Ydinreaktorin reaktionopeus. Ydinreaktori, toimintaperiaate, ydinreaktorin toiminta

Ydinvoima on moderni ja nopeasti kehittyvä tapa tuottaa sähköä. Tiedätkö miten ydinvoimalat on järjestetty? Mikä on ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate? Millaisia ​​ydinreaktoreita on nykyään olemassa? Yritämme pohtia yksityiskohtaisesti ydinvoimalaitoksen toimintasuunnitelmaa, syventyä ydinreaktorin rakenteeseen ja selvittää, kuinka turvallinen atomimenetelmä sähkön tuottamiseksi on.

Mikä tahansa asema on suljettu alue kaukana asuinalueesta. Sen alueella on useita rakennuksia. Tärkein rakennus on reaktorirakennus, sen vieressä on turbiinihalli, josta reaktoria ohjataan, sekä turvallisuusrakennus.

Järjestelmä on mahdoton ilman ydinreaktoria. Atomi (ydin)reaktori on ydinvoimalaitoksen laite, joka on suunniteltu järjestämään neutronifission ketjureaktio pakollisella energian vapautumisella tässä prosessissa. Mutta mikä on ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate?

Koko reaktorilaitos sijoitetaan reaktorirakennukseen, isoon betonitorniin, joka piilottaa reaktorin ja sisältää onnettomuuden sattuessa kaikki ydinreaktion tuotteet. Tätä suurta tornia kutsutaan suojarakennukseksi, hermeettiseksi kuoreksi tai suojarakennukseksi.

Uusien reaktoreiden suojavyöhykkeellä on 2 paksua betoniseinämää - vaippaa.
80 cm paksu ulkokuori suojaa suojarakennusta ulkoisilta vaikutuksilta.

Sisäkuoressa, jonka paksuus on 1 metri 20 cm, laitteessa on erikoisteräskaapelit, jotka lisäävät betonin lujuutta lähes kolme kertaa eivätkä anna rakenteen murentua. Sisäpuolelta se on vuorattu ohuella erikoisteräslevyllä, joka on suunniteltu toimimaan lisäsuojana suojarakennukselle ja estämään onnettomuuden sattuessa reaktorin sisällön vapautumista suojarakennuksen ulkopuolelle.

Tällainen ydinvoimalan laite kestää jopa 200 tonnia painavan lentokoneen putoamisen, 8 magnitudin maanjäristyksen, tornadon ja tsunamin.

Ensimmäinen paineistettu kotelo rakennettiin amerikkalaiselle Connecticut Yankee -ydinvoimalaitokselle vuonna 1968.

Suoja-alueen kokonaiskorkeus on 50-60 metriä.

Mistä ydinreaktori on tehty?

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

  • aktiivinen vyöhyke. Tämä on alue, johon ydinpolttoaine (lämmönvapautin) ja moderaattori sijoitetaan. Polttoaineen atomit (useimmiten uraani on polttoaine) suorittavat fissioketjureaktion. Moderaattori on suunniteltu hallitsemaan fissioprosessia, ja sen avulla voit suorittaa vaaditun reaktion nopeuden ja voimakkuuden suhteen.
  • Neutroniheijastin. Heijastin ympäröi aktiivista aluetta. Se koostuu samasta materiaalista kuin moderaattori. Itse asiassa tämä on laatikko, jonka päätarkoituksena on estää neutronien poistuminen ytimestä ja pääsy ympäristöön.
  • Jäähdytysneste. Jäähdytysnesteen tulee imeä polttoaineatomien fissiossa vapautunut lämpö ja siirtää se muihin aineisiin. Jäähdytysneste määrää suurelta osin sen, miten ydinvoimala suunnitellaan. Nykyään suosituin jäähdytysneste on vesi.
    Reaktorin ohjausjärjestelmä. Anturit ja mekanismit, jotka saavat ydinvoimalaitoksen reaktorin toimintaan.

Polttoaine ydinvoimaloihin

Mitä ydinvoimalaitos tekee? Ydinvoimalaitosten polttoaineet ovat kemiallisia alkuaineita, joilla on radioaktiivisia ominaisuuksia. Kaikissa ydinvoimalaitoksissa uraani on tällainen alkuaine.

Asemien suunnittelu tarkoittaa, että ydinvoimalaitokset toimivat monimutkaisella komposiittipolttoaineella, eivät puhtaalla kemiallisella alkuaineella. Ja uraanipolttoaineen uuttamiseksi luonnonuraanista, joka ladataan ydinreaktoriin, sinun on suoritettava paljon manipulaatioita.

Rikastettu uraani

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

Mitä tehdä tässä tapauksessa? He päättivät rikastaa uraania. Uraanin rikastaminen on prosessi, jossa siinä on paljon tarpeellisia 235x isotooppeja ja vähän tarpeettomia 238x isotooppeja jäljellä. Uraanin rikastajien tehtävänä on valmistaa lähes 100 % uraani-235 0,7 %:sta.

Uraania voidaan rikastaa käyttämällä kahta tekniikkaa - kaasudiffuusiota tai kaasusentrifugia. Niiden käyttöä varten malmista uutettu uraani muunnetaan kaasumaiseen tilaan. Kaasun muodossa se on rikastettu.

uraanijauhetta

Rikastettu uraanikaasu muunnetaan kiinteäksi olomuodoksi - uraanidioksidiksi. Tämä puhdas kiinteä uraani 235 näyttää suurilta valkoisilta kiteiltä, ​​jotka myöhemmin murskataan uraanijauheeksi.

Uraani tabletit

Uraanipelletit ovat umpimetallisia aluslevyjä, joiden pituus on pari senttimetriä. Tällaisten tablettien muovaamiseksi uraanijauheesta se sekoitetaan aineen - pehmittimen kanssa, se parantaa tablettien puristuksen laatua.

Puristettuja aluslevyjä paistetaan 1200 celsiusasteen lämpötilassa yli vuorokauden, jotta tabletit ovat erityisen vahvoja ja kestäviä korkeita lämpötiloja vastaan. Ydinvoimalaitoksen toimintatapa riippuu suoraan siitä, kuinka hyvin uraanipolttoaine puristetaan ja paistetaan.

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

Mikä on TVEL ja TVS?

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

On mahdotonta yksinkertaisesti heittää polttoainetta reaktoriin, jos ei halua saada koko aseman räjähdystä ja onnettomuutta, jonka seuraukset ovat parille lähivaltiolle. Siksi uraanipolttoaine sijoitetaan polttoainesauvoihin ja kerätään sitten polttoainenippuihin. Mitä nämä lyhenteet tarkoittavat?

  • TVEL - polttoaine-elementti (ei pidä sekoittaa niitä valmistavan venäläisen yrityksen samaan nimeen). Itse asiassa tämä on ohut ja pitkä zirkoniumseoksia valmistettu zirkoniumputki, johon laitetaan uraanipellettejä. Polttoainesauvoissa uraaniatomit alkavat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa vapauttaen lämpöä reaktion aikana.

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

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

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

Itse asiassa nämä ovat useita yhteen kiinnitettyjä TVEL:itä. Polttoaineniput ovat valmista ydinpolttoainetta, jolla ydinvoimalaitos toimii. Se on polttoainenippuja, jotka ladataan ydinreaktoriin. Yhdessä reaktorissa on noin 150 - 400 polttoainenippua.
Sen mukaan, missä reaktorissa polttoainenippu toimii, niitä on eri muotoisia. Joskus niput taitetaan kuutioiksi, joskus lieriömäisiksi, joskus kuusikulmioiksi.

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

Ydinvoimalaitosten polttoaineen toimittamiseksi muihin maihin polttoaineniput suljetaan pitkiin ja leveisiin metalliputkiin, putkista pumpataan ilmaa ja toimitetaan rahtikoneisiin erikoiskoneilla.

Ydinvoimalaitosten ydinpolttoaine painaa kohtuuttoman paljon, tk. uraani on yksi planeetan raskaimmista metalleista. Sen ominaispaino on 2,5 kertaa teräksen ominaispaino.

Ydinvoimalaitos: toimintaperiaate

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

ON TÄRKEÄÄ TIETÄÄ:

Jos et mene ydinfysiikan monimutkaisuuteen, ydinvoimalan toimintaperiaate näyttää tältä:
Ydinreaktorin käynnistyksen jälkeen polttoainesauvoista poistetaan absorboivat sauvat, jotka estävät uraanin reagoimasta.

Heti kun sauvat poistetaan, uraanineutronit alkavat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.

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

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

Turbiini käyttää sähkögeneraattoria. Hän itse asiassa tuottaa sähköä.

Jos prosessia ei seurata, uraanineutronit voivat törmätä toisiinsa, kunnes reaktori räjäytetään ja koko ydinvoimalaitos räjäytetään palasiksi. Tietokoneen anturit ohjaavat prosessia. Ne havaitsevat lämpötilan nousun tai paineen muutoksen reaktorissa ja voivat pysäyttää reaktiot automaattisesti.

