Rýchlosť reakcie jadrového reaktora. Jadrový reaktor, princíp činnosti, prevádzka jadrového reaktora

Výroba jadrovej energie je moderný a rýchlo sa rozvíjajúci spôsob výroby elektriny. Viete ako fungujú jadrové elektrárne? Aký je princíp fungovania jadrovej elektrárne? Aké typy jadrových reaktorov dnes existujú? Pokúsime sa podrobne zvážiť prevádzkovú schému jadrovej elektrárne, ponoriť sa do štruktúry jadrového reaktora a zistiť, aký bezpečný je jadrový spôsob výroby elektriny.

Každá stanica je uzavretá oblasť ďaleko od obytnej oblasti. Na jeho území sa nachádza niekoľko budov. Najdôležitejšou stavbou je budova reaktora, vedľa nej je turbínová miestnosť, z ktorej je reaktor riadený, a bezpečnostná budova.

Schéma je nemožná bez jadrového reaktora. Atómový (jadrový) reaktor je zariadenie jadrovej elektrárne, ktoré je určené na organizovanie reťazovej reakcie štiepenia neutrónov s povinným uvoľňovaním energie počas tohto procesu. Aký je však princíp fungovania jadrovej elektrárne?

Celá reaktorová inštalácia je umiestnená v budove reaktora, veľkej betónovej veži, ktorá ukrýva reaktor a bude obsahovať všetky produkty jadrovej reakcie v prípade havárie. Táto veľká veža sa nazýva kontajnment, hermetický plášť alebo ochranná zóna.

Hermetická zóna v nových reaktoroch má 2 hrubé betónové steny - škrupiny.
Vonkajší plášť s hrúbkou 80 cm chráni izolačnú zónu pred vonkajšími vplyvmi.

Vnútorný plášť s hrúbkou 1 meter 20 cm má špeciálne oceľové laná, ktoré zvyšujú pevnosť betónu takmer trikrát a zabraňujú rozpadnutiu konštrukcie. Z vnútornej strany je obložený tenkým plechom zo špeciálnej ocele, ktorý je navrhnutý tak, aby slúžil ako dodatočná ochrana kontajnmentu a v prípade havárie neuvoľnil obsah reaktora mimo zónu kontajnmentu.

Táto konštrukcia jadrovej elektrárne jej umožňuje vydržať pád lietadla s hmotnosťou až 200 ton, zemetrasenie s magnitúdou 8, tornádo a cunami.

Prvá zapečatená škrupina bola postavená v americkej jadrovej elektrárni Connecticut Yankee v roku 1968.

Celková výška ochranného pásma je 50-60 metrov.

Z čoho pozostáva jadrový reaktor?

Aby ste pochopili princíp fungovania jadrového reaktora, a teda princíp fungovania jadrovej elektrárne, musíte pochopiť komponenty reaktora.

  • Aktívna zóna. Toto je oblasť, kde je umiestnené jadrové palivo (palivový generátor) a moderátor. Atómy paliva (najčastejším palivom je urán) podliehajú reťazovej štiepnej reakcii. Moderátor je určený na riadenie štiepneho procesu a umožňuje požadovanú reakciu z hľadiska rýchlosti a sily.
  • Neutrónový reflektor. Reflektor obklopuje jadro. Pozostáva z rovnakého materiálu ako moderátor. V podstate ide o schránku, ktorej hlavným účelom je zabrániť neutrónom opustiť jadrovú zónu a dostať sa do prostredia.
  • Chladiaca kvapalina. Chladiaca kvapalina musí absorbovať teplo uvoľnené pri štiepení atómov paliva a odovzdať ho iným látkam. Chladivo do značnej miery určuje, ako je navrhnutá jadrová elektráreň. Najpopulárnejšou chladiacou kvapalinou je dnes voda.
    Riadiaci systém reaktora. Senzory a mechanizmy, ktoré poháňajú reaktor jadrovej elektrárne.

Palivo pre jadrové elektrárne

Na čom funguje jadrová elektráreň? Palivo pre jadrové elektrárne sú chemické prvky s rádioaktívnymi vlastnosťami. Vo všetkých jadrových elektrárňach je týmto prvkom urán.

Konštrukcia staníc naznačuje, že jadrové elektrárne pracujú na komplexnom zloženom palive, a nie na čistom chemickom prvku. A na extrakciu uránového paliva z prírodného uránu, ktorý je naložený do jadrového reaktora, je potrebné vykonať veľa manipulácií.

Obohatený urán

Urán sa skladá z dvoch izotopov, to znamená, že obsahuje jadrá s rôznou hmotnosťou. Boli pomenované podľa počtu protónov a neutrónov izotop -235 a izotop-238. Výskumníci 20. storočia začali ťažiť urán 235 z rudy, pretože... bolo ľahšie rozložiť a premeniť. Ukázalo sa, že takéhoto uránu v prírode je len 0,7 % (zvyšné percento pripadá na 238. izotop).

Čo robiť v tomto prípade? Rozhodli sa obohacovať urán. Obohacovanie uránu je proces, pri ktorom v ňom zostáva veľa potrebných izotopov 235x a málo zbytočných izotopov 238x. Úlohou obohacovačov uránu je premeniť 0,7 % na takmer 100 % urán-235.

Urán je možné obohacovať pomocou dvoch technológií: plynovej difúzie alebo plynovej odstredivky. Na ich použitie sa urán extrahovaný z rudy premieňa na plynné skupenstvo. Obohacuje sa vo forme plynu.

Uránový prášok

Obohatený plynný urán sa premieňa na pevné skupenstvo – oxid uraničitý. Tento čistý pevný urán 235 sa javí ako veľké biele kryštály, ktoré sa neskôr rozdrvia na uránový prášok.

Uránové tablety

Uránové tablety sú pevné kovové disky, dlhé niekoľko centimetrov. Na výrobu takýchto tabliet z uránového prášku sa zmieša s látkou - zmäkčovadlom, čo zlepšuje kvalitu lisovania tabliet.

Lisované puky sa pečú pri teplote 1200 stupňov Celzia viac ako jeden deň, aby tablety získali špeciálnu pevnosť a odolnosť voči vysokým teplotám. To, ako jadrová elektráreň funguje, priamo závisí od toho, ako dobre je uránové palivo stlačené a upečené.

Tablety sa pečú v molybdénových škatuliach, pretože len tento kov je schopný sa neroztopiť pri „pekelných“ teplotách nad jeden a pol tisíc stupňov. Potom sa uránové palivo pre jadrové elektrárne považuje za pripravené.

Čo sú TVEL a FA?

Jadro reaktora vyzerá ako obrovský disk alebo potrubie s otvormi v stenách (v závislosti od typu reaktora), 5-krát väčšie ako ľudské telo. Tieto otvory obsahujú uránové palivo, ktorého atómy uskutočňujú požadovanú reakciu.

Nie je možné len tak hodiť palivo do reaktora, ak nechcete spôsobiť výbuch celej stanice a nehodu s následkami pre niekoľko susedných štátov. Preto sa uránové palivo umiestňuje do palivových tyčí a potom sa zhromažďuje v palivových kazetách. Čo tieto skratky znamenajú?

  • TVEL je palivový prvok (nezamieňať s rovnakým názvom ruskej spoločnosti, ktorá ich vyrába). Ide v podstate o tenkú a dlhú zirkónovú trubicu vyrobenú zo zliatin zirkónia, do ktorej sú umiestnené uránové tablety. Práve v palivových tyčiach začnú atómy uránu medzi sebou interagovať a pri reakcii uvoľňujú teplo.

Zirkónium bolo zvolené ako materiál na výrobu palivových tyčí pre jeho žiaruvzdornosť a antikorózne vlastnosti.

Typ palivových tyčí závisí od typu a konštrukcie reaktora. Štruktúra a účel palivových tyčí sa spravidla nemení, dĺžka a šírka rúrky sa môžu líšiť.

Stroj nakladá viac ako 200 uránových peliet do jednej zirkónovej trubice. Celkovo v reaktore súčasne pracuje približne 10 miliónov uránových peliet.
FA – palivová zostava. Pracovníci JE nazývajú palivové kazety zväzky.

V podstate ide o niekoľko palivových tyčí spojených dohromady. FA je hotové jadrové palivo, na ktorom funguje jadrová elektráreň. Sú to palivové kazety, ktoré sa vkladajú do jadrového reaktora. V jednom reaktore je umiestnených cca 150 – 400 palivových kaziet.
V závislosti od reaktora, v ktorom budú palivové články pracovať, majú rôzne tvary. Niekedy sú zväzky poskladané do kubického, niekedy do valcového, niekedy do šesťuholníkového tvaru.

