Δομή πυρηνικού αντιδραστήρα και αρχή λειτουργίας. Ταξινόμηση και εφαρμογή πυρηνικών αντιδραστήρων

Ο πυρηνικός αντιδραστήρας λειτουργεί ομαλά και αποτελεσματικά. Διαφορετικά, όπως γνωρίζετε, θα υπάρξει πρόβλημα. Τι συμβαίνει όμως μέσα; Ας προσπαθήσουμε να διατυπώσουμε την αρχή της λειτουργίας ενός πυρηνικού (πυρηνικού) αντιδραστήρα συνοπτικά, ξεκάθαρα, με στάσεις.

Ουσιαστικά, εκεί συμβαίνει η ίδια διαδικασία όπως κατά τη διάρκεια μιας πυρηνικής έκρηξης. Μόνο που η έκρηξη συμβαίνει πολύ γρήγορα, αλλά στον αντιδραστήρα όλα αυτά εκτείνονται για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ως αποτέλεσμα, όλα παραμένουν ασφαλή και υγιή και λαμβάνουμε ενέργεια. Όχι τόσο που όλα γύρω θα καταστράφηκαν αμέσως, αλλά αρκετά για να παρέχουν ηλεκτρισμό στην πόλη.

Πριν καταλάβετε πώς συμβαίνει μια ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση, πρέπει να μάθετε τι είναι. πυρηνική αντίδραση καθόλου.

Πυρηνική αντίδραση είναι η διαδικασία μετασχηματισμού (σχάσης) των ατομικών πυρήνων όταν αλληλεπιδρούν με στοιχειώδη σωματίδια και ακτίνες γάμμα.

Οι πυρηνικές αντιδράσεις μπορούν να συμβούν τόσο με την απορρόφηση όσο και με την απελευθέρωση ενέργειας. Ο αντιδραστήρας χρησιμοποιεί τις δεύτερες αντιδράσεις.

Πυρηνικός αντιδραστήρας είναι μια συσκευή που σκοπός της είναι να διατηρεί ελεγχόμενη πυρηνική αντίδρασημε την απελευθέρωση ενέργειας.

Συχνά ένας πυρηνικός αντιδραστήρας ονομάζεται επίσης ατομικός αντιδραστήρας. Ας σημειώσουμε ότι εδώ δεν υπάρχει θεμελιώδης διαφορά, αλλά από την άποψη της επιστήμης είναι πιο σωστό να χρησιμοποιείται η λέξη «πυρηνική». Σήμερα υπάρχουν πολλοί τύποι πυρηνικών αντιδραστήρων. Πρόκειται για τεράστιους βιομηχανικούς αντιδραστήρες σχεδιασμένους να παράγουν ενέργεια σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας, πυρηνικούς αντιδραστήρες υποβρυχίων, μικρούς πειραματικούς αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται σε επιστημονικά πειράματα. Υπάρχουν ακόμη και αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται για αφαλάτωση θαλασσινό νερό.

Η ιστορία της δημιουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα

Ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας εκτοξεύτηκε το όχι και τόσο μακρινό 1942. Αυτό συνέβη στις ΗΠΑ υπό την ηγεσία του Fermi. Αυτός ο αντιδραστήρας ονομαζόταν «Chicago Woodpile».

Το 1946, άρχισε να λειτουργεί ο πρώτος σοβιετικός αντιδραστήρας, που ξεκίνησε υπό την ηγεσία του Kurchatov. Το σώμα αυτού του αντιδραστήρα ήταν μια μπάλα διαμέτρου επτά μέτρων. Οι πρώτοι αντιδραστήρες δεν είχαν σύστημα ψύξης και η ισχύς τους ήταν ελάχιστη. Παρεμπιπτόντως, ο σοβιετικός αντιδραστήρας είχε μέση ισχύ 20 Watt και ο αμερικανικός - μόνο 1 Watt. Για σύγκριση, η μέση ισχύς των σύγχρονων αντιδραστήρων ισχύος είναι 5 Gigawatts. Λιγότερο από δέκα χρόνια μετά την εκτόξευση του πρώτου αντιδραστήρα, ο πρώτος βιομηχανικός πυρηνικός σταθμός στον κόσμο άνοιξε στην πόλη Όμπνινσκ.

Η αρχή της λειτουργίας ενός πυρηνικού (πυρηνικού) αντιδραστήρα

Κάθε πυρηνικός αντιδραστήρας έχει πολλά μέρη: πυρήνας Με καύσιμα Και μεσολαβητής , ανακλαστήρας νετρονίων , ψυκτικό , σύστημα ελέγχου και προστασίας . Τα ισότοπα χρησιμοποιούνται συχνότερα ως καύσιμο στους αντιδραστήρες. ουράνιο (235, 238, 233), πλουτώνιο (239) και θόριο (232). Ο πυρήνας είναι ένας λέβητας μέσω του οποίου ρέει συνηθισμένο νερό (ψυκτικό). Μεταξύ άλλων ψυκτικών, το "βαρύ νερό" και ο υγρός γραφίτης χρησιμοποιούνται λιγότερο συχνά. Αν μιλάμε για τη λειτουργία πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής, τότε ένας πυρηνικός αντιδραστήρας χρησιμοποιείται για την παραγωγή θερμότητας. Η ίδια η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται χρησιμοποιώντας την ίδια μέθοδο όπως σε άλλους τύπους σταθμών παραγωγής ενέργειας - ο ατμός περιστρέφει έναν στρόβιλο και η ενέργεια της κίνησης μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.

Παρακάτω είναι ένα διάγραμμα της λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.

Όπως έχουμε ήδη πει, η διάσπαση ενός βαρέως πυρήνα ουρανίου παράγει ελαφρύτερα στοιχεία και αρκετά νετρόνια. Τα νετρόνια που προκύπτουν συγκρούονται με άλλους πυρήνες, προκαλώντας επίσης τη διάσπασή τους. Ταυτόχρονα, ο αριθμός των νετρονίων αυξάνεται σαν χιονοστιβάδα.

Πρέπει να αναφερθεί εδώ συντελεστής πολλαπλασιασμού νετρονίων . Έτσι, εάν αυτός ο συντελεστής υπερβαίνει μια τιμή ίση με ένα, συμβαίνει μια πυρηνική έκρηξη. Εάν η τιμή είναι μικρότερη από ένα, υπάρχουν πολύ λίγα νετρόνια και η αντίδραση πεθαίνει. Αλλά αν διατηρήσετε την τιμή του συντελεστή ίση με ένα, η αντίδραση θα προχωρήσει πολύ και σταθερά.

Το ερώτημα είναι πώς γίνεται αυτό; Στον αντιδραστήρα, το καύσιμο βρίσκεται στο λεγόμενο στοιχεία καυσίμου (TELakh). Πρόκειται για ράβδους που περιέχουν, με τη μορφή μικρών δισκίων, πυρηνικό καύσιμο . Οι ράβδοι καυσίμου συνδέονται σε κασέτες εξαγωνικού σχήματος, από τις οποίες μπορεί να υπάρχουν εκατοντάδες σε έναν αντιδραστήρα. Οι κασέτες με ράβδους καυσίμου είναι διατεταγμένες κάθετα και κάθε ράβδος καυσίμου έχει ένα σύστημα που σας επιτρέπει να ρυθμίζετε το βάθος της βύθισής της στον πυρήνα. Εκτός από τις ίδιες τις κασέτες, περιλαμβάνουν ράβδοι ελέγχου Και προστατευτικές ράβδοι έκτακτης ανάγκης . Οι ράβδοι είναι κατασκευασμένες από υλικό που απορροφά καλά τα νετρόνια. Έτσι, οι ράβδοι ελέγχου μπορούν να χαμηλώσουν σε διαφορετικά βάθη στον πυρήνα, ρυθμίζοντας έτσι τον παράγοντα πολλαπλασιασμού νετρονίων. Οι ράβδοι έκτακτης ανάγκης έχουν σχεδιαστεί για να κλείνουν τον αντιδραστήρα σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης.

Πώς ξεκινά ένας πυρηνικός αντιδραστήρας;

Έχουμε καταλάβει την ίδια την αρχή λειτουργίας, αλλά πώς να ξεκινήσουμε και να κάνουμε τον αντιδραστήρα να λειτουργεί; Σε γενικές γραμμές, εδώ είναι - ένα κομμάτι ουρανίου, αλλά η αλυσιδωτή αντίδραση δεν ξεκινά σε αυτό από μόνη της. Το γεγονός είναι ότι στην πυρηνική φυσική υπάρχει μια έννοια κρίσιμη μάζα .

Κρίσιμη μάζα είναι η μάζα του σχάσιμου υλικού που απαιτείται για την έναρξη μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης.

Με τη βοήθεια ράβδων καυσίμου και ράβδων ελέγχου, δημιουργείται πρώτα μια κρίσιμη μάζα πυρηνικού καυσίμου στον αντιδραστήρα και στη συνέχεια ο αντιδραστήρας φέρεται στο βέλτιστο επίπεδο ισχύος σε διάφορα στάδια.

Σε αυτό το άρθρο, προσπαθήσαμε να σας δώσουμε μια γενική ιδέα για τη δομή και την αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού (πυρηνικού) αντιδραστήρα. Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις σχετικά με το θέμα ή σας έχουν ρωτήσει κάποιο πρόβλημα στην πυρηνική φυσική στο πανεπιστήμιο, επικοινωνήστε στους ειδικούς της εταιρείας μας. Ως συνήθως, είμαστε έτοιμοι να σας βοηθήσουμε να επιλύσετε οποιοδήποτε πιεστικό ζήτημα σχετικά με τις σπουδές σας. Και ενώ βρισκόμαστε σε αυτό, ιδού άλλο ένα εκπαιδευτικό βίντεο για την προσοχή σας!

Στα μέσα του εικοστού αιώνα, η προσοχή της ανθρωπότητας επικεντρώθηκε γύρω από το άτομο και την εξήγηση των επιστημόνων για την πυρηνική αντίδραση, την οποία αποφάσισαν αρχικά να χρησιμοποιήσουν για στρατιωτικούς σκοπούς, εφευρίσκοντας τις πρώτες πυρηνικές βόμβες σύμφωνα με το Manhattan Project. Αλλά στη δεκαετία του '50 του 20ου αιώνα, ο πυρηνικός αντιδραστήρας στην ΕΣΣΔ χρησιμοποιήθηκε για ειρηνικούς σκοπούς. Είναι γνωστό ότι στις 27 Ιουνίου 1954 μπήκε στην υπηρεσία της ανθρωπότητας ο πρώτος πυρηνικός σταθμός στον κόσμο ισχύος 5000 kW. Σήμερα, ένας πυρηνικός αντιδραστήρας καθιστά δυνατή την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 4000 MW ή περισσότερο, δηλαδή 800 φορές περισσότερο από μισό αιώνα πριν.

Τι είναι ένας πυρηνικός αντιδραστήρας: βασικός ορισμός και κύρια συστατικά της μονάδας

Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας είναι μια ειδική μονάδα που παράγει ενέργεια ως αποτέλεσμα της σωστής διατήρησης μιας ελεγχόμενης πυρηνικής αντίδρασης. Επιτρέπεται η χρήση της λέξης «ατομικός» σε συνδυασμό με τη λέξη «αντιδραστήρας». Πολλοί θεωρούν γενικά τις έννοιες «πυρηνικό» και «ατομικό» ως συνώνυμες, αφού δεν βρίσκουν θεμελιώδη διαφορά μεταξύ τους. Αλλά οι εκπρόσωποι της επιστήμης τείνουν σε έναν πιο σωστό συνδυασμό - "πυρηνικό αντιδραστήρα".

Ενδιαφέρων γεγονός!Πυρηνικές αντιδράσεις μπορεί να συμβούν με την απελευθέρωση ή την απορρόφηση ενέργειας.

