Ensimmäisen ydinreaktorin rakentaminen. Ydinvoimala: miten se toimii

Ydinvoiman tuotanto on nykyaikainen ja nopeasti kehittyvä sähköntuotantotapa. Tiedätkö kuinka ydinvoimalat toimivat? Mikä on ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate? Millaisia ydinreaktoreita on nykyään olemassa? Yritämme pohtia yksityiskohtaisesti ydinvoimalaitoksen toimintasuunnitelmaa, syventyä ydinreaktorin rakenteeseen ja selvittää, kuinka turvallinen ydinvoiman sähköntuotantomenetelmä on.

Mikä tahansa asema on suljettu alue kaukana asuinalueesta. Sen alueella on useita rakennuksia. Tärkein rakennelma on reaktorirakennus, jonka vieressä on turbiinihuone, josta reaktoria ohjataan, sekä turvallisuusrakennus.

Järjestelmä on mahdoton ilman ydinreaktoria. Atomi (ydin)reaktori on ydinvoimalaitoslaite, joka on suunniteltu järjestämään neutronifission ketjureaktio pakollisella energian vapautumisella tämän prosessin aikana. Mutta mikä on ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate?

Koko reaktorilaitos sijaitsee reaktorirakennuksessa, suuressa betonitornissa, joka piilottaa reaktorin ja sisältää kaikki tuotteet onnettomuuden sattuessa ydinreaktio. Tätä suurta tornia kutsutaan suojarakennukseksi, hermeettiseksi kuoreksi tai suojavyöhykkeeksi.

Uusien reaktoreiden hermeettisellä vyöhykkeellä on 2 paksua betoniseinämää - vaippaa.
80 cm paksu ulkokuori suojaa suojavyöhykettä ulkoisilta vaikutuksilta.

1 metri 20 cm paksussa sisäkuoressa on erikoisteräsvaijerit, jotka lisäävät betonin lujuutta lähes kolminkertaisesti ja estävät rakennetta murenemasta. Sisäpuolelta se on vuorattu ohuella erikoisteräslevyllä, joka on suunniteltu toimimaan suojarakennuksen lisäsuojana ja onnettomuuden sattuessa olemaan vapauttamatta reaktorin sisältöä suojarakennuksen ulkopuolelle.

Tämä ydinvoimalan rakenne mahdollistaa sen, että se kestää jopa 200 tonnia painavan lento-onnettomuuden, magnitudin 8 maanjäristyksen, tornadon ja tsunamin.

Ensimmäinen sinetöity kuori rakennettiin amerikkalaiselle Connecticut Yankee -ydinvoimalaitokselle vuonna 1968.

Suojavyöhykkeen kokonaiskorkeus on 50-60 metriä.

Mistä ydinreaktori koostuu?

Ydinreaktorin toimintaperiaatteen ja siten ydinvoimalaitoksen toimintaperiaatteen ymmärtämiseksi sinun on ymmärrettävä reaktorin komponentit.

Aktiivinen vyöhyke. Tämä on alue, johon ydinpolttoaine (polttoainegeneraattori) ja moderaattori sijoitetaan. Polttoaineatomit (useimmiten uraani on polttoaine) käyvät läpi ketjufissioreaktion. Moderaattori on suunniteltu ohjaamaan fissioprosessia ja mahdollistaa vaaditun reaktion nopeuden ja voimakkuuden suhteen.
Neutroniheijastin. Ytimen ympärillä on heijastin. Se koostuu samasta materiaalista kuin moderaattori. Pohjimmiltaan tämä on laatikko, jonka päätarkoituksena on estää neutronien poistuminen ytimestä ja pääsy ympäristöön.
Jäähdytysneste. Jäähdytysnesteen tulee ottaa vastaan polttoaineatomien fission aikana vapautuva lämpö ja siirtää se muihin aineisiin. Jäähdytysneste määrää suurelta osin sen, miten ydinvoimala suunnitellaan. Nykyään suosituin jäähdytysneste on vesi.
Reaktorin ohjausjärjestelmä. Anturit ja mekanismit, jotka syöttävät ydinvoimalan reaktoria.

Polttoaine ydinvoimaloihin

Millä ydinvoimalaitos toimii? Ydinvoimalaitosten polttoaineet ovat kemiallisia alkuaineita, joilla on radioaktiiviset ominaisuudet. Kaikilla ydinvoimalaitoksilla tämä alkuaine on uraani.

Asemien suunnittelu tarkoittaa, että ydinvoimalaitokset toimivat monimutkaisella komposiittipolttoaineella, eivät puhtaalla kemiallinen alkuaine. Ja uraanipolttoaineen uuttamiseksi luonnonuraanista, joka ladataan ydinreaktoriin, on suoritettava monia manipulaatioita.

Rikastettu uraani

Uraani koostuu kahdesta isotoopista, eli se sisältää ytimiä, joilla on eri massat. Ne nimettiin protonien ja neutronien lukumäärän mukaan isotooppi -235 ja isotooppi-238. 1900-luvun tutkijat alkoivat erottaa malmista uraani 235:tä, koska... se oli helpompi hajottaa ja muuttaa. Kävi ilmi, että tällaista uraania luonnossa on vain 0,7% (loppu prosenttiosuus menee 238. isotooppiin).

Mitä tehdä tässä tapauksessa? He päättivät rikastaa uraania. Uraanin rikastus on prosessi, jossa siihen jää paljon tarvittavia 235x isotooppeja ja vähän tarpeettomia 238x isotooppeja. Uraanin rikastajien tehtävänä on muuttaa 0,7 % lähes 100 % uraani-235:ksi.

Uraania voidaan rikastaa kahdella tekniikalla: kaasudiffuusio tai kaasusentrifugi. Niiden käyttöä varten malmista uutettu uraani muunnetaan kaasumaiseen tilaan. Se on rikastettu kaasun muodossa.

Uraanijauhe

Rikastettu uraanikaasu muunnetaan kiinteäksi olomuodoksi - uraanidioksidiksi. Tämä puhdas kiinteä uraani 235 näkyy suurina valkoisina kiteinä, jotka myöhemmin murskataan uraanijauheeksi.

Uraani tabletit

Uraanitabletit ovat kiinteitä metallilevyjä, joiden pituus on pari senttimetriä. Tällaisten tablettien muodostamiseksi uraanijauheesta se sekoitetaan aineen - pehmittimen kanssa; se parantaa tablettien puristamisen laatua.

Puristettuja kiekkoja paistetaan 1200 celsiusasteen lämpötilassa yli vuorokauden, jotta tabletit kestävät erityistä vahvuutta ja kestävyyttä korkeita lämpötiloja vastaan. Ydinvoimalaitoksen toiminta riippuu suoraan siitä, kuinka hyvin uraanipolttoaine puristetaan ja paistetaan.

Tabletit paistetaan molybdeenilaatikoissa, koska vain tämä metalli ei pysty sulamaan "helvetissä" yli puolentoista tuhannen asteen lämpötiloissa. Tämän jälkeen ydinvoimalaitosten uraanipolttoaine katsotaan valmiiksi.

Mitä ovat TVEL ja FA?

Reaktorin sydän näyttää valtavalta levyltä tai putkelta, jonka seinissä on reikiä (reaktorin tyypistä riippuen), 5 kertaa suurempi kuin ihmiskeho. Nämä reiät sisältävät uraanipolttoainetta, jonka atomit suorittavat halutun reaktion.

On mahdotonta heittää polttoainetta reaktoriin, ellei halua aiheuttaa koko aseman räjähdystä ja onnettomuutta, jolla on seurauksia parille lähivaltiolle. Siksi uraanipolttoaine sijoitetaan polttoainesauvoihin ja kerätään sitten polttoainenippuihin. Mitä nämä lyhenteet tarkoittavat?

TVEL – polttoaine-elementti (ei pidä sekoittaa samaan nimeen venäläinen yritys, joka tuottaa niitä). Se on pohjimmiltaan ohut ja pitkä zirkoniumputki, joka on valmistettu zirkoniumseoksista, johon laitetaan uraanitabletteja. Polttoainesauvoissa uraaniatomit alkavat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa vapauttaen lämpöä reaktion aikana.

