Ядерный реактор

Содержание

Какие основополагающие принципы работы ядерного реактора определяются учеными-физиками и почему они незыблемы

Основополагающий принцип работы ядерного реактора базируется на особенностях проявления ядерной реакции. В момент стандартного физического цепного ядерного процесса протекает взаимодействие частицы с атомным ядром, как следствие, ядро превращается в новое с выделением вторичных частиц, которые ученые называют гамма-квантами. Во время ядерной цепной реакции высвобождается огромное количество тепловой энергии. Пространство, в котором протекает цепная реакция, называется активной зоной реактора.

Интересный факт! Активная зона внешне напоминает собой котел, через который протекает обычная вода, выполняющая роль теплоносителя.

Для упреждения потери нейтронов зону актива реактора окружают специальным отражателем нейтронов. Его первостепенная задача – отбрасывать большую часть вылетающих нейтронов внутрь активной зоны. В качестве отражателя используют обычно то же вещество, которое служит замедлителем.

Главное управление ядерным реактором происходит с помощью специальных регулирующих стержней. Известно, что эти стержни вводятся в активную зону реактора и создают все условия для функционирования агрегата. Обычно управляющие стержни изготавливаются из химических соединений бора и кадмия. Почему используются именно эти элементы? Да все потому, что бор или кадмий способны эффективно поглощать тепловые нейтроны. И как только планируется запуск, по принципу действия ядерного реактора, управляющие стержни вводятся в активную зону. Их первостепенная задача – поглощать значительную часть нейтронов, тем самым провоцируя развитие цепной реакции. Результат должен дойти до желаемого уровня. При увеличении мощности свыше установленного уровня включаются автоматы, обязательно погружающие управляющие стержни вглубь активной зоны реактора.

Таким образом, становится понятно, что управляющие или регулирующие стержни играют важную роль в работе теплового ядерного реактора.

А для уменьшения утечки нейтронов активную зону реактора окружают отражателем нейтронов, отбрасывающих значительную массу вылетающих свободно нейтронов внутрь активной зоны. В значении отражателя используют обычно то же самое вещество, что и для замедлителя.

Ядро атомов вещества-замедлителя по стандарту обладает сравнительно небольшой массой, чтобы при столкновении с легким ядром имеющийся с цепи нейтрон терял энергию большую, чем при столкновении с тяжелым. Наиболее распространенные замедлители – обычная вода или графит.

Интересный факт! Нейтроны в процессе ядерной реакции характеризуются чрезвычайно высокой скоростью движения, поэтому и требуется замедлитель, подталкивающий нейтроны терять часть своей энергии.

Ни один реактор в мире не может функционировать нормально без помощи теплоносителя, так как его назначение – выводить энергию, которая вырабатывается в сердце реактора. В качестве теплоносителя используется обязательно жидкость или газы, так как они не способны поглощать нейтроны. Приведем пример теплоносителя для компактного ядерного реактора – вода, углекислый газ, а иногда даже жидкий металлический натрий.

Таким образом, принципы работы ядерного реактора всецело базируются на законах цепной реакции, ее протекании. Все комплектующие реактора — замедлитель, стержни, теплоноситель, ядерное горючее – выполняют поставленные задачи, обуславливая нормальную работоспособность реактора.

Зарождение атомной энергетики

Первый в мире ядерный реактор был создан в 1942 году в США экспериментальной группой физиков под руководством лауреата нобелевской премии Энрико Ферми. Тогда же ими была осуществлена самоподдерживающаяся реакция расщепления урана. Атомный джин был выпущен на свободу.

Первый советский ядерный реактор был запущен в 1946 году, а спустя 8 лет дала ток первая в мире АЭС в городе Обнинске. Главным научным руководителем работ в атомной энергетике СССР был выдающийся физик Игорь Васильевич Курчатов.

С тех сменилось несколько поколений ядерных реакторов, но основные элементы его конструкции сохранились неизменными.

Как работает реактор

Атомное «пламя» невидимо, так как процессы происходят на уровне деления ядер. В ходе цепной реакции тяжелые ядра распадаются на более мелкие фрагменты, которые, будучи в возбужденном состоянии, становятся источниками нейтронов и прочих субатомных частиц. Но на этом процесс не заканчивается. Нейтроны продолжают «дробиться», в результате чего высвобождается большая энергия, то есть, происходит то, ради чего и строятся АЭС.

