Bir nükleer reaktörün reaksiyon hızı. Nükleer reaktör, çalışma prensibi, nükleer reaktörün çalışması

Nükleer enerji, elektrik üretmenin modern ve hızla gelişen bir yoludur. Nükleer santrallerin nasıl düzenlendiğini biliyor musunuz? Nükleer santralin çalışma prensibi nedir? Bugün ne tür nükleer reaktörler var? Bir nükleer santralin çalışma planını ayrıntılı olarak ele almaya çalışacağız, bir nükleer reaktörün yapısını inceleyeceğiz ve atomik elektrik üretme yönteminin ne kadar güvenli olduğunu öğreneceğiz.

Herhangi bir istasyon yerleşim alanından uzakta kapalı bir alandır. Kendi topraklarında birkaç bina var. En önemli bina reaktör binası, onun yanında ise reaktörün kontrol edildiği türbin salonu ve güvenlik binası bulunmaktadır.

Plan nükleer reaktör olmadan imkansızdır. Atomik (nükleer) reaktör, bu süreçte zorunlu enerji salınımı ile nötron fisyonunun zincirleme reaksiyonunu organize etmek için tasarlanmış bir nükleer santral cihazıdır. Peki nükleer santralin çalışma prensibi nedir?

Reaktör tesisinin tamamı, reaktörü gizleyen ve bir kaza durumunda nükleer reaksiyonun tüm ürünlerini içerecek olan büyük bir beton kule olan reaktör binasına yerleştirilmiştir. Bu büyük kuleye muhafaza, hermetik kabuk veya muhafaza denir.

Yeni reaktörlerdeki muhafaza bölgesi 2 kalın beton duvardan (kabuk) oluşuyor.
80 cm kalınlığındaki dış kabuk, muhafaza alanını dış etkenlerden korur.

1 metre 20 cm kalınlığındaki iç kabuğun cihazında betonun mukavemetini neredeyse üç kat artıran ve yapının parçalanmasına izin vermeyecek özel çelik halatlar bulunuyor. İç kısmı, muhafaza için ek koruma görevi görecek ve bir kaza durumunda reaktörün içeriğinin muhafaza alanı dışına çıkmasını önleyecek şekilde tasarlanmış ince bir özel çelik levha ile kaplanmıştır.

Böyle bir nükleer santral cihazı, 200 tona kadar ağırlığa sahip bir uçağın düşmesine, 8 büyüklüğünde bir depreme, kasırga ve tsunamiye dayanabilir.

İlk basınçlı muhafaza 1968 yılında Amerikan Connecticut Yankee nükleer santralinde inşa edildi.

Muhafaza alanının toplam yüksekliği 50-60 metredir.

Nükleer reaktör neyden yapılır?

Bir nükleer reaktörün çalışma prensibini ve dolayısıyla bir nükleer enerji santralinin çalışma prensibini anlamak için reaktörün bileşenlerini anlamanız gerekir.

  • aktif bölge. Nükleer yakıtın (ısı salıcı) ve moderatörün yerleştirildiği alandır. Yakıt atomları (çoğunlukla yakıt uranyumdur) bir fisyon zincirleme reaksiyonu gerçekleştirir. Moderatör, fisyon sürecini kontrol etmek için tasarlanmıştır ve hız ve güç açısından gereken reaksiyonu gerçekleştirmenize olanak tanır.
  • Nötron reflektörü. Reflektör aktif bölgeyi çevreler. Moderatörle aynı malzemeden oluşur. Aslında bu, asıl amacı nötronların çekirdekten ayrılarak çevreye karışmasını engellemek olan bir kutudur.
  • Soğutucu. Soğutucu, yakıt atomlarının bölünmesi sırasında açığa çıkan ısıyı emmeli ve diğer maddelere aktarmalıdır. Soğutucu büyük ölçüde bir nükleer santralin nasıl tasarlanacağını belirler. Günümüzde en popüler soğutucu sudur.
    Reaktör kontrol sistemi. Nükleer santral reaktörünü harekete geçiren sensörler ve mekanizmalar.

Nükleer santraller için yakıt

Nükleer santral ne işe yarar? Nükleer santraller için yakıt, radyoaktif özelliklere sahip kimyasal elementlerdir. Tüm nükleer santrallerde uranyum böyle bir elementtir.

İstasyonların tasarımı, nükleer santrallerin saf bir kimyasal elementle değil, karmaşık kompozit yakıtla çalıştığını ima ediyor. Ve nükleer reaktöre yüklenen doğal uranyumdan uranyum yakıtı çıkarmak için çok sayıda manipülasyon yapmanız gerekiyor.

Zenginleştirilmiş uranyum

Uranyum iki izotoptan oluşur, yani farklı kütlelere sahip çekirdekler içerir. Proton ve nötron izotop -235 ve izotop-238 sayısına göre adlandırıldılar. 20. yüzyılın araştırmacıları cevherden uranyum 235 çıkarmaya başladılar çünkü. ayrıştırmak ve dönüştürmek daha kolaydı. Doğada bu tür uranyumun yalnızca %0,7'sinin bulunduğu ortaya çıktı (kalan yüzdeler 238. izotopa gitti).

Bu durumda ne yapmalı? Uranyumu zenginleştirmeye karar verdiler. Uranyumun zenginleştirilmesi, içinde çok sayıda gerekli 235x izotopun bulunduğu ve çok az sayıda gereksiz 238x izotopun kaldığı bir süreçtir. Uranyum zenginleştiricilerin görevi %0,7'den neredeyse %100 uranyum-235 elde etmektir.

Uranyum iki teknoloji kullanılarak zenginleştirilebilir: gaz difüzyonu veya gaz santrifüjü. Kullanımları için cevherden çıkarılan uranyum gaz haline dönüştürülür. Gaz formunda zenginleştirilmiştir.

uranyum tozu

Zenginleştirilmiş uranyum gazı katı hal olan uranyum dioksite dönüştürülür. Bu saf katı uranyum 235, daha sonra uranyum tozuna ezilen büyük beyaz kristallere benziyor.

Uranyum tabletleri

Uranyum topakları birkaç santimetre uzunluğunda katı metal pullardır. Bu tür tabletleri uranyum tozundan kalıplamak için bir maddeyle (plastikleştirici) karıştırılır, tablet presleme kalitesini artırır.

Preslenmiş rondelalar, tabletlere özel güç ve yüksek sıcaklıklara dayanıklılık kazandırmak için 1200 santigrat derece sıcaklıkta bir günden fazla pişirilir. Bir nükleer santralin çalışma şekli doğrudan uranyum yakıtının ne kadar iyi sıkıştırılıp pişirildiğine bağlıdır.

Tabletler molibden kutularında pişirilir çünkü. yalnızca bu metal bir buçuk bin derecenin üzerindeki "cehennem" sıcaklıklarda erimeyebilir. Bundan sonra nükleer santraller için uranyum yakıtı hazır kabul ediliyor.

TVEL ve TVS nedir?

Reaktör çekirdeği, insan vücudundan 5 kat daha büyük, duvarlarında delikler bulunan (reaktör tipine bağlı olarak) devasa bir disk veya boruya benziyor. Bu delikler, atomları istenen reaksiyonu gerçekleştiren uranyum yakıtını içerir.

Tüm istasyonun patlamasını ve yakınlardaki birkaç eyalet için sonuçları olacak bir kazayı istemiyorsanız, bir reaktöre yakıt atmak imkansızdır. Bu nedenle uranyum yakıtı yakıt çubuklarına yerleştirilir ve ardından yakıt düzeneklerinde toplanır. Bu kısaltmalar ne anlama geliyor?

  • TVEL - yakıt elemanı (bunları üreten Rus şirketinin aynı adı ile karıştırılmamalıdır). Aslında bu, içine uranyum topaklarının yerleştirildiği, zirkonyum alaşımlarından yapılmış ince ve uzun bir zirkonyum tüptür. Uranyum atomlarının birbirleriyle etkileşime girmeye başladığı yer yakıt çubuklarıdır ve reaksiyon sırasında ısı açığa çıkar.

Zirkonyum, refrakterlik ve korozyon önleyici özelliklerinden dolayı yakıt çubuklarının üretimi için malzeme olarak seçilmiştir.

Yakıt elemanlarının tipi reaktörün tipine ve yapısına bağlıdır. Kural olarak yakıt çubuklarının yapısı ve amacı değişmez, tüpün uzunluğu ve genişliği farklı olabilir.

Makine, bir zirkonyum tüpüne 200'den fazla uranyum peleti yüklüyor. Toplamda yaklaşık 10 milyon uranyum peleti reaktörde aynı anda çalışıyor.
FA - yakıt tertibatı. Nükleer santral çalışanları yakıt montajlarını paketler olarak adlandırıyor.

Aslında bunlar birbirine bağlanan birkaç TVEL'dir. Yakıt düzenekleri, bir nükleer enerji santralinin çalıştığı hazır nükleer yakıttır. Bir nükleer reaktöre yüklenen yakıt düzenekleridir. Bir reaktöre yaklaşık 150-400 yakıt grubu yerleştirilmiştir.
Yakıt grubunun hangi reaktörde çalışacağına bağlı olarak farklı şekillerde olurlar. Bazen demetler kübik, bazen silindirik, bazen de altıgen şeklinde katlanır.

