Structura reactorului nuclear și principiul de funcționare. Reactorul nuclear: istoricul creării și principiul de funcționare. Metal lichid și principiu de lucru

Când chimiștii germani Otto Hahn și Fritz Strassmann au reușit pentru prima dată să despartă un nucleu de uraniu folosind iradierea cu neutroni în 1938, nu s-au grăbit să informeze publicul despre amploarea descoperirii lor. Aceste experimente au pus bazele utilizării energiei atomice atât în ​​scopuri pașnice, cât și în scopuri militare.

Un produs secundar al bombei atomice

Otto Hahn, care a colaborat cu fizicianul austriac Lise Meitner înainte de moartea sa în 1938, era bine conștient de faptul că fisiunea nucleului de uraniu - o reacție în lanț de neoprit - însemna o bombă atomică. Statele Unite, dornice să treacă înaintea Germaniei în crearea de arme nucleare, au lansat Proiectul Manhattan, o întreprindere de o amploare fără precedent. Trei orașe au crescut în deșertul Nevada. 40.000 de oameni au lucrat aici în secret profund. Sub conducerea lui Robert Oppenheimer, „părintele bombei atomice”, aproximativ 40 de instituții de cercetare, laboratoare și fabrici au apărut în timp record. Pentru extragerea plutoniului, primul reactor nuclear a fost creat sub tribunele stadionului de fotbal al Universității din Chicago. Aici, sub conducerea lui Enrico Fermi, a fost lansată în 1942 prima reacție în lanț controlată și autosusținută. Nu s-a găsit încă o utilizare utilă pentru căldura rezultată.

Energia electrică dintr-o reacție nucleară

În 1954, prima centrală nucleară din lume a fost lansată în URSS. Era situat în Obninsk, la aproximativ 100 km de Moscova, și avea o capacitate de 5 MW. În 1956, primul reactor nuclear mare a început să funcționeze în orașul englez Calder Hall. Această centrală nucleară dispunea de răcire cu gaz, ceea ce asigura siguranța operațională relativă. Dar pe piața mondială au devenit mai răspândite reactoarele nucleare sub presiune, răcite cu apă, dezvoltate în SUA în 1957. Astfel de stații pot fi construite la costuri relativ mici, dar fiabilitatea lor lasă de dorit. La centrala nucleară ucraineană Cernobîl, topirea miezului reactorului a dus la o explozie cu eliberarea de substanțe radioactive în mediu. Dezastrul, care a dus la moartea și îmbolnăvirea gravă a mii de oameni, a dus la numeroase proteste împotriva utilizării energiei atomice, în special în Europa.

• 1896: Henri Bequerel a descoperit emisiile radioactive din uraniu.
• 1919 Ernest Rutherford a fost primul care a provocat artificial o reacție nucleară prin bombardarea atomilor de azot cu particule alfa, care s-au transformat în oxigen.
• 1932: James Chadwick a aruncat particule alfa asupra atomilor de beriliu și a descoperit neutronii.
• 19.38: Otto Hahn realizează pentru prima dată o reacție în lanț în laborator, împărțind un nucleu de uraniu cu neutroni.

În istoria creării reactoarelor nucleare pot fi urmărite trei etape. În prima etapă, au fost determinate condițiile necesare și suficiente pentru apariția unei reacții de fisiune nucleară în lanț auto-susținută. În a doua etapă, au fost stabilite toate efectele fizice care promovează și împiedică apariția unei reacții în lanț de fisiune nucleară autosusținută, de exemplu. accelerând și încetinind acest proces. Și, în final, au fost efectuate calcule cantitative privind proiectarea reactorului și procesele care au loc în acesta.

Crearea reactoarelor nucleare a fost o soluție la una dintre sarcinile integrale ale problemei atomice generale.

Primul reactor din lume, CP-1 (Chicago Physics), a fost proiectat și construit de E. Fermi în colaborare cu Anderson, Zinn, L. Woods și J. Weil și a fost amplasat în sala de tenis sub tribunele Universității din Chicago. stadiu. Reactorul a început să funcționeze pe 2 decembrie 1942, cu o putere de proiectare inițială de 0,5 W. Primul reactor cu uraniu SR-1 a fost încărcat cu 6 tone de uraniu metalic și o anumită cantitate (nu tocmai cunoscută) de oxid de uraniu din cauza lipsei de uraniu în forma sa pură.

Reactorul trebuia să aibă o formă sferică și era compus din straturi orizontale de bloc de grafit, care erau situate între straturi similare de blocuri alternante de grafit și uraniu, răcite de aer. Starea critică a reactorului, în care pierderea de neutroni a fost compensată prin producerea (crearea) acestora, a fost atinsă atunci când sfera a fost construită la trei sferturi din plină, în urma căreia reactorul nu a primit niciodată forma finală a unei sfere obișnuite. .

După 12 zile, puterea a fost crescută la 200 W și creșterea în continuare a puterii a fost considerată riscantă din cauza radiațiilor periculoase generate de instalație. Reactorul a fost mutat în afara orașului la Laboratorul Argonne, unde a fost reasamblat și echipat cu un scut de protecție.

Reactorul era controlat manual folosind tije de cadmiu care absorbeau excesul de neutroni și erau amplasate în canale speciale. În plus, au fost prevăzute două tije de urgență și o tijă de control automată.

Prima instalație pilot a făcut posibilă realizarea unui studiu experimental al procesului de producere a plutoniului, ceea ce a condus la concluzia că această metodă oferă o posibilitate reală de a-l produce în cantități suficiente pentru a crea o bombă atomică. În 1943, la Laboratorul Național Argonne, a fost construit exact același reactor SR-2 pentru cercetări experimentale (Fig. 17.1), dar cu o dimensiune critică în formă de cub, iar în 1944 a fost construit un alt reactor SR-3 ( Fig. 17.2 ), în care apa grea a servit drept moderator, ceea ce a făcut posibilă reducerea semnificativă a dimensiunii reactorului față de cele precedente.

Din cauza lipsei unui sistem de răcire, puterea maximă sigură a reactorului a fost de 200 W, dar pentru scurt timp puterea a putut fi mărită la 100 kW. Reactorul a folosit cinci tije de control lungi de 5,6 m realizate din bronz acoperit cu cadmiu. Trei dintre aceste tije erau tije de urgență, o tijă a servit pentru reglarea brută și alta pentru reglarea fină a fluxului de neutroni și a puterii reactorului.

La sfârșitul anului 1945, la Moscova, pe teritoriul Laboratorului nr. 2 al Academiei de Științe URSS, a început construcția unei clădiri pentru reactorul fizic F-1, iar la începutul anului 1946, proiectarea primului au început reactorul industrial și uzina de plutoniu asociată din Chelyabinsk-40. În decembrie 1946, la reactorul de cercetare F-1 uraniu-grafit sub conducerea lui I.V. Kurchatov a fost primul din Europa care a efectuat o reacție în lanț autosusținută. Lansarea reactorului F-1, care încă servește științei, a făcut posibilă măsurarea constantelor nucleare necesare, selectarea designului optim al primului reactor industrial și studierea problemelor de reglementare și siguranță la radiații.

Istoria fizicii secolului al XX-lea a inclus și primul reactor nuclear din Europa, creat în URSS și testat personal de I.V. Kurchatov în decembrie 1946. Puterea sa a ajuns deja la 4000 kW, ceea ce a făcut posibilă crearea de reactoare industriale pe baza experienței acumulate. Reactorul în sine a fost amplasat într-o groapă de beton, în fundul căreia au fost așezate opt straturi de bare de grafit. Deasupra lor au fost așezate straturi cu găuri-prize, în care au fost introduse blocuri de uraniu. De asemenea, au fost realizate trei canale pentru tijele de cadmiu, care asigură controlul reacției și oprirea ei de urgență, și o serie de canale orizontale de diferite forme și dimensiuni pentru echipamente de măsurare și în scopuri experimentale. Numărul total de straturi de bare de grafit a fost de șaizeci și două.

În 1947, acest reactor a reușit să producă primele doze de plutoniu, care nu se găsește în natură, care, la fel ca uraniul, este un combustibil nuclear, și în cantități suficiente pentru a studia caracteristicile fizice de bază ale nucleului său. Primul reactor industrial din URSS pentru producerea de plutoniu a fost lansat de Kurchatov în iunie 1948.

La mijlocul anilor '40 ai secolului XX, Laboratorul Științific Los Alamos (SUA) a fost însărcinat să creeze un reactor rapid experimental cu combustibil plutoniu, care să demonstreze posibilitatea producerii de energie electrică. Acest reactor, numit Clementine, avea un volum central de 2,5 litri de plutoniu metalic și a fost răcit cu mercur. Asamblarea reactorului a început în 1946, criticitatea a fost atinsă în noiembrie 1946. Pornirea a avut loc în martie 1949. Reactorul a funcționat la o putere de 25 kW (th).

Ca parte a Proiectului Manhattan (un plan secret de creare a unei bombe americane), toate lucrările de separare a izotopilor de uraniu au fost încredințate laboratorului faimosului fizician american E. Lawrence. În raportul său către guvernul SUA din iulie 1941, Lawrence a scris: „S-a deschis o nouă oportunitate extrem de importantă pentru exploatarea reacției în lanț cu izotopi neseparați [ai uraniului]. Probabil, dacă s-ar putea realiza o reacție în lanț, aceasta ar putea fi efectuată... într-o perioadă de timp special pentru a produce elementul cu numărul atomic 94 [plutoniu]... Dacă ar fi disponibile cantități mari din acest element... probabil că ar fi posibil să se realizeze o reacție în lanț folosind neutroni rapizi. Într-o astfel de reacție, energia ar fi eliberată cu o viteză explozivă, iar sistemul corespunzător ar putea fi caracterizat... ca o „superbombă”.

Reactorul Clementine a fost primul reactor cu neutroni rapidi și, de asemenea, primul care a folosit plutoniu-239 ca combustibil. Zona activă sub formă de cilindru cu o înălțime de 15 cm și un diametru de 15 cm a constat din tije de combustibil verticale într-o carcasă de oțel. Desigur, nu a existat niciun moderator. Uraniul metalic și oțelul au servit drept reflector. Lichidul de răcire cu mercur avea o secțiune transversală neglijabilă pentru captarea neutronilor lenți. Reactorul era controlat de tije care eliminau o parte din uraniu din reflector, deoarece borul sau cadmiul folosit în reactoarele termice nu este potrivit pentru reactoarele rapide.

La Laboratorul Național Argonne (SUA), independent de studiile descrise, s-a lucrat pentru a crea un reactor experimental de generare rapidă de neutroni EBR-1. Scopul principal al acestui proiect a fost testarea conceptului de centrală nucleară cu un reactor de reproducere rapidă ca unitate de putere. Construcția reactorului a început în 1951, iar criticitatea a fost atinsă în august 1951. În decembrie 1951, curent electric a fost generat pentru prima dată folosind energia nucleară cu o putere a reactorului de 200 kW (e). Elementele combustibile ale reactorului erau tuburi din oțel inoxidabil care conțineau uraniu metal foarte îmbogățit, miezul a fost răcit prin pomparea unui aliaj de sodiu și potasiu prin el (Fig. 17.3). Reflectorul a constat din două părți: mai multe tije de uraniu metalic natural care înconjoară miezul și mai multe blocuri în formă de pană din același material. Reactorul a fost controlat prin introducerea de tije metalice de uraniu în și în afara reflectorului extern.

Reactorul a generat simultan energia eliberată în timpul fisiunii sub influența neutronilor rapizi și a reprodus materialul fisionabil. Strict vorbind, un reactor de reproducere trebuie să utilizeze același material fisionabil pe care îl produce, de exemplu plutoniu-239 în reactoare cu uraniu-238 ca materie primă pentru producerea de material combustibil secundar (plutoniu). Cu toate acestea, uraniul-235 este acum folosit ca material fisionabil în multe reactoare cu neutroni rapidi. În reactoarele cu neutroni rapidi, lichidul de răcire nu trebuie să conțină elemente cu un număr de masă scăzut, deoarece acestea vor încetini neutronii. Îndepărtarea intensivă a căldurii dintr-un miez mic necesită un lichid de răcire cu proprietăți excepțional de ridicate de îndepărtare a căldurii.

