Het werkingsprincipe van de reactor. Iedereen heeft het gehoord, maar niemand weet het. Hoe een nucleaire (atoom)reactor werkt

Kernreactor, werkingsprincipe, werking van een kernreactor.

Elke dag gebruiken we elektriciteit en denken we niet na over hoe het wordt geproduceerd en hoe het tot ons is gekomen. Niettemin is het een van de belangrijkste onderdelen van de moderne beschaving. Zonder elektriciteit zou er niets zijn - geen licht, geen warmte, geen beweging.

Iedereen weet dat elektriciteit wordt opgewekt in elektriciteitscentrales, ook in kerncentrales. Het hart van elke kerncentrale is: kernreactor. Dat is wat we in dit artikel zullen bespreken.

Kernreactor, een apparaat waarin een gecontroleerde nucleaire kettingreactie plaatsvindt met het vrijkomen van warmte. In principe worden deze apparaten gebruikt om elektriciteit op te wekken en grote schepen aan te drijven. Om de kracht en efficiëntie van kernreactoren voor te stellen, kan men een voorbeeld geven. Waar een gemiddelde kernreactor 30 kilogram uranium nodig zou hebben, zou een gemiddelde thermische centrale 60 wagens steenkool of 40 tanks stookolie nodig hebben.

voorlopig ontwerp kernreactor werd in december 1942 in de VS gebouwd onder leiding van E. Fermi. Het was de zogenaamde "Chicago-stack". Chicago Pile (later het woord"Stapel" samen met andere betekenissen begon een kernreactor aan te duiden). Deze naam werd hem gegeven vanwege het feit dat hij leek op een grote stapel grafietblokken die op elkaar waren gelegd.

Tussen de blokken werden bolvormige "werklichamen" geplaatst, gemaakt van natuurlijk uranium en zijn dioxide.

In de USSR werd de eerste reactor gebouwd onder leiding van academicus IV Kurchatov. De F-1-reactor werd gelanceerd op 25 december 1946. De reactor had de vorm van een bal, had een diameter van ongeveer 7,5 meter. Het had geen koelsysteem, dus het werkte op zeer lage energieniveaus.

Het onderzoek werd voortgezet en op 27 juni 1954 werd in de stad Obninsk 's werelds eerste kerncentrale met een capaciteit van 5 MW in gebruik genomen.

Het werkingsprincipe van een kernreactor.

Bij het verval van uranium U 235 komt warmte vrij en daarbij komen twee of drie neutronen vrij. Volgens statistieken - 2.5. Deze neutronen botsen met andere uraniumatomen U 235 . Bij een botsing verandert uranium U 235 in een onstabiele isotoop U 236, die vrijwel onmiddellijk vervalt in Kr 92 en Ba 141 + dezelfde 2-3 neutronen. Het verval gaat gepaard met het vrijkomen van energie in de vorm van gammastraling en warmte.

Dit wordt een kettingreactie genoemd. Atomen delen, het aantal verval neemt exponentieel toe, wat uiteindelijk leidt tot een naar onze maatstaven bliksemsnelle afgifte van een enorme hoeveelheid energie - er vindt een atoomexplosie plaats, als gevolg van een ongecontroleerde kettingreactie.

Echter, in kernreactor we hebben te maken met gecontroleerde kernreactie. Hoe dit mogelijk wordt, wordt verder beschreven.

Het apparaat van een kernreactor.

Momenteel zijn er twee typen kernreactoren VVER (drukwaterreactor) en RBMK (high power channel reactor). Het verschil is dat RBMK een kokendwaterreactor is, terwijl VVER water gebruikt onder een druk van 120 atmosfeer.

Reactor VVER 1000. 1 - CPS-aandrijving; 2 - reactordeksel; 3 - reactorvat; 4 - blok beschermbuizen (BZT); 5 - de mijne; 6 - kernschot; 7 - brandstofassemblages (FA) en regelstaven;

Elke kernreactor van het industriële type is een ketel waardoor een koelmiddel stroomt. In de regel is dit gewoon water (ongeveer 75% in de wereld), vloeibaar grafiet (20%) en zwaar water (5%). Voor experimentele doeleinden werd beryllium gebruikt en werd uitgegaan van een koolwaterstof.

TVEL- (brandstofelement). Dit zijn staafjes in een zirkonium omhulsel met niobiumlegering, waarbinnen zich tabletten van uraniumdioxide bevinden.

TVEL raktor RBMK. Het apparaat van het brandstofelement van de RBMK-reactor: 1 - plug; 2 - tabletten uraniumdioxide; 3 - zirkonium schaal; 4 - veer; 5 - bus; 6 - punt.

TVEL bevat ook een veersysteem om brandstofpellets op hetzelfde niveau te houden, waardoor u de diepte van onderdompeling/verwijdering van brandstof in de kern nauwkeuriger kunt regelen. Ze zijn geassembleerd tot zeshoekige cassettes, die elk enkele tientallen brandstofstaven bevatten. De koelvloeistof stroomt door de kanalen in elke cassette.

De brandstofelementen in de cassette zijn groen gemarkeerd.

Montage brandstofcassette.

De reactorkern bestaat uit honderden verticaal geplaatste cassettes die met elkaar zijn verbonden door een metalen omhulsel - een lichaam dat ook de rol van een neutronenreflector speelt. Tussen de cassettes worden regelstaven en noodbeveiligingsstaven van de reactor geplaatst met regelmatige tussenpozen, die in geval van oververhitting zijn ontworpen om de reactor uit te schakelen.

Laten we als voorbeeld de gegevens over de VVER-440-reactor geven:

De controllers kunnen op en neer bewegen door te zinken, of vice versa, waarbij ze de kern verlaten, waar de reactie het meest intens is. Dit wordt verzorgd door krachtige elektromotoren, samen met het besturingssysteem.Noodbeveiligingsstaven zijn ontworpen om de reactor in geval van nood uit te schakelen, in de kern te vallen en meer vrije neutronen te absorberen.

Elke reactor heeft een deksel waardoor de gebruikte en nieuwe cassettes worden geladen en gelost.

Thermische isolatie wordt meestal bovenop het reactorvat geïnstalleerd. De volgende barrière is biologische bescherming. Dit is meestal een bunker van gewapend beton waarvan de ingang wordt afgesloten door een luchtsluis met verzegelde deuren. Biologische bescherming is bedoeld om bij een eventuele explosie geen radioactieve stoom en delen van de reactor in de atmosfeer te laten komen.

Een kernexplosie in moderne reactoren is uiterst onwaarschijnlijk. Omdat de brandstof niet voldoende is verrijkt, en wordt verdeeld in TVEL's. Zelfs als de kern smelt, zal de brandstof niet zo actief kunnen reageren. Het maximum dat kan gebeuren, is een thermische explosie, zoals in Tsjernobyl, toen de druk in de reactor zulke waarden bereikte dat de metalen behuizing eenvoudig uit elkaar werd gescheurd en het reactordeksel, met een gewicht van 5000 ton, een flip-sprong maakte en doorbrak het dak van het reactorcompartiment en laat stoom ontsnappen. Als de kerncentrale van Tsjernobyl was uitgerust met de juiste biologische bescherming, zoals de sarcofaag van vandaag, dan zou de catastrofe de mensheid veel minder hebben gekost.

Het werk van een kerncentrale.

In een notendop ziet de raboboa er zo uit.

Kerncentrale. (klikbaar)

Nadat het water met behulp van pompen de reactorkern is binnengegaan, wordt het verwarmd van 250 tot 300 graden en verlaat het de "andere kant" van de reactor. Dit wordt de eerste lus genoemd. Dan gaat het naar de warmtewisselaar, waar het samenkomt met het tweede circuit. Daarna komt de stoom onder druk in de turbinebladen. Turbines wekken elektriciteit op.

Apparaat en werkingsprincipe

Krachtontgrendelingsmechanisme:

De transformatie van een stof gaat alleen gepaard met het vrijkomen van vrije energie als de stof een energiereserve heeft. Dit laatste betekent dat de microdeeltjes van de stof zich in een toestand bevinden met een grotere rustenergie dan in een andere mogelijke toestand waarnaar de overgang bestaat. Spontane overgang wordt altijd voorkomen door een energiebarrière, om te overwinnen waarvoor het microdeeltje een bepaalde hoeveelheid energie van buitenaf moet ontvangen - de energie van excitatie. De exo-energetische reactie bestaat erin dat bij de transformatie die volgt op de excitatie meer energie vrijkomt dan nodig is om het proces te stimuleren. Er zijn twee manieren om de energiebarrière te overwinnen: ofwel door de kinetische energie van de botsende deeltjes, ofwel door de bindingsenergie van het opkomende deeltje.

