Създаване на първия ядрен реактор. Атомна електроцентрала: как работи

Производството на ядрена енергия е модерен и бързо развиващ се метод за производство на електроенергия. Знаете ли как работят атомните електроцентрали? Какъв е принципът на работа на атомната електроцентрала? Какви видове ядрени реактори съществуват днес? Ще се опитаме да разгледаме подробно схемата на работа на атомна електроцентрала, да се впуснем в структурата на ядрен реактор и да разберем колко безопасен е ядреният метод за производство на електроенергия.

Всяка станция е затворена зона, далеч от жилищен район. На територията му има няколко сгради. Най-важната структура е сградата на реактора, до нея е машинната зала, от която се управлява реакторът, и сградата за безопасност.

Схемата е невъзможна без ядрен реактор. Атомният (ядрен) реактор е устройство за атомна електроцентрала, предназначено да организира верижна реакция на делене на неутрони със задължително освобождаване на енергия по време на този процес. Но какъв е принципът на работа на атомната електроцентрала?

Цялата реакторна инсталация се помещава в сградата на реактора, голяма бетонна кула, която скрива реактора и ще съдържа всички продукти в случай на авария ядрена реакция. Тази голяма кула се нарича херметична обвивка или херметична зона.

Херметичната зона в новите реактори има 2 дебели бетонни стени - обвивки.
Външната обвивка с дебелина 80 см предпазва зоната на задържане от външни влияния.

Вътрешната обвивка с дебелина 1 метър 20 см има специални стоманени въжета, които увеличават здравината на бетона почти три пъти и предпазват конструкцията от разпадане. Отвътре той е облицован с тънък лист от специална стомана, която е предназначена да служи като допълнителна защита на херметичната конструкция и в случай на авария да не изхвърля съдържанието на реактора извън херметичната зона.

Този дизайн на атомната електроцентрала й позволява да издържи самолетна катастрофа с тегло до 200 тона, земетресение с магнитуд 8, торнадо и цунами.

Първата херметична обвивка е построена в американската атомна електроцентрала Yankee в Кънектикът през 1968 г.

Общата височина на защитната зона е 50-60 метра.

От какво се състои ядрен реактор?

За да разберете принципа на работа на атомния реактор и следователно принципа на работа на атомната електроцентрала, трябва да разберете компонентите на реактора.

Активна зона. Това е зоната, където са разположени ядреното гориво (генератор на гориво) и модераторът. Атомите на горивото (най-често горивото е уран) претърпяват верижна реакция на делене. Модераторът е проектиран да контролира процеса на делене и позволява необходимата реакция по отношение на скорост и сила.
Неутронен рефлектор. Рефлектор обгражда ядрото. Състои се от същия материал като модератора. По същество това е кутия, чиято основна цел е да попречи на неутроните да напуснат активната зона и да навлязат в околната среда.
Антифриз. Охлаждащата течност трябва да абсорбира топлината, отделена по време на деленето на атомите на горивото, и да я прехвърли на други вещества. Охлаждащата течност до голяма степен определя как е проектирана атомната електроцентрала. Най-популярната охлаждаща течност днес е водата.
Система за управление на реактора. Сензори и механизми, захранващи реактора на атомна електроцентрала.

Гориво за атомни електроцентрали

На какво работи атомната електроцентрала? Горивото за атомните електроцентрали са химически елементи, които имат радиоактивни свойства. Във всички атомни електроцентрали този елемент е уран.

Дизайнът на станциите предполага, че атомните електроцентрали работят на сложно композитно гориво, а не на чисто химичен елемент. А за да се извлече ураново гориво от природен уран, който се зарежда в ядрен реактор, е необходимо да се извършат много манипулации.

Обогатен уран

Уранът се състои от два изотопа, тоест съдържа ядра с различна маса. Те са наречени по броя на протоните и неутроните изотоп -235 и изотоп -238. Изследователите от 20-ти век започнаха да извличат уран 235 от руда, защото... беше по-лесно да се разложи и трансформира. Оказа се, че такъв уран в природата е само 0,7% (останаващият процент отива към 238-ия изотоп).

Какво да направите в този случай? Решиха да обогатят уран. Обогатяването на уран е процес, при който много от необходимите изотопи 235x остават в него и малко ненужни изотопи 238x. Задачата на обогатителите на уран е да превърнат 0,7% в почти 100% уран-235.

Уранът може да бъде обогатен с помощта на две технологии: газова дифузия или газова центрофуга. За да се използват, уранът, извлечен от руда, се превръща в газообразно състояние. Обогатен е под формата на газ.

Уранов прах

Обогатеният уранов газ се превръща в твърдо състояние - уранов диоксид. Този чист твърд уран 235 изглежда като големи бели кристали, които по-късно се натрошават на уран на прах.

Уранови таблетки

Таблетките с уран са твърди метални дискове с дължина няколко сантиметра. За да се образуват такива таблетки от уранов прах, той се смесва с вещество - пластификатор, което подобрява качеството на пресоване на таблетките.

Пресованите шайби се пекат при температура от 1200 градуса по Целзий повече от един ден, за да придадат на таблетките специална здравина и устойчивост на високи температури. Как работи атомната електроцентрала зависи пряко от това колко добре е компресирано и изпечено урановото гориво.

Таблетките се пекат в кутии от молибден, т.к само този метал е способен да не се топи при „адски“ температури над една и половина хиляди градуса. След това ураново гориво за атомни електроцентрали се счита за готово.

Какво представляват ТВЕЛ и ФА?

Ядрото на реактора изглежда като огромен диск или тръба с дупки в стените (в зависимост от вида на реактора), 5 пъти по-големи от човешкото тяло. Тези дупки съдържат ураново гориво, чиито атоми извършват желаната реакция.

Невъзможно е просто да хвърлите гориво в реактора, освен ако не искате да предизвикате експлозия на цялата станция и авария с последствия за няколко близки държави. Следователно урановото гориво се поставя в горивни пръти и след това се събира в горивни касети. Какво означават тези съкращения?

TVEL - горивен елемент (да не се бърка със същото име Руска компания, който ги произвежда). По същество това е тънка и дълга циркониева тръба, изработена от циркониеви сплави, в която се поставят уранови таблетки. Именно в горивните пръти атомите на урана започват да взаимодействат помежду си, отделяйки топлина по време на реакцията.

