiaalien testaamiseen (mukaan lukien ydinreaktorien osat), isotooppien tuotantoon. Tutkimusreaktorien teho ei ylitä 100 MW. Vapautunutta energiaa ei yleensä käytetä.
• Teolliset (aseet, isotooppi) reaktorit käytetään isotooppien tuottamiseen eri aloilla. Yleisimmin käytetty ydinaselaatuisten materiaalien, kuten 239 Pu, valmistukseen. Teollisiin kuuluvat myös meriveden suolanpoistoon käytetyt reaktorit.

Usein reaktoreita käytetään kahden tai useamman erilaisen tehtävän ratkaisemiseen, jolloin niitä kutsutaan monikäyttöinen. Esimerkiksi jotkut voimareaktorit, varsinkin ydinvoiman kynnyksellä, oli tarkoitettu pääasiassa kokeisiin. Nopeat neutronireaktorit voivat olla samanaikaisesti sekä sähköä tuottavia että isotooppeja tuottavia. Teollisuusreaktorit tuottavat päätehtävänsä lisäksi usein sähkö- ja lämpöenergiaa.

Neutronispektrin mukaan

• Terminen (hidas) neutronireaktori ("lämpöreaktori")
• Nopea neutronireaktori ("nopea reaktori")

Polttoaineen sijoittamisen mukaan

• Heterogeeniset reaktorit, joissa polttoaine sijoitetaan sydämeen diskreetti lohkojen muodossa, joiden välissä on hidastin;
• Homogeeniset reaktorit, joissa polttoaine ja hidastin ovat homogeeninen seos (homogeeninen järjestelmä).

Heterogeenisessä reaktorissa polttoaine ja hidastin voivat olla erillään toisistaan, erityisesti onkaloreaktorissa hidastin-heijastin ympäröi onteloa polttoaineella, joka ei sisällä hidastimia. Ydinfysikaalisesta näkökulmasta homogeenisuuden/heterogeenisuuden kriteerinä ei ole suunnittelu, vaan polttoainelohkojen sijoittaminen neutronien hidastuspituuden ylittävälle etäisyydelle tietyssä hidastimessa. Esimerkiksi niin sanotut "close-hila"-reaktorit on suunniteltu homogeenisiksi, vaikka niissä polttoaine yleensä erotetaan hidastimesta.

Ydinpolttoainelohkoja heterogeenisessä reaktorissa kutsutaan polttoainenippuiksi (FA), jotka sijoitetaan ytimeen säännöllisen hilan solmukohtiin muodostaen soluja.

Polttoaineen tyypin mukaan

• uraanin isotoopit 235, 238, 233 ( 235 U , 238 U , 233 U)
• plutonium-isotooppi 239 (239 Pu), myös isotoopit 239-242 Pu seoksena 238 U:n kanssa (MOX-polttoaine)
• torium-isotooppi 232 (232 Th) (muuntamalla 233 U:ksi)

Rikastusasteen mukaan:

• luonnonuraani
• vähän rikastettu uraani
• korkeasti rikastettua uraania

Kemiallisen koostumuksen mukaan:

• metalli U
• UC (uraanikarbidi) jne.

Jäähdytysnesteen tyypin mukaan

• Kaasu, (katso Grafiittikaasureaktori)
• D 2 O (raskas vesi, katso Raskaan veden ydinreaktori, CANDU)

Moderaattorityypin mukaan

• C (grafiitti, katso Grafiittikaasureaktori, Grafiitti-vesireaktori)
• H 2 O (vesi, katso kevytvesireaktori, painevesireaktori, VVER)
• D 2 O (raskas vesi, katso Raskaan veden ydinreaktori, CANDU)
• Metallihydridit
• Ilman moderaattoria (katso nopea neutronireaktori)

Suunnittelultaan

höyryntuotantomenetelmä

• Reaktori ulkoisella höyrygeneraattorilla (katso PWR, VVER)

IAEA:n luokitus

• PWR (painevesireaktorit) - paineistettu vesireaktori (painevesireaktori);
• BWR (boiling water Reactor) - kiehuva vesireaktori;
• FBR (fast Breeder Reactor) - nopea kasvattajareaktori;
• GCR (kaasujäähdytteinen reaktori) - kaasujäähdytteinen reaktori;
• LWGR (kevyen veden grafiittireaktori) - grafiitti-vesireaktori
• PHWR (paineistettu raskasvesireaktori) - raskaan veden reaktori

Maailman yleisimmät ovat painevesireaktorit (noin 62 %) ja kiehuvavesireaktorit (20 %).

