Принцип работы ядерного реактора. Что такое ядерный реактор

Содержание

Небесный 235 распадается и выделяет большое количество тепловой энергии. Эта энергия кипятит воду, а образующийся пар вращает турбину под давлением. Турбина вращает генератор, который вырабатывает электроэнергию.

Что такое ядерный реактор

Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит непрерывная, контролируемая ядерная реакция для производства электроэнергии.

Другими словами, это внутреннее устройство, материал которого (ядерное топливо) преобразуется в другой (пар), выделяя огромную тепловую энергию.

История создания

Развитие ядерной энергетики связано с французским химиком Антуаном Генри, который изучал Уран и открыл радиоактивность. Затем Пьер и Мария Кюри смогли выделить из солей урана полоний и радио.

Первая атомная электростанция была построена в США Э. Ферми в 1942 году; в 1945 году второй в мире реактор был установлен на канадском Джипе. А в 1946 году был разработан реактор И.В. Кркатова, также советский. Первые реакторы сильно отличались от современных: у них не было системы охлаждения и очень маленькая мощность. Однако они дали толчок развитию ядерной энергетики во всем мире. Первая атомная электростанция была построена в Обнинске.

Устройство реактора, главные комплектующие элементы агрегата

Структура реактора одинакова, независимо от его типа.

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.
Отражатель нейтронов вокруг активной зоны.
Теплоноситель, который выводит энергию, образующуюся при делении ядер в активной зоне. Теплоносителем может выступать вода, жидкий натрий и др.
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.
Защитная система, которую делают из бетона с железным наполнителем. Она надежно удерживает нейтроны и радиационное излучение.
Система дистанционного управления.

Принцип работы

Работу реакторной установки можно сравнить с работой обычного реактора. Не используются только углерод и древесина, но и ядерное топливо. В отличие от печи, здесь нет пламени, так как реакция происходит на уровне деления ядер. Ядро распадается на более мелкие частицы, которые затем становятся источником нейтронов. В результате этого процесса высвобождается большое количество энергии. Выделяемая энергия нагревает воду и превращает ее в пар. Пар вращает турбину генератора, преобразуя энергию движения в электричество.

Эта схема наглядно показывает, как работает реактор.

Основная функция персонала, обслуживающего атомную электростанцию, заключается в регулировании скорости ядерных реакций с помощью системы управления в виде стержней, которые оператор вводит в ядро.

Типы ядерных реакторов, какие бывают

Существует несколько типов реакторов:.

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

В зависимости от типа конструкции, реакторы бывают: — ядерные реакторы: — ядерные реакторы: — ядерные реакторы.

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

В зависимости от способа производства пара реакторы различают следующим образом

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 соответствии с положением топлива в реакторе они подразделяются следующим образом

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

Согласно спектру нейтронов.

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

Реакторные станции различаются по типу топлива, хладагента и регулятора.

Какое топливо используют для ядерных реакторов

В реакторах используются следующие виды топлива

изотопы урана 235U, 238U, 233U;
изотоп плутония 239Pu, также изотопы 239-242Pu в виде смеси с 238U;
изотоп тория 232Th (посредством преобразования в 233U).

По степени обогащения топливо различают следующим образом

По химическому составу они подразделяются на

Инверсия коэффициента умножения достигается путем уравновешивания размножения нейтронов и потерь нейтронов. На самом деле, существует два источника потерь. Концепция отсутствия деления и утечки нейтронов за пределы среды размножения.

Первый ядерный реактор

Первенец» родом из США. Э. Ферми, один из величайших физиков столетия — первый ядерный реактор, названный в честь своего создателя в декабре 1942 года. Три года спустя ядерный объект Зип работал в Канаде. ‘Бронзовая награда досталась первому советскому реактору Ф-1, который был запущен в конце 1946 года. Руководителем Национальной ядерной программы был И.В. Куркатов. Сегодня в мире успешно эксплуатируется более 400 ядерных энергоблоков.