O singură substanță - sodiul lichid - îndeplinește aceste condiții.

Analiza materialelor combustibile ale reflectorului reactorului EBR-1 după funcționarea sa de ceva timp a arătat că factorul de reproducere atins, i.e. raportul dintre cantitatea de plutoniu-239 produsă și cantitatea de uraniu-235 consumată este puțin mai mare de 100%. Deoarece condițiile din reactor nu erau ideale, s-a considerat că reproducerea plutoniului-239 ar trebui să fie practic profitabilă. Acest lucru a fost confirmat în Marea Britanie prin experimente pe un reactor cu neutroni rapidi de foarte mică putere (2 W), în care plutoniul-239 a servit drept combustibil. S-a constatat că pentru fiecare nucleu de plutoniu care se divide, aproximativ două au fost nou formate. Astfel, câștigul în timpul reproducerii este destul de semnificativ. În cele din urmă, astfel de reactoare ar trebui să joace un rol major în programul de dezvoltare a energiei nucleare.

Ce este un reactor nuclear?

Un reactor nuclear, cunoscut anterior ca „cazan nuclear” este un dispozitiv folosit pentru a iniția și controla o reacție nucleară susținută în lanț. Reactoarele nucleare sunt folosite în centralele nucleare pentru a produce energie electrică și pentru propulsia navelor. Căldura din fisiunea nucleară este transferată unui fluid de lucru (apă sau gaz) care trece prin turbinele cu abur. Apa sau gazul pune în mișcare palele navei sau rotesc generatoarele electrice. Aburul generat ca urmare a unei reacții nucleare poate fi utilizat, în principiu, pentru industria termică sau pentru termoficare. Unele reactoare sunt folosite pentru a produce izotopi folosiți în scopuri medicale și industriale sau pentru a produce plutoniu pentru arme. Unele dintre ele sunt doar în scop de cercetare. Astăzi există aproximativ 450 de reactoare nucleare folosite pentru a genera electricitate în aproximativ 30 de țări din întreaga lume.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear

Așa cum centralele electrice convenționale generează energie electrică folosind energia termică eliberată din arderea combustibililor fosili, reactoarele nucleare transformă energia eliberată prin fisiunea nucleară controlată în energie termică pentru o conversie ulterioară în forme mecanice sau electrice.

Procesul de fisiune nucleară

Când un număr semnificativ de nuclee atomice în descompunere (cum ar fi uraniul-235 sau plutoniul-239) absorb un neutron, poate avea loc fisiunea nucleară. Un nucleu greu se descompune în două sau mai multe nuclee ușoare (produși de fisiune), eliberând energie cinetică, radiații gamma și neutroni liberi. Unii dintre acești neutroni pot fi absorbiți ulterior de alți atomi fisionali și pot provoca o fisiune ulterioară, care eliberează și mai mulți neutroni și așa mai departe. Acest proces este cunoscut sub numele de reacție nucleară în lanț.

Pentru a controla o astfel de reacție nucleară în lanț, absorbanții de neutroni și moderatorii pot schimba proporția de neutroni care intră în fisiunea mai multor nuclee. Reactoarele nucleare sunt controlate manual sau automat pentru a putea opri reacția de descompunere atunci când sunt detectate situații periculoase.

Regulatoarele de flux de neutroni utilizate în mod obișnuit sunt apa obișnuită („ușoară”) (74,8% din reactoarele din lume), grafitul solid (20% din reactoare) și apa „grea” (5% din reactoare). În unele tipuri experimentale de reactoare se propune utilizarea beriliului și a hidrocarburilor.

Degajare de căldură într-un reactor nuclear

Zona de lucru a reactorului generează căldură în mai multe moduri:

• Energia cinetică a produselor de fisiune este transformată în energie termică atunci când nucleele se ciocnesc cu atomii vecini.
• Reactorul absoarbe o parte din radiația gamma generată în timpul fisiunii și își transformă energia în căldură.
• Căldura este generată de dezintegrarea radioactivă a produselor de fisiune și a acelor materiale expuse în timpul absorbției neutronilor. Această sursă de căldură va rămâne neschimbată o perioadă de timp, chiar și după ce reactorul este oprit.

În timpul reacțiilor nucleare, un kilogram de uraniu-235 (U-235) eliberează de aproximativ trei milioane de ori mai multă energie decât un kilogram de cărbune ars convențional (7,2 × 1013 jouli pe kilogram de uraniu-235 comparativ cu 2,4 × 107 jouli pe kilogram de cărbune) ,

Sistem de răcire a reactorului nuclear

Lichidul de răcire al unui reactor nuclear - de obicei apă, dar uneori gaz, metal lichid (cum ar fi sodiul lichid) sau sare topită - circulă în jurul miezului reactorului pentru a absorbi căldura generată. Căldura este îndepărtată din reactor și apoi folosită pentru a genera abur. Majoritatea reactoarelor folosesc un sistem de răcire care este izolat fizic de apa care fierbe și generează aburul folosit pentru turbine, ca un reactor cu apă sub presiune. Cu toate acestea, în unele reactoare, apa pentru turbinele cu abur fierbe direct în miezul reactorului; de exemplu, într-un reactor de tip apă sub presiune.

Monitorizarea fluxului de neutroni în reactor

Puterea de ieșire a reactorului este reglată prin controlul numărului de neutroni capabili să provoace mai multe fisiuni.

Tijele de control, care sunt făcute din „otravă cu neutroni”, sunt folosite pentru a absorbi neutronii. Cu cât sunt absorbiți mai mulți neutroni de tija de control, cu atât mai puțini neutroni pot provoca fisiune ulterioară. Astfel, scufundarea tijelor de absorbție adânc în reactor reduce puterea de ieșire a acestuia și, invers, scoaterea tijei de control o va crește.

La primul nivel de control în toate reactoarele nucleare, procesul de emisie întârziată de neutroni dintr-un număr de izotopi de fisiune îmbogățiți cu neutroni este un proces fizic important. Acești neutroni întârziați reprezintă aproximativ 0,65% din numărul total de neutroni produși în timpul fisiunii, iar restul (așa-numiții „neutroni rapizi”) sunt produși imediat în timpul fisiunii. Produșii de fisiune care formează neutronii întârziați au timpi de înjumătățire cuprins între milisecunde și câteva minute și, prin urmare, este nevoie de timp considerabil pentru a determina cu precizie când reactorul atinge punctul critic. Menținerea reactorului în modul de reactivitate în lanț, în care neutronii întârziați sunt necesari pentru a atinge masa critică, se realizează folosind dispozitive mecanice sau control uman pentru a controla reacția în lanț în „timp real”; în caz contrar, timpul dintre atingerea criticității și topirea miezului reactorului nuclear ca urmare a creșterii exponențiale de tensiune în timpul unei reacții nucleare normale în lanț va fi prea scurt pentru a interveni. Această etapă finală, în care neutronii întârziați nu mai sunt necesari pentru a menține criticitatea, este cunoscută sub numele de criticitate promptă a neutronilor. Există o scară pentru descrierea criticității în formă numerică, în care criticitatea inițială este desemnată ca „zero dolari”, criticitatea rapidă ca „un dolar”, alte puncte ale procesului sunt interpolate în „cenți”.

În unele reactoare, lichidul de răcire acționează și ca un moderator de neutroni. Moderatorul crește puterea reactorului determinând ca neutronii rapizi care sunt eliberați în timpul fisiunii să piardă energie și să devină neutroni termici. Neutronii termici sunt mai probabil decât neutronii rapizi să provoace fisiune. Dacă lichidul de răcire este, de asemenea, un moderator de neutroni, atunci schimbările de temperatură pot afecta densitatea lichidului de răcire/moderatorului și, prin urmare, modificarea puterii reactorului. Cu cât temperatura lichidului de răcire este mai mare, cu atât va fi mai puțin dens și, prin urmare, retarderul este mai puțin eficient.

În alte tipuri de reactoare, lichidul de răcire acționează ca o „otrăvire cu neutroni”, absorbind neutronii în același mod ca tijele de control. În aceste reactoare, puterea de ieșire poate fi crescută prin încălzirea lichidului de răcire, făcându-l mai puțin dens. Reactoarele nucleare au de obicei sisteme automate și manuale pentru oprirea reactorului pentru oprirea de urgență. Aceste sisteme plasează cantități mari de „otrăvire cu neutroni” (adesea bor sub formă de acid boric) în reactor pentru a opri procesul de fisiune dacă sunt detectate sau suspectate condiții periculoase.

Cele mai multe tipuri de reactoare sunt sensibile la un proces cunoscut sub numele de „groapă cu xenon” sau „groapă de iod”. Produsul de degradare xenon-135 pe scară largă, rezultat în urma reacției de fisiune, joacă rolul unui absorbant de neutroni care tinde să închidă reactorul. Acumularea de xenon-135 poate fi controlată prin menținerea unui nivel de putere suficient de mare pentru a-l distruge prin absorbția neutronilor la fel de repede pe măsură ce este produs. Fisiunea are ca rezultat, de asemenea, formarea de iod-135, care la rândul său se descompune (cu un timp de înjumătățire de 6,57 ore) pentru a forma xenon-135. Când reactorul este oprit, iodul-135 continuă să se descompună pentru a forma xenon-135, ceea ce face repornirea reactorului mai dificilă într-o zi sau două, deoarece xenonul-135 se descompune pentru a forma cesiu-135, care nu este un absorbant de neutroni precum xenonul. -135.135, cu un timp de înjumătățire de 9,2 ore. Această stare temporară este o „gaură de iod”. Dacă reactorul are suficientă putere suplimentară, acesta poate fi repornit. Mai mult xenon-135 se transformă în xenon-136, care este mai puțin un absorbant de neutroni, iar în câteva ore reactorul experimentează ceea ce se numește „etapă de ardere a xenonului”. În plus, tijele de control trebuie introduse în reactor pentru a compensa absorbția neutronilor pentru a înlocui xenonul-135 pierdut. Nerespectarea corectă a unei astfel de proceduri a fost o cauză cheie a accidentului de la Cernobîl.

Reactoarele utilizate în centralele nucleare de la bordul navelor (în special submarinele nucleare) nu pot fi deseori funcționate continuu pentru a produce energie în același mod ca și reactoarele de putere de pe uscat. În plus, astfel de centrale electrice trebuie să aibă o perioadă lungă de funcționare fără schimbarea combustibilului. Din acest motiv, multe modele folosesc uraniu foarte îmbogățit, dar conțin un absorbant de neutroni care se poate arde în barele de combustibil. Acest lucru face posibilă proiectarea unui reactor cu un exces de material fisionabil, care este relativ sigur la începutul arderii ciclului de combustibil al reactorului datorită prezenței materialului absorbant de neutroni, care este ulterior înlocuit cu o durată lungă de viață convențională. absorbanți de neutroni (mai durabili decât xenonul-135), care se acumulează treptat pe durata de funcționare a combustibilului.

Cum se produce electricitatea?

Energia generată în timpul fisiunii generează căldură, dintre care o parte poate fi transformată în energie utilă. O metodă comună de utilizare a acestei energii termice este folosirea acesteia pentru a fierbe apa și a produce abur sub presiune, care, la rândul său, antrenează o turbină cu abur, care transformă un alternator și produce energie electrică.

Istoria primelor reactoare

Neutronii au fost descoperiți în 1932. Schema de reacție în lanț declanșată de reacțiile nucleare ca urmare a expunerii la neutroni a fost implementată pentru prima dată de omul de știință ungur Leo Sillard în 1933. A cerut un brevet pentru ideea lui simplă de reactor în timpul următorului an de muncă la Amiraalitatea din Londra. Cu toate acestea, ideea lui Szilard nu includea teoria fisiunii nucleare ca sursă de neutroni, deoarece acest proces nu fusese încă descoperit. Ideile lui Szilard pentru reactoare nucleare care utilizează reacții nucleare în lanț mediate de neutroni în elemente ușoare s-au dovedit imposibil de fezabil.

