Tuumareaktori reaktsioonikiirus. Tuumareaktor, tööpõhimõte, tuumareaktori töö

Tuumaenergia tootmine on kaasaegne ja kiiresti arenev elektrienergia tootmise meetod. Kas tead, kuidas tuumaelektrijaamad töötavad? Mis on tuumajaama tööpõhimõte? Mis tüüpi tuumareaktorid on tänapäeval olemas? Püüame üksikasjalikult läbi mõelda tuumajaama tööskeemi, süveneda tuumareaktori konstruktsiooni ja teada saada, kui ohutu on elektrienergia tootmise tuumameetod.

Iga jaam on suletud ala, mis on elamurajoonist kaugel. Selle territooriumil on mitu hoonet. Tähtsaim ehitis on reaktorihoone, selle kõrval on turbiiniruum, millest juhitakse reaktorit, ja ohutushoone.

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

Kogu reaktoriseade asub reaktorihoones, suures betoontornis, mis varjab reaktorit ja sisaldab õnnetuse korral kõiki tuumareaktsiooni saadusi. Seda suurt torni nimetatakse isolatsiooniks, hermeetiliseks kestaks või isolatsioonitsooniks.

Uute reaktorite hermeetilisel tsoonil on 2 paksu betoonseina - kestad.
80 cm paksune väliskest kaitseb isolatsioonitsooni välismõjude eest.

1 meeter 20 cm paksusel sisekestal on spetsiaalsed terastrossid, mis suurendavad betooni tugevust ligi kolm korda ja takistavad konstruktsiooni murenemist. KOOS sees see on vooderdatud õhukese spetsiaalsest terasest lehega, mis on mõeldud isolatsiooni täiendavaks kaitseks ja õnnetuse korral mitte reaktori sisu eraldamiseks väljaspool isolatsioonitsooni.

Selline tuumaelektrijaama konstruktsioon võimaldab taluda kuni 200 tonni kaaluvat lennuõnnetust, maavärinat magnituudiga 8, tornaadot ja tsunamit.

Esimene survestatud kest ehitati Ameerika Connecticuti Yankee tuumajaamas 1968. aastal.

Piirdetsooni kogukõrgus on 50-60 meetrit.

Millest tuumareaktor koosneb?

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

  • Aktiivne tsoon. See on ala, kuhu saate paigutada tuumakütus(soojusgeneraator) ja moderaator. Kütuseaatomid (enamasti on kütus uraan) läbivad ahellõhustumisreaktsiooni. Moderaator on mõeldud lõhustumisprotsessi juhtimiseks ja võimaldab vajalikku reaktsiooni kiiruse ja tugevuse osas.
  • Neutronide reflektor. Südamikku ümbritseb helkur. See koosneb samast materjalist, mis moderaator. Sisuliselt on tegemist kastiga, mille põhieesmärk on takistada neutronite tuumast väljumist ja keskkonda sattumist.
  • Jahutusvedelik. Jahutusvedelik peab absorbeerima kütuseaatomite lõhustumisel vabanevat soojust ja kandma selle üle teistele ainetele. Jahutusvedelik määrab suuresti tuumajaama projekteerimise. Tänapäeval on kõige populaarsem jahutusvedelik vesi.
    Reaktori juhtimissüsteem. Andurid ja mehhanismid, mis toidavad tuumaelektrijaama reaktorit.

Kütus tuumaelektrijaamadele

Millega tuumaelektrijaam töötab? Tuumaelektrijaamade kütus on radioaktiivsete omadustega keemilised elemendid. Kõigis tuumaelektrijaamades on see element uraan.

Jaamade konstruktsioon eeldab, et tuumaelektrijaamad töötavad keerulisel komposiitkütusel, mitte puhtal keemilisel elemendil. Ja tuumareaktorisse laaditavast looduslikust uraanist uraanikütuse eraldamiseks on vaja läbi viia palju manipuleerimisi.

Rikastatud uraan

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

Mida sel juhul teha? Nad otsustasid uraani rikastada. Uraani rikastamine on protsess, mille käigus jääb sellesse palju vajalikke 235x isotoope ja vähe tarbetuid 238x isotoope. Uraanirikastajate ülesanne on muuta 0,7% peaaegu 100% uraan-235-ks.

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

Uraani pulber

Rikastatud uraangaas muudetakse tahkeks olekuks - uraandioksiidiks. See puhas tahke uraan 235 paistab suurte valgete kristallidena, mis hiljem purustatakse uraanipulbriks.

Uraani tabletid

Uraanitabletid on paari sentimeetri pikkused tahked metallkettad. Selliste tablettide moodustamiseks uraanipulbrist segatakse see ainega - plastifikaatoriga, mis parandab tablettide pressimise kvaliteeti.

Pressitud litreid küpsetatakse temperatuuril 1200 kraadi Celsiuse järgi üle ööpäeva, et anda tablettidele eriline tugevus ja vastupidavus kõrgetele temperatuuridele. Tuumaelektrijaama tööpõhimõte sõltub otseselt uraanikütuse kokkusurumisest ja küpsetamisest.

Tablette küpsetatakse molübdeenkarpides, sest ainult see metall ei ole võimeline sulama üle pooleteise tuhande kraadise "põrguliku" temperatuuri juures. Pärast seda loetakse tuumaelektrijaamade uraanikütus valmis.

Mis on TVEL ja FA?

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

On võimatu lihtsalt kütust reaktorisse visata, kui just ei taha, et kogu jaam plahvataks ja õnnetus, mille tagajärjed oleksid paaris lähedalasuvas osariigis. Seetõttu asetatakse uraanikütus kütusevarrastesse ja kogutakse seejärel kütusesõlmedesse. Mida need lühendid tähendavad?

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

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

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

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

Põhimõtteliselt on tegemist mitme kütusevardaga, mis on omavahel kinnitatud. FA on valmis tuumakütus, millega tuumajaam töötab. Tuumareaktorisse laaditakse kütusekomplektid. Ühte reaktorisse on paigutatud umbes 150–400 kütusekomplekti.
Olenevalt reaktorist, milles kütusekomplektid töötavad, võivad need olla erinevad kujud. Mõnikord volditakse kimbud kuubikujuliseks, mõnikord silindriliseks, mõnikord kuusnurkseks.

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

Tuumajaamade kütuse toimetamiseks teistesse riikidesse suletakse kütusesõlmed pikkadesse ja laiadesse metalltorudesse, torudest pumbatakse õhk välja ja tarnitakse kaubalennukite pardal olevate spetsiaalsete masinatega.

Tuumaelektrijaamade tuumakütus kaalub meeletult palju, sest... uraan on üks raskemaid metalle planeedil. Selle erikaal on 2,5 korda suurem kui terasel.

Tuumaelektrijaam: tööpõhimõte

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

ON TÄHTIS TEADA:

Tuumafüüsika keerukustesse laskumata näeb tuumajaama tööpõhimõte välja järgmine:
Pärast tuumareaktori käivitamist eemaldatakse kütusevarrastelt absorbervardad, mis takistavad uraani reageerimist.

Kui vardad on eemaldatud, hakkavad uraani neutronid üksteisega suhtlema.

Kui neutronid põrkuvad, toimub aatomitasandil miniplahvatus, eraldub energia ja sünnivad uued neutronid, asjad hakkavad juhtuma ahelreaktsioon. See protsess tekitab soojust.

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

Turbiin käitab elektrigeneraatorit. Tema on see, kes tegelikult genereerib elektrivoolu.

Kui te protsessi ei jälgi, võivad uraani neutronid omavahel kokku põrgata, kuni plahvatavad reaktori ja purustavad kogu tuumajaama puruks. Protsessi juhivad arvutiandurid. Need tuvastavad temperatuuri tõusu või rõhu muutuse reaktoris ja võivad reaktsioonid automaatselt peatada.