Als we rekening houden met de macroscopische schalen van de energieafgifte, dan moet de kinetische energie die nodig is voor het opwekken van reacties alle, of in ieder geval enkele, deeltjes van de stof hebben. Dit kan alleen worden bereikt door de temperatuur van het medium te verhogen tot een waarde waarbij de energie van thermische beweging de waarde van de energiedrempel benadert die het verloop van het proces beperkt. In het geval van moleculaire transformaties, dat wil zeggen chemische reacties, is een dergelijke toename meestal honderden kelvins, terwijl het in het geval van kernreacties ten minste 107 is vanwege de zeer hoge hoogte van de Coulomb-barrières van botsende kernen. Thermische excitatie van kernreacties is in de praktijk alleen uitgevoerd bij de synthese van de lichtste kernen, waarbij de Coulomb-barrières minimaal zijn (thermonucleaire fusie).

Excitatie door de verbindende deeltjes vereist geen grote kinetische energie en is daarom niet afhankelijk van de temperatuur van het medium, omdat het optreedt als gevolg van ongebruikte bindingen die inherent zijn aan de deeltjes van aantrekkende krachten. Maar aan de andere kant zijn de deeltjes zelf nodig om de reacties op te wekken. En als we dan weer niet een aparte reactiehandeling voor ogen hebben, maar de productie van energie op macroscopische schaal, dan kan dat alleen als er een kettingreactie plaatsvindt. Dit laatste ontstaat wanneer de deeltjes die de reactie opwekken weer verschijnen als producten van een exo-energetische reactie.

Ontwerp

Elke kernreactor bestaat uit de volgende onderdelen:

Kern met splijtstof en moderator;
Neutronenreflector die de kern omringt;
Regelsysteem voor kettingreacties, inclusief noodbescherming;
Stralingsbescherming;
Afstandsbediening systeem.

Fysieke werkingsprincipes

Zie ook hoofdartikelen:

De huidige toestand van een kernreactor kan worden gekarakteriseerd door de effectieve nk of reactiviteit ρ , die gerelateerd zijn aan de volgende relatie:

Deze waarden worden gekenmerkt door de volgende waarden:

k> 1 - de kettingreactie neemt toe in de tijd, de reactor is in superkritisch staat, zijn reactiviteit ρ > 0;
k < 1 - реакция затухает, реактор - subkritisch, ρ < 0;
k = 1, ρ = 0 - het aantal kernsplijtingen is constant, de reactor bevindt zich in een stal kritisch voorwaarde.

Kritieke toestand kernreactor:

, waar

De conversie van de vermenigvuldigingsfactor naar eenheid wordt bereikt door de vermenigvuldiging van neutronen in evenwicht te brengen met hun verliezen. Er zijn eigenlijk twee redenen voor verliezen: afvangen zonder splijting en lekkage van neutronen buiten het kweekmedium.

duidelijk, k< k 0 , поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k 0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k 0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны.

k 0 voor thermische reactoren kan worden bepaald door de zogenaamde "formule van 4 factoren":

, waar

η is de neutronenopbrengst per twee absorpties.

De volumes van moderne kernreactoren kunnen honderden m³ bereiken en worden voornamelijk niet bepaald door de kritische omstandigheden, maar door de mogelijkheden van warmteafvoer.

Kritiek volume kernreactor - het volume van de reactorkern in een kritieke toestand. Kritieke massa is de massa van het splijtbare materiaal van de reactor, die zich in een kritieke toestand bevindt.

Reactoren die worden gevoed door waterige oplossingen van zouten van zuivere splijtbare isotopen met een waterneutronenreflector hebben de laagste kritische massa. Voor 235 U is deze massa 0,8 kg, voor 239 Pu is dit 0,5 kg. Het is echter algemeen bekend dat de kritische massa van de LOPO-reactor ('s werelds eerste reactor met verrijkt uranium), die een berylliumoxidereflector had, 0,565 kg bedroeg, ondanks het feit dat de verrijkingsgraad in de 235-isotoop slechts licht was. meer dan 14%. Theoretisch heeft de kleinste kritische massa, waarvoor deze waarde slechts 10 g is.

Om neutronenlekkage te verminderen, krijgt de kern een bolvormige of bijna bolvormige vorm, zoals een korte cilinder of kubus, omdat deze cijfers de kleinste verhouding van oppervlakte tot volume hebben.

Ondanks het feit dat de waarde (e - 1) meestal klein is, is de rol van snelle neutronenvermenigvuldiging vrij groot, aangezien voor grote kernreactoren (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Om een kettingreactie op gang te brengen, worden bij de spontane splijting van uraniumkernen meestal voldoende neutronen geproduceerd. Het is ook mogelijk om een externe bron van neutronen te gebruiken om de reactor te starten, bijvoorbeeld een mengsel van en, of andere stoffen.

jodium pit

Hoofd artikel: Jodium pit

Jodiumput - de toestand van een kernreactor nadat deze is stilgelegd, gekenmerkt door de accumulatie van de kortlevende xenon-isotoop. Dit proces leidt tot het tijdelijk optreden van significante negatieve reactiviteit, wat het op zijn beurt onmogelijk maakt om de reactor gedurende een bepaalde periode (ongeveer 1-2 dagen) tot zijn ontwerpcapaciteit te brengen.

Classificatie

Op afspraak

Volgens de aard van het gebruik van kernreactoren zijn onderverdeeld in:

Vermogensreactoren ontworpen voor de productie van elektrische en thermische energie die wordt gebruikt in de energiesector en voor de ontzilting van zeewater (ontziltingsreactoren worden ook als industrieel geclassificeerd). Dergelijke reactoren werden vooral gebruikt in kerncentrales. Het thermisch vermogen van moderne krachtreactoren bereikt 5 GW. Wijs in een aparte groep toe:
- Transportreactoren ontworpen om energie te leveren aan voertuigmotoren. De breedste toepassingsgroepen zijn zeetransportreactoren die worden gebruikt op onderzeeërs en verschillende oppervlakteschepen, evenals reactoren die worden gebruikt in de ruimtetechnologie.
Experimentele reactoren, ontworpen om verschillende fysieke grootheden te bestuderen, waarvan de waarde noodzakelijk is voor het ontwerp en de werking van kernreactoren; het vermogen van dergelijke reactoren is niet groter dan enkele kW.
Onderzoeksreactoren, waarbij in de kern gecreëerde neutronen- en gammastraling worden gebruikt voor onderzoek op het gebied van kernfysica, vastestoffysica, stralingschemie, biologie, voor het testen van materialen die bedoeld zijn voor gebruik in intense neutronenfluxen (inclusief onderdelen van kernreactoren), voor de productie van isotopen. Het vermogen van onderzoeksreactoren is niet groter dan 100 MW. De vrijgekomen energie wordt meestal niet gebruikt.
Industriële (wapens, isotopen) reactoren gebruikt om isotopen te produceren die op verschillende gebieden worden gebruikt. Het meest gebruikt voor de productie van materialen van kernwapenkwaliteit, zoals 239 Pu. Ook industriële omvatten reactoren die worden gebruikt voor ontzilting van zeewater.

Vaak worden reactoren gebruikt om twee of meer verschillende taken op te lossen, in welk geval ze worden genoemd multifunctioneel. Zo waren sommige kernreactoren, vooral aan het begin van de kernenergie, vooral bedoeld voor experimenten. Snelle neutronenreactoren kunnen tegelijkertijd energie opwekken en isotopen produceren. Industriële reactoren wekken, naast hun hoofdtaak, vaak elektrische en thermische energie op.

Volgens het neutronenspectrum

Thermische (langzame) neutronenreactor ("thermische reactor")
Snelle neutronenreactor ("snelle reactor")

Door brandstofplaatsing

Heterogene reactoren, waarbij de brandstof discreet in de vorm van blokken in de kern wordt geplaatst, waartussen zich een moderator bevindt;
Homogene reactoren, waarbij de brandstof en moderator een homogeen mengsel zijn (homogeen systeem).