Mitä eroa on ydinvoimaloiden ja lämpövoimaloiden (lämpövoimaloiden) toimintaperiaatteella?

Erot työssä ovat vasta alkuvaiheessa. Ydinvoimalaitoksissa jäähdytysneste saa lämpöä uraanipolttoaineen atomien fissiosta, lämpövoimalaitoksissa jäähdytysneste saa lämpöä orgaanisen polttoaineen (hiili, kaasu tai öljy) palamisesta. Sen jälkeen kun joko uraaniatomit tai kaasu hiilen kanssa ovat vapauttaneet lämpöä, ydinvoimaloiden ja lämpövoimalaitosten toimintakaaviot ovat samat.

Ydinreaktorien tyypit

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

Sen toimintaan käytetään 235 uraania, joka käy läpi rikastusvaiheet, uraanitablettien valmistamisen jne. Nykyään hitaita neutronireaktoreita on valtaosa.
Nopea neutronireaktori.

Nämä reaktorit ovat tulevaisuutta, koska ne työskentelevät uraani-238:lla, joka on luonteeltaan kymmenkunta senttiä, eikä tätä alkuainetta tarvitse rikastaa. Tällaisten reaktorien haittana on vain erittäin korkeat suunnittelu-, rakentamis- ja käynnistämiskustannukset. Nykyään nopeat neutronireaktorit toimivat vain Venäjällä.

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

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

IAEA-järjestö (International Atomic Energy Agency) on luonut oman luokituksensa, jota käytetään yleisimmin maailman ydinteollisuudessa. Koska ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate riippuu pitkälti jäähdytysaineen ja hidastimen valinnasta, on IAEA luokituksensa perustanut näihin eroihin.


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

Muutama fakta ydinreaktoreista...

On mielenkiintoista, että yhtä ydinvoimalan reaktoria rakennetaan vähintään 3 vuodeksi!
Reaktorin rakentamiseen tarvitaan laitteita, jotka toimivat 210 kiloampeerin sähkövirralla, mikä on miljoona kertaa ihmisen tappava virta.

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

Painevesireaktori

Olemme jo selvittäneet, miten ydinvoimalaitos toimii yleisesti, jotta "selvitetään" katsotaan kuinka suosituin paineistettu ydinreaktori toimii.
Nykyään kaikkialla maailmassa käytetään 3+ sukupolven painevesireaktoreita. Niitä pidetään luotettavimpana ja turvallisimpana.

Kaikki maailman painevesireaktorit ovat kaikkien toimintavuosiensa aikana yhteensä onnistuneet saamaan jo yli 1000 vuoden häiriöttömän toiminnan eivätkä ole koskaan antaneet vakavia poikkeamia.

Painevesireaktoreihin perustuvien ydinvoimalaitosten rakenne tarkoittaa, että polttoainesauvojen välissä kiertää tislattua vettä, joka on lämmitetty 320 asteeseen. Jotta se ei menisi höyrytilaan, sitä pidetään 160 ilmakehän paineessa. Ydinvoimalaitosjärjestelmä kutsuu sitä primäärivedeksi.

Lämmitetty vesi tulee höyrygeneraattoriin ja luovuttaa lämpönsä toisiopiirin veteen, jonka jälkeen se "palaa" uudelleen reaktoriin. Ulkoisesti näyttää siltä, ​​​​että ensisijaisen vesipiirin putket ovat kosketuksissa muihin putkiin - toisen piirin vesi, ne siirtävät lämpöä toisiinsa, mutta vedet eivät kosketa toisiinsa. Putket ovat kosketuksissa.

Näin ollen mahdollisuus, että säteilyä pääsee toisiopiirin veteen, joka osallistuu edelleen sähköntuotantoprosessiin, on suljettu pois.

Ydinvoimalaitosten turvallisuus

Kun olemme oppineet ydinvoimalaitosten toimintaperiaatteen, meidän on ymmärrettävä, miten turvallisuus on järjestetty. Ydinvoimalaitosten suunnittelu vaatii nykyään entistä enemmän turvallisuussääntöjen huomioimista.
Ydinvoimalaitosturvallisuuden kustannukset ovat noin 40 % itse laitoksen kokonaiskustannuksista.

Ydinvoimalaitossuunnitelma sisältää 4 fyysistä estettä, jotka estävät radioaktiivisten aineiden vapautumisen. Mitä näiden esteiden pitäisi tehdä? Pystyy oikeaan aikaan pysäyttämään ydinreaktio, varmistamaan jatkuvan lämmönpoiston sydämestä ja itse reaktorista sekä estämään radionuklidien vapautumisen suojarakennuksesta (suojavyöhykkeestä).

  • Ensimmäinen este on uraanipellettien lujuus. On tärkeää, että ne eivät romahdu korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta ydinreaktorissa. Ydinvoimalaitoksen toiminta riippuu monella tapaa siitä, kuinka uraanipelletit "paistettiin" tuotannon alkuvaiheessa. Jos uraanipolttoainepelletit paistetaan väärin, uraaniatomien reaktiot reaktorissa ovat arvaamattomia.
  • Toinen este on polttoainesauvojen tiiviys. Zirkoniumputket on suljettava tiiviisti, jos tiiviys katkeaa, niin parhaimmillaan reaktori vaurioituu ja työ pysähtyy, pahimmillaan kaikki lentää ilmaan.
  • Kolmas este on vahva teräksinen reaktoriastia a, (sama suuri torni - suoja-alue), joka "pitää" kaikki radioaktiiviset prosessit itsessään. Runko on vaurioitunut - säteilyä vapautuu ilmakehään.
  • Neljäs este on hätäsuojatangot. Aktiivisen vyöhykkeen yläpuolella magneeteilla on ripustettu hidastimella varustetut sauvat, jotka voivat absorboida kaikki neutronit 2 sekunnissa ja pysäyttää ketjureaktion.

Jos monien suojausasteiden ydinvoimalaitoksen rakentamisesta huolimatta reaktorisydämen jäähdyttäminen ei onnistu oikeaan aikaan ja polttoaineen lämpötila nousee 2600 asteeseen, tulee turvajärjestelmän viimeinen toivo. - niin sanottu sulaloukku.

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

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

Näin ollen ydinvoimalaitosjärjestelmä sisältää useita suojausasteita, jotka sulkevat lähes kokonaan pois kaiken mahdollisen onnettomuuden.

Laite ja toimintaperiaate perustuvat itseään ylläpitävän ydinreaktion käynnistämiseen ja ohjaukseen. Sitä käytetään tutkimusvälineenä, radioaktiivisten isotooppien tuotantoon ja ydinvoimaloiden energialähteenä.

toimintaperiaate (lyhyesti)

Tässä käytetään prosessia, jossa raskas ydin hajoaa kahdeksi pienemmäksi fragmentiksi. Nämä fragmentit ovat erittäin kiihtyneessä tilassa ja emittoivat neutroneja, muita subatomisia hiukkasia ja fotoneja. Neutronit voivat aiheuttaa uusia fissioita, joiden seurauksena neutroneja vapautuu enemmän ja niin edelleen. Tällaista jatkuvaa itseään ylläpitävää erojen sarjaa kutsutaan ketjureaktioksi. Tällöin vapautuu suuri määrä energiaa, jonka tuotanto on ydinvoimaloiden käytön tarkoitus.

Ydinreaktorin toimintaperiaate on sellainen, että noin 85 % fissioenergiasta vapautuu hyvin lyhyessä ajassa reaktion alkamisesta. Loput syntyy fissiotuotteiden radioaktiivisesta hajoamisesta sen jälkeen, kun ne ovat emittoineet neutroneja. Radioaktiivinen hajoaminen on prosessi, jossa atomi saavuttaa vakaamman tilan. Se jatkuu myös jaon päättymisen jälkeen.

Atomipommissa ketjureaktio kiihtyy, kunnes suurin osa materiaalista on haljennut. Tämä tapahtuu hyvin nopeasti ja tuottaa tällaisille pommeille tyypillisiä erittäin voimakkaita räjähdyksiä. Ydinreaktorin laite ja toimintaperiaate perustuvat ketjureaktion ylläpitämiseen kontrolloidulla, lähes vakiotasolla. Se on suunniteltu siten, että se ei voi räjähtää kuin atomipommi.

Ketjureaktio ja kriittisyys

Ydinfissioreaktorin fysiikka on, että ketjureaktion määrää ydinfission todennäköisyys neutronien emission jälkeen. Jos jälkimmäisen populaatio pienenee, fissionopeus putoaa lopulta nollaan. Tässä tapauksessa reaktori on alikriittisessä tilassa. Jos neutronien populaatio pidetään vakiona, fissionopeus pysyy vakaana. Reaktori on kriittisessä tilassa. Ja lopuksi, jos neutronien populaatio kasvaa ajan myötä, fissionopeus ja teho kasvavat. Ytimen tilasta tulee ylikriittinen.