Mille poolest erineb tuumaelektrijaamade tööpõhimõte soojuselektrijaamadest (soojuselektrijaamadest)?

Töös on erinevusi ainult esimestel etappidel. Tuumaelektrijaamas saab jahutusvedelik soojust uraanikütuse aatomite lõhustumisest, jahutusvedelik saab soojust orgaanilise kütuse (kivisüsi, gaas või õli) põlemisel. Pärast seda, kui uraani aatomid või gaas ja kivisüsi on soojust eraldanud, on tuumaelektrijaamade ja soojuselektrijaamade tööskeemid samad.

Tuumareaktorite tüübid

See, kuidas tuumaelektrijaam töötab, sõltub täpselt sellest, kuidas selle tuumareaktor töötab. Tänapäeval on kaks peamist tüüpi reaktoreid, mis klassifitseeritakse neuronite spektri järgi:
Aeglane neutronreaktor, mida nimetatakse ka termiliseks reaktoriks.

Selle tööks kasutatakse uraan 235, mis läbib rikastamise, uraanigraanulite valmistamise jne etapid. Tänapäeval kasutab valdav enamus reaktoreid aeglaseid neutroneid.
Kiire neutronreaktor.

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

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

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

IAEA organisatsioon (International Atomic Energy Agency) on loonud oma klassifikatsiooni, mida kasutatakse kõige sagedamini ülemaailmses tuumaenergiatööstuses. Kuna tuumajaama tööpõhimõte sõltub suuresti jahutusvedeliku ja aeglusti valikust, siis nendest erinevustest lähtus ka IAEA klassifitseerimisel.


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

Mõned faktid tuumareaktorite kohta...

Huvitav, et ühe tuumajaama reaktori ehitamine võtab aega vähemalt 3 aastat!
Reaktori ehitamiseks on vaja seadmeid, mis töötavad elektrivool 210 kilo amprit, mis on miljon korda suurem kui vool, mis võib inimese tappa.

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

Survevee reaktor

Oleme juba avastanud, kuidas tuumaelektrijaam üldiselt töötab, et kõike perspektiivi panna, vaatame, kuidas töötab kõige populaarsem survevee tuumareaktor.
Tänapäeval kasutatakse kõikjal maailmas 3+ põlvkonna surveveereaktoreid. Neid peetakse kõige usaldusväärsemaks ja ohutumaks.

Kõik maailma surveveereaktorid on kõigi oma tööaastate jooksul kogunud juba üle 1000 aasta tõrgeteta tööd ega ole kunagi andnud tõsiseid kõrvalekaldeid.

Surveveereaktoreid kasutavate tuumaelektrijaamade struktuur eeldab, et kütusevarraste vahel ringleb 320 kraadini kuumutatud destilleeritud vesi. Vältimaks selle aurustumist, hoitakse seda 160 atmosfääri rõhu all. Tuumaelektrijaama diagrammil nimetatakse seda primaarahela veeks.

Kuumutatud vesi siseneb aurugeneraatorisse ja loovutab oma soojuse sekundaarringi veele, misjärel “naaseb” uuesti reaktorisse. Väliselt tundub, et esimese ahela veetorud on kontaktis teiste torudega - teise ahela veega, need annavad soojust üksteisele, kuid veed ei puutu kokku. Torud puutuvad kokku.

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

TUJ tööohutus

Olles õppinud tuumaelektrijaamade tööpõhimõtteid, peame mõistma, kuidas ohutus toimib. Tänapäeva tuumajaama ehitamine nõuab suurenenud tähelepanu ohutusreeglitele.
Tuumaelektrijaama ohutuskulud moodustavad ligikaudu 40% jaama enda kogumaksumusest.

Tuumaelektrijaama projekt sisaldab 4 füüsilist barjääri, mis takistavad radioaktiivsete ainete eraldumist. Mida need tõkked tegema peaksid? Õigel hetkel osata peatada tuumareaktsioon, tagada pidev soojuse eemaldamine südamikust ja reaktorist endast ning vältida radionukliidide eraldumist isolatsioonist (hermeetilisest tsoonist) kaugemale.

  • Esimene barjäär on uraanigraanulite tugevus. On oluline, et neid ei hävitaks kõrge temperatuur tuumareaktoris. Tuumaelektrijaama toimimine sõltub paljuski sellest, kuidas uraanitablette “küpsetatakse”. esialgne etapp tootmine. Kui uraani kütusegraanuleid ei küpsetata õigesti, on uraani aatomite reaktsioonid reaktoris ettearvamatud.
  • Teine takistus on kütusevarraste tihedus. Tsirkooniumtorud peavad olema tihedalt suletud, kui tihend on katki parimal juhul reaktor saab viga ja töö jääb seisma, halvimal juhul läheb kõik õhku.
  • Kolmas barjäär on vastupidav terasest reaktorianum a, (sama suur torn - hermeetiline tsoon), mis "hoiab" kõiki radioaktiivseid protsesse. Kui korpus on kahjustatud, pääseb kiirgus atmosfääri.
  • Neljandaks tõkkeks on hädakaitsevardad. Moderaatoritega vardad riputatakse südamiku kohale magnetite abil, mis suudavad 2 sekundiga neelata kõik neutronid ja peatada ahelreaktsiooni.

Kui vaatamata mitme kaitseastmega tuumajaama ehitamisele ei ole võimalik reaktori südamikku õigel ajal jahutada ning kütuse temperatuur tõuseb 2600 kraadini, siis viimane lootus ohutussüsteemid – nn sulalõks.

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

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

Seega eeldab tuumaelektrijaama konstruktsioon mitut kaitseastet, mis välistab peaaegu täielikult igasuguse õnnetuse võimaluse.

Seade ja tööpõhimõte põhinevad isemajanduva tuumareaktsiooni käivitamisel ja juhtimisel. Seda kasutatakse uurimisvahendina, radioaktiivsete isotoopide tootmiseks ja tuumaelektrijaamade energiaallikana.

tööpõhimõte (lühidalt)

See kasutab protsessi, mille käigus raske tuum laguneb kaheks väiksemaks fragmendiks. Need fragmendid on väga ergastatud olekus ja kiirgavad neutroneid, muid subatomaarseid osakesi ja footoneid. Neutronid võivad põhjustada uusi lõhustumisi, mille tulemusel eraldub neid rohkem jne. Sellist pidevat isemajandavat lõhenemiste jada nimetatakse ahelreaktsiooniks. Samas paistab see silma suur hulk energiat, mille tootmine on tuumajaamade kasutamise eesmärk.

Tuumareaktori tööpõhimõte on selline, et umbes 85% lõhustumise energiast vabaneb väga lühikese aja jooksul pärast reaktsiooni algust. Ülejäänud toodetakse lõhustumisproduktide radioaktiivsel lagunemisel pärast neutronite emiteerimist. Radioaktiivne lagunemine on protsess, mille käigus aatom jõuab stabiilsemasse olekusse. See jätkub pärast jagamise lõpetamist.

Aatomipommis suureneb ahelreaktsiooni intensiivsus, kuni suurem osa materjalist lõhustub. See juhtub väga kiiresti, tekitades sellistele pommidele omased ülivõimsad plahvatused. Tuumareaktori konstruktsioon ja tööpõhimõte põhinevad ahelreaktsiooni hoidmisel kontrollitud, peaaegu konstantsel tasemel. See on konstrueeritud nii, et see ei saa plahvatada nagu aatomipomm.

