Schemat procesów w reaktorze jądrowym. Wszyscy słyszeli, ale nikt nie wie. Jak działa reaktor jądrowy (atomowy). Klasyfikacja reaktorów jądrowych według rodzaju chłodziwa

Dziś odbędziemy krótką podróż do świata fizyki jądrowej. Tematem naszej wycieczki będzie reaktor jądrowy. Dowiesz się, jak to działa, jakie fizyczne zasady leżą u podstaw jego działania i gdzie to urządzenie jest używane.

Narodziny energii jądrowej

Pierwszy na świecie reaktor jądrowy zbudowano w 1942 roku w USA. eksperymentalna grupa fizyków kierowana przez laureata Nagrody Nobla Enrico Fermi. Jednocześnie przeprowadzili samopodtrzymującą się reakcję rozszczepienia uranu. Atomowy dżin został uwolniony.

Pierwszy sowiecki reaktor jądrowy został uruchomiony w 1946 roku, a 8 lat później pierwsza na świecie elektrownia jądrowa w mieście Obninsk dała prąd. Głównym opiekunem naukowym prac w energetyce jądrowej ZSRR był wybitny fizyk Igor Wasiliewicz Kurczatow.

Od tego czasu zmieniło się kilka generacji reaktorów jądrowych, ale główne elementy jego konstrukcji pozostały niezmienione.

Anatomia reaktora jądrowego

Ten obiekt jądrowy to grubościenny stalowy zbiornik o pojemności cylindrycznej od kilku centymetrów sześciennych do wielu metrów sześciennych.

Wewnątrz tego cylindra jest świętość świętych - rdzeń reaktora. To tutaj zachodzi reakcja łańcuchowa rozszczepienia paliwa jądrowego.

Zobaczmy, jak przebiega ten proces.

W szczególności jądra pierwiastków ciężkich Uran-235 (U-235), pod wpływem niewielkiego nacisku energetycznego są w stanie rozpaść się na 2 fragmenty o w przybliżeniu równej masie. Czynnikiem sprawczym tego procesu jest neutron.

Fragmenty to najczęściej jądra baru i kryptonu. Każdy z nich niesie ładunek dodatni, więc siły odpychania kulombowskiego zmuszają je do rozpraszania się w różnych kierunkach z prędkością około 1/30 prędkości światła. Te fragmenty są nośnikami kolosalnej energii kinetycznej.

Do praktycznego wykorzystania energii konieczne jest, aby jej uwalnianie było samowystarczalne. Reakcja łańcuchowa, jest to tym bardziej interesujące, że każdemu rozszczepieniu towarzyszy emisja nowych neutronów. Na jeden początkowy neutron powstają średnio 2-3 nowe neutrony. Liczba jąder rozszczepialnych uranu rośnie jak lawina, powodując uwolnienie ogromnej energii. Jeśli ten proces nie będzie kontrolowany, nastąpi eksplozja nuklearna. Odbywa się w .

Aby kontrolować liczbę neutronów do układu wprowadzane są materiały pochłaniające neutrony, zapewniając płynne uwalnianie energii. Jako pochłaniacze neutronów stosuje się kadm lub bor.

Jak ograniczyć i wykorzystać ogromną energię kinetyczną odłamków? Do tych celów stosuje się chłodziwo, tj. specjalne medium, w którym poruszają się fragmenty, które są spowalniane i podgrzewane do ekstremalnie wysokich temperatur. Takim medium może być zwykła lub ciężka woda, ciekłe metale (sód), a także niektóre gazy. Aby nie spowodować przejścia chłodziwa w stan pary, w rdzeniu utrzymuje się wysokie ciśnienie (do 160 atm). Z tego powodu ściany reaktora wykonane są z dziesięciocentymetrowej stali specjalnych gatunków.

Jeśli neutrony wylatują z paliwa jądrowego, reakcja łańcuchowa może zostać przerwana. Dlatego istnieje masa krytyczna materiału rozszczepialnego, tj. jego minimalna masa, przy której będzie utrzymywana reakcja łańcuchowa. Zależy to od różnych parametrów, w tym od obecności reflektora otaczającego rdzeń reaktora. Służy do zapobiegania wyciekom neutronów do środowiska. Najpopularniejszym materiałem na ten element konstrukcyjny jest grafit.

Procesom zachodzącym w reaktorze towarzyszy wydzielanie się najniebezpieczniejszego rodzaju promieniowania – promieniowania gamma. Aby zminimalizować to niebezpieczeństwo, zapewnia ochronę przed promieniowaniem.

Jak działa reaktor jądrowy

W rdzeniu reaktora umieszczane jest paliwo jądrowe, zwane elementami paliwowymi. Są to tabletki uformowane z materiału rozszczepialnego i zapakowane w cienkie tuby o długości około 3,5 mi średnicy 10 mm.

W rdzeniu umieszczone są setki zestawów paliwowych tego samego typu, które stają się źródłem energii cieplnej uwalnianej podczas reakcji łańcuchowej. Chłodziwo myjące pręty paliwowe tworzy pierwszy obwód reaktora.

Podgrzany do wysokich parametrów pompowany jest do wytwornicy pary, gdzie oddaje swoją energię wodzie obiegu wtórnego zamieniając ją w parę. Powstała para wiruje generator turbiny. Energia elektryczna wytwarzana przez to urządzenie jest przekazywana konsumentowi. Natomiast para odlotowa, schłodzona wodą z basenu chłodzącego, w postaci kondensatu, jest zawracana do wytwornicy pary. Cykl się zamyka.

Taka dwutorowa praca instalacji jądrowej wyklucza przenikanie promieniowania towarzyszącego procesom zachodzącym w jądrze poza jego granice.

Tak więc w reaktorze zachodzi łańcuch przemian energii: energia jądrowa materiału rozszczepialnego → w energię kinetyczną fragmentów → energia cieplna chłodziwa → energia kinetyczna turbiny → i w energię elektryczną w generatorze.

Nieunikniona utrata energii prowadzi do tego, że Sprawność elektrowni jądrowych jest stosunkowo niska, 33-34%.

Oprócz wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych, reaktory jądrowe są wykorzystywane do produkcji różnych izotopów promieniotwórczych, do badań w wielu dziedzinach przemysłu oraz do badania dopuszczalnych parametrów reaktorów przemysłowych. Reaktory transportowe, które dostarczają energię do silników pojazdów, stają się coraz bardziej rozpowszechnione.

Rodzaje reaktorów jądrowych

Zazwyczaj reaktory jądrowe działają na uranie U-235. Jednak jego zawartość w materiale naturalnym jest niezwykle niska, tylko 0,7%. Główną masą naturalnego uranu jest izotop U-238. Reakcja łańcuchowa w U-235 może być spowodowana tylko przez wolne neutrony, a izotop U-238 jest rozszczepiany tylko przez szybkie neutrony. W wyniku rozszczepienia jądrowego powstają zarówno wolne, jak i szybkie neutrony. Szybkie neutrony, doświadczające spowolnienia w chłodziwie (wody), stają się wolne. Jednak ilość izotopu U-235 w naturalnym uranie jest tak mała, że konieczne jest uciekanie się do jego wzbogacania, doprowadzając jego stężenie do 3-5%. Proces ten jest bardzo kosztowny i niekorzystny ekonomicznie. Ponadto czas wyczerpywania się zasobów naturalnych tego izotopu szacowany jest na zaledwie 100-120 lat.