Reaktorin materiaalit

Materiaalit, joista reaktorit rakennetaan, toimivat korkeassa lämpötilassa neutronien, γ-kvanttien ja fissiofragmenttien kentällä. Siksi kaikki muilla tekniikan aloilla käytetyt materiaalit eivät sovellu reaktorin rakentamiseen. Reaktorin materiaaleja valittaessa otetaan huomioon niiden säteilynkestävyys, kemiallinen inertisyys, absorption poikkileikkaus ja muut ominaisuudet.

Materiaalien säteilyn epästabiilisuus vaikuttaa vähemmän korkeissa lämpötiloissa. Atomien liikkuvuus kasvaa niin suureksi, että todennäköisyys kidehilasta syrjäytettyjen atomien palautumiselle paikoilleen tai vedyn ja hapen rekombinaatiolle vesimolekyyliksi kasvaa huomattavasti. Siten veden radiolyysi on merkityksetöntä tehoreaktoreissa (esim. VVER), kun taas tehokkaissa tutkimusreaktoreissa vapautuu huomattava määrä räjähtävää seosta. Reaktoreissa on erityiset järjestelmät sen polttamiseksi.

Reaktorin materiaalit joutuvat kosketukseen toistensa kanssa (jäähdytysnesteellä ja ydinpolttoaineella päällystetty polttoaine-elementti, polttoainekasetit jäähdytysnesteellä ja hidastimella jne.). Luonnollisesti kosketuksissa olevien materiaalien tulee olla kemiallisesti inerttejä (yhteensopivia). Esimerkki yhteensopimattomuudesta on uraanin ja kuuman veden joutuminen kemialliseen reaktioon.

Useimpien materiaalien lujuusominaisuudet heikkenevät jyrkästi lämpötilan noustessa. Voimareaktoreissa rakennemateriaalit toimivat korkeissa lämpötiloissa. Tämä rajoittaa rakennemateriaalien valintaa erityisesti voimareaktorin niissä osissa, joiden on kestettävä korkeaa painetta.

Ydinpolttoaineen palaminen ja lisääntyminen

Ydinreaktorin toiminnan aikana polttoaineeseen kertyvien fissiofragmenttien seurauksena sen isotooppinen ja kemiallinen koostumus muuttuu ja muodostuu transuraanialkuaineita, pääasiassa isotooppeja. Fissiofragmenttien vaikutusta ydinreaktorin reaktiivisuuteen kutsutaan myrkytys(radioaktiivisille fragmenteille) ja kuonaa(stabiileille isotoopeille).

Suurin syy reaktorin myrkytykseen on se, jolla on suurin neutroniabsorptiopoikkileikkaus (2,6 10 6 barn). 135 Xe:n puoliintumisaika T 1/2 = 9,2 h; jakosaanto on 6-7 %. Suurin osa 135 Xe:stä muodostuu hajoamisen seurauksena ( T 1/2 = 6,8 tuntia). Myrkytyksen sattuessa Kef muuttuu 1-3%. 135 Xe:n suuri absorptiopoikkileikkaus ja väli-isotoopin 135 I läsnäolo johtavat kahteen tärkeään ilmiöön:

1. 135 Xe:n pitoisuuden nousuun ja näin ollen reaktorin reaktiivisuuden laskuun sen sammuttamisen tai tehon pienentämisen jälkeen ("jodikuoppa"), mikä tekee mahdottomaksi lyhytaikaiset seisokit ja lähtötehon vaihtelut. Tämä vaikutus poistetaan ottamalla käyttöön sääntelyelinten reaktiivisuusmarginaali. Jodikaivon syvyys ja kesto riippuvat neutronivuosta Ф: arvolla Ф = 5 10 18 neutronia/(cm² s), jodikaivon kesto on ˜ 30 h ja syvyys on 2 kertaa suurempi kuin tasainen. 135 Xe -myrkytyksen aiheuttama Keffin tilamuutos.
2. Myrkytyksestä johtuen neutronivuon Ф ja siten myös reaktorin tehon tila-ajallisia vaihteluita voi esiintyä. Nämä heilahtelut tapahtuvat Ф > 10 18 neutronia/(cm² s) ja suurilla reaktorikokoilla. Värähtelyjaksot ˜ 10 h.

