Jak vypadá reaktor? Princip činnosti jaderného reaktoru

Pro obyčejného člověka jsou moderní high-tech zařízení tak tajemná a záhadná, že je čas je uctívat, stejně jako staří lidé uctívali blesky. Školní hodiny fyziky, plné matematických výpočtů, problém neřeší. Zajímavý příběh ale můžete vyprávět i o jaderném reaktoru, jehož princip fungování je jasný i teenagerovi.

Jak funguje jaderný reaktor?

Princip fungování tohoto high-tech zařízení je následující:

1. Když je neutron absorbován, jaderné palivo (nejčastěji toto uran-235 nebo plutonium-239) dochází ke štěpení atomového jádra;
2. Uvolňuje se kinetická energie, gama záření a volné neutrony;
3. Kinetická energie se přeměňuje na tepelnou (při srážce jader s okolními atomy), gama záření je pohlcováno samotným reaktorem a také se mění v teplo;
4. Některé z produkovaných neutronů jsou absorbovány atomy paliva, což způsobuje řetězovou reakci. K jeho řízení se používají absorbéry a moderátory neutronů;
5. Pomocí chladicí kapaliny (voda, plyn nebo kapalný sodík) se z místa reakce odvádí teplo;
6. Tlaková pára z ohřáté vody se používá k pohonu parních turbín;
7. Pomocí generátoru se mechanická energie otáčení turbíny přeměňuje na střídavý elektrický proud.

Přístupy ke klasifikaci

Důvodů pro typologii reaktorů může být mnoho:

• Podle typu jaderné reakce. Štěpení (všechna komerční zařízení) nebo fúze (termonukleární energie, rozšířená pouze v některých výzkumných ústavech);
• Chladicí kapalinou. K tomuto účelu se v naprosté většině případů používá voda (vařící nebo těžká). Někdy se používají alternativní řešení: tekutý kov (sodík, olovo-bismut, rtuť), plyn (helium, oxid uhličitý nebo dusík), roztavená sůl (fluoridové soli);
• Podle generace. První byly rané prototypy, které nedávaly komerční smysl. Za druhé, většina v současnosti používaných jaderných elektráren byla postavena před rokem 1996. Třetí generace se od té předchozí liší jen drobnými vylepšeními. Práce na čtvrté generaci stále probíhají;
• Podle stavu agregace palivo (plynové palivo v současnosti existuje pouze na papíře);
• Podle účelu použití(pro výrobu elektřiny, spouštění motoru, výrobu vodíku, odsolování, elementární transmutace, získávání neurálního záření, teoretické a výzkumné účely).

Konstrukce jaderného reaktoru

Hlavní součásti reaktorů ve většině elektráren jsou:

1. Jaderné palivo je látka potřebná k výrobě tepla pro energetické turbíny (obvykle nízko obohacený uran);
2. Jádro jaderného reaktoru je místo, kde probíhá jaderná reakce;
3. Neutronový moderátor - snižuje rychlost rychlých neutronů a mění je na tepelné neutrony;
4. Startovací neutronový zdroj - slouží ke spolehlivému a stabilnímu startu jaderné reakce;
5. Absorbér neutronů – dostupný v některých elektrárnách pro snížení vysoké reaktivity čerstvého paliva;
6. Neutronová houfnice – slouží k opětovnému zahájení reakce po vypnutí;
7. Chladicí kapalina (čištěná voda);
8. Řídicí tyče - k regulaci rychlosti štěpení jader uranu nebo plutonia;
9. Vodní čerpadlo - čerpá vodu do parního kotle;
10. Parní turbína - přeměňuje tepelnou energii páry na rotační mechanickou energii;
11. Chladicí věž - zařízení pro odvod přebytečného tepla do atmosféry;
12. Systém příjmu a skladování radioaktivního odpadu;
13. Bezpečnostní systémy (nouzové dieselgenerátory, zařízení pro nouzové chlazení aktivní zóny).

Jak fungují nejnovější modely

Pro komerční provoz bude k dispozici nejnovější 4. generace reaktorů nejdříve v roce 2030. V současné době je princip a struktura jejich fungování ve fázi vývoje. Podle moderních údajů se tyto úpravy budou lišit od stávajících modelů v takových výhod:

• Systém rychlého chlazení plynu. Předpokládá se, že jako chladivo bude použito helium. Podle projektové dokumentace lze takto chladit reaktory s teplotou 850 °C. Pro provoz při tak vysokých teplotách budou zapotřebí specifické suroviny: kompozitní keramické materiály a aktinidové sloučeniny;
• Jako primární chladivo je možné použít olovo nebo slitinu olova a bismutu. Tyto materiály mají nízkou rychlost absorpce neutronů a relativně nízký bod tání;
• Jako hlavní chladivo lze také použít směs roztavených solí. To umožní provoz při vyšších teplotách než moderní vodou chlazené protějšky.

Přírodní analogy v přírodě

Jaderný reaktor je v povědomí veřejnosti vnímán výhradně jako produkt špičkové technologie. Nicméně ve skutečnosti první takový zařízení je přírodního původu. Byl objeven v oblasti Oklo ve středoafrickém státě Gabon:

• Reaktor vznikl v důsledku zaplavení uranových hornin spodní vodou. Fungovaly jako moderátory neutronů;
• Tepelná energie uvolněná při rozpadu uranu mění vodu na páru a řetězová reakce se zastaví;
• Po poklesu teploty chladicí kapaliny se vše znovu opakuje;
• Kdyby se kapalina nevyvařila a nezastavila reakci, lidstvo by čelilo nové přírodní katastrofě;
• Samostatné jaderné štěpení začalo v tomto reaktoru asi před jednou a půl miliardou let. Během této doby bylo poskytnuto přibližně 0,1 milionu wattů výstupního výkonu;
• Takový div světa na Zemi je jediný známý. Vznik nových je nemožný: podíl uranu-235 v přírodních surovinách je mnohem nižší než úroveň nezbytná pro udržení řetězové reakce.