Dlatego w przemyśle jądrowym następuje stopniowe przejście do reaktorów działających na neutronach prędkich.

Ich główna różnica polega na tym, że jako chłodziwo stosuje się ciekłe metale, które nie spowalniają neutronów, a U-238 jest używany jako paliwo jądrowe. Jądra tego izotopu przechodzą przez łańcuch przemian jądrowych w pluton-239, który podlega reakcji łańcuchowej w taki sam sposób jak U-235. Oznacza to, że następuje reprodukcja paliwa jądrowego i to w ilości przekraczającej jego zużycie.

Według ekspertów Zasoby izotopowe uranu-238 powinny wystarczyć na 3000 lat. Ten czas wystarczy, aby ludzkość miała wystarczająco dużo czasu na opracowanie innych technologii.

Problemy w wykorzystaniu energii jądrowej

Wraz z oczywistymi zaletami energetyki jądrowej nie można lekceważyć skali problemów związanych z eksploatacją obiektów jądrowych.

Pierwszym z nich jest unieszkodliwianie odpadów promieniotwórczych i zdemontowanych urządzeń energia nuklearna. Pierwiastki te mają aktywne tło promieniowania, które utrzymuje się przez długi czas. Do unieszkodliwiania tych odpadów wykorzystywane są specjalne pojemniki ołowiane. Mają być zakopywane w obszarach wiecznej zmarzliny na głębokości do 600 metrów. Dlatego nieustannie trwają prace nad znalezieniem sposobu na przetwarzanie odpadów radioaktywnych, co powinno rozwiązać problem ich utylizacji i pomóc zachować ekologię naszej planety.

Drugim głównym problemem jest: zapewnienie bezpieczeństwa podczas eksploatacji elektrowni jądrowej. Poważne wypadki, takie jak Czarnobyl, mogą pozbawić życia wielu ludzi i pozbawić użytku rozległe terytoria.

Awaria w japońskiej elektrowni jądrowej „Fukushima-1” tylko potwierdziła potencjalne niebezpieczeństwo, jakie objawia się w przypadku sytuacji awaryjnej w obiektach jądrowych.

Jednak możliwości energetyki jądrowej są tak duże, że problemy środowiskowe schodzą na dalszy plan.

Dziś ludzkość nie ma innego sposobu na zaspokojenie stale rosnącego głodu energetycznego. Podstawą energetyki jądrowej przyszłości będą prawdopodobnie „szybkie” reaktory z funkcją hodowli paliwa jądrowego.

Gdyby ta wiadomość była dla Ciebie przydatna, chętnie Cię zobaczę

Urządzenie i zasada działania

Mechanizm zwalniający moc

Przekształceniu substancji towarzyszy uwolnienie energii swobodnej tylko wtedy, gdy substancja ma zapas energii. To ostatnie oznacza, że mikrocząstki substancji znajdują się w stanie o energii spoczynkowej większej niż w innym możliwym stanie, do którego istnieje przejście. Spontanicznemu przejściu zawsze zapobiega bariera energetyczna, aby ją pokonać, mikrocząstka musi otrzymać pewną ilość energii z zewnątrz - energię wzbudzenia. Reakcja egzoenergetyczna polega na tym, że w transformacji następującej po wzbudzeniu uwalniane jest więcej energii niż jest potrzebne do wzbudzenia procesu. Istnieją dwa sposoby pokonania bariery energetycznej: albo dzięki energii kinetycznej zderzających się cząstek, albo dzięki energii wiązania zbliżającej się cząstki.

Jeśli weźmiemy pod uwagę makroskopowe skale uwalniania energii, to energia kinetyczna niezbędna do wzbudzenia reakcji musi mieć wszystkie lub przynajmniej niektóre cząstki substancji. Można to osiągnąć jedynie podnosząc temperaturę medium do wartości, przy której energia ruchu termicznego zbliża się do wartości progu energetycznego ograniczającego przebieg procesu. W przypadku przemian molekularnych, czyli reakcji chemicznych, wzrost ten wynosi zwykle setki kelwinów, natomiast w przypadku reakcji jądrowych jest to co najmniej 107, ze względu na bardzo dużą wysokość barier kulombowskich jąder kolidujących. Wzbudzenie cieplne reakcji jądrowych zostało przeprowadzone w praktyce tylko w syntezie najlżejszych jąder, w których bariery kulombowskie są minimalne (fuzja termojądrowa).

Wzbudzenie przez łączące się cząstki nie wymaga dużej energii kinetycznej, a zatem nie jest zależne od temperatury ośrodka, ponieważ występuje z powodu niewykorzystanych wiązań tkwiących w cząsteczkach sił przyciągania. Ale z drugiej strony same cząstki są niezbędne do wzbudzenia reakcji. A jeśli znowu mamy na myśli nie odrębny akt reakcji, ale produkcję energii w skali makroskopowej, to jest to możliwe tylko wtedy, gdy zachodzi reakcja łańcuchowa. To ostatnie pojawia się, gdy cząstki wzbudzające reakcję pojawiają się ponownie jako produkty reakcji egzoenergetycznej.

Projekt

Każdy reaktor jądrowy składa się z następujących części:

Rdzeń z paliwem jądrowym i moderatorem;
Odbłyśnik neutronowy otaczający rdzeń;
System regulacji reakcji łańcuchowej, w tym ochrona awaryjna;
Ochrona przed promieniowaniem;
System zdalnego sterowania.

Fizyczne zasady działania

Zobacz także główne artykuły:

Obecny stan reaktora jądrowego można scharakteryzować efektywnym mnożnikiem neutronów k lub reaktywność ρ , które są powiązane następującą relacją:

Wartości te charakteryzują się następującymi wartościami:

k> 1 - reakcja łańcuchowa narasta w czasie, reaktor jest w nadkrytyczny stan, jego reaktywność ρ > 0;
k < 1 - реакция затухает, реактор - podkrytyczny, ρ < 0;
k = 1, ρ = 0 - liczba rozszczepień jądrowych jest stała, reaktor jest w stanie stabilnym krytyczny stan.

Stan krytyczności reaktora jądrowego:

, gdzie

Konwersję mnożnika do jedności osiąga się poprzez zbilansowanie mnożenia neutronów z ich stratami. W rzeczywistości istnieją dwie przyczyny strat: wychwytywanie bez rozszczepienia i wyciek neutronów poza ośrodek hodowlany.

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

k 0 dla reaktorów termicznych można określić za pomocą tzw. „wzór 4 czynników”:

, gdzie

η to wydajność neutronów na dwie absorpcje.

