Vilka ämnen används i en kärnreaktor. Hur reaktorn startas. Förresten för att generera ånga
: ... ganska trivialt, men ändå hittade jag aldrig informationen i en smältbar form - hur en atomreaktor BÖRJA fungera. Om arbetsprincipen och strukturen har allt tuggats 300 gånger och är förståeligt, men här är hur bränslet erhålls och från vad och varför det inte är så farligt förrän det är i reaktorn och varför det inte reagerar innan vara nedsänkt i reaktorn! - trots allt värms det bara inuti, ändå innan laddningen är TV-apparaterna kalla och allt är bra, så vad som orsakar uppvärmningen av elementen är inte helt klart hur de påverkas, och så vidare, helst inte vetenskapligt).
Det är naturligtvis svårt att ordna ett sådant ämne inte "vetenskapligt", men jag kommer att försöka. Låt oss först ta reda på vad dessa mycket bränsleelement är.
Kärnbränsle är svarta pellets med en diameter på cirka 1 cm. Och en höjd på cirka 1,5 cm. De innehåller 2% urandioxid 235 och 98% uran 238, 236, 239. I alla fall, för vilken mängd som helst kärnbränsle en kärnkraftsexplosion kan inte utvecklas, för för en lavinliknande snabb klyvningsreaktion som är karakteristisk för en kärnkraftsexplosion krävs en koncentration av uran 235 på mer än 60%.
Två hundra pellets kärnbränsle laddas i ett rör av zirkoniummetall. Rörets längd är 3,5 m. diameter 1,35 cm. Detta rör kallas bränslestav - bränsleelement. 36 bränslestavar monteras i en kassett (ett annat namn är "montering").
Bränsleelementarrangemang för RBMK-reaktor: 1 - kontakt; 2 - tabletter av urandioxid; 3 - zirkoniumskal; 4 - vår 5 - bussning; 6 - tips.
Omvandlingen av ett ämne åtföljs av frisättning av fri energi endast om ämnet har en reserv energi. Det senare betyder att mikropartiklarna i ett ämne är i ett tillstånd med en vilenergi större än i en annan möjlig, vars övergång existerar. En spontan övergång hindras alltid av en energibarriär för att övervinna vilken en mikropartikel måste ta emot en viss mängd energi från utsidan - exciteringsenergi. Den exoenergiska reaktionen består i det faktum att i transformationen efter exciteringen frigörs mer energi än vad som krävs för att excitera processen. Det finns två sätt att övervinna energibarriären: antingen på grund av den kinetiska energin hos kolliderande partiklar eller på grund av bindningsenergin hos den sammanfogande partikeln.
Om vi har i åtanke de makroskopiska skalorna för energiutsläpp, måste den kinetiska energi som är nödvändig för excitering av reaktioner ha alla eller, först, åtminstone en del av ämnets partiklar. Detta uppnås endast när medietemperaturen stiger till ett värde vid vilket energin för termisk rörelse närmar sig värdet på energitröskeln som begränsar processen. När det gäller molekylära transformationer, det vill säga kemiska reaktioner, är en sådan ökning vanligtvis hundratals grader Kelvin, medan det i fallet med kärnreaktioner är minst 107 K på grund av den mycket höga höjden av Coulomb-barriärerna för kolliderande kärnor. . Termisk excitation av kärnreaktioner realiseras i praktiken endast i syntesen av de lättaste kärnorna, för vilka Coulomb-barriärerna är minimala (termonukleär fusion).
Excitation genom att fästa partiklar kräver inte stor kinetisk energi och beror därför inte på mediet i mediet, eftersom det uppstår på grund av oanvända bindningar som är inneboende i partiklarna av attraktionskrafterna. Men å andra sidan behövs partiklarna själva för att väcka reaktioner. Och om vi återigen inte tänker på en separat reaktionshandling utan produktionen av energi i makroskopisk skala, är detta endast möjligt när en kedjereaktion inträffar. Det senare uppstår när partiklarna som exciterar reaktionen återkommer som produkter av en exoenergisk reaktion.
För att kontrollera och skydda kärnreaktorn används styrstavar som kan flyttas längs hela kärnans höjd. Stavarna är gjorda av ämnen som starkt absorberar neutroner, såsom bor eller kadmium. Med djup insättning av stavarna blir en kedjereaktion omöjlig, eftersom neutroner absorberas starkt och avlägsnas från reaktionszonen.
Stängerna flyttas på distans från kontrollpanelen. Med en liten rörelse av stavarna kommer kedjeprocessen antingen att utvecklas eller bli fuktig. På detta sätt regleras reaktorns effekt.