Основная задача персонала – поддержание цепной реакции с помощью управляющих стержней на постоянном, регулируемом уровне. В этом его главное отличие от атомной бомбы, где процесс ядерного распада неуправляем и протекает стремительно, в виде мощнейшего взрыва.

Что такое ядерный реактор

Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит постоянная контролируемая ядерная реакция с целью получения электроэнергии.

Другими словами, это устройство, внутри которого происходит превращение одного вещества (ядерное топливо) в другое (пар) с выделением огромной тепловой энергии.  

История создания 

Развитие ядерной энергетики связано с именем французского химика Антуана Анри, который занимался изучением урана и обнаружил его радиоактивность. Позже Пьер и Мария Кюри смогли выделить из солей урана полоний и радий. 

Первая ядерная установка была создана в США Э. Ферми в 1942 году. В 1945 году вторым выпущенным в мире реактором стал ZEEP в Канаде. А в 1946 году под руководством И. В. Курчатова ядерный реактор сконструировали и в СССР. Первые такие устройства сильно отличались от современных, они не имели системы охлаждения и обладали минимальной мощностью. Но они дали толчок к развитию атомной энергетики во всем мире. Первая атомная электростанция была построена в Обнинске. 

Устройство реактора, главные комплектующие элементы агрегата

Строение реакторов, независимо от их типа, одинаковое:

1. Активная зона, в которой находятся ядерное топливо и замедлитель быстрых нейтронов. В этой зоне происходит управляемая реакция деления ядер. В качестве замедлителя может использоваться обычная вода, «тяжёлая» вода, жидкий графит и др. 
2. Отражатель нейтронов вокруг активной зоны. 
3. Теплоноситель, который выводит энергию, образующуюся при делении ядер в активной зоне. Теплоносителем может выступать вода, жидкий натрий и др. 
4. Система управления ядерной реакцией. Представляет собой стержни, содержащие кадмий и бор. Для регулирования скорости реакции их при необходимости вводят в активную зону для поглощения лишних нейтронов. 
5. Защитная система, которую делают из бетона с железным наполнителем. Она надежно удерживает нейтроны и радиационное излучение. 
6. Система дистанционного управления. 

Принцип работы 

Работу реакторной установки можно сравнить с функционированием обычной печи. Только используются не уголь и дрова, а ядерное топливо. В отличие от печи, пламени не видно, так как реакция происходит на уровне деления ядер. Ядра распадаются на мелкие частицы, которые в свою очередь становятся источниками образования нейтронов. За счет этого процесса происходит высвобождение большого количества энергии. Освобожденная энергия нагревает воду, преобразуя ее в пар. Пар вращает турбину генератора, преобразуя энергию движения в электроэнергию. 

Данная схема наглядно иллюстрирует принцип работы реакторной установки:

Основной функцией обслуживающего персонала АЭС является регулирование скорости ядерной реакции с помощью системы управления в виде стержней, которые операторы вводят в активную зону.

Как устроена АЭС?

Любая станция – это закрытая зона вдалеке от жилого массива. На ее территории находятся несколько зданий. Самое главное сооружение – здание реактора, рядом с ним расположен машинный зал, из которого реактором управляют, и здание безопасности.

Схема АЭС невозможна без ядерного реактора. Атомный (ядерный) реактор – это устройство АЭС, которое призвано организовать цепную реакцию деления нейтронов с обязательным выделением энергии при этом процессе. Но каков принцип работы АЭС?

Вся реакторная установка помещается в здание реактора, большую бетонную башню, которая скрывает реактор и в случае аварии удержит в себе все продукты ядерной реакции. Эту большую башню называют контейнтмент, герметичная оболочка или гермозона.

Гермозона в новых реакторах имеет 2 толстые бетонные стенки – оболочки. Внешняя оболочка толщиной в 80 см обеспечивает защиту гермозоны от внешних воздействий.

Внутренняя оболочка толщиной в 1 метр 20 см имеет в своем устройстве специальные стальные тросы, которые увеличивают прочность бетона почти в три раза и не дадут конструкции рассыпаться. С внутренней стороны она выложена тонким листом специальной стали, которая призвана служить дополнительной защитой контейнтмента и в случае аварии не выпустить содержимое реактора за пределы гермозоны.

Такое устройство атомной станции позволяет выдержать падение самолета весом до 200 тонн, 8 бальное землетрясение, торнадо и цунами.

Впервые герметичная оболочка была сооружена на американской АЭС Коннектикут Янки в 1968 году.

