Mees ja naine 

Millal leiutati tuumareaktor? Tuumareaktor: tööpõhimõte, seade ja skeem

Tähendus tuumaenergia kaasaegses maailmas

Tuumaenergia on viimastel aastakümnetel astunud suure sammu edasi, muutudes paljudes riikides üheks olulisemaks elektrienergia allikaks. Samas tuleb meeles pidada, et selle rahvamajanduse sektori arengu taga on kümnete tuhandete teadlaste, inseneride ja lihttööliste tohutud pingutused, kes teevad kõik selleks, et “rahulik aatom” ei pöörduks. reaalseks ohuks miljonitele inimestele. Iga tuumajaama tegelik tuum on tuumareaktor.

Tuumareaktori loomise ajalugu

Esimese sellise seadme ehitas II maailmasõja haripunktis USA-s kuulus teadlane ja insener E. Fermi. Tema pärast ebatavaline välimus, mis meenutab üksteise peale laotud grafiidiplokkide virna, nimetati seda tuumareaktorit Chicago Stackiks. Väärib märkimist, et see seade töötas uraanil, mis asetati just plokkide vahele.

Tuumareaktori loomine Nõukogude Liidus

Ka meie riigis pöörati tuumaküsimustele kõrgendatud tähelepanu. Hoolimata sellest, et teadlaste põhilised jõupingutused olid koondunud aatomi sõjalisele rakendamisele, kasutasid nad saadud tulemusi aktiivselt ka rahumeelsetel eesmärkidel. Esimese tuumareaktori koodnimetusega F-1 ehitas teadlaste rühm eesotsas kuulsa füüsiku I. Kurchatoviga 1946. aasta detsembri lõpus. Selle oluliseks puuduseks oli igasuguse jahutussüsteemi puudumine, mistõttu sellest vabaneva energia võimsus oli äärmiselt ebaoluline. Samal ajal lõpetasid Nõukogude teadlased alustatud töö, mille tulemusena avati vaid kaheksa aastat hiljem Obninski linnas maailma esimene tuumaelektrijaam.

Reaktori tööpõhimõte

Tuumareaktor on äärmiselt keeruline ja ohtlik tehniline seade. Selle tööpõhimõte põhineb asjaolul, et uraani lagunemise käigus eraldub mitu neutronit, mis omakorda löövad naaberosakestest välja uraani aatomitest. See ahelreaktsioon vabastab märkimisväärsel hulgal energiat soojuse ja gammakiirguse kujul. Samas tuleks arvestada asjaoluga, et kui seda reaktsiooni kuidagi ei kontrollita, võib uraani aatomite lõhustumine võimalikult lühikese ajaga kaasa tuua soovimatute tagajärgedega võimsa plahvatuse.

Selleks, et reaktsioon kulgeks rangelt määratletud raamistikus, on tuumareaktori projekteerimisel suur tähtsus. Praegu on iga selline struktuur omamoodi boiler, mille kaudu jahutusvedelik voolab. Tavaliselt kasutatakse selles mahus vett, kuid on tuumaelektrijaamu, mis kasutavad vedelat grafiiti või rasket vett. Kaasaegset tuumareaktorit ei saa ette kujutada ilma sadade spetsiaalsete kuusnurksete kassettideta. Need sisaldavad kütuseelemente, mille kanalite kaudu voolavad jahutusvedelikud. See kassett on kaetud spetsiaalse kihiga, mis suudab peegeldada neutroneid ja seeläbi aeglustada ahelreaktsiooni.

Tuumareaktor ja selle kaitse

Sellel on mitu kaitsetaset. Lisaks kerele endale on see pealt kaetud spetsiaalse soojusisolatsiooni ja bioloogilise kaitsega. Insenertehniliselt on see konstruktsioon võimas raudbetoonpunker, mille uksed on võimalikult tihedalt suletud.

Väikese aatomi tohutu energia

“Hea teadus on füüsika! Ainult elu on lühike." Need sõnad kuuluvad teadlasele, kes on füüsikas hämmastavalt palju ära teinud. Kunagi hääldas need välja üks akadeemik Igor Vasilievitš Kurtšatov, maailma esimese tuumaelektrijaama looja.

27. juunil 1954 läks see ainulaadne elektrijaam tööle. Inimkonnal on veel üks võimas elektriallikas.

Tee aatomi energia omandamiseks oli pikk ja raske. See sai alguse 20. sajandi esimestel kümnenditel loodusliku radioaktiivsuse avastamisega Curie'de poolt, Bohri postulaatidega, Rutherfordi planeedi aatomimudeliga ja sellise ilmse fakti tõestusega, nagu praegu tundub, et mis tahes tuuma tuuma. aatom koosneb positiivselt laetud prootonitest ja neutraalsetest neutronitest.

1934. aastal avastasid Frederic ja Irene Joliot-Curie (Marie Sklodowska-Curie ja Pierre Curie tütar), et neid alfaosakestega (heeliumi aatomite tuumadega) pommitades saab muuta tavalised keemilised elemendid radioaktiivseteks. Uut nähtust nimetatakse kunstlik radioaktiivsus.

I. V. Kurchatov (paremal) ja A. I. Alihanov (keskel) koos õpetaja A. F. Ioffega. (30ndate alguses.)

Kui selline pommitamine toimub väga kiirete ja raskete osakestega, algab keemiliste transformatsioonide kaskaad. Kunstliku radioaktiivsusega elemendid annavad järk-järgult teed stabiilsetele elementidele, mis enam ei lagune.

Kiirituse või pommitamise abil on lihtne teostada alkeemikute unistust - teha kulda teistest keemilistest elementidest. Ainult sellise ümberkujundamise maksumus ületab oluliselt saadud kulla hinda ...

Uraani tuumade lõhustumine

Rohkem kasu (ja kahjuks ka ärevust) tõi inimkonnale Saksa füüsikute ja keemikute rühma avastus aastatel 1938–1939. uraani tuumade lõhustumine. Neutronitega kiiritades lagunevad rasked uraani tuumad Mendelejevi perioodilise süsteemi keskossa kuuluvateks kergemateks keemilisteks elementideks ja vabastavad mitu neutronit. Kergete elementide tuumade jaoks osutuvad need neutronid üleliigseks ... Kui uraani tuumad "lõhenevad", võib alata ahelreaktsioon: kaks või kolm tekkivat neutronit on võimelised tootma kordamööda mitut neutronit, tabab naaberaatomi tuuma.

Toodete kogumass on tuumareaktsioon Selgus, nagu teadlased arvutasid, vähem kui algse aine - uraani - tuumade mass.

Vastavalt Einsteini võrrandile, mis seostab massi energiaga, saab kergesti kindlaks teha, et sel juhul peab vabanema tohutult palju energiat! Ja see juhtub väga lühikese aja jooksul. Kui muidugi ahelreaktsioon ei muutu kontrollimatuks ja läheb lõpuni ...

Jalutades pärast konverentsi E. Fermi (paremal) koos õpilase B. Pontecorvoga. (Basel, 1949)

Uraani lõhustumise protsessis peituvad tohutud füüsilised ja tehnilised võimalused olid esimeste seas, kes hindasid Enrico Fermi, meie sajandi neil kaugetel kolmekümnendatel, veel väga noor, kuid juba tunnustatud Itaalia füüsikute koolkonna juht. Ammu enne Teist maailmasõda uuris ta koos rühma andekate töötajatega erinevate ainete käitumist neutronkiirguse mõjul ja tegi kindlaks, et uraani lõhustumise protsessi efektiivsust saab oluliselt tõsta ... neutronite liikumist aeglustades. Nii kummaline kui see esmapilgul ka ei tundu, suureneb neutronite kiiruse vähenemisega nende kinnipüüdmise tõenäosus uraani tuumade poolt. Üsna ligipääsetavad ained on tõhusad neutronite "moderaatorid": parafiin, süsinik, vesi ...

USA-sse kolides oli Fermi jätkuvalt sealsete tuumauuringute aju ja süda. Fermis ühendati kaks tavaliselt üksteist välistavat talenti: silmapaistev teoreetik ja geniaalne eksperimenteerija. "Läheb kaua aega, enne kui näeme temaga võrdväärset inimest," kirjutas silmapaistev teadlane W. Zinn pärast Fermi enneaegset surma pahaloomulise kasvaja tagajärjel 1954. aastal 53-aastaselt.

Teise maailmasõja ajal Fermi ümber kogunenud teadlaste meeskond otsustas luua enneolematu hävitava jõu relva, mis põhineb uraani lõhustumise ahelreaktsioonil - aatompomm. Teadlastel oli kiire: mis siis, kui Natsi-Saksamaa teeb esimesena uue relva ja kasutab seda oma ebainimlikus soovis teisi rahvaid orjastada?

Tuumareaktori ehitamine meie riigis

Juba 1942. aastal õnnestus teadlastel Chicago ülikooli staadioni territooriumil kokku panna ja käivitada esimene tuumareaktor . Reaktoris olid uraanivardad põimitud süsiniku "telliste" – moderaatoritega ja kui ahelreaktsioon sellest hoolimata liiga ägedaks läks, sai selle kiiresti peatada, viies reaktorisse kaadmiumplaadid, mis eraldasid uraanivardad ja neelasid täielikult neutronid.

Teadlased olid väga uhked nende reaktori jaoks leiutatud lihtsate seadmete üle, mis panevad meid nüüd naeratama. Üks Fermi töötaja Chicagos, kuulus füüsik G. Anderson meenutab, et kaadmiumtina naelutati puuklotsi külge, mis vajadusel langes oma raskusjõu mõjul hetkega katlasse, mis oli põhjus selle andmiseks. nimi "kohene". G. Anderson kirjutab: “Enne katla käivitamist oleks tulnud see varras üles tõmmata ja nööriga kinnitada. Õnnetuse korral saaks trossi läbi lõigata ja "hetk" võtaks katla sees koha sisse.

Aatomireaktoris saadi kontrollitud ahelreaktsioon, teoreetilised arvutused ja ennustused kontrolliti. Reaktoris toimus keemiliste transformatsioonide ahel, mille tulemusena tekkis uus keemiline element- plutoonium. Seda, nagu uraani, saab kasutada aatomipommi loomiseks.

Teadlased on kindlaks teinud, et uraani või plutooniumi "kriitiline mass" on olemas. Kui aatomainet on piisavalt, viib ahelreaktsioon plahvatuseni, kui see on väike, väiksem kui "kriitiline mass", siis soojust eraldub lihtsalt.

Tuumaelektrijaama ehitamine

Aatomipommis lihtsaim disain kaks uraani või plutooniumi tükki on laotud kõrvuti ja kummagi mass on veidi väiksem kui kriitiline. Õigel hetkel ühendab tükid tavalise lõhkeaine kaitsmega, aatomikütuse mass ületab kriitilise väärtuse - ja koletu jõu hävitava energia vabanemine toimub kohe ...

Pimestav valguskiirgus, lööklaine, mis pühib minema kõik oma teel, ja läbitungiv radioaktiivne kiirgus tabas kahe Jaapani linna – Hiroshima ja Nagasaki – elanikke pärast Ameerika aatomipommide plahvatust 1945. aastal ning sellest ajast alates on inimesi ärevaks teinud. aatomipommide kasutamise kohutavad tagajärjed.relvad.

IV Kurtšatovi ühendaval teaduslikul juhtimisel töötasid Nõukogude füüsikud välja aatomirelvi.

Kuid nende tööde juht ei lakanud mõtlemast aatomienergia rahumeelsest kasutamisest. Tuumareaktorit peab ju intensiivselt jahutama, miks seda soojust ei “anneta” auru- või gaasiturbiinile, ei kasutata majade kütmiseks?