Objętości nowoczesnych reaktorów energetycznych mogą sięgać setek m³ i są determinowane głównie nie warunkami krytyczności, ale możliwościami odprowadzania ciepła.

Objętość krytyczna reaktor jądrowy - objętość rdzenia reaktora w stanie krytycznym. Masa Krytyczna to masa materiału rozszczepialnego reaktora, który znajduje się w stanie krytycznym.

Reaktory zasilane wodnymi roztworami soli czystych izotopów rozszczepialnych z reflektorem neutronów wodnych mają najniższą masę krytyczną. Dla 235 U masa ta wynosi 0,8 kg, dla 239 Pu 0,5 kg. Powszechnie jednak wiadomo, że masa krytyczna reaktora LOPO (pierwszego na świecie reaktora wzbogaconego uranu), który posiadał reflektor z tlenku berylu, wynosiła 0,565 kg, mimo że stopień wzbogacenia w izotop 235 był tylko nieznacznie ponad 14%. Teoretycznie najmniejszą ma masę krytyczną, dla której wartość ta wynosi zaledwie 10g.

W celu zmniejszenia wycieku neutronów, rdzeń ma kształt kulisty lub zbliżony do kulistego, taki jak krótki cylinder lub sześcian, ponieważ te liczby mają najmniejszy stosunek pola powierzchni do objętości.

Pomimo tego, że wartość (e - 1) jest zwykle niewielka, rola mnożenia neutronów prędkich jest dość duża, ponieważ dla dużych reaktorów jądrowych (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Aby rozpocząć reakcję łańcuchową, zwykle podczas spontanicznego rozszczepienia jąder uranu wytwarzana jest wystarczająca ilość neutronów. Możliwe jest również użycie zewnętrznego źródła neutronów do uruchomienia reaktora, na przykład mieszaniny i lub innych substancji.

pita jodowa

Główny artykuł: pit jodu

Jama jodowa - stan reaktora jądrowego po jego wyłączeniu, charakteryzujący się nagromadzeniem krótkożyciowego izotopu ksenonu. Proces ten prowadzi do chwilowego pojawienia się znacznej reaktywności ujemnej, co z kolei uniemożliwia doprowadzenie reaktora do projektowanej wydajności przez pewien czas (około 1-2 dni).

Klasyfikacja

Po wcześniejszym umówieniu

W zależności od charakteru wykorzystania reaktorów jądrowych dzieli się na:

Reaktory mocy przeznaczone do produkcji energii elektrycznej i cieplnej wykorzystywanej w energetyce, a także do odsalania wody morskiej (reaktory odsalające zaliczane są również do przemysłowych). Takie reaktory były wykorzystywane głównie w elektrowniach jądrowych. Moc cieplna nowoczesnych reaktorów energetycznych sięga 5 GW. W osobnej grupie przydziel:
- Reaktory transportowe przeznaczony do dostarczania energii do silników pojazdów. Najszersze grupy zastosowań to reaktory transportu morskiego stosowane na okrętach podwodnych i różnych jednostkach pływających, a także reaktory wykorzystywane w technologii kosmicznej.
Reaktory eksperymentalne, przeznaczony do badania różnych wielkości fizycznych, których wartość jest niezbędna do projektowania i eksploatacji reaktorów jądrowych; moc takich reaktorów nie przekracza kilku kW.
Reaktory badawcze, w którym powstające w rdzeniu strumienie neutronów i promieniowania gamma są wykorzystywane do badań z zakresu fizyki jądrowej, fizyki ciała stałego, chemii radiacyjnej, biologii, do badania materiałów przeznaczonych do pracy w intensywnych strumieniach neutronów (w tym części reaktorów jądrowych), do produkcji izotopów. Moc reaktorów badawczych nie przekracza 100 MW. Uwolniona energia zwykle nie jest wykorzystywana.
Reaktory przemysłowe (broń, izotopy) używany do produkcji izotopów stosowanych w różnych dziedzinach. Najczęściej stosowany do produkcji materiałów do broni jądrowej, takich jak 239 Pu. Również przemysłowe obejmują reaktory wykorzystywane do odsalania wody morskiej.

Często reaktory są używane do rozwiązywania dwóch lub więcej różnych zadań, w takim przypadku nazywane są różnego przeznaczenia. Na przykład niektóre reaktory energetyczne, zwłaszcza u zarania energetyki jądrowej, były przeznaczone głównie do eksperymentów. Reaktory na neutronach prędkich mogą jednocześnie wytwarzać energię i wytwarzać izotopy. Reaktory przemysłowe, poza swoim głównym zadaniem, często generują energię elektryczną i cieplną.

Zgodnie z widmem neutronowym

Termiczny (powolny) reaktor neutronowy („reaktor termiczny”)
Reaktor prędkich neutronów („reaktor prędki”)

Przez umieszczenie paliwa

Reaktory heterogeniczne, w których paliwo umieszczone jest w rdzeniu dyskretnie w postaci bloków, pomiędzy którymi znajduje się moderator;
Reaktory jednorodne, w których paliwo i moderator stanowią jednorodną mieszaninę (jednorodny układ).

W reaktorze heterogenicznym paliwo i moderator mogą być oddalone od siebie, w szczególności w reaktorze wnękowym moderator-reflektor otacza wnękę paliwem, które nie zawiera moderatora. Z punktu widzenia fizyki jądrowej kryterium jednorodności/heterogeniczności nie jest konstrukcja, ale umieszczenie bloków paliwowych w odległości przekraczającej długość moderacji neutronów w danym moderatorze. Na przykład tak zwane reaktory „close-lattice” są projektowane tak, aby były jednorodne, chociaż paliwo jest w nich zwykle odseparowane od moderatora.

Bloki paliwa jądrowego w reaktorze heterogenicznym nazywane są zespołami paliwowymi (FA), które są umieszczone w rdzeniu w węzłach regularnej sieci, tworząc komórki.

Według rodzaju paliwa

izotopy uranu 235, 238, 233 ( 235 U , 238 U , 233 U)
izotop plutonu 239 (239 Pu), a także izotopy 239-242 Pu w mieszaninie z 238 U (paliwo MOX)
izotop toru 232 (232 Th) (poprzez konwersję do 233 U)

Według stopnia wzbogacenia:

naturalny uran
nisko wzbogacony uran
wysoko wzbogacony uran

Według składu chemicznego:

metalowy
UC (węglik uranu) itp.

