Kjernereaktorreaksjonshastighet. Atomreaktor, operasjonsprinsipp, drift av en atomreaktor

Kjernekraftproduksjon er en moderne og raskt utviklende metode for å produsere elektrisitet. Vet du hvordan atomkraftverk fungerer? Hva er driftsprinsippet til et kjernekraftverk? Hvilke typer atomreaktorer finnes i dag? Vi vil prøve å vurdere i detalj driftsskjemaet til et kjernekraftverk, fordype oss i strukturen til en kjernefysisk reaktor og finne ut hvor sikker den kjernefysiske metoden for å generere elektrisitet er.

Enhver stasjon er et lukket område langt fra et boligområde. Det er flere bygninger på territoriet. Den viktigste strukturen er reaktorbygningen, ved siden av ligger turbinrommet som reaktoren styres fra, og sikkerhetsbygget.

Ordningen er umulig uten en atomreaktor. En atomreaktor (atomreaktor) er et kjernekraftverk som er designet for å organisere en kjedereaksjon av nøytronfisjon med obligatorisk frigjøring av energi under denne prosessen. Men hva er driftsprinsippet til et kjernekraftverk?

Hele reaktorinstallasjonen holder til i reaktorbygningen, et stort betongtårn som skjuler reaktoren og vil inneholde alle produktene fra atomreaksjonen i tilfelle en ulykke. Dette store tårnet kalles inneslutning, hermetisk skall eller inneslutningssone.

Den hermetiske sonen i nye reaktorer har 2 tykke betongvegger - skall.
Det ytre skallet, 80 cm tykt, beskytter inneslutningssonen mot ytre påvirkninger.

Det indre skallet, 1 meter 20 cm tykt, har spesielle stålkabler som øker betongens styrke nesten tre ganger og vil forhindre at strukturen smuldrer opp. På innsiden er den foret med en tynn plate av spesialstål, som er utformet for å tjene som ekstra beskyttelse for inneslutningen og, i tilfelle en ulykke, ikke frigjøre innholdet i reaktoren utenfor inneslutningssonen.

Denne utformingen av atomkraftverket gjør at det tåler en flyulykke som veier opptil 200 tonn, et jordskjelv med styrke 8, en tornado og en tsunami.

Det første forseglede skallet ble bygget ved det amerikanske atomkraftverket i Connecticut Yankee i 1968.

Den totale høyden på inneslutningssonen er 50-60 meter.

Hva består en atomreaktor av?

For å forstå driftsprinsippet til en atomreaktor, og derfor driftsprinsippet til et kjernekraftverk, må du forstå komponentene i reaktoren.

  • Aktiv sone. Dette er området hvor kjernebrenselet (drivstoffgeneratoren) og moderatoren er plassert. Drivstoffatomer (oftest er uran drivstoffet) gjennomgår en kjedefisjonsreaksjon. Moderatoren er designet for å kontrollere fisjonsprosessen og gir mulighet for den nødvendige reaksjonen når det gjelder hastighet og styrke.
  • Nøytronreflektor. En reflektor omgir kjernen. Den består av samme materiale som moderatoren. I hovedsak er dette en boks, hvis hovedformål er å forhindre at nøytroner forlater kjernen og kommer inn i miljøet.
  • Kjølevæske. Kjølevæsken må absorbere varmen som frigjøres under fisjon av brenselatomer og overføre den til andre stoffer. Kjølevæsken bestemmer i stor grad hvordan et atomkraftverk er utformet. Den mest populære kjølevæsken i dag er vann.
    Reaktorkontrollsystem. Sensorer og mekanismer som driver en kjernekraftverksreaktor.

Drivstoff til kjernekraftverk

Hva opererer et atomkraftverk på? Drivstoff til kjernekraftverk er kjemiske grunnstoffer med radioaktive egenskaper. Ved alle atomkraftverk er dette grunnstoffet uran.

Utformingen av stasjonene innebærer at kjernekraftverk opererer på komplekst komposittbrensel, og ikke på et rent kjemisk element. Og for å utvinne uranbrensel fra naturlig uran, som er lastet inn i en atomreaktor, er det nødvendig å utføre mange manipulasjoner.

Anriket uran

Uran består av to isotoper, det vil si at det inneholder kjerner med forskjellige masser. De ble navngitt etter antall protoner og nøytroner isotop -235 og isotop-238. Forskere på 1900-tallet begynte å utvinne uran 235 fra malm, fordi... det var lettere å dekomponere og transformere. Det viste seg at slikt uran i naturen bare er 0,7% (den resterende prosentandelen går til den 238. isotopen).

Hva skal man gjøre i dette tilfellet? De bestemte seg for å anrike uran. Urananrikning er en prosess der mange av de nødvendige 235x-isotopene forblir i den og få unødvendige 238x-isotoper. Oppgaven til urananrikere er å gjøre 0,7 % om til nesten 100 % uran-235.

Uran kan anrikes ved hjelp av to teknologier: gassdiffusjon eller gassentrifuge. For å bruke dem, omdannes uran utvunnet fra malm til en gassform. Det er anriket i form av gass.

Uranpulver

Anriket urangass omdannes til en fast tilstand - urandioksid. Dette rene faste uran 235 fremstår som store hvite krystaller, som senere knuses til uranpulver.

Uran tabletter

Urantabletter er solide metallskiver, et par centimeter lange. For å danne slike tabletter fra uranpulver, blandes det med et stoff - en mykner; det forbedrer kvaliteten på å presse tablettene.

De pressede pukkene bakes ved en temperatur på 1200 grader Celsius i mer enn en dag for å gi tablettene spesiell styrke og motstand mot høye temperaturer. Hvordan et atomkraftverk fungerer avhenger direkte av hvor godt uranbrenselet er komprimert og bakt.

Tablettene bakes i molybdenbokser, pga bare dette metallet er i stand til å ikke smelte ved "helvete" temperaturer på over halvannet tusen grader. Etter dette anses uranbrensel til atomkraftverk som klart.

Hva er TVEL og FA?

Reaktorkjernen ser ut som en enorm skive eller rør med hull i veggene (avhengig av type reaktor), 5 ganger større enn menneskekroppen. Disse hullene inneholder uranbrensel, hvis atomer utfører den ønskede reaksjonen.

Det er umulig å bare kaste drivstoff inn i reaktoren, vel, med mindre du vil forårsake en eksplosjon av hele stasjonen og en ulykke med konsekvenser for et par nærliggende stater. Derfor legges uranbrensel i drivstoffstaver og samles deretter opp i drivstoffelementer. Hva betyr disse forkortelsene?

  • TVEL er et drivstoffelement (ikke å forveksle med samme navn på det russiske selskapet som produserer dem). Det er egentlig et tynt og langt zirkoniumrør laget av zirkoniumlegeringer som urantabletter er plassert i. Det er i brenselsstaver at uranatomer begynner å samhandle med hverandre, og frigjør varme under reaksjonen.

Zirkonium ble valgt som et materiale for produksjon av brenselstaver på grunn av dets ildfasthet og anti-korrosjonsegenskaper.

Typen drivstoffstaver avhenger av typen og strukturen til reaktoren. Som regel endres ikke strukturen og formålet med drivstoffstaver, lengden og bredden på røret kan være forskjellig.

Maskinen laster mer enn 200 uranpellets i ett zirkoniumrør. Totalt jobber rundt 10 millioner uranpellets samtidig i reaktoren.
FA – drivstoffsamling. NPP-arbeidere kaller drivstoffpakker.

I hovedsak er dette flere drivstoffstaver festet sammen. FA er ferdig kjernebrensel, det et kjernekraftverk driver med. Det er brenselelementene som lastes inn i atomreaktoren. Omtrent 150 – 400 brenselelementer er plassert i en reaktor.
Avhengig av reaktoren som brenselelementene skal operere i, kommer de i forskjellige former. Noen ganger er buntene brettet til en kubikk, noen ganger til en sylindrisk, noen ganger i en sekskantet form.