Цирконият е избран като материал за производството на горивни пръти поради неговата огнеупорност и антикорозионни свойства.

Видът на горивните пръти зависи от типа и конструкцията на реактора. По правило структурата и предназначението на горивните пръти не се променят, дължината и ширината на тръбата могат да бъдат различни.

Машината зарежда повече от 200 уранови топчета в една циркониева тръба. Общо около 10 милиона уранови топчета работят едновременно в реактора.
FA – горивна касета. Работниците в АЕЦ наричат горивните възли снопове.

По същество това са няколко горивни пръта, закрепени заедно. FA е готово ядрено гориво, с което работи атомната електроцентрала. Именно горивните касети се зареждат в ядрения реактор. В един реактор се поставят около 150 – 400 горивни касети.
В зависимост от реактора, в който ще работят горивните касети, те могат да бъдат различни форми. Понякога снопчетата са сгънати в кубична, понякога в цилиндрична, понякога в шестоъгълна форма.

Един горивен възел за 4 години работа произвежда същото количество енергия, както при изгарянето на 670 вагона въглища, 730 резервоара с природен газили 900 цистерни, натоварени с нефт.
Днес горивните възли се произвеждат главно в заводи в Русия, Франция, САЩ и Япония.

За да доставят гориво за атомни електроцентрали в други страни, горивните касети се затварят в дълги и широки метални тръби, въздухът се изпомпва от тръбите и специални машинидоставени на борда на товарни самолети.

Ядреното гориво за АЕЦ тежи непосилно много, защото... уранът е един от най-тежките метали на планетата. Неговата специфично тегло 2,5 пъти повече от стоманата.

Атомна електроцентрала: принцип на работа

Какъв е принципът на работа на атомната електроцентрала? Принципът на работа на атомните електроцентрали се основава на верижна реакция на делене на атоми на радиоактивно вещество - уран. Тази реакция протича в сърцевината на ядрен реактор.

ВАЖНО Е ДА ЗНАЕТЕ:

Без да навлизаме в тънкостите на ядрената физика, принципът на работа на атомната електроцентрала изглежда така:
След пускането на ядрен реактор абсорбиращите пръти се отстраняват от горивните пръти, които предотвратяват реакцията на урана.

След като прътите бъдат отстранени, урановите неутрони започват да взаимодействат един с друг.

Когато неутроните се сблъскат, възниква миниексплозия на атомно ниво, освобождава се енергия и се раждат нови неутрони, нещата започват да се случват верижна реакция. Този процес генерира топлина.

Топлината се предава на охлаждащата течност. В зависимост от вида на охлаждащата течност тя се превръща в пара или газ, който върти турбината.

Турбината задвижва електрически генератор. Именно той всъщност генерира електрически ток.

Ако не наблюдавате процеса, урановите неутрони могат да се сблъскат един с друг, докато експлодират реактора и разбият цялата атомна електроцентрала на парчета. Процесът се контролира от компютърни сензори. Те отчитат повишаване на температурата или промяна в налягането в реактора и могат автоматично да спрат реакциите.

Как принципът на работа на атомните електроцентрали се различава от топлоелектрическите централи (топлоелектрически централи)?

Разлики в работата има само в първите етапи. В атомна електроцентрала охлаждащата течност получава топлина от деленето на атоми на ураново гориво; в топлоелектрическа централа охлаждащата течност получава топлина от изгарянето на органично гориво (въглища, газ или нефт). След като урановите атоми или газът и въглищата отделят топлина, схемите на работа на атомните електроцентрали и топлоелектрическите централи са еднакви.

Видове ядрени реактори

Как работи атомната електроцентрала зависи от това как точно работи нейният ядрен реактор. Днес има два основни вида реактори, които се класифицират според спектъра на невроните:
Реактор на бавни неутрони, наричан още термичен реактор.

За работата му се използва уран 235, който преминава през етапите на обогатяване, създаване на уранови топчета и др. Днес по-голямата част от реакторите използват бавни неутрони.
Реактор на бързи неутрони.

Тези реактори са бъдещето, защото... Те работят с уран-238, който е стотинка в природата и няма нужда да се обогатява този елемент. Единственият недостатък на такива реактори са много високите разходи за проектиране, изграждане и стартиране. Днес реакторите на бързи неутрони работят само в Русия.

Охлаждащата течност в реакторите на бързи неутрони е живак, газ, натрий или олово.

Реакторите на бавни неутрони, които днес използват всички атомни електроцентрали в света, също се предлагат в няколко вида.

Организация МААЕ (международна агенция за ядрена енергия) създаде своя собствена класификация, която се използва най-често в световната ядрена енергетика. Тъй като принципът на работа на атомната електроцентрала до голяма степен зависи от избора на охлаждаща течност и модератор, МААЕ базира своята класификация на тези разлики.

От химическа гледна точка деутериевият оксид е идеален модератор и охладител, т.к неговите атоми взаимодействат най-ефективно с неутроните на урана в сравнение с други вещества. Просто казано, тежката вода изпълнява задачата си с минимални загуби и максимални резултати. Производството му обаче струва пари, докато обикновената „лека“ и позната вода е много по-лесна за използване.

Няколко факта за ядрените реактори...

Интересното е, че изграждането на един реактор на атомна електроцентрала отнема поне 3 години!
За да построите реактор, имате нужда от оборудване, което работи с електрически ток от 210 килоампера, което е милион пъти по-високо от тока, който може да убие човек.

Една обвивка (конструкционен елемент) на ядрен реактор тежи 150 тона. В един реактор има 6 такива елемента.

Воден реактор под налягане

Вече разбрахме как работи атомната електроцентрала като цяло; за да поставим всичко в перспектива, нека да разгледаме как работи най-популярният ядрен реактор с вода под налягане.
Днес навсякъде по света се използват реактори с вода под налягане поколение 3+. Те се считат за най-надеждни и безопасни.

Всички реактори с вода под налягане в света, през всичките години на тяхната експлоатация, вече са натрупали повече от 1000 години безаварийна работа и никога не са давали сериозни отклонения.