Tuumareaktorist viidi läbi vedela madalsulava metalliga torud. Kuumutatud metall sisenes soojusvahetisse, kus kandis oma soojuse üle veele. Vesi muutus ülekuumendatud auruks, turbiin hakkas tööle. Reaktor oli ümbritsetud metallist täiteainega betoonist kaitsva kestaga: radioaktiivne kiirgus ei tohiks välja pääseda.

Tuumareaktorist on saanud tuumaelektrijaam, mis toob inimesteni rahuliku valguse, hubase soojuse, ihaldatud maailma ...




























Tagasi ette

Tähelepanu! Slaidi eelvaade on ainult informatiivsel eesmärgil ja ei pruugi esindada esitluse kogu ulatust. Kui olete sellest tööst huvitatud, laadige alla täisversioon.

Tunni eesmärgid:

  • Hariduslik: olemasolevate teadmiste uuendamine; jätkata mõistete kujunemist: uraani tuumade lõhustumine, tuuma ahelreaktsioon, selle toimumise tingimused, kriitiline mass; tutvustada uusi mõisteid: tuumareaktor, tuumareaktori põhielemendid, tuumareaktori konstruktsioon ja tööpõhimõte, tuumareaktsiooni juhtimine, tuumareaktorite klassifikatsioon ja nende kasutamine;
  • Arendamine: jätkata vaatlus- ja järeldusoskuse kujundamist, samuti arendada õpilaste intellektuaalseid võimeid ja uudishimu;
  • Hariduslik: jätkata suhtumise kasvatamist füüsikasse kui eksperimentaalteadusesse; kasvatada kohusetundlikku suhtumist töösse, distsipliini, positiivne suhtumine teadmiste juurde.

Tunni tüüp: uue materjali õppimine.

Varustus: multimeediumi paigaldamine.

Tundide ajal

1. Organisatsioonimoment.

Poisid! Tänases tunnis kordame uraani tuumade lõhustumist, tuuma ahelreaktsiooni, selle toimumise tingimusi, kriitilist massi, saame teada, mis on tuumareaktor, tuumareaktori põhielemendid, tuuma konstruktsioon. reaktor ja selle tööpõhimõte, tuumareaktsiooni juhtimine, tuumareaktorite klassifikatsioon ja nende kasutamine.

2. Õpitud materjali kontrollimine.

  1. Uraani tuumade lõhustumise mehhanism.
  2. Kirjeldage tuuma ahelreaktsiooni mehhanismi.
  3. Too näide uraani tuuma tuuma lõhustumise reaktsioonist.
  4. Mida nimetatakse kriitiliseks massiks?
  5. Kuidas toimub ahelreaktsioon uraanis, kui selle mass on väiksem kui kriitiline, suurem kui kriitiline?
  6. Mis on uraan 295 kriitiline mass, kas kriitilist massi on võimalik vähendada?
  7. Kuidas muuta tuuma ahelreaktsiooni kulgu?
  8. Mis on kiirete neutronite aeglustamise eesmärk?
  9. Milliseid aineid kasutatakse moderaatoritena?
  10. Milliste tegurite mõjul saab suurendada vabade neutronite arvu uraanitükis, tagades sellega reaktsiooni tekkimise võimaluse?

3. Uue materjali selgitus.

Poisid, vastake sellele küsimusele: mis on tuumaelektrijaama põhiosa? ( tuumareaktor)

Hästi tehtud. Niisiis, poisid, peatume sellel teemal üksikasjalikumalt.

Ajaloo viide.

Igor Vassiljevitš Kurchatov - silmapaistev Nõukogude füüsik, akadeemik, Aatomienergia Instituudi asutaja ja esimene direktor aastatel 1943–1960, NSV Liidu aatomiprobleemi peateaduslik juht, üks tuumaenergia rahuotstarbelise kasutamise alusepanijaid. NSV Liidu Teaduste Akadeemia akadeemik (1943). Esimese tuumakatsetused Nõukogude pomm peeti 1949. aastal. Neli aastat hiljem katsetati edukalt maailma esimest vesinikupommi. Ja 1949. aastal alustas Igor Vasilievich Kurchatov tööd tuumaelektrijaama projekti kallal. Tuumaelektrijaam on aatomienergia rahumeelse kasutamise sõnumitooja. Projekt sai edukalt lõpule viidud: 27. juulil 1954 sai meie tuumajaam maailmas esimeseks! Kurtšatov rõõmustas ja nautis nagu laps!

Tuumareaktori määratlus.

Tuumareaktor on seade, milles viiakse läbi ja säilitatakse teatud raskete tuumade lõhustumise kontrollitud ahelreaktsioon.

Esimene tuumareaktor ehitati 1942. aastal USA-s E. Fermi juhtimisel. Meie riigis ehitati IV Kurtšatovi juhtimisel esimene reaktor 1946. aastal.

Tuumareaktori peamised elemendid on:

  • tuumakütus (uraan 235, uraan 238, plutoonium 239);
  • neutronite moderaator (raske vesi, grafiit jne);
  • jahutusvedelik reaktori töötamise ajal tekkiva energia väljastamiseks (vesi, vedel naatrium jne);
  • Juhtvardad (boor, kaadmium) - tugevalt neelavad neutronid
  • Kiirgust edasi lükkav kaitsekest (raudtäitega betoon).

Tööpõhimõte tuumareaktor

Tuumakütus paikneb aktiivses tsoonis vertikaalsete varraste kujul, mida nimetatakse kütuseelementideks (TVEL). Kütusevardad on mõeldud reaktori võimsuse reguleerimiseks.

Iga kütusevarda mass on kriitilisest massist palju väiksem, seega ei saa ühes varras tekkida ahelreaktsiooni. See algab pärast sukeldamist kõigi uraanivarraste aktiivsesse tsooni.

Aktiivset tsooni ümbritseb neutroneid peegeldav ainekiht (reflektor) ja betoonist kaitsekest, mis püüab kinni neutroneid ja muid osakesi.

Soojuse eemaldamine kütuseelementidest. Jahutusvedelik - vesi peseb varda, kuumutatakse kõrge rõhu all temperatuurini 300 ° C, siseneb soojusvahetitesse.

Soojusvaheti roll - 300 ° C-ni kuumutatud vesi eraldab soojust tavalisele veele, muutub auruks.

Tuumareaktsiooni juhtimine

Reaktorit juhitakse kaadmiumi või boori sisaldavate varrastega. Kui vardad on reaktori südamikust välja sirutatud, on K > 1 ja kui vardad on täielikult sisse tõmmatud, K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Reaktor aeglastel neutronitel.

Kõige tõhusam uraan-235 tuumade lõhustumine toimub aeglaste neutronite toimel. Selliseid reaktoreid nimetatakse aeglaste neutronreaktoriteks. Lõhustumisreaktsioonis tekkivad sekundaarsed neutronid on kiired. Selleks, et nende hilisem interaktsioon uraan-235 tuumadega ahelreaktsioonis oleks kõige tõhusam, aeglustatakse neid, viies tuumasse moderaatori – aine, mis vähendab neutronite kineetilist energiat.

Kiire neutronreaktor.

Kiired neutronreaktorid ei saa töötada loodusliku uraaniga. Reaktsiooni saab läbi viia ainult rikastatud segus, mis sisaldab vähemalt 15% uraani isotoopi. Kiirete neutronreaktorite eeliseks on see, et nende töötamise käigus tekib märkimisväärne kogus plutooniumi, mida saab seejärel kasutada tuumakütus.

Homogeensed ja heterogeensed reaktorid.

Tuumareaktorid jagunevad olenevalt kütuse ja moderaatori vastastikusest paigutusest homogeenseteks ja heterogeenseteks. Homogeenses reaktoris on südamik kütuse, moderaatori ja jahutusvedeliku homogeenne mass lahuse, segu või sulami kujul. Reaktorit nimetatakse heterogeenseks, milles kütus plokkide või kütusesõlmede kujul asetatakse moderaatorisse, moodustades selles korrapärase geomeetrilise võre.

Siseenergia muundamine aatomi tuumad elektrienergiasse.

Tuumareaktor on tuumaelektrijaama (NPP) põhielement, mis muundab soojusliku tuumaenergia elektrienergiaks. Energia muundamine toimub vastavalt järgmisele skeemile:

  • uraani tuumade siseenergia -
  • neutronite ja tuumade fragmentide kineetiline energia -
  • vee siseenergia -
  • auru siseenergia -
  • auru kineetiline energia -
  • turbiini rootori ja generaatori rootori kineetiline energia -
  • Elektrienergia.

Tuumareaktorite kasutamine.

Olenevalt otstarbest on tuumareaktorid jõu-, muundurid ja aretusreaktorid, teadusuuringud ja mitmeotstarbelised, transpordi- ja tööstusreaktorid.

Tuumareaktoreid kasutatakse elektrienergia tootmiseks tuumaelektrijaamades, laevaelektrijaamades, tuumaenergia koostootmisjaamades, aga ka tuumasoojusjaamades.

Reaktoreid, mis on kavandatud tootma sekundaarset tuumakütust looduslikust uraanist ja tooriumist, nimetatakse konverteriteks või aretajateks. Reaktor-konverteris tekib sekundaarset tuumkütust vähem kui algselt kulus.

Aretusreaktoris toimub tuumakütuse laiendatud taastootmine, s.o. selgub rohkem kui kulus.

Uurimisreaktoreid kasutatakse neutronite ja aine interaktsiooni protsesside uurimiseks, reaktori materjalide käitumise uurimiseks intensiivsetes neutron- ja gammakiirguse väljades, radiokeemilistes bioloogilised uuringud, isotoopide tootmine, tuumareaktorite füüsika eksperimentaalne uurimine.

Reaktorid on erineva võimsusega, statsionaarse või impulssrežiimiga. Mitmeotstarbelised reaktorid on reaktorid, mis teenivad mitut otstarvet, nagu elektritootmine ja tuumkütuse tootmine.

Keskkonnakatastroofid tuumaelektrijaamades

  • 1957 – õnnetus Ühendkuningriigis
  • 1966 – südamiku osaline sulamine pärast reaktori jahutustõrget Detroidi lähedal.
  • 1971 – USA jõkke suundus palju saastunud vett
  • 1979 - suurim õnnetus USA-s
  • 1982 – radioaktiivse auru eraldumine atmosfääri
  • 1983 - kohutav õnnetus Kanadas (radioaktiivne vesi voolas välja 20 minutit - tonn minutis)
  • 1986 – õnnetus Ühendkuningriigis
  • 1986 – õnnetus Saksamaal
  • 1986 – Tšernobõli tuumaelektrijaam
  • 1988 – tulekahju Jaapanis tuumaelektrijaamas

Kaasaegsed tuumaelektrijaamad on varustatud arvutiga ja varem, isegi pärast õnnetust, jätkasid reaktorid tööd, kuna puudus automaatne väljalülitussüsteem.

4. Materjali kinnitamine.

  1. Mis on tuumareaktor?
  2. Mis on tuumakütus reaktoris?
  3. Milline aine toimib tuumareaktoris neutronite aeglustajana?
  4. Mis on neutronite moderaatori eesmärk?
  5. Milleks on juhtvardad? Kuidas neid kasutatakse?
  6. Mida kasutatakse tuumareaktorites jahutusvedelikuna?
  7. Miks on vaja, et iga uraanipulga mass oleks kriitilisest massist väiksem?