Видео по теме

Отзывы

Топливо для АЭС

На чем работает АЭС? Топливо для АЭС – это химические элементы, обладающие радиоактивными свойствами. На всех атомных станциях таким элементом выступает уран.

Устройство станций подразумевает, что АЭС работают на сложном составном топливе, а не на чистом химическом элементе. И чтобы из природного урана добыть урановое топливо, которое загружается в ядерный реактор, нужно провести множество манипуляций.

Обогащенный уран

Уран состоит из двух изотопов, то есть в его составе есть ядра с разной массой. Назвали их по количеству протонов и нейтронов изотоп -235 и изотоп-238. Исследователи 20 века начали добывать из руды 235й уран, т.к. его легче было разлагать и преобразовывать. Выяснилось, что такого урана в природе всего 0,7 % (остальные проценты достались 238му изотопу).

Что делать в этом случае? Уран решили обогащать. Обогащение урана это процесс, когда в нем остается много нужных 235х изотопов и мало ненужных 238х. Задача обогатителей урана – из 0.7% сделать почти 100% урана-235.

Обогатить уран можно с помощью двух технологий – газодиффузионной или газоцентрифужной. Для их использования уран, добытый из руды, переводят в газообразное состояние. В виде газа его и обогащают.

Урановый порошок

Обогащенный урановый газ переводят в твердое состояние – диоксид урана. Такой чистый твердый 235й уран выглядит как большие белые кристаллы, которые позже дробят в урановый порошок.

Урановые таблетки

Урановые таблетки – это твердые металлические шайбы, длиной в пару сантиметров. Чтобы из уранового порошка слепить такие таблетки, его перемешивают с веществом – пластификатором, он улучшает качество прессования таблеток.

Прессованные шайбы запекают при температуре 1200 градусов по Цельсию более суток, чтобы придать таблеткам особую прочность и устойчивость к высоким температурам. То, как работает АЭС, напрямую зависит от того, насколько хорошо спрессовали и запекли урановое топливо.

Запекают таблетки в молибденовых ящиках, т.к. только этот металл способен не расплавиться при «адских» температурах свыше полутора тысяч градусов. После этого урановое топливо для АЭС считается готовым.

Как запускают ядерный реактор?

С самим принципом работы мы разобрались, но как запустить и заставить реактор функционировать? Грубо говоря, вот он — кусок урана, но ведь цепная реакция не начинается в нем сама по себе. Дело в том, что в ядерной физике существует понятие критической массы.

Ядерное топливо

При помощи ТВЭЛов и управляющих стержней в ректоре сначала создается критическая масса ядерного топлива, а потом реактор в несколько этапов выводится на оптимальный уровень мощности.

В данной статье мы постарались дать Вам общее представление об устройстве и принципе работы ядерного (атомного) реактора. Если у Вас остались вопросы по теме или в университете задали задачу по ядерной физике – обращайтесь к специалистам нашей компании. Мы, как обычно, готовы помочь Вам решить любой насущный вопрос по учебе. А пока мы этим занимаемся, Вашему вниманию очередное образовательное видео!

Преимущества и недостатки

• он препятствует образованию на ногте грибковых образований;
• ногтевая пластина под слоем камуфляжа «дышит»;
• он делает поверхность ногтя более гладкой;
• он хорошо укрепляет ноготь – он становится менее хрупким и не ломается от несильных ударов;
• он придает ногтям здоровый блеск.

Остаточное тепловыделение

Важной проблемой, непосредственно связанной с ядерной безопасностью, является остаточное тепловыделение. Это специфическая особенность ядерного топлива, заключающаяся в том, что, после прекращения цепной реакции деления и обычной для любого энергоисточника тепловой инерции, выделение тепла в реакторе продолжается ещё долгое время, что создаёт ряд технически сложных проблем.. Остаточное тепловыделение является следствием β- и γ- распада , которые накопились в топливе за время работы реактора

Ядра продуктов деления вследствие распада переходят в более стабильное или полностью стабильное состояние с выделением значительной энергии.

Остаточное тепловыделение является следствием β- и γ- распада , которые накопились в топливе за время работы реактора. Ядра продуктов деления вследствие распада переходят в более стабильное или полностью стабильное состояние с выделением значительной энергии.

