Bagaimanakah reaktor nuklear berfungsi? Loji kuasa nuklear: bagaimana ia berfungsi

Peranti dan prinsip operasi

Mekanisme pelepasan kuasa

Penjelmaan sesuatu bahan disertai dengan pembebasan tenaga bebas hanya jika bahan tersebut mempunyai simpanan tenaga. Yang terakhir ini bermakna bahawa zarah mikro bahan berada dalam keadaan dengan tenaga rehat lebih besar daripada keadaan lain yang mungkin, peralihan kepada yang wujud. Peralihan spontan sentiasa dihalang oleh penghalang tenaga, untuk mengatasi yang mana zarah mikro mesti menerima sejumlah tenaga dari luar - tenaga pengujaan. Reaksi eksoenergetik terdiri daripada fakta bahawa dalam transformasi berikutan pengujaan, lebih banyak tenaga dibebaskan daripada yang diperlukan untuk merangsang proses tersebut. Terdapat dua cara untuk mengatasi halangan tenaga: sama ada disebabkan oleh tenaga kinetik zarah yang berlanggar, atau disebabkan oleh tenaga pengikat zarah yang menyertai.

Jika kita mengingati skala makroskopik pelepasan tenaga, maka tenaga kinetik yang diperlukan untuk pengujaan tindak balas mesti mempunyai semua atau pada mulanya sekurang-kurangnya beberapa zarah bahan. Ini hanya boleh dicapai dengan meningkatkan suhu medium kepada nilai di mana tenaga gerakan haba menghampiri nilai ambang tenaga yang mengehadkan perjalanan proses. Dalam kes transformasi molekul, iaitu tindak balas kimia, peningkatan sedemikian biasanya beratus-ratus kelvin, manakala dalam kes tindak balas nuklear ia adalah sekurang-kurangnya 10 7 disebabkan oleh ketinggian yang sangat tinggi halangan Coulomb nukleus berlanggar. Pengujaan terma tindak balas nuklear telah dijalankan dalam amalan hanya dalam sintesis nukleus paling ringan, di mana halangan Coulomb adalah minimum (pelaburan termonuklear).

Pengujaan oleh zarah yang bercantum tidak memerlukan tenaga kinetik yang besar, dan, oleh itu, tidak bergantung pada suhu medium, kerana ia berlaku disebabkan oleh ikatan yang tidak digunakan yang wujud dalam zarah daya tarikan. Tetapi sebaliknya, zarah itu sendiri diperlukan untuk merangsang tindak balas. Dan jika sekali lagi kita tidak memikirkan tindak balas yang berasingan, tetapi pengeluaran tenaga pada skala makroskopik, maka ini hanya mungkin apabila tindak balas berantai berlaku. Yang terakhir timbul apabila zarah-zarah yang merangsang tindak balas muncul semula sebagai produk tindak balas eksoenergetik.

Reka bentuk

Mana-mana reaktor nuklear terdiri daripada bahagian berikut:

• Teras dengan bahan api nuklear dan penyederhana;
• Reflektor neutron yang mengelilingi teras;
• Sistem peraturan tindak balas rantai, termasuk perlindungan kecemasan;
• Perlindungan sinaran;
• Sistem kawalan jauh.

Prinsip operasi fizikal

Lihat juga artikel utama:

Keadaan semasa reaktor nuklear boleh dicirikan oleh faktor pendaraban neutron yang berkesan k atau kereaktifan ρ , yang dikaitkan dengan hubungan berikut:

Nilai-nilai ini dicirikan oleh nilai-nilai berikut:

• k> 1 - tindak balas berantai meningkat dalam masa, reaktor masuk superkritikal keadaan, kereaktifannya ρ > 0;
• k < 1 - реакция затухает, реактор - subkritikal, ρ < 0;
• k = 1, ρ = 0 - bilangan pembelahan nuklear adalah malar, reaktor berada dalam stabil kritikal syarat.

Keadaan kritikal reaktor nuklear:

Penukaran faktor pendaraban kepada perpaduan dicapai dengan mengimbangi pendaraban neutron dengan kerugiannya. Sebenarnya terdapat dua sebab untuk kerugian: tangkapan tanpa pembelahan dan kebocoran neutron di luar medium pembiakan.

Jelas sekali, 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 untuk reaktor haba boleh ditentukan oleh apa yang dipanggil "formula 4 faktor":

• η ialah hasil neutron setiap dua serapan.

Isipadu reaktor kuasa moden boleh mencapai ratusan m³ dan ditentukan terutamanya bukan oleh keadaan kritikal, tetapi oleh kemungkinan penyingkiran haba.

Kelantangan kritikal reaktor nuklear - isipadu teras reaktor dalam keadaan kritikal. Jisim kritikal ialah jisim bahan fisil reaktor, yang berada dalam keadaan kritikal.

Reaktor yang didorong oleh larutan akueus garam isotop fisil tulen dengan pemantul neutron air mempunyai jisim kritikal yang paling rendah. Untuk 235 U jisim ini ialah 0.8 kg, untuk 239 Pu ialah 0.5 kg. Walau bagaimanapun, diketahui secara meluas bahawa jisim kritikal untuk reaktor LOPO (reaktor uranium diperkaya pertama di dunia), yang mempunyai pemantul berilium oksida, adalah 0.565 kg, walaupun pada hakikatnya tahap pengayaan dalam isotop 235 hanya sedikit. lebih daripada 14%. Secara teorinya, jisim kritikal terkecil mempunyai, yang mana nilai ini hanya 10 g.

Untuk mengurangkan kebocoran neutron, teras diberi bentuk sfera atau hampir dengan sfera, seperti silinder pendek atau kubus, kerana angka ini mempunyai nisbah terkecil dari luas permukaan kepada isipadu.

Walaupun nilai (e - 1) biasanya kecil, peranan pendaraban neutron pantas adalah agak besar, kerana untuk reaktor nuklear yang besar (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Untuk memulakan tindak balas berantai, biasanya neutron yang mencukupi dihasilkan semasa pembelahan spontan nukleus uranium. Ia juga mungkin menggunakan sumber neutron luar untuk memulakan reaktor, contohnya, campuran dan, atau bahan lain.

lubang iodin

Lubang iodin - keadaan reaktor nuklear selepas ia ditutup, dicirikan oleh pengumpulan isotop xenon jangka pendek. Proses ini membawa kepada penampilan sementara kereaktifan negatif yang ketara, yang seterusnya, menjadikannya mustahil untuk membawa reaktor ke kapasiti reka bentuknya untuk tempoh tertentu (kira-kira 1-2 hari).

Pengelasan

Dengan temujanji

Mengikut sifat penggunaan reaktor nuklear dibahagikan kepada:

• Reaktor kuasa direka untuk menghasilkan tenaga elektrik dan haba yang digunakan dalam sektor tenaga, serta untuk penyahgaraman air laut (reaktor penyahgaraman juga dikelaskan sebagai industri). Reaktor sedemikian digunakan terutamanya dalam loji kuasa nuklear. Kuasa terma reaktor kuasa moden mencapai 5 GW. Dalam kumpulan berasingan peruntukkan:
  • Reaktor pengangkutan direka untuk membekalkan tenaga kepada enjin kenderaan. Kumpulan aplikasi terluas ialah reaktor pengangkutan marin yang digunakan pada kapal selam dan pelbagai kapal permukaan, serta reaktor yang digunakan dalam teknologi angkasa lepas.
• Reaktor eksperimen, direka untuk mengkaji pelbagai kuantiti fizikal, yang nilainya diperlukan untuk reka bentuk dan operasi reaktor nuklear; kuasa reaktor tersebut tidak melebihi beberapa kW.
• Reaktor penyelidikan, di mana fluks neutron dan sinar gamma yang dicipta dalam teras digunakan untuk penyelidikan dalam bidang fizik nuklear, fizik keadaan pepejal, kimia sinaran, biologi, untuk bahan ujian yang bertujuan untuk operasi dalam fluks neutron sengit (termasuk bahagian reaktor nuklear), untuk penghasilan isotop. Kuasa reaktor penyelidikan tidak melebihi 100 MW. Tenaga yang dilepaskan biasanya tidak digunakan.
• Reaktor industri (senjata, isotop). digunakan untuk menghasilkan isotop yang digunakan dalam pelbagai bidang. Paling banyak digunakan untuk pengeluaran bahan gred senjata nuklear, seperti 239 Pu. Juga industri termasuk reaktor yang digunakan untuk penyahgaraman air laut.

Selalunya reaktor digunakan untuk menyelesaikan dua atau lebih tugas yang berbeza, dalam hal ini ia dipanggil pelbagai guna. Sebagai contoh, beberapa reaktor kuasa, terutamanya pada permulaan tenaga nuklear, bertujuan terutamanya untuk eksperimen. Reaktor neutron pantas boleh menjadi kedua-dua penjana kuasa dan menghasilkan isotop pada masa yang sama. Reaktor industri, sebagai tambahan kepada tugas utama mereka, sering menjana tenaga elektrik dan haba.

Mengikut spektrum neutron

• Reaktor neutron terma (perlahan) ("reaktor terma")
• Reaktor neutron pantas ("reaktor pantas")

Dengan penempatan bahan api

• Reaktor heterogen, di mana bahan api diletakkan di dalam teras secara diskret dalam bentuk blok, di antaranya terdapat penyederhana;
• Reaktor homogen, di mana bahan api dan penyederhana adalah campuran homogen (sistem homogen).