In een heterogene reactor kunnen de brandstof en de moderator op afstand van elkaar worden geplaatst, in het bijzonder in een holtereactor omringt de moderator-reflector de holte met brandstof die geen moderator bevat. Vanuit nucleair-fysisch oogpunt is het criterium van homogeniteit/heterogeniteit niet het ontwerp, maar de plaatsing van brandstofblokken op een afstand die de neutronenmoderatielengte in een bepaalde moderator overschrijdt. Zo zijn zogenaamde "close-rooster"-reactoren ontworpen om homogeen te zijn, hoewel de brandstof meestal wordt gescheiden van de moderator erin.

Blokken splijtstof in een heterogene reactor worden splijtstofassemblages (FA) genoemd, die in de kern op de knooppunten van een regelmatig rooster worden geplaatst en vormen cellen.

Op type brandstof

uraniumisotopen 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
plutoniumisotoop 239 ( 239 Pu), ook isotopen 239-242 Pu als mengsel met 238 U (MOX-brandstof)
thorium isotoop 232 (232 Th) (via conversie naar 233 U)

Volgens de mate van verrijking:

natuurlijk uranium
laagverrijkt uranium
hoogverrijkt uranium

Door chemische samenstelling:

metalen U
UC (uraniumcarbide), enz.

Op type koelvloeistof

Gas, (zie Grafietgasreactor)
D 2 O (zwaar water, zie Zwaar water kernreactor, CANDU)

Op type moderator

C (grafiet, zie Grafiet-gasreactor, Grafiet-waterreactor)
H 2 O (water, zie Lichtwaterreactor, Drukwaterreactor, VVER)
D 2 O (zwaar water, zie Zwaar water kernreactor, CANDU)
Metaalhydriden
Zonder moderator (zie snelle neutronenreactor)

Met opzet

stoom generatie methode:

Reactor met externe stoomgenerator (Zie PWR, VVER)

IAEA-classificatie

PWR (drukwaterreactoren) - drukwaterreactor (drukwaterreactor);
BWR (kookwaterreactor) - kokendwaterreactor;
FBR (snelle kweekreactor) - snelle kweekreactor;
GCR (gasgekoelde reactor) - gasgekoelde reactor;
LWGR (lichtwatergrafietreactor) - grafiet-waterreactor
PHWR (pressurised heavy water reactor) - zwaarwaterreactor

De meest voorkomende ter wereld zijn reactoren met water onder druk (ongeveer 62%) en kokend water (20%).

Reactor materialen

De materialen waaruit de reactoren zijn opgebouwd, werken bij hoge temperatuur op het gebied van neutronen, γ-quanta en splijtingsfragmenten. Daarom zijn niet alle materialen die in andere takken van technologie worden gebruikt, geschikt voor de constructie van reactoren. Bij het kiezen van reactormaterialen wordt rekening gehouden met hun stralingsweerstand, chemische inertie, absorptiedoorsnede en andere eigenschappen.

Stralingsinstabiliteit van materialen wordt minder beïnvloed bij hoge temperaturen. De mobiliteit van atomen wordt zo groot dat de kans op terugkeer van uit het kristalrooster geslagen atomen naar hun plaats of de recombinatie van waterstof en zuurstof tot een watermolecuul aanzienlijk toeneemt. Zo is de radiolyse van water onbeduidend in krachtige niet-kokende reactoren (bijvoorbeeld VVER), terwijl in krachtige onderzoeksreactoren een aanzienlijke hoeveelheid explosief mengsel vrijkomt. De reactoren hebben speciale systemen om het te verbranden.

Reactormaterialen komen met elkaar in contact (een bekleding van een splijtstofelement met koelvloeistof en splijtstof, brandstofcassettes met koelvloeistof en moderator, etc.). Uiteraard moeten de contactmaterialen chemisch inert (compatibel) zijn. Een voorbeeld van onverenigbaarheid is dat uranium en heet water een chemische reactie aangaan.

Voor de meeste materialen verslechteren de sterkte-eigenschappen sterk bij toenemende temperatuur. In energiereactoren werken structurele materialen bij hoge temperaturen. Dit beperkt de keuze van constructiematerialen, vooral voor die delen van de kernreactor die hoge druk moeten weerstaan.

Opbranden en reproductie van nucleaire brandstof

Tijdens de werking van een kernreactor, als gevolg van de opeenhoping van splijtingsfragmenten in de brandstof, verandert de isotopische en chemische samenstelling ervan en worden transuraniumelementen, voornamelijk isotopen, gevormd. De invloed van splijtingsfragmenten op de reactiviteit van een kernreactor heet vergiftiging(voor radioactieve fragmenten) en slakken(voor stabiele isotopen).

De belangrijkste reden voor de vergiftiging van de reactor is dat deze de grootste neutronenabsorptiedoorsnede heeft (2,6 10 6 schuur). Halfwaardetijd van 135 Xe T 1/2 = 9,2 uur; het delingsrendement is 6-7%. Het grootste deel van 135 Xe wordt gevormd als gevolg van verval ( T 1/2 = 6,8 uur). In geval van vergiftiging verandert Kef met 1-3%. De grote absorptiedoorsnede van 135 Xe en de aanwezigheid van de tussenisotoop 135 I leiden tot twee belangrijke fenomenen:

Tot een verhoging van de concentratie van 135 Xe en bijgevolg tot een vermindering van de reactiviteit van de reactor na zijn stopzetting of vermogensvermindering (“jodiumput”), die het onmogelijk maakt voor korte termijn stilstanden en fluctuaties in het uitgangsvermogen. Dit effect wordt ondervangen door een reactiviteitsmarge in te voeren in de regelgevende instanties. De diepte en duur van de jodiumput hangen af van de neutronenflux Ф: bij Ф = 5 10 18 neutronen/(cm² sec) is de duur van de jodiumput ˜ 30 h, en de diepte is 2 keer groter dan de constante toestandsverandering in Keff veroorzaakt door 135 Xe-vergiftiging.
Door vergiftiging kunnen spatio-temporele fluctuaties van de neutronenflux , en daarmee van het reactorvermogen, optreden. Deze fluctuaties treden op bij Ф > 10 18 neutronen/(cm² sec) en grote reactorgroottes. Oscillatieperioden ˜ 10 uur.

Bij kernsplijting ontstaat een groot aantal stabiele fragmenten, die qua absorptiedoorsnede verschillen van de absorptiedoorsnede van een splijtbare isotoop. De concentratie van fragmenten met een grote absorptiedoorsnede bereikt verzadiging tijdens de eerste paar dagen van reactorbedrijf. Dit zijn voornamelijk TVEL's van verschillende "leeftijden".

In het geval van een volledige brandstofvervanging heeft de reactor een overmatige reactiviteit die gecompenseerd moet worden, terwijl in het tweede geval compensatie pas nodig is bij de eerste start van de reactor. Continu bijtanken maakt het mogelijk om de opbranddiepte te vergroten, aangezien de reactiviteit van de reactor wordt bepaald door de gemiddelde concentraties splijtbare isotopen.

De massa van de geladen brandstof is groter dan de massa van de geloste brandstof vanwege het "gewicht" van de vrijgekomen energie. Na het stilleggen van de reactor, eerst voornamelijk door splijting door vertraagde neutronen, en daarna, na 1-2 minuten, door β- en γ-straling van splijtingsfragmenten en transuraniumelementen, komt er nog steeds energie vrij in de splijtstof. Als de reactor lang genoeg heeft gewerkt voor de uitschakeling, dan is de energieafgifte 2 minuten na uitschakeling ongeveer 3%, na 1 uur - 1%, na een dag - 0,4%, na een jaar - 0,05% van het oorspronkelijke vermogen.

De verhouding van het aantal splijtbare Pu-isotopen gevormd in een kernreactor tot de hoeveelheid uitgebrande 235 U heet conversieratio KK. De waarde van KK neemt toe met afnemende verrijking en burn-up. Voor een zwaarwaterreactor die draait op natuurlijk uranium, met een burnup van 10 GW dag/t K K = 0,55, en voor kleine burnups (in dit geval wordt K K genoemd initiële plutoniumcoëfficiënt) KK = 0,8. Als een kernreactor verbrandt en dezelfde isotopen produceert (kweekreactor), dan wordt de verhouding van de reproductiesnelheid tot de opbrandsnelheid genoemd reproductiesnelheid K V. In thermische reactoren K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g groeit en a valt.

Controle kernreactor

De besturing van een kernreactor is alleen mogelijk doordat tijdens de splijting een deel van de neutronen uit de fragmenten vliegt met een vertraging, die kan variëren van enkele milliseconden tot enkele minuten.