4 yıllık çalışma boyunca bir yakıt tertibatı, 670 vagon kömür, 730 tank doğalgaz veya 900 tank petrol yüklü yakıldığında elde edilen enerjinin aynısını üretiyor.
Günümüzde yakıt düzenekleri ağırlıklı olarak Rusya, Fransa, ABD ve Japonya'daki fabrikalarda üretilmektedir.

Nükleer santraller için yakıtın diğer ülkelere dağıtılması için yakıt düzenekleri uzun ve geniş metal borulara kapatılır, borulardan hava pompalanır ve özel makinelerle kargo uçaklarına teslim edilir.

Nükleer santraller için nükleer yakıt fahiş derecede ağırdır, tk. uranyum gezegendeki en ağır metallerden biridir. Özgül ağırlığı çeliğin 2,5 katıdır.

Nükleer santral: çalışma prensibi

Nükleer santralin çalışma prensibi nedir? Nükleer santrallerin çalışma prensibi, radyoaktif bir madde olan uranyumun atomlarının fisyonunun zincirleme reaksiyonuna dayanmaktadır. Bu reaksiyon bir nükleer reaktörün çekirdeğinde gerçekleşir.

BİLİNMESİ ÖNEMLİDİR:

Nükleer fiziğin inceliklerine girmezseniz, nükleer santralin çalışma prensibi şöyle görünür:
Nükleer reaktör çalıştırıldıktan sonra, uranyumun reaksiyona girmesini önleyen emici çubuklar yakıt çubuklarından çıkarılır.

Çubuklar çıkarıldığı anda uranyum nötronları birbirleriyle etkileşime girmeye başlar.

Nötronlar çarpıştığında atom seviyesinde mini bir patlama meydana gelir, enerji açığa çıkar ve yeni nötronlar doğar, zincirleme bir reaksiyon oluşmaya başlar. Bu işlem ısı açığa çıkarır.

Isı soğutucuya aktarılır. Soğutucunun türüne bağlı olarak türbini döndüren buhar veya gaza dönüşür.

Türbin bir elektrik jeneratörünü çalıştırır. Aslında elektriği üreten odur.

Süreci takip etmezseniz, uranyum nötronları, reaktör havaya uçuncaya ve tüm nükleer santral paramparça olana kadar birbirleriyle çarpışabilir. Bilgisayar sensörleri süreci kontrol eder. Reaktördeki sıcaklık artışını veya basınç değişikliğini tespit ederler ve reaksiyonları otomatik olarak durdurabilirler.

Nükleer santrallerin çalışma prensibi ile termik santrallerin (termik santraller) çalışma prensibi arasındaki fark nedir?

İş farklılıkları yalnızca ilk aşamalardadır. Nükleer santrallerde soğutucu, uranyum yakıt atomlarının fisyonundan ısı alır, termik santrallerde soğutucu, organik yakıtın (kömür, gaz veya petrol) yanmasından ısı alır. Uranyum atomları ya da kömürlü gaz ısı açığa çıkardıktan sonra nükleer santraller ile termik santrallerin çalışma şemaları aynıdır.

Nükleer reaktör türleri

Bir nükleer santralin nasıl çalışacağı, nükleer reaktörün nasıl çalıştığına bağlıdır. Günümüzde nöron spektrumuna göre sınıflandırılan iki ana tip reaktör vardır:
Yavaş nötron reaktörüne termal reaktör de denir.

Operasyonu için zenginleştirme, uranyum tabletlerinin oluşturulması vb. Aşamalardan geçen 235 uranyum kullanılır. Günümüzde yavaş nötron reaktörleri büyük çoğunluktadır.
Hızlı nötron reaktörü.

Bu reaktörler gelecek çünkü doğada on kuruş olan uranyum-238 üzerinde çalışıyorlar ve bu elementin zenginleştirilmesine gerek yok. Bu tür reaktörlerin dezavantajı yalnızca tasarım, inşaat ve fırlatma maliyetlerinin çok yüksek olmasıdır. Bugün hızlı nötron reaktörleri yalnızca Rusya'da çalışıyor.

Hızlı nötron reaktörlerindeki soğutucu, cıva, gaz, sodyum veya kurşundur.

Günümüzde dünyadaki tüm nükleer santrallerin kullandığı yavaş nötron reaktörlerinin de çeşitli türleri bulunmaktadır.

IAEA organizasyonu (Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı), dünya nükleer endüstrisinde en sık kullanılan kendi sınıflandırmasını oluşturmuştur. Bir nükleer santralin çalışma prensibi büyük ölçüde soğutucu ve moderatörün seçimine bağlı olduğundan, UAEK sınıflandırmasını bu farklılıklara dayandırmıştır.


Kimyasal açıdan bakıldığında döteryum oksit ideal bir moderatör ve soğutucudur çünkü atomları diğer maddelere kıyasla uranyumun nötronlarıyla en etkili şekilde etkileşime girer. Basitçe söylemek gerekirse, ağır su görevini minimum kayıp ve maksimum sonuçla yerine getirir. Ancak üretimi paraya mal olurken, bizim için olağan "hafif" ve tanıdık suyu kullanmak çok daha kolaydır.

Nükleer reaktörler hakkında birkaç gerçek...

Bir nükleer santral reaktörünün en az 3 yıllığına inşa edilmesi ilginç!
Reaktör inşa etmek için 210 kilo amperlik elektrik akımıyla çalışan ekipmanlara ihtiyacınız var ki bu, bir insanı öldürebilecek akımın milyon katıdır.

Bir nükleer reaktörün bir kabuğu (yapısal elemanı) 150 ton ağırlığındadır. Bir reaktörde bu tür 6 element vardır.

Basınçlı su reaktörü

Nükleer santralin genel olarak nasıl çalıştığını zaten öğrendik, "çözmek" için en popüler basınçlı nükleer reaktörün nasıl çalıştığını görelim.
Bugün dünyanın her yerinde 3+ nesil basınçlı su reaktörleri kullanılıyor. En güvenilir ve güvenli olarak kabul edilirler.

Dünyadaki tüm basınçlı su reaktörleri toplam olarak çalıştıkları yıllar boyunca toplamda 1000 yıldan fazla sorunsuz çalışma kazanmayı başarmış ve hiçbir zaman ciddi sapmalar vermemiştir.

Nükleer santrallerin basınçlı su reaktörlerine dayanan yapısı, 320 dereceye kadar ısıtılan yakıt çubukları arasında damıtılmış suyun dolaştığını ima ediyor. Buhar durumuna geçmesini önlemek için 160 atmosfer basınç altında tutulur. NPP şeması buna birincil su diyor.

Isıtılan su buhar jeneratörüne girer ve ısısını ikincil devrenin suyuna verir, ardından tekrar reaktöre "geri döner". Dışarıdan, birincil su devresinin boruları diğer borularla temas halinde gibi görünüyor - ikinci devrenin suyu, birbirlerine ısı aktarıyorlar, ancak sular temas etmiyor. Tüpler temas halindedir.

Böylece, elektrik üretme sürecine daha fazla katılacak olan ikincil devrenin suyuna radyasyon girme olasılığı ortadan kaldırılmıştır.

Nükleer santral güvenliği

Nükleer santrallerin çalışma prensibini öğrendikten sonra güvenliğin nasıl düzenlendiğini anlamalıyız. Günümüzde nükleer santrallerin tasarımı güvenlik kurallarına daha fazla dikkat edilmesini gerektirmektedir.
Nükleer santral güvenliğinin maliyeti, santralin toplam maliyetinin yaklaşık %40'ını oluşturmaktadır.

NPP şeması radyoaktif maddelerin salınmasını önleyen 4 fiziksel bariyer içermektedir. Bu engeller ne işe yarayacak? Doğru zamanda nükleer reaksiyonu durdurabilmeli, çekirdekten ve reaktörün kendisinden sürekli ısı uzaklaştırılmasını sağlayabilmeli ve radyonüklitlerin muhafazadan (muhafaza bölgesi) salınmasını önleyebilmelidir.

  • İlk engel uranyum peletlerinin gücüdür. Bir nükleer reaktörde yüksek sıcaklıkların etkisi altında çökmemeleri önemlidir. Birçok yönden bir nükleer enerji santralinin nasıl çalışacağı, üretimin ilk aşamasında uranyum peletlerinin nasıl "pişirildiğine" bağlıdır. Uranyum yakıt peletlerinin yanlış pişirilmesi durumunda, reaktördeki uranyum atomlarının reaksiyonları öngörülemez olacaktır.
  • İkinci engel ise yakıt çubuklarının sıkılığıdır. Zirkonyum tüpler sıkıca kapatılmalıdır, eğer sızdırmazlık bozulursa, en iyi ihtimalle reaktör hasar görür ve iş durur, en kötü ihtimalle her şey havaya uçar.
  • Üçüncü bariyer ise güçlü bir çelik reaktör kabıdır. a, (aynı büyük kule - bir muhafaza alanı) tüm radyoaktif süreçleri kendi içinde "tutuyor". Gövde hasar gördü - atmosfere radyasyon yayılacak.
  • Dördüncü bariyer acil koruma çubuklarıdır. Aktif bölgenin üzerinde, tüm nötronları 2 saniyede emebilen ve zincirleme reaksiyonu durdurabilen mıknatıslar üzerinde moderatörlü çubuklar asılıdır.