Dalam reaktor heterogen, bahan api dan penyederhana boleh dijarakkan, khususnya, dalam reaktor rongga, pemantul penyederhana mengelilingi rongga dengan bahan api yang tidak mengandungi penyederhana. Dari sudut nuklear-fizikal, kriteria kehomogenan/heterogeniti bukanlah reka bentuk, tetapi penempatan blok bahan api pada jarak yang melebihi panjang penyederhanaan neutron dalam penyederhana tertentu. Sebagai contoh, reaktor yang dipanggil "kekisi rapat" direka bentuk untuk menjadi homogen, walaupun bahan api biasanya dipisahkan daripada penyederhana di dalamnya.

Blok bahan api nuklear dalam reaktor heterogen dipanggil pemasangan bahan api (FA), yang diletakkan di dalam teras pada nod kekisi biasa, membentuk sel.

Mengikut jenis bahan api

• isotop uranium 235, 238, 233 ( 235 U , 238 U , 233 U)
• isotop plutonium 239 ( 239 Pu), juga isotop 239-242 Pu sebagai campuran dengan 238 U (bahan api MOX)
• isotop torium 232 (232 Th) (melalui penukaran kepada 233 U)

Mengikut tahap pengayaan:

• uranium semulajadi
• uranium diperkaya rendah
• uranium yang sangat diperkaya

Mengikut komposisi kimia:

• logam U
• UC (uranium karbida), dsb.

Mengikut jenis penyejuk

• Gas, (lihat reaktor gas-grafit)
• D 2 O (air berat, lihat reaktor nuklear air berat, CANDU)

Mengikut jenis moderator

• C (grafit, lihat reaktor gas grafit, reaktor air grafit)
• H 2 O (air, lihat Reaktor air ringan, Reaktor air bertekanan, VVER)
• D 2 O (air berat, lihat reaktor nuklear air berat, CANDU)
• Hidrida logam
• Tanpa penyederhana (lihat reaktor neutron pantas)

Mengikut reka bentuk

kaedah penjanaan wap

• Reaktor dengan penjana stim luaran (Lihat PWR, VVER)

Klasifikasi IAEA

• PWR (reaktor air bertekanan) - reaktor air bertekanan (reaktor air bertekanan);
• BWR (reaktor air mendidih) - reaktor air mendidih;
• FBR (reaktor pembiakan cepat) - reaktor pembiakan cepat;
• GCR (reaktor penyejuk gas) - reaktor penyejuk gas;
• LWGR (reaktor grafit air ringan) - reaktor air grafit
• PHWR (reaktor air berat bertekanan) - reaktor air berat

Yang paling biasa di dunia ialah air bertekanan (kira-kira 62%) dan air mendidih (20%) reaktor.

Bahan reaktor

Bahan dari mana reaktor dibina beroperasi pada suhu tinggi dalam bidang neutron, γ-quanta dan serpihan pembelahan. Oleh itu, tidak semua bahan yang digunakan dalam cabang teknologi lain sesuai untuk pembinaan reaktor. Apabila memilih bahan reaktor, rintangan sinaran, lengai kimia, keratan rentas penyerapan, dan sifat lain diambil kira.

Ketidakstabilan sinaran bahan kurang terjejas pada suhu tinggi. Mobiliti atom menjadi begitu besar sehingga kebarangkalian kembalinya atom tersingkir daripada kekisi kristal ke tempatnya atau penggabungan semula hidrogen dan oksigen ke dalam molekul air meningkat dengan ketara. Oleh itu, radiolisis air adalah tidak ketara dalam reaktor tidak mendidih kuasa (contohnya, VVER), manakala dalam reaktor penyelidikan berkuasa sejumlah besar campuran letupan dibebaskan. Reaktor mempunyai sistem khas untuk membakarnya.

Bahan-bahan reaktor bersentuhan antara satu sama lain (salut elemen bahan api dengan bahan api penyejuk dan nuklear, kaset bahan api dengan penyejuk dan penyederhana, dsb.). Sememangnya, bahan yang bersentuhan mestilah lengai secara kimia (serasi). Contoh ketidakserasian ialah uranium dan air panas memasuki tindak balas kimia.

Bagi kebanyakan bahan, sifat kekuatan merosot secara mendadak dengan peningkatan suhu. Dalam reaktor kuasa, bahan struktur beroperasi pada suhu tinggi. Ini mengehadkan pilihan bahan struktur, terutamanya bagi bahagian reaktor kuasa yang mesti menahan tekanan tinggi.

Pembakaran dan pembiakan bahan api nuklear

Semasa operasi reaktor nuklear, disebabkan oleh pengumpulan serpihan pembelahan dalam bahan api, perubahan komposisi isotop dan kimia, dan unsur transuranium, terutamanya isotop, terbentuk. Pengaruh serpihan pembelahan terhadap kereaktifan reaktor nuklear dipanggil keracunan(untuk serpihan radioaktif) dan slagging(untuk isotop stabil).

Sebab utama keracunan reaktor ialah, yang mempunyai keratan rentas serapan neutron terbesar (2.6 10 6 bangsal). Separuh hayat 135 Xe T 1/2 = 9.2 jam; hasil bahagian ialah 6-7%. Bahagian utama 135 Xe terbentuk hasil daripada pereputan ( T 1/2 = 6.8 jam). Dalam kes keracunan, Kef berubah sebanyak 1-3%. Keratan rentas penyerapan besar 135 Xe dan kehadiran isotop perantaraan 135 I membawa kepada dua fenomena penting:

1. Untuk peningkatan dalam kepekatan 135 Xe dan, akibatnya, kepada penurunan kereaktifan reaktor selepas penutupan atau pengurangan kuasa ("lubang iodin"), yang menjadikannya mustahil untuk penutupan jangka pendek dan turun naik dalam kuasa output. Kesan ini diatasi dengan memperkenalkan margin kereaktifan dalam badan kawal selia. Kedalaman dan tempoh telaga iodin bergantung kepada fluks neutron Ф: pada Ф = 5 10 18 neutron/(cm² sec), tempoh telaga iodin ialah ˜ 30 h, dan kedalaman adalah 2 kali lebih besar daripada perubahan pegun dalam Keff disebabkan oleh keracunan 135 Xe.
2. Disebabkan oleh keracunan, turun naik spatio-temporal fluks neutron Ф, dan, akibatnya, kuasa reaktor, boleh berlaku. Turun naik ini berlaku pada Ф > 10 18 neutron/(cm² sec) dan saiz reaktor yang besar. Tempoh ayunan ˜ 10 j.

Pembelahan nuklear menimbulkan sejumlah besar serpihan stabil, yang berbeza dalam keratan rentas penyerapannya berbanding dengan keratan rentas penyerapan isotop pembelahan. Kepekatan serpihan dengan keratan rentas penyerapan yang besar mencapai ketepuan semasa beberapa hari pertama operasi reaktor. Ini terutamanya TVEL yang berbeza "umur".

Dalam kes penggantian bahan api lengkap, reaktor mempunyai kereaktifan berlebihan, yang mesti diberi pampasan, manakala dalam kes kedua, pampasan hanya diperlukan pada permulaan pertama reaktor. Pengisian bahan api yang berterusan memungkinkan untuk meningkatkan kedalaman pembakaran, kerana kereaktifan reaktor ditentukan oleh kepekatan purata isotop fisil.

Jisim bahan api yang dimuatkan melebihi jisim yang dipunggah kerana "berat" tenaga yang dilepaskan. Selepas penutupan reaktor, pertama terutamanya disebabkan oleh pembelahan oleh neutron tertunda, dan kemudian, selepas 1-2 minit, disebabkan oleh sinaran β- dan γ serpihan pembelahan dan unsur transuranium, tenaga terus dibebaskan dalam bahan api. Jika reaktor bekerja cukup lama sebelum ditutup, maka 2 minit selepas penutupan, pelepasan tenaga adalah kira-kira 3%, selepas 1 jam - 1%, selepas sehari - 0.4%, selepas setahun - 0.05% daripada kuasa awal.

Nisbah bilangan isotop Pu fisil yang terbentuk dalam reaktor nuklear kepada jumlah 235 U yang terbakar dipanggil kadar penukaran K K . Nilai K K meningkat dengan penurunan pengayaan dan burnup. Untuk reaktor air berat yang berjalan pada uranium semulajadi, dengan pembakaran 10 GW hari/t K K = 0.55, dan untuk pembakaran kecil (dalam kes ini, K K dipanggil pekali plutonium awal) K K = 0.8. Jika reaktor nuklear terbakar dan menghasilkan isotop yang sama (reaktor pembiak), maka nisbah kadar pembiakan kepada kadar pembakaran dipanggil kadar pembiakan K V. Dalam reaktor haba 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 sedang berkembang dan a jatuh.

Kawalan reaktor nuklear

Kawalan reaktor nuklear hanya mungkin disebabkan oleh fakta bahawa semasa pembelahan beberapa neutron terbang keluar dari serpihan dengan kelewatan, yang boleh berkisar antara beberapa milisaat hingga beberapa minit.

