Co je jaderný reaktor a jak funguje? Jak funguje jaderný reaktor? Bezpečnost provozu JE
Zařízení a princip činnosti jsou založeny na inicializaci a řízení samoudržující jaderné reakce. Používá se jako výzkumný nástroj k výrobě radioaktivních izotopů a jako zdroj energie pro jaderné elektrárny.
princip fungování (stručně)
To využívá proces, při kterém se těžké jádro rozpadne na dva menší fragmenty. Tyto fragmenty jsou ve vysoce excitovaném stavu a emitují neutrony, další subatomární částice a fotony. Neutrony mohou způsobovat nová štěpení, což má za následek jejich další emitování a tak dále. Taková kontinuální samoudržující série štěpení se nazývá řetězová reakce. Zároveň vyniká velký počet energie, jejíž výroba je účelem využití jaderných elektráren.
Princip fungování jaderného reaktoru je takový, že asi 85 % štěpné energie se uvolní během velmi krátké doby po začátku reakce. Zbytek je produkován radioaktivním rozpadem štěpných produktů poté, co emitovaly neutrony. Radioaktivní rozpad je proces, při kterém atom dosáhne stabilnějšího stavu. Pokračuje po dokončení rozdělení.
V atomové bombě se řetězová reakce zvyšuje na intenzitě, dokud se většina materiálu nerozštěpí. To se děje velmi rychle a způsobuje extrémně silné exploze typické pro takové bomby. Konstrukce a princip fungování jaderného reaktoru jsou založeny na udržování řetězové reakce na řízené, téměř konstantní úrovni. Je navržen tak, aby explodoval jako atomová bomba, nemůže.
Řetězová reakce a kritičnost
Fyzika jaderného štěpného reaktoru spočívá v tom, že řetězová reakce je určena pravděpodobností rozdělení jádra po vypuštění neutronů. Pokud se populace posledně jmenovaných sníží, pak rychlost dělení nakonec klesne na nulu. V tomto případě bude reaktor v podkritickém stavu. Pokud je populace neutronů udržována na konstantní úrovni, pak rychlost štěpení zůstane stabilní. Reaktor bude v kritickém stavu. A konečně, pokud populace neutronů v průběhu času roste, rychlost štěpení a výkon se zvýší. Stav jádra se stane nadkritickým.
Princip fungování jaderného reaktoru je následující. Před jeho startem se populace neutronů blíží nule. Operátoři poté odstraní regulační tyče z aktivní zóny, čímž zvýší jaderné štěpení, což dočasně uvede reaktor do superkritického stavu. Po dosažení jmenovitého výkonu operátoři částečně vrátí regulační tyče a upraví počet neutronů. Následně je reaktor udržován v kritickém stavu. Když je potřeba zastavit, obsluha zasune tyče až na doraz. To potlačí štěpení a převede jádro do podkritického stavu.
Typy reaktorů
Většina světových jaderných elektráren jsou elektrárny, které generují teplo potřebné k roztočení turbín, které pohánějí generátory elektrické energie. Existuje také mnoho výzkumných reaktorů a některé země mají ponorky nebo hladinové lodě poháněné atomovou energií.
Energetické instalace
Existuje několik typů reaktorů tohoto typu, ale široce používané je lehkovodní provedení. Na druhou stranu může používat tlakovou vodu nebo vroucí vodu. V prvním případě se vysokotlaká kapalina zahřívá teplem aktivní zóny a vstupuje do parogenerátoru. Tam je teplo z primárního okruhu předáváno sekundárnímu okruhu, který také obsahuje vodu. Nakonec vytvořená pára slouží jako pracovní tekutina v cyklu parní turbíny.
Varný reaktor pracuje na principu přímého energetického cyklu. Voda procházející jádrem se při středním tlaku přivede k varu. Nasycená pára prochází řadou separátorů a sušiček umístěných v nádobě reaktoru, což způsobuje její přehřátí. Přehřátá vodní pára se pak použije jako pracovní kapalina, otáčení turbíny.
Vysokoteplotní chlazení plynem
Vysokoteplotní plynem chlazený reaktor (HTGR) je nukleární reaktor, jehož princip fungování je založen na použití směsi grafitu a palivových mikrokuliček jako paliva. Existují dva konkurenční návrhy:
- německý „fill“ systém, který využívá kulové palivové články o průměru 60 mm, které jsou směsí grafitu a paliva v grafitovém plášti;
- americká verze ve formě grafitových šestihranných hranolů, které do sebe zapadají a vytvářejí jádro.
V obou případech se chladicí kapalina skládá z helia pod tlakem asi 100 atmosfér. V německém systému prochází helium mezerami ve vrstvě kulových palivových článků a v americkém systému prochází helium otvory v grafitových hranolech umístěných podél osy centrální zóny reaktoru. Obě možnosti mohou pracovat s velmi vysoké teploty aha, protože grafit má extrémně vysokou sublimační teplotu a helium je zcela chemicky inertní. Horké helium může být aplikováno přímo jako pracovní tekutina v plynové turbíně při vysoké teplotě, nebo jeho teplo může být využito k výrobě páry vodního cyklu.
Tekutý kov a princip činnosti
Sodíkem chlazeným rychlým reaktorům byla věnována velká pozornost v 60. a 70. letech 20. století. Tehdy se zdálo, že jejich chovné schopnosti budou brzy potřeba k výrobě paliva pro rychle se rozvíjející jaderný průmysl. Když se v 80. letech ukázalo, že toto očekávání je nereálné, nadšení opadlo. Řada reaktorů tohoto typu však byla postavena v USA, Rusku, Francii, Velké Británii, Japonsku a Německu. Většina z nich běží na oxid uraničitý nebo jeho směs s oxidem plutoničitým. Ve Spojených státech však největší úspěch bylo dosaženo pomocí kovových paliv.