Jedna palivová kazeta za 4 roky prevádzky vyrobí rovnaké množstvo energie ako pri spaľovaní 670 áut uhlia, 730 nádrží na zemný plyn alebo 900 nádrží naložených naftou.
Dnes sa palivové kazety vyrábajú najmä v továrňach v Rusku, Francúzsku, USA a Japonsku.

Na dodávku paliva pre jadrové elektrárne do iných krajín sú palivové kazety utesnené v dlhých a širokých kovových rúrach, vzduch je z rúrok odčerpávaný a dodávaný špeciálnymi strojmi na palube nákladných lietadiel.

Jadrové palivo pre jadrové elektrárne váži neúmerne veľa, pretože... urán je jedným z najťažších kovov na planéte. Jeho špecifická hmotnosť je 2,5-krát väčšia ako u ocele.

Jadrová elektráreň: princíp činnosti

Aký je princíp fungovania jadrovej elektrárne? Princíp činnosti jadrových elektrární je založený na reťazovej reakcii štiepenia atómov rádioaktívnej látky - uránu. Táto reakcia prebieha v jadre jadrového reaktora.

JE DÔLEŽITÉ VEDIEŤ:

Bez toho, aby sme zachádzali do zložitosti jadrovej fyziky, princíp fungovania jadrovej elektrárne vyzerá takto:
Po spustení jadrového reaktora sa z palivových tyčí odstránia tyče absorbéra, ktoré zabraňujú reakcii uránu.

Akonáhle sú tyče odstránené, uránové neutróny začnú navzájom interagovať.

Keď sa neutróny zrazia, na atómovej úrovni dôjde k minivýbuchu, uvoľní sa energia a zrodia sa nové neutróny, začne prebiehať reťazová reakcia. Tento proces vytvára teplo.

Teplo sa prenáša do chladiacej kvapaliny. V závislosti od typu chladiacej kvapaliny sa mení na paru alebo plyn, ktoré roztáčajú turbínu.

Turbína poháňa elektrický generátor. Je to on, kto v skutočnosti vytvára elektrický prúd.

Ak proces nemonitorujete, uránové neutróny sa môžu navzájom zrážať, až kým nevybuchnú reaktor a rozdrvia celú jadrovú elektráreň na kúsky. Proces je riadený počítačovými senzormi. Detekujú zvýšenie teploty alebo zmenu tlaku v reaktore a dokážu automaticky zastaviť reakcie.

Ako sa princíp fungovania jadrových elektrární líši od tepelných elektrární (tepelných elektrární)?

Rozdiely v práci sú len v prvých fázach. V jadrovej elektrárni získava chladivo teplo štiepením atómov uránového paliva, v tepelnej elektrárni získava chladivo teplo spaľovaním organického paliva (uhlia, plynu alebo ropy). Potom, čo atómy uránu alebo plyn a uhlie uvoľnili teplo, sú prevádzkové schémy jadrových elektrární a tepelných elektrární rovnaké.

Typy jadrových reaktorov

Fungovanie jadrovej elektrárne závisí od toho, ako presne funguje jej jadrový reaktor. Dnes existujú dva hlavné typy reaktorov, ktoré sú klasifikované podľa spektra neurónov:
Pomalý neutrónový reaktor, nazývaný aj tepelný reaktor.

Na jeho prevádzku sa používa urán 235, ktorý prechádza fázami obohacovania, tvorby uránových peliet atď. Dnes drvivá väčšina reaktorov využíva pomalé neutróny.
Rýchly neutrónový reaktor.

Tieto reaktory sú budúcnosťou, pretože... Pracujú na uráne-238, čo je v prírode tucet a nie je potrebné tento prvok obohacovať. Jedinou nevýhodou takýchto reaktorov sú veľmi vysoké náklady na dizajn, konštrukciu a spustenie. Rýchle neutrónové reaktory dnes fungujú len v Rusku.

Chladivom v reaktoroch s rýchlymi neutrónmi je ortuť, plyn, sodík alebo olovo.

Pomalé neutrónové reaktory, ktoré dnes využívajú všetky jadrové elektrárne na svete, sú tiež vo viacerých typoch.

Organizácia IAEA (International Atomic Energy Agency) vytvorila vlastnú klasifikáciu, ktorá sa najčastejšie používa v globálnom odvetví jadrovej energetiky. Keďže princíp fungovania jadrovej elektrárne do značnej miery závisí od výberu chladiva a moderátora, MAAE založila svoju klasifikáciu na týchto rozdieloch.


Z chemického hľadiska je oxid deutériový ideálny moderátor a chladivo, pretože jeho atómy najúčinnejšie interagujú s neutrónmi uránu v porovnaní s inými látkami. Jednoducho povedané, ťažká voda plní svoju úlohu s minimálnymi stratami a maximálnymi výsledkami. Jeho výroba však stojí peniaze, zatiaľ čo obyčajná „ľahká“ a známa voda sa používa oveľa jednoduchšie.

Pár faktov o jadrových reaktoroch...

Je zaujímavé, že výstavba jedného reaktora jadrovej elektrárne trvá najmenej 3 roky!
Na stavbu reaktora potrebujete zariadenie, ktoré pracuje s elektrickým prúdom 210 kiloampérov, čo je miliónkrát viac ako prúd, ktorý dokáže zabiť človeka.

Jeden plášť (konštrukčný prvok) jadrového reaktora váži 150 ton. V jednom reaktore je 6 takýchto prvkov.

Tlakovodný reaktor

Ako funguje jadrová elektráreň vo všeobecnosti sme už zistili, aby sme všetko uviedli na pravú mieru, pozrime sa, ako funguje najpopulárnejší tlakovodný jadrový reaktor.
Na celom svete sa dnes používajú tlakovodné reaktory generácie 3+. Sú považované za najspoľahlivejšie a najbezpečnejšie.

Všetky tlakovodné reaktory na svete za všetky roky svojej prevádzky nazbierali už viac ako 1000 rokov bezproblémovej prevádzky a nikdy nezaznamenali vážne odchýlky.

Zo štruktúry jadrových elektrární využívajúcich tlakovodné reaktory vyplýva, že medzi palivovými tyčami cirkuluje destilovaná voda ohriata na 320 stupňov. Aby sa zabránilo prechodu do parného stavu, udržiava sa pod tlakom 160 atmosfér. Schéma jadrovej elektrárne to nazýva voda primárneho okruhu.

Ohriata voda vstupuje do parogenerátora a odovzdáva svoje teplo vode sekundárneho okruhu, po ktorej sa opäť „vracia“ do reaktora. Navonok to vyzerá tak, že vodné rúrky prvého okruhu sú v kontakte s inými rúrkami - vodou druhého okruhu, odovzdávajú si teplo, ale vody sa nedotýkajú. Rúry sú v kontakte.

Tým je vylúčená možnosť vstupu žiarenia do vody sekundárneho okruhu, ktorá sa bude ďalej podieľať na procese výroby elektriny.

Bezpečnosť prevádzky JE

Keď sme sa naučili princíp fungovania jadrových elektrární, musíme pochopiť, ako funguje bezpečnosť. Výstavba jadrových elektrární si dnes vyžaduje zvýšenú pozornosť bezpečnostným pravidlám.
Náklady na bezpečnosť JE tvoria približne 40 % celkových nákladov samotnej elektrárne.

Projekt jadrovej elektrárne obsahuje 4 fyzické bariéry, ktoré zabraňujú úniku rádioaktívnych látok. Čo majú robiť tieto bariéry? V správnom momente vedieť zastaviť jadrovú reakciu, zabezpečiť neustály odvod tepla z aktívnej zóny a samotného reaktora a zabrániť úniku rádionuklidov za kontajnment (hermetickú zónu).

  • Prvou bariérou je sila uránových peliet. Je dôležité, aby ich nezničili vysoké teploty v jadrovom reaktore. Veľa z toho, ako jadrová elektráreň funguje, závisí od toho, ako sa uránové pelety „pečú“ počas počiatočnej výrobnej fázy. Ak sa pelety uránového paliva nespečú správne, reakcie atómov uránu v reaktore budú nepredvídateľné.
  • Druhou bariérou je tesnosť palivových tyčí. Zirkónové trubice musia byť pevne utesnené, ak je tesnenie porušené, v najlepšom prípade sa poškodí reaktor a práca sa zastaví, v horšom prípade všetko vyletí do vzduchu.
  • Treťou bariérou je odolná oceľová reaktorová nádoba a, (tá istá veľká veža - hermetická zóna), ktorá „drží“ všetky rádioaktívne procesy. Ak je kryt poškodený, žiarenie unikne do atmosféry.
  • Štvrtou bariérou sú tyče núdzovej ochrany. Tyče s moderátormi sú zavesené nad jadrom pomocou magnetov, ktoré dokážu absorbovať všetky neutróny za 2 sekundy a zastaviť reťazovú reakciu.