Untuk mengawal reaktor, rod penyerap digunakan, dimasukkan ke dalam teras, diperbuat daripada bahan yang menyerap neutron dengan kuat (terutamanya, dan beberapa yang lain) dan / atau larutan asid borik, ditambah kepada penyejuk dalam kepekatan tertentu (peraturan boron) . Pergerakan rod dikawal oleh mekanisme khas, pemacu, beroperasi pada isyarat daripada operator atau peralatan untuk kawalan automatik fluks neutron.

Dalam kes pelbagai kecemasan dalam setiap reaktor, penamatan kecemasan tindak balas berantai disediakan, dijalankan dengan menjatuhkan semua rod penyerap ke dalam teras - sistem perlindungan kecemasan.

Haba sisa

Isu penting yang berkaitan secara langsung dengan keselamatan nuklear ialah haba pereputan. Ini adalah ciri khusus bahan api nuklear, yang terdiri daripada fakta bahawa, selepas penamatan tindak balas rantai pembelahan dan inersia haba, yang biasa untuk mana-mana sumber tenaga, penjanaan haba dalam reaktor berterusan untuk masa yang lama, yang mewujudkan bilangan masalah teknikal yang kompleks.

Haba pereputan adalah akibat daripada pereputan β- dan γ hasil pembelahan, yang telah terkumpul dalam bahan api semasa operasi reaktor. Nukleus hasil pembelahan, akibat daripada pereputan, masuk ke dalam keadaan yang lebih stabil atau stabil sepenuhnya dengan pembebasan tenaga yang ketara.

Walaupun kadar pelepasan haba pereputan dengan cepat menurun kepada nilai yang kecil berbanding dengan nilai pegun, dalam reaktor kuasa tinggi ia adalah signifikan secara mutlak. Atas sebab ini, pelepasan haba pereput memerlukan masa yang lama untuk menyediakan penyingkiran haba daripada teras reaktor selepas ia ditutup. Tugas ini memerlukan kehadiran sistem penyejukan dengan bekalan kuasa yang boleh dipercayai dalam reka bentuk kemudahan reaktor, dan juga memerlukan penyimpanan jangka panjang (selama 3-4 tahun) bahan api nuklear terpakai dalam kemudahan penyimpanan dengan rejim suhu khas - kolam bahan api terpakai , yang biasanya terletak di kawasan berhampiran reaktor.

lihat juga

• Senarai reaktor nuklear yang direka dan dibina di Kesatuan Soviet

kesusasteraan

• Levin V. E. Fizik nuklear dan reaktor nuklear. ed ke-4. - M.: Atomizdat, 1979.
• Shukolyukov A. Yu. "Uranium. reaktor nuklear semula jadi. "Kimia dan Kehidupan" No. 6, 1980, hlm. 20-24

Nota

1. "ZEEP - Reaktor Nuklear Pertama Kanada", Muzium Sains dan Teknologi Kanada.
2. Greshilov A. A., Egupov N. D., Matushchenko A. M. Perisai nuklear. - M .: Logos, 2008. - 438 p. -

Belakang ke hadapan

Perhatian! Pratonton slaid adalah untuk tujuan maklumat sahaja dan mungkin tidak mewakili tahap penuh pembentangan. Jika anda berminat dengan kerja ini, sila muat turun versi penuh.

Objektif Pelajaran:

• Pendidikan: mengemaskini pengetahuan sedia ada; meneruskan pembentukan konsep: pembelahan nukleus uranium, tindak balas rantai nuklear, keadaan untuk kejadiannya, jisim kritikal; memperkenalkan konsep baharu: reaktor nuklear, elemen utama reaktor nuklear, reka bentuk reaktor nuklear dan prinsip operasinya, kawalan tindak balas nuklear, klasifikasi reaktor nuklear dan penggunaannya;
• Membangunkan: meneruskan pembentukan kebolehan memerhati dan membuat kesimpulan, serta mengembangkan kebolehan intelek dan rasa ingin tahu pelajar;
• Pendidikan: untuk meneruskan pendidikan sikap terhadap fizik sebagai sains eksperimen; untuk memupuk sikap teliti untuk bekerja, disiplin, sikap positif terhadap pengetahuan.

Jenis pelajaran: mempelajari bahan baharu.

peralatan: pemasangan multimedia.

Semasa kelas

1. Detik organisasi.

kawan-kawan! Hari ini dalam pelajaran kita akan mengulangi pembelahan nukleus uranium, tindak balas rantai nuklear, keadaan untuk kejadiannya, jisim kritikal, kita akan belajar apa itu reaktor nuklear, elemen utama reaktor nuklear, reka bentuk nuklear. reaktor dan prinsip operasinya, kawalan tindak balas nuklear, klasifikasi reaktor nuklear dan penggunaannya.

2. Menyemak bahan yang dipelajari.

1. Mekanisme pembelahan nukleus uranium.
2. Huraikan mekanisme tindak balas berantai nuklear.
3. Berikan satu contoh tindak balas pembelahan nuklear nukleus uranium.
4. Apakah yang dipanggil jisim kritikal?
5. Bagaimanakah tindak balas berantai berlaku dalam uranium jika jisimnya kurang daripada kritikal, lebih daripada kritikal?
6. Apakah jisim kritikal uranium 295, adakah mungkin untuk mengurangkan jisim kritikal?
7. Bagaimanakah anda boleh mengubah perjalanan tindak balas rantai nuklear?
8. Apakah tujuan memperlahankan neutron laju?
9. Apakah bahan yang digunakan sebagai penyederhana?
10. Disebabkan oleh faktor apakah bilangan neutron bebas dalam sekeping uranium boleh ditambah, dengan itu memastikan kemungkinan tindak balas berlaku di dalamnya?

3. Penjelasan bahan baharu.

Kawan-kawan, jawab soalan ini: Apakah bahagian utama mana-mana loji tenaga nuklear? ( reaktor nuklear)

Bagus. Jadi, kawan-kawan, sekarang mari kita membincangkan isu ini dengan lebih terperinci.

Rujukan sejarah.

Igor Vasilyevich Kurchatov adalah ahli fizik Soviet yang cemerlang, ahli akademik, pengasas dan pengarah pertama Institut Tenaga Atom dari 1943 hingga 1960, ketua ketua saintifik masalah atom di USSR, salah seorang pengasas penggunaan tenaga nuklear untuk tujuan damai . Ahli akademik Akademi Sains USSR (1943). Bom atom Soviet pertama telah diuji pada tahun 1949. Empat tahun kemudian, bom hidrogen pertama di dunia telah berjaya diuji. Dan pada tahun 1949, Igor Vasilievich Kurchatov mula bekerja pada projek loji tenaga nuklear. Loji janakuasa nuklear adalah utusan penggunaan tenaga atom secara aman. Projek itu berjaya disiapkan: pada 27 Julai 1954, loji tenaga nuklear kami menjadi yang pertama di dunia! Kurchatov bergembira dan berseronok seperti kanak-kanak!

Definisi reaktor nuklear.

Reaktor nuklear ialah peranti di mana tindak balas rantai terkawal pembelahan beberapa nukleus berat dijalankan dan dikekalkan.

Reaktor nuklear pertama dibina pada tahun 1942 di Amerika Syarikat di bawah pimpinan E. Fermi. Di negara kita, reaktor pertama dibina pada tahun 1946 di bawah pimpinan IV Kurchatov.

Elemen utama reaktor nuklear ialah:

• bahan api nuklear (uranium 235, uranium 238, plutonium 239);
• penyederhana neutron (air berat, grafit, dll.);
• penyejuk untuk output tenaga yang dijana semasa operasi reaktor (air, natrium cecair, dll.);
• Rod kawalan (boron, kadmium) - kuat menyerap neutron
• Cangkang pelindung yang melambatkan sinaran (konkrit dengan pengisi besi).

Prinsip operasi reaktor nuklear

Bahan api nuklear terletak di zon aktif dalam bentuk rod menegak yang dipanggil elemen bahan api (TVEL). Rod bahan api direka untuk mengawal kuasa reaktor.

Jisim setiap rod bahan api adalah jauh lebih kecil daripada jisim kritikal, jadi tindak balas berantai tidak boleh berlaku dalam satu rod. Ia bermula selepas rendaman dalam zon aktif semua rod uranium.

Zon aktif dikelilingi oleh lapisan bahan yang memantulkan neutron (pemantul) dan cangkang pelindung konkrit yang memerangkap neutron dan zarah lain.

Penyingkiran haba daripada sel bahan api. Penyejuk - air membasuh batang, dipanaskan hingga 300 ° C pada tekanan tinggi, memasuki penukar haba.

Peranan penukar haba - air yang dipanaskan hingga 300 ° C, mengeluarkan haba kepada air biasa, bertukar menjadi wap.

Kawalan tindak balas nuklear

Reaktor dikawal oleh rod yang mengandungi kadmium atau boron. Dengan rod dipanjangkan dari teras reaktor, K > 1, dan dengan rod ditarik balik sepenuhnya, K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Reaktor pada neutron perlahan.

