În ce constă un reactor nuclear? Toată lumea a auzit, dar nimeni nu știe. Cum funcționează un reactor nuclear (atomic). Istoria creării unui reactor nuclear

Reacția în lanț a fisiunii este întotdeauna însoțită de eliberarea de energie de o magnitudine enormă. Utilizarea practică a acestei energii este sarcina principală a unui reactor nuclear.

Un reactor nuclear este un dispozitiv în care are loc o reacție de fisiune nucleară controlată sau controlată.

Conform principiului de funcționare, reactoarele nucleare sunt împărțite în două grupe: reactoare cu neutroni termici și reactoare cu neutroni rapizi.

Cum funcționează un reactor nuclear cu neutroni termici?

Un reactor nuclear tipic are:

• Core și moderator;
• reflector de neutroni;
• Lichid de răcire;
• Sistem de control al reacției în lanț, protecție în caz de urgență;
• Sistem de control și protecție împotriva radiațiilor;
• Sistem de control de la distanță.

1 - zona activa; 2 - reflector; 3 - protectie; 4 - tije de control; 5 - lichid de răcire; 6 - pompe; 7 - schimbător de căldură; 8 - turbină; 9 - generator; 10 - condensator.

Core și moderator

În miez are loc reacția în lanț de fisiune controlată.

Majoritatea reactoarelor nucleare funcționează pe izotopi grei de uraniu-235. Dar în probele naturale de minereu de uraniu, conținutul său este de doar 0,72%. Această concentrație nu este suficientă pentru a se dezvolta o reacție în lanț. Prin urmare, minereul este îmbogățit artificial, aducând conținutul acestui izotop la 3%.

Materialul fisionabil, sau combustibilul nuclear, sub formă de pelete este plasat în tije închise ermetic numite TVEL-uri (elemente combustibile). Ele pătrund în întreaga zonă activă umplută cu moderator neutroni.

De ce este necesar un moderator de neutroni într-un reactor nuclear?

Cert este că neutronii născuți după dezintegrarea nucleelor ​​de uraniu-235 au o de mare viteză. Probabilitatea captării lor de către alte nuclee de uraniu este de sute de ori mai mică decât probabilitatea captării neutronilor lenți. Și dacă nu le reduceți viteza, reacția nucleară se poate estompa în timp. Moderatorul rezolvă problema reducerii vitezei neutronilor. Daca apa sau grafitul sunt plasate in calea neutronilor rapizi, viteza acestora poate fi redusa artificial si astfel numarul de particule captate de atomi poate fi crescut. În același timp, este necesară o cantitate mai mică de combustibil nuclear pentru o reacție în lanț într-un reactor.

Ca urmare a procesului de decelerare, neutroni termici, a cărui viteză este practic egală cu viteza mișcării termice a moleculelor de gaz la temperatura camerei.

Ca moderator în reactoarele nucleare, se utilizează apă, apă grea (oxid de deuteriu D 2 O), beriliu și grafit. Dar cel mai bun moderator este apa grea D 2 O.

Reflector de neutroni

Pentru a evita scurgerea de neutroni în mediu, miezul unui reactor nuclear este înconjurat de reflector de neutroni. Ca material pentru reflectoare, se folosesc adesea aceleași substanțe ca și la moderatori.

lichid de răcire

Căldura eliberată în timpul unei reacții nucleare este îndepărtată folosind un lichid de răcire. Ca lichid de răcire în reactoare nucleare, convențional apa naturala, purificat în prealabil din diverse impurități și gaze. Dar, deoarece apa fierbe deja la o temperatură de 100 0 C și o presiune de 1 atm, pentru a crește punctul de fierbere, presiunea în circuitul primar de răcire este crescută. Apa circuitului primar, care circulă prin miezul reactorului, spală barele de combustibil, în timp ce se încălzește până la o temperatură de 320 0 C. Mai în interiorul schimbătorului de căldură, eliberează căldură apei celui de-al doilea circuit. Schimbul trece prin tuburile de schimb de căldură, deci nu există contact cu apa circuitului secundar. Aceasta exclude pătrunderea substanțelor radioactive în al doilea circuit al schimbătorului de căldură.

Și atunci totul se întâmplă ca într-o centrală termică. Apa din al doilea circuit se transformă în abur. Aburul transformă o turbină, care antrenează un generator electric, care produce energie electrică.

În reactoarele cu apă grea, lichidul de răcire este apă grea D 2 O, iar în reactoarele cu lichid de răcire din metal, este metal topit.

Sistem de control al reacției în lanț

Starea actuală a reactorului este caracterizată de o mărime numită reactivitate.

ρ = ( k-1)/ k ,

k = n i / n i -1 ,

Unde k este factorul de multiplicare a neutronilor,

n i este numărul de neutroni din generația următoare într-o reacție de fisiune nucleară,

n i -1 , este numărul de neutroni din generația anterioară în aceeași reacție.

În cazul în care un k ˃ 1 , reacția în lanț se acumulează, sistemul este numit supercritic th. În cazul în care un k< 1 , reacția în lanț scade și sistemul este numit subcritic. La k = 1 reactorul este în stare critică stabilă, deoarece numărul de nuclee fisionabile nu se modifică. În această stare, reactivitate ρ = 0 .

Starea critică a reactorului (factorul de multiplicare a neutronilor necesar într-un reactor nuclear) este menținută prin mișcare tije de control. Materialul din care sunt fabricate include substanțe care absorb neutronii. Împingerea sau împingerea acestor tije în miez controlează viteza reacției de fisiune nucleară.

Sistemul de control asigură controlul reactorului în timpul pornirii sale, opririi planificate, funcționării la putere, precum și protecția de urgență a reactorului nuclear. Acest lucru se realizează prin schimbarea poziției tijelor de control.

Dacă vreunul dintre parametrii reactorului (temperatura, presiunea, viteza de deplasare a puterii, consumul de combustibil etc.) se abate de la normă, iar acest lucru poate duce la un accident, special tije de urgențăși are loc o încetare rapidă a reacției nucleare.

Pentru a vă asigura că parametrii reactorului respectă standardele, monitorizați sisteme de monitorizare și radioprotecție.

Pentru pază mediu inconjurator de la radiații radioactive, reactorul este plasat într-o carcasă groasă de beton.

Sisteme de control de la distanță

Toate semnalele despre starea reactorului nuclear (temperatura lichidului de răcire, nivelul de radiație în diferite părți ale reactorului etc.) sunt trimise către panoul de control al reactorului și procesate în sisteme informatice. Operatorul primește toate informațiile și recomandările necesare pentru a elimina anumite abateri.

Reactoare rapide cu neutroni

Diferența dintre acest tip de reactoare și reactoarele cu neutroni termici este că neutronii rapizi care apar după dezintegrarea uraniului-235 nu sunt încetiniți, ci sunt absorbiți de uraniul-238 cu transformarea sa ulterioară în plutoniu-239. Prin urmare, reactoarele cu neutroni rapizi sunt folosite pentru a produce plutoniu-239 de calitate pentru arme și energie termică, care este convertită în energie electrică de către generatoarele centralei nucleare.

Combustibilul nuclear din astfel de reactoare este uraniu-238, iar materia primă este uraniu-235.

În minereul de uraniu natural, 99,2745% este uraniu-238. Când un neutron termic este absorbit, acesta nu se fisiază, ci devine un izotop al uraniului-239.

La ceva timp după degradarea β, uraniul-239 se transformă în nucleul neptuniului-239:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

După a doua dezintegrare β, se formează plutoniu-239 fisionabil:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

Și, în cele din urmă, după dezintegrarea alfa a nucleului de plutoniu-239, se obține uraniu-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Elementele de combustibil cu materii prime (uraniu îmbogățit-235) sunt amplasate în miezul reactorului. Această zonă este înconjurată de o zonă de reproducere, care este tije de combustibil cu combustibil (uraniu sărăcit-238). Neutronii rapizi emiși din miez după dezintegrarea uraniului-235 sunt capturați de nucleele de uraniu-238. Rezultatul este plutoniu-239. Astfel, combustibilul nuclear nou este produs în reactoare cu neutroni rapizi.

Metalele lichide sau amestecurile lor sunt utilizate ca agenți de răcire în reactoarele nucleare cu neutroni rapidi.

Clasificarea și aplicarea reactoarelor nucleare

Reactoarele nucleare sunt utilizate în principal în centralele nucleare. Cu ajutorul lor, primiți electricitate și energie termală la scară industrială. Astfel de reactoare se numesc energie .

Reactoarele nucleare sunt utilizate pe scară largă în sistemele de propulsie ale submarinelor nucleare moderne, navelor de suprafață și în tehnologia spațială. Ele furnizează energie electrică motoarelor și sunt numite reactoare de transport .

Pentru cercetarea stiintifica in domeniu fizica nucleara iar chimia radiațiilor utilizează fluxuri de neutroni, cuante gamma, care sunt obținute în miez reactoare de cercetare. Energia generată de acestea nu depășește 100 MW și nu este utilizată în scopuri industriale.

Putere reactoare experimentale chiar mai puțin. Atinge o valoare de doar câțiva kW. În aceste reactoare sunt studiate diferite mărimi fizice, a căror semnificație este importantă în proiectarea reacțiilor nucleare.

La reactoare industriale includ reactoare pentru producerea de izotopi radioactivi utilizați în scopuri medicale, precum și în diverse domenii ale industriei și tehnologiei. Reactoarele de desalinizare a apei de mare sunt, de asemenea, reactoare industriale.

Sens energie nuclearăîn lumea modernă

Energia nucleară a făcut un pas uriaș înainte în ultimele decenii, devenind una dintre cele mai importante surse de energie electrică pentru multe țări. În același timp, trebuie amintit că în spatele dezvoltării acestui sector al economiei naționale se află eforturile enorme ale zeci de mii de oameni de știință, ingineri și muncitori obișnuiți care fac totul pentru ca „atomul pașnic” să nu se întoarcă. într-o amenințare reală pentru milioane de oameni. Miezul real al oricărei centrale nucleare este un reactor nuclear.

Istoria creării unui reactor nuclear

Primul astfel de dispozitiv a fost construit în apogeul celui de-al Doilea Război Mondial în SUA de celebrul om de știință și inginer E. Fermi. Datorită aspectului său neobișnuit, asemănător cu un teanc de blocuri de grafit stivuite unul peste altul, acest reactor nuclear a fost numit Chicago Stack. Este demn de remarcat faptul că acest dispozitiv a funcționat pe uraniu, care a fost plasat chiar între blocuri.

Crearea unui reactor nuclear în Uniunea Sovietică

La noi s-au dat și subiecte nucleare atenție sporită. În ciuda faptului că principalele eforturi ale oamenilor de știință s-au concentrat pe aplicarea militară a atomului, aceștia au folosit în mod activ rezultatele obținute și în scopuri pașnice. Primul reactor nuclear, cu numele de cod F-1, a fost construit de un grup de oameni de știință condus de celebrul fizician I. Kurchatov la sfârșitul lunii decembrie 1946. Dezavantajul său semnificativ a fost absența oricărui tip de sistem de răcire, astfel încât puterea energiei eliberate de acesta a fost extrem de nesemnificativă. În același timp, cercetătorii sovietici au finalizat lucrările pe care le-au început, care au avut ca rezultat deschiderea primei centrale nucleare din lume în orașul Obninsk doar opt ani mai târziu.

Principiul de funcționare al reactorului

Un reactor nuclear este un dispozitiv tehnic extrem de complex și periculos. Principiul său de funcționare se bazează pe faptul că în timpul dezintegrarii uraniului sunt eliberați mai mulți neutroni, care, la rândul lor, elimină particulele elementare din atomii de uraniu învecinați. Ca rezultat al acestei reacții în lanț, cantitate semnificativă energie sub formă de căldură și raze gamma. În același timp, ar trebui să se țină cont de faptul că, dacă această reacție nu este controlată în niciun fel, atunci fisiunea atomilor de uraniu la maximum. timp scurt poate duce la o explozie puternică cu consecințe nedorite.

Pentru ca reacția să se desfășoare într-un cadru strict definit, proiectarea unui reactor nuclear este de mare importanță. În prezent, fiecare astfel de structură este un fel de cazan prin care curge lichidul de răcire. Apa este folosita de obicei in aceasta calitate, dar exista centrale nucleare care folosesc grafit lichid sau apa grea. Un reactor nuclear modern nu poate fi imaginat fără sute de casete hexagonale speciale. Acestea conțin elemente de combustibil, prin canalele cărora curg lichidele de răcire. Această casetă este acoperită cu un strat special care este capabil să reflecte neutronii și, prin urmare, să încetinească reacția în lanț.

Reactorul nuclear și protecția acestuia

Are mai multe niveluri de protecție. Pe lângă corpul în sine, acesta este acoperit deasupra cu izolație termică specială și protecție biologică. Din punct de vedere ingineresc, această structură este un buncăr puternic din beton armat, ale cărui uși sunt închise cât mai etanș.

Un reactor nuclear este un dispozitiv în care se realizează o reacție nucleară controlată în lanț, însoțită de eliberarea de energie.