Типы ядерных реакторов

Их основное назначение — поддерживать регулируемую ядерную реакцию, в результате которой вырабатывается электроэнергия. Некоторые реакторы производят изотопы. По сути, это внутренние устройства, в которых одни вещества преобразуются в другие, выделяя большое количество тепловой энергии. Это похоже на «печь», в которой U-235, U-238 и плутоний (PU) «сжигаются» вместо традиционного топлива.

В отличие от этого, например, в автомобилях с различными типами бензина, для каждого типа радиоактивного топлива существует свой тип реактора. Два из них имеют медленные (с U-235) и быстрые (U-238 и ПУ) нейтроны. Большинство ПАТ имеют реакторы с медленными нейтронами. Помимо ВИЭ, они используются в исследовательских центрах, индивидуальных подводных опреснительных установках.

Как устроен реактор

Все реакторы имеют практически идентичные конструкции. Его «сердце» — это сердцевина. Его можно сравнить с обычной духовкой. Вместо ФИРМЫ имеется ядерное топливо в виде твэлов — тепловыделяющих элементов. Ядро находится в капсуле типа — отражателе нейтронов. Топливный элемент «очищается» хладагентом — водой. Сердце» окружено надежной радиационной защитой, так как оно имеет очень высокий уровень радиоактивности.

Оператор управляет работой агрегата с помощью двух ключевых систем: системы управления реактивной цепью и системы дистанционного управления. При возникновении ненормального состояния немедленно включается сигнал тревоги.

Эти системы включают использование испорченного ядерного топлива (ОЯТ) из реактора ВВЭР и оксидного топлива на основе урана-235 из реактора БН. В процессе переработки происходит отделение плутониево-урановой смеси, используемой для изготовления Mox-топлива. Топливо Mox Mox также перерабатывается вместе с топливом после реактора РБМК.

Устройство и принцип работы

Механизм энерговыделения

Преобразование материала сопровождается выделением свободной энергии только в том случае, если материал обладает запасами энергии. Последнее означает, что частицы материи находятся в состоянии высокой энергии, которая является мягкой для других возможных переходов. Спонтанным переходам всегда препятствуют энергетические барьеры. Поэтому микропаллитавизис должен принимать определенное количество энергии — энергии стимула — извне. Ультрасубкритическая реакция заключается в том, что во время трансформации после стимуляции высвобождается больше энергии, чем необходимо для стимуляции процесса. Существует два способа преодоления энергетического барьера: либо за счет кинетической энергии конкурирующих частиц, либо за счет соответствующих связей комплекса.

Если иметь в виду макроскопический масштаб выделения энергии, то кинетическая энергия, необходимая для стимулирования реакции, требуется всем или, по крайней мере, частицам материи. Этого можно достичь только путем повышения температуры среды до значения, при котором энергия теплового движения приближается к значению энергетического порога, ограничивающего протекание процесса. В случае молекулярных превращений, т.е. химических реакций, это увеличение обычно составляет сотни Кельвинов, тогда как в случае ядерных реакций оно составляет не менее 10 К из-за очень высокого кулоновского барьера противоречивого ядра. Тепловая стимуляция ядерных реакций фактически имеет место только в легком ядерном синтезе, где кулоновский барьер минимален (тепловой синтез).

Стимуляция путем присоединения частиц не требует такого количества кинетической энергии, чтобы не зависеть от температуры среды, так как она происходит за счет неиспользованных связей, присущих тихой силе частиц. Однако, с другой стороны, сами частицы должны стимулировать реакцию. Опять же, это возможно только при возникновении цепной реакции, если иметь в виду не отдельные методы реакции, а генерацию энергии в макроскопическом масштабе. Последнее происходит, когда частицы, стимулирующие реакцию, вновь появляются в качестве экстремофильных продуктов реакции.

Конструкция

Каждый реактор состоит из следующих частей

Радиационная защита;
Система дистанционного управления.