Pek çok koruma derecesine sahip bir nükleer santral inşa edilmesine rağmen reaktör çekirdeğinin doğru zamanda soğutulması mümkün olmazsa ve yakıt sıcaklığı 2600 dereceye çıkarsa güvenlik sisteminin son umudu devreye giriyor - sözde erime tuzağı.

Gerçek şu ki, böyle bir sıcaklıkta reaktör kabının tabanı eriyecek ve nükleer yakıtın ve erimiş yapıların tüm kalıntıları, reaktör çekirdeğinin üzerinde asılı duran özel bir "cam" içine akacaktır.

Eriyik kapanı soğutulur ve refrakterdir. Fisyon zincirleme reaksiyonunu kademeli olarak durduran sözde "kurban malzeme" ile doldurulur.

Bu nedenle, nükleer santral planı, herhangi bir kaza olasılığını neredeyse tamamen ortadan kaldıran çeşitli koruma dereceleri anlamına gelir.

Cihaz ve çalışma prensibi, kendi kendini idame ettiren bir nükleer reaksiyonun başlatılmasına ve kontrolüne dayanmaktadır. Radyoaktif izotopların üretiminde araştırma aracı olarak ve nükleer santraller için enerji kaynağı olarak kullanılır.

çalışma prensibi (kısaca)

Burada ağır bir çekirdeğin iki küçük parçaya bölündüğü bir süreç kullanılıyor. Bu parçalar oldukça heyecanlı bir durumdadır ve nötronlar, diğer atom altı parçacıklar ve fotonlar yayar. Nötronlar yeni fisyonlara neden olabilir ve bunun sonucunda daha fazla nötron yayılır ve bu böyle devam eder. Kendi kendine devam eden bu tür sürekli bölünmelere zincirleme reaksiyon denir. Bu durumda nükleer santrallerin kullanılmasının amacı üretimi olan büyük miktarda enerji açığa çıkar.

Bir nükleer reaktörün çalışma prensibi, reaksiyonun başlamasından sonra çok kısa bir süre içinde fisyon enerjisinin yaklaşık% 85'inin serbest bırakılması şeklindedir. Geri kalanı, nötron yaydıktan sonra fisyon ürünlerinin radyoaktif bozunması ile üretilir. Radyoaktif bozunma, bir atomun daha kararlı bir duruma ulaştığı süreçtir. Bölünme tamamlandıktan sonra da devam eder.

Bir atom bombasında zincirleme reaksiyonun yoğunluğu, malzemenin çoğu parçalanıncaya kadar artar. Bu çok hızlı gerçekleşir ve bu tür bombaların karakteristik özelliği olan son derece güçlü patlamalara neden olur. Bir nükleer reaktörün cihazı ve çalışma prensibi, zincirleme reaksiyonun kontrollü, neredeyse sabit bir seviyede tutulmasına dayanmaktadır. Atom bombası gibi patlamayacak şekilde tasarlanmıştır.

Zincirleme reaksiyon ve kritiklik

Bir nükleer fisyon reaktörünün fiziği, zincirleme reaksiyonun, nötronların emisyonundan sonra nükleer fisyon olasılığına göre belirlenmesidir. İkincisinin popülasyonu azalırsa, fisyon oranı sonunda sıfıra düşecektir. Bu durumda reaktör kritik altı durumda olacaktır. Nötron popülasyonu sabit bir seviyede tutulursa fisyon hızı da sabit kalacaktır. Reaktör kritik durumda olacak. Ve son olarak, eğer nötron popülasyonu zamanla artarsa, fisyon hızı ve gücü de artacaktır. Çekirdeğin durumu süperkritik hale gelecektir.

Bir nükleer reaktörün çalışma prensibi aşağıdaki gibidir. Fırlatılmadan önce nötron popülasyonu sıfıra yakındı. Operatörler daha sonra kontrol çubuklarını çekirdekten çıkararak nükleer fisyonu artırır ve bu da reaktörü geçici olarak süperkritik bir duruma sokar. Nominal güce ulaştıktan sonra operatörler, nötron sayısını ayarlayarak kontrol çubuklarını kısmen geri getirir. Gelecekte reaktör kritik durumda tutulacak. Durdurulması gerektiğinde operatörler çubukları tamamen yerleştirir. Bu, fisyonu bastırır ve çekirdeği kritik olmayan bir duruma getirir.

Reaktör türleri

Dünyadaki nükleer tesislerin çoğu enerji üretiyor ve elektrik enerjisi jeneratörlerini çalıştıran türbinleri döndürmek için gereken ısıyı üretiyor. Ayrıca birçok araştırma reaktörü var ve bazı ülkelerin nükleer enerjiyle çalışan denizaltıları veya yüzey gemileri var.

Enerji santralleri

Bu tip reaktörlerin çeşitli türleri vardır, ancak hafif su tasarımı geniş uygulama alanı bulmuştur. Buna karşılık basınçlı su veya kaynar su kullanabilir. İlk durumda, yüksek basınç altındaki sıvı, çekirdeğin ısısıyla ısıtılır ve buhar jeneratörüne girer. Burada, birincil devreden gelen ısı, içinde su da bulunan ikincil devreye aktarılır. Sonuçta üretilen buhar, buhar türbini çevriminde çalışma sıvısı görevi görür.

Kaynama tipi reaktör, doğrudan enerji döngüsü prensibiyle çalışır. Aktif bölgeden geçen su ortalama basınç seviyesinde kaynatılır. Doymuş buhar, reaktör kabında bulunan bir dizi ayırıcı ve kurutucudan geçerek onu aşırı ısınmış bir duruma getirir. Aşırı ısıtılmış su buharı daha sonra türbini döndürmek için çalışma sıvısı olarak kullanılır.

Yüksek sıcaklıkta gaz soğutmalı

Yüksek sıcaklıkta gaz soğutmalı reaktör (HTGR), çalışma prensibi yakıt olarak grafit ve yakıt mikrokürelerinden oluşan bir karışımın kullanılmasına dayanan bir nükleer reaktördür. İki rakip tasarım var:

  • bir grafit kabuk içinde grafit ve yakıt karışımı olan 60 mm'lik küresel yakıt elemanlarını kullanan Alman "doldurma" sistemi;
  • Aktif bir bölge oluşturmak üzere birbirine kenetlenen grafit altıgen prizmalar biçimindeki bir Amerikan versiyonu.

Her iki durumda da soğutucu, yaklaşık 100 atmosfer basınçta helyumdan oluşur. Alman sisteminde helyum, küresel yakıt elemanları katmanındaki boşluklardan ve Amerikan sisteminde, reaktörün merkezi bölgesinin ekseni boyunca yer alan grafit prizmalardaki deliklerden geçer. Her iki seçenek de çok yüksek sıcaklıklarda çalışabilir; çünkü grafit son derece yüksek bir süblimleşme sıcaklığına sahipken helyum kimyasal olarak tamamen inerttir. Sıcak helyum, yüksek sıcaklıkta bir gaz türbininde doğrudan çalışma sıvısı olarak kullanılabilir veya ısısı, su döngüsü buharı üretmek için kullanılabilir.

Sıvı metal ve çalışma prensibi

Sodyum soğutmalı hızlı nötron reaktörleri 1960'larda ve 1970'lerde büyük ilgi gördü. Daha sonra hızla gelişen nükleer endüstri için yakıt üretimi için yakın gelecekte üreme yeteneklerinin gerekli olduğu görüldü. 1980'lerde bu beklentinin gerçekçi olmadığı ortaya çıkınca heyecan söndü. Ancak ABD, Rusya, Fransa, İngiltere, Japonya ve Almanya'da bu türden çok sayıda reaktör inşa edildi. Çoğu uranyum dioksit veya bunun plütonyum dioksitle karışımıyla çalışıyor. Ancak Amerika Birleşik Devletleri'nde en büyük başarı metalik itici gazlarla elde edildi.

CANDU

Kanada, çabalarını doğal uranyum kullanan reaktörlere odakladı. Bu, zenginleştirilmesinin diğer ülkelerin hizmetlerine başvurma ihtiyacını ortadan kaldırır. Bu politikanın sonucu döteryum-uranyum reaktörü (CANDU) oldu. İçerisindeki kontrol ve soğutma ağır su ile gerçekleştirilir. Bir nükleer reaktörün cihazı ve çalışma prensibi, atmosferik basınçta soğuk D2O içeren bir tank kullanmaktır. Çekirdek, doğal uranyum yakıtlı zirkonyum alaşımından yapılmış borularla deliniyor ve bu borular aracılığıyla ağır su onu soğutuyor. Elektrik, ağır sudaki fisyon ısısının buhar jeneratörü boyunca dolaşan soğutucuya aktarılmasıyla üretilir. İkincil devredeki buhar daha sonra geleneksel bir türbin döngüsünden geçer.