Ahelreaktsioon ja kriitilisus

Tuuma lõhustumise reaktori füüsika seisneb selles, et ahelreaktsiooni määrab tuuma lõhenemise tõenäosus pärast neutronite emiteerimist. Kui viimaste rahvaarv väheneb, langeb jagunemise määr lõpuks nullini. Sel juhul on reaktor kuni kriitiline seisund. Kui neutronite populatsioon hoitakse konstantsel tasemel, jääb lõhustumise kiirus stabiilseks. Reaktor on kriitilises seisus. Lõpuks, kui neutronite populatsioon aja jooksul kasvab, suureneb lõhustumise kiirus ja võimsus. Tuuma seisund muutub ülekriitiliseks.

Tuumareaktori tööpõhimõte on järgmine. Enne selle käivitamist on neutronite populatsioon nullilähedane. Seejärel eemaldavad operaatorid südamikust juhtvardad, suurendades tuuma lõhustumist, mis surub reaktori ajutiselt ülekriitilisse olekusse. Pärast nimivõimsuse saavutamist tagastavad operaatorid juhtvardad osaliselt, reguleerides neutronite arvu. Seejärel hoitakse reaktorit kriitilises seisundis. Kui see tuleb peatada, sisestavad operaatorid vardad lõpuni. See pärsib lõhustumist ja viib tuuma üle alamkriitilisse olekusse.

Reaktorite tüübid

Enamik maailma tuumaelektrijaamadest on elektrijaamad, mis toodavad elektrigeneraatoreid käitavate turbiinide pöörlemiseks vajalikku soojust. Samuti on palju uurimisreaktoreid ja mõnes riigis on allveelaevad või aatomienergia jõul töötavad pinnalaevad.

Energiapaigaldised

Seda tüüpi reaktoreid on mitut tüüpi, kuid lai rakendus Leidsin disaini kergest veest. Omakorda võib see kasutada survestatud vett või keeva vett. Esimesel juhul vedelik all kõrgsurve kuumutatakse aktiivse tsooni soojusega ja siseneb aurugeneraatorisse. Seal kandub primaarkontuuri soojus sekundaarringile, mis sisaldab ka vett. Lõppkokkuvõttes tekkiv aur toimib auruturbiini tsüklis töövedelikuna.

Keevavee reaktor töötab otsese energiatsükli põhimõttel. Südamikust läbiv vesi aetakse keskmise rõhu all keema. Küllastunud aur läbib rea reaktorianumas asuvaid separaatoreid ja kuivateid, mis viib selle ülekuumenenud olekusse. Seejärel kasutatakse ülekuumendatud veeauru töövedelikuna turbiini pööramiseks.

Kõrge temperatuuriga gaasijahutus

Kõrgtemperatuuriline gaasjahutusega reaktor (HTGR) on tuumareaktor, mille tööpõhimõte põhineb grafiidi ja kütuse mikrosfääride segu kasutamisel kütusena. Seal on kaks konkureerivat disaini:

  • Saksa "täite" süsteem, mis kasutab 60 mm läbimõõduga sfäärilisi kütuseelemente, mis on grafiidi ja kütuse segu grafiidist kestas;
  • Ameerika versioon grafiidist kuusnurksete prismade kujul, mis ühendavad omavahel südamiku.

Mõlemal juhul koosneb jahutusvedelik heeliumist umbes 100 atmosfääri rõhu all. Saksa süsteemis läbib heelium sfääriliste kütuseelementide kihis olevaid lünki ja Ameerika süsteemis läbib heelium reaktori kesktsooni teljel asuvaid grafiitprismades olevaid auke. Mõlemad valikud võivad töötada väga kõrgetel temperatuuridel, kuna grafiit on äärmiselt kõrge kõrge temperatuur sublimatsioon ja heelium on keemiliselt täiesti inertne. Kuuma heeliumi saab kasutada otse töövedelikuna kõrgel temperatuuril gaasiturbiinis või selle soojust saab kasutada veetsükli auru tekitamiseks.

Vedel metall ja tööpõhimõte

Naatriumjahutusega kiirreaktorid pälvisid 1960. ja 1970. aastatel palju tähelepanu. Siis tundus, et nende paljunemisvõimet läheb lähiajal vaja, et toota kütust kiiresti arenevatele. tuumatööstus. Kui 1980. aastatel sai selgeks, et see ootus on ebareaalne, vaibus entusiasm. Seda tüüpi reaktoreid on aga ehitatud mitmeid USA-s, Venemaal, Prantsusmaal, Suurbritannias, Jaapanis ja Saksamaal. Enamik neist töötab uraandioksiidil või selle segul plutooniumdioksiidiga. USA-s on aga suurim edu saavutatud metalliliste kütustega.

CANDU

Kanada keskendub oma jõupingutused looduslikku uraani kasutavatele reaktoritele. See välistab vajaduse selle rikastamiseks kasutada teiste riikide teenuseid. Selle poliitika tulemuseks oli deuteerium-uraani reaktor (CANDU). Seda juhitakse ja jahutatakse raske veega. Tuumareaktori konstruktsioon ja tööpõhimõte seisneb atmosfäärirõhul külma D 2 O reservuaari kasutamises. Südamiku läbistavad looduslikku uraani kütust sisaldavast tsirkooniumisulamist torud, mille kaudu ringleb seda jahutav raske vesi. Elektrit toodetakse raskes vees oleva lõhustumissoojuse ülekandmisel jahutusvedelikku, mis ringleb läbi aurugeneraatori. Seejärel läbib sekundaarahelas olev aur tavapärase turbiinitsükli.

Uurimisrajatised

Teadusuuringuteks kasutatakse kõige sagedamini tuumareaktorit, mille tööpõhimõtteks on vesijahutus- ja plaadikujuliste uraankütuseelementide kasutamine sõlmedena. Võimeline töötama mitmesugustel võimsustasemetel, alates mitmest kilovatist kuni sadade megavatideni. Kuna elektritootmine ei ole uurimisreaktorite esmane eesmärk, iseloomustab neid toodetud soojusenergia, südamiku neutronite tihedus ja nimienergia. Just need parameetrid aitavad kvantifitseerida uurimisreaktori võimet viia läbi konkreetseid uuringuid. Madala võimsusega süsteeme leidub tavaliselt ülikoolides ja neid kasutatakse õppetöös, samas kui suure võimsusega süsteeme on vaja materjalide ja jõudluse testimiseks ning ülduuringuteks uurimislaborites.

Levinuim on teadustuumareaktor, mille ehitus ja tööpõhimõte on järgmine. Selle tuum asub suure sügava veebasseini põhjas. See lihtsustab nende kanalite vaatlemist ja paigutamist, mille kaudu saab neutronkiire suunata. Kell madalad tasemed võimsusega, puudub vajadus jahutusvedeliku pumpamiseks, kuna jahutusvedeliku loomulik konvektsioon tagab piisava soojuse eemaldamise ohutu töökorra säilitamiseks. Soojusvaheti asub tavaliselt basseini pinnal või ülaosas, kuhu koguneb kuum vesi.

Laevapaigaldised

Tuumareaktorite algne ja peamine kasutusala on nende kasutamine allveelaevades. Nende peamine eelis on see, et erinevalt fossiilkütuste põletussüsteemidest ei vaja nad elektri tootmiseks õhku. Seetõttu võib tuumaallveelaev jääda vee alla pikaks ajaks, samas kui tavaline diisel-elektriline allveelaev peab perioodiliselt pinnale tõusma, et oma mootorid õhus välja lasta. annab mereväe laevadele strateegilise eelise. Tänu sellele puudub vajadus tankida välismaistes sadamates või kergesti haavatavatelt tankeritelt.

