Det man kalder en atomreaktor. Hvilket brændstof bruges til atomreaktorer, og hvorfor netop disse kemiske elementer er valgt

For en almindelig person er moderne højteknologiske enheder så mystiske og gådefulde, at det er på tide at tilbede dem som de gamle tilbad lyn. Fysikundervisning på gymnasiet, fyldt med matematik, løser ikke problemet. Men du kan endda fortælle interessant om en atomreaktor, hvis driftsprincip er klart selv for en teenager.

Hvordan fungerer en atomreaktor?

Funktionsprincippet for denne højteknologiske enhed er som følger:

1. Når en neutron absorberes, atombrændstof (oftest er det uran-235 eller plutonium-239) fission af atomkernen forekommer;
2. Kinetisk energi, gammastråling og frie neutroner frigives;
3. Kinetisk energi omdannes til varme (når kerner kolliderer med omgivende atomer), absorberes gammastråling af selve reaktoren og bliver også til varme;
4. Nogle af de dannede neutroner absorberes af brændstofatomerne, hvilket forårsager en kædereaktion. Neutronabsorbere og moderatorer bruges til at kontrollere det;
5. Ved hjælp af en varmebærer (vand, gas eller flydende natrium) fjernes varme fra reaktionsstedet;
6. Damp under tryk fra det opvarmede vand bruges til at drive dampturbiner;
7. Ved hjælp af en generator omdannes møllernes rotationsenergi til vekselstrøm.

Klassifikationsmetoder

Der kan være mange grunde til en typologi af reaktorer:

• Efter typen atomreaktion... Fission (alle kommercielle installationer) eller fusion (termonuclear power engineering, er kun udbredt i nogle forskningsinstitutter);
• Ved kølevæske... I langt de fleste tilfælde bruges vand (kogende eller tungt) til dette formål. Nogle gange anvendes alternative løsninger: flydende metal (natrium, bly-vismutlegering, kviksølv), gas (helium, kuldioxid eller nitrogen), smeltet salt (fluoridsalte);
• Efter generation. Den første er tidlige prototyper, der ikke gav nogen kommerciel mening. Det andet er størstedelen af ​​de i øjeblikket anvendte atomkraftværker, der blev bygget før 1996. Den tredje generation adskiller sig fra den forrige med kun mindre forbedringer. Arbejdet med den fjerde generation er stadig i gang;
• Efter aggregeringstilstand brændstof (gas findes stadig kun på papir);
• Efter brugsformål(til elproduktion, motorstart, brintproduktion, afsaltning, transmutation af grundstoffer, opnåelse af neural stråling, teoretiske og undersøgelsesformål).

Atomreaktorenhed

Hovedkomponenterne i reaktorer i de fleste kraftværker er:

1. Kernebrændstof - et stof, der er nødvendigt for at generere varme til kraftmøller (normalt lavt beriget uran);
2. Kernreaktorens aktive zone - det er her atomreaktionen finder sted;
3. Neutronmoderator - reducerer hastigheden på hurtige neutroner og omdanner dem til termiske neutroner;
4. Start neutron kilde - bruges til en pålidelig og stabil start af en atomreaktion;
5. Neutronabsorber - tilgængelig på nogle kraftværker for at reducere frisk brændsels høje reaktivitet;
6. Neutron -haubits - bruges til at genstarte reaktionen efter nedlukning;
7. Kølevæske (renset vand);
8. Kontrolstænger - til at regulere fissionshastigheden for uran- eller plutoniumkerner;
9. Vandpumpe - pumper vand til dampkedlen;
10. Dampturbine - konverterer dampens termiske energi til mekanisk rotationsenergi;
11. Køletårn - en enhed til fjernelse af overskydende varme i atmosfæren;
12. System til modtagelse og opbevaring af radioaktivt affald;
13. Sikkerhedssystemer (nøddieselgeneratorer, nødkøleanlæg).

Sådan fungerer de nyeste modeller

Den seneste 4. generation af reaktorer vil være tilgængelig til kommerciel drift ikke tidligere end 2030... I øjeblikket er princippet og strukturen i deres arbejde under udvikling. Ifølge aktuelle data vil disse ændringer afvige fra eksisterende modeller i sådanne fordele:

• Hurtigt gaskølesystem. Det antages, at helium vil blive brugt som kølevæske. Ifølge designdokumentationen er det på denne måde muligt at afkøle reaktorer med en temperatur på 850 ° C. For at arbejde ved så høje temperaturer har du også brug for specifikke råvarer: keramiske kompositmaterialer og actinidforbindelser;
• Det er muligt at anvende bly eller bly-vismutlegering som det primære kølevæske. Disse materialer har en lav neutronabsorptionshastighed og et relativt lavt smeltepunkt;
• En blanding af smeltede salte kan også bruges som hovedvarmebærer. Således vil det være muligt at arbejde ved højere temperaturer end moderne modparter med vandkøling.

Naturlige analoger i naturen

En atomreaktor opfattes i offentligheden udelukkende som et produkt af højteknologi. Men faktisk er den første enheden er af naturlig oprindelse... Det blev fundet i Oklo -regionen i den centralafrikanske delstat Gabon:

• Reaktoren blev dannet på grund af oversvømmelse af uransten af ​​grundvand. De fungerede som neutronmoderatorer;
• Den varmeenergi, der frigives under forfaldet af uran, gør vand til damp, og kædereaktionen stopper;
• Efter at kølevæsketemperaturen falder, gentages alt igen;
• Hvis væsken ikke kogte væk og stoppede reaktionens forløb, ville menneskeheden stå over for en ny naturkatastrofe;
• Selvstændig fission af kerner begyndte i denne reaktor for omkring halvanden milliard år siden. I løbet af denne tid blev der tildelt ca. 0,1 millioner watt effekt;
• Sådan et under af verden på Jorden er det eneste, man kender. Fremkomsten af ​​nye er umulig: andelen af ​​uran-235 i naturlige råvarer er meget lavere end det niveau, der kræves for at opretholde en kædereaktion.

Hvor mange atomreaktorer er der i Sydkorea?

