Ядерный реактор

Содержание

Анатомия атомного реактора

Эта ядерная установка представляет собой толстостенный стальной бак с цилиндрической ёмкостью от нескольких кубических сантиметров до многих кубометров.

Внутри этого цилиндра размещается святая святых — активная зона реактора. Именно здесь происходит цепная реакция деления ядерного топлива.

Рассмотрим, как происходит этот процесс.

Ядра тяжелых элементов, в частности Уран-235 (U-235), под действием небольшого энергетического толчка способны разваливаться на 2 осколка приблизительно равной массы. Возбудителем этого процесса является нейтрон.

Осколки чаще всего представляют собой ядра бария и криптона. Каждый из них несет положительный заряд, поэтому силы кулоновского отталкивания вынуждают их разлетаться в разные стороны со скоростью около 1/30 световой скорости. Эти осколки являются носителями колоссальной кинетической энергии.

Для практического использования энергии, необходимо, чтобы её выделение носило самоподдерживающийся характер. Цепная реакция, о которой идёт речь, тем интересна, что каждый акт деления сопровождается испусканием новых нейтронов. На один начальный нейтрон в среднем возникает 2-3 новых нейтрона. Количество делящихся ядер урана лавинообразно нарастает, вызывая выделение огромной энергии. Если этот процесс не контролировать — произойдет ядерный взрыв. Он имеет место в атомных бомбах.

Чтобы регулировать число нейтронов в систему вводятся материалы, которые поглощают нейтроны, обеспечивая плавное выделение энергии. В качестве поглотителей нейтронов используют кадмий или бор.

Как же обуздать и использовать громадную кинетическую энергию осколков? Для этих целей служит теплоноситель, т.е. специальная среда, двигаясь в которой осколки тормозятся и нагревают её до чрезвычайно высоких температур. Такой средой может являться обычная или тяжелая вода, жидкие металлы (натрий), а также некоторый газы. Чтобы не вызвать переход теплоносителя в парообразное состояние, в активной зоне поддерживается высокое давление (до 160 атм). По этой причине стенки реактора изготавливают из десятисантиметровой стали специальных сортов.

Если нейтроны вылетят за пределы ядерного топлива, то цепная реакция может прерваться. Поэтому существует критическая масса делящегося вещества, т.е. его минимальная масса, при которой, будет поддерживаться цепная реакция. Она зависит от различных параметров, в том числе и от наличия отражателя, окружающего активную зону реактора. Он служит для предотвращения утечки нейтронов в окружающую среду. Наиболее распространенным материалом для этого конструктивного элемента является графит.

Процессы, происходящие в реакторе, сопровождаются выделением самого опасного вида радиации – гамма излучения. Чтобы минимизировать эту опасность, в нём предусмотрена противорадиационная защита.

Проблемы использования ядерной энергетики

Наряду с очевидными преимуществами ядерной энергетики, нельзя недооценивать масштаб проблем, связанных с эксплуатацией ядерных объектов.

Первая из них — это утилизация радиоактивных отходов и демонтированного оборудования атомной энергетики. Эти элементы обладают активным радиационным фоном, который сохраняется на протяжении длительного периода. Для утилизации этих отходов используют специальные свинцовые контейнеры. Их предполагается хоронить в районах вечной мерзлоты на глубине до 600 метров. Поэтому постоянно ведутся работы по поиску способа переработки радиоактивных отходов, что должно решить проблему утилизации и способствовать сохранению экологии нашей планеты.

Второй не менее тяжелой проблемой является обеспечение безопасности в процессе эксплуатации АЭС. Крупные аварии, подобные Чернобыльской, способны унести множество человеческих жизней и вывести из использования огромные территории.

Авария на японской АЭС «Фукусима-1» лишь подтвердила потенциальную опасность, которая проявляется при возникновении внештатной ситуации на ядерных объектах.

Однако возможности ядерной энергетики столь велики, что экологические проблемы уходят на второй план.

На сегодняшний день у человечества нет иного пути утоления всё нарастающего энергетического голода. Основой ядерной энергетики будущего, вероятно, станут «быстрые» реакторы с функцией воспроизводства ядерного топлива.