Impulsul creării unui nou tip de reactor folosind uraniu a fost descoperirea de către Lise Meitner, Fritz Strassmann și Otto Hahn în 1938, care au „bombardat” uraniul cu neutroni (folosind reacția de descompunere alfa a beriliului, un „tun cu neutroni”) pentru a produce bariu, despre care credeau că a apărut din degradarea nucleelor ​​de uraniu. Cercetările ulterioare de la începutul anului 1939 (Szilard și Fermi) au arătat că unii neutroni au fost produși și în timpul fisiunii atomului, făcând posibilă reacția nucleară în lanț pe care Szilard o preconizase cu șase ani mai devreme.

La 2 august 1939, Albert Einstein a semnat o scrisoare scrisă de Szilard către președintele Franklin D. Roosevelt, în care se afirma că descoperirea fisiunii uraniului ar putea duce la crearea de „bombe extrem de puternice de un nou tip”. Acest lucru a dat impuls studiului reactoarelor și al dezintegrarii radioactive. Szilard și Einstein se cunoșteau bine și au lucrat împreună de mulți ani, dar Einstein nu se gândise niciodată la această posibilitate pentru energie nucleară până când Szilard l-a informat la începutul încercării sale de a scrie o scrisoare lui Einstein-Szilard pentru a avertiza guvernul SUA,

La scurt timp după aceea, în 1939, Germania lui Hitler a atacat Polonia, declanșând al Doilea Război Mondial în Europa. SUA nu erau încă în război oficial, dar în octombrie, când a fost trimisă scrisoarea Einstein-Szilard, Roosevelt a remarcat că scopul studiului a fost să se asigure că „naziștii nu ne aruncă în aer”. Proiectul nuclear american a început, deși cu o oarecare întârziere, pentru că a rămas scepticism (în special din partea Fermi) și din cauza numărului mic de oficiali guvernamentali care au supravegheat inițial proiectul.

În anul următor, guvernul SUA a primit Memorandumul Frisch-Peierls din Marea Britanie, care afirma că cantitatea de uraniu necesară pentru realizarea reacției în lanț a fost mult mai mică decât se credea anterior. Memorandumul a fost creat cu participarea Comitetului Maud, care a lucrat la proiectul bombei atomice din Marea Britanie, cunoscut mai târziu sub numele de cod „Aliajele tubulare” și ulterior inclus în Proiectul Manhattan.

În cele din urmă, primul reactor nuclear creat de om, numit Chicago Woodpile 1, a fost construit la Universitatea din Chicago de o echipă condusă de Enrico Fermi la sfârșitul anului 1942. Până atunci, programul atomic al SUA fusese deja accelerat din cauza intrării în țară. în război. Chicago Woodpile a atins punctul critic pe 2 decembrie 1942, la 3:25 p.m. Cadrul reactorului era din lemn, ținând împreună un teanc de blocuri de grafit (de unde și numele) cu „brichete” sau „pseudo-sfere” de oxid de uraniu natural.

Începând din 1943, la scurt timp după crearea Chicago Woodpile, armata americană a dezvoltat o serie de reactoare nucleare pentru Proiectul Manhattan. Scopul principal al celor mai mari reactoare (situate la complexul Hanford din statul Washington) a fost producerea în masă a plutoniului pentru arme nucleare. Fermi și Szilard au depus o cerere de brevet pentru reactoare la 19 decembrie 1944. Acordarea acesteia a fost amânată cu 10 ani din cauza secretului de război.

„Prima lume” este inscripția de pe locul reactorului EBR-I, care acum este un muzeu lângă Arco, Idaho. Numit inițial Chicago Woodpile 4, acest reactor a fost creat sub conducerea lui Walter Sinn pentru Laboratorul Național Aregon. Acest reactor experimental de reproducere rapidă a fost operat de Comisia pentru Energie Atomică din SUA. Reactorul a produs 0,8 kW de putere când a fost testat pe 20 decembrie 1951 și 100 kW de putere (electrică) a doua zi, având o capacitate de proiectare de 200 kW (putere electrică).

Pe lângă utilizarea militară a reactoarelor nucleare, au existat motive politice pentru a continua cercetările în domeniul energiei atomice în scopuri pașnice. Președintele SUA Dwight Eisenhower a ținut celebrul său discurs „Atomi pentru pace” la Adunarea Generală a ONU, pe 8 decembrie 1953. Această mișcare diplomatică a dus la răspândirea tehnologiei reactoarelor atât în ​​SUA, cât și în întreaga lume.

Prima centrală nucleară construită în scopuri civile a fost centrala nucleară AM-1 din Obninsk, lansată la 27 iunie 1954 în Uniunea Sovietică. A produs aproximativ 5 MW de energie electrică.

După al Doilea Război Mondial, armata americană a căutat alte aplicații pentru tehnologia reactoarelor nucleare. Cercetările efectuate de Armată și Forțele Aeriene nu au fost implementate; Cu toate acestea, Marina SUA a obținut succes prin lansarea submarinului nuclear USS Nautilus (SSN-571) pe 17 ianuarie 1955.

Prima centrală nucleară comercială (Calder Hall din Sellafield, Anglia) a fost deschisă în 1956 cu o capacitate inițială de 50 MW (mai târziu 200 MW).

Primul reactor nuclear portabil, Alco PM-2A, a fost folosit pentru a genera energie electrică (2 MW) pentru baza militară americană Camp Century în 1960.

Componentele principale ale unei centrale nucleare

Principalele componente ale majorității tipurilor de centrale nucleare sunt:

Elementele reactoarelor nucleare

• Combustibil nuclear (miez de reactor nuclear; moderator de neutroni)
• Sursa originală de neutroni
• Absorbant de neutroni
• Pistolul cu neutroni (oferă o sursă constantă de neutroni pentru a reiniția reacția după oprire)
• Sistem de răcire (de multe ori moderatorul de neutroni și lichidul de răcire sunt același lucru, de obicei apă purificată)
• Tije de control
• Vasul reactorului nuclear (NRP)

Pompa de alimentare cu apa cazanului

• Generatoare de abur (nu în reactoare nucleare cu apă clocotită)
• Turbină cu abur
• Generator de electricitate
• Condensator
• Turn de răcire (nu este întotdeauna necesar)
• Sistem de tratare a deșeurilor radioactive (parte a stației de eliminare a deșeurilor radioactive)
• Locul de reîncărcare a combustibilului nuclear
• Piscină cu combustibil uzat

Sistem de protecție împotriva radiațiilor

• Sistemul de protecție a rectorului (RPS)
• Generatoare diesel de urgență
• Sistem de răcire a miezului reactorului de urgență (ECCS)
• Sistem de control al lichidului de urgență (injecție de bor de urgență, numai în reactoare nucleare cu apă clocotită)
• Sistem de alimentare cu apă de proces a consumatorilor responsabili (SOTVOP)

Înveliș de protecție

• Telecomandă
• Instalare de urgență
• Complex de antrenament nuclear (de regulă, există un panou de control imitație)

Clasificarea reactoarelor nucleare

Tipuri de reactoare nucleare

Reactoarele nucleare sunt clasificate în mai multe moduri; Un rezumat al acestor metode de clasificare este prezentat mai jos.

Clasificarea reactoarelor nucleare după tipul de moderator

Reactoarele termice utilizate:

• Reactoare de grafit
  
• Reactoare cu apă sub presiune
• Reactoare cu apă grea(utilizat în Canada, India, Argentina, China, Pakistan, România și Coreea de Sud).
• Reactoare cu apă ușoară(LVR). Reactoarele cu apă ușoară (cel mai comun tip de reactor termic) folosesc apă obișnuită pentru a controla și răci reactoarele. Dacă temperatura apei crește, densitatea acesteia scade, încetinind fluxul de neutroni suficient pentru a provoca reacții în lanț ulterioare. Acest feedback negativ stabilizează viteza reacției nucleare. Reactoarele cu grafit și cu apă grea tind să se încălzească mai intens decât reactoarele cu apă ușoară. Datorită încălzirii suplimentare, astfel de reactoare pot folosi uraniu natural/combustibil neîmbogățit.
• Reactoare bazate pe moderatori cu elemente ușoare.
• Reactoare moderate cu sare topită(MSR) sunt determinate de prezența elementelor ușoare, cum ar fi litiu sau beriliu, care se găsesc în sărurile matricei lichidului de răcire/combustibil LiF și BEF2.
• Reactoare cu răcitoare din metal lichid, unde lichidul de răcire este un amestec de plumb și bismut, poate folosi oxidul de BeO ca absorbant de neutroni.
• Reactoare bazate pe moderator organic(OMR) utilizează bifenil și terfenil ca moderator și componente de răcire.

Clasificarea reactoarelor nucleare după tipul de lichid de răcire

• Reactor răcit cu apă. Există 104 reactoare în funcțiune în Statele Unite. 69 dintre acestea sunt reactoare cu apă sub presiune (PWR) și 35 sunt reactoare cu apă fierbinte (BWR). Reactoarele nucleare cu apă sub presiune (PWR) reprezintă marea majoritate a tuturor centralelor nucleare occidentale. Principala caracteristică a tipului RVD este prezența unui compresor, un vas special de înaltă presiune. Majoritatea reactoarelor comerciale RVD și a instalațiilor de reactoare navale folosesc supraalimentatoare. În timpul funcționării normale, suflanta este parțial umplută cu apă, iar deasupra ei se menține o bulă de abur, care este creată prin încălzirea apei cu încălzitoare de imersie. În modul normal, supraalimentatorul este conectat la vasul reactorului de înaltă presiune (HRVV), iar compensatorul de presiune asigură prezența unei cavități în cazul modificării volumului de apă din reactor. Această schemă asigură, de asemenea, controlul presiunii din reactor prin creșterea sau scăderea presiunii aburului în compensator folosind încălzitoare.

• Reactoare cu apă grea de înaltă presiune aparțin unui tip de reactor cu apă sub presiune (PWR), care combină principiile utilizării presiunii, a unui ciclu termic izolat, presupunând utilizarea apei grele ca agent de răcire și moderator, ceea ce este benefic din punct de vedere economic.
• Reactorul cu apă clocotită(BWR). Modelele de reactoare cu apă clocotită sunt caracterizate prin prezența apei clocotite în jurul barelor de combustibil din partea de jos a vasului reactorului principal. Reactorul cu apă clocotită folosește ca combustibil 235U îmbogățit, sub formă de dioxid de uraniu. Combustibilul este asamblat în tije plasate într-un vas de oțel, care la rândul său este scufundat în apă. Procesul de fisiune nucleară face ca apa să fiarbă și să se formeze abur. Acest abur trece prin conducte în turbine. Turbinele sunt antrenate de abur, iar acest proces generează energie electrică. În timpul funcționării normale, presiunea este controlată de cantitatea de vapori de apă care curge din vasul sub presiune al reactorului în turbină.
• Reactor de tip bazin
• Reactor răcit cu metal lichid. Deoarece apa este un moderator de neutroni, nu poate fi folosită ca lichid de răcire într-un reactor cu neutroni rapid. Lichizi de răcire cu metale includ sodiu, NaK, plumb, eutectic plumb-bismut, iar pentru reactoarele din generația anterioară, mercur.
• Reactor cu neutroni rapid răcit cu sodiu.
• Reactor rapid cu neutroni cu lichid de răcire cu plumb.
• Reactoare răcite cu gaz răcit prin gaz inert circulant, conceput de heliu în structuri cu temperatură ridicată. În același timp, dioxidul de carbon a fost folosit anterior la centralele nucleare britanice și franceze. S-a folosit și azot. Utilizarea căldurii depinde de tipul de reactor. Unele reactoare sunt atât de fierbinți încât gazul poate conduce direct o turbină cu gaz. Proiectele mai vechi de reactoare implicau de obicei trecerea gazului printr-un schimbător de căldură pentru a crea abur pentru o turbină cu abur.
• Reactoare cu sare topită(MSR) sunt răcite prin circularea sării topite (de obicei amestecuri eutectice de săruri de fluorură, cum ar fi FLiBe). Într-un MSR tipic, lichidul de răcire este, de asemenea, utilizat ca o matrice în care materialul fisionabil este dizolvat.

