Reactiesnelheid van de kernreactor. Kernreactor, werkingsprincipe, werking van een kernreactor
Kernenergieopwekking is een moderne en zich snel ontwikkelende methode voor de productie van elektriciteit. Weet jij hoe kerncentrales werken? Wat is het werkingsprincipe van een kerncentrale? Welke soorten kernreactoren bestaan er tegenwoordig? We zullen proberen het werkingsschema van een kerncentrale in detail te bekijken, ons verdiepen in de structuur van een kernreactor en ontdekken hoe veilig de nucleaire methode voor het opwekken van elektriciteit is.
Elk station is een afgesloten gebied ver van een woonwijk. Er zijn verschillende gebouwen op zijn grondgebied. Het belangrijkste bouwwerk is het reactorgebouw, daarnaast de turbinekamer van waaruit de reactor wordt aangestuurd, en het veiligheidsgebouw.
Het plan is onmogelijk zonder een kernreactor. Een atoomreactor (kernreactor) is een kerncentraleapparaat dat is ontworpen om een kettingreactie van neutronensplijting te organiseren met de verplichte vrijgave van energie tijdens dit proces. Maar wat is het werkingsprincipe van een kerncentrale?
De gehele reactorinstallatie is ondergebracht in het reactorgebouw, een grote betonnen toren die de reactor verbergt en bij een ongeval alle producten van de kernreactie zal bevatten. Deze grote toren wordt containment, hermetische schaal of containmentzone genoemd.
De hermetische zone in nieuwe reactoren heeft 2 dikke betonnen muren - granaten.
De buitenschaal, 80 cm dik, beschermt de insluitingszone tegen invloeden van buitenaf.
De binnenschil, 1 meter en 20 cm dik, is voorzien van speciale staalkabels die de sterkte van het beton bijna drie keer vergroten en voorkomen dat de constructie afbrokkelt. Aan de binnenkant is deze bekleed met een dunne plaat van speciaal staal, die is ontworpen om te dienen als extra bescherming voor de insluiting en, in geval van een ongeval, om de inhoud van de reactor niet buiten de insluitingszone vrij te laten komen.
Dankzij dit ontwerp van de kerncentrale is deze bestand tegen een vliegtuigcrash met een gewicht tot 200 ton, een aardbeving met een kracht van 8 op de schaal van Richter, een tornado en een tsunami.
De eerste verzegelde granaat werd in 1968 gebouwd bij de Amerikaanse kerncentrale Connecticut Yankee.
De totale hoogte van de insluitzone bedraagt 50-60 meter.
Waaruit bestaat een kernreactor?
Om het werkingsprincipe van een kernreactor, en dus het werkingsprincipe van een kerncentrale, te begrijpen, moet je de componenten van de reactor begrijpen. 
- Actieve zone. Dit is het gebied waar de splijtstof (brandstofgenerator) en moderator worden geplaatst. Brandstofatomen (meestal is uranium de brandstof) ondergaan een kettingsplijtingsreactie. De moderator is ontworpen om het splijtingsproces te controleren en zorgt voor de vereiste reactie in termen van snelheid en kracht.
- Neutronenreflector. Een reflector omringt de kern. Het bestaat uit hetzelfde materiaal als de moderator. In wezen is dit een doos, waarvan het belangrijkste doel is om te voorkomen dat neutronen de kern verlaten en in het milieu terechtkomen.
- Koelmiddel. Het koelmiddel moet de warmte die vrijkomt bij de splijting van brandstofatomen absorberen en overdragen aan andere stoffen. Het koelmiddel bepaalt voor een groot deel hoe een kerncentrale wordt ontworpen. Het populairste koelmiddel van vandaag is water.
Reactorbesturingssysteem. Sensoren en mechanismen die een kerncentralereactor aandrijven.
Brandstof voor kerncentrales
Waarop draait een kerncentrale? Brandstof voor kerncentrales zijn chemische elementen met radioactieve eigenschappen. In alle kerncentrales is dit element uranium.
Het ontwerp van de centrales houdt in dat kerncentrales werken op complexe samengestelde brandstof, en niet op een puur chemisch element. En om uraniumbrandstof te extraheren uit natuurlijk uranium, dat in een kernreactor wordt geladen, zijn veel manipulaties nodig.
Verrijkt uranium
Uranium bestaat uit twee isotopen, dat wil zeggen dat het kernen bevat met verschillende massa's. Ze werden genoemd naar het aantal protonen en neutronen, isotoop -235 en isotoop-238. Onderzoekers uit de 20e eeuw begonnen uranium 235 uit erts te winnen, omdat... het was gemakkelijker te ontleden en te transformeren. Het bleek dat dergelijk uranium in de natuur slechts 0,7% bedraagt (het resterende percentage gaat naar de 238e isotoop).
Wat te doen in dit geval? Ze besloten uranium te verrijken. Uraniumverrijking is een proces waarbij veel van de noodzakelijke 235x-isotopen erin achterblijven en weinig onnodige 238x-isotopen. De taak van uraniumverrijkers is om 0,7% om te zetten in bijna 100% uranium-235.
Uranium kan worden verrijkt met behulp van twee technologieën: gasdiffusie of gascentrifuge. Om ze te gebruiken wordt uranium, gewonnen uit erts, omgezet in een gasvormige toestand. Het is verrijkt in de vorm van gas.
Uraniumpoeder
Verrijkt uraniumgas wordt omgezet in een vaste toestand: uraniumdioxide. Dit zuivere vaste uranium 235 verschijnt als grote witte kristallen, die later tot uraniumpoeder worden vermalen.
Uraniumtabletten
Uraniumtabletten zijn massieve metalen schijven van een paar centimeter lang. Om dergelijke tabletten uit uraniumpoeder te maken, wordt het gemengd met een stof - een weekmaker; het verbetert de kwaliteit van het persen van de tabletten.
De geperste pucks worden ruim een dag gebakken op een temperatuur van 1200 graden Celsius om de tabletten een bijzondere sterkte en weerstand tegen hoge temperaturen te geven. Hoe een kerncentrale werkt, hangt rechtstreeks af van hoe goed de uraniumbrandstof wordt gecomprimeerd en gebakken. 
De tabletten worden namelijk gebakken in molybdeendoosjes alleen dit metaal kan niet smelten bij “helse” temperaturen van meer dan anderhalfduizend graden. Hierna wordt uraniumbrandstof voor kerncentrales als gereed beschouwd.
Wat zijn TVEL en FA?
De reactorkern ziet eruit als een enorme schijf of pijp met gaten in de wanden (afhankelijk van het type reactor), 5 keer groter dan het menselijk lichaam. Deze gaten bevatten uraniumbrandstof, waarvan de atomen de gewenste reactie uitvoeren.
Het is onmogelijk om zomaar brandstof in de reactor te gooien, tenzij je een explosie van het hele station wilt veroorzaken en een ongeval met gevolgen voor een paar nabijgelegen staten. Daarom wordt uraniumbrandstof in brandstofstaven geplaatst en vervolgens opgevangen in brandstofassemblages. Wat betekenen deze afkortingen?
- TVEL is een brandstofelement (niet te verwarren met dezelfde naam van het Russische bedrijf dat ze produceert). Het is in wezen een dunne en lange zirkoniumbuis gemaakt van zirkoniumlegeringen waarin uraniumtabletten worden geplaatst. Het is in brandstofstaven dat uraniumatomen met elkaar beginnen te interageren, waarbij tijdens de reactie warmte vrijkomt.
Zirkonium werd gekozen als materiaal voor de productie van brandstofstaven vanwege zijn vuurvastheid en anticorrosie-eigenschappen.
Het type splijtstofstaven hangt af van het type en de structuur van de reactor. In de regel verandert de structuur en het doel van brandstofstaven niet; de lengte en breedte van de buis kunnen verschillen. 
De machine laadt meer dan 200 uraniumpellets in één zirkoniumbuis. In totaal werken er ongeveer 10 miljoen uraniumpellets tegelijkertijd in de reactor.
FA – brandstofassemblage. NPP-werknemers noemen brandstofassemblagebundels.
In wezen zijn dit verschillende brandstofstaven die aan elkaar zijn bevestigd. FA is afgewerkte kernbrandstof, waar een kerncentrale op werkt. Het zijn de brandstofassemblages die in de kernreactor worden geladen. Er worden ongeveer 150 tot 400 splijtstofelementen in één reactor geplaatst.
Afhankelijk van de reactor waarin de splijtstofelementen zullen functioneren, hebben ze verschillende vormen. Soms worden de bundels in een kubusvorm gevouwen, soms in een cilindrische, soms in een zeshoekige vorm.
Eén brandstofassemblage gedurende vier jaar produceert dezelfde hoeveelheid energie als bij het verbranden van 670 auto's met steenkool, 730 tanks met aardgas of 900 tanks geladen met olie.