Én drivstoffenhet over 4 års drift produserer samme mengde energi som ved forbrenning av 670 biler med kull, 730 tanker med naturgass eller 900 tanker lastet med olje.
I dag produseres drivstoffelementer hovedsakelig ved fabrikker i Russland, Frankrike, USA og Japan.

For å levere drivstoff til kjernekraftverk til andre land, tettes brenselelementer i lange og brede metallrør, luften pumpes ut av rørene og leveres av spesialmaskiner om bord på lastefly.

Kjernebrensel til kjernekraftverk veier uoverkommelig mye, fordi... uran er et av de tyngste metallene på planeten. Dens egenvekt er 2,5 ganger større enn for stål.

Kjernekraftverk: driftsprinsipp

Hva er driftsprinsippet til et kjernekraftverk? Driftsprinsippet for kjernekraftverk er basert på en kjedereaksjon av fisjon av atomer av et radioaktivt stoff - uran. Denne reaksjonen skjer i kjernen av en atomreaktor.

DET ER VIKTIG Å VITE:

Uten å gå inn på forviklingene i kjernefysikk, ser driftsprinsippet til et kjernekraftverk slik ut:
Etter oppstart av en atomreaktor fjernes absorberstaver fra brenselstavene som hindrer uranet i å reagere.

Når stengene er fjernet, begynner uran nøytronene å samhandle med hverandre.

Når nøytroner kolliderer skjer det en minieksplosjon på atomnivå, energi frigjøres og nye nøytroner blir født, en kjedereaksjon begynner å skje. Denne prosessen genererer varme.

Varme overføres til kjølevæsken. Avhengig av type kjølevæske, blir det til damp eller gass, som roterer turbinen.

Turbinen driver en elektrisk generator. Det er han som faktisk genererer den elektriske strømmen.

Hvis du ikke overvåker prosessen, kan uran nøytroner kollidere med hverandre til de eksploderer reaktoren og knuser hele atomkraftverket i filler. Prosessen styres av datasensorer. De oppdager en økning i temperatur eller endring i trykk i reaktoren og kan automatisk stoppe reaksjoner.

Hvordan skiller driftsprinsippet til kjernekraftverk seg fra termiske kraftverk (termiske kraftverk)?

Det er forskjeller i arbeid bare i de første stadiene. I et kjernekraftverk mottar kjølevæsken varme fra spaltningen av atomer av uranbrensel; i et termisk kraftverk mottar kjølevæsken varme fra forbrenning av organisk brensel (kull, gass eller olje). Etter at enten uranatomer eller gass og kull har frigjort varme, er driftsordningene for kjernekraftverk og termiske kraftverk de samme.

Typer atomreaktorer

Hvordan et atomkraftverk fungerer, avhenger av nøyaktig hvordan atomreaktoren fungerer. I dag er det to hovedtyper av reaktorer, som er klassifisert i henhold til spekteret av nevroner:
En langsom nøytronreaktor, også kalt en termisk reaktor.

For driften brukes uran 235, som går gjennom stadiene med anrikning, dannelse av uranpellets, etc. I dag bruker de aller fleste reaktorer langsomme nøytroner.
Rask nøytronreaktor.

Disse reaktorene er fremtiden, fordi... De jobber med uran-238, som er en krone et dusin i naturen, og det er ingen grunn til å berike dette elementet. Den eneste ulempen med slike reaktorer er de svært høye kostnadene ved design, konstruksjon og oppstart. I dag opererer raske nøytronreaktorer bare i Russland.

Kjølevæsken i raske nøytronreaktorer er kvikksølv, gass, natrium eller bly.

Langsomme nøytronreaktorer, som alle atomkraftverk i verden bruker i dag, finnes også i flere typer.

IAEA-organisasjonen (International Atomic Energy Agency) har laget sin egen klassifisering, som oftest brukes i den globale kjernekraftindustrien. Siden driftsprinsippet til et kjernekraftverk i stor grad avhenger av valg av kjølevæske og moderator, baserte IAEA sin klassifisering på disse forskjellene.


Fra et kjemisk synspunkt er deuteriumoksid en ideell moderator og kjølevæske, fordi dets atomer samhandler mest effektivt med nøytroner av uran sammenlignet med andre stoffer. Enkelt sagt, tungtvann utfører sin oppgave med minimale tap og maksimale resultater. Imidlertid koster produksjonen penger, mens vanlig "lett" og kjent vann er mye enklere å bruke.

Noen få fakta om atomreaktorer...

Det er interessant at én kjernekraftverkreaktor tar minst 3 år å bygge!
For å bygge en reaktor trenger du utstyr som opererer på en elektrisk strøm på 210 kiloampere, som er en million ganger høyere enn strømmen som kan drepe en person.

Ett skall (strukturelement) av en atomreaktor veier 150 tonn. Det er 6 slike elementer i en reaktor.

Trykkvannsreaktor

Vi har allerede funnet ut hvordan et kjernekraftverk fungerer generelt; for å sette alt i perspektiv, la oss se på hvordan den mest populære trykkvannsreaktoren fungerer.
Over hele verden i dag brukes generasjon 3+ trykkvannsreaktorer. De regnes som de mest pålitelige og sikre.

Alle trykkvannsreaktorer i verden, i løpet av alle årene de har vært i drift, har allerede akkumulert mer enn 1000 år med problemfri drift og har aldri gitt alvorlige avvik.

Strukturen til kjernekraftverk som bruker trykkvannsreaktorer innebærer at destillert vann oppvarmet til 320 grader sirkulerer mellom brenselstavene. For å forhindre at den går i damptilstand, holdes den under trykk på 160 atmosfærer. Kjernekraftverkdiagrammet kaller det primærkretsvann.

Det oppvarmede vannet kommer inn i dampgeneratoren og gir fra seg varmen til sekundærkretsvannet, hvoretter det "returnerer" til reaktoren igjen. Utad ser det ut som om vannrørene til den første kretsen er i kontakt med andre rør - vannet i den andre kretsen overfører varme til hverandre, men vannet kommer ikke i kontakt. Rørene er i kontakt.

Dermed er muligheten for stråling som kommer inn i sekundærkretsvannet, som videre vil delta i prosessen med å generere elektrisitet, utelukket.

NPP driftssikkerhet

Etter å ha lært prinsippet om drift av kjernekraftverk, må vi forstå hvordan sikkerhet fungerer. Bygging av kjernekraftverk i dag krever økt oppmerksomhet på sikkerhetsregler.
NPP-sikkerhetskostnadene utgjør omtrent 40 % av de totale kostnadene for selve anlegget.

Kjernekraftverksdesignet inkluderer 4 fysiske barrierer som hindrer utslipp av radioaktive stoffer. Hva skal disse barrierene gjøre? I riktig øyeblikk, kunne stoppe atomreaksjonen, sikre konstant varmefjerning fra kjernen og selve reaktoren, og forhindre utslipp av radionuklider utenfor inneslutningen (hermetisk sone).

  • Den første barrieren er styrken til uranpellets. Det er viktig at de ikke blir ødelagt av høye temperaturer i en atomreaktor. Mye av hvordan et atomkraftverk fungerer, avhenger av hvordan uranpellets "bakes" under den innledende produksjonsfasen. Hvis uranbrenselpelletene ikke bakes riktig, vil reaksjonene til uranatomene i reaktoren være uforutsigbare.
  • Den andre barrieren er tettheten til drivstoffstaver. Zirkoniumrør må være tett forseglet; hvis forseglingen brytes, vil i beste fall reaktoren bli skadet og arbeidet stopper; i verste fall vil alt fly opp i luften.
  • Den tredje barrieren er et slitesterkt reaktorkar av stål a, (det samme store tårnet - hermetisk sone) som "holder" alle radioaktive prosesser. Hvis huset blir skadet, vil stråling slippe ut i atmosfæren.
  • Den fjerde barrieren er nødbeskyttelsesstenger. Staver med moderatorer er suspendert over kjernen av magneter, som kan absorbere alle nøytroner på 2 sekunder og stoppe kjedereaksjonen.