Структурата на атомните електроцентрали, използващи реактори с вода под налягане, предполага, че дестилирана вода, загрята до 320 градуса, циркулира между горивните пръти. За да се предотврати преминаването му в състояние на пара, той се поддържа под налягане от 160 атмосфери. Диаграмата на атомната електроцентрала го нарича вода от първи контур.

Загрятата вода постъпва в парогенератора и отдава топлината си на водата от втория контур, след което отново се „връща“ в реактора. Външно изглежда, че водните тръби от първия кръг са в контакт с други тръби - водата от втория кръг, те предават топлина една на друга, но водите не влизат в контакт. Тръбите са в контакт.

По този начин се изключва възможността за навлизане на радиация във водата от втория контур, която по-нататък ще участва в процеса на генериране на електроенергия.

Безопасност на експлоатацията на АЕЦ

След като научихме принципа на работа на атомните електроцентрали, трябва да разберем как работи безопасността. Изграждането на атомни електроцентрали днес изисква повишено внимание към правилата за безопасност.
Разходите за безопасност на АЕЦ са приблизително 40% от общите разходи за самата централа.

Веригата на атомната електроцентрала съдържа 4 физически бариери, които пречат на изхода радиоактивни вещества. Какво трябва да правят тези бариери? В точния момент можете да спрете ядрената реакция, да осигурите постоянно отвеждане на топлината от активната зона и самия реактор и да предотвратите изпускането на радионуклиди извън херметичната зона.

Първата бариера е силата на урановите пелети.Важно е те да не бъдат унищожени от високи температури в ядрен реактор. Голяма част от това как работи атомната електроцентрала зависи от това как урановите пелети се „изпичат“ по време на началния етап на производство. Ако пелетите с ураново гориво не са изпечени правилно, реакциите на атомите на урана в реактора ще бъдат непредвидими.
Втората бариера е херметичността на горивните пръти.Циркониевите тръби трябва да бъдат плътно запечатани; ако уплътнението е счупено, тогава в най-добрия случай реакторът ще бъде повреден и работата ще спре, в най-лошия - всичко ще излети във въздуха.
Третата бариера е издръжлив стоманен корпус на реактораа, (същата тази голяма кула - херметична зона), която "задържа" всички радиоактивни процеси. Ако корпусът е повреден, радиацията ще излезе в атмосферата.
Четвъртата бариера са пръти за аварийна защита.Пръти с модератори са окачени над активната зона с магнити, които могат да абсорбират всички неутрони за 2 секунди и да спрат верижната реакция.

Ако въпреки дизайна на атомна електроцентрала с много степени на защита, не е възможно да се охлади ядрото на реактора в точното време и температурата на горивото се повиши до 2600 градуса, тогава последната надежда на системата за безопасност влиза в действие - така нареченият капан за стопяване.

Факт е, че при тази температура дъното на корпуса на реактора ще се стопи и всички остатъци от ядрено гориво и разтопени конструкции ще се влеят в специално „стъкло“, окачено над ядрото на реактора.

Капанът за стопилка е охладен и огнеупорен. Той е пълен с така наречения „жертвен материал“, който постепенно спира верижната реакция на делене.

По този начин дизайнът на атомната електроцентрала предполага няколко степени на защита, които почти напълно елиминират всяка възможност за авария.

: ... съвсем банално, но въпреки това все още не съм намерил информацията в усвоим вид - как ядрен реактор ЗАПОЧВА да работи. Всичко за принципа и структурата на работа вече е предъвкано над 300 пъти и е ясно, но ето как се получава горивото и от какво и защо не е толкова опасно докато е в реактора и защо не реагира преди да бъде потопени в реактора! - в края на краищата се загрява само вътре, въпреки това преди зареждането горивото е студено и всичко е наред, така че какво причинява нагряването на елементите не е напълно ясно, как те се отразяват и т.н., за предпочитане не научно).

Трудно е, разбира се, да се оформи такава тема по ненаучен начин, но ще се опитам. Нека първо да разберем какви са тези горивни пръти.

Ядреното гориво е черна таблетка с диаметър около 1 см и височина около 1,5 см. Те съдържат 2% уранов диоксид 235 и 98% уран 238, 236, 239. Във всички случаи, с произволно количество ядрено гориво ядрен взривне може да се развие, тъй като за лавинообразна бърза реакция на делене, характерна за ядрен взрив, е необходима концентрация на уран 235 над 60%.

Двеста топчета ядрено гориво се зареждат в тръба, изработена от метален цирконий. Дължината на тази тръба е 3,5 м. диаметър 1,35 см. Тази тръба се нарича горивен елемент - горивен елемент. 36 горивни пръта са сглобени в касета (друго име е "монтаж").

Конструкция на горивния елемент на реактора RBMK: 1 - щепсел; 2 - таблетки с уранов диоксид; 3 - циркониева обвивка; 4 - пружина; 5 - втулка; 6 - съвет.

Трансформацията на веществото е придружена от освобождаване на свободна енергия само ако веществото има резерв от енергия. Последното означава, че микрочастиците от дадено вещество са в състояние с енергия на покой, по-голяма от това в друго възможно състояние, към което има преход. Спонтанният преход винаги е възпрепятстван от енергийна бариера, за преодоляване на която микрочастицата трябва да получи определено количество енергия отвън - енергия на възбуждане. Екзоенергийната реакция се състои в това, че при трансформацията след възбуждане се освобождава повече енергия, отколкото е необходима за възбуждане на процеса. Има два начина за преодоляване на енергийната бариера: или поради кинетичната енергия на сблъскващи се частици, или поради енергията на свързване на свързващата се частица.

Ако имаме предвид макроскопичния мащаб на освобождаване на енергия, тогава всички или първоначално поне част от частиците на веществото трябва да имат кинетичната енергия, необходима за възбуждане на реакции. Това е постижимо само чрез повишаване на температурата на средата до стойност, при която енергията топлинно движениесе доближава до енергийния праг, ограничаващ хода на процеса. В случай на молекулярни трансформации, т.е химична реакция, такова увеличение обикновено е стотици градуси по Келвин, но в случай на ядрени реакции то е най-малко 107 K поради много високата височина на кулоновите бариери на сблъскващи се ядра. Термичното възбуждане на ядрените реакции се извършва на практика само по време на синтеза на най-леките ядра, при които бариерите на Кулон са минимални (термоядрен синтез).

