Tuumareaktor seestpoolt. Kuidas tuumareaktor on üles ehitatud ja töötab

Tuumareaktor töötab sujuvalt ja täpselt. Vastasel juhul, nagu teate, on probleeme. Aga mis toimub sees? Proovime tuuma(aatomi)reaktori tööpõhimõtte lühidalt, selgelt, peatustega sõnastada.

Tegelikult toimub seal sama protsess, mis tuumaplahvatuses. Alles nüüd toimub plahvatus väga kiiresti ja reaktoris see kõik venib kaua aega. Lõpuks jääb kõik terveks ja me saame energiat. Mitte niivõrd, et ümberringi kõik kohe puruks läks, aga täiesti piisavalt, et linnale elekter saaks.

kuidas reaktor töötab tuumaelektrijaama jahutustornid
Enne kui mõistate, kuidas kontrollitud tuumareaktsioon toimib, peate teadma, mis on tuumareaktsioon üldiselt.

Tuumareaktsioon on aatomituumade muundumisprotsess (lõhustumine), kui nad nendega suhtlevad elementaarosakesed ja gammakiirgust.

Tuumareaktsioonid võivad toimuda nii energia neeldumisega kui ka vabanemisega. Reaktoris kasutatakse teist reaktsiooni.

Tuumareaktor on seade, mille eesmärk on säilitada kontrollitud tuumareaktsioon koos energia vabanemisega.

Sageli nimetatakse tuumareaktorit ka tuumareaktoriks. Pange tähele, et siin pole põhimõttelist erinevust, kuid teaduse seisukohalt on õigem kasutada sõna "tuuma". Praegu on tuumareaktoreid mitut tüüpi. Need on tohutud tööstuslikud reaktorid, mis on mõeldud energia tootmiseks elektrijaamades, tuumaallveelaevade reaktorid, väikesed eksperimentaalreaktorid, mida kasutatakse teaduslikes katsetes. On isegi merevee magestamise reaktoreid.

Tuumareaktori loomise ajalugu

Esimene tuumareaktor käivitati mitte nii kaugel 1942. aastal. See juhtus USA-s Fermi juhtimisel. Seda reaktorit nimetati "Chicago puukuhiks".

1946. aastal käivitus Kurtšatovi juhtimisel esimene Nõukogude reaktor. Selle reaktori korpus oli seitsmemeetrise läbimõõduga kuul. Esimestel reaktoritel ei olnud jahutussüsteemi ja nende võimsus oli minimaalne. Muide, Nõukogude reaktori keskmine võimsus oli 20 vatti, Ameerika oma aga ainult 1 vatti. Võrdluseks: tänapäevaste jõureaktorite keskmine võimsus on 5 gigavatti. Vähem kui kümme aastat pärast esimese reaktori käivitamist avati Obninski linnas maailma esimene tööstuslik tuumaelektrijaam.

Tuuma(aatomi)reaktori tööpõhimõte

Igal tuumareaktoril on mitu osa: südamik kütuse ja moderaatoriga, neutronreflektor, jahutusvedelik, juhtimis- ja kaitsesüsteem. Kõige sagedamini kasutatakse reaktorites kütusena uraani (235, 238, 233), plutooniumi (239) ja tooriumi (232) isotoope. Aktiivne tsoon on boiler, mille kaudu voolab tavaline vesi (jahutusvedelik). Muude jahutusvedelike hulgas kasutatakse harvemini “rasket vett” ja vedelat grafiiti. Kui rääkida tuumajaama tööst, siis soojuse tootmiseks kasutatakse tuumareaktorit. Elektrit toodetakse samal meetodil nagu muud tüüpi elektrijaamades – aur pöörab turbiini ja liikumisenergia muundatakse elektrienergiaks.

Allpool on diagramm tuumareaktori tööst.

tuumareaktori tööskeem Tuumaelektrijaama tuumareaktori skeem

Nagu me juba ütlesime, tekitab uraani raske tuuma lagunemine kergemaid elemente ja paar neutronit. Tekkivad neutronid põrkuvad teiste tuumadega, põhjustades ka nende lõhustumise. Sel juhul kasvab neutronite arv nagu laviin.

Siin on vaja mainida neutronite korrutustegurit. Seega, kui see koefitsient ületab väärtuse, mis on võrdne ühega, toimub tuumaplahvatus. Kui väärtus on väiksem kui üks, on neutroneid liiga vähe ja reaktsioon kustub. Kuid kui säilitate koefitsiendi väärtuse ühega, jätkub reaktsioon pikka aega ja stabiilselt.

Küsimus on selles, kuidas seda teha? Reaktoris on kütus nn kütuseelementides (TVEL). Need on vardad, mis sisaldavad tuumakütust väikeste graanulite kujul. Kütusevardad on ühendatud kuusnurkseteks kassettideks, mida reaktoris võib olla sadu. Kütusevarrastega kassetid asuvad vertikaalselt, samas kui igal kütusevardal on süsteem, mis võimaldab reguleerida selle südamikusse sukeldamise sügavust. Lisaks kassettidele endile on nende hulgas juhtvardad ja hädakaitsevardad. Vardad on valmistatud materjalist, mis neelab hästi neutroneid. Seega saab juhtvardaid südamikus erinevatele sügavustele langetada, reguleerides seeläbi neutronite korrutustegurit. Avariivardad on ette nähtud reaktori väljalülitamiseks hädaolukorras.

Kuidas tuumareaktor käivitatakse?

Me mõtlesime välja tööpõhimõtte, kuid kuidas reaktorit käivitada ja tööle panna? Jämedalt öeldes, siin see on - uraani tükk, aga lõppude lõpuks ei alga selles ahelreaktsioon iseenesest. Fakt on see, et tuumafüüsikas on kriitilise massi mõiste.

Tuumakütus Tuumakütus

Kriitiline mass on tuuma ahelreaktsiooni käivitamiseks vajalik lõhustuva materjali mass.

Kütuseelementide ja juhtvarraste abil luuakse reaktoris esmalt kriitiline mass tuumkütust ning seejärel viiakse reaktor mitmes etapis optimaalsele võimsustasemele.

Sulle meeldib: matemaatika nipid humanitaarteaduste ja mitteinimesest õpilastele (1. osa)
Selles artiklis oleme püüdnud anda teile üldise ettekujutuse tuuma(aatomi)reaktori struktuurist ja tööpõhimõttest. Kui teil on teemal veel küsimusi või ülikool esitas tuumafüüsika probleemi, võtke ühendust meie ettevõtte spetsialistidega. Nagu tavaliselt, oleme valmis teid aitama lahendada kõik teie õpingutega seotud pakilised küsimused. Seni me seda teeme, teie tähelepanu on veel üks õpetlik video!

blogi/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

Tuumareaktor, tööpõhimõte, tuumareaktori töö.

Iga päev kasutame elektrit ega mõtle sellele, kuidas seda toodetakse ja kuidas see meieni jõudis. Siiski on see üks kõige enam olulised osad kaasaegne tsivilisatsioon. Ilma elektrita poleks midagi – ei valgust, soojust ega liikumist.

Kõik teavad, et elektrit toodetakse elektrijaamades, sealhulgas tuumajaamades. Iga tuumajaama süda on tuumareaktor. Seda me selles artiklis arutame.

Tuumareaktor, seade, milles soojuse vabanemisega toimub kontrollitud tuuma ahelreaktsioon. Neid seadmeid kasutatakse peamiselt elektri tootmiseks ja ajamina. suured laevad. Tuumareaktorite võimsuse ja efektiivsuse ettekujutamiseks võib tuua näite. Kui keskmine tuumareaktor vajaks 30 kilogrammi uraani, siis keskmine soojuselektrijaam vajaks 60 vagunit sütt või 40 paaki kütteõli.

prototüüp tuumareaktor ehitati 1942. aasta detsembris USA-s E. Fermi juhtimisel. See oli niinimetatud "Chicago stack". Chicago Pile (edaspidi sõna"Vain" koos teiste tähendustega hakkas tähistama tuumareaktorit). Selle nime sai ta tänu sellele, et ta meenutas suurt üksteise peale laotud grafiitplokkide virna.

Plokkide vahele asetati loodusliku uraani ja selle dioksiidi sfäärilised "töökehad".

NSV Liidus ehitati esimene reaktor akadeemik IV Kurtšatovi juhtimisel. Reaktor F-1 pandi tööle 25. detsembril 1946. Reaktor oli kuuli kujul ja selle läbimõõt oli umbes 7,5 meetrit. Sellel ei olnud jahutussüsteemi, nii et see töötas väga madala võimsusega.

Uuringud jätkusid ja 27. juunil 1954 pandi Obninski linnas tööle maailma esimene tuumaelektrijaam võimsusega 5 MW.

Tuumareaktori tööpõhimõte.

Uraani U 235 lagunemisel eraldub soojust, millega kaasneb kahe või kolme neutroni vabanemine. Statistika järgi - 2,5. Need neutronid põrkuvad teiste uraani aatomitega U 235 . Kokkupõrkel muutub uraan U 235 ebastabiilseks isotoobiks U 236, mis peaaegu kohe laguneb Kr 92 ja Ba 141 + nendeks samadeks 2-3 neutroniteks. Lagunemisega kaasneb energia vabanemine gammakiirguse ja soojuse kujul.

Seda nimetatakse ahelreaktsiooniks. Aatomid jagunevad, lagunemiste arv suureneb eksponentsiaalselt, mis lõppkokkuvõttes viib meie standardite järgi välkkiire suure energiahulga vabanemiseni - kontrollimatu ahelreaktsiooni tagajärjel toimub aatomiplahvatus.

Siiski sisse tuumareaktor meil on tegemist kontrollitud tuumareaktsioon. Kuidas see võimalikuks saab, kirjeldatakse lähemalt.

Tuumareaktori seade.

Praegu on kahte tüüpi tuumareaktoreid VVER (surveveeenergia reaktor) ja RBMK (suure võimsusega kanaliga reaktor). Erinevus seisneb selles, et RBMK on keeva vee reaktor, samas kui VVER kasutab vett rõhu all 120 atmosfääri.

Reaktor VVER 1000. 1 - CPS-ajam; 2 - reaktori kate; 3 - reaktorianum; 4 - kaitsetorude plokk (BZT); 5 - minu; 6 - südamiku deflektor; 7 - kütusesõlmed (FA) ja juhtvardad;

Iga tööstuslikku tüüpi tuumareaktor on katel, mille kaudu voolab jahutusvedelik. Reeglina on selleks tavaline vesi (ca 75% maailmas), vedel grafiit (20%) ja raske vesi (5%). Eksperimentaalsetel eesmärkidel kasutati berülliumi ja eeldati süsivesinikku.

TVEL- (kütuseelement). Need on nioobiumisulamiga tsirkooniumkestas vardad, mille sees on uraandioksiidi tabletid.

TVEL raktor RBMK. RBMK reaktori kütuseelemendi seade: 1 - pistik; 2 - uraandioksiidi tabletid; 3 - tsirkooniumkest; 4 - vedru; 5 - puks; 6 - ots.

TVEL sisaldab ka vedrusüsteemi kütusegraanulite samal tasemel hoidmiseks, mis võimaldab täpsemalt juhtida kütuse südamikusse kastmise/eemaldamise sügavust. Need on kokku pandud kuusnurkseteks kassettideks, millest igaüks sisaldab mitukümmend kütusevarrast. Jahutusvedelik voolab läbi igas kassetis olevate kanalite.

Kassetis olevad kütuseelemendid on esile tõstetud rohelisega.

Kütusekasseti komplekt.

Reaktori südamik koosneb sadadest vertikaalselt paigutatud kassettidest, mida ühendab omavahel metallkest – korpus, mis täidab ühtlasi neutronreflektori rolli. Kassettide hulgas on kindlate ajavahemike järel sisestatud reaktori juhtvardad ja avariikaitsevardad, mis ülekuumenemise korral on ette nähtud reaktori väljalülitamiseks.

Toome näitena andmed VVER-440 reaktori kohta:

Kontrollerid võivad liikuda üles-alla vajudes või vastupidi, lahkudes tuumast, kus reaktsioon on kõige intensiivsem. Seda tagavad võimsad elektrimootorid koos juhtimissüsteemiga.Avariikaitsevardad on ette nähtud reaktori väljalülitamiseks hädaolukorras, kukkudes südamikusse ja neelates rohkem vabu neutroneid.

Igal reaktoril on kaas, mille kaudu toimub kasutatud ja uute kassettide laadimine ja mahalaadimine.