Τα κύρια συστατικά στο σχεδιασμό ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι τα ακόλουθα στοιχεία:

• Μεσολαβητής;
• Ράβδοι ελέγχου;
• Ράβδοι που περιέχουν εμπλουτισμένο μείγμα ισοτόπων ουρανίου.
• Ειδικά προστατευτικά στοιχεία έναντι της ακτινοβολίας.
• Ψυκτικό;
• Γεννήτρια ατμού;
• Τουρμπίνα;
• Γεννήτρια;
• Πυκνότητα;
• Πυρηνικό καύσιμο.

Ποιες θεμελιώδεις αρχές της λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα καθορίζονται από τους φυσικούς και γιατί είναι ακλόνητες

Η θεμελιώδης αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα βασίζεται στις ιδιαιτερότητες της εκδήλωσης μιας πυρηνικής αντίδρασης. Τη στιγμή μιας τυπικής πυρηνικής διαδικασίας φυσικής αλυσίδας, ένα σωματίδιο αλληλεπιδρά με έναν ατομικό πυρήνα, ως αποτέλεσμα, ο πυρήνας μετατρέπεται σε νέο με την απελευθέρωση δευτερογενών σωματιδίων, τα οποία οι επιστήμονες ονομάζουν γάμμα κβάντα. Κατά τη διάρκεια μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης, απελευθερώνονται τεράστιες ποσότητες θερμικής ενέργειας. Ο χώρος στον οποίο συμβαίνει η αλυσιδωτή αντίδραση ονομάζεται πυρήνας του αντιδραστήρα.

Ενδιαφέρων γεγονός!Η ενεργή ζώνη εξωτερικά μοιάζει με λέβητα μέσω του οποίου ρέει συνηθισμένο νερό, ενεργώντας ως ψυκτικό.

Για να αποφευχθεί η απώλεια νετρονίων, η ζώνη ενεργητικού του αντιδραστήρα περιβάλλεται από έναν ειδικό ανακλαστήρα νετρονίων. Το πρωταρχικό του καθήκον είναι να απορρίψει τα περισσότερα από τα εκπεμπόμενα νετρόνια στον πυρήνα. Η ίδια ουσία που χρησιμεύει ως συντονιστής χρησιμοποιείται συνήθως ως ανακλαστήρας.

Ο κύριος έλεγχος ενός πυρηνικού αντιδραστήρα γίνεται με τη χρήση ειδικών ράβδων ελέγχου. Είναι γνωστό ότι αυτές οι ράβδοι εισάγονται στον πυρήνα του αντιδραστήρα και δημιουργούν όλες τις προϋποθέσεις για τη λειτουργία της μονάδας. Συνήθως οι ράβδοι ελέγχου κατασκευάζονται από τις χημικές ενώσεις βόριο και κάδμιο. Γιατί χρησιμοποιούνται αυτά τα συγκεκριμένα στοιχεία; Ναι, όλα αυτά επειδή το βόριο ή το κάδμιο μπορούν να απορροφήσουν αποτελεσματικά τα θερμικά νετρόνια. Και μόλις προγραμματιστεί η εκτόξευση, σύμφωνα με την αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, οι ράβδοι ελέγχου εισάγονται στον πυρήνα. Το πρωταρχικό τους καθήκον είναι να απορροφούν ένα σημαντικό μέρος νετρονίων, προκαλώντας έτσι την ανάπτυξη μιας αλυσιδωτής αντίδρασης. Το αποτέλεσμα πρέπει να φτάσει στο επιθυμητό επίπεδο. Όταν η ισχύς αυξάνεται πάνω από το καθορισμένο επίπεδο, ενεργοποιούνται αυτόματα μηχανήματα, βυθίζοντας απαραίτητα τις ράβδους ελέγχου βαθιά στον πυρήνα του αντιδραστήρα.

Έτσι, γίνεται σαφές ότι οι ράβδοι ελέγχου ή ελέγχου παίζουν σημαντικό ρόλο στη λειτουργία ενός θερμικού πυρηνικού αντιδραστήρα.

Και για να μειωθεί η διαρροή νετρονίων, ο πυρήνας του αντιδραστήρα περιβάλλεται από έναν ανακλαστήρα νετρονίων, ο οποίος ρίχνει μια σημαντική μάζα νετρονίων που ελεύθερα διαφεύγουν στον πυρήνα. Ο ανακλαστήρας χρησιμοποιεί συνήθως την ίδια ουσία με τον συντονιστή.

Σύμφωνα με το πρότυπο, ο πυρήνας των ατόμων της ουσίας συντονισμού έχει σχετικά μικρή μάζα, έτσι ώστε όταν συγκρούεται με έναν ελαφρύ πυρήνα, το νετρόνιο που υπάρχει στην αλυσίδα χάνει περισσότερη ενέργεια από ό, τι όταν συγκρούεται με ένα βαρύ. Οι πιο συνηθισμένοι συντονιστές είναι το συνηθισμένο νερό ή ο γραφίτης.

Ενδιαφέρων γεγονός!Τα νετρόνια στη διαδικασία μιας πυρηνικής αντίδρασης χαρακτηρίζονται από μια εξαιρετικά υψηλή ταχύτητα κίνησης, γι' αυτό απαιτείται ένας συντονιστής για να ενθαρρύνει τα νετρόνια να χάσουν μέρος της ενέργειάς τους.

Κανένας αντιδραστήρας στον κόσμο δεν μπορεί να λειτουργήσει κανονικά χωρίς τη βοήθεια ψυκτικού, αφού σκοπός του είναι να αφαιρέσει την ενέργεια που παράγεται στην καρδιά του αντιδραστήρα. Υγρό ή αέρια πρέπει να χρησιμοποιούνται ως ψυκτικό, καθώς δεν είναι ικανά να απορροφούν νετρόνια. Ας δώσουμε ένα παράδειγμα ψυκτικού για έναν συμπαγή πυρηνικό αντιδραστήρα - νερό, διοξείδιο του άνθρακα και μερικές φορές ακόμη και υγρό μέταλλο νατρίου.

Έτσι, οι αρχές λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα βασίζονται εξ ολοκλήρου στους νόμους της αλυσιδωτής αντίδρασης και της πορείας της. Όλα τα εξαρτήματα του αντιδραστήρα - συντονιστής, ράβδοι, ψυκτικό υγρό, πυρηνικό καύσιμο - εκτελούν τις εργασίες που τους έχουν ανατεθεί, διασφαλίζοντας την κανονική λειτουργία του αντιδραστήρα.

Τι καύσιμο χρησιμοποιείται για πυρηνικούς αντιδραστήρες και γιατί επιλέγονται αυτά τα χημικά στοιχεία

Το κύριο καύσιμο στους αντιδραστήρες μπορεί να είναι ισότοπα ουρανίου, πλουτωνίου ή θορίου.

Πίσω στο 1934, ο F. Joliot-Curie, έχοντας παρατηρήσει τη διαδικασία σχάσης του πυρήνα του ουρανίου, παρατήρησε ότι ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης, ο πυρήνας του ουρανίου χωρίζεται σε θραύσματα-πυρήνες και δύο ή τρία ελεύθερα νετρόνια. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει πιθανότητα τα ελεύθερα νετρόνια να ενωθούν με άλλους πυρήνες ουρανίου και να προκαλέσουν νέα σχάση. Και έτσι, όπως προβλέπει η αλυσιδωτή αντίδραση: έξι έως εννέα νετρόνια θα απελευθερωθούν από τρεις πυρήνες ουρανίου και θα ενωθούν ξανά με τους νεοσχηματισμένους πυρήνες. Και ούτω καθεξής επί άπειρον.

Σημαντικό να θυμάστε!Τα νετρόνια που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης είναι ικανά να προκαλέσουν τη σχάση των πυρήνων ενός ισοτόπου ουρανίου με αριθμό μάζας 235 και για να καταστρέψουν τους πυρήνες ενός ισοτόπου ουρανίου με αριθμό μάζας 238 μπορεί να παράγεται λίγη ενέργεια κατά τη διαδικασία διάσπασης.

Το ουράνιο με αριθμό 235 βρίσκεται σπάνια στη φύση. Το μερίδιό της αντιστοιχεί μόνο στο 0,7%, αλλά το φυσικό ουράνιο-238 καταλαμβάνει μια πιο ευρύχωρη θέση και αποτελεί το 99,3%.

Παρά το τόσο μικρό ποσοστό ουρανίου-235 στη φύση, οι φυσικοί και οι χημικοί εξακολουθούν να μην μπορούν να το αρνηθούν, επειδή είναι πιο αποτελεσματικό για τη λειτουργία ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, μειώνοντας το κόστος παραγωγής ενέργειας για την ανθρωπότητα.

Πότε εμφανίστηκαν οι πρώτοι πυρηνικοί αντιδραστήρες και πού χρησιμοποιούνται συνήθως σήμερα;

Πίσω στο 1919, οι φυσικοί είχαν ήδη θριαμβεύσει όταν ο Ράδερφορντ ανακάλυψε και περιέγραψε τη διαδικασία σχηματισμού κινούμενων πρωτονίων ως αποτέλεσμα της σύγκρουσης των σωματιδίων άλφα με τους πυρήνες των ατόμων αζώτου. Αυτή η ανακάλυψη σήμαινε ότι ένας πυρήνας ισοτόπου αζώτου, ως αποτέλεσμα μιας σύγκρουσης με ένα σωματίδιο άλφα, μετατράπηκε σε πυρήνα ισοτόπου οξυγόνου.

Πριν εμφανιστούν οι πρώτοι πυρηνικοί αντιδραστήρες, ο κόσμος έμαθε αρκετούς νέους νόμους της φυσικής που ασχολούνται με όλες τις σημαντικές πτυχές των πυρηνικών αντιδράσεων. Έτσι, το 1934, οι F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kowarski πρότειναν για πρώτη φορά στην κοινωνία και στον κύκλο των παγκόσμιων επιστημόνων μια θεωρητική υπόθεση και βάση αποδείξεων σχετικά με τη δυνατότητα πραγματοποίησης πυρηνικών αντιδράσεων. Όλα τα πειράματα σχετίζονταν με την παρατήρηση της σχάσης ενός πυρήνα ουρανίου.

Το 1939, οι E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Gan, O. Frisch παρακολούθησαν την αντίδραση σχάσης των πυρήνων ουρανίου όταν βομβαρδίστηκαν με νετρόνια. Κατά τη διάρκεια της έρευνας, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι όταν ένα επιταχυνόμενο νετρόνιο χτυπά έναν πυρήνα ουρανίου, ο υπάρχων πυρήνας χωρίζεται σε δύο ή τρία μέρη.

Η αλυσιδωτή αντίδραση αποδείχθηκε πρακτικά στα μέσα του 20ού αιώνα. Οι επιστήμονες κατάφεραν να αποδείξουν το 1939 ότι η σχάση ενός πυρήνα ουρανίου απελευθερώνει περίπου 200 MeV ενέργειας. Αλλά περίπου 165 MeV κατανέμονται στην κινητική ενέργεια των πυρήνων θραυσμάτων, και το υπόλοιπο μεταφέρεται από τα κβάντα γάμμα. Αυτή η ανακάλυψη έκανε μια σημαντική ανακάλυψη στην κβαντική φυσική.