Tegenwoordig worden brandstofassemblages voornamelijk geproduceerd in fabrieken in Rusland, Frankrijk, de VS en Japan.
Om brandstof voor kerncentrales aan andere landen te leveren, worden brandstofassemblages in lange en brede metalen buizen opgesloten, wordt de lucht uit de buizen gepompt en door speciale machines aan boord van vrachtvliegtuigen aangevoerd.
Kernbrandstof voor kerncentrales weegt onbetaalbaar veel, omdat... uranium is een van de zwaarste metalen op aarde. Het soortelijk gewicht is 2,5 keer groter dan dat van staal.
Kerncentrale: werkingsprincipe
Wat is het werkingsprincipe van een kerncentrale? Het werkingsprincipe van kerncentrales is gebaseerd op een kettingreactie van splijting van atomen van een radioactieve stof: uranium. Deze reactie vindt plaats in de kern van een kernreactor.
HET IS BELANGRIJK OM TE WETEN:
Zonder in te gaan op de fijne kneepjes van de kernfysica, ziet het werkingsprincipe van een kerncentrale er als volgt uit:
Na het opstarten van een kernreactor worden uit de splijtstofstaven absorberstaven verwijderd, die voorkomen dat het uranium reageert.
Zodra de staven zijn verwijderd, beginnen de uraniumneutronen met elkaar te interageren.
Wanneer neutronen botsen, vindt er een mini-explosie plaats op atomair niveau, komt er energie vrij en worden nieuwe neutronen geboren, en ontstaat er een kettingreactie. Bij dit proces ontstaat warmte.
Warmte wordt overgedragen aan het koelmiddel. Afhankelijk van het type koelmiddel verandert het in stoom of gas, waardoor de turbine draait.
De turbine drijft een elektrische generator aan. Hij is het die feitelijk de elektrische stroom opwekt.
Als je het proces niet in de gaten houdt, kunnen uraniumneutronen met elkaar botsen totdat ze de reactor laten ontploffen en de hele kerncentrale aan gruzelementen slaan. Het proces wordt bestuurd door computersensoren. Ze detecteren een temperatuurstijging of drukverandering in de reactor en kunnen reacties automatisch stoppen.
Hoe verschilt het werkingsprincipe van kerncentrales van thermische centrales (thermische centrales)?
Er zijn alleen verschillen in werk in de eerste fasen. In een kerncentrale ontvangt het koelmiddel warmte uit de splijting van atomen van uraniumbrandstof; in een thermische elektriciteitscentrale ontvangt het koelmiddel warmte uit de verbranding van organische brandstof (steenkool, gas of olie). Nadat uraniumatomen of gas en steenkool warmte hebben afgegeven, zijn de werkingsschema's van kerncentrales en thermische centrales hetzelfde.
Soorten kernreactoren
Hoe een kerncentrale werkt, hangt af van hoe de kernreactor precies werkt. Tegenwoordig zijn er twee hoofdtypen reactoren, die worden geclassificeerd volgens het spectrum van neuronen:
Een langzame neutronenreactor, ook wel thermische reactor genoemd.
Voor de werking ervan wordt uranium 235 gebruikt, dat de stadia van verrijking, vorming van uraniumpellets, enz. doorloopt. Tegenwoordig gebruikt de overgrote meerderheid van de reactoren langzame neutronen.
Snelle neutronenreactor.
Deze reactoren zijn de toekomst, omdat... Ze werken op uranium-238, dat in de natuur dertien in een dozijn voorkomt en het is niet nodig dit element te verrijken. Het enige nadeel van dergelijke reactoren zijn de zeer hoge kosten van ontwerp, constructie en opstarten. Tegenwoordig werken snelle neutronenreactoren alleen in Rusland.
Het koelmiddel in snelle neutronenreactoren is kwik, gas, natrium of lood.
Langzame neutronenreactoren, die tegenwoordig door alle kerncentrales ter wereld worden gebruikt, zijn er ook in verschillende typen.
De IAEA-organisatie (International Atomic Energy Agency) heeft een eigen classificatie opgesteld, die het vaakst wordt gebruikt in de mondiale kernenergie-industrie. Omdat het werkingsprincipe van een kerncentrale grotendeels afhangt van de keuze van het koelmiddel en de moderator, baseerde het IAEA zijn classificatie op deze verschillen.
Vanuit chemisch oogpunt is deuteriumoxide een ideaal moderator- en koelmiddel, omdat de atomen ervan werken het meest effectief samen met neutronen van uranium in vergelijking met andere stoffen. Simpel gezegd: zwaar water vervult zijn taak met minimale verliezen en maximaal resultaat. De productie ervan kost echter geld, terwijl gewoon ‘licht’ en vertrouwd water veel gemakkelijker te gebruiken is.
Een paar feiten over kernreactoren...
Het is interessant dat de bouw van één kerncentralereactor minstens drie jaar duurt!
Om een reactor te bouwen heb je apparatuur nodig die werkt op een elektrische stroom van 210 kiloampère, wat een miljoen keer hoger is dan de stroomsterkte die een mens kan doden.
Eén schaal (structureel element) van een kernreactor weegt 150 ton. Er zijn zes van dergelijke elementen in één reactor.
Drukwaterreactor
We hebben al ontdekt hoe een kerncentrale in het algemeen werkt; laten we, om alles in perspectief te plaatsen, eens kijken hoe de populairste drukwater-kernreactor werkt.
Over de hele wereld worden tegenwoordig drukwaterreactoren van de derde generatie gebruikt. Ze worden als de meest betrouwbare en veilige beschouwd.
Alle drukwaterreactoren ter wereld hebben, gedurende al de jaren dat ze in bedrijf zijn geweest, al meer dan 1000 jaar probleemloos gewerkt en hebben nooit ernstige afwijkingen gekend. 
De structuur van kerncentrales die gebruik maken van drukwaterreactoren houdt in dat gedestilleerd water, verwarmd tot 320 graden, tussen de splijtstofstaven circuleert. Om te voorkomen dat het in een damptoestand terechtkomt, wordt het onder een druk van 160 atmosfeer gehouden. Het schema van de kerncentrale noemt het primair circuitwater.
Het verwarmde water komt de stoomgenerator binnen en geeft zijn warmte af aan het secundaire circuitwater, waarna het weer “terugkeert” naar de reactor. Uiterlijk lijkt het erop dat de waterbuizen van het eerste circuit in contact staan met andere buizen - het water van het tweede circuit, ze dragen warmte aan elkaar over, maar de wateren komen niet met elkaar in contact. De buizen maken contact.
Aldus is de mogelijkheid uitgesloten dat straling het water van het secundaire circuit binnendringt, dat verder zal deelnemen aan het proces van het opwekken van elektriciteit.
Operationele veiligheid van de kerncentrale
Nu we het werkingsprincipe van kerncentrales hebben geleerd, moeten we begrijpen hoe veiligheid werkt. De bouw van kerncentrales vereist tegenwoordig meer aandacht voor veiligheidsregels.
De veiligheidskosten van de NPP bedragen ongeveer 40% van de totale kosten van de centrale zelf. 
Het ontwerp van de kerncentrale omvat 4 fysieke barrières die het vrijkomen van radioactieve stoffen voorkomen. Wat moeten deze barrières doen? Op het juiste moment de kernreactie kunnen stoppen, zorgen voor een constante warmteafvoer uit de kern en de reactor zelf, en het vrijkomen van radionucliden buiten de insluiting (hermetische zone) voorkomen.
- De eerste barrière is de sterkte van uraniumpellets. Het is belangrijk dat ze niet vernietigd worden door hoge temperaturen in een kernreactor. Een groot deel van de werking van een kerncentrale hangt af van hoe de uraniumpellets worden ‘gebakken’ tijdens de eerste productiefase. Als de uraniumbrandstofpellets niet correct worden gebakken, zullen de reacties van de uraniumatomen in de reactor onvoorspelbaar zijn.
- De tweede barrière is de dichtheid van brandstofstaven. Zirkoniumbuizen moeten goed worden afgesloten; als de verzegeling wordt verbroken, wordt de reactor in het beste geval beschadigd en stopt het werk; in het slechtste geval vliegt alles de lucht in.
- De derde barrière is een duurzaam stalen reactorvat a, (diezelfde grote toren - hermetische zone) die alle radioactieve processen “vasthoudt”. Als de behuizing beschadigd raakt, ontsnapt er straling in de atmosfeer.
- De vierde barrière zijn noodbeschermingsstangen. Staven met moderatoren worden boven de kern opgehangen door magneten, die in 2 seconden alle neutronen kunnen absorberen en de kettingreactie kunnen stoppen.
Als het, ondanks het ontwerp van een kerncentrale met vele beschermingsgraden, niet mogelijk is om de reactorkern op het juiste moment af te koelen, en de brandstoftemperatuur stijgt tot 2600 graden, dan komt de laatste hoop van het veiligheidssysteem in het spel - de zogenaamde smeltval.