Soojusisolatsioon paigaldatakse tavaliselt reaktorianuma peale. Järgmine barjäär on bioloogiline kaitse. Tavaliselt on selleks raudbetoonpunker, mille sissepääs on suletud suletud ustega õhulukuga. Bioloogiline kaitse on kavandatud nii, et plahvatuse korral ei paiskuks atmosfääri radioaktiivset auru ega reaktori tükke.

Tuumaplahvatus kaasaegsetes reaktorites on äärmiselt ebatõenäoline. Kuna kütus ei ole piisavalt rikastatud ja see jaguneb TVEL-ideks. Isegi kui südamik sulab, ei suuda kütus nii aktiivselt reageerida. Maksimaalne, mis võib juhtuda, on termiline plahvatus, nagu Tšernobõlis, kui rõhk reaktoris saavutas sellised väärtused, et metallkorpus rebenes lihtsalt laiali ja 5000 tonni kaaluv reaktori kaas tegi hüppe, murdes läbi. reaktori sektsiooni katus ja auru väljalaskmine. Kui Tšernobõli tuumaelektrijaam oli varustatud õige bioloogilise kaitsega, nagu tänapäeva sarkofaag, läks katastroof inimkonnale palju vähem maksma.

Tuumajaama töö.

Lühidalt öeldes näeb raboboa välja selline.

Tuumaelektrijaam. (klõpsatav)

Pärast pumpade abil reaktorisüdamikku sisenemist soojendatakse vesi 250-300 kraadini ja väljub reaktori “teiselt poolt”. Seda nimetatakse esimeseks ahelaks. Seejärel läheb see soojusvahetisse, kus see kohtub teise ahelaga. Pärast seda siseneb rõhu all olev aur turbiini labadesse. Turbiinid toodavad elektrit.

Lõhustumise ahelreaktsiooniga kaasneb alati tohutu energia vabanemine. Selle energia praktiline kasutamine on tuumareaktori peamine ülesanne.

Tuumareaktor on seade, milles toimub kontrollitud või kontrollitud tuuma lõhustumise reaktsioon.

Vastavalt tööpõhimõttele jagunevad tuumareaktorid kahte rühma: termilised neutronreaktorid ja kiirneutronreaktorid.

Kuidas termoneutronite tuumareaktor töötab?

Tüüpilisel tuumareaktoril on:

• Tuum ja moderaator;
• neutronreflektor;
• Jahutusvedelik;
• Ahelreaktsiooni juhtimissüsteem, hädakaitse;
• Juhtimis- ja kiirguskaitsesüsteem;
• Kaugjuhtimissüsteem.

1 - aktiivne tsoon; 2 - helkur; 3 - kaitse; 4 - juhtvardad; 5 - jahutusvedelik; 6 - pumbad; 7 - soojusvaheti; 8 - turbiin; 9 - generaator; 10 - kondensaator.

Tuum ja moderaator

Just tuumas toimub kontrollitud lõhustumise ahelreaktsioon.

Enamik tuumareaktoreid töötavad uraan-235 rasketel isotoopidel. Kuid uraanimaagi looduslikes proovides on selle sisaldus vaid 0,72%. Sellest kontsentratsioonist ei piisa ahelreaktsiooni tekkeks. Seetõttu rikastatakse maaki kunstlikult, viies selle isotoobi sisalduse 3%-ni.

Lõhustuv materjal ehk tuumkütus graanulite kujul asetatakse hermeetiliselt suletud vardadesse, mida nimetatakse TVEL-ideks (kütuseelementideks). Nad läbistavad kogu aktiivse tsooni täis moderaator neutronid.

Miks on tuumareaktoris vaja neutronite moderaatorit?

Fakt on see, et pärast uraan-235 tuumade lagunemist sündinud neutronitel on väga suur kiirus. Nende kinnipüüdmise tõenäosus teiste uraani tuumade poolt on sadu kordi väiksem kui aeglaste neutronite kinnipüüdmise tõenäosus. Ja kui te nende kiirust ei vähenda, võib tuumareaktsioon aja jooksul tuhmuda. Moderaator lahendab neutronite kiiruse vähendamise probleemi. Kui kiirete neutronite teele asetada vesi või grafiit, saab nende kiirust kunstlikult vähendada ja seeläbi suurendada aatomite poolt püütud osakeste arvu. Samas on reaktoris ahelreaktsiooniks vaja väiksemat kogust tuumkütust.

Aeglustusprotsessi tulemusena termilised neutronid, mille kiirus on peaaegu võrdne kiirusega termiline liikumine gaasimolekulid toatemperatuuril.

Tuumareaktorites kasutatakse moderaatorina vett, rasket vett (deuteeriumoksiid D 2 O), berülliumi ja grafiiti. Kuid parim moderaator on raske vesi D 2 O.

Neutronide reflektor

Vältimaks neutronite lekkimist keskkonda, on tuumareaktori südamik ümbritsetud neutron reflektor. Helkurite materjalina kasutatakse sageli samu aineid, mis moderaatorites.

jahutusvedelik

Tuumareaktsiooni käigus vabanev soojus eemaldatakse jahutusvedeliku abil. Tuumareaktorites kasutatakse jahutusvedelikuna sageli tavalist looduslikku vett, mis on eelnevalt puhastatud erinevatest lisanditest ja gaasidest. Kuid kuna vesi keeb juba temperatuuril 100 0 C ja rõhul 1 atm, suurendatakse keemistemperatuuri tõstmiseks rõhku primaarses jahutusvedelikus. Primaarringi vesi, mis ringleb läbi reaktori südamiku, peseb kütusevardad, soojendades samal ajal temperatuurini 320 0 C. Soojusvaheti sees edasi eraldab see soojust teise ahela veele. Vahetus läbib soojusvahetustorusid, mistõttu puudub kontakt sekundaarahela veega. See välistab radioaktiivsete ainete sattumise soojusvaheti teise ahelasse.

Ja siis toimub kõik nagu soojuselektrijaamas. Teises vooluringis olev vesi muutub auruks. Aur pöörab turbiini, mis käitab elektrigeneraatorit, mis toodab elektrit.

Raskeveereaktorites on jahutusvedelikuks raske vesi D 2 O ja vedelate metallide jahutusvedelikega reaktorites sulametall.

Ahelreaktsiooni juhtimissüsteem

Reaktori hetkeseisu iseloomustab suurus nn reaktsioonivõime.

ρ = ( k-1)/ k ,

k = n i / n i -1 ,

kus k on neutronite korrutustegur,

n i on järgmise põlvkonna neutronite arv tuuma lõhustumise reaktsioonis,

n i -1 , - neutronite arv eelmine põlvkond samas reaktsioonis.

Kui a k ˃ 1 , tekib ahelreaktsioon, kutsutakse süsteemi ülekriitiline th. Kui a k< 1 , ahelreaktsioon laguneb ja süsteemi nimetatakse alakriitiline. Kell k = 1 reaktor on sees stabiilne kriitiline seisund, kuna lõhustuvate tuumade arv ei muutu. Selles olekus reaktiivsus ρ = 0 .

Reaktori kriitilist seisundit (tuumareaktoris vajalikku neutronite korrutustegurit) hoitakse liikumisega kontrollvardad. Materjal, millest need on valmistatud, sisaldab aineid, mis neelavad neutroneid. Nende varraste südamikusse surumine või surumine kontrollib tuuma lõhustumise reaktsiooni kiirust.

Juhtimissüsteem tagab reaktori juhtimise selle käivitamise, kavandatud seiskamise, toiteallika töötamise ajal, samuti tuumareaktori avariikaitse. See saavutatakse juhtvarraste asendi muutmisega.

Kui mõni reaktori parameetritest (temperatuur, rõhk, võimsuse pöördekiirus, kütusekulu jne) kaldub normist kõrvale ja see võib põhjustada avarii, keskosa tuum on langenud erilist avariivardad ja tuumareaktsioon lakkab kiiresti.

Tagamaks, et reaktori parameetrid vastavad standarditele, jälgige seire- ja kiirguskaitsesüsteemid.

Valvuriks keskkond alates radioaktiivne kiirgus reaktor asetatakse paksu betoonkasti.

Kaugjuhtimissüsteemid

Kõik signaalid tuumareaktori oleku kohta (jahutusvedeliku temperatuur, kiirgustase sisemuses erinevad osad reaktor jne) saadetakse reaktori juhtpaneelile ja töödeldakse arvutisüsteemides. Operaator saab kogu vajaliku teabe ja soovitused teatud kõrvalekallete kõrvaldamiseks.

Kiired neutronreaktorid

Erinevus seda tüüpi reaktorite ja termiliste neutronreaktorite vahel seisneb selles, et pärast uraan-235 lagunemist tekkivaid kiireid neutroneid ei aeglustata, vaid uraan-238 neelab need koos järgneva muundumisega plutoonium-239-ks. Seetõttu kasutatakse kiirneutronreaktoreid relvakvaliteediga plutoonium-239 ja soojusenergia tootmiseks, mis muudetakse tuumaelektrijaamade generaatorite abil elektrienergiaks.

Tuumakütuseks sellistes reaktorites on uraan-238 ja tooraineks uraan-235.

Looduslikus uraanimaagis on 99,2745% uraan-238. Kui termiline neutron neeldub, siis see ei lõhustu, vaid muutub uraan-239 isotoobiks.

Mõni aeg pärast β-lagunemist muutub uraan-239 neptuunium-239 tuumaks:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Pärast teist β-lagunemist moodustub lõhustuv plutoonium-239:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

Ja lõpuks, pärast plutoonium-239 tuuma alfalagunemist saadakse uraan-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Toorainega (rikastatud uraan-235) kütuseelemendid asuvad reaktori südamikus. Seda tsooni ümbritseb pesitsusala, milleks on kütusevardad kütusega (vaesestatud uraan-238). Pärast uraan-235 lagunemist tuumast kiirguvad kiired neutronid püüavad kinni uraan-238 tuumad. Tulemuseks on plutoonium-239. Seega toodetakse uut tuumkütust kiirneutronreaktorites.

Vedelmetalle või nende segusid kasutatakse kiirneutronite tuumareaktorites jahutusvedelikuna.

Tuumareaktorite klassifikatsioon ja rakendus

Tuumareaktoreid kasutatakse peamiselt tuumaelektrijaamades. Nende abiga saadakse elektri- ja soojusenergiat tööstuslikus mastaabis. Selliseid reaktoreid nimetatakse energiat .

Tuumareaktoreid kasutatakse laialdaselt kaasaegsete tuumaallveelaevade, pealveelaevade tõukejõusüsteemides ja kosmosetehnoloogias. Nad varustavad mootoreid elektrienergiaga ja neid kutsutakse transpordireaktorid .

Sest teaduslikud uuringud tuumafüüsika ja kiirguskeemia valdkonnas kasutavad nad neutronite vooge, gamma kvante, mis saadakse tuumas uurimisreaktorid. Nende toodetav energia ei ületa 100 MW ja seda ei kasutata tööstuslikel eesmärkidel.

Võimsus eksperimentaalsed reaktorid isegi vähem. See ulatub vaid mõne kW väärtuseni. Neid reaktoreid kasutatakse mitmesuguste uurimiseks füüsikalised kogused, mille tähtsus on oluline tuumareaktsioonide kavandamisel.

To tööstuslikud reaktorid hõlmab reaktoreid radioaktiivsete isotoopide tootmiseks, mida kasutatakse meditsiinilistel eesmärkidel, samuti erinevates tööstus- ja tehnoloogiavaldkondades. Merevee magestamisreaktorid on ka tööstuslikud reaktorid.

Tuumaenergia on kaasaegne ja kiiresti arenev viis elektrienergia tootmiseks. Kas teate, kuidas tuumajaamad on paigutatud? Mis on tuumajaama tööpõhimõte? Mis tüüpi tuumareaktorid on tänapäeval olemas? Püüame üksikasjalikult kaaluda tuumaelektrijaama tööskeemi, süveneda tuumareaktori konstruktsiooni ja teada saada, kui ohutu on elektrienergia tootmise aatomimeetod.

Iga jaam on elamurajoonist kaugel asuv suletud ala. Selle territooriumil on mitu hoonet. Tähtsaim hoone on reaktorihoone, selle kõrval on turbiinihall, millest juhitakse reaktorit, ja ohutushoone.

Skeem on võimatu ilma tuumareaktorita. Aatomi (tuuma)reaktor on tuumaelektrijaama seade, mis on ette nähtud neutronite lõhustumise ahelreaktsiooni korraldamiseks koos selles protsessis kohustusliku energia vabanemisega. Mis on aga tuumajaama tööpõhimõte?