Pembelahan nukleus uranium-235 yang paling cekap berlaku di bawah tindakan neutron perlahan. Reaktor sedemikian dipanggil reaktor neutron perlahan. Neutron sekunder yang dihasilkan dalam tindak balas pembelahan adalah pantas. Agar interaksi seterusnya dengan nukleus uranium-235 dalam tindak balas berantai menjadi paling berkesan, ia diperlahankan dengan memasukkan penyederhana ke dalam teras - bahan yang mengurangkan tenaga kinetik neutron.

Reaktor neutron pantas.

Reaktor neutron pantas tidak boleh beroperasi pada uranium semula jadi. Tindak balas hanya boleh dikekalkan dalam campuran diperkaya yang mengandungi sekurang-kurangnya 15% daripada isotop uranium. Kelebihan reaktor neutron pantas ialah operasinya menghasilkan sejumlah besar plutonium, yang kemudiannya boleh digunakan sebagai bahan api nuklear.

Reaktor homogen dan heterogen.

Reaktor nuklear, bergantung kepada susunan bahan api dan penyederhana bersama, dibahagikan kepada homogen dan heterogen. Dalam reaktor homogen, teras adalah jisim homogen bahan api, penyederhana dan penyejuk dalam bentuk larutan, campuran atau cair. Reaktor dipanggil heterogen, di mana bahan api dalam bentuk blok atau pemasangan bahan api diletakkan di dalam penyederhana, membentuk kekisi geometri biasa di dalamnya.

Menukarkan tenaga dalaman nukleus atom kepada tenaga elektrik.

Reaktor nuklear ialah elemen utama loji kuasa nuklear (NPP), yang menukar tenaga nuklear haba kepada tenaga elektrik. Penukaran tenaga berlaku mengikut skema berikut:

• tenaga dalaman nukleus uranium -
• tenaga kinetik neutron dan serpihan nukleus -
• tenaga dalaman air -
• wap tenaga dalaman -
• tenaga kinetik wap -
• tenaga kinetik pemutar turbin dan pemutar penjana -
• Tenaga Elektrik.

Penggunaan reaktor nuklear.

Bergantung pada tujuan, reaktor nuklear adalah kuasa, penukar dan penternak, penyelidikan dan pelbagai guna, pengangkutan dan perindustrian.

Reaktor kuasa nuklear digunakan untuk menjana elektrik di loji kuasa nuklear, loji kuasa kapal, gabungan haba dan loji kuasa nuklear, serta di stesen bekalan haba nuklear.

Reaktor yang direka untuk menghasilkan bahan api nuklear sekunder daripada uranium dan torium semula jadi dipanggil penukar atau penternak. Dalam reaktor-penukar bahan api nuklear sekunder terbentuk kurang daripada penggunaan asal.

Dalam reaktor pembiak baka, pembiakan bahan api nuklear yang diperluaskan dijalankan, i.e. ternyata lebih banyak daripada yang dibelanjakan.

Reaktor penyelidikan digunakan untuk mengkaji proses interaksi neutron dengan jirim, mengkaji kelakuan bahan reaktor dalam medan sengit neutron dan sinaran gamma, penyelidikan radiokimia dan biologi, pengeluaran isotop, penyelidikan eksperimen dalam fizik reaktor nuklear.

Reaktor mempunyai kuasa yang berbeza, mod operasi pegun atau berdenyut. Reaktor pelbagai guna ialah reaktor yang mempunyai pelbagai tujuan, seperti penjanaan kuasa dan pengeluaran bahan api nuklear.

Bencana alam sekitar di loji tenaga nuklear

• 1957 - kemalangan di UK
• 1966 - Keruntuhan teras separa selepas kegagalan penyejukan reaktor berhampiran Detroit.
• 1971 - Banyak air tercemar masuk ke sungai AS
• 1979 - kemalangan terbesar di Amerika Syarikat
• 1982 - pembebasan wap radioaktif ke atmosfera
• 1983 - kemalangan ngeri di Kanada (air radioaktif mengalir keluar selama 20 minit - satu tan seminit)
• 1986 - kemalangan di UK
• 1986 - kemalangan di Jerman
• 1986 - Loji kuasa nuklear Chernobyl
• 1988 - kebakaran di loji tenaga nuklear di Jepun

Loji kuasa nuklear moden dilengkapi dengan PC, dan lebih awal, walaupun selepas kemalangan, reaktor terus beroperasi, kerana tiada sistem penutupan automatik.

4. Membetulkan bahan.

1. Apakah reaktor nuklear?
2. Apakah bahan api nuklear dalam reaktor?
3. Apakah bahan yang berfungsi sebagai penyederhana neutron dalam reaktor nuklear?
4. Apakah tujuan penyederhana neutron?
5. Untuk apa rod kawalan? Bagaimana ia digunakan?
6. Apakah yang digunakan sebagai penyejuk dalam reaktor nuklear?
7. Mengapakah jisim setiap rod uranium perlu kurang daripada jisim kritikal?

5. Pelaksanaan ujian.

1. Apakah zarah yang terlibat dalam pembelahan nukleus uranium?
   A. proton;
   B. neutron;
   B. elektron;
   G. nukleus helium.
2. Apakah jisim uranium yang kritikal?
   A. yang terbesar di mana tindak balas berantai mungkin;
   B. sebarang jisim;
   V. yang paling kecil di mana tindak balas berantai mungkin;
   D. jisim di mana tindak balas akan berhenti.
3. Berapakah anggaran jisim kritikal uranium 235?
   A. 9 kg;
   B. 20 kg;
   B. 50 kg;
   G. 90 kg.
4. Antara bahan berikut, yang manakah boleh digunakan dalam reaktor nuklear sebagai penyederhana neutron?
   A. grafit;
   B. kadmium;
   B. air berat;
   G. bor.
5. Untuk tindak balas rantai nuklear berlaku di loji kuasa nuklear, faktor pendaraban neutron perlu ialah:
   A. bersamaan dengan 1;
   B. lebih daripada 1;
   V. kurang daripada 1.
6. Peraturan kadar pembelahan nukleus atom berat dalam reaktor nuklear dijalankan:
   A. disebabkan oleh penyerapan neutron apabila menurunkan rod dengan penyerap;
   B. disebabkan oleh peningkatan dalam penyingkiran haba dengan peningkatan dalam kelajuan penyejuk;
   B. dengan meningkatkan bekalan elektrik kepada pengguna;
   G. dengan mengurangkan jisim bahan api nuklear dalam teras apabila menanggalkan rod bahan api.
7. Apakah transformasi tenaga yang berlaku dalam reaktor nuklear?
   A. tenaga dalaman nukleus atom ditukar kepada tenaga cahaya;
   B. tenaga dalaman nukleus atom ditukar kepada tenaga mekanikal;
   B. tenaga dalaman nukleus atom ditukar kepada tenaga elektrik;
   G. tiada jawapan yang betul antara jawapan.
8. Pada tahun 1946, reaktor nuklear pertama dibina di Kesatuan Soviet. Siapakah ketua projek ini?
   A. S. Korolev;
   B. I. Kurchatov;
   V. D. Sakharov;
   G. A. Prokhorov.
9. Apakah cara yang anda anggap paling sesuai untuk meningkatkan kebolehpercayaan loji kuasa nuklear dan mencegah pencemaran persekitaran luaran?
   A. pembangunan reaktor yang mampu menyejukkan teras reaktor secara automatik, tanpa mengira kehendak pengendali;
   B. meningkatkan literasi operasi RFN, tahap latihan profesional pengendali RFN;
   B. pembangunan teknologi yang sangat cekap untuk merungkai loji tenaga nuklear dan memproses sisa radioaktif;
   D. lokasi reaktor jauh di bawah tanah;
   E. keengganan untuk membina dan mengendalikan loji tenaga nuklear.
10. Apakah sumber pencemaran alam sekitar yang dikaitkan dengan operasi loji tenaga nuklear?
    A. industri uranium;
    B. reaktor nuklear pelbagai jenis;
    B. industri radiokimia;
    D. tempat pemprosesan dan pelupusan sisa radioaktif;
    E. penggunaan radionuklid dalam ekonomi negara;
    E. letupan nuklear.

Jawapan: 1 B; 2 V; 3 V; 4 A, B; 5 A; 6 A; 7 V;. 8 B; 9 B. V; 10 A, B, C, D, F.

6. Hasil pelajaran.

Apakah perkara baharu yang anda pelajari semasa pelajaran hari ini?

Apakah yang anda suka tentang pelajaran itu?

Apakah soalan?

TERIMA KASIH ATAS KERJA ANDA DALAM PELAJARAN!

Reaktor nuklear, prinsip operasi, operasi reaktor nuklear.

Setiap hari kita menggunakan elektrik dan tidak memikirkan bagaimana ia dihasilkan dan bagaimana ia datang kepada kita. Namun begitu, ia adalah salah satu bahagian terpenting dalam tamadun moden. Tanpa elektrik, tiada apa-apa - tiada cahaya, tiada haba, tiada pergerakan.