Ο Ε. Φέρμι συνέχισε το έργο και την έρευνά του για αρκετά ακόμη χρόνια και ξεκίνησε τον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα το 1942 στις ΗΠΑ. Το έργο που υλοποιήθηκε ονομάστηκε «Chicago Woodpile» και τέθηκε στις ράγες. Στις 5 Σεπτεμβρίου 1945, ο Καναδάς εκτόξευσε τον πυρηνικό του αντιδραστήρα ZEEP. Η ευρωπαϊκή ήπειρος δεν έμεινε πολύ πίσω και ταυτόχρονα κατασκευαζόταν η εγκατάσταση F-1. Και για τους Ρώσους υπάρχει μια άλλη αξέχαστη ημερομηνία - 25 Δεκεμβρίου 1946 στη Μόσχα, υπό την ηγεσία του I. Kurchatov, ξεκίνησε ο αντιδραστήρας. Αυτοί δεν ήταν οι πιο ισχυροί πυρηνικοί αντιδραστήρες, αλλά ήταν η αρχή της κυριαρχίας του ατόμου από τον άνθρωπο.

Για ειρηνικούς σκοπούς, ένας επιστημονικός πυρηνικός αντιδραστήρας δημιουργήθηκε το 1954 στην ΕΣΣΔ. Το πρώτο ειρηνικό πυρηνοκίνητο πλοίο στον κόσμο εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας- πυρηνικό παγοθραυστικό "Λένιν" - κατασκευάστηκε στη Σοβιετική Ένωση το 1959. Και ένα άλλο επίτευγμα του κράτους μας είναι το πυρηνικό παγοθραυστικό «Αρκτικά». Αυτό το πλοίο επιφανείας ήταν το πρώτο στον κόσμο που έφτασε στον Βόρειο Πόλο. Αυτό συνέβη το 1975.

Οι πρώτοι φορητοί πυρηνικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούσαν αργά νετρόνια.

Πού χρησιμοποιούνται οι πυρηνικοί αντιδραστήρες και ποιους τύπους χρησιμοποιεί η ανθρωπότητα;

• Βιομηχανικοί αντιδραστήρες. Χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας σε πυρηνικούς σταθμούς.
• Πυρηνικοί αντιδραστήρες που λειτουργούν ως μονάδες πρόωσης για πυρηνικά υποβρύχια.
• Πειραματικοί (φορητοί, μικροί) αντιδραστήρες. Χωρίς αυτά δεν πραγματοποιείται ούτε ένα σύγχρονο επιστημονικό πείραμα ή έρευνα.

Σήμερα, ο επιστημονικός κόσμος έχει μάθει να χρησιμοποιεί ειδικούς αντιδραστήρες για την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού και την παροχή στον πληθυσμό υψηλής ποιότητας πόσιμο νερό. Υπάρχουν πολλοί πυρηνικοί αντιδραστήρες που λειτουργούν στη Ρωσία. Έτσι, σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία, από το 2018 λειτουργούν περίπου 37 μονάδες στην πολιτεία.

Και σύμφωνα με την ταξινόμηση μπορούν να είναι οι εξής:

• Έρευνα (ιστορική). Αυτά περιλαμβάνουν τον σταθμό F-1, ο οποίος δημιουργήθηκε ως πειραματικός χώρος για την παραγωγή πλουτωνίου. Ο I.V. Kurchatov εργάστηκε στο F-1 και οδήγησε τον πρώτο φυσικό αντιδραστήρα.
• Έρευνα (ενεργό).
• Οπλοστάσιο. Ως παράδειγμα αντιδραστήρα - A-1, που έμεινε στην ιστορία ως ο πρώτος αντιδραστήρας με ψύξη. Η προηγούμενη ισχύς του πυρηνικού αντιδραστήρα είναι μικρή, αλλά λειτουργική.
• Ενέργεια.
• του πλοίου. Είναι γνωστό ότι σε πλοία και υποβρύχια, όπως απαιτείται και τεχνικής σκοπιμότηταςχρησιμοποιούνται αντιδραστήρες νερού-νερού ή υγρού μετάλλου.
• Χώρος. Για παράδειγμα, ας ονομάσουμε την εγκατάσταση Yenisei σε διαστημόπλοια, η οποία τίθεται σε λειτουργία εάν είναι απαραίτητο να ληφθεί πρόσθετη ενέργεια και θα πρέπει να ληφθεί χρησιμοποιώντας ηλιακά πάνελκαι πηγές ισοτόπων.

Έτσι, το θέμα των πυρηνικών αντιδραστήρων είναι αρκετά εκτεταμένο και επομένως απαιτεί εις βάθος μελέτη και κατανόηση των νόμων κβαντική φυσική. Όμως, η σημασία των πυρηνικών αντιδραστήρων για την ενέργεια και την οικονομία του κράτους περιβάλλεται ήδη, αναμφίβολα, από μια αύρα χρησιμότητας και οφέλους.

: ... αρκετά κοινότοπο, αλλά παρόλα αυτά δεν έχω βρει ακόμα τις πληροφορίες σε εύπεπτη μορφή - πώς ΑΡΧΙΖΕΙ να λειτουργεί ένας πυρηνικός αντιδραστήρας. Τα πάντα σχετικά με την αρχή και τη δομή της εργασίας έχουν ήδη μασηθεί πάνω από 300 φορές και είναι ξεκάθαρα, αλλά εδώ είναι πώς λαμβάνεται το καύσιμο και από τι και γιατί δεν είναι τόσο επικίνδυνο μέχρι να βρεθεί στον αντιδραστήρα και γιατί δεν αντιδρά πριν γίνει βυθισμένος στον αντιδραστήρα! - στο κάτω-κάτω, θερμαίνεται μόνο μέσα, ωστόσο, πριν από τη φόρτωση το καύσιμο είναι κρύο και όλα είναι καλά, επομένως δεν είναι απολύτως σαφές τι προκαλεί τη θέρμανση των στοιχείων, πώς επηρεάζονται και ούτω καθεξής, κατά προτίμηση όχι επιστημονικά).

Είναι δύσκολο, φυσικά, να πλαισιώσει ένα τέτοιο θέμα με μη επιστημονικό τρόπο, αλλά θα προσπαθήσω. Ας καταλάβουμε πρώτα ποιες είναι αυτές οι ράβδοι καυσίμου.

Το πυρηνικό καύσιμο είναι μαύρες ταμπλέτες με διάμετρο περίπου 1 cm και ύψος περίπου 1,5 cm Περιέχουν 2% διοξείδιο ουρανίου 235 και 98% ουράνιο 238, 236, 239. Σε όλες τις περιπτώσεις, με οποιαδήποτε ποσότητα πυρηνικού καυσίμου. πυρηνική έκρηξη δεν μπορεί να αναπτυχθεί, γιατί για μια αντίδραση ταχείας σχάσης που μοιάζει με χιονοστιβάδα, χαρακτηριστική μιας πυρηνικής έκρηξης, απαιτείται συγκέντρωση ουρανίου 235 μεγαλύτερη από 60%.

Διακόσια σφαιρίδια πυρηνικού καυσίμου φορτώνονται σε ένα σωλήνα από μέταλλο ζιρκονίου. Το μήκος αυτού του σωλήνα είναι 3,5 μέτρα. διάμετρος 1,35 cm Αυτός ο σωλήνας ονομάζεται στοιχείο καυσίμου - στοιχείο καυσίμου. 36 ράβδοι καυσίμου συναρμολογούνται σε μια κασέτα (άλλο όνομα είναι "συναρμολόγηση").

Σχεδιασμός στοιχείου καυσίμου αντιδραστήρα RBMK: 1 - βύσμα; 2 - δισκία διοξειδίου του ουρανίου. 3 - κέλυφος ζιρκονίου. 4 - άνοιξη? 5 - δακτύλιος? 6 - συμβουλή.

Ο μετασχηματισμός μιας ουσίας συνοδεύεται από απελευθέρωση ελεύθερης ενέργειας μόνο εάν η ουσία έχει απόθεμα ενέργειας. Το τελευταίο σημαίνει ότι τα μικροσωματίδια μιας ουσίας βρίσκονται σε κατάσταση με ενέργεια ηρεμίας μεγαλύτερη από ό,τι σε μια άλλη πιθανή κατάσταση στην οποία υπάρχει μετάβαση. Μια αυθόρμητη μετάβαση αποτρέπεται πάντα από ένα ενεργειακό φράγμα, για να ξεπεραστεί το οποίο το μικροσωματίδιο πρέπει να λάβει μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας από το εξωτερικό - ενέργεια διέγερσης. Η εξωενεργειακή αντίδραση συνίσταται στο γεγονός ότι στον μετασχηματισμό που ακολουθεί τη διέγερση, απελευθερώνεται περισσότερη ενέργεια από αυτή που απαιτείται για τη διέγερση της διαδικασίας. Υπάρχουν δύο τρόποι για να ξεπεραστεί το ενεργειακό φράγμα: είτε λόγω της κινητικής ενέργειας των συγκρουόμενων σωματιδίων, είτε λόγω της ενέργειας δέσμευσης του σωματιδίου που ενώνει.

Εάν έχουμε κατά νου τη μακροσκοπική κλίμακα απελευθέρωσης ενέργειας, τότε όλα ή αρχικά τουλάχιστον ένα μέρος των σωματιδίων της ουσίας πρέπει να έχουν την κινητική ενέργεια που απαιτείται για να διεγείρουν αντιδράσεις. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μόνο με την αύξηση της θερμοκρασίας του μέσου σε μια τιμή στην οποία η ενέργεια της θερμικής κίνησης πλησιάζει το ενεργειακό κατώφλι περιορίζοντας την πορεία της διαδικασίας. Στην περίπτωση των μοριακών μετασχηματισμών, δηλαδή χημικές αντιδράσεις, μια τέτοια αύξηση είναι συνήθως εκατοντάδες βαθμούς Kelvin, αλλά στην περίπτωση των πυρηνικών αντιδράσεων είναι τουλάχιστον 107 K λόγω του πολύ υψηλού ύψους των φραγμάτων Coulomb των συγκρουόμενων πυρήνων. Η θερμική διέγερση των πυρηνικών αντιδράσεων πραγματοποιείται στην πράξη μόνο κατά τη σύνθεση των ελαφρύτερων πυρήνων, στους οποίους τα φράγματα Coulomb είναι ελάχιστα (θερμοπυρηνική σύντηξη).

Η διέγερση με την ένωση σωματιδίων δεν απαιτεί μεγάλη κινητική ενέργεια και, επομένως, δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία του μέσου, καθώς συμβαίνει λόγω των αχρησιμοποίητων δεσμών που είναι εγγενείς στις ελκτικές δυνάμεις των σωματιδίων. Αλλά για να διεγείρονται οι αντιδράσεις, τα ίδια τα σωματίδια είναι απαραίτητα. Και αν πάλι δεν εννοούμε μια μεμονωμένη πράξη αντίδρασης, αλλά την παραγωγή ενέργειας σε μακροσκοπική κλίμακα, τότε αυτό είναι δυνατό μόνο όταν συμβεί μια αλυσιδωτή αντίδραση. Το τελευταίο συμβαίνει όταν τα σωματίδια που διεγείρουν την αντίδραση επανεμφανίζονται ως προϊόντα μιας εξωενεργητικής αντίδρασης.

Για τον έλεγχο και την προστασία ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, χρησιμοποιούνται ράβδοι ελέγχου που μπορούν να μετακινηθούν σε όλο το ύψος του πυρήνα. Οι ράβδοι είναι κατασκευασμένες από ουσίες που απορροφούν έντονα νετρόνια - για παράδειγμα, βόριο ή κάδμιο. Όταν οι ράβδοι εισάγονται βαθιά, μια αλυσιδωτή αντίδραση καθίσταται αδύνατη, καθώς τα νετρόνια απορροφώνται έντονα και απομακρύνονται από τη ζώνη αντίδρασης.

Οι ράβδοι μετακινούνται απομακρυσμένα από τον πίνακα ελέγχου. Με μια ελαφρά κίνηση των ράβδων, η διαδικασία της αλυσίδας είτε θα αναπτυχθεί είτε θα ξεθωριάσει. Με αυτόν τον τρόπο ρυθμίζεται η ισχύς του αντιδραστήρα.