Leningrad NPP, RBMK Reactor
Reaktorstart:
Vid det första ögonblicket efter den första laddningen med bränsle finns det ingen klyvningskedjereaktion i reaktorn, reaktorn är i ett subkritiskt tillstånd. Kylvätsketemperaturen är mycket lägre än driftstemperaturen.
Som vi redan har nämnt här, för att en kedjereaktion ska börja, måste klyvbart material bilda en kritisk massa - en tillräcklig mängd spontant klyvningsämne i ett tillräckligt litet utrymme, ett tillstånd under vilket antalet neutroner som frigörs under kärnklyvning måste vara större än antalet absorberade neutroner. Detta kan göras genom att öka innehållet i uran-235 (antalet laddade bränslestavar) eller genom att sakta ner neutronernas hastighet så att de inte flyger förbi uran-235-kärnor.
Reaktorn förs till makten i flera steg. Med hjälp av reaktivitetsstyranordningar överförs reaktorn till det superkritiska tillståndet Kef> 1 och reaktoreffekten växer till en nivå på 1-2% av det nominella. I detta skede värms reaktorn upp till kylvätskans driftsparametrar och uppvärmningshastigheten är begränsad. Under uppvärmningsprocessen håller regulatorerna effekten på en konstant nivå. Därefter startas cirkulationspumparna och värmeavlägsnandet tas i drift. Därefter kan reaktoreffekten ökas till vilken nivå som helst i området från 2 till 100% av den nominella effekten.
När reaktorn värms upp förändras reaktiviteten på grund av förändringar i kärnmaterialens temperatur och densitet. Ibland förändras den relativa positionen för kärnan och kontrollelementen som kommer in eller lämnar kärnan under uppvärmning, vilket orsakar effekten av reaktivitet i frånvaro av aktiv rörelse av kontrollelementen.
Reglering med fasta, rörliga absorberande element
I den överväldigande majoriteten av fallen används fasta rörliga absorberare för att snabbt ändra reaktiviteten. I RBMK-reaktorn innehåller styrstavarna borkarbidbussningar inneslutna i ett aluminiumlegeringsrör med en diameter på 50 eller 70 mm. Varje kontrollstav placeras i en separat kanal och kyls med vatten från kontroll- och skyddssystemet (kontroll- och skyddssystem) vid en medeltemperatur på 50 ° C. Enligt deras syfte är stavarna uppdelade i nödskyddsstänger, i RBMK det finns 24 sådana stavar. Automatiska styrstänger - 12 delar, Lokala automatiska styrstänger - 12 delar, manuella styrstänger -131 och 32 förkortade absorberstänger (USP). Det finns totalt 211 stavar. Dessutom införs de förkortade stavarna i kärnan från botten, resten från toppen.
Reaktor VVER 1000. 1 - CPS-enhet; 2 - reaktorhölje; 3 - reaktorkärl; 4 - block av skyddsrör (BZT); 5 - min; 6 - kärnbaffel; 7 - bränslepatroner (FA) och styrstänger;
Utbrända absorberande element.
För att kompensera för överdriven reaktivitet efter fyllning av nytt bränsle används ofta brännbara absorberare. Funktionsprincipen är att de, som bränsle, efter att ha fångat en neutron i framtiden upphör att absorbera neutroner (utbränd). Dessutom är förlusthastigheten som ett resultat av absorptionen av neutroner, absorberarkärnor, mindre än eller lika med förlusthastigheten, som ett resultat av klyvning, av bränslekärnor. Om vi laddar reaktorkärnan med bränsle som är konstruerat för att fungera under ett år, är det uppenbart att antalet klyvbara bränslekärnor i början av driften kommer att vara större än i slutet, och vi måste kompensera för överskottsreaktiviteten genom att placera absorbenter i kärnan. Om man använder styrstänger för detta ändamål måste vi ständigt flytta dem när antalet bränslekärnor minskar. Användningen av brännbara absorberare minskar användningen av rörliga stavar. Numera blandas ofta brännbara scavengers direkt i pellets när de tillverkas.
Flytande reglering av reaktivitet.
Sådan reglering tillämpas, särskilt under drift av en VVER-typreaktor, införs borsyra H3BO3, innehållande 10B-absorberande neutronkärnor, i kylvätskan. Genom att ändra koncentrationen av borsyra i kylvätskebanan ändrar vi därigenom reaktiviteten i kärnan. I första perioden När reaktorn arbetar när det finns många bränslekärnor är syrakoncentrationen maximal. När bränslet brinner ut minskar syrakoncentrationen.