Araştırma tesisleri

Bilimsel araştırma için, çalışma prensibi su soğutmalı ve katmanlı uranyum yakıt elemanlarının düzenekler halinde kullanılması olan bir nükleer reaktör en sık kullanılır. Birkaç kilowatt'tan yüzlerce megawatt'a kadar geniş bir güç aralığında çalışabilme kapasitesine sahiptir. Güç üretimi araştırma reaktörlerinin ana görevi olmadığından, çekirdekteki nötronların üretilen termal enerjisi, yoğunluğu ve nominal enerjisi ile karakterize edilirler. Bir araştırma reaktörünün spesifik araştırmaları yürütme yeteneğinin ölçülmesine yardımcı olan bu parametrelerdir. Düşük güçlü sistemler genellikle üniversitelerde öğretim amacıyla kullanılırken, araştırma laboratuvarlarında malzeme ve performans testleri ve genel araştırmalar için yüksek güce ihtiyaç duyulur.

Yapısı ve çalışma prensibi aşağıdaki gibi olan en yaygın araştırma nükleer reaktörüdür. Aktif bölgesi büyük, derin bir su havuzunun dibinde bulunur. Bu, nötron ışınlarının yönlendirilebileceği kanalların gözlemlenmesini ve yerleştirilmesini kolaylaştırır. Düşük güç seviyelerinde, soğutucunun doğal taşınımı, güvenli bir çalışma koşulunu sürdürmek için yeterli ısı dağılımı sağladığından, soğutucunun boşaltılmasına gerek yoktur. Isı eşanjörü genellikle sıcak suyun biriktiği havuzun yüzeyinde veya tepesinde bulunur.

Gemi kurulumları

Nükleer reaktörlerin orijinal ve ana uygulaması denizaltılarda kullanılmasıdır. Başlıca avantajları fosil yakıtlı yakma sistemlerinden farklı olarak elektrik üretmek için havaya ihtiyaç duymamalarıdır. Bu nedenle, bir nükleer denizaltı uzun süre su altında kalabilirken, geleneksel bir dizel-elektrik denizaltının motorlarını havada çalıştırmak için periyodik olarak yüzeye çıkması gerekir. askeri gemilere stratejik avantaj sağlar. Bu sayede yabancı limanlarda veya kolayca saldırıya uğrayan tankerlerden yakıt ikmali yapmaya gerek kalmıyor.

Bir denizaltıdaki nükleer reaktörün çalışma prensibi sınıflandırılmıştır. Ancak ABD'de yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum kullanıldığı, yavaşlatma ve soğutmanın hafif su ile yapıldığı biliniyor. Nükleer denizaltı USS Nautilus'un ilk reaktörünün tasarımı, güçlü araştırma tesislerinden büyük ölçüde etkilenmiştir. Benzersiz özellikleri arasında, yakıt ikmali gerektirmeden uzun bir çalışma süresi ve kapatma sonrasında yeniden başlama olanağı sağlayan çok büyük bir reaktivite marjı bulunmaktadır. Denizaltılardaki güç istasyonunun tespit edilmemesi için çok sessiz olması gerekiyor. Farklı denizaltı sınıflarının özel ihtiyaçlarını karşılamak için farklı enerji santrali modelleri oluşturuldu.

ABD Donanması'nın uçak gemileri, prensibinin en büyük denizaltılardan ödünç alındığına inanılan bir nükleer reaktör kullanıyor. Tasarımlarının ayrıntıları da yayınlanmadı.

ABD'nin yanı sıra İngiltere, Fransa, Rusya, Çin ve Hindistan'ın da nükleer denizaltıları var. Her durumda tasarım açıklanmadı, ancak hepsinin çok benzer olduğuna inanılıyor - bu, teknik özellikleriyle ilgili aynı gereksinimlerin bir sonucudur. Rusya'nın ayrıca Sovyet denizaltılarıyla aynı reaktörlerle donatılmış küçük bir filosu var.

Endüstriyel tesisler

Üretim amacıyla, çalışma prensibi düşük enerji üretimi ile yüksek verimlilik olan bir nükleer reaktör kullanılır. Bunun nedeni, plütonyumun çekirdekte uzun süre kalmasının istenmeyen 240 Pu birikmesine yol açmasıdır.

Trityum üretimi

Şu anda, trityum (3H veya T) bu tür sistemler tarafından üretilen ana malzemedir - Plütonyum-239'un şarjı 24.100 yıllık uzun bir yarı ömre sahiptir, dolayısıyla bu elementi kullanan nükleer silah cephaneliğine sahip ülkeler daha fazla yüke sahip olma eğilimindedir. gereğinden fazla. 239 Pu'nun aksine trityumun yarı ömrü yaklaşık 12 yıldır. Bu nedenle, gerekli kaynakları sağlamak için hidrojenin bu radyoaktif izotopunun sürekli olarak üretilmesi gerekir. Örneğin Amerika Birleşik Devletleri'nde, Güney Carolina'daki Savannah Nehri, trityum üreten birçok ağır su reaktörünü işletiyor.

Yüzer güç üniteleri

Uzak izole alanlara elektrik ve buharla ısıtma sağlayabilen nükleer reaktörler oluşturuldu. Örneğin Rusya'da, özellikle Arktik topluluklara hizmet etmek için tasarlanmış küçük enerji santralleri kullanım alanı buldu. Çin'de 10 MW'lık bir HTR-10 tesisi, bulunduğu araştırma enstitüsüne ısı ve elektrik sağlıyor. İsveç ve Kanada'da da benzer yeteneklere sahip küçük kontrollü reaktörler geliştiriliyor. 1960 ile 1972 yılları arasında ABD Ordusu, Grönland ve Antarktika'daki uzak üslere güç sağlamak için kompakt su reaktörleri kullandı. Bunların yerini petrol yakıtlı enerji santralleri aldı.

Uzay araştırması

Ayrıca uzayda güç temini ve hareket için reaktörler geliştirildi. 1967 ile 1988 yılları arasında Sovyetler Birliği, ekipman ve telemetriye güç sağlamak için Kosmos uydularına küçük nükleer tesisler kurdu, ancak bu politika eleştirilerin hedefi haline geldi. Bu uydulardan en az biri Dünya atmosferine girerek Kanada'nın uzak bölgelerinde radyoaktif kirlenmeye neden oldu. Amerika Birleşik Devletleri 1965'te yalnızca bir nükleer enerjili uydu fırlattı. Ancak bunların derin uzay uçuşlarında, diğer gezegenlerin insanlı keşiflerinde veya kalıcı bir ay üssünde kullanılmasına yönelik projeler geliştirilmeye devam ediyor. Radyatörün boyutunu en aza indirmek için gerekli olan mümkün olan en yüksek sıcaklığı sağlayacak fiziksel prensiplere sahip, mutlaka gaz soğutmalı veya sıvı metal bir nükleer reaktör olacaktır. Ek olarak, uzay aracı reaktörü, koruma için kullanılan malzeme miktarını en aza indirmek ve fırlatma ve uzay uçuşu sırasında ağırlığı azaltmak için mümkün olduğu kadar kompakt olmalıdır. Yakıt tedariği, reaktörün uzay uçuşunun tamamı boyunca çalışmasını sağlayacaktır.

I. Nükleer reaktörün tasarımı

Bir nükleer reaktör aşağıdaki beş ana unsurdan oluşur:

1) nükleer yakıt;

2) nötron moderatörü;

3) düzenleyici sistemler;

4) soğutma sistemleri;

5) koruyucu ekran.

1. Nükleer yakıt.

Nükleer yakıt bir enerji kaynağıdır. Şu anda üç tip bölünebilir malzeme bilinmektedir:

a) Doğal uranyumda %0,7 veya 1/140 kısım olan uranyum 235;

6) bazı reaktörlerde uranyum 238 temelinde oluşturulan plütonyum 239, doğal uranyumun neredeyse tüm kütlesini (% 99,3 veya 139/140 kısım) oluşturur.

Nötronları yakalayan uranyum 238'in çekirdekleri, Mendeleev'in periyodik sisteminin 93. elementi olan neptunyum çekirdeklerine dönüşür; ikincisi ise periyodik sistemin 94. elementi olan plütonyum çekirdeğine dönüşür. Plütonyum, ışınlanmış uranyumdan kimyasal yollarla kolayca çıkarılır ve nükleer yakıt olarak kullanılabilir;

c) toryumdan elde edilen uranyumun yapay bir izotopu olan uranyum 233.

Doğal uranyumda bulunan uranyum 235'ten farklı olarak plütonyum 239 ve uranyum 233 yalnızca yapay olarak üretilir. Bu nedenle ikincil nükleer yakıt olarak adlandırılırlar; uranyum 238 ve toryum 232 bu yakıtın kaynağıdır.

Dolayısıyla yukarıda sıralanan tüm nükleer yakıt türleri arasında en önemlisi uranyumdur. Bu, tüm ülkelerde uranyum yataklarının araştırılması ve araştırılmasının muazzam kapsamını açıklıyor.

Bir nükleer reaktörde açığa çıkan enerji bazen kimyasal yanma reaksiyonunda açığa çıkan enerjiyle karşılaştırılır. Ancak aralarında temel bir fark var.

Uranyumun bölünmesi sürecinde elde edilen ısı miktarı, örneğin kömürün yakılmasıyla elde edilen ısı miktarından ölçülemeyecek kadar fazladır: Hacim olarak bir paket sigaraya eşit 1 kg uranyum 235, teorik olarak aynı miktarda enerji sağlayabilir. 2600 ton kömür.