CANDU
Kanada zaměřuje své úsilí na reaktory využívající přírodní uran. Tím odpadá nutnost uchýlit se k obohacování služeb jiných zemí. Výsledkem této politiky byl deuterium-uranový reaktor (CANDU). Je řízen a chlazen těžkou vodou. Konstrukce a princip fungování jaderného reaktoru spočívá v použití zásobníku studeného D 2 O při atmosférickém tlaku. Jádro je proraženo trubkami ze slitiny zirkonia obsahující přírodní uranové palivo, kterými cirkuluje těžká voda, která jej ochlazuje. Elektřina se vyrábí přenosem štěpného tepla v těžké vodě do chladicí kapaliny, která cirkuluje parogenerátorem. Pára v sekundárním okruhu pak prochází konvenčním turbínovým cyklem.
Výzkumná zařízení
Pro vědecký výzkum Nejčastěji se používá jaderný reaktor, jehož principem činnosti je využití vodního chlazení a deskových uranových palivových článků ve formě sestav. Schopný pracovat v širokém rozsahu úrovní výkonu, od několika kilowattů až po stovky megawattů. Protože výroba energie není primárním účelem výzkumných reaktorů, jsou charakterizovány vyrobenou tepelnou energií, hustotou a nominální energií neutronů jádra. Právě tyto parametry pomáhají kvantifikovat schopnost výzkumného reaktoru provádět konkrétní výzkum. Nízkoenergetické systémy se obvykle vyskytují na univerzitách a používají se pro výuku, zatímco systémy s vysokým výkonem jsou potřebné ve výzkumných laboratořích pro testování materiálů a výkonu a obecný výzkum.
Nejběžnější je výzkumný jaderný reaktor, jehož struktura a princip fungování je následující. Jeho jádro se nachází na dně velkého, hlubokého bazénu s vodou. To zjednodušuje pozorování a umístění kanálů, kterými mohou být směrovány neutronové paprsky. Při nízkých úrovních výkonu není potřeba čerpat chladicí kapalinu, protože přirozená konvekce chladicí kapaliny zajišťuje dostatečný odvod tepla pro udržení bezpečných provozních podmínek. Výměník je obvykle umístěn na povrchu nebo v horní části bazénu, kde se akumuluje teplá voda.
Lodní instalace
Původní a hlavní aplikací jaderných reaktorů je jejich použití v ponorkách. Jejich hlavní výhodou je, že na rozdíl od systémů spalování fosilních paliv nepotřebují k výrobě elektřiny vzduch. Jaderná ponorka proto může zůstat ponořená po dlouhou dobu, zatímco konvenční diesel-elektrická ponorka musí pravidelně stoupat k hladině, aby zapálila své motory ve vzduchu. dává strategickou výhodu Námořní lodě. Díky němu není potřeba tankovat v zahraničních přístavech nebo ze snadno zranitelných tankerů.
Princip fungování jaderného reaktoru na ponorce je klasifikován. Je však známo, že v USA se používá vysoce obohacený uran a je zpomalován a chlazen lehkou vodou. Konstrukce prvního jaderného ponorkového reaktoru, USS Nautilus, byla silně ovlivněna výkonnými výzkumnými zařízeními. Jeho jedinečné vlastnosti je velmi velká rezerva reaktivity, která poskytuje dlouhou dobu provozu bez doplňování paliva a schopnost restartu po zastavení. Elektrárna v ponorkách musí být velmi tichá, aby nedošlo k odhalení. Pro splnění specifických potřeb různých tříd ponorek byly vytvořeny různé modely elektráren.
Letadlové lodě amerického námořnictva používají jaderný reaktor, jehož provozní princip je považován za vypůjčený od největších ponorek. Podrobnosti o jejich designu také nebyly zveřejněny.
Kromě Spojených států mají jaderné ponorky Velká Británie, Francie, Rusko, Čína a Indie. V každém případě nebyl návrh zveřejněn, ale má se za to, že jsou všechny velmi podobné - je to důsledek stejných požadavků na ně Technické specifikace. Rusko má také malou flotilu, která používá stejné reaktory jako sovětské ponorky.
Průmyslová zařízení
Pro výrobní účely je využíván jaderný reaktor, jehož principem činnosti je vysoká produktivita při nízké úrovni výroby energie. To je způsobeno skutečností, že dlouhý pobyt plutonia v jádře vede k akumulaci nežádoucího 240 Pu.
Výroba tritia
V současné době je hlavním materiálem produkovaným těmito systémy tritium (3H nebo T) - náplň pro Plutonium-239 má dlouhý poločas rozpadu 24 100 let, takže země s arzenály jaderných zbraní používající tento prvek ho mívají více než je nutné. Na rozdíl od 239 Pu má tritium poločas rozpadu přibližně 12 let. Aby se tedy udržely potřebné zásoby, musí se tento radioaktivní izotop vodíku vyrábět nepřetržitě. Například ve Spojených státech Savannah River (Jižní Karolína) provozuje několik těžkovodních reaktorů, které produkují tritium.
Plovoucí pohonné jednotky
Byly vytvořeny jaderné reaktory, které mohou poskytovat elektřinu a ohřev páry do vzdálených izolovaných oblastí. Například v Rusku našly využití malé elektrárny speciálně navržené pro obsluhu Arktidy. osad. V Číně 10 MW HTR-10 poskytuje teplo a energii výzkumnému ústavu, kde se nachází. Vývoj malých automaticky řízených reaktorů s podobnými schopnostmi probíhá ve Švédsku a Kanadě. V letech 1960 až 1972 používala americká armáda kompaktní vodní reaktory k napájení vzdálených základen v Grónsku a Antarktidě. Nahradily je ropné elektrárny.