NPP Λένινγκραντ, αντιδραστήρας RBMK

Έναρξη λειτουργίας αντιδραστήρα:

Την αρχική χρονική στιγμή μετά την πρώτη φόρτωση καυσίμου, δεν υπάρχει αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης στον αντιδραστήρα, ο αντιδραστήρας βρίσκεται σε υποκρίσιμη κατάσταση. Η θερμοκρασία του ψυκτικού υγρού είναι σημαντικά μικρότερη από τη θερμοκρασία λειτουργίας.

Όπως έχουμε ήδη αναφέρει εδώ, για να ξεκινήσει μια αλυσιδωτή αντίδραση, το σχάσιμο υλικό πρέπει να σχηματίσει μια κρίσιμη μάζα - επαρκή ποσότητα αυθόρμητα σχάσιμου υλικού σε επαρκή μικρός χώρος, η συνθήκη υπό την οποία πρέπει να είναι ο αριθμός των νετρονίων που απελευθερώνονται κατά την πυρηνική σχάση περισσότερος αριθμόςαπορροφημένα νετρόνια. Αυτό μπορεί να γίνει αυξάνοντας την περιεκτικότητα σε ουράνιο-235 (την ποσότητα των ράβδων καυσίμου που φορτώνονται) ή με την επιβράδυνση της ταχύτητας των νετρονίων έτσι ώστε να μην περάσουν δίπλα από τους πυρήνες του ουρανίου-235.

Ο αντιδραστήρας τίθεται σε λειτουργία σε διάφορα στάδια. Με τη βοήθεια ρυθμιστών αντιδραστικότητας, ο αντιδραστήρας μεταφέρεται στην υπερκρίσιμη κατάσταση Kef>1 και η ισχύς του αντιδραστήρα αυξάνεται σε επίπεδο 1-2% της ονομαστικής. Σε αυτό το στάδιο, ο αντιδραστήρας θερμαίνεται στις παραμέτρους λειτουργίας του ψυκτικού και ο ρυθμός θέρμανσης είναι περιορισμένος. Κατά τη διαδικασία θέρμανσης, τα χειριστήρια διατηρούν την ισχύ σε σταθερό επίπεδο. Μετά αρχίζει αντλίες κυκλοφορίαςκαι τίθεται σε λειτουργία το σύστημα απομάκρυνσης θερμότητας. Μετά από αυτό, η ισχύς του αντιδραστήρα μπορεί να αυξηθεί σε οποιοδήποτε επίπεδο στην περιοχή από 2 έως 100% της ονομαστικής ισχύος.

Όταν ο αντιδραστήρας θερμαίνεται, η αντιδραστικότητα αλλάζει λόγω μεταβολών στη θερμοκρασία και την πυκνότητα των υλικών του πυρήνα. Μερικές φορές, κατά τη θέρμανση, η σχετική θέση του πυρήνα και των στοιχείων ελέγχου που εισέρχονται ή εξέρχονται από τον πυρήνα αλλάζει, προκαλώντας ένα φαινόμενο αντιδραστικότητας απουσία ενεργητικής κίνησης των στοιχείων ελέγχου.

Ρύθμιση από στερεά, κινούμενα απορροφητικά στοιχεία

Για γρήγορη αλλαγή της αντιδραστικότητας, στη συντριπτική πλειονότητα των περιπτώσεων, χρησιμοποιούνται στερεοί κινητοί απορροφητές. Στον αντιδραστήρα RBMK, οι ράβδοι ελέγχου περιέχουν δακτύλιους καρβιδίου βορίου που περικλείονται σε σωλήνα από κράμα αλουμινίου με διάμετρο 50 ή 70 mm. Κάθε ράβδος ελέγχου τοποθετείται σε ξεχωριστό κανάλι και ψύχεται με νερό από το κύκλωμα του συστήματος ελέγχου και προστασίας (σύστημα ελέγχου και προστασίας) σε μέση θερμοκρασία 50 ° C. Σύμφωνα με τον σκοπό τους, οι ράβδοι χωρίζονται σε AZ (προστασία έκτακτης ανάγκης ) ράβδοι υπάρχουν 24 τέτοιες ράβδοι στο RBMK. Αυτόματες ράβδοι ελέγχου - 12 τεμάχια, ράβδοι αυτόματου ελέγχου τοπικού ελέγχου - 12 τεμάχια, ράβδοι χειροκίνητου ελέγχου - 131, και 32 ράβδοι κοντού απορροφητή (USP). Υπάρχουν 211 καλάμια συνολικά. Επιπλέον, οι κοντές ράβδοι εισάγονται στον πυρήνα από κάτω, οι υπόλοιπες από την κορυφή.

VVER 1000 αντιδραστήρας 1 - σύστημα ελέγχου κίνησης. 2 - κάλυμμα αντιδραστήρα. 3 - σώμα αντιδραστήρα. 4 - μπλοκ προστατευτικών σωλήνων (BZT). 5 - άξονας? 6 - περίβλημα πυρήνα. 7 - συγκροτήματα καυσίμου (FA) και ράβδοι ελέγχου.

Εύφλεκτα απορροφητικά στοιχεία.

Για την αντιστάθμιση της υπερβολικής αντιδραστικότητας μετά τη φόρτωση φρέσκου καυσίμου, χρησιμοποιούνται συχνά καύσιμοι απορροφητές. Η αρχή λειτουργίας της οποίας είναι ότι, όπως το καύσιμο, μετά τη σύλληψη ενός νετρονίου, στη συνέχεια παύουν να απορροφούν νετρόνια (καίγονται). Επιπλέον, ο ρυθμός μείωσης ως αποτέλεσμα της απορρόφησης των νετρονίων από τους απορροφητικούς πυρήνες είναι μικρότερος ή ίσος με τον ρυθμό μείωσης ως αποτέλεσμα της σχάσης των πυρήνων του καυσίμου. Εάν φορτώσουμε έναν πυρήνα αντιδραστήρα με καύσιμο σχεδιασμένο να λειτουργεί για ένα χρόνο, τότε είναι προφανές ότι ο αριθμός των πυρήνων σχάσιμου καυσίμου στην αρχή της λειτουργίας θα είναι μεγαλύτερος από ό,τι στο τέλος, και πρέπει να αντισταθμίσουμε την υπερβολική αντιδραστικότητα τοποθετώντας απορροφητές στον πυρήνα. Εάν χρησιμοποιούνται ράβδοι ελέγχου για αυτό το σκοπό, πρέπει να τις μετακινούμε συνεχώς καθώς μειώνεται ο αριθμός των πυρήνων καυσίμου. Η χρήση καύσιμων απορροφητών μειώνει τη χρήση κινούμενων ράβδων. Σήμερα, τα καύσιμα απορροφητικά προστίθενται συχνά απευθείας στα πέλλετ καυσίμου κατά την κατασκευή τους.

Έλεγχος αντιδραστικότητας υγρών.

Αυτή η ρύθμιση χρησιμοποιείται, ειδικότερα, κατά τη λειτουργία ενός αντιδραστήρα τύπου VVER, το βορικό οξύ H3BO3 που περιέχει πυρήνες απορρόφησης νετρονίων 10Β εισάγεται στο ψυκτικό υγρό. Αλλάζοντας τη συγκέντρωση του βορικού οξέος στη διαδρομή του ψυκτικού, αλλάζουμε έτσι την αντιδραστικότητα στον πυρήνα. Κατά την αρχική περίοδο λειτουργίας του αντιδραστήρα, όταν υπάρχουν πολλοί πυρήνες καυσίμου, η συγκέντρωση οξέος είναι μέγιστη. Καθώς το καύσιμο καίγεται, η συγκέντρωση του οξέος μειώνεται.

Μηχανισμός αλυσιδωτής αντίδρασης

Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας μπορεί να λειτουργήσει σε μια δεδομένη ισχύ για μεγάλο χρονικό διάστημα μόνο εάν έχει απόθεμα αντιδραστικότητας στην αρχή της λειτουργίας του. Η εξαίρεση είναι οι υποκρίσιμοι αντιδραστήρες με εξωτερική πηγήθερμικά νετρόνια. Απελευθέρωση της δεσμευμένης αντιδραστικότητας καθώς μειώνεται λόγω φυσικά αίτιαδιασφαλίζει ότι η κρίσιμη κατάσταση του αντιδραστήρα διατηρείται σε κάθε στιγμή της λειτουργίας του. Το αρχικό απόθεμα αντιδραστικότητας δημιουργείται με την κατασκευή ενός πυρήνα με διαστάσεις που υπερβαίνουν σημαντικά τις κρίσιμες. Για να αποφευχθεί το να γίνει ο αντιδραστήρας υπερκρίσιμος, το k0 του μέσου αναπαραγωγής μειώνεται ταυτόχρονα τεχνητά. Αυτό επιτυγχάνεται με την εισαγωγή ουσιών απορρόφησης νετρονίων στον πυρήνα, οι οποίες μπορούν στη συνέχεια να αφαιρεθούν από τον πυρήνα. Όπως και στα στοιχεία ελέγχου της αλυσιδωτής αντίδρασης, οι απορροφητικές ουσίες περιλαμβάνονται στο υλικό των ράβδων μιας ή άλλης διατομής που κινούνται μέσω των αντίστοιχων καναλιών στον πυρήνα. Αλλά εάν μία ή δύο ή πολλές ράβδοι είναι αρκετές για ρύθμιση, τότε για να αντισταθμιστεί η αρχική υπερβολική αντιδραστικότητα, ο αριθμός των ράβδων μπορεί να φτάσει τις εκατοντάδες. Αυτές οι ράβδοι ονομάζονται αντισταθμιστικές ράβδοι. Οι ράβδοι ελέγχου και αντιστάθμισης δεν είναι απαραίτητα διάφορα στοιχείααπό σχέδιο. Ένας αριθμός αντισταθμιστικών ράβδων μπορεί να είναι ράβδοι ελέγχου, αλλά οι λειτουργίες και των δύο είναι διαφορετικές. Οι ράβδοι ελέγχου έχουν σχεδιαστεί για να διατηρούν μια κρίσιμη κατάσταση ανά πάσα στιγμή, να διακόπτουν και να εκκινούν τον αντιδραστήρα και να μεταβαίνουν από το ένα επίπεδο ισχύος στο άλλο. Όλες αυτές οι λειτουργίες απαιτούν μικρές αλλαγές στην αντιδραστικότητα. Οι αντισταθμιστικές ράβδοι αφαιρούνται σταδιακά από τον πυρήνα του αντιδραστήρα, εξασφαλίζοντας κρίσιμη κατάσταση καθ' όλη τη διάρκεια της λειτουργίας του.

Μερικές φορές οι ράβδοι ελέγχου δεν κατασκευάζονται από απορροφητικά υλικά, αλλά από σχάσιμο υλικό ή υλικό διασποράς. Στους θερμικούς αντιδραστήρες, αυτοί είναι κυρίως απορροφητές νετρονίων, δεν υπάρχουν αποτελεσματικοί γρήγοροι απορροφητές νετρονίων. Απορροφητές όπως το κάδμιο, το άφνιο και άλλοι απορροφούν έντονα μόνο θερμικά νετρόνια λόγω της εγγύτητας του πρώτου συντονισμού στη θερμική περιοχή και εκτός της τελευταίας δεν διαφέρουν από άλλες ουσίες στις απορροφητικές τους ιδιότητες. Η εξαίρεση είναι το βόριο, η διατομή απορρόφησης νετρονίων του οποίου μειώνεται με ενέργεια πολύ πιο αργά από αυτή των υποδεικνυόμενων ουσιών, σύμφωνα με τον νόμο l/v. Επομένως, το βόριο απορροφά γρήγορα νετρόνια, αν και ασθενώς, αλλά κάπως καλύτερα από άλλες ουσίες. Το απορροφητικό υλικό σε έναν γρήγορο αντιδραστήρα νετρονίων μπορεί να είναι μόνο βόριο, ει δυνατόν εμπλουτισμένο με το ισότοπο 10B. Εκτός από το βόριο, σχάσιμα υλικά χρησιμοποιούνται επίσης για ράβδους ελέγχου σε αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων. Μια αντισταθμιστική ράβδος από σχάσιμο υλικό εκτελεί την ίδια λειτουργία με μια ράβδο απορρόφησης νετρονίων: αυξάνει την αντιδραστικότητα του αντιδραστήρα ενώ μειώνεται φυσικά. Ωστόσο, σε αντίθεση με έναν απορροφητή, μια τέτοια ράβδος βρίσκεται έξω από τον πυρήνα στην αρχή της λειτουργίας του αντιδραστήρα και στη συνέχεια εισάγεται στον πυρήνα.