Poveste

O reacție în lanț controlată de fisiune nucleară (pe scurt - o reacție în lanț) a fost efectuată pentru prima dată în decembrie 1942. Un grup de fizicieni Universitatea din Chicago, condus de E. Fermi, a construit primul reactor nuclear din lume, numit SR-1. Era format din blocuri de grafit, între care erau amplasate bile de uraniu natural și dioxidul acestuia. Neutroni rapizi care apar după fisiunea nucleară 235U, au fost încetiniți de grafit la energii termice și apoi au provocat o nouă fisiune nucleară. Reactoarele precum SR-1, în care cea mai mare parte a fisiunilor au loc sub acțiunea neutronilor termici, se numesc reactoare cu neutroni termici. Conțin mult moderator în comparație cu uraniul.

LA URSS studii teoretice și experimentale ale caracteristicilor pornirii, funcționării și controlului reactoarelor au fost efectuate de un grup de fizicieni și ingineri sub îndrumarea unui academician I. V. Kurchatova. Primul reactor sovietic F-1 a fost pus în stare critică la 25 decembrie 1946. Reactorul F-1 a fost asamblat din blocuri de grafit și are forma unei bile cu diametrul de aproximativ 7,5 m. În partea centrală a bilei cu diametrul de 6 m. , tijele de uraniu sunt plasate prin orificiile blocurilor de grafit. Rezultatele cercetării la reactorul F-1 au devenit baza proiectelor de reactoare industriale mai complexe. În 1949 a fost dat în funcțiune un reactor de producție de plutoniu, iar la 27 iunie 1954 a fost pusă în funcțiune în orașul Obninsk prima centrală nucleară din lume cu o putere electrică de 5 MW.

Dispozitiv și principiu de funcționare

Mecanism de eliberare a puterii

Transformarea unei substanțe este însoțită de eliberarea de energie liberă numai dacă substanța are o rezervă de energii. Aceasta din urmă înseamnă că microparticulele substanței se află într-o stare cu o energie de repaus mai mare decât într-o altă stare posibilă, tranziția către care există. Tranziția spontană este întotdeauna împiedicată de o barieră energetică, pentru a o depăși microparticula trebuie să primească o anumită cantitate de energie din exterior - energia de excitație. Reacția exoenergetică constă în faptul că în transformarea care urmează excitației se eliberează mai multă energie decât este necesară pentru excitarea procesului. Există două moduri de a depăși bariera energetică: fie datorită energiei cinetice a particulelor care se ciocnesc, fie datorită energiei de legare a particulei care aderă.

Dacă ținem cont de scalele macroscopice ale eliberării de energie, atunci energia cinetică necesară pentru excitarea reacțiilor trebuie să aibă toate sau la început cel puțin o parte din particulele substanței. Acest lucru se poate realiza doar prin creșterea temperaturii mediului până la o valoare la care energia mișcării termice se apropie de valoarea pragului de energie care limitează cursul procesului. În cazul transformărilor moleculare, adică al reacțiilor chimice, o astfel de creștere se ridică, de obicei, la sute de grade Kelvin, în timp ce în cazul reacțiilor nucleare este de cel puțin 107°K din cauza înălțimii foarte mari a barierelor Coulomb de ciocnire. nuclee. Excitarea termică a reacțiilor nucleare a fost efectuată în practică numai în sinteza celor mai ușoare nuclee, în care barierele Coulomb sunt minime (fuziune termonucleară). Excitarea de către particulele de îmbinare nu necesită o energie cinetică mare și, prin urmare, nu depinde de temperatura mediului, deoarece se produce din cauza legăturilor neutilizate inerente particulelor de forțe atractive. Dar, pe de altă parte, particulele în sine sunt necesare pentru a excita reacțiile. Și dacă din nou avem în vedere nu un act separat de reacție, ci producerea de energie la scară macroscopică, atunci acest lucru este posibil numai atunci când are loc o reacție în lanț. Acesta din urmă apare atunci când particulele care excită reacția reapar ca produse ale reacției exoenergetice.

Dispunerea schematică a unui reactor cu neutroni termici eterogen1 - tijă de control; 2 - protectie biologica; 3 - protectie termica; 4 - moderator; 5 - combustibil nuclear; 6 - lichid de răcire.

Dispunerea schematică a unui reactor cu neutroni termici eterogen

tija de control;

protectie biologica;

protectie termala;

moderator;

combustibil nuclear;

lichid de răcire.

Proiecta

Orice reactor nuclear este format din următoarele părți:

Miez cu combustibil nuclear și moderator;

Reflector de neutroni care înconjoară miezul;

Lichid de răcire;

Sistem de control al reacției în lanț, inclusiv protecție în caz de urgență

Protecție împotriva radiațiilor

Sistem de control de la distanță

Principala caracteristică a unui reactor este puterea sa de ieșire. O putere de 1 MW corespunde unei reacții în lanț în care au loc 3 1016 diviziuni în 1 sec.

Principii fizice de funcționare

Starea actuală a unui reactor nuclear poate fi caracterizată prin factorul efectiv de multiplicare a neutronilor k sau reactivitatea ρ, care sunt legate prin următoarea relație:

Aceste valori sunt caracterizate de următoarele valori:

k > 1 - reacția în lanț crește cu timpul, reactorul este în stare supercritică, reactivitatea sa ρ > 0;

k< 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, ρ < 0;

k = 1, ρ = 0 - numărul de fisiuni nucleare este constant, reactorul este într-o stare critică stabilă.

Stare de criticitate a reactorului nuclear:

ω este fracția din numărul total de neutroni produși în reactor care sunt absorbiți în miezul reactorului sau probabilitatea ca un neutron să evite scurgerea dintr-un volum finit.

k 0 este factorul de multiplicare a neutronilor în zona activă de dimensiuni infinit de mari.

Conversia factorului de multiplicare în unitate se realizează prin echilibrarea înmulțirii neutronilor cu pierderile acestora. Există de fapt două motive pentru pierderi: captarea fără fisiune și scurgerea neutronilor în afara mediului de reproducere.

Evident, k< k0, поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны

k0 pentru reactoare termice poate fi determinat prin așa-numita „formulă cu 4 factori”:

μ este factorul de multiplicare pentru neutronii rapizi;

φ este probabilitatea de a evita captarea rezonante;

θ este factorul de utilizare pentru neutronii termici;

η este randamentul de neutroni pe absorbție.

Volumele reactoarelor de putere moderne pot ajunge la sute de m 3 și sunt determinate în principal nu de condițiile de criticitate, ci de posibilitățile de îndepărtare a căldurii.

Volumul critic al unui reactor nuclear este volumul miezului reactorului într-o stare critică. Masa critică - masa materialului fisionabil al reactorului, care se află într-o stare critică.

Reactoarele alimentate cu soluții apoase de săruri ale izotopilor puri fisionali cu un reflector de neutroni de apă au cea mai mică masă critică. Pentru 235 U această masă este de 0,8 kg, pentru 239 Pu este de 0,5 kg. Teoretic, 251 Cf are cea mai mică masă critică, pentru care această valoare este de numai 10 g.

Pentru a reduce scurgerea de neutroni, miezul primește o formă sferică sau apropiată de sferică, cum ar fi un cilindru scurt sau un cub, deoarece aceste cifre au cel mai mic raport dintre suprafață și volum.

În ciuda faptului că valoarea lui (e - 1) este de obicei mică, rolul înmulțirii rapide a neutronilor este destul de mare, deoarece pentru reactoarele nucleare mari (K∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Pentru a începe o reacție în lanț, de obicei sunt produși destui neutroni în timpul fisiunii spontane a nucleelor ​​de uraniu. De asemenea, este posibilă utilizarea unei surse externe de neutroni pentru a porni reactorul, de exemplu, un amestec de Ra și Be, 252 Cf sau alte substanțe.

groapă de iod

O groapă de iod este starea unui reactor nuclear după ce acesta a fost oprit, caracterizată prin acumularea izotopului de xenon de scurtă durată (135 Xe). Acest proces duce la apariția temporară a reactivității negative semnificative, care, la rândul său, face imposibilă aducerea reactorului la capacitatea sa de proiectare pentru o anumită perioadă (aproximativ 1-2 zile).

Clasificare

După natura utilizării

În funcție de natura utilizării reactoarelor nucleare, se împart în:

Reactoare experimentale concepute pentru a studia diferite mărimi fizice, a căror valoare este necesară pentru proiectarea și funcționarea reactoarelor nucleare; puterea unor astfel de reactoare nu depășește câțiva kW;

Reactoare de cercetare în care fluxurile de neutroni și raze γ generate în miez sunt utilizate pentru cercetare în domeniul fizicii nucleare, fizicii stării solide, chimia radiațiilor, biologie, pentru testarea materialelor destinate funcționării în fluxuri intense de neutroni (inclusiv . părți ale nucleare). reactoare), pentru producerea de izotopi. Puterea reactoarelor de cercetare nu depășește 100 MW; energia eliberată de obicei nu este utilizată.

Reactoarele izotopice (de arme, industriale) utilizate pentru a produce izotopi folosiți în armele nucleare, cum ar fi 239Pu.

Reactoarele de putere destinate producerii de energie electrica si termica utilizate in sectorul energetic, in desalinizarea apei, pentru antrenarea centralelor electrice ale navelor etc.; Puterea termică a unui reactor de putere modern ajunge la 3–5 GW.

Conform spectrului de neutroni

Reactor cu neutroni termici („reactor termic”)

Reactor rapid cu neutroni („reactor rapid”)

Reactorul pe neutroni intermediari

Prin plasarea combustibilului

Reactoare eterogene, în care combustibilul este plasat în miez discret sub formă de blocuri, între care se află un moderator;

Reactoare omogene, în care combustibilul și moderatorul sunt un amestec omogen (sistem omogen).

Blocurile de combustibil nuclear dintr-un reactor eterogen sunt numite elemente de combustibil (TVEL), care sunt plasate în miez la nodurile unei rețele obișnuite, formând celule.

După tipul de combustibil

După gradul de îmbogățire:

uraniu natural

Uraniu slab îmbogățit

Izotop pur fisionabil

După compoziția chimică:

metal U

UO 2 (dioxid de uraniu)

UC (carbură de uraniu), etc.

După tipul de lichid de răcire

H2O (apă, vezi PWR)

Gaz, (vezi reactor grafit-gaz)

Reactor cu lichid de răcire organic

Reactor cu lichid de răcire din metal

Reactorul cu sare topită

După tipul de moderator

C (grafit, vezi reactor grafit-gaz, reactor grafit-apă)

H 2 O (apă, vezi Reactorul cu apă ușoară, Reactorul cu apă sub presiune, VVER)

D 2 O (apă grea, vezi Reactor nuclear cu apă grea, CANDU)

Hidruri metalice

fără retarder

De proiectare

Reactoarele cu rezervor

Reactoarele cu canal

metoda de generare a aburului

Reactor cu generator extern de abur

Reactorul de fierbere

La începutul secolului XXI, cele mai comune sunt reactoarele nucleare cu neutroni termici eterogene cu moderatori - H 2 O, C, D 2 O și lichide de răcire - H 2 O, gaz, D 2 O, de exemplu, apă-apă VVER, canalul RBMK.

Reactoarele rapide sunt de asemenea promițătoare. Combustibilul din ele este 238U, ceea ce face posibilă îmbunătățirea utilizării combustibilului nuclear de zece ori în comparație cu reactoarele termice, ceea ce crește semnificativ resursele de energie nucleară.

Materiale reactoare

Materialele din care sunt construite reactoarele funcționează la temperatură ridicată în câmpul neutronilor, γ-quanta și al fragmentelor de fisiune. Prin urmare, nu toate materialele utilizate în alte ramuri ale tehnologiei sunt potrivite pentru construcția reactoarelor. La alegerea materialelor pentru reactor, se iau în considerare rezistența la radiații, inerția chimică, secțiunea transversală de absorbție și alte proprietăți.

Coji de tije de combustibil, canale, moderatoare (reflectoare) sunt realizate din materiale cu secțiuni transversale de absorbție mici. Utilizarea materialelor care absorb slab neutronii reduce consumul neproductiv de neutroni, reduce încărcarea combustibilului nuclear și crește rata de reproducere a HF. Pentru tijele absorbante, dimpotrivă, sunt potrivite materiale cu o secțiune transversală mare de absorbție. Acest lucru reduce foarte mult numărul de tije necesare pentru a controla reactorul.

Neutronii rapizi, γ-quanta și fragmentele de fisiune dăunează structurii materiei. Deci, într-o materie solidă, neutronii rapidi scot atomii din rețeaua cristalină sau îi mută de la locul lor. Ca urmare, proprietățile plastice și conductivitatea termică a materialelor se deteriorează. Moleculele complexe sub influența radiațiilor se descompun în molecule mai simple sau atomi compoziți. De exemplu, apa se descompune în oxigen și hidrogen. Acest fenomen este cunoscut sub numele de radioliză a apei.

Instabilitatea la radiații a materialelor este mai puțin afectată la temperaturi ridicate. Mobilitatea atomilor devine atât de mare încât probabilitatea de întoarcere a atomilor scoși din rețeaua cristalină la locul lor sau de recombinare a hidrogenului și oxigenului într-o moleculă de apă crește semnificativ. Astfel, radioliza apei este nesemnificativă în reactoarele de putere fără fierbere (de exemplu, VVER), în timp ce în reactoarele de cercetare puternice este eliberată o cantitate semnificativă de amestec exploziv. Reactoarele au sisteme speciale de ardere.