Fattig i naturressourcer, men industrialiseret og overbefolket, har Republikken Korea hårdt brug for energi. På baggrund af Tysklands afvisning af et fredeligt atom har dette land store forhåbninger om at bremse atomteknologi:

• Det er planlagt, at andelen af ​​elektricitet fra atomkraftværker i 2035 når 60%og den samlede produktion - mere end 40 gigawatt;
• Landet har ikke atomvåben, men forskning i atomfysik er i gang. Koreanske forskere har udviklet projekter til moderne reaktorer: modulopbygget, brint, med flydende metal osv.;
• Lokale forskeres succes gør det muligt at sælge teknologi til udlandet. Landet forventes at eksportere 80 sådanne enheder i de næste 15-20 år;
• Men fra i dag blev det meste af atomkraftværket bygget med bistand fra amerikanske eller franske forskere;
• Antallet af driftsanlæg er relativt lille (kun fire), men hver af dem har et betydeligt antal reaktorer - i alt 40, og dette tal vil vokse.

Når det bliver bombarderet med neutroner, går atombrændstof ind i en kædereaktion, hvilket resulterer i en enorm mængde varme. Vandet i systemet optager denne varme og bliver til damp, som vender møller, der genererer elektricitet. Her er et simpelt diagram over driften af ​​en atomreaktor, den mest kraftfulde energikilde på Jorden.

Video: hvordan atomreaktorer fungerer

I denne video vil atomfysikeren Vladimir Chaikin fortælle dig, hvordan elektricitet produceres i atomreaktorer, deres detaljerede struktur:

Enhed og funktionsprincip

Energi frigivelse mekanisme

Omdannelsen af ​​et stof ledsages kun af frigivelse af fri energi, hvis stoffet har en reserve af energi. Sidstnævnte betyder, at mikropartiklerne af et stof er i en tilstand med en hvilenergi større end i en anden mulig, hvis overgang findes. En spontan overgang hindres altid af en energibarriere, som en mikropartikel skal modtage udefra en vis mængde energi - excitationsenergi. Den exoenergetiske reaktion består i, at der ved transformationen efter excitationen frigives mere energi, end der kræves for at ophidse processen. Der er to måder at overvinde energibarrieren på: enten på grund af den kinetiske energi fra kolliderende partikler eller på grund af bindingsenergien i forbindelsespartiklen.

Hvis vi husker på de makroskopiske skalaer for energifrigivelse, skal den kinetiske energi, der er nødvendig for excitation af reaktioner, have alle eller først en del af stoffets partikler. Dette kan kun opnås, når medietemperaturen stiger til en værdi, hvor energien i den termiske bevægelse nærmer sig værdien af ​​energitærsklen, hvilket begrænser procesens forløb. I tilfælde af molekylære transformationer, det vil sige kemiske reaktioner, er en sådan stigning normalt hundredvis af kelvin, mens det i tilfælde af nukleare reaktioner er mindst 10 7 på grund af den meget høje højde af Coulomb -barrierer for kolliderende kerner. Termisk excitation af nukleare reaktioner realiseres kun i praksis ved syntesen af ​​de letteste kerner, for hvilke Coulomb -barrierer er minimale (termonuklear fusion).

Excitation ved at fastgøre partikler kræver ikke stor kinetisk energi og afhænger derfor ikke af medietemperaturen, da det opstår på grund af ubrugte bindinger, der er forbundet med partiklerne i tiltrækningskræfterne. Men på den anden side er partiklerne selv nødvendige for at ophidse reaktionerne. Og hvis vi igen ikke tænker på en separat reaktionshandling, men produktion af energi i en makroskopisk skala, så er dette kun muligt, når der opstår en kædereaktion. Sidstnævnte opstår, når de partikler, der ophidser reaktionen, dukker op igen som produkter af en exoenergetisk reaktion.

Design

Enhver atomreaktor består af følgende dele:

• Kerne med atombrændstof og moderator;
• En neutronreflektor, der omgiver kernen;
• Kædereaktionskontrolsystem, herunder nødbeskyttelse;
• Strålingsbeskyttelse;
• Fjernbetjeningssystem.

Fysiske arbejdsprincipper

Se også hovedartiklerne:

En atomreaktors nuværende tilstand kan karakteriseres ved den effektive neutronmultiplikationsfaktor k eller reaktivitet ρ , som er relateret af følgende forhold:

Disse værdier er kendetegnet ved følgende værdier:

• k> 1 - kædereaktionen vokser med tiden, reaktoren er i superkritisk tilstand, dens reaktivitet ρ > 0;
• k < 1 - реакция затухает, реактор - subkritisk, ρ < 0;
• k = 1, ρ = 0 - antallet af nukleare fissioner er konstant, reaktoren er i en stabil kritisk tilstand.

Betingelsen for kritikken af ​​en atomreaktor:

Omdannelse af multiplikationsfaktoren til enhed opnås ved at balancere multiplikationen af ​​neutroner med deres tab. Der er faktisk to grunde til tabene: indfangning uden fission og lækage af neutroner uden for ynglemediet.

Det er klart, at 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 for termiske reaktorer kan bestemmes ved den såkaldte "formel for 4 faktorer":

• η er neutronudbyttet for to absorptioner.

Mængderne af moderne kraftreaktorer kan nå op på hundredvis af m³ og bestemmes hovedsageligt ikke af kritiske forhold, men af ​​varmefjernelsesegenskaberne.

Kritisk volumen atomreaktor - mængden af ​​reaktorkernen i en kritisk tilstand. Kritisk masse er massen af ​​reaktorens fissile materiale i en kritisk tilstand.

Den mindste kritiske masse er besat af reaktorer, hvor vandige opløsninger af salte af rene fissile isotoper med en vandreflektor af neutroner tjener som brændstof. For 235 U er denne masse 0,8 kg, for 239 Pu er den 0,5 kg. Det er imidlertid almindeligt kendt, at den kritiske masse for LOPO -reaktoren (verdens første berigede uranreaktor) med en berylliumoxidreflektor var 0,565 kg, på trods af at 235 isotopberigelsen kun var lidt over 14%. Teoretisk set har den den mindste kritiske masse, for hvilken denne værdi kun er 10 g.