Feit is dat bij deze temperatuur de bodem van het reactorvat zal smelten en dat alle overblijfselen van splijtstof en gesmolten structuren in een speciaal "glas" zullen stromen dat boven de reactorkern hangt.
De smeltvanger is gekoeld en brandveilig. Het is gevuld met zogenaamd ‘opofferingsmateriaal’, dat geleidelijk de kettingreactie van splijting stopt.
Het ontwerp van een kerncentrale impliceert dus verschillende beschermingsniveaus, die elke mogelijkheid van een ongeval vrijwel volledig uitsluiten.
Het apparaat en het werkingsprincipe zijn gebaseerd op de initialisatie en controle van een zichzelf in stand houdende kernreactie. Het wordt gebruikt als onderzoeksinstrument, om radioactieve isotopen te produceren en als energiebron voor kerncentrales.
werkingsprincipe (kort)
Hierbij wordt gebruik gemaakt van een proces waarbij een zware kern in twee kleinere fragmenten uiteenvalt. Deze fragmenten bevinden zich in een zeer aangeslagen toestand en zenden neutronen, andere subatomaire deeltjes en fotonen uit. Neutronen kunnen nieuwe splijtingen veroorzaken, waardoor er meer van worden uitgestoten, enzovoort. Een dergelijke voortdurende, zichzelf in stand houdende reeks splitsingen wordt een kettingreactie genoemd. Hierbij komt een grote hoeveelheid energie vrij, waarvan de productie het doel is van het gebruik van kerncentrales.
Het werkingsprincipe van een kernreactor is zodanig dat ongeveer 85% van de splijtingsenergie binnen zeer korte tijd na het begin van de reactie vrijkomt. De rest wordt geproduceerd door het radioactieve verval van splijtingsproducten nadat ze neutronen hebben uitgezonden. Radioactief verval is een proces waarbij een atoom een stabielere toestand bereikt. Het gaat door nadat de verdeling is voltooid.
Bij een atoombom neemt de kettingreactie in intensiteit toe totdat het grootste deel van het materiaal is gespleten. Dit gebeurt zeer snel en veroorzaakt de extreem krachtige explosies die typerend zijn voor dergelijke bommen. Het ontwerp en het werkingsprincipe van een kernreactor zijn gebaseerd op het handhaven van een kettingreactie op een gecontroleerd, vrijwel constant niveau. Het is zo ontworpen dat het niet kan ontploffen als een atoombom.
Kettingreactie en kriticiteit
De fysica van een kernsplijtingsreactor is dat de kettingreactie wordt bepaald door de waarschijnlijkheid dat de kern splijt nadat neutronen zijn uitgezonden. Als de populatie van laatstgenoemde afneemt, zal de delingssnelheid uiteindelijk tot nul dalen. In dit geval bevindt de reactor zich in een subkritische toestand. Als de neutronenpopulatie op een constant niveau wordt gehouden, zal de splijtingssnelheid stabiel blijven. De reactor zal in kritieke toestand verkeren. Ten slotte, als de populatie neutronen in de loop van de tijd groeit, zullen de splijtingssnelheid en het vermogen toenemen. De toestand van de kern zal superkritisch worden.
Het werkingsprincipe van een kernreactor is als volgt. Vóór de lancering is de neutronenpopulatie bijna nul. Operators verwijderen vervolgens de regelstaven uit de kern, waardoor de kernsplijting toeneemt, waardoor de reactor tijdelijk in een superkritische toestand terechtkomt. Nadat het nominale vermogen is bereikt, brengen operators de regelstaven gedeeltelijk terug, waarbij het aantal neutronen wordt aangepast. Vervolgens wordt de reactor in een kritische toestand gehouden. Wanneer het moet worden gestopt, steken operators de stangen helemaal in. Dit onderdrukt splijting en brengt de kern over naar een subkritische toestand.
Reactortypen
De meeste kerncentrales ter wereld zijn elektriciteitscentrales, die de warmte genereren die nodig is om turbines te laten draaien die elektrische stroomgeneratoren aandrijven. Er zijn ook veel onderzoeksreactoren, en sommige landen beschikken over onderzeeërs of oppervlakteschepen die worden aangedreven door atoomenergie.
Energie installaties
Er zijn verschillende soorten reactoren van dit type, maar het lichtwaterontwerp wordt veel gebruikt. Op zijn beurt kan het water onder druk of kokend water gebruiken. In het eerste geval wordt de hogedrukvloeistof verwarmd door de hitte van de kern en komt deze in de stoomgenerator terecht. Daar wordt de warmte uit het primaire circuit overgedragen naar het secundaire circuit, dat ook water bevat. De uiteindelijk gegenereerde stoom dient als werkvloeistof in de stoomturbinecyclus.
De kokendwaterreactor werkt volgens het principe van een directe energiecyclus. Water dat door de kern stroomt, wordt bij gemiddelde druk aan de kook gebracht. De verzadigde stoom passeert een reeks scheiders en drogers in het reactorvat, waardoor deze oververhit raakt. De oververhitte waterdamp wordt vervolgens gebruikt als werkvloeistof om de turbine te laten draaien.
Gasgekoeld op hoge temperatuur
Een gasgekoelde hogetemperatuurreactor (HTGR) is een kernreactor waarvan het werkingsprincipe is gebaseerd op het gebruik van een mengsel van grafiet en brandstofmicrosferen als brandstof. Er zijn twee concurrerende ontwerpen:
- een Duits "vul" -systeem dat gebruik maakt van bolvormige brandstofelementen met een diameter van 60 mm, een mengsel van grafiet en brandstof in een grafietmantel;
- de Amerikaanse versie in de vorm van zeshoekige prisma's van grafiet die in elkaar grijpen om een kern te creëren.
In beide gevallen bestaat het koelmiddel uit helium onder een druk van ongeveer 100 atmosfeer. In het Duitse systeem passeert helium gaten in de laag bolvormige splijtstofelementen, en in het Amerikaanse systeem passeert helium gaten in grafietprisma's langs de as van de centrale zone van de reactor. Beide opties kunnen werken bij zeer hoge temperaturen, omdat grafiet een extreem hoge sublimatietemperatuur heeft en helium volledig chemisch inert is. Heet helium kan direct als werkvloeistof in een gasturbine bij hoge temperatuur worden toegepast, of de warmte ervan kan worden gebruikt om stoom uit de watercyclus te genereren.
Vloeibaar metaal en werkingsprincipe
Natriumgekoelde snelle reactoren kregen in de jaren zestig en zeventig veel aandacht. Het leek er toen op dat hun veredelingscapaciteiten binnenkort nodig zouden zijn om brandstof te produceren voor de snel groeiende nucleaire industrie. Toen in de jaren tachtig duidelijk werd dat deze verwachting onrealistisch was, nam het enthousiasme af. Er zijn echter een aantal reactoren van dit type gebouwd in de VS, Rusland, Frankrijk, Groot-Brittannië, Japan en Duitsland. De meeste daarvan draaien op uraniumdioxide of een mengsel daarvan met plutoniumdioxide. In de Verenigde Staten is het grootste succes echter geboekt met metaalhoudende brandstoffen.
CANDU
Canada richt zijn inspanningen op reactoren die natuurlijk uranium gebruiken. Dit elimineert de noodzaak om een beroep te doen op de diensten van andere landen om deze te verrijken. Het resultaat van dit beleid was de deuterium-uraniumreactor (CANDU). Het wordt gecontroleerd en gekoeld met zwaar water. Het ontwerp en werkingsprincipe van een kernreactor bestaat uit het gebruik van een reservoir met koude D 2 O bij atmosferische druk. De kern wordt doorboord door buizen gemaakt van een zirkoniumlegering die natuurlijke uraniumbrandstof bevat, waardoor zwaar water circuleert dat de kern afkoelt. Elektriciteit wordt geproduceerd door splijtingswarmte in zwaar water over te dragen aan een koelmiddel dat door een stoomgenerator circuleert. De stoom in het secundaire circuit passeert vervolgens een conventionele turbinecyclus.
Onderzoeksfaciliteiten
Voor wetenschappelijk onderzoek wordt meestal een kernreactor gebruikt, waarvan het werkingsprincipe bestaat uit het gebruik van waterkoeling en plaatvormige uraniumsplijtstofelementen in de vorm van assemblages. Kan werken over een breed scala aan vermogensniveaus, van enkele kilowatt tot honderden megawatt. Omdat energieopwekking niet het primaire doel van onderzoeksreactoren is, worden ze gekenmerkt door de geproduceerde thermische energie, de dichtheid en de nominale energie van de kernneutronen. Het zijn deze parameters die helpen bij het kwantificeren van het vermogen van een onderzoeksreactor om specifiek onderzoek uit te voeren. Systemen met een laag vermogen worden doorgaans aangetroffen op universiteiten en worden gebruikt voor onderwijs, terwijl systemen met een hoog vermogen nodig zijn in onderzoekslaboratoria voor materiaal- en prestatietests en algemeen onderzoek.