Ydinfissio synnyttää suuren määrän stabiileja fragmentteja, jotka eroavat absorptiopoikkileikkauksiltaan halkeavan isotoopin absorptiopoikkileikkauksesta. Suuren absorptiopoikkileikkauksen omaavien fragmenttien pitoisuus saavuttaa kyllästymisen reaktorin toiminnan ensimmäisten päivien aikana. Nämä ovat pääasiassa eri "ikäisiä" TVEL:itä.

Täydellisen polttoaineen vaihdon tapauksessa reaktorissa on ylireaktiivisuutta, joka on kompensoitava, kun taas toisessa tapauksessa kompensointi vaaditaan vasta reaktorin ensimmäisen käynnistyksen yhteydessä. Jatkuva tankkaus mahdollistaa palamissyvyyden lisäämisen, koska reaktorin reaktiivisuus määräytyy halkeavien isotooppien keskimääräisistä pitoisuuksista.

Ladatun polttoaineen massa ylittää kuormittamattoman massan vapautuneen energian "painon" vuoksi. Reaktorin sammuttamisen jälkeen, ensin pääasiassa viivästyneiden neutronien aiheuttaman fission vuoksi, ja sitten 1-2 minuutin kuluttua fissiofragmenttien ja transuraanielementtien β- ja γ-säteilyn seurauksena energian vapautuminen polttoaineessa jatkuu. Jos reaktori toimi tarpeeksi kauan ennen sammutusta, niin 2 minuuttia sammutuksen jälkeen energian vapautuminen on noin 3%, 1 tunnin kuluttua - 1%, päivän kuluttua - 0,4%, vuoden kuluttua - 0,05% alkuperäisestä tehosta.

Ydinreaktorissa muodostuneiden halkeavien Pu-isotooppien lukumäärän suhdetta palaneen 235 U:n määrään kutsutaan ns. muuntokurssi K K . K K:n arvo kasvaa rikastumisen ja palamisen pienentyessä. Luonnonuraanilla toimivalle raskasvesireaktorille, jonka palaminen on 10 GW vrk/t K K = 0,55, ja pienille palamisille (tässä tapauksessa K K on ns. alkuperäinen plutoniumkerroin) K K = 0,8. Jos ydinreaktori palaa ja tuottaa samoja isotooppeja (jalostusreaktori), niin lisääntymisnopeuden suhdetta palamisnopeuteen kutsutaan ns. lisääntymisnopeus K V. Lämpöreaktoreissa K V< 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 g kasvaa ja mutta putoaa.

Ydinreaktorin ohjaus

Ydinreaktorin ohjaus on mahdollista vain siksi, että fission aikana osa neutroneista lentää fragmenteista viiveellä, joka voi vaihdella useista millisekunneista useisiin minuutteihin.

Reaktorin ohjaamiseen käytetään absorboivia sauvoja, jotka viedään ytimeen ja jotka on valmistettu materiaaleista, jotka absorboivat voimakkaasti neutroneja (pääasiassa ja joitain muita) ja / tai boorihappoliuosta, joka on lisätty jäähdytysnesteeseen tietyssä pitoisuudessa (boorin säätö). . Tankojen liikettä ohjataan erityisillä mekanismeilla, käytöillä, jotka toimivat käyttäjän signaaleilla tai laitteistolla neutronivuon automaattista säätelyä varten.

Erilaisten hätätilanteiden sattuessa kussakin reaktorissa on ketjureaktion hätäkatkaisu, joka suoritetaan pudottamalla kaikki absorbointisauvat ytimeen - hätäsuojajärjestelmä.

Jäännöslämpö

Tärkeä suoraan ydinturvallisuuteen liittyvä asia on jälkilämpö. Tämä on ydinpolttoaineen erityispiirre, joka koostuu siitä, että kaikille energialähteille tyypillisen fissioketjureaktion ja termisen inertian päätyttyä lämmön vapautuminen reaktorissa jatkuu pitkään, mikä luo useita teknisesti monimutkaisia ​​ongelmia.

Jälkilämpö on seurausta reaktorin toiminnan aikana polttoaineeseen kerääntyneiden fissiotuotteiden β- ja γ-hajoamisesta. Fissiotuotteiden ytimet siirtyvät hajoamisen seurauksena vakaampaan tai täysin vakaampaan tilaan vapauttaen merkittävää energiaa.