Według rodzaju chłodziwa

Gaz, (patrz reaktor grafitowy)
D 2 O (ciężka woda, patrz reaktor jądrowy na ciężką wodę, CANDU)

Według rodzaju moderatora

C (grafit, patrz reaktor grafitowo-gazowy, reaktor grafitowo-wodny)
H 2 O (woda, patrz reaktor wodny lekki, reaktor wodny ciśnieniowy, VVER)
D 2 O (ciężka woda, patrz reaktor jądrowy na ciężką wodę, CANDU)
Wodorki metali
Bez moderatora (patrz reaktor na neutronach prędkich)

Przez projekt

metoda wytwarzania pary

Reaktor z zewnętrzną wytwornicą pary (patrz PWR, VVER)

Klasyfikacja MAEA

PWR (ciśnieniowe reaktory wodne) - reaktor wodny ciśnieniowy (reaktor wodny ciśnieniowy);
BWR (reaktor wodny wrzący) - reaktor wodny wrzący;
FBR (reaktor prędki powielacz) - reaktor prędki powielacz;
GCR (reaktor chłodzony gazem) - reaktor chłodzony gazem;
LWGR (reaktor grafitowo-wodny) - reaktor grafitowo-wodny
PHWR (ciśnieniowy reaktor na ciężką wodę) - reaktor na ciężką wodę

Najbardziej rozpowszechnione na świecie są reaktory na wodę pod ciśnieniem (około 62%) i wodę wrzącą (20%).

Materiały reaktora

Materiały, z których zbudowane są reaktory, działają w wysokiej temperaturze w zakresie neutronów, kwantów γ i fragmentów rozszczepienia. Dlatego nie wszystkie materiały stosowane w innych gałęziach technologii nadają się do budowy reaktora. Przy doborze materiałów reaktorowych bierze się pod uwagę ich odporność na promieniowanie, obojętność chemiczną, przekrój absorpcji i inne właściwości.

Wysoka temperatura ma mniejszy wpływ na niestabilność promieniowania. Ruchliwość atomów staje się tak duża, że prawdopodobieństwo powrotu atomów wybitych z sieci krystalicznej na swoje miejsce lub rekombinacji wodoru i tlenu w cząsteczkę wody wyraźnie wzrasta. Tak więc w energetycznych reaktorach niewrzących radioliza wody jest nieznaczna (np. WWER), natomiast w potężnych reaktorach badawczych uwalniana jest znaczna ilość mieszaniny wybuchowej. Reaktory posiadają specjalne systemy do jego spalania.

Materiały reaktora stykają się ze sobą (okładzina elementu paliwowego z chłodziwem i paliwem jądrowym, kasety paliwowe z chłodziwem i moderatorem itp.). Naturalnie materiały kontaktowe muszą być chemicznie obojętne (kompatybilne). Przykładem niezgodności jest wchodzenie uranu i gorącej wody w reakcję chemiczną.

W przypadku większości materiałów właściwości wytrzymałościowe gwałtownie się pogarszają wraz ze wzrostem temperatury. W reaktorach energetycznych materiały konstrukcyjne działają w wysokich temperaturach. Ogranicza to wybór materiałów konstrukcyjnych, zwłaszcza tych części reaktora energetycznego, które muszą wytrzymać wysokie ciśnienie.

Dopalanie i reprodukcja paliwa jądrowego

Podczas pracy reaktora jądrowego, w wyniku nagromadzenia w paliwie fragmentów rozszczepionych, zmienia się jego skład izotopowy i chemiczny oraz powstają pierwiastki transuranowe, głównie izotopy. Wpływ fragmentów rozszczepienia na reaktywność reaktora jądrowego nazywa się zatrucie(dla fragmentów promieniotwórczych) i żużlowanie(dla stabilnych izotopów).

Głównym powodem zatrucia reaktora jest to, że ma największy przekrój absorpcji neutronów (2,6 10 6 barn). Okres półtrwania 135 Xe T 1/2 = 9,2 godz.; wydajność podziału wynosi 6-7%. Główna część 135 Xe powstaje w wyniku rozpadu ( T 1/2 = 6,8 godziny). W przypadku zatrucia Kef zmienia się o 1-3%. Duży przekrój poprzeczny absorpcji 135Xe i obecność izotopu pośredniego 135I prowadzą do dwóch ważnych zjawisk:

Do wzrostu stężenia 135 Xe i w konsekwencji do spadku reaktywności reaktora po jego wyłączeniu lub redukcji mocy („dołka jodu”), co uniemożliwia krótkotrwałe przestoje i wahania mocy wyjściowej. Efekt ten jest przezwyciężany przez wprowadzenie marginesu reaktywności w organach regulacyjnych. Głębokość i czas trwania studni jodu zależą od strumienia neutronów Ф: przy Ф = 5 10 18 neutronów/(cm² s), czas trwania studni jodu wynosi ˜ 30 h, a głębokość jest 2 razy większa niż zmiana stanu w Keff spowodowana zatruciem 135 Xe.
W wyniku zatrucia mogą wystąpić czasowo-przestrzenne fluktuacje strumienia neutronów Ф, a co za tym idzie mocy reaktora. Wahania te występują przy Ф > 10 18 neutronów/(cm² s) i przy dużych rozmiarach reaktorów. Okresy oscylacji ˜ 10 godz.

Rozszczepienie jądrowe powoduje powstanie dużej liczby stabilnych fragmentów, które różnią się przekrojem absorpcyjnym w porównaniu z przekrojem absorpcyjnym izotopu rozszczepialnego. Stężenie fragmentów o dużym przekroju absorpcyjnym osiąga nasycenie w pierwszych dniach pracy reaktora. Są to głównie TVELs w różnym „wieku”.

W przypadku całkowitej wymiany paliwa reaktor ma nadmierną reaktywność, którą należy skompensować, natomiast w drugim przypadku kompensacja jest wymagana tylko przy pierwszym uruchomieniu reaktora. Ciągłe uzupełnianie paliwa umożliwia zwiększenie głębokości wypalania, ponieważ reaktywność reaktora zależy od średnich stężeń izotopów rozszczepialnych.

Masa załadowanego paliwa przekracza masę rozładowanego ze względu na „masę” uwolnionej energii. Po wyłączeniu reaktora, najpierw głównie w wyniku rozszczepienia przez opóźnione neutrony, a następnie, po 1-2 minutach, w wyniku promieniowania β i γ fragmentów rozszczepienia i pierwiastków transuranowych, w paliwie nadal uwalniana jest energia. Jeśli reaktor pracował wystarczająco długo przed wyłączeniem, to 2 minuty po wyłączeniu uwalnianie energii wynosi około 3%, po 1 godzinie - 1%, po dobie - 0,4%, po roku - 0,05% mocy początkowej.

Stosunek liczby rozszczepialnych izotopów Pu utworzonych w reaktorze jądrowym do ilości wypalonych 235 U nazywa się współczynnik konwersji K K . Wartość KK wzrasta wraz ze zmniejszaniem się wzbogacenia i wypalenia. Dla reaktora ciężkowodnego pracującego na naturalnym uranie, z wypaleniem 10 GW doba/t K K = 0,55 oraz dla małych wypaleń (w tym przypadku K K nazywa się początkowy współczynnik plutonu) K K = 0,8. Jeśli reaktor jądrowy spala się i wytwarza te same izotopy (reaktor rozrodczy), wówczas nazywa się stosunek szybkości reprodukcji do szybkości wypalania współczynnik reprodukcji K V. W reaktorach termicznych K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g rośnie i a spada.