Materialele reactorului intră în contact unele cu altele (invelișul combustibilului cu lichidul de răcire și combustibilul nuclear, casetele de combustibil cu lichidul de răcire și moderator etc.). Desigur, materialele de contact trebuie să fie inerte chimic (compatibile). Un exemplu de incompatibilitate este uraniul și apa fierbinte care intră într-o reacție chimică.

Pentru majoritatea materialelor, proprietățile de rezistență se deteriorează brusc odată cu creșterea temperaturii. În reactoarele de putere, materialele structurale funcționează la temperaturi ridicate. Acest lucru limitează alegerea materialelor structurale, în special pentru acele părți ale unui reactor de putere care trebuie să reziste la presiune ridicată.

Arderea și reproducerea combustibilului nuclear

În timpul funcționării unui reactor nuclear, din cauza acumulării de fragmente de fisiune în combustibil, compoziția sa izotopică și chimică se modifică și se formează elemente transuraniu, în principal izotopi Pu. Efectul fragmentelor de fisiune asupra reactivității unui reactor nuclear se numește otrăvire (pentru fragmentele radioactive) și zgură (pentru izotopii stabili).

Principala cauză a otrăvirii reactorului este 135 Xe, care are cea mai mare secțiune transversală de absorbție a neutronilor (2,6 106 barn). Timp de înjumătățire 135 Xe T½ = 9,2 ore; randamentul de diviziune este de 6-7%. Partea principală a 135Xe se formează ca urmare a dezintegrarii lui 135 I (T½ = 6,8 h). Când este otrăvit, Kef se modifică cu 1-3%. Secțiunea transversală mare de absorbție a 135 Xe și prezența izotopului intermediar 135 I conduc la două fenomene importante:

La o creștere a concentrației de 135 Xe și, în consecință, la o scădere a reactivității reactorului după oprirea acestuia sau reducerea puterii („groapă de iod”), ceea ce face imposibilă oprirea pe termen scurt și fluctuațiile puterii de ieșire. Acest efect este depășit prin introducerea unei marje de reactivitate în organismele de reglementare. Adâncimea și durata puțului de iod depind de fluxul de neutroni Ф: la Ф = 5 1018 neutroni/(cm 2 sec), durata puțului de iod este de ˜ 30 h, iar adâncimea este de 2 ori mai mare decât schimbarea staționară Kef cauzat de otrăvirea cu 135 Xe.

Din cauza otrăvirii, pot apărea fluctuații spațio-temporale ale fluxului de neutroni Ф și, în consecință, ale puterii reactorului. Aceste oscilații apar la Ф > 1018 neutroni/(cm 2 sec) și reactoare de dimensiuni mari. Perioade de oscilație ˜ 10 h.

Fisiunea nucleară dă naștere unui număr mare de fragmente stabile, care diferă în secțiunile lor transversale de absorbție față de secțiunea transversală de absorbție a unui izotop fisionabil. Concentrația de fragmente cu o secțiune transversală mare de absorbție ajunge la saturație în primele câteva zile de funcționare a reactorului. În principal este 149Sm schimbând Kef-ul cu 1%. Concentrația fragmentelor cu secțiune transversală de absorbție mică și reactivitatea negativă introdusă de acestea cresc liniar cu timpul.

Formarea elementelor transuraniu într-un reactor nuclear are loc conform următoarelor scheme:

235 U + n → 236 U + n → 237 U → (7 zile) → 237 Np + n → 238 Np → (2,1 zile) → 238 Pu

238 U + n → 239 U → (23 min) → 239 Np → (2,3 zile) → 239 Pu (+ fragmente) + n → 240 Pu + n → 241 Pu (+ fragmente) + n → 242 Pu + n → 243 Pu →(5 h)→ 243 Am + n → 244 Am →(26 min)→ 244 Cm

Timpul dintre săgeți indică timpul de înjumătățire, „+n” indică absorbția neutronului.

La începutul funcționării reactorului are loc o acumulare liniară de 239 Pu, iar cu cât mai rapidă (la o ardere fixă ​​de 235 U), cu atât este mai mică îmbogățirea cu uraniu. În plus, concentrația de 239 Pu tinde spre o valoare constantă, care nu depinde de gradul de îmbogățire, ci este determinată de raportul dintre secțiunile transversale de captare a neutronilor de 238 U și 239 Pu. Timpul caracteristic pentru stabilirea concentrației de echilibru a 239 Pu este ˜ 3/F ani (F în unități este 1013 neutroni/cm 2 s). Izotopii 240 Pu, 241 Pu ajung la concentrația de echilibru numai atunci când combustibilul este ard din nou într-un reactor nuclear după regenerarea combustibilului nuclear.

Arderea combustibilului nuclear se caracterizează prin energia totală eliberată în reactor per 1 combustibil. Această valoare este:

˜ 10 GW zi/t — reactoare cu apă grea;

˜ 20–30 GW zi/t pentru reactoare cu uraniu slab îmbogățit (2–3% 235U);

până la 100 GW zi/t - reactoare rapide cu neutroni.

O ardere de 1 GW zi/t corespunde arderii a 0,1% din combustibil nuclear.

Pe măsură ce combustibilul arde, reactivitatea reactorului scade. Înlocuirea combustibilului ars se efectuează imediat din întregul miez sau treptat, lăsând în funcțiune elemente de combustibil de diferite „vârste”. Acest mod se numește alimentare continuă.

În cazul înlocuirii complete a combustibilului, reactorul are reactivitate în exces, care trebuie compensat, în timp ce în al doilea caz, compensarea este necesară doar la prima pornire a reactorului. Alimentarea continuă face posibilă creșterea adâncimii de ardere, deoarece reactivitatea reactorului este determinată de concentrațiile medii ale izotopilor fisionali.

Masa combustibilului încărcat depășește masa celui descărcat datorită „greutății” energiei eliberate. După ce reactorul este oprit, mai întâi din cauza fisiunii de către neutroni întârziați, iar apoi, după 1-2 min, din cauza radiației β și γ a fragmentelor de fisiune și a elementelor transuraniu, eliberarea de energie continuă în combustibil. Dacă reactorul a funcționat suficient de mult înainte de oprire, atunci la 2 minute după oprire, eliberarea de energie este de aproximativ 3%, după 1 oră - 1%, după o zi - 0,4%, după un an - 0,05%.

Raportul dintre numărul de izotopi Pu fisionali formați într-un reactor nuclear și cantitatea de 235 U arsă se numește factor de conversie KK. Valoarea KK crește odată cu scăderea îmbogățirii și arderii. Pentru un reactor cu apă grea care funcționează pe uraniu natural, cu o ardere de 10 GW zi/t, KK = 0,55, iar pentru arderi mici (în acest caz, KK se numește factorul plutoniu inițial) KK = 0,8. Dacă un reactor nuclear arde și produce aceiași izotopi (reactor de reproducere), atunci raportul dintre rata de reproducere și rata de ardere se numește raportul de reproducere CV. În reactoarele nucleare pe neutroni termici KV< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах КВ может достигать 1,4—1,5. Рост КВ для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g растёт, а а падает.

Controlul reactorului nuclear

Un reactor nuclear poate funcționa la o putere dată timp îndelungat numai dacă are o marjă de reactivitate la începutul funcționării. Procesele care au loc în reactor determină o deteriorare a proprietăților de ameliorare ale mediului, iar fără mecanismul de recuperare a reactivității, reactorul nu ar putea funcționa nici măcar pentru o perioadă scurtă de timp. Marja de reactivitate inițială este creată prin construirea unui miez cu dimensiuni mult mai mari decât cele critice. Pentru a preveni ca reactorul să devină supercritic, în miez sunt introduși absorbanți de neutroni. Absorbantele fac parte din materialul tijelor de control care se deplasează de-a lungul canalelor corespunzătoare din miez. Mai mult, dacă doar câteva tije sunt suficiente pentru reglare, atunci numărul de tije poate ajunge la sute pentru a compensa excesul inițial de reactivitate. Tijele de compensare sunt retrase treptat din miezul reactorului, asigurând o stare critică pe toată durata de funcționare a acestuia. Compensarea arderii se poate realiza si prin folosirea unor absorbante speciale, a caror eficienta scade atunci cand capteaza neutroni (Cd, B, elemente de pamant rare) sau solutii de substante absorbante in moderator.

Controlul unui reactor nuclear este simplificat de faptul că în timpul fisiunii unii dintre neutroni zboară din fragmente cu o întârziere care poate varia de la 0,2 la 55 de secunde. Datorită acestui fapt, fluxul de neutroni și, în consecință, puterea se schimbă destul de ușor, dând timp pentru a lua o decizie și a schimba starea reactorului din exterior.

Un sistem de control și protecție (CPS) este utilizat pentru a controla un reactor nuclear. Organele CPS sunt împărțite în:

Urgență, reducerea reactivității (introducerea reactivității negative în reactor) când apar semnale de urgență;

Regulatoare automate care mențin un flux de neutroni constant Ф (adică puterea de ieșire);

Compensator, care servește la compensarea efectelor otrăvirii, epuizării, temperaturii.

În cele mai multe cazuri, pentru controlul reactorului se folosesc tije care sunt introduse în miez, realizate din materiale care absorb puternic neutronii (Cd, B etc.). Mișcarea tijelor este controlată de mecanisme speciale care funcționează pe semnalele dispozitivelor care sunt sensibile la mărimea fluxului de neutroni.

Funcționarea organelor CPS este simplificată considerabil pentru reactoarele cu un coeficient de temperatură negativ de reactivitate (r scade odată cu creșterea temperaturii).

Pe baza informațiilor despre starea reactorului, un sistem informatic special generează recomandări operatorului de a schimba starea reactorului sau, în anumite limite, reactorul este controlat fără participarea operatorului.

În cazul unei dezvoltări catastrofale neprevăzute a unei reacții în lanț, în fiecare reactor este prevăzută o terminare de urgență a reacției în lanț, realizată prin aruncarea tijelor speciale de urgență sau a tijelor de siguranță în miez - un sistem de protecție în caz de urgență.

Ce este un reactor nuclear?

Un reactor nuclear, cunoscut anterior ca „cazan nuclear” este un dispozitiv folosit pentru a iniția și controla o reacție nucleară susținută în lanț. Reactoarele nucleare sunt utilizate în centralele nucleare pentru a genera energie electrică și pentru motoarele de nave. Căldura din fisiunea nucleară este transferată în fluidul de lucru (apă sau gaz) care este trecut prin turbinele cu abur. Apa sau gazul pun în mișcare paletele navei sau rotesc generatoarele electrice. Aburul rezultat dintr-o reacție nucleară poate fi utilizat, în principiu, pentru industria termică sau pentru termoficare. Unele reactoare sunt folosite pentru a produce izotopi pentru aplicații medicale și industriale sau pentru a produce plutoniu pentru arme. Unele dintre ele sunt doar în scop de cercetare. Astăzi, există aproximativ 450 de reactoare nucleare care sunt folosite pentru a genera electricitate în aproximativ 30 de țări din întreaga lume.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear

Așa cum centralele electrice convenționale generează energie electrică folosind energia termică eliberată din arderea combustibililor fosili, reactoarele nucleare transformă energia eliberată prin fisiunea nucleară controlată în energie termică pentru o conversie ulterioară în forme mecanice sau electrice.

Procesul de fisiune nucleară

Atunci când un număr semnificativ de nuclee atomice în descompunere (cum ar fi uraniul-235 sau plutoniul-239) absorb un neutron, poate avea loc procesul de dezintegrare nucleară. Un nucleu greu se descompune în două sau mai multe nuclee ușoare (produși de fisiune), eliberând energie cinetică, raze gamma și neutroni liberi. Unii dintre acești neutroni pot fi absorbiți ulterior de alți atomi fisionali și pot provoca o fisiune ulterioară, care eliberează și mai mulți neutroni și așa mai departe. Acest proces este cunoscut sub numele de reacție nucleară în lanț.

Pentru a controla o astfel de reacție nucleară în lanț, absorbanții de neutroni și moderatorii pot schimba proporția de neutroni care intră în fisiunea mai multor nuclee. Reactoarele nucleare sunt controlate manual sau automat pentru a putea opri reacția de descompunere atunci când sunt identificate situații periculoase.

Regulatoarele de flux de neutroni utilizate în mod obișnuit sunt apa obișnuită („ușoară”) (74,8% din reactoarele din lume), grafitul solid (20% din reactoare) și apa „grea” (5% din reactoare). În unele tipuri experimentale de reactoare, se propune utilizarea beriliului și a hidrocarburilor.

Generarea de căldură într-un reactor nuclear

Zona de lucru a reactorului generează căldură în mai multe moduri:

• Energia cinetică a produselor de fisiune este transformată în energie termică atunci când nucleele se ciocnesc cu atomii vecini.
• Reactorul absoarbe o parte din radiația gamma produsă în timpul fisiunii și își transformă energia în căldură.
• Căldura este generată din degradarea radioactivă a produselor de fisiune și a acelor materiale care au fost afectate de absorbția neutronilor. Această sursă de căldură va rămâne neschimbată o perioadă de timp, chiar și după ce reactorul este oprit.