Om de reactor aan te sturen, worden absorberende staven gebruikt, die in de kern worden ingebracht, gemaakt van materialen die neutronen sterk absorberen (voornamelijk en enkele andere) en / of een oplossing van boorzuur, toegevoegd aan het koelmiddel in een bepaalde concentratie (boriumregulatie) . De beweging van de staven wordt geregeld door speciale mechanismen, aandrijvingen, die werken op signalen van de operator of apparatuur voor automatische regeling van de neutronenflux.

Bij verschillende calamiteiten in elke reactor wordt voorzien in een noodstop van de kettingreactie, uitgevoerd door alle absorberende staven in de kern te laten vallen - een noodbeveiligingssysteem.

Restwarmte

Een belangrijke kwestie die direct verband houdt met nucleaire veiligheid is vervalwarmte. Dit is een specifiek kenmerk van kernbrandstof, die erin bestaat dat na beëindiging van de kettingsplijtingsreactie en thermische inertie, die gebruikelijk is voor elke energiebron, de warmteafgifte in de reactor gedurende lange tijd voortduurt, waardoor een aantal technisch complexe problemen.

Vervalwarmte is een gevolg van het β- en γ-verval van splijtingsproducten die zich tijdens de werking van de reactor in de splijtstof hebben opgehoopt. De kernen van splijtingsproducten gaan als gevolg van verval over in een meer stabiele of volledig stabiele toestand met het vrijkomen van aanzienlijke energie.

Hoewel de restwarmteafgifte snel daalt tot waarden die klein zijn in vergelijking met stationaire waarden, is deze in hoogvermogenreactoren in absolute termen significant. Om deze reden vereist het vrijkomen van vervalwarmte een lange tijd om warmteafvoer uit de reactorkern te verschaffen nadat deze is uitgeschakeld. Deze taak vereist de aanwezigheid van koelsystemen met betrouwbare stroomvoorziening in het ontwerp van de reactorfaciliteit, en vereist ook langdurige (binnen 3-4 jaar) opslag van verbruikte splijtstof in opslagfaciliteiten met een speciaal temperatuurregime - verbruikte splijtstofdokken , die zich meestal in de directe omgeving van de reactor bevinden.

zie ook

Lijst van kernreactoren ontworpen en gebouwd in de Sovjet-Unie

Literatuur

Levin V.E. Kernfysica en kernreactoren. 4e druk. - M.: Atomizdat, 1979.
Shukolyukov A. Yu. "Uranium. natuurlijke kernreactor. "Chemie en leven" nr. 6, 1980, p. 20-24

Opmerkingen:

"ZEEP - Canada's eerste kernreactor", Canada Science and Technology Museum.
Greshilov A.A., Egupov N.D., Matushchenko A.M. Nucleair schild. - M.: Logos, 2008. - 438 d. -

: ... nogal banaal, maar toch heb ik de informatie nooit in een verteerbare vorm gevonden - hoe een kernreactor BEGINT te werken. Alles over het principe en de werking van het apparaat is al 300 keer gekauwd en begrepen, maar hier is hoe de brandstof wordt verkregen en waaruit en waarom het niet zo gevaarlijk is totdat het in de reactor is en waarom het niet reageert voordat het wordt ondergedompeld in de reactor! - het warmt immers alleen binnen op, maar voor het laden zijn de splijtstofstaven koud en is alles in orde, dus waardoor de elementen opwarmen is niet helemaal duidelijk hoe ze worden beïnvloed, enzovoort, bij voorkeur niet wetenschappelijk).

Natuurlijk is het moeilijk om zo'n onderwerp niet "volgens de wetenschap" te regelen, maar ik zal het proberen. Laten we eerst begrijpen wat deze TVEL's zijn.

Kernbrandstof is zwarte tabletten met een diameter van ongeveer 1 cm en een hoogte van ongeveer 1,5 cm. Ze bevatten 2% uraniumdioxide 235 en 98% uranium 238, 236, 239. In alle gevallen, met elke hoeveelheid nucleaire brandstof, een kernexplosie kan zich niet ontwikkelen, omdat voor een lawine-achtige snelle splijtingsreactie, kenmerkend voor een kernexplosie, een concentratie van uranium 235 van meer dan 60% vereist is.

Tweehonderd kernbrandstofpellets worden in een buis van zirkoniummetaal geladen. De lengte van deze buis is 3,5 meter. diameter 1,35 cm Deze buis heet TVEL - brandstofelement. 36 TVEL's worden geassembleerd tot een cassette (een andere naam is "assemblage").

Het apparaat van het brandstofelement van de RBMK-reactor: 1 - plug; 2 - tabletten uraniumdioxide; 3 - zirkonium schaal; 4 - veer; 5 - bus; 6 - punt.

De transformatie van een stof gaat alleen gepaard met het vrijkomen van vrije energie als de stof een energiereserve heeft. Dit laatste betekent dat de microdeeltjes van de stof zich in een toestand bevinden met een grotere rustenergie dan in een andere mogelijke toestand waarnaar de overgang bestaat. Spontane overgang wordt altijd belemmerd door een energiebarrière, om te overwinnen waarvoor het microdeeltje een bepaalde hoeveelheid energie van buitenaf moet ontvangen - de energie van excitatie. De exo-energetische reactie bestaat erin dat bij de transformatie die volgt op de excitatie meer energie vrijkomt dan nodig is om het proces te stimuleren. Er zijn twee manieren om de energiebarrière te overwinnen: ofwel door de kinetische energie van de botsende deeltjes, ofwel door de bindingsenergie van het opkomende deeltje.

Als we rekening houden met de macroscopische schalen van de energieafgifte, dan moet de kinetische energie die nodig is voor het opwekken van reacties alle, of in ieder geval enkele, deeltjes van de stof hebben. Dit kan alleen worden bereikt door de temperatuur van het medium te verhogen tot een waarde waarbij de energie van thermische beweging de waarde van de energiedrempel benadert die het verloop van het proces beperkt. In het geval van moleculaire transformaties, dat wil zeggen chemische reacties, is een dergelijke toename meestal honderden graden Kelvin, terwijl het in het geval van kernreacties minstens 107 K is vanwege de zeer hoge hoogte van de Coulomb-barrières van botsende kernen. Thermische excitatie van kernreacties is in de praktijk alleen uitgevoerd bij de synthese van de lichtste kernen, waarbij de Coulomb-barrières minimaal zijn (thermonucleaire fusie).

Om een kernreactor te besturen en te beschermen, worden regelstaven gebruikt die over de gehele hoogte van de kern kunnen worden verplaatst. De staafjes zijn gemaakt van stoffen die neutronen sterk absorberen, zoals boor of cadmium. Met het diep inbrengen van de staven wordt de kettingreactie onmogelijk, omdat de neutronen sterk worden geabsorbeerd en uit de reactiezone worden verwijderd.

De staven worden op afstand vanaf het bedieningspaneel bewogen. Met een kleine beweging van de staven zal het kettingproces zich ontwikkelen of vergaan. Op deze manier wordt het vermogen van de reactor geregeld.

Leningrad kerncentrale, RBMK-reactor

Reactorstart:

Op het eerste moment na de eerste belading met brandstof is er geen splijtingskettingreactie in de reactor, de reactor bevindt zich in een subkritische toestand. De koelvloeistoftemperatuur is veel lager dan de bedrijfstemperatuur.

Zoals we hier al vermeldden, moet de splijtstof, om een kettingreactie op gang te brengen, een kritische massa vormen - een voldoende hoeveelheid spontaan splijtbaar materiaal in een voldoende kleine ruimte, de voorwaarde waaronder het aantal neutronen dat vrijkomt bij kernsplijting moet groter zijn dan het aantal geabsorbeerde neutronen. Dit kan door het gehalte aan uranium-235 (het aantal geladen splijtstofelementen) te verhogen, of door de snelheid van neutronen te vertragen zodat ze niet voorbij de uranium-235-kernen vliegen.

De reactor wordt in verschillende fasen aan de macht gebracht. Met behulp van de reactiviteitsregelaars wordt de reactor overgebracht naar de superkritische toestand Kef>1 en neemt het reactorvermogen toe tot een niveau van 1-2% van het nominale. In dit stadium wordt de reactor verwarmd tot de bedrijfsparameters van het koelmiddel en is de verwarmingssnelheid beperkt. Tijdens het opwarmproces houden de bedieningselementen het vermogen op een constant niveau. Vervolgens worden de circulatiepompen gestart en wordt het warmteafvoersysteem in werking gesteld. Daarna kan het reactorvermogen worden verhoogd tot elk niveau in het bereik van 2 tot 100% van het nominale vermogen.