Zirkonium valittiin materiaaliksi polttoainesauvojen valmistukseen sen tulenkestävyyden ja korroosionesto-ominaisuuksien vuoksi.

Polttoainesauvojen tyyppi riippuu reaktorin tyypistä ja rakenteesta. Polttoainesauvojen rakenne ja käyttötarkoitus eivät pääsääntöisesti muutu, putken pituus ja leveys voivat olla erilaisia.

Kone lataa yli 200 uraanipellettiä yhteen zirkoniumputkeen. Kaikkiaan reaktorissa työskentelee samanaikaisesti noin 10 miljoonaa uraanipellettiä.
FA – polttoainenippu. Ydinvoimalaitoksen työntekijät kutsuvat polttoainenippuja nipuiksi.

Pohjimmiltaan nämä ovat useita polttoainesauvoja kiinnitettyinä. FA on valmis ydinpolttoaine, jolla ydinvoimalaitos toimii. Ydinreaktoriin ladataan polttoainenippuja. Yhdessä reaktorissa on noin 150 – 400 polttoainenippua.
Riippuen reaktorista, jossa polttoaineniput toimivat, ne voivat olla erilaisia muotoja. Joskus niput taitetaan kuutioiksi, joskus lieriömäisiksi, joskus kuusikulmioiksi.

Yksi polttoainenippu neljän käyttövuoden aikana tuottaa saman määrän energiaa kuin poltettaessa 670 vaunua hiiltä, 730 säiliötä maakaasu tai 900 säiliötä täynnä öljyä.
Nykyään polttoainenippuja valmistetaan pääasiassa Venäjän, Ranskan, Yhdysvaltojen ja Japanin tehtailla.

Ydinvoimalaitosten polttoaineen toimittamiseksi muihin maihin polttoainenippuja suljetaan pitkiin ja leveisiin metalliputkiin, putkista pumpataan ilmaa ja erikoiskoneita toimitettu rahtikoneiden kyytiin.

Ydinvoimalaitosten ydinpolttoaine painaa kohtuuttoman paljon, koska... uraani on yksi planeetan raskaimmista metalleista. Hänen tietty painovoima 2,5 kertaa enemmän kuin teräs.

Ydinvoimalaitos: toimintaperiaate

Mikä on ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate? Ydinvoimalaitosten toimintaperiaate perustuu radioaktiivisen aineen - uraanin - atomien fission ketjureaktioon. Tämä reaktio tapahtuu ydinreaktorin sydämessä.

ON TÄRKEÄÄ TIETÄÄ:

Menemättä ydinfysiikan monimutkaisuuteen, ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate näyttää tältä:
Ydinreaktorin käynnistyksen jälkeen polttoainesauvoista poistetaan absorbointisauvat, jotka estävät uraanin reagoimasta.

Kun sauvat on poistettu, uraanineutronit alkavat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.

Kun neutronit törmäävät, tapahtuu miniräjähdys atomitasolla, energiaa vapautuu ja uusia neutroneja syntyy, asioita alkaa tapahtua ketjureaktio. Tämä prosessi tuottaa lämpöä.

Lämpö siirtyy jäähdytysnesteeseen. Jäähdytysnesteen tyypistä riippuen se muuttuu höyryksi tai kaasuksi, joka pyörittää turbiinia.

Turbiini käyttää sähkögeneraattoria. Hän itse asiassa tuottaa sähkövirran.

Jos prosessia ei valvota, uraanineutronit voivat törmätä toisiinsa, kunnes ne räjäyttävät reaktorin ja rikkovat koko ydinvoimalan paloiksi. Prosessia ohjataan tietokoneantureilla. Ne havaitsevat lämpötilan nousun tai paineen muutoksen reaktorissa ja voivat pysäyttää reaktiot automaattisesti.

Miten ydinvoimalaitosten toimintaperiaate eroaa lämpövoimalaitoksista (lämpövoimalaitoksista)?

Työssä on eroja vasta alkuvaiheessa. Ydinvoimalaitoksessa jäähdytysneste saa lämpöä uraanipolttoaineen atomien fissiosta, lämpövoimalaitoksessa jäähdytysneste saa lämpöä orgaanisen polttoaineen (hiilen, kaasun tai öljyn) palamisesta. Sen jälkeen kun joko uraaniatomit tai kaasu ja hiile ovat vapauttaneet lämpöä, ydinvoimalaitosten ja lämpövoimalaitosten toimintakaaviot ovat samat.

Ydinreaktorien tyypit

Ydinvoimalaitoksen toiminta riippuu siitä, kuinka sen ydinreaktori toimii. Nykyään on olemassa kaksi päätyyppiä reaktoreita, jotka luokitellaan neuronien spektrin mukaan:
Hidas neutronireaktori, jota kutsutaan myös lämpöreaktoriksi.

Sen toimintaan käytetään uraani 235, joka käy läpi rikastusvaiheet, uraanipellettien valmistamisen jne. Nykyään suurin osa reaktoreista käyttää hitaita neutroneja.
Nopea neutronireaktori.

Nämä reaktorit ovat tulevaisuutta, koska... He työskentelevät uraani-238:lla, joka on tusina luonteeltaan penniäkään, eikä tätä alkuainetta tarvitse rikastaa. Tällaisten reaktorien ainoa haittapuoli on erittäin korkeat suunnittelu-, rakentamis- ja käynnistyskustannukset. Nykyään nopeat neutronireaktorit toimivat vain Venäjällä.

Nopeiden neutronireaktorien jäähdytysaine on elohopeaa, kaasua, natriumia tai lyijyä.

Hitaita neutronireaktoreita, joita kaikki maailman ydinvoimalat käyttävät nykyään, on myös useita tyyppejä.

Organisaatio IAEA (kansainvälinen virasto ydinenergia) on luonut oman luokituksensa, jota käytetään eniten maailman ydinenergiateollisuudessa. Koska ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate riippuu pitkälti jäähdytysaineen ja hidastimen valinnasta, IAEA perusti luokittelunsa näihin eroihin.

Kemiallisesta näkökulmasta deuteriumoksidi on ihanteellinen hidastin ja jäähdytysneste, koska sen atomit ovat tehokkaimmin vuorovaikutuksessa uraanin neutronien kanssa verrattuna muihin aineisiin. Yksinkertaisesti sanottuna raskas vesi suorittaa tehtävänsä minimaalisilla häviöillä ja maksimaalisilla tuloksilla. Sen valmistus kuitenkin maksaa rahaa, kun taas tavallista "kevyt" ja tuttua vettä on paljon helpompi käyttää.

Muutama fakta ydinreaktoreista...

On mielenkiintoista, että yhden ydinvoimalaitoksen reaktorin rakentaminen kestää vähintään 3 vuotta!
Reaktorin rakentamiseen tarvitaan laitteita, jotka toimivat 210 kiloampeerin sähkövirralla, mikä on miljoona kertaa suurempi kuin ihmisen tappava virta.

Ydinreaktorin yksi kuori (rakenneelementti) painaa 150 tonnia. Yhdessä reaktorissa on 6 tällaista elementtiä.

Painevesireaktori

Olemme jo selvittäneet, miten ydinvoimalaitos toimii yleisesti, katsotaanpa, miten suosituin painevesiydinreaktori toimii, jotta kaikki saadaan perspektiiviin.
Nykyään kaikkialla maailmassa käytetään 3+ sukupolven painevesireaktoreita. Niitä pidetään luotettavimpana ja turvallisimpana.

Kaikki maailman painevesireaktorit ovat kaikkien toimintavuosiensa aikana keränneet jo yli 1000 vuotta ongelmatonta toimintaa, eivätkä ne ole koskaan antaneet vakavia poikkeamia.

Painevesireaktoreita käyttävien ydinvoimalaitosten rakenne tarkoittaa, että polttoainesauvojen välissä kiertää 320 asteeseen kuumennettua tislattua vettä. Jotta se ei menisi höyrytilaan, se pidetään 160 ilmakehän paineessa. Ydinvoimalaitoskaaviossa sitä kutsutaan primääripiirin vedeksi.