For at reducere neutronlækage får kernen en sfærisk eller næsten sfærisk form, for eksempel en kort cylinder eller terning, da disse tal har det mindste forhold mellem overfladeareal og volumen.

På trods af at værdien (e - 1) normalt er lille, er rollen som hurtig neutronmultiplikation ret stor, da for store atomreaktorer (K ​​∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Til starten af ​​en kædereaktion produceres normalt nok neutroner under spontan fission af urankerner. Det er også muligt at bruge en ekstern neutronkilde til at starte reaktoren, f.eks. En blanding af og eller andre stoffer.

Jodgrav

Jodbrønd - en atomreaktors tilstand efter dens nedlukning, kendetegnet ved ophobning af en kortvarig isotop af xenon. Denne proces fører til en midlertidig forekomst af betydelig negativ reaktivitet, hvilket igen gør det umuligt at bringe reaktoren til sin designkapacitet inden for en bestemt periode (ca. 1-2 dage).

Klassifikation

Efter aftale

Efter deres anvendelse er atomreaktorer opdelt i:

• Kraftreaktorer, beregnet til produktion af elektrisk og termisk energi, der bruges i kraftindustrien, samt til afsaltning af havvand (reaktorer til afsaltning er også klassificeret som industrielle). Sådanne reaktorer bruges hovedsageligt i atomkraftværker. Den termiske effekt i moderne kraftreaktorer når 5 GW. En særskilt gruppe skelnes:
  • Transportreaktorer designet til at levere energi til køretøjsmotorer. De bredeste anvendelsesgrupper er søtransportreaktorer, der bruges på ubåde og forskellige overfladeskibe, samt reaktorer, der bruges inden for rumteknologi.
• Eksperimentelle reaktorer designet til at undersøge forskellige fysiske størrelser, hvis værdi er nødvendig for design og drift af atomreaktorer; sådanne reaktorers effekt overstiger ikke flere kW.
• Forskningsreaktorer, hvor strømningerne af neutroner og gammakvanta, der genereres i kernen, bruges til forskning inden for kernefysik, faststoffysik, strålingskemi, biologi, til test af materialer beregnet til drift i intense neutronstrømme (herunder dele atomreaktorer), til produktion af isotoper. Forskningsreaktorkapacitet overstiger ikke 100 MW. Den frigivne energi bruges normalt ikke.
• Industrielle (våben, isotoper) reaktorer bruges til fremstilling af isotoper anvendt på forskellige områder. Mest udbredt til fremstilling af atomvåbenmaterialer såsom 239 Pu. Industrielle reaktorer omfatter også reaktorer, der bruges til afsaltning af havvand.

Reaktorer bruges ofte til at løse to eller flere forskellige problemer, i hvilket tilfælde de kaldes multifunktionel... For eksempel var nogle kraftreaktorer, især ved begyndelsen af ​​atomkraft, hovedsagelig beregnet til forsøg. Hurtige reaktorer kan være både energiske og producere isotoper på samme tid. Industrielle reaktorer genererer ud over deres hovedopgave ofte elektrisk og termisk energi.

Efter neutronspektrum

• Termisk (langsom) neutronreaktor ("termisk reaktor")
• Hurtig reaktor ("hurtig reaktor")

Ved brændstof placering

• Heterogene reaktorer, hvor brændstoffet placeres diskret i kernen i form af blokke, mellem hvilke der er en moderator;
• Homogene reaktorer, hvor brændstof og moderator er en homogen blanding (homogent system).

I en heterogen reaktor kan brændstoffet og moderatoren adskilles rumligt, især i en hulrumsreaktor omgiver moderator-reflektoren et hulrum med brændstof, der ikke indeholder en moderator. Fra et kernefysisk synspunkt er kriteriet om homogenitet / heterogenitet ikke designet, men placeringen af ​​brændstofblokke i en afstand, der overstiger neutronmoderationslængden i en given moderator. Således beregnes reaktorer med et såkaldt "tæt gitter" som homogene, selvom brændstoffet i dem normalt adskilles fra moderatoren.

Blokke af nukleart brændstof i en heterogen reaktor kaldes brændstofsamlinger (FA), som er placeret i kernen i knuderne i et almindeligt gitter og danner celle.

Efter brændstoftype

• uranisotoper 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
• plutonium isotop 239 (239 Pu), også isotoper 239-242 Pu i form af en blanding med 238 U (MOX brændstof)
• thorium isotop 232 (232 Th) (ved konvertering til 233 U)

Efter graden af ​​berigelse:

• naturligt uran
• dårligt beriget uran
• stærkt beriget uran

Efter kemisk sammensætning:

• metal U
• UC (urankarbid) osv.

Efter kølemiddeltype

• Gas, (se grafit-gasreaktor)
• D 2 O (tungt vand, se Kernreaktor i tungt vand, CANDU)

Af moderatorens art

• C (grafit, se grafit-gasreaktor, grafit-vandreaktor)
• H 2 O (vand, se let vandreaktor, vandmodereret reaktor, VVER)
• D 2 O (tungt vand, se Kernreaktor i tungt vand, CANDU)
• Metalhydrider
• Uden moderator (se Fast Reactor)

Af design

Af den måde at generere damp

• Reaktor med ekstern dampgenerator (Se Trykvandsreaktor, VVER)

IAEA klassificering

• PWR (trykvandsreaktorer) - trykvandsreaktor;
• BWR (kogende vandreaktor) - kogende vandreaktor;
• FBR (hurtig opdrætterreaktor) - hurtig opdrætterreaktor;
• GCR (gaskølet reaktor)-gaskølet reaktor;
• LWGR (let vandgrafitreaktor) - grafit -vandreaktor
• PHWR (trykreageret tungtvandsreaktor) - tungtvandsreaktor

De mest udbredte i verden er trykvand (ca. 62%) og kogende (20%) reaktorer.