În timpul reacțiilor nucleare, un kilogram de uraniu-235 (U-235) eliberează de aproximativ trei milioane de ori mai multă energie decât un kilogram de cărbune ars convențional (7,2 × 1013 jouli pe kilogram de uraniu-235 comparativ cu 2,4 × 107 jouli pe kilogram de cărbune) ,

Sistem de răcire a reactorului nuclear

Lichidul de răcire al unui reactor nuclear - de obicei apă, dar uneori gaz, metal lichid (cum ar fi sodiul lichid) sau sare topită - circulă în jurul miezului reactorului pentru a absorbi căldura eliberată. Căldura este îndepărtată din reactor și apoi folosită pentru a genera abur. Majoritatea reactoarelor folosesc un sistem de răcire care este izolat fizic de apa care fierbe și generează abur folosit pentru turbine, la fel ca un reactor cu apă sub presiune. Cu toate acestea, în unele reactoare, apa pentru turbinele cu abur este fiartă direct în miezul reactorului; de exemplu, într-un reactor cu apă sub presiune.

Controlul fluxului de neutroni în reactor

Puterea reactorului este controlată prin controlul numărului de neutroni capabili să provoace mai multe fisiuni.

Tijele de control care sunt fabricate din „otravă cu neutroni” sunt folosite pentru a absorbi neutronii. Cu cât sunt absorbiți mai mulți neutroni de tija de control, cu atât mai puțini neutroni pot provoca fisiune ulterioară. Astfel, scufundarea tijelor de absorbție adânc în reactor reduce puterea de ieșire a acestuia și, invers, scoaterea tijei de control o va crește.

La primul nivel de control în toate reactoarele nucleare, emisia întârziată de neutroni dintr-un număr de izotopi de fisiune îmbogățiți cu neutroni este un proces fizic important. Acești neutroni întârziați reprezintă aproximativ 0,65% din numărul total de neutroni produși în timpul fisiunii, în timp ce restul (așa-numiții „neutroni rapizi”) se formează imediat în timpul fisiunii. Produșii de fisiune care formează neutronii întârziați au timpi de înjumătățire cuprins între milisecunde și câteva minute și, prin urmare, este nevoie de o perioadă considerabilă de timp pentru a determina exact când reactorul atinge punctul critic. Menținerea reactorului într-un mod de reactivitate în lanț, în care neutronii întârziați sunt necesari pentru a atinge o masă critică, se realizează folosind dispozitive mecanice sau control uman pentru a controla reacția în lanț în „timp real”; în caz contrar, timpul dintre atingerea criticității și topirea miezului unui reactor nuclear ca urmare a creșterii exponențiale a puterii într-o reacție nucleară normală în lanț ar fi prea scurt pentru a interveni. Această ultimă etapă, în care neutronii întârziați nu mai sunt necesari pentru a menține criticitatea, este cunoscută sub numele de criticitate promptă. Există o scară pentru descrierea criticității în formă numerică, în care criticitatea inițială este indicată prin termenul „zero dolari”, punctul critic rapid ca „un dolar”, alte puncte din proces sunt interpolate în „cenți”.

În unele reactoare, lichidul de răcire acționează și ca un moderator de neutroni. Moderatorul crește puterea reactorului determinând ca neutronii rapizi care sunt eliberați în timpul fisiunii să piardă energie și să devină neutroni termici. Neutroni termici mai probabil decât neutronii rapizi să provoace fisiune. Dacă lichidul de răcire este, de asemenea, un moderator de neutroni, atunci schimbările de temperatură pot afecta densitatea lichidului de răcire/moderatorului și, prin urmare, modificarea puterii reactorului. Cu cât temperatura lichidului de răcire este mai mare, cu atât va fi mai puțin dens și, prin urmare, moderatorul este mai puțin eficient.

În alte tipuri de reactoare, lichidul de răcire acționează ca o „otrăvire cu neutroni”, absorbind neutronii în același mod ca tijele de control. În aceste reactoare, puterea de ieșire poate fi crescută prin încălzirea lichidului de răcire, făcându-l mai puțin dens. Reactoarele nucleare au de obicei sisteme automate și manuale pentru oprirea reactorului pentru oprirea de urgență. Aceste sisteme pun cantități mari de „otrăvire cu neutroni” (adesea bor sub formă de acid boric) în reactor pentru a opri procesul de fisiune dacă sunt detectate sau suspectate condiții periculoase.

Cele mai multe tipuri de reactoare sunt sensibile la un proces cunoscut sub numele de „groapă de xenon” sau „groapă de iod”. Un produs de fisiune comun, xenon-135, acționează ca un absorbant de neutroni care încearcă să închidă reactorul. Acumularea de xenon-135 poate fi controlată prin menținerea suficientă nivel inalt puterea de a-l distruge prin absorbția neutronilor la fel de repede cum este produs. Fisiunea are ca rezultat, de asemenea, formarea de iod-135, care la rândul său se descompune (cu un timp de înjumătățire de 6,57 ore) pentru a forma xenon-135. Când reactorul este oprit, iodul-135 continuă să se descompună pentru a forma xenon-135, ceea ce face repornirea reactorului mai dificilă într-o zi sau două, deoarece xenonul-135 se descompune pentru a forma cesiu-135, care nu este un absorbant de neutroni precum xenonul. -135.135, cu un timp de înjumătățire de 9,2 ore. Această stare temporară este „groapa de iod”. Dacă reactorul are suficientă putere suplimentară, atunci poate fi repornit. Mai mult xenon-135 se va transforma în xenon-136, care este mai puțin decât absorbantul de neutroni, iar în câteva ore reactorul experimentează așa-numita „etapă de ardere a xenonului”. În plus, tijele de control trebuie introduse în reactor pentru a compensa absorbția neutronilor pentru a înlocui xenonul-135 pierdut. Nerespectarea corectă a acestei proceduri a fost un motiv cheie al accidentului de la centrala nucleară de la Cernobîl.

Reactoarele utilizate în centralele nucleare marine (în special submarinele nucleare) nu pot fi deseori pornite într-un mod de putere continuu, în același mod ca reactoarele de putere terestre. În plus, astfel de centrale electrice trebuie să aibă o perioadă lungă de funcționare fără a schimba combustibilul. Din acest motiv, multe modele folosesc uraniu foarte îmbogățit, dar conțin un absorbant de neutroni care se poate arde în barele de combustibil. Acest lucru face posibilă proiectarea unui reactor cu un exces de material fisionabil, care este relativ sigur la începutul arderii ciclului combustibilului reactorului datorită prezenței materialului absorbant de neutroni, care este ulterior înlocuit cu absorbante convenționale de neutroni cu viață lungă. (mai durabil decât xenonul-135), care se acumulează treptat pe durata de viață a reactorului.combustibil.

Cum se produce electricitatea?

Energia generată în timpul fisiunii generează căldură, dintre care o parte poate fi transformată în energie utilă. Metoda generala utilizarea acestei energii termice este de a o folosi pentru a fierbe apa și a produce abur sub presiune, care, la rândul său, duce la rotația motorului. turbină cu abur, care rotește alternatorul și generează electricitate.

Istoria apariției primelor reactoare

Neutronii au fost descoperiți în 1932. Schema unei reacții în lanț provocată de reacții nucleare ca urmare a expunerii la neutroni a fost realizată pentru prima dată de omul de știință ungur Leo Sillard în 1933. A cerut un brevet pentru ideea lui simplă de reactor în cursul anului următor la Amiraalitatea din Londra. Cu toate acestea, ideea lui Szilard nu includea teoria fisiunii nucleare ca sursă de neutroni, deoarece acest proces nu fusese încă descoperit. Ideile lui Szilard pentru reactoare nucleare care utilizează o reacție nucleară în lanț mediată de neutroni în elemente ușoare s-au dovedit imposibil de realizat.

Impulsul pentru crearea unui nou tip de reactor folosind uraniu a fost descoperirea lui Lise Meitner, Fritz Strassmann și Otto Hahn în 1938, care au „bombardat” uraniul cu neutroni (folosind reacția de descompunere alfa a beriliului, „tunul cu neutroni”). pentru a forma bariu, care, după cum credeau ei, provine din degradarea nucleelor ​​de uraniu. Studiile ulterioare la începutul anului 1939 (Szilard și Fermi) au arătat că unii neutroni au fost produși și în timpul fisiunii atomului și acest lucru a făcut posibilă realizarea unei reacții nucleare în lanț, așa cum prevăzuse Szilard cu șase ani mai devreme.

La 2 august 1939, Albert Einstein a semnat o scrisoare scrisă de Szilard către președintele Franklin D. Roosevelt în care afirmă că descoperirea fisiunii uraniului ar putea duce la crearea de „noi tipuri de bombe extrem de puternice”. Acest lucru a dat impuls studiului reactoarelor și al dezintegrarii radioactive. Szilard și Einstein se cunoșteau bine și au lucrat împreună mulți ani, dar Einstein nu s-a gândit niciodată la o asemenea posibilitate pentru energia nucleară până când Szilard l-a informat, chiar la începutul căutării sale, să scrie o scrisoare Einstein-Szilard pentru a ne avertiza guvernul,

La scurt timp după aceea, în 1939, Germania nazistă a invadat Polonia, declanșând al Doilea Război Mondial în Europa. Oficial, SUA nu erau încă în război, dar în octombrie, când a fost trimisă scrisoarea Einstein-Szilard, Roosevelt a remarcat că scopul studiului a fost să se asigure că „naziștii nu ne aruncă în aer”. proiect nuclear SUA au început, deși cu o oarecare întârziere, deoarece scepticismul a rămas (în special din partea Fermi) și, de asemenea, din cauza numărului mic de oficiali guvernamentali care au supravegheat inițial proiectul.

LA anul urmator guvernul SUA a primit un memorandum Frisch-Peierls din Marea Britanie, în care se afirma că cantitatea de uraniu necesară pentru a realiza o reacție în lanț a fost mult mai mică decât se credea anterior. Memorandumul a fost creat cu participarea Comisiei Maud, care a lucrat la proiectul bombei atomice din Marea Britanie, cunoscut ulterior sub numele de cod „Tube Alloys” (aliajele tubulare) și ulterior inclus în Proiectul Manhattan.

În cele din urmă, primul reactor nuclear creat de om, numit Chicago Woodpile 1, a fost construit la Universitatea din Chicago de o echipă condusă de Enrico Fermi la sfârșitul anului 1942. Până atunci, programul nuclear al SUA fusese deja accelerat de intrarea țării în razboiul. „Chicago Woodpile” a atins un punct critic pe 2 decembrie 1942 la 15 ore și 25 de minute. Cadrul reactorului era din lemn, ținând împreună un teanc de blocuri de grafit (de unde și numele) cu „brichete” sau „pseudosfere” de oxid de uraniu natural.

Începând din 1943, la scurt timp după crearea Chicago Woodpile, armata americană a dezvoltat o serie întreagă de reactoare nucleare pentru Proiectul Manhattan. Scopul principal al celor mai mari reactoare (situate în complexul Hanford din statul Washington) a fost producția în masă de plutoniu pentru arme nucleare. Fermi și Szilard au depus o cerere de brevet pentru reactoare la 19 decembrie 1944. Eliberarea acesteia a fost amânată cu 10 ani din cauza secretului de război.

„Prima lume” - această inscripție a fost făcută la locul reactorului EBR-I, care acum este un muzeu lângă orașul Arco, Idaho. Numit inițial „Chicago Woodpile-4”, acest reactor a fost construit sub conducerea lui Walter Zinn pentru Laboratorul Național Aregonne. Acest reactor experimental de reproducere rapidă a fost la dispoziția Comisiei pentru Energie Atomică din SUA. Reactorul a produs 0,8 kW de putere la testare pe 20 decembrie 1951 și 100 kW de putere (electrică) a doua zi, cu o capacitate de proiectare de 200 kW (putere electrică).

Pe lângă utilizarea militară a reactoarelor nucleare, au existat motive politice pentru a continua cercetările în domeniul energiei atomice în scopuri pașnice. Președintele SUA Dwight Eisenhower a ținut celebrul său discurs „Atomi pentru pace” în fața Adunării Generale a ONU pe 8 decembrie 1953. Această mișcare diplomatică a dus la răspândirea tehnologiei reactoarelor atât în ​​SUA, cât și în întreaga lume.

Prima centrală nucleară construită în scopuri civile a fost centrala nucleară AM-1 din Obninsk, lansată la 27 iunie 1954 în Uniunea Sovietică. A produs aproximativ 5 MW de energie electrică.

După al Doilea Război Mondial, armata americană a căutat alte aplicații pentru tehnologia reactoarelor nucleare. Studiile efectuate în Armată și Forțele Aeriene nu au fost implementate; Cu toate acestea, Marina SUA a avut succes cu lansarea submarinului nuclear USS Nautilus (SSN-571) pe 17 ianuarie 1955.

Prima centrală nucleară comercială (Calder Hall din Sellafield, Anglia) a fost deschisă în 1956 cu o capacitate inițială de 50 MW (mai târziu 200 MW).

Primul reactor nuclear portabil „Alco PM-2A” a fost folosit pentru a genera energie electrică (2 MW) pentru baza militară americană „Camp Century” din 1960.