Τα υλικά σκέδασης που χρησιμοποιούνται στους γρήγορους αντιδραστήρες είναι το νικέλιο, το οποίο έχει διατομή γρήγορης σκέδασης νετρονίων πολλών περισσότερες ενότητεςάλλες ουσίες. Οι ράβδοι διασποράς βρίσκονται κατά μήκος της περιφέρειας του πυρήνα και η εμβάπτισή τους στο αντίστοιχο κανάλι προκαλεί μείωση της διαρροής νετρονίων από τον πυρήνα και, κατά συνέπεια, αύξηση της αντιδραστικότητας. Σε ορισμένες ειδικές περιπτώσεις, ο σκοπός του ελέγχου της αλυσιδωτής αντίδρασης εξυπηρετείται από κινούμενα μέρη ανακλαστήρων νετρονίων, τα οποία, όταν μετακινούνται, αλλάζουν τη διαρροή των νετρονίων από τον πυρήνα. Οι ράβδοι ελέγχου, αντιστάθμισης και έκτακτης ανάγκης, μαζί με όλο τον εξοπλισμό που διασφαλίζει την κανονική τους λειτουργία, αποτελούν το σύστημα ελέγχου και προστασίας του αντιδραστήρα (CPS).

Προστασία έκτακτης ανάγκης:

Η προστασία έκτακτης ανάγκης ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι ένα σύνολο συσκευών που έχουν σχεδιαστεί για να σταματήσουν γρήγορα μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση στον πυρήνα του αντιδραστήρα.

Η ενεργή προστασία έκτακτης ανάγκης ενεργοποιείται αυτόματα όταν μια από τις παραμέτρους ενός πυρηνικού αντιδραστήρα φτάσει σε μια τιμή που θα μπορούσε να οδηγήσει σε ατύχημα. Τέτοιες παράμετροι μπορεί να είναι: θερμοκρασία, πίεση και ροή ψυκτικού, στάθμη και ταχύτητα αύξησης ισχύος.

Τα εκτελεστικά στοιχεία της προστασίας έκτακτης ανάγκης είναι, στις περισσότερες περιπτώσεις, οι ράβδοι με μια ουσία που απορροφά καλά τα νετρόνια (βόριο ή κάδμιο). Μερικές φορές, για να κλείσει ο αντιδραστήρας, ένας απορροφητής υγρού εγχέεται στον βρόχο του ψυκτικού.

Εκτός από την ενεργή προστασία, πολλά σύγχρονα έργαπεριλαμβάνει επίσης στοιχεία παθητική προστασία. Για παράδειγμα, σύγχρονες επιλογέςΟι αντιδραστήρες VVER περιλαμβάνουν το «Emergency Core Cooling System» (ECCS) - ειδικές δεξαμενές με βορικό οξύ που βρίσκονται πάνω από τον αντιδραστήρα. Σε περίπτωση ατυχήματος μέγιστου σχεδιασμού (ρήξη του πρώτου κυκλώματος ψύξης του αντιδραστήρα), το περιεχόμενο αυτών των δεξαμενών καταλήγει μέσα στον πυρήνα του αντιδραστήρα λόγω βαρύτητας και η πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση σβήνει από μεγάλη ποσότητα ουσίας που περιέχει βόριο, η οποία απορροφά καλά τα νετρόνια.

Σύμφωνα με τους «Κανόνες πυρηνικής ασφάλειας για τις εγκαταστάσεις αντιδραστήρων πυρηνικών σταθμών παραγωγής ενέργειας», σύμφωνα με τουλάχιστονένα από τα παρεχόμενα συστήματα διακοπής λειτουργίας αντιδραστήρα πρέπει να εκτελεί τη λειτουργία προστασίας έκτακτης ανάγκης (EP). Η προστασία έκτακτης ανάγκης πρέπει να περιλαμβάνει τουλάχιστον δύο ανεξάρτητες ομάδες στοιχείων εργασίας. Στο σήμα AZ, τα εξαρτήματα εργασίας AZ πρέπει να ενεργοποιούνται από οποιεσδήποτε θέσεις εργασίας ή ενδιάμεσες θέσεις.

Ο εξοπλισμός AZ πρέπει να αποτελείται από τουλάχιστον δύο ανεξάρτητα σετ.

Κάθε σετ εξοπλισμού ΑΖ πρέπει να είναι σχεδιασμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να παρέχεται προστασία στο εύρος μεταβολών της πυκνότητας ροής νετρονίων από 7% έως 120% της ονομαστικής:

1. Με πυκνότητα ροής νετρονίων - όχι λιγότερο από τρία ανεξάρτητα κανάλια.
2. Σύμφωνα με το ρυθμό αύξησης της πυκνότητας ροής νετρονίων - όχι λιγότερο από τρία ανεξάρτητα κανάλια.

Κάθε σύνολο εξοπλισμού προστασίας έκτακτης ανάγκης πρέπει να σχεδιάζεται κατά τρόπο ώστε, σε όλο το φάσμα των αλλαγών στις τεχνολογικές παραμέτρους που καθορίζονται στο σχεδιασμό της μονάδας αντιδραστήρα (RP), η προστασία έκτακτης ανάγκης να παρέχεται από τουλάχιστον τρία ανεξάρτητα κανάλια για κάθε τεχνολογική παράμετρο για την οποία απαιτείται προστασία.

Οι εντολές ελέγχου κάθε σετ για ενεργοποιητές AZ πρέπει να μεταδίδονται μέσω τουλάχιστον δύο καναλιών. Όταν ένα κανάλι σε ένα από τα σετ εξοπλισμού AZ τεθεί εκτός λειτουργίας χωρίς να τεθεί εκτός λειτουργίας αυτό το σετ, θα πρέπει να δημιουργηθεί αυτόματα ένα σήμα συναγερμού για αυτό το κανάλι.

Η προστασία έκτακτης ανάγκης πρέπει να ενεργοποιείται τουλάχιστον στις ακόλουθες περιπτώσεις:

1. Μόλις φτάσετε στη ρύθμιση AZ για την πυκνότητα ροής νετρονίων.
2. Μόλις φτάσετε στη ρύθμιση AZ για το ρυθμό αύξησης της πυκνότητας ροής νετρονίων.
3. Εάν η τάση εξαφανιστεί σε οποιοδήποτε σετ εξοπλισμού προστασίας έκτακτης ανάγκης και στους διαύλους τροφοδοσίας CPS που δεν έχουν τεθεί εκτός λειτουργίας.
4. Σε περίπτωση αστοχίας οποιωνδήποτε δύο από τα τρία κανάλια προστασίας για την πυκνότητα ροής νετρονίων ή για το ρυθμό αύξησης της ροής νετρονίων σε οποιοδήποτε σύνολο εξοπλισμού AZ που δεν έχει τεθεί εκτός λειτουργίας.
5. Όταν οι ρυθμίσεις AZ επιτυγχάνονται από τις τεχνολογικές παραμέτρους για τις οποίες πρέπει να πραγματοποιηθεί προστασία.
6. Κατά την ενεργοποίηση του AZ από ένα κλειδί από ένα σημείο ελέγχου μπλοκ (BCP) ή ένα σημείο ελέγχου φύλαξης (RCP).

Ίσως κάποιος μπορεί να εξηγήσει συνοπτικά με ακόμη λιγότερο επιστημονικό τρόπο πώς ξεκινά να λειτουργεί μια μονάδα πυρηνικού σταθμού; :-)

Θυμηθείτε ένα θέμα όπως Το αρχικό άρθρο βρίσκεται στον ιστότοπο InfoGlaz.rfΣύνδεσμος προς το άρθρο από το οποίο δημιουργήθηκε αυτό το αντίγραφο -

Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες έχουν μια δουλειά: να διαχωρίζουν τα άτομα σε μια ελεγχόμενη αντίδραση και να χρησιμοποιούν την απελευθερωμένη ενέργεια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για πολλά χρόνια, οι αντιδραστήρες θεωρούνταν ταυτόχρονα ως θαύμα και ως απειλή.

Όταν ο πρώτος εμπορικός αντιδραστήρας των ΗΠΑ κυκλοφόρησε στο Shippingport της Πενσυλβάνια το 1956, η τεχνολογία χαιρετίστηκε ως η πηγή ενέργειας του μέλλοντος και ορισμένοι πίστευαν ότι οι αντιδραστήρες θα έκαναν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας πολύ φθηνή. Επί του παρόντος, έχουν κατασκευαστεί 442 σε όλο τον κόσμο. πυρηνικός αντιδραστήρας, περίπου το ένα τέταρτο αυτών των αντιδραστήρων βρίσκονται στις Ηνωμένες Πολιτείες. Ο κόσμος έχει γίνει εξαρτημένος από πυρηνικούς αντιδραστήρες, οι οποίοι παράγουν το 14 τοις εκατό της ηλεκτρικής του ενέργειας. Οι φουτουριστές φαντασιώνονταν ακόμη και τα πυρηνικά αυτοκίνητα.

Όταν ο αντιδραστήρας Μονάδας 2 στο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας Three Mile Island στην Πενσυλβάνια παρουσίασε βλάβη στο σύστημα ψύξης και μερική κατάρρευση του ραδιενεργού καυσίμου του το 1979, τα θερμά συναισθήματα για τους αντιδραστήρες άλλαξαν ριζικά. Παρόλο που ο κατεστραμμένος αντιδραστήρας περιορίστηκε και δεν εκπέμπεται σοβαρή ακτινοβολία, πολλοί άνθρωποι άρχισαν να θεωρούν τους αντιδραστήρες ως πολύ περίπλοκους και ευάλωτους, με δυνητικά καταστροφικές συνέπειες. Οι άνθρωποι ανησυχούσαν επίσης για τα ραδιενεργά απόβλητα από τους αντιδραστήρες. Ως αποτέλεσμα, η κατασκευή νέων πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής στις Ηνωμένες Πολιτείες έχει σταματήσει. Όταν συνέβη ένα σοβαρότερο ατύχημα στις Πυρηνικός σταθμός του Τσερνομπίλστη Σοβιετική Ένωση το 1986, η πυρηνική ενέργεια φαινόταν καταδικασμένη.

Όμως, στις αρχές της δεκαετίας του 2000, οι πυρηνικοί αντιδραστήρες άρχισαν να επιστρέφουν, χάρη στις αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις και τη μείωση των αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων, καθώς και στις αυξανόμενες ανησυχίες για την κλιματική αλλαγή που προκύπτει από τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα.

Αλλά τον Μάρτιο του 2011, συνέβη μια άλλη κρίση - αυτή τη φορά ο πυρηνικός σταθμός Fukushima 1 στην Ιαπωνία υπέστη σοβαρές ζημιές από σεισμό.

Χρήση πυρηνικής αντίδρασης

Με απλά λόγια, ένας πυρηνικός αντιδραστήρας διασπά τα άτομα και απελευθερώνει την ενέργεια που συγκρατεί τα μέρη τους ενωμένα.