Reaktormaterialer

Materialerne, der bruges til at bygge reaktorer, opererer ved høje temperaturer inden for neutroner, y-quanta og fissionsfragmenter. Derfor er ikke alle materialer, der anvendes i andre teknologiske grene, egnede til reaktorbygning. Ved valg af reaktormaterialer tages der hensyn til deres strålingsresistens, kemisk inertitet, absorptionstværsnit og andre egenskaber.

Materialers strålingsstabilitet påvirker mindre ved høje temperaturer. Atomenes mobilitet bliver så stor, at sandsynligheden for atomer vender tilbage fra krystalgitteret til deres sted eller rekombinationen af ​​hydrogen og ilt i et vandmolekyle stiger markant. Således er radiolys af vand ubetydelig i ikke-kogende kraftreaktorer (for eksempel VVER), mens der i kraftige forskningsreaktorer frigives en betydelig mængde af en eksplosiv blanding. Reaktorerne har specielle systemer til at brænde den.

Reaktormaterialer er i kontakt med hinanden (brændstofelementbeklædning med kølevæske og atombrændstof, brændstofaggregater - med kølevæske og moderator osv.). Naturligvis skal kontaktmaterialerne være kemisk inerte (kompatible). Et eksempel på uforenelighed er uran og varmt vand, som reagerer kemisk.

For de fleste materialer forringes styrkeegenskaberne kraftigt med stigende temperatur. I kraftreaktorer fungerer strukturelle materialer ved høje temperaturer. Dette begrænser valget af konstruktionsmaterialer, især for de dele af en kraftreaktor, der skal modstå høje tryk.

Udbrænding og reproduktion af atombrændstof

Under driften af ​​en atomreaktor på grund af akkumulering af fissionsfragmenter i brændstoffet ændres dets isotopiske og kemiske sammensætning, og transuraniske elementer, hovedsageligt isotoper, dannes. Spaltningsfragmenters virkning på atomreaktorens reaktivitet kaldes forgiftning(for radioaktivt affald) og slagger(for stabile isotoper).

Hovedårsagen til forgiftningen af ​​reaktoren er den med det største neutronabsorptionstværsnit (2,6 · 10 6 stald). Halveringstid 135 Xe T 1/2 = 9,2 timer; fissionsudbyttet er 6-7%. Hoveddelen af ​​135 Xe dannes som et resultat af forfaldet ( T 1/2 = 6,8 timer). I tilfælde af forgiftning ændres Keff med 1-3%. Det store absorptionstværsnit på 135 Xe og tilstedeværelsen af ​​den mellemliggende isotop 135 I fører til to vigtige fænomener:

1. Til en stigning i koncentrationen på 135 Xe og følgelig til et fald i reaktorens reaktivitet efter dens nedlukning eller fald i effekt ("jodbrønd"), hvilket gør det umuligt for kortsigtede stop og udsving i output strøm. Denne effekt overvindes ved at indføre en reaktivitetsmargen i regulatorerne. Jodbrøndens dybde og varighed afhænger af neutronstrømmen Ф: ved Ф = 5 · 10 18 neutroner / (cm² · sek), er jodbrøndens varighed ˜30 timer, og dybden er 2 gange større end stationær ændring i Keff forårsaget af 135 Xe -forgiftning.
2. På grund af forgiftning kan rumtidsmæssige udsving i neutronstrømmen Ф og dermed reaktorens kraft forekomme. Disse svingninger forekommer ved Ф> 10 18 neutroner / (cm² · sek) og store reaktorstørrelser. Udsvingstiderne er ˜10 timer.

Spaltning af kerner producerer et stort antal stabile fragmenter, som adskiller sig i absorptionstværsnit i forhold til absorptionstværsnit af en fissil isotop. Koncentrationen af ​​fragmenter med et stort absorptionstværsnit når mætning i løbet af de første par dage af reaktordriften. Disse er hovedsageligt brændstofelementer i forskellige "aldre".

I tilfælde af en fuldstændig udskiftning af brændstof har reaktoren en overskydende reaktivitet, der skal kompenseres, hvorimod i det andet tilfælde kun kræves kompensation ved første opstart af reaktoren. Kontinuerlig tankning gør det muligt at øge nedbrydningsdybden, da reaktorens reaktivitet bestemmes af de gennemsnitlige koncentrationer af fissile isotoper.

Massen af ​​det fyldte brændstof overstiger massen af ​​det ubelastede brændstof på grund af "vægten" af den frigivne energi. Efter stop af reaktoren, først og fremmest på grund af fission ved forsinkede neutroner, og derefter efter 1-2 minutter på grund af β- og γ-stråling fra fissionsfragmenter og transuraniske elementer, frigives der fortsat energi i brændstoffet. Hvis reaktoren arbejdede længe nok indtil nedlukningstidspunktet, derefter 2 minutter efter nedlukningen, er energifrigivelsen cirka 3%, efter 1 time - 1%, efter en dag - 0,4%, efter et år - 0,05%af den oprindelige strøm.

Forholdet mellem antallet af fissile Pu -isotoper dannet i en atomreaktor og mængden af ​​235 U udbrændt kaldes omregningskurs K K. KK -værdien stiger med faldende berigelse og forbrænding. Til en tungtvandsreaktor ved hjælp af naturligt uran, med en forbrænding på 10 GW initial plutoniumkoefficient) K K = 0,8. Hvis en atomreaktor brænder og producerer de samme isotoper (opdrætterreaktor), kaldes forholdet mellem reproduktionshastigheden og udbrændingshastigheden reproduktionshastighed K V. I termiske reaktorer K B< 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 vokser og -en falder.

Atomreaktor kontrol

Styring af en atomreaktor er kun mulig på grund af det faktum, at en del af neutronerne under fission udsendes fra fragmenterne med en forsinkelse, der kan variere fra flere millisekunder til flere minutter.

For at styre reaktoren anvendes absorberende stænger indført i kernen, fremstillet af materialer, der stærkt absorberer neutroner (hovedsageligt nogle andre) og / eller en borsyreopløsning tilsat kølemidlet i en bestemt koncentration (borregulering). Stangenes bevægelse styres af særlige mekanismer, drev, der opererer på signaler fra operatøren eller udstyr til automatisk regulering af neutronstrømmen.