Hvis det, til tross for utformingen av et kjernekraftverk med mange beskyttelsesgrader, ikke er mulig å avkjøle reaktorkjernen til rett tid, og brennstofftemperaturen stiger til 2600 grader, så spiller det siste håpet til sikkerhetssystemet inn. - den såkalte smeltefellen.

Faktum er at ved denne temperaturen vil bunnen av reaktorbeholderen smelte, og alle restene av kjernebrensel og smeltede strukturer vil strømme inn i et spesielt "glass" suspendert over reaktorkjernen.

Smeltefellen er kjølt og brannsikker. Den er fylt med såkalt "offermateriale", som gradvis stopper fisjonskjedereaksjonen.

Dermed innebærer kjernekraftverkdesignet flere beskyttelsesgrader, som nesten helt eliminerer enhver mulighet for en ulykke.

Enheten og operasjonsprinsippet er basert på initialisering og kontroll av en selvopprettholdende kjernefysisk reaksjon. Det brukes som et forskningsverktøy, for å produsere radioaktive isotoper, og som en energikilde for kjernekraftverk.

driftsprinsipp (kort)

Dette bruker en prosess der en tung kjerne brytes opp i to mindre fragmenter. Disse fragmentene er i en svært opphisset tilstand og sender ut nøytroner, andre subatomære partikler og fotoner. Nøytroner kan forårsake nye spaltninger, noe som resulterer i at flere av dem sendes ut, og så videre. En slik kontinuerlig selvopprettholdende serie av splittinger kalles en kjedereaksjon. Dette frigjør en stor mengde energi, hvis produksjon er formålet med bruk av kjernekraftverk.

Driftsprinsippet til en atomreaktor er slik at ca. 85 % av fisjonsenergien frigjøres i løpet av svært kort tid etter starten av reaksjonen. Resten produseres av radioaktivt nedbrytning av fisjonsprodukter etter at de har sendt ut nøytroner. Radioaktivt forfall er en prosess der et atom når en mer stabil tilstand. Det fortsetter etter at delingen er fullført.

I en atombombe øker kjedereaksjonen i intensitet til det meste av materialet er spaltet. Dette skjer veldig raskt, og produserer ekstremt kraftige eksplosjoner som er typiske for slike bomber. Konstruksjonen og driftsprinsippet til en atomreaktor er basert på å opprettholde en kjedereaksjon på et kontrollert, nesten konstant nivå. Den er utformet på en slik måte at den ikke kan eksplodere som en atombombe.

Kjedereaksjon og kritikk

Fysikken til en kjernefysisk fisjonsreaktor er at kjedereaksjonen bestemmes av sannsynligheten for at kjernen deler seg etter at nøytroner er sendt ut. Hvis befolkningen til sistnevnte synker, vil delingshastigheten til slutt falle til null. I dette tilfellet vil reaktoren være i en subkritisk tilstand. Hvis nøytronpopulasjonen holdes på et konstant nivå, vil fisjonshastigheten forbli stabil. Reaktoren vil være i kritisk tilstand. Til slutt, hvis populasjonen av nøytroner vokser over tid, vil fisjonshastigheten og kraften øke. Tilstanden til kjernen vil bli superkritisk.

Driftsprinsippet for en atomreaktor er som følger. Før lanseringen er nøytronpopulasjonen nær null. Operatører fjerner deretter kontrollstenger fra kjernen, noe som øker kjernefysisk fisjon, som midlertidig skyver reaktoren inn i en superkritisk tilstand. Etter å ha oppnådd nominell effekt, returnerer operatørene delvis kontrollstengene, og justerer antall nøytroner. Deretter holdes reaktoren i kritisk tilstand. Når den må stoppes, setter operatørene inn stengene hele veien. Dette undertrykker fisjon og overfører kjernen til en subkritisk tilstand.

Reaktortyper

De fleste av verdens atomkraftverk er kraftverk, som genererer varmen som trengs for å spinne turbiner som driver elektriske kraftgeneratorer. Det er også mange forskningsreaktorer, og noen land har ubåter eller overflateskip drevet av atomenergi.

Energiinstallasjoner

Det finnes flere typer reaktorer av denne typen, men lettvannsdesignet er mye brukt. På sin side kan den bruke trykkvann eller kokende vann. I det første tilfellet varmes høytrykksvæsken opp av varmen fra kjernen og kommer inn i dampgeneratoren. Der overføres varme fra primærkretsen til sekundærkretsen, som også inneholder vann. Den til slutt genererte dampen fungerer som arbeidsfluid i dampturbinsyklusen.

Kokevannsreaktoren opererer etter prinsippet om en direkte energisyklus. Vann som passerer gjennom kjernen bringes til å koke ved middels trykk. Den mettede dampen passerer gjennom en rekke separatorer og tørkere plassert i reaktorbeholderen, noe som gjør at den blir overopphetet. Den overopphetede vanndampen brukes deretter som arbeidsvæske for å snu turbinen.

Høytemperatur gasskjølt

En høytemperatur gasskjølt reaktor (HTGR) er en atomreaktor hvis driftsprinsipp er basert på bruk av en blanding av grafitt og brenselmikrokuler som brensel. Det er to konkurrerende design:

  • et tysk "fyll"-system som bruker sfæriske brenselelementer med en diameter på 60 mm, som er en blanding av grafitt og drivstoff i et grafittskall;
  • den amerikanske versjonen i form av sekskantede grafittprismer som låses sammen for å lage en kjerne.

I begge tilfeller består kjølevæsken av helium under et trykk på ca. 100 atmosfærer. I det tyske systemet passerer helium gjennom hull i laget av sfæriske brenselelementer, og i det amerikanske systemet passerer helium gjennom hull i grafittprismer plassert langs aksen til reaktorens sentrale sone. Begge alternativene kan operere ved svært høye temperaturer, siden grafitt har en ekstremt høy sublimasjonstemperatur og helium er fullstendig kjemisk inert. Varmt helium kan påføres direkte som arbeidsfluid i en gassturbin ved høy temperatur, eller varmen kan brukes til å generere damp i vannsyklusen.

Flytende metall og arbeidsprinsipp

Natriumkjølte hurtigreaktorer fikk mye oppmerksomhet på 1960- og 1970-tallet. Det så ut til at deres avlsevne snart ville være nødvendig for å produsere drivstoff til den raskt voksende atomindustrien. Da det på 1980-tallet ble klart at denne forventningen var urealistisk, avtok entusiasmen. Det er imidlertid bygget en rekke reaktorer av denne typen i USA, Russland, Frankrike, Storbritannia, Japan og Tyskland. De fleste av dem kjører på urandioksid eller dets blanding med plutoniumdioksid. I USA har man imidlertid oppnådd størst suksess med metallisk drivstoff.

CANDU

Canada fokuserer sin innsats på reaktorer som bruker naturlig uran. Dette eliminerer behovet for å ty til tjenester fra andre land for å berike det. Resultatet av denne politikken var deuterium-uran-reaktoren (CANDU). Den kontrolleres og avkjøles med tungt vann. Konstruksjonen og driftsprinsippet til en atomreaktor består i å bruke et reservoar av kald D 2 O ved atmosfærisk trykk. Kjernen er gjennomboret av rør laget av zirkoniumlegering som inneholder naturlig uranbrensel, som tungtvann som kjøler det sirkulerer gjennom. Elektrisitet produseres ved å overføre fisjonsvarme i tungtvann til en kjølevæske som sirkulerer gjennom en dampgenerator. Dampen i sekundærkretsen passerer deretter gjennom en konvensjonell turbinsyklus.