в группе ВКонтакте

Немного из истории

Не все знают, что изделие может встречаться двух видов. В первом случае это бо-сюрикен — оружие вытянутой формы, скорее напоминающее копье для метания. А во втором – хира-сюрикен. Как метать:

1. Бо. Во время броска направление полета и траекторию вращения регулируют средним и безымянным пальцами. Лезвие обязательно направляется в сторону от себя, может вращаться во время полета лезвием или вокруг своей оси.
2. Хира. Это оружие, напоминающее звезду с острыми лучами. Здесь мы как раз и рассмотрим, как соорудить такой сюрикен из бумаги. Это изделие нужно бросать ребром от себя и острым краем от ладони. Бросок точно вперед, чтобы бумажный клинок летел по прямой линии и стремительно. Он также должен быстро вращаться вокруг своей оси, поэтому в центре оружия раньше делали небольшое отверстие.

Примечания

Естественные аналоги в природе

Ядерный реактор воспринимается в общественном сознании исключительно как продукт высоких технологий. Однако по факту первое такое устройство имеет природное происхождение. Оно было обнаружено в регионе Окло, что в центральноафриканском государстве Габон:

• Реактор был образован из-за подтопления урановых пород подземными водами. Они выступили как нейтронные замедлители;
• Тепловая энергия, выделяющаяся при распаде урана, превращает воду в пар, и цепная реакция останавливается;
• После падения температуры охлаждающей жидкости все повторяется вновь;
• Если бы жидкость не выкипала и не останавливала течение реакции, человечество бы столкнулось с новой природной катастрофой;
• Самоподдерживаемое деление ядер началось в этом реакторе около полутора миллиардов лет назад. За это время было выделено около 0,1 миллиона ватт выходной мощности;
• Подобное чудо света на Земле является единственным известным. Появление новых невозможно: доля урана-235 в природном сырье намного ниже уровня, необходимого для поддержания цепной реакции.

Видео по теме

Смотрите также

Энергетические установки

Существует несколько видов реакторов этого типа, но широкое применение нашла конструкция на легкой воде. В свою очередь, в ней может использоваться вода под давлением или кипящая вода. В первом случае жидкость под высоким давлением нагревается теплом активной зоны и поступает в парогенератор. Там тепло от первичного контура передается на вторичный, также содержащий воду. Генерируемый в конечном счете пар служит рабочей жидкостью в цикле паровой турбины.

Реактор кипящего типа работает по принципу прямого энергетического цикла. Вода, проходя через активную зону, доводится до кипения на среднем уровне давления. Насыщенный пар проходит через серию сепараторов и сушилок, расположенных в корпусе реактора, что приводит его в сверхперегретое состояние. Перегретый водяной пар затем используется в качестве рабочей жидкости, вращающей турбину.

Что такое ядерный реактор: основное определение и главные комплектующие элементы агрегата

Ядерный реактор – это специальный агрегат, при помощи которого вырабатывается энергия как следствие правильного поддержания контролируемой ядерной реакции. Использовать слово «атомный» в сочетании со словом «реактор» — допускается. Многие вообще считают понятия «ядерный» и «атомный» — синонимами, так как не находят между ними принципиальной разницы. Но представители науки склоняются к более верному сочетанию – «ядерный реактор».

Основными комплектующими в устройстве ядерного реактора считаются следующие элементы:

• Замедлитель;
• Регулирующие стержни;
• Стержни, содержание обогащенную смесь изотопов урана;
• Специальные защитные элементы от радиации;
• Теплоноситель;
• Парогенератор;
• Турбина;
• Генератор;
• Конденсатор;
• Ядерное горючее.

На “тяжелой воде”

В Канаде был разработан совершенно иной подход и типы ядерных реакторов. Их  цепная реакция деления используют “тяжелую воду” (D₂O, а не H₂O, где дейтерий (D) состоит из одного протона и одного нейрона) в качестве замедлителя и хладагента. D₂O встречается естественным образом как очень малая составляющая обычной воды-одна на каждые 3200 молекул. Преимущество использования тяжелой воды заключается в том, что природный уран может служить топливом для реактора—по сути, вода “обогащается” (химическими и фракционными методами дистилляции), а не ураном. То есть используется менее обогащенный уран.