Allveelaeva tuumareaktori tööpõhimõte on salastatud. Siiski on teada, et USA-s kasutab see kõrgelt rikastatud uraani ning seda aeglustab ja jahutab kerge vesi. Esimese tuumaallveelaeva reaktori USS Nautilus konstruktsiooni mõjutasid tugevalt võimsad uurimisrajatised. Selle ainulaadsed omadused on väga suur reaktsioonivõime reserv, pakkudes pikk periood töö ilma tankimiseta ja võimalus pärast peatumist taaskäivitada. Allveelaevade elektrijaam peab avastamise vältimiseks olema väga vaikne. Erinevate allveelaevade klasside spetsiifiliste vajaduste rahuldamiseks loodi erinevad elektrijaamade mudelid.

USA mereväe lennukikandjad kasutavad tuumareaktorit, mille tööpõhimõte arvatakse olevat laenatud suurimatelt allveelaevadelt. Ka nende kujunduse üksikasju pole avaldatud.

Lisaks USA-le on tuumaallveelaevad Suurbritannial, Prantsusmaal, Venemaal, Hiinal ja Indial. Igal juhul ei avalikustatud disaini, kuid arvatakse, et need on kõik väga sarnased - see on nende tehnilistele omadustele esitatavate samade nõuete tagajärg. Venemaal on ka väike laevastik, mis kasutab samu reaktoreid nagu Nõukogude allveelaevad.

Tööstuspaigaldised

Tootmise eesmärgil kasutatakse tuumareaktorit, mille tööpõhimõte on kõrge tootlikkus madala energiatootmisega. See on tingitud asjaolust, et plutooniumi pikaajaline viibimine tuumas põhjustab soovimatu 240 Pu kogunemist.

Triitiumi tootmine

Praegu on selliste süsteemide peamine materjal triitium (3H või T) - Plutoonium-239 laengu poolestusaeg on 24 100 aastat, seega on seda elementi kasutavates tuumarelvaarsenalides riikides seda rohkem. kui vaja. Erinevalt 239 Pu-st on triitiumi poolväärtusaeg ligikaudu 12 aastat. Seega tuleb vajalike varude säilitamiseks seda vesiniku radioaktiivset isotoopi pidevalt toota. Näiteks USA-s töötab Savannah Riveris (Lõuna-Carolina) mitu raskeveereaktorit, mis toodavad triitiumi.

Ujuvad jõuallikad

Loodud on tuumareaktorid, mis suudavad pakkuda elektrit ja aurukütet kaugematele eraldatud aladele. Näiteks Venemaal on kasutust leidnud spetsiaalselt Arktika teenindamiseks mõeldud väikesed elektrijaamad. asulad. Hiinas pakub 10 MW HTR-10 soojust ja elektrit Uurimisinstituut, kus ta asub. Rootsis ja Kanadas on käimas sarnaste võimsustega väikeste automaatselt juhitavate reaktorite arendus. Aastatel 1960–1972 kasutas USA armee Gröönimaa ja Antarktika kaugemate baaside toiteks kompaktseid veereaktoreid. Need asendati õliküttel töötavate elektrijaamadega.

Kosmose vallutamine

Lisaks töötati välja reaktorid toiteallikaks ja kosmoses liikumiseks. Aastatel 1967–1988 paigaldas Nõukogude Liit oma Cosmos-seeria satelliitidele väikesed tuumaüksused seadmete ja telemeetria toiteks, kuid see poliitika sai kriitika sihtmärgiks. Kõrval vähemaltüks neist satelliitidest sisenes Maa atmosfääri, põhjustades Kanada kaugemates piirkondades radioaktiivse saastumise. USA on 1965. aastal teele saatnud ainult ühe tuumajõul töötava satelliidi. Siiski arendatakse jätkuvalt projekte nende kasutamiseks pikkadel kosmoselendudel, teiste planeetide mehitatud uurimisel või püsival Kuu baasil. See on tingimata gaasjahutusega või vedelmetallist tuumareaktor, mille füüsikalised põhimõtted tagavad kõrgeima võimaliku temperatuuri, mis on vajalik radiaatori suuruse minimeerimiseks. Lisaks peab kosmosetehnoloogia reaktor olema võimalikult kompaktne, et minimeerida varjestamiseks kasutatava materjali kogust ning vähendada stardi ja kosmoselendude kaalu. Kütusevarustus tagab reaktori töö kogu kosmoselennu ajaks.

I. Tuumareaktori projekteerimine

Tuumareaktor koosneb viiest põhielemendist:

1) tuumakütus;

2) neutronite moderaator;

3) regulatiivsed süsteemid;

4) jahutussüsteemid;

5) kaitseekraan.

1. Tuumakütus.

Tuumakütus on energiaallikas. Praegu on teada kolme tüüpi lõhustuvaid materjale:

a) uraan 235, mis moodustab 0,7% ehk 1/140 looduslikust uraanist;

6) plutoonium 239, mis tekib mõnes uraanil 238 põhinevas reaktoris, mis moodustab peaaegu kogu loodusliku uraani massi (99,3% ehk 139/140 osa).

Neutronite hõivamisel muutuvad uraan 238 tuumad neptuuniumi tuumadeks - 93. elemendiks perioodilisustabel Mendelejev; viimased muutuvad omakorda plutooniumi tuumadeks – perioodilisuse tabeli 94. elemendiks. Plutooniumi on kiiritatud uraanist keemiliselt lihtne eraldada ja seda saab kasutada tuumakütusena;

c) uraan 233, mis on tooriumist saadud uraani tehisisotoop.

Erinevalt uraanist 235, mida leidub looduslikus uraanis, saadakse plutoonium 239 ja uraan 233 ainult kunstlikult. Sellepärast nimetatakse neid sekundaarseks tuumakütuseks; Sellise kütuse allikaks on uraan 238 ja toorium 232.

Seega on kõigi eespool loetletud tuumkütuse tüüpide hulgas uraan peamine. See seletab tohutut ulatust, mida uraanimaardlate otsingud ja uuringud võtavad kõigis riikides.

Mõnikord võrreldakse tuumareaktoris vabanevat energiat selle käigus vabaneva energiaga keemiline reaktsioon põlemine. Siiski on nende vahel põhimõtteline erinevus.

Uraani lõhustumise protsessis tekkiv soojushulk on mõõtmatu rohkem kogust soojus, mis saadakse näiteks kivisöe põletamisel: 1 kg uraan 235, mis on mahult võrdne sigaretipakiga, võiks teoreetiliselt anda sama palju energiat kui 2600 tonni kivisütt.

Neid energiavõimalusi ei kasutata siiski täielikult ära, kuna kogu uraan 235 ei ole looduslikust uraanist eraldatav. Selle tulemusena võrdub 1 kg uraani, olenevalt selle uraan-235-ga rikastamise astmest, praegu ligikaudu 10 tonni kivisöega. Kuid tuleb arvestada, et tuumkütuse kasutamine hõlbustab transporti ja vähendab seega oluliselt kütuse maksumust. Briti eksperdid on välja arvutanud, et uraani rikastamisega suudavad nad tõsta reaktorites toodetavat soojust 10 korda, mis võrduks 1 tonni uraani 100 tuhande tonni kivisöega.

Teine erinevus soojuse eraldumisel toimuva tuuma lõhustumise protsessi ja keemilise põlemise vahel on see, et põlemisreaktsiooniks on vaja hapnikku, samas kui ahelreaktsiooni käivitamiseks on vaja vaid mõnda neutronit ja teatud massi tuumakütust, mis on võrdne. kriitilisele massile, mille määratleme juba aatomipommi käsitlevas osas.

Ja lõpuks kaasneb nähtamatu tuuma lõhustumise protsessiga äärmiselt kahjuliku kiirguse eraldumine, mille eest tuleb tagada kaitse.