Ancak uranyum-235'in tamamı doğal uranyumdan ayrılamadığı için bu enerji olanaklarından tam olarak yararlanılamamaktadır. Sonuç olarak 1 kg uranyum, uranyum 235 ile zenginleştirilme derecesine bağlı olarak şu anda yaklaşık 10 ton kömüre eşdeğerdir. Ancak nükleer yakıt kullanımının taşımayı kolaylaştırdığı ve dolayısıyla yakıt maliyetini önemli ölçüde azalttığı dikkate alınmalıdır. İngiliz uzmanlar, uranyumu zenginleştirerek reaktörlere alınan ısıyı 10 kat artırabileceklerini, bunun da 1 ton uranyumun 100.000 ton kömüre eşit olacağını hesapladı.

Isı açığa çıkmasıyla ilerleyen nükleer fisyon süreci ile kimyasal yanma arasındaki ikinci fark, yanma reaksiyonu için oksijene ihtiyaç duyulurken, sadece birkaç nötron ve kritik kütleye eşit belirli bir nükleer yakıt kütlesinin bulunmasıdır. Tanımladığımız tanım, bir zincirleme reaksiyonu başlatmak için gerekli olan atom bombası bölümünde zaten verilmiştir.

Ve son olarak, görünmez nükleer fisyon sürecine, koruma sağlanması gereken son derece zararlı radyasyonun emisyonu eşlik ediyor.

2. Nötron moderatörü.

Çürüme ürünlerinin reaktörde yayılmasını önlemek için nükleer yakıtın özel kabuklara yerleştirilmesi gerekir. Bu tür kabukların üretimi için alüminyum kullanılabilir (soğutucunun sıcaklığı 200 ° 'yi geçmemelidir) ve daha da iyisi berilyum veya zirkonyum - saf haliyle hazırlanması büyük zorluklarla ilişkilendirilen yeni metaller kullanılabilir.

Nükleer fisyon sürecinde oluşan nötronlar (ağır bir elementin bir çekirdeğinin bölünmesi sırasında ortalama 2-3 nötron) belli bir enerjiye sahiptir. Diğer çekirdeklerin nötronları tarafından fisyon olasılığının en yüksek olması ve bu olmadan reaksiyonun kendi kendine devam edememesi için, bu nötronların hızlarının bir kısmını kaybetmesi gerekir. Bu, reaktöre, ardışık çok sayıda çarpışma sonucunda hızlı nötronların yavaş nötronlara dönüştüğü bir moderatörün yerleştirilmesiyle elde edilir. Moderatör olarak kullanılan maddenin yaklaşık olarak nötronların kütlesine eşit kütleye sahip çekirdeklere, yani hafif elementlerin çekirdeklerine sahip olması gerektiğinden, en başından beri moderatör olarak ağır su kullanılmıştır (D 2 0, burada D döteryumdur). , sıradan su H 2 0'daki hafif hidrojenin yerini aldı). Ancak şimdi giderek daha fazla grafit kullanmaya çalışıyorlar - daha ucuz ve neredeyse aynı etkiyi veriyor.

İsveç'te satın alınan bir ton ağır suyun maliyeti 70-80 milyon franktır. Atom Enerjisinin Barışçıl Kullanımına ilişkin Cenevre Konferansı'nda Amerikalılar, yakında ağır suyu ton başına 22 milyon franka satabileceklerini duyurdular.

Bir ton grafit 400.000 franka, bir ton berilyum oksit ise 20 milyon franka mal oluyor.

Moderatör olarak kullanılan malzemenin, nötronların moderatörden geçerken kaybını önlemek için saf olması gerekir. Koşunun sonunda nötronların ortalama hızı 2200 m/sn civarındayken, başlangıç ​​hızları 20 bin km/sn civarındaydı. Reaktörlerde, ısının salınımı kademeli olarak gerçekleşir ve kontrol edilebilir; atom bombasının aksine, anında meydana gelir ve patlama karakterini alır.

Bazı hızlı nötron reaktörü tipleri moderatör gerektirmez.

3. Düzenleyici sistem.

Bir kişi nükleer bir reaksiyonu kendi isteğiyle başlatabilmeli, düzenleyebilmeli ve durdurabilmelidir. Bu, nötronları absorbe etme kabiliyetine sahip bor çeliği veya kadmiyumdan yapılmış kontrol çubukları kullanılarak elde edilir. Kontrol çubuklarının reaktöre indirildiği derinliğe bağlı olarak çekirdekteki nötronların sayısı artar veya azalır, bu da sonuçta sürecin kontrol edilmesini mümkün kılar. Kontrol çubukları servomekanizmalar tarafından otomatik olarak kontrol edilir; bu çubuklardan bazıları tehlike durumunda anında çekirdeğe düşebilir.

İlk başta reaktörün patlamasının atom bombasının patlamasıyla aynı hasara neden olacağı yönünde korkular dile getirildi. Bir reaktör patlamasının yalnızca olağandan farklı koşullar altında meydana geldiğini ve nükleer santral çevresinde yaşayan nüfus için ciddi bir tehlike oluşturmadığını kanıtlamak için Amerikalılar, sözde "kaynayan" reaktörü kasıtlı olarak havaya uçurdu. Nitekim “klasik”, yani nükleer olmayan olarak nitelendirebileceğimiz bir patlama yaşandı; bu bir kez daha nükleer reaktörlerin nüfuslu bölgelerin yakınına, nüfusa yönelik herhangi bir özel tehlike olmaksızın inşa edilebileceğini kanıtlıyor.

4. Soğutma sistemi.

Nükleer fisyon sürecinde, bozunma ürünlerine ve ortaya çıkan nötronlara aktarılan belirli bir enerji açığa çıkar. Bu enerji, nötronların sayısız çarpışması sonucu termal enerjiye dönüşür, bu nedenle hızlı bir reaktör arızasını önlemek için ısının uzaklaştırılması gerekir. Radyoaktif izotop üretmek üzere tasarlanan reaktörlerde bu ısı kullanılmazken, enerji üretmek üzere tasarlanan reaktörlerde ise tam tersine ana ürün haline gelir. Soğutma, özel tüpler aracılığıyla reaktörde basınç altında dolaşan ve daha sonra bir ısı eşanjöründe soğutulan gaz veya su kullanılarak gerçekleştirilebilir. Açığa çıkan ısı, jeneratöre bağlı türbini döndüren buharı ısıtmak için kullanılabilir; böyle bir cihaz nükleer enerji santrali olacaktır.

5. Koruyucu ekran.

Reaktörden dışarı fırlayabilecek nötronların zararlı etkilerinden kaçınmak ve reaksiyon sırasında yayılan gama radyasyonundan kendinizi korumak için güvenilir koruma gereklidir. Bilim adamları, 100 bin kW kapasiteli bir reaktörün, kendisine 100 m mesafede bulunan bir kişinin 2 dakika içinde alacağı miktarda radyoaktif radyasyon yaydığını hesapladılar. öldürücü doz. Reaktöre hizmet veren personelin korunmasını sağlamak için kurşun levhalı özel betondan iki metrelik duvarlar inşa edildi.

İlk reaktör Aralık 1942'de İtalyan Fermi tarafından inşa edildi. 1955 yılı sonu itibarıyla dünyada 50'ye yakın nükleer reaktör mevcuttu (ABD -2 1, İngiltere - 4, Kanada - 2, Fransa - 2). Buna, 1956'nın başlarında araştırma ve endüstriyel amaçlar için yaklaşık 50 reaktörün daha tasarlandığını eklemek gerekir (ABD - 23, Fransa - 4, İngiltere - 3, Kanada - 1).

Bu reaktörlerin türleri, yakıt olarak grafit moderatörlü ve doğal uranyumlu yavaş nötron reaktörlerinden, plütonyumla zenginleştirilmiş uranyum veya yakıt olarak toryumdan yapay olarak elde edilen uranyum 233'ü kullanan hızlı nötron reaktörlerine kadar çok çeşitlidir.

Bu iki karşıt tipe ek olarak, nükleer yakıtın bileşimi, moderatörün türü veya soğutucu akışkan bakımından birbirinden farklı olan çok sayıda reaktör vardır.

Şunu da belirtmek gerekir ki, konunun teorik tarafı artık tüm ülkelerdeki uzmanlar tarafından iyi bir şekilde çalışılıyor olsa da, pratik alanda farklı ülkeler henüz aynı seviyeye ulaşamamıştır. ABD ve Rusya diğer ülkelerin önünde yer alıyor. Atom enerjisinin geleceğinin büyük ölçüde teknolojinin ilerlemesine bağlı olacağı ileri sürülebilir.