Възбуждането чрез свързване на частици не изисква голяма кинетична енергия и следователно не зависи от температурата на средата, тъй като възниква поради неизползвани връзки, присъщи на силите на привличане на частиците. Но за да се възбудят реакциите, са необходими самите частици. И ако отново имаме предвид не отделен акт на реакция, а производство на енергия в макроскопичен мащаб, то това е възможно само при верижна реакция. Последното възниква, когато частиците, които възбуждат реакцията, се появят отново като продукти на екзоенергийна реакция.

За управление и защита на ядрен реактор се използват управляващи пръти, които могат да се движат по цялата височина на активната зона. Пръчките са направени от вещества, които силно абсорбират неутрони - например бор или кадмий. Когато пръчките са вкарани дълбоко, верижната реакция става невъзможна, тъй като неутроните се абсорбират силно и се отстраняват от реакционната зона.

Пръчките се преместват дистанционно от контролния панел. С леко движение на прътите верижният процес или ще се развие, или ще избледнее. По този начин се регулира мощността на реактора.

Ленинградска АЕЦ, реактор РБМК

Начало на работа на реактора:

В началния момент след първото зареждане на гориво в реактора няма верижна реакция на делене, реакторът е в подкритично състояние. Температурата на охлаждащата течност е значително по-ниска от работната температура.

Както вече споменахме тук, за да започне верижна реакция, делящият се материал трябва да образува критична маса - достатъчно количество спонтанно деляща се материя в достатъчно малко пространство, условие, при което броят на неутроните, освободени по време на ядреното делене, трябва да бъде повече бройабсорбирани неутрони. Това може да стане чрез увеличаване на съдържанието на уран-235 (количеството заредени горивни пръти) или чрез забавяне на скоростта на неутроните, така че да не летят покрай ядрата на уран-235.

Реакторът се пуска на мощност на няколко етапа. С помощта на регулатори на реактивността реакторът се превежда в свръхкритично състояние Kef>1 и мощността на реактора се повишава до ниво 1-2% от номиналната. На този етап реакторът се нагрява до работните параметри на охлаждащата течност и скоростта на нагряване е ограничена. По време на процеса на нагряване, контролите поддържат мощността на постоянно ниво. След това се стартират циркулационните помпи и се пуска в действие системата за отвеждане на топлината. След това мощността на реактора може да бъде увеличена до всяко ниво в диапазона от 2 до 100% от номиналната мощност.

Когато реакторът се нагрее, реактивността се променя поради промени в температурата и плътността на материалите на сърцевината. Понякога по време на нагряване относителната позиция на сърцевината и контролните елементи, които влизат или излизат от сърцевината, се променя, причинявайки ефект на реактивност при липса на активно движение на контролните елементи.

Регулиране чрез твърди, движещи се абсорбиращи елементи

За бърза промяна на реактивността в по-голямата част от случаите се използват твърди подвижни абсорбери. В реактора RBMK управляващите пръти съдържат втулки от борен карбид, затворени в тръба от алуминиева сплав с диаметър 50 или 70 mm. Всеки управляващ прът е поставен в отделен канал и се охлажда с вода от веригата на системата за управление и защита (система за управление и защита) при средна температура 50 ° C. Според предназначението си прътите са разделени на пръти AZ (аварийна защита), в RBMK има 24 такива пръта. Автоматични щанги - 12 броя, локални автоматични щанги - 12 броя, ръчни регулатори - 131 и 32 скъсени абсорбиращи щанги (USP). Има общо 211 пръта. Освен това скъсените пръчки се вкарват в сърцевината отдолу, а останалите отгоре.

Реактор ВВЕР 1000. 1 - задвижване на системата за управление; 2 - капак на реактора; 3 - тяло на реактора; 4 - блок от защитни тръби (BZT); 5 - вал; 6 - корпус на ядрото; 7 - горивни възли (FA) и контролни пръти;

Горими абсорбиращи елементи.

За да се компенсира излишната реактивност след зареждане на прясно гориво, често се използват горими абсорбери. Принципът на действие на който е, че те, подобно на горивото, след като уловят неутрон, впоследствие престават да абсорбират неутрони (изгарят). Освен това скоростта на намаляване в резултат на поглъщането на неутрони от ядрата на абсорбатора е по-малка или равна на скоростта на намаляване в резултат на делене на ядрата на гориво. Ако заредим ядрото на реактора с гориво, предназначено да работи една година, тогава е очевидно, че броят на ядрата на делящото се гориво в началото на работата ще бъде по-голям, отколкото в края, и трябва да компенсираме излишната реактивност чрез поставяне на абсорбери в сърцевината. Ако управляващите пръти се използват за тази цел, ние трябва непрекъснато да ги движим, докато броят на горивните ядра намалява. Използването на горими абсорбери намалява използването на движещи се пръти. В наши дни горими абсорбенти често се добавят директно към горивните пелети по време на тяхното производство.

Контрол на реактивността на течността.

Такова регулиране се използва, по-специално, по време на работа на реактор тип VVER, в охлаждащата течност се въвежда борна киселина H3BO3, съдържаща 10B неутронно-абсорбиращи ядра. Чрез промяна на концентрацията на борна киселина в пътя на охлаждащата течност, ние променяме реактивността в сърцевината. През началния период на работа на реактора, когато има много горивни ядра, концентрацията на киселина е максимална. Тъй като горивото изгаря, концентрацията на киселината намалява.