I tilfælde af forskellige nødsituationer sørger hver reaktor for en nødafbrydelse af kædereaktionen, udført ved at tabe alle absorberende stænger i kernen - et nødbeskyttelsessystem.

Restvarme

Et vigtigt spørgsmål, der er direkte relateret til nuklear sikkerhed, er restvarme. Dette er et specifikt træk ved atombrændstof, som består i, at frigivelsen af ​​varme i reaktoren fortsætter i lang tid efter afslutningen af ​​fissionskædereaktionen og den sædvanlige termiske inerti for enhver energikilde, hvilket skaber en mange teknisk komplekse problemer.

Restvarmeudledning er en konsekvens af β- og γ- henfald af fissionsprodukter, der er akkumuleret i brændstoffet under reaktorens drift. Som et resultat af henfald passerer kernerne i fissionsprodukter i en mere stabil eller helt stabil tilstand med frigivelse af betydelig energi.

Selvom effekten af ​​restvarmeudslip hurtigt falder til værdier, der er små i sammenligning med stationære værdier, er den i kraftfulde kraftreaktorer betydelig i absolutte tal. Af denne grund medfører den resterende varmeafgivelse behovet i lang tid for at tilvejebringe varmefjernelse fra reaktorkernen efter dens nedlukning. Denne opgave kræver tilstedeværelse i designet af reaktoranlægget af kølesystemer med en pålidelig strømforsyning og kræver også en langsigtet (i 3-4 år) opbevaring af brugt nukleart brændstof i lagringsanlæg med et særligt temperaturregime-opbevaring puljer, som normalt er placeret i umiddelbar nærhed af reaktoren.

se også

• Liste over atomreaktorer designet og bygget i Sovjetunionen

Litteratur

• V.E. Levin Kernefysik og atomreaktorer. 4. udgave - M.: Atomizdat, 1979.
• Shukolyukov A. Yu. “Uran. Naturlig atomreaktor ". "Kemi og liv" nr. 6, 1980, s. 20-24

Noter

1. ZEEP - Canadas første atomreaktor, Canada Science and Technology Museum.
2. Greshilov A.A., Egupov N.D., Matushchenko A.M. Nukleare skjold. - M.: Logoer, 2008.- 438 s. -

Tilbage fremad

Opmærksomhed! Diasshow er kun til informationsformål og repræsenterer muligvis ikke alle præsentationsmuligheder. Hvis du er interesseret i dette værk, skal du downloade den fulde version.

Lektionens mål:

• Uddannelsesmæssig: opdatering af eksisterende viden; fortsætte dannelsen af ​​begreber: fission af urankerner, kernekædereaktion, betingelser i dens forløb, kritisk masse; introducere nye begreber: en atomreaktor, hovedelementerne i en atomreaktor, design af en atomreaktor og dens funktionsprincip, kontrol af en atomreaktion, klassificering af atomreaktorer og deres anvendelse;
• Udvikling: fortsætte dannelsen af ​​færdigheder til at observere og drage konklusioner samt udvikle elevernes intellektuelle evner og nysgerrighed;
• Uddannelsesmæssig: fortsætte med at fremme en holdning til fysik som en eksperimentel videnskab; at dyrke en samvittighedsfuld holdning til arbejde, disciplin, en positiv holdning til viden.

Lektionstype: lære nyt materiale.

Udstyr: multimedieinstallation.

I timerne

1. Organisatorisk øjeblik.

Fyre! I dag i lektionen vil vi gentage fission af urankerner, atomkædereaktionen, betingelserne for dens forløb, den kritiske masse, vi vil lære, hvad en atomreaktor er, hovedelementerne i en atomreaktor, designet af en atomkraft reaktor og dens funktionsprincip, kontrol af en atomreaktion, klassificering af atomreaktorer og deres anvendelse.

2. Verifikation af det undersøgte materiale.

1. Fissionsmekanisme for urankerner.
2. Fortæl os om mekanismen for atomkædereaktionen.
3. Giv et eksempel på en nuklear fissionsreaktion af en urankerne.
4. Hvad kaldes kritisk masse?
5. Hvordan foregår kædereaktionen i uran, hvis dens masse er mindre end kritisk, mere end kritisk?
6. Hvad er den kritiske masse af uran 295, er det muligt at reducere den kritiske masse?
7. På hvilke måder kan forløbet for en atomkædereaktion ændres?
8. Hvad er formålet med at bremse hurtige neutroner?
9. Hvilke stoffer bruges som moderatorer?
10. Hvilke faktorer kan øge antallet af frie neutroner i et stykke uran og derved sikre muligheden for en reaktion i det?

3. Forklaring af det nye materiale.

Gutter, svar på dette spørgsmål: Hvad er hoveddelen af ​​ethvert atomkraftværk? ( atomreaktor)

Godt klaret. Så gutter, lad os nu dvæle mere detaljeret ved dette spørgsmål.

Historisk reference.

Igor Vasilievich Kurchatov er en fremragende sovjetisk fysiker, akademiker, grundlægger og første direktør for Institut for Atomenergi fra 1943 til 1960, den videnskabelige chef for atomproblemet i Sovjetunionen, en af ​​grundlæggerne af brugen af ​​atomkraft til fredelige formål. Akademiker ved USSR Academy of Sciences (1943). Testene af den første sovjetiske atombombe blev udført i 1949. Fire år senere blev verdens første brintbombe testet med succes. Og i 1949 begyndte Igor Vasilyevich Kurchatov arbejdet på et projekt til et atomkraftværk. Atomkraftværk - en bulletin om fredelige anvendelser af atomenergi. Projektet blev gennemført med succes: den 27. juli 1954 blev vores atomkraftværk det første i verden! Kurchatov var jublende og munter som et barn!

Definition af en atomreaktor.

En atomreaktor er en anordning, hvor en kontrolleret kædereaktion med fission af nogle tunge kerner udføres og vedligeholdes.