Lämmitetty vesi tulee höyrynkehittimeen ja luovuttaa lämpönsä toisiopiirin vedelle, jonka jälkeen se "palaa" uudelleen reaktoriin. Ulkoisesti näyttää siltä, että ensimmäisen piirin vesiputket ovat kosketuksissa muihin putkiin - toisen piirin vesi, ne siirtävät lämpöä toisilleen, mutta vedet eivät joudu kosketuksiin. Putket ovat kosketuksissa.

Siten säteilyn mahdollisuus päästä toisiopiirin veteen, joka osallistuu edelleen sähköntuotantoprosessiin, on suljettu pois.

Ydinvoimalaitoksen käyttöturvallisuus

Ydinvoimalaitosten toimintaperiaatteen oppimisen jälkeen meidän on ymmärrettävä, miten turvallisuus toimii. Ydinvoimalaitosten rakentaminen vaatii nykyään entistä enemmän turvallisuusmääräyksiä.
Ydinvoimalaitosten turvallisuuskustannukset muodostavat noin 40 % itse laitoksen kokonaiskustannuksista.

Ydinvoimalaitospiiri sisältää 4 fyysistä estettä, jotka estävät ulospääsyn radioaktiiviset aineet. Mitä näiden esteiden pitäisi tehdä? Pystyy sopivalla hetkellä pysäyttämään ydinreaktio, varmistamaan jatkuva lämmönpoisto sydämestä ja itse reaktorista sekä estämään radionuklidien vapautuminen suojarakennuksen (hermeettisen vyöhykkeen) ulkopuolelle.

Ensimmäinen este on uraanipellettien lujuus. On tärkeää, että ne eivät tuhoudu ydinreaktorin korkeissa lämpötiloissa. Suuri osa ydinvoimalaitoksen toiminnasta riippuu siitä, kuinka uraanipelletit "paistetaan" valmistusvaiheessa. Jos uraanipolttoainepellettejä ei paisteta oikein, uraaniatomien reaktiot reaktorissa ovat arvaamattomia.
Toinen este on polttoainesauvojen tiiviys. Zirkoniumputket on suljettava tiiviisti, jos tiiviste rikkoutuu, niin parhaimmillaan reaktori vaurioituu ja työ pysähtyy, pahimmillaan kaikki lentää ilmaan.
Kolmas este on kestävä teräksinen reaktoriastia a, (sama suuri torni - hermeettinen vyöhyke), joka "pitää" kaikki radioaktiiviset prosessit. Jos kotelo vaurioituu, säteilyä pääsee ilmakehään.
Neljäs este on hätäsuojatangot. Hidastimella varustetut sauvat ripustetaan ytimen yläpuolelle magneeteilla, jotka voivat absorboida kaikki neutronit kahdessa sekunnissa ja pysäyttää ketjureaktion.

Jos reaktorisydämen jäähdyttäminen ei onnistu reaktorisydämen oikeaan aikaan, ja polttoaineen lämpötila kohoaa 2600 asteeseen, monin suojausasteisen ydinvoimalaitoksen suunnittelusta huolimatta tulee turvajärjestelmän viimeinen toivo. - niin sanottu sulaloukku.

Tosiasia on, että tässä lämpötilassa reaktoriastian pohja sulaa ja kaikki ydinpolttoaineen jäännökset ja sulat rakenteet virtaavat erityiseen "lasiin", joka on ripustettu reaktorin sydämen yläpuolelle.

Sulatoluukku on jäähdytetty ja tulenkestävä. Se on täytetty niin kutsutulla "uhrimateriaalilla", joka asteittain pysäyttää fissioketjureaktion.

Siten ydinvoimalaitoksen suunnittelu edellyttää useita suojausasteita, jotka eliminoivat lähes täysin onnettomuuden mahdollisuuden.

: ... aika banaalia, mutta siltikään en ole löytänyt tietoa sulavassa muodossa - miten ydinreaktori ALKOA toimia. Kaikki työn periaatteesta ja rakenteesta on pureskeltu jo yli 300 kertaa ja on selvää, mutta näin polttoaine saadaan ja mistä ja miksi se ei ole niin vaarallista ennen kuin se on reaktorissa ja miksi se ei reagoi ennen kuin se on upotettuna reaktoriin! - loppujen lopuksi se lämpenee vain sisällä, kuitenkin ennen lataamista polttoaine on kylmää ja kaikki on hyvin, joten se, mikä aiheuttaa elementtien kuumenemisen, ei ole täysin selvää, miten ne vaikuttavat ja niin edelleen, mieluiten ei tieteellisesti).

Sellaista aihetta on tietysti vaikea muotoilla ei-tieteellisellä tavalla, mutta yritän. Selvitetään ensin, mitä nämä polttoainesauvat ovat.

Ydinpolttoaine on musta tabletti, jonka halkaisija on noin 1 cm ja korkeus noin 1,5 cm. Ne sisältävät 2 % uraanidioksidia 235 ja 98 % uraania 238, 236, 239. Kaikissa tapauksissa millä tahansa määrällä ydinpolttoainetta ydinräjähdys ei voi kehittyä, koska lumivyörymäiseen nopeaan fissioreaktioon, joka on ominaista ydinräjähdukselle, vaaditaan yli 60 % uraani 235:n pitoisuus.

Kaksisataa ydinpolttoainepellettiä ladataan zirkoniummetallista valmistettuun putkeen. Tämän putken pituus on 3,5 m. halkaisija 1,35 cm Tätä putkea kutsutaan polttoaine-elementiksi - polttoaine-elementiksi. 36 polttoainesauvaa kootaan kasetiksi (toinen nimi on "kokoonpano").

RBMK-reaktorin polttoaine-elementin rakenne: 1 - tulppa; 2 - uraanidioksiditabletit; 3 - zirkoniumkuori; 4 - jousi; 5 - holkki; 6 - kärki.

Aineen muuntumiseen liittyy vapaan energian vapautuminen vain, jos aineella on energiavarasto. Jälkimmäinen tarkoittaa, että aineen mikrohiukkaset ovat tilassa, jossa lepoenergia on suurempi kuin toisessa mahdollisessa tilassa, johon siirtymä on olemassa. Spontaani siirtymä estetään aina energiaesteellä, jonka ylittämiseksi mikrohiukkasen on saatava tietty määrä energiaa ulkopuolelta - viritysenergiaa. Eksoenergeettinen reaktio koostuu siitä, että virityksen jälkeisessä muutoksessa vapautuu enemmän energiaa kuin prosessin virittäminen vaatii. Energiaesteen voittamiseksi on kaksi tapaa: joko törmäävien hiukkasten kineettisen energian vuoksi tai yhdistävän hiukkasen sitoutumisenergian ansiosta.

Jos pidämme mielessä energian vapautumisen makroskooppisen mittakaavan, niin kaikilla tai aluksi ainakin joillakin aineen hiukkasosilla on oltava reaktioiden herättämiseen tarvittava kineettinen energia. Tämä on saavutettavissa vain nostamalla väliaineen lämpötilaa arvoon, jossa energia lämpöliike lähestyy energiakynnystä rajoittaen prosessin kulkua. Molekyylimuunnosten tapauksessa eli kemialliset reaktiot, tällainen nousu on yleensä satoja Kelvin-asteita, mutta ydinreaktioissa se on vähintään 107 K johtuen törmäävien ytimien Coulombin esteiden erittäin korkeasta korkeudesta. Ydinreaktioiden lämpöviritys suoritetaan käytännössä vain kevyimpien ytimien synteesin aikana, jossa Coulombin esteet ovat minimaaliset (termonukleaarinen fuusio).