Atom Çekirdeğinin İçindeki Muhteşem Dünya kitabından [okul çocukları için ders] yazar İvanov İgor Pieroviç

LHC çarpıştırıcısının cihazı Şimdi bazı resimler. Çarpıştırıcı çarpışan bir parçacık hızlandırıcıdır. Orada parçacıklar iki halka boyunca hızlanır ve birbirleriyle çarpışır. Bu dünyadaki en büyük deneysel tesistir, çünkü bu halkanın (tünel) uzunluğu

En Yeni Gerçekler Kitabı kitabından. Cilt 3 [Fizik, kimya ve teknoloji. Tarih ve arkeoloji. Çeşitli] yazar Kondrashov Anatoly Pavlovich

Atom Sorunu kitabından kaydeden Ren Philip

5b kitabından. elektrik ve manyetizma yazar Feynman Richard Phillips

Yazarın kitabından

Bölüm VIII Bir nükleer reaktörün çalışma prensibi ve yetenekleri I. Bir nükleer reaktörün tasarımı Bir nükleer reaktör aşağıdaki beş ana unsurdan oluşur: 1) nükleer yakıt; 2) nötron moderatörü; 3) kontrol sistemi; 4) soğutma sistemi 5) koruyucu

Yazarın kitabından

Bölüm 11 DAHİLİ DİELEKTRİK CİHAZI §1. Moleküler dipoller§2. Elektronik polarizasyon §3. polar moleküller; yönelimsel kutuplaşma§4. Bir dielektrik §5'in boşluklarındaki elektrik alanları. Sıvıların dielektrik sabiti; Clausius formülü - Mossotti§6.

Bu sıradan gri silindir, Rus nükleer endüstrisinin kilit halkasıdır. Elbette pek şık görünmüyor ama amacını anlayıp teknik özelliklerine baktığınızda, devletin neden yaratılışının ve yapısının sırrını gözbebeği gibi koruduğunu anlamaya başlıyorsunuz.

Evet, tanıtmayı unuttum: Önünüzde uranyum izotopları VT-3F'yi (n'inci nesil) ayırmak için bir gaz santrifüjü var. Çalışma prensibi, bir süt ayırıcınınki gibi temeldir, ağırdır, merkezkaç kuvvetinin etkisi altında ışıktan ayrılır. Peki önemi ve benzersizliği nedir?

Başlangıç ​​​​olarak başka bir soruyu cevaplayalım - ama genel olarak neden uranyumu ayıralım?

Yerin hemen altında bulunan doğal uranyum iki izotoptan oluşan bir kokteyldir: uranyum-238 Ve uranyum-235(ve %0,0054 U-234).
Uranyum-238 sadece ağır, gri bir metal. Bundan bir top mermisi veya ... bir anahtarlık yapabilirsiniz. Ve işte bununla yapabilecekleriniz uranyum-235? Öncelikle atom bombası ve ikincisi nükleer santraller için yakıt. Ve işte burada anahtar soruya geliyoruz: Neredeyse aynı olan bu iki atomu birbirinden nasıl ayıracağız? Hayır, gerçekten NASIL?!

Bu arada: Uranyum atomunun çekirdeğinin yarıçapı 1,5 10 -8 cm'dir.

Uranyum atomlarının teknolojik zincire sürülmesi için onun (uranyum) gaz haline dönüştürülmesi gerekir. Kaynatmanın bir anlamı yok, uranyumu flor ile birleştirip uranyum heksaflorür elde etmek yeterli HFC. Üretim teknolojisi çok karmaşık ve maliyetli değildir ve bu nedenle HFC Bu uranyumun çıkarıldığı yere gidin. UF6 son derece uçucu tek uranyum bileşiğidir (53°C'ye ısıtıldığında hekzaflorür (resimde) doğrudan katı halden gaz haline geçer). Daha sonra özel kaplara pompalanarak zenginleştirmeye gönderilir.

Biraz tarih

Nükleer yarışın başlangıcında, hem SSCB hem de ABD'nin en büyük bilimsel beyinleri, uranyumun bir elekten geçirilmesi - difüzyon ayrımı fikrinde ustalaştı. Küçük 235. izotop kayacak ve "kalın" 238. sıkışmak. Ve 1946'da Sovyet endüstrisi için nano delikli bir elek yapmak en zor iş değildi.

Halk Komiserleri Konseyi Bilimsel ve Teknik Konseyi'nde Isaac Konstantinovich Kikoin'in raporundan (SSCB atom projesine ilişkin gizliliği kaldırılmış materyallerin toplanmasında verilmiştir (Ed. Ryabev)): Şu anda yaklaşık 5/1.000 mm'lik deliklere sahip ağların nasıl yapıldığını öğrendik; Atmosfer basıncında moleküllerin ortalama serbest yolunun 50 katı. Dolayısıyla bu tür ızgaralarda izotop ayrışmasının gerçekleşeceği gaz basıncının atmosfer basıncının 1/50'sinden az olması gerekir. Uygulamada yaklaşık 0,01 atmosferlik bir basınçta çalışmayı bekliyoruz; iyi vakum koşulları altında. Hesaplama, hafif bir izotopta %90 konsantrasyona kadar zenginleştirilmiş bir ürün elde etmek için (böyle bir konsantrasyon bir patlayıcı elde etmek için yeterlidir), bu tür yaklaşık 2.000 aşamanın bir kademe halinde bağlanması gerektiğini göstermektedir. Tasarımını ve kısmen imalatı tarafımızdan yapılan makinede günde 75-100 gr uranyum-235 üretilmesi bekleniyor. Kurulum her biri 20-25 adımdan oluşan yaklaşık 80-100 "sütun"dan oluşacak."

Aşağıda bir belge var - Beria'nın ilk nükleer patlamanın hazırlanmasına ilişkin Stalin'e raporu. Aşağıda 1949 yazının başında biriken nükleer maddelere ilişkin küçük bir referans yer almaktadır.

Ve şimdi kendiniz hayal edin - yaklaşık 100 gram uğruna 2000 ağır kurulum! Peki nereye gidilecek, bombalara ihtiyaç var. Ve fabrikalar kurmaya başladılar, sadece fabrikalar değil, tüm şehirler. Ve tamam, sadece şehirlerde, bu difüzyon tesisleri o kadar çok elektriğe ihtiyaç duyuyordu ki, yakınlarda ayrı enerji santralleri inşa etmek zorunda kalıyorlardı.

SSCB'de, 813 numaralı tesisin ilk D-1 aşaması, güç bakımından aynı 3100 ayırma aşamasının 2 kademesinde günde toplam 140 gram% 92-93 uranyum-235 çıkışı için tasarlandı. Sverdlovsk'a 60 km uzaklıktaki Verkh-Neyvinsk köyünde tamamlanmamış bir uçak fabrikası üretime tahsis edildi. Daha sonra Sverdlovsk-44'e ve 813. tesis (resimde) dünyanın en büyük ayırma tesisi olan Ural Elektrokimya Tesisi'ne dönüştü.

Ve difüzyon ayırma teknolojisi, büyük teknolojik zorluklarla da olsa hata ayıklanmış olsa da, daha ekonomik bir santrifüj işlemine hakim olma fikri gündemden düşmedi. Sonuçta, eğer bir santrifüj oluşturmayı başarırsanız, enerji tüketimi 20'den 50 kata kadar azalacaktır!

Santrifüj nasıl kurulur?

Temelden daha fazla düzenlenmiş ve "sıkma / kurutma" modunda çalışan eski bir çamaşır makinesine benziyor. Kapalı bir muhafazada dönen bir rotor bulunur. Bu rotor gazla beslenir (UF6). Dünya'nın çekim alanından yüzbinlerce kat daha büyük olan merkezkaç kuvveti nedeniyle gaz, "ağır" ve "hafif" fraksiyonlara ayrılmaya başlar. Hafif ve ağır moleküller rotorun farklı bölgelerinde gruplanmaya başlar, ancak merkezde ve çevre boyunca değil, üstte ve altta.

Bu, konveksiyon akımları nedeniyle oluşur - rotor kapağı ısıtılır ve gazın geri akışı meydana gelir. Silindirin üstünde ve altında iki küçük tüp vardır - giriş. Tükenmiş bir karışım alt tüpe girer, daha yüksek atom konsantrasyonuna sahip bir karışım üst tüpe girer 235U. Bu karışım bir sonraki santrifüje girer ve konsantrasyon yoğunlaşana kadar bu şekilde devam eder. 235. uranyum istenilen değere ulaşamayacaktır. Bir santrifüj zincirine kaskad denir.

Teknik özellikler.

Öncelikle, dönüş hızı - modern nesil santrifüjlerde 2000 rpm'ye ulaşır (neyle karşılaştırılacağını bile bilmiyorum ... bir uçak motorundaki türbinden 10 kat daha hızlı)! Ve ÜÇ YILDIR durmaksızın çalışıyor! Onlar. şimdi Brejnev döneminde çalıştırılan santrifüjler çağlayanlar halinde dönüyor! SSCB artık yok ama dönmeye devam ediyorlar. Rotorun çalışma döngüsü boyunca 2.000.000.000.000 (iki trilyon) devir yaptığını hesaplamak zor değildir. Peki ne tür bir yatak bununla başa çıkabilir? Evet, hiçbiri! Rulman yok.

Rotorun kendisi sıradan bir üst kısımdır, alt kısmında korindon baskı yatağına dayanan güçlü bir iğne bulunur ve üst uç, elektromanyetik alan tarafından tutulan bir vakumda asılı kalır. İğne de basit değil, piyano telleri için sıradan telden yapılmış, çok zor bir şekilde sertleştirilmiş (ne - GT). Böylesine çılgın bir dönüş hızıyla, santrifüjün kendisinin sadece dayanıklı değil, aynı zamanda süper güçlü olması gerektiğini hayal etmek zor değil.