Ydinreaktorin toimintaperiaate on seuraava. Ennen laukaisua neutronipopulaatio on lähellä nollaa. Operaattorit poistavat sitten säätösauvat sydämestä, mikä lisää ydinfissiota, mikä saattaa reaktorin tilapäisesti ylikriittiseen tilaan. Kun nimellisteho on saavutettu, käyttäjät palauttavat säätösauvoja osittain säätämällä neutronien määrää. Jatkossa reaktori pidetään kriittisessä tilassa. Kun se on pysäytettävä, käyttäjät työntävät tangot kokonaan sisään. Tämä tukahduttaa fission ja saattaa ytimen alikriittiseen tilaan.

Reaktorityypit

Suurin osa maailman ydinlaitoksista tuottaa energiaa, mikä tuottaa lämpöä, joka tarvitaan sähköenergian generaattoreita käyttävien turbiinien pyörittämiseen. On myös monia tutkimusreaktoreita, ja joissakin maissa on ydinkäyttöisiä sukellusveneitä tai pinta-aluksia.

Voimalaitokset

Tämän tyyppisiä reaktoreita on useita, mutta kevytvesirakenne on löytänyt laajan sovelluksen. Se voi puolestaan ​​käyttää paineistettua vettä tai kiehuvaa vettä. Ensimmäisessä tapauksessa korkeapaineinen neste kuumennetaan ytimen lämmöllä ja tulee höyrygeneraattoriin. Siellä ensiöpiirin lämpö siirtyy toisiopiiriin, joka sisältää myös vettä. Lopulta syntyvä höyry toimii työnesteenä höyryturbiinikierrossa.

Kiehumistyyppinen reaktori toimii suoran energiakierron periaatteella. Aktiivisen alueen läpi kulkeva vesi kiehuu keskimääräisellä painetasolla. Kyllästynyt höyry kulkee reaktoriastiassa olevien erottimien ja kuivaimien läpi, mikä saattaa sen tulistettuun tilaan. Tulistettua vesihöyryä käytetään sitten työnesteenä turbiinin kääntämiseen.

Korkean lämpötilan kaasujäähdytys

Korkean lämpötilan kaasujäähdytteinen reaktori (HTGR) on ydinreaktori, jonka toimintaperiaate perustuu grafiitin ja polttoaineen mikropallosten seoksen käyttöön polttoaineena. Kilpailevia malleja on kaksi:

  • saksalainen "täyttöjärjestelmä", jossa käytetään 60 mm:n pallomaisia ​​polttoaine-elementtejä, jotka ovat grafiitin ja polttoaineen seosta grafiittikuoressa;
  • amerikkalainen versio grafiittisen kuusikulmaisen prisman muodossa, jotka lukittuvat yhteen muodostaen aktiivisen vyöhykkeen.

Molemmissa tapauksissa jäähdytysneste koostuu heliumista, jonka paine on noin 100 ilmakehää. Saksalaisessa järjestelmässä helium kulkee pallomaisten polttoaine-elementtien kerroksen rakojen läpi ja amerikkalaisessa järjestelmässä reaktorin keskivyöhykkeen akselilla sijaitsevien grafiittiprismien reikien läpi. Molemmat vaihtoehdot voivat toimia erittäin korkeissa lämpötiloissa, koska grafiitilla on erittäin korkea sublimaatiolämpötila, kun taas helium on täysin kemiallisesti inerttiä. Kuumaa heliumia voidaan käyttää suoraan työnesteenä kaasuturbiinissa korkeassa lämpötilassa tai sen lämpöä voidaan käyttää vesikiertoisen höyryn tuottamiseen.

Nestemäinen metalli ja toimintaperiaate

Natriumjäähdytteiset nopeat neutronireaktorit saivat paljon huomiota 1960- ja 1970-luvuilla. Silloin näytti siltä, ​​että heidän lisääntymiskykynsä lähitulevaisuudessa oli välttämätöntä nopeasti kehittyvän ydinteollisuuden polttoaineen tuotannossa. Kun 1980-luvulla kävi selväksi, että tämä odotus oli epärealistinen, innostus hiipui. Useita tämäntyyppisiä reaktoreita on kuitenkin rakennettu Yhdysvaltoihin, Venäjälle, Ranskaan, Isoon-Britanniaan, Japaniin ja Saksaan. Suurin osa niistä toimii uraanidioksidilla tai sen seoksella plutoniumdioksidin kanssa. Yhdysvalloissa suurin menestys on kuitenkin ollut metallisilla ponneaineilla.

CANDU

Kanada on keskittynyt luonnonuraania käyttäviin reaktoreihin. Tämä eliminoi sen rikastamisen tarpeen turvautua muiden maiden palveluihin. Tämän politiikan tuloksena syntyi deuterium-uraanireaktori (CANDU). Ohjaus ja jäähdytys siinä suoritetaan raskaalla vedellä. Ydinreaktorin laite ja toimintaperiaate on käyttää säiliötä, jossa on kylmää D 2 O ilmakehän paineessa. Ytimen lävistävät putket, jotka on valmistettu zirkoniumseoksesta ja luonnonuraanipolttoaineesta, joiden läpi raskas vesi jäähdyttää sitä. Sähköä tuotetaan siirtämällä halkeamislämpö raskaassa vedessä jäähdytysnesteeseen, joka kierrätetään höyrystimen läpi. Toisiopiirissä oleva höyry kulkee sitten tavanomaisen turbiinikierron läpi.

Tutkimustilat

Tieteelliseen tutkimukseen käytetään useimmiten ydinreaktoria, jonka toimintaperiaatteena on vesijäähdytyksen ja lamellaristen uraanipolttoaine-elementtien käyttö kokoonpanojen muodossa. Pystyy toimimaan useilla tehotasoilla muutamasta kilowatista satoihin megawatteihin. Koska sähköntuotanto ei ole tutkimusreaktorien päätehtävä, niille on tunnusomaista ytimessä syntyneiden neutronien lämpöenergia, tiheys ja nimellisenergia. Nämä parametrit auttavat määrittämään tutkimusreaktorin kyvyn suorittaa erityisiä tutkimuksia. Matalatehoisia järjestelmiä käytetään tyypillisesti yliopistoissa opetukseen, kun taas korkeatehoisia järjestelmiä tarvitaan tutkimuslaboratorioissa materiaalien ja suorituskyvyn testaamiseen sekä yleistutkimukseen.

Yleisin tutkimusydinreaktori, jonka rakenne ja toimintaperiaate on seuraava. Sen aktiivinen vyöhyke sijaitsee suuren syvän vesialtaan pohjalla. Tämä yksinkertaistaa niiden kanavien havainnointia ja sijoittamista, joiden kautta neutronisäteet voidaan ohjata. Pienellä tehotasolla jäähdytysnestettä ei tarvitse ilmaa, koska jäähdytysnesteen luonnollinen konvektio tarjoaa riittävän lämmönpoiston turvallisen käyttötilan ylläpitämiseksi. Lämmönvaihdin sijaitsee yleensä altaan pinnalla tai yläosassa, johon kuumaa vettä kerääntyy.

Laivojen asennukset

Ydinreaktorien alkuperäinen ja pääsovellus on niiden käyttö sukellusveneissä. Niiden tärkein etu on, että toisin kuin fossiilisten polttoaineiden polttojärjestelmät, ne eivät vaadi ilmaa sähkön tuottamiseen. Siksi ydinsukellusvene voi pysyä veden alla pitkiä aikoja, kun taas tavanomaisen diesel-sähköisen sukellusveneen täytyy ajoittain nousta pintaan käynnistääkseen moottorinsa ilmassa. antaa laivaston aluksille strategisen edun. Sen ansiosta ei tarvitse tankata ulkomaisissa satamissa tai helposti haavoittuvista säiliöaluksista.

Sukellusveneen ydinreaktorin toimintaperiaate on luokiteltu. Sen tiedetään kuitenkin käyttävän Yhdysvalloissa korkeasti rikastettua uraania, ja hidastus ja jäähdytys tapahtuu kevyellä vedellä. Ydinsukellusvene USS Nautilusin ensimmäisen reaktorin suunnitteluun vaikuttivat voimakkaasti voimakkaat tutkimuslaitokset. Sen ainutlaatuisia ominaisuuksia ovat erittäin suuri reaktiivisuusmarginaali, joka varmistaa pitkän käyttöajan ilman tankkausta ja kyvyn käynnistyä uudelleen sammutuksen jälkeen. Sukellusaluksen voimalaitoksen on oltava erittäin hiljainen havaitsemisen välttämiseksi. Eri sukellusveneluokkien erityistarpeiden täyttämiseksi luotiin erilaisia ​​voimalaitosmalleja.