Kedjereaktionsmekanism
Kärnreaktor kan bara arbeta med en given kraft under lång tid om den har en reaktivitetsmarginal i början av arbetet. Undantaget är subkritiska reaktorer med en extern källa för termiska neutroner. Frigörelsen av bunden reaktivitet när den minskar på grund av naturliga skäl säkerställer att reaktorns kritiska tillstånd upprätthålls vid varje ögonblick av dess drift. Den initiala reaktivitetsmarginalen skapas genom att bygga en aktiv zon med dimensioner som väsentligt överstiger de kritiska. För att förhindra att reaktorn blir superkritisk reduceras avelmediets k0 artificiellt samtidigt. Detta uppnås genom införande av neutronabsorberande ämnen i kärnan, som kan tas bort från kärnan senare. Förutom i regleringselementen för en kedjereaktion är substansabsorbenter en del av materialet i stavarna hos en eller annan tvärsnitt rör sig längs motsvarande kanaler i kärnan. Men om en eller två eller flera stavar är tillräckliga för reglering kan antalet stavar nå hundratals för att kompensera för det initiala överskottet av reaktivitet. Dessa stavar kallas kompenserande stavar. Reglerande och kompenserande stavar representerar inte nödvändigtvis olika strukturella element. Ett visst antal kompenserande stavar kan vara styrstänger, men båda funktionerna är olika. Kontrollstavarna är utformade för att bibehålla ett kritiskt tillstånd när som helst, för att stoppa, starta reaktorn och flytta från en effektnivå till en annan. Alla dessa operationer kräver små förändringar i reaktiviteten. Kompenserande stavar avlägsnas gradvis från reaktorkärnan, vilket ger ett kritiskt tillstånd under hela dess driftperiod.
Ibland är styrstavar inte gjorda av absorberande material utan av klyvbart material eller spridningsmaterial. I termiska reaktorer är dessa huvudsakligen neutronabsorbenter, medan det inte finns några effektiva snabba neutronabsorbenter. Sådana absorbatorer som kadmium, hafnium och andra absorberar starkt endast termiska neutroner på grund av närheten av den första resonansen till det termiska området, och utanför det senare skiljer de sig inte från andra ämnen i sina absorberande egenskaper. Ett undantag är bor, vars neutronabsorptionstvärsnitt minskar med energi mycket långsammare än för de angivna ämnena, enligt l / v-lagen. Därför absorberar bor snabba neutroner, om än svagt, men något bättre än andra ämnen. Endast bor, om möjligt anrikat med isotopen 10B, kan fungera som ett absorberande material i en snabb neutronreaktor. Förutom bor använder snabba reaktorer också klyvbara material för styrstavar. Det klyvande materialkompenserande stången har samma funktion som neutronabsorberingsstången: det ökar reaktorreaktiviteten medan den naturligt minskar. Till skillnad från en absorberare är emellertid en sådan stav placerad utanför kärnan i början av reaktordriften och införs sedan i kärnan.
Av spridningsmaterialen i snabba reaktorer används nickel, som har ett spridningstvärsnitt för snabba neutroner som är något större än tvärsektionerna för andra ämnen. Spridningsstavarna är placerade längs kärnans periferi och deras nedsänkning i motsvarande kanal orsakar en minskning av neutronläckage från kärnan och följaktligen en ökning av reaktiviteten. I vissa speciella fall är syftet med att kontrollera kedjereaktionen de rörliga delarna av neutronreflektorerna, som när de rör sig ändrar neutronläckaget från kärnan. Reglerings-, kompensations- och nödstänger, tillsammans med all utrustning som säkerställer deras normala drift, bildar ett reaktorkontroll- och skyddssystem (CPS).
Nödskydd:
Nödskydd av en kärnreaktor - en uppsättning enheter utformade för att snabbt stoppa en kärnkedjereaktion i reaktorkärnan.
Aktivt nödskydd utlöses automatiskt när en av parametrarna i en kärnreaktor når ett värde som kan leda till en olycka. Sådana parametrar kan vara: temperatur, tryck och flödeshastighet för kylvätskan, nivå och effekthastighet.
Manöverelement för nödskydd är i de flesta fall stavar med ett ämne som absorberar neutroner väl (bor eller kadmium). Ibland injiceras en vätskeupptagare i kylvätskekretsen för att stänga av reaktorn.