2. Neutronite moderaator.

Lõhustumisproduktide leviku vältimiseks reaktoris tuleb tuumakütus asetada spetsiaalsetesse kestadesse. Selliste kestade valmistamiseks võite kasutada alumiiniumi (jahutusvedeliku temperatuur ei tohiks ületada 200 °) või veelgi parem, berülliumi või tsirkooniumi - uusi metalle, mille tootmine nende puhtal kujul on täis suuri raskusi.

Tuuma lõhustumisel tekkivad neutronid (keskmiselt 2–3 neutronit ühe raske elemendi tuuma lõhustumisel) on teatud energiaga. Selleks, et neutronite tõenäosus teiste tuumade lõhenemiseks oleks suurim, ilma milleta reaktsioon ise ei toimuks, on vaja, et need neutronid kaotaksid osa oma kiirusest. See saavutatakse reaktorisse moderaatori paigutamisega, milles arvukate järjestikuste kokkupõrgete tulemusena muutuvad kiired neutronid aeglasteks. Kuna moderaatorina kasutataval ainel peavad olema tuumad massiga ligikaudu võrdne neutronite massiga ehk kergete elementide tuumadega, kasutati algusest peale moderaatorina rasket vett (D 2 0, kus D on deuteerium , mis asendas kerge vesiniku tavalises vees N 2 0). Nüüd aga püütakse grafiiti järjest rohkem kasutada – see on odavam ja annab peaaegu sama efekti.

Rootsist ostetud raske vee tonn maksab 70–80 miljonit franki. Genfi aatomienergia rahumeelse kasutamise konverentsil teatasid ameeriklased, et peagi saavad nad müüa rasket vett hinnaga 22 miljonit franki tonni kohta.

Grafiidi tonn maksab 400 tuhat franki ja tonn berülliumoksiidi 20 miljonit franki.

Moderaatorina kasutatav aine peab olema puhas, et vältida neutronite kadu nende läbimisel. Jooksu lõpus on neutronite keskmine kiirus umbes 2200 m/sek, algkiirus aga umbes 20 tuhat km/sek. Reaktorites toimub soojuse eraldumine järk-järgult ja seda saab kontrollida, erinevalt aatomipommist, kus see tekib hetkega ja omandab plahvatuse iseloomu.

Teatud tüüpi kiired reaktorid ei vaja moderaatorit.

3. Reguleerimissüsteem.

Inimene peaks suutma tuumareaktsiooni oma äranägemise järgi tekitada, reguleerida ja peatada. See saavutatakse boorterasest või kaadmiumist - materjalidest, millel on neutronite neelamise võime - valmistatud juhtvardad. Sõltuvalt sügavusest, milleni juhtvardad reaktorisse langetatakse, suureneb või väheneb neutronite arv südamikus, mis lõppkokkuvõttes võimaldab protsessi reguleerida. Juhtvardaid juhitakse automaatselt servomehhanismide abil; Mõned neist varrastest võivad ohu korral koheselt südamikusse kukkuda.

Algul oli mure, et reaktori plahvatus põhjustab sama kahju kui aatomipomm. Tõestamaks, et reaktori plahvatus toimub ainult tavapärastest erinevates tingimustes ega kujuta tõsist ohtu tuumajaama läheduses elavale elanikkonnale, lasid ameeriklased meelega õhku ühe nn keeva reaktori. Tõepoolest, toimus plahvatus, mida võime iseloomustada kui "klassikalist", st mittetuuma; see tõestab veel kord, et tuumareaktoreid saab ehitada asustatud alade lähedusse, ilma et viimasele oleks erilist ohtu.

4. Jahutussüsteem.

Tuuma lõhustumise käigus eraldub teatud energia, mis kandub üle lagunemissaadustele ja tekkivatele neutronitele. Arvukate neutronite kokkupõrgete tulemusena muudetakse see energia soojusenergiaks, et vältida kiire väljumine reaktor ebaõnnestub, tuleb soojus eemaldada. Radioaktiivsete isotoopide tootmiseks mõeldud reaktorites seda soojust ei kasutata, kuid energia tootmiseks mõeldud reaktorites saab sellest hoopis põhitoode. Jahutamiseks võib kasutada gaasi või vett, mis ringleb reaktoris rõhu all spetsiaalsete torude kaudu ja jahutatakse seejärel soojusvahetis. Eralduvat soojust saab kasutada auru soojendamiseks, mis pöörleb generaatoriga ühendatud turbiini; selline seade oleks tuumaelektrijaam.

5. Kaitseekraan.

Et vältida kahjulikud mõjud neutroneid, mis võivad lennata väljaspool reaktorit ja kaitsta end reaktsiooni käigus eralduva gammakiirguse eest, on vajalik usaldusväärne kaitse. Teadlased on välja arvutanud, et 100 tuhande kW võimsusega reaktor kiirgab nii palju radioaktiivset kiirgust, et sellest 100 m kaugusel asuv inimene saaks selle kätte 2 minutiga. surmav annus. Reaktorit teenindava personali kaitse tagamiseks ehitatakse kahemeetrised seinad spetsiaalsest pliiplaatidega betoonist.

Esimese reaktori ehitas 1942. aasta detsembris itaallane Fermi. 1955. aasta lõpuks oli maailmas umbes 50 tuumareaktorit (USA - 2 1, Inglismaa - 4, Kanada - 2, Prantsusmaa - 2). Olgu lisatud, et 1956. aasta alguseks projekteeriti veel umbes 50 reaktorit teadus- ja tööstuslikuks otstarbeks (USA - 23, Prantsusmaa - 4, Inglismaa - 3, Kanada - 1).

Nende reaktorite tüübid on väga mitmekesised, ulatudes aeglastest neutronreaktoritest grafiitmoderaatorite ja loodusliku uraani kütusena kuni kiirete neutronreaktoriteni, mis kasutavad kütusena plutooniumiga rikastatud uraani või uraan 233, mis on kunstlikult toodetud tooriumist.

Lisaks neile kahele vastandlikule tüübile on veel terve rida reaktoreid, mis erinevad üksteisest kas tuumakütuse koostise või aeglusti tüübi või jahutusvedeliku poolest.

Väga oluline on märkida, et kuigi teema teoreetilist poolt on praegu hästi uurinud kõigi riikide spetsialistid, ei ole erinevad riigid praktilises valdkonnas veel samale tasemele jõudnud. USA ja Venemaa on teistest riikidest ees. Võib väita, et tuumaenergeetika tulevik sõltub peamiselt tehnoloogia arengust.

Raamatust The Wonderful World Inside the Atomic Nucleus [loeng koolilastele] autor Ivanov Igor Pierovitš

LHC põrkuri ehitus Nüüd paar pilti. Põrkur on põrkuvate osakeste kiirendaja. Seal kiirendavad osakesed mööda kahte rõngast ja põrkuvad üksteisega kokku. See on suurim eksperimentaalne installatsioon maailmas, sest selle rõnga - tunneli - pikkus on

Raamatust Uusim raamat faktid. 3. köide [Füüsika, keemia ja tehnoloogia. Ajalugu ja arheoloogia. Varia] autor Kondrašov Anatoli Pavlovitš

Raamatust Aatomiprobleem autor Ran Philip

5b raamatust. Elekter ja magnetism autor Feynman Richard Phillips

Autori raamatust

VIII peatükk Tuumareaktori tööpõhimõte ja võimalused I. Tuumareaktori konstruktsioon koosneb viiest põhielemendist: 1) tuumakütusest 3) jahutussüsteemist; ) kaitsev

Autori raamatust

11. peatükk DIELEKTRITE SISEMINE STRUKTUUR §1. Molekulaarsed dipoolid§2. Elektrooniline polarisatsioon §3. polaarsed molekulid; orientatsiooni polarisatsioon§4. Elektriväljad dielektrilistes tühimikes§5. Vedelike dielektriline konstant; Clausius-Mossotti valem§6.