Kogu reaktorijaam on paigutatud reaktorihoonesse, suurde betoontorni, mis varjab reaktorit ja sisaldab õnnetuse korral kõiki tuumareaktsiooni saadusi. Seda suurt torni nimetatakse isolatsiooniks, hermeetiliseks kestaks või isolatsiooniks.

Uute reaktorite kaitsevööndis on 2 paksu betoonseina – kestad.
80 cm paksune väliskest kaitseb isolatsiooniala välismõjude eest.

1 meeter 20 cm paksuse sisekesta seadmes on spetsiaalsed terastrossid, mis suurendavad betooni tugevust ligi kolm korda ega lase konstruktsioonil mureneda. Seest on see vooderdatud õhukese eriterasest lehega, mis on mõeldud isolatsiooni täiendavaks kaitseks ja õnnetuse korral takistab reaktori sisu sattumist väljapoole isolatsiooniala.

Selline tuumajaama seade talub kuni 200 tonni kaaluva lennuki kukkumist, 8-pallilist maavärinat, tornaadot ja tsunamit.

Esimene rõhu all olev korpus ehitati Ameerika tuumaelektrijaamas Connecticut Yankee 1968. aastal.

Piirdeala kogukõrgus on 50-60 meetrit.

Millest tuumareaktor koosneb?

Tuumareaktori tööpõhimõtte ja seega ka tuumaelektrijaama tööpõhimõtte mõistmiseks peate mõistma reaktori komponente.

• aktiivne tsoon. See on piirkond, kuhu asetatakse tuumkütus (soojuse vabastaja) ja moderaator. Kütuse aatomid (enamasti on kütus uraan) viivad läbi lõhustumisahelreaktsiooni. Moderaator on loodud lõhustumisprotsessi juhtimiseks ja võimaldab teil läbi viia kiiruse ja tugevuse osas vajalikku reaktsiooni.
• Neutronide reflektor. Reflektor ümbritseb aktiivset tsooni. See koosneb samast materjalist, mis moderaator. Tegelikult on see kast, mille põhieesmärk on takistada neutronite tuumast väljumist ja keskkonda sattumist.
• Jahutusvedelik. Jahutusvedelik peab absorbeerima soojust, mis vabanes kütuseaatomite lõhustumisel, ja kandma selle üle teistele ainetele. Jahutusvedelik määrab suuresti tuumajaama projekteerimise. Tänapäeval on kõige populaarsem jahutusvedelik vesi.
  Reaktori juhtimissüsteem. Andurid ja mehhanismid, mis panevad tuumajaama reaktori tööle.

Kütus tuumaelektrijaamadele

Mida teeb tuumaelektrijaam? Tuumaelektrijaamade kütus on keemilised elemendid, millel on radioaktiivsed omadused. Kõigis tuumaelektrijaamades on uraan selline element.

Jaamade konstruktsioon eeldab, et tuumaelektrijaamad töötavad keerulisel komposiitkütusel, mitte puhtal kütusel keemiline element. Ja selleks, et eraldada tuumareaktorisse laaditavast looduslikust uraanist uraanikütust, tuleb läbi viia palju manipuleerimisi.

Rikastatud uraan

Uraan koosneb kahest isotoobist, see tähendab, et see sisaldab erineva massiga tuumasid. Neid nimetati prootonite ja neutronite arvu järgi isotoobiks -235 ja isotoobiks-238. 20. sajandi teadlased hakkasid maagist ekstraheerima uraani 235, kuna. seda oli lihtsam lagundada ja teisendada. Selgus, et sellist uraani on looduses vaid 0,7% (ülejäänud protsendid läksid 238. isotoobile).

Mida sel juhul teha? Nad otsustasid uraani rikastada. Uraani rikastamine on protsess, kus selles on palju vajalikke 235x isotoope ja vähe tarbetuid 238x isotoope. Uraanirikastajate ülesanne on valmistada 0,7%-st peaaegu 100% uraan-235.

Uraani saab rikastada kahe tehnoloogia abil – gaasi difusioon või gaasitsentrifuug. Nende kasutamiseks muudetakse maagist eraldatud uraan gaasiliseks. Gaasi kujul on see rikastatud.

uraani pulber

Rikastatud uraangaas muudetakse tahkeks olekuks – uraandioksiidiks. See puhas tahke uraan 235 näeb välja nagu suured valged kristallid, mis hiljem purustatakse uraanipulbriks.

Uraani tabletid

Uraanigraanulid on paari sentimeetri pikkused tahked metallseibid. Selliste tablettide vormimiseks uraanipulbrist segatakse see ainega - plastifikaatoriga, see parandab tableti pressimise kvaliteeti.

Pressitud seibid küpsetatakse temperatuuril 1200 kraadi Celsiuse järgi üle päeva, et anda tablettidele eriline tugevus ja vastupidavus kõrgetele temperatuuridele. Tuumaelektrijaama tööviis sõltub otseselt sellest, kui hästi uraanikütust kokku surutakse ja küpsetatakse.

Tablette küpsetatakse molübdeenkarpides, sest. ainult see metall on võimeline mitte sulama "põrgulikul" temperatuuril üle pooleteise tuhande kraadi. Pärast seda loetakse tuumaelektrijaamade uraanikütus valmis.

Mis on TVEL ja TVS?

Reaktori südamik näeb välja nagu tohutu ketas või toru, mille seintes on augud (olenevalt reaktori tüübist), mis on 5 korda suurem kui inimkeha. Need augud sisaldavad uraanikütust, mille aatomid viivad läbi soovitud reaktsiooni.

On võimatu lihtsalt kütust reaktorisse visata, kui te ei taha saada plahvatust kogu jaama ulatuses ja õnnetust, mille tagajärjed on paaris lähedalasuvas osariigis. Seetõttu asetatakse uraanikütus kütusevarrastesse ja kogutakse seejärel kütusesõlmedesse. Mida need lühendid tähendavad?

• TVEL - kütuseelement (mitte segi ajada neid tootva Venemaa ettevõtte sama nimega). Tegelikult on see õhuke ja pikk tsirkooniumisulamitest valmistatud tsirkooniumtoru, millesse asetatakse uraanigraanulid. Just kütusevarrastes hakkavad uraani aatomid omavahel suhtlema, vabastades reaktsiooni käigus soojust.

Tsirkoonium valiti kütusevarraste valmistamise materjaliks selle tulekindluse ja korrosioonivastaste omaduste tõttu.

Kütuseelementide tüüp sõltub reaktori tüübist ja struktuurist. Kütusevarraste struktuur ja otstarve reeglina ei muutu, toru pikkus ja laius võivad olla erinevad.

Masin laadib ühte tsirkooniumtorusse üle 200 uraanigraanuli. Kokku töötab reaktoris samaaegselt umbes 10 miljonit uraanigraanulit.
FA - kütuseagregaat. TUJ töötajad nimetavad kütusesõlmesid kimpudeks.

Tegelikult on need mitu TVEL-i, mis on kokku kinnitatud. Kütusesõlmed on valmis tuumakütus, millega tuumajaam töötab. Need on kütusesõlmed, mis laaditakse tuumareaktorisse. Ühte reaktorisse on paigutatud umbes 150–400 kütusekomplekti.
Olenevalt sellest, millises reaktoris kütuseagregaat töötab, on need erineva kujuga. Mõnikord volditakse kimbud kuubikujuliseks, mõnikord silindriliseks, mõnikord kuusnurkseks.

Üks kütusesõlm 4 tööaasta jooksul toodab sama palju energiat kui põletades 670 vaguni kivisütt, 730 paaki maagaasiga või 900 tanki, mis on täidetud naftaga.
Tänapäeval toodetakse kütusekomplekte peamiselt Venemaa, Prantsusmaa, USA ja Jaapani tehastes.

Tuumaelektrijaamade kütuse tarnimiseks teistesse riikidesse suletakse kütusesõlmed pikkadesse ja laiadesse metalltorudesse, torudest pumbatakse õhk välja ja spetsiaalsed masinad tarnitakse kaubalennuki pardale.

Tuumaelektrijaamade tuumakütus kaalub ülemäära palju, tk. uraan on üks kõige enam raskemetallid planeedil. Tema erikaal 2,5 korda rohkem kui teras.

Tuumaelektrijaam: tööpõhimõte

Mis on tuumajaama tööpõhimõte? Tuumaelektrijaamade tööpõhimõte põhineb radioaktiivse aine - uraani aatomite lõhustumise ahelreaktsioonil. See reaktsioon toimub tuumareaktori südamikus.

TÄHTIS TEADA:

Kui te ei lasku tuumafüüsika keerukustesse, näeb tuumaelektrijaama tööpõhimõte välja järgmine:
Pärast tuumareaktori käivitamist eemaldatakse kütusevarrastelt neelavad vardad, mis takistavad uraani reageerimist.

Niipea kui vardad eemaldatakse, hakkavad uraani neutronid üksteisega suhtlema.

Neutronite põrkumisel toimub aatomitasandil miniplahvatus, energia vabaneb ja uued neutronid sünnivad, hakkab toimuma ahelreaktsioon. See protsess eraldab soojust.

Soojus kantakse üle jahutusvedelikule. Sõltuvalt jahutusvedeliku tüübist muutub see auruks või gaasiks, mis pöörab turbiini.

Turbiin käitab elektrigeneraatorit. Tema on see, kes tegelikult toodab elektrit.

Kui protsessi ei järgita, võivad uraani neutronid omavahel kokku põrgata, kuni reaktor õhku lastakse ja kogu tuumajaam puruks lendab. Protsessi juhivad arvutiandurid. Need tuvastavad temperatuuri tõusu või rõhu muutuse reaktoris ja võivad reaktsioonid automaatselt peatada.

Mille poolest erinevad tuumaelektrijaamade ja soojuselektrijaamade (soojuselektrijaamade) tööpõhimõte?

Erinevused töös on alles esimestel etappidel. Tuumaelektrijaamades saab jahutusvedelik soojust uraanikütuse aatomite lõhustumisel, soojuselektrijaamades aga orgaanilise kütuse (kivisüsi, gaas või õli) põlemisel. Pärast seda, kui uraani aatomid või gaas koos kivisöega on soojust eraldanud, on tuumaelektrijaamade ja soojuselektrijaamade tööskeemid samad.

Tuumareaktorite tüübid

Tuumaelektrijaam sõltub sellest, kuidas see töötab. aatomireaktor. Tänapäeval on kaks peamist tüüpi reaktoreid, mis klassifitseeritakse neuronite spektri järgi:
Aeglane neutronreaktor, mida nimetatakse ka termiliseks reaktoriks.

Selle tööks kasutatakse 235 uraani, mis läbib rikastamise, uraanitablettide valmistamise jne etapid. Tänapäeval on valdavas enamuses aeglaste neutronreaktorid.
Kiire neutronreaktor.

Need reaktorid on tulevik, sest nad töötavad uraan-238 peal, mis on oma olemuselt kümmekond peenraha ja seda elementi pole vaja rikastada. Selliste reaktorite puuduseks on vaid väga suured projekteerimise, ehitamise ja käivitamise kulud. Tänapäeval töötavad kiirneutronreaktorid ainult Venemaal.

Kiirete neutronreaktorite jahutusvedelik on elavhõbe, gaas, naatrium või plii.

Ka aeglaseid neutronreaktoreid, mida tänapäeval kasutavad kõik maailma tuumajaamad, on mitut tüüpi.

IAEA organisatsioon (Rahvusvaheline Aatomienergiaagentuur) on loonud oma klassifikatsiooni, mida kasutatakse kõige sagedamini maailma tuumatööstuses. Kuna tuumajaama tööpõhimõte sõltub suuresti jahutusvedeliku ja aeglusti valikust, on IAEA klassifitseerimisel lähtunud just nendest erinevustest.

Keemilisest seisukohast on deuteeriumoksiid ideaalne moderaator ja jahutusvedelik, sest selle aatomid interakteeruvad kõige tõhusamalt uraani neutronitega võrreldes teiste ainetega. Lihtsamalt öeldes täidab raske vesi oma ülesannet minimaalsete kadude ja maksimaalsete tulemustega. Selle tootmine maksab aga raha, samas kui meile tavalist “kerget” ja tuttavat vett on palju lihtsam kasutada.

Mõned faktid tuumareaktorite kohta...

Huvitav, et ühte tuumajaama reaktorit ehitatakse vähemalt 3 aastat!
Reaktori ehitamiseks on vaja seadmeid, mis töötavad 210 kiloamprise elektrivooluga, mis on miljon korda suurem kui vool, mis võib inimese tappa.