Ak napriek návrhu jadrovej elektrárne s mnohými stupňami ochrany nie je možné ochladiť jadro reaktora v správnom čase a teplota paliva stúpne na 2600 stupňov, potom prichádza na rad posledná nádej bezpečnostného systému - takzvaný lapač taveniny.

Faktom je, že pri tejto teplote sa dno reaktorovej nádoby roztopí a všetky zvyšky jadrového paliva a roztavených štruktúr pretečú do špeciálneho „skla“ zaveseného nad jadrom reaktora.

Lapač taveniny je chladený a ohňovzdorný. Je naplnená takzvaným „obetným materiálom“, ktorý postupne zastavuje reťazovú štiepnu reakciu.

Konštrukcia jadrovej elektrárne teda zahŕňa niekoľko stupňov ochrany, ktoré takmer úplne vylučujú akúkoľvek možnosť havárie.

Zariadenie a princíp činnosti sú založené na inicializácii a riadení samoudržiavacej jadrovej reakcie. Používa sa ako výskumný nástroj na výrobu rádioaktívnych izotopov a ako zdroj energie pre jadrové elektrárne.

princíp fungovania (stručne)

Využíva proces, pri ktorom sa ťažké jadro rozpadne na dva menšie fragmenty. Tieto fragmenty sú vo vysoko excitovanom stave a emitujú neutróny, iné subatomárne častice a fotóny. Neutróny môžu spôsobiť nové štiepenie, čo má za následok ich vyžarovanie vo väčšej miere atď. Takáto nepretržitá samoudržujúca séria štiepení sa nazýva reťazová reakcia. Uvoľňuje sa tak veľké množstvo energie, ktorej výroba je účelom využitia jadrových elektrární.

Princíp činnosti jadrového reaktora je taký, že asi 85 % štiepnej energie sa uvoľní vo veľmi krátkom čase po začiatku reakcie. Zvyšok je produkovaný rádioaktívnym rozpadom štiepnych produktov po tom, čo emitovali neutróny. Rádioaktívny rozpad je proces, pri ktorom atóm dosiahne stabilnejší stav. Pokračuje po dokončení rozdelenia.

V atómovej bombe sa intenzita reťazovej reakcie zvyšuje, kým sa väčšina materiálu nerozštiepi. Stáva sa to veľmi rýchlo a spôsobuje extrémne silné výbuchy typické pre takéto bomby. Konštrukcia a princíp fungovania jadrového reaktora sú založené na udržiavaní reťazovej reakcie na kontrolovanej, takmer konštantnej úrovni. Je navrhnutý tak, aby nemohol vybuchnúť ako atómová bomba.

Reťazová reakcia a kritickosť

Fyzika jadrového štiepneho reaktora spočíva v tom, že reťazová reakcia je určená pravdepodobnosťou rozdelenia jadra po emitovaní neutrónov. Ak sa počet tých druhých zníži, miera delenia nakoniec klesne na nulu. V tomto prípade bude reaktor v podkritickom stave. Ak sa populácia neutrónov udržiava na konštantnej úrovni, rýchlosť štiepenia zostane stabilná. Reaktor bude v kritickom stave. Nakoniec, ak populácia neutrónov v priebehu času rastie, rýchlosť štiepenia a výkon sa zvýši. Stav jadra sa stane superkritickým.

Princíp činnosti jadrového reaktora je nasledujúci. Pred vypustením sa neutrónová populácia blíži k nule. Operátori potom odstránia riadiace tyče z aktívnej zóny, čím sa zvýši jadrové štiepenie, ktoré dočasne tlačí reaktor do superkritického stavu. Po dosiahnutí menovitého výkonu operátori čiastočne vrátia riadiace tyče a upravia počet neutrónov. Následne sa reaktor udržiava v kritickom stave. Keď je potrebné zastaviť, operátori zasunú tyče úplne. Tým sa potlačí štiepenie a jadro sa prenesie do podkritického stavu.

Typy reaktorov

Väčšina svetových jadrových elektrární sú elektrárne, ktoré vyrábajú teplo potrebné na roztočenie turbín, ktoré poháňajú generátory elektrickej energie. Existuje tiež veľa výskumných reaktorov a niektoré krajiny majú ponorky alebo povrchové lode poháňané atómovou energiou.

Energetické inštalácie

Existuje niekoľko typov reaktorov tohto typu, no široko používaný je ľahkovodný dizajn. Na druhej strane môže použiť tlakovú vodu alebo vriacu vodu. V prvom prípade sa vysokotlaková kvapalina zahrieva teplom aktívnej zóny a vstupuje do parogenerátora. Tam sa teplo z primárneho okruhu odovzdáva sekundárnemu okruhu, ktorý obsahuje aj vodu. Nakoniec vytvorená para slúži ako pracovná tekutina v cykle parnej turbíny.

Varný reaktor pracuje na princípe priameho energetického cyklu. Voda prechádzajúca jadrom sa pri strednom tlaku privedie do varu. Nasýtená para prechádza sériou separátorov a sušičiek umiestnených v nádobe reaktora, čo spôsobuje jej prehriatie. Prehriata vodná para sa potom používa ako pracovná tekutina na otáčanie turbíny.

Vysokoteplotné chladenie plynom

Vysokoteplotný plynom chladený reaktor (HTGR) je jadrový reaktor, ktorého princíp činnosti je založený na použití zmesi grafitu a mikroguľôčok paliva ako paliva. Existujú dva konkurenčné návrhy:

  • nemecký „fill“ systém, ktorý využíva sférické palivové články s priemerom 60 mm, ktoré sú zmesou grafitu a paliva v grafitovom plášti;
  • americká verzia vo forme grafitových šesťhranných hranolov, ktoré do seba zapadajú a vytvárajú jadro.

V oboch prípadoch sa chladivo skladá z hélia pod tlakom asi 100 atmosfér. V nemeckom systéme hélium prechádza cez medzery vo vrstve sférických palivových článkov a v americkom systéme hélium prechádza cez otvory v grafitových hranoloch umiestnených pozdĺž osi centrálnej zóny reaktora. Obe možnosti môžu pracovať pri veľmi vysokých teplotách, pretože grafit má extrémne vysokú teplotu sublimácie a hélium je úplne chemicky inertné. Horúce hélium sa môže použiť priamo ako pracovná tekutina v plynovej turbíne pri vysokej teplote, alebo sa jeho teplo môže využiť na výrobu pary vodného cyklu.

Tekutý kov a princíp fungovania

Sodíkom chladeným rýchlym reaktorom sa venovala veľká pozornosť v 60. a 70. rokoch. Vtedy sa zdalo, že ich chovné kapacity budú čoskoro potrebné na výrobu paliva pre rýchlo sa rozvíjajúci jadrový priemysel. Keď sa v 80. rokoch ukázalo, že toto očakávanie je nereálne, nadšenie opadlo. Množstvo reaktorov tohto typu sa však postavilo v USA, Rusku, Francúzsku, Veľkej Británii, Japonsku a Nemecku. Väčšina z nich beží na oxide uránu alebo jeho zmesi s oxidom plutóniom. V Spojených štátoch však najväčší úspech dosiahli kovové palivá.

CANDU

Kanada zameriava svoje úsilie na reaktory, ktoré využívajú prírodný urán. To eliminuje potrebu uchýliť sa k službám iných krajín, aby ju obohatili. Výsledkom tejto politiky bol deutérium-uránový reaktor (CANDU). Kontroluje sa a chladí ťažkou vodou. Konštrukcia a princíp činnosti jadrového reaktora spočíva v použití zásobníka studeného D 2 O pri atmosférickom tlaku. Jadro je prerazené rúrkami zo zliatiny zirkónu s obsahom prírodného uránového paliva, cez ktoré cirkuluje ťažká voda, ktorá ho ochladzuje. Elektrina sa vyrába prenosom štiepneho tepla v ťažkej vode do chladiacej kvapaliny, ktorá cirkuluje cez generátor pary. Para v sekundárnom okruhu potom prechádza konvenčným turbínovým cyklom.