See kirjeldamatu hall silinder on Venemaa tuumatööstuse võtmelüli. See ei näe muidugi väga esinduslik välja, kuid tasub selle eesmärki mõista ja pilk peale visata spetsifikatsioonid, kui hakkate mõistma, miks selle loomise ja ülesehituse saladus on riigi poolt kaitstud nagu silmatera.

Jah, ma unustasin tutvustada: siin on gaasitsentrifuug uraani isotoopide VT-3F (n-nda põlvkonna) eraldamiseks. Tööpõhimõte on elementaarne, nagu piimaseparaatoril, eraldatakse raske kergest tsentrifugaaljõu mõjul. Mis on siis selle tähtsus ja ainulaadsus?

Esmalt vastame teisele küsimusele – üldiselt, miks eraldada uraan?

Looduslik uraan, mis asub otse maa sees, on kahe isotoobi kokteil: uraan-238 Ja uraan-235(ja 0,0054% U-234).
Uraan-238, see on lihtsalt raske, hall metallist. Saate sellest teha suurtükimürsku või... võtmehoidja. Siin on, mida saate teha uraan-235? No esiteks aatomipomm ja teiseks tuumajaamade kütus. Ja siit jõuamegi põhiküsimuseni – kuidas neid kahte peaaegu identset aatomit üksteisest eraldada? Ei päriselt KUIDAS?!

Muideks: Uraani aatomi tuuma raadius on 1,5 10 -8 cm.

Selleks, et uraani aatomid tehnoloogilisse ahelasse aetud, tuleb see (uraan) muuta gaasilisse olekusse. Keeda pole mõtet, piisab uraani fluoriga kombineerimisest ja uraanheksafluoriidist HFC. Selle tootmise tehnoloogia ei ole väga keeruline ja kallis ning seetõttu HFC nad saavad selle täpselt sealt, kus seda uraani kaevandatakse. UF6 on ainus väga lenduv uraaniühend (kuumutamisel temperatuurini 53 °C muutub heksafluoriid (pildil) otse tahkest olekust gaasiliseks). Seejärel pumbatakse see spetsiaalsetesse konteineritesse ja saadetakse rikastamiseks.

Natuke ajalugu

Tuumavõistluse alguses omandasid nii NSV Liidu kui ka USA suurimad teaduslikud mõtted difusioonieralduse idee - uraani läbi sõela. Väike 235 isotoop libiseb läbi ja "rasv" 238 jääb kinni. Pealegi polnud 1946. aastal nõukogude tööstusele nanoaukudega sõela valmistamine just kõige raskem.

Isaac Konstantinovitš Kikoini aruandest nõukogu alluvuses asuvas teadus- ja tehnikanõukogus Rahvakomissarid(antud NSVL aatomiprojekti desalastatud materjalide kogumikus (Toim. Ryabev)): Praegu oleme õppinud tegema umbes 5/1000 mm aukudega võrke, st. 50 korda suurem kui molekulide vaba tee atmosfäärirõhul. Järelikult peab gaasirõhk, mille juures toimub isotoopide eraldumine sellistel võredel, olema väiksem kui 1/50 atmosfäärirõhust. Praktikas eeldame töötamist umbes 0,01 atmosfääri rõhul, s.o. heades vaakumtingimustes. Arvutused näitavad, et kerge isotoobiga 90% kontsentratsioonini rikastatud saaduse saamiseks (sellest kontsentratsioonist piisab lõhkeaine tootmiseks) on vaja kaskaadina kombineerida umbes 2000 sellist etappi. Meie projekteeritavas ja osaliselt valmistatavas masinas oodatakse 75-100 g uraan-235 tootmist päevas. Installatsioon koosneb ligikaudu 80-100 "tulbast", millest igaühele on paigaldatud 20-25 etappi.

Allpool on dokument - Beria aruanne Stalinile esimese aatomiplahvatuse ettevalmistamise kohta. Allpool on lühike teave 1949. aasta suve alguseks toodetud tuumamaterjalide kohta.

Ja nüüd kujutlege ise – 2000 kopsakat paigaldust kõigest 100 grammi nimel! No kuhu minna, meil on pomme vaja. Ja nad hakkasid ehitama tehaseid ja mitte ainult tehaseid, vaid terveid linnu. Ja okei, ainult linnad, need difusioonijaamad nõudsid nii palju elektrit, et pidid lähedale eraldi elektrijaamad ehitama.

NSV Liidus oli tehase nr 813 esimene etapp D-1 kavandatud tootma 140 grammi 92–93% uraan-235 päevas 3100 identse eraldusastmega kahes kaskaadis. Tootmiseks eraldati Sverdlovskist 60 km kaugusel Verkh-Neyvinski külas asuv lõpetamata lennukitehas. Hiljem muutus see Sverdlovski-44-ks ja tehasest 813 (pildil) Uurali elektrokeemiatehaseks – maailma suurimaks eraldustehaseks.

Ja kuigi difusioonieralduse tehnoloogia, kuigi suurte tehnoloogiliste raskustega, siluti, ei lahkunud päevakorrast idee töötada välja säästlikum tsentrifuugiprotsess. Lõppude lõpuks, kui meil õnnestub tsentrifuug luua, väheneb energiatarbimine 20-lt 50-le!

Kuidas tsentrifuug töötab?

Selle struktuur on enam kui elementaarne ja sarnane vanale pesumasin töötab tsentrifuugimise/kuivatusrežiimis. Pöörlev rootor asub suletud korpuses. Sellele rootorile antakse gaas (UF6). Maa gravitatsiooniväljast sadu tuhandeid kordi suurema tsentrifugaaljõu tõttu hakkab gaas eralduma "rasketeks" ja "kergeteks" fraktsioonideks. Kerged ja rasked molekulid hakkavad rühmituma rootori erinevates tsoonides, kuid mitte keskel ja piki perimeetrit, vaid üla- ja alaosas.

See tekib konvektsioonivoolude tõttu - rootori kate kuumutatakse ja tekib gaasi vastuvool. Silindri üla- ja alaossa on paigaldatud kaks väikest sisselasketoru. Alumisse torusse siseneb lahja segu ja ülemisse torusse suurema aatomikontsentratsiooniga segu. 235U. See segu läheb järgmisse tsentrifuugi ja nii edasi kuni kontsentratsioonini 235 ei jõua uraani soovitud väärtus. Tsentrifuugide ahelat nimetatakse kaskaadiks.

Tehnilised omadused.

Noh, esiteks on pöörlemiskiirus kaasaegne põlvkond tsentrifuugides ulatub 2000 p/s (ma isegi ei tea millega võrrelda... 10 korda kiirem kui turbiin lennukimootoris)! Ja see on lakkamatult töötanud KOLM KÜMNENDI! Need. Nüüd pöörlevad Brežnevi ajal sisse lülitatud tsentrifuugid kaskaadides! NSV Liitu pole enam olemas, aga nad muudkui keerlevad ja keerlevad. Pole raske välja arvutada, et oma töötsükli jooksul teeb rootor 2 000 000 000 000 (kaks triljonit) pööret. Ja milline laager sellele vastu peab? Jah, mitte ühtegi! Seal pole laagreid.

Rootor ise on tavaline ülaosa, mille põhjas on tugev nõel, mis toetub korundlaagrile ja ülemine ots ripub vaakumis, mida hoiab elektromagnetväli. Nõel pole ka lihtne, tehtud tavalisest klaverikeelte traadist, väga kavalalt karastatud (nagu GT). Pole raske ette kujutada, et sellise meeletu pöörlemiskiiruse juures peab tsentrifuug ise olema mitte lihtsalt vastupidav, vaid ülimalt vastupidav.

