원자로란 무엇이고 어떻게 작동하나요? 원자로는 어떻게 작동하나요? 원전 운영 안전
장치와 작동 원리는 자립형 핵반응의 초기화 및 제어에 기초합니다. 연구 도구, 방사성 동위원소 생산, 원자력 발전소의 에너지원으로 사용됩니다.
작동 원리 (간단히)
이것은 무거운 핵이 두 개의 작은 조각으로 분해되는 과정을 사용합니다. 이 파편은 매우 흥분된 상태에 있으며 중성자, 기타 아원자 입자 및 광자를 방출합니다. 중성자는 새로운 핵분열을 일으켜 더 많은 핵분열이 방출되는 등의 현상을 일으킬 수 있습니다. 이러한 연속적인 자립적 분열을 연쇄반응이라고 합니다. 동시에 눈에 띄는 것은 많은 수의원자력 발전소를 사용하는 목적으로 생산되는 에너지.
원자로의 작동 원리는 반응 시작 후 매우 짧은 시간 내에 핵분열 에너지의 약 85%가 방출되는 것입니다. 나머지는 중성자를 방출한 후 핵분열 생성물의 방사성 붕괴에 의해 생성됩니다. 방사성 붕괴는 원자가 보다 안정된 상태에 도달하는 과정입니다. 분할이 완료된 후에도 계속됩니다.
원자폭탄에서는 대부분의 물질이 핵분열될 때까지 연쇄반응의 강도가 증가합니다. 이것은 매우 빠르게 발생하여 그러한 폭탄의 전형적인 매우 강력한 폭발을 생성합니다. 원자로의 설계 및 작동 원리는 연쇄 반응을 제어되고 거의 일정한 수준으로 유지하는 데 기반을 두고 있습니다. 폭발할 것 같은 디자인으로 되어있습니다. 원자 폭탄, 할 수 없습니다.
연쇄반응과 임계성
핵분열 원자로의 물리학은 중성자가 방출된 후 핵이 분열될 확률에 따라 연쇄 반응이 결정된다는 것입니다. 후자의 인구가 감소하면 분할 비율은 결국 0으로 떨어집니다. 이 경우 원자로는 미임계 상태가 됩니다. 중성자 수가 일정한 수준으로 유지되면 핵분열 속도는 안정적으로 유지됩니다. 원자로가 위험한 상태가 될 것입니다. 마지막으로, 시간이 지남에 따라 중성자 수가 증가하면 핵분열 속도와 출력이 증가합니다. 코어의 상태는 초임계 상태가 됩니다.
원자로의 작동 원리는 다음과 같습니다. 발사되기 전에는 중성자 수가 0에 가깝습니다. 그런 다음 운영자는 노심에서 제어봉을 제거하여 핵분열을 증가시켜 원자로를 일시적으로 초임계 상태로 만듭니다. 정격 출력에 도달한 후 작업자는 제어봉을 부분적으로 반환하여 중성자 수를 조정합니다. 그 후, 반응기는 임계 상태로 유지됩니다. 정지해야 할 경우 작업자는 로드를 끝까지 삽입합니다. 이는 핵분열을 억제하고 노심을 미임계 상태로 전환시킵니다.
원자로 유형
세계 원자력 발전소의 대부분은 발전기를 구동하는 터빈을 회전시키는 데 필요한 열을 생성하는 발전소입니다. 또한 연구용 원자로도 많이 있으며, 일부 국가에는 원자력 에너지로 구동되는 잠수함이나 수상선이 있습니다.
에너지 설비
이 유형의 원자로는 여러 유형이 있지만 경수 설계가 널리 사용됩니다. 차례로 가압수나 끓는 물을 사용할 수 있습니다. 첫 번째 경우, 고압 액체는 코어의 열에 의해 가열되어 증기 발생기로 들어갑니다. 그곳에서 1차 회로의 열은 물을 포함하는 2차 회로로 전달됩니다. 최종적으로 생성된 증기는 증기 터빈 사이클에서 작동 유체 역할을 합니다.
끓는 물 원자로는 직접적인 에너지 순환 원리로 작동합니다. 코어를 통과하는 물은 중간 압력에서 끓게 됩니다. 포화 증기는 원자로 용기에 위치한 일련의 분리기와 건조기를 통과하여 과열됩니다. 과열된 수증기는 다음과 같이 사용됩니다. 작동유체, 터빈을 회전시킵니다.