Generații de reactoare nucleare

• Reactorul de prima generatie(prototipuri timpurii, reactoare de cercetare, reactoare de putere necomerciale)
• Reactorul de a doua generație(cele mai moderne centrale nucleare 1965-1996)
• Reactorul de a treia generație(îmbunătățiri evolutive ale modelelor existente din 1996 până în prezent)
• Reactorul de generația a patra(tehnologii încă în curs de dezvoltare, dată de începere necunoscută, posibil 2030)

În 2003, Comisariatul Francez pentru Energie Atomică (CEA) a introdus denumirea „Gen II” pentru prima dată în timpul Săptămânii Nucleonice.

Prima mențiune despre „Gen. III” în 2000 a fost făcută în legătură cu începerea Forumului Internațional Generația a IV-a (GIF).

„Gen IV” a fost menționat în 2000 de Departamentul de Energie al Statelor Unite (DOE) pentru dezvoltarea de noi tipuri de centrale electrice.

Clasificarea reactoarelor nucleare după tipul de combustibil

• Reactorul cu combustibil solid
• Reactorul cu combustibil lichid
• Reactor omogen răcit cu apă
• Reactorul cu sare topită
• Reactoare alimentate cu gaz (teoretic)

Clasificarea reactoarelor nucleare după scop

• Generare de energie electrică
• Centrale nucleare, inclusiv reactoare cu clustere mici
• Dispozitive autopropulsate (vezi centrale nucleare)
• Instalații nucleare offshore
• Diferite tipuri de motoare rachete oferite
• Alte forme de utilizare a căldurii
• Desalinizare
• Generare de căldură pentru încălzire casnică și industrială
• Producția de hidrogen pentru utilizare în energia hidrogenului
• Reactoare de producție pentru conversia elementelor
• Reactoare de reproducere capabile să producă mai mult material fisionabil decât consumă în timpul unei reacții în lanț (prin conversia izotopilor părinte U-238 în Pu-239 sau Th-232 în U-233). Astfel, după finalizarea unui ciclu, reactorul generator de uraniu poate fi reumplut cu uraniu natural sau chiar sărăcit. La rândul său, reactorul generator de toriu poate fi reumplut cu toriu. Cu toate acestea, este necesară o aprovizionare inițială cu material fisionabil.
• Crearea diverșilor izotopi radioactivi, cum ar fi americiu pentru utilizare în detectoare de fum și cobalt-60, molibden-99 și alții, utilizați ca indicatori și pentru tratament.
• Producția de materiale pentru arme nucleare, cum ar fi plutoniu pentru arme
• Crearea unei surse de radiații neutronice (de exemplu, reactorul cu puls Lady Godiva) și radiații cu pozitroni (de exemplu, analiza activării neutronilor și datarea potasiu-argon)
• Reactor de cercetare: Reactoarele sunt utilizate de obicei pentru cercetare științifică și predare, testarea materialelor sau producerea de radioizotopi pentru medicină și industrie. Sunt mult mai mici decât reactoarele de putere sau reactoarele de nave. Multe dintre aceste reactoare sunt situate în campusurile universitare. Există aproximativ 280 de astfel de reactoare care funcționează în 56 de țări. Unele lucrează cu combustibil de uraniu foarte îmbogățit. Eforturile internaționale sunt în desfășurare pentru a înlocui combustibilii slab îmbogățiți.

Reactoarele nucleare moderne

Aceste reactoare folosesc un vas de înaltă presiune pentru a ține combustibil nuclear, tije de control, moderator și lichid de răcire. Răcirea reactoarelor și moderarea neutronilor au loc cu apă lichidă sub presiune ridicată. Apa fierbinte radioactivă care părăsește vasul de înaltă presiune trece printr-un circuit generator de abur, care, la rândul său, încălzește circuitul secundar (neradioactiv). Aceste reactoare constituie majoritatea reactoarelor moderne. Acesta este un dispozitiv cu structură de încălzire a unui reactor cu neutroni, dintre care cele mai noi sunt VVER-1200, Reactorul Avansat de Apă Presurizată și Reactorul European de Apă Presurizată. Reactoarele US Navy sunt de acest tip.

Reactoarele cu apă fierbinte sunt similare cu reactoarele cu apă sub presiune fără generator de abur. Reactoarele cu apă fierbinte folosesc și apa ca agent de răcire și moderator de neutroni ca reactoare cu apă sub presiune, dar la o presiune mai mică, permițând apei să fiarbă în interiorul unui cazan, creând abur care transformă turbinele. Spre deosebire de un reactor cu apă sub presiune, nu există circuit primar sau secundar. Capacitatea de încălzire a acestor reactoare poate fi mai mare și pot fi mai simple în design și chiar mai stabile și sigure. Acesta este un reactor cu neutroni termici, dintre care cele mai noi sunt Reactorul Avansat cu Apă Fierbintă și Reactorul Nuclear Economic Simplificat cu Apă Fiertă.

Un design canadian (cunoscut sub numele de CANDU), acestea sunt reactoare de răcire sub presiune, moderate cu apă grea. În loc să se folosească un singur vas sub presiune, ca în reactoarele cu apă sub presiune, combustibilul este conținut în sute de pasaje de înaltă presiune. Aceste reactoare funcționează cu uraniu natural și sunt reactoare cu neutroni termici. Reactoarele cu apă grea pot fi alimentate în timp ce funcționează la putere maximă, făcându-le foarte eficiente în utilizarea uraniului (acest lucru permite controlul precis al fluxului din miez). Reactoarele de apă grea CANDU au fost construite în Canada, Argentina, China, India, Pakistan, România și Coreea de Sud. India operează, de asemenea, o serie de reactoare cu apă grea, denumite adesea „derivate CANDU”, construite după ce guvernul canadian și-a încheiat relația nucleară cu India în urma testului de arme nucleare Smiling Buddha din 1974.

O dezvoltare sovietică, menită să producă plutoniu, precum și electricitate. RBMK-urile folosesc apa ca lichid de răcire și grafitul ca moderator de neutroni. RBMK-urile sunt similare cu CANDU-urile în unele privințe, deoarece pot fi reîncărcate în timpul funcționării și folosesc tuburi sub presiune în locul unui vas de înaltă presiune (ca în reactoarele cu apă presurizată). Cu toate acestea, spre deosebire de CANDU, acestea sunt foarte instabile și voluminoase, ceea ce face ca hota reactorului să fie scumpă. Un număr de defecte critice de siguranță au fost, de asemenea, identificate în proiectele RBMK, deși unele dintre aceste defecte au fost corectate după dezastrul de la Cernobîl. Caracteristica lor principală este utilizarea apei ușoare și a uraniului neîmbogățit. Începând cu 2010, 11 reactoare rămân deschise, în mare parte datorită nivelurilor îmbunătățite de siguranță și a sprijinului din partea organizațiilor internaționale de siguranță, cum ar fi Departamentul de Energie al SUA. În ciuda acestor îmbunătățiri, reactoarele RBMK sunt încă considerate unul dintre cele mai periculoase modele de reactoare de utilizat. Reactoarele RBMK au fost folosite doar în fosta Uniune Sovietică.

De obicei, folosesc un moderator de neutroni din grafit și lichid de răcire cu CO2. Datorită temperaturilor lor ridicate de funcționare, pot fi mai eficienți la producerea de căldură decât reactoarele cu apă sub presiune. Există o serie de reactoare care funcționează cu acest design, în principal în Regatul Unit, unde a fost dezvoltat conceptul. Construcțiile mai vechi (adică stația Magnox) fie sunt închise, fie vor fi închise în viitorul apropiat. Cu toate acestea, reactoarele îmbunătățite răcite cu gaz au o durată de funcționare estimată de încă 10 până la 20 de ani. Reactoarele de acest tip sunt reactoare cu neutroni termici. Costurile monetare ale dezafectării unor astfel de reactoare pot fi mari din cauza volumului mare al miezului.

Acest reactor este conceput pentru a fi răcit cu metal lichid, fără moderator, și produce mai mult combustibil decât consumă. Se spune că sunt „producători” de combustibil, deoarece produc combustibil fisionabil prin captarea neutronilor. Astfel de reactoare pot funcționa la fel ca reactoarele cu apă presurizată din punct de vedere al eficienței, dar necesită compensarea presiunii crescute deoarece folosesc metal lichid care nu creează exces de presiune chiar și la temperaturi foarte ridicate. BN-350 și BN-600 în URSS și Superphoenix în Franța au fost reactoare de acest tip, la fel ca și Fermi-I în Statele Unite. Reactorul Monju din Japonia, avariat de o scurgere de sodiu în 1995, și-a reluat funcționarea în mai 2010. Toate aceste reactoare folosesc/au folosit sodiu lichid. Aceste reactoare sunt reactoare cu neutroni rapidi și nu aparțin reactoarelor cu neutroni termici. Aceste reactoare sunt de două tipuri:

Utilizarea plumbului ca metal lichid oferă o protecție excelentă împotriva radiațiilor radioactive și permite funcționarea la temperaturi foarte ridicate. În plus, plumbul este (în cea mai mare parte) transparent pentru neutroni, astfel încât mai puțini neutroni sunt pierduți în lichidul de răcire și lichidul de răcire nu devine radioactiv. Spre deosebire de sodiu, plumbul este în general inert, deci există mai puțin risc de explozie sau accident, dar cantități atât de mari de plumb pot cauza probleme din perspectiva toxicității și a eliminării deșeurilor. Amestecuri eutectice plumb-bismut pot fi adesea folosite în acest tip de reactor. În acest caz, bismutul va prezenta puțină interferență cu radiația, deoarece nu este complet transparent pentru neutroni și se poate muta într-un izotop diferit mai ușor decât plumbul. Submarinul rusesc din clasa Alpha folosește ca sistem principal de generare a energiei un reactor rapid răcit cu plumb-bismut.

Majoritatea reactoarelor de generare a metalelor lichide (LMFBR) sunt de acest tip. Sodiul este relativ ușor de obținut și ușor de lucrat și ajută la prevenirea coroziunii diferitelor părți ale reactorului scufundat în el. Cu toate acestea, sodiul reacționează violent la contactul cu apa, așa că trebuie avut grijă, deși astfel de explozii nu vor fi cu mult mai puternice decât, de exemplu, scurgerile de lichid supraîncălzit dintr-un reactor SCWR sau RWD. EBR-I este primul reactor de acest tip în care miezul constă dintr-o topitură.

Ei folosesc combustibil presat în bile ceramice în care gazul circulă prin bile. Rezultatul sunt reactoare eficiente, nepretențioase, foarte sigure, cu combustibil ieftin, standardizat. Prototipul a fost reactorul AVR.

În ele, combustibilul este dizolvat în săruri de fluor sau fluorurile sunt folosite ca lichid de răcire. Sistemele lor diverse de siguranță, eficiență ridicată și densitate mare de energie sunt potrivite pentru vehicule. În special, nu au piese de înaltă presiune sau componente inflamabile în miez. Prototipul a fost reactorul MSRE, care a folosit și un ciclu de combustibil cu toriu. Ca reactor de generare, reprocesează combustibilul uzat, extragând atât uraniu, cât și elemente transuranice, lăsând doar 0,1% din deșeurile transuraniu, comparativ cu reactoarele convenționale cu apă ușoară cu uraniu, aflate în prezent în funcțiune. O problemă separată o reprezintă produsele de fisiune radioactivă, care nu sunt reprocesate și trebuie eliminate în reactoare convenționale.

Aceste reactoare folosesc combustibil sub formă de săruri solubile, care sunt dizolvate în apă și amestecate cu un lichid de răcire și un moderator de neutroni.

Sisteme și proiecte nucleare inovatoare

Reactoare avansate

Peste o duzină de proiecte avansate de reactoare se află în diferite stadii de dezvoltare. Unele au evoluat de la proiectele de reactoare RWD, BWR și PHWR, unele diferă mai semnificativ. Primele includ reactorul avansat de apă fierbinte (ABWR) (dintre care două funcționează în prezent, iar altele în construcție), precum și reactorul de apă fierbinte simplificat economic (ESBWR) și centralele AP1000 (vezi Programul de energie nucleară 2010).

Reactor nuclear cu neutroni rapidi integrat(IFR) a fost construit, testat și testat în anii 1980, iar apoi s-a retras după ce Administrația Clinton și-a părăsit mandatul în anii 1990 din cauza politicilor de neproliferare nucleară. Reprocesarea combustibilului nuclear uzat este inclusă în proiectarea sa și, prin urmare, produce doar o parte din deșeurile din reactoarele în funcțiune.