Výskumné zariadenia

Pre vedecký výskum sa najčastejšie využíva jadrový reaktor, ktorého princípom činnosti je využitie vodného chladenia a doskových uránových palivových článkov vo forme zostáv. Schopný pracovať v širokom rozsahu úrovní výkonu, od niekoľkých kilowattov až po stovky megawattov. Keďže výroba energie nie je primárnym účelom výskumných reaktorov, sú charakterizované vyrobenou tepelnou energiou, hustotou a nominálnou energiou neutrónov v jadre. Práve tieto parametre pomáhajú kvantifikovať schopnosť výskumného reaktora vykonávať špecifický výskum. Systémy s nízkou spotrebou energie sa zvyčajne nachádzajú na univerzitách a používajú sa na výučbu, zatiaľ čo systémy s vysokou spotrebou energie sú potrebné vo výskumných laboratóriách na testovanie materiálov a výkonu a všeobecný výskum.

Najbežnejší je výskumný jadrový reaktor, ktorého štruktúra a princíp fungovania je nasledovný. Jeho jadro sa nachádza na dne veľkého, hlbokého bazéna s vodou. To zjednodušuje pozorovanie a umiestňovanie kanálov, cez ktoré môžu smerovať neutrónové lúče. Pri nízkych úrovniach výkonu nie je potrebné čerpať chladiacu kvapalinu, pretože prirodzená konvekcia chladiacej kvapaliny poskytuje dostatočný odvod tepla na udržanie bezpečných prevádzkových podmienok. Výmenník tepla býva umiestnený na povrchu alebo v hornej časti bazéna, kde sa akumuluje teplá voda.

Lodné inštalácie

Pôvodnou a hlavnou aplikáciou jadrových reaktorov je ich použitie v ponorkách. Ich hlavnou výhodou je, že na rozdiel od systémov spaľovania fosílnych palív nepotrebujú na výrobu elektriny vzduch. Preto môže jadrová ponorka zostať ponorená po dlhú dobu, zatiaľ čo konvenčná diesel-elektrická ponorka musí pravidelne stúpať na hladinu, aby spustila svoje motory vo vzduchu. poskytuje námorným lodiam strategickú výhodu. Vďaka nemu nie je potrebné tankovať v zahraničných prístavoch alebo z ľahko zraniteľných tankerov.

Princíp činnosti jadrového reaktora na ponorke je klasifikovaný. Je však známe, že v USA sa používa vysoko obohatený urán a je spomaľovaný a ochladzovaný ľahkou vodou. Dizajn prvého jadrového ponorkového reaktora USS Nautilus bol silne ovplyvnený výkonnými výskumnými zariadeniami. Jeho jedinečnými vlastnosťami sú veľmi veľká rezerva reaktivity, ktorá zaisťuje dlhú dobu prevádzky bez tankovania a možnosť opätovného spustenia po zastavení. Elektráreň v ponorkách musí byť veľmi tichá, aby sa zabránilo odhaleniu. Na splnenie špecifických potrieb rôznych tried ponoriek boli vytvorené rôzne modely elektrární.

Lietadlové lode amerického námorníctva používajú jadrový reaktor, ktorého prevádzkový princíp je považovaný za požičaný od najväčších ponoriek. Podrobnosti o ich dizajne tiež neboli zverejnené.

Okrem Spojených štátov amerických má jadrové ponorky Veľká Británia, Francúzsko, Rusko, Čína a India. V každom prípade nebol dizajn zverejnený, ale predpokladá sa, že sú všetky veľmi podobné - je to dôsledok rovnakých požiadaviek na ich technické vlastnosti. Rusko má tiež malú flotilu, ktorá používa rovnaké reaktory ako sovietske ponorky.

Priemyselné inštalácie

Na výrobné účely sa používa jadrový reaktor, ktorého princípom činnosti je vysoká produktivita pri nízkej úrovni výroby energie. Je to spôsobené tým, že dlhý pobyt plutónia v jadre vedie k akumulácii nežiaduceho 240 Pu.

Výroba trícia

V súčasnosti je hlavným materiálom produkovaným takýmito systémami trícium (3H alebo T) - náplň pre Plutónium-239 má dlhý polčas rozpadu 24 100 rokov, takže krajiny s arzenálom jadrových zbraní, ktoré používajú tento prvok, majú tendenciu mať ho viac. než je potrebné. Na rozdiel od 239 Pu má trícium polčas rozpadu približne 12 rokov. Aby sa teda zachovali potrebné zásoby, tento rádioaktívny izotop vodíka sa musí vyrábať nepretržite. Napríklad v Spojených štátoch Savannah River (Južná Karolína) prevádzkuje niekoľko ťažkovodných reaktorov, ktoré produkujú trícium.

Plávajúce pohonné jednotky

Boli vytvorené jadrové reaktory, ktoré dokážu zabezpečiť elektrinu a ohrev parou do vzdialených izolovaných oblastí. Napríklad v Rusku našli využitie malé elektrárne špeciálne navrhnuté na obsluhu arktických osád. V Číne poskytuje 10 MW HTR-10 teplo a energiu výskumnému ústavu, kde sa nachádza. Vývoj malých automaticky riadených reaktorov s podobnými schopnosťami prebieha vo Švédsku a Kanade. V rokoch 1960 až 1972 používala americká armáda kompaktné vodné reaktory na napájanie vzdialených základní v Grónsku a Antarktíde. Nahradili ich olejové elektrárne.

Dobývanie vesmíru

Okrem toho boli vyvinuté reaktory na zásobovanie energiou a pohyb vo vesmíre. V rokoch 1967 až 1988 Sovietsky zväz nainštaloval na svoje satelity série Cosmos malé jadrové bloky na napájanie zariadení a telemetrie, ale táto politika sa stala terčom kritiky. Najmenej jeden z týchto satelitov vstúpil do zemskej atmosféry a spôsobil rádioaktívnu kontamináciu v odľahlých oblastiach Kanady. Spojené štáty americké vypustili v roku 1965 iba jeden satelit s jadrovým pohonom. Naďalej sa však rozvíjajú projekty na ich využitie pri diaľkových vesmírnych letoch, ľudskom prieskume iných planét či na stálej mesačnej základni. To bude nevyhnutne plynom chladený alebo kvapalný kovový jadrový reaktor, ktorého fyzikálne princípy zabezpečia najvyššiu možnú teplotu potrebnú na minimalizáciu veľkosti radiátora. Reaktor pre vesmírnu technológiu musí byť navyše čo najkompaktnejší, aby sa minimalizovalo množstvo materiálu použitého na tienenie a aby sa znížila hmotnosť počas štartu a vesmírneho letu. Zásoba paliva zabezpečí chod reaktora po celú dobu kozmického letu.

I. Návrh jadrového reaktora

Jadrový reaktor pozostáva z nasledujúcich piatich hlavných prvkov:

1) jadrové palivo;

2) moderátor neutrónov;

3) regulačné systémy;

4) chladiace systémy;

5) ochranná clona.

1. Jadrové palivo.

Jadrové palivo je zdrojom energie. V súčasnosti sú známe tri typy štiepnych materiálov:

a) urán 235, ktorý tvorí 0,7 % alebo 1/140 prírodného uránu;

6) plutónium 239, ktoré vzniká v niektorých reaktoroch na báze uránu 238, ktorý tvorí takmer celú hmotu prírodného uránu (99,3 %, alebo 139/140 dielov).

Zachytením neutrónov sa jadrá uránu 238 premenia na jadrá neptúnia - 93. prvok periodického systému Mendelejeva; tie sa zase premenia na jadrá plutónia - 94. prvok periodickej tabuľky. Plutónium sa ľahko získava z ožiareného uránu chemickými prostriedkami a môže sa použiť ako jadrové palivo;

c) urán 233, čo je umelý izotop uránu získaný z tória.

Na rozdiel od uránu 235, ktorý sa nachádza v prírodnom uráne, sa plutónium 239 a urán 233 získava len umelo. Preto sa nazývajú sekundárne jadrové palivo; Zdrojom takéhoto paliva je urán 238 a tórium 232.

Zo všetkých vyššie uvedených typov jadrového paliva je teda hlavným palivom urán. To vysvetľuje obrovský rozsah, ktorý má vyhľadávanie a prieskum ložísk uránu vo všetkých krajinách.

Energia uvoľnená v jadrovom reaktore sa niekedy porovnáva s energiou uvoľnenou počas chemickej spaľovacej reakcie. Je však medzi nimi zásadný rozdiel.

Množstvo tepla získaného pri štiepení uránu je nemerateľne väčšie ako množstvo tepla získané pri spaľovaní, napríklad uhlia: 1 kg uránu 235, čo sa objemu rovná škatuľke cigariet, by teoreticky mohol poskytnúť toľko energie ako 2600 ton uhlia.