Kontrola reaktora jądrowego

Sterowanie reaktorem jądrowym jest możliwe tylko dzięki temu, że podczas rozszczepienia część neutronów wylatuje z fragmentów z opóźnieniem, które może wynosić od kilku milisekund do kilku minut.

Do sterowania reaktorem stosuje się pręty absorpcyjne, wprowadzane do rdzenia, wykonane z materiałów silnie pochłaniających neutrony (głównie i niektóre inne) i/lub roztwór kwasu borowego dodawany do chłodziwa w określonym stężeniu (regulacja boru) . Ruch prętów jest kontrolowany przez specjalne mechanizmy, napędy, działające na sygnały od operatora lub urządzenia do automatycznego sterowania strumieniem neutronów.

W przypadku różnych sytuacji awaryjnych w każdym reaktorze zapewnione jest awaryjne zakończenie reakcji łańcuchowej, realizowane przez wrzucenie wszystkich prętów absorbujących do rdzenia - system ochrony awaryjnej.

Ciepło resztkowe

Ważną kwestią bezpośrednio związaną z bezpieczeństwem jądrowym jest ciepło rozpadu. Jest to specyficzna cecha paliwa jądrowego, która polega na tym, że po zakończeniu reakcji łańcuchowej rozszczepienia i bezwładności cieplnej, która jest wspólna dla każdego źródła energii, wydzielanie ciepła w reaktorze trwa przez długi czas, co powoduje szereg technicznie skomplikowanych problemów.

Ciepło rozpadu jest konsekwencją rozpadu β i γ produktów rozszczepienia, które nagromadziły się w paliwie podczas pracy reaktora. Jądra produktów rozszczepienia w wyniku rozpadu przechodzą do bardziej stabilnego lub całkowicie stabilnego stanu z uwolnieniem znacznej energii.

Choć szybkość wydzielania ciepła resztkowego gwałtownie spada do wartości, które są niewielkie w porównaniu do wartości stacjonarnych, to w reaktorach dużej mocy jest ona znacząca w wartościach bezwzględnych. Z tego powodu uwalnianie ciepła z rozpadu wymaga długiego czasu, aby zapewnić usunięcie ciepła z rdzenia reaktora po jego wyłączeniu. Zadanie to wymaga obecności systemów chłodzenia z niezawodnym zasilaniem w projekt obiektu reaktora, a także konieczności długoterminowego (w ciągu 3-4 lat) przechowywania wypalonego paliwa jądrowego w obiektach magazynowych o specjalnym reżimie temperaturowym - baseny wypalonego paliwa , które zwykle znajdują się w bezpośrednim sąsiedztwie reaktora.

Zobacz też

Lista reaktorów jądrowych zaprojektowanych i zbudowanych w Związku Radzieckim

Literatura

Levin V. E. Fizyka jądrowa i reaktory jądrowe. 4 wyd. - M.: Atomizdat, 1979.
Shukolyukov A. Yu „Uran. naturalny reaktor jądrowy. „Chemia i życie” nr 6, 1980, s. 20-24

Uwagi

„ZEEP – pierwszy reaktor jądrowy w Kanadzie”, Kanadyjskie Muzeum Nauki i Technologii.
Greshilov A. A., Egupov N. D., Matushchenko A. M. Tarcza jądrowa. - M .: Logos, 2008. - 438 s. -

Reaktory jądrowe mają jedno zadanie: rozszczepiać atomy w kontrolowanej reakcji i wykorzystywać uwolnioną energię do wytwarzania energii elektrycznej. Przez wiele lat reaktory były postrzegane zarówno jako cud, jak i zagrożenie.

Kiedy w 1956 r. w Shippingport w Pensylwanii uruchomiono pierwszy amerykański reaktor komercyjny, tę technologię okrzyknięto potęgą przyszłości, a niektórzy wierzyli, że dzięki reaktorom wytwarzanie energii elektrycznej będzie zbyt tanie. Obecnie na całym świecie zbudowano 442 reaktory jądrowe, z czego około jedna czwarta znajduje się w Stanach Zjednoczonych. Świat stał się zależny od reaktorów jądrowych, które wytwarzają 14 proc. energii elektrycznej. Futuryści fantazjowali nawet o samochodach atomowych.

Kiedy reaktor Bloku 2 w elektrowni Three Mile Island w Pensylwanii doznał awarii chłodzenia w 1979 r. i częściowego stopienia jego radioaktywnego paliwa, ciepłe uczucia wobec reaktorów zmieniły się radykalnie. Mimo że przeprowadzono wyłączenie zniszczonego reaktora i nie doszło do większego uwolnienia radioaktywnego, wiele osób zaczęło postrzegać reaktory jako zbyt złożone i wrażliwe, z potencjalnie katastrofalnymi skutkami. Ludzie zaniepokoili się również odpadami radioaktywnymi z reaktorów. W efekcie wstrzymano budowę nowych elektrowni jądrowych w Stanach Zjednoczonych. Kiedy w 1986 r. w elektrowni jądrowej w Czarnobylu w Związku Radzieckim wydarzył się poważniejszy wypadek, energia jądrowa wydawała się skazana na zagładę.

Jednak na początku XXI wieku reaktory jądrowe zaczęły wracać do łask dzięki rosnącemu zapotrzebowaniu na energię i malejącej podaży paliw kopalnych, a także rosnącym obawom o zmiany klimatyczne spowodowane emisją dwutlenku węgla.

Jednak w marcu 2011 r. nastąpił kolejny kryzys – tym razem elektrownia atomowa Fukushima 1 w Japonii została poważnie uszkodzona przez trzęsienie ziemi.

Wykorzystanie reakcji jądrowej

Mówiąc najprościej, w reaktorze jądrowym atomy dzielą się i uwalniają energię, która utrzymuje ich części razem.

Jeśli zapomniałeś fizyki w szkole średniej, przypomnimy Ci, jak to zrobić rozszczepienia jądrowego Pracuje. Atomy są jak maleńkie układy słoneczne, z jądrem jak Słońce i elektronami jak planety na orbicie wokół niego. Jądro składa się z połączonych ze sobą cząstek zwanych protonami i neutronami. Trudno sobie nawet wyobrazić siłę, która wiąże elementy jądra. Jest wiele miliardów razy silniejsza niż siła grawitacji. Pomimo tej ogromnej siły możliwe jest rozszczepienie jądra poprzez wystrzelenie w nie neutronów. Kiedy to się stanie, uwolni się dużo energii. Kiedy atomy się rozpadają, ich cząstki zderzają się z sąsiednimi atomami, rozszczepiając je, a te z kolei, następne, następne, następne. Istnieje tzw reakcja łańcuchowa.