Kolik jaderných reaktorů je v Jižní Koreji?

Korejská republika, chudá na přírodní zdroje, ale industrializovaná a přelidněná, má mimořádnou potřebu energie. Na pozadí toho, že Německo odmítá použít mírový atom, má tato země velké naděje na omezení jaderné technologie:

• Plánuje se, že do roku 2035 dosáhne podíl elektřiny vyrobené v jaderných elektrárnách 60 % a celková výroba bude více než 40 gigawattů;
• Země nemá atomové zbraně, ale výzkum jaderné fyziky pokračuje. Korejští vědci vyvinuli návrhy moderních reaktorů: modulární, vodíkový, s tekutým kovem atd.;
• Úspěchy místních výzkumníků umožňují prodávat technologie do zahraničí. Očekává se, že země vyveze v příštích 15–20 letech 80 takových jednotek;
• Ale jak dnes, většina jaderných elektráren byla postavena s pomocí amerických nebo francouzských vědců;
• Počet provozních stanic je relativně malý (pouze čtyři), ale každá z nich má značný počet reaktorů – celkem 40, a toto číslo poroste.

Při bombardování neutrony přechází jaderné palivo do řetězové reakce, jejímž výsledkem je obrovské množství tepla. Voda v systému toto teplo odebírá a mění se na páru, která roztáčí turbíny vyrábějící elektřinu. Zde je jednoduché schéma provozu jaderného reaktoru, nejvýkonnějšího zdroje energie na Zemi.

Video: jak fungují jaderné reaktory

V tomto videu vám jaderný fyzik Vladimir Chaikin řekne, jak se vyrábí elektřina v jaderných reaktorech a jejich podrobnou strukturu:

Jaderný reaktor, princip činnosti, provoz jaderného reaktoru.

Každý den využíváme elektřinu a nepřemýšlíme nad tím, jak se vyrábí a jak se k nám dostala. Přesto je to jedna z nejdůležitějších součástí moderní civilizace. Bez elektřiny by nebylo nic – žádné světlo, žádné teplo, žádný pohyb.

Každý ví, že elektřina se vyrábí v elektrárnách, včetně jaderných. Srdcem každé jaderné elektrárny je nukleární reaktor. To je to, na co se podíváme v tomto článku.

Nukleární reaktor, zařízení, ve kterém dochází k řízené jaderné řetězové reakci s uvolňováním tepla. Tato zařízení se používají především k výrobě elektřiny a k pohonu velkých lodí. Abychom si mohli představit výkon a účinnost jaderných reaktorů, můžeme uvést příklad. Tam, kde bude průměrný jaderný reaktor vyžadovat 30 kilogramů uranu, bude průměrná tepelná elektrárna vyžadovat 60 vagonů uhlí nebo 40 nádrží topného oleje.

Prototyp nukleární reaktor byla postavena v prosinci 1942 v USA pod vedením E. Fermiho. Byl to takzvaný „Chicago stack“. Chicago Pile (později slovo„Hromada“ spolu s dalšími významy znamená jaderný reaktor). Dostalo toto jméno, protože připomínalo velký stoh grafitových bloků umístěných jeden na druhém.

Mezi bloky byly umístěny kulovité „pracovní tekutiny“ vyrobené z přírodního uranu a jeho oxidu.

V SSSR byl první reaktor postaven pod vedením akademika I.V.Kurčatova. Reaktor F-1 byl uveden do provozu 25. prosince 1946. Reaktor byl kulového tvaru a měl průměr asi 7,5 metru. Neměl žádný chladicí systém, takže pracoval na velmi nízké úrovni výkonu.

Výzkum pokračoval a 27. června 1954 byla v Obninsku uvedena do provozu první jaderná elektrárna na světě o výkonu 5 MW.

Princip činnosti jaderného reaktoru.

Při rozpadu uranu U 235 se uvolňuje teplo doprovázené uvolněním dvou nebo tří neutronů. Podle statistik – 2.5. Tyto neutrony se srážejí s jinými atomy uranu U235. Při srážce se uran U 235 mění na nestabilní izotop U 236, který se téměř okamžitě rozpadá na Kr 92 a Ba 141 + stejné 2-3 neutrony. Rozpad je doprovázen uvolňováním energie ve formě gama záření a tepla.

Tomu se říká řetězová reakce. Atomy se dělí, počet rozpadů exponenciálně narůstá, což v konečném důsledku vede k bleskově rychlému, na naše poměry, uvolnění obrovského množství energie – k atomovému výbuchu dochází jako důsledek nekontrolovatelné řetězové reakce.

Nicméně, v nukleární reaktor se zabýváme řízená jaderná reakce. Jak je to možné, je popsáno níže.

Konstrukce jaderného reaktoru.