Еще одним преимуществом типа реакторов на тяжелой воде  является то, что они могут быть заправлены в режиме on-line, поэтому их не нужно отключать для дозаправки. Поскольку в реакторах используются тяжелые металлы, они производят больше плутония из своего уранового топлива, что увеличивает риск распространения радиации.

Как устроена АЭС?

Любая станция – это закрытая зона вдалеке от жилого массива. На ее территории находятся несколько зданий. Самое главное сооружение – здание реактора, рядом с ним расположен машинный зал, из которого реактором управляют, и здание безопасности.

Схема АЭС невозможна без ядерного реактора. Атомный (ядерный) реактор – это устройство АЭС, которое призвано организовать цепную реакцию деления нейтронов с обязательным выделением энергии при этом процессе. Но каков принцип работы АЭС?

Вся реакторная установка помещается в здание реактора, большую бетонную башню, которая скрывает реактор и в случае аварии удержит в себе все продукты ядерной реакции. Эту большую башню называют контейнтмент, герметичная оболочка или гермозона.

Гермозона в новых реакторах имеет 2 толстые бетонные стенки – оболочки. Внешняя оболочка толщиной в 80 см обеспечивает защиту гермозоны от внешних воздействий.

Внутренняя оболочка толщиной в 1 метр 20 см имеет в своем устройстве специальные стальные тросы, которые увеличивают прочность бетона почти в три раза и не дадут конструкции рассыпаться. С внутренней стороны она выложена тонким листом специальной стали, которая призвана служить дополнительной защитой контейнтмента и в случае аварии не выпустить содержимое реактора за пределы гермозоны.

Такое устройство атомной станции позволяет выдержать падение самолета весом до 200 тонн, 8 бальное землетрясение, торнадо и цунами.

Впервые герметичная оболочка была сооружена на американской АЭС Коннектикут Янки в 1968 году.

ЧАЭС: Тип и устройство реактора

Рейтинг:   / 162

Подробности

Родительская категория: ЧАЭС

Категория: ЧАЭС сегодня

Использование ядерной энергии для получения электроэнергии осуществляется при помощи специальных аппаратов, которые называют ядерными реакторами.

В реакторе процесс высвобождения энергии идет постепенно, поскольку в цепной реакции деления нейтроны освобождаются не одновременно. Большая часть нейтронов образуется менее чем через 0,001 секунды – это так называемые мгновенные нейтроны. Другая часть (около 0,7%) образуется через 13 секунд – это запоздалые нейтроны. Именно они дают возможность регулировать скорость прохождения цепной реакции при помощи специальных стержней, которые поглощают избыток нейтронов. Стержни вводятся в активную зону реактора и стабилизируют процесс размножение нейтронов на безопасном уровне.

Зарождение атомной энергетики

Первый в мире ядерный реактор был создан в 1942 году в США экспериментальной группой физиков под руководством лауреата нобелевской премии Энрико Ферми. Тогда же ими была осуществлена самоподдерживающаяся реакция расщепления урана. Атомный джин был выпущен на свободу.

Первый советский ядерный реактор был запущен в 1946 году, а спустя 8 лет дала ток первая в мире АЭС в городе Обнинске. Главным научным руководителем работ в атомной энергетике СССР был выдающийся физик Игорь Васильевич Курчатов.

С тех сменилось несколько поколений ядерных реакторов, но основные элементы его конструкции сохранились неизменными.

[править] Принцип работы атомной электростанции

Атомная электростанция представляет собой комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путем использования энергии, выделяемой при контролируемой ядерной реакции. Атомные электростанции различаются по типу реактора (на быстрых и на медленных нейтронах), по виду отпускаемой энергии (АЭС и АТЭЦ), по количеству контуров (одноконтурные, двухконтурные, трехконтурные). В зависимости от типа конструкции в состав атомной электростанции могут входить: ядерный реактор, турбина, конденсатор, электрогенератор, парогенератор и др.