Yhdysvaltain laivaston lentotukialukset käyttävät ydinreaktoria, jonka periaatteen uskotaan olevan lainattu suurimmilta sukellusveneiltä. Niiden suunnittelun yksityiskohtia ei myöskään ole julkaistu.

Ydinsukellusveneitä on Yhdysvaltojen lisäksi Britannialla, Ranskalla, Venäjällä, Kiinalla ja Intialla. Kussakin tapauksessa mallia ei julkistettu, mutta uskotaan, että ne ovat kaikki hyvin samankaltaisia ​​- tämä johtuu samoista vaatimuksista niiden teknisille ominaisuuksille. Venäjällä on myös pieni laivasto, joka on varustettu samoilla reaktoreilla kuin Neuvostoliiton sukellusveneet.

Teollisuuslaitokset

Tuotantotarkoituksiin käytetään ydinreaktoria, jonka toimintaperiaate on korkea tuottavuus alhaisella energiantuotannon tasolla. Tämä johtuu siitä, että plutoniumin pitkä oleskelu ytimessä johtaa ei-toivotun 240 Pu:n kerääntymiseen.

Tritiumin tuotanto

Tällä hetkellä tritium (3 H tai T) on pääasiallinen tällaisten järjestelmien tuottama materiaali - Plutonium-239:n panoksen puoliintumisaika on pitkä, 24 100 vuotta, joten maat, joilla on tätä elementtiä käyttäviä ydinasearsenaaleja, ovat yleensä enemmän kuin on tarpeen. Toisin kuin 239 Pu, tritiumin puoliintumisaika on noin 12 vuotta. Näin ollen tätä vedyn radioaktiivista isotooppia on tuotettava jatkuvasti, jotta tarvittavat resurssit säilyvät. Esimerkiksi Yhdysvalloissa Savannah River, Etelä-Carolina, käyttää useita raskasvesireaktoreita, jotka tuottavat tritiumia.

Kelluvat voimayksiköt

On luotu ydinreaktoreita, jotka voivat tuottaa sähköä ja höyryä syrjäisille syrjäisille alueille. Esimerkiksi Venäjällä on löytynyt käyttöä erityisesti arktisia yhteisöjä palveleville pienille voimalaitoksille. Kiinassa 10 MW:n HTR-10-laitos toimittaa lämpöä ja sähköä tutkimuslaitokselle, jossa se sijaitsee. Pieniä ohjattuja reaktoreita, joilla on samanlainen kapasiteetti, kehitetään Ruotsissa ja Kanadassa. Vuosina 1960-1972 Yhdysvaltain armeija käytti pienikokoisia vesireaktoreita syrjäisten tukikohtien voimanlähteenä Grönlannissa ja Etelämantereella. Ne korvattiin öljyvoimaloilla.

Avaruustutkimus

Lisäksi on kehitetty reaktoreita tehonsyöttöön ja liikkumiseen ulkoavaruudessa. Vuosina 1967-1988 Neuvostoliitto asensi Kosmos-satelliitteihin pieniä ydinlaitoksia laitteiden ja telemetrian tehostamiseksi, mutta tästä politiikasta tuli kritiikin kohde. Ainakin yksi näistä satelliiteista pääsi maan ilmakehään, mikä johti Kanadan syrjäisten alueiden radioaktiiviseen saastumiseen. Yhdysvallat laukaisi vain yhden ydinvoimalla toimivan satelliitin vuonna 1965. Kuitenkin hankkeita niiden käytöstä syväavaruuden lennoilla, muiden planeettojen miehitetyissä tutkimuksissa tai pysyvässä kuun tukikohdassa kehitetään edelleen. Tämä on välttämättä kaasujäähdytteinen tai nestemetallinen ydinreaktori, jonka fysikaaliset periaatteet tarjoavat korkeimman mahdollisen lämpötilan, joka tarvitaan patterin koon minimoimiseksi. Lisäksi avaruusaluksen reaktorin tulee olla mahdollisimman kompakti, jotta suojaukseen käytettävän materiaalin määrä minimoidaan ja paino alennetaan laukaisun ja avaruuslennon aikana. Polttoaineen syöttö varmistaa reaktorin toiminnan koko avaruuslennon ajan.

I. Ydinreaktorin suunnittelu

Ydinreaktori koostuu seuraavista viidestä pääelementistä:

1) ydinpolttoaine;

2) neutronien hidastin;

3) sääntelyjärjestelmät;

4) jäähdytysjärjestelmät;

5) suojanäyttö.

1. Ydinpolttoaine.

Ydinpolttoaine on energianlähde. Tällä hetkellä tunnetaan kolmenlaisia ​​halkeamiskelpoisia materiaaleja:

a) uraani 235, joka on 0,7 % luonnonuraanissa eli 1/140 osa;

6) plutonium 239, jota muodostuu joissakin reaktoreissa uraani 238:n pohjalta, joka muodostaa lähes koko luonnonuraanin massan (99,3 % eli 139/140 osaa).

Sieppaamalla neutroneja uraani 238 ytimet muuttuvat neptuniumin ytimiksi - Mendelejevin jaksollisen järjestelmän 93. elementiksi; jälkimmäiset puolestaan ​​muuttuvat plutoniumin ytimiksi - jaksollisen järjestelmän 94. elementiksi. Plutonium uutetaan helposti säteilytetystä uraanista kemiallisesti ja sitä voidaan käyttää ydinpolttoaineena;

c) uraani 233, joka on toriumista saadun uraanin keinotekoinen isotooppi.

Toisin kuin uraani 235, jota löytyy luonnonuraanista, plutonium 239 ja uraani 233 tuotetaan vain keinotekoisesti. Siksi niitä kutsutaan toissijaisiksi ydinpolttoaineiksi; uraani 238 ja torium 232 ovat tällaisen polttoaineen lähde.

Siten kaikista edellä luetelluista ydinpolttoainetyypeistä uraani on tärkein. Tämä selittää sen valtavan laajuuden, jonka uraaniesiintymien etsiminen ja etsintä ovat saaneet kaikissa maissa.

Ydinreaktorissa vapautuvaa energiaa verrataan joskus kemiallisessa palamisreaktiossa vapautuvaan energiaan. Niiden välillä on kuitenkin perustavanlaatuinen ero.

Uraanin fissioprosessissa saatu lämpömäärä on mittaamattoman suurempi kuin esimerkiksi kivihiiltä polttamalla saatu lämpömäärä: 1 kg uraani 235:tä, joka on tilavuudeltaan yhtä suuri kuin tupakka-askin, voisi teoriassa tuottaa yhtä paljon energiaa 2600 tonnia hiiltä.

Näitä energiamahdollisuuksia ei kuitenkaan hyödynnetä täysimääräisesti, koska kaikkea uraani-235:tä ei voida erottaa luonnonuraanista. Tämän seurauksena 1 kg uraania vastaa tällä hetkellä noin 10 tonnia hiiltä riippuen sen uraani 235:llä rikastusasteesta. Mutta on otettava huomioon, että ydinpolttoaineen käyttö helpottaa kuljetusta ja siten alentaa merkittävästi polttoainekustannuksia. Brittiasiantuntijat ovat laskeneet, että uraania rikastamalla he pystyvät lisäämään reaktoreihin tulevaa lämpöä 10-kertaiseksi, mikä vastaa 1 tonnin uraania 100 000 tonniin hiiltä.

Toinen ero lämmön vapautuessa etenevän ydinfissioprosessin ja kemiallisen palamisen välillä on, että palamisreaktioon tarvitaan happea, kun taas vain muutama neutroni ja tietty massa ydinpolttoainetta, joka vastaa kriittistä massaa, jonka määrittelemme, vaaditaan ketjureaktion käynnistämiseksi, jotka on jo annettu atomipommia käsittelevässä osiossa.

Ja lopuksi, näkymätön ydinfissioprosessi liittyy äärimmäisen haitallisen säteilyn päästöihin, joilta on tarpeen tarjota suoja.

2. Neutronimoderaattori.

Hajoamistuotteiden leviämisen estämiseksi reaktorissa ydinpolttoaine on sijoitettava erityisiin vaippaisiin. Tällaisten kuorien valmistukseen voidaan käyttää alumiinia (jäähdyttimen lämpötila ei saa ylittää 200 °) ja vielä paremmin berylliumia tai zirkoniumia - uusia metalleja, joiden valmistukseen puhtaassa muodossa liittyy suuria vaikeuksia.