Forskningsanlegg

For vitenskapelig forskning brukes oftest en atomreaktor, hvis driftsprinsipp er å bruke vannkjøling og plateformede uranbrenselelementer i form av sammenstillinger. Kan operere over et bredt spekter av effektnivåer, fra flere kilowatt til hundrevis av megawatt. Siden kraftproduksjon ikke er hovedformålet med forskningsreaktorer, er de preget av den termiske energien som produseres, tettheten og den nominelle energien til kjernenøytronene. Det er disse parameterne som hjelper til med å kvantifisere en forskningsreaktors evne til å utføre spesifikk forskning. Laveffektsystemer finnes vanligvis på universiteter og brukes til undervisning, mens høyeffektsystemer er nødvendige i forskningslaboratorier for material- og ytelsestesting og generell forskning.

Den vanligste er en forskningsatomreaktor, hvis struktur og driftsprinsipp er som følger. Kjernen ligger i bunnen av et stort, dypt basseng med vann. Dette forenkler observasjon og plassering av kanaler som nøytronstråler kan rettes gjennom. Ved lave effektnivåer er det ikke nødvendig å pumpe kjølevæske da naturlig konveksjon av kjølevæsken gir tilstrekkelig varmefjerning for å opprettholde sikre driftsforhold. Varmeveksleren er vanligvis plassert på overflaten eller på toppen av bassenget hvor varmtvann samler seg.

Skipsinstallasjoner

Den opprinnelige og viktigste anvendelsen av atomreaktorer er deres bruk i ubåter. Deres største fordel er at de, i motsetning til forbrenningssystemer for fossilt brensel, ikke krever luft for å generere elektrisitet. Derfor kan en atomubåt forbli nedsenket i lange perioder, mens en konvensjonell dieselelektrisk ubåt med jevne mellomrom må stige opp til overflaten for å fyre av motorene sine i luften. gir en strategisk fordel til marineskip. Takket være det er det ikke nødvendig å fylle drivstoff i utenlandske havner eller fra lett sårbare tankskip.

Driftsprinsippet til en atomreaktor på en ubåt er klassifisert. Det er imidlertid kjent at det i USA bruker høyanriket uran, og bremses ned og avkjøles av lett vann. Utformingen av den første atomubåtreaktoren, USS Nautilus, var sterkt påvirket av kraftige forskningsanlegg. Dens unike funksjoner er en veldig stor reaktivitetsreserve, som sikrer en lang driftsperiode uten å fylle drivstoff og muligheten til å starte på nytt etter et stopp. Kraftverket i ubåter må være svært stillegående for å unngå oppdagelse. For å møte de spesifikke behovene til forskjellige klasser av ubåter, ble det laget forskjellige modeller av kraftverk.

US Navy hangarskip bruker en atomreaktor, hvis driftsprinsipp antas å være lånt fra de største ubåtene. Detaljer om designet deres er heller ikke publisert.

I tillegg til USA har Storbritannia, Frankrike, Russland, Kina og India atomubåter. I hvert tilfelle ble designet ikke avslørt, men det antas at de alle er veldig like - dette er en konsekvens av de samme kravene til deres tekniske egenskaper. Russland har også en liten flåte som bruker de samme reaktorene som sovjetiske ubåter.

Industrielle installasjoner

For produksjonsformål brukes en atomreaktor, hvis driftsprinsipp er høy produktivitet med lavt nivå av energiproduksjon. Dette skyldes det faktum at et langt opphold av plutonium i kjernen fører til akkumulering av uønsket 240 Pu.

Tritium produksjon

For øyeblikket er hovedmaterialet som produseres av slike systemer tritium (3H eller T) - ladningen for Plutonium-239 har en lang halveringstid på 24 100 år, så land med atomvåpenarsenaler som bruker dette elementet har en tendens til å ha det er mer av det enn nødvendig. I motsetning til 239 Pu har tritium en halveringstid på omtrent 12 år. For å opprettholde de nødvendige forsyningene må denne radioaktive isotopen av hydrogen derfor produseres kontinuerlig. I USA driver Savannah River (South Carolina), for eksempel, flere tungtvannsreaktorer som produserer tritium.

Flytende kraftenheter

Det er laget atomreaktorer som kan gi elektrisitet og dampoppvarming til avsidesliggende isolerte områder. I Russland, for eksempel, har små kraftverk spesielt designet for å betjene arktiske bosetninger funnet bruk. I Kina leverer 10 MW HTR-10 varme og kraft til forskningsinstituttet der den er lokalisert. Utvikling av små automatisk styrte reaktorer med tilsvarende kapasitet er i gang i Sverige og Canada. Mellom 1960 og 1972 brukte den amerikanske hæren kompakte vannreaktorer for å drive fjernbaser på Grønland og Antarktis. De ble erstattet av oljefyrte kraftverk.

Erobring av verdensrommet

I tillegg ble det utviklet reaktorer for strømforsyning og bevegelse i verdensrommet. Mellom 1967 og 1988 installerte Sovjetunionen små kjernefysiske enheter på sine satellitter i Cosmos-serien for å drive utstyr og telemetri, men politikken ble et mål for kritikk. Minst én av disse satellittene kom inn i jordens atmosfære og forårsaket radioaktiv forurensning i avsidesliggende områder av Canada. USA har bare skutt opp én atomdrevet satellitt, i 1965. Imidlertid fortsetter det å utvikles prosjekter for deres bruk i langdistanse romflyvninger, bemannet utforskning av andre planeter eller på en permanent månebase. Dette vil nødvendigvis være en gasskjølt eller flytende metall atomreaktor, hvis fysiske prinsipper vil gi høyest mulig temperatur som er nødvendig for å minimere størrelsen på radiatoren. I tillegg må en reaktor for romteknologi være så kompakt som mulig for å minimere mengden materiale som brukes til skjerming og for å redusere vekten under oppskyting og romfart. Drivstofftilførselen vil sikre driften av reaktoren for hele perioden av romflukten.

I. Design av en atomreaktor

En atomreaktor består av følgende fem hovedelementer:

1) kjernebrensel;

2) nøytronmoderator;

3) reguleringssystemer;

4) kjølesystemer;

5) beskyttelsesskjerm.

1. Kjernebrensel.

Kjernebrensel er en energikilde. Det er for tiden tre kjente typer fissile materialer:

a) uran 235, som utgjør 0,7 %, eller 1/140 av naturlig uran;

6) plutonium 239, som dannes i noen reaktorer basert på uran 238, som utgjør nesten hele massen av naturlig uran (99,3 %, eller 139/140 deler).

Ved å fange nøytroner blir uran 238 kjerner til neptuniumkjerner - det 93. elementet i Mendeleevs periodiske system; sistnevnte blir på sin side til plutoniumkjerner - det 94. elementet i det periodiske systemet. Plutonium utvinnes enkelt fra bestrålt uran med kjemiske midler og kan brukes som kjernebrensel;

c) uran 233, som er en kunstig isotop av uran hentet fra thorium.

I motsetning til uran 235, som finnes i naturlig uran, oppnås plutonium 239 og uran 233 kun kunstig. Det er derfor de kalles sekundært kjernebrensel; Kilden til slikt drivstoff er uran 238 og thorium 232.

Blant alle typer kjernebrensel som er oppført ovenfor, er uran den viktigste. Dette forklarer det enorme omfanget søk og leting etter uranforekomster tar i alle land.

Energien som frigjøres i en atomreaktor blir noen ganger sammenlignet med den som frigjøres under en kjemisk forbrenningsreaksjon. Det er imidlertid en grunnleggende forskjell mellom dem.

Mengden varme som oppnås under fisjon av uran er umåtelig større enn mengden varme som oppnås ved forbrenning av for eksempel kull: 1 kg uran 235, lik volum til en sigarettpakke, kan teoretisk gi like mye energi som 2600 tonn kull.

Disse energimulighetene utnyttes imidlertid ikke fullt ut, siden ikke alt uran 235 kan skilles fra naturlig uran. Som et resultat tilsvarer 1 kg uran, avhengig av graden av anrikning med uran 235, i dag omtrent 10 tonn kull. Men det bør tas i betraktning at bruken av kjernebrensel letter transporten og derfor reduserer kostnadene for drivstoff betydelig. Britiske eksperter har beregnet at ved å anrike uran vil de kunne øke varmen som produseres i reaktorer med 10 ganger, noe som vil tilsvare 1 tonn uran til 100 tusen tonn kull.