Uran, pierwiastek o dużych atomach, jest idealny do procesu rozszczepienia, ponieważ siła, która wiąże cząstki jego rdzenia, jest stosunkowo słaba w porównaniu z innymi pierwiastkami. Reaktory jądrowe wykorzystują specyficzny izotop zwany Nabiegł-235 . Uran-235 jest rzadki w przyrodzie, a ruda z kopalni uranu zawiera tylko około 0,7% U-235. Dlatego reaktory używają wzbogaconyNabiegać, który powstaje przez izolację i koncentrację uranu-235 w procesie dyfuzji gazu.

W bombie atomowej można wytworzyć reakcję łańcuchową, podobną do tej zrzuconej na japońskie miasta Hiroszima i Nagasaki podczas II wojny światowej. Ale w reaktorze jądrowym reakcja łańcuchowa jest kontrolowana przez umieszczenie prętów kontrolnych wykonanych z materiałów takich jak kadm, hafn lub bor, które pochłaniają część neutronów. To nadal umożliwia procesowi rozszczepienia uwolnienie wystarczającej ilości energii do podgrzania wody do około 270 stopni Celsjusza i przekształcenia jej w parę, która służy do obracania turbin elektrowni i wytwarzania energii elektrycznej. W zasadzie w tym przypadku kontrolowana bomba atomowa działa zamiast węgla, wytwarzając energię elektryczną, z tym wyjątkiem, że energia potrzebna do zagotowania wody pochodzi z rozszczepiania atomów, a nie ze spalania węgla.

Elementy reaktora jądrowego

Istnieje kilka różnych typów reaktorów jądrowych, ale wszystkie mają wspólne cechy. Wszystkie mają zapas radioaktywnych granulek paliwa – zwykle tlenku uranu – które są ułożone w rurki, tworząc pręty paliwowe w rdzeńmireaktor.

Reaktor ma również wspomniane wcześniej menedżerowiemiprętoraz— materiału pochłaniającego neutrony, takiego jak kadm, hafn lub bor, który dodaje się w celu kontrolowania lub zatrzymania reakcji.

Reaktor ma również moderator, substancja, która spowalnia neutrony i pomaga kontrolować proces rozszczepienia. Większość reaktorów w Stanach Zjednoczonych używa czystej wody, ale reaktory w innych krajach czasami używają grafitu lub ciężkiwowfalew, w którym wodór jest zastąpiony deuterem, izotopem wodoru z jednym protonem i jednym neutronem. Kolejną ważną częścią systemu jest: chłodzeniei japłynb, zwykle zwykła woda, która pochłania i przenosi ciepło z reaktora, aby wytworzyć parę do obracania turbiny i chłodzi obszar reaktora, aby nie osiągnął temperatury, w której uran stopi się (około 3815 stopni Celsjusza).

Wreszcie reaktor jest zamknięty w powłokaw, duża, ciężka konstrukcja, zwykle kilkumetrowa, ze stali i betonu, która zatrzymuje radioaktywne gazy i ciecze wewnątrz, gdzie nie mogą nikomu zaszkodzić.

W użyciu jest wiele różnych konstrukcji reaktorów, ale jednym z najczęstszych jest: ciśnieniowy reaktor wodny (WWER). W takim reaktorze woda jest wtłaczana w kontakt z rdzeniem, a następnie pozostaje tam pod takim ciśnieniem, że nie może zamienić się w parę. Woda ta następnie w wytwornicy pary wchodzi w kontakt z wodą dostarczaną bez ciśnienia, która zamienia się w parę, która obraca turbiny. Jest też projekt reaktor typu kanałowego dużej mocy (RBMK) z jednym obiegiem wody i reaktor prędkich neutronów z dwoma obiegami sodowymi i jednym obiegiem wodnym.

Jak bezpieczny jest reaktor jądrowy?

Odpowiedź na to pytanie jest dość trudna i zależy od tego, kogo zapytasz i co masz na myśli mówiąc „bezpieczny”. Martwisz się promieniowaniem lub odpadami radioaktywnymi wytwarzanymi w reaktorach? A może bardziej martwisz się możliwością katastrofalnego wypadku? Jaki stopień ryzyka uważasz za akceptowalny kompromis w stosunku do korzyści płynących z energii jądrowej? A w jakim stopniu ufasz rządowi i energetyce jądrowej?

„Promieniowanie” jest słusznym argumentem, głównie dlatego, że wszyscy wiemy, że duże dawki promieniowania, takie jak wybuch bomby atomowej, mogą zabić wiele tysięcy ludzi.

Zwolennicy energetyki jądrowej zwracają jednak uwagę, że wszyscy jesteśmy regularnie narażeni na promieniowanie z różnych źródeł, w tym promieni kosmicznych i promieniowania naturalnego emitowanego przez Ziemię. Średnia roczna dawka promieniowania wynosi około 6,2 milisiwertów (mSv), z czego połowa pochodzi ze źródeł naturalnych, a połowa ze źródeł sztucznych, takich jak prześwietlenie klatki piersiowej, czujniki dymu i świecące tarcze zegara. Ile promieniowania otrzymujemy z reaktorów jądrowych? Tylko ułamek procenta naszej typowej rocznej ekspozycji, 0,0001 mSv.

Podczas gdy wszystkie elektrownie jądrowe nieuchronnie przepuszczają niewielkie ilości promieniowania, komisje regulacyjne trzymają operatorów elektrowni jądrowych w surowych przepisach. Nie mogą narażać ludzi mieszkających wokół zakładu na więcej niż 1 mSv promieniowania rocznie, a pracownicy w zakładzie mają próg 50 mSv rocznie. To może wydawać się dużo, ale według Komisji Dozoru Jądrowego nie ma dowodów medycznych na to, że roczne dawki promieniowania poniżej 100 mSv stanowią jakiekolwiek zagrożenie dla zdrowia ludzi.

Należy jednak zauważyć, że nie wszyscy zgadzają się z tak zadowalającą oceną ryzyka związanego z promieniowaniem. Na przykład Physicians for Social Responsibility, długoletni krytyk przemysłu jądrowego, badał dzieci mieszkające w pobliżu niemieckich elektrowni jądrowych. Badanie wykazało, że ludzie mieszkający w promieniu 5 km od elektrowni mieli dwukrotnie większe ryzyko zachorowania na białaczkę w porównaniu do osób mieszkających dalej od elektrowni jądrowej.

reaktor na odpady jądrowe

Energetyka jądrowa jest reklamowana przez jej zwolenników jako „czysta” energia, ponieważ reaktor nie emituje do atmosfery dużych ilości gazów cieplarnianych w porównaniu z elektrowniami węglowymi. Krytycy wskazują jednak na inny problem środowiskowy: utylizację odpadów jądrowych. Niektóre odpady wypalonego paliwa z reaktorów nadal emitują radioaktywność. Inne niepotrzebne rzeczy, które należy zapisać, to wysokoaktywne odpady promieniotwórcze, płynna pozostałość z przetwarzania wypalonego paliwa, w której pozostaje część uranu. Obecnie większość tych odpadów jest przechowywana lokalnie w elektrowniach jądrowych w stawach wodnych, które pochłaniają część pozostałego ciepła wytwarzanego przez wypalone paliwo i pomagają chronić pracowników przed narażeniem na promieniowanie.