V současné době existují dva typy jaderných reaktorů: VVER (vodou chlazený energetický reaktor) a RBMK (vysokovýkonný kanálový reaktor). Rozdíl je v tom, že RBMK je varný reaktor, zatímco VVER používá vodu pod tlakem 120 atmosfér.

reaktor VVER 1000. 1 - pohon řídicího systému; 2 - kryt reaktoru; 3 - těleso reaktoru; 4 - blok ochranných trubek (BZT); 5 - hřídel; 6 - pouzdro jádra; 7 - palivové soubory (FA) a regulační tyče;

Každý průmyslový jaderný reaktor je kotel, kterým proudí chladivo. Zpravidla se jedná o obyčejnou vodu (ve světě asi 75 %), kapalný grafit (20 %) a těžkou vodu (5 %). Pro experimentální účely bylo použito beryllium a předpokládalo se, že je to uhlovodík.

TVEL– (palivová složka). Jedná se o tyče v zirkonovém obalu s niobovou slitinou, uvnitř kterých jsou umístěny tablety oxidu uraničitého.

TVEL Raktor RBMK. Konstrukce palivového článku reaktoru RBMK: 1 - zátka; 2 - tablety oxidu uraničitého; 3 - zirkonový plášť; 4 - pružina; 5 - průchodka; 6 - špička.

TVEL také obsahuje pružinový systém pro držení palivových pelet na stejné úrovni, což umožňuje přesněji regulovat hloubku ponoření/vyjmutí paliva do aktivní zóny. Jsou sestaveny do šestiúhelníkových kazet, z nichž každá obsahuje několik desítek palivových tyčí. Chladicí kapalina proudí kanály v každé kazetě.

Palivové tyče v kazetě jsou zvýrazněny zeleně.

Sestava palivové kazety.

Aktivní zóna reaktoru se skládá ze stovek kazet umístěných vertikálně a spojených dohromady kovovým pláštěm - tělem, které zároveň plní roli reflektoru neutronů. Mezi kazety jsou v pravidelných intervalech vloženy regulační tyče a tyče havarijní ochrany reaktoru, které jsou určeny k odstavení reaktoru v případě přehřátí.

Uveďme jako příklad údaje o reaktoru VVER-440:

Ovladače se mohou pohybovat nahoru a dolů, ponořit se nebo naopak a opustit aktivní zónu, kde je reakce nejintenzivnější. O to se starají výkonné elektromotory, ve spojení s řídicím systémem.Tyče havarijní ochrany jsou určeny k odstavení reaktoru v případě havárie, pádu do aktivní zóny a pohlcení více volných neutronů.

Každý reaktor má víko, přes které se vkládají a vyjímají použité a nové kazety.

Tepelná izolace je obvykle instalována na horní části nádoby reaktoru. Další bariérou je biologická ochrana. Obvykle se jedná o železobetonový bunkr, do kterého je vstup uzavřen vzduchovou komorou s utěsněnými dveřmi. Biologická ochrana je navržena tak, aby zabránila úniku radioaktivní páry a částí reaktoru do atmosféry, pokud by došlo k explozi.

Jaderný výbuch v moderních reaktorech je krajně nepravděpodobný. Protože palivo je docela mírně obohacené a rozdělené na palivové články. I když se aktivní zóna roztaví, palivo nebude schopno reagovat tak aktivně. Nejhorší, co se může stát, je tepelná exploze jako v Černobylu, kdy tlak v reaktoru dosáhl takových hodnot, že prostě praskl kovový plášť a kryt reaktoru vážící 5000 tun udělal obrácený skok a prorazil střechu reaktoru. reaktorového prostoru a vypouštění páry ven. Kdyby byla jaderná elektrárna v Černobylu vybavena řádnou biologickou ochranou, jako je dnešní sarkofág, pak by katastrofa stála lidstvo mnohem méně.

Provoz jaderné elektrárny.

Stručně řečeno, takto vypadá raboboa.

Jaderná elektrárna. (lze kliknout)

Po vstupu do aktivní zóny reaktoru pomocí čerpadel se voda ohřeje z 250 na 300 stupňů a vystupuje z „druhé strany“ reaktoru. Toto se nazývá první okruh. Poté je odeslán do výměníku tepla, kde se setkává s druhým okruhem. Poté pára pod tlakem proudí na lopatky turbíny. Turbíny vyrábějí elektřinu.

Konstrukce a princip činnosti

Mechanismus uvolňování energie

Přeměna látky je doprovázena uvolněním volné energie pouze v případě, že látka má zásobu energie. To druhé znamená, že mikročástice látky jsou ve stavu s klidovou energií větší než v jiném možném stavu, do kterého existuje přechod. Samovolnému přechodu vždy brání energetická bariéra, k jejímuž překonání musí mikročástice přijmout určité množství energie zvenčí - excitační energii. Exoenergetická reakce spočívá v tom, že při transformaci po excitaci se uvolní více energie, než je potřeba k vybuzení procesu. Existují dva způsoby, jak překonat energetickou bariéru: buď díky kinetické energii srážejících se částic, nebo díky vazebné energii spojující částice.

Budeme-li mít na paměti makroskopické měřítko uvolňování energie, pak všechny nebo zpočátku alespoň některá část částic látky musí mít kinetickou energii nezbytnou k vybuzení reakcí. Toho lze dosáhnout pouze zvýšením teploty média na hodnotu, při které se energie tepelného pohybu blíží energetickému prahu omezujícímu průběh procesu. V případě molekulárních přeměn, tedy chemických reakcí, je takový nárůst obvykle stovky kelvinů, ale v případě jaderných reakcí je to minimálně 10 7 kvůli velmi vysoké výšce Coulombových bariér srážejících se jader. Tepelné buzení jaderných reakcí se v praxi provádí pouze při syntéze nejlehčích jader, u kterých jsou Coulombovy bariéry minimální (termonukleární fúze).