Reactor modular răcit cu gaz la temperatură înaltă reactor (HTGCR), este proiectat astfel încât temperaturile ridicate reduc puterea de ieșire din cauza lărgirii Doppler a secțiunii transversale a fasciculului de neutroni. Reactorul folosește un tip de combustibil ceramic, astfel încât temperaturile sale de funcționare în siguranță depășesc intervalul de temperatură de reducere a puterii. Majoritatea structurilor sunt răcite cu heliu inert. Heliul nu poate provoca o explozie din cauza expansiunii vaporilor, nu este un absorbant de neutroni care ar provoca radioactivitate și nu dizolvă contaminanții care ar putea fi radioactivi. Modelele tipice constau din mai multe straturi de protecție pasivă (până la 7) decât în ​​reactoarele cu apă ușoară (de obicei 3). O caracteristică unică care poate asigura siguranță este că bilele de combustibil formează de fapt miezul și sunt înlocuite una câte una în timp. Caracteristicile de design ale pilelor de combustibil le fac să fie reciclate costisitoare.

Mic, închis, mobil, reactor autonom (SSTAR) a fost testat și dezvoltat inițial în SUA. Reactorul a fost proiectat ca un reactor cu neutroni rapid, cu un sistem de protecție pasivă care ar putea fi oprit de la distanță dacă se suspectează probleme.

Curat și prietenos cu mediul reactor avansat (CAESAR) este un concept pentru un reactor nuclear care folosește abur ca moderator de neutroni - un design încă în dezvoltare.

Reactorul redus cu apă moderată se bazează pe reactorul îmbunătățit cu apă fierbinte (ABWR) aflat în funcțiune în prezent. Nu este un reactor cu neutroni complet rapid, dar folosește în principal neutroni epitermici, care au viteze intermediare între termice și rapide.

Modul de energie nucleară cu autoreglare cu moderator de neutroni de hidrogen (HPM) este un tip de reactor de proiectare produs de Laboratorul Național Los Alamos care utilizează hidrură de uraniu drept combustibil.

Reactoarele nucleare subcritice sunt destinate să fie mai sigure și mai stabile, dar sunt complexe din punct de vedere ingineresc și economic. Un exemplu este Energy Booster.

Reactoare pe bază de toriu. Este posibil să se transforme toriu-232 în U-233 în reactoare proiectate special pentru acest scop. În acest fel, toriul, care este de patru ori mai abundent decât uraniul, poate fi folosit pentru a produce combustibil nuclear pe bază de U-233. Se crede că U-233 are proprietăți nucleare favorabile în comparație cu U-235 utilizat în mod convențional, în special o eficiență mai bună a neutronilor și o reducere a cantității de deșeuri transuraniu cu viață lungă produse.

Reactorul de apă grea îmbunătățit (AHWR)- un reactor de apă grea propus care va reprezenta dezvoltarea următoarei generații de tip PHWR. În curs de dezvoltare la Bhabha Nuclear Research Center (BARC), India.

KAMINI- un reactor unic care utilizează izotopul de uraniu-233 drept combustibil. Construit în India la Centrul de Cercetare BARC și Centrul Indira Gandhi pentru Cercetare Nucleară (IGCAR).

India intenționează, de asemenea, să construiască reactoare rapide folosind ciclul combustibilului toriu-uraniu-233. FBTR (Fast Breeder Reactor) (Kalpakkam, India) folosește plutoniu drept combustibil și sodiu lichid ca lichid de răcire în timpul funcționării.

Ce sunt reactoarele de generația a patra?

A patra generație de reactoare este o colecție de diferite proiecte teoretice care sunt luate în considerare în prezent. Este puțin probabil ca aceste proiecte să fie finalizate până în 2030. Reactoarele actuale în funcțiune sunt în general considerate sisteme de a doua sau a treia generație. Sistemele de prima generație nu au fost folosite de ceva timp. Dezvoltarea acestei a patra generații de reactoare a fost lansată oficial la Forumul Internațional Generația IV (GIF) pe baza a opt obiective tehnologice. Principalele obiective au fost îmbunătățirea siguranței nucleare, creșterea rezistenței la proliferare, reducerea la minimum a deșeurilor și a utilizării resurselor naturale și reducerea costurilor de construire și exploatare a unor astfel de centrale.

• Reactor cu neutroni rapid răcit cu gaz
• Reactor rapid cu răcitor cu plumb
• Reactor cu sare lichidă
• Reactor rapid răcit cu sodiu
• Reactor nuclear supercritic răcit cu apă
• Reactor nuclear de temperatură ultra-înaltă

Ce sunt reactoarele de generația a cincea?

A cincea generație de reactoare sunt proiecte a căror implementare este posibilă din punct de vedere teoretic, dar care nu fac obiectul unei analize și cercetări active în prezent. Deși astfel de reactoare pot fi construite în prezent sau pe termen scurt, ele au atras puțin interes din motive de fezabilitate economică, practicitate sau siguranță.

• Reactor în fază lichidă. Un circuit închis cu lichid în miezul unui reactor nuclear, în care materialul fisionabil este sub formă de uraniu topit sau o soluție de uraniu răcită de un gaz de lucru injectat în orificiile de la baza vasului de reținere.
• Reactorul în fază gazoasă în miez. O opțiune cu ciclu închis pentru o rachetă cu propulsie nucleară, în care materialul fisionabil este gaz hexafluorură de uraniu situat într-un container de cuarț. Gazul de lucru (cum ar fi hidrogenul) va curge în jurul acestui vas și va absorbi radiația ultravioletă rezultată din reacția nucleară. Un astfel de design ar putea fi folosit ca motor de rachetă, așa cum se menționează în romanul științifico-fantastic al lui Harry Harrison din 1976 Skyfall. În teorie, utilizarea hexafluorurii de uraniu ca combustibil nuclear (mai degrabă decât ca intermediar, așa cum se face în prezent) ar duce la costuri mai mici de generare a energiei și, de asemenea, ar reduce semnificativ dimensiunea reactoarelor. În practică, un reactor care funcționează la astfel de densități mari de putere ar produce un flux necontrolat de neutroni, slăbind proprietățile de rezistență ale multor materiale din reactor. Astfel, debitul ar fi similar cu fluxul de particule eliberate în instalațiile termonucleare. La rândul său, acest lucru ar necesita utilizarea de materiale similare cu materialele utilizate în cadrul Proiectului internațional pentru implementarea unei instalații de iradiere a materialelor în condiții de reacție termonucleară.
• Reactor electromagnetic în fază gazoasă. La fel ca un reactor în fază gazoasă, dar cu celule fotovoltaice care transformă lumina ultravioletă direct în electricitate.
• Reactorul de fragmentare
• Fuziune nucleară hibridă. Sunt utilizați neutronii emiși în timpul fuziunii și descompunerii originalei sau „substanței în zona de reproducere”. De exemplu, transmutarea U-238, Th-232 sau a combustibilului uzat/deșeurilor radioactive dintr-un alt reactor în izotopi relativ benini.

Reactorul cu o fază gazoasă în miez. O opțiune cu ciclu închis pentru o rachetă cu propulsie nucleară, în care materialul fisionabil este gaz hexafluorură de uraniu situat într-un container de cuarț. Gazul de lucru (cum ar fi hidrogenul) va curge în jurul acestui vas și va absorbi radiația ultravioletă rezultată din reacția nucleară. Un astfel de design ar putea fi folosit ca motor de rachetă, așa cum se menționează în romanul științifico-fantastic al lui Harry Harrison din 1976 Skyfall. În teorie, utilizarea hexafluorurii de uraniu ca combustibil nuclear (mai degrabă decât ca intermediar, așa cum se face în prezent) ar duce la costuri mai mici de generare a energiei și, de asemenea, ar reduce semnificativ dimensiunea reactoarelor. În practică, un reactor care funcționează la astfel de densități mari de putere ar produce un flux necontrolat de neutroni, slăbind proprietățile de rezistență ale multor materiale din reactor. Astfel, debitul ar fi similar cu fluxul de particule eliberate în instalațiile termonucleare. La rândul său, acest lucru ar necesita utilizarea de materiale similare cu materialele utilizate în cadrul Proiectului internațional pentru implementarea unei instalații de iradiere a materialelor în condiții de reacție termonucleară.

Reactor electromagnetic în fază gazoasă. La fel ca un reactor în fază gazoasă, dar cu celule fotovoltaice care transformă lumina ultravioletă direct în electricitate.

Reactorul de fragmentare

Fuziune nucleară hibridă. Sunt utilizați neutronii emiși în timpul fuziunii și descompunerii originalei sau „substanței în zona de reproducere”. De exemplu, transmutarea U-238, Th-232 sau a combustibilului uzat/deșeurilor radioactive dintr-un alt reactor în izotopi relativ benini.

Reactoare de fuziune

Fuziunea nucleară controlată poate fi utilizată în centralele de fuziune pentru a produce energie electrică fără complicațiile asociate cu lucrul cu actinide. Cu toate acestea, rămân obstacole științifice și tehnologice semnificative. Au fost construite mai multe reactoare de fuziune, dar abia recent reactoarele au reușit să elibereze mai multă energie decât consumă. Deși cercetările au început în anii 1950, este de așteptat ca un reactor comercial de fuziune să nu funcționeze până în 2050. În prezent, se fac eforturi pentru valorificarea energiei de fuziune în cadrul proiectului ITER.

Ciclul combustibilului nuclear

Reactoarele termice depind în general de gradul de purificare și îmbogățire a uraniului. Unele reactoare nucleare pot fi alimentate cu un amestec de plutoniu și uraniu (vezi combustibil MOX). Procesul prin care minereul de uraniu este extras, procesat, îmbogățit, utilizat, eventual reciclat și eliminat este cunoscut sub numele de ciclul combustibilului nuclear.

Până la 1% din uraniu din natură este izotopul ușor fisionabil U-235. Astfel, proiectarea majorității reactoarelor implică utilizarea combustibilului îmbogățit. Îmbogățirea implică creșterea proporției de U-235 și se realizează de obicei prin difuzie gazoasă sau într-o centrifugă cu gaz. Produsul îmbogățit este transformat în continuare în pulbere de dioxid de uraniu, care este presat și ars în granule. Aceste granule sunt plasate în tuburi, care sunt apoi sigilate. Aceste tuburi se numesc bare de combustibil. Fiecare reactor nuclear folosește multe dintre aceste bare de combustibil.

Majoritatea reactoarelor comerciale BWR și PWR folosesc uraniu îmbogățit la aproximativ 4% U-235. În plus, unele reactoare industriale cu economii mari de neutroni nu necesită deloc combustibil îmbogățit (adică pot folosi uraniu natural). Potrivit Agenției Internaționale pentru Energie Atomică, în lume există cel puțin 100 de reactoare de cercetare care folosesc combustibil foarte îmbogățit (grad pentru arme/imbogățire cu uraniu 90%). Riscul de furt al acestui tip de combustibil (posibil pentru utilizare în producția de arme nucleare) a condus la o campanie care cere trecerea la reactoare care utilizează uraniu slab îmbogățit (care reprezintă o amenințare mai mică de proliferare).

În procesul de transformare nucleară se utilizează U-235 fisionabil și U-238 nefisil, fisionabil. U-235 este fisionat de neutroni termici (adică, cu mișcare lentă). Un neutron termic este unul care se mișcă cu aproximativ aceeași viteză cu atomii din jurul lui. Deoarece frecvența de vibrație a atomilor este proporțională cu temperatura lor absolută, un neutron termic are o capacitate mai mare de a diviza U-235 atunci când se mișcă cu aceeași viteză de vibrație. Pe de altă parte, U-238 are mai multe șanse să capteze un neutron dacă neutronul se mișcă foarte repede. Atomul U-239 se descompune cât mai repede posibil pentru a forma plutoniu-239, care în sine este un combustibil. Pu-239 este un combustibil valoros și trebuie luat în considerare chiar și atunci când se utilizează combustibil cu uraniu foarte îmbogățit. Procesele de descompunere a plutoniului vor domina procesele de fisiune U-235 în unele reactoare. Mai ales după ce U-235 încărcat inițial este epuizat. Plutoniul se fisiune atât în ​​reactoare rapide, cât și în cele termice, ceea ce îl face ideal atât pentru reactoare nucleare, cât și pentru bombe nucleare.