5. Testi sooritamine.

  1. Millised osakesed osalevad uraani tuumade lõhustumises?
    A. prootonid;
    B. neutronid;
    B. elektronid;
    G. heeliumi tuumad.
  2. Milline uraani mass on kriitiline?
    A. suurim, mille korral ahelreaktsioon on võimalik;
    B. mis tahes mass;
    V. väikseim, mille juures ahelreaktsioon on võimalik;
    D. mass, mille juures reaktsioon peatub.
  3. Mis on uraan 235 ligikaudne kriitiline mass?
    A. 9 kg;
    B. 20 kg;
    B. 50 kg;
    G. 90 kg.
  4. Milliseid järgmisi aineid saab tuumareaktorites kasutada neutronite aeglustajatena?
    A. grafiit;
    B. kaadmium;
    B. raske vesi;
    G. bor.
  5. Tuumaelektrijaamas tuumaahelreaktsiooni toimumiseks on vajalik, et neutronite korrutustegur oleks:
    A. on võrdne 1-ga;
    B. rohkem kui 1;
    V. vähem kui 1.
  6. Raskete aatomite tuumade lõhustumise kiirust tuumareaktorites reguleeritakse:
    A. neutronite neeldumise tõttu varraste langetamisel neelduriga;
    B. soojuse eemaldamise suurenemise tõttu jahutusvedeliku kiiruse suurenemisega;
    B. suurendades tarbijate elektrivarustust;
    G. vähendades tuumakütuse massi tuumas kütusevarraste eemaldamisel.
  7. Millised energiamuutused toimuvad tuumareaktoris?
    A. aatomituumade siseenergia muudetakse valgusenergiaks;
    B. aatomituumade siseenergia muudetakse mehaaniliseks energiaks;
    B. aatomituumade siseenergia muudetakse elektrienergiaks;
    G. vastuste hulgas pole õiget vastust.
  8. 1946. aastal ehitati Nõukogude Liidus esimene tuumareaktor. Kes oli selle projekti juht?
    A. S. Korolev;
    B. I. Kurtšatov;
    V. D. Sahharov;
    G. A. Prokhorov.
  9. Millist viisi peate kõige sobivamaks tuumajaamade töökindluse tõstmiseks ja väliskeskkonna saastumise vältimiseks?
    A. selliste reaktorite arendamine, mis suudavad reaktori südamikku operaatori tahtest olenemata automaatselt jahutada;
    B. TEJ käitamise alase kirjaoskuse tõstmine, TEJ operaatorite erialase ettevalmistuse tase;
    B. ülitõhusate tehnoloogiate arendamine tuumaelektrijaamade demonteerimiseks ja radioaktiivsete jäätmete töötlemiseks;
    D. reaktorite asukoht sügaval maa all;
    E. tuumaelektrijaamade ehitamisest ja käitamisest keeldumine.
  10. Millised keskkonnasaasteallikad on seotud tuumaelektrijaamade tööga?
    A. uraanitööstus;
    B. tuumareaktorid erinevad tüübid;
    B. radiokeemiatööstus;
    D. radioaktiivsete jäätmete töötlemise ja kõrvaldamise kohad;
    E. radionukliidide kasutamine rahvamajanduses;
    E. tuumaplahvatused.

Vastused: 1 B; 2 V; 3 V; 4 A, B; 5 A; 6 A; 7 V;. 8 B; 9 B. V; 10 A, B, C, D, F.

6. Tunni tulemused.

Mida uut sa täna tunnis õppisid?

Mis teile tunnis meeldis?

Millised on küsimused?

AITÄH TÖÖ EEST TUNNIS!

Täna teeme väike reis tuumafüüsika maailma. Meie ekskursiooni teemaks on tuumareaktor. Saate teada, kuidas see töötab, mida füüsikalised põhimõtted selle toimimise aluseks ja kus seda seadet kasutatakse.

Tuumaenergia sünd

Maailma esimene tuumareaktor ehitati 1942. aastal USA-s. füüsikute eksperimentaalrühm eesotsas laureaadiga nobeli preemia Enrico Fermi. Samal ajal viisid nad läbi isemajanduva uraani lõhustumise reaktsiooni. Aatomi džinn on vabastatud.

Esimene Nõukogude tuumareaktor käivitati 1946. ja 8 aastat hiljem andis voolu maailma esimene tuumaelektrijaam Obninski linnas. NSV Liidu tuumaenergeetika tööde peamine teaduslik juhendaja oli silmapaistev füüsik Igor Vasilievitš Kurtšatov.

Sellest ajast alates on tuumareaktorite mitu põlvkonda vahetunud, kuid selle konstruktsiooni põhielemendid on jäänud muutumatuks.

Tuumareaktori anatoomia

See tuumarajatis on paksuseinaline teraspaak, mille silindriline maht on mõnest kuupsentimeetrist kuni mitme kuupmeetrini.

Selle silindri sees on pühade püha - reaktori südamik. Siin toimub tuumakütuse lõhustumise ahelreaktsioon.

Vaatame, kuidas see protsess toimub.

Tuumad rasked elemendid, eriti uraan-235 (U-235), väikese energiatõuke mõjul on nad võimelised lagunema kaheks ligikaudu võrdse massiga killuks. Selle protsessi põhjustajaks on neutron.

Fragmendid on enamasti baariumi- ja krüptoontuumad. Igaüks neist kannab positiivset laengut, mistõttu Coulombi tõukejõud sunnivad neid hajuma eri suundades kiirusega umbes 1/30 valguse kiirusest. Need fragmendid on kolossaalse kineetilise energia kandjad.

Energia praktiliseks kasutamiseks on vajalik, et selle vabanemine oleks isemajandav. Ahelreaktsioon, küsimus on seda huvitavam, et iga lõhustumisega kaasneb uute neutronite emissioon. Ühe esialgse neutroni kohta tekib keskmiselt 2-3 uut neutronit. Lõhustuvate uraani tuumade arv kasvab laviinina, põhjustades tohutu energia vabanemist. Kui seda protsessi ei kontrollita, toimub tuumaplahvatus. See toimub aastal.

Neutronite arvu kontrollimiseks süsteemi sisestatakse neutroneid neelavad materjalid, tagab sujuva energia vabanemise. Neutronite absorbeerijatena kasutatakse kaadmiumi või boori.

Kuidas ohjeldada ja kasutada fragmentide tohutut kineetilist energiat? Nendel eesmärkidel kasutatakse jahutusvedelikku, s.o. spetsiaalne liikuv keskkond, milles killud aeglustatakse ja kuumutatakse ülikõrgete temperatuurideni. Selline keskkond võib olla tavaline või raske vesi, vedelad metallid (naatrium), aga ka mõned gaasid. Et mitte põhjustada jahutusvedeliku üleminekut auruolekusse, südamikus hoitakse kõrget rõhku (kuni 160 atm). Sel põhjusel on reaktori seinad valmistatud kümnesentimeetrisest eriklassi terasest.

Kui neutronid lendavad tuumakütusest välja, võib ahelreaktsioon katkeda. Seetõttu on lõhustuva materjali kriitiline mass, s.o. selle minimaalne mass, mille juures ahelreaktsioon säilib. See sõltub erinevatest parameetritest, sealhulgas reaktori südamikku ümbritseva reflektori olemasolust. Selle eesmärk on vältida neutronite lekkimist keskkond. Kõige tavalisem materjal selleks struktuurielement on grafiit.

Reaktoris toimuvate protsessidega kaasneb kõige ohtlikuma kiirgusliigi - gammakiirguse - eraldumine. Selle ohu minimeerimiseks pakub see kiirguskaitset.

Kuidas tuumareaktor töötab

Tuumakütus, mida nimetatakse kütuseelementideks, asetatakse reaktori südamikusse. Need on tabletid, mis on moodustatud lõhustuvast materjalist ja pakitud õhukesteks torudeks, mille pikkus on umbes 3,5 m ja läbimõõt 10 mm.

Südamikku asetatakse sadu sama tüüpi kütusesõlmesid ja need muutuvad ahelreaktsiooni käigus vabanevateks soojusenergia allikateks. Kütusevardaid pesev jahutusvedelik moodustab reaktori esimese ahela.

soojendatud kõrged parameetrid, pumbatakse see pumba poolt aurugeneraatorisse, kus see kannab oma energia üle sekundaarringi veele, muutes selle auruks. Saadud aur paneb turbiini generaatori pöörlema. Selle seadme poolt toodetud elekter edastatakse tarbijale. Ja jahutustiigi veega jahutatud heitgaas suunatakse kondensaadi kujul tagasi aurugeneraatorisse. Tsükkel sulgub.

Tuumarajatise selline kaheahelaline töö välistab tuumas toimuvate protsessidega kaasneva kiirguse tungimise üle selle piiride.

Niisiis, reaktoris toimub energia muundumiste ahel: lõhustuva materjali tuumaenergia → kildude kineetiliseks energiaks → jahutusvedeliku soojusenergiaks → turbiini kineetiliseks energiaks → ja generaatoris elektrienergiaks.

Vältimatu energiakadu viib selleni, et Tuumaelektrijaamade kasutegur on suhteliselt madal, 33-34%.

Lisaks elektrienergia tootmisele tuumaelektrijaamades kasutatakse tuumareaktoreid erinevate radioaktiivsete isotoopide tootmiseks, paljudes tööstusvaldkondades toimuvate teadusuuringute ning tööstusreaktorite lubatud parameetrite uurimiseks. Üha enam levivad transpordireaktorid, mis annavad energiat sõidukite mootoritele.

Tuumareaktorite tüübid

Tavaliselt töötavad tuumareaktorid uraanil U-235. Selle sisaldus looduslikus materjalis on aga äärmiselt madal, vaid 0,7%. Loodusliku uraani põhimass on U-238 isotoop. U-235 ahelreaktsiooni võivad põhjustada ainult aeglased neutronid ja U-238 isotoopi lõhustavad ainult kiired neutronid. Tuuma lõhustumise tulemusena sünnivad nii aeglased kui ka kiired neutronid. Kiired neutronid, mis kogevad jahutusvedelikus (vees) aeglustumist, muutuvad aeglaseks. Kuid isotoobi U-235 kogus looduslikus uraanis on nii väike, et tuleb kasutada selle rikastamist, viies selle kontsentratsiooni 3–5% -ni. See protsess on väga kallis ja majanduslikult ebasoodne. Lisaks sellele hinnatakse selle isotoobi loodusvarade ammendumise ajaks vaid 100-120 aastat.

Seega tuumatööstuses toimub järkjärguline üleminek kiiretel neutronitel töötavatele reaktoritele.

Nende peamine erinevus seisneb selles, et jahutusvedelikuna kasutatakse vedelaid metalle, mis ei pidurda neutroneid, ja U-238 kasutatakse tuumakütusena. Selle isotoobi tuumad läbivad tuumatransformatsioonide ahela Plutoonium-239-ks, mis allub ahelreaktsioonile samamoodi nagu U-235. See tähendab, et tuumakütust paljundatakse ja seda koguses, mis ületab selle tarbimist.

Ekspertide sõnul Uraan-238 isotoopide varusid peaks jätkuma 3000 aastaks. See aeg on täiesti piisav, et inimkonnal oleks piisavalt aega teiste tehnoloogiate arendamiseks.

Probleemid tuumaenergia kasutamisel

Tuumaenergia ilmsete eeliste kõrval ei saa alahinnata ka tuumarajatiste tööga seotud probleemide ulatust.

Esimene neist on radioaktiivsete jäätmete ja demonteeritud seadmete kõrvaldamine tuumaenergia. Nendel elementidel on aktiivne kiirgusfoon, mis püsib pikka aega. Nende jäätmete kõrvaldamiseks kasutatakse spetsiaalseid pliimahuteid. Nad peaksid olema maetud igikeltsa aladele kuni 600 meetri sügavusele. Seetõttu tehakse pidevalt tööd radioaktiivsete jäätmete töötlemise viisi leidmiseks, mis peaks lahendama kõrvaldamise probleemi ja aitama säilitada meie planeedi ökoloogiat.

Teine suurem probleem on ohutuse tagamine tuumaelektrijaama töö ajal. Suurõnnetused nagu Tšernobõli võivad palju ära võtta inimelusid ja dekomisjoneerida suuri alasid.

Õnnetus Jaapani tuumaelektrijaamas "Fukushima-1" vaid kinnitas potentsiaalne oht, mis avaldub tuumarajatiste hädaolukorras.

Tuumaenergeetika võimalused on aga nii suured, et keskkonnaprobleemid taanduda taustale.