Excitace spojováním částic nevyžaduje velkou kinetickou energii, a proto nezávisí na teplotě média, protože k němu dochází v důsledku nevyužitých vazeb, které jsou vlastní přitažlivým silám částic. Ale pro vybuzení reakcí jsou nutné samotné částice. A pokud opět nemáme na mysli samostatný akt reakce, ale výrobu energie v makroskopickém měřítku, pak je to možné pouze tehdy, když dojde k řetězové reakci. K tomu druhému dochází, když se částice, které vybudí reakci, znovu objeví jako produkty exoenergetické reakce.

Design

Každý jaderný reaktor se skládá z následujících částí:

• Jádro s jaderným palivem a moderátorem;
• Neutronový reflektor obklopující jádro;
• Systém řízení řetězové reakce včetně nouzové ochrany;
• Radiační ochrana;
• Systém dálkového ovládání.

Fyzikální principy činnosti

Viz také hlavní články:

Současný stav jaderného reaktoru lze charakterizovat efektivním multiplikačním faktorem neutronů k nebo reaktivita ρ , které spolu souvisí následujícím vztahem:

Pro tyto veličiny jsou typické následující hodnoty:

• k> 1 - řetězová reakce se časem zvyšuje, reaktor je v nadkritické stavu, jeho reaktivitě ρ > 0;
• k < 1 - реакция затухает, реактор - podkritický, ρ < 0;
• k = 1, ρ = 0 - počet jaderných štěpení je konstantní, reaktor je ve stáji kritický stav.

Kritická podmínka pro jaderný reaktor:

, Kde

Převrácení multiplikačního faktoru na jednotu je dosaženo vyrovnáním násobení neutronů s jejich ztrátami. Důvody ztrát jsou vlastně dva: záchyt bez štěpení a únik neutronů mimo chovné médium.

Je zřejmé, že 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 pro tepelné reaktory lze určit pomocí takzvaného „vzorce 4 faktorů“:

, Kde

• η je výtěžek neutronů pro dvě absorpce.

Objemy moderních energetických reaktorů mohou dosahovat stovek m³ a nejsou určeny především kritickými podmínkami, ale schopnostmi odvodu tepla.

Kritický objem jaderný reaktor - objem aktivní zóny reaktoru v kritickém stavu. Kritické množství- hmotnost štěpného materiálu reaktoru, který je v kritickém stavu.

Nejnižší kritickou hmotnost mají reaktory, ve kterých jsou palivem vodné roztoky solí čistých štěpných izotopů s vodním neutronovým reflektorem. Pro 235 U je tato hmotnost 0,8 kg, pro 239 Pu - 0,5 kg. Je však všeobecně známo, že kritická hmotnost pro reaktor LOPO (první reaktor na obohacený uran na světě), který měl reflektor na bázi oxidu berylia, byla 0,565 kg, přestože stupeň obohacení pro izotop 235 byl jen o něco vyšší. než 14 %. Teoreticky má nejmenší kritickou hmotnost, pro kterou je tato hodnota pouze 10 g.

Aby se snížil únik neutronů, má jádro kulovitý nebo téměř kulovitý tvar, například krátký válec nebo krychle, protože tato čísla mají nejmenší poměr plochy povrchu k objemu.

Navzdory skutečnosti, že hodnota (e - 1) je obvykle malá, role rychlého chovu neutronů je poměrně velká, protože pro velké jaderné reaktory (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Ke spuštění řetězové reakce většinou stačí neutrony vzniklé při samovolném štěpení jader uranu. Pro nastartování reaktoru je možné použít i externí zdroj neutronů, například směs a, nebo jiných látek.

Jódová jáma

Hlavní článek: Jódová jáma

Jodová jáma je stav jaderného reaktoru po jeho vypnutí, charakterizovaný akumulací krátkodobého izotopu xenonu. Tento proces vede k dočasnému výskytu výrazné negativní reaktivity, která následně znemožňuje uvést reaktor do projektované kapacity během určitého období (asi 1-2 dny).

Klasifikace

Podle účelu

Podle povahy jejich použití se jaderné reaktory dělí na:

• Energetické reaktory určené k výrobě elektrické a tepelné energie používané v energetickém sektoru a také k odsolování mořské vody (odsolovací reaktory jsou také klasifikovány jako průmyslové). Takové reaktory se používají především v jaderných elektrárnách. Tepelný výkon moderních energetických reaktorů dosahuje 5 GW. Samostatnou skupinu tvoří:
  • Transportní reaktory, určený k dodávání energie motorům vozidel. Nejširší skupinou aplikací jsou námořní dopravní reaktory používané na ponorkách a různých hladinových plavidlech a také reaktory používané v kosmické technice.
• Experimentální reaktory, určený pro studium různých fyzikálních veličin, jejichž hodnota je nezbytná pro projektování a provoz jaderných reaktorů; Výkon těchto reaktorů nepřesahuje několik kW.
• Výzkumné reaktory, ve kterém se toky neutronů a gama kvant vytvořené v aktivní zóně využívají pro výzkum v oblasti jaderné fyziky, fyziky pevných látek, radiační chemie, biologie, pro testování materiálů určených k provozu v intenzivních neutronových tocích (včetně částí jaderných reaktorů) pro produkci izotopů. Výkon výzkumných reaktorů nepřesahuje 100 MW. Uvolněná energie se většinou nevyužije.
• Průmyslové (zbraně, izotopové) reaktory, který se používá k výrobě izotopů používaných v různých oblastech. Nejčastěji se používá k výrobě materiálů pro jaderné zbraně, jako je 239 Pu. Jako průmyslové jsou také klasifikovány reaktory používané pro odsolování mořské vody.