De meest voorkomende is een onderzoekskernreactor, waarvan de structuur en het werkingsprincipe als volgt zijn. De kern bevindt zich op de bodem van een grote, diepe plas water. Dit vereenvoudigt de observatie en plaatsing van kanalen waardoor neutronenbundels kunnen worden gericht. Bij lage vermogensniveaus is het niet nodig om koelvloeistof te pompen, omdat de natuurlijke convectie van de koelvloeistof voldoende warmteafvoer biedt om veilige bedrijfsomstandigheden te handhaven. De warmtewisselaar bevindt zich meestal op het oppervlak of bovenaan het zwembad, waar het warme water zich ophoopt.
Scheepsinstallaties
De oorspronkelijke en belangrijkste toepassing van kernreactoren is hun gebruik in onderzeeërs. Hun belangrijkste voordeel is dat ze, in tegenstelling tot verbrandingssystemen op fossiele brandstoffen, geen lucht nodig hebben om elektriciteit op te wekken. Daarom kan een nucleaire onderzeeër lange tijd onder water blijven, terwijl een conventionele dieselelektrische onderzeeër periodiek naar de oppervlakte moet stijgen om zijn motoren in de lucht af te vuren. geeft een strategisch voordeel aan marineschepen. Hierdoor is het niet nodig om te tanken in buitenlandse havens of vanuit gemakkelijk kwetsbare tankers.
Het werkingsprincipe van een kernreactor op een onderzeeër is geclassificeerd. Het is echter bekend dat in de VS hoogverrijkt uranium wordt gebruikt en dat het wordt vertraagd en gekoeld door licht water. Het ontwerp van de eerste nucleaire onderzeese reactor, USS Nautilus, werd sterk beïnvloed door krachtige onderzoeksfaciliteiten. De unieke kenmerken zijn een zeer grote reactiviteitsreserve, die een lange werkingsduur zonder tanken garandeert en de mogelijkheid om na een stop opnieuw te starten. De energiecentrale in onderzeeërs moet erg stil zijn om detectie te voorkomen. Om aan de specifieke behoeften van verschillende klassen onderzeeërs te voldoen, zijn er verschillende modellen energiecentrales gemaakt.
Vliegdekschepen van de Amerikaanse marine maken gebruik van een kernreactor, waarvan wordt aangenomen dat het werkingsprincipe is ontleend aan de grootste onderzeeërs. Details van hun ontwerp zijn ook niet gepubliceerd.
Naast de Verenigde Staten beschikken Groot-Brittannië, Frankrijk, Rusland, China en India over kernonderzeeërs. In elk geval werd het ontwerp niet bekendgemaakt, maar er wordt aangenomen dat ze allemaal erg op elkaar lijken - dit is een gevolg van dezelfde vereisten voor hun technische kenmerken. Rusland heeft ook een kleine vloot die dezelfde reactoren gebruikt als Sovjetonderzeeërs.
Industriële installaties
Voor productiedoeleinden wordt een kernreactor gebruikt, waarvan het werkingsprincipe een hoge productiviteit is met een laag niveau van energieproductie. Dit komt door het feit dat een langdurig verblijf van plutonium in de kern leidt tot de accumulatie van ongewenste 240 Pu.
Tritiumproductie
Momenteel is het belangrijkste materiaal dat door dergelijke systemen wordt geproduceerd tritium (3H of T) - de lading voor Plutonium-239 heeft een lange halfwaardetijd van 24.100 jaar, dus landen met kernwapenarsenalen die dit element gebruiken, hebben de neiging om er meer van te hebben dan nodig. In tegenstelling tot 239 Pu heeft tritium een halfwaardetijd van ongeveer 12 jaar. Om de noodzakelijke voorraden op peil te houden, moet deze radioactieve isotoop van waterstof dus continu worden geproduceerd. In de Verenigde Staten exploiteert Savannah River (South Carolina) bijvoorbeeld verschillende zwaarwaterreactoren die tritium produceren.
Drijvende krachteenheden
Er zijn kernreactoren gecreëerd die elektriciteit en stoomverwarming kunnen leveren aan afgelegen geïsoleerde gebieden. In Rusland hebben bijvoorbeeld kleine energiecentrales, die speciaal ontworpen zijn voor de nederzettingen in het Noordpoolgebied, nut gevonden. In China levert de 10 MW HTR-10 warmte en stroom aan het onderzoeksinstituut waar hij gevestigd is. In Zweden en Canada wordt gewerkt aan de ontwikkeling van kleine automatisch bestuurde reactoren met vergelijkbare capaciteiten. Tussen 1960 en 1972 gebruikte het Amerikaanse leger compacte waterreactoren om afgelegen bases op Groenland en Antarctica van stroom te voorzien. Ze werden vervangen door oliegestookte elektriciteitscentrales.
Verovering van de ruimte
Daarnaast werden reactoren ontwikkeld voor stroomvoorziening en beweging in de ruimte. Tussen 1967 en 1988 installeerde de Sovjet-Unie kleine nucleaire eenheden op haar satellieten uit de Cosmos-serie om apparatuur en telemetrie van stroom te voorzien, maar het beleid werd een doelwit van kritiek. Minstens één van deze satellieten kwam de atmosfeer van de aarde binnen en veroorzaakte radioactieve besmetting in afgelegen gebieden van Canada. De Verenigde Staten hebben in 1965 slechts één nucleair aangedreven satelliet gelanceerd. Er worden echter nog steeds projecten ontwikkeld voor het gebruik ervan bij ruimtevluchten over lange afstanden, bemande verkenning van andere planeten of op een permanente maanbasis. Dit zal noodzakelijkerwijs een gasgekoelde of vloeibaar-metaal-kernreactor zijn, waarvan de fysieke principes de hoogst mogelijke temperatuur zullen opleveren die nodig is om de grootte van de radiator te minimaliseren. Bovendien moet een reactor voor ruimtetechnologie zo compact mogelijk zijn om de hoeveelheid materiaal die voor de afscherming wordt gebruikt te minimaliseren en het gewicht tijdens de lancering en ruimtevluchten te verminderen. De brandstoftoevoer zal de werking van de reactor gedurende de gehele periode van de ruimtevlucht garanderen.
I. Ontwerp van een kernreactor
Een kernreactor bestaat uit de volgende vijf hoofdelementen:
1) nucleaire brandstof;
2) neutronenmoderator;
3) regelgevingssystemen;
4) koelsystemen;
5) beschermend scherm.
1. Kernbrandstof.
Kernbrandstof is een energiebron. Er zijn momenteel drie soorten splijtstoffen bekend:
a) uranium 235, dat 0,7% of 1/140 van natuurlijk uranium uitmaakt;
6) plutonium 239, dat in sommige reactoren wordt gevormd op basis van uranium 238, dat bijna de gehele massa van natuurlijk uranium uitmaakt (99,3%, of 139/140 delen).
Door neutronen op te vangen, veranderen uranium-238-kernen in neptuniumkernen - het 93e element van het periodieke systeem van Mendelejev; de laatste veranderen op hun beurt in plutoniumkernen - het 94e element van het periodiek systeem. Plutonium kan gemakkelijk met chemische middelen uit bestraald uranium worden gewonnen en kan als nucleaire brandstof worden gebruikt;
c) uranium 233, een kunstmatige isotoop van uranium verkregen uit thorium.
In tegenstelling tot uranium 235, dat in natuurlijk uranium wordt aangetroffen, worden plutonium 239 en uranium 233 uitsluitend kunstmatig verkregen. Daarom worden ze secundaire nucleaire brandstof genoemd; De bron van dergelijke brandstof is uranium 238 en thorium 232.
Van alle hierboven genoemde soorten splijtstof is uranium dus de belangrijkste. Dit verklaart de enorme omvang die het zoeken en onderzoeken van uraniumvoorraden in alle landen met zich meebrengt.
De energie die vrijkomt in een kernreactor wordt wel eens vergeleken met de energie die vrijkomt bij een chemische verbrandingsreactie. Er is echter een fundamenteel verschil tussen hen.
De hoeveelheid warmte die wordt verkregen bij de splijting van uranium is onmetelijk groter dan de hoeveelheid warmte die wordt verkregen bij de verbranding van bijvoorbeeld steenkool: 1 kg uranium 235, qua volume gelijk aan een pakje sigaretten, zou theoretisch evenveel energie kunnen leveren als 2600 ton steenkool.