Vaikka jäännöslämmön vapautumisnopeus putoaa nopeasti kiinteisiin arvoihin verrattuna pieniin arvoihin, suuritehoisissa tehoreaktoreissa se on absoluuttisesti merkittävä. Tästä syystä jälkilämmön vapautuminen vaatii pitkän ajan lämmön poistamiseksi reaktorin sydämestä sen sammuttamisen jälkeen. Tämä tehtävä edellyttää reaktorilaitoksen suunnittelussa jäähdytysjärjestelmien läsnäoloa luotettavalla teholla, ja se edellyttää myös käytetyn ydinpolttoaineen pitkäaikaista (3-4 vuoden sisällä) varastointia varastotiloissa, joissa on erityinen lämpötila - käytetyn polttoaineen altaat. , jotka sijaitsevat yleensä reaktorin välittömässä läheisyydessä.

Katso myös

• Luettelo Neuvostoliitossa suunnitelluista ja rakennetuista ydinreaktoreista

Kirjallisuus

• Levin V.E. Ydinfysiikka ja ydinreaktorit. 4. painos - M.: Atomizdat, 1979.
• Shukolyukov A. Yu. "Uraani. luonnollinen ydinreaktori. "Kemia ja elämä" nro 6, 1980, s. 20-24

Huomautuksia

1. "ZEEP - Kanadan ensimmäinen ydinreaktori", Kanadan tiede- ja teknologiamuseo.
2. Greshilov A. A., Egupov N. D., Matushchenko A. M. Ydinsuoja. - M .: Logos, 2008. - 438 s. -

Ydinreaktori toimii sujuvasti ja tarkasti. Muuten, kuten tiedät, tulee ongelmia. Mutta mitä sisällä tapahtuu? Yritetään muotoilla ydin(atomi)reaktorin toimintaperiaate lyhyesti, selkeästi, pysähdyksin.

Itse asiassa siellä on meneillään sama prosessi kuin ydinräjähdyksessä. Vasta nyt räjähdys tapahtuu hyvin nopeasti, ja reaktorissa kaikki tämä venyy pitkään. Lopulta kaikki pysyy turvassa ja saamme energiaa. Ei niin paljon, että kaikki ympärilläsi hajosi heti, mutta tarpeeksi sähkön toimittamiseksi kaupunkiin.

miten reaktori toimii Ydinvoimalaitoksen jäähdytystornit
Ennen kuin ymmärrät, kuinka kontrolloitu ydinreaktio toimii, sinun on tiedettävä, mitä ydinreaktio yleensä on.

Ydinreaktio on atomiytimien muunnosprosessi (fissio), kun ne ovat vuorovaikutuksessa alkuainehiukkasten ja gamma-kvanttien kanssa.

Ydinreaktiot voivat tapahtua sekä absorption että energian vapautumisen myötä. Toisia reaktioita käytetään reaktorissa.

Ydinreaktori on laite, jonka tarkoituksena on ylläpitää hallittua ydinreaktiota energiaa vapauttaen.

Usein ydinreaktoria kutsutaan myös ydinreaktoriksi. Huomaa, että tässä ei ole perustavanlaatuista eroa, mutta tieteen näkökulmasta on oikeampaa käyttää sanaa "ydin". Nykyään on olemassa monenlaisia ​​ydinreaktoreita. Nämä ovat valtavia teollisuusreaktoreita, jotka on suunniteltu tuottamaan energiaa voimalaitoksissa, ydinsukellusvenereaktoreita, pieniä koereaktoreita, joita käytetään tieteellisissä kokeissa. On jopa reaktoreita, joita käytetään suolan poistamiseen merivedestä.

Ydinreaktorin luomisen historia

Ensimmäinen ydinreaktori käynnistettiin ei niin kaukana vuonna 1942. Se tapahtui Yhdysvalloissa Fermin johdolla. Tätä reaktoria kutsuttiin "Chicagon puupaaluksi".

Vuonna 1946 ensimmäinen Neuvostoliiton reaktori käynnistyi Kurchatovin johdolla. Tämän reaktorin runko oli halkaisijaltaan seitsemän metriä oleva pallo. Ensimmäisissä reaktoreissa ei ollut jäähdytysjärjestelmää, ja niiden teho oli minimaalinen. Muuten, Neuvostoliiton reaktorin keskimääräinen teho oli 20 wattia, kun taas amerikkalaisen vain 1 watti. Vertailun vuoksi: nykyaikaisten voimareaktorien keskimääräinen teho on 5 gigawattia. Alle kymmenen vuotta ensimmäisen reaktorin käynnistämisen jälkeen Obninskin kaupunkiin avattiin maailman ensimmäinen teollinen ydinvoimala.