Reaktory se často používají k řešení dvou nebo více různých problémů, v takovém případě se nazývají víceúčelový. Například některé energetické reaktory, zejména v počátcích jaderné energetiky, byly navrženy především pro experimenty. Rychlé neutronové reaktory mohou současně vyrábět energii a produkovat izotopy. Průmyslové reaktory kromě svého hlavního úkolu často vyrábějí elektrickou a tepelnou energii.

Podle neutronového spektra

• Tepelný (pomalý) neutronový reaktor ("tepelný reaktor")
• Rychlý neutronový reaktor ("rychlý reaktor")

Podle umístění paliva

• Heterogenní reaktory, kde je palivo umístěno diskrétně v aktivní zóně ve formě bloků, mezi nimiž je moderátor;
• Homogenní reaktory, kde palivo a moderátor tvoří homogenní směs (homogenní systém).

V heterogenním reaktoru mohou být palivo a moderátor prostorově odděleny, zejména v dutinovém reaktoru moderátor-reflektor obklopuje dutinu s palivem, které neobsahuje moderátor. Z jaderně fyzikálního hlediska není kritériem homogenity/heterogenity návrh, ale umístění palivových bloků ve vzdálenosti přesahující délku moderování neutronů v daném moderátoru. Reaktory s tzv. „zavřenou mřížkou“ jsou tedy konstruovány jako homogenní, i když v nich je palivo obvykle odděleno od moderátoru.

Bloky jaderného paliva v heterogenním reaktoru se nazývají palivové soubory (FA), které jsou umístěny v aktivní zóně v uzlech pravidelné mřížky, tvořící buňky.

Podle typu paliva

• izotopy uranu 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
• izotop plutonia 239 (239 Pu), také izotopy 239-242 Pu ve formě směsi s 238 U (palivo MOX)
• izotop thoria 232 (232 Th) (přes konverzi na 233 U)

Podle stupně obohacení:

• přírodní uran
• slabě obohacený uran
• vysoce obohacený uran

Podle chemického složení:

• kovové U
• UC (karbid uranu) atd.

Podle typu chladicí kapaliny

• Plyn, (viz grafitový plynový reaktor)
• D 2 O (těžká voda, viz Těžkovodní jaderný reaktor, CANDU)

Podle typu moderátora

• C (grafit, viz grafitový plynový reaktor, grafitový vodní reaktor)
• H2O (voda, viz lehkovodní reaktor, vodou chlazený reaktor, VVER)
• D 2 O (těžká voda, viz Těžkovodní jaderný reaktor, CANDU)
• Hydridy kovů
• Bez moderátora (viz Rychlý reaktor)

Podle návrhu

Metodou vytváření páry

• Reaktor s externím vyvíječem páry (viz Vodovodní reaktor, VVER)

klasifikace IAEA

• PWR (tlakovodní reaktory) - vodní-vodní reaktor (tlakovodní reaktor);
• BWR (boiling water reaktor) - varný reaktor;
• FBR (fast Breeder Reaktor) - rychlý množivý reaktor;
• GCR (gas-cooled reaktor) - plynem chlazený reaktor;
• LWGR (lehký vodní grafitový reaktor) - grafitovo-vodní reaktor
• PHWR (tlakový těžkovodní reaktor) - těžkovodní reaktor

Nejrozšířenější ve světě jsou tlakovodní (asi 62 %) a vroucí (20 %) reaktory.

Materiály reaktoru

Materiály, ze kterých jsou reaktory stavěny, pracují při vysokých teplotách v poli neutronů, γ kvant a štěpných fragmentů. Proto ne všechny materiály používané v jiných odvětvích technologie jsou vhodné pro stavbu reaktorů. Při výběru materiálů reaktoru se zohledňuje jejich radiační odolnost, chemická inertnost, absorpční průřez a další vlastnosti.

Radiační nestabilita materiálů má menší vliv při vysokých teplotách. Pohyblivost atomů je tak velká, že se výrazně zvyšuje pravděpodobnost návratu atomů vyražených z krystalové mřížky na jejich místo nebo rekombinace vodíku a kyslíku do molekuly vody. Radiolýza vody je tedy v energetických nevroucích reaktorech (například VVER) nevýznamná, zatímco ve výkonných výzkumných reaktorech se uvolňuje značné množství výbušné směsi. Reaktory mají speciální systémy pro jeho spalování.

Materiály reaktoru jsou ve vzájemném kontaktu (palivový plášť s chladivem a jaderným palivem, palivové kazety s chladivem a moderátorem atd.). Přirozeně, kontaktní materiály musí být chemicky inertní (kompatibilní). Příkladem nekompatibility je uran a horká voda vstupující do chemické reakce.

U většiny materiálů se pevnostní vlastnosti s rostoucí teplotou prudce zhoršují. V energetických reaktorech pracují konstrukční materiály při vysokých teplotách. To omezuje výběr konstrukčních materiálů, zejména u těch částí energetického reaktoru, které musí odolávat vysokému tlaku.