Akadeemik Joseph Friedlander meenutab: "Nad oleksid võinud mind kolm korda tulistada. Kord, kui olime juba Lenini preemia saanud, juhtus suur õnnetus, tsentrifuugi kaas lendas ära. Tükid hajusid ja hävitasid teised tsentrifuugid. Radioaktiivne pilv kerkis. Pidime kogu liini peatama – kilomeeter paigaldusi! Sredmashis juhtis kindral Zverev tsentrifuuge enne aatomiprojekti, ta töötas Beria osakonnas. Kindral koosolekul ütles: "Olukord on kriitiline. Riigi kaitse on ohus. Kui me olukorda kiiresti ei paranda, kordub '37 teie jaoks. Ja lõpetas koosoleku kohe. Siis jõudsime täielikult välja uus tehnoloogia täiesti isotroopse ühtlase kattestruktuuriga, kuid vaja läks väga keerulisi paigaldusi. Sellest ajast alates on seda tüüpi kaaned toodetud. Rohkem hädasid ei olnud. Venemaal on 3 rikastustehast, sadu tuhandeid tsentrifuuge.
Fotol: esimese põlvkonna tsentrifuugide testid

Ka rootori korpused olid algselt metallist, kuni need asendati... süsinikkiuga. Kerge ja suure tõmbetugevusega on see ideaalne materjal pöörleva silindri jaoks.

UEIP peadirektor (2009–2012) Aleksander Kurkin meenutab: "See muutus naeruväärseks. Kui nad katsetasid ja kontrollisid uut, leidlikumat tsentrifuugipõlvkonda, ei oodanud üks töötajatest rootori täielikku seiskumist, ühendas selle kaskaadi küljest lahti ja otsustas selle käsitsi stendile kanda. Kuid selle asemel, et edasi liikuda, võttis ta selle silindri omaks ja hakkas tagurpidi liikuma, ükskõik kuidas ta ka vastu pidas. Nii nägime oma silmaga, et maakera pöörleb ja güroskoop on suur jõud.

Kes selle välja mõtles?

Oh, see on müsteerium, mis on mähitud mõistatusse ja ümbritsetud põnevusega. Siit leiate vangistatud Saksa füüsikud, CIA, SMERSHi ohvitserid ja isegi allatulistatud spioonipiloodi Powersi. Üldiselt kirjeldati gaasitsentrifuugi põhimõtet 19. sajandi lõpus.

Ikka koidikul Aatomi projekt eriinsener disainibüroo Kirovi tehases pakkus Viktor Sergejev välja tsentrifuugeraldusmeetodi, kuid algul ei kiitnud kolleegid tema ideed heaks. Samal ajal töötasid lüüa saanud Saksamaa teadlased Suhhumis asuvas spetsiaalses uurimisinstituudis-5 eraldustsentrifuugi loomise kallal: dr Max Steenbeck, kes töötas Hitleri juhtimisel Siemensi juhtivinsenerina, ja endine Luftwaffe mehaanik, lõpetanud. Viini Ülikoolist Gernot Zippe. Kokku kuulus rühma umbes 300 “eksporditud” füüsikut.

Mäletab tegevdirektor CJSC Centrotech-SPb riiklik korporatsioon Rosatom Aleksei Kalitejevski: «Meie eksperdid jõudsid järeldusele, et Saksa tsentrifuug on selleks absoluutselt sobimatu tööstuslik tootmine. Steenbecki aparaadil puudus süsteem osaliselt rikastatud toote ülekandmiseks järgmisse etappi. Tehti ettepanek jahutada kaane otsad ja külmutada gaas ning seejärel sulatada, koguda ja panna järgmisse tsentrifuugi. See tähendab, et skeem ei tööta. Projektis oli aga mitmeid väga huvitavaid ja ebatavalisi tehnilisi lahendusi. Need "huvitavad ja ebatavalised lahendused" ühendati Nõukogude teadlaste saadud tulemustega, eriti Viktor Sergejevi ettepanekutega. Suhteliselt on meie kompaktne tsentrifuug üks kolmandik saksa mõtte viljast ja kaks kolmandikku nõukogude vili. Muide, kui Sergeev tuli Abhaasiasse ja avaldas oma mõtteid uraani valiku kohta samale Steenbeckile ja Zippele, jätsid Steenbeck ja Zippe need realiseerimatuteks.

Millega siis Sergejev välja mõtles?

Ja Sergejevi ettepanek oli luua gaasivalijad pitot-torude kujul. Kuid dr Steenbeck, kes, nagu ta arvas, oli sel teemal hambaid söönud, oli kategooriline: "Nad aeglustavad voolu, põhjustavad turbulentsi ja eraldumist ei teki!" Aastaid hiljem oma memuaaride kallal töötades kahetses ta seda: „Idee, mis väärib meilt tulekut! Aga see ei tulnud mulle kunagi pähe..."

Hiljem, olles väljaspool NSV Liitu, ei töötanud Steenbeck enam tsentrifuugidega. Kuid enne Saksamaale lahkumist oli Geront Zippel võimalus tutvuda Sergeevi tsentrifuugi prototüübi ja selle geniaalselt lihtsa tööpõhimõttega. Kunagi läänes patenteeris "kaval Zippe", nagu teda sageli kutsuti, tsentrifuugi disaini oma nime all (1957. aasta patent nr 1071597, deklareeritud 13 riigis). 1957. aastal USA-sse kolinud Zippe ehitas seal toimiva installatsiooni, reprodutseerides mälu järgi Sergejevi prototüübi. Ja ta nimetas seda, avaldagem austust, "Vene tsentrifuugiks" (pildil).

Muide, Vene insener on ennast näidanud ka paljudel muudel juhtudel. Näiteks võib tuua lihtsa hädaseiskamisventiili. Puuduvad andurid, detektorid ega elektroonilised vooluringid. On ainult samovarisegisti, mis puudutab oma kroonlehega kaskaadi raami. Kui midagi läheb valesti ja tsentrifuug muudab oma asendit ruumis, siis see lihtsalt pöördub ja sulgeb sisselasketoru. See on nagu nali Ameerika pastaka ja vene pliiatsi kohta kosmoses.

Meie päevad

Sel nädalal osales nende ridade autor olulisel sündmusel – USA energeetikaministeeriumi vaatlejate Venemaa büroo sulgemisel lepingu alusel. HEU-LEU. See tehing (kõrgelt rikastatud uraan – väherikastatud uraan) oli ja jääb suurimaks tuumaenergia valdkonna lepinguks Venemaa ja Ameerika vahel. Lepingu tingimuste kohaselt töötlesid Venemaa tuumateadlased 500 tonni meie relvade kvaliteediga (90%) uraani Ameerika tuumaelektrijaamade kütuseks (4%). Aastatel 1993-2009 ulatusid tulud 8,8 miljardi USA dollarini. See oli meie tuumateadlaste sõjajärgsetel aastatel isotoopide eraldamise alal tehtud tehnoloogilise läbimurde loogiline tulemus.
Fotol: gaasitsentrifuugide kaskaadid ühes UEIP töökojas. Neid on siin umbes 100 000.

Tänu tsentrifuugidele oleme saanud tuhandeid tonne suhteliselt odavat, nii militaar- kui ka kaubanduslikku toodet. Tuumatööstus on üks väheseid allesjäänud (sõjalennundus, kosmos), kus Venemaal on vaieldamatu ülimuslikkus. Ainuüksi välistellimused kümme aastat ette (2013-2022), Rosatomi portfell ilma lepinguta HEU-LEU on 69,3 miljardit dollarit. 2011. aastal ületas see 50 miljardi...
Fotol on UEIP-s HFC-dega konteinerite ladu.