Förutom aktivt skydd innehåller många moderna konstruktioner också passiva skyddselement. Moderna versioner av VVER-reaktorer inkluderar till exempel Emergency Core Cooling System (ECCS) - specialtankar med borsyra ovanför reaktorn. I händelse av en maximal olycka med konstruktionsbasis (bristning av reaktorns primära kylslinga) flyter innehållet i dessa tankar genom tyngdkraften in i reaktorkärnan och kärnkedjereaktionen släcks med en stor mängd borinnehållande ämne som absorberar neutroner väl.
Enligt "Regler för kärnkraftssäkerhet för reaktorinstallationer kärnkraftverk»Minst ett av reaktorns planerade avstängningssystem måste uppfylla nödskyddsfunktionen (EP). Nödskydd måste ha minst två oberoende grupper av arbetsorgan. På en signal från AZ bör AZ: s arbetsorgan aktiveras från alla arbets- eller mellanlägen.
AZ-utrustning bör bestå av minst två oberoende uppsättningar.
Varje uppsättning kärnskyddsutrustning måste vara utformad på ett sådant sätt att inom området för variation av neutronflödestätheten från 7% till 120% av det nominella skyddet ges:
1. Genom densiteten hos neutronflödet - minst tre oberoende kanaler;
2. Genom ökningshastigheten för neutronflödestätheten - minst tre oberoende kanaler.
Varje uppsättning reaktorskyddsutrustning måste utformas på ett sådant sätt att nödskydd tillhandahålls av minst tre oberoende kanaler för varje teknisk parameter för vilken skydd krävs över hela intervallet av ändringar av de tekniska parametrarna som ställs in i reaktorns konstruktion. anläggning (RP).
Styrkommandona för varje uppsättning för AZ-ställdonen måste sändas genom minst två kanaler. När du avaktiverar en kanal i en av AZ-utrustningsuppsättningarna utan att avaktivera detta kit ett larm bör genereras automatiskt från drift för denna kanal.
Nödskyddsoperationen måste ske minst i följande fall:
1. När kärnbörvärdet har nått när det gäller neutronflödestätheten.
2. När kärnbörvärdet uppnås med ökningshastigheten i neutronflödestätheten.
3. När spänningen försvinner i någon uppsättning AZ-utrustning och strömförsörjningsbussar i CPS som inte tas ur drift.
4. Om något av de tre skyddskanalerna misslyckas när det gäller neutronflödestäthet eller stigningen av neutronflödet i någon uppsättning kärnskyddsutrustning som inte har tagits ur drift.
5. När AZ-inställningarna uppnås med de tekniska parametrarna, enligt vilka det är nödvändigt att utföra skydd.
6. När du startar aktiveringen av AZ från nyckeln från blockkontrollpunkten (BPU) eller reservstyrcentralen (RPU).
Kanske kan någon ännu mindre vetenskapligt förklara kort hur NPP-kraftenheten börjar fungera? :-)
Kom ihåg ett ämne som Den ursprungliga artikeln finns på webbplatsen InfoGlaz.rf Länken till artikeln som denna kopia gjordes av är
Betydelsen av kärnenergi i den moderna världen
Kärnkraft har tagit ett stort steg framåt under de senaste decennierna och har blivit en av de viktigaste källorna till el i många länder. Samtidigt bör man komma ihåg att bakom utvecklingen av denna gren av den nationella ekonomin ligger de enorma ansträngningarna från tiotusentals forskare, ingenjörer och vanliga arbetare som gör allt för att förhindra att den "fredliga atomen" blir en verklig hot mot miljontals människor. Den verkliga kärnan i alla kärnkraftverk är kärnreaktorn.
Historien om skapandet av en kärnreaktor
Den första anordningen byggdes mitt i andra världskriget i USA av den berömda forskaren och ingenjören E. Fermi. På grund av dess ovanliga utseende, som liknade en stapel med staplade grafitblock, fick denna kärnreaktor namnet "Chicago stack". Det är värt att notera att den här enheten arbetade på uran, som placerades precis mellan blocken.
Bygga en kärnreaktor i Sovjetunionen
I vårt land ägdes också ökad uppmärksamhet åt kärnkraftsfrågor. Trots att forskarnas huvudsakliga ansträngningar koncentrerades till militär användning av atomen använde de aktivt de resultat som erhölls för fredliga ändamål. Den första kärnreaktorn, med kodnamnet F-1, byggdes av en grupp forskare som leds av den berömda fysikern I. Kurchatov i slutet av december 1946. Dess betydande nackdel var frånvaron av något slags kylsystem, så kraften i den energi som den släppte var extremt obetydlig. Samtidigt slutförde sovjetiska forskare det arbete de hade börjat, vilket resulterade i öppningen, bara åtta år senare, av världens första kärnkraftsdrivna kraftverk i staden Obninsk.