Tänapäeval ei ole inimkonnal muud võimalust üha suureneva energianälga rahuldamiseks. Tuleviku tuumaenergiatööstuse aluseks on ilmselt tuumakütuse aretamise funktsiooniga "kiired" reaktorid.

Kui see sõnum oli teile kasulik, oleks mul hea meel teid näha

Saada

Mis on tuumareaktor?

Tuumareaktor, varem tuntud kui "tuumakatel", on seade, mida kasutatakse püsiva tuuma ahelreaktsiooni algatamiseks ja juhtimiseks. Tuumareaktoreid kasutatakse tuumaelektrijaamades elektri tootmiseks ja laevamootorite jaoks. Tuuma lõhustumisel tekkiv soojus kandub üle töövedelikule (vesi või gaas), mis juhitakse läbi auruturbiinide. Vesi või gaas juhib laeva labasid või pöörleb elektrigeneraatoreid. Tuumareaktsioonist tekkivat auru saab põhimõtteliselt kasutada soojustööstuses või kaugküttes. Mõnda reaktorit kasutatakse isotoopide tootmiseks meditsiiniliseks ja tööstuslikuks kasutamiseks või relvade jaoks kasutatava plutooniumi tootmiseks. Mõned neist on mõeldud ainult uurimistööks. Tänapäeval on umbes 450 tuumareaktorit, mida kasutatakse elektri tootmiseks umbes 30 riigis üle maailma.

Tuumareaktori tööpõhimõte

Nii nagu tavalised elektrijaamad toodavad elektrit, kasutades fossiilkütuste põletamisel eralduvat soojusenergiat, muundavad tuumareaktorid kontrollitud tuumalõhustumisel vabanenud energia soojusenergiaks, et muuta see edasiseks mehaaniliseks või elektriliseks vormiks.

Tuuma lõhustumise protsess

Kui märkimisväärne hulk lagunevaid aatomituumasid (nagu uraan-235 või plutoonium-239) neelab neutroni, võib toimuda tuuma lagunemisprotsess. Raske tuum laguneb kaheks või enamaks kergeks tuumaks (lõhustumisproduktid), vabastades kineetilise energia, gammakiirguse ja vabad neutronid. Mõned neist neutronitest võivad hiljem neelduda teistes lõhustuvates aatomites ja põhjustada edasist lõhustumist, mis vabastab veelgi rohkem neutroneid jne. Seda protsessi tuntakse tuuma ahelreaktsioonina.

Sellise tuuma ahelreaktsiooni kontrollimiseks saavad neutronite neelajad ja moderaatorid muuta neutronite osakaalu, mis lähevad rohkemate tuumade lõhustumisele. Tuumareaktoreid juhitakse käsitsi või automaatselt, et ohtlike olukordade tuvastamisel oleks võimalik lagunemisreaktsioon peatada.

Tavaliselt kasutatavad neutronvoo regulaatorid on tavaline ("kerge") vesi (74,8% maailma reaktoritest), tahke grafiit (20% reaktoritest) ja "raske" vesi (5% reaktoritest). Mõnes eksperimentaalses tüüpi reaktorites tehakse ettepanek kasutada berülliumi ja süsivesinikke.

Soojuse tootmine tuumareaktoris

Reaktori töötsoon toodab soojust mitmel viisil:

  • Lõhustumisproduktide kineetiline energia muundatakse soojusenergiaks, kui tuumad põrkuvad naaberaatomitega.
  • Reaktor neelab osa lõhustumisel tekkivast gammakiirgusest ja muudab selle energia soojuseks.
  • Soojus tekib lõhustumisproduktide ja nende materjalide radioaktiivsel lagunemisel, mida on mõjutanud neutronite neeldumine. See soojusallikas jääb mõneks ajaks muutumatuks ka pärast reaktori väljalülitamist.

Tuumareaktsioonide käigus eraldab kilogramm uraan-235 (U-235) umbes kolm miljonit korda rohkem energiat kui kilogramm tavapäraselt põletatud kivisütt (7,2 × 1013 džauli uraan-235 kilogrammi kohta võrreldes 2,4 × 107 džauliga kilogrammi kivisöe kohta) ,

Tuumareaktori jahutussüsteem

Tuumareaktori jahutusvedelik - tavaliselt vesi, kuid mõnikord gaas, vedel metall (näiteks vedel naatrium) või sulasool - tsirkuleeritakse ümber reaktori südamiku, et absorbeerida tekkivat soojust. Soojus eemaldatakse reaktorist ja seejärel kasutatakse auru genereerimiseks. Enamik reaktoreid kasutab jahutussüsteemi, mis on füüsiliselt isoleeritud veest, mis keeb ja tekitab turbiinides kasutatavat auru, sarnaselt surveveereaktoriga. Mõnes reaktoris keedetakse aga auruturbiinide jaoks vett otse reaktori südamikus; näiteks surveveereaktoris.

Neutronvoo juhtimine reaktoris

Reaktori väljundvõimsust juhitakse, reguleerides neutronite arvu, mis võivad põhjustada rohkem lõhustumist.

Neutronite neelamiseks kasutatakse "neutronimürgist" valmistatud juhtvardaid. Mida rohkem neutroneid juhtvarras neelab, seda vähem neutroneid võib edasist lõhustumist põhjustada. Seega vähendab absorptsioonivarraste sügavale reaktorisse kastmine selle väljundvõimsust ja vastupidi, juhtvarda eemaldamine suurendab seda.

Kõigi tuumareaktorite esimesel kontrollitasemel on mitmete neutroniga rikastatud lõhustumisisotoopide neutronite hiline emissioon oluline füüsiline protsess. Need viivitatud neutronid moodustavad umbes 0,65%. koguarv lõhustumise käigus tekkivad neutronid ja ülejäänud (nn "kiired neutronid") tekivad vahetult lõhustumise käigus. Hilinenud neutroneid moodustavate lõhustumissaaduste poolestusajad ulatuvad millisekunditest mitme minutini ja seetõttu kulub reaktori jõudmisaja täpseks määramiseks palju aega. kriitiline punkt. Reaktori hoidmine ahelreaktiivsuse režiimis, kus kriitilise massi saavutamiseks on vaja viivitatud neutroneid, saavutatakse mehaaniliste seadmete või inimese juhtimisega, et juhtida ahelreaktsiooni "reaalajas"; vastasel juhul oleks aeg kriitilise taseme saavutamise ja tuumareaktori südamiku sulamise vahel tavalise tuuma ahelreaktsiooni eksponentsiaalse võimsuse hüppe tõttu liiga lühike sekkumiseks. Seda viimast etappi, kus hilinenud neutroneid kriitilisuse säilitamiseks enam vaja ei ole, nimetatakse kiireks kriitiliseks. Kriitilisuse kirjeldamiseks numbrilises vormis on skaala, milles esialgset kriitilisust tähistab mõiste "null dollarit", kiire kriitiline punkt on "üks dollar", teised protsessi punktid on interpoleeritud "sentides".

Mõnes reaktoris toimib jahutusvedelik ka neutronite moderaatorina. Moderaator suurendab reaktori võimsust, pannes lõhustumise käigus vabanevad kiired neutronid energiat kaotama ja muutuvad termilisteks neutroniteks. Termilised neutronid põhjustavad lõhustumist tõenäolisemalt kui kiired neutronid. Kui jahutusvedelik on ka neutronite moderaator, võivad temperatuurimuutused mõjutada jahutusvedeliku/moderaatori tihedust ja seega ka reaktori väljundvõimsuse muutust. Mida kõrgem on jahutusvedeliku temperatuur, seda väiksem on selle tihedus ja seetõttu vähem tõhus moderaator.

Teist tüüpi reaktorites toimib jahutusvedelik "neutronimürgina", neelates neutroneid samamoodi nagu juhtvardad. Nendes reaktorites saab võimsust suurendada jahutusvedeliku kuumutamisega, muutes selle vähem tihedaks. Tuumareaktoritel on tavaliselt automaatsed ja manuaalsed süsteemid reaktori hädaseiskamiseks. Need süsteemid paigutavad suures koguses "neutronimürki" (sageli boori kujul boorhape) reaktorisse, et peatada lõhustumisprotsess, kui tuvastatakse või kahtlustatakse ohtlikke tingimusi.

Enamik reaktoritüüpe on tundlikud protsessile, mida nimetatakse "ksenoonikaevuks" või "joodikaevuks". Tavaline lõhustumisprodukt, ksenoon-135, toimib neutronite absorbeerijana, mis püüab reaktorit välja lülitada. Ksenoon-135 kogunemist saab kontrollida, säilitades piisavalt kõrge võimsustaseme, et see hävitada, neelates neutroneid nii kiiresti kui see tekib. Lõhustumise tulemusena tekib ka jood-135, mis omakorda laguneb (poolväärtusajaga 6,57 tundi), moodustades ksenoon-135. Kui reaktor suletakse, jätkab jood-135 lagunemist, moodustades ksenoon-135, mis muudab reaktori taaskäivitamise päeva või kahe jooksul keerulisemaks, kuna ksenoon-135 laguneb, moodustades tseesium-135, mis ei ole neutroneid absorbeeriv. ksenoon-135, 135, poolväärtusajaga 9,2 tundi. See ajutine seisund on "joodikaev". Kui reaktoril on piisavalt lisavõimsust, saab selle taaskäivitada. Rohkem ksenoon-135 muutub ksenoon-136-ks, mis on vähem kui neutronite absorbeerija, ja mõne tunni jooksul kogeb reaktor nn "ksenooni põlemise etappi". Lisaks tuleb reaktorisse sisestada juhtvardad, et kompenseerida neutronite neeldumist, et asendada kadunud ksenoon-135. Selle protseduuri mittejärgimine oli Tšernobõli tuumaelektrijaama õnnetuse peamine põhjus.

Mere tuumarajatistes kasutatavaid reaktoreid (eriti tuumaallveelaevu) ei saa sageli samamoodi pideval võimsusel käivitada kui maismaal asuvaid jõureaktoreid. Lisaks peavad sellised elektrijaamad töötama pikka aega ilma kütust vahetamata. Sel põhjusel kasutavad paljud konstruktsioonid kõrgelt rikastatud uraani, kuid sisaldavad kütusevarrastes põlevat neutronite absorbeerijat. See võimaldab konstrueerida lõhustuva materjali ülejäägiga reaktorit, mis on reaktori kütusetsükli põlemise alguses suhteliselt ohutu neutroneid neelava materjali olemasolu tõttu, mis hiljem asendatakse tavaliste pikaealiste neutronite absorbeerijatega. (vastupidavam kui ksenoon-135), mis kogunevad järk-järgult reaktori eluea jooksul.kütus.

Kuidas elektrit toodetakse?

Lõhustumisel tekkiv energia tekitab soojust, millest osa saab muundada kasulikuks energiaks. Levinud meetod selle soojusenergia kasutamiseks on kasutada seda vee keetmiseks ja rõhu all oleva auru tootmiseks, mis omakorda juhib auruturbiini, mis käitab generaatorit ja toodab elektrit.

Esimeste reaktorite ilmumise ajalugu

Neutronid avastati 1932. aastal. Neutronitega kokkupuute tagajärjel tekkinud tuumareaktsioonidest põhjustatud ahelreaktsiooni skeemi viis esmakordselt läbi Ungari teadlane Leo Sillard 1933. aastal. Järgmise aasta jooksul taotles ta Londoni Admiraliteedis oma lihtsale reaktoriideele patenti. Kuid Szilardi idee ei sisaldanud tuuma lõhustumise teooriat neutronite allikana, kuna seda protsessi polnud veel avastatud. Szilardi ideed tuumareaktorite kohta, mis kasutavad neutronite vahendatud tuumaahelreaktsiooni kergetes elementides, osutusid teostamatuks.