Dobývání vesmíru
Kromě toho byly vyvinuty reaktory pro napájení a pohyb ve vesmíru. V letech 1967 až 1988 instaloval Sovětský svaz na své satelity řady Cosmos malé jaderné bloky pro napájení zařízení a telemetrie, ale tato politika se stala terčem kritiky. Nejméně jeden z těchto satelitů vstoupil do zemské atmosféry a způsobil radioaktivní kontaminaci v odlehlých oblastech Kanady. Spojené státy vypustily v roce 1965 pouze jeden satelit s jaderným pohonem. Nadále se však rozvíjejí projekty pro jejich využití při dálkových letech do vesmíru, při pilotovaném průzkumu jiných planet nebo na trvalé měsíční základně. Nezbytně se bude jednat o plynem chlazený nebo tekutý kovový jaderný reaktor, jehož fyzikální principy zajistí nejvyšší možnou teplotu nezbytnou pro minimalizaci velikosti radiátoru. Reaktor pro kosmickou technologii musí být navíc co nejkompaktnější, aby se minimalizovalo množství materiálu použitého na stínění a aby se snížila hmotnost během startu a kosmického letu. Zásoba paliva zajistí provoz reaktoru po celou dobu kosmického letu.
Význam nukleární energie v moderním světě
Jaderná energetika udělala za posledních několik desetiletí obrovský pokrok a stala se jedním z nejdůležitějších zdrojů elektřiny pro mnoho zemí. Zároveň je třeba připomenout, že za rozvojem tohoto odvětví národního hospodářství stojí enormní úsilí desítek tisíc vědců, inženýrů i obyčejných dělníků, kteří dělají vše pro to, aby se „mírumilovný atom“ neproměnil v skutečnou hrozbou pro miliony lidí. Skutečným jádrem každé jaderné elektrárny je jaderný reaktor.
Historie vzniku jaderného reaktoru
První takové zařízení sestrojil na vrcholu druhé světové války v USA slavný vědec a inženýr E. Fermi. Pro svůj neobvyklý vzhled, který připomínal stoh grafitových bloků naskládaných na sebe, byl tento jaderný reaktor nazýván Chicago Stack. Za zmínku stojí, že toto zařízení fungovalo na uran, který byl umístěn právě mezi bloky.
Vytvoření jaderného reaktoru v Sovětském svazu
Zvýšená pozornost byla u nás věnována i jaderné problematice. Navzdory skutečnosti, že hlavní úsilí vědců bylo soustředěno na vojenské využití atomu, aktivně využívali získané výsledky pro mírové účely. První jaderný reaktor s kódovým označením F-1 postavila koncem prosince 1946 skupina vědců vedená slavným fyzikem I. Kurčatovem. Jeho významnou nevýhodou byla absence jakéhokoli chladicího systému, takže síla energie, kterou uvolňovala, byla extrémně zanedbatelná. Sovětští výzkumníci zároveň dokončili započaté práce, jejichž výsledkem bylo o pouhých osm let později otevření první jaderné elektrárny na světě ve městě Obninsk.
Princip činnosti reaktoru
Jaderný reaktor je extrémně složité a nebezpečné technické zařízení. Jeho princip fungování je založen na skutečnosti, že při rozpadu uranu se uvolňuje několik neutronů, které zase vyřazují elementární částice ze sousedních atomů uranu. Tato řetězová reakce uvolňuje značné množství energie ve formě tepla a gama paprsků. Zároveň je třeba vzít v úvahu skutečnost, že pokud tato reakce není nijak řízena, pak štěpení atomů uranu v co nejkratším čase může vést k silné explozi s nežádoucími následky.
Aby reakce probíhala v přesně definovaných mezích, má velký význam konstrukce jaderného reaktoru. V současné době je každá taková konstrukce jakýmsi kotlem, kterým proudí chladicí kapalina. V této kapacitě se obvykle používá voda, ale existují jaderné elektrárny, které používají kapalný grafit nebo těžkou vodu. Moderní jaderný reaktor si nelze představit bez stovek speciálních šestihranných kazet. Obsahují prvky generující palivo, jejichž kanály proudí chladicí kapalina. Tato kazeta je potažena speciální vrstvou, která je schopná odrážet neutrony a tím zpomalovat řetězovou reakci
Jaderný reaktor a jeho ochrana
Má několik úrovní ochrany. Kromě samotného těla je svrchu pokryt speciální tepelnou izolací a biologickou ochranou. Z technického hlediska je tato konstrukce výkonným železobetonovým bunkrem, jehož dveře jsou co nejtěsněji uzavřeny.
: ... celkem banální, ale přesto jsem stále nenašel informaci ve stravitelné podobě - jak ZAČÍNÁ fungovat jaderný reaktor. Vše o principu a struktuře práce již bylo přežvýkáno více než 300krát a je jasné, ale zde je uvedeno, jak se palivo získává a z čeho a proč není tak nebezpečné, dokud není v reaktoru a proč nereaguje dříve, než je ponořený do reaktoru! - přeci jen se topí jen uvnitř, přesto je před naložením palivo studené a vše je v pořádku, takže není úplně jasné, co způsobuje zahřívání článků, jak jsou ovlivněny a tak dále, nejlépe ne vědecky).
Je samozřejmě těžké zarámovat takové téma nevědeckým způsobem, ale zkusím to. Pojďme nejprve zjistit, co jsou tyto palivové tyče.
Jaderné palivo jsou černé tablety o průměru asi 1 cm a výšce asi 1,5 cm. Obsahují 2 % oxidu uraničitého 235 a 98 % uranu 238, 236, 239. Ve všech případech s jakýmkoliv množstvím jaderného paliva jaderný výbuch se nemůže vyvinout, protože pro lavinu podobnou rychlou štěpnou reakci charakteristickou pro jaderný výbuch je zapotřebí koncentrace uranu 235 vyšší než 60 %.
Dvě stě jaderných palivových pelet je naloženo do trubky vyrobené ze zirkoniového kovu. Délka této trubky je 3,5m. průměr 1,35 cm Tato trubice se nazývá palivový článek - palivový článek. 36 palivových tyčí je složeno do kazety (jiný název je „montáž“).
Konstrukce palivového článku reaktoru RBMK: 1 - zátka; 2 - tablety oxidu uraničitého; 3 - zirkonový plášť; 4 - pružina; 5 - průchodka; 6 - špička.