Componentele principale ale unei centrale nucleare

Componentele principale ale majorității tipurilor centrale nucleare sunteți:

Elemente ale unui reactor nuclear

• Combustibil nuclear (miez de reactor nuclear; moderator de neutroni)
• Sursa inițială de neutroni
• Absorbant de neutroni
• Pistolul cu neutroni (oferă o sursă constantă de neutroni pentru a reinițializa reacția după ce a fost oprit)
• Sistem de răcire (de multe ori moderatorul de neutroni și lichidul de răcire sunt la fel, de obicei apă purificată)
• tije de control
• Vasul reactorului nuclear (NRC)

Pompa de apa cazanului

• Generatoare de abur (nu în reactoare cu apă clocotită)
• Turbină cu abur
• Generator de electricitate
• Condensator
• Turn de răcire (nu este întotdeauna necesar)
• Sistem de tratare a deșeurilor radioactive (parte a instalației de eliminare a deșeurilor radioactive)
• Locul de reîncărcare a combustibilului nuclear
• Piscina cu combustibil uzat

Sistem de protecție împotriva radiațiilor

• Sistem de protecție a rectorului (SZR)
• Generatoare diesel de urgență
• Sistem de răcire de urgență a miezului reactorului (ECCS)
• Sistem de control al fluidului de urgență (injecție de urgență cu bor, numai în reactoare cu apă clocotită)
• Sistem de alimentare cu apă de serviciu pentru consumatori responsabili (SOTVOP)

Înveliș de protecție

• Telecomandă
• Instalare de urgență
• Complex de antrenament nuclear (de regulă, există o simulare a panoului de control)

Clasificarea reactoarelor nucleare

Tipuri de reactoare nucleare

Reactoarele nucleare sunt clasificate în mai multe moduri; un rezumat al acestor metode de clasificare este prezentat mai jos.

Clasificarea reactoarelor nucleare după tipul de moderator

Reactoarele termice folosite:

• Reactoare de grafit
  
• Reactoare cu apă sub presiune
• Reactoare cu apă grea(utilizat în Canada, India, Argentina, China, Pakistan, România și Coreea de Sud).
• Reactoare cu apă ușoară(LVR). Reactoarele cu apă ușoară (cel mai comun tip de reactor termic) folosesc apă obișnuită pentru a controla și răci reactoarele. Dacă temperatura apei crește, atunci densitatea acesteia scade, încetinind suficient fluxul de neutroni pentru a provoca reacții în lanț ulterioare. Acest feedback negativ stabilizează viteza reacției nucleare. Reactoarele cu grafit și cu apă grea tind să se încălzească mai intens decât reactoarele cu apă ușoară. Datorită căldurii suplimentare, astfel de reactoare pot folosi uraniu natural/combustibil neîmbogățit.
• Reactoare bazate pe moderatori cu elemente ușoare.
• Reactoare moderate cu sare topită(MSR) sunt controlate de prezența elementelor ușoare, cum ar fi litiu sau beriliu, care fac parte din sărurile matricei lichidului de răcire/combustibil LiF și BEF2.
• Reactoare cu răcitoare din metal lichid, unde lichidul de răcire este un amestec de plumb și bismut, poate folosi oxid de BeO în absorbantul de neutroni.
• Reactoare bazate pe moderator organic(OMR) utilizează difenil și terfenil ca moderator și componente de răcire.

Clasificarea reactoarelor nucleare după tipul de lichid de răcire

• Reactor răcit cu apă. Există 104 reactoare în funcțiune în Statele Unite. Dintre acestea, 69 sunt reactoare cu apă sub presiune (PWR) și 35 sunt reactoare cu apă fierbinte (BWR). Reactoarele nucleare cu apă sub presiune (PWR) reprezintă marea majoritate a tuturor centralelor nucleare occidentale. Principala caracteristică a tipului RVD este prezența unui compresor, un vas special de înaltă presiune. Majoritatea reactoarelor comerciale de înaltă presiune și a centralelor de reactoare navale folosesc supraalimentatoare. În timpul funcționării normale, suflantul este parțial umplut cu apă, iar deasupra ei se menține o bulă de abur, care este creată prin încălzirea apei cu încălzitoare de imersie. În modul normal, compresorul este conectat la vasul reactorului de înaltă presiune (HRV), iar compensatorul de presiune asigură o cavitate în cazul unei modificări a volumului de apă din reactor. O astfel de schemă asigură, de asemenea, controlul presiunii în reactor prin creșterea sau scăderea presiunii aburului în compensator folosind încălzitoare.

• Reactoare cu apă grea de înaltă presiune aparțin unei varietăți de reactoare cu apă sub presiune (PWR), combinând principiile utilizării presiunii, a unui ciclu termic izolat, presupunând utilizarea apei grele ca agent de răcire și moderator, ceea ce este benefic din punct de vedere economic.
• reactor cu apă clocotită(BWR). Modelele de reactoare cu apă clocotită se caracterizează prin prezența apei clocotite în jurul barajelor de combustibil de la fundul vasului principal al reactorului. Reactorul cu apă clocotită folosește ca combustibil 235U îmbogățit, sub formă de dioxid de uraniu. Combustibilul este dispus în tije plasate într-un vas de oțel, care, la rândul său, este scufundat în apă. Procesul de fisiune nucleară face ca apa să fiarbă și să se formeze abur. Acest abur trece prin conductele din turbine. Turbinele sunt alimentate cu abur, iar acest proces generează energie electrică. În timpul funcționării normale, presiunea este controlată de cantitatea de abur care curge din vasul sub presiune al reactorului în turbină.
• Reactor de tip bazin
• Reactor cu lichid de răcire din metal. Deoarece apa este un moderator de neutroni, nu poate fi folosită ca lichid de răcire într-un reactor cu neutroni rapid. Lichizi de răcire cu metale includ sodiu, NaK, plumb, eutectic plumb-bismut, iar pentru reactoarele de generație timpurie, mercur.
• Reactor rapid cu neutroni cu lichid de răcire cu sodiu.
• Reactor pe neutroni rapizi cu lichid de răcire cu plumb.
• Reactoare răcite cu gaz sunt racite prin circulatie de gaz inert, concepute cu heliu in structuri la temperaturi ridicate. în care, dioxid de carbon a fost folosit mai devreme la centralele nucleare britanice și franceze. S-a folosit și azot. Utilizarea căldurii depinde de tipul de reactor. Unele reactoare sunt atât de fierbinți încât gazul poate conduce direct o turbină cu gaz. Proiectele mai vechi de reactoare implicau de obicei trecerea gazului printr-un schimbător de căldură pentru a genera abur pentru o turbină cu abur.
• Reactoare cu sare topită(MSR) sunt răcite prin circularea sării topite (de obicei amestecuri eutectice de săruri de fluorură, cum ar fi FLiBe). Într-un MSR tipic, lichidul de răcire este, de asemenea, utilizat ca o matrice în care materialul fisionabil este dizolvat.

Generații de reactoare nucleare

• Reactorul de prima generatie(prototipuri timpurii, reactoare de cercetare, reactoare de putere necomerciale)
• Reactorul de a doua generație(cele mai moderne centrale nucleare 1965-1996)
• Reactorul de a treia generație(îmbunătățiri evolutive ale modelelor existente 1996-prezent)
• Reactor a patra generație (tehnologii încă în curs de dezvoltare, dată de începere necunoscută, posibil 2030)

În 2003, Comisariatul francez pentru energie atomică (CEA) a introdus denumirea „Gen II” pentru prima dată în timpul Săptămânii sale nucleonice.

Prima mențiune despre „Gen. III” în 2000 a fost făcută în legătură cu începerea Forumului Internațional Generația a IV-a (GIF).

„Gen IV” a fost menționat în 2000 de Departamentul de Energie al Statelor Unite (DOE) pentru dezvoltarea de noi tipuri de centrale electrice.

Clasificarea reactoarelor nucleare după tipul de combustibil

• Reactorul cu combustibil solid
• reactor cu combustibil lichid
• Reactor omogen răcit cu apă
• Reactorul cu sare topită
• Reactoare pe gaz (teoretic)

Clasificarea reactoarelor nucleare după scop

• Producerea energiei electrice
• Centrale nucleare, inclusiv reactoare cu clustere mici
• Dispozitive autopropulsate (vezi centrale nucleare)
• Instalații nucleare offshore
• Diferite tipuri de motoare rachete propuse
• Alte utilizări ale căldurii
• Desalinizare
• Generare de căldură pentru încălzire casnică și industrială
• Producția de hidrogen pentru utilizare în energia hidrogenului
• Reactoare de producție pentru conversia elementelor
• Reactoarele de reproducere capabile să producă mai mult material fisionabil decât consumă în timpul reacției în lanț (prin conversia izotopilor părinte U-238 în Pu-239 sau Th-232 în U-233). Astfel, după ce a lucrat un ciclu, reactorul de generare a uraniului poate fi alimentat în mod repetat cu uraniu natural sau chiar sărăcit. La rândul său, reactorul generator de toriu poate fi reumplut cu toriu. Cu toate acestea, este necesară o aprovizionare inițială cu material fisionabil.
• Crearea diverșilor izotopi radioactivi, cum ar fi americiu pentru utilizare în detectoare de fum și cobalt-60, molibden-99 și alții utilizați ca trasori și pentru tratament.
• Producția de materiale pentru arme nucleare, cum ar fi plutoniu pentru arme
• Crearea unei surse de radiații neutronice (de exemplu, reactorul cu impulsuri Lady Godiva) și radiații cu pozitroni (de exemplu, analiza activării neutronilor și datarea potasiu-argon)
• Reactor de cercetare: în mod obișnuit, reactoarele sunt utilizate pentru cercetare și predare științifică, testarea materialelor sau producerea de radioizotopi pentru medicină și industrie. Sunt mult mai mici decât reactoarele de putere sau reactoarele de nave. Multe dintre aceste reactoare sunt situate în campusurile universitare. Există aproximativ 280 de astfel de reactoare care funcționează în 56 de țări. Unele funcționează cu combustibil de uraniu foarte îmbogățit. Eforturile internaționale sunt în desfășurare pentru a înlocui combustibilii slab îmbogățiți.

Reactoarele nucleare moderne

Reactoare cu apă sub presiune (PWR)

Aceste reactoare folosesc un vas sub presiune pentru a conține combustibilul nuclear, tijele de control, moderatorul și lichidul de răcire. Reactoarele sunt răcite, iar neutronii sunt moderați de apă lichidă la presiune ridicată. Apa fierbinte radioactivă care iese din vasul sub presiune trece prin circuitul generatorului de abur, care la rândul său încălzește circuitul secundar (neradioactiv). Aceste reactoare constituie majoritatea reactoarelor moderne. Acesta este dispozitivul de proiectare a încălzirii reactorului cu neutroni, dintre care cele mai recente sunt VVER-1200, reactorul avansat cu apă sub presiune și reactorul european cu apă sub presiune. Reactoarele US Navy sunt de acest tip.

Reactoare cu apă fierbinte (BWR)

Reactoarele cu apă fierbinte sunt similare cu reactoarele cu apă sub presiune fără generator de abur. Reactoarele cu apă fierbinte folosesc, de asemenea, apa ca agent de răcire și moderator de neutroni ca reactoare cu apă sub presiune, dar la o presiune mai mică, ceea ce permite apei să fiarbă în interiorul cazanului, creând abur care transformă turbinele. Spre deosebire de un reactor cu apă sub presiune, nu există circuit primar și secundar. Capacitatea de încălzire a acestor reactoare poate fi mai mare și pot fi mai simple în design și chiar mai stabile și mai sigure. Acesta este un dispozitiv cu reactor cu neutroni termici, dintre care cele mai recente sunt reactorul avansat cu apă fierbinte și reactorul nuclear simplificat economic cu apă clocotită.

Reactor moderat cu apă grea sub presiune (PHWR)

Un design canadian (cunoscut sub numele de CANDU), acestea sunt reactoare moderate cu apă grea sub presiune. În loc să folosiți un singur vas sub presiune, ca în reactoarele cu apă sub presiune, combustibilul se află în sute de canale de înaltă presiune. Aceste reactoare funcționează cu uraniu natural și sunt reactoare cu neutroni termici. Reactoarele cu apă grea pot fi alimentate în timp ce funcționează la putere maximă, făcându-le foarte eficiente atunci când se utilizează uraniu (acest lucru permite controlul precis al debitului miezului). Reactoarele de apă grea CANDU au fost construite în Canada, Argentina, China, India, Pakistan, România și Coreea de Sud. India operează, de asemenea, o serie de reactoare cu apă grea, denumite adesea „derivate CANDU”, construite după ce guvernul canadian a încheiat relațiile nucleare cu India în urma testului de arme nucleare „Smiling Buddha” din 1974.

Reactor cu canal de mare putere (RBMK)

Dezvoltare sovietică, menită să producă plutoniu, precum și electricitate. RBMK-urile folosesc apa ca lichid de răcire și grafitul ca moderator de neutroni. RBMK-urile sunt similare în unele privințe cu CANDU-urile, deoarece pot fi reîncărcate în timpul funcționării și folosesc tuburi sub presiune în locul unui vas sub presiune (cum se întâmplă în reactoarele cu apă sub presiune). Cu toate acestea, spre deosebire de CANDU, acestea sunt foarte instabile și voluminoase, ceea ce face ca capacul reactorului să fie scump. Un număr de deficiențe critice de siguranță au fost, de asemenea, identificate în proiectele RBMK, deși unele dintre aceste deficiențe au fost corectate după dezastrul de la Cernobîl. Lor caracteristica principală este utilizarea apei ușoare și a uraniului neîmbogățit. Începând cu 2010, 11 reactoare rămân deschise, în principal datorită siguranței îmbunătățite și sprijinului din partea organizatii internationale pentru securitate, cum ar fi Departamentul de Energie al SUA. În ciuda acestor îmbunătățiri, reactoarele RBMK sunt încă considerate unul dintre cele mai periculoase modele de reactoare de utilizat. Reactoarele RBMK au fost folosite doar în fosta Uniune Sovietică.