Jednym z problemów związanych ze zużytym paliwem jądrowym jest to, że uległo ono zmianie podczas rozszczepienia.W przypadku pękania dużych atomów uranu powstają produkty uboczne - radioaktywne izotopy kilku lekkich pierwiastków, takich jak cez-137 i stront-90, tzw. produkty rozszczepienia. Są gorące i wysoce radioaktywne, ale ostatecznie, w ciągu 30 lat, rozpadają się na mniej niebezpieczne formy. Ten okres nazywa się PKropkaompół życia. Dla innych pierwiastków promieniotwórczych okres półtrwania będzie inny. Ponadto niektóre atomy uranu wychwytują również neutrony, tworząc cięższe pierwiastki, takie jak pluton. Te pierwiastki transuranowe nie generują tyle ciepła ani promieniowania przenikliwego, co produkty rozszczepienia, ale ich rozkład trwa znacznie dłużej. Na przykład pluton-239 ma okres półtrwania 24 000 lat.

Te radioaktywnymiwyjazds wysoki poziom z reaktorów są niebezpieczne dla ludzi i innych form życia, ponieważ mogą wyzwolić ogromne, śmiercionośne dawki promieniowania nawet przy krótkiej ekspozycji. Na przykład dziesięć lat po wyjęciu paliwa z reaktora emitują 200 razy więcej radioaktywności na godzinę, niż potrzeba do zabicia człowieka. A jeśli odpady trafią do wód gruntowych lub rzek, mogą dostać się do łańcucha pokarmowego i zagrozić dużej liczbie ludzi.

Ponieważ odpady są tak niebezpieczne, wiele osób znajduje się w trudnej sytuacji. 60 000 ton odpadów znajduje się w elektrowniach jądrowych w pobliżu głównych miast. Ale znalezienie bezpiecznego miejsca do przechowywania odpadów jest bardzo trudne.

Co może się nie udać z reaktorem jądrowym?

Ponieważ rządowe organy regulacyjne spoglądają wstecz na swoje doświadczenie, inżynierowie spędzili przez lata wiele czasu na projektowaniu reaktorów zapewniających optymalne bezpieczeństwo. Tyle, że nie psują się, nie działają poprawnie i mają kopie zapasowe, jeśli coś nie idzie zgodnie z planem. W rezultacie, rok po roku elektrownie jądrowe wydają się być dość bezpieczne w porównaniu, powiedzmy, z podróżami lotniczymi, które rutynowo zabijają od 500 do 1100 osób rocznie na całym świecie.

Niemniej jednak reaktory jądrowe wyprzedzają poważne awarie. W Międzynarodowej Skali Zdarzeń Jądrowych, która ocenia wypadki reaktorów od 1 do 7, od 1957 r. było pięć awarii, które oceniono od 5 do 7.

Najgorszym koszmarem jest awaria układu chłodzenia, która prowadzi do przegrzania paliwa. Paliwo zamienia się w ciecz, a następnie spala się, wyrzucając promieniowanie radioaktywne. W 1979 roku, blok 2 w elektrowni jądrowej Three Mile Island (USA) znalazł się na skraju takiego scenariusza. Na szczęście dobrze zaprojektowany system zabezpieczający był wystarczająco silny, aby powstrzymać ucieczkę promieniowania.

ZSRR miał mniej szczęścia. Poważna awaria jądrowa miała miejsce w kwietniu 1986 r. w 4. bloku elektrowni jądrowej w Czarnobylu. Było to spowodowane kombinacją awarii systemu, wad projektowych i słabo wyszkolonego personelu. Podczas rutynowego testu reakcja nagle wzrosła, a pręty sterujące zacięły się, uniemożliwiając awaryjne wyłączenie. Nagłe nagromadzenie się pary spowodowało dwie eksplozje termiczne, wyrzucając w powietrze moderator grafitowy reaktora. Z braku czegokolwiek do schłodzenia prętów paliwowych reaktora zaczęły się one przegrzewać i całkowicie niszczyć, w wyniku czego paliwo przybrało postać płynną. Zginęło wielu pracowników stacji i likwidatorów wypadku. Duża ilość promieniowania rozprzestrzeniła się na obszarze 323 749 kilometrów kwadratowych. Liczba zgonów spowodowanych promieniowaniem jest nadal niejasna, ale Światowa Organizacja Zdrowia twierdzi, że mogło to spowodować 9 000 zgonów z powodu raka.

Konstruktorzy reaktorów jądrowych dają gwarancje na podstawie: oszacowanie probabilistycznemi w którym starają się zrównoważyć potencjalną szkodę wydarzenia z prawdopodobieństwem jego faktycznego wystąpienia. Ale niektórzy krytycy twierdzą, że zamiast tego powinni przygotować się na rzadkie, najbardziej nieoczekiwane, ale bardzo niebezpieczne wydarzenia. Ilustracyjnym przykładem jest wypadek w marcu 2011 r. w elektrowni jądrowej Fukushima 1 w Japonii. Stacja została podobno zaprojektowana tak, aby wytrzymać duże trzęsienie ziemi, ale nie tak katastrofalne jak trzęsienie z 9,0, które wywołało 14-metrową falę tsunami nad groblami zaprojektowanymi tak, aby wytrzymać falę o długości 5,4 metra. Uderzenie tsunami zniszczyło zapasowe generatory diesla, które miały zasilać system chłodzenia sześciu reaktorów elektrowni jądrowej w przypadku awarii zasilania.Tak więc nawet po zatrzymaniu reakcji rozszczepienia przez pręty sterujące reaktorów Fukushimy, wciąż gorące paliwo pozwalało na temperaturę wewnątrz zniszczonych reaktorów.

Japońscy urzędnicy uciekli się do ostateczności - zalania reaktorów ogromną ilością wody morskiej z dodatkiem kwasu borowego, który był w stanie zapobiec katastrofie, ale zniszczył wyposażenie reaktora. W końcu, przy pomocy wozów strażackich i barek, Japończycy byli w stanie wpompować świeżą wodę do reaktorów. Ale do tego czasu monitoring wykazał już alarmujące poziomy promieniowania otaczającego lądu i wody. W jednej wsi 40 km od tej elektrowni jądrowej pierwiastek promieniotwórczy cez-137 okazał się na znacznie wyższym poziomie niż po katastrofie w Czarnobylu, co wzbudziło wątpliwości co do możliwości zamieszkiwania przez ludzi w tej strefie.

Reaktor jądrowy

Reaktor jądrowy to urządzenie, w którym przeprowadzana jest kontrolowana reakcja łańcuchowa jądrowa, której towarzyszy uwalnianie energii. Pierwszy reaktor jądrowy zbudowano i uruchomiono w grudniu 1942 r. w USA pod kierownictwem E. Fermiego. Pierwszym reaktorem zbudowanym poza Stanami Zjednoczonymi był ZEEP, uruchomiony w Kanadzie we wrześniu 1945 roku. W Europie pierwszym reaktorem jądrowym była instalacja F-1, która została uruchomiona 25 grudnia 1946 r. W Moskwie pod kierownictwem I. V. Kurchatowa.