Semua orang tahu bahawa elektrik dijana di loji kuasa, termasuk yang nuklear. Jantung setiap loji tenaga nuklear adalah reaktor nuklear. Itulah yang akan kita bincangkan dalam artikel ini.

reaktor nuklear, peranti di mana tindak balas rantai nuklear terkawal berlaku dengan pembebasan haba. Pada asasnya, peranti ini digunakan untuk menjana elektrik dan sebagai pemacu untuk kapal besar. Untuk membayangkan kuasa dan kecekapan reaktor nuklear, seseorang boleh memberi contoh. Di mana purata reaktor nuklear memerlukan 30 kilogram uranium, purata loji kuasa haba memerlukan 60 gerabak arang batu atau 40 tangki minyak bahan api.

prototaip reaktor nuklear telah dibina pada Disember 1942 di Amerika Syarikat di bawah arahan E. Fermi. Ia adalah apa yang dipanggil "timbunan Chicago". Chicago Pile (selepas itu perkataan"Pile" bersama-sama dengan makna lain mula menunjukkan reaktor nuklear). Nama ini diberikan kepadanya kerana fakta bahawa dia menyerupai timbunan besar blok grafit yang diletakkan di atas yang lain.

Di antara blok diletakkan sfera "badan kerja" uranium semulajadi dan dioksidanya.

Di USSR, reaktor pertama dibina di bawah pimpinan Academician IV Kurchatov. Reaktor F-1 telah mula beroperasi pada 25 Disember 1946. Reaktor itu dalam bentuk bola dan mempunyai diameter kira-kira 7.5 meter. Ia tidak mempunyai sistem penyejukan, jadi ia berfungsi pada tahap kuasa yang sangat rendah.

Penyelidikan diteruskan dan pada 27 Jun 1954, loji tenaga nuklear pertama di dunia dengan kapasiti 5 MW telah mula beroperasi di bandar Obninsk.

Prinsip operasi reaktor nuklear.

Semasa pereputan uranium U 235, haba dibebaskan, disertai dengan pembebasan dua atau tiga neutron. Mengikut statistik - 2.5. Neutron ini berlanggar dengan atom uranium lain U 235 . Dalam perlanggaran, uranium U 235 bertukar menjadi isotop U 236 yang tidak stabil, yang hampir serta-merta mereput menjadi Kr 92 dan Ba ​​141 + 2-3 neutron yang sama ini. Pereputan itu disertai dengan pembebasan tenaga dalam bentuk sinaran gamma dan haba.

Ini dipanggil tindak balas berantai. Atom membahagi, bilangan pereputan meningkat secara eksponen, yang akhirnya membawa kepada sepantas kilat, mengikut piawaian kami, pembebasan sejumlah besar tenaga - letupan atom berlaku, akibat tindak balas berantai yang tidak terkawal.

Walau bagaimanapun, dalam reaktor nuklear kita sedang berurusan tindak balas nuklear terkawal. Bagaimana ini menjadi mungkin diterangkan lebih lanjut.

Peranti reaktor nuklear.

Pada masa ini, terdapat dua jenis reaktor nuklear VVER (reaktor kuasa air tekanan) dan RBMK (reaktor saluran kuasa tinggi). Perbezaannya ialah RBMK adalah reaktor air mendidih, manakala VVER menggunakan air di bawah tekanan 120 atmosfera.

Reaktor VVER 1000. 1 - pemacu CPS; 2 - penutup reaktor; 3 - kapal reaktor; 4 - blok paip pelindung (BZT); 5 - lombong; 6 - penyekat teras; 7 - pemasangan bahan api (FA) dan rod kawalan;

Setiap reaktor nuklear jenis industri ialah dandang yang melaluinya bahan penyejuk mengalir. Sebagai peraturan, ini adalah air biasa (lebih kurang 75% di dunia), grafit cecair (20%) dan air berat (5%). Untuk tujuan eksperimen, berilium telah digunakan dan hidrokarbon diandaikan.

TVEL- (elemen bahan api). Ini adalah rod dalam cangkang zirkonium dengan pengaloian niobium, di dalamnya terdapat tablet uranium dioksida.

TVEL raktor RBMK. Peranti elemen bahan api reaktor RBMK: 1 - palam; 2 - tablet uranium dioksida; 3 - cangkang zirkonium; 4 - musim bunga; 5 - sesendal; 6 - tip.

TVEL juga termasuk sistem spring untuk memegang pelet bahan api pada tahap yang sama, yang memungkinkan untuk mengawal kedalaman rendaman/penyingkiran bahan api ke dalam teras dengan lebih tepat. Mereka dipasang ke dalam kaset heksagon, setiap satunya termasuk beberapa dozen rod bahan api. Bahan penyejuk mengalir melalui saluran dalam setiap kaset.

Unsur bahan api dalam kaset diserlahkan dengan warna hijau.

Pemasangan kaset bahan api.

Teras reaktor terdiri daripada beratus-ratus kaset, diletakkan secara menegak dan disatukan bersama oleh cangkerang logam - badan, yang juga memainkan peranan sebagai pemantul neutron. Antara kaset, rod kawalan dan rod perlindungan kecemasan reaktor dimasukkan secara berkala, yang, sekiranya berlaku terlalu panas, direka untuk menutup reaktor.

Mari kita berikan sebagai contoh data pada reaktor VVER-440:

Pengawal boleh bergerak ke atas dan ke bawah dengan tenggelam, atau sebaliknya, meninggalkan teras, di mana tindak balas adalah paling sengit. Ini disediakan oleh motor elektrik berkuasa, bersama-sama dengan sistem kawalan. Rod perlindungan kecemasan direka bentuk untuk menutup reaktor sekiranya berlaku kecemasan, jatuh ke dalam teras dan menyerap lebih banyak neutron bebas.

Setiap reaktor mempunyai penutup di mana kaset terpakai dan baru dimuatkan dan dipunggah.

Penebat haba biasanya dipasang di atas kapal reaktor. Halangan seterusnya ialah perlindungan biologi. Ini biasanya kubu konkrit bertetulang, pintu masuknya ditutup dengan kunci udara dengan pintu tertutup. Perlindungan biologi direka untuk tidak melepaskan wap radioaktif dan kepingan reaktor ke atmosfera, jika letupan berlaku.

Letupan nuklear dalam reaktor moden adalah sangat tidak mungkin. Kerana bahan api tidak diperkaya dengan secukupnya, dan dibahagikan kepada TVEL. Walaupun teras cair, bahan api tidak akan dapat bertindak balas dengan begitu aktif. Maksimum yang boleh berlaku ialah letupan terma, seperti di Chernobyl, apabila tekanan dalam reaktor mencapai nilai sedemikian sehingga bekas logam itu hanya terkoyak, dan penutup reaktor, seberat 5000 tan, membuat lompatan flip, menembusi. bumbung petak reaktor dan melepaskan wap keluar. Sekiranya loji janakuasa nuklear Chernobyl telah dilengkapi dengan perlindungan biologi yang betul, seperti sarkofagus hari ini, maka malapetaka itu akan mengurangkan kos manusia.

Kerja loji tenaga nuklear.

Secara ringkas, raboboa kelihatan seperti ini.

Loji kuasa nuklear. (boleh diklik)

Selepas memasuki teras reaktor dengan bantuan pam, air dipanaskan dari 250 hingga 300 darjah dan keluar dari "sebelah lain" reaktor. Ini dipanggil litar pertama. Kemudian ia pergi ke penukar haba, di mana ia bertemu dengan litar kedua. Selepas itu, wap di bawah tekanan memasuki bilah turbin. Turbin menjana tenaga elektrik.

: ... agak cetek, tetapi saya tidak pernah menemui maklumat dalam bentuk yang boleh dihadam - bagaimana reaktor nuklear MULA berfungsi. Segala-galanya tentang prinsip dan operasi peranti telah dikunyah dan difahami 300 kali, tetapi inilah cara bahan api diperolehi dan dari apa, dan mengapa ia tidak begitu berbahaya sehingga ia berada di dalam reaktor dan mengapa ia tidak bertindak balas sebelum digunakan. direndam dalam reaktor! - Lagipun, ia memanaskan hanya di dalam, namun, sebelum memuatkan rod bahan api sejuk dan semuanya baik-baik saja, jadi apa yang menyebabkan unsur-unsur menjadi panas tidak sepenuhnya jelas bagaimana ia terjejas, dan sebagainya, sebaiknya tidak secara saintifik).

Sudah tentu, sukar untuk mengatur topik sedemikian bukan "mengikut sains", tetapi saya akan cuba. Mari kita fahami terlebih dahulu apakah TVEL ini.

Bahan api nuklear ialah tablet hitam dengan diameter kira-kira 1 cm dan ketinggian kira-kira 1.5 cm. Ia mengandungi 2% uranium dioksida 235, dan 98% uranium 238, 236, 239. Dalam semua kes, dengan sebarang jumlah bahan api nuklear, a letupan nuklear tidak boleh berkembang , kerana untuk tindak balas pembelahan pantas seperti longsoran, ciri-ciri letupan nuklear, kepekatan uranium 235 lebih daripada 60% diperlukan.

Dua ratus pelet bahan api nuklear dimuatkan ke dalam tiub yang diperbuat daripada logam zirkonium. Panjang tiub ini ialah 3.5m. diameter 1.35 cm Tiub ini dipanggil TVEL - elemen bahan api. 36 TVEL dipasang ke dalam kaset (nama lain ialah "himpunan").

Peranti elemen bahan api reaktor RBMK: 1 - palam; 2 - tablet uranium dioksida; 3 - cangkang zirkonium; 4 - musim bunga; 5 - sesendal; 6 - tip.