Ydin(atomi)reaktorin toimintaperiaate

Jokaisessa ydinreaktorissa on useita osia: sydän polttoaineella ja hidastimella, neutroniheijastin, jäähdytysneste, ohjaus- ja suojajärjestelmä. Uraanin (235, 238, 233), plutoniumin (239) ja toriumin (232) isotooppeja käytetään useimmiten polttoaineena reaktoreissa. Aktiivinen vyöhyke on kattila, jonka läpi tavallinen vesi (jäähdytysneste) virtaa. Muiden jäähdytysnesteiden joukossa "raskasta vettä" ja nestemäistä grafiittia käytetään harvemmin. Jos puhumme ydinvoimalan toiminnasta, niin ydinreaktoria käytetään lämmön tuottamiseen. Itse sähköä tuotetaan samalla menetelmällä kuin muissakin voimalaitoksissa - höyry pyörittää turbiinia ja liikkeen energia muunnetaan sähköenergiaksi.

Alla on kaavio ydinreaktorin toiminnasta.

ydinreaktorin toimintasuunnitelma Ydinvoimalaitoksen ydinreaktorin kaavio

Kuten olemme jo sanoneet, raskaan uraaniytimen hajoaminen tuottaa kevyempiä alkuaineita ja muutamia neutroneja. Syntyvät neutronit törmäävät muihin ytimiin ja aiheuttavat myös niiden fissiota. Tässä tapauksessa neutronien määrä kasvaa kuin lumivyöry.

Tässä on mainittava neutronien kerroin. Joten jos tämä kerroin ylittää arvon, joka on yhtä suuri, tapahtuu ydinräjähdys. Jos arvo on pienempi kuin yksi, neutroneja on liian vähän ja reaktio sammuu. Mutta jos pidät kertoimen arvon yhtä suurena, reaktio jatkuu pitkään ja vakaasti.

Kysymys kuuluu, kuinka se tehdään? Reaktorissa polttoaine on ns. polttoaine-elementeissä (TVEL). Nämä ovat sauvoja, jotka sisältävät ydinpolttoainetta pienten pellettien muodossa. Polttoainesauvat on yhdistetty kuusikulmaisiin kasetteihin, joita reaktorissa voi olla satoja. Polttoainesauvoilla varustetut kasetit sijaitsevat pystysuorassa, kun taas jokaisessa polttoainesauvassa on järjestelmä, jonka avulla voit säätää sen upottamisen syvyyttä ytimeen. Itse kasettien lisäksi joukossa on säätösauvoja ja hätäsuojatankoja. Tangot on valmistettu materiaalista, joka imee hyvin neutroneja. Siten säätösauvoja voidaan laskea eri syvyyksille ytimessä, jolloin neutronien kerroin säädetään. Hätäsauvat on suunniteltu sammuttamaan reaktori hätätilanteessa.

Miten ydinreaktori käynnistetään?

Selvitimme toimintaperiaatteen, mutta kuinka käynnistää ja saada reaktori toimimaan? Karkeasti sanottuna tässä se on - pala uraania, mutta loppujen lopuksi ketjureaktio ei ala siinä itsestään. Tosiasia on, että ydinfysiikassa on kriittisen massan käsite.

Ydinpolttoaine Ydinpolttoaine

Kriittinen massa on halkeamiskelpoisen materiaalin massa, joka tarvitaan ydinketjureaktion käynnistämiseen.

Polttoaine-elementtien ja säätösauvojen avulla reaktoriin muodostetaan ensin kriittinen massa ydinpolttoainetta, jonka jälkeen reaktori saatetaan optimaaliselle tehotasolle useassa vaiheessa.

Pidät: Matemaattisia temppuja humanistisille ja muille opiskelijoille (osa 1)
Tässä artikkelissa olemme yrittäneet antaa sinulle yleiskuvan ydin (atomi)reaktorin rakenteesta ja toimintaperiaatteesta. Jos sinulla on vielä kysyttävää aiheesta tai yliopisto kysyi ydinfysiikan ongelmaa - ota yhteyttä yrityksemme asiantuntijoihin. Olemme tuttuun tapaan valmiita auttamaan sinua ratkaisemaan kaikki opintojasi painavat ongelmat. Sillä välin teemme tätä, huomionne on toinen opetusvideo!

blogi/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/