Ydinfissioprosessissa syntyvillä neutroneilla (keskimäärin 2-3 neutronia raskaan alkuaineen yhden ytimen fission aikana) on tietty energia. Jotta muiden ytimien neutronien fission todennäköisyys olisi suurin, jota ilman reaktio ei kestä itseään, on välttämätöntä, että nämä neutronit menettävät osan nopeudestaan. Tämä saavutetaan sijoittamalla reaktoriin hidastin, jossa nopeat neutronit muuttuvat hitaiksi neutroneiksi lukuisten peräkkäisten törmäysten seurauksena. Koska hidastimena käytetyssä aineessa tulee olla ytimiä, joiden massa on suunnilleen yhtä suuri kuin neutronien massa eli kevyiden alkuaineiden ytimet, raskasta vettä on käytetty moderaattorina alusta alkaen (D 2 0, jossa D on deuterium , joka korvasi kevyen vedyn tavallisessa vedessä H 2 0). Nyt he kuitenkin yrittävät käyttää yhä enemmän grafiittia - se on halvempaa ja antaa melkein saman vaikutuksen.

Ruotsista ostettu tonni raskasta vettä maksaa 70–80 miljoonaa frangia. Geneven atomienergian rauhanomaista käyttöä käsittelevässä konferenssissa amerikkalaiset ilmoittivat, että he voivat pian myydä raskasta vettä hintaan 22 miljoonaa frangia tonnilta.

Grafiittitonni maksaa 400 000 frangia ja tonni berylliumoksidia 20 miljoonaa frangia.

Moderaattorina käytetyn materiaalin on oltava puhdasta, jotta vältetään neutronien häviäminen niiden kulkiessa moderaattorin läpi. Ajon lopussa neutronien keskinopeus on noin 2200 m/s, kun niiden alkunopeus oli noin 20 tuhatta km/s. Reaktoreissa lämmön vapautuminen tapahtuu vähitellen ja sitä voidaan hallita, toisin kuin atomipommissa, jossa se tapahtuu välittömästi ja saa räjähdyksen luonteen.

Jotkut nopeat neutronireaktorit eivät vaadi moderaattoria.

3. Sääntelyjärjestelmä.

Ihmisen tulee kyetä aiheuttamaan, säätelemään ja pysäyttämään ydinreaktio haluamallaan tavalla. Tämä saavutetaan käyttämällä booriteräksestä tai kadmiumista valmistettuja säätösauvoja, materiaaleja, joilla on kyky absorboida neutroneja. Riippuen syvyydestä, johon säätösauvat lasketaan reaktoriin, sydämessä olevien neutronien määrä kasvaa tai vähenee, mikä lopulta mahdollistaa prosessin hallinnan. Säätösauvoja ohjataan automaattisesti servomekanismeilla; Jotkut näistä sauvoista voivat vaaratilanteessa pudota välittömästi ytimeen.

Aluksi pelättiin, että reaktorin räjähdys aiheuttaisi saman vahingon kuin atomipommin räjähdys. Osoittaakseen, että reaktorin räjähdys tapahtuu vain tavanomaisista poikkeavissa olosuhteissa eikä aiheuta vakavaa vaaraa ydinvoimalan läheisyydessä asuvalle väestölle, amerikkalaiset räjäyttivät tarkoituksella yhden niin sanotun "kiehuvan" reaktorin. Todellakin tapahtui räjähdys, jota voimme luonnehtia "klassiseksi", toisin sanoen ei-ydinvoimaiseksi; Tämä todistaa jälleen kerran, että ydinreaktoreita voidaan rakentaa lähelle asuttua aluetta ilman erityistä vaaraa jälkimmäiselle.

4. Jäähdytysjärjestelmä.

Ydinfissioprosessissa vapautuu tiettyä energiaa, joka siirtyy hajoamistuotteisiin ja tuloksena oleviin neutroneihin. Tämä energia muuttuu lämpöenergiaksi lukuisten neutronien törmäysten seurauksena, joten nopean reaktorin rikkoutumisen estämiseksi lämpö on poistettava. Radioaktiivisten isotooppien tuottamiseen suunnitelluissa reaktoreissa tätä lämpöä ei käytetä, kun taas energian tuottamiseen tarkoitetuissa reaktoreissa siitä tulee päinvastoin päätuote. Jäähdytys voidaan suorittaa kaasulla tai vedellä, jotka kiertävät reaktorissa paineen alaisena erikoisputkien läpi ja jäähdytetään sitten lämmönvaihtimessa. Vapautuneella lämmöllä voidaan lämmittää generaattoriin kytkettyä turbiinia pyörittävä höyry; sellainen laite olisi ydinvoimala.

5. Suojaava näyttö.

Reaktorista ulos lentävien neutronien haitallisten vaikutusten välttämiseksi ja reaktion aikana vapautuvalta gammasäteilyltä suojaamiseksi tarvitaan luotettava suojaus. Tutkijat ovat laskeneet, että reaktori, jonka kapasiteetti on 100 tuhatta kW, lähettää sellaisen määrän radioaktiivista säteilyä, jonka 100 metrin etäisyydellä siitä oleva henkilö vastaanottaa 2 minuutissa. tappava annos. Reaktorin huoltohenkilöstön suojan varmistamiseksi rakennetaan kaksimetriset seinät erikoisbetonista lyijylevyillä.

Ensimmäisen reaktorin rakensi italialainen Fermi joulukuussa 1942. Vuoden 1955 loppuun mennessä maailmassa oli noin 50 ydinreaktoria (USA -2 1, Englanti - 4, Kanada - 2, Ranska - 2). Tähän on lisättävä, että vuoden 1956 alkuun mennessä tutkimus- ja teollisuustarkoituksiin suunniteltiin vielä noin 50 reaktoria (USA - 23, Ranska - 4, Englanti - 3, Kanada - 1).

Näiden reaktorien tyypit ovat hyvin erilaisia, ja ne vaihtelevat hitaista neutronireaktoreista, joissa on grafiittihidastajat ja luonnonuraania polttoaineena, nopean neutronireaktoreihin, joissa käytetään polttoaineena plutoniumia rikastettua uraania tai toriumista keinotekoisesti saatua uraani 233:a.

Näiden kahden vastakkaisen tyypin lisäksi on useita reaktoreita, jotka eroavat toisistaan ​​joko ydinpolttoaineen koostumuksen tai hidastimen tyypin tai jäähdytysaineen suhteen.

On erittäin tärkeää huomata, että vaikka asian teoreettinen puoli on nyt hyvin tutkittu kaikkien maiden asiantuntijoiden keskuudessa, käytännön alalla eri maat eivät ole vielä saavuttaneet samaa tasoa. Yhdysvallat ja Venäjä ovat muita maita edellä. Voidaan väittää, että atomienergian tulevaisuus riippuu pääasiassa tekniikan kehityksestä.

Kirjasta The Amazing World Inside the Atomic Nucleus [luento koululaisille] kirjoittaja Ivanov Igor Pierovich

LHC-törmäimen laite Nyt muutama kuva. Törmäyskone on törmäävä hiukkaskiihdytin. Siellä hiukkaset kiihtyvät kahta rengasta pitkin ja törmäävät toisiinsa. Tämä on maailman suurin koelaitos, koska tämän renkaan - tunnelin - pituus

Kirjasta Uusin tosiasioiden kirja. Osa 3 [Fysiikka, kemia ja tekniikka. Historia ja arkeologia. Sekalaista] kirjoittaja Kondrashov Anatoli Pavlovich

Kirjasta The Atomic Problem kirjoittanut Ren Philip

Kirjasta 5b. sähköä ja magnetismia kirjoittaja Feynman Richard Phillips

Kirjailijan kirjasta

VIII luku Ydinreaktorin toimintaperiaate ja ominaisuudet I. Ydinreaktorin suunnittelu Ydinreaktori koostuu seuraavista viidestä pääelementistä: 1) ydinpolttoaine 2) neutronien hidastin 3) ohjausjärjestelmä 4) jäähdytysjärjestelmä. 5) suojaava

Kirjailijan kirjasta

Luku 11 DIELEKTRIN SISÄLAITE §1. Molekyylidipolit§2. Elektroninen polarisaatio §3. polaariset molekyylit; orientaatiopolarisaatio§4. Sähkökentät eristeen onteloissa §5. Nesteiden dielektrisyysvakio; Clausiuksen kaava - Mossotti§6.

Tämä käsittämätön harmaa sylinteri on Venäjän ydinteollisuuden keskeinen lenkki. Se ei tietenkään näytä kovin edustavalta, mutta heti kun ymmärrät sen tarkoituksen ja katsot teknisiä ominaisuuksia, alat ymmärtää, miksi valtio vartioi luomisen ja rakenteen salaisuutta kuin silmäterää.

Kyllä, unohdin esitellä: edessäsi on kaasusentrifugi uraani-isotooppien VT-3F (n-nen sukupolven) erottamiseen. Toimintaperiaate on alkeellinen, kuten maidonerottimessa, raskas, keskipakovoiman vaikutuksesta, erotetaan valosta. Mikä sitten on sen merkitys ja ainutlaatuisuus?

Aluksi vastataan toiseen kysymykseen - mutta yleensä miksi uraani erotetaan?