Majoritatea reactoarelor existente sunt reactoare termice, care folosesc de obicei apa ca moderator de neutroni (moderatorul înseamnă că încetinește un neutron la viteza termică) și, de asemenea, ca lichid de răcire. Cu toate acestea, un reactor cu neutroni rapid folosește un tip ușor diferit de lichid de răcire care nu va încetini prea mult fluxul de neutroni. Acest lucru permite predominarea neutronilor rapizi, care pot fi utilizați eficient pentru a reumple în mod constant alimentarea cu combustibil. Pur și simplu plasând uraniu ieftin și neîmbogățit în miez, U-238 nefisionabil spontan se va transforma în Pu-239, „producând” combustibilul.

În ciclul combustibilului pe bază de toriu, toriu-232 absoarbe un neutron atât într-un reactor rapid, cât și într-un reactor termic. Dezintegrarea beta a toriului produce protactiniu-233 și apoi uraniu-233, care la rândul său este folosit ca combustibil. Prin urmare, la fel ca uraniul-238, toriu-232 este un material fertil.

Întreținerea Reactorului Nuclear

Cantitatea de energie dintr-un rezervor de combustibil nuclear este adesea exprimată în termeni de „zile cu putere maximă”, adică numărul de perioade de 24 de ore (zile) în care reactorul funcționează la putere maximă pentru a produce energie termică. Zilele de funcționare la putere maximă într-un ciclu de funcționare a reactorului (între intervalele necesare pentru realimentare) sunt legate de cantitatea de uraniu-235 (U-235) în descompunere conținută în ansamblurile combustibile la începutul ciclului. Cu cât procentul de U-235 în miez este mai mare la începutul ciclului, cu atât mai multe zile de funcționare la putere maximă vor permite reactorului să funcționeze.

La sfârșitul ciclului de funcționare, combustibilul din unele ansambluri este „prelucrat”, descărcat și înlocuit sub formă de ansambluri combustibile noi (proaspete). De asemenea, această reacție de acumulare a produselor de degradare în combustibilul nuclear determină durata de viață a combustibilului nuclear în reactor. Chiar și cu mult înainte de a avea loc procesul final de fisiune a combustibilului, în reactor s-au acumulat produse secundare de absorbție a neutronilor cu viață lungă, împiedicând apariția reacției în lanț. Proporția miezului reactorului înlocuit în timpul realimentării reactorului este de obicei un sfert pentru un reactor cu apă clocotită și o treime pentru un reactor cu apă sub presiune. Eliminarea și depozitarea acestui combustibil uzat este una dintre cele mai dificile sarcini în organizarea funcționării unei centrale nucleare industriale. Astfel de deșeuri nucleare sunt extrem de radioactive, iar toxicitatea lor prezintă un risc de mii de ani.

Nu toate reactoarele trebuie scoase din funcțiune pentru realimentare; de exemplu, reactoarele nucleare cu miezuri de combustibil cu bile, reactoarele RBMK, reactoarele cu sare topită, reactoarele Magnox, AGR și CANDU permit deplasarea elementelor de combustibil în timpul funcționării centralei. Într-un reactor CANDU, este posibil să se plaseze elemente de combustibil individuale în miez, astfel încât să se ajusteze conținutul de U-235 al elementului de combustibil.

Cantitatea de energie extrasă dintr-un combustibil nuclear se numește arderea acestuia, care este exprimată în termeni de energie termică produsă de greutatea unității inițiale a combustibilului. Burnup-ul este de obicei exprimat în termeni de megawați-zile termice per tonă de metal greu de bază.

Siguranța Energiei Nucleare

Securitatea nucleară reprezintă acțiuni care vizează prevenirea accidentelor nucleare și de radiații sau localizarea consecințelor acestora. Energia nucleară a îmbunătățit siguranța și performanța reactoarelor și a introdus, de asemenea, noi proiecte de reactoare mai sigure (care în general nu au fost testate). Cu toate acestea, nu există nicio garanție că astfel de reactoare vor fi proiectate, construite și vor putea funcționa în mod fiabil. Au apărut greșeli atunci când proiectanții de reactoare de la centrala nucleară Fukushima din Japonia nu s-au așteptat ca un tsunami generat de un cutremur să închidă sistemul de rezervă care ar fi trebuit să stabilizeze reactorul după cutremur, în ciuda numeroaselor avertismente din partea NRG (cercetarea națională). grup) și administrația japoneză privind siguranța nucleară. Potrivit UBS AG, accidentul nuclear de la Fukushima I pune sub semnul întrebării dacă chiar și economiile avansate precum Japonia pot asigura securitatea nucleară. Sunt posibile și scenarii catastrofale, inclusiv atacuri teroriste. O echipă interdisciplinară de la MIT (Massachusetts Institute of Technology) estimează că, având în vedere creșterea așteptată a energiei nucleare, se pot aștepta cel puțin patru accidente nucleare grave între 2005 și 2055.

Accidente nucleare și de radiații

Au avut loc unele accidente nucleare și de radiații grave. Accidentele din centralele nucleare includ incidentul SL-1 (1961), accidentul Three Mile Island (1979), dezastrul de la Cernobîl (1986) și dezastrul nuclear de la Fukushima Daiichi (2011). Accidentele de pe nave cu propulsie nucleară includ accidente cu reactoare pe K-19 (1961), K-27 (1968) și K-431 (1985).

Reactoarele nucleare au fost lansate pe orbită în jurul Pământului de cel puțin 34 de ori. O serie de incidente care au implicat satelitul sovietic RORSAT cu propulsie nucleară fără pilot au dus la eliberarea de pe orbită a combustibilului nuclear uzat în atmosfera Pământului.

Reactoare nucleare naturale

Deși reactoarele de fisiune sunt adesea considerate a fi un produs al tehnologiei moderne, primele reactoare nucleare apar în medii naturale. Un reactor nuclear natural poate fi format în anumite condiții care le imită pe cele dintr-un reactor construit. Până în prezent, au fost descoperite până la cincisprezece reactoare nucleare naturale în trei zăcăminte separate de minereu ale minei de uraniu Oklo din Gabon (Africa de Vest). Cunoscutele reactoare „morte” Okllo au fost descoperite pentru prima dată în 1972 de către fizicianul francez Francis Perrin. O reacție de fisiune nucleară auto-susținută a avut loc în aceste reactoare cu aproximativ 1,5 miliarde de ani în urmă și a fost menținută timp de câteva sute de mii de ani, producând o medie de 100 kW de putere în această perioadă. Conceptul de reactor nuclear natural a fost explicat în termeni teoretici încă din 1956 de Paul Kuroda de la Universitatea din Arkansas.

Astfel de reactoare nu se mai pot forma pe Pământ: dezintegrarea radioactivă în această perioadă uriașă de timp a redus proporția de U-235 din uraniul natural sub nivelul necesar pentru a menține o reacție în lanț.

Reactoarele nucleare naturale s-au format atunci când zăcămintele bogate de minerale de uraniu au început să se umple cu apă subterană, care a acționat ca un moderator de neutroni și a declanșat o reacție în lanț semnificativă. Moderatorul de neutroni, sub formă de apă, s-a evaporat, făcând ca reacția să se accelereze, apoi s-a condensat înapoi, determinând încetinirea reacției nucleare și împiedicarea topirii. Reacția de fisiune a persistat timp de sute de mii de ani.

Astfel de reactoare naturale au fost studiate pe larg de oamenii de știință interesați de eliminarea deșeurilor radioactive într-un cadru geologic. Ei propun un studiu de caz despre modul în care izotopii radioactivi ar migra printr-un strat al scoarței terestre. Acesta este un punct cheie pentru criticii eliminării deșeurilor geologice, care se tem că izotopii conținuti în deșeuri ar putea ajunge în rezervele de apă sau ar putea migra în mediu.

Problemele de mediu ale energiei nucleare

Un reactor nuclear eliberează cantități mici de tritiu, Sr-90, în aer și în apele subterane. Apa contaminată cu tritiu este incoloră și inodoră. Dozele mari de Sr-90 cresc riscul de cancer osos și leucemie la animale și, probabil, la oameni.

I. Proiectarea unui reactor nuclear

Un reactor nuclear este format din următoarele cinci elemente principale:

1) combustibil nuclear;

2) moderator de neutroni;

3) sisteme de reglementare;

4) sisteme de racire;

5) ecran de protecție.

1. Combustibil nuclear.

Combustibilul nuclear este o sursă de energie. În prezent, sunt cunoscute trei tipuri de materiale fisionabile:

a) uraniu 235, care reprezintă 0,7%, sau 1/140 din uraniu natural;

6) plutoniul 239, care se formează în unele reactoare pe bază de uraniu 238, care alcătuiește aproape întreaga masă de uraniu natural (99,3%, sau 139/140 părți).

Captând neutroni, nucleele de uraniu 238 se transformă în nuclee de neptuniu - al 93-lea element al sistemului periodic Mendeleev; acestea din urmă, la rândul lor, se transformă în nuclee de plutoniu - al 94-lea element al tabelului periodic. Plutoniul este ușor de extras din uraniul iradiat prin mijloace chimice și poate fi folosit ca combustibil nuclear;

c) uraniul 233, care este un izotop artificial al uraniului obținut din toriu.

Spre deosebire de uraniul 235, care se găsește în uraniul natural, plutoniul 239 și uraniul 233 sunt obținute numai artificial. De aceea se numesc combustibil nuclear secundar; Sursa unui astfel de combustibil este uraniul 238 și toriu 232.

Astfel, dintre toate tipurile de combustibil nuclear enumerate mai sus, uraniul este principalul. Aceasta explică amploarea enormă pe care o au căutările și explorarea zăcămintelor de uraniu în toate țările.

Energia eliberată într-un reactor nuclear este uneori comparată cu cea eliberată în timpul unei reacții de ardere chimică. Cu toate acestea, există o diferență fundamentală între ele.

Cantitatea de căldură obținută în timpul fisiunii uraniului este nemăsurat mai mare decât cantitatea de căldură obținută în timpul arderii, de exemplu, a cărbunelui: 1 kg de uraniu 235, egal ca volum cu un pachet de țigări, ar putea furniza teoretic atâta energie cât 2600 de tone de cărbune.

Cu toate acestea, aceste oportunități energetice nu sunt exploatate pe deplin, deoarece nu tot uraniul 235 poate fi separat de uraniul natural. Ca urmare, 1 kg de uraniu, în funcție de gradul de îmbogățire cu uraniu 235, este în prezent echivalent cu aproximativ 10 tone de cărbune. Dar trebuie luat în considerare faptul că utilizarea combustibilului nuclear facilitează transportul și, prin urmare, reduce semnificativ costul combustibilului. Experții britanici au calculat că prin îmbogățirea uraniului vor putea crește de 10 ori căldura produsă în reactoare, ceea ce ar echivala 1 tonă de uraniu cu 100 de mii de tone de cărbune.

A doua diferență între procesul de fisiune nucleară, care are loc odată cu eliberarea de căldură, și arderea chimică este că reacția de ardere necesită oxigen, în timp ce pentru a iniția o reacție în lanț sunt necesari doar câțiva neutroni și o anumită masă de combustibil nuclear, egală. la masa critică, pe care o definim deja dată în secțiunea despre bomba atomică.

Și, în sfârșit, procesul invizibil al fisiunii nucleare este însoțit de emisia de radiații extrem de nocive, față de care trebuie asigurată protecție.

2. Moderator de neutroni.

Pentru a evita răspândirea produselor de fisiune în reactor, combustibilul nuclear trebuie plasat în carcase speciale. Pentru a face astfel de carcase, puteți utiliza aluminiu (temperatura lichidului de răcire nu trebuie să depășească 200 °), sau chiar mai bine, beriliu sau zirconiu - metale noi, a căror producție în forma lor pură este plină de mari dificultăți.