Principen för reaktorns funktion
En kärnreaktor är en extremt komplex och farlig teknisk anordning. Dess funktionsprincip baseras på det faktum att när uran förfaller, släpps flera neutroner ut som i sin tur slår ut elementära partiklar från närliggande uranatomer. Som ett resultat av denna kedjereaktion frigörs en betydande mängd energi i form av värme- och gammastrålning. Samtidigt bör man ta hänsyn till det faktum att om denna reaktion inte kan kontrolleras på något sätt, då klyvning av uranatomer till det maximala kort tid kan leda till en kraftfull explosion med oönskade konsekvenser.
För att reaktionen ska gå inom ett strikt beskrivet ramverk är utformningen av en kärnreaktor av stor betydelse. För närvarande är varje sådan struktur en slags panna genom vilken kylvätskan flyter. Vatten används vanligtvis i denna kapacitet, men det finns kärnkraftverk som använder flytande grafit eller tungt vatten. En modern kärnreaktor kan inte föreställas utan hundratals speciella sexkantiga kassetter. De innehåller bränsleelement, genom vilka kanaler kylmediet strömmar. Denna kassett är täckt med ett speciellt lager som kan reflektera neutroner och därmed sakta ner kedjereaktionen
Kärnreaktor och dess skydd
Den har flera skyddsnivåer. Förutom själva kroppen är den täckt med speciell värmeisolering och biologiskt skydd ovanifrån. Ur teknisk synvinkel är denna struktur en kraftfull bunker av armerad betong vars dörrar är stängda så tätt som möjligt.
Idag tar vi en kort resa till kärnfysikvärlden. Ämnet för vår utflykt kommer att vara en kärnreaktor. Du får reda på hur det fungerar, vad fysiska principerär kärnan i dess arbete och där den här enheten används.
Födelsen av kärnkraft
Världens första kärnreaktor skapades 1942 i USA en experimentell grupp av fysiker som leds av en pristagare Nobelpriset Enrico Fermi. Samtidigt genomförde de en självbärande uranfissionsreaktion. Atomgenien släpptes.
Den första sovjetiska kärnreaktorn lanserades 1946, och åtta år senare gav världens första kärnkraftverk i staden Obninsk ström. Chef för vetenskaplig arbetsledare i kärnkraft Sovjetunionen var en enastående fysiker Igor Vasilievich Kurchatov.
Sedan dess har flera generationer av kärnreaktorer förändrats, men huvudelementen i dess design har varit oförändrade.
Anatomi av en kärnreaktor
Denna kärnanläggning är en tjockväggig ståltank med en cylindrisk kapacitet som sträcker sig från några kubikcentimeter till många kubikmeter.
Inuti denna cylinder är det heliga av heliga - reaktorkärna. Det är här kedjereaktionen av kärnkraftsfission sker.
Låt oss se hur denna process sker.
I synnerhet kärnorna till tunga element Uranium-235 (U-235), under påverkan av en liten energiimpuls kan de falla sönder i två fragment med ungefär lika massa. Det orsakande medlet för denna process är en neutron.
Fragmenten är oftast kärnorna i barium och krypton. Var och en av dem har en positiv laddning, så krafterna från Coulomb-avstötningen tvingar dem att spridas in i dem olika sidor med en hastighet av cirka 1/30 ljushastighet. Dessa fragment är bärare av kolossal kinetisk energi.
För praktisk användning av energi är det nödvändigt att dess frigörande är självbärande. Kedjereaktion, som vi pratar om är så intressant att varje fissionshandling åtföljs av utsläpp av nya neutroner. För en initial neutron visas i genomsnitt 2-3 nya neutroner. Antalet klyvbara urankärnor växer som en lavin, orsakar frigöring av enorm energi. Om denna process inte kontrolleras kommer en kärnexplosion att inträffa. Det tog plats i.
För att reglera antalet neutroner material som absorberar neutroner införs i systemet, ger en smidig frigöring av energi. Kadmium eller bor används som neutronabsorbatorer.
Hur utnyttjar och utnyttjar du fragmentens enorma kinetiska energi? För dessa ändamål används ett kylmedel, dvs. ett speciellt medium som rör sig där fragmenten retarderas och värmer upp det till extremt höga temperaturer. Ett sådant medium kan vara vanligt eller tungt vatten, flytande metaller (natrium) såväl som vissa gaser. För att inte orsaka kylvätskans övergång till ångtillstånd, högt tryck bibehålls i kärnan (upp till 160 atm). Av denna anledning är reaktorns väggar gjorda av specialkvaliteter av tio centimeter stål.