Хотя мощность остаточного тепловыделения быстро спадает до величин, малых по сравнению со стационарными значениями, в мощных энергетических реакторах она значительна в абсолютных величинах. По этой причине остаточное тепловыделение влечёт необходимость длительное время обеспечивать теплоотвод от активной зоны реактора после его остановки. Эта задача требует наличия в конструкции реакторной установки систем расхолаживания с надёжным электроснабжением, а также обуславливает необходимость длительного (в течение 3-4 лет) хранения отработавшего ядерного топлива в хранилищах со специальным температурным режимом — бассейнах выдержки, которые обычно располагаются в непосредственной близости от реактора.

Зарождение атомной энергетики

Первый в мире ядерный реактор был создан в 1942 году в США экспериментальной группой физиков под руководством лауреата нобелевской премии Энрико Ферми. Тогда же ими была осуществлена самоподдерживающаяся реакция расщепления урана. Атомный джин был выпущен на свободу.

Первый советский ядерный реактор был запущен в 1946 году, а спустя 8 лет дала ток первая в мире АЭС в городе Обнинске. Главным научным руководителем работ в атомной энергетике СССР был выдающийся физик Игорь Васильевич Курчатов.

С тех сменилось несколько поколений ядерных реакторов, но основные элементы его конструкции сохранились неизменными.

Типы ядерных реакторов, какие бывают

Существует несколько классификаций ядерных реакторов:

• по типу конструкции;
• по способу генерации пара;
• по размещению топлива;
• по спектру нейтронов. 

По типу конструкции реакторы бывают:

1. Контурные. Активная зона в таком типе реактора находится в цилиндрическом корпусе с толстыми стенками. 
2. Канальные. Активная зона представляет собой систему герметичных каналов, не зависящих друг от друга. 

По способу генерации пара реакторы делятся на:

• водо-водяные (с внешним парогенератором), где в качестве замедлителя и теплоносителя используется обычная вода;
• кипящие, где пар генерируется в активной зоне и затем направляется в турбину. 

В зависимости от того, где в реакторе находится топливо, они бывают:

• гетерогенные (топливо в активной зоне размещено блоками, заместитель находится между ними);
• гомогенные (топливо и замедлитель — это однородная смесь). 

По спектру нейтронов бывают:

• на медленных нейтронах (тепловой реактор);
• на быстрых нейтронах (быстрый);
• на промежуточных нейтронах;
• реактор смешанного типа. 

Также реакторные установки различаются между собой по виду топлива, теплоносителя и замедлителя.

Реакторы-размножители

С самых первых дней развития ядерной энергетики было осознано, что для того, чтобы ядерная энергетика имела долгосрочное будущее, необходима разработка и развертывание реакторов-размножителей. Особенностью является способность к контролируемому воспроизводству (размножению) делящихся ядер ядерного топлива. Воспроизводство ядерного горючего в реакторах осуществляется за счёт поглощения части нейтронов 238U  и образования 239Рu. В экономическом отношении тип реактора с размножителем дороже.

Но  если бы использовались только тепловые реакторы, то запасы урана считались бы недостаточными для того, чтобы долго питать грандиозные ядерные программы, которые предусматривались. Более поздние оценки запасов, хотя и достаточные в течение столетий при нынешних уровнях использования, очень скоро будут исчерпаны. Это в случае если определенные типы ядерных реакторов будут необходимы для обеспечения сегодняшнего уровня электроэнергии, не говоря уже об общем производстве первичной энергии.

Реакторы из сферы энергетики и электрики: как запускаются и для чего их применяют

Кто из читателей знал, что процесс заземления магистрали возможно выполнять при помощи специального электрического реактора? Действительно в энергетике широко известен дугогасящий реактор, который используют в процессе заземления нейтрального кабеля с трехфазной сети. Такой тип оборудования противодействует возникновению электрической дуги, из-за горения которой повреждается изоляция, а такой дефект в магистрали стремительно приводит к опасному короткому замыканию в сети и отключению электроэнергии.

SONY DSC

Еще один тип реактора энергетики – сглаживающий. Его задача – снижать пульсацию выпрямленного тока в сети.

А вот электрический агрегат, предназначенный для контроля и ограничения ударного тока, возникающего в момент короткого замыкания.

Таким образом, в электрике применяется как минимум три вида реакторов, при помощи которых обеспечивают безопасность сети и контроль работы силовых агрегатов.

Управление ядерным реактором

Управление ядерным реактором возможно только благодаря тому, что часть нейтронов при делении вылетает из осколков с запаздыванием, которое может составить от нескольких миллисекунд до нескольких минут.