Penjelmaan sesuatu bahan disertai dengan pembebasan tenaga bebas hanya jika bahan tersebut mempunyai simpanan tenaga. Yang terakhir ini bermakna bahawa zarah mikro bahan berada dalam keadaan dengan tenaga rehat lebih besar daripada keadaan lain yang mungkin, peralihan kepada yang wujud. Peralihan spontan sentiasa dihalang oleh penghalang tenaga, untuk mengatasi mana zarah mikro mesti menerima sejumlah tenaga dari luar - tenaga pengujaan. Reaksi eksoenergetik terdiri daripada fakta bahawa dalam transformasi berikutan pengujaan, lebih banyak tenaga dibebaskan daripada yang diperlukan untuk merangsang proses tersebut. Terdapat dua cara untuk mengatasi halangan tenaga: sama ada disebabkan oleh tenaga kinetik zarah yang berlanggar, atau disebabkan oleh tenaga pengikat zarah yang menyertai.

Jika kita mengingati skala makroskopik pelepasan tenaga, maka tenaga kinetik yang diperlukan untuk pengujaan tindak balas mesti mempunyai semua atau pada mulanya sekurang-kurangnya beberapa zarah bahan. Ini hanya boleh dicapai dengan meningkatkan suhu medium kepada nilai di mana tenaga gerakan haba menghampiri nilai ambang tenaga yang mengehadkan perjalanan proses. Dalam kes transformasi molekul, iaitu, tindak balas kimia, peningkatan sedemikian biasanya beratus-ratus darjah Kelvin, manakala dalam kes tindak balas nuklear ia adalah sekurang-kurangnya 107 K disebabkan oleh ketinggian yang sangat tinggi halangan Coulomb nukleus berlanggar. Pengujaan terma tindak balas nuklear telah dijalankan dalam amalan hanya dalam sintesis nukleus paling ringan, di mana halangan Coulomb adalah minimum (pelaburan termonuklear).

Pengujaan oleh zarah yang bercantum tidak memerlukan tenaga kinetik yang besar, dan, oleh itu, tidak bergantung pada suhu medium, kerana ia berlaku disebabkan oleh ikatan yang tidak digunakan yang wujud dalam zarah daya tarikan. Tetapi sebaliknya, zarah itu sendiri diperlukan untuk merangsang tindak balas. Dan jika sekali lagi kita tidak memikirkan tindak balas yang berasingan, tetapi pengeluaran tenaga pada skala makroskopik, maka ini hanya mungkin apabila tindak balas berantai berlaku. Yang terakhir timbul apabila zarah-zarah yang merangsang tindak balas muncul semula sebagai produk tindak balas eksoenergetik.

Untuk mengawal dan melindungi reaktor nuklear, rod kawalan digunakan yang boleh digerakkan sepanjang keseluruhan ketinggian teras. Batang dibuat daripada bahan yang menyerap neutron dengan kuat, seperti boron atau kadmium. Dengan pengenalan rod yang mendalam, tindak balas berantai menjadi mustahil, kerana neutron diserap dengan kuat dan dikeluarkan dari zon tindak balas.

Batang digerakkan dari jauh dari panel kawalan. Dengan pergerakan kecil rod, proses rantai sama ada akan berkembang atau mereput. Dengan cara ini, kuasa reaktor dikawal.

RFN Leningrad, reaktor RBMK

Permulaan reaktor:

Pada saat awal masa selepas pemuatan pertama dengan bahan api, tiada tindak balas rantai pembelahan dalam reaktor, reaktor berada dalam keadaan subkritikal. Suhu penyejuk jauh lebih rendah daripada suhu operasi.

Seperti yang telah kita sebutkan di sini, untuk memulakan tindak balas berantai, bahan pembelahan mesti membentuk jisim kritikal - jumlah bahan mudah pecah yang mencukupi dalam ruang yang cukup kecil, keadaan di mana bilangan neutron yang dibebaskan semasa pembelahan nuklear mesti lebih besar daripada bilangan neutron yang diserap. Ini boleh dilakukan dengan meningkatkan kandungan uranium-235 (bilangan unsur bahan api yang dimuatkan), atau dengan memperlahankan kelajuan neutron supaya mereka tidak terbang melepasi nukleus uranium-235.

Reaktor dikuasakan dalam beberapa peringkat. Dengan bantuan pengawal selia kereaktifan, reaktor dipindahkan ke keadaan superkritikal Kef>1 dan kuasa reaktor meningkat kepada tahap 1-2% daripada nominal. Pada peringkat ini, reaktor dipanaskan sehingga parameter operasi penyejuk, dan kadar pemanasan adalah terhad. Semasa proses memanaskan badan, kawalan mengekalkan kuasa pada tahap malar. Kemudian pam edaran dimulakan dan sistem penyingkiran haba dimasukkan ke dalam operasi. Selepas itu, kuasa reaktor boleh ditingkatkan ke mana-mana tahap dalam julat dari 2 hingga 100% kuasa undian.

Apabila reaktor dipanaskan, kereaktifan berubah disebabkan oleh perubahan suhu dan ketumpatan bahan teras. Kadang-kadang, semasa pemanasan, kedudukan bersama teras dan unsur kawalan yang memasuki teras atau meninggalkannya berubah, menyebabkan kesan kereaktifan jika tiada pergerakan aktif unsur kawalan.

Kawalan oleh unsur penyerap pepejal yang bergerak

Dalam kebanyakan kes, penyerap mudah alih pepejal digunakan untuk menukar kereaktifan dengan cepat. Dalam reaktor RBMK, rod kawalan mengandungi sesendal boron karbida yang disertakan dalam tiub aloi aluminium dengan diameter 50 atau 70 mm. Setiap rod kawalan diletakkan dalam saluran yang berasingan dan disejukkan dengan air dari litar CPS (sistem kawalan dan perlindungan) pada suhu purata 50 ° C. Mengikut tujuannya, rod dibahagikan kepada rod AZ (perlindungan kecemasan), dalam RBMK ada 24 batang sebegitu. Rod kawalan automatik - 12 keping, Rod kawalan automatik tempatan - 12 keping, rod kawalan manual -131, dan 32 rod penyerap dipendekkan (USP). Terdapat 211 batang kesemuanya. Lebih-lebih lagi, rod yang dipendekkan dimasukkan ke dalam AZ dari bawah, selebihnya dari atas.

Reaktor VVER 1000. 1 - pemacu CPS; 2 - penutup reaktor; 3 - kapal reaktor; 4 - blok paip pelindung (BZT); 5 - lombong; 6 - penyekat teras; 7 - pemasangan bahan api (FA) dan rod kawalan;

Elemen penyerap terbakar.

Racun yang boleh dibakar sering digunakan untuk mengimbangi kereaktifan berlebihan selepas bahan api segar telah dimuatkan. Prinsip operasinya ialah mereka, seperti bahan api, selepas penangkapan neutron, kemudiannya berhenti menyerap neutron (terbakar). Selain itu, kadar penurunan akibat daripada penyerapan neutron, nukleus penyerap, adalah kurang daripada atau sama dengan kadar kehilangan, akibat pembelahan, nukleus bahan api. Jika kita memuatkan ke dalam bahan api teras reaktor yang direka untuk operasi sepanjang tahun, maka adalah jelas bahawa bilangan nukleus bahan api fisil pada permulaan kerja akan lebih besar daripada pada akhir, dan kita mesti mengimbangi kereaktifan berlebihan dengan meletakkan penyerap. dalam inti. Jika rod kawalan digunakan untuk tujuan ini, maka kita mesti sentiasa menggerakkannya apabila bilangan nukleus bahan api berkurangan. Penggunaan racun yang boleh dibakar memungkinkan untuk mengurangkan penggunaan rod bergerak. Pada masa ini, racun yang boleh dibakar sering dimasukkan terus ke dalam pelet bahan api semasa pembuatannya.

Peraturan cecair kereaktifan.

Peraturan sedemikian digunakan, khususnya, semasa operasi reaktor jenis VVER, asid borik H3BO3 yang mengandungi neutron penyerap nukleus 10B dimasukkan ke dalam penyejuk. Dengan menukar kepekatan asid borik dalam laluan penyejuk, kami dengan itu mengubah kereaktifan dalam teras. Dalam tempoh awal operasi reaktor, apabila terdapat banyak nukleus bahan api, kepekatan asid adalah maksimum. Apabila bahan api terbakar, kepekatan asid berkurangan.

mekanisme tindak balas rantai

Reaktor nuklear boleh beroperasi pada kuasa tertentu untuk masa yang lama hanya jika ia mempunyai margin kereaktifan pada permulaan operasi. Pengecualian ialah reaktor subkritikal dengan sumber luar neutron haba. Pelepasan kereaktifan terikat apabila ia berkurangan disebabkan oleh sebab semula jadi memastikan keadaan kritikal reaktor dikekalkan pada setiap saat operasinya. Margin kereaktifan awal dicipta dengan membina teras dengan dimensi yang jauh lebih besar daripada yang kritikal. Untuk mengelakkan reaktor daripada menjadi superkritikal, k0 medium pembiakan dikurangkan secara buatan pada masa yang sama. Ini dicapai dengan memperkenalkan penyerap neutron ke dalam teras, yang kemudiannya boleh dikeluarkan dari teras. Seperti dalam unsur-unsur kawalan tindak balas rantai, bahan penyerap termasuk dalam bahan rod satu atau satu lagi keratan rentas, bergerak di sepanjang saluran yang sepadan dalam teras. Tetapi jika satu, dua atau beberapa rod mencukupi untuk peraturan, maka bilangan rod boleh mencapai ratusan untuk mengimbangi lebihan awal kereaktifan. Batang ini dipanggil pampasan. Rod pengawal selia dan pampasan tidak semestinya elemen struktur yang berbeza. Sebilangan rod pemampas boleh menjadi rod kawalan, tetapi fungsi kedua-duanya adalah berbeza. Rod kawalan direka untuk mengekalkan keadaan kritikal pada bila-bila masa, untuk berhenti, menghidupkan reaktor, beralih dari satu aras kuasa ke yang lain. Semua operasi ini memerlukan perubahan kecil dalam kereaktifan. Rod pemampas dikeluarkan secara beransur-ansur dari teras reaktor, memastikan keadaan kritikal sepanjang masa operasinya.