Αν έχετε ξεχάσει τη φυσική γυμνάσιο, θα σας υπενθυμίσουμε πώς πυρηνική διάσπασηεργοστάσιο. Τα άτομα είναι σαν μικροσκοπικά ηλιακά συστήματα, με πυρήνα σαν τον Ήλιο και ηλεκτρόνια σαν πλανήτες σε τροχιά γύρω του. Ο πυρήνας αποτελείται από σωματίδια που ονομάζονται πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους. Η δύναμη που δεσμεύει τα στοιχεία του πυρήνα είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς. Είναι πολλές δισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από τη δύναμη της βαρύτητας. Παρά αυτή την τεράστια δύναμη, είναι δυνατό να διαιρεθεί ένας πυρήνας - εκτοξεύοντας νετρόνια σε αυτόν. Όταν γίνει αυτό, θα απελευθερωθεί πολλή ενέργεια. Όταν τα άτομα διασπώνται, τα σωματίδια τους συντρίβονται σε κοντινά άτομα, χωρίζοντάς τα, και αυτά, με τη σειρά τους, είναι τα επόμενα, τα επόμενα και τα επόμενα. Υπάρχει ένα λεγόμενο αλυσιδωτή αντίδραση.

Το ουράνιο, ένα στοιχείο με μεγάλα άτομα, είναι ιδανικό για τη διαδικασία σχάσης επειδή η δύναμη που δεσμεύει τα σωματίδια του πυρήνα του είναι σχετικά ασθενής σε σύγκριση με άλλα στοιχεία. Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούν ένα συγκεκριμένο ισότοπο που ονομάζεται Uέτρεξε-235 . Το ουράνιο-235 είναι σπάνιο στη φύση, με το μετάλλευμα από ορυχεία ουρανίου να περιέχει μόνο περίπου 0,7% Ουράνιο-235. Αυτός είναι ο λόγος που χρησιμοποιούνται αντιδραστήρες εμπλουτισμένοςUπληγές, το οποίο δημιουργείται με το διαχωρισμό και τη συμπύκνωση του ουρανίου-235 μέσω μιας διαδικασίας διάχυσης αερίου.

Μια διαδικασία αλυσιδωτής αντίδρασης μπορεί να δημιουργηθεί σε ατομική βόμβα, παρόμοια με αυτά που έπεσαν στις ιαπωνικές πόλεις Χιροσίμα και Ναγκασάκι κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου. Αλλά σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα, η αλυσιδωτή αντίδραση ελέγχεται με την εισαγωγή ράβδων ελέγχου κατασκευασμένων από υλικά όπως το κάδμιο, το άφνιο ή το βόριο που απορροφούν μερικά από τα νετρόνια. Αυτό εξακολουθεί να επιτρέπει στη διαδικασία σχάσης να απελευθερώσει αρκετή ενέργεια για να θερμάνει το νερό σε περίπου 270 βαθμούς Κελσίου και να το μετατρέψει σε ατμό, ο οποίος χρησιμοποιείται για την περιστροφή των στροβίλων του σταθμού παραγωγής ενέργειας και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Βασικά, σε αυτήν την περίπτωση, μια ελεγχόμενη πυρηνική βόμβα λειτουργεί αντί για άνθρακα για τη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας, με τη διαφορά ότι η ενέργεια για να βράσει το νερό προέρχεται από τη διάσπαση των ατόμων αντί της καύσης άνθρακα.

Εξαρτήματα πυρηνικών αντιδραστήρων

Υπάρχουν αρκετές διάφορα είδηπυρηνικούς αντιδραστήρες, αλλά όλοι έχουν κάποιους γενικά χαρακτηριστικά. Όλα διαθέτουν σφαιρίδια ραδιενεργού καυσίμου - συνήθως οξείδιο ουρανίου - τα οποία είναι διατεταγμένα σε σωλήνες για να σχηματίσουν ράβδους καυσίμου στο ενεργές ζώνεςμιαντιδραστήρας.

Ο αντιδραστήρας έχει επίσης τα προαναφερθέντα διαχειριστέςμιράβδοςΚαι- κατασκευασμένο από υλικό απορρόφησης νετρονίων όπως κάδμιο, άφνιο ή βόριο, το οποίο εισάγεται για να ελέγξει ή να σταματήσει μια αντίδραση.

Ο αντιδραστήρας έχει επίσης μεσολαβητής, μια ουσία που επιβραδύνει τα νετρόνια και βοηθά στον έλεγχο της διαδικασίας σχάσης. Οι περισσότεροι αντιδραστήρες στις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποιούν συνηθισμένο νερό, αλλά οι αντιδραστήρες σε άλλες χώρες χρησιμοποιούν μερικές φορές γραφίτη ή βαρύςεκπληκτική επιτυχίανερόστο, στο οποίο το υδρογόνο αντικαθίσταται από δευτέριο, ένα ισότοπο υδρογόνου με ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. Ένα άλλο σημαντικό μέρος του συστήματος είναι ψύξηωυγρόσι, συνήθως συνηθισμένο νερό, το οποίο απορροφά και μεταφέρει θερμότητα από τον αντιδραστήρα για να δημιουργήσει ατμό για την περιστροφή της τουρμπίνας και ψύχει την περιοχή του αντιδραστήρα έτσι ώστε να μην φτάσει στη θερμοκρασία στην οποία θα λιώσει το ουράνιο (περίπου 3815 βαθμούς Κελσίου).

Τέλος, ο αντιδραστήρας περικλείεται μέσα κοχύλιαστο, μια μεγάλη, βαριά κατασκευή, συνήθως πάχους πολλών μέτρων, κατασκευασμένη από χάλυβα και σκυρόδεμα που κρατά ραδιενεργά αέρια και υγρά μέσα όπου δεν μπορούν να βλάψουν κανέναν.

Υπάρχουν ένας αριθμός διάφορα σχέδιααντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται, αλλά ένας από τους πιο συνηθισμένους είναι αντιδραστήρας ενέργειας υπό πίεση νερού (VVER). Σε έναν τέτοιο αντιδραστήρα, το νερό ωθείται σε επαφή με τον πυρήνα και στη συνέχεια παραμένει εκεί υπό τέτοια πίεση που δεν μπορεί να μετατραπεί σε ατμό. Αυτό το νερό στη συνέχεια έρχεται σε επαφή με νερό χωρίς πίεση στη γεννήτρια ατμού, η οποία μετατρέπεται σε ατμό, ο οποίος περιστρέφει τους στρόβιλους. Υπάρχει και σχέδιο αντιδραστήρας τύπου καναλιού υψηλής ισχύος (RBMK)με ένα κύκλωμα νερού και γρήγορος αντιδραστήρας νετρονίωνμε δύο κυκλώματα νατρίου και ένα νερό.

Πόσο ασφαλής είναι ένας πυρηνικός αντιδραστήρας;

Η απάντηση σε αυτήν την ερώτηση είναι αρκετά δύσκολη και εξαρτάται από το ποιον ρωτάτε και πώς ορίζετε το "ασφαλές". Ανησυχείτε για την ακτινοβολία ή τα ραδιενεργά απόβλητα που παράγονται στους αντιδραστήρες; Ή σας ανησυχεί περισσότερο η πιθανότητα ενός καταστροφικού ατυχήματος; Τι βαθμό κινδύνου θεωρείτε αποδεκτό συμβιβασμό για τα οφέλη της πυρηνικής ενέργειας; Και κατά πόσο εμπιστεύεστε την κυβέρνηση και την πυρηνική ενέργεια;

Η «ακτινοβολία» είναι ένα ισχυρό επιχείρημα, κυρίως επειδή όλοι γνωρίζουμε ότι μεγάλες δόσεις ακτινοβολίας, όπως από μια πυρηνική βόμβα, μπορούν να σκοτώσουν πολλές χιλιάδες ανθρώπους.

Οι υποστηρικτές της πυρηνικής ενέργειας, ωστόσο, επισημαίνουν ότι όλοι είμαστε τακτικά εκτεθειμένοι σε ακτινοβολία από διάφορες πηγές, συμπεριλαμβανομένων των κοσμικών ακτίνων και της φυσικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τη Γη. Η μέση ετήσια δόση ακτινοβολίας είναι περίπου 6,2 millisieverts (mSv), το μισό από φυσικές πηγές και το μισό από ανθρωπογενείς πηγές, που κυμαίνονται από ακτινογραφίες θώρακα, ανιχνευτές καπνού και φωτεινά ρολόγια. Πόση ακτινοβολία λαμβάνουμε από τους πυρηνικούς αντιδραστήρες; Μόνο ένα μικρό κλάσμα του ποσοστού της τυπικής ετήσιας έκθεσής μας είναι 0,0001 mSv.

Ενώ όλοι οι πυρηνικοί σταθμοί αναπόφευκτα διαρρέουν μικρές ποσότητες ακτινοβολίας, οι ρυθμιστικές επιτροπές υποχρεώνουν τους χειριστές των εγκαταστάσεων να τηρούν αυστηρές απαιτήσεις. Δεν μπορούν να εκθέσουν τους ανθρώπους που ζουν γύρω από το εργοστάσιο σε περισσότερο από 1 mSv ακτινοβολίας ετησίως και οι εργαζόμενοι στο εργοστάσιο έχουν όριο 50 mSv ετησίως. Αυτό μπορεί να φαίνεται πολύ, αλλά σύμφωνα με τη Ρυθμιστική Επιτροπή Πυρηνικών, δεν υπάρχουν ιατρικές αποδείξεις ότι οι ετήσιες δόσεις ακτινοβολίας κάτω των 100 mSv ενέχουν κινδύνους για την ανθρώπινη υγεία.

Αλλά είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι δεν συμφωνούν όλοι με αυτήν την αυτάρεσκη εκτίμηση των κινδύνων ραδιενέργειας. Για παράδειγμα, οι Γιατροί για την Κοινωνική Ευθύνη, μακροχρόνιος επικριτής της πυρηνικής βιομηχανίας, μελέτησαν παιδιά που ζούσαν γύρω από γερμανικούς πυρηνικούς σταθμούς. Η μελέτη διαπίστωσε ότι οι άνθρωποι που ζούσαν σε απόσταση 5 χιλιομέτρων από εγκαταστάσεις είχαν διπλάσιο κίνδυνο να προσβληθούν από λευχαιμία σε σύγκριση με όσους ζούσαν μακριά από πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής.

Απόβλητα πυρηνικών αντιδραστήρων

Η πυρηνική ενέργεια διαφημίζεται από τους υποστηρικτές της ως «καθαρή» ενέργεια επειδή ο αντιδραστήρας δεν εκπέμπει μεγάλες ποσότητες αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα σε σύγκριση με τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα. Οι κριτικοί όμως επισημαίνουν κάτι άλλο περιβαλλοντικό πρόβλημα— διάθεση πυρηνικών αποβλήτων. Ορισμένα από τα αναλωμένα καύσιμα από τους αντιδραστήρες εξακολουθούν να απελευθερώνουν ραδιενέργεια. Άλλο περιττό υλικό που πρέπει να σωθεί είναι πυρηνικά απόβλητα υψηλό επίπεδο , ένα υγρό υπόλειμμα από την επανεπεξεργασία αναλωμένου καυσίμου, στο οποίο παραμένει μέρος του ουρανίου. Αυτήν τη στιγμή, τα περισσότερα από αυτά τα απόβλητα αποθηκεύονται τοπικά στο πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγήςσε λίμνες νερού που απορροφούν μέρος της εναπομένουσας θερμότητας που παράγεται από τα αναλωμένα καύσιμα και βοηθούν τους εργαζόμενους στην προστασία από την έκθεση στην ακτινοβολία

Ένα από τα προβλήματα με το αναλωθέν πυρηνικό καύσιμο είναι ότι έχει αλλοιωθεί από τη διαδικασία σχάσης Όταν τα μεγάλα άτομα ουρανίου χωρίζονται, δημιουργούν υποπροϊόντα — ραδιενεργά ισότοπα πολλών ελαφρών στοιχείων όπως το καίσιο-137 και το στρόντιο-90, που ονομάζονται. προϊόντα σχάσης. Είναι ζεστά και εξαιρετικά ραδιενεργά, αλλά τελικά, σε μια περίοδο 30 ετών, διασπώνται σε λιγότερο επικίνδυνες μορφές. Αυτή η περίοδος καλείται γι' αυτούς nπερίοδοςωμημιζωή. Άλλα ραδιενεργά στοιχεία θα έχουν διαφορετικούς χρόνους ημιζωής. Επιπλέον, ορισμένα άτομα ουρανίου δεσμεύουν επίσης νετρόνια, σχηματίζοντας βαρύτερα στοιχεία όπως το πλουτώνιο. Αυτά τα στοιχεία υπερουρανίου δεν δημιουργούν τόση θερμότητα ή διεισδυτική ακτινοβολία όπως τα προϊόντα σχάσης, αλλά χρειάζονται πολύ περισσότερο χρόνο για να διασπαστούν. Το πλουτώνιο-239, για παράδειγμα, έχει χρόνο ημιζωής 24.000 χρόνια.