Akademisyen Joseph Friedlander şunları hatırlıyor: “Üç kez vurulmuş olabilirler. Bir keresinde Lenin Ödülü'nü aldığımızda büyük bir kaza oldu ve santrifüjün kapağı uçtu. Parçalar dağıldı, diğer santrifüjler yok edildi. Radyoaktif bir bulut yükseldi. Hattın tamamını durdurmak zorunda kaldım - bir kilometrelik kurulum! Sredmash'ta santrifüjler, Beria bölümünde çalıştığı atom projesinden önce General Zverev tarafından komuta ediliyordu. Toplantıya katılan general şunları söyledi: “Durum kritik. Ülkenin savunması tehdit altında. Eğer durumu hızla düzeltmezsek sizin için 37. yıl tekrarlanacak. Ve toplantı hemen kapatıldı. Daha sonra kapakların tamamen izotropik tekdüze yapısına sahip tamamen yeni bir teknoloji bulduk, ancak çok karmaşık kurulumlar gerekiyordu. O zamandan beri bu kapaklar üretildi. Artık sorun kalmadı. Rusya'da yüzbinlerce santrifüjden oluşan 3 zenginleştirme tesisi var.
Fotoğrafta: ilk nesil santrifüjlerin testleri

Rotor kasaları da ilk başta metaldi, ta ki yerini karbon fiberle değiştirene kadar. Hafif ve yırtılmaya son derece dayanıklı olan bu malzeme, dönen bir silindir için ideal bir malzemedir.

UEIP Genel Müdürü (2009-2012) Alexander Kurkin şunları hatırlıyor: "Çok saçma oldu. Yeni, daha "döner" nesil santrifüjleri test ederken ve test ederken, çalışanlardan biri rotorun tamamen durmasını beklemedi, onu kademeden ayırdı ve onu kollarındaki standa aktarmaya karar verdi. Ancak ne kadar dirense de ileri gitmek yerine bu silindiri kucakladı ve geriye doğru hareket etmeye başladı. Böylece dünyanın döndüğünü ve jiroskopun büyük bir kuvvet olduğunu kendi gözlerimizle gördük.”

Kim icat etti?

Ah, bu gizemle dolu ve belirsizlikle örtülmüş bir gizem. Burada ele geçirilen Alman fizikçiler, CIA, SMERSH memurları ve hatta düşürülen casus pilot Powers var. Genel olarak gaz santrifüjünün çalışma prensibi 19. yüzyılın sonunda anlatılmıştır.

Atom Projesinin şafağında bile, Kirov Fabrikası Özel Tasarım Bürosu mühendisi Viktor Sergeev bir santrifüj ayırma yöntemi önerdi, ancak ilk başta meslektaşları bu fikri onaylamadı. Aynı zamanda, mağlup Almanya'dan bilim adamları, Sohum'daki özel bir NII-5'te bir ayırma santrifüjünün oluşturulması için savaştılar: Hitler'in yanında Siemens'in baş mühendisi olarak çalışan Dr. Max Steenbeck ve eski bir Luftwaffe tamircisi olan Gernot Zippe. Viyana Üniversitesi mezunu. Toplamda grupta yaklaşık 300 "ihraç edilen" fizikçi vardı.

Devlet Şirketi Rosatom'un CJSC Centrotech-SPb Genel Müdürü Aleksey Kaliteevsky şunları hatırlıyor: "Uzmanlarımız Alman santrifüjünün endüstriyel üretime kesinlikle uygun olmadığı sonucuna vardı. Steenbeck aparatında kısmen zenginleştirilmiş ürünü bir sonraki aşamaya aktaracak bir sistem yoktu. Kapağın uçlarının soğutulması ve gazın dondurulması, ardından çözülmesi, toplanması ve bir sonraki santrifüje konulması önerildi. Yani şema çalışmıyor. Ancak projenin bazı çok ilginç ve sıra dışı teknik çözümleri vardı. Bu "ilginç ve sıradışı çözümler", Sovyet bilim adamlarının elde ettiği sonuçlarla, özellikle Viktor Sergeev'in önerileriyle birleştirildi. Nispeten konuşursak, bizim kompakt santrifüjümüz üçte biri Alman düşüncesinin, üçte ikisi de Sovyet düşüncesinin meyvesidir.” Bu arada, Sergeev Abhazya'ya gelip aynı Steenbeck ve Zippe'ye uranyum seçimi konusundaki düşüncelerini ifade ettiğinde, Steenbeck ve Zippe bunları gerçekleştirilemez olarak değerlendirdiler.

Peki Sergeyev ne buldu?

Ve Sergeyev'in teklifi Pitot tüpleri şeklinde gaz örnekleme cihazları yaratmaktı. Ancak bu konuda dişlerini yediğine inandığı Dr. Steenbeck kategorikti: "Akışı yavaşlatacaklar, türbülansa neden olacaklar ve ayrılık olmayacak!" Yıllar sonra anıları üzerinde çalışırken pişman olacaktır: “Bizden gelmeye değer bir fikir! Ama aklımdan geçmedi..."

Daha sonra SSCB dışındayken Steenbeck artık santrifüjlerle uğraşmadı. Ancak Geront Zippe, Almanya'ya gitmeden önce Sergeyev'in santrifüjünün prototipini ve ustaca basit çalışma prensibini tanıma fırsatı buldu. Batı'ya vardığında, kendisine sık sık anılan "kurnaz Zippe", santrifüj tasarımının patentini kendi adı altında aldı (1957 tarihli patent No. 1071597, 13 ülkede beklemede). 1957'de ABD'ye taşınan Zippe, orada Sergeev'in prototipini hafızadan yeniden üreten çalışan bir kurulum kurdu. Ve o buna "Rus santrifüjü" adını verdi (resimde).

Bu arada, Rus mühendisliği başka birçok durumda da kendini gösterdi. Bir örnek, temel acil durum kapatma vanasıdır. Sensörler, dedektörler ve elektronik devreler yoktur. Sadece yaprağıyla çağlayanın çerçevesine dokunan bir semaver musluğu var. Bir şeyler ters giderse ve santrifüj uzaydaki konumunu değiştirirse, basitçe döner ve giriş hattını kapatır. Uzayda bir Amerikan kalemi ve bir Rus kalemi hakkındaki şakadaki gibi.

Günlerimiz

Bu hafta bu satırların yazarı önemli bir olayda hazır bulundu - sözleşme kapsamında ABD Enerji Bakanlığı'nın Rusya gözlemciler ofisinin kapatılması HEU-LEU. Bu anlaşma (yüksek düzeyde zenginleştirilmiş uranyum-düşük zenginleştirilmiş uranyum) Rusya ile Amerika arasındaki en büyük nükleer enerji anlaşmasıydı ve hâlâ da öyledir. Sözleşme şartlarına göre Rus nükleer bilim adamları, silah kalitesinde (%90) 500 ton uranyumu Amerikan nükleer santralleri için yakıt (%4) HFC'lere dönüştürdü. 1993-2009 gelirleri 8,8 milyar ABD doları olarak gerçekleşti. Bu, nükleer bilim adamlarımızın savaş sonrası yıllarda izotop ayırma alanında yaptığı teknolojik atılımın mantıksal sonucuydu.
Fotoğrafta: UEIP atölyelerinden birinde gaz santrifüjlerinin basamakları. Burada yaklaşık 100.000 tane var.

Santrifüjler sayesinde binlerce ton nispeten ucuz hem askeri hem de ticari ürün elde ettik. Geriye kalan az sayıdaki endüstriden biri olan nükleer endüstri (askeri havacılık, uzay), Rusya'nın tartışmasız üstünlüğe sahip olduğu. Yalnızca on yıl sonraki (2013'ten 2022'ye) yabancı siparişler, Rosatom'un sözleşme hariç portföyü HEU-LEU 69,3 milyar dolar. 2011'de 50 milyarı aştı...
Fotoğrafta UEIP'te HFC'li konteynerlerin bulunduğu bir depo görülüyor.

28 Eylül 1942'de Devlet Savunma Komitesi'nin 2352ss sayılı "Uranyumla ilgili çalışmaların organizasyonu hakkında" Kararı kabul edildi. Bu tarih, Rusya'daki nükleer endüstri tarihinin resmi başlangıcı olarak kabul ediliyor.

Fisyonun zincirleme reaksiyonuna her zaman muazzam büyüklükte bir enerjinin salınması eşlik eder. Bu enerjinin pratik kullanımı nükleer reaktörün asıl görevidir.

Nükleer reaktör, kontrollü veya kontrollü bir nükleer fisyon reaksiyonunun gerçekleştiği bir cihazdır.

Çalışma prensibine göre nükleer reaktörler iki gruba ayrılır: termal nötron reaktörleri ve hızlı nötron reaktörleri.

Termal nötron nükleer reaktörü nasıl çalışır?

Tipik bir nükleer reaktör şunları içerir:

  • Çekirdek ve moderatör;
  • Nötron reflektörü;
  • Soğutucu;
  • Zincir reaksiyon kontrol sistemi, acil durum koruması;
  • Kontrol ve radyasyondan korunma sistemi;
  • Uzaktan kumanda sistemi.

1 - aktif bölge; 2 - reflektör; 3 - koruma; 4 - kontrol çubukları; 5 - soğutucu; 6 - pompalar; 7 - ısı eşanjörü; 8 - türbin; 9 - jeneratör; 10 - kapasitör.