고온 가스 냉각
고온가스냉각로(HTGR)는 원자로, 작동 원리는 흑연과 연료 미세구의 혼합물을 연료로 사용하는 것을 기반으로 합니다. 두 가지 경쟁 디자인이 있습니다.
- 흑연 껍질에 흑연과 연료가 혼합된 직경 60mm의 구형 연료 요소를 사용하는 독일의 "충진" 시스템;
- 코어를 생성하기 위해 서로 맞물리는 흑연 육각형 프리즘 형태의 미국 버전입니다.
두 경우 모두 냉각수는 약 100기압의 압력에서 헬륨으로 구성됩니다. 독일 시스템에서 헬륨은 구형 연료 요소 층의 틈을 통과하고, 미국 시스템에서는 헬륨이 원자로 중앙 구역의 축을 따라 위치한 흑연 프리즘의 구멍을 통과합니다. 두 옵션 모두 매우 잘 작동할 수 있습니다. 고온아, 흑연은 승화 온도가 매우 높고 헬륨은 화학적으로 완전히 불활성이기 때문입니다. 뜨거운 헬륨은 고온의 가스 터빈에서 작동 유체로 직접 적용되거나 그 열을 사용하여 물 순환 증기를 생성할 수 있습니다.
액체 금속 및 작동 원리
나트륨 냉각 고속 원자로는 1960년대와 1970년대에 많은 주목을 받았습니다. 급속도로 성장하는 원자력 산업을 위한 연료를 생산하려면 이들의 번식 능력이 곧 필요할 것으로 보였습니다. 1980년대에 이러한 기대가 비현실적이라는 것이 명백해졌을 때 열정은 약해졌습니다. 그러나 이러한 유형의 원자로는 미국, 러시아, 프랑스, 영국, 일본 및 독일에서 다수 건설되었습니다. 대부분은 이산화우라늄 또는 이산화플루토늄과의 혼합물을 사용하여 작동됩니다. 그러나 미국에서는 가장 큰 성공금속 연료를 사용하여 달성되었습니다.
칸두
캐나다는 천연 우라늄을 사용하는 원자로에 대한 노력을 집중하고 있습니다. 이를 통해 이를 풍요롭게 하기 위해 다른 국가의 서비스에 의존할 필요가 없습니다. 이 정책의 결과가 중수소-우라늄 원자로(CANDU)였습니다. 중수로 제어 및 냉각됩니다. 원자로의 설계 및 작동 원리는 대기압에서 차가운 D 2 O 저장소를 사용하는 것으로 구성됩니다. 핵에는 천연 우라늄 연료를 함유한 지르코늄 합금으로 만든 파이프가 관통되어 있으며 이를 냉각시키는 중수가 순환합니다. 중수의 핵분열열을 증기발생기를 순환하는 냉각수로 전달하여 전기를 생산합니다. 그런 다음 2차 순환의 증기는 기존의 터빈 사이클을 통과합니다.
연구시설
을 위한 과학적 연구가장 자주 사용되는 원자로의 작동 원리는 수냉식 및 조립체 형태의 판형 우라늄 연료 요소를 사용하는 것입니다. 수 킬로와트에서 수백 메가와트까지 광범위한 전력 수준에서 작동할 수 있습니다. 연구용 원자로의 주요 목적은 발전이 아니기 때문에 생산되는 열 에너지, 밀도 및 핵심 중성자의 공칭 에너지로 특징지어집니다. 특정 연구를 수행하는 연구용 원자로의 능력을 정량화하는 데 도움이 되는 것이 바로 이러한 매개변수입니다. 저전력 시스템은 일반적으로 대학에서 찾아볼 수 있으며 교육에 사용되는 반면, 고전력 시스템은 재료 및 성능 테스트와 일반 연구를 위한 연구소에 필요합니다.
가장 일반적인 것은 연구용 원자로이며, 그 구조와 작동 원리는 다음과 같습니다. 그 핵심은 크고 깊은 물 웅덩이의 바닥에 위치해 있습니다. 이는 중성자 빔이 전달될 수 있는 채널의 관찰과 배치를 단순화합니다. 낮은 출력 수준에서는 냉각수의 자연 대류가 충분한 열 제거를 제공하여 안전한 작동 조건을 유지하므로 냉각수를 펌핑할 필요가 없습니다. 열 교환기는 일반적으로 뜨거운 물이 모이는 수영장 표면이나 상단에 위치합니다.