Přeměna látky je doprovázena uvolněním volné energie pouze v případě, že látka má zásobu energie. To druhé znamená, že mikročástice látky jsou ve stavu s klidovou energií větší než v jiném možném stavu, do kterého existuje přechod. Samovolnému přechodu vždy brání energetická bariéra, k jejímuž překonání musí mikročástice přijmout určité množství energie zvenčí - excitační energii. Exoenergetická reakce spočívá v tom, že při transformaci po excitaci se uvolní více energie, než je potřeba k vybuzení procesu. Existují dva způsoby, jak překonat energetickou bariéru: buď díky kinetické energii srážejících se částic, nebo díky vazebné energii spojující částice.
Budeme-li mít na paměti makroskopické měřítko uvolňování energie, pak všechny nebo zpočátku alespoň některá část částic látky musí mít kinetickou energii nezbytnou k vybuzení reakcí. Toho lze dosáhnout pouze zvýšením teploty média na hodnotu, při které se energie tepelného pohybu blíží energetickému prahu omezujícímu průběh procesu. V případě molekulárních přeměn, tedy chemických reakcí, je takové zvýšení obvykle stovky stupňů Kelvina, ale v případě jaderných reakcí je to minimálně 107 K kvůli velmi vysoká nadmořská výška Coulombovy bariéry srážejících se jader. Tepelné buzení jaderných reakcí se v praxi provádí pouze při syntéze nejlehčích jader, u kterých jsou Coulombovy bariéry minimální (termonukleární fúze).
Excitace spojováním částic nevyžaduje velkou kinetickou energii, a proto nezávisí na teplotě média, protože k němu dochází v důsledku nevyužitých vazeb, které jsou vlastní přitažlivým silám částic. Ale pro vybuzení reakcí jsou nutné samotné částice. A pokud opět nemáme na mysli samostatný akt reakce, ale výrobu energie v makroskopickém měřítku, pak je to možné pouze tehdy, když dojde k řetězové reakci. K tomu druhému dochází, když se částice, které vybudí reakci, znovu objeví jako produkty exoenergetické reakce.
K řízení a ochraně jaderného reaktoru se používají regulační tyče, které lze posouvat po celé výšce aktivní zóny. Tyčinky jsou vyrobeny z látek, které silně pohlcují neutrony – například bor nebo kadmium. Když jsou tyče zasunuty hluboko, řetězová reakce se stane nemožnou, protože neutrony jsou silně absorbovány a odstraněny z reakční zóny.
Tyče se pohybují dálkově z ovládacího panelu. Při mírném pohybu tyčí se řetězový proces buď rozvine, nebo vybledne. Tímto způsobem je regulován výkon reaktoru.
JE Leningrad, reaktor RBMK
Zahájení provozu reaktoru:
V počátečním okamžiku po prvním zavážení paliva neprobíhá v reaktoru řetězová štěpná reakce, reaktor je v podkritickém stavu. Teplota chladicí kapaliny je výrazně nižší než provozní teplota.
Jak jsme zde již uvedli, pro zahájení řetězové reakce musí štěpný materiál vytvořit kritickou hmotu - dostatečné množství samovolně štěpitelného materiálu v dostatečně malém prostoru, což je podmínka, za níž musí být počet neutronů uvolněných při jaderném štěpení větší než počet absorbovaných neutronů. Toho lze dosáhnout zvýšením obsahu uranu-235 (množství naložených palivových tyčí), nebo zpomalením rychlosti neutronů, aby neprolétly kolem jader uranu-235.
Reaktor je uveden do provozu v několika stupních. Pomocí regulátorů reaktivity se reaktor převede do nadkritického stavu Kef>1 a výkon reaktoru se zvýší na úroveň 1-2 % jmenovitého. V této fázi je reaktor ohříván na provozní parametry chladiva a rychlost ohřevu je omezena. Během procesu ohřevu udržují ovládací prvky výkon na konstantní úrovni. Poté se spustí oběhová čerpadla a uvede se do provozu systém odvodu tepla. Poté lze výkon reaktoru zvýšit na libovolnou úroveň v rozsahu od 2 do 100 % jmenovitého výkonu.
Když se reaktor zahřívá, reaktivita se mění v důsledku změn teploty a hustoty materiálů aktivní zóny. Někdy se během ohřevu změní vzájemná poloha jádra a ovládacích prvků, které vstupují do jádra nebo jej opouštějí, což způsobuje efekt reaktivity při absenci aktivního pohybu ovládacích prvků.
Regulace pevnými, pohyblivými absorpčními prvky
Pro rychlou změnu reaktivity se v naprosté většině případů používají pevné pohyblivé absorbéry. V reaktoru RBMK obsahují regulační tyče pouzdra z karbidu boru uzavřená v trubce z hliníkové slitiny o průměru 50 nebo 70 mm. Každá regulační tyč je umístěna v samostatném kanálu a je chlazena vodou z okruhu řídicího a ochranného systému (řídicí a ochranný systém) na průměrnou teplotu 50 °C. Podle účelu se tyče dělí na AZ (nouzová ochrana ) pruty, takových prutů je v RBMK 24. Tyče automatického řízení - 12 kusů, tyče místního automatického ovládání - 12 kusů, tyče ručního ovládání - 131 a 32 zkrácených tyčí tlumiče (USP). Celkem je zde 211 prutů. Navíc jsou zkrácené tyče vkládány do jádra zespodu, zbytek shora.
reaktor VVER 1000. 1 - pohon řídicího systému; 2 - kryt reaktoru; 3 - těleso reaktoru; 4 - blok ochranných trubek (BZT); 5 - hřídel; 6 - pouzdro jádra; 7 - palivové soubory (FA) a regulační tyče;
Hořlavé absorpční prvky.