Den første atomreaktor blev bygget i 1942 i USA under ledelse af E. Fermi. I vores land blev den første reaktor bygget i 1946 under ledelse af IV Kurchatov.

Hovedelementerne i en atomreaktor er:

• atombrændstof (uran 235, uran 238, plutonium 239);
• neutronmoderator (tungt vand, grafit osv.);
• kølevæske til produktion af energi, der genereres under reaktorens drift (vand, flydende natrium osv.);
• Kontrolstænger (bor, cadmium) - stærkt absorberende neutroner
• Strålingshæmmende beskyttelsesskal (jernfyldt beton).

Driftsprincip atomreaktor

Kernebrændstof er placeret i kernen i form af lodrette stænger kaldet brændstofelementer (brændstofstænger). Brændstofstænger er designet til at kontrollere reaktorens effekt.

Massen af ​​hver brændstofstang er meget mindre end den kritiske; derfor kan der ikke forekomme en kædereaktion i en stang. Det begynder, efter at alle uranstænger er nedsænket i kernen.

Kernen er omgivet af et lag af materiale, der reflekterer neutroner (reflektor) og en beskyttende skal af beton, som fanger neutroner og andre partikler.

Fjernelse af varme fra brændselsceller. Varmebærer - vand vasker stangen, opvarmet til 300 ° C ved højt tryk, kommer ind i varmevekslerne.

Varmevekslerens rolle er, at vand opvarmet til 300 ° C afgiver varme til almindeligt vand, bliver til damp.

Håndtering af atomreaktioner

Reaktoren styres af stænger, der indeholder cadmium eller bor. Med stængerne forlænget fra reaktorkernen K> 1 og med fuldt tilbagetrukket - K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Langsom neutronreaktor.

Den mest effektive fission af uran-235 kerner sker under virkning af langsomme neutroner. Sådanne reaktorer kaldes langsom neutronreaktorer. De sekundære neutroner, der produceres ved fissionsreaktionen, er hurtige. For at deres efterfølgende interaktion med uran -235 kerner i en kædereaktion skal være mest effektiv, bremses de ved at indføre en moderator i kernen - et stof, der reducerer neutroners kinetiske energi.

Hurtig neutronreaktor.

Hurtige reaktorer kan ikke køre på naturligt uran. Reaktionen kan kun opretholdes i en beriget blanding indeholdende mindst 15% af uranisotopen. Fordelen ved hurtige reaktorer er, at de genererer en betydelig mængde plutonium, som derefter kan bruges som atombrændstof.

Homogene og heterogene reaktorer.

Kernreaktorer, afhængigt af brændstofets og moderatorens relative placering, er opdelt i homogene og heterogene. I en homogen reaktor er kernen en homogen masse brændstof, moderator og kølevæske i form af en opløsning, blanding eller smelte. En reaktor kaldes heterogen, hvor brændstof i form af blokke eller brændstofaggregater anbringes i en moderator og danner et almindeligt geometrisk gitter i det.

Konvertering af atomkernenes indre energi til elektrisk energi.

En atomreaktor er hovedelementet i et atomkraftværk (NPP), som omdanner termisk atomkraft til elektrisk energi. Energiomdannelse finder sted i henhold til følgende skema:

• indre energi af urankerner -
• kinetisk energi fra neutroner og atomfragmenter -
• intern energi i vand -
• indre energi af damp -
• dampens kinetiske energi -
• kinetisk energi fra turbinerotoren og generatorrotoren -
• Elektrisk energi.

Brug af atomreaktorer.

Afhængigt af formålet er atomreaktorer kraft, omformere og opdrættere, forskning og flerbrug, transport og industri.

Atomreaktorer bruges til at generere elektricitet i atomkraftværker, skibskraftværker, atomkraftværker og atomvarmeværker.

Reaktorer designet til at producere sekundært atombrændstof fra naturligt uran og thorium kaldes omformere eller opdrættere. I reaktoromformeren dannes sekundært atombrændstof mindre end det oprindeligt forbrugte.

I opdrætterreaktoren udføres en udvidet avl af atombrændstof, dvs. det viser sig mere end det er brugt.

Forskningsreaktorer bruges til at studere processerne for neutrons interaktion med stof, til at studere reaktormaterialers adfærd i intense områder af neutron- og gammastråling, radiokemisk i biologisk forskning, produktion af isotoper, eksperimentel forskning i atomreaktorers fysik.

Reaktorerne har forskellig kapacitet, stationær eller pulserende drift. Multifunktionsreaktorer er dem, der tjener flere formål, såsom elproduktion og atombrændstof.

Miljøkatastrofer ved atomkraftværker

• 1957 - en ulykke i Storbritannien
• 1966 - delvis smeltning af kernen efter svigt i reaktorkøling nær Detroit.
• 1971 - Meget forurenet vand gik i den amerikanske flod
• 1979 - den største ulykke i USA
• 1982 - frigivelse af radioaktiv damp i atmosfæren
• 1983 - en frygtelig ulykke i Canada (radioaktivt vand lækkede ud i 20 minutter - ton i minuttet)
• 1986 - en ulykke i Storbritannien
• 1986 - en ulykke i Tyskland
• 1986 - Tjernobyl atomkraftværk
• 1988 - brand ved et atomkraftværk i Japan

Moderne atomkraftværker er udstyret med pc'er, og tidligere, selv efter en ulykke, fortsatte reaktorerne med at fungere, da der ikke var noget automatisk nedlukningssystem.

4. Fastgørelse af materialet.

1. Hvad kaldes en atomreaktor?
2. Hvad er atombrændstof i en reaktor?
3. Hvilket stof fungerer som neutronmoderator i en atomreaktor?
4. Hvad er formålet med en neutronmoderator?
5. Hvad er kontrolstænger til? Hvordan bruges de?
6. Hvad bruges som kølevæske i atomreaktorer?
7. Hvorfor har du brug for, at massen af ​​hver uranstang er mindre end den kritiske masse?