선박 설치
원자로의 원래 주요 용도는 잠수함에서의 사용입니다. 주요 장점은 화석 연료 연소 시스템과 달리 전기를 생산하는 데 공기가 필요하지 않다는 것입니다. 따라서 핵잠수함은 장기간 잠수할 수 있는 반면, 기존의 디젤-전기 잠수함은 공중에서 엔진을 발사하기 위해 주기적으로 수면으로 올라와야 합니다. 준다 전략적 이점해군 선박. 덕분에 외국 항구나 취약한 유조선에서 급유할 필요가 없습니다.
잠수함의 원자로 작동 원리는 분류됩니다. 그러나 미국에서는 고농축 우라늄을 사용하며, 경수에 의해 속도를 늦추고 냉각시키는 것으로 알려져 있다. 최초의 핵잠수함 원자로인 USS Nautilus의 설계는 강력한 연구 시설의 영향을 많이 받았습니다. 그의 독특한 특징반응도 예비력이 매우 커서 재급유 없이 장기간 작동하고 정지 후 재시동할 수 있는 기능을 제공합니다. 잠수함의 발전소는 탐지를 피하기 위해 매우 조용해야 합니다. 다양한 종류의 잠수함의 특정 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 발전소 모델이 만들어졌습니다.
미 해군 항공모함은 원자로를 사용하는데, 그 작동 원리는 가장 큰 잠수함에서 빌려온 것으로 여겨집니다. 디자인의 세부 사항도 공개되지 않았습니다.
미국 외에도 영국, 프랑스, 러시아, 중국, 인도가 핵잠수함을 보유하고 있다. 각각의 경우 디자인은 공개되지 않았지만 모두 매우 유사하다고 믿어집니다. 이는 동일한 요구 사항의 결과입니다. 기술 사양. 러시아에는 소련 잠수함과 동일한 원자로를 사용하는 소규모 함대도 있습니다.
산업 설비
생산 목적으로는 원자로가 사용되며, 그 작동 원리는 낮은 수준의 에너지 생산으로 높은 생산성을 발휘하는 것입니다. 이는 플루토늄이 노심에 장기간 머무르면 원하지 않는 240 Pu가 축적되기 때문입니다.
삼중수소 생산
현재 이러한 시스템에서 생산되는 주요 물질은 삼중수소(3H 또는 T)입니다. 플루토늄-239의 반감기는 24,100년으로 길어서 이 요소를 사용하는 핵무기를 보유하고 있는 국가에서는 삼중수소를 더 많이 보유하는 경향이 있습니다. 필요 이상으로. 239 Pu와 달리 삼중수소의 반감기는 약 12년입니다. 따라서 필요한 공급량을 유지하려면 이 방사성 수소 동위원소를 지속적으로 생산해야 합니다. 예를 들어 미국의 사바나 강(사우스 캐롤라이나)에서는 삼중수소를 생산하는 여러 개의 중수로를 운영하고 있습니다.
플로팅 파워 유닛
멀리 떨어진 고립된 지역에 전기와 증기 가열을 제공할 수 있는 원자로가 만들어졌습니다. 예를 들어 러시아에서는 북극에 서비스를 제공하도록 특별히 설계된 소규모 발전소가 활용되고 있습니다. 정착지. 중국에서는 10MW HTR-10이 위치한 연구소에 열과 전력을 공급하고 있습니다. 유사한 성능을 갖춘 소형 자동 제어 원자로의 개발이 스웨덴과 캐나다에서 진행 중입니다. 1960년에서 1972년 사이에 미 육군은 그린란드와 남극 대륙의 원격 기지에 전력을 공급하기 위해 소형 경수로를 사용했습니다. 그들은 석유 화력 발전소로 대체되었습니다.
공간의 정복
또한, 우주 공간에서의 전력 공급과 이동을 위해 원자로가 개발되었습니다. 1967년부터 1988년 사이에 소련은 장비와 원격 측정에 전력을 공급하기 위해 코스모스 시리즈 위성에 소형 핵 유닛을 설치했지만 이 정책은 비판의 대상이 되었습니다. 이들 위성 중 적어도 하나가 지구 대기권에 진입하여 캐나다의 외딴 지역에 방사능 오염을 일으켰습니다. 미국은 1965년에 단 한 개의 원자력 위성을 발사했습니다. 그러나 장거리 우주 비행, 다른 행성의 유인 탐사 또는 영구 달 기지에 사용하기 위한 프로젝트가 계속 개발되고 있습니다. 이것은 필연적으로 가스 냉각식 또는 액체 금속 원자로가 될 것이며, 그 물리적 원리는 라디에이터의 크기를 최소화하는 데 필요한 최고 온도를 제공할 것입니다. 또한, 우주기술용 원자로는 차폐에 사용되는 재료의 양을 최소화하고 발사 및 우주비행 시 무게를 줄이기 위해 가능한 한 컴팩트해야 합니다. 연료 공급은 우주 비행의 전체 기간 동안 원자로의 작동을 보장합니다.