Αυτοί ραδιενεργόςμιαπόβληταμικρό υψηλό επίπεδοτων αντιδραστήρων είναι επικίνδυνοι για τον άνθρωπο και άλλες μορφές ζωής, επειδή μπορούν να απελευθερώσουν τεράστιες, θανατηφόρες δόσεις ακτινοβολίας ακόμη και από μια σύντομη έκθεση. Δέκα χρόνια μετά την αφαίρεση του εναπομείναντος καυσίμου από έναν αντιδραστήρα, για παράδειγμα, εκπέμπουν 200 φορές περισσότερη ραδιενέργεια την ώρα από ό,τι θα χρειαζόταν για να σκοτώσει έναν άνθρωπο. Και αν τα απόβλητα καταλήξουν σε υπόγεια ύδαταή ποτάμια, μπορούν να εισέλθουν στην τροφική αλυσίδα και να θέσουν σε κίνδυνο μεγάλο αριθμό ανθρώπων.

Επειδή τα απόβλητα είναι τόσο επικίνδυνα, πολλοί άνθρωποι βρίσκονται σε δύσκολη κατάσταση. 60.000 τόνοι απορριμμάτων βρίσκονται σε πυρηνικούς σταθμούς που βρίσκονται κοντά μεγάλες πόλεις. Αλλά η εύρεση ενός ασφαλούς μέρους για την αποθήκευση των απορριμμάτων δεν είναι εύκολη.

Τι μπορεί να πάει στραβά με έναν πυρηνικό αντιδραστήρα;

Με τις κυβερνητικές ρυθμιστικές αρχές να ανατρέχουν στην εμπειρία τους, οι μηχανικοί έχουν αφιερώσει πολύ χρόνο όλα αυτά τα χρόνια σχεδιάζοντας αντιδραστήρες για βέλτιστη ασφάλεια. Απλώς δεν χαλάνε, δεν λειτουργούν σωστά και έχουν εφεδρικά μέτρα ασφαλείας αν κάτι δεν πάει σύμφωνα με το σχέδιο. Ως αποτέλεσμα, χρόνο με το χρόνο, οι πυρηνικοί σταθμοί φαίνονται αρκετά ασφαλείς σε σύγκριση, ας πούμε, με τα αεροπορικά ταξίδια, τα οποία σκοτώνουν τακτικά μεταξύ 500 και 1.100 ανθρώπων ετησίως σε όλο τον κόσμο.

Ωστόσο, οι πυρηνικοί αντιδραστήρες υφίστανται μεγάλες βλάβες. Στη διεθνή κλίμακα πυρηνικών γεγονότων, η οποία βαθμολογεί τα ατυχήματα σε αντιδραστήρες από 1 έως 7, έχουν σημειωθεί πέντε ατυχήματα από το 1957 με ποσοστό από 5 έως 7.

Ο χειρότερος εφιάλτης είναι η βλάβη του συστήματος ψύξης, η οποία οδηγεί σε υπερθέρμανση του καυσίμου. Το καύσιμο μετατρέπεται σε υγρό και στη συνέχεια καίγεται μέσω του περιβλήματος, απελευθερώνοντας ραδιενεργή ακτινοβολία. Το 1979, η Μονάδα 2 στον πυρηνικό σταθμό Three Mile Island (ΗΠΑ) βρισκόταν στα πρόθυρα αυτού του σεναρίου. Ευτυχώς, ένα καλά σχεδιασμένο σύστημα περιορισμού ήταν αρκετά ισχυρό για να σταματήσει τη διαφυγή της ακτινοβολίας.

Η ΕΣΣΔ ήταν λιγότερο τυχερή. Ένα σοβαρό πυρηνικό ατύχημα συνέβη τον Απρίλιο του 1986 στην 4η μονάδα ισχύος στον πυρηνικό σταθμό του Τσερνομπίλ. Αυτό προκλήθηκε από έναν συνδυασμό αστοχιών συστήματος, ελαττωμάτων σχεδιασμού και ανεπαρκώς εκπαιδευμένου προσωπικού. Κατά τη διάρκεια ενός ελέγχου ρουτίνας, η αντίδραση εντάθηκε ξαφνικά και οι ράβδοι ελέγχου μπλοκαρίστηκαν, αποτρέποντας έκτακτη διακοπή λειτουργίας. Η ξαφνική συσσώρευση ατμού προκάλεσε δύο θερμικές εκρήξεις, πετώντας τον γραφίτη μετριαστή του αντιδραστήρα στον αέρα. Ελλείψει τίποτα που να ψύχει τις ράβδους καυσίμου του αντιδραστήρα, άρχισαν να υπερθερμαίνονται και να καταρρέουν εντελώς, με αποτέλεσμα το καύσιμο να πάρει υγρή μορφή. Πολλοί εργάτες του σταθμού και εκκαθαριστές ατυχημάτων πέθαναν. Μεγάλη ποσότητα ακτινοβολίας εξαπλώθηκε σε μια περιοχή 323.749 τετραγωνικών χιλιομέτρων. Ο αριθμός των θανάτων που προκαλούνται από την ακτινοβολία είναι ακόμα ασαφής, αλλά ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας λέει ότι μπορεί να προκάλεσε 9.000 θανάτους από καρκίνο.

Οι κατασκευαστές πυρηνικών αντιδραστήρων παρέχουν εγγυήσεις με βάση πιθανολογική εκτίμησημι, στο οποίο προσπαθούν να εξισορροπήσουν την πιθανή βλάβη ενός γεγονότος με την πιθανότητα να συμβεί πραγματικά. Ωστόσο, ορισμένοι κριτικοί λένε ότι θα πρέπει να προετοιμαστούν για σπάνια, απροσδόκητα αλλά άκρως επικίνδυνα γεγονότα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το ατύχημα τον Μάρτιο του 2011 στις πυρηνικό εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής Fukushima 1 στην Ιαπωνία. Ο σταθμός φέρεται να σχεδιάστηκε για να αντέχει σε έναν ισχυρό σεισμό, αλλά όχι τόσο καταστροφικό όσο ο σεισμός 9,0 Ρίχτερ που έστειλε ένα κύμα τσουνάμι 14 μέτρων πάνω από αναχώματα σχεδιασμένα να αντέχουν ένα κύμα 5,4 μέτρων. Η επίθεση του τσουνάμι κατέστρεψε τις εφεδρικές γεννήτριες ντίζελ που προορίζονταν να τροφοδοτήσουν το σύστημα ψύξης των έξι αντιδραστήρων του εργοστασίου σε περίπτωση διακοπής ρεύματος. Έτσι, ακόμη και μετά τη διακοπή της σχάσης των αντιδραστήρων της Φουκουσίμα, το καύσιμο που ήταν ακόμα ζεστό επέτρεψε τις θερμοκρασίες. να υψωθούν επικίνδυνα μέσα στους κατεστραμμένους αντιδραστήρες.

Οι Ιάπωνες αξιωματούχοι κατέφυγαν σε μια έσχατη λύση - πλημμύρισαν τους αντιδραστήρες με μια τεράστια ποσότητα θαλασσινού νερού με την προσθήκη βορικού οξέος, το οποίο ήταν σε θέση να αποτρέψει μια καταστροφή, αλλά κατέστρεψε τον εξοπλισμό του αντιδραστήρα. Τελικά, με τη βοήθεια πυροσβεστικών οχημάτων και φορτηγίδων, οι Ιάπωνες μπόρεσαν να αντλήσουν γλυκό νερόσε αντιδραστήρες. Αλλά μέχρι τότε, η παρακολούθηση είχε ήδη δείξει ανησυχητικά επίπεδα ακτινοβολίας στη γύρω γη και στα νερά. Σε ένα χωριό 40 χλμ. από τον πυρηνικό σταθμό, το ραδιενεργό στοιχείο Καισίου-137 βρέθηκε σε επίπεδα πολύ υψηλότερα από ό,τι μετά την καταστροφή του Τσερνομπίλ, εγείροντας αμφιβολίες για την πιθανότητα ανθρώπινης κατοίκησης στην περιοχή.

Μια αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης συνοδεύεται πάντα από την απελευθέρωση τεράστιας ενέργειας. Η πρακτική χρήση αυτής της ενέργειας είναι το κύριο καθήκον ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.

Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας είναι μια συσκευή στην οποία λαμβάνει χώρα μια ελεγχόμενη ή ελεγχόμενη αντίδραση πυρηνικής σχάσης.

Με βάση την αρχή της λειτουργίας, οι πυρηνικοί αντιδραστήρες χωρίζονται σε δύο ομάδες: τους θερμικούς αντιδραστήρες νετρονίων και τους αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων.

Πώς λειτουργεί ένας πυρηνικός αντιδραστήρας θερμικών νετρονίων;

Ένας τυπικός πυρηνικός αντιδραστήρας έχει:

• Πυρήνας και συντονιστής.
• Ανακλαστήρας νετρονίων;
• Ψυκτικό;
• Σύστημα ελέγχου αλυσιδωτής αντίδρασης, προστασία έκτακτης ανάγκης.
• Σύστημα ελέγχου και ακτινοπροστασίας.
• Σύστημα τηλεχειρισμού.

1 - ενεργή ζώνη. 2 - ανακλαστήρας? 3 - προστασία. 4 - ράβδοι ελέγχου. 5 - ψυκτικό? 6 - αντλίες? 7 - εναλλάκτης θερμότητας. 8 - στρόβιλος? 9 - γεννήτρια. 10 - πυκνωτής.

Πυρήνας και συντονιστής

Είναι στον πυρήνα που συμβαίνει μια ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης.

Οι περισσότεροι πυρηνικοί αντιδραστήρες λειτουργούν με βαριά ισότοπα ουρανίου-235. Αλλά σε φυσικά δείγματα μεταλλεύματος ουρανίου η περιεκτικότητά του είναι μόνο 0,72%. Αυτή η συγκέντρωση δεν είναι αρκετή για να αναπτυχθεί μια αλυσιδωτή αντίδραση. Ως εκ τούτου, το μετάλλευμα εμπλουτίζεται τεχνητά, ανεβάζοντας την περιεκτικότητα σε αυτό το ισότοπο στο 3%.

Το σχάσιμο υλικό, ή πυρηνικό καύσιμο, με τη μορφή δισκίων τοποθετείται σε ερμητικά σφραγισμένες ράβδους, οι οποίες ονομάζονται ράβδοι καυσίμου (στοιχεία καυσίμου). Διαπερνούν ολόκληρη την ενεργή ζώνη γεμάτη μεσολαβητήςνετρόνια.