Механизъм на верижна реакция

Ядреният реактор може да работи на дадена мощност дълго време само ако има резерв на реактивност в началото на работа. Изключение правят подкритичните реактори с външен източник на топлинни неутрони. Освобождаването на свързаната реактивност при намаляването й по естествени причини осигурява поддържане на критичното състояние на реактора във всеки момент от неговата работа. Първоначалният резерв на реактивност се създава чрез изграждане на активна зона с размери, значително надвишаващи критичните. За да се предотврати реакторът да стане свръхкритичен, k0 на хранителната среда едновременно се намалява изкуствено. Това се постига чрез въвеждане на вещества, поглъщащи неутрони, в активната зона, които впоследствие могат да бъдат отстранени от активната зона. Както в контролните елементи на верижната реакция, абсорбиращите вещества са включени в материала на пръчките с едно или друго напречно сечение, движещи се през съответните канали в сърцевината. Но ако един или два или няколко пръта са достатъчни за регулиране, тогава за компенсиране на първоначалната излишна реактивност броят на прътите може да достигне стотици. Тези пръти се наричат компенсаторни пръти. Контролните и компенсаторните пръти не са непременно различни елементипо дизайн. Редица компенсаторни пръти могат да бъдат управляващи пръти, но функциите и на двата са различни. Контролните пръти са проектирани да поддържат критично състояние по всяко време, да спират и пускат реактора и да преминават от едно ниво на мощност към друго. Всички тези операции изискват малки промени в реактивността. Компенсиращите пръти се изваждат постепенно от активната зона на реактора, осигурявайки критично състояние през цялото време на неговата работа.

Понякога управляващите пръти са направени не от абсорбиращи материали, а от делящ се материал или разпръскващ материал. В топлинните реактори това са главно абсорбери на неутрони, няма ефективни абсорбери на бързи неутрони. Поглъщатели като кадмий, хафний и други силно поглъщат само топлинни неутрони поради близостта на първия резонанс до топлинната област, а извън последната не се различават от другите вещества по своите абсорбиращи свойства. Изключение прави борът, чието напречно сечение на поглъщане на неутрони намалява с енергия много по-бавно от това на посочените вещества, съгласно закона l / v. Следователно борът абсорбира бързи неутрони, макар и слабо, но малко по-добре от други вещества. Абсорбиращият материал в реактор на бързи неутрони може да бъде само бор, ако е възможно обогатен с изотопа 10B. В допълнение към бора, делящите се материали се използват и за управляващи пръти в реакторите на бързи неутрони. Компенсиращ прът, направен от делящ се материал, изпълнява същата функция като прът за поглъщане на неутрони: той увеличава реактивността на реактора, докато тя естествено намалява. Въпреки това, за разлика от абсорбера, такъв прът се намира извън активната зона в началото на работата на реактора и след това се въвежда в активната зона.

Материалите за разсейване, използвани в бързите реактори, са никел, който има напречно сечение на разсейване за бързи неутрони, което е малко по-голямо от напречното сечение на други вещества. Разпръскващите пръти са разположени по периферията на активната зона и тяхното потапяне в съответния канал води до намаляване на изтичането на неутрони от активната зона и съответно повишаване на реактивността. В някои специални случаи целта на контрола на верижната реакция се обслужва от движещи се части на неутронни рефлектори, които при движение променят изтичането на неутрони от активната зона. Контролните, компенсационните и аварийните пръти, заедно с цялото оборудване, което осигурява нормалното им функциониране, образуват системата за управление и защита (СУЗ) на реактора.

Аварийна защита:

Аварийната защита на ядрен реактор е набор от устройства, предназначени за бързо спиране на верижна ядрена реакция в активната зона на реактора.

Активната аварийна защита се задейства автоматично, когато един от параметрите на ядрен реактор достигне стойност, която може да доведе до авария. Такива параметри могат да включват: температура, налягане и поток на охлаждащата течност, ниво и скорост на увеличаване на мощността.

Изпълнителните елементи на аварийната защита в повечето случаи са пръти с вещество, което абсорбира добре неутроните (бор или кадмий). Понякога, за да се изключи реакторът, течен абсорбер се инжектира в контура на охлаждащата течност.

В допълнение към активна защита, много модерни проектисъщо включват елементи пасивна защита. Например, модерни опцииРеакторите VVER включват „Система за аварийно охлаждане на активната зона“ (ECCS) - специални резервоари с борна киселина, разположени над реактора. В случай на максимална проектна авария (разкъсване на първия охладителен кръг на реактора), съдържанието на тези резервоари се озовава вътре в активната зона на реактора под действие на гравитацията и верижната ядрена реакция се потушава от голямо количество вещество, съдържащо бор , който абсорбира добре неутроните.

Според правилата ядрена безопасностреакторни инсталации на атомни електроцентрали”, поне една от предвидените системи за спиране на реактора трябва да изпълнява функцията на аварийна защита (АЗ). Аварийната защита трябва да има най-малко две независими групи работни елементи. При сигнал AZ, работните части AZ трябва да се задействат от всякакви работни или междинни позиции.

Оборудването AZ трябва да се състои от поне два независими комплекта.

Всеки комплект AZ оборудване трябва да бъде проектиран по такъв начин, че да се осигури защита в диапазона на промените в плътността на неутронния поток от 7% до 120% от номиналната:

1. По плътност на неутронния поток - не по-малко от три независими канала;
2. Според скоростта на нарастване на плътността на неутронния поток - не по-малко от три независими канала.

Всеки комплект оборудване за аварийна защита трябва да бъде проектиран по такъв начин, че в целия диапазон от промени в технологичните параметри, установени в проекта на реакторната централа (РЦ), аварийната защита да се осигурява от най-малко три независими канала за всеки технологичен параметър за които е необходима защита.

Командите за управление на всеки комплект за задвижки AZ трябва да се предават през поне два канала. Когато един канал в един от комплектите AZ оборудване бъде изведен от работа, без да бъде изведен от работа този комплект, трябва автоматично да се генерира алармен сигнал за този канал.

Аварийната защита трябва да се задейства поне в следните случаи:

1. При достигане на настройката AZ за плътност на неутронния поток.
2. При достигане на настройката AZ за скоростта на нарастване на плътността на неутронния поток.
3. При изчезване на напрежението в който и да е комплект аварийни защитни съоръжения и захранващи шини на CPS, които не са изведени от експлоатация.
4. При повреда на всеки два от трите защитни канала за плътност на неутронния поток или за скорост на нарастване на неутронния поток в който и да е комплект АЗ оборудване, което не е изведено от експлоатация.
5. При достигане на настройките AZ от технологичните параметри, за които трябва да се извърши защита.
6. При задействане на АЗ от ключ от блокова контролна точка (БКП) или резервна контролна точка (РКП).