Deze energiemogelijkheden worden echter niet volledig benut, omdat niet al het uranium 235 van natuurlijk uranium kan worden gescheiden. Hierdoor komt 1 kg uranium, afhankelijk van de mate van verrijking met uranium 235, momenteel overeen met ongeveer 10 ton steenkool. Maar er moet rekening mee worden gehouden dat het gebruik van kernbrandstof het transport vergemakkelijkt en daarom de brandstofkosten aanzienlijk verlaagt. Britse experts hebben berekend dat ze door het verrijken van uranium de warmte die in reactoren wordt geproduceerd tien keer kunnen verhogen, wat neerkomt op 1 ton uranium op 100.000 ton steenkool.
Het tweede verschil tussen het proces van kernsplijting, dat plaatsvindt door het vrijkomen van warmte, en chemische verbranding is dat voor de verbrandingsreactie zuurstof nodig is, terwijl om een kettingreactie op gang te brengen slechts een paar neutronen en een bepaalde massa kernbrandstof nodig zijn, gelijk aan tot de kritische massa, die we al definiëren in het gedeelte over de atoombom.
En ten slotte gaat het onzichtbare proces van kernsplijting gepaard met de uitstoot van uiterst schadelijke straling, waartegen bescherming moet worden geboden.
2. Neutronenmoderator.
Om de verspreiding van splijtingsproducten in de reactor te voorkomen, moet splijtstof in speciale granaten worden geplaatst. Om dergelijke schelpen te maken, kun je aluminium gebruiken (de koelvloeistoftemperatuur mag niet hoger zijn dan 200°C), of nog beter, beryllium of zirkonium - nieuwe metalen waarvan de productie in hun pure vorm met grote moeilijkheden gepaard gaat.
De neutronen die worden geproduceerd tijdens kernsplijting (gemiddeld 2 à 3 neutronen tijdens de splijting van één kern van een zwaar element) hebben een bepaalde energie. Om de waarschijnlijkheid van neutronen om andere kernen te splitsen het grootst te maken, zonder welke de reactie niet zichzelf in stand zal houden, is het noodzakelijk dat deze neutronen een deel van hun snelheid verliezen. Dit wordt bereikt door een moderator in de reactor te plaatsen, waarin snelle neutronen als gevolg van talloze opeenvolgende botsingen worden omgezet in langzame. Omdat de stof die als moderator wordt gebruikt kernen moet hebben met een massa die ongeveer gelijk is aan de massa van neutronen, dat wil zeggen de kernen van lichte elementen, werd vanaf het allereerste begin zwaar water als moderator gebruikt (D 2 0, waarbij D deuterium is). , dat lichte waterstof in gewoon water N 2 0 verving). Nu proberen ze echter steeds vaker grafiet te gebruiken - het is goedkoper en geeft bijna hetzelfde effect.
Een ton zwaar water gekocht in Zweden kost 70 tot 80 miljoen frank. Op de Conferentie van Genève over het vreedzame gebruik van kernenergie kondigden de Amerikanen aan dat ze binnenkort zwaar water zouden kunnen verkopen tegen een prijs van 22 miljoen frank per ton.
Een ton grafiet kost 400.000 frank, en een ton berylliumoxide kost 20 miljoen frank.
De stof die als moderator wordt gebruikt, moet zuiver zijn om verlies van neutronen te voorkomen wanneer ze door de moderator gaan. Aan het einde van de run hebben de neutronen een gemiddelde snelheid van ongeveer 2200 m/sec, terwijl hun beginsnelheid ongeveer 20.000 km/sec bedroeg. In reactoren vindt het vrijkomen van warmte geleidelijk plaats en kan worden gecontroleerd, in tegenstelling tot bij een atoombom, waar deze onmiddellijk plaatsvindt en het karakter van een explosie krijgt.
Voor sommige typen snelle reactoren is geen moderator nodig.
3. Regelgevingssysteem.
Een mens moet in staat zijn een kernreactie naar eigen inzicht te veroorzaken, te reguleren en te stoppen. Dit wordt bereikt met behulp van regelstaven gemaakt van boorstaal of cadmium - materialen die het vermogen hebben om neutronen te absorberen. Afhankelijk van de diepte waarop de regelstaven in de reactor worden neergelaten, neemt het aantal neutronen in de kern toe of af, wat het uiteindelijk mogelijk maakt om het proces te reguleren. De regelstaven worden automatisch bestuurd met behulp van servomechanismen; Sommige van deze hengels kunnen bij gevaar direct in de kern vallen.
Aanvankelijk waren er zorgen dat een reactorexplosie dezelfde schade zou aanrichten als een atoombom. Om te bewijzen dat een reactorexplosie alleen plaatsvindt onder andere omstandigheden dan normaal en geen ernstig gevaar oplevert voor de bevolking die in de buurt van de kerncentrale woont, hebben de Amerikanen opzettelijk één zogenaamde ‘kokende’ reactor opgeblazen. Er vond inderdaad een explosie plaats die we kunnen karakteriseren als ‘klassiek’, dat wil zeggen niet-nucleair; dit bewijst eens te meer dat kernreactoren in de buurt van bevolkte gebieden kunnen worden gebouwd zonder dat daar enig bijzonder gevaar voor bestaat.
4. Koelsysteem.
Bij kernsplijting komt een bepaalde energie vrij, die wordt overgedragen op de vervalproducten en de daaruit voortvloeiende neutronen. Deze energie wordt, als gevolg van talrijke botsingen van neutronen, omgezet in thermische energie. Om een snel falen van de reactor te voorkomen, moet daarom warmte worden verwijderd. In reactoren die zijn ontworpen om radioactieve isotopen te produceren, wordt deze warmte niet gebruikt, maar in reactoren die zijn ontworpen om energie te produceren wordt het juist het hoofdproduct. De koeling kan plaatsvinden met behulp van gas of water, dat onder druk door speciale buizen in de reactor circuleert en vervolgens in een warmtewisselaar wordt gekoeld. De vrijkomende warmte kan worden gebruikt om de stoom te verwarmen die een turbine laat draaien die op de generator is aangesloten; zo'n apparaat zou een kerncentrale zijn.
5. Beschermscherm.
Om de schadelijke effecten van neutronen die buiten de reactor kunnen vliegen te vermijden, en om jezelf te beschermen tegen de gammastraling die tijdens de reactie vrijkomt, is betrouwbare bescherming noodzakelijk. Wetenschappers hebben berekend dat een reactor met een vermogen van 100.000 kW zoveel radioactieve straling uitzendt dat een persoon die zich op een afstand van 100 m ervan bevindt, deze binnen 2 minuten zou ontvangen. dodelijke dosis. Om de bescherming van het personeel dat de reactor onderhoudt te garanderen, zijn muren van twee meter hoog gebouwd van speciaal beton met loden platen.
De eerste reactor werd in december 1942 gebouwd door de Italiaan Fermi. Tegen het einde van 1955 waren er ongeveer 50 kernreactoren in de wereld (VS - 2 1, Engeland - 4, Canada - 2, Frankrijk - 2). Hieraan moet worden toegevoegd dat begin 1956 nog ongeveer 50 reactoren waren ontworpen voor onderzoek en industriële doeleinden (VS - 23, Frankrijk - 4, Engeland - 3, Canada - 1).
De typen van deze reactoren zijn zeer divers, variërend van langzame neutronenreactoren met grafietmoderators en natuurlijk uranium als brandstof tot snelle neutronenreactoren die gebruikmaken van uranium verrijkt met plutonium of uranium 233, kunstmatig geproduceerd uit thorium, als brandstof.
Naast deze twee tegengestelde typen is er een hele reeks reactoren die van elkaar verschillen, hetzij in de samenstelling van de splijtstof, hetzij in het type moderator, of in het koelmiddel.
Het is heel belangrijk op te merken dat, hoewel de theoretische kant van de kwestie nu goed bestudeerd is door specialisten in alle landen, verschillende landen op praktisch gebied nog niet hetzelfde niveau hebben bereikt. De VS en Rusland lopen voor op andere landen. Er kan gesteld worden dat de toekomst van kernenergie vooral zal afhangen van de vooruitgang van de technologie.
Uit het boek The Wonderful World Inside the Atomic Nucleus [lezing voor schoolkinderen] auteur Ivanov Igor PierovitsjDe structuur van de LHC-botser Nu een paar foto's. Een collider is een versneller van botsende deeltjes. Daar versnellen deeltjes langs twee ringen en botsen met elkaar. Dit is de grootste experimentele installatie ter wereld, omdat de lengte van deze ring – de tunnel –
Uit het boek Het nieuwste feitenboek. Deel 3 [Natuurkunde, scheikunde en technologie. Geschiedenis en archeologie. Gemengd] auteur Kondrasjov Anatoly Pavlovich Uit het boek Het atoomprobleem van Ran Philip Uit boek 5b. Elektriciteit en magnetisme auteur FeynmanRichard Phillips Uit het boek van de auteurHoofdstuk VIII Principe van de werking en mogelijkheden van een kernreactor I. Ontwerp van een kernreactor Een kernreactor bestaat uit de volgende vijf hoofdelementen: 1) splijtstof, 2) neutronenmoderator, 3) controlesysteem, 4) koelsysteem, 5 ) beschermend
Uit het boek van de auteurHoofdstuk 11 INTERNE STRUCTUUR VAN DIELEKTRIE §1. Moleculaire dipolen§2. Elektronische polarisatie §3. Polaire moleculen; oriëntatiepolarisatie§4. Elektrische velden in diëlektrische holtes§5. Diëlektrische constante van vloeistoffen; Clausius-Mossotti-formule§6.