Tuumareaktori üks kest (konstruktsioonielement) kaalub 150 tonni. Ühes reaktoris on 6 sellist elementi.

Survevee reaktor

Oleme juba välja selgitanud, kuidas tuumajaam üldiselt töötab, selle “korrastamiseks” vaatame, kuidas töötab kõige populaarsem survestatud tuumareaktor.
Tänapäeval kasutatakse kogu maailmas 3+ põlvkonna surveveereaktoreid. Neid peetakse kõige usaldusväärsemaks ja ohutumaks.

Kõik maailma surveveereaktorid on kõigi oma tööaastate jooksul kokku saanud juba üle 1000 aasta tõrgeteta töö ja pole kunagi andnud tõsiseid kõrvalekaldeid.

Surveveereaktoritel põhinevate tuumaelektrijaamade struktuur eeldab, et kütusevarraste vahel ringleb destilleeritud vesi, mis on kuumutatud 320 kraadini. Et see ei läheks auruolekusse, hoitakse seda 160 atmosfääri rõhu all. Tuumaelektrijaama skeem nimetab seda primaarseks veeks.

Kuumutatud vesi siseneb aurugeneraatorisse ja annab oma soojuse ära sekundaarringi veele, misjärel “naaseb” uuesti reaktorisse. Väliselt tundub, et primaarveeringi torud on kontaktis teiste torudega - teise vooluringi veega, need edastavad soojust üksteisele, kuid veed ei puutu kokku. Torud on kontaktis.

Seega on välistatud kiirguse sattumine sekundaarahela vette, mis osaleb edaspidi elektritootmise protsessis.

Tuumaelektrijaama ohutus

Olles õppinud tuumaelektrijaamade tööpõhimõtteid, peame mõistma, kuidas ohutus on korraldatud. Tuumaelektrijaamade projekteerimine nõuab tänapäeval suuremat tähelepanu ohutusreeglitele.
Tuumaelektrijaama ohutuse maksumus moodustab ligikaudu 40% jaama enda kogumaksumusest.

TEJ skeem sisaldab 4 füüsilist barjääri, mis takistavad radioaktiivsete ainete eraldumist. Mida need tõkked tegema peaksid? Õigel ajal osata peatada tuumareaktsioon, tagada pidev soojuse eemaldamine südamikust ja reaktorist endast ning vältida radionukliidide vabanemist isolatsioonist (tõketustsoonist).

• Esimene barjäär on uraanigraanulite tugevus. On oluline, et need ei laguneks tuumareaktoris kõrgete temperatuuride mõjul. Tuumaelektrijaama tööpõhimõte sõltub paljuski sellest, kuidas uraanigraanulid tootmise algfaasis "küpsetati". Kui uraani kütusegraanuleid küpsetatakse valesti, on uraani aatomite reaktsioonid reaktoris ettearvamatud.
• Teine takistus on kütusevarraste tihedus. Tsirkooniumtorud peavad olema tihedalt suletud, kui tihedus on katki, siis parimal juhul saab reaktor kahjustada ja töö seiskub, halvimal juhul lendab kõik õhku.
• Kolmas barjäär on tugev terasest reaktorianum a, (see sama suur torn – kaitseala), mis "hoiab" endas kõiki radioaktiivseid protsesse. Kere on kahjustatud – kiirgust paiskub atmosfääri.
• Neljandaks tõkkeks on hädakaitsevardad. Aktiivse tsooni kohal on magnetitel riputatud moderaatoritega vardad, mis suudavad 2 sekundiga neelata kõik neutronid ja peatada ahelreaktsiooni.

Kui vaatamata mitme kaitseastmega tuumajaama ehitamisele ei õnnestu reaktori südamikku õigel ajal jahutada ning kütuse temperatuur tõuseb 2600 kraadini, siis tuleb mängu ohutussüsteemi viimane lootus. - nn sulamislõks.

Fakt on see, et sellisel temperatuuril reaktorianuma põhi sulab ning kõik tuumakütuse ja sulastruktuuride jäänused voolavad reaktori südamiku kohal rippuvasse spetsiaalsesse "klaasi".

Sulamispüüdur on jahutatud ja tulekindel. See on täidetud nn "ohvrimaterjaliga", mis peatab järk-järgult lõhustumise ahelreaktsiooni.

Seega hõlmab tuumaelektrijaama skeem mitut kaitseastet, mis peaaegu täielikult välistab igasuguse õnnetuse võimaluse.

Mis on tuumareaktor?

Tuumareaktor, varem tuntud kui "tuumakatel", on seade, mida kasutatakse püsiva tuuma ahelreaktsiooni algatamiseks ja juhtimiseks. Tuumareaktoreid kasutatakse tuumaelektrijaamades elektri tootmiseks ja laevamootorite jaoks. Tuuma lõhustumisel tekkiv soojus kandub üle töövedelikule (vesi või gaas), mis juhitakse läbi auruturbiinide. Vesi või gaas juhib laeva labasid või pöörleb elektrigeneraatoreid. Tuumareaktsioonist tekkivat auru saab põhimõtteliselt kasutada soojustööstuses või kaugküttes. Mõnda reaktorit kasutatakse isotoopide tootmiseks meditsiiniliseks ja tööstuslikuks kasutamiseks või relvade jaoks kasutatava plutooniumi tootmiseks. Mõned neist on mõeldud ainult uurimistööks. Tänapäeval on umbes 450 tuumareaktorit, mida kasutatakse elektri tootmiseks umbes 30 riigis üle maailma.

Tuumareaktori tööpõhimõte

Nii nagu tavalised elektrijaamad toodavad elektrit, kasutades fossiilkütuste põletamisel eralduvat soojusenergiat, muudavad tuumareaktorid kontrollitud tuumalõhustumisel vabanenud energia soojusenergiaks, et seda edasi muuta mehaanilisteks või elektrilisteks vormideks.

Tuuma lõhustumise protsess

Kui märkimisväärne hulk lagunevaid aatomituumasid (nagu uraan-235 või plutoonium-239) neelab neutroni, võib toimuda tuuma lagunemisprotsess. Raske tuum laguneb kaheks või enamaks kergeks tuumaks (lõhustumisproduktid), vabastades kineetilise energia, gammakiirguse ja vabad neutronid. Mõned neist neutronitest võivad hiljem neelduda teistes lõhustuvates aatomites ja põhjustada edasist lõhustumist, mis vabastab veelgi rohkem neutroneid jne. Seda protsessi tuntakse tuuma ahelreaktsioonina.

Sellise tuuma ahelreaktsiooni kontrollimiseks saavad neutronite neelajad ja moderaatorid muuta neutronite osakaalu, mis lähevad rohkemate tuumade lõhustumisele. Tuumareaktoreid juhitakse käsitsi või automaatselt, et ohtlike olukordade tuvastamisel oleks võimalik lagunemisreaktsioon peatada.

Tavaliselt kasutatavad neutronvoo regulaatorid on tavaline ("kerge") vesi (74,8% maailma reaktoritest), tahke grafiit (20% reaktoritest) ja "raske" vesi (5% reaktoritest). Mõnes eksperimentaalses tüüpi reaktorites tehakse ettepanek kasutada berülliumi ja süsivesinikke.

Soojuse tootmine tuumareaktoris

Reaktori töötsoon toodab soojust mitmel viisil:

• Kineetiline energia tuumade põrkamisel naaberaatomitega muudetakse lõhustumisproduktid soojusenergiaks.
• Reaktor neelab osa lõhustumisel tekkivast gammakiirgusest ja muudab selle energia soojuseks.
• Soojus tekib lõhustumisproduktide ja nende materjalide radioaktiivsel lagunemisel, mida on mõjutanud neutronite neeldumine. See soojusallikas jääb mõneks ajaks muutumatuks ka pärast reaktori väljalülitamist.

Tuumareaktsioonide käigus eraldab kilogramm uraan-235 (U-235) umbes kolm miljonit korda rohkem energiat kui kilogramm tavapäraselt põletatud kivisütt (7,2 × 1013 džauli uraan-235 kilogrammi kohta võrreldes 2,4 × 107 džauliga kilogrammi kivisöe kohta) ,

Tuumareaktori jahutussüsteem

Tuumareaktori jahutusvedelik - tavaliselt vesi, kuid mõnikord gaas, vedel metall (näiteks vedel naatrium) või sulasool - tsirkuleeritakse ümber reaktori südamiku, et absorbeerida vabanev soojus. Soojus eemaldatakse reaktorist ja seejärel kasutatakse auru genereerimiseks. Enamik reaktoreid kasutab jahutussüsteemi, mis on füüsiliselt isoleeritud veest, mis keeb ja tekitab turbiinides kasutatavat auru, sarnaselt surveveereaktoriga. Mõnes reaktoris keedetakse aga auruturbiinide jaoks vett otse reaktori südamikus; näiteks surveveereaktoris.

Neutronvoo juhtimine reaktoris

Reaktori väljundvõimsust juhitakse, reguleerides neutronite arvu, mis võivad põhjustada rohkem lõhustumist.

Neutronite neelamiseks kasutatakse "neutronimürgist" valmistatud juhtvardaid. Mida rohkem neutroneid juhtvarras neelab, seda vähem neutroneid võib edasist lõhustumist põhjustada. Seega vähendab absorptsioonivarraste sügavale reaktorisse kastmine selle väljundvõimsust ja vastupidi, juhtvarda eemaldamine suurendab seda.

Kõigi tuumareaktorite esimesel kontrollitasemel on mitmete neutroniga rikastatud lõhustumisisotoopide neutronite hiline emissioon oluline füüsiline protsess. Need viivitatud neutronid moodustavad umbes 0,65%. koguarv lõhustumise käigus tekkivad neutronid ja ülejäänud (nn "kiired neutronid") tekivad vahetult lõhustumise käigus. Hilinenud neutroneid moodustavate lõhustumissaaduste poolestusajad ulatuvad millisekunditest mitme minutini ja seetõttu kulub märkimisväärselt palju aega, et täpselt kindlaks teha, millal reaktor kriitilise punktini jõuab. Reaktori hoidmine ahelreaktiivsuse režiimis, kus kriitilise massi saavutamiseks on vaja viivitatud neutroneid, saavutatakse mehaaniliste seadmete või inimese juhtimise abil, et juhtida ahelreaktsiooni "reaalajas"; vastasel juhul oleks aeg kriitilise taseme saavutamise ja tuumareaktori südamiku sulamise vahel tavalise tuuma ahelreaktsiooni eksponentsiaalse võimsuse hüppe tõttu liiga lühike sekkumiseks. Seda viimast etappi, kus hilinenud neutroneid kriitilisuse säilitamiseks enam vaja ei ole, nimetatakse kiireks kriitiliseks. Kriitilisuse kirjeldamiseks numbrilises vormis on skaala, milles esialgset kriitilisust tähistab mõiste "null dollarit", kiire kriitiline punkt on "üks dollar", teised protsessi punktid on interpoleeritud "sentides".

Mõnes reaktoris toimib jahutusvedelik ka neutronite moderaatorina. Moderaator suurendab reaktori võimsust, pannes lõhustumise käigus vabanevad kiired neutronid energiat kaotama ja muutuvad termilisteks neutroniteks. Termilised neutronid põhjustavad lõhustumist tõenäolisemalt kui kiired neutronid. Kui jahutusvedelik on ka neutronite moderaator, võivad temperatuurimuutused mõjutada jahutusvedeliku/moderaatori tihedust ja seega ka reaktori väljundvõimsuse muutust. Mida kõrgem on jahutusvedeliku temperatuur, seda väiksem on selle tihedus ja seetõttu vähem tõhus moderaator.

Teist tüüpi reaktorites toimib jahutusvedelik "neutronimürgina", neelates neutroneid samamoodi nagu juhtvardad. Nendes reaktorites saab võimsust suurendada jahutusvedeliku kuumutamisega, muutes selle vähem tihedaks. Tuumareaktoritel on tavaliselt automaatsed ja manuaalsed süsteemid reaktori hädaseiskamiseks. Need süsteemid panevad suur hulk"neutronmürk" (sageli boor boorhappe kujul) reaktorisse, et peatada lõhustumisprotsess, kui tuvastatakse või kahtlustatakse ohtlikke tingimusi.