의미 원자력 에너지현대 세계에서
원자력은 지난 수십 년 동안 큰 발전을 이루었으며 많은 국가에서 가장 중요한 전력원 중 하나가 되었습니다. 동시에, 이 국가 경제 부문의 발전 뒤에는 "평화로운 원자"가 수백만 명의 사람들에게 실질적인 위협이 됩니다. 모든 원자력 발전소의 실제 핵심은 원자로입니다.
원자로 생성의 역사
첫 번째 장치는 유명한 과학자이자 엔지니어인 E. Fermi가 미국에서 제2차 세계 대전이 한창일 때 제작되었습니다. 흑연블록을 겹겹이 쌓아놓은 듯한 특이한 모양 때문에 이 원자로는 시카고 스택(Chicago Stack)으로 불렸습니다. 이 장치는 블록 사이에 위치한 우라늄으로 작동한다는 점은 주목할 가치가 있습니다.
소련에서 원자로 건설
우리나라에서도 핵 문제에 대한 관심이 높아졌습니다. 과학자들의 주된 노력은 원자의 군사적 사용에 집중되었음에도 불구하고 얻은 결과를 평화적 목적을 위해 적극적으로 사용했습니다. F-1이라는 코드명으로 명명된 최초의 원자로는 1946년 12월 말 유명한 물리학자 I. 쿠르차토프(I. Kurchatov)가 이끄는 과학자 그룹에 의해 건설되었습니다. 중요한 단점은 어떤 종류의 냉각 시스템도 없기 때문에 방출되는 에너지의 힘이 극히 미미하다는 것입니다. 동시에 소련 연구자들은 자신들이 시작한 작업을 완료했고, 그 결과 불과 8년 후 오브닌스크 시에 세계 최초의 원자력 발전소가 문을 열게 되었습니다.
원자로의 작동 원리
원자로는 매우 복잡하고 위험한 기술 장치입니다. 작동 원리는 우라늄이 붕괴되는 동안 여러 개의 중성자가 방출되어 이웃 우라늄 원자에서 기본 입자가 녹아웃된다는 사실에 기초합니다. 이 연쇄 반응은 열과 감마선의 형태로 상당한 양의 에너지를 방출합니다. 동시에, 이 반응이 어떤 식으로든 제어되지 않으면 가능한 가장 짧은 시간에 우라늄 원자의 핵분열이 바람직하지 않은 결과를 초래하는 강력한 폭발로 이어질 수 있다는 사실을 고려해야 합니다.
엄격하게 정의된 한계 내에서 반응이 진행되기 위해서는 원자로의 설계가 매우 중요합니다. 현재 이러한 각 구조는 냉각수가 흐르는 일종의 보일러입니다. 이 용량에는 일반적으로 물이 사용되지만 액체 흑연이나 중수를 사용하는 원자력 발전소도 있습니다. 수백 개의 특수 육각형 카세트가 없는 현대식 원자로를 상상하는 것은 불가능합니다. 여기에는 냉각수가 흐르는 채널을 통해 연료 생성 요소가 포함되어 있습니다. 이 카세트는 중성자를 반사하여 연쇄반응을 늦출 수 있는 특수층으로 코팅되어 있습니다.
원자로 및 그 보호
여러 수준의 보호 기능이 있습니다. 본체 자체 외에도 상단에는 특수 단열재와 생물학적 보호 장치가 덮여 있습니다. 엔지니어링 관점에서 볼 때 이 구조는 문이 최대한 단단히 닫혀 있는 강력한 철근 콘크리트 벙커입니다.