Uut tüüpi uraani kasutava reaktori loomise ajendiks oli Lise Meitneri, Fritz Strassmanni ja Otto Hahni avastus 1938. aastal, kes "pommitasid" uraani neutronitega (kasutades berülliumi alfa-lagunemisreaktsiooni, "neutronpüstolit"). moodustada baarium, mis nende arvates sai alguse uraani tuumade lagunemisest. Hilisemad uuringud 1939. aasta alguses (Szilard ja Fermi) näitasid, et aatomi lõhustumisel tekkisid ka mõned neutronid ja see võimaldas läbi viia tuuma ahelreaktsiooni, nagu Szilard oli kuus aastat varem ette näinud.

2. augustil 1939 kirjutas Albert Einstein alla Szilardi poolt president Franklin D. Rooseveltile kirjutatud kirjale, milles märgiti, et uraani lõhustumise avastamine võib viia "äärmiselt võimsate uut tüüpi pommide loomiseni". See andis tõuke reaktorite ja radioaktiivse lagunemise uurimisele. Szilard ja Einstein tundsid üksteist hästi ja töötasid koos palju aastaid, kuid Einstein ei mõelnud kunagi sellisele tuumaenergia võimalusele enne, kui Szilard andis talle oma otsingute alguses teada, et ta kirjutaks Einsteini-Szilardi kirja, et hoiatada meid valitsust.

Vahetult pärast seda, 1939.a Natsi-Saksamaa ründas Poolat, alustades teist maailmasõda Euroopas. Ametlikult ei olnud USA-s veel sõda, kuid oktoobris, kui Einsteini-Szilardi kiri üle anti, märkis Roosevelt, et uuringu eesmärk oli tagada, et "natsid meid õhku ei lööks". USA tuumaprojekt algas, ehkki mõningase viivitusega, sest skeptitsism jäi alles (eriti Fermi poolt) ja valitsusametnike vähesuse tõttu, kes projekti esialgu juhtisid.

AT järgmine aasta USA valitsus sai Ühendkuningriigilt Frisch-Peierlsi memorandumi, milles märgiti, et ahelreaktsiooni läbiviimiseks vajalik uraani kogus on palju väiksem, kui seni arvati. Memorandum koostati Maud Commity osalusel, kes töötas Ühendkuningriigis aatomipommi projekti kallal, mida hiljem tunti koodnime "Tube Alloys" (torusulamid) all ja lisati hiljem Manhattani projekti.

Lõppkokkuvõttes ehitas Enrico Fermi juhitud meeskond Chicago ülikoolis 1942. aasta lõpus esimese tehisliku tuumareaktori nimega Chicago Woodpile 1. Selleks ajaks oli USA tuumaprogrammi juba kiirendanud riigi ühinemine sõda. "Chicago Woodpile" jõudis kriitilisse punkti 2. detsembril 1942 kell 15 tundi 25 minutit. Reaktori karkass oli puidust, hoides koos virna grafiitplokke (sellest ka nimi) loodusliku uraanoksiidi pesastatud "briketi" või "pseudosfääridega".

Alates 1943. aastast, vahetult pärast Chicago Woodpile'i loomist, töötas USA sõjavägi Manhattani projekti jaoks välja terve rea tuumareaktoreid. Suurimate reaktorite (mis asuvad Hanfordi kompleksis Washingtoni osariigis) ehitamise peamine eesmärk oli plutooniumi masstootmine tuumarelvad. Fermi ja Szilard esitasid reaktorite patenditaotluse 19. detsembril 1944. Selle väljaandmine viibis sõjaaegse salastatuse tõttu 10 aastat.

"Maailma esimene" - see kiri tehti EBR-I reaktori asukohas, mis on praegu Idaho osariigis Arco linna lähedal asuv muuseum. Algselt nimega "Chicago Woodpile-4" ehitati see reaktor Walter Zinni juhtimisel Aregonne'i riikliku labori jaoks. See eksperimentaalne kiire aretusreaktor oli USA aatomienergiakomisjoni käsutuses. Reaktor tootis 20. detsembril 1951 katsetamisel 0,8 kW võimsust ja järgmisel päeval 100 kW võimsust (elekter) projekteeritud võimsusega 200 kW (elektrivõimsus).

Lisaks tuumareaktorite sõjalisele kasutamisele olid ka poliitilised põhjused jätkata aatomienergia uurimist rahumeelsel eesmärgil. USA president Dwight Eisenhower pidas oma kuulsa kõne "Aatomid rahu nimel" ÜRO Peaassambleel 8. detsembril 1953. See diplomaatiline samm viis reaktoritehnoloogia levikuni nii USA-s kui ka kogu maailmas.

Esimene tsiviileesmärgil ehitatud tuumajaam oli 27. juunil 1954 Nõukogude Liidus käivitatud tuumaelektrijaam AM-1 Obninskis. See tootis umbes 5 MW elektrienergiat.

Pärast Teist maailmasõda otsis USA sõjavägi muid rakendusi tuumareaktoritehnoloogiale. Maaväes ja õhuväes läbiviidud uuringuid ei rakendatud; USA merevägi oli aga edukas tuumaallveelaeva USS Nautilus (SSN-571) startimisega 17. jaanuaril 1955. aastal.

Esimene kaubanduslik tuumaelektrijaam (Calder Hall Sellafieldis, Inglismaal) avati 1956. aastal esialgse võimsusega 50 MW (hiljem 200 MW).

Esimest kaasaskantavat tuumareaktorit "Alco PM-2A" on kasutatud elektri (2 MW) tootmiseks USA sõjaväebaasi "Camp Century" jaoks alates 1960. aastast.

Tuumaelektrijaama põhikomponendid

Enamiku tüüpi tuumaelektrijaamade põhikomponendid on:

Tuumareaktori elemendid

  • Tuumakütus (tuumareaktori südamik; neutronite moderaator)
  • Neutronite esialgne allikas
  • Neutronite absorbeerija
  • Neutronipüstol (pakkub pidevat neutronite allikat reaktsiooni taasalustamiseks pärast väljalülitamist)
  • Jahutussüsteem (sageli on neutronite moderaator ja jahutusvedelik samad, tavaliselt puhastatud vesi)
  • kontrollvardad
  • Tuumareaktori anum (NRC)

Boileri veepump

  • Aurugeneraatorid (mitte keeva vee reaktorites)
  • Auruturbiin
  • Elektrigeneraator
  • Kondensaator
  • Jahutustorn (pole alati vajalik)
  • Radioaktiivsete jäätmete käitlussüsteem (radioaktiivsete jäätmete lõppladustustehase osa)
  • Tuumakütuse ümberlaadimise koht
  • Kasutatud kütuse bassein

Kiirgusohutussüsteem

  • Rektori kaitsesüsteem (SZR)
  • Avarii diiselgeneraatorid
  • Reaktori südamiku avariijahutussüsteem (ECCS)
  • Vedeliku avariijuhtimissüsteem (boori hädasissepritse, ainult keeva vee reaktorites)
  • Veevarustussüsteem vastutustundlikele tarbijatele (SOTVOP)

Kaitsev kest

  • Pult
  • Avariipaigaldus
  • Tuumaõppekompleks (reeglina on olemas juhtpaneeli simulatsioon)

Tuumareaktorite klassifikatsioonid

Tuumareaktorite tüübid

Tuumareaktoreid klassifitseeritakse mitmel viisil; kokkuvõte need klassifitseerimismeetodid on esitatud allpool.

Tuumareaktorite klassifikatsioon moderaatori tüübi järgi

Kasutatud termoreaktorid:

  • Grafiitreaktorid
  • Surveveereaktorid
  • Raskeveereaktorid(kasutatakse Kanadas, Indias, Argentinas, Hiinas, Pakistanis, Rumeenias ja Lõuna-Korea).
  • Kergveereaktorid(LVR). Kergveereaktorites (kõige levinum soojusreaktori tüüp) kasutatakse reaktorite juhtimiseks ja jahutamiseks tavalist vett. Kui vee temperatuur tõuseb, siis selle tihedus väheneb, aeglustades neutronite voogu piisavalt, et põhjustada edasisi ahelreaktsioone. See negatiivne tagasiside stabiliseerib tuumareaktsiooni kiirust. Grafiit- ja raskeveereaktorid kipuvad kuumenema intensiivsemalt kui kergeveereaktorid. Lisasoojuse tõttu võivad sellised reaktorid kasutada looduslikku uraani/rikastamata kütust.
  • Kergelementide moderaatoritel põhinevad reaktorid.
  • Sulasoola modereeritud reaktorid(MSR) kontrollitakse kergete elementide, nagu liitium või berüllium, olemasolu, mis on osa LiF ja BEF2 jahutusvedeliku/kütusemaatriksi sooladest.
  • Vedelmetallist jahutitega reaktorid, kus jahutusvedelik on plii ja vismuti segu, saab neutronabsorberis kasutada BeO oksiidi.
  • Orgaanilisel moderaatoril põhinevad reaktorid(OMR) kasutavad difenüüli ja terfenüüli moderaatori ja jahutusvedeliku komponentidena.

Tuumareaktorite klassifikatsioon jahutusvedeliku tüübi järgi

  • Vesijahutusega reaktor. Ameerika Ühendriikides töötab 104 reaktorit. Neist 69 on survestatud vee reaktorid (PWR) ja 35 on keevaveereaktorid (BWR). Survevee tuumareaktorid (PWR) moodustavad valdava enamuse kõigist lääne tuumaelektrijaamadest. RVD tüübi peamine omadus on ülelaaduri, spetsiaalse kõrgsurveanuma olemasolu. Enamik kaubanduslikke kõrgsurvereaktoreid ja mereväe reaktorite tehaseid kasutavad ülelaadijaid. ajal normaalne töö puhur on osaliselt täidetud veega ja selle kohal hoitakse aurumulli, mis tekib vee soojendamisel sukelsoojenditega. Tavarežiimis on ülelaadija ühendatud reaktori surveanumaga (HRV) ja rõhukompensaator annab õõnsuse reaktoris oleva vee mahu muutumise korral. Selline skeem tagab ka rõhu juhtimise reaktoris, suurendades või vähendades aururõhku kompensaatoris küttekehade abil.
  • Kõrgsurve raskeveereaktorid kuuluvad mitmesugustesse survestatud veereaktoritesse (PWR), mis ühendavad rõhu kasutamise põhimõtted, isoleeritud termilise tsükli, eeldades raske vee kasutamist jahutusvedeliku ja moderaatorina, mis on majanduslikult kasulik.
  • keeva vee reaktor(BWR). Keevaveereaktorite mudeleid iseloomustab keeva vee olemasolu kütusevarraste ümber peareaktori anuma põhjas. Keevaveereaktoris kasutatakse kütusena rikastatud 235U uraandioksiidi kujul. Kütus on paigutatud terasanumasse asetatud vardadesse, mis omakorda sukeldatakse vette. Tuuma lõhustumise protsess põhjustab vee keema ja auru moodustumise. See aur läbib turbiinides torujuhtmeid. Turbiinid töötavad auruga ja see protsess toodab elektrit. Tavalise töötamise ajal juhib rõhku reaktori surveanumast turbiini voolava auru hulk.
  • Basseini tüüpi reaktor
  • Reaktor vedela metalli jahutusvedelikuga. Kuna vesi on neutronite moderaator, ei saa seda kiirneutronreaktoris jahutusvedelikuna kasutada. Metallist vedelate jahutusvedelike hulka kuuluvad naatrium, NaK, plii, plii-vismuti eutektikum ja varajase põlvkonna reaktorite puhul elavhõbe.
  • Naatriumjahutusvedelikuga kiirneutronreaktor.
  • Plii jahutusvedelikuga kiirneutronitel töötav reaktor.
  • Gaasjahutusega reaktorid jahutatakse tsirkuleeriva inertgaasiga, mis on ette nähtud heeliumiga kõrgtemperatuurilistes struktuurides. Samas kasutati süsihappegaasi varem Suurbritannia ja Prantsusmaa tuumaelektrijaamades. Kasutatud on ka lämmastikku. Soojuse kasutamine oleneb reaktori tüübist. Mõned reaktorid on nii kuumad, et gaas võib otse gaasiturbiini juhtida. Vanemad reaktorikonstruktsioonid hõlmasid tavaliselt gaasi juhtimist läbi soojusvaheti, et tekitada auruturbiini jaoks auru.
  • Sulasoola reaktorid(MSR) jahutatakse tsirkuleeriva sulasoola abil (tavaliselt fluoriidsoolade eutektilised segud, nagu FLiBe). Tüüpilises MSR-is kasutatakse jahutusvedelikku ka maatriksina, milles lõhustuv materjal lahustatakse.