Den andre forskjellen mellom prosessen med kjernefysisk fisjon, som skjer med frigjøring av varme, og kjemisk forbrenning er at forbrenningsreaksjonen krever oksygen, mens for å starte en kjedereaksjon kreves det bare noen få nøytroner og en viss masse kjernebrensel, likt til den kritiske massen, som vi definerer allerede gitt i avsnittet om atombomben.

Og til slutt, den usynlige prosessen med kjernefysisk fisjon er ledsaget av utslipp av ekstremt skadelig stråling, som beskyttelse må gis fra.

2. Nøytronmoderator.

For å unngå spredning av fisjonsprodukter i reaktoren, må kjernebrensel plasseres i spesielle granater. For å lage slike skall kan du bruke aluminium (kjølevæsketemperaturen bør ikke overstige 200 °), eller enda bedre, beryllium eller zirkonium - nye metaller, hvis produksjon i sin rene form er full av store vanskeligheter.

Nøytronene som produseres under kjernefysisk fisjon (i gjennomsnitt 2–3 nøytroner under fisjon av en kjerne av et tungt grunnstoff) har en viss energi. For at sannsynligheten for at nøytroner skal splitte andre kjerner skal være størst, uten hvilke reaksjonen ikke vil være selvopprettholdende, er det nødvendig at disse nøytronene mister en del av hastigheten. Dette oppnås ved å plassere en moderator i reaktoren, der raske nøytroner omdannes til langsomme som følge av flere påfølgende kollisjoner. Siden stoffet som brukes som moderator må ha kjerner med en masse omtrent lik massen av nøytroner, det vil si kjernene til lette grunnstoffer, ble tungtvann brukt som moderator helt fra begynnelsen (D 2 0, hvor D er deuterium , som erstattet lett hydrogen i vanlig vann N 2 0). Men nå prøver de å bruke grafitt mer og mer - det er billigere og gir nesten samme effekt.

Et tonn tungtvann kjøpt i Sverige koster 70–80 millioner franc. På Geneve-konferansen om fredelig bruk av atomenergi annonserte amerikanerne at de snart ville kunne selge tungtvann til en pris på 22 millioner franc per tonn.

Et tonn grafitt koster 400 tusen franc, og et tonn berylliumoksid koster 20 millioner franc.

Stoffet som brukes som moderator må være rent for å unngå tap av nøytroner når de passerer gjennom moderatoren. Ved slutten av løpeturen har nøytronene en gjennomsnittshastighet på ca. 2200 m/sek, mens starthastigheten deres var ca. 20 tusen km/sek. I reaktorer skjer frigjøringen av varme gradvis og kan kontrolleres, i motsetning til en atombombe, hvor den oppstår øyeblikkelig og får karakter av en eksplosjon.

Noen typer hurtigreaktorer krever ikke moderator.

3. Reguleringssystem.

En person skal være i stand til å forårsake, regulere og stoppe en kjernefysisk reaksjon etter eget ønske. Dette oppnås ved hjelp av kontrollstaver laget av borstål eller kadmium - materialer som har evnen til å absorbere nøytroner. Avhengig av dybden som kontrollstavene senkes ned i reaktoren, øker eller reduseres antallet nøytroner i kjernen, noe som til slutt gjør det mulig å regulere prosessen. Kontrollstengene styres automatisk ved hjelp av servomekanismer; Noen av disse stengene kan umiddelbart falle ned i kjernen i tilfelle fare.

Først var det bekymring for at en reaktoreksplosjon ville forårsake samme skade som en atombombe. For å bevise at en reaktoreksplosjon bare skjer under andre forhold enn normale og ikke utgjør en alvorlig fare for befolkningen som bor i nærheten av atomanlegget, sprengte amerikanerne bevisst en såkalt «kokende» reaktor. Det var faktisk en eksplosjon som vi kan karakterisere som «klassisk», det vil si ikke-kjernefysisk; dette beviser nok en gang at atomreaktorer kan bygges nær befolkede områder uten noen særlig fare for sistnevnte.

4. Kjølesystem.

Under kjernefysisk fisjon frigjøres en viss energi, som overføres til nedbrytningsproduktene og de resulterende nøytronene. Denne energien, som et resultat av tallrike kollisjoner av nøytroner, omdannes til termisk energi, derfor må varme fjernes for å forhindre rask svikt i reaktoren. I reaktorer designet for å produsere radioaktive isotoper brukes ikke denne varmen, men i reaktorer designet for å produsere energi blir den tvert imot hovedproduktet. Avkjøling kan utføres ved bruk av gass eller vann, som sirkulerer i reaktoren under trykk gjennom spesielle rør og deretter avkjøles i en varmeveksler. Varmen som frigjøres kan brukes til å varme opp dampen som roterer en turbin koblet til generatoren; en slik enhet ville være et atomkraftverk.

5. Beskyttelsesskjerm.

For å unngå de skadelige effektene av nøytroner som kan fly utenfor reaktoren, og for å beskytte deg mot gammastrålingen som sendes ut under reaksjonen, er pålitelig beskyttelse nødvendig. Forskere har beregnet at en reaktor med en effekt på 100 tusen kW sender ut en slik mengde radioaktiv stråling at en person som befinner seg i en avstand på 100 m fra den, vil motta den på 2 minutter. dødelig dose. For å sikre beskyttelse av personell som betjener reaktoren, bygges to meter lange vegger av spesialbetong med blyplater.

Den første reaktoren ble bygget i desember 1942 av italieneren Fermi. Ved slutten av 1955 var det rundt 50 atomreaktorer i verden (USA - 2 1, England - 4, Canada - 2, Frankrike - 2). Det skal legges til at ved begynnelsen av 1956 ble rundt 50 flere reaktorer designet for forsknings- og industrielle formål (USA - 23, Frankrike - 4, England - 3, Canada - 1).

Typene av disse reaktorene er svært forskjellige, alt fra langsomme nøytronreaktorer med grafittmoderatorer og naturlig uran som brensel til raske nøytronreaktorer som bruker uran anriket med plutonium eller uran 233, produsert kunstig fra thorium, som brensel.

I tillegg til disse to motsatte typene, er det en hel rekke reaktorer som skiller seg fra hverandre enten i sammensetningen av kjernebrenselet, eller i typen moderator, eller i kjølevæsken.

Det er veldig viktig å merke seg at selv om den teoretiske siden av saken nå er godt studert av spesialister i alle land, har forskjellige land på det praktiske feltet ennå ikke nådd samme nivå. USA og Russland ligger foran andre land. Det kan hevdes at fremtiden til kjernekraft i hovedsak vil avhenge av teknologiens fremgang.

Fra boken The Wonderful World Inside the Atomic Nucleus [forelesning for skolebarn] forfatter Ivanov Igor Pierovich

Strukturen til LHC-kollideren Nå noen få bilder. En kolliderer er en akselerator for kolliderende partikler. Der akselererer partikler langs to ringer og kolliderer med hverandre. Dette er den største eksperimentelle installasjonen i verden, fordi lengden på denne ringen - tunnelen -

Fra boken The Newest Book of Facts. Bind 3 [Fysikk, kjemi og teknologi. Historie og arkeologi. Diverse] forfatter Kondrashov Anatoly Pavlovich

Fra boken The Atomic Problem av Ran Philip

Fra bok 5b. Elektrisitet og magnetisme forfatter Feynman Richard Phillips

Fra forfatterens bok

Kapittel VIII Prinsipp for drift og kapasitet til en atomreaktor I. Design av en atomreaktor En atomreaktor består av følgende fem hovedelementer: 1) kjernebrensel; 2) nøytronmoderator; 3) kontrollsystem; 4) kjølesystem; 5 ) beskyttende

Fra forfatterens bok

Kapittel 11 INTERN STRUKTUR AV DIELEKTRIKA §1. Molekylære dipoler§2. Elektronisk polarisering §3. Polare molekyler; orienteringspolarisering§4. Elektriske felt i dielektriske hulrom§5. Dielektrisk konstant for væsker; Clausius-Mossotti formel§6.