Vyhoření a reprodukce jaderného paliva

Při provozu jaderného reaktoru dochází vlivem hromadění štěpných fragmentů v palivu ke změnám jeho izotopového a chemického složení a vznikají transuranové prvky, hlavně izotopy. Vliv štěpných fragmentů na reaktivitu jaderného reaktoru se nazývá otravy(pro radioaktivní fragmenty) a struskování(pro stabilní izotopy).

Hlavním důvodem otravy reaktoru je , který má největší absorpční průřez neutronů (2,6·10 6 barn). Poločas rozpadu 135 Xe T 1/2 = 9,2 hodiny; Výtěžnost při dělení je 6-7 %. Většina 135 Xe vzniká v důsledku rozpadu ( T 1/2 = 6,8 hodiny). V případě otravy se Keff mění o 1-3%. Velký absorpční průřez 135 Xe a přítomnost přechodného izotopu 135 I vedou ke dvěma důležitým jevům:

1. Ke zvýšení koncentrace 135 Xe a následně ke snížení reaktivity reaktoru po jeho zastavení nebo snížení výkonu („jodová jáma“), což znemožňuje krátkodobá zastavení a kolísání výstupního výkonu . Tento efekt je překonán zavedením rezervy reaktivity v regulačních orgánech. Hloubka a doba trvání jodové studny závisí na toku neutronů Ф: při Ф = 5·10 18 neutron/(cm²·s) je doba trvání jodové studny ~ 30 hodin a hloubka je 2krát větší než stacionární změna Keffa způsobená otravou 135 Xe.
2. V důsledku otravy může docházet k časoprostorovým fluktuacím toku neutronů F a tím i výkonu reaktoru. K těmto oscilacím dochází při Ф > 10 18 neutronů/(cm²·sec) a velkých velikostech reaktorů. Doba kmitání ~ 10 hodin.

Jaderným štěpením vzniká velké množství stabilních fragmentů, které se liší absorpčním průřezem ve srovnání s absorpčním průřezem štěpného izotopu. Koncentrace fragmentů s velkým absorpčním průřezem dosáhne nasycení během prvních dnů provozu reaktoru. Jedná se především o palivové tyče různého „stáří“.

V případě úplné výměny paliva má reaktor nadměrnou reaktivitu, kterou je třeba kompenzovat, zatímco ve druhém případě je kompenzace nutná pouze při prvním spuštění reaktoru. Nepřetržité přetěžování umožňuje zvýšit hloubku vyhoření, protože reaktivita reaktoru je určena průměrnými koncentracemi štěpných izotopů.

Hmotnost naloženého paliva převyšuje hmotnost vyloženého paliva v důsledku „váhy“ uvolněné energie. Po odstavení reaktoru, nejprve především z důvodu štěpení zpožděnými neutrony a následně po 1-2 minutách vlivem β- a γ-záření štěpných úlomků a transuraniových prvků, pokračuje uvolňování energie v palivu. Pokud reaktor pracoval dostatečně dlouho před zastavením, pak 2 minuty po zastavení je uvolnění energie asi 3%, po 1 hodině - 1%, po dni - 0,4%, po roce - 0,05% počátečního výkonu.

Poměr počtu štěpných izotopů Pu vzniklých v jaderném reaktoru k množství spálených 235 U je tzv. míra konverze K K. Hodnota K K roste s klesajícím obohacením a vyhořením. Pro těžkovodní reaktor využívající přírodní uran se spalováním 10 GW den/t K K = 0,55 a s malými vyhořeními (v tomto případě je K K tzv. počáteční koeficient plutonia) KK = 0,8. Pokud jaderný reaktor hoří a produkuje stejné izotopy (množivý reaktor), pak se poměr rychlosti reprodukce k rychlosti vyhoření nazývá reprodukční rychlost K V. V jaderných reaktorech využívajících tepelné neutrony 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 roste a A pády.

Řízení jaderného reaktoru

Řízení jaderného reaktoru je možné pouze díky tomu, že při štěpení část neutronů vyletí z úlomků se zpožděním, které se může pohybovat od několika milisekund až po několik minut.

K řízení reaktoru se používají absorpční tyče zavedené do aktivní zóny, vyrobené z materiálů, které silně absorbují neutrony (hlavně a některé další) a/nebo roztok kyseliny borité, přidávaný do chladiva v určité koncentraci (kontrola bóru). . Pohyb tyčí je řízen speciálními mechanismy, pohony, pracujícími podle signálů od obsluhy nebo zařízení pro automatické řízení toku neutronů.

V případě různých havarijních situací je každý reaktor opatřen nouzovým ukončením řetězové reakce, které se provádí shozením všech absorbujících tyčí do AZ - havarijní ochranný systém.

Zbytkové teplo

Důležitou otázkou přímo související s jadernou bezpečností je rozpadové teplo. Jedná se o specifikum jaderného paliva, které spočívá v tom, že po ukončení štěpné řetězové reakce a tepelné setrvačnosti obvyklé pro jakýkoli zdroj energie pokračuje uvolňování tepla v reaktoru po dlouhou dobu, čímž vzniká tzv. řadu technicky složitých problémů.

Zbytkové teplo je důsledkem β- a γ- rozpadu štěpných produktů, které se nahromadily v palivu během provozu reaktoru. Jádra štěpných produktů se vlivem rozpadu transformují do stabilnějšího nebo zcela stabilního stavu s uvolněním významné energie.