Enamik reaktoritüüpe on tundlikud protsessile, mida nimetatakse "ksenoonikaevuks" või "joodikaevuks". Tavaline lõhustumisprodukt, ksenoon-135, toimib neutronite absorbeerijana, mis püüab reaktorit välja lülitada. Ksenoon-135 kogunemist saab kontrollida piisava hooldusega kõrge tase võime seda hävitada, neelates neutroneid sama kiiresti kui see tekib. Lõhustumise tulemusena tekib ka jood-135, mis omakorda laguneb (poolväärtusajaga 6,57 tundi), moodustades ksenoon-135. Kui reaktor suletakse, jätkab jood-135 lagunemist, moodustades ksenoon-135, mis muudab reaktori taaskäivitamise päeva või kahe jooksul keerulisemaks, kuna ksenoon-135 laguneb, moodustades tseesium-135, mis ei ole neutronite absorbeerija nagu ksenoon. -135,135, poolväärtusajaga 9,2 tundi. See ajutine seisund on "joodikaev". Kui reaktoril on piisavalt lisavõimsust, saab selle taaskäivitada. Rohkem ksenoon-135 muutub ksenoon-136-ks, mis on vähem kui neutronite absorbeerija, ja mõne tunni jooksul kogeb reaktor nn "ksenooni põlemise etappi". Lisaks tuleb reaktorisse sisestada juhtvardad, et kompenseerida neutronite neeldumist, et asendada kadunud ksenoon-135. Selle protseduuri mittejärgimine oli Tšernobõli tuumaelektrijaama õnnetuse peamine põhjus.

Mere tuumajaamades kasutatavaid reaktoreid (eriti tuumaallveelaevu) ei saa sageli samamoodi pideva toiterežiimiga käivitada nagu maismaal asuvaid jõureaktoreid. Lisaks peavad sellised elektrijaamad töötama pikka aega ilma kütust vahetamata. Sel põhjusel kasutavad paljud konstruktsioonid kõrgelt rikastatud uraani, kuid sisaldavad kütusevarrastes põlevat neutronite absorbeerijat. See võimaldab konstrueerida lõhustuva materjali ülejäägiga reaktorit, mis on reaktori kütusetsükli põlemise alguses suhteliselt ohutu neutroneid neelava materjali olemasolu tõttu, mis hiljem asendatakse tavaliste pikaealiste neutronite absorbeerijatega. (vastupidavam kui ksenoon-135), mis kogunevad järk-järgult reaktori eluea jooksul.kütus.

Kuidas elektrit toodetakse?

Lõhustumisel tekkiv energia tekitab soojust, millest osa saab muundada kasulikuks energiaks. Levinud meetod selle soojusenergia kasutamiseks on kasutada seda vee keetmiseks ja rõhu all oleva auru tootmiseks, mis omakorda juhib auruturbiini, mis pöörab generaatorit ja toodab elektrit.

Esimeste reaktorite ilmumise ajalugu

Neutronid avastati 1932. aastal. Neutronitega kokkupuute tagajärjel tekkinud tuumareaktsioonidest põhjustatud ahelreaktsiooni skeemi viis esmakordselt läbi Ungari teadlane Leo Sillard 1933. aastal. Järgmise aasta jooksul taotles ta Londoni Admiraliteedis oma lihtsale reaktoriideele patenti. Kuid Szilardi idee ei sisaldanud tuuma lõhustumise teooriat neutronite allikana, kuna seda protsessi polnud veel avastatud. Szilardi ideed tuumareaktorite kohta, mis kasutavad neutronite vahendatud tuumaahelreaktsiooni kergetes elementides, osutusid teostamatuks.

Uut tüüpi uraani kasutava reaktori loomise tõuke andis Lise Meitneri, Fritz Strassmanni ja Otto Hahni avastus 1938. aastal, kes "pommitasid" uraani neutronitega (kasutades berülliumi alfa-lagunemisreaktsiooni, "neutronpüstolit"). moodustada baarium, mis nende arvates sai alguse uraani tuumade lagunemisest. Hilisemad uuringud 1939. aasta alguses (Szilard ja Fermi) näitasid, et aatomi lõhustumisel tekkisid ka mõned neutronid ja see võimaldas läbi viia tuuma ahelreaktsiooni, nagu Szilard oli kuus aastat varem ette näinud.

2. augustil 1939 kirjutas Albert Einstein alla kirjale, mille Szilard kirjutas president Franklin D. Rooseveltile ja teatas, et uraani lõhustumise avastamine võib viia "äärmiselt" võimsad pommid uut tüüpi. "See andis tõuke reaktorite ja radioaktiivse lagunemise uurimisele. Szilard ja Einstein tundsid üksteist hästi ja töötasid koos palju aastaid, kuid Einstein ei mõelnud kunagi sellisele tuumaenergia võimalusele enne, kui Szilard seda talle ütles, alustades tegelikult otsige Einstein-Szilardi ja kirjutage talle kiri, et hoiatada USA valitsust

Vahetult pärast seda, 1939.a Natsi-Saksamaa ründas Poolat, alustades Euroopas II maailmasõda. Ametlikult polnud USA-s veel sõda, kuid oktoobris, kui Einsteini-Szilardi kiri üle anti, märkis Roosevelt, et uuringu eesmärk oli tagada, et "natsid meid õhku ei lööks". tuumaprojekt USA alustas, ehkki mõningase viivitusega, sest skeptitsism jäi püsima (eriti Fermi poolt) ja ka vähese arvu valitsusametnike tõttu, kes projekti esialgu jälgisid.

Järgmisel aastal sai USA valitsus Suurbritannialt Frisch-Peierlsi memorandumi, milles märgiti, et ahelreaktsiooni läbiviimiseks vajalik uraani kogus on seni arvatust palju väiksem. Memorandum koostati Maud Commity osalusel, kes töötas Ühendkuningriigis aatomipommi projekti kallal, mida hiljem tunti koodnime "Tube Alloys" (torusulamid) all ja lisati hiljem Manhattani projekti.

Lõppkokkuvõttes ehitas Enrico Fermi juhitud meeskond Chicago ülikoolis 1942. aasta lõpus esimese tehisliku tuumareaktori nimega Chicago Woodpile 1. Selleks ajaks oli USA tuumaprogrammi juba kiirendanud riigi ühinemine sõda. "Chicago Woodpile" jõudis kriitilisse punkti 2. detsembril 1942 kell 15 tundi 25 minutit. Reaktori karkass oli puidust, hoides koos virna grafiitplokke (sellest ka nimi) loodusliku uraanoksiidi pesastatud "briketi" või "pseudosfääridega".

Alates 1943. aastast, vahetult pärast Chicago Woodpile'i loomist, töötas USA sõjavägi Manhattani projekti jaoks välja terve rea tuumareaktoreid. Suurimate reaktorite (mis asusid Hanfordi kompleksis Washingtoni osariigis) põhieesmärk oli plutooniumi masstootmine tuumarelvade jaoks. Fermi ja Szilard esitasid reaktorite patenditaotluse 19. detsembril 1944. Selle väljaandmine viibis sõjaaegse salastatuse tõttu 10 aastat.

"Maailma esimene" - see kiri tehti EBR-I reaktori asukohas, mis on praegu Idaho osariigis Arco linna lähedal asuv muuseum. Algselt nimega "Chicago Woodpile-4" ehitati see reaktor Walter Zinni juhtimisel Aregonne'i riikliku labori jaoks. See eksperimentaalne kiire aretusreaktor oli USA aatomienergiakomisjoni käsutuses. Reaktor tootis 20. detsembril 1951 katsetamisel 0,8 kW võimsust ja järgmisel päeval 100 kW võimsust (elekter) projekteeritud võimsusega 200 kW (elektrivõimsus).

Lisaks tuumareaktorite sõjalisele kasutamisele olid ka poliitilised põhjused jätkata aatomienergia uurimist rahumeelsel eesmärgil. USA president Dwight Eisenhower pidas oma kuulsa kõne "Aatomid rahu nimel". ÜldkoguÜRO 8. detsember 1953 See diplomaatiline samm viis reaktoritehnoloogia levikuni nii USA-s kui ka kogu maailmas.

Esimene tsiviileesmärgil ehitatud tuumajaam oli 27. juunil 1954 Nõukogude Liidus käivitatud tuumaelektrijaam AM-1 Obninskis. See tootis umbes 5 MW elektrienergiat.

Pärast Teist maailmasõda otsis USA sõjavägi muid rakendusi tuumareaktoritehnoloogiale. Maaväes ja õhuväes läbiviidud uuringuid ei rakendatud; USA merevägi oli aga edukas tuumaallveelaeva USS Nautilus (SSN-571) startimisega 17. jaanuaril 1955. aastal.

Esimene kaubanduslik tuumaelektrijaam (Calder Hall Sellafieldis, Inglismaal) avati 1956. aastal esialgse võimsusega 50 MW (hiljem 200 MW).

Ameeriklastele elektri (2 MW) tootmiseks kasutati esimest kaasaskantavat tuumareaktorit "Alco PM-2A". sõjaväebaas"Laagrisajand" aastast 1960.

Tuumaelektrijaama põhikomponendid

Enamiku tüüpi tuumaelektrijaamade põhikomponendid on:

Tuumareaktori elemendid

• Tuumakütus (tuumareaktori südamik; neutronite moderaator)
• Neutronite esialgne allikas
• Neutronite absorbeerija
• Neutronipüstol (pakkub pidevat neutronite allikat reaktsiooni taaskäivitamiseks pärast väljalülitamist)
• Jahutussüsteem (sageli on neutronite moderaator ja jahutusvedelik samad, tavaliselt puhastatud vesi)
• kontrollvardad
• Tuumareaktori anum (NRC)

Boileri veepump

• Aurugeneraatorid (mitte keeva vee reaktorites)
• Auruturbiin
• Elektrigeneraator
• Kondensaator
• Jahutustorn (pole alati vajalik)
• Töötlemissüsteem radioaktiivsed jäätmed(radioaktiivsete jäätmete kõrvaldamise jaama osa)
• Tuumakütuse ümberlaadimise koht
• Kasutatud kütuse bassein

Kiirgusohutussüsteem

• Rektori kaitsesüsteem (SZR)
• Avarii diiselgeneraatorid
• Reaktori südamiku avariijahutussüsteem (ECCS)
• Vedeliku avariijuhtimissüsteem (boori hädasissepritse, ainult keeva vee reaktorites)
• Veevarustussüsteem vastutustundlikele tarbijatele (SOTVOP)

Kaitsev kest

• Pult
• Avariipaigaldus
• Tuumatreeningu kompleks (reeglina on seal juhtpaneeli imitatsioon)

Tuumareaktorite klassifikatsioonid

Tuumareaktorite tüübid

Tuumareaktoreid klassifitseeritakse mitmel viisil; kokkuvõte need klassifitseerimismeetodid on esitatud allpool.

Tuumareaktorite klassifikatsioon moderaatori tüübi järgi

Kasutatud termoreaktorid:

• Grafiitreaktorid
  
• Surveveereaktorid
• Raskeveereaktorid(kasutatakse Kanadas, Indias, Argentinas, Hiinas, Pakistanis, Rumeenias ja Lõuna-Koreas).
• Kergveereaktorid(LVR). Kergveereaktorites (kõige levinum soojusreaktori tüüp) kasutatakse reaktorite juhtimiseks ja jahutamiseks tavalist vett. Kui vee temperatuur tõuseb, siis selle tihedus väheneb, aeglustades neutronite voogu piisavalt, et põhjustada edasisi ahelreaktsioone. See negatiivne tagasiside stabiliseerib tuumareaktsiooni kiirust. Grafiit- ja raskeveereaktorid kipuvad kuumenema intensiivsemalt kui kergeveereaktorid. Lisasoojuse tõttu võivad sellised reaktorid kasutada looduslikku uraani/rikastamata kütust.
• Kergelementide moderaatoritel põhinevad reaktorid.
• Sulasoola modereeritud reaktorid(MSR) kontrollitakse kergete elementide, nagu liitium või berüllium, olemasolu, mis on osa LiF ja BEF2 jahutusvedeliku/kütusemaatriksi sooladest.
• Vedelmetallist jahutitega reaktorid, kus jahutusvedelik on plii ja vismuti segu, saab neutronabsorberis kasutada BeO oksiidi.
• Orgaanilisel moderaatoril põhinevad reaktorid(OMR) kasutavad difenüüli ja terfenüüli moderaatori ja jahutusvedeliku komponentidena.