5. Udførelse af testen.

1. Hvilke partikler er involveret i fission af urankerner?
   A. protoner;
   B. neutroner;
   V. elektroner;
   G. heliumkerne.
2. Hvad er den kritiske masse af uran?
   A. den højeste, hvor en kædereaktion er mulig;
   B. enhver masse;
   V. er den mindste, hvor en kædereaktion er mulig;
   G. massen, ved hvilken reaktionen stopper.
3. Hvad er cirka den kritiske masse af uran 235?
   A. 9 kg;
   B. 20 kg;
   H. 50 kg;
   G. 90 kg.
4. Hvilke stoffer fra følgende kan bruges i atomreaktorer som neutronmoderatorer?
   A. grafit;
   B. cadmium;
   B. tungt vand;
   G. bor.
5. For at en atomkædereaktion kan forekomme på et atomkraftværk, skal neutronmultiplikationsfaktoren være:
   A. er lig med 1;
   B. er større end 1;
   V. mindre end 1.
6. Regulering af fission af tunge atomer i atomreaktorer udføres:
   A. på grund af absorptionen af ​​neutroner ved sænkning af stænger med en absorber;
   B. på grund af en stigning i fjernelse af varme med en stigning i kølevæskens hastighed;
   B. ved at øge forsyningen af ​​elektricitet til forbrugerne
   G. ved at reducere massen af ​​atombrændstof i kernen ved fjernelse af brændstofstængerne.
7. Hvilke energitransformationer finder sted i en atomreaktor?
   A. atomkernenes indre energi omdannes til lysenergi;
   B. atomkernenes indre energi omdannes til mekanisk energi;
   C. atomkernenes indre energi omdannes til elektrisk energi;
   G. Blandt svarene er der ikke noget korrekt.
8. I 1946 blev den første atomreaktor bygget i Sovjetunionen. Hvem var leder af dette projekt?
   A. S. Korolev;
   B. I. Kurchatov;
   V. D. Sakharov;
   G. A. Prokhorov.
9. Hvilken måde mener du er den mest acceptable for at øge pålideligheden af ​​atomkraftværker og forhindre forurening af det ydre miljø?
   A. udvikling af reaktorer, der er i stand til automatisk at afkøle reaktorkernen uanset operatørens vilje;
   B. øge kendskabet til NPP -drift, niveauet for den professionelle beredskab for NPP -operatører
   B. udvikling af yderst effektive teknologier til demontering af atomkraftværker og behandling af radioaktivt affald;
   D. placering af reaktorer dybt under jorden;
   D. afslag på at bygge og drive et atomkraftværk.
10. Hvilke kilder til miljøforurening er forbundet med driften af ​​et atomkraftværk?
    A. uranindustrien;
    B. atomreaktorer af forskellige typer;
    B. radiokemisk industri;
    D. behandlingssteder og bortskaffelse af radioaktivt affald
    E. brug af radionuklider i nationaløkonomien
    E. atomeksplosioner.

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

6. Lektionsoversigt.

Hvilket nyt har du lært i lektionen i dag?

Hvad kunne du lide i lektionen?

Hvilke spørgsmål har du?

TAK fordi du arbejdede i lektionen!

For at forstå princippet om drift og design af en atomreaktor skal du tage en kort udflugt til fortiden. En atomreaktor er en århundredgammel legemliggjort, omend ikke helt, menneskehedens drøm om en uudtømmelig energikilde. Dens gamle "stamfader" er en ild, der er lavet af tørre grene, som engang tændte og varmet hulens hvælvinger, hvor vores fjerne forfædre fandt frelse fra kulden. Senere beherskede folk kulbrinter - kul, skifer, olie og naturgas.

En stormfuld, men kortvarig æra af damp fulgte efterfulgt af en endnu mere fantastisk æra med elektricitet. Byer var fyldt med lys, og værksteder blev fyldt med brøl af hidtil usete maskiner, drevet af elektriske motorer. Så syntes det, at fremskridtet havde nået sit højdepunkt.

Alt ændrede sig i slutningen af ​​1800 -tallet, da den franske kemiker Antoine Henri Becquerel ved et uheld opdagede, at uransalte er radioaktive. To år senere fik hans landsmænd Pierre Curie og hans kone Maria Sklodowska-Curie radium og polonium fra dem, og niveauet for deres radioaktivitet var millioner af gange højere end thorium og uran.

Stafetten blev hentet af Ernest Rutherford, som i detaljer studerede radioaktive strålers art. Således begyndte atomalderen, der fødte sit elskede barn - atomreaktoren.

Første atomreaktor

"Firstborn" er fra USA. I december 1942 gav reaktoren den første strøm, som fik navnet på dens skaber - en af ​​århundredets største fysikere, E. Fermi. Tre år senere kom ZEEP -atomkraftværket til live i Canada. "Bronze" gik til den første sovjetiske F-1-reaktor, der blev lanceret i slutningen af ​​1946. IV Kurchatov blev leder af det indenlandske atomprojekt. Mere end 400 atomkraftenheder fungerer med succes i verden i dag.

Typer af atomreaktorer

Deres hovedformål er at støtte en kontrolleret atomreaktion, der producerer elektricitet. Nogle reaktorer producerer isotoper. Kort sagt er det enheder i dybden, hvoraf nogle stoffer omdannes til andre med frigivelse af en stor mængde termisk energi. Dette er en slags "ovn", hvor uranisotoper - U -235, U -238 og plutonium (Pu) - i stedet for traditionelle brændstofstyper "brændes".

I modsætning til for eksempel en bil designet til flere typer benzin, svarer hver type radioaktivt brændstof til sin egen type reaktor. Der er to af dem-langsomme (med U-235) og hurtige (med U-238 og Pu) neutroner. De fleste atomkraftværker har langsomme neutronreaktorer. Udover atomkraftværker ”arbejder” installationer i forskningscentre, på atomubåde osv.