Tieto energetické možnosti však nie sú plne využité, pretože nie všetok urán 235 je možné oddeliť od prírodného uránu. Výsledkom je, že 1 kg uránu v závislosti od stupňa jeho obohatenia uránom 235 v súčasnosti zodpovedá približne 10 tonám uhlia. Malo by sa však vziať do úvahy, že používanie jadrového paliva uľahčuje prepravu, a preto výrazne znižuje náklady na palivo. Britskí experti vypočítali, že obohacovaním uránu dokážu 10-násobne zvýšiť produkciu tepla v reaktoroch, čo by prirovnalo 1 tonu uránu na 100 tisíc ton uhlia.

Druhý rozdiel medzi procesom jadrového štiepenia, ku ktorému dochádza pri uvoľňovaní tepla, a chemickým spaľovaním je v tom, že spaľovacia reakcia vyžaduje kyslík, zatiaľ čo na spustenie reťazovej reakcie je potrebných len niekoľko neutrónov a určité množstvo jadrového paliva, rovnaké na kritickú hmotnosť, ktorú definujeme už uvedenú v časti o atómovej bombe.

A napokon, neviditeľný proces jadrového štiepenia je sprevádzaný emisiou mimoriadne škodlivého žiarenia, pred ktorým treba zabezpečiť ochranu.

2. Moderátor neutrónov.

Aby sa zabránilo šíreniu štiepnych produktov v reaktore, jadrové palivo musí byť umiestnené v špeciálnych obaloch. Na výrobu takýchto škrupín môžete použiť hliník (teplota chladiacej kvapaliny by nemala presiahnuť 200 °), alebo ešte lepšie, berýlium alebo zirkónium - nové kovy, ktorých výroba v čistej forme je plná veľkých ťažkostí.

Neutróny vznikajúce pri štiepení jadra (v priemere 2–3 neutróny pri štiepení jedného jadra ťažkého prvku) majú určitú energiu. Aby bola pravdepodobnosť štiepenia iných jadier neutrónov najväčšia, bez čoho reakcia nebude samoudržateľná, je potrebné, aby tieto neutróny stratili časť svojej rýchlosti. To sa dosiahne umiestnením moderátora do reaktora, v ktorom sa rýchle neutróny premieňajú na pomalé v dôsledku početných po sebe nasledujúcich zrážok. Keďže látka použitá ako moderátor musí mať jadrá s hmotnosťou približne rovnajúcou sa hmotnosti neutrónov, teda jadrá ľahkých prvkov, ako moderátor sa od začiatku používala ťažká voda (D 2 0, kde D je deutérium , ktorý nahradil ľahký vodík v obyčajnej vode N 2 0). Teraz sa však snažia stále viac používať grafit – je lacnejší a dáva takmer rovnaký efekt.

Tona ťažkej vody nakúpená vo Švédsku stojí 70 – 80 miliónov frankov. Na Ženevskej konferencii o mierovom využívaní atómovej energie Američania oznámili, že čoskoro budú môcť predávať ťažkú ​​vodu za cenu 22 miliónov frankov za tonu.

Tona grafitu stojí 400-tisíc frankov a tona oxidu berylnatého 20 miliónov frankov.

Látka použitá ako moderátor musí byť čistá, aby sa zabránilo strate neutrónov pri ich prechode cez moderátor. Na konci behu majú neutróny priemernú rýchlosť približne 2200 m/s, pričom ich počiatočná rýchlosť bola približne 20 000 km/s. V reaktoroch dochádza k uvoľňovaniu tepla postupne a dá sa kontrolovať, na rozdiel od atómovej bomby, kde k nemu dochádza okamžite a nadobúda charakter výbuchu.

Niektoré typy rýchlych reaktorov nevyžadujú moderátor.

3. Regulačný systém.

Človek by mal byť schopný podľa vlastného uváženia vyvolať, regulovať a zastaviť jadrovú reakciu. To sa dosahuje pomocou riadiacich tyčí vyrobených z bórovej ocele alebo kadmia - materiálov, ktoré majú schopnosť absorbovať neutróny. V závislosti od hĺbky, do ktorej sú riadiace tyče spustené do reaktora, sa počet neutrónov v aktívnej zóne zvyšuje alebo znižuje, čo v konečnom dôsledku umožňuje reguláciu procesu. Ovládacie tyče sú riadené automaticky pomocou servomechanizmov; Niektoré z týchto tyčí môžu v prípade nebezpečenstva okamžite spadnúť do jadra.

Najprv boli obavy, že výbuch reaktora spôsobí rovnaké škody ako atómová bomba. Aby Američania dokázali, že výbuch reaktora nastáva len za podmienok odlišných od bežných a nepredstavuje vážne nebezpečenstvo pre obyvateľstvo žijúce v okolí jadrovej elektrárne, jeden takzvaný „varný“ reaktor zámerne vyhodili do vzduchu. Skutočne došlo k výbuchu, ktorý môžeme charakterizovať ako „klasický“, teda nejadrový; to opäť dokazuje, že jadrové reaktory možno stavať v blízkosti obývaných oblastí bez akéhokoľvek zvláštneho nebezpečenstva pre obývané oblasti.

4. Chladiaci systém.

Pri štiepení jadra sa uvoľňuje určitá energia, ktorá sa prenáša na produkty rozpadu a vzniknuté neutróny. Táto energia sa v dôsledku početných zrážok neutrónov premieňa na tepelnú energiu, preto, aby sa predišlo rýchlemu zlyhaniu reaktora, musí sa teplo odoberať. V reaktoroch určených na výrobu rádioaktívnych izotopov sa toto teplo nevyužíva, ale v reaktoroch určených na výrobu energie sa stáva, naopak, hlavným produktom. Chladenie sa môže uskutočňovať pomocou plynu alebo vody, ktorá cirkuluje v reaktore pod tlakom cez špeciálne rúrky a následne sa ochladzuje vo výmenníku tepla. Uvoľnené teplo môže byť použité na ohrev pary, ktorá otáča turbínu pripojenú ku generátoru; takýmto zariadením by bola jadrová elektráreň.

5. Ochranná clona.

Aby ste sa vyhli škodlivým účinkom neutrónov, ktoré môžu vyletieť mimo reaktor, a aby ste sa ochránili pred gama žiarením emitovaným počas reakcie, je potrebná spoľahlivá ochrana. Vedci vypočítali, že reaktor s výkonom 100-tisíc kW vyžaruje také množstvo rádioaktívneho žiarenia, že by ho človek nachádzajúci sa vo vzdialenosti 100 m od neho prijal za 2 minúty. smrteľná dávka. Na zabezpečenie ochrany personálu obsluhujúceho reaktor sú dvojmetrové steny postavené zo špeciálneho betónu s olovenými doskami.

Prvý reaktor postavil v decembri 1942 Talian Fermi. Do konca roku 1955 bolo na svete asi 50 jadrových reaktorov (USA - 2 1, Anglicko - 4, Kanada - 2, Francúzsko - 2). Treba dodať, že do začiatku roku 1956 bolo navrhnutých ďalších asi 50 reaktorov na výskumné a priemyselné účely (USA - 23, Francúzsko - 4, Anglicko - 3, Kanada - 1).

Typy týchto reaktorov sú veľmi rôznorodé, od pomalých neutrónových reaktorov s grafitovými moderátormi a prírodným uránom ako palivom až po rýchle neutrónové reaktory využívajúce ako palivo urán obohatený plutóniom alebo urán 233, vyrobený umelo z tória.

Okrem týchto dvoch protichodných typov existuje celý rad reaktorov, ktoré sa od seba líšia buď zložením jadrového paliva, alebo typom moderátora, prípadne chladivom.

Je veľmi dôležité poznamenať, že hoci je teoretická stránka problému v súčasnosti dobre preštudovaná odborníkmi vo všetkých krajinách, v praktickej oblasti ešte rôzne krajiny nedosiahli rovnakú úroveň. Pred ostatnými krajinami sú USA a Rusko. Dá sa tvrdiť, že budúcnosť jadrovej energetiky bude závisieť najmä od pokroku techniky.