Tuumareaktorite põlvkonnad

  • Esimese põlvkonna reaktor(varased prototüübid, uurimisreaktorid, mitteärilised elektrireaktorid)
  • Teise põlvkonna reaktor(kõige kaasaegsemad tuumajaamad 1965-1996)
  • Kolmanda põlvkonna reaktor(olemasolevate disainilahenduste evolutsioonilised täiustused alates 1996. aastast kuni praeguseni)
  • neljanda põlvkonna reaktor(tehnoloogiad on veel väljatöötamisel, alguskuupäev teadmata, võib-olla 2030)

2003. aastal võttis Prantsuse aatomienergia komissariaat (CEA) oma nukleoonikanädalal esimest korda kasutusele nimetuse "Gen II".

Esimest korda mainiti "Gen III" 2000. aastal seoses IV põlvkonna rahvusvahelise foorumi (GIF) algusega.

"Gen IV" mainis 2000. aastal Ameerika Ühendriikide energeetikaministeerium (DOE) uut tüüpi elektrijaamade väljatöötamiseks.

Tuumareaktorite klassifikatsioon kütuseliigi järgi

  • Tahkekütuse reaktor
  • vedelkütuse reaktor
  • Homogeenne vesijahutusega reaktor
  • Sulasoola reaktor
  • Gaasiküttel töötavad reaktorid (teoreetiliselt)

Tuumareaktorite klassifikatsioon otstarbe järgi

  • Elektri tootmine
  • Tuumaelektrijaamad, sealhulgas väikesed kobarreaktorid
  • Iseliikuvad seadmed (vt tuumaelektrijaamu)
  • Avamere tuumarajatised
  • Erinevat tüüpi rakettmootorid
  • Muud soojuse kasutusviisid
  • Magestamine
  • Soojuse tootmine kodu- ja tööstuskütteks
  • Vesiniku tootmine vesinikuenergias kasutamiseks
  • Tootmisreaktorid elementide muundamiseks
  • Kasutusreaktorid, mis on võimelised tootma rohkem lõhustuvat materjali, kui nad ahelreaktsiooni käigus tarbivad (muundades lähteisotoobid U-238 Pu-239-ks või Th-232 U-233-ks). Seega saab pärast ühe tsükli läbitöötamist uraani kasvatamise reaktorit korduvalt tankida loodusliku või isegi vaesestatud uraaniga. Tooriumi kasvatamise reaktorit saab omakorda täita tooriumiga. Lõhustuva materjali esialgne varu on siiski vajalik.
  • Erinevate radioaktiivsete isotoopide loomine, nagu ameriitsium kasutamiseks suitsuandurites ja koobalt-60, molübdeen-99 ja teised, mida kasutatakse märgistusainetena ja ravis.
  • Tuumarelvade jaoks vajalike materjalide, näiteks relvakvaliteediga plutooniumi tootmine
  • Neutronkiirguse (näiteks Lady Godiva impulssreaktori) ja positronikiirguse allika (näiteks neutronite aktiveerimise analüüs ja kaalium-argooni dateerimine) loomine
  • Uurimisreaktor: Tavaliselt kasutatakse reaktoreid teadusuuringuteks ja õpetamiseks, materjalide testimiseks või radioisotoopide tootmiseks meditsiinis ja tööstuses. Need on palju väiksemad kui elektri- või laevareaktorid. Paljud neist reaktoritest asuvad ülikoolilinnakutes. Selliseid reaktoreid töötab umbes 280 56 riigis. Mõned neist töötavad kõrgelt rikastatud uraanikütusega. Käimas on rahvusvahelised jõupingutused väherikastatud kütuste asendamiseks.

Kaasaegsed tuumareaktorid

Surveveereaktorid (PWR)

Need reaktorid kasutavad tuumakütuse, juhtvardade, moderaatori ja jahutusvedeliku hoidmiseks surveanumat. Reaktoreid jahutatakse ja neutroneid modereeritakse kõrge rõhu all oleva vedela veega. Surveanumast väljuv kuum radioaktiivne vesi läbib aurugeneraatori ahelat, mis omakorda soojendab sekundaarset (mitteradioaktiivset) ahelat. Need reaktorid on enamus kaasaegsed reaktorid. See on neutronreaktori kütteseade, millest uusimad on VVER-1200, täiustatud surveveereaktor ja Euroopa surveveereaktor. USA mereväe reaktorid on seda tüüpi.

Keevavee reaktorid (BWR)

Keevveereaktorid on sarnased ilma aurugeneraatorita surveveereaktoritele. Keevveereaktorites kasutatakse vett ka jahutusvedelikuna ja neutronide moderaatorit surveveereaktoritena, kuid madalamal rõhul, mis võimaldab vett katla sees keema minna, tekitades auru, mis pöörab turbiine. Erinevalt surveveereaktorist primaar- ja sekundaarahel puudub. Nende reaktorite küttevõimsus võib olla suurem ja need võivad olla lihtsama konstruktsiooniga ning veelgi stabiilsemad ja ohutumad. Tegemist on termilise neutronreaktori seadmega, millest uusimad on täiustatud keeduvee reaktor ja ökonoomne lihtsustatud keeduvee tuumareaktor.

Survestatud raskeveega modereeritud reaktor (PHWR)

Kanada disain (tuntud kui CANDU), need on survestatud raske veega modereeritud reaktorid. Selle asemel, et kasutada ühte surveanumat, nagu surveveereaktorites, on kütus sadades kõrgsurvekanalites. Need reaktorid töötavad looduslikul uraanil ja on termilised neutronreaktorid. Raskeveereaktoreid saab tankida täisvõimsusel töötamise ajal, mis muudab need uraani kasutamisel väga tõhusaks (see võimaldab täpselt juhtida voolu südamikus). Raskevee CANDU reaktoreid on ehitatud Kanadas, Argentinas, Hiinas, Indias, Pakistanis, Rumeenias ja Lõuna-Koreas. India kasutab ka mitmeid raskeveereaktoreid, mida sageli nimetatakse "CANDU derivaatideks", mis ehitati pärast seda, kui Kanada valitsus lõpetas tuumasuhted Indiaga pärast "Naeratava Buddha" tuumarelvakatsetust 1974. aastal.

Suure võimsusega kanalreaktor (RBMK)

Nõukogude arendus, mis on mõeldud plutooniumi ja ka elektri tootmiseks. RBMK-d kasutavad vett jahutusvedelikuna ja grafiiti neutronite moderaatorina. RBMK-d on mõnes mõttes sarnased CANDU-dega, kuna neid saab töö ajal laadida ja surveanuma asemel kasutatakse survetorusid (nagu seda tehakse surveveereaktorites). Erinevalt CANDU-st on need aga väga ebastabiilsed ja mahukad, mistõttu on reaktori kork kulukas. RBMK projektides on tuvastatud ka mitmeid olulisi ohutuspuudujääke, kuigi mõned neist puudustest parandati pärast Tšernobõli katastroofi. Nende peamine omadus on kerge vee ja rikastamata uraani kasutamine. 2010. aasta seisuga on 11 reaktorit endiselt avatud, peamiselt tänu paranenud ohutusele ja rahvusvaheliste ohutusorganisatsioonide, nagu USA energeetikaministeeriumi, toetusele. Vaatamata nendele täiustustele peetakse RBMK reaktoreid endiselt üheks kõige ohtlikumaks kasutatavaks reaktorikonstruktsiooniks. RBMK reaktoreid kasutati ainult endises Nõukogude Liidus.

Gaasjahutusega reaktor (GCR) ja täiustatud gaasijahutusega reaktor (AGR)

Tavaliselt kasutavad nad grafiitneutronite moderaatorit ja CO2 jahutit. Kõrgete töötemperatuuride tõttu võivad need olla soojuse tootmisel suurema efektiivsusega kui surveveereaktorid. Peamiselt Ühendkuningriigis, kus kontseptsioon töötati välja, on mitmeid sellise konstruktsiooniga töötavaid reaktoreid. Vanemad arendused (st Magnox-jaamad) on kas suletud või suletakse lähiajal. Täiustatud gaasjahutusega reaktorite hinnanguline tööiga on aga veel 10–20 aastat. Seda tüüpi reaktorid on termilised neutronreaktorid. Selliste reaktorite dekomisjoneerimise rahalised kulud võivad südamiku suure mahu tõttu olla suured.

Fast Breeder Reactor (LMFBR)

Selle reaktori konstruktsiooni jahutatakse vedelmetalliga, ilma moderaatorita ja see toodab rohkem kütust kui kulutab. Väidetavalt "aretavad" nad kütust, kuna toodavad neutronite püüdmise käigus lõhustuvat kütust. Sellised reaktorid võivad kasuteguri poolest toimida samamoodi nagu surveveereaktorid, neil on vaja kompenseerida suurenenud rõhku, sest kasutatakse vedelat metalli, mis ei tekita ülerõhku ka väga kõrgetel temperatuuridel. BN-350 ja BN-600 NSV Liidus ning Superphoenix Prantsusmaal olid seda tüüpi reaktorid, nagu ka Fermi I USA-s. 1995. aastal naatriumilekke tõttu kannatada saanud Monju reaktor Jaapanis jätkas tööd 2010. aasta mais. Kõik need reaktorid kasutavad/kasutavad vedelat naatriumi. Need reaktorid on kiirneutronreaktorid ja ei kuulu termiliste neutronreaktorite hulka. Neid reaktoreid on kahte tüüpi:

plii jahutatud

Plii kasutamine vedela metallina tagab suurepärase kiirgusvarjestuse ja võimaldab töötada väga kõrgetel temperatuuridel. Samuti on plii (enamasti) neutronitele läbipaistev, nii et jahutusvedelikku läheb vähem neutroneid ja jahutusvedelik ei muutu radioaktiivseks. Erinevalt naatriumist on plii üldiselt inertne, seega on plahvatuse või õnnetuse oht väiksem, kuid sellised suured pliikogused võivad põhjustada toksilisust ja probleeme jäätmete kõrvaldamisega. Sageli saab seda tüüpi reaktorites kasutada plii-vismuti eutektilisi segusid. Sel juhul häirib vismut kiirgust vähesel määral, kuna see ei ole neutronitele täielikult läbipaistev ja võib kergemini muutuda teiseks isotoobiks kui plii. Vene Alpha-klassi allveelaev kasutab peamise elektritootmissüsteemina plii-vismutjahutusega kiirneutronreaktorit.

naatrium jahutatud

Enamik vedelmetalli aretusreaktoreid (LMFBR) on seda tüüpi. Naatriumi on suhteliselt lihtne hankida ja sellega töötada ning see aitab ka vältida korrosiooni. erinevad osad sellesse sukeldatud reaktor. Naatrium reageerib aga kokkupuutel veega ägedalt, seega tuleb olla ettevaatlik, kuigi sellised plahvatused ei ole palju võimsamad kui näiteks ülekuumenenud vedeliku lekked SCWR-idest või RWD-dest. EBR-I on esimene seda tüüpi reaktor, mille südamik koosneb sulatisest.