: ... 아주 진부하지만 그럼에도 불구하고 나는 아직 소화 가능한 형태의 정보, 즉 원자로가 어떻게 작동하기 시작하는지에 대한 정보를 찾지 못했습니다. 작업의 원리와 구조에 대한 모든 내용은 이미 300번 이상 씹어봤고 명확합니다. 하지만 여기에 연료를 얻는 방법과 연료가 원자로에 들어갈 때까지 그렇게 위험하지 않은 이유와 연료가 되기 전에 반응하지 않는 이유는 다음과 같습니다. 반응기에 빠져들다! -결국 내부에서만 가열되지만 연료를 장전하기 전에는 차갑고 모든 것이 정상이므로 요소 가열의 원인이 완전히 명확하지 않고 요소가 어떻게 영향을 받는지 등은 과학적으로 바람직하지 않습니다.
물론 그러한 주제를 비과학적 방식으로 구성하는 것은 어렵지만 시도해 보겠습니다. 먼저 이 연료봉이 무엇인지 알아봅시다.
핵연료는 직경 약 1cm, 높이 약 1.5cm의 검정색 정제로, 2%의 이산화우라늄 235와 98%의 우라늄 238, 236, 239를 함유하고 있습니다. 모든 경우에 핵연료의 양에 관계없이 핵폭발은 일어날 수 없습니다. 왜냐하면 핵폭발의 특징인 산사태와 같은 급속한 핵분열 반응을 위해서는 60% 이상의 우라늄 235 농도가 필요하기 때문입니다.
200개의 핵연료 알갱이가 지르코늄 금속으로 만들어진 튜브에 적재됩니다. 이 튜브의 길이는 3.5m이다. 직경 1.35cm. 이 튜브를 연료 요소-연료 요소라고합니다. 36개의 연료봉이 카세트에 조립됩니다(다른 이름은 "조립"입니다).
RBMK 원자로 연료 요소 구조: 1 - 플러그; 2 - 이산화우라늄 정제; 3 - 지르코늄 껍질; 4 - 봄; 5 - 부싱; 6 - 팁.
물질의 변형은 물질에 예비 에너지가 있는 경우에만 자유 에너지의 방출을 동반합니다. 후자는 물질의 미립자가 전이가 존재하는 다른 가능한 상태보다 정지 에너지가 더 큰 상태에 있음을 의미합니다. 자발적인 전이는 에너지 장벽에 의해 항상 방지되며, 이를 극복하기 위해 미세입자는 외부로부터 일정량의 에너지(여기 에너지)를 받아야 합니다. 에너지 외력 반응은 여기 이후의 변환에서 그 과정을 자극하는 데 필요한 것보다 더 많은 에너지가 방출된다는 사실로 구성됩니다. 에너지 장벽을 극복하는 방법에는 충돌하는 입자의 운동 에너지로 인해 또는 결합 입자의 결합 에너지로 인해 두 가지 방법이 있습니다.
에너지 방출의 거시적 규모를 염두에 둔다면, 물질 입자의 전체 또는 초기에 적어도 일부는 반응을 자극하는 데 필요한 운동 에너지를 가져야 합니다. 이는 열 운동 에너지가 공정 과정을 제한하는 에너지 임계값에 접근하는 값으로 매체의 온도를 증가시킴으로써만 달성할 수 있습니다. 분자 변형, 즉 화학 반응의 경우 이러한 증가는 일반적으로 수백 켈빈이지만 핵 반응의 경우 매우 107K 이상입니다. 높은 고도충돌하는 핵의 쿨롱 장벽. 핵 반응의 열 여기는 실제로 쿨롱 장벽이 최소인(열핵 융합) 가장 가벼운 핵의 합성 중에만 수행됩니다.
입자 결합에 의한 여기는 큰 운동 에너지를 필요로 하지 않으며, 따라서 입자의 인력에 내재된 미사용 결합으로 인해 발생하므로 매질의 온도에 의존하지 않습니다. 그러나 반응을 일으키려면 입자 자체가 필요합니다. 그리고 다시 별도의 반응 행위가 아니라 거시적 규모의 에너지 생산을 의미한다면 이는 연쇄 반응이 발생할 때만 가능합니다. 후자는 반응을 자극하는 입자가 에너지 방출 반응의 산물로 다시 나타날 때 발생합니다.
원자로를 제어하고 보호하기 위해 노심 전체 높이를 따라 이동할 수 있는 제어봉이 사용됩니다. 막대는 중성자를 강하게 흡수하는 물질(예: 붕소 또는 카드뮴)로 만들어집니다. 막대가 깊게 삽입되면 중성자가 강하게 흡수되어 반응 영역에서 제거되므로 연쇄 반응이 불가능해집니다.