Може би някой може да обясни накратко по още по-ненаучен начин как започва да работи блок на атомна централа? :-)

Запомнете тема като Оригиналната статия е на уебсайта InfoGlaz.rfВръзка към статията, от която е направено това копие -

Ядрен реактор, принцип на действие, работа на ядрен реактор.

Всеки ден използваме електричество и не се замисляме как се произвежда и как е стигнало до нас. Въпреки това, това е един от най- важни частисъвременна цивилизация. Без електричество не би имало нищо – нито светлина, нито топлина, нито движение.

Всеки знае, че електричеството се генерира в електроцентрали, включително атомни. Сърцето на всяка атомна електроцентрала е ядрен реактор. Това е, което ще разгледаме в тази статия.

Ядрен реактор, устройство, в което протича контролирана ядрена верижна реакция с отделяне на топлина. Тези устройства се използват главно за генериране на електричество и като задвижване големи кораби. За да си представим мощността и ефективността на ядрените реактори, можем да дадем пример. Когато среден ядрен реактор ще изисква 30 килограма уран, средната топлоелектрическа централа ще изисква 60 вагона въглища или 40 резервоара мазут.

Прототип ядрен реакторе построен през декември 1942 г. в САЩ под ръководството на Е. Ферми. Това беше така нареченият „Чикагски стек“. Chicago Pile (по-късно думата„Купчина“, заедно с други значения, означава ядрен реактор).Дадено му е това име, защото прилича на голяма купчина графитни блокове, поставени един върху друг.

Между блоковете бяха поставени сферични „работни течности“, направени от естествен уран и неговия диоксид.

В СССР първият реактор е построен под ръководството на академик И. В. Курчатов. Реакторът F-1 е в експлоатация на 25 декември 1946 г. Реакторът е със сферична форма и диаметър около 7,5 метра. Нямаше охладителна система, така че работеше на много ниски нива на мощност.

Изследванията продължават и на 27 юни 1954 г., първият в света атомна електроцентралас мощност 5 MW в Обнинск.

Принципът на работа на ядрен реактор.

При разпадането на уран U 235 се отделя топлина, придружена от отделянето на два или три неутрона. Според статистиката – 2,5. Тези неутрони се сблъскват с други атоми на уран U235. По време на сблъсък уран U 235 се превръща в нестабилен изотоп U 236, който почти веднага се разпада на Kr 92 и Ba 141 + същите тези 2-3 неутрона. Разпадането е придружено от освобождаване на енергия под формата на гама-лъчение и топлина.

Това се нарича верижна реакция. Атомите се делят, броят на разпаданията се увеличава експоненциално, което в крайна сметка води до светкавично, според нашите стандарти, освобождаване на огромно количество енергия - атомна експлозия възниква в резултат на неконтролируема верижна реакция.

Въпреки това, в ядрен реакторимаме работа с контролирана ядрена реакция.Как това става възможно е описано по-долу.

Структурата на ядрен реактор.

В момента има два типа ядрени реактори: ВВЕР (мощен енергиен реактор с водно охлаждане) и РБМК (мощен канален реактор). Разликата е, че РБМК е кипящ реактор, докато ВВЕР използва вода под налягане от 120 атмосфери.

Всеки промишлен ядрен реактор е котел, през който тече охлаждаща течност. Като правило това е обикновена вода (около 75% в света), течен графит (20%) и тежка вода (5%). За експериментални цели е използван берилий и се приема, че е въглеводород.

ТВЕЛ– (горивен елемент). Това са пръти в циркониева обвивка с ниобиева сплав, вътре в която са разположени таблетки с уранов диоксид.

TVEL raktor RBMK. Конструкция на горивния елемент на реактора RBMK: 1 - щепсел; 2 - таблетки с уранов диоксид; 3 - циркониева обвивка; 4 - пружина; 5 - втулка; 6 - съвет.

TVEL също така включва пружинна система за задържане на горивните пелети на едно ниво, което позволява по-точно регулиране на дълбочината на потапяне/отстраняване на горивото в активната зона. Те са събрани в касети с шестоъгълна форма, всяка от които включва няколко десетки горивни пръти. Охлаждащата течност протича през каналите във всяка касета.

Горивните пръти в касетата са маркирани в зелено.

Монтаж на горивна касета.

Активната зона на реактора се състои от стотици касети, разположени вертикално и обединени заедно с метална обвивка - тяло, което играе и ролята на отражател на неутрони. Между касетите на равни интервали са поставени управляващи пръти и пръти за аварийна защита на реактора, които са предназначени да изключат реактора в случай на прегряване.

Нека дадем примерни данни за реактора ВВЕР-440:

Контролерите могат да се движат нагоре и надолу, потапяйки се или обратно, напускайки активната зона, където реакцията е най-интензивна. Това се осигурява от мощни електродвигатели, в комбинация със система за управление Аварийните защитни пръти са предназначени да изключат реактора в случай на авария, попадайки в активната зона и поглъщайки повече свободни неутрони.

Всеки реактор има капак, през който се зареждат и изваждат използвани и нови касети.

Топлоизолацията обикновено се монтира отгоре на корпуса на реактора. Следващата бариера е биологичната защита. Обикновено това е стоманобетонен бункер, чийто вход е затворен от въздушен шлюз с херметизирани врати. Биологичната защита е предназначена да предотврати изпускането на радиоактивна пара и парчета от реактора в атмосферата, ако възникне експлозия.

Ядрена експлозия в съвременните реактори е изключително малко вероятна. Тъй като горивото е доста слабо обогатено и разделено на горивни елементи. Дори сърцевината да се разтопи, горивото няма да може да реагира толкова активно. Най-лошото, което може да се случи, е термична експлозия като в Чернобил, когато налягането в реактора достигна такива стойности, че металният корпус просто се спука, а капакът на реактора, тежащ 5000 тона, направи обърнат скок, пробивайки покрива на реакторното отделение и изпускане на пара навън. Ако АЕЦ Чернобиле бил оборудван с правилната биологична защита, като днешния саркофаг, тогава бедствието е струвало на човечеството много по-малко.

Експлоатация на атомна електроцентрала.

Накратко, така изглежда рабобоа.