Tuumareaktorite klassifikatsioon jahutusvedeliku tüübi järgi

• Vesijahutusega reaktor. Ameerika Ühendriikides töötab 104 reaktorit. Neist 69 on survestatud vee reaktorid (PWR) ja 35 on keevaveereaktorid (BWR). Survevee tuumareaktorid (PWR) moodustavad valdava enamuse kõigist lääne tuumaelektrijaamadest. RVD tüübi peamine omadus on ülelaaduri, spetsiaalse kõrgsurveanuma olemasolu. Enamik kaubanduslikke kõrgsurvereaktoreid ja mereväe reaktorite tehaseid kasutavad ülelaadijaid. Tavalise töötamise ajal täidetakse puhur osaliselt veega ja selle kohal hoitakse aurumulli, mis tekib vee soojendamisel sukelsoojenditega. Tavarežiimis on ülelaadur ühendatud reaktori surveanumaga (HRV) ja rõhukompensaator annab õõnsuse reaktoris oleva vee mahu muutumise korral. Selline skeem tagab ka rõhu juhtimise reaktoris, suurendades või vähendades aururõhku kompensaatoris küttekehade abil.

• Kõrgsurve raskeveereaktorid kuuluvad mitmesugustesse survestatud veereaktoritesse (PWR), mis ühendavad rõhu kasutamise põhimõtted, isoleeritud termilise tsükli, eeldades raske vee kasutamist jahutusvedeliku ja moderaatorina, mis on majanduslikult kasulik.
• keeva vee reaktor(BWR). Keevaveereaktorite mudeleid iseloomustab keeva vee olemasolu kütusevarraste ümber peareaktori anuma põhjas. Keevaveereaktoris kasutatakse kütusena rikastatud 235U uraandioksiidi kujul. Kütus on paigutatud terasanumasse asetatud vardadesse, mis omakorda sukeldatakse vette. Tuuma lõhustumise protsess põhjustab vee keema ja auru moodustumise. See aur läbib turbiinides torujuhtmeid. Turbiinid töötavad auruga ja see protsess toodab elektrit. Tavalise töötamise ajal juhib rõhku reaktori surveanumast turbiini voolava auru hulk.
• Basseini tüüpi reaktor
• Reaktor vedela metalli jahutusvedelikuga. Kuna vesi on neutronite moderaator, ei saa seda kiirneutronreaktoris jahutusvedelikuna kasutada. Metallist vedelate jahutusvedelike hulka kuuluvad naatrium, NaK, plii, plii-vismuti eutektikum ja varajase põlvkonna reaktorite puhul elavhõbe.
• Naatriumjahutusvedelikuga kiirneutronreaktor.
• Plii jahutusvedelikuga kiirneutronitel töötav reaktor.
• Gaasjahutusega reaktorid jahutatakse tsirkuleeriva inertgaasiga, mis on ette nähtud heeliumiga kõrgtemperatuurilistes struktuurides. Samas kasutati süsihappegaasi varem Suurbritannia ja Prantsusmaa tuumaelektrijaamades. Kasutatud on ka lämmastikku. Soojuse kasutamine oleneb reaktori tüübist. Mõned reaktorid on nii kuumad, et gaas võib otse gaasiturbiini juhtida. Vanemad reaktorikonstruktsioonid hõlmasid tavaliselt gaasi juhtimist läbi soojusvaheti, et tekitada auruturbiini jaoks auru.
• Sulasoola reaktorid(MSR) jahutatakse tsirkuleeriva sulasoola abil (tavaliselt fluoriidsoolade eutektilised segud, nagu FLiBe). Tüüpilises MSR-is kasutatakse jahutusvedelikku ka maatriksina, milles lõhustuv materjal lahustatakse.

Tuumareaktorite põlvkonnad

• Esimese põlvkonna reaktor(varased prototüübid, uurimisreaktorid, mitteärilised elektrireaktorid)
• Teise põlvkonna reaktor(kõige kaasaegsemad tuumajaamad 1965-1996)
• Kolmanda põlvkonna reaktor(olemasolevate disainilahenduste evolutsioonilised täiustused alates 1996. aastast kuni praeguseni)
• Reaktor neljas põlvkond (tehnoloogiad on veel väljatöötamisel, alguskuupäev teadmata, võib-olla 2030)

2003. aastal võttis Prantsuse aatomienergia komissariaat (CEA) oma nukleoonikanädalal esimest korda kasutusele nimetuse "Gen II".

Esimest korda mainiti "Gen III" 2000. aastal seoses IV põlvkonna rahvusvahelise foorumi (GIF) algusega.

"Gen IV" mainis 2000. aastal Ameerika Ühendriikide energeetikaministeerium (DOE) uut tüüpi elektrijaamade väljatöötamiseks.

Tuumareaktorite klassifikatsioon kütuseliigi järgi

• Tahkekütuse reaktor
• vedelkütuse reaktor
• Homogeenne vesijahutusega reaktor
• Sulasoola reaktor
• Gaasiküttel töötavad reaktorid (teoreetiliselt)

Tuumareaktorite klassifikatsioon otstarbe järgi

• Elektri tootmine
• Tuumaelektrijaamad, sealhulgas väikesed kobarreaktorid
• Iseliikuvad seadmed (vt tuumaelektrijaamu)
• Avamere tuumarajatised
• Erinevat tüüpi rakettmootorid
• Muud soojuse kasutusviisid
• Magestamine
• Soojuse tootmine kodu- ja tööstuskütteks
• Vesiniku tootmine vesinikuenergias kasutamiseks
• Tootmisreaktorid elementide muundamiseks
• Kasutusreaktorid, mis on võimelised tootma rohkem lõhustuvat materjali, kui nad ahelreaktsiooni käigus tarbivad (muundades lähteisotoobid U-238 Pu-239-ks või Th-232 U-233-ks). Seega saab pärast ühe tsükli läbitöötamist uraani kasvatamise reaktorit korduvalt tankida loodusliku või isegi vaesestatud uraaniga. Tooriumi kasvatamise reaktorit saab omakorda täita tooriumiga. Lõhustuva materjali esialgne varu on siiski vajalik.
• Erinevate radioaktiivsete isotoopide loomine, nagu ameriitsium kasutamiseks suitsuandurites ja koobalt-60, molübdeen-99 ja teised, mida kasutatakse märgistusainetena ja ravis.
• Tuumarelvade jaoks vajalike materjalide, näiteks relvakvaliteediga plutooniumi tootmine
• Neutronkiirguse (näiteks Lady Godiva impulssreaktori) ja positronikiirguse allika (näiteks neutronite aktiveerimise analüüs ja kaalium-argooni dateerimine) loomine
• Uurimisreaktor: Tavaliselt kasutatakse reaktoreid teadusuuringuteks ja õpetamiseks, materjalide testimiseks või radioisotoopide tootmiseks meditsiinis ja tööstuses. Need on palju väiksemad kui elektri- või laevareaktorid. Paljud neist reaktoritest asuvad ülikoolilinnakutes. Selliseid reaktoreid töötab umbes 280 56 riigis. Mõned neist töötavad kõrgelt rikastatud uraanikütusega. Käimas on rahvusvahelised jõupingutused väherikastatud kütuste asendamiseks.

Kaasaegsed tuumareaktorid

Need reaktorid kasutavad tuumakütuse, juhtvardade, moderaatori ja jahutusvedeliku hoidmiseks surveanumat. Reaktoreid jahutatakse ja neutroneid modereeritakse kõrge rõhu all oleva vedela veega. Surveanumast väljuv kuum radioaktiivne vesi läbib aurugeneraatori ahelat, mis omakorda soojendab sekundaarset (mitteradioaktiivset) ahelat. Need reaktorid on enamus kaasaegsed reaktorid. See on neutronreaktori kütteseade, millest uusimad on VVER-1200, täiustatud surveveereaktor ja Euroopa surveveereaktor. USA mereväe reaktorid on seda tüüpi.

Keevveereaktorid on sarnased ilma aurugeneraatorita surveveereaktoritele. Keevveereaktorites kasutatakse vett ka jahutusvedelikuna ja neutronide moderaatorit surveveereaktoritena, kuid madalamal rõhul, mis võimaldab vett katla sees keema minna, tekitades auru, mis pöörab turbiine. Erinevalt surveveereaktorist primaar- ja sekundaarahel puudub. Nende reaktorite küttevõimsus võib olla suurem ja need võivad olla lihtsama konstruktsiooniga ning veelgi stabiilsemad ja ohutumad. Tegemist on termilise neutronreaktori seadmega, millest uusimad on täiustatud keeduvee reaktor ja ökonoomne lihtsustatud keeduvee tuumareaktor.

Kanada disain (tuntud kui CANDU), need on survestatud raske veega modereeritud reaktorid. Selle asemel, et kasutada ühte surveanumat, nagu surveveereaktorites, on kütus sadades kõrgsurvekanalites. Need reaktorid töötavad looduslikul uraanil ja on termilised neutronreaktorid. Raskeveereaktoreid saab tankida täisvõimsusel töötamise ajal, mis muudab need uraani kasutamisel väga tõhusaks (see võimaldab täpselt juhtida voolu südamikus). Raskevee CANDU reaktoreid on ehitatud Kanadas, Argentinas, Hiinas, Indias, Pakistanis, Rumeenias ja Lõuna-Koreas. India kasutab ka mitmeid raskeveereaktoreid, mida sageli nimetatakse "CANDU derivaatideks", mis ehitati pärast seda, kui Kanada valitsus lõpetas tuumasuhted Indiaga pärast "Naeratava Buddha" tuumarelvakatsetust 1974. aastal.

Nõukogude arendus, mis on mõeldud plutooniumi ja ka elektri tootmiseks. RBMK-d kasutavad vett jahutusvedelikuna ja grafiiti neutronite moderaatorina. RBMK-d on mõnes mõttes sarnased CANDU-dega, kuna neid saab töötamise ajal laadida ja surveanuma asemel kasutatakse survetorusid (nagu seda tehakse surveveereaktorites). Erinevalt CANDU-st on need aga väga ebastabiilsed ja mahukad, mistõttu on reaktori kork kulukas. RBMK projektides on tuvastatud ka mitmeid olulisi ohutuspuudujääke, kuigi mõned neist puudustest parandati pärast Tšernobõli katastroofi. Nemad peamine omadus on kerge vee ja rikastamata uraani kasutamine. 2010. aasta seisuga on 11 reaktorit endiselt avatud, peamiselt tänu paranenud ohutusele ja rahvusvaheliste ohutusorganisatsioonide, nagu USA energeetikaministeeriumi, toetusele. Vaatamata nendele täiustustele peetakse RBMK reaktoreid endiselt üheks kõige ohtlikumaks kasutatavaks reaktorikonstruktsiooniks. RBMK reaktoreid kasutati ainult endises Nõukogude Liidus.

Tavaliselt kasutavad nad grafiitneutronite moderaatorit ja CO2 jahutit. Kõrgete töötemperatuuride tõttu võivad need olla soojuse tootmisel suurema efektiivsusega kui surveveereaktorid. Peamiselt Ühendkuningriigis, kus kontseptsioon töötati välja, on mitmeid sellise konstruktsiooniga töötavaid reaktoreid. Vanemad arendused (st Magnox-jaamad) on kas suletud või suletakse lähiajal. Täiustatud gaasjahutusega reaktorite hinnanguline tööiga on aga veel 10–20 aastat. Seda tüüpi reaktorid on termilised neutronreaktorid. Selliste reaktorite dekomisjoneerimise rahalised kulud võivad südamiku suure mahu tõttu olla suured.

Selle reaktori konstruktsiooni jahutatakse vedelmetalliga, ilma moderaatorita ja see toodab rohkem kütust kui kulutab. Väidetavalt "aretavad" nad kütust, kuna toodavad neutronite püüdmise käigus lõhustuvat kütust. Sellised reaktorid võivad efektiivsuse poolest toimida samamoodi nagu surveveereaktorid, nad peavad kompenseerima suurenenud rõhu, kuna kasutatakse vedelat metalli, mis ei tekita ülerõhku isegi väga kõrgetel temperatuuridel. BN-350 ja BN-600 NSV Liidus ning Superphoenix Prantsusmaal olid seda tüüpi reaktorid, nagu ka Fermi I USA-s. 1995. aastal naatriumilekke tõttu kannatada saanud Monju reaktor Jaapanis jätkas tööd 2010. aasta mais. Kõik need reaktorid kasutavad/kasutavad vedelat naatriumi. Need reaktorid on kiirneutronreaktorid ja ei kuulu termiliste neutronreaktorite hulka. Neid reaktoreid on kahte tüüpi:

Plii kasutamine vedela metallina tagab suurepärase kiirgusvarjestuse ja võimaldab töötada väga kõrgetel temperatuuridel. Samuti on plii (enamasti) neutronitele läbipaistev, nii et jahutusvedelikku läheb vähem neutroneid ja jahutusvedelik ei muutu radioaktiivseks. Erinevalt naatriumist on plii üldiselt inertne, seega on plahvatuse või õnnetuse oht väiksem, kuid sellised suured pliikogused võivad põhjustada toksilisust ja probleeme jäätmete kõrvaldamisega. Sageli saab seda tüüpi reaktorites kasutada plii-vismuti eutektilisi segusid. Sel juhul häirib vismut kiirgust vähesel määral, kuna see ei ole neutronitele täielikult läbipaistev ja võib kergemini muutuda teiseks isotoobiks kui plii. Vene Alpha-klassi allveelaev kasutab peamise elektritootmissüsteemina plii-vismutjahutusega kiirneutronreaktorit.