Ball-Bed Reactor (PBR)

Nad kasutavad keraamilisteks kuulideks pressitud kütust, milles gaas tsirkuleeritakse läbi kuulide. Selle tulemusena on need tõhusad, tagasihoidlikud ja väga ohutud odava standardse kütusega reaktorid. Prototüüp oli AVR reaktor.

Sulasoola reaktorid

Nendes lahustatakse kütus fluoriidisoolades või kasutatakse jahutusvedelikuna fluoriide. Nende erinevad turvasüsteemid, kõrge efektiivsusega ja kõrge energiatihedus sobivad sõidukitele. Tähelepanuväärne on see, et neil ei ole allutatud osi kõrged rõhud või põlevaid komponente südamikus. Prototüübiks oli MSRE reaktor, mis kasutas samuti tooriumi kütusetsüklit. Kasutusreaktorina töötleb see kasutatud tuumkütust, taastades nii uraani kui ka transuraanielemente, jättes alles vaid 0,1% transuraanijäätmetest võrreldes praegu töötavate tavaliste uraani kergvee reaktoritega. Eraldi teema on radioaktiivsed lõhustumisproduktid, mida ei võeta ringlusse ja need tuleb hävitada tavalistes reaktorites.

Homogeenne vesireaktor (AHR)

Need reaktorid kasutavad kütust kujul lahustuvad soolad, mis lahustatakse vees ja segatakse jahutusvedeliku ja neutronite moderaatoriga.

Uuenduslikud tuumasüsteemid ja projektid

täiustatud reaktorid

Rohkem kui tosin täiustatud reaktoriprojekti on arendamise eri etappides. Mõned neist on arenenud RWD, BWR ja PHWR konstruktsioonidest, mõned erinevad oluliselt. Esimeste hulka kuuluvad täiustatud keevaveereaktor (ABWR) (millest kaks on praegu töökorras ja teised ehitatakse), samuti kavandatud majanduslikult lihtsustatud passiivse ohutusega keeduveereaktor (ESBWR) ja AP1000 rajatised (vt allpool). Tuumaenergia programm 2010).

Integreeritud kiirneutronite tuumareaktor(IFR) ehitati, testiti ja katsetati 1980ndatel ning seejärel dekomisjoneeriti pärast Clintoni administratsiooni tagasiastumist 1990. aastatel tuumarelva leviku tõkestamise poliitika tõttu. Kasutatud tuumkütuse ümbertöötlemine on selle projekteerimise keskmes ja seetõttu tekib see vaid murdosa töötavate reaktorite jäätmetest.

Modulaarne kõrgtemperatuuriline gaasjahutusega reaktor reaktor (HTGCR) on konstrueeritud nii, et kõrged temperatuurid vähendavad väljundvõimsust Doppleri neutronkiire ristlõike laienemise tõttu. Reaktor kasutab keraamilist tüüpi kütust, mistõttu selle ohutud töötemperatuurid ületavad alandava temperatuurivahemiku. Enamik struktuure jahutatakse inertse heeliumiga. Heelium ei saa põhjustada plahvatust aurude paisumise tõttu, ei neela neutroneid, mis tooks kaasa radioaktiivsuse, ega lahusta saasteaineid, mis võivad olla radioaktiivsed. Tüüpilised konstruktsioonid koosnevad rohkemast passiivse kaitse kihist (kuni 7) kui kergveereaktorites (tavaliselt 3). Ainulaadne funktsioon, mis võib pakkuda ohutust, on see, et kütusekuulid moodustavad tegelikult südamiku ja need vahetatakse aja jooksul ükshaaval välja. Kütuseelementide disainifunktsioonid muudavad nende taaskasutamise kulukaks.

Väike, suletud, mobiilne, autonoomne reaktor (SSTAR) algselt testiti ja töötati välja USA-s. Reaktor kavandati kiire neutronreaktorina, millel on passiivne kaitsesüsteem, mida saab kaugjuhtimisega välja lülitada, kui kahtlustatakse riket.

Puhas ja keskkonnasõbralik täiustatud reaktor (CAESAR) on tuumareaktori kontseptsioon, mis kasutab neutronite moderaatorina auru – see konstruktsioon on alles väljatöötamisel.

Reduced Water Moderated Reactor põhineb praegu töötaval Advanced Boiling Water Reactoril (ABWR). See ei ole täiskiire neutronreaktor, vaid kasutab peamiselt epitermilisi neutroneid, mille kiirus on termilise ja kiire vahel.

Isereguleeruv tuumaenergia moodul koos vesiniku moderaatoriga (HPM) on Los Alamose riikliku labori poolt välja antud konstruktsioonitüüpi reaktor, mis kasutab kütusena uraanhüdriidi.

Subkriitilised tuumareaktorid on kavandatud olema turvalisemad ja stabiilsemad, kuid on keerulised inseneri- ja majandussuhted. Üks näide on "Energiavõimendi".

Tooriumipõhised reaktorid. Toorium-232 on võimalik muuta U-233-ks spetsiaalselt selleks otstarbeks loodud reaktorites. Nii saab tooriumist, mis on neli korda levinum kui uraan, kasutada U-233 baasil tuumakütuse valmistamiseks. U-233-l arvatakse olevat soodsamad tuumaomadused võrreldes tavapärase U-235-ga, eelkõige parem neutronite efektiivsus ja vähenenud pikaealiste transuraanijäätmete teke.

Täiustatud raskeveereaktor (AHWR)- kavandatav raskeveereaktor, mis esindab PHWR tüüpi järgmise põlvkonna väljatöötamist. Arendamisel Indias Bhabha tuumauuringute keskuses (BARC).

KAMINI- ainulaadne reaktor, mis kasutab kütusena uraan-233 isotoopi. Ehitatud Indias BARC uurimiskeskuses ja Indira Gandhi tuumauuringute keskuses (IGCAR).

India kavatseb ehitada ka kiireid neutronreaktoreid, kasutades toorium-uraan-233 kütusetsüklit. FBTR (fast neutron Reactor) (Kalpakkam, India) kasutab töötamise ajal kütusena plutooniumi ja jahutusvedelikuna vedelat naatriumi.

Mis on neljanda põlvkonna reaktorid

Neljanda põlvkonna reaktorid on erinevate teoreetiliste projektide kogum, mida praegu kaalutakse. Tõenäoliselt ei jõuta neid projekte 2030. aastaks ellu. Kaasaegseid töötavaid reaktoreid peetakse üldiselt teise või kolmanda põlvkonna süsteemideks. Esimese põlvkonna süsteeme pole mõnda aega kasutatud. Selle neljanda põlvkonna reaktorite väljatöötamist alustati ametlikult neljanda põlvkonna rahvusvahelisel foorumil (GIF), mis põhineb kaheksal tehnoloogiaeesmärgil. Peamised eesmärgid olid tuumaohutuse parandamine, tuumarelvade leviku vastase kaitse suurendamine, jäätmete minimeerimine ja loodusvarade kasutamine, samuti selliste jaamade ehitamise ja käitamise kulude vähendamine.

  • Gaasjahutusega kiirneutronreaktor
  • Kiire neutronreaktor pliijahutiga
  • Vedelsoola reaktor
  • Naatriumjahutusega kiirneutronreaktor
  • Ülekriitiline vesijahutusega tuumareaktor
  • Ülikõrge temperatuuriga tuumareaktor

Mis on viienda põlvkonna reaktorid?

Viienda põlvkonna reaktorid on projektid, mille elluviimine on teoreetilisest vaatenurgast võimalik, kuid mis ei ole praegu aktiivse kaalumise ja uurimise objektiks. Kuigi selliseid reaktoreid saab ehitada nii praegu kui ka lühiajaliselt, pakuvad need majandusliku teostatavuse, praktilisuse või ohutuse huvides vähe huvi.

  • vedelfaasi reaktor. Suletud ahel vedelikuga tuumareaktori südamikus, kus lõhustuv materjal on sula uraani või uraanilahuse kujul, mis on jahutatud kaitseanuma põhjas olevatesse läbivatesse avadesse süstitud töögaasi abil.
  • Reaktor, mille südamikus on gaasifaas. Suletud ahelaga variant tuumajõul töötava raketi jaoks, kus lõhustuvaks materjaliks on kvartsnõus paiknev gaasiline uraanheksafluoriid. Töögaas (näiteks vesinik) voolab selle anuma ümber ja neelab tuumareaktsioonist tuleneva ultraviolettkiirguse. Sellist disaini võiks kasutada rakettmootorina, nagu mainiti Harry Harrisoni 1976. aasta ulmeromaanis Skyfall. Teoreetiliselt tooks uraanheksafluoriidi kasutamine tuumkütusena (mitte vaheainena, nagu praegu tehakse) kaasa madalamad energiatootmiskulud, samuti vähendaks oluliselt reaktorite suurust. Praktikas tekitaks nii suure võimsustihedusega töötav reaktor kontrollimatu neutronvoo, mis nõrgendab enamiku reaktori materjalide tugevusomadusi. Seega oleks vool sarnane termotuumaseadmetes vabanevate osakeste vooluga. See omakorda eeldaks selliste materjalide kasutamist, mis on sarnased tuumasünteesi kiiritusrajatise rakendamise rahvusvahelise projektiga.
  • Gaasifaasi elektromagnetiline reaktor. Sarnaselt gaasifaasi reaktoriga, kuid fotogalvaaniliste elementidega, mis muudavad ultraviolettvalguse otse elektriks.
  • Killustumisel põhinev reaktor
  • Hübriidne tuumasünteesi. Kasutatakse neutroneid, mis eralduvad algse ehk "paljunemistsoonis oleva aine" ühinemisel ja lagunemisel. Näiteks U-238, Th-232 või kasutatud tuumkütuse/radioaktiivsete jäätmete transmuteerimine teisest reaktorist suhteliselt healoomulisemateks isotoopideks.

Aktiivses tsoonis gaasifaasiga reaktor. Suletud ahelaga variant tuumajõul töötava raketi jaoks, kus lõhustuvaks materjaliks on kvartsnõus paiknev gaasiline uraanheksafluoriid. Töögaas (näiteks vesinik) voolab selle anuma ümber ja neelab tuumareaktsioonist tuleneva ultraviolettkiirguse. Sellist disaini võiks kasutada rakettmootorina, nagu mainiti Harry Harrisoni 1976. aasta ulmeromaanis Skyfall. Teoreetiliselt tooks uraanheksafluoriidi kasutamine tuumkütusena (mitte vaheainena, nagu praegu tehakse) kaasa madalamad energiatootmiskulud, samuti vähendaks oluliselt reaktorite suurust. Praktikas tekitaks nii suure võimsustihedusega töötav reaktor kontrollimatu neutronvoo, mis nõrgendab enamiku reaktori materjalide tugevusomadusi. Seega oleks vool sarnane termotuumaseadmetes vabanevate osakeste vooluga. See omakorda eeldaks selliste materjalide kasutamist, mis on sarnased tuumasünteesi kiiritusrajatise rakendamise rahvusvahelise projektiga.

Gaasifaasi elektromagnetiline reaktor. Sarnaselt gaasifaasi reaktoriga, kuid fotogalvaaniliste elementidega, mis muudavad ultraviolettvalguse otse elektriks.

Killustumisel põhinev reaktor

Hübriidne tuumasünteesi. Kasutatakse neutroneid, mis eralduvad algse ehk "paljunemistsoonis oleva aine" ühinemisel ja lagunemisel. Näiteks U-238, Th-232 või kasutatud tuumkütuse/radioaktiivsete jäätmete transmuteerimine teisest reaktorist suhteliselt healoomulisemateks isotoopideks.

Termotuumareaktorid

Kontrollitud termotuumasünteesi saab kasutada termotuumasünteesielektrijaamades elektri tootmiseks ilma aktiniididega töötamise keerukuseta. Siiski on tõsiseid teaduslikke ja tehnoloogilisi takistusi alles. Ehitatud on mitu termotuumasünteesi reaktorit, kuid alles hiljuti on reaktorid suutnud vabastada rohkem energiat, kui nad tarbivad. Hoolimata asjaolust, et uuringud algasid 1950. aastatel, eeldatakse, et kaubanduslik termotuumasünteesireaktor hakkab tööle alles 2050. aastal. ITERi projekt teeb praegu jõupingutusi termotuumaenergia kasutamiseks.