Denne ubeskrivelige grå sylinderen er nøkkelleddet i den russiske atomindustrien. Det ser ikke veldig presentabelt ut, selvfølgelig, men når du først forstår formålet og ser på de tekniske egenskapene, begynner du å forstå hvorfor hemmeligheten bak dens opprettelse og design er beskyttet av staten som øyets eple.

Ja, jeg glemte å introdusere: her er en gassentrifuge for å separere uranisotoper VT-3F (n. generasjon). Driftsprinsippet er elementært, som en melkeseparator; det tunge skilles fra lyset ved påvirkning av sentrifugalkraft. Så hva er betydningen og unikheten?

Først, la oss svare på et annet spørsmål - generelt, hvorfor skille uran?

Naturlig uran, som ligger rett i bakken, er en cocktail av to isotoper: uran-238 Og uran-235(og 0,0054 % U-234).
Uran-238, det er bare tungt, grått metall. Du kan bruke den til å lage et artilleriskall, eller... en nøkkelring. Her er hva du kan gjøre fra uran-235? Vel, for det første en atombombe, og for det andre drivstoff til atomkraftverk. Og her kommer vi til nøkkelspørsmålet - hvordan skille disse to, nesten identiske atomene, fra hverandre? Nei, egentlig HVORDAN?!

Forresten: Radiusen til kjernen til et uranatom er 1,5 10 -8 cm.

For at uranatomer skal drives inn i den teknologiske kjeden, må det (uran) omdannes til gassform. Det er ingen vits i å koke, det er nok å kombinere uran med fluor og få uranheksafluorid HFC. Teknologien for produksjonen er ikke veldig komplisert og dyr, og derfor HFC de får det akkurat der dette uranet er utvunnet. UF6 er den eneste svært flyktige uranforbindelsen (når den varmes opp til 53 °C, transformeres heksafluoridet (bildet) direkte fra fast til gassform). Deretter pumpes den over i spesielle beholdere og sendes til anrikning.

Litt historie

Helt i begynnelsen av atomkappløpet mestret de største vitenskapelige sinnene i både USSR og USA ideen om diffusjonsseparasjon - å føre uran gjennom en sil. Liten 235 isotopen vil slippe gjennom, og "fettet" 238 vil sette seg fast. Dessuten var det ikke den vanskeligste oppgaven å lage en sil med nanohull for sovjetisk industri i 1946.

Fra rapporten til Isaac Konstantinovich Kikoin ved det vitenskapelige og tekniske rådet under Council of People's Commissars (presentert i en samling av klassifisert materiale om USSR-atomprosjektet (Ed. Ryabev)): Foreløpig har vi lært å lage masker med hull på ca 5/1000 mm, dvs. 50 ganger større enn den frie banen til molekyler ved atmosfærisk trykk. Følgelig må gasstrykket som separasjonen av isotoper på slike nett vil finne sted være mindre enn 1/50 av atmosfæretrykket. I praksis antar vi å arbeide ved et trykk på ca 0,01 atmosfærer, dvs. under gode vakuumforhold. Beregninger viser at for å oppnå et produkt beriket til en konsentrasjon på 90 % med en lett isotop (denne konsentrasjonen er tilstrekkelig til å produsere et eksplosiv), er det nødvendig å kombinere rundt 2000 slike stadier i en kaskade. I maskinen vi designer og delvis produserer, forventes den å produsere 75-100 g uran-235 per dag. Installasjonen vil bestå av omtrent 80-100 "kolonner", som hver vil ha 20-25 trinn installert.

Nedenfor er et dokument - Berias rapport til Stalin om forberedelsene til den første atombombeeksplosjonen. Nedenfor er en kort informasjon om kjernefysiske materialer produsert ved begynnelsen av sommeren 1949.

Og forestill deg nå - 2000 heftige installasjoner, for bare 100 grams skyld! Vel, hva skal vi gjøre med det, vi trenger bomber. Og de begynte å bygge fabrikker, og ikke bare fabrikker, men hele byer. Og ok, bare byene, disse diffusjonsanleggene krevde så mye strøm at de måtte bygge separate kraftverk i nærheten.

I USSR ble første trinn D-1 av anlegg nr. 813 designet for en total produksjon på 140 gram 92-93% uran-235 per dag ved 2 kaskader av 3100 separasjonstrinn som er identiske i kraft. Et uferdig flyanlegg i landsbyen Verkh-Neyvinsk, 60 km fra Sverdlovsk, ble tildelt produksjon. Senere ble det Sverdlovsk-44, og anlegg 813 (bildet) til Ural elektrokjemiske anlegg - verdens største separasjonsanlegg.

Og selv om teknologien for diffusjonsseparasjon, om enn med store teknologiske vanskeligheter, ble feilsøkt, forlot ikke ideen om å utvikle en mer økonomisk sentrifugeprosess agendaen. Tross alt, hvis vi klarer å lage en sentrifuge, vil energiforbruket reduseres fra 20 til 50 ganger!

Hvordan fungerer en sentrifuge?

Strukturen er mer enn elementær og ser ut som en gammel vaskemaskin som kjører i "sentrifugering/tørr"-modus. Den roterende rotoren er plassert i et forseglet hus. Det tilføres gass til denne rotoren (UF6). På grunn av sentrifugalkraften, hundretusenvis av ganger større enn jordens gravitasjonsfelt, begynner gassen å skille seg i «tunge» og «lette» fraksjoner. Lette og tunge molekyler begynner å gruppere seg i forskjellige soner av rotoren, men ikke i midten og langs omkretsen, men på toppen og bunnen.

Dette skjer på grunn av konveksjonsstrømmer - rotordekslet varmes opp og det oppstår en motstrøm av gass. Det er to små inntaksrør installert på toppen og bunnen av sylinderen. En mager blanding kommer inn i det nedre røret, og en blanding med høyere konsentrasjon av atomer kommer inn i det øvre røret. 235U. Denne blandingen går inn i neste sentrifuge, og så videre, til konsentrasjonen 235 uran vil ikke nå ønsket verdi. En kjede av sentrifuger kalles en kaskade.

Tekniske funksjoner.

Vel, for det første, rotasjonshastigheten - i den moderne generasjonen sentrifuger når den 2000 rps (jeg vet ikke engang hva jeg skal sammenligne den med ... 10 ganger raskere enn turbinen i en flymotor)! Og det har fungert uavbrutt i TRE TIDER! De. Nå roterer sentrifuger, slått på under Bresjnev, i kaskader! USSR eksisterer ikke lenger, men de fortsetter å snurre og snurre. Det er ikke vanskelig å beregne at rotoren under sin arbeidssyklus gjør 2.000.000.000.000 (to billioner) omdreininger. Og hvilken peiling vil tåle dette? Ja, ingen! Det er ingen peilinger der.

Selve rotoren er en vanlig topp, nederst har den en sterk nål som hviler på et korundlager, og den øvre enden henger i et vakuum, holdt av et elektromagnetisk felt. Nålen er heller ikke enkel, laget av vanlig tråd for pianostrenger, den er herdet på en veldig snedig måte (som GT). Det er ikke vanskelig å forestille seg at med en så frenetisk rotasjonshastighet, må selve sentrifugen ikke bare være holdbar, men ekstremt holdbar.