Luonnonuraani, joka sijaitsee aivan maassa, on kahden isotoopin cocktail: uraani-238 Ja uraani-235(ja 0,0054 % U-234).
Uraani-238, se on vain raskasta, harmaata metallia. Voit tehdä siitä tykistökuoren, tai ... avaimenperän. Ja tässä on mitä voit tehdä uraani-235? No, ensinnäkin atomipommi ja toiseksi ydinvoimaloiden polttoaine. Ja tässä tulemme avainkysymykseen - kuinka erottaa nämä kaksi, lähes identtistä atomia toisistaan? Oikeasti MITEN?!

Muuten: Uraaniatomin ytimen säde on 1,5 10 -8 cm.

Jotta uraaniatomit ajautuisivat teknologiseen ketjuun, se (uraani) on muutettava kaasumaiseen tilaan. Ei ole mitään järkeä keittää, riittää kun yhdistät uraani fluoriin ja saadaan uraaniheksafluoridia HFC. Sen tuotantotekniikka ei ole kovin monimutkaista ja kallista, ja siksi HFC päästä juuri sinne, missä tämä uraani louhitaan. UF6 on ainoa erittäin haihtuva uraaniyhdiste (53 °C:seen kuumennettaessa heksafluoridi (kuvassa) muuttuu suoraan kiinteästä kaasumaiseksi). Sitten se pumpataan erikoissäiliöihin ja lähetetään rikastettaviksi.

Hieman historiaa

Ydinkilpailun alussa suurimmat tieteelliset mielet, sekä Neuvostoliitto että Yhdysvallat, hallitsivat idean diffuusioerottelusta - uraanin kuljettamisesta seulan läpi. Pieni 235 isotooppi luistaa ja "paksu" 238 jäädä jumiin. Ja nano-reikien seulan valmistaminen Neuvostoliiton teollisuudelle vuonna 1946 ei ollut vaikein tehtävä.

Isaac Konstantinovich Kikoinin raportista kansankomissaarien neuvoston alaisuudessa toimivassa tieteellisessä ja teknisessä neuvostossa (joka on annettu Neuvostoliiton atomiprojektia koskevassa kokoelmassa, josta on poistettu turvaluokiteltu materiaali (Toim. Ryabev)): Tällä hetkellä olemme oppineet tekemään noin 5/1000 mm reikiä sisältäviä verkkoja, ts. 50 kertaa molekyylien keskimääräinen vapaa reitti ilmakehän paineessa. Siksi kaasun paineen, jossa isotoopin erottuminen tällaisissa ristikoissa tapahtuu, on oltava alle 1/50 ilmakehän paineesta. Käytännössä odotamme toimivan noin 0,01 ilmakehän paineessa, ts. hyvissä tyhjiöolosuhteissa. Laskelma osoittaa, että 90 %:n pitoisuuteen rikastetun tuotteen saamiseksi kevyessä isotoopissa (sellainen pitoisuus riittää räjähteen saamiseksi), noin 2000 tällaista vaihetta on yhdistettävä kaskadiksi. Suunnittelemassamme ja osittain valmistamassamme koneessa sen odotetaan tuottavan 75-100 g uraani-235:tä vuorokaudessa. Asennus koostuu noin 80-100 "sarakkeesta", joista jokainen sisältää 20-25 askelmaa."

Alla on asiakirja - Berian raportti Stalinille ensimmäisen ydinräjähdyksen valmistelusta. Alla pieni viittaus kertyneisiin ydinmateriaaleihin kesän 1949 alkuun mennessä.

Ja nyt kuvittele itse – 2000 isoa asennusta noin 100 gramman vuoksi! No, minne mennä, pommeja tarvitaan. Ja he alkoivat rakentaa tehtaita, ei vain tehtaita, vaan kokonaisia ​​kaupunkeja. Ja okei, vain kaupungit, nämä diffuusiolaitokset vaativat niin paljon sähköä, että heidän piti rakentaa erilliset voimalaitokset lähelle.

Neuvostoliitossa laitoksen nro 813 ensimmäinen vaihe D-1 suunniteltiin tuottamaan 140 grammaa 92-93 % uraani-235:tä päivässä kahdessa 3100 teholtaan identtisen erotusvaiheen sarjassa. Tuotantoa varten varattiin keskeneräinen lentokonetehdas Verkh-Neyvinskin kylässä, joka sijaitsee 60 km:n päässä Sverdlovskista. Myöhemmin siitä tuli Sverdlovsk-44 ja 813. tehdas (kuvassa) Uralin sähkökemian tehtaaksi - maailman suurimmaksi erotuslaitokseksi.

Ja vaikka diffuusioerotustekniikka, vaikkakin suurilla teknologisilla vaikeuksilla, virheenkorjaus tehtiin, ajatus taloudellisemman keskipakoprosessin hallitsemisesta ei poistunut esityslistalta. Loppujen lopuksi, jos onnistut luomaan sentrifugin, energiankulutus vähenee 20-50 kertaa!

Miten sentrifugi asetetaan?

Se on järjestetty enemmän kuin elementaarisesti ja näyttää vanhalta pesukoneelta, joka toimii "linkous / kuivaus" -tilassa. Suljetussa kotelossa on pyörivä roottori. Tämä roottori toimitetaan kaasulla (UF6). Keskipakovoiman ansiosta, joka on satojatuhansia kertoja suurempi kuin maan vetovoimakenttä, kaasu alkaa erottua "raskaaksi" ja "kevyeksi" jakeeksi. Kevyet ja raskaat molekyylit alkavat ryhmitellä roottorin eri vyöhykkeille, mutta ei keskelle ja kehää pitkin, vaan ylä- ja alaosaan.

Tämä johtuu konvektiovirroista - roottorin kansi kuumennetaan ja kaasun takaisinvirtaus tapahtuu. Sylinterin ylä- ja alaosassa on kaksi pientä putkea - imu. Tyhjentynyt seos tulee alempaan putkeen, seos, jossa on suurempi atomipitoisuus, tulee ylempään putkeen 235U. Tämä seos menee seuraavaan sentrifugiin ja niin edelleen konsentraatioon asti 235 uraani ei saavuta haluttua arvoa. Sentrifugiketjua kutsutaan kaskadiksi.

Tekniset ominaisuudet.

No, ensinnäkin, pyörimisnopeus - nykyaikaisessa sentrifugien sukupolvessa se saavuttaa 2000 rpm (en edes tiedä mitä verrata ... 10 kertaa nopeampaan kuin lentokoneen moottorin turbiini)! Ja se on toiminut taukoamatta KOLME VUODEN VUOTTA! Nuo. nyt sentrifugit, jotka käynnistettiin Brežnevin aikana, pyörivät kaskadeina! Neuvostoliittoa ei ole enää olemassa, mutta ne jatkavat pyörimistä ja pyörimistä. Ei ole vaikeaa laskea, että roottori tekee työjaksonsa aikana 2 000 000 000 000 (kaksi biljoonaa) kierrosta. Ja millainen laakeri kestää sen? Kyllä, ei yhtään! Laakereita ei ole.

Roottori itsessään on tavallinen yläosa, sen alaosassa on vahva neula, joka lepää korundipainelaakerilla ja yläpää roikkuu tyhjiössä sähkömagneettisen kentän pitämänä. Neula ei myöskään ole yksinkertainen, valmistettu tavallisesta langasta pianon kielelle, se on karkaistu erittäin hankalalla tavalla (mitä - GT). Ei ole vaikea kuvitella, että tällaisella kiihkeällä pyörimisnopeudella itse sentrifugin on oltava paitsi kestävä, myös erittäin vahva.

Akateemikko Joseph Friedlander muistelee: "Kolme kertaa heidät olisi voitu ampua. Kerran, kun olimme jo saaneet Lenin-palkinnon, tapahtui suuri onnettomuus, sentrifugin kansi lensi pois. Palaset hajallaan, tuhosivat muut sentrifugit. Radioaktiivinen pilvi on noussut. Minun piti pysäyttää koko linja - kilometri asennuksia! Sredmashissa sentrifugeja johti kenraali Zverev, ennen atomiprojektia hän työskenteli Berian osastolla. Kenraali kokouksessa sanoi: "Tilanne on kriittinen. Maan puolustus on uhattuna. Jos emme korjaa tilannetta nopeasti, 37. vuosi toistuu sinulle. Ja kokous suljettiin välittömästi. Sitten keksimme täysin uuden tekniikan, jossa kansien rakenne oli täysin isotrooppinen, mutta vaativat erittäin monimutkaiset asennukset. Sittemmin näitä kansia on valmistettu. Ei ollut enää ongelmia. Venäjällä on 3 rikastuslaitosta, satoja tuhansia sentrifugeja.
Kuvassa: ensimmäisen sukupolven sentrifugien testit

Myös roottorikotelot olivat aluksi metallisia, kunnes ne korvattiin ... hiilikuidilla. Kevyt ja erittäin repeytymätön, se on ihanteellinen materiaali pyörivälle sylinterille.