Z knihy Nádherný svet vo vnútri atómového jadra [prednáška pre školákov] autora Ivanov Igor Pierovič

Štruktúra urýchľovača LHC Teraz niekoľko obrázkov. Zrážač je urýchľovač zrážaných častíc. Tam sa častice zrýchľujú pozdĺž dvoch prstencov a navzájom sa zrážajú. Ide o najväčšiu experimentálnu inštaláciu na svete, pretože dĺžka tohto prstenca - tunela -

Z knihy Najnovšia kniha faktov. Zväzok 3 [Fyzika, chémia a technika. História a archeológia. Zmiešaný] autora Kondrashov Anatolij Pavlovič

Z knihy The Atomic Problem od Ran Philipa

Z knihy 5b. Elektrina a magnetizmus autora Feynman Richard Phillips

Z knihy autora

Kapitola VIII Princíp činnosti a možnosti jadrového reaktora I. Konštrukcia jadrového reaktora Jadrový reaktor pozostáva z týchto piatich hlavných prvkov: 1) jadrové palivo, 2) moderátor neutrónov, 3) riadiaci systém, 4) chladiaci systém, 5 ) ochranný

Z knihy autora

Kapitola 11 VNÚTORNÁ ŠTRUKTÚRA DIELEKTRIKY §1. Molekulové dipóly§2. Elektronická polarizácia §3. polárne molekuly; orientácia polarizácia§4. Elektrické polia v dielektrických dutinách§5. Dielektrická konštanta kvapalín; Clausius-Mossotti vzorec§6.

Tento nevýrazný sivý valec je kľúčovým článkom ruského jadrového priemyslu. Nevyzerá to, samozrejme, veľmi reprezentatívne, ale keď pochopíte jeho účel a pozriete sa na technické charakteristiky, začnete chápať, prečo je tajomstvo jeho vytvorenia a štruktúry chránené štátom ako jablko oka.

Áno, zabudol som predstaviť: tu je plynová odstredivka na separáciu izotopov uránu VT-3F (n-tá generácia). Princíp činnosti je elementárny, ako pri odlučovači mlieka, vplyvom odstredivej sily sa oddeľuje ťažké od ľahkého. Aký je teda význam a jedinečnosť?

Najprv si odpovedzme na ďalšiu otázku – vo všeobecnosti, prečo separovať urán?

Prírodný urán, ktorý leží priamo v zemi, je kokteilom dvoch izotopov: urán-238 A urán-235(a 0,0054 % U-234).
Urán-238, je to len ťažký, šedý kov. Môžete z neho vyrobiť delostrelecký granát, alebo... kľúčenku. Tu je to, čo môžete urobiť urán-235? Po prvé, atómová bomba a po druhé palivo pre jadrové elektrárne. A tu sa dostávame ku kľúčovej otázke – ako tieto dva, takmer identické atómy, od seba oddeliť? Skutočne nie AKO?!

Mimochodom: Polomer jadra atómu uránu je 1,5 10 -8 cm.

Aby sa atómy uránu dostali do technologického reťazca, musí sa premeniť (urán) na plynné skupenstvo. Nemá zmysel prevárať, stačí spojiť urán s fluórom a získať hexafluorid uránu HFC. Technológia na jeho výrobu nie je veľmi zložitá a drahá, a preto HFC dostanú to presne tam, kde sa tento urán ťaží. UF6 je jediná vysoko prchavá zlúčenina uránu (pri zahriatí na 53°C sa hexafluorid (na obrázku) priamo premieňa z pevného do plynného skupenstva). Potom sa prečerpá do špeciálnych nádob a odošle na obohatenie.

Trochu histórie

Na samom začiatku jadrových pretekov si najväčšie vedecké mozgy ZSSR a USA osvojili myšlienku difúznej separácie - prechodu uránu cez sito. Malý 235 izotop prekĺzne a „tuk“ 238 zasekne sa. Navyše vyrobiť sito s nanodierami pre sovietsky priemysel v roku 1946 nebolo tou najťažšou úlohou.

Zo správy Isaaca Konstantinoviča Kikoina na vedeckej a technickej rade pri Rade ľudových komisárov (uvedená v zbierke odtajnených materiálov o atómovom projekte ZSSR (ed. Ryabev)): V súčasnosti sme sa naučili vyrábať pletivá s otvormi cca 5/1 000 mm, t.j. 50-krát väčšia ako voľná dráha molekúl pri atmosférickom tlaku. V dôsledku toho tlak plynu, pri ktorom dôjde k separácii izotopov na takýchto mriežkach, musí byť menší ako 1/50 atmosférického tlaku. V praxi predpokladáme pracovať pri tlaku asi 0,01 atmosféry, t.j. za dobrých podmienok vákua. Výpočty ukazujú, že na získanie produktu obohateného na koncentráciu 90 % ľahkým izotopom (táto koncentrácia postačuje na výrobu výbušniny) je potrebné skombinovať asi 2000 takýchto stupňov v kaskáde. V stroji, ktorý navrhujeme a čiastočne vyrábame, sa očakáva produkcia 75-100 g uránu-235 za deň. Inštalácia bude pozostávať z približne 80-100 „stĺpcov“, z ktorých každý bude mať nainštalovaných 20-25 stupňov.

Nižšie je dokument - Beriaova správa Stalinovi o príprave prvého výbuchu atómovej bomby. Nižšie sú uvedené krátke informácie o jadrových materiáloch vyrobených začiatkom leta 1949.

A teraz si predstavte sami - 2 000 statných inštalácií len za 100 gramov! No čo s tým, potrebujeme bomby. A začali stavať továrne, a nielen továrne, ale celé mestá. A dobre, len mestá, tieto difúzne elektrárne si vyžadovali toľko elektriny, že museli v blízkosti postaviť samostatné elektrárne.

V ZSSR bol prvý stupeň D-1 závodu č. 813 navrhnutý na celkový výkon 140 gramov 92-93% uránu-235 za deň v 2 kaskádach 3100 výkonovo rovnakých separačných stupňov. Na výrobu bol pridelený nedokončený letecký závod v obci Verkh-Neyvinsk, 60 km od Sverdlovska. Neskôr sa zmenil na Sverdlovsk-44 a závod 813 (na obrázku) na Uralský elektrochemický závod - najväčší separačný závod na svete.

A hoci technológia difúznej separácie, aj keď s veľkými technologickými ťažkosťami, bola odladená, myšlienka vývoja ekonomickejšieho procesu odstredivky neopustila program. Ak sa nám totiž podarí vytvoriť odstredivku, spotreba energie sa zníži 20 až 50-krát!

Ako funguje odstredivka?

Jeho štruktúra je viac než elementárna a vyzerá ako stará práčka pracujúca v režime „odstreďovanie/sušenie“. Rotujúci rotor je umiestnený v utesnenom kryte. Do tohto rotora sa privádza plyn (UF6). V dôsledku odstredivej sily, ktorá je stotisíckrát väčšia ako gravitačné pole Zeme, sa plyn začína deliť na „ťažkú“ a „ľahkú“ frakciu. Ľahké a ťažké molekuly sa začínajú zoskupovať v rôznych zónach rotora, ale nie v strede a pozdĺž obvodu, ale hore a dole.

K tomu dochádza v dôsledku konvekčných prúdov - kryt rotora sa zahrieva a vzniká protiprúd plynu. V hornej a spodnej časti valca sú nainštalované dve malé sacie rúrky. Chudá zmes vstupuje do spodnej trubice a zmes s vyššou koncentráciou atómov vstupuje do hornej trubice. 235U. Táto zmes ide do ďalšej odstredivky a tak ďalej, až kým sa neskoncentruje 235 urán nedosiahne požadovanú hodnotu. Reťazec centrifúg sa nazýva kaskáda.

Technické vlastnosti.

Po prvé, rýchlosť otáčania - v modernej generácii centrifúg dosahuje 2000 ot / min (ani neviem, s čím to porovnať... 10-krát rýchlejšie ako turbína v leteckom motore)! A funguje nepretržite už TRI DESAŤROČIA! Tie. Teraz sa centrifúgy, zapnuté pod Brežnevom, otáčajú v kaskádach! ZSSR už neexistuje, ale stále sa točia a točia. Nie je ťažké vypočítať, že počas svojho pracovného cyklu rotor vykoná 2 000 000 000 000 (dva bilióny) otáčok. A aké ložisko toto vydrží? Áno, žiadne! Nie sú tam žiadne ložiská.

Samotný rotor je obyčajný vrch, v spodnej časti má silnú ihlu oprenú o korundové ložisko a horný koniec visí vo vákuu a drží ho elektromagnetické pole. Ihla tiež nie je jednoduchá, vyrobená z obyčajného drôtu na klavírne struny, je temperovaná veľmi rafinovane (ako GT). Nie je ťažké si predstaviť, že pri takej zbesilej rýchlosti otáčania musí byť samotná odstredivka nielen odolná, ale aj mimoriadne odolná.