Pro kompenzaci nadměrné reaktivity po naložení čerstvého paliva se často používají spalitelné absorbéry. Princip fungování spočívá v tom, že stejně jako palivo po zachycení neutronu následně přestanou neutrony absorbovat (vyhoří). Kromě toho je rychlost poklesu v důsledku absorpce neutronů jádry absorbéru menší nebo rovna rychlosti poklesu v důsledku štěpení jader paliva. Zatížíme-li reaktorovou zónou palivem určeným k provozu na rok, je zřejmé, že počet jader štěpného paliva na začátku provozu bude větší než na konci a přebytek reaktivity musíme kompenzovat umístěním absorbérů. v jádru. Pokud jsou k tomuto účelu použity regulační tyče, musíme jimi neustále pohybovat, jak se snižuje počet jader paliva. Použití spalitelných absorbérů snižuje použití pohyblivých tyčí. V dnešní době se hořlavé absorbenty často přidávají přímo do palivových pelet při jejich výrobě.
Kontrola reaktivity kapalin.
Taková regulace se využívá zejména při provozu reaktoru typu VVER, kdy se do chladiva zavádí kyselina boritá H3BO3 obsahující 10B jádra absorbující neutrony. Změnou koncentrace kyseliny borité v dráze chladiva tím měníme reaktivitu v aktivní zóně. V počáteční období Během provozu reaktoru, kdy je mnoho jader paliva, je koncentrace kyseliny maximální. Jak palivo dohořívá, koncentrace kyseliny klesá.
Mechanismus řetězové reakce
Jaderný reaktor může pracovat na daném výkonu dlouhodobě pouze v případě, že má na začátku provozu rezervu reaktivity. Výjimkou jsou podkritické reaktory s vnější zdroj tepelné neutrony. Uvolňování vázané reaktivity při jejím snižování z přirozených důvodů zajišťuje udržení kritického stavu reaktoru v každém okamžiku jeho provozu. Počáteční rezerva reaktivity je vytvořena konstrukcí jádra s rozměry výrazně přesahujícími kritické. Aby se zabránilo nadkritickému stavu reaktoru, je současně uměle redukováno k0 živného média. Toho je dosaženo zavedením látek absorbujících neutrony do aktivní zóny, které lze následně z aktivní zóny odstranit. Stejně jako u prvků pro řízení řetězové reakce jsou absorpční látky obsaženy v materiálu tyčí jednoho nebo druhého průřez, pohybující se po odpovídajících kanálech v aktivní zóně. Pokud však pro regulaci stačí jedna nebo dvě nebo několik tyčí, pak pro kompenzaci počáteční nadměrné reaktivity může počet tyčí dosáhnout stovek. Tyto tyče se nazývají kompenzační tyče. Ovládací a kompenzační tyče nemusí nutně představovat různé designové prvky. Řada kompenzačních tyčí může být regulačními tyčemi, ale funkce obou se liší. Řídicí tyče jsou navrženy tak, aby kdykoli udržely kritický stav, zastavily a spustily reaktor a přecházely z jedné výkonové úrovně do druhé. Všechny tyto operace vyžadují malé změny reaktivity. Z aktivní zóny reaktoru jsou postupně odstraňovány kompenzační tyče, které zajišťují kritický stav po celou dobu jeho provozu.
Někdy nejsou regulační tyče vyrobeny z absorpčních materiálů, ale ze štěpného materiálu nebo rozptylového materiálu. V tepelných reaktorech se jedná především o absorbéry neutronů, účinné rychlé absorbéry neutronů neexistují. Absorbéry jako kadmium, hafnium a další silně absorbují pouze tepelné neutrony díky blízkosti první rezonance k tepelné oblasti a mimo ni se svými absorpčními vlastnostmi neliší od ostatních látek. Výjimkou je bor, jehož průřez absorpce neutronů klesá s energií mnohem pomaleji než u uvedených látek podle l/v zákona. Proto bor pohlcuje rychlé neutrony, i když slabě, ale o něco lépe než jiné látky. Materiálem absorbéru v reaktoru s rychlými neutrony může být pouze bór, pokud možno obohacený izotopem 10B. Kromě boru se pro regulační tyče v reaktorech s rychlými neutrony používají také štěpné materiály. Kompenzační tyč vyrobená ze štěpného materiálu plní stejnou funkci jako tyč absorbující neutrony: zvyšuje reaktivitu reaktoru, zatímco ta přirozeně klesá. Na rozdíl od absorbéru je však taková tyč umístěna vně aktivní zóny na začátku provozu reaktoru a poté je zaváděna do aktivní zóny.
Rozptylové materiály používané v rychlých reaktorech jsou nikl, který má rozptylový průřez pro rychlé neutrony o něco větší než průřezy jiných látek. Tyčinky rozptylovače jsou umístěny po obvodu aktivní zóny a jejich ponořením do odpovídajícího kanálu dochází ke snížení úniku neutronů z aktivní zóny a následně ke zvýšení reaktivity. V některých speciálních případech slouží k řízení řetězové reakce pohyblivé části reflektorů neutronů, které při pohybu mění únik neutronů z aktivní zóny. Řídicí, kompenzační a havarijní tyče spolu s veškerým zařízením, které zajišťuje jejich normální fungování, tvoří řídicí a ochranný systém reaktoru (CPS).
Nouzová ochrana:
Havarijní ochrana jaderného reaktoru je soubor zařízení určených k rychlému zastavení jaderné řetězové reakce v aktivní zóně reaktoru.
Aktivní havarijní ochrana se automaticky spustí, když některý z parametrů jaderného reaktoru dosáhne hodnoty, která by mohla vést k havárii. Tyto parametry mohou zahrnovat: teplotu, tlak a průtok chladicí kapaliny, úroveň a rychlost nárůstu výkonu.
Výkonnými prvky havarijní ochrany jsou ve většině případů tyče s látkou dobře pohlcující neutrony (bór nebo kadmium). Někdy se pro vypnutí reaktoru vstřikuje do chladicí smyčky absorbér kapaliny.