Kadangkala rod kawalan dibuat bukan daripada bahan penyerap, tetapi daripada bahan fisil atau serakan. Dalam reaktor haba, ini terutamanya penyerap neutron, manakala tiada penyerap neutron pantas yang berkesan. Penyerap seperti kadmium, hafnium dan lain-lain sangat menyerap hanya neutron terma kerana kedekatan resonans pertama dengan kawasan terma, dan di luar yang terakhir mereka tidak berbeza daripada bahan lain dalam sifat menyerapnya. Pengecualian adalah boron, yang keratan rentas penyerapan neutronnya berkurangan dengan tenaga jauh lebih perlahan daripada bahan yang ditunjukkan, mengikut undang-undang l / v. Oleh itu, boron menyerap neutron cepat, walaupun lemah, tetapi agak lebih baik daripada bahan lain. Hanya boron, jika boleh diperkaya dalam isotop 10B, boleh berfungsi sebagai bahan penyerap dalam reaktor neutron pantas. Selain boron, bahan fisil juga digunakan untuk rod kawalan dalam reaktor neutron pantas. Rod pemampas yang diperbuat daripada bahan boleh pecah menjalankan fungsi yang sama seperti rod penyerap neutron: ia meningkatkan kereaktifan reaktor dengan penurunan semula jadi. Walau bagaimanapun, tidak seperti penyerap, rod sedemikian terletak di luar teras pada permulaan operasi reaktor, dan kemudian ia dimasukkan ke dalam teras.

Daripada bahan penyerakan dalam reaktor cepat, nikel digunakan, yang mempunyai keratan rentas penyerakan untuk neutron cepat agak lebih besar daripada keratan rentas untuk bahan lain. Rod penyebar terletak di sepanjang pinggir teras dan rendamannya dalam saluran yang sepadan menyebabkan penurunan kebocoran neutron dari teras dan, akibatnya, peningkatan kereaktifan. Dalam beberapa kes khas, tujuan mengawal tindak balas berantai ialah bahagian bergerak pemantul neutron, yang, apabila bergerak, mengubah kebocoran neutron dari teras. Rod kawalan, pampasan dan kecemasan, bersama-sama dengan semua peralatan yang memastikan fungsi normalnya, membentuk sistem kawalan dan perlindungan reaktor (CPS).

Perlindungan kecemasan:

Perlindungan kecemasan reaktor nuklear - satu set peranti yang direka untuk menghentikan tindak balas rantai nuklear dengan cepat dalam teras reaktor.

Perlindungan kecemasan aktif secara automatik dicetuskan apabila salah satu parameter reaktor nuklear mencapai nilai yang boleh membawa kepada kemalangan. Parameter sedemikian boleh: suhu, tekanan dan kadar aliran penyejuk, tahap dan kadar peningkatan kuasa.

Elemen eksekutif perlindungan kecemasan adalah, dalam kebanyakan kes, rod dengan bahan yang menyerap neutron dengan baik (boron atau kadmium). Kadangkala penyapu cecair disuntik ke dalam gelung penyejuk untuk menutup reaktor.

Selain perlindungan aktif, banyak reka bentuk moden juga termasuk elemen perlindungan pasif. Sebagai contoh, versi moden reaktor VVER termasuk "Sistem Penyejukan Teras Kecemasan" (ECCS) - tangki khas dengan asid borik terletak di atas reaktor. Sekiranya berlaku kemalangan asas reka bentuk maksimum (pecah litar penyejukan utama reaktor), kandungan tangki ini adalah mengikut graviti di dalam teras reaktor dan tindak balas rantai nuklear dipadamkan oleh sejumlah besar bahan yang mengandungi boron. yang menyerap neutron dengan baik.

Menurut "Peraturan Keselamatan Nuklear untuk Pemasangan Reaktor Loji Kuasa Nuklear", sekurang-kurangnya satu daripada sistem penutupan reaktor yang disediakan mesti melaksanakan fungsi perlindungan kecemasan (EP). Perlindungan kecemasan mesti mempunyai sekurang-kurangnya dua kumpulan badan kerja bebas. Pada isyarat AZ, badan kerja AZ mesti digerakkan dari mana-mana kedudukan kerja atau pertengahan.

Peralatan AZ mesti terdiri daripada sekurang-kurangnya dua set bebas.

Setiap set peralatan AZ mesti direka bentuk sedemikian rupa sehingga, dalam julat ketumpatan fluks neutron berubah daripada 7% kepada 120% daripada nilai nominal, perlindungan disediakan untuk:

1. Mengikut ketumpatan fluks neutron - sekurang-kurangnya tiga saluran bebas;
2. Mengikut kadar peningkatan ketumpatan fluks neutron - oleh sekurang-kurangnya tiga saluran bebas.

Setiap set peralatan AZ mesti direka bentuk sedemikian rupa sehingga, dalam keseluruhan julat perubahan parameter proses yang ditetapkan dalam reka bentuk loji reaktor (RP), perlindungan kecemasan disediakan oleh sekurang-kurangnya tiga saluran bebas untuk setiap parameter proses yang perlindungannya dilindungi. perlu.

Arahan kawalan setiap set untuk penggerak AZ mesti dihantar melalui sekurang-kurangnya dua saluran. Apabila satu saluran dikeluarkan daripada operasi dalam salah satu set peralatan AZ tanpa set ini dikeluarkan daripada operasi, isyarat penggera harus dijana secara automatik untuk saluran ini.

Tersandung perlindungan kecemasan harus berlaku sekurang-kurangnya dalam kes berikut:

1. Apabila mencapai titik tetapan AZ dari segi ketumpatan fluks neutron.
2. Apabila mencapai titik set AZ dari segi kadar peningkatan ketumpatan fluks neutron.
3. Sekiranya berlaku kegagalan kuasa dalam mana-mana set peralatan AZ dan bas bekalan kuasa CPS yang belum dikeluarkan dari operasi.
4. Sekiranya berlaku kegagalan mana-mana dua daripada tiga saluran perlindungan dari segi ketumpatan fluks neutron atau dari segi kadar peningkatan fluks neutron dalam mana-mana set peralatan AZ yang belum dinyahaktifkan.
5. Apabila tetapan AZ dicapai oleh parameter teknologi, mengikut mana ia perlu untuk menjalankan perlindungan.
6. Apabila memulakan operasi AZ dari kekunci dari titik kawalan blok (BCR) atau titik kawalan sandaran (RCP).

Mungkin seseorang akan dapat menerangkan secara ringkas walaupun kurang saintifik bagaimana unit kuasa loji kuasa nuklear mula berfungsi? :-)

Ingat topik seperti Artikel asal ada di laman web InfoGlaz.rf Pautan ke artikel dari mana salinan ini dibuat -

I. Reka bentuk reaktor nuklear

Reaktor nuklear terdiri daripada lima elemen utama berikut:

1) bahan api nuklear;

2) penyederhana neutron;

3) sistem kawal selia;

4) sistem penyejukan;

5) skrin pelindung.

1. Bahan api nuklear.

Bahan api nuklear adalah sumber tenaga. Tiga jenis bahan fisil diketahui pada masa ini:

a) uranium 235, iaitu 0.7% dalam uranium asli, atau 1/140 bahagian;

6) plutonium 239, yang terbentuk dalam beberapa reaktor berdasarkan uranium 238, yang membentuk hampir keseluruhan jisim uranium semulajadi (99.3%, atau 139/140 bahagian).

Menangkap neutron, nukleus uranium 238 bertukar menjadi nukleus neptunium - unsur ke-93 sistem berkala Mendeleev; yang terakhir, seterusnya, bertukar menjadi nukleus plutonium - unsur ke-94 sistem berkala. Plutonium mudah diekstrak daripada uranium yang disinari dengan cara kimia dan boleh digunakan sebagai bahan api nuklear;

c) uranium 233, iaitu isotop tiruan uranium yang diperoleh daripada torium.

Tidak seperti uranium 235, yang terdapat dalam uranium semulajadi, plutonium 239 dan uranium 233 hanya dihasilkan secara buatan. Oleh itu, mereka dipanggil bahan api nuklear sekunder; uranium 238 dan torium 232 adalah sumber bahan api tersebut.