Wanneer de reactor wordt verwarmd, verandert de reactiviteit als gevolg van veranderingen in de temperatuur en dichtheid van de kernmaterialen. Soms verandert tijdens verhitting de onderlinge positie van de kern en de bedieningselementen die de kern binnenkomen of verlaten, waardoor een reactiviteitseffect ontstaat bij afwezigheid van actieve beweging van de bedieningselementen.

Controle door solide, bewegende absorptie-elementen

In de overgrote meerderheid van de gevallen worden vaste mobiele absorbers gebruikt om de reactiviteit snel te veranderen. In de RBMK-reactor bevatten de regelstaven boorcarbide-bussen die zijn ingesloten in een buis van aluminiumlegering met een diameter van 50 of 70 mm. Elke regelstaaf wordt in een apart kanaal geplaatst en gekoeld met water uit het CPS-circuit (controle- en beveiligingssysteem) bij een gemiddelde temperatuur van 50 ° C. Volgens hun doel zijn de staven verdeeld in staven AZ (noodbeveiliging), in RBMK er zijn 24 van dergelijke staven. Automatische bedieningsstangen - 12 stuks, Lokale automatische bedieningsstangen - 12 stuks, handmatige bedieningsstangen -131 en 32 verkorte absorptiestangen (USP). Er zijn in totaal 211 hengels. Bovendien worden verkorte staven van onderaf in de AZ ingebracht, de rest van bovenaf.

Reactor VVER 1000. 1 - CPS-aandrijving; 2 - reactordeksel; 3 - reactorvat; 4 - blok beschermbuizen (BZT); 5 - de mijne; 6 - kernschot; 7 - brandstofassemblages (FA) en regelstaven;

Burn-out absorberende elementen.

Brandbare vergiften worden vaak gebruikt om overmatige reactiviteit te compenseren nadat verse brandstof is geladen. Het werkingsprincipe is dat ze, net als brandstof, na het vangen van een neutron, vervolgens stoppen met het absorberen van neutronen (burn-out). Bovendien is de snelheid van afname als gevolg van de absorptie van neutronen, absorptiekernen, kleiner dan of gelijk aan de snelheid van verlies als gevolg van splijting van brandstofkernen. Als we in de reactorkern brandstof laden die is ontworpen voor gebruik gedurende het jaar, dan is het duidelijk dat het aantal splijtstofkernen aan het begin van het werk groter zal zijn dan aan het einde, en we moeten de overmatige reactiviteit compenseren door absorbers te plaatsen in de kern. Als hiervoor regelstaven worden gebruikt, dan moeten we ze voortdurend verplaatsen naarmate het aantal brandstofkernen afneemt. Het gebruik van brandbare gifstoffen maakt het mogelijk om het gebruik van bewegende staven te verminderen. Op dit moment worden brandbare vergiften vaak direct in brandstofpellets verwerkt tijdens de productie ervan.

Vloeibare regulering van reactiviteit.

Een dergelijke regeling wordt met name gebruikt tijdens de werking van een reactor van het VVER-type, waarbij boorzuur H3BO3 dat 10B-kernen bevat die neutronen absorberen, in het koelmiddel wordt gebracht. Door de concentratie boorzuur in het koelmiddelpad te veranderen, veranderen we daarmee de reactiviteit in de kern. In de beginperiode van de reactorwerking, wanneer er veel brandstofkernen zijn, is de zuurconcentratie maximaal. Naarmate de brandstof opbrandt, neemt de zuurconcentratie af.

kettingreactiemechanisme

Een kernreactor kan alleen gedurende lange tijd op een bepaald vermogen werken als hij aan het begin van de operatie een reactiviteitsmarge heeft. De uitzondering zijn subkritische reactoren met een externe bron van thermische neutronen. Het vrijkomen van gebonden reactiviteit naarmate het door natuurlijke oorzaken afneemt, zorgt ervoor dat de kritische toestand van de reactor op elk moment van zijn werking behouden blijft. De initiële reactiviteitsmarge wordt gecreëerd door een kern te bouwen met afmetingen die veel groter zijn dan de kritische. Om te voorkomen dat de reactor superkritisch wordt, wordt tegelijkertijd k0 van het kweekmedium kunstmatig verlaagd. Dit wordt bereikt door neutronenabsorbers in de kern te brengen, die vervolgens uit de kern kunnen worden verwijderd. Net als in de elementen van kettingreactiecontrole, worden absorberende stoffen opgenomen in het materiaal van staven van een of andere dwarsdoorsnede, die langs de overeenkomstige kanalen in de kern bewegen. Maar als een, twee of meerdere staven voldoende zijn voor regulering, dan kan het aantal staven honderden bereiken om de aanvankelijke overmaat aan reactiviteit te compenseren. Deze staven worden compenserend genoemd. Regel- en compensatiestangen zijn niet noodzakelijk verschillende structurele elementen. Een aantal compenserende staven kunnen regelstaven zijn, maar de functies van beide zijn verschillend. De regelstaven zijn ontworpen om op elk moment een kritieke toestand te behouden, om de reactor te stoppen, te starten en van het ene vermogensniveau naar het andere over te schakelen. Al deze bewerkingen vereisen kleine veranderingen in de reactiviteit. Compensatiestaven worden geleidelijk uit de reactorkern teruggetrokken, waardoor een kritieke toestand wordt gegarandeerd gedurende de hele werking ervan.

Soms zijn regelstaven niet gemaakt van absorberende materialen, maar van splijtbaar of verstrooid materiaal. In thermische reactoren zijn dit voornamelijk neutronenabsorbers, terwijl er geen effectieve snelle neutronenabsorbers zijn. Dergelijke absorbers zoals cadmium, hafnium en andere absorberen sterk alleen thermische neutronen vanwege de nabijheid van de eerste resonantie tot het thermische gebied, en buiten de laatste verschillen ze niet van andere stoffen in hun absorberende eigenschappen. Een uitzondering is borium, waarvan de neutronenabsorptiedoorsnede veel langzamer afneemt met energie dan die van de aangegeven stoffen, volgens de l/v-wet. Daarom absorbeert boor snelle neutronen, hoewel zwak, maar iets beter dan andere stoffen. Alleen borium, indien mogelijk verrijkt in de 10B-isotoop, kan dienen als absorberend materiaal in een snelle neutronenreactor. Naast boor worden ook splijtstoffen gebruikt voor regelstaven in snelle neutronenreactoren. Een compensatiestaaf van splijtstof vervult dezelfde functie als een neutronenabsorptiestaaf: hij verhoogt de reactiviteit van de reactor met zijn natuurlijke afname. In tegenstelling tot een absorber bevindt een dergelijke staaf zich echter aan het begin van de reactorwerking buiten de kern en wordt vervolgens in de kern ingebracht.

Van de verstrooiingsmaterialen in snelle reactoren wordt nikkel gebruikt, dat een verstrooiingsdoorsnede heeft voor snelle neutronen die iets groter is dan de dwarsdoorsneden voor andere stoffen. Verstrooiingsstaven bevinden zich langs de omtrek van de kern en hun onderdompeling in het overeenkomstige kanaal veroorzaakt een afname van neutronenlekkage uit de kern en bijgevolg een toename van de reactiviteit. In sommige speciale gevallen is het doel van het beheersen van een kettingreactie de bewegende delen van de neutronenreflectoren, die, wanneer ze bewegen, de lekkage van neutronen uit de kern veranderen. De regel-, compensatie- en noodstangen vormen samen met alle apparatuur die ervoor zorgt dat ze normaal functioneren, het reactorcontrole- en beveiligingssysteem (CPS).

Noodbescherming:

Noodbeveiliging voor kernreactoren - een set apparaten die is ontworpen om snel een nucleaire kettingreactie in de reactorkern te stoppen.

Actieve noodbescherming wordt automatisch geactiveerd wanneer een van de parameters van een kernreactor een waarde bereikt die tot een ongeval kan leiden. Dergelijke parameters kunnen zijn: temperatuur, druk en stroomsnelheid van het koelmiddel, niveau en snelheid van vermogenstoename.