막대는 제어판에서 원격으로 이동됩니다. 막대가 약간 움직이면 체인 프로세스가 발전하거나 희미해집니다. 이런 방식으로 원자로의 출력이 조절됩니다.
레닌그라드 NPP, RBMK 원자로
원자로 가동 시작:
첫 번째 연료 장전 후 초기 순간에는 원자로에서 핵분열 연쇄 반응이 없으며 원자로는 아임계 상태에 있습니다. 냉각수 온도는 작동 온도보다 훨씬 낮습니다.
여기서 이미 언급했듯이, 연쇄 반응이 시작되려면 핵분열성 물질이 임계질량, 즉 충분히 작은 공간에 충분한 양의 자발적인 핵분열성 물질을 형성해야 하며, 핵분열 중에 방출되는 중성자의 수가 다음과 같아야 합니다. 흡수된 중성자 수보다 많다. 이는 우라늄-235 함량(장전된 연료봉의 양)을 늘리거나 중성자 속도를 줄여 우라늄-235 핵을 지나 날아가지 않도록 함으로써 이루어질 수 있습니다.
원자로는 여러 단계를 거쳐 전력을 공급받습니다. 반응도 조절기의 도움으로 원자로는 초임계 상태 Kef>1로 전환되고 원자로 출력은 공칭 출력의 1-2% 수준으로 증가합니다. 이 단계에서 원자로는 냉각수의 작동 매개변수까지 가열되며 가열 속도는 제한됩니다. 가열 과정에서 제어 장치는 전력을 일정한 수준으로 유지합니다. 그런 다음 순환 펌프가 시동되고 열 제거 시스템이 작동됩니다. 그 후 원자로 출력은 정격 출력의 2~100% 범위 내에서 어떤 수준으로든 증가할 수 있습니다.
원자로가 가열되면 노심 물질의 온도와 밀도 변화로 인해 반응성이 변합니다. 때로는 가열 중에 코어와 코어에 들어가거나 나가는 제어 요소의 상대적 위치가 변경되어 제어 요소의 활성 이동이 없을 때 반응성 효과가 발생합니다.
단단하고 움직이는 흡수 요소에 의한 조절
반응성을 신속하게 변경하기 위해 대부분의 경우 고체 이동식 흡수체가 사용됩니다. RBMK 원자로에서 제어봉에는 직경 50mm 또는 70mm의 알루미늄 합금 튜브에 둘러싸인 탄화붕소 부싱이 포함되어 있습니다. 각 제어봉은 별도의 채널에 배치되며 평균 온도 50 ° C에서 제어 및 보호 시스템 (제어 및 보호 시스템) 회로의 물로 냉각됩니다. 목적에 따라 막대는 AZ (비상 보호) ) 막대; RBMK에는 24개의 막대가 있습니다. 자동 제어봉 - 12개, 국부 자동 제어봉 - 12개, 수동 제어봉 - 131개, 단축 흡수봉(USP) 32개. 총 211개의 막대가 있습니다. 또한 단축된 막대는 아래쪽에서 코어에 삽입되고 나머지는 위쪽에서 삽입됩니다.
VVER 1000 리액터 1 - 제어 시스템 구동; 2 - 반응기 덮개; 3 - 원자로 본체; 4 - 보호 파이프 블록 (BZT); 5 - 샤프트; 6 - 코어 인클로저; 7 - 연료 집합체(FA) 및 제어봉;
가연성 흡수 요소.
새로운 연료를 장전한 후 과도한 반응성을 보상하기 위해 가연성 흡수제가 종종 사용됩니다. 작동 원리는 연료와 마찬가지로 중성자를 포획한 후 중성자 흡수를 중단한다는 것입니다(연소). 더욱이, 흡수체 핵에 의한 중성자의 흡수로 인한 감소율은 연료핵의 핵분열로 인한 감소율보다 작거나 같습니다. 1년 동안 작동하도록 설계된 연료를 원자로 노심에 장전하면 작동 시작 시 핵분열성 연료핵의 수가 종료 시보다 커질 것이 분명하며, 흡수체를 배치하여 과도한 반응도를 보상해야 합니다. 핵심에. 이러한 목적으로 제어봉을 사용하는 경우 연료핵 수가 감소함에 따라 제어봉을 지속적으로 움직여야 합니다. 가연성 흡수재를 사용하면 움직이는 막대의 사용이 줄어듭니다. 요즘에는 가연성 흡수제가 제조 과정에서 연료 펠릿에 직접 첨가되는 경우가 많습니다.