Tuumakütuse tsükkel

Termilised reaktorid sõltuvad üldiselt uraani puhastamise ja rikastamise astmest. Mõned tuumareaktorid võivad töötada plutooniumi ja uraani seguga (vt MOX-kütust). Protsessi, mille käigus uraanimaaki kaevandatakse, töödeldakse, rikastatakse, kasutatakse, võimalusel taaskasutatakse ja kõrvaldatakse, nimetatakse tuumkütusetsükliks.

Kuni 1% uraanist looduses on kergesti lõhustuv isotoop U-235. Seega hõlmab enamiku reaktorite projekteerimine rikastatud kütuse kasutamist. Rikastamine hõlmab U-235 osakaalu suurendamist ja seda tehakse tavaliselt gaasilise difusiooni abil või gaasitsentrifuugis. Rikastatud toode muudetakse edasi uraandioksiidi pulbriks, mis pressitakse kokku ja põletatakse graanuliteks. Need graanulid asetatakse torudesse, mis seejärel suletakse. Selliseid torusid nimetatakse kütusevarrasteks. Igas tuumareaktoris kasutatakse paljusid neid kütusevardaid.

Enamik kaubanduslikke BWR-id ja PWR-id kasutavad ligikaudu 4% U-235-ni rikastatud uraani. Lisaks ei vaja mõned kõrge neutronite ökonoomsusega tööstusreaktorid üldse rikastatud kütust (st võivad kasutada looduslikku uraani). Rahvusvahelise Aatomienergiaagentuuri andmetel on maailmas vähemalt 100 uurimisreaktorit, mis kasutavad kõrgelt rikastatud kütust (relvade klass / 90% rikastatud uraan). Seda tüüpi kütuse (võimalik kasutada tuumarelvade tootmiseks) varguse oht on viinud kampaaniani, milles kutsutakse üles kasutama madala rikastatud uraanisisaldusega reaktoreid (mis kujutab endast vähem tuumarelva leviku ohtu).

Tuuma muundamisprotsessis kasutatakse lõhustuvat U-235 ja mittelõhustuvat, lõhustuvat U-238. U-235 lõhustuvad termiliste (st aeglaselt liikuvate) neutronitega. Termiline neutron on neutron, mis liigub umbes sama kiirusega kui teda ümbritsevad aatomid. Kuna aatomite vibratsioonisagedus on võrdeline nende absoluutse temperatuuriga, on termilisel neutronil suurem võime U-235 lõhestada, kui see liigub sama vibratsioonikiirusega. Teisest küljest püüab U-238 tõenäolisemalt neutroni kinni, kui neutron liigub väga kiiresti. U-239 aatom laguneb nii kiiresti kui võimalik, moodustades plutoonium-239, mis ise on kütus. Pu-239 on täiskütus ja seda tuleks kaaluda isegi kõrgelt rikastatud uraanikütuse kasutamisel. Plutooniumi lõhustumise protsessid on mõnes reaktoris ülimuslikud U-235 lõhustumise protsesside ees. Eriti pärast seda, kui originaal laaditud U-235 on tühjenenud. Plutoonium lõhustub nii kiir- kui ka termilistes reaktorites, mistõttu sobib see ideaalselt nii tuumareaktorite kui ka tuumapommide jaoks.

Enamik olemasolevaid reaktoreid on termilised reaktorid, mis tavaliselt kasutavad vett neutronite aeglustajana (moderaator tähendab, et see aeglustab neutronit termilise kiiruseni) ja ka jahutusvedelikuna. Kiires neutronreaktoris kasutatakse aga veidi teist tüüpi jahutusvedelikku, mis neutronivoogu liigselt ei aeglusta. See võimaldab ülekaalus olla kiiretel neutronitel, mida saab tõhusalt kasutada kütusevarude pidevaks täiendamiseks. Lihtsalt odava rikastamata uraani asetamisega südamikusse muundub spontaanselt mittelõhustuv U-238 Pu-239-ks, "taastootes" kütust.

Tooriumipõhises kütusetsüklis neelab toorium-232 neutronit nii kiir- kui ka termilistes reaktorites. Tooriumi beeta-lagunemisel tekib protaktiinium-233 ja seejärel uraan-233, mida omakorda kasutatakse kütusena. Seetõttu, nagu uraan-238, on ka toorium-232 viljakas materjal.

Tuumareaktorite hooldus

Tuumakütuse paagis olevat energiahulka väljendatakse sageli "täisvõimsusega päevadena", mis on 24-tunniste perioodide (päevade) arv, mil reaktor töötab täisvõimsusel soojusenergia tootmiseks. Täisvõimsusel töötamise päevad reaktori töötsüklis (tankimiseks vajalike intervallide vahel) on seotud tsükli alguses kütuseagregaatides sisalduva laguneva uraan-235 (U-235) kogusega. Mida suurem on U-235 protsent südamikus tsükli alguses, seda rohkem päevi täisvõimsusel töötamist võimaldab reaktoril töötada.

Töötsükli lõpus "kasutatakse ära", laaditakse maha ja asendatakse uute (värskete) kütusesõlmede kujul. Samuti määrab selline lagunemissaaduste kuhjumise reaktsioon tuumkütusesse tuumkütuse kasutusea reaktoris. Isegi ammu enne lõpliku lõhustumisprotsessi toimumist jõuavad pikaealised neutroneid neelavad lagunemise kõrvalsaadused reaktorisse koguneda, takistades ahelreaktsiooni kulgu. Reaktorisüdamiku osakaal, mis tankimise käigus välja vahetatakse, on tavaliselt veerand keevaveereaktoris ja kolmandik surveveereaktoris. Selle kasutatud tuumkütuse lõppladustamine ja ladustamine on üks keerulisemaid ülesandeid tööstusliku tuumaelektrijaama töö korraldamisel. Sellised tuumajäätmed on äärmiselt radioaktiivsed ja nende mürgisus on olnud oht tuhandeid aastaid.

Kõiki reaktoreid ei pea tankimiseks kasutusest kõrvaldama; näiteks sfäärilise kihiga tuumareaktorid, RBMK (high power ducted Reactor), sulasoola reaktorid, Magnox, AGR ja CANDU reaktorid võimaldavad kütuseelemente liigutada jaama töötamise ajal. CANDU reaktoris on võimalik üksikuid kütuseelemente paigutada südamikusse selliselt, et reguleerida U-235 sisaldust kütuseelemendis.

Tuumkütusest eraldatud energiahulka nimetatakse selle põlemiseks, mida väljendatakse soojusenergiana, mis tekib kütuse algühiku massiga. Põlemist väljendatakse tavaliselt termiliste megavatt-päevadena algse raskemetalli tonni kohta.

Tuumaenergia ohutus

Tuumaohutus on tegevused, mille eesmärk on ennetada tuuma- ja kiirgusõnnetusi või lokaliseerida nende tagajärgi. Tuumaenergiatööstus on parandanud reaktorite ohutust ja jõudlust ning on välja pakkunud ka uusi, ohutumaid reaktorikonstruktsioone (mida üldiselt ei ole katsetatud). Siiski ei ole mingit garantiid, et sellised reaktorid on projekteeritud, ehitatud ja töökindlad. Vead tekivad siis, kui Jaapanis asuva Fukushima tuumaelektrijaama reaktori projekteerijad ei oodanud, et maavärina tekitatud tsunami sulgeb varusüsteemi, mis pidi pärast maavärinat reaktorit stabiliseerima, hoolimata NRG (National Research Group) arvukatest hoiatustest. ja Jaapani tuumaohutuse amet. UBS AG sõnul seavad Fukushima I tuumaõnnetused kahtluse alla, kas isegi arenenud majandusega riigid nagu Jaapan suudavad tagada tuumaohutuse. Võimalikud on ka katastroofilised stsenaariumid, sealhulgas terrorirünnakud. MIT-i (Massachusettsi Tehnoloogiainstituut) interdistsiplinaarne meeskond on välja arvutanud, et tuumaenergia eeldatavat kasvu arvestades peaks perioodil 2005–2055 toimuma vähemalt neli tõsist tuumaõnnetust.

Tuuma- ja kiirgusõnnetused

Mõned juhtunud tõsised tuuma- ja kiirgusõnnetused. Tuumaõnnetused elektrijaamade hulka kuuluvad SL-1 intsident (1961), Three Mile Islandi õnnetus (1979), Tšernobõli katastroof (1986) ja Fukushima Daiichi tuumakatastroof (2011). Tuumajõul töötavate õnnetuste hulka kuuluvad K-19 (1961), K-27 (1968) ja K-431 (1985) reaktoriõnnetused.

Tuumareaktoreid on Maa ümber orbiidile saadetud vähemalt 34 korda. Nõukogude tuumajõul töötava mehitamata satelliidiga RORSAT seotud intsidentide jada tõi kaasa kasutatud tuumkütuse tungimise orbiidilt Maa atmosfääri.

looduslikud tuumareaktorid

Kuigi sageli arvatakse, et tuuma lõhustumise reaktorid on toodetud moodne tehnoloogia aastal on saadaval esimesed tuumareaktorid looduslikud tingimused. Loodusliku tuumareaktori saab moodustada teatud tingimustel, mis jäljendavad kavandatud reaktori tingimusi. Seni on Gabonis (Lääne-Aafrika) Oklo uraanikaevanduses kolmes eraldi maagimaardlas avastatud kuni viisteist looduslikku tuumareaktorit. Tuntud "surnud" Ocllo reaktorid avastas esmakordselt 1972. aastal prantsuse füüsik Francis Perrin. Nendes reaktorites toimus umbes 1,5 miljardit aastat tagasi isemajandav tuumalõhustumise reaktsioon, mida hoiti mitusada tuhat aastat, andes sel perioodil keskmiselt 100 kW võimsust. Loodusliku tuumareaktori kontseptsiooni selgitas teoorias juba 1956. aastal Paul Kuroda Arkansase ülikoolist.

Selliseid reaktoreid Maal enam moodustada ei saa: selle tohutu aja jooksul toimunud radioaktiivne lagunemine on vähendanud U-235 osakaalu looduslikus uraanis allapoole ahelreaktsiooni säilitamiseks vajalikku taset.

Looduslikud tuumareaktorid tekkisid siis, kui uraanirikaste maavarade maardlad hakkasid täituma põhjavesi, mis toimis neutronite moderaatorina ja olulise ahelreaktsiooni algusena. Vee kujul olev neutronite moderaator aurustus, põhjustades reaktsiooni kiirenemise ja kondenseerus seejärel tagasi, põhjustades tuumareaktsiooni aeglustumise ja sulamise takistamise. Lõhustumisreaktsioon kestis sadu tuhandeid aastaid.

Selliseid looduslikke reaktoreid on põhjalikult uurinud teadlased, kes on huvitatud radioaktiivsete jäätmete kõrvaldamisest geoloogilises keskkonnas. Nad pakuvad välja juhtumiuuringu selle kohta, kuidas radioaktiivsed isotoobid läbi maakoore rändaksid. See on võtmepunkt jäätmete geoloogilise kõrvaldamise kriitikute jaoks, kes kardavad, et jäätmetes sisalduvad isotoobid võivad sattuda veevarudesse või migreeruda keskkonda.

Tuumaenergia keskkonnaprobleemid

Tuumareaktor eraldab õhku ja põhjavette väikeses koguses triitiumi Sr-90. Triitiumiga saastunud vesi on värvitu ja lõhnatu. Suured Sr-90 annused suurendavad loomadel ja arvatavasti ka inimestel luuvähi ja leukeemia riski.