Reactor răcit cu gaz (GCR) și reactor avansat cu răcire cu gaz (AGR)

Ei folosesc de obicei un moderator de neutroni din grafit și un răcitor de CO2. Datorită temperaturilor ridicate de funcționare, acestea pot avea o eficiență mai mare pentru generarea de căldură decât reactoarele cu apă sub presiune. Există o serie de reactoare operaționale de acest design, în principal în Regatul Unit, unde a fost dezvoltat conceptul. Construcțiile mai vechi (adică stațiile Magnox) sunt fie închise, fie vor fi închise în viitorul apropiat. Cu toate acestea, reactoarele îmbunătățite răcite cu gaz au o durată de funcționare estimată de încă 10 până la 20 de ani. Reactoarele de acest tip sunt reactoare cu neutroni termici. Costurile monetare ale dezafectării unor astfel de reactoare pot fi mari din cauza volumului mare al miezului.

Reactor de reproducere rapidă (LMFBR)

Designul acestui reactor este răcit cu metal lichid, fără moderator și produce mai mult combustibil decât consumă. Se spune că aceștia „produc” combustibil, deoarece produc combustibil fisionabil în cursul captării neutronilor. Astfel de reactoare pot funcționa în același mod ca reactoarele cu apă sub presiune în ceea ce privește eficiența, ele trebuie să compenseze presiunea crescută, deoarece se utilizează metal lichid, care nu creează exces de presiune chiar și la temperaturi foarte ridicate. BN-350 și BN-600 din URSS și Superphoenix din Franța au fost reactoare de acest tip, la fel ca și Fermi I în Statele Unite. Reactorul Monju din Japonia, avariat de o scurgere de sodiu în 1995, și-a reluat funcționarea în mai 2010. Toate aceste reactoare folosesc/au folosit sodiu lichid. Aceste reactoare sunt reactoare cu neutroni rapidi și nu aparțin reactoarelor cu neutroni termici. Aceste reactoare sunt de două tipuri:

plumb răcit

Utilizarea plumbului ca metal lichid oferă o protecție excelentă împotriva radiațiilor și permite funcționarea la temperaturi foarte ridicate. De asemenea, plumbul este (în cea mai mare parte) transparent pentru neutroni, astfel încât mai puțini neutroni sunt pierduți în lichidul de răcire și lichidul de răcire nu devine radioactiv. Spre deosebire de sodiu, plumbul este în general inert, deci există mai puțin risc de explozie sau accident, dar cantități atât de mari de plumb pot cauza toxicitate și probleme de eliminare. Adesea amestecurile eutectice plumb-bismut pot fi utilizate în reactoare de acest tip. În acest caz, bismutul va interfera puțin cu radiația, deoarece nu este complet transparent pentru neutroni și se poate transforma într-un alt izotop mai ușor decât plumbul. Submarinul rusesc din clasa Alpha folosește ca sistem principal de generare a energiei un reactor de neutroni rapid răcit cu plumb-bismut.

racit cu sodiu

Majoritatea reactoarelor de reproducere a metalelor lichide (LMFBR) sunt de acest tip. Sodiul este relativ ușor de obținut și ușor de lucrat și, de asemenea, ajută la prevenirea coroziunii diferitelor părți ale reactorului scufundate în el. Cu toate acestea, sodiul reacționează violent la contactul cu apa, așa că trebuie avut grijă, deși astfel de explozii nu vor fi cu mult mai puternice decât, de exemplu, scurgerile de lichid supraîncălzit din SCWR sau RWD. EBR-I este primul reactor de acest tip, unde miezul este format dintr-o topitură.

Reactor cu pat sferic (PBR)

Ei folosesc combustibil presat în bile ceramice în care gazul circulă prin bile. Drept urmare, sunt reactoare eficiente, nepretențioase, foarte sigure, cu combustibil ieftin, standardizat. Prototipul a fost reactorul AVR.

Reactoare cu sare topită

În ele, combustibilul este dizolvat în săruri de fluor sau fluorurile sunt folosite ca lichid de răcire. Pentru diversele lor sisteme de securitate, eficiență ridicată și densitate mare de energie sunt potrivite Vehicul. În mod remarcabil, nu au piese supuse la presiuni mari sau componente combustibile în miez. Prototipul a fost reactorul MSRE, care a folosit și un ciclu de combustibil cu toriu. Ca reactor de generare, reprocesează combustibilul uzat, recuperând atât elementele de uraniu, cât și cele transuraniu, lăsând doar 0,1% din deșeuri transuraniu, comparativ cu reactoarele convenționale cu apă ușoară cu uraniu care se află în funcțiune în prezent. O problemă separată sunt produsele de fisiune radioactivă, care nu sunt reciclate și trebuie aruncate în reactoare convenționale.

Reactor apos omogen (AHR)

Aceste reactoare folosesc combustibil sub formă de săruri solubile care sunt dizolvate în apă și amestecate cu un lichid de răcire și un moderator de neutroni.

Sisteme și proiecte nucleare inovatoare

reactoare avansate

Peste o duzină de proiecte avansate de reactoare se află în diferite stadii de dezvoltare. Unele dintre acestea au evoluat din modelele RWD, BWR și PHWR, unele diferă mai semnificativ. Primele includ Reactorul Avansat de Apă Fiertă (ABWR) (dintre care două sunt în prezent operaționale, iar altele în construcție), precum și Reactorul de Apă Fiertă de Siguranță Pasivă (ESBWR) și instalațiile AP1000 planificate (vezi mai jos). 2010).

Reactor nuclear cu neutroni rapidi integral(IFR) a fost construit, testat și testat de-a lungul anilor 1980, apoi dezafectat în urma demisiei administrației Clinton în anii 1990 din cauza politicilor de neproliferare nucleară. Reprocesarea combustibilului nuclear uzat se află în centrul proiectării sale și, prin urmare, produce doar o parte din deșeurile din reactoarele în funcțiune.

Modular reactor de înaltă temperatură racit cu gaz reactorul (HTGCR) este proiectat astfel încât temperaturile ridicate reduc puterea de ieșire din cauza lărgirii Doppler a secțiunii transversale a fasciculului de neutroni. Reactorul folosește un combustibil de tip ceramic, astfel încât temperaturile sale de funcționare în condiții de siguranță depășesc intervalul de temperatură de derating. Majoritatea structurilor sunt răcite cu heliu inert. Heliul nu poate provoca o explozie din cauza expansiunii vaporilor, nu absoarbe neutronii, ceea ce ar duce la radioactivitate și nu dizolvă contaminanții care ar putea fi radioactivi. Modelele tipice constau din mai multe straturi de protecție pasivă (până la 7) decât în ​​reactoarele cu apă ușoară (de obicei 3). O caracteristică unică care poate oferi siguranță este că bilele de combustibil formează de fapt miezul și sunt înlocuite unul câte unul în timp. Caracteristici de design celulele de combustie le fac scumpe de reciclat.

Mic, închis, mobil, reactor autonom (SSTAR) a fost testat și dezvoltat inițial în SUA. Reactorul a fost conceput ca un reactor cu neutroni rapid, cu un sistem de protecție pasivă care putea fi oprit de la distanță în cazul în care se suspectează o defecțiune.

Curat și prietenos cu mediul reactor avansat (CAESAR) este un concept pentru un reactor nuclear care folosește abur ca moderator de neutroni - acest design este încă în dezvoltare.

Reactorul moderat cu apă redusă se bazează pe Reactorul avansat cu apă fierbinte (ABWR) aflat în funcțiune în prezent. Acesta nu este un reactor cu neutroni complet rapid, dar folosește în principal neutroni epitermici, care au viteze intermediare între termică și rapidă.

Modul de energie nucleară cu autoreglare cu moderator de hidrogen (HPM) este un tip de reactor de proiectare lansat de Laboratorul Național Los Alamos care utilizează hidrură de uraniu drept combustibil.

Reactoarele nucleare subcritice concepute ca o muncă mai sigură și mai stabilă, dar sunt dificile din punct de vedere ingineresc și economic. Un exemplu este „Amplificatorul de energie”.

Reactoare pe bază de toriu. Este posibil să se transforme toriu-232 în U-233 în reactoare proiectate special pentru acest scop. În acest fel, toriul, care este de patru ori mai comun decât uraniul, poate fi folosit pentru a produce combustibil nuclear pe bază de U-233. Se crede că U-233 are proprietăți nucleare favorabile față de U-235 convențional, în special o mai bună utilizare benefică neutroni și reducerea cantității de deșeuri transuraniu cu viață lungă produse.

Reactor avansat cu apă grea (AHWR)- reactorul de apă grea propus, care va reprezenta dezvoltarea următoarei generații de tip PHWR. În curs de dezvoltare la Bhabha Nuclear Research Center (BARC), India.

KAMINI- un reactor unic care utilizează izotopul de uraniu-233 drept combustibil. Construit în India la Centrul de Cercetare BARC și Centrul de Cercetare Nucleară Indira Gandhi (IGCAR).

De asemenea, India intenționează să construiască reactoare cu neutroni rapidi folosind ciclul combustibilului toriu-uraniu-233. FBTR (reactor cu neutroni rapidi) (Kalpakkam, India) folosește plutoniu drept combustibil și sodiu lichid ca lichid de răcire în timpul funcționării.

Ce sunt reactoarele de generația a patra

A patra generație de reactoare este un set de proiecte teoretice diferite care sunt luate în considerare în prezent. Este puțin probabil ca aceste proiecte să fie implementate până în 2030. Reactoarele moderne aflate în funcțiune sunt, în general, considerate sisteme de a doua sau a treia generație. Sistemele de prima generație nu au fost folosite de ceva timp. Dezvoltarea acestei a patra generații de reactoare a fost lansată oficial la Forumul Internațional Generația IV (GIF) pe baza a opt obiective tehnologice. Principalele obiective au fost îmbunătățirea siguranței nucleare, creșterea securității împotriva proliferării, reducerea la minimum a deșeurilor și utilizarea resurse naturale, precum și pentru a reduce costul construirii și lansării unor astfel de stații.

• Reactor rapid cu neutroni răcit cu gaz
• Reactor rapid cu neutroni cu răcitor de plumb
• Reactor cu sare lichidă
• Reactor cu neutroni rapid răcit cu sodiu
• Reactor nuclear supercritic răcit cu apă
• Reactor nuclear de temperatură ultra-înaltă

Ce sunt reactoarele de generația a cincea?

A cincea generație de reactoare sunt proiecte, a căror implementare este posibilă din punct de vedere teoretic, dar care nu fac în prezent obiectul unei analize și cercetări active. Deși astfel de reactoare pot fi construite în prezent sau pe termen scurt, ele prezintă un interes redus din motive de fezabilitate economică, caracter practic sau siguranță.

• reactor în fază lichidă. O buclă închisă cu lichid în miezul unui reactor nuclear, unde materialul fisionabil este sub formă de uraniu topit sau o soluție de uraniu răcită cu ajutorul unui gaz de lucru injectat în orificiile traversante din baza vasului de reținere.
• Reactor cu o fază gazoasă în miez. O variantă în buclă închisă pentru o rachetă cu propulsie nucleară, în care materialul fisionabil este hexafluorură de uraniu gazoasă situată într-un vas de cuarț. Gazul de lucru (cum ar fi hidrogenul) va curge în jurul acestui vas și va absorbi radiația ultravioletă rezultată din reacția nucleară. Un astfel de design ar putea fi folosit ca motor de rachetă, așa cum se menționează în romanul științifico-fantastic al lui Harry Harrison din 1976 Skyfall. Teoretic, utilizarea hexafluorurei de uraniu ca combustibil nuclear (mai degrabă decât ca intermediar, așa cum se face în prezent) ar duce la costuri mai mici de generare a energiei, precum și la reducerea semnificativă a dimensiunii reactoarelor. În practică, un reactor care funcționează la astfel de densități de putere mari ar produce un flux de neutroni necontrolat, slăbind proprietățile de rezistență ale majorității materialelor din reactor. Astfel, debitul ar fi similar cu fluxul de particule eliberate în instalațiile termonucleare. La rândul său, acest lucru ar necesita utilizarea unor materiale similare cu cele utilizate în cadru. Proiect internațional pentru realizarea unei instalaţii de iradiere a materialelor în condiţii reactie termonucleara.
• Reactor electromagnetic în fază gazoasă. Similar cu un reactor în fază gazoasă, dar cu celule fotovoltaice care convertesc lumina ultravioletă direct în electricitate.
• Reactor pe bază de fragmentare
• Fuziune nucleară hibridă. Sunt utilizați neutronii emiși în timpul fuziunii și descompunerii originalului sau „substanței din zona de reproducere”. De exemplu, transmutarea U-238, Th-232 sau a combustibilului uzat/deșeurilor radioactive dintr-un alt reactor în izotopi relativ mai benini.