Hiukkasten yhdistäminen ei vaadi suurta kineettistä energiaa, eikä se siksi riipu väliaineen lämpötilasta, koska se tapahtuu käyttämättömien sidosten vuoksi, jotka ovat luontaisia hiukkasten vetovoimille. Mutta reaktioiden herättämiseksi itse hiukkaset ovat välttämättömiä. Ja jos emme tarkoita jälleen erillistä reaktiotoimintaa, vaan energian tuotantoa makroskooppisessa mittakaavassa, niin tämä on mahdollista vain ketjureaktion tapahtuessa. Jälkimmäinen tapahtuu, kun reaktiota kiihottavat hiukkaset ilmestyvät uudelleen eksoenergeettisen reaktion tuotteina.

Ydinreaktorin ohjaamiseen ja suojaamiseen käytetään säätösauvoja, joita voidaan liikuttaa sydämen koko korkeudelta. Tangot on valmistettu aineista, jotka absorboivat voimakkaasti neutroneja - esimerkiksi boorista tai kadmiumista. Kun sauvat työnnetään sisään syvälle, ketjureaktio tulee mahdottomaksi, koska neutronit absorboituvat voimakkaasti ja poistuvat reaktioalueelta.

Tangot siirretään etänä ohjauspaneelista. Ketjuprosessi joko kehittyy tai haalistuu sauvojen kevyellä liikkeellä. Tällä tavalla reaktorin tehoa säädetään.

Leningradin ydinvoimalaitos, RBMK-reaktori

Reaktorin toiminnan aloitus:

Ensimmäisellä polttoainelatauksen jälkeisellä ajanhetkellä reaktorissa ei tapahdu fissioketjureaktiota, reaktori on alikriittisessä tilassa. Jäähdytysnesteen lämpötila on huomattavasti alhaisempi kuin käyttölämpötila.

Kuten olemme täällä jo maininneet, ketjureaktion alkamiseksi halkeamiskelpoisen materiaalin tulee muodostaa kriittinen massa - riittävä määrä spontaanisti fissoituvaa ainetta riittävän pienessä tilassa, ehto, jossa ydinfission aikana vapautuvien neutronien lukumäärän on oltava lisää numeroa absorboituneita neutroneja. Tämä voidaan tehdä lisäämällä uraani-235-pitoisuutta (latattujen polttoainesauvojen määrää) tai hidastamalla neutronien nopeutta, jotta ne eivät lennä uraani-235-ytimien ohi.

Reaktori saatetaan virtaan useassa vaiheessa. Reaktiivisuussäätimien avulla reaktori siirretään ylikriittiseen tilaan Kef>1 ja reaktorin teho nousee tasolle 1-2 % nimellisarvosta. Tässä vaiheessa reaktori lämmitetään jäähdytysnesteen toimintaparametreihin ja lämmitysnopeus on rajoitettu. Lämmitysprosessin aikana säätimet pitävät tehon tasaisena. Sitten kiertovesipumput käynnistetään ja lämmönpoistojärjestelmä otetaan käyttöön. Tämän jälkeen reaktorin tehoa voidaan nostaa mille tahansa tasolle välillä 2 - 100 % nimellistehosta.

Reaktorin lämmetessä reaktiivisuus muuttuu sydänmateriaalien lämpötilan ja tiheyden muutosten vuoksi. Joskus lämmityksen aikana sydämen ja sydämestä sisään tulevien tai sieltä poistuvien ohjauselementtien suhteellinen asema muuttuu, mikä aiheuttaa reaktiivisuusvaikutuksen ohjauselementtien aktiivisen liikkeen puuttuessa.

Säätö kiinteillä, liikkuvilla imukykyisillä elementeillä

Reaktiivisuuden nopeaan muuttamiseen useimmissa tapauksissa käytetään kiinteitä liikkuvia absorboijia. RBMK-reaktorissa säätösauvat sisältävät boorikarbidiholkkeja, jotka on suljettu alumiiniseosputkeen, jonka halkaisija on 50 tai 70 mm. Jokainen säätösauva sijoitetaan erilliseen kanavaan ja jäähdytetään vedellä ohjaus- ja suojajärjestelmän (ohjaus- ja suojajärjestelmä) piiristä klo. keskilämpötila 50 °C. Tarkoituksensa mukaan tangot on jaettu AZ (hätäsuojaus) tankoiksi, joita on RBMK:ssa 24 kpl. Automaattiset säätötangot - 12 kpl, paikalliset automaattiset säätötangot - 12 kpl, manuaaliset säätötangot - 131 ja 32 lyhennettyä vaimennustankoa (USP). Vapoja on yhteensä 211 kappaletta. Lisäksi lyhennetyt tangot työnnetään ytimeen alhaalta, loput ylhäältä.

VVER 1000 reaktori 1 - ohjausjärjestelmän käyttö; 2 - reaktorin kansi; 3 - reaktorin runko; 4 - suojaputkien lohko (BZT); 5 - akseli; 6 - ydinkotelo; 7 - polttoaineniput (FA) ja ohjaussauvat;

Palavat absorboivat elementit.

Ylimääräisen reaktiivisuuden kompensoimiseksi tuoreen polttoaineen lataamisen jälkeen käytetään usein palavia vaimentimia. Sen toimintaperiaate on, että ne, kuten polttoaine, neutronin vangitsemisen jälkeen lakkaavat absorboimasta neutroneja (palavat pois). Lisäksi absorptioytimien neutronien absorptiosta johtuva vähenemisnopeus on pienempi tai yhtä suuri kuin polttoaineytimien fissiosta johtuva laskunopeus. Jos lataamme reaktorisydämeen polttoainetta, joka on suunniteltu toimimaan vuoden ajan, niin on selvää, että halkeamiskelpoisten polttoaineiden ytimien määrä on käytön alussa suurempi kuin lopussa, ja ylimääräinen reaktiivisuus on kompensoitava asettamalla absorboijia. ytimessä. Jos säätösauvoja käytetään tähän tarkoitukseen, meidän on liikutettava niitä jatkuvasti, kun polttoaineytimien lukumäärä vähenee. Palavien vaimentimien käyttö vähentää liikkuvien tankojen käyttöä. Nykyään palavia absorbentteja lisätään usein suoraan polttoainepelletteihin niiden valmistuksen yhteydessä.

Nesteen reaktiivisuuden valvonta.

Tällaista säätöä käytetään erityisesti VVER-tyyppisen reaktorin käytön aikana, jäähdytysnesteeseen syötetään boorihappoa H3BO3, joka sisältää 10B neutroneja absorboivia ytimiä. Muuttamalla boorihapon pitoisuutta jäähdytysnesteen reitillä muutamme siten ytimen reaktiivisuutta. Reaktorin käytön alkuvaiheessa, kun polttoaineytimiä on paljon, happopitoisuus on maksimi. Polttoaineen palaessa happopitoisuus pienenee.

Ketjureaktiomekanismi

Ydinreaktori voi toimia tietyllä teholla pitkään vain, jos sillä on toiminnan alussa reaktiivisuusreservi. Poikkeuksen muodostavat alikriittiset reaktorit, joissa on ulkoinen lämpöneutronien lähde. Sitoutuneen reaktiivisuuden vapautuminen luonnollisista syistä johtuen sen pienentyessä varmistaa reaktorin kriittisen tilan säilymisen sen jokaisella toimintahetkellä. Alkureaktiivisuusreservi muodostetaan rakentamalla sydän, jonka mitat ylittävät merkittävästi kriittiset. Reaktorin ylikriittiseksi muodostumisen estämiseksi vähennetään samalla keinotekoisesti kasvatusalustan k0:aa. Tämä saavutetaan syöttämällä ytimeen neutroneja absorboivia aineita, jotka voidaan myöhemmin poistaa ytimestä. Kuten ketjureaktion säätöelementeissä, imukykyisiä aineita sisältyy poikkileikkaukseltaan poikkileikkaukseltaan vastaavien ytimessä olevien kanavien kautta kulkevien sauvojen materiaaliin. Mutta jos yksi tai kaksi tai useampi sauva riittää säätelyyn, niin alkuperäisen ylireaktiivisuuden kompensoimiseksi sauvojen määrä voi nousta satoihin. Näitä sauvoja kutsutaan tasaussauvoiksi. Säätö- ja tasaussauvat eivät välttämättä ole erilaisia elementtejä suunnittelultaan. Useat tasaussauvat voivat olla säätösauvoja, mutta molempien toiminnot ovat erilaisia. Säätösauvat on suunniteltu ylläpitämään kriittistä tilaa milloin tahansa, pysäyttämään ja käynnistämään reaktorin sekä siirtymään tehotasolta toiselle. Kaikki nämä toiminnot vaativat pieniä muutoksia reaktiivisuuteen. Tasaussauvat poistetaan asteittain reaktorin sydämestä, mikä varmistaa kriittisen tilan koko sen toiminta-ajan.