Enamik vedelmetalli aretusreaktoreid (LMFBR) on seda tüüpi. Naatriumi on suhteliselt lihtne hankida ja sellega töötada ning see aitab ka vältida korrosiooni. erinevad osad sellesse sukeldatud reaktor. Naatrium reageerib aga kokkupuutel veega ägedalt, seega tuleb olla ettevaatlik, kuigi sellised plahvatused ei ole palju võimsamad kui näiteks ülekuumenenud vedeliku lekked SCWR-idest või RWD-dest. EBR-I on esimene seda tüüpi reaktor, mille südamik koosneb sulatisest.

Nad kasutavad keraamilisteks kuulideks pressitud kütust, milles gaas tsirkuleeritakse läbi kuulide. Selle tulemusena on need tõhusad, tagasihoidlikud ja väga ohutud odava standardse kütusega reaktorid. Prototüüp oli AVR reaktor.

Nendes lahustatakse kütus fluoriidisoolades või kasutatakse jahutusvedelikuna fluoriide. Nende mitmekesised turvasüsteemid, kõrge efektiivsus ja kõrge energiatihedus sobivad Sõiduk. Märkimisväärne on see, et nende südamikus ei ole kõrge rõhu all olevaid osi ega põlevaid komponente. Prototüübiks oli MSRE reaktor, mis kasutas samuti tooriumi kütusetsüklit. Kasutusreaktorina töötleb see kasutatud tuumkütust, taastades nii uraani kui ka transuraanielemente, jättes alles vaid 0,1% transuraanijäätmetest võrreldes praegu töötavate tavaliste uraani kergvee reaktoritega. Eraldi teema on radioaktiivsed lõhustumisproduktid, mida ei võeta ringlusse ja need tuleb hävitada tavalistes reaktorites.

Nendes reaktorites kasutatakse kütust lahustuvate soolade kujul, mis lahustatakse vees ning segatakse jahutusvedeliku ja neutronite aeglustajaga.

Uuenduslikud tuumasüsteemid ja projektid

täiustatud reaktorid

Rohkem kui tosin täiustatud reaktoriprojekti on arendamise eri etappides. Mõned neist on arenenud RWD, BWR ja PHWR konstruktsioonidest, mõned erinevad oluliselt. Esimesed hõlmavad täiustatud keeduveereaktorit (ABWR) (neist kaks on praegu töökorras ja teised ehitatakse), samuti kavandatud majanduslikult lihtsustatud passiivse ohutusega keeduveereaktorit (ESBWR) ja AP1000 rajatisi (vt allpool). Tuumaenergia programm 2010).

Integreeritud kiirneutronite tuumareaktor(IFR) ehitati, katsetati ja katsetati 1980ndatel ning seejärel dekomisjoneeriti pärast Clintoni administratsiooni tagasiastumist 1990. aastatel tuumarelva leviku tõkestamise poliitika tõttu. Kasutatud tuumkütuse ümbertöötlemine on selle projekteerimise keskmes ja seetõttu tekib see vaid murdosa töötavate reaktorite jäätmetest.

Modulaarne kõrgtemperatuuriline gaasjahutusega reaktor reaktor (HTGCR), mis on konstrueeritud nii, et kõrged temperatuurid vähendada väljundvõimsust neutronkiire ristlõike Doppleri laienemise tõttu. Reaktor kasutab keraamilist tüüpi kütust, mistõttu selle ohutud töötemperatuurid ületavad alandava temperatuurivahemiku. Enamik struktuure jahutatakse inertse heeliumiga. Heelium ei saa põhjustada plahvatust aurude paisumise tõttu, ei absorbeeri neutroneid, mis tooks kaasa radioaktiivsuse, ega lahusta saasteaineid, mis võivad olla radioaktiivsed. Tüüpilised konstruktsioonid koosnevad rohkemast passiivse kaitse kihist (kuni 7) kui kergveereaktorites (tavaliselt 3). Ainulaadne funktsioon, mis võib pakkuda ohutust, on see, et kütusekuulid moodustavad tegelikult südamiku ja need vahetatakse aja jooksul ükshaaval välja. Kütuseelementide disainifunktsioonid muudavad nende taaskasutamise kulukaks.

Väike, suletud, mobiilne, autonoomne reaktor (SSTAR) algselt testiti ja töötati välja USA-s. Reaktor kavandati kiire neutronreaktorina, millel oli passiivne kaitsesüsteem, mida saab rikke kahtluse korral kaugjuhtimisega välja lülitada.

Puhas ja keskkonnasõbralik täiustatud reaktor (CAESAR) on tuumareaktori kontseptsioon, mis kasutab neutronite moderaatorina auru – see konstruktsioon on alles väljatöötamisel.

Reduced Water Moderated Reactor põhineb praegu töötaval Advanced Boiling Water Reactoril (ABWR). See ei ole täiskiirneutronreaktor, vaid kasutab peamiselt epitermilisi neutroneid, mille kiirus on termilise ja kiire vahel.

Isereguleeruv tuumaenergia moodul koos vesiniku moderaatoriga (HPM) on Los Alamose riikliku labori poolt välja antud konstruktsioonitüüpi reaktor, mis kasutab kütusena uraanhüdriidi.

Subkriitilised tuumareaktorid on kavandatud ohutumaks ja stabiilsemaks töötamiseks, kuid on tehniliselt ja majanduslikult keerulised. Üks näide on "Energiavõimendi".

Tooriumipõhised reaktorid. Toorium-232 on võimalik muuta U-233-ks spetsiaalselt selleks otstarbeks loodud reaktorites. Nii saab tooriumist, mis on neli korda levinum kui uraan, kasutada U-233 baasil tuumakütuse valmistamiseks. U-233-l arvatakse olevat soodsamad tuumaomadused võrreldes tavapärase U-235-ga, eelkõige parem neutronite efektiivsus ja vähenenud pikaealiste transuraanijäätmete teke.

Täiustatud raskeveereaktor (AHWR)- kavandatav raskeveereaktor, mis esindab PHWR tüüpi järgmise põlvkonna väljatöötamist. Arendamisel Indias Bhabha tuumauuringute keskuses (BARC).

KAMINI- ainulaadne reaktor, mis kasutab kütusena uraan-233 isotoopi. Ehitatud Indias BARC uurimiskeskuses ja Indira Gandhi tuumauuringute keskuses (IGCAR).

India kavatseb ehitada ka kiireid neutronreaktoreid, kasutades toorium-uraan-233 kütusetsüklit. FBTR (fast neutron Reactor) (Kalpakkam, India) kasutab töötamise ajal kütusena plutooniumi ja jahutusvedelikuna vedelat naatriumi.

Mis on neljanda põlvkonna reaktorid

Neljanda põlvkonna reaktorid on erinevate teoreetiliste projektide kogum, mida praegu kaalutakse. Tõenäoliselt ei jõuta neid projekte 2030. aastaks ellu. Kaasaegseid töötavaid reaktoreid peetakse üldiselt teise või kolmanda põlvkonna süsteemideks. Esimese põlvkonna süsteeme pole mõnda aega kasutatud. Selle neljanda põlvkonna reaktorite väljatöötamist alustati ametlikult Rahvusvaheline foorum IV põlvkond (GIF), mis põhineb kaheksal tehnoloogiaeesmärgil. Peamised eesmärgid olid tuumaohutuse parandamine, tuumarelvade leviku vastase kaitse suurendamine, jäätmete minimeerimine ja loodusvarade kasutamine, samuti selliste jaamade ehitamise ja käitamise kulude vähendamine.

• Gaasjahutusega kiirneutronreaktor
• Kiire neutronreaktor pliijahutiga
• Vedelsoola reaktor
• Naatriumjahutusega kiirneutronreaktor
• Ülekriitiline vesijahutusega tuumareaktor
• Ülikõrge temperatuuriga tuumareaktor

Mis on viienda põlvkonna reaktorid?

Viienda põlvkonna reaktorid on projektid, mille elluviimine on teoreetilisest vaatenurgast võimalik, kuid mis ei ole praegu aktiivse kaalumise ja uurimise objektiks. Kuigi selliseid reaktoreid saab ehitada nii praegu kui ka lühiajaliselt, pakuvad need majandusliku teostatavuse, praktilisuse või ohutuse huvides vähe huvi.

• vedelfaasi reaktor. Suletud ahel vedelikuga tuumareaktori südamikus, kus lõhustuv materjal on sula uraani või uraanilahuse kujul, mida jahutatakse paisupaagi põhjas olevatesse läbivatesse avadesse süstitud töögaasi abil.
• Reaktor, mille südamikus on gaasifaas. Suletud ahelaga variant raketi jaoks tuumamootor, kus lõhustuvaks materjaliks on kvartsmahutis paiknev gaasiline uraanheksafluoriid. Töötav gaas (nt vesinik) voolab ümber selle anuma ja neelab ultraviolettkiirgust mis tuleneb tuumareaktsioonist. Seda disaini saab kasutada kui raketi mootor, nagu mainiti Harry Harrisoni 1976. aasta ulmeromaanis Skyfall. Teoreetiliselt tooks uraanheksafluoriidi kasutamine tuumkütusena (mitte vaheainena, nagu praegu tehakse) kaasa madalamad energiatootmiskulud ning ka reaktorite mõõtmete vähenemine. Praktikas tekitaks nii suure võimsustihedusega töötav reaktor kontrollimatu neutronvoo, mis nõrgendab enamiku reaktori materjalide tugevusomadusi. Seega oleks vool sarnane termotuumaseadmetes vabanevate osakeste vooluga. See omakorda eeldaks selliste materjalide kasutamist, mis on sarnased tuumasünteesi kiiritusrajatise rakendamise rahvusvahelise projektiga.
• Gaasifaasi elektromagnetiline reaktor. Sama nagu gaasifaasi reaktor, kuid fotogalvaaniliste elementidega, mis muudavad ultraviolettvalguse otse elektriks.
• Killustumisel põhinev reaktor
• Hübriidne tuumasünteesi. Kasutatakse neutroneid, mis eralduvad algse ehk "paljunemistsoonis oleva aine" ühinemisel ja lagunemisel. Näiteks U-238, Th-232 või kasutatud tuumkütuse/radioaktiivsete jäätmete transmuteerimine teisest reaktorist suhteliselt healoomulisemateks isotoopideks.

Aktiivses tsoonis gaasifaasiga reaktor. Suletud ahelaga variant tuumajõul töötava raketi jaoks, kus lõhustuvaks materjaliks on kvartsnõus paiknev gaasiline uraanheksafluoriid. Töögaas (näiteks vesinik) voolab selle anuma ümber ja neelab tuumareaktsioonist tuleneva ultraviolettkiirguse. Sellist disaini võiks kasutada rakettmootorina, nagu mainiti Harry Harrisoni 1976. aasta ulmeromaanis Skyfall. Teoreetiliselt tooks uraanheksafluoriidi kasutamine tuumkütusena (mitte vaheainena, nagu praegu tehakse) kaasa madalamad energiatootmiskulud ning ka reaktorite mõõtmete vähenemine. Praktikas tekitaks nii suure võimsustihedusega töötav reaktor kontrollimatu neutronvoo, mis nõrgendab enamiku reaktori materjalide tugevusomadusi. Seega oleks vool sarnane termotuumaseadmetes vabanevate osakeste vooluga. See omakorda eeldaks selliste materjalide kasutamist, mis on sarnased tuumasünteesi kiiritusrajatise rakendamise rahvusvahelise projektiga.

Gaasifaasi elektromagnetiline reaktor. Sarnaselt gaasifaasi reaktoriga, kuid fotogalvaaniliste elementidega, mis muudavad ultraviolettvalguse otse elektriks.