Ядерная реакция возникает при делении ядра атома. Ядра атомов разделяют нейтроны, которые попадающие в них извне. При этом возникают новые нейтроны и осколки деления, которые имеют огромную кинетическую энергию. Эта энергия передается теплоносителю, который поступает в парогенератор, где нагревает до кипения воду. Полученный при кипении пар вращает турбины, связанные с электрогенератором.

Ядерный реактор

Ядерным реактором называется устройство, осуществляющее управляемую реакцию деления ядра. Ядерный реактор состоит из многих элементов, таких как: ядерное горючее, замедлитель нейтронов, теплоноситель для вывода энергии и устройство для регулирования скорости реакции. Энергия, выделяемая из ядерного топлива, нагревает теплоноситель, который затем следует в парогенератор. Реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей гамма-излучение.

Обычно в качестве горючего для ядерного реактора используются ядра изотопа урана, наиболее эффективно захватывающее медленные нейтроны. Захват медленных нейтронов происходит с гораздо большей вероятностью чем быстрых, поэтому в ядерных реакторах, которые работают на естественном уране, используются замедлители (вода, тяжёлая вода, бериллий, графит).

В качестве теплоносителей в ядерных реакторах на быстрых нейтронах используют жидкие металлы и газы, они дают возможность получить на выходе из реактора высокие температуры, позволяющие вырабатывать в парогенераторах пар высоких, сверхвысоких и закритических параметров. Теплоносители в реакторах на тепловых(медленных) нейтронах используют обычную и тяжелую воду, водяной пар, двуокись углерода.

Устройство для вывода энергии состоит из регулирующих и компенсирующих стержней. Регулирующие стержни предназначены для поддержания критического состояния в любой момент времени, для остановки, пуска реактора, перехода с одного уровня мощности на другой. Все эти операции требуют малых изменений реактивности. Компенсирующие стержни постепенно выводятся из активной зоны реактора, обеспечивая критическое состояние в течение всего времени его работы.

Парогенератор

Парогенератором называется теплообменный аппарат, использующий теплоту первичного теплоносителя ядерного реактора, для производства водяного пара с давлением выше атмосферного. Теплоноситель из реактора, прокачивающийся насосами через парогенератор, отдает часть тепла, а затем снова возвращается в реактор. В парогенераторе это тепло передается воде второго контура, находящейся под гораздо меньшим давлением, вследствие чего вода закипает. Образовавшийся пар поступает на паровую турбину, которая вращает электрогенератор, а затем в конденсатор, где пар охлаждают. Пар конденсируется и снова поступает в парогенератор. В конденсаторе используется вода из внешнего открытого источника.

Турбина и электрогенератор

Подавляющее большинство паровых турбин, устанавливаемых на АЭС с водоохлаждаемыми реакторами предназначены для работы на насыщенном паре. Тепловая энергия пара при его расширении в проточной части турбины превращается в кинетическую энергию потока пара, которая используется для вращения ротора турбины электрогенератора.

Конденсатор

В конденсатор поступают перегретые пары теплоносителя, охлаждающиеся до температуры насыщения, они конденсируются и переходят в жидкую фазу. Для конденсации пара от каждой единицы его массы отводят теплоту равную удельной теплоте конденсации. В качестве охлаждающей жидкости на АЭС используется большое количество воды, поступающее из водохранилища.

Реакторы из сферы энергетики и электрики: как запускаются и для чего их применяют

Кто из читателей знал, что процесс заземления магистрали возможно выполнять при помощи специального электрического реактора? Действительно в энергетике широко известен дугогасящий реактор, который используют в процессе заземления нейтрального кабеля с трехфазной сети. Такой тип оборудования противодействует возникновению электрической дуги, из-за горения которой повреждается изоляция, а такой дефект в магистрали стремительно приводит к опасному короткому замыканию в сети и отключению электроэнергии.

SONY DSC

Еще один тип реактора энергетики – сглаживающий. Его задача – снижать пульсацию выпрямленного тока в сети.