UEIP:n pääjohtaja (2009-2012) Alexander Kurkin muistelee: "Se tuli naurettavaksi. Kun testattiin ja testattiin uutta, "pyörivämpää" sentrifugien sukupolvea, yksi työntekijöistä ei odottanut roottorin pysähtymistä kokonaan, vaan irrotti sen kaskadista ja päätti siirtää sen telineeseen sylissään. Mutta sen sijaan, että olisi siirtynyt eteenpäin, vaikka hän vastusti kuinka lujasti, hän syli tämän sylinterin ja alkoi liikkua taaksepäin. Näin siis omin silmin, että maa pyörii ja gyroskooppi on suuri voima."

Kuka keksi?

Voi, se on mysteeri, joka on täynnä mysteeriä ja peitetty epäselvyydellä. Täällä on saksalaiset vangitut fyysikot, CIA, SMERSH-upseerit ja jopa alas pudonnut vakoojalentäjä Powers. Yleisesti ottaen kaasusentrifugin periaate kuvattiin 1800-luvun lopulla.

Jopa atomiprojektin kynnyksellä Kirovin tehtaan erityissuunnittelutoimiston insinööri Viktor Sergeev ehdotti keskipakoerotusmenetelmää, mutta aluksi hänen kollegansa eivät hyväksyneet hänen ideaansa. Samaan aikaan tappion Saksan tutkijat taistelivat erotussentrifugin luomisesta erityiseen NII-5:een Sukhumissa: tohtori Max Steenbeck, joka työskenteli Hitlerin alaisuudessa Siemensin pääinsinöörinä, ja Gernot Zippe, entinen Luftwaffen mekaanikko. , valmistunut Wienin yliopistosta. Kaikkiaan ryhmään kuului noin 300 "vientifyysikkoa".

Rosatomin CJSC Centrotech-SPb:n pääjohtaja Aleksei Kalitejevski muistuttaa: – Asiantuntijamme tulivat siihen tulokseen, että saksalainen sentrifugi ei sovellu teolliseen tuotantoon. Steenbeck-laitteistossa ei ollut järjestelmää osittain rikastetun tuotteen siirtämiseksi seuraavaan vaiheeseen. Kannen päät ehdotettiin jäähdyttämään ja kaasun jäädyttämistä, sitten sen jäätymisen avaamista, keräämistä ja laittamista seuraavaan sentrifugiin. Eli järjestelmä ei toimi. Projektissa oli kuitenkin erittäin mielenkiintoisia ja epätavallisia teknisiä ratkaisuja. Nämä "mielenkiintoiset ja epätavalliset ratkaisut" yhdistettiin Neuvostoliiton tutkijoiden saamiin tuloksiin, erityisesti Viktor Sergeevin ehdotuksiin. Suhteellisesti sanottuna kompakti sentrifugimme on kolmasosa saksalaisen ajattelun hedelmää ja kaksi kolmasosaa neuvostoajattelusta." Muuten, kun Sergeev tuli Abhasiaan ja ilmaisi samalle Steenbeckille ja Zippelle ajatuksensa uraanin valinnasta, Steenbeck ja Zippe hylkäsivät ne toteuttamattomina.

Mitä Sergejev sitten keksi.

Ja Sergejevin ehdotus oli luoda kaasunäytteenottolaitteet Pitot-putkien muodossa. Mutta tohtori Steenbeck, joka, kuten hän uskoi, söi hampaansa tästä aiheesta, oli ehdoton: "Ne hidastavat virtausta, aiheuttavat turbulenssia, eikä eroa tule olemaan!" Vuosia myöhemmin, työskennellessään muistelmiensa parissa, hän katuu sitä: ”Ajatus ansaitsee tulla meiltä! Mutta se ei tullut mieleeni..."

Myöhemmin, kun hän oli Neuvostoliiton ulkopuolella, Steenbeck ei enää käsitellyt sentrifugeja. Mutta Geront Zippellä oli ennen lähtöä Saksaan mahdollisuus tutustua Sergejevin sentrifugin prototyyppiin ja sen nerokkaan yksinkertaiseen toimintaperiaatteeseen. Kerran lännessä "ovela Zippe", kuten häntä usein kutsuttiin, patentoi sentrifugin suunnittelun omalla nimellään (patentti nro 1071597 vuodelta 1957, vireillä 13 maassa). Vuonna 1957 Yhdysvaltoihin muutettuaan Zippe rakensi sinne toimivan installaation, joka toisti Sergeevin prototyypin muistista. Ja hän kutsui sitä, osoittakaamme kunnioitusta, "venäläiseksi sentrifugiksi" (kuvassa).

Muuten, venäläinen suunnittelu on osoittanut itsensä monissa muissakin tapauksissa. Esimerkki on perushätäsulkuventtiili. Siinä ei ole antureita, ilmaisimia ja elektronisia piirejä. On vain samovaarihana, joka terälehtillään koskettaa kaskadin runkoa. Jos jokin menee pieleen ja sentrifugi muuttaa sijaintiaan avaruudessa, se yksinkertaisesti kääntyy ja sulkee tuloputken. Se on kuin vitsissä amerikkalaisesta kynästä ja venäläisestä kynästä avaruudessa.

Meidän päivät

Tällä viikolla näiden rivien kirjoittaja oli läsnä merkittävässä tapahtumassa - Yhdysvaltain energiaministeriön Venäjän tarkkailijatoimiston sulkemisessa sopimuksen mukaisesti. HEU-LEU. Tämä sopimus (korkearikastettu uraani-vähärikastettu uraani) oli ja on edelleen Venäjän ja Amerikan suurin ydinenergiasopimus. Sopimuksen ehtojen mukaisesti venäläiset ydintutkijat prosessoivat 500 tonnia aselaatuista (90 %) uraaniamme polttoaineeksi (4 %) amerikkalaisten ydinvoimaloiden HFC-yhdisteiksi. Vuosien 1993-2009 liikevaihto oli 8,8 miljardia Yhdysvaltain dollaria. Tämä oli looginen tulos ydintutkijoidemme isotooppierottelun alalla tekemästä teknologisesta läpimurrosta, joka tehtiin sodanjälkeisinä vuosina.
Kuvassa: kaasusentrifugien kaskadit yhdessä UEIP-työpajoista. Niitä on täällä noin 100 000.

Sentrifugien ansiosta olemme saaneet tuhansia tonneja suhteellisen halpoja sekä sotilaallisia että kaupallisia tuotteita. Ydinteollisuus, yksi harvoista jäljellä olevista (sotilasilmailu, avaruus), jossa Venäjällä on kiistaton ylivoima. Vain ulkomaiset tilaukset kymmeneksi vuodeksi eteenpäin (2013-2022), Rosatomin portfolio ilman sopimusta HEU-LEU on 69,3 miljardia dollaria. Vuonna 2011 se ylitti 50 miljardia ...
Kuvassa HFC-säiliöiden varasto UEIP:ssä.

28. syyskuuta 1942 hyväksyttiin valtion puolustuskomitean päätös nro 2352ss "Uraanityön järjestämisestä". Tätä päivämäärää pidetään Venäjän ydinteollisuuden historian virallisena alkuna.

Fission ketjureaktioon liittyy aina valtavan energian vapautuminen. Tämän energian käyttö käytännössä on ydinreaktorin päätehtävä.

Ydinreaktori on laite, jossa tapahtuu kontrolloitu tai kontrolloitu ydinfissioreaktio.

Toimintaperiaatteen mukaan ydinreaktorit jaetaan kahteen ryhmään: lämpöneutronireaktorit ja nopeat neutronireaktorit.

Kuinka lämpöneutroniydinreaktori toimii?

Tyypillisessä ydinreaktorissa on:

  • Ydin ja moderaattori;
  • Neutroni heijastin;
  • Jäähdytysneste;
  • Ketjureaktion valvontajärjestelmä, hätäsuojaus;
  • Valvonta- ja säteilysuojelujärjestelmä;
  • Kaukosäädinjärjestelmä.

1 - aktiivinen vyöhyke; 2 - heijastin; 3 - suojaus; 4 - ohjaussauvat; 5 - jäähdytysneste; 6 - pumput; 7 - lämmönvaihdin; 8 - turbiini; 9 - generaattori; 10 - kondensaattori.

Ydin ja moderaattori

Hallittu fissioketjureaktio tapahtuu ytimessä.

Useimmat ydinreaktorit toimivat uraani-235:n raskailla isotoopeilla. Mutta uraanimalmin luonnollisissa näytteissä sen pitoisuus on vain 0,72%. Tämä pitoisuus ei riitä ketjureaktion kehittymiseen. Siksi malmi on keinotekoisesti rikastettu, jolloin tämän isotoopin pitoisuus on 3%.