Akademik Joseph Friedlander spomína: „Mohli ma vystreliť trikrát. Raz, keď sme už dostali Leninovu cenu, sa stala veľká nehoda, odletelo veko centrifúgy. Kusy sa rozhádzali a zničili ďalšie odstredivky. Zdvihol sa rádioaktívny mrak. Museli sme zastaviť celú linku - kilometer inštalácií! V Sredmaši velil centrifúgam generál Zverev, pred atómovým projektom pracoval v Berijovom oddelení. Generál na stretnutí povedal: „Situácia je kritická. Obrana krajiny je ohrozená. Ak situáciu rýchlo nenapravíme, '37 sa vám zopakuje. A okamžite ukončil schôdzu. Potom sme prišli s úplne novou technológiou s úplne izotropnou jednotnou štruktúrou viečok, ale boli potrebné veľmi zložité inštalácie. Odvtedy sa tieto typy viečok vyrábajú. Už neboli žiadne problémy. V Rusku sú 3 obohacovacie závody, mnoho stoviek tisíc centrifúg.
Na fotografii: testy prvej generácie centrifúg

Aj kryty rotorov boli spočiatku kovové, kým ich nenahradili... uhlíkové vlákna. Ľahký a vysoko pevný v ťahu je ideálnym materiálom pre rotačný valec.

Generálny riaditeľ UEIP (2009-2012) Alexander Kurkin pripomína: „Začínalo to byť smiešne. Keď testovali a kontrolovali novú, „vynaliezavejšiu“ generáciu centrifúg, jeden zo zamestnancov nečakal na úplné zastavenie rotora, odpojil ho od kaskády a rozhodol sa ho preniesť ručne na stojan. Ale namiesto toho, aby sa pohol vpred, bez ohľadu na to, ako sa bránil, objal tento valec a začal sa pohybovať dozadu. Takže sme na vlastné oči videli, že Zem sa otáča a gyroskop je veľká sila.“

Kto to vymyslel?

Ach, to je záhada, zahalená do tajomstva a zahalená napätím. Nájdete tu zajatých nemeckých fyzikov, CIA, dôstojníkov SMERSH a dokonca aj zostreleného špionážneho pilota Powersa. Vo všeobecnosti bol princíp plynovej odstredivky opísaný koncom 19. storočia.

Dokonca aj na úsvite atómového projektu Viktor Sergeev, inžinier zo špeciálnej konštrukčnej kancelárie Kirovovho závodu, navrhol metódu separácie centrifúgy, ale jeho kolegovia spočiatku jeho nápad neschvaľovali. Paralelne vedci z porazeného Nemecka bojovali o vytvorenie separačnej centrifúgy v špeciálnom výskumnom ústave-5 v Suchumi: Dr. Max Steenbeck, ktorý pracoval ako popredný inžinier Siemensu za Hitlera, a bývalý mechanik Luftwaffe, absolvent Viedenskej univerzity, Gernot Zippe. Celkovo skupina zahŕňala asi 300 „exportovaných“ fyzikov.

Alexey Kaliteevsky, generálny riaditeľ Centrotech-SPb CJSC, Rosatom State Corporation, pripomína: „Naši odborníci dospeli k záveru, že nemecká odstredivka je absolútne nevhodná pre priemyselnú výrobu. Steenbeckov prístroj nemal systém na prenos čiastočne obohateného produktu do ďalšieho stupňa. Navrhlo sa ochladiť konce veka a zmraziť plyn a potom ho rozmraziť, zozbierať a vložiť do ďalšej odstredivky. To znamená, že schéma je nefunkčná. Projekt mal však niekoľko veľmi zaujímavých a nezvyčajných technických riešení. Tieto „zaujímavé a nezvyčajné riešenia“ boli kombinované s výsledkami sovietskych vedcov, najmä s návrhmi Viktora Sergeeva. Relatívne povedané, naša kompaktná odstredivka je z jednej tretiny plodom nemeckého myslenia a z dvoch tretín sovietskeho. Mimochodom, keď Sergejev prišiel do Abcházska a vyjadril svoje myšlienky o výbere uránu tomu istému Steenbeckovi a Zippemu, Steenbeck a Zippe ich zamietli ako nerealizovateľné.

Na čo teda Sergeev prišiel?

A Sergeevov návrh bol vytvoriť selektory plynu vo forme pitotových trubíc. Ale Dr. Steenbeck, ktorý, ako veril, na túto tému prejedol zuby, bol kategorický: "Spomalia tok, spôsobia turbulencie a nedôjde k žiadnemu oddeleniu!" O niekoľko rokov neskôr, keď pracoval na svojich memoároch, to oľutoval: „Nápad, ktorý stojí za to prísť od nás! Ale nikdy ma to nenapadlo...“

Neskôr, keď bol Steenbeck mimo ZSSR, už s centrifúgami nepracoval. Geront Zippe mal však pred odchodom do Nemecka možnosť zoznámiť sa s prototypom Sergejevovej centrifúgy a geniálne jednoduchým princípom jej fungovania. Raz na Západe si „prefíkaný Zippe“, ako ho často volali, patentoval dizajn centrifúgy pod svojím vlastným menom (patent č. 1071597 z roku 1957, deklarovaný v 13 krajinách). V roku 1957, keď sa Zippe presťahoval do USA, vybudoval tam fungujúcu inštaláciu, ktorá reprodukovala Sergejevov prototyp z pamäte. A nazval to, vzdajme hold, „ruská centrifúga“ (na obrázku).

Mimochodom, ruské inžinierstvo sa ukázalo v mnohých iných prípadoch. Príkladom je jednoduchý núdzový uzatvárací ventil. Neexistujú žiadne senzory, detektory ani elektronické obvody. Je tu len samovarová batéria, ktorá sa svojím okvetným lístkom dotýka kaskádového rámu. Ak sa niečo pokazí a odstredivka zmení svoju polohu v priestore, jednoducho sa otočí a uzavrie prívodné vedenie. Je to ako vtip o americkom pere a ruskej ceruzke vo vesmíre.

Naše dni

Tento týždeň sa autor týchto riadkov zúčastnil významnej udalosti - uzavretia ruskej kancelárie pozorovateľov ministerstva energetiky USA na základe zmluvy HEU-LEU. Táto dohoda (vysoko obohatený urán – nízko obohatený urán) bola a zostáva najväčšou dohodou v oblasti jadrovej energie medzi Ruskom a Amerikou. Podľa zmluvných podmienok ruskí jadroví vedci spracovali 500 ton nášho uránu (90%) určeného na zbrane na palivo (4%) HFC pre americké jadrové elektrárne. Tržby za roky 1993-2009 dosiahli 8,8 miliardy amerických dolárov. To bol logický výsledok technologického prelomu našich jadrových vedcov v oblasti separácie izotopov, ktorý urobili v povojnových rokoch.
Na fotografii: kaskády plynových centrifúg v jednej z dielní UEIP. Je ich tu asi 100-tisíc.

Vďaka centrifúgam sme získali tisíce ton relatívne lacného vojenského aj komerčného produktu. Jadrový priemysel je jedným z mála zostávajúcich (vojenské letectvo, vesmír), kde má Rusko nesporné prvenstvo. Len zahraničné objednávky na desať rokov dopredu (od roku 2013 do roku 2022), portfólio Rosatomu bez zmluvy HEU-LEU je 69,3 miliardy dolárov. V roku 2011 prekročila 50 miliárd...
Na obrázku je sklad kontajnerov s HFC v UEIP.

Dňa 28. septembra 1942 bolo prijaté uznesenie Výboru obrany štátu č. 2352ss „O organizácii práce s uránom“. Tento dátum sa považuje za oficiálny začiatok histórie ruského jadrového priemyslu.

Reťazová štiepna reakcia je vždy sprevádzaná uvoľnením obrovskej energie. Praktické využitie tejto energie je hlavnou úlohou jadrového reaktora.

Jadrový reaktor je zariadenie, v ktorom prebieha riadená alebo riadená reakcia jadrového štiepenia.

Jadrové reaktory sa na základe princípu činnosti delia na dve skupiny: tepelné neutrónové reaktory a rýchle neutrónové reaktory.

Ako funguje tepelný neutrónový jadrový reaktor?

Typický jadrový reaktor má:

  • Jadro a moderátor;
  • Neutrónový reflektor;
  • chladiaca kvapalina;
  • Systém riadenia reťazovej reakcie, núdzová ochrana;
  • Systém kontroly a radiačnej ochrany;
  • Systém diaľkového ovládania.

1 - aktívna zóna; 2 - reflektor; 3 - ochrana; 4 - riadiace tyče; 5 - chladiaca kvapalina; 6 - čerpadlá; 7 - výmenník tepla; 8 - turbína; 9 - generátor; 10 - kondenzátor.