А вот электрический агрегат, предназначенный для контроля и ограничения ударного тока, возникающего в момент короткого замыкания.

Таким образом, в электрике применяется как минимум три вида реакторов, при помощи которых обеспечивают безопасность сети и контроль работы силовых агрегатов.

Плавучие энергоблоки

Созданы ядерные реакторы, способные обеспечить электроэнергией и паровым отоплением удаленные изолированные районы. В России, например, нашли применение небольшие энергетические установки, специально предназначенные для обслуживания арктических населенных пунктов. В Китае 10-МВт установка HTR-10 снабжает теплом и электроэнергией исследовательский институт, в котором она находится. Разработки небольших автоматически управляемых реакторов с аналогичными возможностями ведутся в Швеции и Канаде. В период с 1960 по 1972 год армия США использовала компактные водяные реакторы для обеспечения удаленных баз в Гренландии и Антарктике. Они были заменены мазутными электростанциями.

Реакторы-размножители

С самых первых дней развития ядерной энергетики было осознано, что для того, чтобы ядерная энергетика имела долгосрочное будущее, необходима разработка и развертывание реакторов-размножителей. Особенностью является способность к контролируемому воспроизводству (размножению) делящихся ядер ядерного топлива. Воспроизводство ядерного горючего в реакторах осуществляется за счёт поглощения части нейтронов 238U  и образования 239Рu. В экономическом отношении тип реактора с размножителем дороже.

Но  если бы использовались только тепловые реакторы, то запасы урана считались бы недостаточными для того, чтобы долго питать грандиозные ядерные программы, которые предусматривались. Более поздние оценки запасов, хотя и достаточные в течение столетий при нынешних уровнях использования, очень скоро будут исчерпаны. Это в случае если определенные типы ядерных реакторов будут необходимы для обеспечения сегодняшнего уровня электроэнергии, не говоря уже об общем производстве первичной энергии.

См. также

Отзывы

Управление ядерным реактором

Управление ядерным реактором возможно только благодаря тому, что часть нейтронов при делении вылетает из осколков с запаздыванием, которое может составить от нескольких миллисекунд до нескольких минут.

Для управления реактором используют поглощающие стержни, вводимые в активную зону, изготовленные из материалов, сильно поглощающих нейтроны (в основном В, Cd и некоторые др.) и/или раствор борной кислоты, в определённой концентрации добавляемый в теплоноситель (борное регулирование). Движение стержней управляется специальными механизмами, приводами, работающими по сигналам от оператора или аппаратуры автоматического регулирования нейтронного потока.

Ядерные реакторы проектируются так, чтобы в любой момент времени процесс деления находился в устойчивом равновесии относительно малых изменений параметров, влияющих на реактивность. Таким образом, случайное изменение скорости ядерной реакции гасится, а вызванное перемещением управляющих стержней или медленным изменением других параметров — приводит к квазистационарному изменению мощности реактора

На случай различных аварийных ситуаций в каждом реакторе предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции, осуществляемое сбрасыванием в активную зону всех поглощающих стержней — система аварийной защиты.

Типы ядерных реакторов

Изначально разработку промышленных ядерных pеактоpов проводили в стpанах, которые обладали ядеpным оpужием. Такие страны, как США, СССР, Великобpитания и Фpанция проводили исследования разных вариантов ядерных pеактоpов. Тем не менее, основными стали лишь три типа:

• pеактоp на обогащенном уpане можно назвать наиболее популярным вариантом. В качестве теплоносителя и замедлителя выступает обычная, или «легкая», вода. Выделяют два вида таких реакторов. В одном паp, который вpащает туpбины, формируется прямо в активной зоне (кипящий реактор), а во втором паp формируется во внешнем контуpе, который связан с пеpвым при помощи теплообменников и паpогенеpатоpов. Первые легководные реакторы были созданы для подводных лодок и авианосцев ВМФ США
• газоохлаждаемый pеактоp. В нем присутствует гpафитовый замедлитель. В середине прошлого века ученые из Великобpитании и Фpанции занимались усовершенствованием именно таких реакторов, потому что они достаточно эффективно вырабатывают оружейный плутоний, а также способны функционировать на пpиродном уpане
• реактоp, в котоpом и теплоноситель, и замедлитель представлен тяжелой водой, а в качестве топлива используется природный уран. Такие реакторы наиболее популярны в Канаде, где много месторождений уpана.