Reactor cu fază gazoasă în zona activă. O variantă în buclă închisă pentru o rachetă cu propulsie nucleară, în care materialul fisionabil este hexafluorură de uraniu gazoasă situată într-un vas de cuarț. Gazul de lucru (cum ar fi hidrogenul) va curge în jurul acestui vas și va absorbi radiația ultravioletă rezultată din reacția nucleară. Un astfel de design ar putea fi folosit ca motor de rachetă, așa cum se menționează în romanul științifico-fantastic al lui Harry Harrison din 1976 Skyfall. Teoretic, utilizarea hexafluorurei de uraniu ca combustibil nuclear (mai degrabă decât ca intermediar, așa cum se face în prezent) ar duce la costuri mai mici de generare a energiei, precum și la reducerea semnificativă a dimensiunii reactoarelor. În practică, un reactor care funcționează la astfel de densități mari de putere ar produce un flux de neutroni necontrolat, slăbind proprietățile de rezistență ale majorității materialelor din reactor. Astfel, debitul ar fi similar cu fluxul de particule eliberate în instalațiile termonucleare. La rândul său, acest lucru ar necesita utilizarea unor materiale similare cu cele utilizate de Proiectul Internațional pentru Implementarea unei Instalații de Iradiere prin Fuziune.

Reactor electromagnetic în fază gazoasă. Similar cu un reactor în fază gazoasă, dar cu celule fotovoltaice care convertesc lumina ultravioletă direct în electricitate.

Reactor pe bază de fragmentare

Fuziune nucleară hibridă. Sunt utilizați neutronii emiși în timpul fuziunii și descompunerii originalului sau „substanței din zona de reproducere”. De exemplu, transmutarea U-238, Th-232 sau a combustibilului uzat/deșeurilor radioactive dintr-un alt reactor în izotopi relativ mai benini.

Reactoare de fuziune

Fuziunea controlată poate fi utilizată în centralele electrice de fuziune pentru a produce energie electrică fără complexitatea lucrului cu actinide. Cu toate acestea, rămân obstacole științifice și tehnologice serioase. Au fost construite mai multe reactoare de fuziune, dar abia recent reactoarele au reușit să elibereze mai multă energie decât consumă. În ciuda faptului că cercetările au început în anii 1950, se presupune că un reactor comercial de fuziune nu va fi funcțional până în 2050. În prezent, proiectul ITER depune eforturi pentru a utiliza energia de fuziune.

Ciclul combustibilului nuclear

Reactoarele termice depind în general de gradul de purificare și îmbogățire a uraniului. Unele reactoare nucleare pot funcționa cu un amestec de plutoniu și uraniu (vezi combustibil MOX). Procesul prin care minereul de uraniu este extras, procesat, îmbogățit, utilizat, eventual reciclat și eliminat este cunoscut sub numele de ciclul combustibilului nuclear.

Până la 1% din uraniu din natură este izotopul ușor fisionabil U-235. Astfel, proiectarea majorității reactoarelor implică utilizarea combustibilului îmbogățit. Îmbogățirea implică creșterea proporției de U-235 și se realizează de obicei folosind difuzie gazoasă sau într-o centrifugă cu gaz. Produsul îmbogățit este transformat în continuare în pulbere de dioxid de uraniu, care este comprimat și ars în pelete. Aceste granule sunt plasate în tuburi, care sunt apoi sigilate. Astfel de tuburi se numesc bare de combustibil. Fiecare reactor nuclear folosește multe dintre aceste bare de combustibil.

Majoritatea BWR și PWR comerciale folosesc uraniu îmbogățit la 4% U-235, aproximativ. În plus, unele reactoare industriale cu economie mare de neutroni nu necesită deloc combustibil îmbogățit (adică pot folosi uraniu natural). Potrivit Agenției Internaționale pentru Energie Atomică, în lume există macar 100 de reactoare de cercetare care utilizează combustibil foarte îmbogățit (grad pentru arme / îmbogățire cu uraniu 90%). Riscul de furt al acestui tip de combustibil (posibil pentru utilizare la fabricarea armelor nucleare) a condus la o campanie care cere trecerea la utilizarea reactoarelor cu uraniu slab îmbogățit (care reprezintă o amenințare mai mică de proliferare).

În procesul de transformare nucleară se utilizează U-235 fisionabil și U-238 nefisil, fisionabil. U-235 este fisionat de neutroni termici (adică cu mișcare lentă). Un neutron termic este unul care se mișcă aproximativ cu aceeași viteză cu atomii din jurul lui. Deoarece frecvența de vibrație a atomilor este proporțională cu temperatura lor absolută, neutronul termic are o capacitate mai mare de a diviza U-235 atunci când se mișcă cu aceeași viteză de vibrație. Pe de altă parte, U-238 are mai multe șanse să capteze un neutron dacă neutronul se mișcă foarte repede. Atomul U-239 se descompune cât mai repede posibil pentru a forma plutoniu-239, care este el însuși un combustibil. Pu-239 este un combustibil complet și ar trebui luat în considerare chiar și atunci când se utilizează combustibil cu uraniu foarte îmbogățit. Procesele de fisiune a plutoniului vor avea prioritate față de procesele de fisiune U-235 în unele reactoare. Mai ales după ce U-235 încărcat inițial este epuizat. Plutoniul se fisiune atât în ​​reactoare rapide, cât și în cele termice, ceea ce îl face ideal atât pentru reactoare nucleare, cât și pentru bombe nucleare.

Majoritatea reactoarelor existente sunt reactoare termice, care folosesc de obicei apa ca moderator de neutroni (moderatorul înseamnă că încetinește un neutron la viteza termică) și, de asemenea, ca lichid de răcire. Cu toate acestea, într-un reactor cu neutroni rapid, este utilizat un tip de lichid de răcire ușor diferit, care nu va încetini prea mult fluxul de neutroni. Acest lucru permite predominarea neutronilor rapizi, care pot fi utilizați eficient pentru a reumple în mod constant alimentarea cu combustibil. Pur și simplu plasând uraniu ieftin și neîmbogățit în miez, U-238 spontan nefisil se va transforma în Pu-239, „reproducând” combustibilul.

Într-un ciclu de combustibil pe bază de toriu, toriu-232 absoarbe un neutron atât în ​​reactoarele rapide, cât și în cele termice. Dezintegrarea beta a toriului produce protactiniu-233 și apoi uraniu-233, care la rândul său este folosit ca combustibil. Prin urmare, la fel ca uraniul-238, toriu-232 este un material fertil.

Întreținerea reactoarelor nucleare

Cantitatea de energie dintr-un rezervor de combustibil nuclear este adesea exprimată în termeni de „zile cu putere maximă”, adică numărul de perioade de 24 de ore (zile) în care reactorul este exploatat la putere maximă pentru a genera energie termică. Zilele de funcționare la putere maximă într-un ciclu de funcționare a reactorului (între intervalele necesare pentru realimentare) sunt legate de cantitatea de uraniu-235 (U-235) în descompunere conținută în ansamblurile combustibile la începutul ciclului. Cu cât procentul de U-235 în miez este mai mare la începutul ciclului, cu atât mai multe zile de funcționare la putere maximă vor permite reactorului să funcționeze.

La sfârșitul ciclului de funcționare, combustibilul din unele ansambluri este „usat”, descărcat și înlocuit sub formă de ansambluri combustibile noi (proaspete). De asemenea, o astfel de reacție de acumulare a produselor de degradare în combustibilul nuclear determină durata de viață a combustibilului nuclear în reactor. Chiar cu mult înainte să se întâmple proces final fisiunea combustibilului, subprodușii de degradare care absorb neutroni cu viață lungă vor avea timp să se acumuleze în reactor, împiedicând reacția în lanț să continue. Proporția din miezul reactorului care este înlocuită în timpul realimentării este de obicei un sfert pentru un reactor cu apă clocotită și o treime pentru un reactor cu apă sub presiune. Eliminarea și depozitarea acestui combustibil uzat este una dintre cele mai dificile sarcini în organizarea funcționării unei centrale nucleare industriale. Astfel de deșeuri nucleare sunt extrem de radioactive, iar toxicitatea lor reprezintă un pericol de mii de ani.

Nu toate reactoarele trebuie scoase din funcțiune pentru realimentare; de exemplu, reactoarele nucleare cu pat sferic, RBMK (reactor cu canal de mare putere), reactoarele cu sare topită, reactoarele Magnox, AGR și CANDU permit deplasarea elementelor de combustibil în timpul funcționării centralei. În reactorul CANDU, este posibil să plasați elemente de combustibil individuale în miez, astfel încât să se ajusteze conținutul de U-235 în elementul de combustibil.

Cantitatea de energie extrasă din combustibilul nuclear se numește arderea sa, care este exprimată în termeni de energie termică generată de greutatea unității inițiale a combustibilului. Burnup-ul este de obicei exprimat ca zile de megawați termici pe tonă de metal greu original.

Siguranța energiei nucleare

Securitatea nucleară reprezintă acțiunile care vizează prevenirea accidentelor nucleare și de radiații sau localizarea consecințelor acestora. Industria energiei nucleare a îmbunătățit siguranța și performanța reactoarelor și, de asemenea, a venit cu noi proiecte de reactoare mai sigure (care în general nu au fost testate). Cu toate acestea, nu există nicio garanție că astfel de reactoare vor fi proiectate, construite și vor putea funcționa în mod fiabil. Greșeli apar atunci când proiectanții de reactoare de la centrala nucleară Fukushima din Japonia nu s-au așteptat ca tsunami-ul generat de cutremur să închidă sistemul de rezervă care trebuia să stabilizeze reactorul după cutremur, în ciuda numeroaselor avertismente din partea NRG (Național). Research Group) și administrația japoneză privind siguranța nucleară. Potrivit UBS AG, accidentele nucleare de la Fukushima I pun la îndoială dacă chiar și economiile avansate precum Japonia pot asigura securitatea nucleară. Sunt posibile și scenarii catastrofale, inclusiv atacuri teroriste. O echipă interdisciplinară de la MIT (Massachusetts Institute of Technology) a calculat că, având în vedere creșterea preconizată a energiei nucleare, pot fi așteptate cel puțin patru accidente nucleare grave în perioada 2005-2055.

Accidente nucleare și de radiații

Unele dintre principalele nucleare și accidente cu radiații. Accidentele din centralele nucleare includ incidentul SL-1 (1961), accidentul Three Mile Island (1979), dezastrul de la Cernobîl (1986) și dezastrul nuclear de la Fukushima Daiichi (2011). Accidentele cu energie nucleară includ accidentele cu reactoare de pe K-19 (1961), K-27 (1968) și K-431 (1985).

Reactoarele nucleare au fost lansate pe orbită în jurul Pământului de cel puțin 34 de ori. O serie de incidente care au implicat satelitul fără pilot sovietic cu propulsie nucleară RORSAT au dus la pătrunderea de pe orbită a combustibilului nuclear uzat în atmosfera Pământului.

reactoare nucleare naturale

Deși se crede adesea că reactoarele de fisiune nucleară sunt produsul tehnologiei moderne, primele reactoare nucleare se găsesc în natură. Un reactor nuclear natural se poate forma când anumite condiții, simulând condițiile din reactorul construit. Până acum, au fost descoperite până la cincisprezece reactoare nucleare naturale în trei zăcăminte separate de minereu ale minei de uraniu Oklo din Gabon (Africa de Vest). Cunoscutele reactoare Ocllo „morte” au fost descoperite pentru prima dată în 1972 de către fizicianul francez Francis Perrin. O reacție de fisiune nucleară auto-susținută a avut loc în aceste reactoare cu aproximativ 1,5 miliarde de ani în urmă și a fost menținută timp de câteva sute de mii de ani, generând o medie de 100 kW de putere în această perioadă. Conceptul de reactor nuclear natural a fost explicat în termeni de teorie încă din 1956 de Paul Kuroda de la Universitatea din Arkansas.

Astfel de reactoare nu se mai pot forma pe Pământ: dezintegrarea radioactivă în această perioadă enormă de timp a redus proporția de U-235 din uraniul natural sub nivelul necesar pentru a menține o reacție în lanț.

Reactoarele nucleare naturale s-au format atunci când zăcămintele bogate de minerale de uraniu au început să se umple cu apă subterană, care a acționat ca un moderator de neutroni și a declanșat o reacție în lanț semnificativă. Moderatorul de neutroni sub formă de apă s-a evaporat, determinând accelerarea reacției, apoi s-a condensat înapoi, determinând încetinirea reacției nucleare și prevenirea topirii. Reacția de fisiune a persistat timp de sute de mii de ani.

Astfel de reactoare naturale au fost studiate pe larg de oamenii de știință interesați de eliminarea deșeurilor radioactive într-un cadru geologic. Ei propun un studiu de caz despre modul în care izotopii radioactivi ar migra prin scoarța terestră. Acesta este un punct cheie pentru criticii eliminării geologice a deșeurilor, care se tem că izotopii conținuti în deșeuri ar putea ajunge în rezervele de apă sau ar putea migra în mediu.