Mnoho moderních provedení obsahuje kromě aktivní ochrany také prvky pasivní ochrany. Například moderní verze reaktorů VVER obsahují „Emergency Core Cooling System“ (ECCS) – speciální nádrže s kyselinou boritou umístěné nad reaktorem. V případě max projektová havárie(prasknutí prvního chladícího okruhu reaktoru), obsah těchto nádrží samospádem skončí uvnitř aktivní zóny reaktoru a dojde k uhašení jaderné řetězové reakce velkým množstvím látky obsahující bor, která dobře pohlcuje neutrony.
Podle „Pravidel jaderné bezpečnosti pro reaktorová zařízení jaderných elektráren“ musí alespoň jeden z poskytovaných systémů odstavení reaktoru plnit funkci havarijní ochrany (EP). Havarijní ochrana musí mít minimálně dvě nezávislé skupiny pracovních prvků. Při signálu AZ musí být pracovní části AZ aktivovány z jakékoli pracovní nebo mezilehlé polohy.
Zařízení AZ se musí skládat minimálně ze dvou nezávislých sad.
Každá sada zařízení AZ musí být navržena tak, aby byla zajištěna ochrana v rozsahu změn hustoty toku neutronů od 7 % do 120 % jmenovité hodnoty:
1. Podle hustoty toku neutronů - ne méně než tři nezávislé kanály;
2. Podle rychlosti nárůstu hustoty toku neutronů - ne méně než tři nezávislé kanály.
Každý soubor zařízení havarijní ochrany musí být navržen tak, aby v celém rozsahu změn technologických parametrů stanovených v projektu reaktorového bloku (RP) byla havarijní ochrana zajišťována minimálně třemi nezávislými kanály pro každý technologický parametr pro které je nutná ochrana.
Ovládací povely každé sady pro akční členy AZ musí být přenášeny minimálně dvěma kanály. Když je jeden kanál v jedné ze sad zařízení AZ vyřazen z provozu, aniž by byla tato sada vyřazena z provozu, měl by být pro tento kanál automaticky generován poplachový signál.
Nouzová ochrana musí být spuštěna alespoň v následujících případech:
1. Po dosažení nastavení AZ pro hustotu toku neutronů.
2. Po dosažení nastavení AZ pro rychlost nárůstu hustoty toku neutronů.
3. Zmizí-li napětí v některé sadě zařízení nouzové ochrany a napájecích sběrnicích CPS, které nebyly vyřazeny z provozu.
4. V případě poruchy jakýchkoliv dvou ze tří ochranných kanálů pro hustotu toku neutronů nebo pro rychlost nárůstu toku neutronů v jakékoli sestavě zařízení AZ, která nebyla vyřazena z provozu.
5. Při dosažení nastavení AZ technologickými parametry, pro které musí být ochrana provedena.
6. Při spouštění AZ z klíče z řídicího bodu bloku (BCP) nebo rezervního řídicího bodu (RCP).
Možná někdo může ještě méně vědeckým způsobem stručně vysvětlit, jak začíná fungovat blok jaderné elektrárny? :-)
Vzpomeňte si na podobné téma Původní článek je na webu InfoGlaz.rf Odkaz na článek, ze kterého byla vytvořena tato kopie -
Dnes se vydáme na krátkou cestu do světa jaderné fyziky. Tématem naší exkurze bude jaderný reaktor. Dozvíte se, jak funguje, jaké fyzikální principy stojí za jeho fungováním a kde se toto zařízení používá.
Zrození jaderné energie
První jaderný reaktor na světě vznikl v roce 1942 v USA experimentální skupina fyziků vedená nositelem Nobelovy ceny Enrico Fermim. Zároveň provedli samoudržující reakci štěpení uranu. Atomový džin byl propuštěn.
První sovětský jaderný reaktor byl spuštěn v roce 1946, a o 8 let později vyrobila proud první jaderná elektrárna na světě ve městě Obninsk. Hlavní vědecký supervizor práce v jaderné energetice SSSR byl vynikající fyzik Igor Vasilievič Kurčatov.
Od té doby se vystřídalo několik generací jaderných reaktorů, ale hlavní prvky jeho konstrukce zůstaly nezměněny.
Anatomie jaderného reaktoru
Toto jaderné zařízení je silnostěnná ocelová nádrž s válcovým objemem od několika kubických centimetrů do mnoha kubických metrů.
Uvnitř tohoto válce je svatyně svatých - jádro reaktoru. Zde dochází k řetězové reakci jaderného štěpení.
Podívejme se, jak tento proces probíhá.
Zejména jádra těžkých prvků Uran-235 (U-235), pod vlivem malého energetického šoku jsou schopny se rozpadnout na 2 fragmenty přibližně stejné hmotnosti. Původcem tohoto procesu je neutron.
Fragmenty jsou nejčastěji jádra barya a kryptonu. Každý z nich nese kladný náboj, takže je Coulombské odpudivé síly donutí rozletět se různé strany asi 1/30 rychlosti světla. Tyto fragmenty jsou nositeli kolosální kinetické energie.
Pro praktické využití energie je nutné, aby její uvolňování bylo samospasitelné. Řetězová reakce, Dotyčné štěpení je obzvláště zajímavé, protože každý štěpný děj je doprovázen emisí nových neutronů. Na jeden počáteční neutron se v průměru vyrobí 2-3 nové neutrony. Počet štěpných jader uranu se zvyšuje jako lavina, způsobí uvolnění obrovské energie. Pokud tento proces není řízen, dojde k jadernému výbuchu. Odehrává se v .
K regulaci počtu neutronů materiály, které absorbují neutrony, jsou zavedeny do systému, zajišťující plynulé uvolňování energie. Jako absorbéry neutronů se používá kadmium nebo bor.