Om neutroner flyger ut ur kärnbränslet kan kedjereaktionen avbrytas. Därför finns det en kritisk massa av klyvbart material, dvs. dess minsta massa, vid vilken kedjereaktionen kommer att upprätthållas. Det beror på olika parametrar, inklusive närvaron av en reflektor som omger reaktorkärnan. Det tjänar till att förhindra neutronläckage in i miljö... Det vanligaste materialet för denna komponent är grafit.
Processerna som äger rum i reaktorn åtföljs av frisättningen av den farligaste typen av strålning - gammastrålning. För att minimera denna fara ger det strålskydd.
Hur en kärnreaktor fungerar
Kärnbränsle, som kallas bränslestavar, placeras i reaktorkärnan. De är tabletter gjorda av klyvbart material och förpackade i tunna rör som är cirka 3,5 m långa och 10 mm i diameter.
Hundratals bränslepatroner av samma typ placeras i kärnan och de blir källor till termisk energi som frigörs under kedjereaktionen. Kylvätskan som tvättar bränslestavarna utgör reaktorns första slinga.
Uppvärmd till höga parametrar pumpas den till ånggeneratorn, där den överför sin energi till vattnet i sekundärkretsen och omvandlar den till ånga. Den resulterande ångan roterar turbingeneratorn. El som genereras av denna enhet överförs till konsumenten. Och ångavfallet, kylt av vatten från kyldammen, i form av kondensat, återvänder till ånggeneratorn. Cykeln är stängd.
Ett sådant dubbelkretsarbete kärnkraftsanläggning utesluter penetrering av strålning som åtföljer de processer som sker i kärnan utanför dess gränser.
Så en kedja av energitransformationer inträffar i reaktorn: kärnkraften i det klyvbara materialet → in i fragmentets kinetiska energi → kylvätskans termiska energi → turbinens kinetiska energi → och in i den elektriska energin i generatorn .
Den oundvikliga energiförlusten leder till att Effektivitet kärnkraftverk relativt små 33-34%.
Förutom att generera elektrisk energi vid kärnkraftverk används kärnreaktorer för att erhålla olika radioaktiva isotoper, för forskning inom många industriområden, för att studera tillåtna parametrar för industriella reaktorer. Transportreaktorer, som ger fordonsmotorer kraft, blir mer och mer utbredda.
Typer av kärnreaktorer
Vanligtvis kör kärnreaktorer på uran U-235. Emellertid är dess innehåll i naturligt material extremt litet, endast 0,7%. Huvuddelen av naturligt uran är isotopen U-238. Endast långsamma neutroner kan orsaka en kedjereaktion i U-235, och U-238-isotopen delas endast av snabba neutroner. Som ett resultat av kärnklyvning föds både långsamma och snabba neutroner. Snabba neutroner som genomgår retardation i kylvätskan (vatten) blir långsamma. Men mängden U-235-isotop i naturligt uran är så liten att det är nödvändigt att tillgripa dess anrikning och föra koncentrationen till 3-5%. Denna process är mycket dyr och ekonomiskt olönsam. Dessutom beräknas tiden för utarmning av naturresurserna för denna isotop vara endast 100-120 år.
Därför inom kärnkraftsindustrin det sker en gradvis övergång till snabba reaktorer.
Deras huvudsakliga skillnad är att flytande metaller används som kylmedel, vilket inte saktar ner neutroner, och U-238 används som kärnbränsle. Kärnorna i denna isotop passerar genom en kedja av kärntransformationer till Plutonium-239, som är föremål för en kedjereaktion på samma sätt som U-235. Det vill säga reproduktionen av kärnbränsle sker och i en mängd som överstiger dess förbrukning.
Enligt experter reserverna för isotopen Uranium-238 bör räcka i 3000 år. Den här tiden är tillräckligt för att mänskligheten ska ha tillräckligt med tid för att utveckla andra tekniker.
Problem med att använda kärnkraft
Tillsammans med de uppenbara fördelarna med kärnkraft kan man inte underskatta omfattningen av problemen i samband med driften av kärnkraftsanläggningar.
Den första är bortskaffande av radioaktivt avfall och nedmonterad utrustning kärnenergi. Dessa element har en aktiv strålningsbakgrund som kvarstår lång period... För bortskaffande av detta avfall används speciella blybehållare. De ska begravas i permafrostregioner på ett djup av upp till 600 meter. Därför pågår arbete ständigt för att hitta ett sätt att bearbeta radioaktivt avfall, vilket skulle lösa problemet med bortskaffande och bidra till att bevara vår planets ekologi.