Neutronii produși în timpul fisiunii nucleare (în medie 2-3 neutroni în timpul fisiunii unui nucleu al unui element greu) au o anumită energie. Pentru ca probabilitatea ca neutronii să împartă alte nuclee să fie cea mai mare, fără de care reacția nu va fi auto-susținută, este necesar ca acești neutroni să-și piardă o parte din viteza lor. Acest lucru se realizează prin plasarea unui moderator în reactor, în care neutronii rapizi sunt transformați în alții lenți ca urmare a numeroaselor ciocniri succesive. Deoarece substanța folosită ca moderator trebuie să aibă nuclee cu o masă aproximativ egală cu masa neutronilor, adică nucleele elementelor ușoare, apa grea a fost folosită ca moderator încă de la început (D 2 0, unde D este deuteriu). , care a înlocuit hidrogenul ușor în apa obișnuită N 2 0). Cu toate acestea, acum încearcă să folosească din ce în ce mai mult grafitul - este mai ieftin și dă aproape același efect.

O tonă de apă grea cumpărată în Suedia costă 70–80 de milioane de franci. La Conferința de la Geneva privind utilizarea pașnică a energiei atomice, americanii au anunțat că în curând vor putea vinde apă grea la un preț de 22 de milioane de franci pe tonă.

O tonă de grafit costă 400 de mii de franci, iar o tonă de oxid de beriliu costă 20 de milioane de franci.

Substanța folosită ca moderator trebuie să fie pură pentru a evita pierderea de neutroni pe măsură ce aceștia trec prin moderator. La sfârșitul cursei, neutronii au o viteză medie de aproximativ 2200 m/sec, în timp ce viteza lor inițială era de aproximativ 20 mii km/sec. În reactoare, degajarea de căldură are loc treptat și poate fi controlată, spre deosebire de o bombă atomică, unde se produce instantaneu și capătă caracterul unei explozii.

Unele tipuri de reactoare rapide nu necesită un moderator.

3. Sistem de reglementare.

O persoană ar trebui să fie capabilă să provoace, să regleze și să oprească o reacție nucleară după bunul plac. Acest lucru se realizează folosind tije de control din oțel cu bor sau cadmiu - materiale care au capacitatea de a absorbi neutroni. În funcție de adâncimea la care tijele de control sunt coborâte în reactor, numărul de neutroni din miez crește sau scade, ceea ce face în cele din urmă posibilă reglarea procesului. Tijele de control sunt controlate automat folosind servomecanisme; Unele dintre aceste tije pot cădea instantaneu în miez în caz de pericol.

La început au existat îngrijorări că o explozie a unui reactor ar provoca aceleași daune ca o bombă atomică. Pentru a demonstra că o explozie a unui reactor are loc numai în condiții diferite de cele normale și nu prezintă un pericol grav pentru populația care locuiește în vecinătatea centralei nucleare, americanii au aruncat în aer în mod deliberat un așa-zis reactor „fierbe”. Într-adevăr, a avut loc o explozie pe care o putem caracteriza drept „clasică”, adică non-nucleară; aceasta dovedește încă o dată că reactoarele nucleare pot fi construite în apropierea zonelor populate fără niciun pericol deosebit pentru acestea din urmă.

4. Sistem de răcire.

În timpul fisiunii nucleare, este eliberată o anumită energie, care este transferată produselor de descompunere și neutronilor rezultați. Această energie, ca urmare a numeroaselor ciocniri de neutroni, este transformată în energie termică, prin urmare, pentru a preveni defectarea rapidă a reactorului, căldura trebuie îndepărtată. În reactoarele destinate producerii de izotopi radioactivi, această căldură nu este utilizată, dar în reactoarele destinate producerii de energie, ea devine, dimpotrivă, produsul principal. Răcirea poate fi efectuată cu gaz sau apă, care circulă în reactor sub presiune prin tuburi speciale și apoi este răcită într-un schimbător de căldură. Căldura degajată poate fi folosită pentru a încălzi aburul care rotește o turbină conectată la generator; un astfel de dispozitiv ar fi o centrală nucleară.

5. Ecran de protectie.

Pentru a evita efectele nocive ale neutronilor care pot zbura în afara reactorului și pentru a vă proteja de radiațiile gamma emise în timpul reacției, este necesară o protecție fiabilă. Oamenii de știință au calculat că un reactor cu o putere de 100 de mii de kW emite o asemenea cantitate de radiație radioactivă încât o persoană aflată la o distanță de 100 m de acesta ar primi-o în 2 minute. doză letală. Pentru a asigura protecția personalului care deservește reactorul, pereții de doi metri sunt construiți din beton special cu plăci de plumb.

Primul reactor a fost construit în decembrie 1942 de italianul Fermi. Până la sfârșitul anului 1955, în lume existau aproximativ 50 de reactoare nucleare (SUA - 2 1, Anglia - 4, Canada - 2, Franța - 2). Trebuie adăugat că până la începutul anului 1956, încă aproximativ 50 de reactoare au fost proiectate în scopuri de cercetare și industriale (SUA - 23, Franța - 4, Anglia - 3, Canada - 1).

Tipurile acestor reactoare sunt foarte diverse, variind de la reactoare cu neutroni lenți cu moderatori de grafit și uraniu natural drept combustibil până la reactoare cu neutroni rapidi care utilizează uraniu îmbogățit cu plutoniu sau uraniu 233, produs artificial din toriu, drept combustibil.

Pe lângă aceste două tipuri opuse, există o serie întreagă de reactoare care diferă între ele fie prin compoziția combustibilului nuclear, fie prin tipul de moderator, fie prin lichidul de răcire.

Este foarte important de menționat că, deși latura teoretică a problemei este acum bine studiată de specialiști din toate țările, în domeniul practic diferite țări nu au ajuns încă la același nivel. SUA și Rusia sunt înaintea altor țări. Se poate susține că viitorul energiei nucleare va depinde în principal de progresul tehnologiei.

autor Ivanov Igor Pierovici

Structura colisionarului LHC Acum câteva imagini. Un ciocnitor este un accelerator al particulelor care se ciocnesc. Acolo, particulele accelerează de-a lungul a două inele și se ciocnesc unele cu altele. Aceasta este cea mai mare instalație experimentală din lume, deoarece lungimea acestui inel - tunelul -

Din cartea Cea mai nouă carte a faptelor. Volumul 3 [Fizica, chimie si tehnologie. Istorie și arheologie. Diverse] autor Kondrașov Anatoli Pavlovici

Din cartea Problema atomică de Ran Philip

Din cartea 5b. Electricitate și magnetism autor Feynman Richard Phillips

Din cartea autorului

Capitolul VIII Principiul de funcționare și capabilități ale unui reactor nuclear I. Proiectarea unui reactor nuclear Un reactor nuclear este format din următoarele cinci elemente principale: 1) combustibil nuclear; 2) moderator de neutroni; 3) sistem de control; 4) sistem de răcire; 5. ) protectoare

Din cartea autorului

Capitolul 11 ​​STRUCTURA INTERNĂ A DIELECTRICII §1. Dipoli moleculari§2. Polarizare electronică §3. Molecule polare; polarizarea orientării§4. Câmpuri electrice în goluri dielectrice§5. Constanta dielectrica a lichidelor; Formula Clausius-Mossotti§6.

Generarea de energie nucleară este o metodă modernă și în dezvoltare rapidă de producere a energiei electrice. Știți cum funcționează centralele nucleare? Care este principiul de funcționare al unei centrale nucleare? Ce tipuri de reactoare nucleare există astăzi? Vom încerca să luăm în considerare în detaliu schema de funcționare a unei centrale nucleare, să ne aprofundăm în structura unui reactor nuclear și să aflăm cât de sigură este metoda nucleară de generare a energiei electrice.

Orice stație este o zonă închisă departe de o zonă rezidențială. Pe teritoriul său există mai multe clădiri. Cea mai importantă structură este clădirea reactorului, alături este camera turbinelor din care este controlat reactorul și clădirea de siguranță.

Schema este imposibilă fără un reactor nuclear. Un reactor atomic (nuclear) este un dispozitiv de centrală nucleară care este conceput pentru a organiza o reacție în lanț de fisiune a neutronilor cu eliberarea obligatorie de energie în timpul acestui proces. Dar care este principiul de funcționare al unei centrale nucleare?

Întreaga instalație a reactorului este găzduită în clădirea reactorului, un turn mare de beton care ascunde reactorul și va conține toți produsele reacției nucleare în cazul unui accident. Acest turn mare se numește reținere, înveliș ermetic sau zonă de reținere.

Zona ermetică din reactoarele noi are 2 pereți groși de beton - învelișuri.
Învelișul exterior, gros de 80 cm, protejează zona de izolare de influențele externe.

Carcasa interioară, de 1 metru și 20 cm grosime, are cabluri speciale din oțel care măresc rezistența betonului de aproape trei ori și vor preveni prăbușirea structurii. La interior, este căptușită cu o foaie subțire de oțel special, care este proiectată să servească drept protecție suplimentară pentru izolarea și, în caz de accident, să nu elibereze conținutul reactorului în afara zonei de izolare.

Acest design al centralei nucleare îi permite să reziste unui accident de avion cu o greutate de până la 200 de tone, unui cutremur cu magnitudinea 8, unei tornade și unui tsunami.

Prima carcasă etanșă a fost construită la centrala nucleară americană Connecticut Yankee în 1968.

Înălțimea totală a zonei de izolare este de 50-60 de metri.

În ce constă un reactor nuclear?

Pentru a înțelege principiul de funcționare al unui reactor nuclear și, prin urmare, principiul de funcționare al unei centrale nucleare, trebuie să înțelegeți componentele reactorului.

• Zona activă. Aceasta este zona în care sunt amplasate combustibilul nuclear (generatorul de combustibil) și moderatorul. Atomii de combustibil (cel mai adesea uraniul este combustibilul) suferă o reacție de fisiune în lanț. Moderatorul este conceput pentru a controla procesul de fisiune și permite reacția necesară în ceea ce privește viteza și puterea.
• Reflector de neutroni. Un reflector înconjoară miezul. Este alcătuit din același material ca și moderatorul. În esență, aceasta este o cutie, al cărei scop principal este de a împiedica neutronii să părăsească nucleul și să intre în mediu.
• Lichidul de răcire. Lichidul de răcire trebuie să absoarbă căldura eliberată în timpul fisiunii atomilor de combustibil și să o transfere altor substanțe. Lichidul de răcire determină în mare măsură modul în care este proiectată o centrală nucleară. Cel mai popular lichid de răcire astăzi este apa.
  Sistem de control al reactorului. Senzori și mecanisme care alimentează un reactor al unei centrale nucleare.

Combustibil pentru centrale nucleare

Pe ce funcționează o centrală nucleară? Combustibilul pentru centralele nucleare este elemente chimice cu proprietăți radioactive. La toate centralele nucleare, acest element este uraniul.

Proiectarea stațiilor implică faptul că centralele nucleare funcționează cu combustibil compozit complex, și nu pe un element chimic pur. Și pentru a extrage combustibilul uraniu din uraniul natural, care este încărcat într-un reactor nuclear, este necesar să se efectueze multe manipulări.

Uraniu îmbogățit

Uraniul este format din doi izotopi, adică conține nuclee cu mase diferite. Au fost denumiți după numărul de protoni și neutroni izotop -235 și izotop-238. Cercetătorii secolului al XX-lea au început să extragă uraniu 235 din minereu, deoarece... era mai ușor să se descompună și să se transforme. S-a dovedit că un astfel de uraniu în natură este de numai 0,7% (procentul rămas merge la izotopul 238).

Ce să faci în acest caz? Au decis să îmbogăţească uraniul. Îmbogățirea uraniului este un proces în care o mulțime de izotopi 235x necesari rămân în el și puțini izotopi 238x inutili. Sarcina îmbogățitorilor de uraniu este de a transforma 0,7% în aproape 100% uraniu-235.

Uraniul poate fi îmbogățit folosind două tehnologii: difuzie de gaz sau centrifugare cu gaz. Pentru a le folosi, uraniul extras din minereu este transformat în stare gazoasă. Este îmbogățit sub formă de gaz.

Pulbere de uraniu

Gazul de uraniu îmbogățit este transformat într-o stare solidă - dioxid de uraniu. Acest uraniu solid pur 235 apare ca cristale mari albe, care sunt ulterior zdrobite în pulbere de uraniu.