Deze onopvallende grijze cilinder is de belangrijkste schakel in de Russische nucleaire industrie. Het ziet er natuurlijk niet erg representatief uit, maar zodra je het doel ervan begrijpt en naar de technische kenmerken kijkt, begin je te begrijpen waarom het geheim van de creatie en structuur ervan door de staat als zijn oogappel wordt beschermd.
Ja, ik vergat te introduceren: hier is een gascentrifuge voor het scheiden van uraniumisotopen VT-3F (n-de generatie). Het werkingsprincipe is elementair, net als bij een melkafscheider; het zware wordt van het lichte gescheiden door de invloed van de middelpuntvliedende kracht. Dus wat is de betekenis en uniciteit?
Laten we eerst een andere vraag beantwoorden: waarom in het algemeen uranium scheiden?
Natuurlijk uranium, dat midden in de grond ligt, is een cocktail van twee isotopen: uranium-238 En uranium-235(en 0,0054% U-234).
Uran-238, het is gewoon zwaar, grijs metaal. Je kunt het gebruiken om een artilleriegranaat te maken, of... een sleutelhanger. Hier ziet u wat u kunt doen uranium-235? Ten eerste een atoombom, en ten tweede brandstof voor kerncentrales. En hier komen we bij de sleutelvraag: hoe kunnen deze twee, bijna identieke atomen, van elkaar worden gescheiden? Nee echt HOE?!
Trouwens: De straal van de kern van een uraniumatoom is 1,5 x 10 -8 cm.
Om uraniumatomen in de technologische keten te kunnen brengen, moet het (uranium) in een gasvormige toestand worden omgezet. Koken heeft geen zin, het is voldoende om uranium met fluor te combineren en uraniumhexafluoride te verkrijgen HFC. De technologie voor de productie ervan is niet erg ingewikkeld en duur, en daarom HFC ze weten precies waar dit uranium wordt gewonnen. UF6 is de enige zeer vluchtige uraniumverbinding (bij verhitting tot 53°C gaat het hexafluoride (foto) direct over van een vaste naar een gasvormige toestand). Vervolgens wordt het in speciale containers gepompt en ter verrijking verzonden. 
Een beetje geschiedenis
Helemaal aan het begin van de nucleaire race beheersten de grootste wetenschappelijke geesten van zowel de USSR als de VS het idee van diffusiescheiding: uranium door een zeef laten gaan. Klein 235e de isotoop zal er doorheen glippen, en het ‘vet’ 238e zal vastlopen. Bovendien was het maken van een zeef met nanogaten voor de Sovjet-industrie in 1946 niet de moeilijkste taak.
Uit het rapport van Isaac Konstantinovich Kikoin van de wetenschappelijke en technische raad onder de Raad van Volkscommissarissen (gepresenteerd in een verzameling vrijgegeven materiaal over het atoomproject van de USSR (Ed. Ryabev)): Momenteel hebben we geleerd mazen te maken met gaten van ongeveer 5/1.000 mm, d.w.z. 50 keer groter dan het vrije pad van moleculen bij atmosferische druk. Derhalve moet de gasdruk waarbij de scheiding van isotopen op dergelijke roosters zal plaatsvinden kleiner zijn dan 1/50 van de atmosferische druk. In de praktijk gaan we ervan uit dat we werken bij een druk van ongeveer 0,01 atmosfeer, d.w.z. onder goede vacuümomstandigheden. Berekeningen tonen aan dat om een product te verkrijgen dat verrijkt is tot een concentratie van 90% met een lichte isotoop (deze concentratie is voldoende om een explosief te produceren), het noodzakelijk is om ongeveer 2.000 van dergelijke fasen in een cascade te combineren. De machine die we ontwerpen en gedeeltelijk vervaardigen, zal naar verwachting 75 tot 100 g uranium-235 per dag produceren. De installatie zal bestaan uit ongeveer 80 tot 100 ‘kolommen’, waarin elk 20 tot 25 podia zullen worden geïnstalleerd.”
Hieronder staat een document: Beria's rapport aan Stalin over de voorbereiding van de eerste atoombomexplosie. Hieronder vindt u korte informatie over de nucleaire materialen die aan het begin van de zomer van 1949 werden geproduceerd.
En stel je nu eens voor: 2000 flinke installaties, voor slechts 100 gram! Nou, wat moeten we ermee doen, we hebben bommen nodig. En ze begonnen fabrieken te bouwen, en niet alleen fabrieken, maar hele steden. En oké, alleen de steden, deze diffusiecentrales hadden zoveel elektriciteit nodig dat ze aparte energiecentrales in de buurt moesten bouwen.
In de USSR werd de eerste trap D-1 van fabriek nr. 813 ontworpen voor een totale productie van 140 gram 92-93% uranium-235 per dag bij 2 cascades van 3100 scheidingstrappen met een identiek vermogen. Een onvoltooide vliegtuigfabriek in het dorp Verkh-Neyvinsk, 60 km van Sverdlovsk, werd toegewezen voor productie. Later veranderde het in Sverdlovsk-44 en fabriek 813 (foto) in de Ural Electrochemical Plant - 's werelds grootste scheidingsinstallatie.
En hoewel de technologie van diffusiescheiding, zij het met grote technologische moeilijkheden, werd gedebugd, verliet het idee om een economischer centrifugeproces te ontwikkelen niet de agenda. Als we erin slagen een centrifuge te creëren, wordt het energieverbruik immers 20 tot 50 keer verlaagd!
Hoe werkt een centrifuge?
De structuur is meer dan elementair en ziet eruit als een oude wasmachine die in de “centrifugeer/droog”-modus werkt. De roterende rotor bevindt zich in een afgesloten behuizing. Aan deze rotor wordt gas toegevoerd (UF6). Als gevolg van de middelpuntvliedende kracht, die honderdduizenden keren groter is dan het zwaartekrachtveld van de aarde, begint het gas zich te scheiden in ‘zware’ en ‘lichte’ fracties. Lichte en zware moleculen beginnen zich te groeperen in verschillende zones van de rotor, maar niet in het midden en langs de omtrek, maar aan de boven- en onderkant.
Dit gebeurt als gevolg van convectiestromen - het rotordeksel wordt verwarmd en er ontstaat een tegenstroom van gas. Er zijn twee kleine inlaatbuizen aan de boven- en onderkant van de cilinder geïnstalleerd. Een arm mengsel komt de onderste buis binnen en een mengsel met een hogere concentratie aan atomen komt de bovenste buis binnen. 235U. Dit mengsel gaat naar de volgende centrifuge, enzovoort, tot de concentratie 235e uranium zal niet de gewenste waarde bereiken. Een keten van centrifuges wordt een cascade genoemd.
Technische kenmerken.
Ten eerste de rotatiesnelheid - in de moderne generatie centrifuges bereikt deze 2000 tps (ik weet niet eens waarmee ik het moet vergelijken... 10 keer sneller dan de turbine in een vliegtuigmotor)! En het werkt al DRIE DECENNIA non-stop! Die. Nu draaien de centrifuges, ingeschakeld onder Brezjnev, in cascades! De USSR bestaat niet meer, maar ze blijven draaien en draaien. Het is niet moeilijk om te berekenen dat de rotor tijdens zijn werkcyclus 2.000.000.000.000 (twee biljoen) omwentelingen maakt. En welke lagers zijn hiertegen bestand? Ja, geen! Er zijn daar geen lagers.
De rotor zelf is een gewone bovenkant; aan de onderkant heeft hij een sterke naald die op een korundlager rust, en het bovenste uiteinde hangt in een vacuüm, vastgehouden door een elektromagnetisch veld. De naald is ook niet eenvoudig, gemaakt van gewoon draad voor pianosnaren, hij is op een zeer sluwe manier getemperd (zoals GT). Het is niet moeilijk voor te stellen dat de centrifuge zelf met zo'n waanzinnige rotatiesnelheid niet alleen duurzaam, maar extreem duurzaam moet zijn.