Do 1978 roku na świecie działało już około stu reaktorów jądrowych różnego typu. Komponentami każdego reaktora jądrowego są: rdzeń z paliwem jądrowym, zwykle otoczony reflektorem neutronów, chłodziwo, system kontroli reakcji łańcuchowej, ochrona przed promieniowaniem, system zdalnego sterowania. Zbiornik reaktora ulega zużyciu (zwłaszcza pod wpływem promieniowania jonizującego). Główną cechą reaktora jądrowego jest jego moc. Moc 1 MW odpowiada reakcji łańcuchowej, w której w ciągu 1 sek. następuje 3·10 16 rozszczepień.

Fabuła

Grupa teoretyczna „Projekt Uranu” w nazistowskich Niemczech, działająca w Towarzystwie Cesarza Wilhelma, kierowana była przez Weizsäckera, ale tylko formalnie. Heisenberg, który opracował teoretyczne podstawy reakcji łańcuchowej, został faktycznym liderem, natomiast Weizsacker wraz z grupą uczestników skupił się na stworzeniu „maszyny uranowej” – pierwszego reaktora. Późną wiosną 1940 roku jeden z naukowców grupy - Harteck - przeprowadził pierwszy eksperyment z próbą wywołania reakcji łańcuchowej z użyciem tlenku uranu i stałego moderatora grafitowego. Jednak dostępny materiał rozszczepialny nie wystarczył do osiągnięcia tego celu. W 1941 roku na uniwersytecie w Lipsku Döpel, członek grupy Heisenberg, zbudował stanowisko z moderatorem ciężkiej wody, w eksperymentach, na których do maja 1942 roku udało się osiągnąć produkcję neutronów w ilości przekraczającej ich wchłanianie. Pełną reakcję łańcuchową osiągnęli niemieccy naukowcy w lutym 1945 roku w eksperymencie przeprowadzonym w kopalni pracującej w pobliżu Haigerloch. Jednak kilka tygodni później niemiecki program jądrowy przestał istnieć.

Reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądrowego (krótka reakcja łańcuchowa) została przeprowadzona po raz pierwszy w grudniu 1942 r. Grupa fizyków z Uniwersytetu w Chicago, kierowana przez E. Fermiego, stworzyła pierwszy na świecie reaktor jądrowy o nazwie Chicago Pile-1, CP-1. Składał się z bloków grafitowych, pomiędzy którymi znajdowały się kulki naturalnego uranu i jego dwutlenku. Szybkie neutrony, które pojawiają się po rozszczepieniu jąder 235U, zostały spowolnione przez grafit do energii cieplnej, a następnie spowodowały nowe rozszczepienia jąder. Reaktory takie jak SR-1, w których główny udział rozszczepień zachodzi pod działaniem neutronów termicznych, nazywane są reaktorami neutronów termicznych. Zawierają dużo moderatora w porównaniu do paliwa jądrowego.

W ZSRR badania teoretyczne i eksperymentalne cech rozruchu, eksploatacji i sterowania reaktorów prowadziła grupa fizyków i inżynierów kierowana przez akademika IV Kurczatowa. Pierwszy radziecki reaktor F-1 zbudowano w Laboratorium nr 2 Akademii Nauk ZSRR (Moskwa). Reaktor ten został wprowadzony w stan krytyczny 25 grudnia 1946 r. Reaktor F-1 był zmontowany z bloków grafitowych i miał kształt kuli o średnicy około 7,5 m. W centralnej części kuli o średnicy 6 m pręty uranowe zostały umieszczone przez otwory w blokach grafitowych. Reaktor F-1, podobnie jak reaktor CP-1, nie posiadał systemu chłodzenia, więc działał na bardzo niskich poziomach mocy (ułamki wata, rzadko kilka watów). Wyniki badań nad reaktorem F-1 stały się podstawą projektów bardziej złożonych reaktorów przemysłowych. W 1948 r. oddano do eksploatacji reaktor I-1 (według innych źródeł nazwany A-1) do produkcji plutonu, a 27 czerwca 1954 r. pierwsza na świecie elektrownia jądrowa o mocy elektrycznej 5 MW została uruchomiona w mieście Obnińsk.

Urządzenie i zasada działania

Mechanizm zwalniający moc Przekształceniu substancji towarzyszy uwolnienie energii swobodnej tylko wtedy, gdy substancja ma zapas energii. To ostatnie oznacza, że mikrocząstki substancji znajdują się w stanie o energii spoczynkowej większej niż w innym możliwym stanie, do którego istnieje przejście. Spontaniczne przejście jest zawsze utrudnione przez barierę energetyczną, aby ją pokonać, mikrocząstka musi otrzymać pewną ilość energii z zewnątrz - energię wzbudzenia. Reakcja egzoenergetyczna polega na tym, że w transformacji następującej po wzbudzeniu uwalniane jest więcej energii niż jest potrzebne do wzbudzenia procesu. Istnieją dwa sposoby pokonania bariery energetycznej: albo dzięki energii kinetycznej zderzających się cząstek, albo dzięki energii wiązania zbliżającej się cząstki.

Jeśli weźmiemy pod uwagę makroskopowe skale uwalniania energii, to energia kinetyczna niezbędna do wzbudzenia reakcji musi mieć wszystkie lub przynajmniej niektóre cząstki substancji. Można to osiągnąć jedynie podnosząc temperaturę medium do wartości, przy której energia ruchu termicznego zbliża się do wartości progu energetycznego ograniczającego przebieg procesu. W przypadku przemian molekularnych, czyli reakcji chemicznych, wzrost ten wynosi zwykle setki kelwinów, natomiast w przypadku reakcji jądrowych jest to co najmniej 107 K ze względu na bardzo dużą wysokość barier kulombowskich jąder kolidujących. Wzbudzenie cieplne reakcji jądrowych zostało przeprowadzone w praktyce tylko w syntezie najlżejszych jąder, w których bariery kulombowskie są minimalne (fuzja termojądrowa).

Projekt

Każdy reaktor jądrowy składa się z następujących części:

Rdzeń z paliwem jądrowym i moderatorem;
Reflektor neutronowy otaczający rdzeń;
Płyn chłodzący;
System kontroli reakcji łańcuchowej, w tym ochrona awaryjna;
Ochrona przed promieniowaniem;
System zdalnego sterowania.

pita jodowa

Pit jodowy - stan reaktora jądrowego po jego wyłączeniu, charakteryzujący się nagromadzeniem krótkożyciowego izotopu ksenonu 135Xe. Proces ten prowadzi do chwilowego pojawienia się znacznej reaktywności ujemnej, co z kolei uniemożliwia doprowadzenie reaktora do projektowanej wydajności przez pewien czas (około 1-2 dni).