Jak omezit a využít obrovskou kinetickou energii úlomků? K těmto účelům se používá chladicí kapalina, tzn. speciální prostředí, pohyb, ve kterém se úlomky zpomalují a zahřívají na extrémně vysoké teploty. Takovým médiem může být obyčejná nebo těžká voda, kapalné kovy (sodík), ale i některé plyny. Aby nedošlo k přechodu chladicí kapaliny do stavu páry, v jádru je podporováno vysoký tlak(až 160 atm). Z tohoto důvodu jsou stěny reaktoru vyrobeny z deseticentimetrové oceli speciálních jakostí.
Pokud neutrony unikají za jaderné palivo, může být řetězová reakce přerušena. Proto existuje kritické množství štěpného materiálu, tzn. jeho minimální hmotnost, při které bude zachována řetězová reakce. Závisí na různých parametrech, včetně přítomnosti reflektoru obklopujícího jádro reaktoru. Slouží k zamezení úniku neutronů do životní prostředí. Nejběžnějším materiálem pro tento konstrukční prvek je grafit.
Procesy probíhající v reaktoru jsou doprovázeny uvolňováním nebezpečně vypadající záření – gama záření. Pro minimalizaci tohoto nebezpečí je vybavena protiradiační ochranou.
Jak funguje jaderný reaktor?
Jaderné palivo, nazývané palivové tyče, je umístěno v aktivní zóně reaktoru. Jsou to tablety vytvořené z drtitelného materiálu a umístěné v tenkých trubičkách o délce asi 3,5 m a průměru 10 mm.
V aktivní zóně jsou umístěny stovky podobných palivových souborů, které se stávají zdroji tepelné energie uvolněné během řetězové reakce. Chladivo proudící kolem palivových tyčí tvoří první okruh reaktoru.
Zahřátý na vysoké parametry je čerpán do parogenerátoru, kde předává svou energii vodě sekundárního okruhu a přeměňuje ji na páru. Vzniklá pára roztáčí turbogenerátor. Elektřina generovaná touto jednotkou je přenášena ke spotřebiteli. A odpadní pára, ochlazená vodou z chladicího jezírka, ve formě kondenzátu, se vrací do parogenerátoru. Cyklus je dokončen.
Tento dvouokruhový provoz jaderného zařízení zabraňuje pronikání radiace doprovázející procesy probíhající v aktivní zóně za její hranice.
V reaktoru tak dochází k řetězci energetických přeměn: jaderná energie štěpného materiálu → na kinetickou energii úlomků → tepelná energie chladiva → kinetická energie turbíny → a na elektrickou energii v generátoru.
Nevyhnutelné energetické ztráty vedou k Účinnost jaderných elektráren je poměrně nízká, 33–34 %.
Kromě výroby elektrické energie v jaderných elektrárnách se jaderné reaktory využívají k výrobě různých radioaktivních izotopů, k výzkumu v mnoha oblastech průmyslu a ke studiu přípustných parametrů průmyslových reaktorů. Dopravní reaktory, které poskytují energii motorům vozidel, jsou stále rozšířenější.
Typy jaderných reaktorů
Typicky, jaderné reaktory běží na U-235 uranu. Jeho obsah v přírodním materiálu je však extrémně nízký, pouze 0,7 %. Převážnou část přírodního uranu tvoří izotop U-238. Pouze pomalé neutrony mohou způsobit řetězovou reakci v U-235 a izotop U-238 je štěpen pouze rychlými neutrony. V důsledku štěpení jádra se rodí pomalé i rychlé neutrony. Rychlé neutrony, které zažívají inhibici v chladicí kapalině (vodě), se stávají pomalými. Ale množství izotopu U-235 v přírodním uranu je tak malé, že je nutné uchýlit se k jeho obohacování, čímž se jeho koncentrace zvýší na 3–5 %. Tento proces je velmi nákladný a ekonomicky nerentabilní. Doba vyčerpání přírodních zdrojů tohoto izotopu se navíc odhaduje pouze na 100-120 let.
Proto v jaderném průmyslu Dochází k postupnému přechodu na reaktory pracující na rychlých neutronech.
Jejich hlavní rozdíl je v tom, že jako chladivo používají tekuté kovy, které nezpomalují neutrony, a jako jaderné palivo se používá U-238. Jádra tohoto izotopu procházejí řetězcem jaderných přeměn na Plutonium-239, které podléhá řetězové reakci stejně jako U-235. To znamená, že jaderné palivo se reprodukuje a v množství převyšujícím jeho spotřebu.
Podle odborníků zásoby izotopu uranu-238 by měly vystačit na 3000 let. Tento čas stačí k tomu, aby lidstvo mělo dostatek času na vývoj dalších technologií.
Problémy využívání jaderné energie
Spolu se zřejmými výhodami jaderná energie Rozsah problémů spojených s provozem jaderných zařízení nelze podceňovat.
První je likvidace radioaktivního odpadu a demontovaného zařízení nukleární energie. Tyto prvky mají aktivní záření na pozadí, které přetrvává po dlouhou dobu. K likvidaci tohoto odpadu se používají speciální olověné nádoby. Mají být pohřbeni v oblastech permafrostu v hloubce až 600 metrů. Neustále se proto pracuje na hledání způsobu recyklace radioaktivního odpadu, který by měl vyřešit problém likvidace a pomoci zachovat ekologii naší planety.
Druhým neméně závažným problémem je zajištění bezpečnosti při provozu JE. Velké havárie, jako je Černobyl, mohou mnohé odnést lidské životy a zlikvidovat rozsáhlé oblasti.
Nehoda v japonské jaderné elektrárně Fukušima-1 jen potvrdila potenciální nebezpečí, které se projevuje při vzniku mimořádné situace na jaderných zařízeních.
Možnosti jaderné energetiky jsou však tak velké, že ekologické problémy ustoupit do pozadí.
Dnes lidstvo nemá jiný způsob, jak ukojit svůj stále se zvyšující energetický hlad. Základem jaderné energetiky budoucnosti budou pravděpodobně „rychlé“ reaktory s funkcí reprodukce jaderného paliva.