Для управления реактором используют поглощающие стержни, вводимые в активную зону, изготовленные из материалов, сильно поглощающих нейтроны (в основном В, Cd и некоторые др.) и/или раствор борной кислоты, в определённой концентрации добавляемый в теплоноситель (борное регулирование). Движение стержней управляется специальными механизмами, приводами, работающими по сигналам от оператора или аппаратуры автоматического регулирования нейтронного потока.

Ядерные реакторы проектируются так, чтобы в любой момент времени процесс деления находился в устойчивом равновесии относительно малых изменений параметров, влияющих на реактивность. Таким образом, случайное изменение скорости ядерной реакции гасится, а вызванное перемещением управляющих стержней или медленным изменением других параметров — приводит к квазистационарному изменению мощности реактора

На случай различных аварийных ситуаций в каждом реакторе предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции, осуществляемое сбрасыванием в активную зону всех поглощающих стержней — система аварийной защиты.

Естественные аналоги в природе

Ядерный реактор воспринимается в общественном сознании исключительно как продукт высоких технологий. Однако по факту первое такое устройство имеет природное происхождение. Оно было обнаружено в регионе Окло, что в центральноафриканском государстве Габон:

• Реактор был образован из-за подтопления урановых пород подземными водами. Они выступили как нейтронные замедлители;
• Тепловая энергия, выделяющаяся при распаде урана, превращает воду в пар, и цепная реакция останавливается;
• После падения температуры охлаждающей жидкости все повторяется вновь;
• Если бы жидкость не выкипала и не останавливала течение реакции, человечество бы столкнулось с новой природной катастрофой;
• Самоподдерживаемое деление ядер началось в этом реакторе около полутора миллиардов лет назад. За это время было выделено около 0,1 миллиона ватт выходной мощности;
• Подобное чудо света на Земле является единственным известным. Появление новых невозможно: доля урана-235 в природном сырье намного ниже уровня, необходимого для поддержания цепной реакции.

Общие требования к контрактникам

Примечания

1. Грешилов А. А., Егупов Н. Д., Матущенко А. М. Ядерный щит. — М.: Логос, 2008. — 438 с. — ISBN 978-5-98704-272-0.
2. Круглов А. К. Как создавалась атомная промышленность в СССР. — М.: ЦНИИатоминформ, 1995. — 380 с. — ISBN 5-85165-011-7.
3. Дементьев Б. А. Ядерные энергетические реакторы. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — С. 21—22. — 351 с. — ISBN 5-283-03836-X.
4. Бартоломей Г. Г., Бать Г. А., Байбаков В. Д., Алхутов М. С. Основы теории и методы расчёта ядерных энергетических реакторов / Под ред. Г. А. Батя. — М.: Энергоиздат, 1982. — С. 31. — 511 с.
5. Андрушечко С. А., Афоров А. М., Васильев Б. Ю., Генералов В. Н., Косоуров К. Б., Семченков Ю. М., Украинцев В. Ф. АЭС с реактором типа ВВЭР-1000. От физических основ эксплуатации до эволюции проекта. — М.: Логос, 2010. — 604 с. — 1000 экз. — ISBN 978-5-98704-496-4.
6. Кириллов П. Л., Богословская Г. П. Тепло-массообмен в ядерных энергетических установках. — М.: Энергоатомиздат, 2000. — 456 с. — 1000 экз. — ISBN 5-283-03636-7.
7. Овчинников Ф. Я., Семёнов В. В. Эксплуатационные режимы водо-водяных энергетических реакторов. — 3 изд., пер. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 359 с. — 3400 экз. — ISBN 5-283-03818-1.
8. Сидоренко В. А. Вопросы безопасной работы реакторов ВВЭР. — М.: Атомиздат, 1977. — 216 с. — (Проблемы ядерной энергетики). — 3000 экз.

Принцип работы ядерного реактора

Определение 2

Когда происходит распад урана U235, он сопровождается выделением большого количества тепла. Это возможно по причине выброса 2-3 нейтронов. При их столкновении с другими атомами U235 образуется нестабильный изотоп U236, который сразу распадается на Kr92 и Ba141 с двумя или тремя нейтронами. Эта энергия идет под видом гамма излучения с выделением тепла. Это получило название цепной реакции.

Деление атомов и увеличение распадов растут в геометрической прогрессии, поэтому говорят об освобождении большого количества энергии, то есть образования атомного взрыва, если реакция является неуправляемой. Ядерный реактор же позволяет управлять ею.