Физические принципы работы

Текущее состояние реактора может характеризоваться эффективным коэффициентом распространения нейтронов или реактивностью P, связанной следующим соотношением.

«ширина =» «высота =» » />

Следующие значения являются типичными для этих величин

k > 1 — цепная реакция нарастает во времени, реактор находится в надкритичном состоянии, его реактивность ρ > 0;
k < 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, ρ < 0;
k = 1, ρ = 0 — число делений ядер постоянно, реактор находится в стабильном критическом состоянии.

Критическое состояние реактора:.

k₀ — коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров.

Инверсия коэффициента умножения достигается путем уравновешивания размножения нейтронов и потерь нейтронов. На самом деле, существует два источника потерь. Концепция отсутствия деления и утечки нейтронов за пределы среды размножения.

Классификация

По назначению

Реакторы делятся 5 6 7 в зависимости от характера их использования.

Энергетические реакторы, предназначенные для получения электрической и тепловой энергии, используемой в энергетике, а также для опреснения морской воды (реакторы для опреснения также относят к промышленным). Основное применение такие реакторы получили на атомных электростанциях. Тепловая мощность современных энергетических реакторов достигает 5 ГВт. В отдельную группу выделяют:

Транспортные реакторы, предназначенные для снабжения энергией двигателей транспортных средств. Наиболее широкие группы применения — морские транспортные реакторы, применяющиеся на подводных лодках и различных надводных судах, а также реакторы, применяющиеся в космической технике.

Во многих случаях реакторы используются для выполнения двух или более различных задач и поэтому называются многоцелевыми реакторами. Например, некоторые энергетические реакторы, особенно на заре развития ядерной энергетики, предназначались в основном для экспериментальных целей. Реакторы Versa могут быть как энергетическими реакторами, так и реакторами для производства изотопов. Помимо своей основной задачи, промышленные реакторы часто производят электрическую и тепловую энергию.

По спектру нейтронов

По размещению топлива

, где топливо размещается в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель;, где топливо и замедлитель представляют однородную смесь (гомогенную систему).

В гетерогенных реакторах топливо и координатор могут быть пространственно разделены. В частности, в полостных реакторах координатор-восстановитель окружает топливную полость, содержащую координатор. С точки зрения ядерной физики критерием однородности/неоднородности является не конструктивное исполнение, а скорее длина нейтронной модерации конкретного регулятора, который блокирует топливную установку. Поэтому реакторы с SO, называемые «узкой решеткой», рассчитываются как однородные, но топливо обычно разделяется координатором.

Топливный стержневой комплекс неоднородного реактора называется тепловыделяющей сборкой (ТВС) и размещается в активной зоне узла регулярной сетки, образуя гнездовой ящик.

По виду топлива

изотопы урана 235, 238, 233 ( 235 U, 238 U, 233 U)
изотоп плутония 239 ( 239 Pu), также изотопы 239-242 Pu в виде смеси с 238 U (MOX-топливо)
изотоп тория 232 ( 232 Th) (посредством преобразования в 233 U)

По виду теплоносителя

По роду замедлителя

С (графит, см. Графито-газовый реактор, Графито-водный реактор)
H₂O (вода, см. Легководный реактор, Водо-водяной реактор, ВВЭР)
D₂O (тяжёлая вода, см. Тяжеловодный ядерный реактор, CANDU), BeO металлов
Без замедлителя (см. Реактор на быстрых нейтронах)

По конструкции

По способу генерации пара

Классификация МАГАТЭ

PWR (pressurized water reactors) — водо-водяной реактор (реактор с водой под давлением);
BWR (boiling water reactor) — кипящий реактор;
FBR (fast breeder reactor) — реактор-размножительна быстрых нейтронах;
GCR (gas-cooled reactor) — газоохлаждаемый реактор;
LWGR (light water graphite reactor) — графито-водный реактор
PHWR (pressurised heavy water reactor) — тяжеловодный реактор

Материалы реакторов

Строительные материалы реакторов работают при высоких температурах в полях нейтронов, кванта С и осколков деления. Поэтому не все материалы, используемые в других отраслях машиностроения, подходят для строительства реакторов. При выборе материалов реакторов учитывается их радиационная стойкость, химическая дезактивация, сечения поглощения и другие свойства.