Joskus säätösauvoja ei ole valmistettu imukykyisistä materiaaleista, vaan halkeamiskelpoisesta materiaalista tai sirontamateriaalista. Lämpöreaktoreissa nämä ovat pääasiassa neutroniabsorboijia, tehokkaita nopeita neutroniabsorbereita ei ole. Absorberit, kuten kadmium, hafnium ja muut, absorboivat voimakkaasti vain lämpöneutroneja johtuen ensimmäisen resonanssin läheisyydestä lämpöalueelle, ja jälkimmäisen ulkopuolella ne eivät eroa muista aineista absorbointiominaisuuksiltaan. Poikkeuksena on boori, jonka neutronien absorptiopoikkileikkaus pienenee energian myötä paljon hitaammin kuin ilmoitettujen aineiden l / v -lain mukaan. Siksi boori absorboi nopeita neutroneja, vaikkakin heikosti, mutta jonkin verran paremmin kuin muut aineet. Nopeiden neutronien reaktorissa absorboiva materiaali voi olla vain boori, mikäli mahdollista rikastettuna 10B-isotoopilla. Nopeiden neutronireaktorien säätösauvoissa käytetään boorin lisäksi halkeamiskelpoisia materiaaleja. Halkeavasta materiaalista valmistettu kompensointisauva suorittaa saman tehtävän kuin neutroneja absorboiva sauva: se lisää reaktorin reaktiivisuutta samalla kun se luonnollisesti laskee. Kuitenkin toisin kuin absorboija, tällainen sauva sijaitsee sydämen ulkopuolella reaktorin toiminnan alussa ja viedään sitten sydämeen.

Nopeissa reaktoreissa käytetyt sirontamateriaalit ovat nikkeliä, jonka sirontapoikkileikkaus nopeille neutroneille on hieman suurempi kuin muiden aineiden poikkileikkaukset. Sirontasauvat sijaitsevat sydämen kehällä ja niiden upottaminen vastaavaan kanavaan aiheuttaa neutronivuodon vähenemisen ytimestä ja sen seurauksena reaktiivisuuden lisääntymistä. Joissakin erikoistapauksissa ketjureaktion hallinnan tarkoitusta palvelevat neutroniheijastimien liikkuvat osat, jotka siirrettäessä muuttavat neutronien vuotoa ytimestä. Ohjaus-, kompensointi- ja hätäsauvat yhdessä kaikkien niiden normaalin toiminnan varmistavien laitteiden kanssa muodostavat reaktorin ohjaus- ja suojausjärjestelmän (CPS).

Hätäsuojaus:

Ydinreaktorin hätäsuojaus on joukko laitteita, jotka on suunniteltu pysäyttämään nopeasti ydinketjureaktio reaktorin sydämessä.

Aktiivinen hätäsuojaus laukeaa automaattisesti, kun jokin ydinreaktorin parametreista saavuttaa arvon, joka voi johtaa onnettomuuteen. Tällaisia parametreja voivat olla: lämpötila, paine ja jäähdytysnesteen virtaus, tehon nousun taso ja nopeus.

Hätäsuojauksen toimeenpanoelementit ovat useimmissa tapauksissa sauvoja, joissa on neutroneja hyvin absorboivaa ainetta (boori tai kadmium). Joskus reaktorin sammuttamiseksi ruiskutetaan nesteen absorboija jäähdytyssilmukkaan.

Lisäksi aktiivinen suojaus, monia nykyaikaisia projekteja sisältää myös elementtejä passiivinen suojaus. Esimerkiksi, modernit vaihtoehdot VVER-reaktoreihin kuuluu "Emergency Core Cooling System" (ECCS) - erikoissäiliöt, joissa on boorihappoa, jotka sijaitsevat reaktorin yläpuolella. Maksimisuunnitteluonnettomuuden sattuessa (reaktorin ensimmäisen jäähdytyspiirin rikkoutuminen) näiden säiliöiden sisältö päätyy painovoiman vaikutuksesta reaktorisydämen sisään ja ydinketjureaktio sammuu suurella määrällä booripitoista ainetta. , joka imee neutroneja hyvin.

Sääntöjen mukaan ydinturvallisuudesta ydinvoimalaitosten reaktorilaitokset”, vähintään yhden toimitetuista reaktorin sammutusjärjestelmistä tulee suorittaa hätäsuojaus (EP). Hätäsuojauksessa on oltava vähintään kaksi itsenäistä työelementtiryhmää. AZ-signaalilla AZ-työosat on aktivoitava kaikista työ- tai väliasennoista.

AZ-laitteiden tulee koostua vähintään kahdesta erillisestä sarjasta.

Jokainen AZ-laitesarja on suunniteltava siten, että suojaus saadaan aikaan vaihteluvälillä neutronivuon tiheyden vaihteluvälillä 7–120 % nimellisarvosta:

1. Neutronivuon tiheydellä - vähintään kolme itsenäistä kanavaa;
2. Neutronivuon tiheyden kasvunopeuden mukaan - vähintään kolme itsenäistä kanavaa.

Jokainen hätäsuojauslaitesarja on suunniteltava siten, että reaktorilaitoksen (RP) suunnittelussa määritellyn teknisten parametrien muutosten koko alueella hätäsuojaus tarjotaan vähintään kolmella itsenäisellä kanavalla kullekin teknologiselle parametrille. joille suoja tarvitaan.

Jokaisen AZ-toimilaitteiden sarjan ohjauskomennot on lähetettävä vähintään kahden kanavan kautta. Kun yksi kanava jossakin AZ-laitteistossa poistetaan toiminnasta ilman, että tämä sarja poistetaan käytöstä, tälle kanavalle tulee automaattisesti luoda hälytyssignaali.

Hätäsuojauksen tulee laueta ainakin seuraavissa tapauksissa:

1. Saavutettuaan neutronivuon tiheyden AZ-asetuksen.
2. Saavutettuaan AZ-asetuksen neutronivuon tiheyden kasvunopeudelle.
3. Jos jännite katoaa jostain hätäsuojauslaitteistosta ja CPS-virtalähdeväylistä, joita ei ole poistettu käytöstä.
4. Jos jokin kahdesta kolmesta suojauskanavasta epäonnistuu neutronivuon tiheyden tai neutronivuon kasvunopeuden osalta missä tahansa AZ-laitteistossa, jota ei ole poistettu käytöstä.
5. Kun AZ-asetukset saavutetaan teknisillä parametreilla, joille on suoritettava suojaus.
6. Kun AZ laukaistaan avaimella lohkon ohjauspisteestä (BCP) tai varaohjauspisteestä (RCP).

Ehkä joku osaa selittää lyhyesti vielä vähemmän tieteellisesti, miten ydinvoimalaitosyksikkö alkaa toimia? :-)

Muista aihe, kuten Alkuperäinen artikkeli on verkkosivustolla InfoGlaz.rf Linkki artikkeliin, josta tämä kopio on tehty -

Ydinreaktori, toimintaperiaate, ydinreaktorin toiminta.

Käytämme joka päivä sähköä emmekä ajattele kuinka se on tuotettu ja miten se on päätynyt meille. Tämä on kuitenkin yksi tärkeimmistä tärkeitä osia moderni sivilisaatio. Ilman sähköä ei olisi mitään - ei valoa, ei lämpöä, ei liikettä.