Jadro a moderátor

Práve v jadre dochádza k riadenej štiepnej reťazovej reakcii.

Väčšina jadrových reaktorov pracuje s ťažkými izotopmi uránu-235. Ale v prírodných vzorkách uránovej rudy je jej obsah iba 0,72%. Táto koncentrácia nestačí na to, aby sa rozvinula reťazová reakcia. Preto sa ruda umelo obohacuje, čím sa obsah tohto izotopu zvýši na 3 %.

Štiepny materiál alebo jadrové palivo vo forme tabliet je umiestnené v hermeticky uzavretých tyčiach, ktoré sa nazývajú palivové tyče (palivové články). Prestupujú celú aktívnu zónu naplnenú moderátor neutróny.

Prečo je v jadrovom reaktore potrebný neutrónový moderátor?

Faktom je, že neutróny narodené po rozpade jadier uránu-235 majú veľmi vysokú rýchlosť. Pravdepodobnosť ich zachytenia inými jadrami uránu je stokrát menšia ako pravdepodobnosť zachytenia pomalých neutrónov. A ak sa ich rýchlosť nezníži, jadrová reakcia môže časom odumrieť. Moderátor rieši problém zníženia rýchlosti neutrónov. Ak sa do dráhy rýchlych neutrónov postaví voda alebo grafit, môže sa umelo znížiť ich rýchlosť a tým sa môže zvýšiť počet častíc zachytených atómami. Reťazová reakcia v reaktore si zároveň vyžiada menej jadrového paliva.

V dôsledku procesu spomalenia tepelné neutróny, ktorého rýchlosť sa takmer rovná rýchlosti tepelného pohybu molekúl plynu pri izbovej teplote.

V jadrových reaktoroch sa ako moderátor používa voda, ťažká voda (oxid deutéria D 2 O), berýlium a grafit. Ale najlepší moderátor je ťažká voda D2O.

Neutrónový reflektor

Aby sa zabránilo úniku neutrónov do životného prostredia, jadro jadrového reaktora je obklopené neutrónový reflektor. Materiál použitý na reflektory je často rovnaký ako v prípade moderátorov.

Chladiaca kvapalina

Teplo uvoľnené počas jadrovej reakcie sa odstraňuje pomocou chladiacej kvapaliny. Ako chladivo v jadrových reaktoroch sa často používa obyčajná prírodná voda, predtým čistená od rôznych nečistôt a plynov. Ale keďže voda vrie už pri teplote 100 0 C a tlaku 1 atm, za účelom zvýšenia bodu varu sa zvýši tlak v primárnom okruhu chladiva. Voda primárneho okruhu cirkulujúca cez jadro reaktora omýva palivové tyče, pričom sa zahrieva na teplotu 320 0 C. Potom vo výmenníku tepla odovzdáva teplo vode sekundárneho okruhu. Výmena prebieha cez teplovýmenné trubice, takže nedochádza ku kontaktu s vodou sekundárneho okruhu. Tým sa zabráni vstupu rádioaktívnych látok do druhého okruhu výmenníka tepla.

A potom sa všetko deje ako v tepelnej elektrárni. Voda v druhom okruhu sa mení na paru. Para roztáča turbínu, ktorá poháňa elektrický generátor, ktorý vyrába elektrický prúd.

V ťažkovodných reaktoroch je chladivom ťažká voda D2O a v reaktoroch s chladiacimi kvapalinami z tekutých kovov je to roztavený kov.

Systém riadenia reťazovej reakcie

Aktuálny stav reaktora charakterizuje veličina tzv reaktivita.

ρ = ( k -1)/ k ,

k = n i / n i -1 ,

Kde k - neutrónový multiplikačný faktor,

n i - počet neutrónov ďalšej generácie v reakcii jadrového štiepenia,

n i -1 , - počet neutrónov predchádzajúcej generácie v tej istej reakcii.

Ak k˃ 1 , reťazová reakcia rastie, systém sa nazýva nadkritické r. Ak k< 1 , reťazová reakcia zanikne a systém sa volá podkritické. O k = 1 reaktor je v stabilný kritický stav, keďže počet štiepnych jadier sa nemení. V tomto stave reaktivita ρ = 0 .

Kritický stav reaktora (požadovaný faktor násobenia neutrónov v jadrovom reaktore) sa udržiava pohybom ovládacie tyče. Materiál, z ktorého sú vyrobené, obsahuje látky absorbujúce neutróny. Vysunutím alebo zatlačením týchto tyčí do jadra sa riadi rýchlosť reakcie jadrového štiepenia.

Riadiaci systém zabezpečuje riadenie reaktora pri jeho spúšťaní, plánovanom odstavení, prevádzke na výkone, ako aj havarijnej ochrane jadrového reaktora. To sa dosiahne zmenou polohy ovládacích tyčí.

Ak sa niektorý z parametrov reaktora (teplota, tlak, rýchlosť nárastu výkonu, spotreba paliva atď.) odchyľuje od normy a môže to viesť k havárii, špeciálne núdzové tyče a jadrová reakcia sa rýchlo zastaví.

Zabezpečte, aby parametre reaktora vyhovovali normám systémy kontroly a radiačnej ochrany.

Na ochranu životného prostredia pred rádioaktívnym žiarením je reaktor umiestnený v hrubom betónovom plášti.

Systémy diaľkového ovládania

Všetky signály o stave jadrového reaktora (teplota chladiacej kvapaliny, úroveň radiácie v rôznych častiach reaktora atď.) sú odosielané do ovládacieho panelu reaktora a spracovávané v počítačových systémoch. Prevádzkovateľ dostane všetky potrebné informácie a odporúčania na odstránenie určitých odchýlok.

Rýchle reaktory

Rozdiel medzi reaktormi tohto typu a tepelnými neutrónovými reaktormi je v tom, že rýchle neutróny vznikajúce po rozpade uránu-235 nie sú spomalené, ale sú pohlcované uránom-238 s jeho následnou premenou na plutónium-239. Rýchle neutrónové reaktory sa preto používajú na výrobu plutónia-239 a tepelnej energie, ktorú generátory jadrových elektrární premieňajú na elektrickú energiu.

Jadrovým palivom v takýchto reaktoroch je urán-238 a surovinou je urán-235.

V prírodnej uránovej rude tvorí 99,2745 % urán-238. Keď je tepelný neutrón absorbovaný, neštiepi sa, ale stáva sa izotopom uránu-239.

Nejaký čas po β-rozpade sa urán-239 zmení na jadro neptúnia-239:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Po druhom β-rozpade sa vytvorí štiepne plutónium-239:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

A nakoniec, po alfa rozpade jadra plutónia-239 sa získa urán-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Palivové tyče so surovinami (obohatený urán-235) sú umiestnené v aktívnej zóne reaktora. Táto zóna je obklopená chovnou zónou, ktorá pozostáva z palivových tyčí s palivom (ochudobnený urán-238). Rýchle neutróny emitované z jadra po rozpade uránu-235 sú zachytené jadrami uránu-238. V dôsledku toho vzniká plutónium-239. Nové jadrové palivo sa teda vyrába v reaktoroch s rýchlymi neutrónmi.

Kvapalné kovy alebo ich zmesi sa používajú ako chladivá v jadrových reaktoroch s rýchlymi neutrónmi.

Klasifikácia a použitie jadrových reaktorov

Jadrové reaktory sa používajú najmä v jadrových elektrárňach. S ich pomocou sa elektrická a tepelná energia vyrába v priemyselnom meradle. Takéto reaktory sú tzv energie .

Jadrové reaktory sú široko používané v pohonných systémoch moderných jadrových ponoriek, povrchových lodí a vo vesmírnych technológiách. Zásobujú motory elektrickou energiou a sú tzv transportné reaktory .

Pre vedecký výskum v oblasti jadrovej fyziky a radiačnej chémie sa využívajú toky neutrónov a gama kvantá, ktoré sa získavajú v jadre výskumné reaktory. Energia nimi generovaná nepresahuje 100 MW a nevyužíva sa na priemyselné účely.

Moc experimentálne reaktory ešte menej. Dosahuje hodnotu len niekoľko kW. Tieto reaktory študujú rôzne fyzikálne veličiny, ktorých význam je dôležitý pri návrhu jadrových reakcií.

TO priemyselné reaktory zahŕňajú reaktory na výrobu rádioaktívnych izotopov používaných na lekárske účely, ako aj v rôznych oblastiach priemyslu a techniky. Reaktory na odsoľovanie morskej vody sú tiež klasifikované ako priemyselné reaktory.