Материал	Плотность, г/см³	Макроскопическое сечение поглощения Εм −1
Материал	Плотность, г/см³	тепловых нейтронов	нейтронов спектра деления
Алюминий	2,7	1,3	2,5·10 −3
Магний	1,74	0,14	3·10 −3
Цирконий	6,4	0,76	4·10 −2
Нержавеющая сталь	8,0	24,7	1·10 −1

Топливные элементы, каналы и координаторы изготавливаются из материалов с малым поглощающим сечением. Внедрение материалов, поглощающих слабые нейтроны, снижает непроизводительный расход нейтронов, уменьшает заряд ядерного топлива и увеличивает коэффициенты размножения КВ. Напротив, материалы с большим поглощающим сечением подходят для абсорбирующих балок. Это значительно сокращает количество стержней, необходимых для работы реактора.

Быстрые нейтроны, к-лучи и осколки деления разрушают структуру материи. Например, в твердых телах быстрые нейтроны удаляют или перемещают людей с их места в кристаллической решетке. В результате ухудшаются пластические свойства и теплопроводность материала. Под воздействием излучения сложные молекулы распадаются на более простые молекулы или сложные индивидуумы. Например, вода распадается на кислород и водород. Это явление известно как радиоактивное растворение воды.

Летучесть радиологических материалов ниже при высоких температурах. Поскольку люди становятся гораздо более мобильными, значительно увеличивается количество людей, выходящих из кристаллической решетки молекул воды или воссоединяющих водород и кислород. Таким образом, в то время как инфильтрация воды является незначительной в не буровых энергетических реакторах (таких как ВВЭР), мощные исследовательские реакторы выбрасывают значительное количество гремучей жидкости. Реакторы имеют специальные системы для сжигания топлива.

Материалы реактора находятся в контакте друг с другом (например, хладагент и ядерное топливо, кассеты с хладагентным топливом, регуляторы). Разумеется, контактные материалы должны быть химически инертными (совместимыми). Примером несовместимости является химическая реакция между ураном и горячей водой.

Прочностные свойства большинства материалов ухудшаются с повышением температуры. В энергетических реакторах строительные материалы работают при высоких температурах. Это ограничивает выбор строительных материалов, особенно для частей энергетических реакторов, которые должны выдерживать высокое давление.

Чтобы уменьшить утечку нейтронов, ядро имеет сферическую или почти сферическую форму, например, короткий цилиндр или куб.

Как запускают ядерный реактор?

Мы поняли сам принцип работы, но как запустить реактор и заставить его работать? В общем, вот кусок урана, но цепная реакция не начинается сама по себе. Дело в том, что в ядерной физике есть понятие критической массы.

Критическая масса — это масса разрывного материала, необходимая для начала ядерной цепной реакции.

Критическая масса ядерного топлива создается сначала с помощью топливных стержней и контрольных стержней в реакторе, затем реактор находится на оптимальных уровнях мощности на различных этапах.

В данной статье предпринята попытка дать общее представление о конструкции и работе реактора. Если у вас есть вопросы по этой теме, или если в вашем университете вам задали работу по ядерной физике, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам. Как всегда, мы готовы помочь вам решить срочные вопросы, связанные с вашим исследованием. И раз уж мы заговорили об этом, создайте еще одно обучающее видео!

Иван Колобков, также известный как Джони. Он является трейдером, аналитиком и копирайтером в компании Zaochnik. Очень перспективный молодой писатель. Он любит физику, необычные вещи и творчество К. Буковски.