Kaikki tietävät, että sähköä tuotetaan voimalaitoksissa, myös ydinvoimaloissa. Jokaisen ydinvoimalan sydän on ydinreaktori. Tätä tarkastelemme tässä artikkelissa.

Ydinreaktori, laite, jossa tapahtuu kontrolloitu ydinketjureaktio lämmön vapautuessa. Näitä laitteita käytetään pääasiassa sähkön tuottamiseen ja käyttövoimana suuria laivoja. Ydinreaktorien tehon ja hyötysuhteen kuvittelemiseksi voimme antaa esimerkin. Kun keskimääräinen ydinreaktori tarvitsee 30 kiloa uraania, keskimääräinen lämpövoimalaitos tarvitsee 60 vaunua hiiltä tai 40 säiliötä polttoöljyä.

Prototyyppi ydinreaktori rakennettiin joulukuussa 1942 USA:ssa E. Fermin johdolla. Se oli niin kutsuttu "Chicago-pino". Chicago Pile (myöhemmin sana"Paalu" on muiden merkityksien ohella alkanut tarkoittaa ydinreaktoria). Se sai tämän nimen, koska se muistutti suurta pinoa päällekkäin asetettuja grafiittilohkoja.

Lohkojen väliin laitettiin luonnonuraanista ja sen dioksidista valmistettuja pallomaisia ”työnesteitä”.

Neuvostoliitossa ensimmäinen reaktori rakennettiin akateemikko I. V. Kurchatovin johdolla. F-1-reaktori oli toiminnassa 25. joulukuuta 1946. Reaktori oli muodoltaan pallomainen ja sen halkaisija oli noin 7,5 metriä. Siinä ei ollut jäähdytysjärjestelmää, joten se toimi erittäin alhaisella teholla.

Tutkimus jatkui ja 27. kesäkuuta 1954 maailman ensimmäinen ydinvoimala jonka kapasiteetti on 5 MW Obninskissa.

Ydinreaktorin toimintaperiaate.

Uraani U 235:n hajoamisen aikana vapautuu lämpöä, johon liittyy kahden tai kolmen neutronin vapautuminen. Tilastojen mukaan – 2,5. Nämä neutronit törmäävät muihin uraaniatomiin U235. Törmäyksessä uraani U 235 muuttuu epävakaaksi isotoopiksi U 236, joka hajoaa lähes välittömästi Kr 92:ksi ja Ba 141:ksi + samoihin 2-3 neutroniin. Hajoamiseen liittyy energian vapautuminen gammasäteilyn ja lämmön muodossa.

Tätä kutsutaan ketjureaktioksi. Atomit jakautuvat, hajoamisten määrä kasvaa eksponentiaalisesti, mikä lopulta johtaa standardiemme mukaan valtavan energiamäärän salamannopeaseen vapautumiseen - hallitsemattoman ketjureaktion seurauksena tapahtuu atomiräjähdys.

Kuitenkin sisään ydinreaktori olemme tekemisissä kontrolloitu ydinreaktio. Kuinka tämä on mahdollista, kuvataan alla.

Ydinreaktorin rakenne.

Tällä hetkellä on olemassa kahdenlaisia ydinreaktoreita: VVER (vesijäähdytteinen voimareaktori) ja RBMK (suurtehoinen kanavareaktori). Erona on, että RBMK on kiehuva reaktori, kun taas VVER käyttää vettä 120 ilmakehän paineessa.

VVER 1000 reaktori 1 - ohjausjärjestelmän käyttö; 2 - reaktorin kansi; 3 - reaktorin runko; 4 - suojaputkien lohko (BZT); 5 - akseli; 6 - ydinkotelo; 7 - polttoaineniput (FA) ja ohjaussauvat;

Jokainen teollisuusydinreaktori on kattila, jonka läpi jäähdytysaine virtaa. Yleensä tämä on tavallista vettä (noin 75% maailmassa), nestemäistä grafiittia (20%) ja raskasta vettä (5%). Kokeellisiin tarkoituksiin käytettiin berylliumia ja sen oletettiin olevan hiilivety.

TVEL– (polttoaine-elementti). Nämä ovat sauvoja zirkoniumkuoressa, jossa on niobiumseosta, joiden sisällä on uraanidioksiditabletteja.

TVEL raktori RBMK. RBMK-reaktorin polttoaine-elementin rakenne: 1 - tulppa; 2 - uraanidioksiditabletit; 3 - zirkoniumkuori; 4 - jousi; 5 - holkki; 6 - kärki.

TVEL sisältää myös jousijärjestelmän polttoainepellettien pitämiseksi samalla tasolla, mikä mahdollistaa polttoaineen upottamisen/poiston syvyyden tarkemman säädön. Ne on koottu kuusikulmaisiksi kasetteiksi, joista jokainen sisältää useita kymmeniä polttoainesauvoja. Jäähdytysneste virtaa jokaisen kasetin kanavien läpi.

Kasetin polttoainesauvat on korostettu vihreällä.

Polttoainekasetin kokoonpano.

Reaktorin sydän koostuu sadoista pystysuoraan sijoitetuista kaseteista, joita yhdistää metallikuori - runko, joka toimii myös neutroniheijastimena. Kasettien joukossa on säännöllisin väliajoin asetettu säätösauvoja ja reaktorin hätäsuojasauvoja, jotka on suunniteltu sammuttamaan reaktori ylikuumenemisen varalta.

Otetaan esimerkkinä tiedot VVER-440 reaktorista:

Säätimet voivat liikkua ylös ja alas, syöksymällä tai päinvastoin poistuen aktiiviselta alueelta, jossa reaktio on voimakkain. Tämä varmistetaan voimakkailla sähkömoottoreilla yhdistettynä ohjausjärjestelmään.Hätäsuojatangot on suunniteltu sammuttamaan reaktori hätätilanteessa, putoamaan ytimeen ja absorboimaan enemmän vapaita neutroneja.

Jokaisessa reaktorissa on kansi, jonka kautta käytetyt ja uudet kasetit ladataan ja poistetaan.

Lämmöneristys asennetaan yleensä reaktoriastian päälle. Seuraava este on biologinen suojelu. Tämä on yleensä teräsbetonibunkkeri, jonka sisäänkäynti suljetaan suljetuilla ovilla varustetulla ilmalukolla. Biologinen suojaus on suunniteltu estämään radioaktiivisen höyryn ja reaktorin kappaleiden vapautuminen ilmakehään, jos räjähdys tapahtuu.

Ydinräjähdys nykyaikaisissa reaktoreissa on erittäin epätodennäköistä. Koska polttoaine on melko vähän rikastettu ja jaettu polttoaine-elementteihin. Vaikka ydin sulaisi, polttoaine ei pysty reagoimaan yhtä aktiivisesti. Pahin mitä voi tapahtua, on Tshernobylin kaltainen lämpöräjähdys, jolloin reaktorin paine saavutti sellaiset arvot, että metallikotelo yksinkertaisesti halkesi ja 5000 tonnia painava reaktorin kansi hyppäsi ylösalaisin, murtautuen reaktorin katon läpi. reaktoriosastosta ja päästää höyryä ulos. Jos Tshernobylin ydinvoimala oli varustettu oikealla biologisella suojauksella, kuten nykyinen sarkofagi, silloin katastrofi maksoi ihmiskunnalle paljon vähemmän.

Ydinvoimalaitoksen toiminta.

Lyhyesti sanottuna raboboa näyttää tältä.

Ydinvoimala. (Napsautettava)

Pumppujen avulla reaktorisydämeen tulon jälkeen vesi kuumennetaan 250 - 300 astetta ja poistuu reaktorin "toiselta puolelta". Tätä kutsutaan ensimmäiseksi piiriksi. Sen jälkeen se lähetetään lämmönvaihtimeen, jossa se kohtaa toisen piirin. Tämän jälkeen paineenalainen höyry virtaa turbiinin siipille. Turbiinit tuottavat sähköä.

varten tavallinen ihminen Nykyaikaiset korkean teknologian laitteet ovat niin salaperäisiä ja arvoituksellisia, että niitä voidaan palvoa kuten muinaiset palvoivat salamaa. Koulun oppitunnit fyysikot, jotka ovat täynnä matemaattisia laskelmia, eivät ratkaise ongelmaa. Mutta voit jopa kertoa mielenkiintoisen tarinan ydinreaktorista, jonka toimintaperiaate on selvä jopa teini-ikäiselle.