Přestože rychlost uvolňování rozpadového tepla rychle klesá na hodnoty malé ve srovnání s hodnotami v ustáleném stavu, u vysokovýkonných reaktorů je významná v absolutních hodnotách. Z tohoto důvodu s sebou generování zbytkového tepla nese potřebu dlouhého časového období pro zajištění odvodu tepla z aktivní zóny reaktoru po jeho odstavení. Tento úkol vyžaduje navržení reaktorové instalace tak, aby měla chladicí systémy se spolehlivým napájením, a také dlouhodobé (3-4 roky) skladování vyhořelého jaderného paliva ve skladech se speciálním teplotním režimem - chladících bazénech, které jsou se obvykle nachází v těsné blízkosti reaktoru.

viz také

• Seznam jaderných reaktorů navržených a postavených v Sovětském svazu

Literatura

• Levin V.E. Jaderná fyzika a jaderné reaktory. 4. vyd. - M.: Atomizdat, 1979.
• Shukolyukov A. Yu. „Uran. Přírodní jaderný reaktor." „Chemie a život“ č. 6, 1980, str. 20-24

Poznámky

1. „ZEEP – první kanadský jaderný reaktor“, Canada Science and Technology Museum.
2. Greshilov A. A., Egupov N. D., Matushchenko A. M. Jaderný štít. - M.: Logos, 2008. - 438 s. -

Každý den využíváme elektřinu a nepřemýšlíme nad tím, jak se vyrábí a jak se k nám dostala. Přesto je to jedna z nejdůležitějších součástí moderní civilizace. Bez elektřiny by nebylo nic – žádné světlo, žádné teplo, žádný pohyb.

Každý ví, že elektřina se vyrábí v elektrárnách, včetně jaderných. Srdcem každé jaderné elektrárny je nukleární reaktor. To je to, na co se podíváme v tomto článku.

Nukleární reaktor, zařízení, ve kterém dochází k řízené jaderné řetězové reakci s uvolňováním tepla. Tato zařízení se používají především k výrobě elektřiny a k pohonu velkých lodí. Abychom si mohli představit výkon a účinnost jaderných reaktorů, můžeme uvést příklad. Tam, kde bude průměrný jaderný reaktor vyžadovat 30 kilogramů uranu, bude průměrná tepelná elektrárna vyžadovat 60 vagonů uhlí nebo 40 nádrží topného oleje.

Prototyp nukleární reaktor byla postavena v prosinci 1942 v USA pod vedením E. Fermiho. Byl to takzvaný „Chicago stack“. Chicago Pile (později slovo„Hromada“ spolu s dalšími významy znamená jaderný reaktor). Dostalo toto jméno, protože připomínalo velký stoh grafitových bloků umístěných jeden na druhém.

Mezi bloky byly umístěny kulovité „pracovní tekutiny“ vyrobené z přírodního uranu a jeho oxidu.

V SSSR byl první reaktor postaven pod vedením akademika I.V.Kurčatova. Reaktor F-1 byl uveden do provozu 25. prosince 1946. Reaktor byl kulového tvaru a měl průměr asi 7,5 metru. Neměl žádný chladicí systém, takže pracoval na velmi nízké úrovni výkonu.

Výzkum pokračoval a 27. června 1954 byla v Obninsku uvedena do provozu první jaderná elektrárna na světě o výkonu 5 MW.

Princip činnosti jaderného reaktoru.

Při rozpadu uranu U 235 se uvolňuje teplo doprovázené uvolněním dvou nebo tří neutronů. Podle statistik - 2.5. Tyto neutrony se srážejí s jinými atomy uranu U235. Při srážce se uran U 235 mění na nestabilní izotop U 236, který se téměř okamžitě rozpadá na Kr 92 a Ba 141 + stejné 2-3 neutrony. Rozpad je doprovázen uvolňováním energie ve formě gama záření a tepla.

Tomu se říká řetězová reakce. Atomy se dělí, počet rozpadů exponenciálně narůstá, což v konečném důsledku vede k bleskově rychlému, na naše poměry, uvolnění obrovského množství energie – k atomovému výbuchu dochází jako důsledek nekontrolovatelné řetězové reakce.

Nicméně, v nukleární reaktor se zabýváme řízená jaderná reakce. Jak je to možné, je popsáno dále.

Konstrukce jaderného reaktoru.

V současné době existují dva typy jaderných reaktorů: VVER (vodou chlazený energetický reaktor) a RBMK (vysokovýkonný kanálový reaktor). Rozdíl je v tom, že RBMK je varný reaktor, zatímco VVER používá vodu pod tlakem 120 atmosfér.

reaktor VVER 1000. 1 - pohon řídicího systému; 2 - kryt reaktoru; 3 - těleso reaktoru; 4 - blok ochranných trubek (BZT); 5 - hřídel; 6 - pouzdro jádra; 7 - palivové soubory (FA) a regulační tyče;

Každý průmyslový jaderný reaktor je kotel, kterým proudí chladivo. Zpravidla se jedná o obyčejnou vodu (ve světě asi 75 %), kapalný grafit (20 %) a těžkou vodu (5 %). Pro experimentální účely bylo použito beryllium a předpokládalo se, že je to uhlovodík.

TVEL- (palivová složka). Jedná se o tyče v zirkonovém obalu s niobovou slitinou, uvnitř kterých jsou umístěny tablety oxidu uraničitého.