Akademiker Joseph Friedlander husker: «De kunne ha skutt meg tre ganger. En gang, da vi allerede hadde mottatt Leninprisen, skjedde det en stor ulykke, lokket på sentrifugen fløy av. Bitene spredte seg og ødela andre sentrifuger. En radioaktiv sky steg opp. Vi måtte stoppe hele linjen – en kilometer med installasjoner! Ved Sredmash kommanderte general Zverev sentrifugene; før atomprosjektet jobbet han i Berias avdeling. Generalen på møtet sa: «Situasjonen er kritisk. Landets forsvar er i fare. Hvis vi ikke raskt retter opp situasjonen, vil '37 gjenta for deg.» Og avsluttet møtet umiddelbart. Vi kom da opp med en helt ny teknologi med en helt isotrop ensartet struktur på lokkene, men det var nødvendig med svært komplekse installasjoner. Siden den gang har denne typen lokk blitt produsert. Det var ikke flere problemer. I Russland er det 3 anrikningsanlegg, mange hundre tusen sentrifuger.»
På bildet: tester av den første generasjonen sentrifuger

Rotorhusene ble også i utgangspunktet laget av metall, inntil de ble erstattet av... karbonfiber. Lett og svært strekkfast, det er et ideelt materiale for en roterende sylinder.

Generaldirektør for UEIP (2009-2012) Alexander Kurkin husker: «Det begynte å bli latterlig. Da de testet og sjekket en ny, mer "ressurssterk" generasjon sentrifuger, ventet ikke en av de ansatte på at rotoren skulle stoppe helt, koblet den fra kaskaden og bestemte seg for å bære den for hånd til standen. Men i stedet for å bevege seg fremover, uansett hvordan han gjorde motstand, omfavnet han denne sylinderen og begynte å bevege seg bakover. Så vi så med egne øyne at jorden roterer, og gyroskopet er en stor kraft."

Hvem oppfant det?

Å, det er et mysterium, pakket inn i mystikk og innhyllet i spenning. Her finner du fangede tyske fysikere, CIA, SMERSH-offiserer og til og med den nedstyrte spionpiloten Powers. Generelt ble prinsippet for en gassentrifuge beskrevet på slutten av 1800-tallet.

Selv ved begynnelsen av Atomic Project foreslo Viktor Sergeev, en ingeniør ved Special Design Bureau of Kirov-anlegget, en sentrifugeseparasjonsmetode, men først godkjente ikke kollegene hans ideen. Parallelt kjempet forskere fra det beseirede Tyskland med å lage en separasjonssentrifuge ved et spesielt forskningsinstitutt-5 i Sukhumi: Dr. Max Steenbeck, som jobbet som en ledende Siemens-ingeniør under Hitler, og tidligere Luftwaffe-mekaniker, utdannet ved Universitetet i Wien, Gernot Zippe. Totalt inkluderte gruppen rundt 300 "eksporterte" fysikere.

Alexey Kaliteevsky, generaldirektør for Centrotech-SPb CJSC, Rosatom State Corporation, husker: «Våre eksperter kom til den konklusjon at den tyske sentrifugen er absolutt uegnet for industriell produksjon. Steenbecks apparat hadde ikke et system for å overføre det delvis anrikede produktet til neste trinn. Det ble foreslått å avkjøle endene av lokket og fryse gassen, og deretter tine den, samle den og sette den i neste sentrifuge. Det vil si at ordningen er ute av drift. Prosjektet hadde imidlertid flere svært interessante og uvanlige tekniske løsninger. Disse "interessante og uvanlige løsningene" ble kombinert med resultatene oppnådd av sovjetiske forskere, spesielt med forslagene til Viktor Sergeev. Relativt sett er vår kompakte sentrifuge en tredjedel frukten av tysk tanke, og to tredjedeler sovjetisk.» Forresten, da Sergeev kom til Abkhasia og uttrykte sine tanker om valget av uran til samme Steenbeck og Zippe, avfeide Steenbeck og Zippe dem som urealiserbare.

Så hva fant Sergeev på?

Og Sergeevs forslag var å lage gasselektorer i form av pitotrør. Men Dr. Steenbeck, som, som han trodde, hadde spist tennene sine på dette emnet, var kategorisk: "De vil bremse strømmen, forårsake turbulens, og det vil ikke være noen separasjon!" Mange år senere, mens han arbeidet med memoarene sine, ville han angre: «En idé det er verdt å komme fra oss! Men det har aldri falt meg inn..."

Senere, en gang utenfor USSR, jobbet ikke Steenbeck lenger med sentrifuger. Men før avreise til Tyskland, hadde Geront Zippe muligheten til å bli kjent med en prototype av Sergeevs sentrifuge og det genialt enkle prinsippet for driften. En gang i Vesten patenterte «den utspekulerte Zippe», som han ofte ble kalt, sentrifugedesignet under sitt eget navn (patent nr. 1071597 av 1957, erklært i 13 land). I 1957, etter å ha flyttet til USA, bygde Zippe en fungerende installasjon der, og reproduserte Sergeevs prototype fra minnet. Og han kalte det, la oss hylle, "russisk sentrifuge" (bildet).

Russisk ingeniørkunst har forresten vist seg i mange andre saker. Et eksempel er en enkel nødstengeventil. Det er ingen sensorer, detektorer eller elektroniske kretser. Det er bare en samovarkran, som berører kaskaderammen med kronbladet. Hvis noe går galt og sentrifugen endrer posisjon i rommet, snur den ganske enkelt og lukker innløpsledningen. Det er som vitsen om en amerikansk penn og en russisk blyant i verdensrommet.

Dagene våre

Denne uken deltok forfatteren av disse linjene på en betydelig begivenhet - nedleggelsen av det russiske kontoret til US Department of Energy-observatører under en kontrakt HEU-LEU. Denne avtalen (høyt anriket uran - lavt anriket uran) var, og er fortsatt, den største avtalen innen atomenergi mellom Russland og Amerika. I henhold til vilkårene i kontrakten behandlet russiske kjernefysikere 500 tonn av vårt våpenkvalitetsuran (90 %) til drivstoff (4 %) HFC-er for amerikanske atomkraftverk. Inntektene for 1993-2009 utgjorde 8,8 milliarder amerikanske dollar. Dette var det logiske resultatet av det teknologiske gjennombruddet til våre atomforskere innen isotopseparasjon gjort i etterkrigsårene.
På bildet: kaskader av gassentrifuger i et av UEIP-verkstedene. Det er rundt 100 000 av dem her.

Takket være sentrifuger har vi fått tak i tusenvis av tonn relativt billige, både militære og kommersielle produkter. Atomindustrien er en av de få gjenværende (militær luftfart, romfart) hvor Russland har ubestridt forrang. Utenlandske bestillinger alene i ti år i forveien (fra 2013 til 2022), Rosatoms portefølje ekskludert kontrakten HEU-LEU er 69,3 milliarder dollar. I 2011 passerte den 50 milliarder...
Bildet viser et lager av containere med HFC ved UEIP.

Den 28. september 1942 ble vedtak fra Statens forsvarskomité nr. 2352ss "Om organiseringen av arbeidet med uran" vedtatt. Denne datoen regnes som den offisielle begynnelsen på historien til den russiske atomindustrien.

En fisjonskjedereaksjon er alltid ledsaget av frigjøring av enorm energi. Den praktiske bruken av denne energien er hovedoppgaven til en atomreaktor.

En kjernefysisk reaktor er en enhet der en kontrollert, eller kontrollert, kjernefysisk fisjonsreaksjon oppstår.

Basert på operasjonsprinsippet er kjernefysiske reaktorer delt inn i to grupper: termiske nøytronreaktorer og raske nøytronreaktorer.

Hvordan fungerer en termisk nøytronreaktor?

En typisk atomreaktor har:

  • Kjerne og moderator;
  • nøytronreflektor;
  • Kjølevæske;
  • Kjedereaksjon kontrollsystem; nødbeskyttelse;
  • Kontroll- og strålebeskyttelsessystem;
  • Fjernkontrollsystem.

1 - aktiv sone; 2 - reflektor; 3 - beskyttelse; 4 - kontrollstenger; 5 - kjølevæske; 6 - pumper; 7 - varmeveksler; 8 - turbin; 9 - generator; 10 - kondensator.

Kjerne og moderator

Det er i kjernen at en kontrollert fisjonskjedereaksjon oppstår.