Miten ydinreaktori toimii?

Tämän korkean teknologian laitteen toimintaperiaate on seuraava:

Kun neutroni absorboituu, ydinpolttoaine (useimmiten tämä uraani-235 tai plutonium-239) tapahtuu atomiytimen fissio;
Julkaistu kineettinen energia, gammasäteily ja vapaat neutronit;
Kineettinen energia muuttuu lämpöenergiaksi (kun ytimet törmäävät ympäröiviin atomiin), gammasäteily absorboituu itse reaktoriin ja muuttuu myös lämmöksi;
Polttoaineatomit absorboivat osan syntyneistä neutroneista, mikä aiheuttaa ketjureaktion. Sen hallitsemiseksi käytetään neutroniabsorboijia ja hidastajia;
Jäähdytysnesteen (vesi, kaasu tai nestemäinen natrium) avulla lämpö poistetaan reaktiopaikasta;
Kuumennetusta vedestä saatavaa paineistettua höyryä käytetään höyryturbiinien käyttämiseen;
Generaattorin avulla turbiinin pyörimisen mekaaninen energia muunnetaan vaihtosähkövirraksi.

Luokittelun lähestymistavat

Reaktoreiden typologialle voi olla monia syitä:

Ydinreaktion tyypin mukaan. Fissio (kaikki kaupalliset laitokset) tai fuusio (lämpöydinenergia, yleistä vain joissakin tutkimuslaitoksissa);
Jäähdytysnesteen avulla. Useimmissa tapauksissa tähän tarkoitukseen käytetään vettä (kiehuvaa tai raskasta). Joskus käytetty vaihtoehtoisia ratkaisuja: nestemäinen metalli (natrium, lyijy-vismutti, elohopea), kaasu (helium, hiilidioksidi tai typpi), sula suola (fluoridisuolat);
Sukupolven mukaan. Ensimmäinen niistä oli varhaiset prototyypit, joilla ei ollut kaupallista järkeä. Toiseksi suurin osa tällä hetkellä käytössä olevista ydinvoimaloista on rakennettu ennen vuotta 1996. Kolmas sukupolvi eroaa edellisestä vain pienin parannuksin. Neljännen sukupolven työ on edelleen käynnissä;
Tekijä: aggregaation tila polttoaine (kaasupolttoainetta on tällä hetkellä vain paperilla);
Käyttötarkoituksen mukaan(sähkön tuotantoon, moottorin käynnistykseen, vedyn tuotantoon, suolanpoistoon, alkuainetransmutaatioon, hermosäteilyn saamiseen, teoreettisiin ja tutkimustarkoituksiin).

Ydinreaktorin rakenne

Useimpien voimalaitosten reaktorien pääkomponentit ovat:

Ydinpolttoaine on aine, jota tarvitaan lämmön tuottamiseen voimaturbiineille (yleensä vähän rikastettua uraania);
Ydinreaktorin sydän on paikka, jossa ydinreaktio tapahtuu;
Neutronimoderaattori - vähentää nopeiden neutronien nopeutta muuttamalla ne lämpöneutroneiksi;
Käynnistysneutronilähde - käytetään luotettavaan ja vakaaseen ydinreaktion käynnistämiseen;
Neutroniabsorberi - saatavilla joissakin voimalaitoksissa tuoreen polttoaineen korkean reaktiivisuuden vähentämiseksi;
Neutronihaupitsi - käytetään reaktion käynnistämiseen uudelleen sammutuksen jälkeen;
Jäähdytysneste (puhdistettu vesi);
Säätösauvat - säätelemään uraanin tai plutoniumytimien fissionopeutta;
Vesipumppu - pumppaa vettä höyrykattilaan;
Höyryturbiini - muuntaa höyryn lämpöenergian pyörimismekaaniseksi energiaksi;
Jäähdytystorni - laite ylimääräisen lämmön poistamiseksi ilmakehään;
Radioaktiivisen jätteen vastaanotto- ja varastointijärjestelmä;
Turvajärjestelmät (hätädieselgeneraattorit, sydämen hätäjäähdytyslaitteet).

Kuinka uusimmat mallit toimivat

Uusin 4. sukupolvi reaktoreita on saatavilla kaupalliseen käyttöön aikaisintaan vuonna 2030. Tällä hetkellä niiden toiminnan periaate ja rakenne ovat kehitysvaiheessa. Nykyaikaisten tietojen mukaan nämä muutokset eroavat olemassa olevia malleja kuten tämä etuja:

Nopea kaasujäähdytysjärjestelmä. Oletetaan, että heliumia käytetään jäähdytysnesteenä. Suunnitteludokumentaation mukaan tällä tavalla voidaan jäähdyttää reaktoreita, joiden lämpötila on 850 °C. Sellaisen kanssa työskennellä korkeita lämpötiloja Tarvitaan myös erityisiä raaka-aineita: keraamiset komposiittimateriaalit ja aktinidiyhdisteet;
Ensisijaisena jäähdytysnesteenä on mahdollista käyttää lyijyä tai lyijy-vismutti-seosta. Näillä materiaaleilla on alhainen neutronien absorptionopeus ja ne ovat suhteellisen pieniä matala lämpötila sulatus;
Pääjäähdytysaineena voidaan käyttää myös sulaneiden suolojen seosta. Tämä mahdollistaa työskentelyn korkeammissa lämpötiloissa kuin nykyaikaiset analogit vesijäähdytyksellä.

Luonnolliset analogit luonnossa

Ydinreaktori nähdään yleisessä tietoisuudessa yksinomaan tuotteena korkea teknologia. Kuitenkin itse asiassa ensimmäinen sellainen laite on luonnollista alkuperää. Se löydettiin Oklon alueelta Keski-Afrikan osavaltiossa Gabonissa:

Reaktori muodostui uraanikivien tulvimisen vuoksi pohjavesi. He toimivat neutronien hidastajina;
Uraanin hajoamisen aikana vapautuva lämpöenergia muuttaa veden höyryksi ja ketjureaktio pysähtyy;
Kun jäähdytysnesteen lämpötila laskee, kaikki toistuu uudelleen;
Jos neste ei olisi kiehunut pois ja pysäyttänyt reaktiota, ihmiskunta olisi kohdannut uuden luonnonkatastrofin;
Itseään ylläpitävä ydinfissio alkoi tässä reaktorissa noin puolitoista miljardia vuotta sitten. Tänä aikana tehoa saatiin noin 0,1 miljoonaa wattia;
Tällainen maailmanihme maan päällä on ainoa tunnettu. Uusien syntyminen on mahdotonta: uraani-235:n osuus luonnollisista raaka-aineista on paljon pienempi kuin ketjureaktion ylläpitämiseen tarvittava taso.

Kuinka monta ydinreaktoria Etelä-Koreassa on?

Köyhä no Luonnonvarat, mutta teollistunut ja ylikansoitettu Korean tasavalta tarvitsee poikkeuksellista energiaa. Taustalla, että Saksa kieltäytyi käyttämästä rauhanomaista atomia, tällä maalla on suuria toiveita ydinteknologian hillitsemisestä:

Vuoteen 2035 mennessä ydinvoimalaitosten tuottaman sähkön osuuden suunnitellaan nousevan 60 prosenttiin ja kokonaistuotannon olevan yli 40 gigawattia;
Maalla ei ole atomiaseita, mutta ydinfysiikan tutkimus on käynnissä. Korealaiset tutkijat ovat kehittäneet suunnitelmia nykyaikaisille reaktoreille: modulaarisille, vetyreaktoreille nestemäinen metalli jne.;
Paikallisten tutkijoiden menestys mahdollistaa teknologian myynnin ulkomaille. Maan odotetaan vievän 80 tällaista yksikköä seuraavien 15-20 vuoden aikana;
Mutta tästä päivästä lähtien suurin osa Ydinvoimalaitos rakennettiin amerikkalaisten tai ranskalaisten tiedemiesten avustuksella;
Toiminta-asemien määrä on suhteellisen pieni (vain neljä), mutta jokaisessa niistä on huomattava määrä reaktoreita - yhteensä 40, ja tämä luku tulee kasvamaan.