De uitvoerende elementen van noodbescherming zijn in de meeste gevallen staven met een stof die neutronen goed absorbeert (borium of cadmium). Soms wordt een vloeistofvanger in de koelmiddelkringloop geïnjecteerd om de reactor uit te schakelen.

Naast actieve bescherming bevatten veel moderne ontwerpen ook elementen van passieve bescherming. Moderne versies van VVER-reactoren omvatten bijvoorbeeld het "Emergency Core Cooling System" (ECCS) - speciale tanks met boorzuur boven de reactor. In het geval van een maximaal ontwerpongeval (breuk van het primaire koelcircuit van de reactor), bevindt de inhoud van deze tanks zich door de zwaartekracht in de reactorkern en wordt de nucleaire kettingreactie geblust door een grote hoeveelheid boorhoudende stof dat neutronen goed opneemt.

Volgens de "Nuclear Safety Rules for Reactor Installations of Nuclear Power Plants" moet minstens één van de voorziene reactoruitschakelsystemen de functie van noodbescherming (EP) vervullen. Noodbescherming moet ten minste twee onafhankelijke groepen van werkorganen hebben. Op het signaal van de AZ moeten de werklichamen van de AZ vanuit elke werk- of tussenpositie worden bediend.

De AZ-apparatuur moet uit minimaal twee onafhankelijke sets bestaan.

Elke set AZ-apparatuur moet zo zijn ontworpen dat, in het bereik van veranderingen in de neutronenfluxdichtheid van 7% tot 120% van de nominale waarde, bescherming wordt geboden voor:

1. Volgens de dichtheid van de neutronenflux - ten minste drie onafhankelijke kanalen;
2. Afhankelijk van de snelheid van toename van de neutronenfluxdichtheid - met ten minste drie onafhankelijke kanalen.

Elke set AZ-apparatuur moet zo zijn ontworpen dat, in het hele scala van verandering van procesparameters dat is vastgesteld in het ontwerp van de reactorinstallatie (RP), noodbescherming wordt geboden door ten minste drie onafhankelijke kanalen voor elke procesparameter waarvoor bescherming is vereist. nodig.

De stuurcommando's van elke set voor AZ-actoren moeten via minimaal twee kanalen worden verzonden. Wanneer in een van de AZ apparatuursets één kanaal buiten bedrijf wordt gesteld zonder dat deze set buiten bedrijf wordt gesteld, dient voor dit kanaal automatisch een alarmsignaal te worden gegenereerd.

Het uitschakelen van de noodbeveiliging dient in ieder geval in de volgende gevallen plaats te vinden:

1. Bij het bereiken van het AZ-instelpunt in termen van neutronenfluxdichtheid.
2. Bij het bereiken van het AZ-instelpunt in termen van de snelheid van toename van de neutronenfluxdichtheid.
3. Bij stroomuitval in enige set AZ-apparatuur en CPS-voedingsbussen die niet uit bedrijf zijn genomen.
4. In geval van storing van twee van de drie beschermingskanalen in termen van de neutronenfluxdichtheid of in termen van de snelheid van de neutronenfluxtoename in een set AZ-apparatuur die niet buiten gebruik is gesteld.
5. Wanneer de AZ-instellingen worden bereikt door de technologische parameters, volgens welke het noodzakelijk is om bescherming uit te voeren.
6. Bij het starten van de bediening van de AZ vanaf de sleutel vanaf het blokcontrolepunt (BCR) of het back-up controlepunt (RCP).

Misschien kan iemand in het kort nog minder wetenschappelijk uitleggen hoe de krachtbron van een kerncentrale gaat werken? :-)

Een onderwerp terughalen zoals Het originele artikel staat op de website InfoGlaz.rf Link naar het artikel waaruit deze kopie is gemaakt -

Vandaag maken we een korte reis door de wereld van de kernfysica. Het thema van onze excursie is een kernreactor. Je leert hoe het werkt, welke natuurkundige principes ten grondslag liggen aan de werking en waar dit apparaat wordt gebruikt.

De geboorte van kernenergie

De eerste kernreactor ter wereld werd in 1942 in de VS gebouwd. experimentele groep natuurkundigen onder leiding van Nobelprijswinnaar Enrico Fermi. Tegelijkertijd voerden ze een zichzelf in stand houdende uraniumsplijtingsreactie uit. De atomaire geest is losgelaten.

De eerste Sovjet-kernreactor werd gelanceerd in 1946, en 8 jaar later gaf 's werelds eerste kerncentrale in de stad Obninsk stroom. De belangrijkste wetenschappelijke supervisor van het werk in de kernenergie-industrie van de USSR was een uitstekende natuurkundige Igor Vasilievich Kurchatov.

Sindsdien zijn verschillende generaties kernreactoren veranderd, maar de belangrijkste elementen van het ontwerp zijn ongewijzigd gebleven.

Anatomie van een kernreactor

Deze nucleaire installatie is een dikwandige stalen tank met een cilinderinhoud variërend van enkele kubieke centimeters tot vele kubieke meters.

Binnen deze cilinder is het heilige der heiligen - reactorkern. Het is hier dat de kettingreactie van splijting van splijtstof plaatsvindt.

Laten we eens kijken hoe dit proces plaatsvindt.

Vooral de kernen van zware elementen uranium-235 (U-235), onder invloed van een kleine energiestoot kunnen ze uiteenvallen in 2 fragmenten van ongeveer gelijke massa. De veroorzaker van dit proces is het neutron.

Fragmenten zijn meestal barium- en kryptonkernen. Elk van hen heeft een positieve lading, dus de krachten van Coulomb-afstoting dwingen hen om in verschillende richtingen te verspreiden met een snelheid van ongeveer 1/30 van de lichtsnelheid. Deze fragmenten zijn dragers van kolossale kinetische energie.

Voor het praktische gebruik van energie is het noodzakelijk dat de afgifte ervan zelfvoorzienend is. Kettingreactie, wat in het geding is, is des te interessanter omdat elke splijtingsgebeurtenis gepaard gaat met de emissie van nieuwe neutronen. Voor één initieel neutron ontstaan gemiddeld 2-3 nieuwe neutronen. Het aantal splijtbare uraniumkernen groeit als een lawine, waardoor er enorme energie vrijkomt. Als dit proces niet wordt gecontroleerd, zal er een nucleaire explosie plaatsvinden. Het vindt plaats in .

Om het aantal neutronen te regelen materialen die neutronen absorberen worden in het systeem gebracht, zorgen voor een soepele afgifte van energie. Cadmium of boor worden gebruikt als neutronenabsorbeerders.

Hoe de enorme kinetische energie van de fragmenten te beteugelen en te gebruiken? Voor deze doeleinden wordt een koelmiddel gebruikt, d.w.z. een speciaal bewegend medium waarin de fragmenten worden afgeremd en tot extreem hoge temperaturen verhit. Zo'n medium kan gewoon of zwaar water, vloeibare metalen (natrium) en sommige gassen zijn. Om de overgang van het koelmiddel naar een damptoestand niet te veroorzaken, in de kern wordt hoge druk gehandhaafd (tot 160 atm). Om deze reden zijn de wanden van de reactor gemaakt van tien centimeter staal van speciale kwaliteiten.

Als de neutronen uit de splijtstof vliegen, kan de kettingreactie worden onderbroken. Daarom is er een kritische massa splijtbaar materiaal, d.w.z. de minimale massa waarbij een kettingreactie zal worden gehandhaafd. Het hangt af van verschillende parameters, waaronder de aanwezigheid van een reflector rond de reactorkern. Het dient om lekkage van neutronen in het milieu te voorkomen. Het meest voorkomende materiaal voor dit structurele element is grafiet.

De processen die in de reactor plaatsvinden, gaan gepaard met het vrijkomen van het gevaarlijkste type straling - gammastraling. Om dit gevaar te minimaliseren, biedt het bescherming tegen straling.

Hoe een kernreactor werkt

Kernbrandstof, splijtstofelementen genoemd, wordt in de reactorkern geplaatst. Het zijn tabletten gevormd uit splijtbaar materiaal en verpakt in dunne buisjes van ongeveer 3,5 m lang en 10 mm in diameter.

Honderden brandstofassemblages van hetzelfde type worden in de kern geplaatst en worden bronnen van thermische energie die vrijkomt tijdens de kettingreactie. Het koelmiddel dat de splijtstofstaven wast, vormt het eerste circuit van de reactor.