유체 반응성 제어.
이러한 조절은 특히 VVER형 원자로의 작동 중에 10B 중성자 흡수 핵을 포함하는 붕산 H3BO3이 냉각수에 도입되는 데 사용됩니다. 냉각수 경로의 붕산 농도를 변경함으로써 노심의 반응성을 변경합니다. 안에 초기 기간원자로 운전 중에는 연료핵이 많을 때 산 농도가 최대가 된다. 연료가 연소됨에 따라 산 농도가 감소합니다.
연쇄반응 메커니즘
원자로는 가동 초기에 반응도 예비력이 있어야만 주어진 전력으로 오랫동안 가동될 수 있습니다. 예외는 다음과 같은 아임계 원자로입니다. 외부 소스열중성자. 자연적인 이유로 인해 감소하는 결합 반응도의 방출은 원자로 작동의 모든 순간에 원자로의 임계 상태를 유지하는 것을 보장합니다. 초기 반응도 예비력은 임계 크기를 훨씬 초과하는 크기의 노심을 구성하여 생성됩니다. 원자로가 초임계화되는 것을 방지하기 위해 육종배지의 k0를 동시에 인위적으로 감소시킵니다. 이는 중성자 흡수 물질을 코어에 도입함으로써 달성되며, 이후에 이를 코어에서 제거할 수 있습니다. 연쇄 반응 제어 요소와 마찬가지로 하나 또는 다른 막대의 재료에 흡수성 물질이 포함되어 있습니다. 교차 구역, 활성 영역의 해당 채널을 따라 이동합니다. 그러나 하나 또는 두 개 또는 여러 개의 막대로 조절하기에 충분하다면 초기 과잉 반응성을 보상하기 위해 막대의 수가 수백 개에 달할 수 있습니다. 이러한 막대를 보상 막대라고 합니다. 제어봉과 보상봉이 반드시 서로 다른 설계 요소를 나타내는 것은 아닙니다. 다수의 보상봉이 제어봉이 될 수 있지만 둘의 기능은 서로 다릅니다. 제어봉은 언제든지 임계상태를 유지하고 원자로를 정지 및 시동하며 한 출력 수준에서 다른 출력 수준으로 전환하도록 설계되었습니다. 이러한 모든 작업에는 반응성에 작은 변화가 필요합니다. 보상봉은 원자로 노심에서 점차적으로 제거되어 전체 작동 기간 동안 임계 상태를 보장합니다.
때로는 제어봉이 흡수성 물질이 아닌 핵분열성 물질이나 산란 물질로 만들어지는 경우도 있습니다. 열 원자로에서는 주로 중성자 흡수체이며 효과적인 고속 중성자 흡수체는 없습니다. 카드뮴, 하프늄 등과 같은 흡수체는 첫 번째 공명이 열 영역에 가깝기 때문에 열 중성자만 강력하게 흡수하며, 후자 외부에서는 흡수 특성이 다른 물질과 다르지 않습니다. 예외는 l / v 법칙에 따라 표시된 물질보다 훨씬 더 천천히 에너지에 따라 중성자 흡수 단면적이 감소하는 붕소입니다. 따라서 붕소는 약하지만 다른 물질보다 빠른 중성자를 흡수합니다. 고속 중성자로의 흡수재는 가능한 경우 10B 동위원소가 풍부한 붕소만 사용할 수 있습니다. 붕소 외에도 핵분열성 물질은 고속 중성자로의 제어봉에도 사용됩니다. 핵분열성 물질로 만들어진 보상봉은 중성자 흡수봉과 동일한 기능을 수행합니다. 원자로의 반응성은 자연적으로 감소하는 반면 원자로의 반응성은 증가합니다. 그러나 이러한 막대는 흡수체와 달리 원자로 운전 초기에 노심 외부에 위치했다가 노심 내부로 유입된다.
고속 원자로에 사용되는 산란 물질은 니켈이며, 이는 다른 물질의 단면적보다 약간 큰 고속 중성자의 산란 단면적을 갖습니다. 산란 막대는 코어 주변을 따라 위치하며 해당 채널에 담그면 코어에서 중성자 누출이 감소하고 결과적으로 반응성이 증가합니다. 일부 특수한 경우, 연쇄 반응 제어의 목적은 중성자 반사판의 움직이는 부분이며, 움직일 때 노심에서 중성자의 누출이 변경됩니다. 제어, 보상 및 비상봉은 정상적인 기능을 보장하는 모든 장비와 함께 원자로 제어 및 보호 시스템(CPS)을 구성합니다.