Атомна електроцентрала. (може да се кликне)

След като влезе в активната зона на реактора с помощта на помпи, водата се загрява от 250 до 300 градуса и излиза от „другата страна“ на реактора. Това се нарича първа верига. След което се изпраща в топлообменника, където се среща с втория кръг. След което парата под налягане се стича върху лопатките на турбината. Турбините генерират електричество.

За обикновен човекСъвременните високотехнологични устройства са толкова мистериозни и енигматични, че могат да бъдат боготворени, както древните са се покланяли на мълнията. Училищни уроцифизиците, затрупани с математически изчисления, не решават проблема. Но дори можете да разкажете интересна история за ядрен реактор, чийто принцип на работа е ясен дори за тийнейджър.

Как работи ядрен реактор?

Принципът на работа на това високотехнологично устройство е следният:

Когато се абсорбира неутрон, ядреното гориво (най-често това уран-235или плутоний-239) настъпва делене на атомното ядро;
Освободен кинетична енергия, гама лъчение и свободни неутрони;
Кинетичната енергия се преобразува в топлинна енергия (когато ядрата се сблъскат с околните атоми), гама-лъчението се абсорбира от самия реактор и също се превръща в топлина;
Част от произведените неутрони се абсорбират от атомите на горивото, което предизвиква верижна реакция. За контрола му се използват неутронни абсорбери и модератори;
С помощта на охлаждаща течност (вода, газ или течен натрий) топлината се отстранява от мястото на реакцията;
Пара под налягане от нагрята вода се използва за задвижване на парни турбини;
С помощта на генератор механичната енергия на въртене на турбината се преобразува в променлив електрически ток.

Подходи за класификация

Може да има много причини за типологията на реакторите:

По тип ядрена реакция. Деление (всички търговски инсталации) или синтез (термоядрена енергия, широко разпространена само в някои изследователски институти);
По охладителна течност. В по-голямата част от случаите за тази цел се използва вода (кипяща или тежка). Понякога се използва алтернативни решения: течен метал (натрий, оловно-бисмутова сплав, живак), газ (хелий, въглероден двуокисили азот), разтопена сол (флуоридни соли);
По поколение.Първият беше ранни прототипи, които нямаха търговски смисъл. Второ, повечето от използваните в момента атомни електроцентрали са построени преди 1996 г. Третото поколение се различава от предишното само с малки подобрения. Работата по четвъртото поколение все още е в ход;
от агрегатно състояние гориво (газово гориво в момента съществува само на хартия);
По предназначение(за производство на електроенергия, стартиране на двигатели, производство на водород, обезсоляване, елементна трансмутация, получаване на невронно излъчване, теоретични и изследователски цели).

Структура на ядрен реактор

Основните компоненти на реакторите в повечето електроцентрали са:

Ядреното гориво е вещество, необходимо за производство на топлина за енергийни турбини (обикновено ниско обогатен уран);
Ядрото на ядрения реактор е мястото, където протича ядрената реакция;
Неутронен модератор - намалява скоростта на бързите неутрони, превръщайки ги в топлинни неутрони;
Стартов източник на неутрони - използва се за надеждно и стабилно стартиране на ядрена реакция;
Неутронен абсорбатор – предлага се в някои електроцентрали за намаляване на високата реактивност на свежото гориво;
Неутронна гаубица - използва се за повторно иницииране на реакция след спиране;
Охлаждаща течност (пречистена вода);
Контролни пръти - за регулиране на скоростта на делене на уранови или плутониеви ядра;
Водна помпа - изпомпва вода в парния котел;
Парна турбина - преобразува топлинната енергия на парата в ротационна механична енергия;
Охладителна кула - устройство за отстраняване на излишната топлина в атмосферата;
Система за приемане и съхранение на радиоактивни отпадъци;
Системи за безопасност (аварийни дизел генератори, устройства за аварийно охлаждане на активната зона).

Как работят най-новите модели

Най-новото 4-то поколение реактори ще бъде достъпно за търговска експлоатация не по-рано от 2030 г. В момента принципът и структурата на тяхното действие са в етап на разработка. Според съвременните данни тези модификации ще се различават от съществуващи моделикато този предимства:

Система за бързо охлаждане на газ. Предполага се, че като охладител ще се използва хелий. Според проектната документация по този начин могат да се охлаждат реактори с температура 850 °C. Да работиш с такива високи температуриЩе бъдат необходими и специфични суровини: композитни керамични материали и актинидни съединения;
Възможно е да се използва олово или оловно-бисмутова сплав като първичен охладител. Тези материали имат ниска степен на поглъщане на неутрони и са относително ниска температуратопене;
Също така смес от разтопени соли може да се използва като основна охлаждаща течност. Това ще направи възможно работата при по-високи температури от съвременни аналозис водно охлаждане.

Естествени аналози в природата

Ядреният реактор се възприема в общественото съзнание изключително като продукт висока технология. Въпреки това, всъщност, първият такъв устройството е с естествен произход. Открит е в района на Окло в централноафриканския щат Габон:

Реакторът се е образувал поради наводняване на уранови скали подземни води. Те действаха като модератори на неутрони;
Топлинната енергия, отделена при разпадането на урана, превръща водата в пара и верижната реакция спира;
След като температурата на охлаждащата течност спадне, всичко се повтаря отново;
Ако течността не беше изкипяла и не беше спряла реакцията, човечеството щеше да се изправи пред ново природно бедствие;
Самоподдържащият се ядрен делене започна в този реактор преди около милиард и половина години. През това време е осигурена приблизително 0,1 милиона вата изходна мощност;
Подобно чудо на света на Земята е единственото известно. Появата на нови е невъзможна: делът на уран-235 в природните суровини е много по-нисък от нивото, необходимо за поддържане на верижна реакция.

Колко ядрени реактора има в Южна Корея?

Бедният на Природни ресурси, но индустриализираната и пренаселена Република Корея има изключителна нужда от енергия. На фона на отказа на Германия да използва мирния атом, тази страна възлага големи надежди за ограничаване на ядрените технологии:

Планира се до 2035 г. делът на електроенергията, генерирана от атомните електроцентрали, да достигне 60%, а общото производство да бъде повече от 40 гигавата;
Страната няма атомни оръжия, но изследванията в областта на ядрената физика продължават. Корейски учени са разработили проекти за съвременни реактори: модулни, водородни, с течен метали т.н.;
Успехите на местните изследователи дават възможност за продажба на технологии в чужбина. Очаква се страната да изнесе 80 такива единици през следващите 15-20 години;
Но от днес повечето отАтомната електроцентрала е построена с помощта на американски или френски учени;
Броят на работещите станции е сравнително малък (само четири), но всяка от тях има значителен брой реактори - общо 40, като тази цифра ще расте.