Palivové tyče v kazetě jsou zvýrazněny zeleně.

Sestava palivové kazety.

Aktivní zóna reaktoru se skládá ze stovek kazet umístěných vertikálně a spojených dohromady kovovým pláštěm - tělem, které zároveň plní roli reflektoru neutronů. Mezi kazety jsou v pravidelných intervalech vloženy regulační tyče a tyče havarijní ochrany reaktoru, které jsou určeny k odstavení reaktoru v případě přehřátí.

Uveďme jako příklad údaje o reaktoru VVER-440:

Ovladače se mohou pohybovat nahoru a dolů, ponořit se nebo naopak a opustit aktivní zónu, kde je reakce nejintenzivnější. O to se starají výkonné elektromotory, ve spojení s řídicím systémem.Tyče havarijní ochrany jsou určeny k odstavení reaktoru v případě havárie, pádu do aktivní zóny a pohlcení více volných neutronů.

Každý reaktor má víko, přes které se vkládají a vyjímají použité a nové kazety.

Tepelná izolace je obvykle instalována na horní části nádoby reaktoru. Další bariérou je biologická ochrana. Obvykle se jedná o železobetonový bunkr, do kterého je vstup uzavřen vzduchovou komorou s utěsněnými dveřmi. Biologická ochrana je navržena tak, aby zabránila úniku radioaktivní páry a částí reaktoru do atmosféry, pokud by došlo k explozi.

Jaderný výbuch v moderních reaktorech je krajně nepravděpodobný. Protože palivo je docela mírně obohacené a rozdělené na palivové články. I když se aktivní zóna roztaví, palivo nebude schopno reagovat tak aktivně. Nejhorší, co se může stát, je tepelná exploze jako v Černobylu, kdy tlak v reaktoru dosáhl takových hodnot, že prostě praskl kovový plášť a kryt reaktoru vážící 5000 tun udělal obrácený skok a prorazil střechu reaktoru. reaktorového prostoru a vypouštění páry ven. Kdyby byla jaderná elektrárna v Černobylu vybavena řádnou biologickou ochranou, jako je dnešní sarkofág, pak by katastrofa stála lidstvo mnohem méně.

Provoz jaderné elektrárny.

Stručně řečeno, takto vypadá raboboa.

Jaderná elektrárna. (lze kliknout)

Po vstupu do aktivní zóny reaktoru pomocí čerpadel se voda ohřeje z 250 na 300 stupňů a vystupuje z „druhé strany“ reaktoru. Toto se nazývá první okruh. Poté je odeslán do výměníku tepla, kde se setkává s druhým okruhem. Poté pára pod tlakem proudí na lopatky turbíny. Turbíny vyrábějí elektřinu.

Jaderný (jaderný) reaktor
nukleární reaktor

Jaderný (jaderný) reaktor – zařízení, ve kterém se provádí samoudržující řízená řetězová reakce jaderného štěpení. Jaderné reaktory se používají v jaderné energetice a pro výzkumné účely. Hlavní částí reaktoru je jeho jádro, kde dochází k jadernému štěpení a uvolňování jaderné energie. Aktivní zóna, která má obvykle tvar válce o objemu od zlomku litru až po mnoho metrů krychlových, obsahuje štěpný materiál (jaderné palivo) v množství přesahujícím kritickou hmotnost. Jaderné palivo (uran, plutonium) je obvykle umístěno uvnitř palivových článků (palivových tyčí), jejichž počet v aktivní zóně může dosahovat až desítek tisíc. Palivové tyče jsou seskupeny do balíků po několika desítkách nebo stovkách kusů. Jádrem je ve většině případů soubor palivových tyčí ponořených do moderačního média (moderátoru) - látky, v důsledku pružných srážek s atomy, se energie neutronů, které způsobují a doprovázejí štěpení, redukuje na energii tepelné rovnováhy s střední. Takové „tepelné“ neutrony mají zvýšenou schopnost způsobovat štěpení. Jako moderátor se obvykle používá voda (včetně těžké vody, D 2 O) a grafit. Aktivní zóna reaktoru je obklopena reflektorem vyrobeným z materiálů schopných dobře rozptylovat neutrony. Tato vrstva vrací neutrony emitované z aktivní zóny zpět do této zóny, čímž zvyšuje rychlost řetězové reakce a snižuje kritickou hmotnost. Radiační biologické stínění z betonu a dalších materiálů je umístěno kolem reflektoru pro snížení radiace mimo reaktor na přijatelnou úroveň.
V jádru se při štěpení uvolňuje obrovská energie ve formě tepla. Z AZ se odstraňuje pomocí plynu, vody nebo jiné látky (chladiva), která je neustále čerpána aktivní zónou a omývá palivové proutky. Toto teplo lze využít k vytvoření horké páry, která roztáčí turbínu elektrárny.
Pro řízení rychlosti štěpné řetězové reakce se používají regulační tyče vyrobené z materiálů, které silně absorbují neutrony. Jejich zavedení do aktivní zóny snižuje rychlost řetězové reakce a v případě potřeby ji zcela zastaví, přestože množství jaderného paliva převyšuje kritické množství. Když jsou regulační tyče odstraněny z jádra, absorpce neutronů se snižuje a řetězová reakce může být přivedena do fáze samoudržování.
První reaktor byl spuštěn v USA v roce 1942. V Evropě byl první reaktor spuštěn v roce 1946 v SSSR.