Det andra inte mindre svåra problemet är säkerställa säkerheten under NPP-drift. Stora olyckor som Tjernobylolyckan kan ta många liv och ta stora territorier ur bruk.
Olyckan vid det japanska kärnkraftverket "Fukushima-1" bekräftade bara den potentiella fara som manifesterar sig i händelse av en nödsituation vid kärnkraftsanläggningar.
Men kärnkraftens möjligheter är så stora att miljöproblem bleknar i bakgrunden.
Idag har mänskligheten inget annat sätt att tillfredsställa den ständigt växande energishungren. Grunden för framtidens kärnkraftsindustri kommer sannolikt att vara "snabba" reaktorer med funktionen att reproducera kärnbränsle.
Om detta meddelande är användbart för dig kommer det att vara trevligt att se dig.
Kärnreaktor
Kärnreaktor
Kärnreaktor
- en installation där en självförsörjande kontrollerad kedjesplitningsreaktion utförs. Kärnreaktorer används för kärnkraft och forskningsändamål. Huvuddelen av reaktorn är dess aktiva zon, där kärnklyvning sker och kärnenergi frigörs. Kärnan, som vanligtvis är i form av en cylinder med en volym från fraktioner av en liter till många kubikmeter, innehåller klyvbart material (kärnbränsle) i en mängd som överstiger den kritiska massan. Kärnbränsle (uran, plutonium) placeras som regel inuti bränsleelement (bränslestavar), vars antal i kärnan kan nå tiotusentals. Bränslestavar är grupperade i förpackningar med flera tiotals eller hundratals bitar. Kärnan är i de flesta fall en uppsättning bränslestavar nedsänkta i ett modererande medium (moderator) - ett ämne på grund av elastiska kollisioner med atomerna vars neutroners energi, som orsakar och åtföljande fission, reduceras till energier av termisk jämvikt med mediet. Sådana "termiska" neutroner har en ökad förmåga att inducera klyvning. Vatten (inklusive tungt vatten, D 2 O) och grafit används vanligtvis som moderatorer. Reaktorkärnan är omgiven av en reflektor gjord av material som kan sprida neutroner väl. Detta lager returnerar neutroner som släpps ut från kärnan tillbaka till denna zon, vilket ökar hastigheten för kedjereaktionen och minskar den kritiska massan. Strålningsbiologisk avskärmning av betong och andra material placeras runt reflektorn för att minska strålningen utanför reaktorn till en acceptabel nivå.
I kärnan frigörs enorm energi som värme till följd av klyvning. Den avlägsnas från kärnan med hjälp av gas, vatten eller annat ämne (kylvätska), som ständigt pumpas genom kärnan och tvättar bränslestavarna. Denna värme kan användas för att skapa varm ånga som vänder kraftverkets turbin.
För att kontrollera hastigheten för klyvningskedjereaktionen används kontrollstavar av material som starkt absorberar neutroner. Deras införande i kärnan minskar kedjereaktionens hastighet och, om nödvändigt, helt stoppar den, trots att massan av kärnbränsle överstiger den kritiska. När kontrollstavarna avlägsnas från kärnan minskar neutronabsorptionen och kedjereaktionen kan bringas till ett självbärande stadium.
Den första reaktorn lanserades i USA 1942. I Europa lanserades den första reaktorn 1946 i Sovjetunionen.
Speciellt isotopens kärnor och fångar mest långsamma neutroner. Sannolikheten för att fånga långsamma neutroner med efterföljande klyvning av kärnor är hundratals gånger större än för snabba. I kärnreaktorer som drivs av naturligt uran används därför neutronmoderatorer för att öka neutronmultiplikationsfaktorn. Processerna i en kärnreaktor visas schematiskt i figur 13.15.
Huvudelementen i en kärnreaktor. Figur 13.16 visar ett diagram kraftverk med en kärnreaktor.
Huvudelementen i en kärnreaktor är: kärnbränsle, en neutronmoderator (tungt eller vanligt vatten, grafit, etc.), ett kylmedel för att avlägsna den energi som genereras under drift av reaktorn (vatten, flytande natrium, etc.), och en anordning för att reglera reaktionshastigheten (införda stavar som innehåller kadmium eller bor - ämnen som absorberar neutroner väl från reaktorn). Utanför är reaktorn omgiven av ett skyddande skal som blockerar γ-strålning och neutroner. Skalet är tillverkat av järnfylld betong.