Tablete de uraniu

Tabletele de uraniu sunt discuri metalice solide, lungi de câțiva centimetri. Pentru a forma astfel de tablete din pulbere de uraniu, se amestecă cu o substanță - un plastifiant; îmbunătățește calitatea presării tabletelor.

Puturile presate sunt coapte la o temperatură de 1200 de grade Celsius mai mult de o zi pentru a conferi tabletelor o rezistență deosebită și rezistență la temperaturi ridicate. Modul în care funcționează o centrală nucleară depinde direct de cât de bine este comprimat și copt combustibilul cu uraniu.

Tabletele sunt coapte în cutii de molibden, deoarece doar acest metal este capabil să nu se topească la temperaturi „infernale” de peste o mie și jumătate de grade. După aceasta, combustibilul cu uraniu pentru centralele nucleare este considerat gata.

Ce sunt TTEL și FA?

Miezul reactorului arată ca un disc uriaș sau o țeavă cu găuri în pereți (în funcție de tipul de reactor), de 5 ori mai mare decât corpul uman. Aceste găuri conțin combustibil de uraniu, ai cărui atomi efectuează reacția dorită.

Este imposibil să arunci combustibil în reactor, ei bine, dacă nu vrei să provoci o explozie a întregii stații și un accident cu consecințe pentru câteva state din apropiere. Prin urmare, combustibilul cu uraniu este plasat în bare de combustibil și apoi colectat în ansambluri de combustibil. Ce înseamnă aceste abrevieri?

• TVEL este un element combustibil (a nu se confunda cu același nume al companiei ruse care le produce). Este în esență un tub de zirconiu subțire și lung, fabricat din aliaje de zirconiu în care sunt plasate tablete de uraniu. În barele de combustibil, atomii de uraniu încep să interacționeze între ei, eliberând căldură în timpul reacției.

Zirconiul a fost ales ca material pentru producerea barelor de combustibil datorită proprietăților sale refractare și anticorozive.

Tipul de bare de combustibil depinde de tipul și structura reactorului. De regulă, structura și scopul tijelor de combustibil nu se modifică; lungimea și lățimea tubului pot fi diferite.

Mașina încarcă peste 200 de pelete de uraniu într-un tub de zirconiu. În total, aproximativ 10 milioane de pelete de uraniu lucrează simultan în reactor.
FA – ansamblu combustibil. Lucrătorii CNE numesc pachete de combustibil.

În esență, acestea sunt mai multe bare de combustibil fixate împreună. FA este combustibil nuclear finit, cu ce funcționează o centrală nucleară. Ansamblurile de combustibil sunt încărcate în reactorul nuclear. Într-un reactor sunt plasate aproximativ 150 – 400 de ansambluri de combustibil.
În funcție de reactorul în care vor funcționa ansamblurile de combustibil, acestea vin în forme diferite. Uneori pachetele sunt pliate într-o formă cubică, alteori într-o formă cilindrice, alteori într-o formă hexagonală.

Un ansamblu de combustibil pe 4 ani de funcționare produce aceeași cantitate de energie ca atunci când ard 670 de mașini de cărbune, 730 de rezervoare cu gaz natural sau 900 de rezervoare încărcate cu petrol.
Astăzi, ansamblurile de combustibil sunt produse în principal în fabrici din Rusia, Franța, SUA și Japonia.

Pentru a livra combustibil pentru centralele nucleare în alte țări, ansamblurile de combustibil sunt sigilate în țevi metalice lungi și late, aerul este pompat din țevi și livrat de mașini speciale la bordul avioanelor de marfă.

Combustibilul nuclear pentru centralele nucleare cântărește prohibitiv, pentru că... uraniul este unul dintre cele mai grele metale de pe planetă. Greutatea sa specifică este de 2,5 ori mai mare decât cea a oțelului.

Centrală nucleară: principiu de funcționare

Care este principiul de funcționare al unei centrale nucleare? Principiul de funcționare al centralelor nucleare se bazează pe o reacție în lanț de fisiune a atomilor unei substanțe radioactive - uraniu. Această reacție are loc în miezul unui reactor nuclear.

ESTE IMPORTANT DE STI:

Fără a intra în complexitățile fizicii nucleare, principiul de funcționare al unei centrale nucleare arată astfel:
După pornirea unui reactor nuclear, barele de absorbție sunt îndepărtate din barele de combustibil, care împiedică reacția uraniului.

Odată ce tijele sunt îndepărtate, neutronii de uraniu încep să interacționeze între ei.

Când neutronii se ciocnesc, are loc o mini-explozie la nivel atomic, se eliberează energie și se nasc noi neutroni, începe să aibă loc o reacție în lanț. Acest proces generează căldură.

Căldura este transferată la lichidul de răcire. În funcție de tipul de lichid de răcire, acesta se transformă în abur sau gaz, care rotește turbina.

Turbina antrenează un generator electric. El este cel care generează efectiv curentul electric.

Dacă nu monitorizați procesul, neutronii de uraniu se pot ciocni între ei până când explodează reactorul și distrug întreaga centrală nucleară în bucăți. Procesul este controlat de senzori de calculator. Ele detectează o creștere a temperaturii sau schimbarea presiunii în reactor și pot opri automat reacțiile.

Prin ce diferă principiul de funcționare al centralelor nucleare de centralele termice (centrale termice)?

Există diferențe în muncă doar în primele etape. Într-o centrală nucleară, lichidul de răcire primește căldură din fisiunea atomilor de combustibil de uraniu; într-o centrală termică, lichidul de răcire primește căldură din arderea combustibilului organic (cărbune, gaz sau petrol). După ce fie atomii de uraniu, fie gazul și cărbunele au eliberat căldură, schemele de funcționare ale centralelor nucleare și ale centralelor termice sunt aceleași.

Tipuri de reactoare nucleare

Modul în care funcționează o centrală nucleară depinde exact de modul în care funcționează reactorul său nuclear. Astăzi există două tipuri principale de reactoare, care sunt clasificate în funcție de spectrul neuronilor:
Un reactor cu neutroni lent, numit și reactor termic.

Pentru funcționarea sa se folosește uraniul 235, care trece prin etapele de îmbogățire, creare de pelete de uraniu etc. Astăzi, marea majoritate a reactoarelor folosesc neutroni lenți.
Reactor rapid cu neutroni.

Aceste reactoare sunt viitorul, pentru că... Ei lucrează pe uraniu-238, care este un ban pe duzină în natură și nu este nevoie să îmbogățiți acest element. Singurul dezavantaj al unor astfel de reactoare este costurile foarte mari de proiectare, construcție și pornire. Astăzi, reactoarele cu neutroni rapidi funcționează numai în Rusia.

Lichidul de răcire din reactoarele cu neutroni rapidi este mercur, gaz, sodiu sau plumb.

Reactoarele cu neutroni lenți, pe care toate centralele nucleare din lume le folosesc astăzi, vin și în mai multe tipuri.

Organizația AIEA (Agenția Internațională pentru Energie Atomică) și-a creat propria clasificare, care este cel mai des folosită în industria mondială a energiei nucleare. Deoarece principiul de funcționare al unei centrale nucleare depinde în mare măsură de alegerea lichidului de răcire și a moderatorului, AIEA și-a bazat clasificarea pe aceste diferențe.

Din punct de vedere chimic, oxidul de deuteriu este un moderator și lichid de răcire ideal, deoarece atomii săi interacționează cel mai eficient cu neutronii uraniului în comparație cu alte substanțe. Pur și simplu, apa grea își îndeplinește sarcina cu pierderi minime și rezultate maxime. Cu toate acestea, producția sa costă bani, în timp ce apa obișnuită „ușoară” și familiară este mult mai ușor de utilizat.

Câteva fapte despre reactoarele nucleare...

Este interesant că un reactor al unei centrale nucleare durează cel puțin 3 ani pentru a se construi!
Pentru a construi un reactor, aveți nevoie de echipamente care funcționează cu un curent electric de 210 kiloamperi, care este de un milion de ori mai mare decât curentul care poate ucide o persoană.

O carcasă (element structural) al unui reactor nuclear cântărește 150 de tone. Există 6 astfel de elemente într-un reactor.

Reactor cu apă sub presiune

Am aflat deja cum funcționează o centrală nucleară în general; pentru a pune totul în perspectivă, să ne uităm la modul în care funcționează cel mai popular reactor nuclear cu apă sub presiune.
În întreaga lume, astăzi, sunt utilizate reactoare cu apă sub presiune de generația 3+. Sunt considerate cele mai fiabile și sigure.

Toate reactoarele cu apă sub presiune din lume, de-a lungul tuturor anilor de funcționare, au acumulat deja peste 1000 de ani de funcționare fără probleme și nu au dat niciodată abateri serioase.

Structura centralelor nucleare care folosesc reactoare cu apă presurizată implică faptul că apa distilată încălzită la 320 de grade circulă între barele de combustibil. Pentru a preveni intrarea în stare de vapori, este ținut sub presiune de 160 de atmosfere. Schema centralei nucleare o numește apă din circuitul primar.

Apa încălzită intră în generatorul de abur și își renunță căldura apei din circuitul secundar, după care se „întoarce” din nou în reactor. În exterior, se pare că tuburile de apă ale primului circuit sunt în contact cu alte tuburi - apa celui de-al doilea circuit, își transferă căldură unul altuia, dar apele nu intră în contact. Tuburile sunt în contact.

Astfel, este exclusă posibilitatea ca radiația să pătrundă în apa circuitului secundar, care va participa în continuare la procesul de generare a energiei electrice.

Siguranța în exploatare a CNE

După ce am învățat principiul funcționării centralelor nucleare, trebuie să înțelegem cum funcționează siguranța. Construcția centralelor nucleare necesită astăzi o atenție sporită acordată regulilor de siguranță.
Costurile pentru siguranța CNE reprezintă aproximativ 40% din costul total al centralei în sine.

Proiectarea centralei nucleare include 4 bariere fizice care împiedică eliberarea de substanțe radioactive. Ce ar trebui să facă aceste bariere? La momentul potrivit, să poată opri reacția nucleară, să asigure îndepărtarea constantă a căldurii din miez și din reactor în sine și să prevină eliberarea de radionuclizi dincolo de reținere (zona ermetică).

• Prima barieră este rezistența peletelor de uraniu. Este important ca acestea să nu fie distruse de temperaturile ridicate dintr-un reactor nuclear. O mare parte din modul în care funcționează o centrală nucleară depinde de modul în care peletele de uraniu sunt „coapte” în timpul etapei inițiale de fabricație. Dacă peletele de combustibil de uraniu nu sunt coapte corect, reacțiile atomilor de uraniu din reactor vor fi imprevizibile.
• A doua barieră este etanșeitatea tijelor de combustibil. Tuburile de zirconiu trebuie să fie etanșate; dacă sigiliul este rupt, atunci în cel mai bun caz reactorul va fi deteriorat și munca se va opri, în cel mai rău caz, totul va zbura în aer.
• A treia barieră este un reactor de oțel durabil a, (același turn mare - zonă ermetică) care „deține” toate procesele radioactive. Dacă carcasa este deteriorată, radiațiile vor scăpa în atmosferă.
• A patra barieră sunt tijele de protecție în caz de urgență. Tijele cu moderatori sunt suspendate deasupra miezului de magneți, care pot absorbi toți neutronii în 2 secunde și pot opri reacția în lanț.

Dacă, în ciuda proiectării unei centrale nucleare cu multe grade de protecție, nu este posibilă răcirea miezului reactorului la momentul potrivit, iar temperatura combustibilului crește la 2600 de grade, atunci intră în joc ultima speranță a sistemului de siguranță. - așa-numita capcană de topire.

Faptul este că la această temperatură fundul vasului reactorului se va topi și toate rămășițele de combustibil nuclear și structurile topite vor curge într-o „sticlă” specială suspendată deasupra miezului reactorului.

Capcana de topire este refrigerată și ignifugă. Este umplut cu așa-numitul „material de sacrificiu”, care oprește treptat reacția în lanț de fisiune.

Astfel, proiectarea centralei nucleare presupune mai multe grade de protecție, care elimină aproape complet orice posibilitate de accident.