Когато е бомбардирано от неутрони, ядреното гориво преминава във верижна реакция, което води до образуването на голяма суматоплина. Водата в системата поема тази топлина и се превръща в пара, която завърта турбини, които произвеждат електричество. Тук проста схемаработа на ядрен реактор, най-мощният източник на енергия на Земята.

Видео: как работят ядрените реактори

В това видео ядреният физик Владимир Чайкин ще ви разкаже как се генерира електричество в ядрените реактори и тяхната подробна структура:

Ядреният реактор работи гладко и ефективно. В противен случай, както знаете, ще има проблеми. Но какво става вътре? Нека се опитаме да формулираме принципа на работа на ядрен (ядрен) реактор накратко, ясно, със спирания.

Всъщност там се случва същият процес, както при ядрен взрив. Само експлозията се случва много бързо, а в реактора всичко се простира до дълго време. В резултат на това всичко остава безопасно и здраво и ние получаваме енергия. Не толкова, че всичко наоколо да бъде унищожено веднага, но напълно достатъчно, за да осигури ток на града.

Преди да разберете как протича контролирана ядрена реакция, трябва да знаете какво представлява тя. ядрена реакция изобщо.

Ядрена реакция е процесът на трансформация (деление) на атомните ядра, когато те взаимодействат с елементарни частиции гама лъчи.

Ядрените реакции могат да протичат както с поглъщане, така и с освобождаване на енергия. Реакторът използва вторите реакции.

Ядрен реактор е устройство, чиято цел е да поддържа контролирана ядрена реакция с освобождаване на енергия.

Често ядреният реактор се нарича още атомен реактор. Нека отбележим, че тук няма фундаментална разлика, но от гледна точка на науката е по-правилно да се използва думата „ядрен“. Сега има много видове ядрени реактори. Това са огромни индустриални реактори, предназначени да генерират енергия в електроцентрали, ядрени реактори на подводници, малки експериментални реактори, използвани в научни експерименти. Има дори реактори, използвани за обезсоляване на морска вода.

Историята на създаването на ядрен реактор

Първият ядрен реактор е пуснат през не толкова далечната 1942 година. Това се случи в САЩ под ръководството на Ферми. Този реактор беше наречен "Чикагската дървесина".

През 1946 г. започва да работи първият съветски реактор, пуснат под ръководството на Курчатов. Тялото на този реактор беше топка с диаметър седем метра. Първите реактори нямаха система за охлаждане и мощността им беше минимална. Между другото, съветският реактор имаше средна мощност от 20 вата, а американският - само 1 ват. За сравнение: средната мощност на съвременните енергийни реактори е 5 гигавата. По-малко от десет години след пускането на първия реактор в град Обнинск е открита първата в света индустриална атомна електроцентрала.

Принципът на работа на ядрен (ядрен) реактор

Всеки ядрен реактор има няколко части: сърцевина с гориво И модератор , неутронен рефлектор , антифриз , система за контрол и защита . Изотопите най-често се използват като гориво в реактори. уран (235, 238, 233), плутоний (239) и торий (232). Ядрото е котел, през който тече обикновена вода (охлаждаща течност). Сред другите охлаждащи течности по-рядко се използват „тежка вода“ и течен графит. Ако говорим за работата на атомни електроцентрали, тогава ядрен реактор се използва за производство на топлина. Самото електричество се генерира по същия метод, както при другите видове електроцентрали - парата върти турбина, а енергията на движение се преобразува в електрическа.

По-долу има диаграма на работата на ядрен реактор.

Както вече казахме, разпадането на тежко ураново ядро произвежда по-леки елементи и няколко неутрона. Получените неутрони се сблъскват с други ядра, което също ги кара да се делят. В същото време броят на неутроните расте лавинообразно.

Тук трябва да се спомене коефициент на размножаване на неутрони . Така че, ако този коефициент надвишава стойност, равна на единица, възниква ядрена експлозия. Ако стойността е по-малка от единица, има твърде малко неутрони и реакцията замира. Но ако поддържате стойността на коефициента равна на единица, реакцията ще продължи дълго и стабилно.

Въпросът е как да стане това? В реактора горивото е в т.нар горивни елементи (TVELakh). Това са пръчки, които съдържат под формата на малки таблетки, ядрено гориво . Горивните пръти са свързани в касети с шестоъгълна форма, които могат да бъдат стотици в реактора. Касетите с горивни пръти са разположени вертикално и всеки горивен прът има система, която ви позволява да регулирате дълбочината на потапянето му в ядрото. В допълнение към самите касети, те включват контролни пръти И пръти за аварийна защита . Пръчките са направени от материал, който абсорбира добре неутроните. По този начин контролните пръти могат да бъдат спускани на различни дълбочини в активната зона, като по този начин се регулира коефициентът на размножаване на неутрони. Аварийните пръти са предназначени за спиране на реактора в случай на авария.

Как се стартира ядрен реактор?

Разбрахме самия принцип на работа, но как да стартираме и накараме реактора да функционира? Грубо казано, ето го - парче уран, но верижната реакция не започва в него сама. Факт е, че в ядрената физика има понятие критична маса .

Критичната маса е масата на делящия се материал, необходима за започване на ядрена верижна реакция.

С помощта на горивни пръти и управляващи пръти първо се създава критична маса ядрено гориво в реактора, след което реакторът се довежда до оптимално ниво на мощност на няколко етапа.

В тази статия се опитахме да ви дадем обща представа за структурата и принципа на работа на ядрен (ядрен) реактор. Ако имате въпроси по темата или ви е зададен проблем по ядрена физика в университета, моля свържете се с на специалистите от нашата компания. Както обикновено, ние сме готови да ви помогнем да разрешите всеки неотложен проблем, свързан с вашето обучение. И докато сме там, ето още едно образователно видео на вашето внимание!