Однако, на сегодняшний день в мире используется пять типов ядерных реакторов:

• реактор ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор)
• РБМК (реактор большой мощности канальный)
• реактор на тяжелой воде
• реактор с шаровой засыпкой и газовым контуром
• реактор на быстрых нейтронах.

ВВЭР наибольшее распространение получили в России. К достоинствам можно отнести относительную дешевизну применяемого в них теплоносителя-замедлителя (обычная вода), а также высокий уровень безопасности в эксплуатации, невзирая на то, что в них находится обогащенный уранРБМК создан немного иначе, чем ВВЭР. В его активной зоне осуществляется процесс кипения – из реактора подается пароводяная смесь, проходящая через сепараторы, и разделяющаяся на воду и пар. Уровень мощности РБМК составляет 1000 Мвт. Такие реакторы установлены в Ленинградской, Курской, Чернобыльской, Смоленской и Игналинской АЭС.Реакторы РБМК нуждаются в меньшем обогащении топлива, а также характеризуется лучшими возможностями по наработке делящегося вещества (плутония). Однако, более опасен в использовании. Также, в результате отсутствия второго контура у РБМК больше выделяют радиации в атмосферу.Реактор на тяжелой воде отличается довольно низкой степенью поглощения нейтронов и очень высокими замедляющими качествами, которые превышают аналогичные параметры графита. В реакторе с шаровой засыпкой активная зона выполнена в форме шара, засыпанного тепловыделяющими элементами. Отдельный элемент — графитовая сфера с вкраплениями частиц оксида урана. Через реактор проходит углекислый газ (СО2). Газ попадает в активную зону под давлением и после этого подается на теплообменник. Реактор на быстрых нейтронах кардинально отличается от прочих реакторов. Он предназначен для обеспечения расширенного воспроизводства делящегося плутония из урана-238 для того, чтобы сжечь весь или большую часть природного урана. Развитие энергетики реакторов на быстрых нейтронах поможет решить задачу самообеспечения ядерной отрасли топливом.Такой реактор не содержит замедлителя. По этой причине применяется не уран-235, а плутоний и уран-238, способные делиться от быстрых нейтронов. Плутоний гарантирует высокую плотность нейтронного потока, которую не способен выдать уран-238. Уровень тепловыделения реактора на быстрых нейтронах в 10-15 раз выше тепловыделения реакторов на медленных нейтронах. Из-за этого воду пришлось заменить расплавом натрия. На территории России существует лишь один реактор такого типа — на Белоярской АЭС.

ЧАЭС: Устройство реактора РБМК

Общее устройство реактора РБМК

1 – опорная металлоконструкция;

2 – индивидуальные водяные трубопроводы;

3 – нижняя металлоконструкция;

4 – боковая биологическая защита;

5 – графитовая кладка;

6 – барабан-сепаратор;

7 – индивидуальные пароводяные трубопроводы;

8 – верхняя металлоконструкция;

9 – разгрузочно-загрузочная машина;

10 – верхнее центральное перекрытие;

11 – верхнее боковое перекрытие;

12 – система контроля герметичности оболочек твэлов;

13 – главный циркуляционный насос.

 В реакторах типа РБМК находится 1661 канал в которых размещены кассеты с ядерным топливом. Ядерное топливо – двуокись урана, который запечен в виде таблеток. Такие таблетки имеют диаметр около одного сантиметра и высотой полтора сантиметра. Таблетки собирают в колону в количестве двухсот штук и загружают в ТВЭЛ. ТВЭЛ – пустотелый циркониевый цилиндр с примесью (1%) ниобия, длинной 3,5 метра и диаметров 13,5 мм. 36 ТВЭЛов собирают в кассету, которая вставляется в канал реактора. Общий вес урана, который при этом загружается в реактор – 190 тонн. В других 211 каналах реактора двигаются стержни-поглотители.