De fleste atomreaktorer opererer på tunge isotoper av uran-235. Men i naturlige prøver av uranmalm er innholdet bare 0,72 %. Denne konsentrasjonen er ikke nok til at en kjedereaksjon kan utvikle seg. Derfor er malmen kunstig anriket, noe som bringer innholdet av denne isotopen til 3%.

Spaltbart materiale, eller kjernebrensel, i form av tabletter, legges i hermetisk forseglede stenger, som kalles brenselsstaver (brenselelementer). De gjennomsyrer hele den aktive sonen fylt med moderator nøytroner.

Hvorfor trengs en nøytronmoderator i en atomreaktor?

Faktum er at nøytronene født etter forfallet av uran-235 kjerner har en veldig høy hastighet. Sannsynligheten for fangst av andre urankjerner er hundrevis av ganger mindre enn sannsynligheten for fangst av langsomme nøytroner. Og hvis hastigheten deres ikke reduseres, kan atomreaksjonen dø ut over tid. Moderatoren løser problemet med å redusere hastigheten til nøytroner. Hvis vann eller grafitt plasseres i banen til raske nøytroner, kan hastigheten deres kunstig reduseres og dermed antall partikler som fanges opp av atomer kan økes. Samtidig vil en kjedereaksjon i reaktoren kreve mindre kjernebrensel.

Som et resultat av nedbremsingsprosessen, termiske nøytroner, hvis hastighet er nesten lik hastigheten på termisk bevegelse av gassmolekyler ved romtemperatur.

Vann, tungtvann (deuteriumoksid D 2 O), beryllium og grafitt brukes som moderator i atomreaktorer. Men den beste moderatoren er tungtvann D2O.

Nøytronreflektor

For å unngå nøytronlekkasje til miljøet er kjernen i en atomreaktor omgitt av nøytronreflektor. Materialet som brukes til reflekser er ofte det samme som i moderatorer.

Kjølevæske

Varmen som frigjøres under en kjernefysisk reaksjon fjernes ved hjelp av et kjølemiddel. Vanlig naturlig vann, tidligere renset fra ulike urenheter og gasser, brukes ofte som kjølevæske i atomreaktorer. Men siden vann koker allerede ved en temperatur på 100 0 C og et trykk på 1 atm, for å øke kokepunktet, økes trykket i den primære kjølevæskekretsen. Primærkretsvannet som sirkulerer gjennom reaktorkjernen, vasker brenselstavene, og varmes opp til en temperatur på 320 0 C. Deretter, inne i varmeveksleren, avgir det varme til sekundærkretsvannet. Utvekslingen skjer gjennom varmevekslerrør, så det er ingen kontakt med sekundærkretsvannet. Dette forhindrer at radioaktive stoffer kommer inn i varmevekslerens andre krets.

Og så skjer alt som på et termisk kraftverk. Vann i den andre kretsen blir til damp. Dampen roterer en turbin, som driver en elektrisk generator, som produserer elektrisk strøm.

I tungtvannsreaktorer er kjølevæsken tungtvann D2O, og i reaktorer med flytende metallkjølevæsker er det smeltet metall.

Kjedereaksjonskontrollsystem

Den nåværende tilstanden til reaktoren er preget av en mengde kalt reaktivitet.

ρ = ( k -1)/ k ,

k = n i / n i -1 ,

Hvor k - nøytronmultiplikasjonsfaktor,

n i - antall nøytroner av neste generasjon i kjernefysisjonsreaksjonen,

n i -1 , - antall nøytroner fra forrige generasjon i samme reaksjon.

Hvis k˃ 1 , kjedereaksjonen vokser, kalles systemet superkritisk y. Hvis k< 1 , dør kjedereaksjonen ut, og systemet kalles subkritisk. På k = 1 reaktoren er inne stabil kritisk tilstand, siden antall spaltbare kjerner ikke endres. I denne tilstanden reaktivitet ρ = 0 .

Den kritiske tilstanden til reaktoren (den nødvendige nøytronmultiplikasjonsfaktoren i en atomreaktor) opprettholdes ved å flytte kontrollstenger. Materialet de er laget av inkluderer nøytronabsorberende stoffer. Ved å forlenge eller skyve disse stavene inn i kjernen, kontrolleres hastigheten på kjernefisjonsreaksjonen.

Kontrollsystemet gir kontroll over reaktoren under oppstart, planlagt nedstenging, drift ved strøm, samt nødbeskyttelse av atomreaktoren. Dette oppnås ved å endre posisjonen til kontrollstengene.

Hvis noen av reaktorparametrene (temperatur, trykk, kraftøkningshastighet, drivstofforbruk osv.) avviker fra normen, og dette kan føre til en ulykke, vil spesielle nødstenger og kjernefysisk reaksjon stopper raskt.

Sørg for at reaktorparametrene er i samsvar med standardene kontroll- og strålevernsystemer.

For å beskytte miljøet mot radioaktiv stråling er reaktoren plassert i et tykt betongskall.

Fjernkontrollsystemer

Alle signaler om tilstanden til atomreaktoren (kjølevæsketemperatur, strålingsnivå i ulike deler av reaktoren osv.) sendes til reaktorens kontrollpanel og behandles i datasystemer. Operatøren mottar all nødvendig informasjon og anbefalinger for å eliminere visse avvik.

Raske reaktorer

Forskjellen mellom reaktorer av denne typen og termiske nøytronreaktorer er at raske nøytroner som oppstår etter nedbrytningen av uran-235 ikke bremses ned, men absorberes av uran-238 med dens påfølgende omdannelse til plutonium-239. Derfor brukes raske nøytronreaktorer til å produsere plutonium-239 av våpenkvalitet og termisk energi, som kjernekraftverksgeneratorer konverterer til elektrisk energi.

Kjernebrenselet i slike reaktorer er uran-238, og råstoffet er uran-235.

I naturlig uranmalm er 99,2745 % uran-238. Når et termisk nøytron absorberes, spalter det ikke, men blir en isotop av uran-239.

En tid etter β-forfall blir uran-239 til en neptunium-239 kjerne:

239 92 U → 239 93 Np + 0-1 e

Etter det andre β-forfallet dannes spaltbart plutonium-239:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

Og til slutt, etter alfa-forfallet til plutonium-239-kjernen, oppnås uran-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Drivstoffstaver med råvarer (anriket uran-235) er plassert i reaktorkjernen. Denne sonen er omgitt av en hekkesone, som består av brenselstaver med brensel (utarmet uran-238). Raske nøytroner som sendes ut fra kjernen etter forfallet av uran-235, fanges opp av uran-238-kjerner. Som et resultat dannes plutonium-239. Dermed produseres nytt kjernebrensel i raske nøytronreaktorer.

Flytende metaller eller blandinger av disse brukes som kjølemidler i raske nøytronkjernereaktorer.

Klassifisering og anvendelse av atomreaktorer

Atomreaktorer brukes hovedsakelig i kjernekraftverk. Med deres hjelp produseres elektrisk og termisk energi i industriell skala. Slike reaktorer kalles energi .

Atomreaktorer er mye brukt i fremdriftssystemene til moderne atomubåter, overflateskip og i romteknologi. De forsyner motorer med elektrisk energi og kalles transportreaktorer .

For vitenskapelig forskning innen kjernefysikk og strålingskjemi brukes flukser av nøytroner og gammakvanter, som oppnås i kjernen forskningsreaktorer. Energien som genereres av dem overstiger ikke 100 MW og brukes ikke til industrielle formål.

Makt eksperimentelle reaktorer enda mindre. Den når en verdi på bare noen få kW. Disse reaktorene studerer forskjellige fysiske størrelser, hvis betydning er viktig i utformingen av kjernefysiske reaksjoner.

TIL industrielle reaktorer omfatte reaktorer for produksjon av radioaktive isotoper som brukes til medisinske formål, samt innen ulike industri- og teknologiområder. Sjøvannsavsaltingsreaktorer er også klassifisert som industrielle reaktorer.