Pellettien muodossa oleva halkeamiskelpoinen materiaali tai ydinpolttoaine sijoitetaan ilmatiiviisti suljettuihin tankoihin, joita kutsutaan TVEL:iksi (polttoaine-elementit). Ne läpäisevät koko aktiivisen vyöhykkeen täynnä moderaattori neutroneja.

Miksi ydinreaktoriin tarvitaan neutronihidastaja?

Tosiasia on, että uraani-235-ytimien hajoamisen jälkeen syntyneillä neutroneilla on erittäin suuri nopeus. Todennäköisyys, että ne sieppaavat muut uraaniytimet, on satoja kertoja pienempi kuin hitaiden neutronien sieppaamisen todennäköisyys. Ja jos et vähennä niiden nopeutta, ydinreaktio voi hiipua ajan myötä. Moderaattori ratkaisee neutronien nopeuden vähentämisen ongelman. Jos vesi tai grafiitti sijoitetaan nopeiden neutronien tielle, voidaan niiden nopeutta vähentää keinotekoisesti ja siten lisätä atomien sieppaamien hiukkasten määrää. Samalla tarvitaan pienempi määrä ydinpolttoainetta ketjureaktioon reaktorissa.

Hidastusprosessin seurauksena lämpöneutroneja, jonka nopeus on käytännössä sama kuin kaasumolekyylien lämpöliikkeen nopeus huoneenlämpötilassa.

Hidastimena ydinreaktoreissa käytetään vettä, raskasta vettä (deuteriumoksidi D 2 O), berylliumia ja grafiittia. Mutta paras moderaattori on raskas vesi D 2 O.

Neutroniheijastin

Neutronien vuotamisen välttämiseksi ympäristöön ydinreaktorin sydäntä ympäröi neutroniheijastin. Heijastimien materiaalina käytetään usein samoja aineita kuin moderaattoreissa.

jäähdytysnestettä

Ydinreaktion aikana vapautuva lämpö poistetaan jäähdytysnesteellä. Jäähdytysaineena ydinreaktoreissa käytetään usein tavallista luonnonvettä, joka on aiemmin puhdistettu erilaisista epäpuhtauksista ja kaasuista. Mutta koska vesi kiehuu jo lämpötilassa 100 0 C ja paineessa 1 atm, kiehumispisteen nostamiseksi primäärijäähdytyspiirin painetta nostetaan. Reaktorisydämen läpi kiertävä primääripiirin vesi pesee polttoaine-elementit samalla kuumentaen 320 0 C lämpötilaan. Edelleen lämmönvaihtimen sisällä se luovuttaa lämpöä toisen piirin veteen. Vaihto kulkee lämmönvaihtoputkien läpi, joten se ei ole kosketuksissa toisiopiirin veteen. Tämä sulkee pois radioaktiivisten aineiden pääsyn lämmönvaihtimen toiseen piiriin.

Ja sitten kaikki tapahtuu kuin lämpövoimalaitoksessa. Toisessa piirissä oleva vesi muuttuu höyryksi. Höyry kääntää turbiinin, joka käyttää generaattoria, joka tuottaa sähköä.

Raskasvesireaktoreissa jäähdytysaine on raskasta vettä D 2 O, ja reaktoreissa, joissa on nestemäisiä metallijäähdytysaineita, se on sulaa metallia.

Ketjureaktion ohjausjärjestelmä

Reaktorin nykytilaa kuvaa ns reaktiivisuus.

ρ = ( k-1)/ k ,

k = n i / n i -1 ,

Missä k on neutronien kerroin,

n i on seuraavan sukupolven neutronien lukumäärä ydinfissioreaktiossa,

n i -1 , on edellisen sukupolven neutronien lukumäärä samassa reaktiossa.

Jos k ˃ 1 , ketjureaktio muodostuu, järjestelmää kutsutaan ylikriittinen th. Jos k< 1 , ketjureaktio hajoaa ja systeemiä kutsutaan alikriittinen. klo k = 1 reaktori on sisällä vakaa kriittinen tila, koska halkeavien ytimien määrä ei muutu. Tässä tilassa reaktiivisuus ρ = 0 .

Reaktorin kriittinen tila (ydinreaktorissa vaadittava neutronien kerroin) ylläpidetään siirtämällä ohjaussauvat. Materiaali, josta ne on valmistettu, sisältää aineita, jotka absorboivat neutroneja. Näiden sauvojen työntäminen tai työntäminen ytimeen ohjaa ydinfissioreaktion nopeutta.

Ohjausjärjestelmä ohjaa reaktoria sen käynnistyksen, suunnitellun sammutuksen, tehokäytön aikana sekä ydinreaktorin hätäsuojauksen. Tämä saavutetaan muuttamalla säätösauvojen asentoa.

Jos jokin reaktorin parametreista (lämpötila, paine, tehonsiirtonopeus, polttoaineenkulutus jne.) poikkeaa normista ja tämä voi johtaa onnettomuuteen, hätäsauvat ja ydinreaktio lakkaa nopeasti.

Varmista, että reaktorin parametrit ovat standardien mukaiset, valvo valvonta- ja säteilysuojelujärjestelmät.

Ympäristön suojelemiseksi radioaktiiviselta säteilyltä reaktori sijoitetaan paksuun betonikoteloon.

Kaukosäädinjärjestelmät

Kaikki signaalit ydinreaktorin tilasta (jäähdytysnesteen lämpötila, säteilytaso reaktorin eri osissa jne.) lähetetään reaktorin ohjauspaneeliin ja käsitellään tietokonejärjestelmissä. Operaattori saa kaikki tarvittavat tiedot ja suositukset tiettyjen poikkeamien poistamiseksi.

Nopeat neutronireaktorit

Ero tämän tyyppisten reaktorien ja lämpöneutronireaktorien välillä on se, että uraani-235:n hajoamisen jälkeen syntyviä nopeita neutroneja ei hidastu, vaan uraani-238 absorboi ne, jolloin se muuttuu myöhemmin plutonium-239:ksi. Siksi nopeita neutronireaktoreita käytetään tuottamaan aselaatuista plutonium-239:ää ja lämpöenergiaa, joka muunnetaan sähköenergiaksi ydinvoimalaitosten generaattoreissa.

Tällaisten reaktorien ydinpolttoaine on uraani-238 ja raaka-aine uraani-235.

Luonnonuraanimalmissa 99,2745 % on uraani-238:aa. Kun lämpöneutroni absorboituu, se ei fissio, vaan siitä tulee uraani-239:n isotooppi.

Jonkin aikaa β-hajoamisen jälkeen uraani-239 muuttuu neptunium-239:n ytimeksi:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Toisen β-hajoamisen jälkeen muodostuu halkeavaa plutonium-239:ää:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

Ja lopuksi, plutonium-239-ytimen alfahajoamisen jälkeen saadaan uraani-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Polttoainesauvat, joissa on raaka-aineita (rikastettu uraani-235), sijaitsevat reaktorin sydämessä. Tätä vyöhykettä ympäröi lisääntymisvyöhyke, joka on polttoainesauvoja, joissa on polttoainetta (köyhdytetty uraani-238). Nopeat neutronit, jotka vapautuvat ytimestä uraani-235:n hajoamisen jälkeen, vangitaan uraani-238-ytimiin. Tuloksena on plutonium-239. Näin uutta ydinpolttoainetta tuotetaan nopeissa neutronireaktoreissa.

Nestemäisiä metalleja tai niiden seoksia käytetään jäähdytysaineina nopeiden neutronien ydinreaktoreissa.

Ydinreaktorien luokittelu ja sovellus

Ydinreaktoreita käytetään pääasiassa ydinvoimaloissa. Niiden avulla saadaan sähkö- ja lämpöenergiaa teollisessa mittakaavassa. Tällaisia ​​reaktoreita kutsutaan energiaa .

Ydinreaktoreita käytetään laajalti nykyaikaisten ydinsukellusveneiden, pinta-alusten propulsiojärjestelmissä ja avaruusteknologiassa. Ne syöttävät sähköenergiaa moottoreille ja niitä kutsutaan kuljetusreaktorit .

Ydinfysiikan ja säteilykemian alan tieteelliseen tutkimukseen käytetään neutroni- ja gammasädevirtauksia, jotka saadaan ytimessä tutkimusreaktorit. Niiden tuottama energia ei ylitä 100 MW, eikä sitä käytetä teollisiin tarkoituksiin.

Tehoa kokeelliset reaktorit Jopa vähemmän. Se saavuttaa vain muutaman kW:n arvon. Näissä reaktoreissa tutkitaan erilaisia ​​fysikaalisia suureita, joiden merkitys on tärkeä ydinreaktioiden suunnittelussa.

TO teollisuusreaktorit reaktoreita, jotka tuottavat radioaktiivisia isotooppeja, joita käytetään lääketieteellisiin tarkoituksiin sekä eri teollisuuden ja tekniikan aloilla. Meriveden suolanpoistoreaktorit ovat myös teollisuusreaktoreita.