Pokud by vám tato zpráva byla užitečná, rád vás uvidím
Jaderný reaktor funguje hladce a efektivně. Jinak, jak víte, nastanou potíže. Ale co se děje uvnitř? Zkusme formulovat princip fungování jaderného (jaderného) reaktoru stručně, jasně, se zastávkami.
V podstatě tam probíhá stejný proces jako při jaderném výbuchu. Pouze k výbuchu dojde velmi rychle, ale v reaktoru se to vše protahuje na dlouhou dobu. Výsledkem je, že vše zůstává v bezpečí a my přijímáme energii. Ne tak moc, že by bylo všechno kolem zničeno najednou, ale zcela dostačující na to, aby město zásobovalo elektřinou.
Než pochopíte, jak probíhá řízená jaderná reakce, musíte vědět, co to je jaderná reakce vůbec.
Jaderná reakce je proces přeměny (štěpení) atomových jader při jejich interakci s elementárními částicemi a gama zářením.
Jaderné reakce mohou probíhat jak při absorpci, tak při uvolňování energie. Reaktor využívá druhé reakce.
Nukleární reaktor je zařízení, jehož účelem je udržovat řízenou jadernou reakci s uvolňováním energie.
Jaderný reaktor se často nazývá také atomový reaktor. Poznamenejme, že zde není žádný zásadní rozdíl, ale z hlediska vědy je správnější používat slovo „jaderný“. V současnosti existuje mnoho typů jaderných reaktorů. Jsou to obrovské průmyslové reaktory určené k výrobě energie v elektrárnách, jaderných reaktorech ponorky, malé experimentální reaktory používané při vědeckých experimentech. Existují dokonce reaktory používané k odsolování mořské vody.
Historie vzniku jaderného reaktoru
První jaderný reaktor byl spuštěn v ne tak vzdáleném roce 1942. Stalo se tak v USA pod vedením Fermiho. Tento reaktor byl nazýván "Chicago Woodpile".
V roce 1946 zahájil provoz první sovětský reaktor, spuštěný pod vedením Kurčatova. Tělo tohoto reaktoru byla koule o průměru sedmi metrů. První reaktory neměly chladicí systém a jejich výkon byl minimální. Mimochodem, sovětský reaktor měl průměrný výkon 20 wattů a americký - pouze 1 watt. Pro srovnání: průměrný výkon moderních energetických reaktorů je 5 gigawattů. Méně než deset let po spuštění prvního reaktoru, prvního průmyslového na světě jaderná elektrárna ve městě Obninsk.
Princip činnosti jaderného (jaderného) reaktoru
Každý jaderný reaktor má několik částí: jádro S palivo A moderátor , neutronový reflektor , chladicí kapalina , kontrolní a ochranný systém . Izotopy se nejčastěji používají jako palivo v reaktorech. uran (235, 238, 233), plutonium (239) a thorium (232). Jádro je kotel, kterým proudí obyčejná voda (chladivo). Mezi jinými chladicími kapalinami se méně běžně používají „těžká voda“ a kapalný grafit. Pokud mluvíme o provozu jaderných elektráren, tak k výrobě tepla slouží jaderný reaktor. Samotná elektřina se vyrábí stejným způsobem jako v jiných typech elektráren – pára roztáčí turbínu a energie pohybu se přeměňuje na elektrickou energii.
Níže je schéma provozu jaderného reaktoru.
Jak jsme již řekli, při rozpadu těžkého jádra uranu vznikají lehčí prvky a několik neutronů. Výsledné neutrony se srazí s jinými jádry a také způsobí jejich štěpení. Počet neutronů přitom narůstá jako lavina.
Zde by to mělo být zmíněno neutronový multiplikační faktor . Pokud tedy tento koeficient překročí hodnotu rovnou jedné, dojde k jadernému výbuchu. Pokud je hodnota menší než jedna, je neutronů příliš málo a reakce zaniká. Pokud ale udržíte hodnotu koeficientu rovnou jedné, bude reakce probíhat dlouho a stabilně.
Otázkou je, jak to udělat? V reaktoru je palivo v tzv palivové prvky (TVELach). Jedná se o tyčinky, které obsahují ve formě malých tablet, jaderné palivo . Palivové tyče jsou spojeny do šestiúhelníkových kazet, kterých mohou být v reaktoru stovky. Kazety s palivovými tyčemi jsou uspořádány vertikálně a každá palivová tyč má systém, který umožňuje nastavit hloubku jejího ponoření do aktivní zóny. Kromě samotných kazet zahrnují ovládací tyče A nouzové ochranné tyče . Tyčinky jsou vyrobeny z materiálu, který dobře pohlcuje neutrony. Řídicí tyče tak mohou být spuštěny do různých hloubek v aktivní zóně, čímž se upraví multiplikační faktor neutronů. Havarijní tyče jsou určeny k odstavení reaktoru v případě nouze.
Jak se spouští jaderný reaktor?
Přišli jsme na samotný princip fungování, ale jak nastartovat a zajistit fungování reaktoru? Zhruba řečeno, tady to je - kus uranu, ale řetězová reakce v něm nezačne sama od sebe. Jde o to, že v nukleární fyzika existuje koncept kritické množství .
Kritická hmotnost je množství štěpného materiálu potřebného k zahájení jaderné řetězové reakce.
Pomocí palivových tyčí a regulačních tyčí se v reaktoru nejprve vytvoří kritické množství jaderného paliva a poté se reaktor v několika stupních uvede na optimální výkonovou úroveň.
V tomto článku jsme se vám pokusili poskytnout obecnou představu o struktuře a principu fungování jaderného (jaderného) reaktoru. Máte-li jakékoli dotazy k tématu nebo jste byli požádáni o problém z jaderné fyziky na univerzitě, kontaktujte nás specialistům naší společnosti. Jako obvykle jsme připraveni vám pomoci vyřešit jakýkoli naléhavý problém týkající se vašeho studia. A když už jsme u toho, tady je pro vaši pozornost další vzdělávací video!