Verwarmd tot hoge parameters, wordt het naar de stoomgenerator gepompt, waar het zijn energie overdraagt aan het water van het secundaire circuit en het in stoom verandert. De resulterende stoom laat de turbinegenerator draaien. De elektriciteit die door dit toestel wordt opgewekt, wordt overgedragen aan de verbruiker. En de uitlaatstoom, gekoeld door water uit de koelvijver, in de vorm van condensaat, wordt teruggevoerd naar de stoomgenerator. De cyclus sluit.

Een dergelijke werking met twee circuits van een nucleaire installatie sluit de penetratie van straling uit die gepaard gaat met de processen die plaatsvinden in de kern buiten haar grenzen.

In de reactor vindt dus een keten van energietransformaties plaats: de kernenergie van de splijtstof → in de kinetische energie van fragmenten → de thermische energie van het koelmiddel → de kinetische energie van de turbine → en in elektrische energie in de generator.

Het onvermijdelijke energieverlies leidt ertoe dat: Het rendement van kerncentrales is relatief laag, 33-34%.

Naast de opwekking van elektrische energie in kerncentrales, worden kernreactoren gebruikt voor de productie van verschillende radioactieve isotopen, voor onderzoek op vele industriële gebieden en voor het bestuderen van de toelaatbare parameters van industriële reactoren. Transportreactoren, die energie leveren aan voertuigmotoren, worden steeds meer verspreid.

Soorten kernreactoren

Kernreactoren draaien doorgaans op uranium U-235. Het gehalte aan natuurlijk materiaal is echter extreem laag, slechts 0,7%. De belangrijkste massa van natuurlijk uranium is de U-238 isotoop. Een kettingreactie in U-235 kan alleen worden veroorzaakt door langzame neutronen, en de U-238-isotoop wordt alleen gesplitst door snelle neutronen. Als gevolg van kernsplijting worden zowel langzame als snelle neutronen geboren. Snelle neutronen, die vertraging ervaren in het koelmiddel (water), worden langzaam. Maar de hoeveelheid van de U-235-isotoop in natuurlijk uranium is zo klein dat het nodig is zijn toevlucht te nemen tot zijn verrijking, waardoor de concentratie op 3-5% komt. Deze werkwijze is zeer kostbaar en economisch nadelig. Bovendien wordt de tijd van uitputting van de natuurlijke hulpbronnen van deze isotoop geschat op slechts 100-120 jaar.

Daarom, in de nucleaire industrie er is een geleidelijke overgang naar reactoren die werken op snelle neutronen.

Hun belangrijkste verschil is dat vloeibare metalen worden gebruikt als koelmiddel, die neutronen niet vertragen, en U-238 wordt gebruikt als nucleaire brandstof. De kernen van deze isotoop gaan door een keten van nucleaire transformaties naar Plutonium-239, dat op dezelfde manier als U-235 aan een kettingreactie onderhevig is. Dat wil zeggen, er is een reproductie van nucleaire brandstof, en in een hoeveelheid die het verbruik overschrijdt.

Volgens experts Uranium-238 isotopenreserves zouden 3000 jaar meegaan. Deze tijd is voldoende voor de mensheid om genoeg tijd te hebben om andere technologieën te ontwikkelen.

Problemen bij het gebruik van kernenergie

Naast de voor de hand liggende voordelen van kernenergie, kan de omvang van de problemen in verband met de exploitatie van nucleaire installaties niet worden onderschat.

De eerste hiervan is verwijdering van radioactief afval en ontmantelde apparatuur kernenergie. Deze elementen hebben een actieve stralingsachtergrond, die lang aanhoudt. Voor de afvoer van deze afvalstoffen worden speciale loden containers gebruikt. Ze zouden worden begraven in permafrostgebieden op een diepte van maximaal 600 meter. Daarom wordt er voortdurend gewerkt aan het vinden van een manier om radioactief afval te verwerken, wat het probleem van de berging zou moeten oplossen en zou moeten bijdragen aan het behoud van de ecologie van onze planeet.

Het tweede grote probleem is: het waarborgen van de veiligheid tijdens de werking van de kerncentrale. Grote ongelukken zoals Tsjernobyl kunnen veel mensenlevens kosten en enorme gebieden buiten gebruik stellen.

Het ongeval in de Japanse kerncentrale "Fukushima-1" bevestigde alleen maar het potentiële gevaar dat zich manifesteert in het geval van een noodsituatie bij nucleaire installaties.

De mogelijkheden van kernenergie zijn echter zo groot dat milieuproblemen naar de achtergrond verdwijnen.

Tegenwoordig heeft de mensheid geen andere manier om de steeds groter wordende energiehonger te stillen. De basis van de kernenergie-industrie van de toekomst zullen waarschijnlijk "snelle" reactoren zijn met de functie van het kweken van splijtstof.

Als dit bericht nuttig voor je was, zou ik je graag zien

In het midden van de twintigste eeuw was de aandacht van de mensheid gericht op het atoom en de verklaring van wetenschappers van de kernreactie, die ze aanvankelijk besloten te gebruiken voor militaire doeleinden, door de eerste atoombommen uit te vinden in het kader van het Manhattan-project. Maar in de jaren 50 van de twintigste eeuw werd een kernreactor in de USSR voor vreedzame doeleinden gebruikt. Het is bekend dat op 27 juni 1954 's werelds eerste kerncentrale met een vermogen van 5000 kW in dienst trad van de mensheid. Vandaag de dag kan een kernreactor elektriciteit opwekken van 4.000 MW of meer, dat is 800 keer meer dan een halve eeuw geleden.

Wat is een kernreactor: basisdefinitie en hoofdcomponenten van de eenheid

Een kernreactor is een speciale eenheid met behulp waarvan energie wordt opgewekt als gevolg van het correct onderhouden van een gecontroleerde kernreactie. Het gebruik van het woord "atomic" in combinatie met het woord "reactor" is toegestaan. Velen beschouwen de concepten "nucleair" en "atomair" over het algemeen als synoniemen, omdat ze geen fundamenteel verschil tussen beide vinden. Maar vertegenwoordigers van de wetenschap zijn geneigd tot een meer correcte combinatie - "kernreactor".

Interessant feit! Kernreacties kunnen doorgaan met het vrijkomen of absorberen van energie.

De belangrijkste componenten in het apparaat van een kernreactor zijn de volgende elementen:

Moderator;
Controle staven;
Staven die een verrijkt mengsel van uraniumisotopen bevatten;
Speciale beschermende elementen tegen straling;
Koelmiddel;
stoomgenerator;
Turbine;
Generator;
Condensator;
Nucleaire brandstof.

Wat zijn de fundamentele principes van de werking van een kernreactor bepaald door natuurkundigen en waarom zijn ze onwrikbaar?

Het fundamentele principe van de werking van een kernreactor is gebaseerd op de kenmerken van de manifestatie van een kernreactie. Op het moment van een standaard kernproces met fysieke keten, interageert het deeltje met de atoomkern, met als resultaat dat de kern verandert in een nieuwe met het vrijkomen van secundaire deeltjes, die wetenschappers gamma-quanta noemen. Bij een nucleaire kettingreactie komt een enorme hoeveelheid thermische energie vrij. De ruimte waarin de kettingreactie plaatsvindt, wordt de reactorkern genoemd.

Interessant feit! De actieve zone lijkt uiterlijk op een ketel waardoor gewoon water stroomt, dat als koelmiddel fungeert.

Om het verlies van neutronen te voorkomen, is het kerngebied van de reactor omgeven door een speciale neutronenreflector. Zijn primaire taak is om de meeste uitgezonden neutronen in de kern te verwerpen. De reflector is meestal dezelfde stof die als moderator dient.

De hoofdbesturing van een kernreactor vindt plaats met behulp van speciale regelstaven. Het is bekend dat deze staven in de reactorkern worden ingebracht en alle voorwaarden scheppen voor de werking van de eenheid. Gewoonlijk worden regelstaven gemaakt van chemische verbindingen van boor en cadmium. Waarom worden deze elementen gebruikt? Ja, allemaal omdat boor of cadmium thermische neutronen effectief kunnen absorberen. En zodra de lancering is gepland, worden volgens het werkingsprincipe van een kernreactor regelstaven in de kern geïntroduceerd. Hun primaire taak is het absorberen van een aanzienlijk deel van de neutronen, waardoor een kettingreactie ontstaat. Het resultaat moet het gewenste niveau bereiken. Wanneer het vermogen boven het ingestelde niveau stijgt, worden automatische machines ingeschakeld, die noodzakelijkerwijs de regelstaven diep in de reactorkern onderdompelen.