Γιατί χρειάζεται ένας συντονιστής νετρονίων σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα;

Το γεγονός είναι ότι τα νετρόνια που γεννήθηκαν μετά τη διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου-235 έχουν πολύ υψηλή ταχύτητα. Η πιθανότητα σύλληψής τους από άλλους πυρήνες ουρανίου είναι εκατοντάδες φορές μικρότερη από την πιθανότητα σύλληψης αργών νετρονίων. Και αν η ταχύτητά τους δεν μειωθεί, η πυρηνική αντίδραση μπορεί να εξαφανιστεί με την πάροδο του χρόνου. Ο συντονιστής λύνει το πρόβλημα της μείωσης της ταχύτητας των νετρονίων. Εάν το νερό ή ο γραφίτης τοποθετηθεί στη διαδρομή των γρήγορων νετρονίων, η ταχύτητά τους μπορεί να μειωθεί τεχνητά και έτσι να αυξηθεί ο αριθμός των σωματιδίων που συλλαμβάνονται από τα άτομα. Ταυτόχρονα, μια αλυσιδωτή αντίδραση στον αντιδραστήρα θα απαιτήσει λιγότερο πυρηνικό καύσιμο.

Ως αποτέλεσμα της διαδικασίας επιβράδυνσης, θερμικά νετρόνια, η ταχύτητα του οποίου είναι σχεδόν ίση με την ταχύτητα της θερμικής κίνησης των μορίων αερίου σε θερμοκρασία δωματίου.

Το νερό, το βαρύ νερό (οξείδιο του δευτερίου D 2 O), το βηρύλλιο και ο γραφίτης χρησιμοποιούνται ως μέσο μετριασμού στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Αλλά ο καλύτερος συντονιστής είναι το βαρύ νερό D2O.

Ανακλαστήρας νετρονίων

Για να αποφευχθεί η διαρροή νετρονίων στο περιβάλλον, ο πυρήνας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα περιβάλλεται από ανακλαστήρας νετρονίων. Το υλικό που χρησιμοποιείται για τους ανακλαστήρες είναι συχνά το ίδιο με τους συντονιστές.

Ψυκτικό

Η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια μιας πυρηνικής αντίδρασης απομακρύνεται χρησιμοποιώντας ψυκτικό. Το συνηθισμένο φυσικό νερό, που προηγουμένως είχε καθαριστεί από διάφορες ακαθαρσίες και αέρια, χρησιμοποιείται συχνά ως ψυκτικό υγρό σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Επειδή όμως το νερό βράζει ήδη σε θερμοκρασία 100 0 C και πίεση 1 atm, για να αυξηθεί το σημείο βρασμού, αυξάνεται η πίεση στο κύκλωμα του πρωτεύοντος ψυκτικού. Το νερό του πρωτεύοντος κυκλώματος που κυκλοφορεί μέσω του πυρήνα του αντιδραστήρα πλένει τις ράβδους καυσίμου, θερμαίνοντας σε θερμοκρασία 320 0 C. Στη συνέχεια, μέσα στον εναλλάκτη θερμότητας, εκπέμπει θερμότητα στο νερό του δευτερεύοντος κυκλώματος. Η ανταλλαγή πραγματοποιείται μέσω σωλήνων ανταλλαγής θερμότητας, επομένως δεν υπάρχει επαφή με το νερό του δευτερεύοντος κυκλώματος. Αυτό αποτρέπει την είσοδο ραδιενεργών ουσιών στο δεύτερο κύκλωμα του εναλλάκτη θερμότητας.

Και τότε όλα γίνονται όπως σε ένα θερμοηλεκτρικό σταθμό. Το νερό στο δεύτερο κύκλωμα μετατρέπεται σε ατμό. Ο ατμός περιστρέφει έναν στρόβιλο, ο οποίος κινεί μια ηλεκτρική γεννήτρια, η οποία παράγει ηλεκτρικό ρεύμα.

Στους αντιδραστήρες βαρέος νερού, το ψυκτικό υγρό είναι βαρύ νερό D2O και σε αντιδραστήρες με υγρά ψυκτικά μετάλλων είναι λιωμένο μέταλλο.

Σύστημα ελέγχου αλυσιδωτής αντίδρασης

Η τρέχουσα κατάσταση του αντιδραστήρα χαρακτηρίζεται από μια ποσότητα που ονομάζεται αντιδραστικότητα.

ρ = ( k -1)/ κ ,

k = n i / n i -1 ,

Οπου κ – συντελεστής πολλαπλασιασμού νετρονίων,

n i - τον αριθμό των νετρονίων της επόμενης γενιάς στην αντίδραση πυρηνικής σχάσης,

n i -1 , - ο αριθμός των νετρονίων της προηγούμενης γενιάς στην ίδια αντίδραση.

Αν k ˃ 1 , η αλυσιδωτή αντίδραση μεγαλώνει, το σύστημα ονομάζεται υπερκρίσιμος y. Αν κ< 1 , η αλυσιδωτή αντίδραση πεθαίνει και το σύστημα καλείται υποκριτικό. Στο k = 1 ο αντιδραστήρας είναι μέσα σταθερή κρίσιμη κατάσταση, αφού ο αριθμός των σχάσιμων πυρήνων δεν αλλάζει. Σε αυτή την κατάσταση αντιδραστικότητα ρ = 0 .

Η κρίσιμη κατάσταση του αντιδραστήρα (ο απαιτούμενος συντελεστής πολλαπλασιασμού νετρονίων σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα) διατηρείται με κίνηση ράβδοι ελέγχου. Το υλικό από το οποίο κατασκευάζονται περιλαμβάνει απορροφητικές ουσίες νετρονίων. Με την επέκταση ή την ώθηση αυτών των ράβδων στον πυρήνα, ελέγχεται ο ρυθμός της αντίδρασης πυρηνικής σχάσης.

Το σύστημα ελέγχου παρέχει τον έλεγχο του αντιδραστήρα κατά την εκκίνηση του, την προγραμματισμένη διακοπή λειτουργίας, τη λειτουργία με ρεύμα, καθώς και προστασία έκτακτης ανάγκης του πυρηνικού αντιδραστήρα. Αυτό επιτυγχάνεται αλλάζοντας τη θέση των ράβδων ελέγχου.

Εάν κάποια από τις παραμέτρους του αντιδραστήρα (θερμοκρασία, πίεση, ρυθμός αύξησης ισχύος, κατανάλωση καυσίμου κ.λπ.) αποκλίνει από τον κανόνα και αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ατύχημα, ράβδοι έκτακτης ανάγκηςκαι η πυρηνική αντίδραση σταματά γρήγορα.

Βεβαιωθείτε ότι οι παράμετροι του αντιδραστήρα συμμορφώνονται με τα πρότυπα συστήματα ελέγχου και ακτινοπροστασίας.

Για προστασία περιβάλλογια προστασία από τη ραδιενεργή ακτινοβολία, ο αντιδραστήρας τοποθετείται σε ένα παχύ τσιμεντένιο περίβλημα.

Συστήματα τηλεχειρισμού

Όλα τα σήματα σχετικά με την κατάσταση του πυρηνικού αντιδραστήρα (θερμοκρασία ψυκτικού, επίπεδο ακτινοβολίας μέσα διαφορετικά μέρηαντιδραστήρας, κ.λπ.) αποστέλλονται στον πίνακα ελέγχου του αντιδραστήρα και υποβάλλονται σε επεξεργασία σε συστήματα υπολογιστών. Ο χειριστής λαμβάνει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες και συστάσεις για την εξάλειψη ορισμένων αποκλίσεων.

Γρήγοροι αντιδραστήρες

Η διαφορά μεταξύ των αντιδραστήρων αυτού του τύπου και των αντιδραστήρων θερμικών νετρονίων είναι ότι τα γρήγορα νετρόνια που προκύπτουν μετά τη διάσπαση του ουρανίου-235 δεν επιβραδύνονται, αλλά απορροφώνται από το ουράνιο-238 με την επακόλουθη μετατροπή του σε πλουτώνιο-239. Ως εκ τούτου, οι γρήγοροι αντιδραστήρες νετρονίων χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πλουτωνίου-239 και θερμικής ενέργειας οπλικής ποιότητας, την οποία οι γεννήτριες πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια.

Το πυρηνικό καύσιμο σε τέτοιους αντιδραστήρες είναι το ουράνιο-238 και η πρώτη ύλη είναι το ουράνιο-235.

Στο φυσικό μετάλλευμα ουρανίου, το 99,2745% είναι ουράνιο-238. Όταν ένα θερμικό νετρόνιο απορροφάται, δεν διασπάται, αλλά γίνεται ισότοπο του ουρανίου-239.

Λίγο καιρό μετά τη β-διάσπαση, το ουράνιο-239 μετατρέπεται σε πυρήνα ποσειδώνιο-239:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Μετά τη δεύτερη β-διάσπαση, σχηματίζεται σχάσιμο πλουτώνιο-239:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

Και τέλος, μετά την άλφα διάσπαση του πυρήνα του πλουτωνίου-239, λαμβάνεται το ουράνιο-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Ράβδοι καυσίμου με πρώτες ύλες (εμπλουτισμένο ουράνιο-235) βρίσκονται στον πυρήνα του αντιδραστήρα. Αυτή η ζώνη περιβάλλεται από μια ζώνη αναπαραγωγής, η οποία αποτελείται από ράβδους καυσίμου με καύσιμο (εξαντλημένο ουράνιο-238). Τα γρήγορα νετρόνια που εκπέμπονται από τον πυρήνα μετά τη διάσπαση του ουρανίου-235 συλλαμβάνονται από τους πυρήνες του ουρανίου-238. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται το πλουτώνιο-239. Έτσι, νέο πυρηνικό καύσιμο παράγεται σε ταχείς αντιδραστήρες νετρονίων.

Υγρά μέταλλα ή μείγματα αυτών χρησιμοποιούνται ως ψυκτικά σε ταχείς πυρηνικούς αντιδραστήρες νετρονίων.

Ταξινόμηση και εφαρμογή πυρηνικών αντιδραστήρων

Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται κυρίως σε πυρηνικούς σταθμούς. Με τη βοήθειά τους, ηλεκτρολογικά και θερμική ενέργεια V βιομηχανικής κλίμακας. Τέτοιοι αντιδραστήρες ονομάζονται ενέργεια .

Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται ευρέως στα συστήματα πρόωσης σύγχρονων πυρηνικών υποβρυχίων, πλοίων επιφανείας και στη διαστημική τεχνολογία. Προμηθεύουν ηλεκτρική ενέργειαονομάζονται μηχανές αντιδραστήρες μεταφοράς .

Για επιστημονική έρευναστην περιοχή πυρηνική φυσικήκαι η χημεία ακτινοβολίας χρησιμοποιούν ροές νετρονίων και γάμμα κβάντα, τα οποία λαμβάνονται στον πυρήνα ερευνητικούς αντιδραστήρες. Η ενέργεια που παράγεται από αυτά δεν ξεπερνά τα 100 MW και δεν χρησιμοποιείται για βιομηχανικούς σκοπούς.

Εξουσία πειραματικοί αντιδραστήρες ακόμη λιγότερο. Φτάνει σε τιμή μόνο μερικών kW. Αυτοί οι αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται για τη μελέτη διαφόρων φυσικές ποσότητες, η σημασία του οποίου είναι σημαντική στο σχεδιασμό των πυρηνικών αντιδράσεων.

ΝΑ βιομηχανικούς αντιδραστήρες περιλαμβάνουν αντιδραστήρες για την παραγωγή ραδιενεργών ισοτόπων που χρησιμοποιούνται για ιατρικούς σκοπούς, καθώς και σε διάφορους τομείς της βιομηχανίας και της τεχνολογίας. Οι αντιδραστήρες αφαλάτωσης θαλασσινού νερού ταξινομούνται επίσης ως βιομηχανικοί αντιδραστήρες.