Çekirdek ve moderatör

Kontrollü fisyon zincir reaksiyonunun gerçekleştiği yer çekirdektir.

Çoğu nükleer reaktör, uranyum-235'in ağır izotoplarıyla çalışır. Ancak doğal uranyum cevheri örneklerinde içeriği yalnızca% 0,72'dir. Bu konsantrasyon bir zincirleme reaksiyonun gelişmesi için yeterli değildir. Bu nedenle cevher yapay olarak zenginleştirilerek bu izotopun içeriği %3'e çıkarılıyor.

Pelet şeklindeki bölünebilir malzeme veya nükleer yakıt, TVEL (yakıt elemanları) adı verilen hava geçirmez şekilde kapatılmış çubuklara yerleştirilir. ile dolu tüm aktif bölgeye nüfuz ederler. moderatör nötronlar.

Nükleer reaktörde neden nötron moderatörüne ihtiyaç duyulur?

Gerçek şu ki, uranyum-235 çekirdeğinin bozunmasından sonra doğan nötronların çok yüksek bir hıza sahip olmasıdır. Diğer uranyum çekirdekleri tarafından yakalanma olasılığı, yavaş nötronların yakalanma olasılığından yüzlerce kat daha azdır. Hızlarını azaltmazsanız nükleer reaksiyon zamanla zayıflayabilir. Moderatör, nötronların hızını azaltma sorununu çözer. Hızlı nötronların yoluna su veya grafit yerleştirilirse hızları yapay olarak azaltılabilir ve böylece atomların yakaladığı parçacıkların sayısı arttırılabilir. Aynı zamanda bir reaktördeki zincirleme reaksiyon için daha az miktarda nükleer yakıta ihtiyaç duyulur.

Yavaşlama sürecinin bir sonucu olarak, termal nötronlar Hızı pratik olarak gaz moleküllerinin oda sıcaklığındaki termal hareket hızına eşittir.

Nükleer reaktörlerde moderatör olarak su, ağır su (döteryum oksit D 2 O), berilyum ve grafit kullanılır. Ancak en iyi moderatör ağır su D 2 O'dur.

Nötron reflektörü

Nötronların çevreye sızmasını önlemek için, nükleer reaktörün çekirdeği nötron reflektörü. Reflektörler için bir malzeme olarak, moderatörlerde olduğu gibi aynı maddeler sıklıkla kullanılır.

soğutucu

Nükleer reaksiyon sırasında açığa çıkan ısı, bir soğutucu kullanılarak uzaklaştırılır. Nükleer reaktörlerde soğutucu olarak, daha önce çeşitli yabancı maddelerden ve gazlardan arındırılmış sıradan doğal su sıklıkla kullanılır. Ancak su zaten 100 0 C sıcaklıkta ve 1 atm basınçta kaynadığından, kaynama noktasını arttırmak için birincil soğutma devresindeki basınç arttırılır. Reaktör çekirdeğinde dolaşan birincil devrenin suyu, 320 0 C sıcaklığa kadar ısınırken yakıt elemanlarını yıkar. Isı eşanjörünün daha içinde, ikinci devrenin suyuna ısı verir. Değişim, ısı değişim tüplerinden geçer, dolayısıyla ikincil devrenin suyuyla temas olmaz. Bu, radyoaktif maddelerin ısı eşanjörünün ikinci devresine girişini hariç tutar.

Ve sonra her şey termik santraldeki gibi oluyor. İkinci devredeki su buhara dönüşür. Buhar, elektrik üreten bir elektrik jeneratörünü çalıştıran bir türbini döndürür.

Ağır su reaktörlerinde soğutucu, ağır su D2O'dur ve sıvı metal soğutuculu reaktörlerde erimiş metaldir.

Zincir reaksiyon kontrol sistemi

Reaktörün mevcut durumu, adı verilen bir miktarla karakterize edilir. reaktivite.

ρ = ( k-1)/ k ,

k = n ben / n ben -1 ,

Nerede k nötron çarpım faktörüdür,

n ben nükleer fisyon reaksiyonunda gelecek nesil nötronların sayısıdır,

n ben -1 , aynı reaksiyondaki önceki nesil nötronların sayısıdır.

Eğer k ˃ 1 zincirleme reaksiyon oluşur, sisteme denir süperkritik inci Eğer k< 1 zincirleme reaksiyon bozulur ve sistem denir kritik altı. Şu tarihte: k = 1 reaktör içeride stabil kritik durumçünkü bölünebilir çekirdeklerin sayısı değişmez. Bu durumda reaktivite ρ = 0 .

Reaktörün kritik durumu (bir nükleer reaktörde gerekli nötron çoğalma faktörü) hareket ettirilerek korunur. kontrol çubukları. Yapıldıkları malzeme nötronları emen maddeler içerir. Bu çubukların çekirdeğe itilmesi veya itilmesi, nükleer fisyon reaksiyonunun hızını kontrol eder.

Kontrol sistemi, reaktörün başlatılması, planlı kapatılması, güçte çalıştırılması ve nükleer reaktörün acil durum koruması sırasında reaktörün kontrolünü sağlar. Bu, kontrol çubuklarının konumu değiştirilerek elde edilir.

Reaktör parametrelerinden herhangi biri (sıcaklık, basınç, güç dönüş hızı, yakıt tüketimi vb.) normdan saparsa ve bu bir kazaya yol açabilirse, özel acil durum çubukları ve nükleer reaksiyon hızla durur.

Reaktör parametrelerinin standartlara uygunluğunu sağlamak için izleme izleme ve radyasyondan korunma sistemleri.

Çevreyi radyoaktif radyasyondan korumak için reaktör kalın bir beton kasaya yerleştirilir.

Uzaktan kumanda sistemleri

Nükleer reaktörün durumuna ilişkin tüm sinyaller (soğutucu sıcaklığı, reaktörün farklı yerlerindeki radyasyon seviyesi vb.) reaktör kontrol paneline gönderilir ve bilgisayar sistemlerinde işlenir. Operatör, belirli sapmaları ortadan kaldırmak için gerekli tüm bilgi ve önerileri alır.

Hızlı nötron reaktörleri

Bu tip reaktörler ile termal nötron reaktörleri arasındaki fark, uranyum-235'in bozunmasından sonra ortaya çıkan hızlı nötronların yavaşlatılmaması, ancak uranyum-238 tarafından emilmesi ve ardından plütonyum-239'a dönüşmesidir. Bu nedenle silah kalitesinde plütonyum-239 ve nükleer santral jeneratörleri tarafından elektrik enerjisine dönüştürülen termal enerji üretmek için hızlı nötron reaktörleri kullanılıyor.

Bu tür reaktörlerdeki nükleer yakıt uranyum-238, hammadde ise uranyum-235'tir.

Doğal uranyum cevherinin %99,2745'i uranyum-238'dir. Termal bir nötron emildiğinde fisyona uğramaz, ancak uranyum-239'un izotopu haline gelir.

β bozunmasından bir süre sonra uranyum-239, neptunyum-239'un çekirdeğine dönüşür:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

İkinci β bozunmasından sonra bölünebilir plütonyum-239 oluşur:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

Ve son olarak plütonyum-239 çekirdeğinin alfa bozunmasından sonra uranyum-235 elde edilir:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Hammaddeli (zenginleştirilmiş uranyum-235) yakıt çubukları reaktör çekirdeğinde bulunur. Bu bölge, yakıt içeren yakıt çubuklarından (tükenmiş uranyum-238) oluşan bir üreme bölgesi ile çevrilidir. Uranyum-235'in bozunmasından sonra çekirdekten yayılan hızlı nötronlar, uranyum-238 çekirdekleri tarafından yakalanır. Sonuç plütonyum-239'dur. Böylece hızlı nötron reaktörlerinde yeni nükleer yakıt üretilir.

Hızlı nötron nükleer reaktörlerinde soğutucu olarak sıvı metaller veya bunların karışımları kullanılır.

Nükleer reaktörlerin sınıflandırılması ve uygulanması

Nükleer reaktörler çoğunlukla nükleer santrallerde kullanılmaktadır. Onların yardımıyla endüstriyel ölçekte elektrik ve termal enerji elde edilir. Bu tür reaktörlere denir enerji .

Nükleer reaktörler, modern nükleer denizaltıların, yüzey gemilerinin tahrik sistemlerinde ve uzay teknolojisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Motorlara elektrik enerjisi sağlarlar ve denir taşıma reaktörleri .

Nükleer fizik ve radyasyon kimyası alanındaki bilimsel araştırmalar için çekirdekte elde edilen nötron ve gama ışını akıları kullanılır. Araştırma reaktörleri. Ürettikleri enerji 100 MW'ı geçmiyor ve endüstriyel amaçlarla kullanılmıyor.

Güç deneysel reaktörler daha az. Sadece birkaç kW değerine ulaşır. Bu reaktörlerde, nükleer reaksiyonların tasarımında önemi önemli olan çeşitli fiziksel büyüklükler incelenmektedir.

İLE endüstriyel reaktörler tıbbi amaçlarla kullanılan radyoaktif izotopların üretimine yönelik reaktörlerin yanı sıra çeşitli sanayi ve teknoloji alanlarında kullanılan reaktörleri içerir. Deniz suyunu tuzdan arındırma reaktörleri aynı zamanda endüstriyel reaktörlerdir.