Oleh itu, antara semua jenis bahan api nuklear yang disenaraikan di atas, uranium adalah yang utama. Ini menjelaskan skop besar yang prospek dan penerokaan deposit uranium diambil di semua negara.

Tenaga yang dibebaskan dalam reaktor nuklear kadangkala dibandingkan dengan tenaga yang dikeluarkan dalam tindak balas pembakaran kimia. Walau bagaimanapun, terdapat perbezaan asas di antara mereka.

Jumlah haba yang diperolehi dalam proses pembelahan uranium adalah jauh lebih besar daripada jumlah haba yang diperoleh melalui pembakaran, contohnya, arang batu: 1 kg uranium 235, sama dengan isipadu sebungkus rokok, secara teorinya boleh memberikan tenaga sebanyak sebagai 2600 tan arang batu.

Walau bagaimanapun, kemungkinan tenaga ini tidak digunakan sepenuhnya, kerana tidak semua uranium-235 boleh diasingkan daripada uranium semulajadi. Akibatnya, 1 kg uranium, bergantung pada tahap pengayaannya dengan uranium 235, kini bersamaan dengan kira-kira 10 tan arang batu. Tetapi perlu diambil kira bahawa penggunaan bahan api nuklear memudahkan pengangkutan dan, akibatnya, dengan ketara mengurangkan kos bahan api. Pakar British telah mengira bahawa dengan memperkaya uranium mereka akan dapat meningkatkan haba yang diterima dalam reaktor sebanyak 10 kali ganda, yang akan menyamakan 1 tan uranium kepada 100,000 tan arang batu.

Perbezaan kedua antara proses pembelahan nuklear, yang diteruskan dengan pembebasan haba, dan pembakaran kimia ialah oksigen diperlukan untuk tindak balas pembakaran, manakala hanya beberapa neutron dan jisim tertentu bahan api nuklear, sama dengan jisim kritikal, takrifan yang kami takrifkan, diperlukan untuk memulakan tindak balas berantai. telah diberikan dalam bahagian mengenai bom atom.

Dan, akhirnya, proses pembelahan nuklear yang tidak kelihatan disertai dengan pelepasan sinaran yang sangat berbahaya, dari mana ia perlu untuk memberikan perlindungan.

2. Moderator neutron.

Untuk mengelakkan penyebaran produk pereputan dalam reaktor, bahan api nuklear mesti diletakkan di dalam cengkerang khas. Untuk pembuatan cengkerang sedemikian, aluminium boleh digunakan (suhu penyejuk tidak boleh melebihi 200 °), dan lebih baik lagi, berilium atau zirkonium - logam baru, penyediaannya dalam bentuk tulen dikaitkan dengan kesukaran yang besar.

Neutron yang terbentuk dalam proses pembelahan nuklear (secara purata 2-3 neutron semasa pembelahan satu nukleus unsur berat) mempunyai tenaga tertentu. Agar kebarangkalian pembelahan oleh neutron bagi nukleus lain menjadi yang paling besar, tanpanya tindak balas tidak akan dapat bertahan sendiri, neutron ini perlu kehilangan sebahagian daripada kelajuannya. Ini dicapai dengan meletakkan penyederhana dalam reaktor, di mana neutron pantas ditukar kepada neutron perlahan akibat daripada banyak perlanggaran berturut-turut. Oleh kerana bahan yang digunakan sebagai penyederhana mesti mempunyai nukleus dengan jisim lebih kurang sama dengan jisim neutron, iaitu nukleus unsur ringan, air berat digunakan sebagai penyederhana sejak awal lagi (D 2 0, di mana D ialah deuterium , yang menggantikan hidrogen ringan dalam air biasa H 2 0). Walau bagaimanapun, kini mereka cuba menggunakan lebih banyak grafit - ia lebih murah dan memberikan kesan yang hampir sama.

Satu tan air berat yang dibeli di Sweden berharga 70–80 juta franc. Pada Persidangan Geneva mengenai Penggunaan Tenaga Atom secara Aman, Amerika mengumumkan bahawa mereka tidak lama lagi akan dapat menjual air berat pada harga 22 juta franc setiap tan.

Satu tan grafit berharga 400,000 franc, dan satu tan berilium oksida berharga 20 juta franc.

Bahan yang digunakan sebagai penyederhana mestilah tulen untuk mengelakkan kehilangan neutron semasa ia melalui penyederhana. Pada akhir larian, neutron mempunyai kelajuan purata kira-kira 2200 m/s, manakala kelajuan awalnya adalah kira-kira 20 ribu km/s. Dalam reaktor, pembebasan haba berlaku secara beransur-ansur dan boleh dikawal, berbeza dengan bom atom, di mana ia berlaku serta-merta dan mengambil watak letupan.

Sesetengah jenis reaktor neutron pantas tidak memerlukan penyederhana.

3. Sistem kawal selia.

Seseorang sepatutnya boleh menyebabkan, mengawal selia dan menghentikan tindak balas nuklear sesuka hati. Ini dicapai dengan menggunakan rod kawalan yang diperbuat daripada keluli boron atau kadmium, bahan yang mempunyai keupayaan untuk menyerap neutron. Bergantung pada kedalaman di mana rod kawalan diturunkan ke dalam reaktor, bilangan neutron dalam teras bertambah atau berkurang, yang akhirnya memungkinkan untuk mengawal proses. Rod kawalan dikawal secara automatik oleh servomechanisms; sesetengah rod ini, sekiranya berlaku bahaya, boleh jatuh serta-merta ke dalam teras.

Pada mulanya, kebimbangan dinyatakan bahawa letupan reaktor akan menyebabkan kerosakan yang sama seperti letupan bom atom. Untuk membuktikan bahawa letupan reaktor hanya berlaku di bawah keadaan yang berbeza daripada yang biasa dan tidak menimbulkan bahaya serius kepada penduduk yang tinggal di sekitar loji nuklear, orang Amerika sengaja meletupkan satu reaktor yang dipanggil "mendidih". Sesungguhnya, terdapat satu letupan yang boleh kita sifatkan sebagai "klasik", iaitu, bukan nuklear; ini sekali lagi membuktikan bahawa reaktor nuklear boleh dibina berhampiran kawasan berpenduduk tanpa sebarang bahaya khusus kepada yang kedua.

4. Sistem penyejukan.

Dalam proses pembelahan nuklear, tenaga tertentu dibebaskan, yang dipindahkan ke produk pereputan dan neutron yang terhasil. Tenaga ini ditukarkan kepada tenaga haba akibat daripada perlanggaran banyak neutron, oleh itu, untuk mengelakkan kegagalan reaktor yang cepat, haba mesti dikeluarkan. Dalam reaktor yang direka untuk menghasilkan isotop radioaktif, haba ini tidak digunakan, manakala dalam reaktor yang direka untuk menghasilkan tenaga, ia menjadi, sebaliknya, produk utama. Penyejukan boleh dilakukan menggunakan gas atau air, yang beredar di dalam reaktor di bawah tekanan melalui tiub khas dan kemudian disejukkan dalam penukar haba. Haba yang dilepaskan boleh digunakan untuk memanaskan wap yang memutarkan turbin yang disambungkan kepada penjana; peranti sedemikian akan menjadi loji kuasa nuklear.

5. Skrin pelindung.

Untuk mengelakkan kesan berbahaya neutron yang boleh terbang keluar dari reaktor, dan untuk melindungi diri anda daripada sinaran gamma yang dipancarkan semasa tindak balas, perlindungan yang boleh dipercayai diperlukan. Para saintis telah mengira bahawa reaktor dengan kapasiti 100 ribu kW memancarkan sejumlah besar sinaran radioaktif yang akan diterima oleh seseorang yang terletak pada jarak 100 m darinya dalam masa 2 minit. dos maut. Untuk memastikan perlindungan kakitangan yang menservis reaktor, dinding dua meter dibina daripada konkrit khas dengan papak plumbum.

Reaktor pertama dibina pada Disember 1942 oleh Fermi Itali. Menjelang akhir tahun 1955, terdapat kira-kira 50 reaktor nuklear di dunia (AS -2 1, England - 4, Kanada - 2, Perancis - 2). Untuk ini perlu ditambah bahawa pada awal tahun 1956 kira-kira 50 lagi reaktor telah direka untuk tujuan penyelidikan dan perindustrian (AS - 23, Perancis - 4, England - 3, Kanada - 1).

Jenis-jenis reaktor ini sangat pelbagai, bermula daripada reaktor neutron perlahan dengan penyederhana grafit dan uranium asli sebagai bahan api kepada reaktor neutron cepat menggunakan uranium yang diperkaya dengan plutonium atau uranium 233 yang diperoleh secara buatan daripada torium sebagai bahan api.

Sebagai tambahan kepada dua jenis yang bertentangan ini, terdapat beberapa reaktor yang berbeza antara satu sama lain sama ada dalam komposisi bahan api nuklear, atau dalam jenis penyederhana, atau dalam penyejuk.

Adalah sangat penting untuk ambil perhatian bahawa, walaupun bahagian teori isu itu kini dikaji dengan baik oleh pakar di semua negara, dalam bidang praktikal, negara yang berbeza belum mencapai tahap yang sama. Amerika Syarikat dan Rusia mendahului negara lain. Ia boleh dikatakan bahawa masa depan tenaga atom akan bergantung terutamanya kepada kemajuan teknologi.