Problemele de mediu ale energiei nucleare

Se eliberează un reactor nuclear un numar mare de tritiu, Sr-90 în aer și în apele subterane. Apa contaminată cu tritiu este incoloră și inodoră. Dozele mari de Sr-90 cresc riscul de cancer osos și leucemie la animale și, probabil, la oameni.

Dispozitivul și principiul de funcționare se bazează pe inițializarea și controlul unei reacții nucleare autosusținute. Este folosit ca instrument de cercetare, pentru producerea de izotopi radioactivi și ca sursă de energie pentru centralele nucleare.

principiul de funcționare (pe scurt)

Aici, se folosește un proces în care un nucleu greu se rupe în două fragmente mai mici. Aceste fragmente sunt într-o stare foarte excitată și emit neutroni, alte particule subatomice și fotoni. Neutronii pot provoca noi fisiuni, în urma cărora sunt emiși mai mulți neutroni și așa mai departe. O astfel de serie continuă de divizări auto-susținută se numește reacție în lanț. În acest caz, se eliberează o cantitate mare de energie, a cărei producție este scopul utilizării centralelor nucleare.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear este astfel încât aproximativ 85% din energia de fisiune este eliberată într-o perioadă foarte scurtă de timp după începerea reacției. Restul este produs de dezintegrarea radioactivă a produselor de fisiune după ce au emis neutroni. Dezintegrarea radioactivă este procesul prin care un atom ajunge într-o stare mai stabilă. Continuă chiar și după finalizarea diviziunii.

Într-o bombă atomică, reacția în lanț crește în intensitate până când cea mai mare parte a materialului a fost divizată. Acest lucru se întâmplă foarte repede, producând exploziile extrem de puternice caracteristice unor astfel de bombe. Dispozitivul și principiul de funcționare al unui reactor nuclear se bazează pe menținerea unei reacții în lanț la un nivel controlat, aproape constant. Este proiectat în așa fel încât să nu poată exploda ca o bombă atomică.

Reacție în lanț și criticitate

Fizica unui reactor de fisiune nucleară este că reacția în lanț este determinată de probabilitatea de fisiune nucleară după emisia de neutroni. Dacă populația acestuia din urmă scade, atunci rata de fisiune va scădea în cele din urmă la zero. În acest caz, reactorul va fi într-o stare subcritică. Dacă populația de neutroni este menținută la un nivel constant, atunci rata de fisiune va rămâne stabilă. Reactorul va fi în stare critică. Și, în sfârșit, dacă populația de neutroni crește în timp, rata de fisiune și puterea vor crește. Starea nucleului va deveni supercritică.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear este următorul. Înainte de lansare, populația de neutroni este aproape de zero. Operatorii scot apoi tijele de control din miez, crescând fisiunea nucleară, ceea ce pune temporar reactorul într-o stare supercritică. După atingerea puterii nominale, operatorii returnează parțial tijele de comandă, ajustând numărul de neutroni. În viitor, reactorul este menținut într-o stare critică. Când trebuie oprit, operatorii introduc tijele complet. Acest lucru suprimă fisiunea și aduce miezul într-o stare subcritică.

Tipuri de reactoare

Majoritatea instalațiilor nucleare din lume sunt generatoare de energie, generând căldura necesară pentru a roti turbinele care antrenează generatoarele de energie electrică. Există, de asemenea, multe reactoare de cercetare, iar unele țări au submarine sau nave de suprafață cu propulsie nucleară.

Centrale electrice

Există mai multe tipuri de reactoare de acest tip, dar designul cu apă ușoară și-a găsit o aplicație largă. La rândul său, poate folosi apă sub presiune sau apă clocotită. În primul caz, lichidul sub presiune mare este încălzit de căldura miezului și intră în generatorul de abur. Acolo, căldura din circuitul primar este transferată în secundar, care conține și apă. Aburul generat în cele din urmă servește ca fluid de lucru în ciclul turbinei cu abur.

Reactorul de tip fierbere funcționează pe principiul unui ciclu energetic direct. Apa, care trece prin zona activă, este adusă la fierbere la un nivel mediu de presiune. Aburul saturat trece printr-o serie de separatoare și uscătoare situate în vasul reactorului, ceea ce îl aduce într-o stare supraîncălzită. Vaporii de apă supraîncălziți sunt apoi utilizați ca fluid de lucru pentru a transforma o turbină.

Răcit cu gaz la temperatură ridicată

Un reactor răcit cu gaz la temperatură înaltă (HTGR) este un reactor nuclear al cărui principiu de funcționare se bazează pe utilizarea unui amestec de microsfere de grafit și combustibil drept combustibil. Există două modele concurente:

• sistemul german „de umplere”, care folosește elemente de combustibil sferice de 60 mm, care sunt un amestec de grafit și combustibil într-o carcasă de grafit;
• o versiune americană sub formă de prisme hexagonale din grafit care se întrepătrund pentru a forma o zonă activă.

În ambele cazuri, lichidul de răcire este format din heliu la o presiune de aproximativ 100 de atmosfere. În sistemul german, heliul trece prin goluri din stratul de elemente de combustibil sferice, iar în sistemul american, prin găuri în prisme de grafit situate de-a lungul axei zonei centrale a reactorului. Ambele opțiuni pot funcționa la temperaturi foarte ridicate, deoarece grafitul are o temperatură de sublimare extrem de ridicată, în timp ce heliul este complet inert din punct de vedere chimic. Heliul fierbinte poate fi aplicat direct ca fluid de lucru în turbina de gaz la temperatură ridicată sau căldura acesteia poate fi folosită pentru a genera abur ciclului apei.

Metal lichid și principiu de lucru

Reactoarele cu neutroni rapidi răcite cu sodiu au primit multă atenție în anii 1960 și 1970. Apoi s-a părut că capacitatea lor de a se reproduce în viitorul apropiat era necesară pentru a produce combustibil pentru o dezvoltare rapidă industria nucleară. Când a devenit clar în anii 1980 că această așteptare era nerealistă, entuziasmul a dispărut. Cu toate acestea, o serie de reactoare de acest tip au fost construite în SUA, Rusia, Franța, Marea Britanie, Japonia și Germania. Cele mai multe dintre ele funcționează cu dioxid de uraniu sau amestecul acestuia cu dioxid de plutoniu. În Statele Unite, însă, cel mai mare succes l-a avut cu propulsoarele metalice.

CANDU

Canada și-a concentrat eforturile asupra reactoarelor care folosesc uraniu natural. Acest lucru elimină necesitatea îmbogățirii sale de a recurge la serviciile altor țări. Rezultatul acestei politici a fost reactorul deuteriu-uraniu (CANDU). Controlul și răcirea în el se realizează cu apă grea. Dispozitivul și principiul de funcționare al unui reactor nuclear este utilizarea unui rezervor cu D 2 O rece la presiunea atmosferică. Miezul este străpuns de țevi din aliaj de zirconiu cu combustibil natural de uraniu, prin care apa grea îl răcește. Electricitatea este produsă prin transferul căldurii de fisiune din apa grea la lichidul de răcire care circulă prin generatorul de abur. Aburul din circuitul secundar trece apoi printr-un ciclu convențional de turbină.

Facilități de cercetare

Pentru cercetarea științifică, cel mai des este utilizat un reactor nuclear, al cărui principiu de funcționare este utilizarea de răcire cu apă și elemente de combustibil de uraniu sub formă de plăci sub formă de ansambluri. Capabil să funcționeze pe o gamă largă de niveluri de putere, de la câțiva kilowați la sute de megawați. Deoarece generarea de energie nu este sarcina principală a reactoarelor de cercetare, acestea se caracterizează prin energia termică generată, densitatea și energia nominală a neutronilor din miez. Acești parametri ajută la cuantificarea capacității unui reactor de cercetare de a efectua studii specifice. Sistemele de putere redusă sunt utilizate de obicei în universități pentru predare, în timp ce puterea mare este necesară în laboratoarele de cercetare pentru testarea materialelor și a performanței și cercetarea generală.

Cel mai comun reactor nuclear de cercetare, a cărui structură și principiu de funcționare este după cum urmează. Zona sa activă este situată în fundul unui bazin mare de apă adânc. Acest lucru simplifică observarea și plasarea canalelor prin care pot fi direcționate fasciculele de neutroni. La niveluri scăzute de putere, nu este nevoie să scurgeți lichidul de răcire, deoarece convecția naturală a lichidului de răcire asigură o disipare suficientă a căldurii pentru a menține o stare de funcționare sigură. Schimbatorul de caldura este de obicei situat la suprafata sau in partea superioara a piscinei unde se acumuleaza apa calda.

Instalații de nave

Aplicația originală și principală a reactoarelor nucleare este utilizarea lor în submarine. Principalul lor avantaj este că, spre deosebire de sistemele de ardere a combustibililor fosili, nu au nevoie de aer pentru a genera electricitate. Prin urmare, un submarin nuclear poate rămâne scufundat pentru perioade lungi de timp, în timp ce un submarin diesel-electric convențional trebuie să iasă periodic la suprafață pentru a-și porni motoarele în aer. oferă un avantaj strategic navelor navale. Datorită acesteia, nu este nevoie să realimentați în porturi străine sau din tancuri ușor vulnerabile.

Principiul de funcționare a unui reactor nuclear pe un submarin este clasificat. Cu toate acestea, se știe că în SUA folosește uraniu foarte îmbogățit, iar încetinirea și răcirea se face cu apă ușoară. Designul primului reactor al submarinului nuclear USS Nautilus a fost puternic influențat de facilități puternice de cercetare. Caracteristicile sale unice sunt o marjă de reactivitate foarte mare, care asigură o perioadă lungă de funcționare fără realimentare și capacitatea de a reporni după o oprire. Centrala electrică din submarine trebuie să fie foarte silențioasă pentru a evita detectarea. Pentru a satisface nevoile specifice ale diferitelor clase de submarine, au fost create diferite modele de centrale electrice.

Portavioanele Marinei SUA folosesc un reactor nuclear, al cărui principiu se crede că este împrumutat de la cele mai mari submarine. Detaliile despre designul lor nu au fost, de asemenea, publicate.

Pe lângă Statele Unite, Marea Britanie, Franța, Rusia, China și India au submarine nucleare. În fiecare caz, designul nu a fost dezvăluit, dar se crede că toate sunt foarte asemănătoare - aceasta este o consecință a acelorași cerințe pentru caracteristicile lor tehnice. Rusia are, de asemenea, o mică flotă care a fost echipată cu aceleași reactoare ca și submarinele sovietice.

Plante industriale

În scopuri de producție, se utilizează un reactor nuclear, al cărui principiu este productivitatea ridicată cu un nivel scăzut de producție de energie. Acest lucru se datorează faptului că o ședere lungă a plutoniului în miez duce la acumularea de 240 Pu nedorite.

Producția de tritiu

În prezent, tritiul (3 H sau T) este principalul material produs de astfel de sisteme - încărcătura pentru Plutoniu-239 are un timp de înjumătățire lung de 24.100 de ani, astfel încât țările cu arsenale de arme nucleare care folosesc acest element tind să o aibă mai mult. decât este necesar. Spre deosebire de 239 Pu, tritiul are un timp de înjumătățire de aproximativ 12 ani. Astfel, pentru a menține rezervele necesare, acest izotop radioactiv al hidrogenului trebuie produs continuu. În Statele Unite, Savannah River, Carolina de Sud, de exemplu, operează mai multe reactoare cu apă grea care produc tritiu.

Unități de putere plutitoare

Au fost create reactoare nucleare care pot furniza energie electrică și încălzire cu abur în zone izolate îndepărtate. În Rusia, de exemplu, micile centrale electrice concepute special pentru a deservi zona arctică și-au găsit folosință. aşezări. În China, o centrală HTR-10 de 10 MW furnizează căldură și electricitate Institut de cercetareîn care se află. Reactoarele mici controlate cu capacități similare sunt dezvoltate în Suedia și Canada. Între 1960 și 1972, armata americană a folosit reactoare compacte cu apă pentru a alimenta bazele îndepărtate din Groenlanda și Antarctica. Au fost înlocuite cu centrale electrice pe bază de petrol.

Explorarea spațiului

În plus, au fost dezvoltate reactoare pentru alimentarea cu energie și deplasarea în spațiul cosmic. Între 1967 și 1988, Uniunea Sovietică a instalat mici instalații nucleare pe sateliții Kosmos pentru a alimenta echipamente și telemetrie, dar această politică a devenit o țintă a criticilor. Cel puțin unul dintre acești sateliți a intrat în atmosfera Pământului, ducând la contaminarea radioactivă a zonelor îndepărtate ale Canadei. Statele Unite au lansat un singur satelit cu propulsie nucleară în 1965. Cu toate acestea, proiectele pentru utilizarea lor în zboruri în spațiul profund, explorarea cu echipaj uman a altor planete sau pe o bază lunară permanentă continuă să fie dezvoltate. Va fi neapărat un reactor nuclear răcit cu gaz sau metal lichid, ale cărui principii fizice vor asigura cea mai mare temperatură posibilă necesară pentru a minimiza dimensiunea radiatorului. În plus, reactorul navei spațiale ar trebui să fie cât mai compact posibil pentru a minimiza cantitatea de material folosită pentru ecranare și pentru a reduce greutatea în timpul lansării și zborului spațial. Alimentarea cu combustibil va asigura funcționarea reactorului pe toată perioada zborului în spațiu.