28. septembril 1942 võeti vastu Riigikaitsekomitee resolutsioon nr 2352ss “Uraanitöö korraldamise kohta”. Seda kuupäeva peetakse Venemaa tuumatööstuse ajaloo ametlikuks alguseks.

Lõhustumisahelreaktsiooniga kaasneb alati tohutu energia vabanemine. Praktiline kasutamine See energia on tuumareaktori põhiülesanne.

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

Tööpõhimõtte järgi jagunevad tuumareaktorid kahte rühma: termilised neutronreaktorid ja kiirneutronreaktorid.

Kuidas termoneutronite tuumareaktor töötab?

Tüüpilisel tuumareaktoril on:

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

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

Tuum ja moderaator

Just tuumas toimub kontrollitud lõhustumise ahelreaktsioon.

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

Lõhustuv materjal ehk tuumkütus tablettide kujul asetatakse hermeetiliselt suletud vardadesse, mida nimetatakse kütusevarrasteks (kütuseelementideks). Nad läbivad kogu aktiivse tsooni täis moderaator neutronid.

Miks on tuumareaktoris vaja neutronite moderaatorit?

Fakt on see, et pärast uraan-235 tuumade lagunemist sündinud neutronitel on väga suur kiirus. Nende kinnipüüdmise tõenäosus teiste uraani tuumade poolt on sadu kordi väiksem kui aeglaste neutronite kinnipüüdmise tõenäosus. Ja kui nende kiirust ei vähendata, võib tuumareaktsioon aja jooksul välja surra. Moderaator lahendab neutronite kiiruse vähendamise probleemi. Kui kiirete neutronite teele asetada vesi või grafiit, saab nende kiirust kunstlikult vähendada ja seeläbi suurendada aatomite poolt püütud osakeste arvu. Samal ajal vajab ahelreaktsioon reaktoris vähem tuumkütust.

Aeglustumisprotsessi tulemusena termilised neutronid, mille kiirus on peaaegu võrdne gaasimolekulide soojusliikumise kiirusega toatemperatuuril.

Tuumareaktorites kasutatakse moderaatorina vett, rasket vett (deuteeriumoksiid D 2 O), berülliumi ja grafiiti. Kuid parim moderaator on raske vesi D2O.

Neutronide reflektor

Vältimaks neutronite lekkimist keskkonda, ümbritsetakse tuumareaktori südamik neutron reflektor. Helkuriteks kasutatav materjal on sageli sama mis moderaatorites.

Jahutusvedelik

Tuumareaktsiooni käigus vabanev soojus eemaldatakse jahutusvedeliku abil. Tuumareaktorites kasutatakse sageli jahutusvedelikuna tavalist looduslikku vett, mis on eelnevalt puhastatud erinevatest lisanditest ja gaasidest. Kuid kuna vesi keeb juba temperatuuril 100 0 C ja rõhul 1 atm, suurendatakse keemistemperatuuri tõstmiseks rõhku primaarses jahutusvedelikus. Reaktori südamiku kaudu ringlev primaarringi vesi peseb kütusevardad, soojenedes temperatuurini 320 0 C. Seejärel eraldab see soojusvaheti sees soojust sekundaarringi veele. Vahetus toimub soojusvahetustorude kaudu, seega puudub kontakt sekundaarringi veega. See takistab radioaktiivsete ainete sattumist soojusvaheti teise ahelasse.

Ja siis toimub kõik nagu soojuselektrijaamas. Teises vooluringis olev vesi muutub auruks. Aur paneb pöörlema ​​turbiini, mis käitab elektrigeneraatorit, mis toodab elektrivoolu.

Raskeveereaktorites on jahutusvedelikuks raske vesi D2O, vedelate metallide jahutusvedelikega reaktorites aga sulametall.

Ahelreaktsiooni juhtimissüsteem

Reaktori hetkeseisu iseloomustab suurus nn reaktsioonivõime.

ρ = ( k -1)/ k ,

k = n i / n i -1 ,

Kus k – neutronite korrutustegur,

n i - järgmise põlvkonna neutronite arv tuuma lõhustumise reaktsioonis,

n i -1 , - eelmise põlvkonna neutronite arv samas reaktsioonis.

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

Reaktori kriitilist seisundit (tuumareaktoris vajalikku neutronite korrutustegurit) hoitakse liikumisega kontrollvardad. Materjal, millest need on valmistatud, sisaldab neutroneid absorbeerivaid aineid. Neid vardaid südamikusse pikendades või surudes kontrollitakse tuuma lõhustumise reaktsiooni kiirust.

Juhtimissüsteem tagab reaktori juhtimise selle käivitamisel, plaanilisel seiskamisel, toitel töötamisel, samuti tuumareaktori hädakaitset. See saavutatakse juhtvarraste asendi muutmisega.

Kui mõni reaktori parameetritest (temperatuur, rõhk, võimsuse tõusu kiirus, kütusekulu jne) kaldub normist kõrvale ja see võib põhjustada õnnetuse, tuleb spetsiaalselt avariivardad ja tuumareaktsioon peatub kiiresti.

Veenduge, et reaktori parameetrid vastaksid standarditele juhtimis- ja kiirguskaitsesüsteemid.

Valvuriks keskkond alates radioaktiivne kiirgus reaktor asetatakse paksu betoonümbrisesse.

Kaugjuhtimissüsteemid

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

Kiired reaktorid

Erinevus seda tüüpi reaktorite ja termiliste neutronreaktorite vahel seisneb selles, et pärast uraan-235 lagunemist tekkivaid kiireid neutroneid ei aeglusta, vaid uraan-238 neelab ja seejärel muundatakse plutoonium-239-ks. Seetõttu kasutatakse kiirneutronreaktoreid relvade kvaliteediga plutoonium-239 ja soojusenergia tootmiseks, mille tuumaelektrijaamade generaatorid muundavad elektrienergiaks.

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

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

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

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Pärast teist β-lagunemist moodustub lõhustuv plutoonium-239:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

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

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Toorainega (rikastatud uraan-235) kütusevardad asuvad reaktori südamikus. Seda tsooni ümbritseb pesitsusala, mis koosneb kütusevarrastest koos kütusega (vaesestatud uraan-238). Pärast uraan-235 lagunemist tuumast kiirguvad kiired neutronid püüavad kinni uraan-238 tuumad. Selle tulemusena moodustub plutoonium-239. Seega toodetakse uut tuumkütust kiirneutronreaktorites.

Vedelmetalle või nende segusid kasutatakse kiirneutronite tuumareaktorites jahutusvedelikuna.

Tuumareaktorite klassifikatsioon ja rakendus

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

Tuumareaktoreid kasutatakse laialdaselt kaasaegsete tuumaallveelaevade, pinnalaevade, kosmosetehnoloogia. Nad tarnivad elektrienergia kutsutakse mootoreid transpordireaktorid .

Tuumafüüsika ja kiirguskeemia valdkonna teadusuuringuteks kasutatakse neutronite ja gamma kvantide vooge, mis saadakse tuumas uurimisreaktorid. Nende toodetav energia ei ületa 100 MW ja seda ei kasutata tööstuslikul otstarbel.

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

TO tööstuslikud reaktorid hõlmab reaktoreid radioaktiivsete isotoopide tootmiseks, mida kasutatakse meditsiinilistel eesmärkidel, samuti erinevates tööstus- ja tehnoloogiavaldkondades. Magestamisreaktorid merevesi viitavad ka tööstuslikele reaktoritele.