Fermi Enrico (1901 - 1954)- den stora italienska fysikern som gjorde ett stort bidrag till utvecklingen av modern teoretisk och experimentell fysik. År 1938 emigrerade han till USA. Samtidigt med Dirac skapade han kvantstatistikteorin om elektroner och andra partiklar (Fermi - Dirac-statistik). Utvecklade en kvantitativ teori om p-förfall - en prototyp av den moderna kvantteorin om interaktion mellan elementära partiklar. Han gjorde ett antal grundläggande upptäckter inom neutronfysiken. Under hans ledning genomfördes 1942 för första gången en kontrollerad kärnreaktion.
Den bästa moderatorn är tungt vatten (se § 102). Vanligt vatten fångar i sig neutroner och förvandlas till tungt vatten. Grafit, vars kärnor inte absorberar neutroner, anses också vara en bra moderator.
Kritisk massa. Multiplikationsfaktorn k kan endast bli lika med enheten om reaktorns dimensioner och följaktligen uranmassan överstiger vissa kritiska värden. Den kritiska massan är den minsta klyvbara massan där en kärnkedjereaktion fortfarande kan fortsätta.
I små storlekar är neutronläckaget genom ytan på reaktorkärnan (volymen där stavarna med uran är belägna) för stor.
Med en ökning av systemets storlek ökar antalet kärnor som deltar i klyvning i proportion till volymen och antalet neutroner som förloras på grund av läckage ökar i proportion till ytan. Genom att öka systemets storlek är det därför möjligt att uppnå värdet av multiplikationsfaktorn k 1. Systemet kommer att ha kritiska dimensioner om antalet neutroner som förloras på grund av infångning och läckage är lika med antalet neutroner erhållna i klyvningsprocessen. De kritiska dimensionerna och följaktligen den kritiska massan bestäms av typen av kärnbränsle, moderator och designfunktioner hos reaktorn.
För rent (utan moderator) uran i form av en sfär är den kritiska massan cirka 50 kg. I detta fall är sfärens radie cirka 9 cm (uran är en mycket tung substans). Genom att använda neutronmoderatorer och ett neutronreflekterande berylliumskal var det möjligt att minska den kritiska massan till 250 g.
Kurchatov Igor Vasilievich (1903-1960)- Sovjetisk fysiker och arrangör av vetenskaplig forskning, tre gånger hjälte av socialistiskt arbete. 1943 ledde han vetenskapligt arbete relaterade till atomproblemet. Under hans ledning, den första kärnreaktorn i Europa (1946) och den första sovjet atombomb (1949). Tidigt arbete relaterar till studier av ferroelektriker, kärnreaktioner orsakade av neutroner, artificiell radioaktivitet. Upptäckte förekomsten av upphetsade tillstånd av kärnor med en relativt lång "livstid".
Reaktorn styrs av stavar som innehåller kadmium eller bor. När stängerna sträcks ut från reaktorkärnan k> 1 och när stängerna är helt utdragna, k< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.
Snabba reaktorer. Reaktorer som fungerar utan moderator på snabba neutroner har byggts. Eftersom sannolikheten för klyvning orsakad av snabba neutroner är liten kan sådana reaktorer inte fungera på naturligt uran.
Reaktionen kan endast upprätthållas i en anrikad blandning innehållande minst 15% av isotopen. Fördelen med snabba reaktorer är att de genererar en betydande mängd plutonium, som sedan kan användas som kärnbränsle. Dessa reaktorer kallas uppfödningsreaktorer eftersom de reproducerar klyvbart material. Reaktorer med ett avelsförhållande på upp till 1,5 är under uppbyggnad. Detta innebär att klyvning av 1 kg av isotopen i reaktorn ger upp till 1,5 kg plutonium. I konventionella reaktorer är avelsförhållandet 0,6-0,7.
Första kärnreaktorer. För första gången genomfördes en värdefull kärnklyvningsreaktion av uran i USA av ett forskargrupp under ledning av Enrico Fermi i december 1942.
I vårt land lanserades den första kärnkraftsredaktören den 25 december 1946 av ett team av fysiker som leds av vår anmärkningsvärda forskare Igor Vasil'evich Kurchatov. För närvarande har olika typer av reaktorer skapats, som skiljer sig från varandra både i kraft och i sitt syfte.
I kärnreaktorer finns, förutom kärnbränsle, en neutronmoderator och kontrollstavar. Den frigjorda energin avlägsnas av värmebäraren.
1. Vad är kritisk massa!
2. Varför används en neutronmoderator i en atomreaktor!
Världens snabbaste båt!
Historien om Off-White-märket
Habakkuk: hur britterna försökte bygga ett hangarfartyg av is Varför projektet begränsades