Neutronien pommittaessa ydinpolttoaine menee ketjureaktioon, jonka seurauksena muodostuu suuri määrä lämpöä. Järjestelmässä oleva vesi ottaa tämän lämmön ja muuttuu höyryksi, joka muuttaa sähköä tuottavat turbiinit. Tässä yksinkertainen piiri ydinreaktorin toiminta, joka on maan tehokkain energialähde.

Video: kuinka ydinreaktorit toimivat

Tällä videolla ydinfyysikko Vladimir Chaikin kertoo, kuinka ydinreaktoreissa sähköä tuotetaan ja niiden yksityiskohtaisesta rakenteesta:

Ydinreaktori toimii sujuvasti ja tehokkaasti. Muuten, kuten tiedät, tulee ongelmia. Mutta mitä sisällä tapahtuu? Yritetään muotoilla ydin(ydin)reaktorin toimintaperiaate lyhyesti, selkeästi, pysähdyksin.

Itse asiassa siellä tapahtuu sama prosessi kuin ydinräjähdyksen aikana. Vain räjähdys tapahtuu hyvin nopeasti, ja reaktorissa se kaikki ulottuu pitkä aika. Tämän seurauksena kaikki pysyy turvallisena ja terveenä, ja saamme energiaa. Ei niinkään, että kaikki ympärillä tuhoutuisi kerralla, mutta aivan riittävästi sähkön tuottamiseen kaupunkiin.

Ennen kuin ymmärrät kuinka kontrolloitu ydinreaktio tapahtuu, sinun on tiedettävä, mikä se on. ydinreaktio ollenkaan.

Ydinreaktio on atomiytimien muunnosprosessi (fissio), kun ne ovat vuorovaikutuksessa alkuainehiukkasia ja gammasäteet.

Ydinreaktiot voivat tapahtua sekä energian absorboituessa että vapautuessa. Reaktori käyttää toisia reaktioita.

Ydinreaktori on laite, jonka tarkoituksena on ylläpitää hallittua ydinreaktiota vapauttamalla energiaa.

Usein ydinreaktoria kutsutaan myös atomireaktoriksi. Huomattakoon, että tässä ei ole perustavanlaatuista eroa, mutta tieteen kannalta on oikeampaa käyttää sanaa "ydin". Ydinreaktoreita on nykyään monenlaisia. Nämä ovat valtavia teollisuusreaktoreita, jotka on suunniteltu tuottamaan energiaa voimalaitoksissa, sukellusveneiden ydinreaktoreita, pieniä kokeelliset reaktorit, jota käytetään tieteellisissä kokeissa. On jopa reaktoreita, joita käytetään suolan poistamiseen merivedestä.

Ydinreaktorin luomisen historia

Ensimmäinen ydinreaktori käynnistettiin ei niin kaukana 1942. Tämä tapahtui Yhdysvalloissa Fermin johdolla. Tätä reaktoria kutsuttiin "Chicago Woodpile".

Vuonna 1946 Kurchatovin johdolla käynnistetty ensimmäinen Neuvostoliiton reaktori aloitti toimintansa. Tämän reaktorin runko oli halkaisijaltaan seitsemän metriä oleva pallo. Ensimmäisissä reaktoreissa ei ollut jäähdytysjärjestelmää, ja niiden teho oli minimaalinen. Muuten, Neuvostoliiton reaktorin keskimääräinen teho oli 20 wattia ja amerikkalaisen - vain 1 watti. Vertailun vuoksi: nykyaikaisten voimareaktorien keskimääräinen teho on 5 gigawattia. Alle kymmenen vuotta ensimmäisen reaktorin käynnistämisen jälkeen Obninskin kaupunkiin avattiin maailman ensimmäinen teollinen ydinvoimala.

Ydinreaktorin (ydin) toimintaperiaate

Jokaisessa ydinreaktorissa on useita osia: ydin Kanssa polttoainetta Ja moderaattori , neutroniheijastin , jäähdytysnestettä , ohjaus- ja suojajärjestelmä . Isotooppeja käytetään useimmiten polttoaineena reaktoreissa. uraani (235, 238, 233), plutonium (239) ja torium (232). Ydin on kattila, jonka läpi tavallinen vesi (jäähdytysneste) virtaa. Muiden jäähdytysnesteiden joukossa "raskasta vettä" ja nestemäistä grafiittia käytetään harvemmin. Jos puhumme ydinvoimaloiden toiminnasta, niin lämmön tuottamiseen käytetään ydinreaktoria. Itse sähköä tuotetaan samalla menetelmällä kuin muissakin voimalaitoksissa - höyry pyörittää turbiinia ja liikkeen energia muunnetaan sähköenergiaksi.

Alla on kaavio ydinreaktorin toiminnasta.

Kuten olemme jo sanoneet, raskaan uraaniytimen hajoaminen tuottaa kevyempiä alkuaineita ja useita neutroneja. Syntyvät neutronit törmäävät muihin ytimiin ja aiheuttavat myös niiden fissiota. Samaan aikaan neutronien määrä kasvaa kuin lumivyöry.

Se pitäisi mainita tässä neutronien kerroin . Joten jos tämä kerroin ylittää arvon, joka on yhtä suuri, tapahtuu ydinräjähdys. Jos arvo on pienempi kuin yksi, neutroneja on liian vähän ja reaktio sammuu. Mutta jos pidät kertoimen arvon yhtä suurena, reaktio etenee pitkään ja vakaasti.

Kysymys kuuluu, kuinka tämä tehdään? Reaktorissa polttoaine on ns polttoaine-elementtejä (TVELakh). Nämä ovat sauvoja, jotka sisältävät pienten tablettien muodossa ydinpolttoaine . Polttoainesauvat yhdistetään kuusikulmaisiksi kasetteiksi, joita reaktorissa voi olla satoja. Polttoainesauvoilla varustetut kasetit on järjestetty pystysuoraan, ja jokaisessa polttoainesauvassa on järjestelmä, jonka avulla voit säätää sen upotussyvyyttä ytimeen. Itse kasettien lisäksi ne sisältävät ohjaussauvat Ja hätäsuojatangot . Tangot on valmistettu materiaalista, joka imee hyvin neutroneja. Siten säätösauvoja voidaan laskea eri syvyyksiin ytimessä, jolloin neutronien kerroin säädetään. Hätäsauvat on suunniteltu sammuttamaan reaktori hätätilanteessa.

Miten ydinreaktori käynnistetään?

Olemme selvittäneet itse toimintaperiaatteen, mutta kuinka käynnistää ja saada reaktori toimimaan? Karkeasti sanottuna tässä se on - pala uraania, mutta ketjureaktio ei ala siinä itsestään. Tosiasia on, että ydinfysiikassa on käsite kriittinen massa .

Kriittinen massa on halkeamiskelpoisen materiaalin massa, joka tarvitaan ydinketjureaktion käynnistämiseen.

Polttoainesauvojen ja säätösauvojen avulla reaktoriin luodaan ensin kriittinen massa ydinpolttoainetta, jonka jälkeen reaktori saatetaan optimaaliselle tehotasolle useassa vaiheessa.

Tässä artikkelissa yritimme antaa sinulle yleiskuvan ydin (ydin)reaktorin rakenteesta ja toimintaperiaatteesta. Jos sinulla on kysyttävää aiheesta tai sinulta on kysytty ydinfysiikan ongelmaa yliopistossa, ota yhteyttä yrityksemme asiantuntijoille. Kuten tavallista, olemme valmiita auttamaan sinua ratkaisemaan kaikki opintojasi koskevat kiireelliset ongelmat. Ja samalla kun olemme siinä, tässä on toinen opetusvideo huomiosi!