Academicus Joseph Friedlander herinnert zich: “Ze hadden me drie keer kunnen neerschieten. Eens, toen we de Lenin-prijs al hadden ontvangen, vond er een zwaar ongeval plaats, het deksel van de centrifuge vloog eraf. De stukken verspreidden zich en vernietigden andere centrifuges. Er steeg een radioactieve wolk op. We moesten de hele lijn stopzetten - een kilometer aan installaties! In Sredmash voerde generaal Zverev het bevel over de centrifuges; vóór het atoomproject werkte hij op de afdeling van Beria. De generaal zei tijdens de bijeenkomst: “De situatie is kritiek. De verdediging van het land is in gevaar. Als we de situatie niet snel rechtzetten, zal ’37 zich voor u herhalen.’ En sloot onmiddellijk de vergadering. Vervolgens hebben we een compleet nieuwe technologie bedacht met een volledig isotrope uniforme structuur van de deksels, maar daar waren zeer complexe installaties voor nodig. Sindsdien worden dit soort deksels geproduceerd. Er waren geen problemen meer. In Rusland zijn er drie verrijkingsfabrieken en vele honderdduizenden centrifuges.”
Op de foto: tests van de eerste generatie centrifuges
Ook de rotorhuizen waren aanvankelijk van metaal, totdat ze werden vervangen door... koolstofvezel. Lichtgewicht en zeer trekvast, het is een ideaal materiaal voor een roterende cilinder.
Algemeen directeur van UEIP (2009-2012) Alexander Kurkin herinnert zich: “Het begon belachelijk te worden. Toen ze een nieuwe, ‘vindingrijkere’ generatie centrifuges aan het testen en controleren waren, wachtte een van de medewerkers niet tot de rotor volledig stilstond, koppelde hem los van de cascade en besloot hem met de hand naar de stand te dragen. Maar in plaats van vooruit te gaan, hoe hij zich ook verzette, omhelsde hij deze cilinder en begon achteruit te gaan. Dus we zagen met onze eigen ogen dat de aarde draait, en de gyroscoop is een grote kracht.”
Wie heeft het uitgevonden?
Oh, het is een mysterie, gehuld in mysterie en gehuld in spanning. Hier vind je gevangengenomen Duitse natuurkundigen, de CIA, SMERSH-officieren en zelfs de neergestorte spionagepiloot Powers. In het algemeen werd het principe van een gascentrifuge eind 19e eeuw beschreven.
Zelfs aan het begin van het Atoomproject stelde Viktor Sergeev, een ingenieur bij het Speciaal Ontwerpbureau van de Kirov-fabriek, een centrifuge-scheidingsmethode voor, maar aanvankelijk keurden zijn collega's zijn idee niet goed. Tegelijkertijd worstelden wetenschappers uit het verslagen Duitsland met het creëren van een scheidingscentrifuge bij een speciaal onderzoeksinstituut-5 in Sukhumi: Dr. Max Steenbeck, die werkte als een vooraanstaand Siemens-ingenieur onder Hitler, en voormalig Luftwaffe-monteur, afgestudeerd aan de Universiteit van Wenen, Gernot Zippe. In totaal telde de groep ongeveer 300 “geëxporteerde” natuurkundigen.
Alexey Kaliteevsky, algemeen directeur van Centrotech-SPb CJSC, Rosatom State Corporation, herinnert zich: “Onze experts kwamen tot de conclusie dat de Duitse centrifuge absoluut ongeschikt is voor industriële productie. Het apparaat van Steenbeck beschikte niet over een systeem om het gedeeltelijk verrijkte product naar de volgende fase over te brengen. Er werd voorgesteld om de uiteinden van het deksel af te koelen en het gas te bevriezen, het vervolgens te ontdooien, op te vangen en in de volgende centrifuge te plaatsen. Dat wil zeggen dat de regeling niet werkt. Het project kende echter verschillende zeer interessante en ongebruikelijke technische oplossingen. Deze “interessante en ongebruikelijke oplossingen” werden gecombineerd met de resultaten verkregen door Sovjetwetenschappers, in het bijzonder met de voorstellen van Viktor Sergejev. Relatief gezien is onze compacte centrifuge voor een derde de vrucht van het Duitse denken, en voor tweederde de vrucht van de Sovjet-Unie.” Trouwens, toen Sergeev naar Abchazië kwam en zijn gedachten over de selectie van uranium uitte aan dezelfde Steenbeck en Zippe, deden Steenbeck en Zippe ze af als onrealistisch.
Dus wat bedacht Sergeev?
En het voorstel van Sergeev was om gasselectors te creëren in de vorm van pitotbuizen. Maar Dr. Steenbeck, die, zoals hij geloofde, zijn tanden had opgegeten over dit onderwerp, was categorisch: “Ze zullen de stroom vertragen, turbulentie veroorzaken, en er zal geen scheiding zijn!” Jaren later, terwijl hij aan zijn memoires werkte, zou hij er spijt van krijgen: “Een idee dat het waard is om van ons te komen! Maar het is nooit in mij opgekomen...’
Later, eenmaal buiten de USSR, werkte Steenbeck niet meer met centrifuges. Maar voordat hij naar Duitsland vertrok, kreeg Geront Zippe de gelegenheid kennis te maken met een prototype van Sergeevs centrifuge en het ingenieus eenvoudige principe van de werking ervan. Eenmaal in het Westen patenteerde ‘de sluwe Zippe’, zoals hij vaak werd genoemd, het centrifugeontwerp onder zijn eigen naam (patent nr. 1071597 uit 1957, verklaard in 13 landen). In 1957, nadat hij naar de VS was verhuisd, bouwde Zippe daar een werkende installatie, waarmee hij het prototype van Sergeev uit het hoofd reproduceerde. En hij noemde het, laten we hulde brengen, “Russische centrifuge” (foto).
Trouwens, de Russische techniek heeft zich in veel andere gevallen bewezen. Een voorbeeld is een eenvoudige noodafsluiter. Er zijn geen sensoren, detectoren of elektronische circuits. Er is alleen een samovar-kraan, die met zijn bloemblad het cascadeframe raakt. Als er iets misgaat en de centrifuge van positie in de ruimte verandert, draait hij eenvoudigweg en sluit de inlaatleiding. Het lijkt op de grap over een Amerikaanse pen en een Russisch potlood in de ruimte.
Onze dagen
Deze week was de auteur van deze regels aanwezig bij een belangrijke gebeurtenis: de sluiting van het Russische kantoor van waarnemers van het Amerikaanse ministerie van Energie op grond van een contract HEU-LEU. Deze deal (hoogverrijkt uranium – laagverrijkt uranium) was en blijft de grootste overeenkomst op het gebied van kernenergie tussen Rusland en Amerika. Volgens de voorwaarden van het contract verwerkten Russische kernwetenschappers 500 ton van ons uranium van wapenkwaliteit (90%) tot brandstof (4%) HFK's voor Amerikaanse kerncentrales. De inkomsten over de periode 1993-2009 bedroegen 8,8 miljard dollar. Dit was het logische resultaat van de technologische doorbraak van onze kernwetenschappers op het gebied van isotopenscheiding in de naoorlogse jaren.
Op de foto: cascades van gascentrifuges in een van de UEIP-werkplaatsen. Er zijn er hier ongeveer 100.000.
Dankzij centrifuges hebben we duizenden tonnen relatief goedkoop, zowel militair als commercieel, product verkregen. De nucleaire industrie is een van de weinige overgebleven (militaire luchtvaart, ruimtevaart) waarin Rusland het onbetwiste primaat heeft. Alleen al buitenlandse bestellingen voor tien jaar vooruit (van 2013 tot 2022), de portefeuille van Rosatom exclusief het contract HEU-LEU bedraagt 69,3 miljard dollar. In 2011 overschreed het de 50 miljard...
De foto toont een magazijn met containers met HFK's bij het UEIP.
Op 28 september 1942 werd resolutie van het Staatsverdedigingscomité nr. 2352ss “Over de organisatie van het werk aan uranium” aangenomen. Deze datum wordt beschouwd als het officiële begin van de geschiedenis van de Russische nucleaire industrie.
Een splijtingskettingreactie gaat altijd gepaard met het vrijkomen van enorme energie. Het praktische gebruik van deze energie is de hoofdtaak van een kernreactor.
Een kernreactor is een apparaat waarin een gecontroleerde of gecontroleerde kernsplijtingsreactie plaatsvindt.
Op basis van het werkingsprincipe zijn kernreactoren verdeeld in twee groepen: thermische neutronenreactoren en snelle neutronenreactoren.
Hoe werkt een thermische neutronenkernreactor?
Een typische kernreactor heeft:
- Kern en moderator;
- Neutronenreflector;
- Koelmiddel;
- Kettingreactiecontrolesysteem; noodbescherming;
- Controle- en stralingsbeschermingssysteem;
- Afstandsbedieningssysteem.