Zo wordt duidelijk dat regel- of regelstaven een belangrijke rol spelen bij de werking van een thermische kernreactor.

En om neutronenlekkage te verminderen, is de reactorkern omgeven door een neutronenreflector die een aanzienlijke massa vrij geëmitteerde neutronen in de kern gooit. In de betekenis van de reflector wordt meestal dezelfde stof gebruikt als voor de moderator.

Volgens de norm heeft de atoomkern van de moderatorstof een relatief kleine massa, waardoor het in de keten aanwezige neutron bij een botsing met een lichte kern meer energie verliest dan bij een botsing met een zware. De meest voorkomende moderatoren zijn gewoon water of grafiet.

Interessant feit! Neutronen in het proces van een kernreactie worden gekenmerkt door een extreem hoge bewegingssnelheid, en daarom is een moderator nodig die de neutronen ertoe aanzet een deel van hun energie te verliezen.

Geen enkele reactor ter wereld kan normaal functioneren zonder de hulp van een koelmiddel, omdat het de bedoeling is om de energie die in het hart van de reactor wordt gegenereerd, te verwijderen. Als koelmiddel worden noodzakelijkerwijs vloeistof of gassen gebruikt, omdat ze geen neutronen kunnen absorberen. Laten we een voorbeeld geven van een koelmiddel voor een compacte kernreactor: water, kooldioxide en soms zelfs vloeibaar metallisch natrium.

De werkingsprincipes van een kernreactor zijn dus volledig gebaseerd op de wetten van een kettingreactie, het verloop ervan. Alle componenten van de reactor - moderator, staven, koelvloeistof, nucleaire brandstof - voeren hun taken uit en veroorzaken de normale werking van de reactor.

Welke brandstof wordt gebruikt voor kernreactoren en waarom precies deze chemische elementen worden gekozen?

De belangrijkste brandstof in reactoren kunnen uraniumisotopen zijn, ook plutonium of thorium.

In 1934 merkte F. Joliot-Curie, nadat hij het proces van splijting van de uraniumkern had waargenomen, op dat als gevolg van een chemische reactie de uraniumkern wordt verdeeld in fragmenten-kernen en twee of drie vrije neutronen. En dit betekent dat er een mogelijkheid is dat vrije neutronen zich bij andere uraniumkernen voegen en een nieuwe splijting veroorzaken. En dus, zoals de kettingreactie voorspelt: uit drie uraniumkernen komen zes tot negen neutronen vrij, die zich weer bij de nieuw gevormde kernen voegen. En zo verder tot in het oneindige.

Belangrijk om te onthouden! De neutronen die verschijnen tijdens kernsplijting kunnen de splijting van de kernen van de uraniumisotoop met een massagetal van 235 veroorzaken, en voor de vernietiging van de kernen van de uraniumisotoop met een massagetal van 238 kan er weinig energie zijn ontstaan in het proces van verval.

Uranium nummer 235 is zeldzaam in de natuur. Het is goed voor slechts 0,7%, maar natuurlijk uranium-238 neemt een ruimere niche in beslag en is goed voor 99,3%.

Ondanks zo'n klein aandeel uranium-235 in de natuur, kunnen natuurkundigen en scheikundigen het nog steeds niet weigeren, omdat het het meest effectief is voor de werking van een kernreactor, waardoor de kosten van het proces van het verkrijgen van energie voor de mensheid worden verlaagd.

Wanneer verschenen de eerste kernreactoren en waar worden ze tegenwoordig gebruikt?

In 1919 hadden natuurkundigen al gezegevierd toen Rutherford het proces van vorming van bewegende protonen ontdekte en beschreef als gevolg van de botsing van alfadeeltjes met de kernen van stikstofatomen. Door deze ontdekking veranderde de kern van de stikstofisotoop, als gevolg van een botsing met een alfadeeltje, in de kern van een zuurstofisotoop.

Voordat de eerste kernreactoren verschenen, leerde de wereld verschillende nieuwe natuurwetten die alle belangrijke aspecten van een kernreactie behandelden. Dus in 1934 boden F. Joliot-Curie, H. Halban, L. Kovarsky voor het eerst de samenleving en de kring van wereldwetenschappers een theoretische veronderstelling en bewijsbasis voor de mogelijkheid van kernreacties. Alle experimenten hadden betrekking op de waarneming van de splijting van de uraniumkern.

In 1939 volgden E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, O. Frisch de reactie van splijting van uraniumkernen tijdens hun bombardement met neutronen. In de loop van het onderzoek hebben wetenschappers ontdekt dat wanneer een versneld neutron de uraniumkern binnengaat, de bestaande kern in twee of drie delen wordt verdeeld.

De kettingreactie werd praktisch bewezen in het midden van de 20e eeuw. In 1939 slaagden wetenschappers erin te bewijzen dat de splijting van één uraniumkern ongeveer 200 MeV aan energie vrijgeeft. Maar ongeveer 165 MeV wordt toegewezen aan de kinetische energie van de fragmentkernen, en de rest voert gamma-quanta mee. Deze ontdekking zorgde voor een doorbraak in de kwantumfysica.

E. Fermi zet zijn werk en onderzoek nog enkele jaren voort en lanceert in 1942 de eerste kernreactor in de Verenigde Staten. Het belichaamde project heette - "Chicago-houtstapel" en werd op de rails gezet. Op 5 september 1945 lanceerde Canada zijn ZEEP-kernreactor. Het Europese continent bleef niet achter en tegelijkertijd werd de F-1-installatie gebouwd. En voor de Russen is er nog een gedenkwaardige datum - op 25 december 1946 wordt een reactor gelanceerd in Moskou onder leiding van I. Kurchatov. Dit waren niet de krachtigste kernreactoren, maar dit was het begin van de ontwikkeling van het atoom door de mens.

Voor vreedzame doeleinden werd in 1954 in de USSR een wetenschappelijke kernreactor gebouwd. 'S Werelds eerste vreedzame schip met een kerncentrale, de nucleaire ijsbreker van Lenin, werd in 1959 in de Sovjet-Unie gebouwd. En nog een prestatie van onze staat is de nucleaire ijsbreker Arktika. Dit oppervlakteschip bereikte voor het eerst ter wereld de Noordpool. Het gebeurde in 1975.

De eerste draagbare kernreactoren werkten op langzame neutronen.

Waar worden kernreactoren gebruikt en welke typen gebruikt de mensheid?

Industriële reactoren. Ze worden gebruikt om energie op te wekken in kerncentrales.
Kernreactoren die fungeren als voortstuwing van kernonderzeeërs.
Experimentele (draagbare, kleine) reactoren. Zonder hen vindt geen enkele moderne wetenschappelijke ervaring of onderzoek plaats.

Tegenwoordig heeft de wetenschappelijke wereld geleerd hoe ze met behulp van speciale reactoren zeewater kan ontzilten om de bevolking van hoogwaardig drinkwater te voorzien. Er zijn veel werkende kernreactoren in Rusland. Dus, volgens statistieken, zijn er vanaf 2018 ongeveer 37 blokken actief in de staat.

En volgens de classificatie kunnen ze als volgt zijn:

Onderzoek (historisch). Deze omvatten het F-1-station, dat werd opgericht als een experimentele site voor de productie van plutonium. I.V. Kurchatov werkte bij F-1, hield toezicht op de eerste fysieke reactor.
Onderzoek (actief).
Wapenkamer. Als voorbeeld van de reactor - A-1, die de geschiedenis in ging als de eerste reactor met koeling. De kracht van een kernreactor uit het verleden is klein, maar functioneel.
Energie.
Schip. Het is bekend dat op schepen en onderzeeërs, uit noodzaak en technische haalbaarheid, watergekoelde of vloeibaar-metaalreactoren worden gebruikt.
Ruimte. Laten we als voorbeeld de installatie "Yenisei" op ruimtevaartuigen noemen, die in actie komt als het nodig is om een extra hoeveelheid energie te winnen, en deze zal moeten worden verkregen met behulp van zonnepanelen en isotopenbronnen.

Het onderwerp kernreactoren is dus behoorlijk uitgebreid, daarom is een diepgaande studie en begrip van de wetten van de kwantumfysica vereist. Maar het belang van kernreactoren voor de energie-industrie en de economie van de staat wordt ongetwijfeld al aangewakkerd met een aura van nut en voordelen.