Sådan fungerer reaktoren

Alle reaktorer har omtrent det samme skema. Dets "hjerte" er en aktiv zone. Det kan groft sagt sammenlignes med ildkassen på en almindelig komfur. Kun i stedet for brænde er der atombrændstof i form af brændstofelementer med en moderator - TVEL'er. Den aktive zone er placeret inde i en slags kapsel - en neutronreflektor. Brændstofstænger "vaskes" med et kølevæske - vand. Da "hjertet" har et meget højt niveau af radioaktivitet, er det omgivet af pålidelig strålingsbeskyttelse.

Operatører styrer driften af ​​anlægget ved hjælp af to kritiske systemer - kædereaktionskontrol og et fjernbetjeningssystem. Hvis der opstår en unormal situation, udløses nødbeskyttelsen øjeblikkeligt.

Sådan fungerer reaktoren

Den atomare "flamme" er usynlig, da processerne finder sted på nuklear fission. I løbet af en kædereaktion opløses tunge kerner i mindre fragmenter, som, når de ophidses, bliver kilder til neutroner og andre subatomære partikler. Men processen slutter ikke der. Neutroner fortsætter med at "splitte", hvilket resulterer i, at der frigives meget energi, det vil sige, hvad der sker af hensyn til hvilke atomkraftværker er bygget.

Personalets hovedopgave er at opretholde kædereaktionen ved hjælp af kontrolstænger på et konstant, justerbart niveau. Dette er dens største forskel fra atombomben, hvor atomnedbrydningsprocessen er ukontrollabel og hurtigt forløber i form af en kraftig eksplosion.

Hvad skete der ved atomkraftværket i Tjernobyl

En af hovedårsagerne til katastrofen ved atomkraftværket i Tjernobyl i april 1986 var en grov overtrædelse af driftssikkerhedsreglerne under rutinemæssig vedligeholdelse på enhed 4. Derefter blev 203 grafitstænger fjernet fra kernen på samme tid i stedet for 15 tilladt af forskrifterne. Som følge heraf endte den ukontrollerede kædereaktion, der begyndte, med en termisk eksplosion og fuldstændig ødelæggelse af kraftenheden.

Ny generation reaktorer

I løbet af det sidste årti er Rusland blevet en af ​​lederne i verdens atomkraftindustri. I øjeblikket bygger statsselskabet "Rosatom" atomkraftværker i 12 lande, hvor der bygges 34 kraftenheder. En så høj efterspørgsel er et bevis på det høje niveau af moderne russisk atomteknologi. Næste i rækken er reaktorer af den nye 4. generation.

"Brest"

En af dem er Brest, der udvikles som en del af gennembrudsprojektet. I øjeblikket kører open-cycle-systemer, der kører på lavt beriget uran, hvilket efterlader en stor mængde brugt brændstof, der skal bortskaffes, hvilket er dyrt. "Brest" er en hurtig neutronreaktor, en unik lukket cyklus.

I det bliver det brugte brændstof efter passende behandling i en hurtig neutronreaktor igen et brændstof med fuld værdi, som kan læsses tilbage i den samme installation.

Brest kendetegnes ved et højt sikkerhedsniveau. Det vil aldrig "eksplodere" selv ved den mest alvorlige ulykke, det er meget økonomisk og miljøvenligt, da det genbruger sit "fornyede" uran. Det kan heller ikke bruges til at producere våbenplutonium, hvilket åbner de bredeste udsigter for dets eksport.

VVER-1200

VVER-1200 er en innovativ 3+ generations reaktor med en kapacitet på 1150 MW. Takket være dens unikke tekniske egenskaber har den næsten absolut driftssikkerhed. Reaktoren er rigeligt udstyret med passive sikkerhedssystemer, der fungerer selv i mangel af strømforsyning i automatisk tilstand.

En af dem er et passivt varmefjernelsessystem, som automatisk aktiveres, når reaktoren er fuldstændig afkoblet. I dette tilfælde er der hydrauliske nødtanke. Med et unormalt trykfald i det primære kredsløb, føres en stor mængde vand, der indeholder bor, ind i reaktoren, som slukker atomreaktionen og absorberer neutroner.

En anden knowhow findes i bunden af ​​indeslutningen - smeltefælden. Hvis kernen alligevel som følge af ulykken "flyder", vil "fælden" ikke tillade inddæmning at falde sammen og forhindre indtrængning af radioaktive produkter i jorden.

Bygget under de vestlige bevoksninger på University of Chicago fodboldbane og taget i brug 2. december 1942, var Chicago Pile-1 (CP-1) verdens første atomreaktor. Den bestod af grafit- og uranblokke samt cadmium-, indium- og sølvkontrolstænger, men havde ikke noget strålingsbeskyttelses- og kølesystem. Projektets videnskabelige direktør, fysiker Enrico Fermi, beskrev CP-1 som "en fugtig bunke med sorte mursten og træstammer."

Arbejdet med reaktoren begyndte den 16. november 1942. Der er gjort hårdt arbejde. Fysikere og universitetsansatte arbejdede døgnet rundt. De byggede et gitter med 57 lag uranoxid og uranstænger indlejret i grafitblokke. En træramme understøttede strukturen. Fermis protege, Leona Woods - den eneste kvinde på projektet - tog omhyggelige målinger, da bunken voksede.

Den 2. december 1942 var reaktoren klar til test. Det indeholdt 22.000 uranstænger og forbrugte 380 tons grafit samt 40 tons uranoxid og seks tons uranmetal. Det tog 2,7 millioner dollars at bygge reaktoren. Forsøget begyndte klokken 09-45. Det deltog i 49 mennesker: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Heberry, Woods, en ung tømrer, der lavede grafitblokke og cadmiumstænger, læger, almindelige studerende og andre forskere.

Tre personer udgjorde "selvmordsgruppen" - de var en del af sikkerhedssystemet. Deres job var at slukke ilden, hvis noget gik galt. Der var også kontrol: kontrolstænger, der blev styret manuelt, og en nødstang, som var bundet til rækværket på balkonen over reaktoren. I nødstilfælde måtte en vagtperson på balkonen klippe rebet, og stangen ville slukke reaktionen.

I 15-53 begyndte for første gang i historien en selvbærende atomkædereaktion. Forsøget lykkedes. Reaktoren arbejdede i 28 minutter.