1 - actieve zone; 2 - reflector; 3 - bescherming; 4 - regelstaven; 5 - koelvloeistof; 6 - pompen; 7 - warmtewisselaar; 8 - turbine; 9 - generator; 10 - condensator.
Kern en moderator
Het is in de kern dat er een gecontroleerde splijtingskettingreactie plaatsvindt.
De meeste kernreactoren werken op zware isotopen van uranium-235. Maar in natuurlijke monsters uraniumerts bedraagt het gehalte ervan slechts 0,72%. Deze concentratie is niet voldoende om een kettingreactie te laten ontstaan. Daarom wordt het erts kunstmatig verrijkt, waardoor het gehalte van deze isotoop op 3% komt.
Splijtbaar materiaal, of splijtstof, in de vorm van tabletten wordt in hermetisch afgesloten staven geplaatst, die brandstofstaven (brandstofelementen) worden genoemd. Ze doordringen de gehele actieve zone gevuld met moderator neutronen.
Waarom is een neutronenmoderator nodig in een kernreactor?
Feit is dat de neutronen die ontstaan na het verval van uranium-235-kernen een zeer hoge snelheid hebben. De waarschijnlijkheid van hun invanging door andere uraniumkernen is honderden malen kleiner dan de waarschijnlijkheid van invanging van langzame neutronen. En als hun snelheid niet wordt verminderd, kan de kernreactie na verloop van tijd uitsterven. De moderator lost het probleem op van het verminderen van de snelheid van neutronen. Als water of grafiet in de baan van snelle neutronen wordt geplaatst, kan hun snelheid kunstmatig worden verminderd en kan het aantal door atomen opgevangen deeltjes worden vergroot. Tegelijkertijd zal voor een kettingreactie in de reactor minder splijtstof nodig zijn.
Als gevolg van het vertragingsproces is thermische neutronen, waarvan de snelheid vrijwel gelijk is aan de snelheid van thermische beweging van gasmoleculen bij kamertemperatuur.
Water, zwaar water (deuteriumoxide D 2 O), beryllium en grafiet worden gebruikt als moderator in kernreactoren. Maar de beste moderator is zwaar water D2O.
Neutronenreflector
Om te voorkomen dat neutronen in het milieu terechtkomen, wordt de kern van een kernreactor omringd door neutronenreflector. Het materiaal dat voor reflectoren wordt gebruikt, is vaak hetzelfde als bij moderators.
Koelmiddel
De warmte die vrijkomt bij een kernreactie wordt verwijderd met behulp van een koelmiddel. Gewoon natuurlijk water, eerder gezuiverd van verschillende onzuiverheden en gassen, wordt vaak gebruikt als koelmiddel in kernreactoren. Maar omdat water al kookt bij een temperatuur van 100 0 C en een druk van 1 atm, wordt, om het kookpunt te verhogen, de druk in het primaire koelmiddelcircuit verhoogd. Het water uit het primaire circuit dat door de reactorkern circuleert, wast de brandstofstaven en warmt op tot een temperatuur van 320 °C. Vervolgens geeft het in de warmtewisselaar warmte af aan het water uit het secundaire circuit. De uitwisseling vindt plaats via warmtewisselaarsbuizen, waardoor er geen contact is met het water van het secundaire circuit. Hierdoor wordt voorkomen dat radioactieve stoffen in het tweede circuit van de warmtewisselaar terechtkomen.
En dan gebeurt alles zoals bij een thermische energiecentrale. Water in het tweede circuit verandert in stoom. De stoom laat een turbine draaien, die een elektrische generator aandrijft, die elektrische stroom produceert.
In zwaarwaterreactoren is het koelmiddel zwaar water D2O, en in reactoren met vloeibare metaalkoelmiddelen is het gesmolten metaal.
Kettingreactiecontrolesysteem
De huidige toestand van de reactor wordt gekenmerkt door een zogenaamde grootheid reactiviteit.
ρ = ( k-1)/ k ,
k = n ik / n ik -1 ,
Waar k –r,
n ik - het aantal neutronen van de volgende generatie in de kernsplijtingsreactie,
n ik -1 , - het aantal neutronen van de vorige generatie in dezelfde reactie.
Als k ˃ 1 , de kettingreactie groeit, het systeem wordt genoemd superkritisch j. Als k< 1 , de kettingreactie sterft uit en het systeem wordt opgeroepen subkritisch. Bij k = 1 de reactor is binnen stabiele kritieke toestand, aangezien het aantal splijtbare kernen niet verandert. In deze toestand is er sprake van reactiviteit ρ = 0 .
Door te bewegen wordt de kritische toestand van de reactor (de benodigde nin een kernreactor) in stand gehouden controle staven. Het materiaal waaruit ze zijn gemaakt, omvat neutronenabsorberende stoffen. Door deze staven in de kern uit te steken of te duwen, wordt de snelheid van de kernsplijtingsreactie gecontroleerd.
Het besturingssysteem zorgt voor controle over de reactor tijdens het opstarten, geplande stillegging, werking op stroom, evenals noodbescherming van de kernreactor. Dit wordt bereikt door de positie van de regelstaven te veranderen.
Als een van de reactorparameters (temperatuur, druk, snelheid van de stroomstijging, brandstofverbruik, enz.) afwijkt van de norm, en dit kan leiden tot een ongeval, kunnen speciale nood staven en de kernreactie stopt snel.
Zorg ervoor dat de reactorparameters voldoen aan de normen controle- en stralingsbeschermingssystemen.
Om de omgeving te beschermen tegen radioactieve straling wordt de reactor in een dikke betonnen schil geplaatst.
Systemen voor afstandsbediening
Alle signalen over de toestand van de kernreactor (koelvloeistoftemperatuur, stralingsniveau in verschillende delen van de reactor, etc.) worden naar het reactorbedieningspaneel gestuurd en verwerkt in computersystemen. De operator ontvangt alle nodige informatie en aanbevelingen om bepaalde afwijkingen te elimineren.
Snelle reactoren
Het verschil tussen dergelijke reactoren en thermische neutronenreactoren is dat snelle neutronen die ontstaan na het verval van uranium-235 niet worden afgeremd, maar worden geabsorbeerd door uranium-238 en vervolgens worden omgezet in plutonium-239. Daarom worden snelle neutronenreactoren gebruikt om plutonium-239 en thermische energie van wapenkwaliteit te produceren, die door generatoren van kerncentrales worden omgezet in elektrische energie.
De splijtstof in dergelijke reactoren is uranium-238, en de grondstof is uranium-235.
In natuurlijk uraniumerts bestaat 99,2745% uit uranium-238. Wanneer een thermisch neutron wordt geabsorbeerd, splijt het niet, maar wordt het een isotoop van uranium-239.
Enige tijd na β-verval verandert uranium-239 in een neptunium-239-kern:
239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e
Na het tweede β-verval wordt splijtbaar plutonium-239 gevormd:
239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e
En tenslotte wordt na het alfaverval van de plutonium-239-kern uranium-235 verkregen:
239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He
In de reactorkern bevinden zich brandstofstaven met grondstoffen (verrijkt uranium-235). Deze zone wordt omgeven door een broedzone, die bestaat uit brandstofstaven met brandstof (verarmd uranium-238). Snelle neutronen die na het verval van uranium-235 door de kern worden uitgezonden, worden opgevangen door uranium-238-kernen. Als gevolg hiervan wordt plutonium-239 gevormd. Zo wordt in snelle neutronenreactoren nieuwe splijtstof geproduceerd.
Vloeibare metalen of mengsels daarvan worden gebruikt als koelmiddelen in snelle neutronenkernreactoren.
Classificatie en toepassing van kernreactoren
Kernreactoren worden vooral gebruikt in kerncentrales. Met hun hulp wordt op industriële schaal elektrische en thermische energie geproduceerd. Dergelijke reactoren worden genoemd energie .
Kernreactoren worden veel gebruikt in de voortstuwingssystemen van moderne kernonderzeeërs, oppervlakteschepen en in de ruimtetechnologie. Ze voorzien motoren van elektrische energie en worden gebeld transportreactoren .
Voor wetenschappelijk onderzoek op het gebied van kernfysica en stralingschemie wordt gebruik gemaakt van neutronenstromen en gammakwanta, die worden verkregen in de kern onderzoeksreactoren. De door hen opgewekte energie bedraagt niet meer dan 100 MW en wordt niet voor industriële doeleinden gebruikt.
Stroom experimentele reactoren zelfs minder. Het bereikt een waarde van slechts enkele kW. Deze reactoren bestuderen verschillende fysieke grootheden, waarvan de betekenis belangrijk is bij het ontwerpen van kernreacties.
NAAR industriële reactoren omvatten reactoren voor de productie van radioactieve isotopen die voor medische doeleinden worden gebruikt, maar ook op verschillende gebieden van industrie en technologie. Zeewaterontziltingsreactoren worden ook geclassificeerd als industriële reactoren.