Killustumisel põhinev reaktor

Hübriidne tuumasünteesi. Kasutatakse neutroneid, mis eralduvad algse ehk "paljunemistsoonis oleva aine" ühinemisel ja lagunemisel. Näiteks U-238, Th-232 või kasutatud tuumkütuse/radioaktiivsete jäätmete transmuteerimine teisest reaktorist suhteliselt healoomulisemateks isotoopideks.

Termotuumareaktorid

Kontrollitud termotuumasünteesi saab kasutada termotuumasünteesielektrijaamades elektri tootmiseks ilma aktiniididega töötamise keerukuseta. Siiski on tõsiseid teaduslikke ja tehnoloogilisi takistusi alles. Ehitatud on mitu termotuumasünteesi reaktorit, kuid alles hiljuti on reaktorid suutnud vabastada rohkem energiat, kui nad tarbivad. Hoolimata asjaolust, et uuringud algasid 1950. aastatel, eeldatakse, et kaubanduslik termotuumasünteesireaktor hakkab tööle alles 2050. aastal. ITERi projekt teeb praegu jõupingutusi termotuumaenergia kasutamiseks.

Tuumakütuse tsükkel

Termilised reaktorid sõltuvad üldiselt uraani puhastamise ja rikastamise astmest. Mõned tuumareaktorid võivad töötada plutooniumi ja uraani seguga (vt MOX-kütust). Protsessi, mille käigus uraanimaaki kaevandatakse, töödeldakse, rikastatakse, kasutatakse, võimalusel taaskasutatakse ja kõrvaldatakse, nimetatakse tuumkütusetsükliks.

Kuni 1% uraanist looduses on kergesti lõhustuv isotoop U-235. Seega hõlmab enamiku reaktorite projekteerimine rikastatud kütuse kasutamist. Rikastamine hõlmab U-235 osakaalu suurendamist ja seda tehakse tavaliselt gaasilise difusiooni abil või gaasitsentrifuugis. Rikastatud toode muudetakse edasi uraandioksiidi pulbriks, mis pressitakse kokku ja põletatakse graanuliteks. Need graanulid asetatakse torudesse, mis seejärel suletakse. Selliseid torusid nimetatakse kütusevarrasteks. Igas tuumareaktoris kasutatakse paljusid neid kütusevardaid.

Enamik kaubanduslikke BWR-id ja PWR-id kasutavad ligikaudu 4% U-235-ni rikastatud uraani. Lisaks ei vaja mõned kõrge neutronite ökonoomsusega tööstusreaktorid üldse rikastatud kütust (st võivad kasutada looduslikku uraani). Rahvusvahelise Aatomienergiaagentuuri andmetel on maailmas vähemalt 100 uurimisreaktorit, mis kasutavad kõrgelt rikastatud kütust (relvade klass / 90% rikastatud uraan). Seda tüüpi kütuse (võimalik kasutada tuumarelvade valmistamisel) varguse oht on viinud kampaaniani, milles kutsutakse üles kasutama madala rikastatud uraanisisaldusega reaktoreid (mis kujutab endast vähem tuumarelva leviku ohtu).

Tuuma muundamisprotsessis kasutatakse lõhustuvat U-235 ja mittelõhustuvat, lõhustuvat U-238. U-235 lõhustuvad termiliste (st aeglaselt liikuvate) neutronitega. Termiline neutron on neutron, mis liigub umbes sama kiirusega kui teda ümbritsevad aatomid. Kuna aatomite vibratsioonisagedus on võrdeline nende absoluutse temperatuuriga, on termilisel neutronil suurem võime U-235 lõhestada, kui see liigub sama vibratsioonikiirusega. Teisest küljest püüab U-238 tõenäolisemalt neutroni kinni, kui neutron liigub väga kiiresti. U-239 aatom laguneb nii kiiresti kui võimalik, moodustades plutoonium-239, mis ise on kütus. Pu-239 on täiskütus ja seda tuleks kaaluda isegi kõrgelt rikastatud uraanikütuse kasutamisel. Plutooniumi lõhustumise protsessid on mõnes reaktoris ülimuslikud U-235 lõhustumise protsesside ees. Eriti pärast seda, kui originaal laaditud U-235 on tühjenenud. Plutoonium lõhustub nii kiir- kui ka termilistes reaktorites, mistõttu sobib see ideaalselt nii tuumareaktorite kui ka tuumapommide jaoks.

Enamik olemasolevaid reaktoreid on termilised reaktorid, mis tavaliselt kasutavad vett neutronite aeglustajana (moderaator tähendab, et see aeglustab neutronit termilise kiiruseni) ja ka jahutusvedelikuna. Kiires neutronreaktoris kasutatakse aga veidi teist tüüpi jahutusvedelikku, mis neutronivoogu liigselt ei aeglusta. See võimaldab ülekaalus olla kiiretel neutronitel, mida saab tõhusalt kasutada kütusevarude pidevaks täiendamiseks. Lihtsalt odava rikastamata uraani asetamisega südamikusse muundub spontaanselt mittelõhustuv U-238 Pu-239-ks, "taastootes" kütust.

Tooriumipõhises kütusetsüklis neelab toorium-232 neutronit nii kiir- kui ka termilistes reaktorites. Tooriumi beeta-lagunemisel tekib protaktiinium-233 ja seejärel uraan-233, mida kasutatakse omakorda kütusena. Seetõttu, nagu uraan-238, on ka toorium-232 viljakas materjal.

Tuumareaktorite hooldus

Tuumakütuse paagis olevat energiahulka väljendatakse sageli "täisvõimsusega päevadena", mis on 24-tunniste perioodide (päevade) arv, mil reaktor töötab täisvõimsusel soojusenergia tootmiseks. Täisvõimsusel töötamise päevad reaktori töötsüklis (tankimiseks vajalike intervallide vahel) on seotud tsükli alguses kütuseagregaatides sisalduva laguneva uraan-235 (U-235) kogusega. Mida suurem on U-235 protsent südamikus tsükli alguses, seda rohkem päevi täisvõimsusel töötamist võimaldab reaktoril töötada.

Töötsükli lõpus "kasutatakse ära", laaditakse maha ja asendatakse uute (värskete) kütusesõlmede kujul. Samuti määrab selline lagunemissaaduste kuhjumise reaktsioon tuumkütusesse tuumkütuse kasutusea reaktoris. Isegi ammu enne lõpliku lõhustumisprotsessi toimumist jõuavad pikaealised neutroneid neelavad lagunemise kõrvalsaadused reaktorisse koguneda, takistades ahelreaktsiooni kulgu. Reaktorisüdamiku osakaal, mis tankimise käigus välja vahetatakse, on tavaliselt veerand keevaveereaktoris ja kolmandik surveveereaktoris. Selle kasutatud tuumkütuse lõppladustamine ja ladustamine on üks keerulisemaid ülesandeid tööstusettevõtte töö korraldamisel tuumaelektrijaam. Sellised tuumajäätmed on äärmiselt radioaktiivsed ja nende mürgisus on olnud oht tuhandeid aastaid.

Kõiki reaktoreid ei pea tankimiseks kasutusest kõrvaldama; näiteks sfäärilise kihiga tuumareaktorid, RBMK (high power channel Reactor), sulasoola reaktorid, Magnox-, AGR- ja CANDU reaktorid võimaldavad kütuseelemente liigutada jaama töötamise ajal. CANDU reaktoris on võimalik üksikuid kütuseelemente paigutada südamikusse selliselt, et reguleerida U-235 sisaldust kütuseelemendis.

Tuumkütusest eraldatud energiahulka nimetatakse selle põlemiseks, mida väljendatakse soojusenergiana, mis tekib kütuse algühiku massiga. Põlemist väljendatakse tavaliselt termiliste megavatt-päevadena algse raskemetalli tonni kohta.

Tuumaenergia ohutus

Tuumaohutus on tegevused, mille eesmärk on ennetada tuuma- ja kiirgusõnnetusi või lokaliseerida nende tagajärgi. Tuumaenergiatööstus on parandanud reaktorite ohutust ja jõudlust ning on välja pakkunud ka uusi, ohutumaid reaktorikonstruktsioone (mida üldiselt ei ole katsetatud). Siiski ei ole mingit garantiid, et sellised reaktorid on projekteeritud, ehitatud ja töökindlad. Vead tekivad siis, kui Jaapanis asuva Fukushima tuumaelektrijaama reaktorite projekteerijad ei oodanud, et maavärina tekitatud tsunami lülitab välja varusüsteemi, mis pidi pärast maavärinat reaktorit stabiliseerima, vaatamata NRG (rahvusliku riigi) arvukatele hoiatustele. uurimisrühm) ja Jaapani tuumaohutuse amet. UBS AG sõnul seavad Fukushima I tuumaõnnetused kahtluse alla, kas isegi arenenud majandused nagu Jaapan suudavad pakkuda tuumaohutus. Võimalikud on ka katastroofilised stsenaariumid, sealhulgas terrorirünnakud. MIT-i (Massachusettsi Tehnoloogiainstituut) interdistsiplinaarne meeskond on välja arvutanud, et tuumaenergia eeldatavat kasvu arvestades võib ajavahemikul 2005–2055 oodata vähemalt nelja tõsist tuumaõnnetust.

Tuuma- ja kiirgusõnnetused

Mõned juhtunud tõsised tuuma- ja kiirgusõnnetused. Tuumaelektrijaama õnnetuste hulka kuuluvad SL-1 intsident (1961), Three Mile Islandi õnnetus (1979), Tšernobõli katastroof(1986) ja ka tuumakatastroof Fukushima Daichi (2011). Tuumajõul töötavate õnnetuste hulka kuuluvad K-19 (1961), K-27 (1968) ja K-431 (1985) reaktoriõnnetused.

Tuumareaktoreid on Maa ümber orbiidile saadetud vähemalt 34 korda. Nõukogude tuumajõul töötava mehitamata satelliidiga RORSAT seotud intsidentide jada tõi kaasa kasutatud tuumkütuse tungimise orbiidilt Maa atmosfääri.

looduslikud tuumareaktorid

Kuigi sageli arvatakse, et tuuma lõhustumise reaktorid on toodetud moodne tehnoloogia, on esimesed tuumareaktorid saadaval looduslikes tingimustes. Loodusliku tuumareaktori saab moodustada teatud tingimustel, simuleerides tingimusi projekteeritud reaktoris. Seni on Gabonis (Lääne-Aafrika) Oklo uraanikaevanduses kolmes eraldi maagimaardlas avastatud kuni viisteist looduslikku tuumareaktorit. Tuntud "surnud" Ocllo reaktorid avastas esmakordselt 1972. aastal prantsuse füüsik Francis Perrin. Nendes reaktorites toimus umbes 1,5 miljardit aastat tagasi isemajandav tuuma lõhustumise reaktsioon, mida hoiti mitusada tuhat aastat, andes sel perioodil keskmiselt 100 kW võimsust. Loodusliku tuumareaktori kontseptsiooni selgitas teoorias juba 1956. aastal Paul Kuroda Arkansase ülikoolist.

Selliseid reaktoreid ei saa enam Maal moodustada: radioaktiivne lagunemine selle tohutu aja jooksul vähendas U-235 osa looduslikus uraanis allapoole ahelreaktsiooni säilitamiseks vajalikku taset.

Looduslikud tuumareaktorid tekkisid siis, kui uraanirikaste maavarade maardlad hakkasid täituma põhjavesi, mis toimis neutronite moderaatorina ja olulise ahelreaktsiooni algusena. Neutroni moderaator vee kujul aurustus, mille tulemusena reaktsioon kiirenes, ja seejärel kondenseerus tagasi, mille tulemuseks oli tuumareaktsiooni aeglustumine ja sulamise vältimine. Lõhustumisreaktsioon kestis sadu tuhandeid aastaid.

Selliseid looduslikke reaktoreid on põhjalikult uurinud teadlased, kes on huvitatud radioaktiivsete jäätmete kõrvaldamisest geoloogilises keskkonnas. Nad pakuvad välja juhtumiuuringu selle kohta, kuidas radioaktiivsed isotoobid läbi maakoore rändaksid. seda võtmehetk geoloogilises keskkonnas jäätmete kõrvaldamise kriitikutele, kes kardavad, et jäätmetes sisalduvad isotoobid võivad sattuda veevarudesse või migreeruda keskkonda.

Tuumaenergia keskkonnaprobleemid

Tuumareaktor eraldab õhku ja põhjavette väikeses koguses triitiumi Sr-90. Triitiumiga saastunud vesi on värvitu ja lõhnatu. Suured Sr-90 annused suurendavad loomadel ja arvatavasti ka inimestel luuvähi ja leukeemia riski.