긴급 보호:
원자로의 비상 보호는 원자로 노심에서 핵 연쇄 반응을 신속하게 중단하도록 설계된 일련의 장치입니다.
원자로의 매개변수 중 하나가 사고로 이어질 수 있는 값에 도달하면 능동형 비상 보호가 자동으로 실행됩니다. 이러한 매개변수에는 온도, 압력 및 냉각수 흐름, 전력 증가 수준 및 속도가 포함될 수 있습니다.
비상 보호의 실행 요소는 대부분의 경우 중성자를 잘 흡수하는 물질(붕소 또는 카드뮴)이 포함된 막대입니다. 때로는 원자로를 정지시키기 위해 액체 흡수제가 냉각수 루프에 주입되기도 합니다.
능동 보호 외에도 많은 현대 설계에는 수동 보호 요소도 포함되어 있습니다. 예를 들어, VVER 원자로의 최신 버전에는 "비상 노심 냉각 시스템"(ECCS)이 포함되어 있습니다. 이는 원자로 위에 붕산이 들어 있는 특수 탱크입니다. 최대의 경우 설계기준 사고(원자로의 첫 번째 냉각 회로 파열) 중력에 의해 이들 탱크의 내용물이 원자로 노심 내부로 들어가고 핵 연쇄 반응은 중성자를 잘 흡수하는 다량의 붕소 함유 물질에 의해 소멸됩니다.
“원전 원자로 시설에 대한 원자력 안전규칙”에 따르면, 제공된 원자로 정지 시스템 중 적어도 하나는 비상 보호(EP) 기능을 수행해야 합니다. 비상 보호에는 최소한 두 개의 독립적인 작업 요소 그룹이 있어야 합니다. AZ 신호에서 AZ 작동 부품은 모든 작업 위치 또는 중간 위치에서 활성화되어야 합니다.
AZ 장비는 최소한 두 개의 독립적인 세트로 구성되어야 합니다.
각 AZ 장비 세트는 공칭 값의 7%에서 120%까지 중성자 자속 밀도 변화 범위에서 보호가 제공되도록 설계해야 합니다.
1. 중성자 자속 밀도에 따라 - 3개 이상의 독립 채널;
2. 중성자 자속 밀도의 증가율에 따라 - 3개 이상의 독립 채널.
각 비상 보호 장비 세트는 원자로 설비(RP) 설계에서 설정된 기술 매개변수의 전체 변경 범위에 걸쳐 각 기술 매개변수에 대해 최소 3개의 독립적인 채널을 통해 비상 보호가 제공되도록 설계되어야 합니다. 보호가 필요한 것입니다.
AZ 액추에이터에 대한 각 세트의 제어 명령은 최소 두 개의 채널을 통해 전송되어야 합니다. AZ 장비 세트 중 하나의 채널이 이 세트의 작동을 중단하지 않고 작동 중단되면 이 채널에 대해 경보 신호가 자동으로 생성되어야 합니다.
최소한 다음과 같은 경우에는 비상 보호가 실행되어야 합니다.
1. 중성자 자속 밀도의 AZ 설정에 도달한 경우.
2. 중성자 자속 밀도 증가율에 대한 AZ 설정에 도달한 경우.
3. 비상 보호 장비 세트 및 작동이 중단되지 않은 CPS 전원 공급 버스에서 전압이 사라진 경우.
4. 서비스가 중단되지 않은 AZ 장비 세트의 중성자 자속 밀도 또는 중성자 자속 증가율에 대한 보호 채널 3개 중 2개에 오류가 발생한 경우.
5. 보호를 수행해야 하는 기술 매개변수가 AZ 설정에 도달한 경우.
6. BCP(블록 제어 지점) 또는 RCP(예비 제어 지점)의 키에서 AZ를 트리거하는 경우.
어쩌면 누군가가 원자력 발전소가 어떻게 작동을 시작하는지 덜 과학적인 방식으로 간략하게 설명할 수 있을까요? :-)
다음과 같은 주제를 기억하세요. 원문은 홈페이지에 있습니다 InfoGlaz.rf이 사본이 작성된 기사에 대한 링크 -
오늘 우리는 핵물리학의 세계로 짧은 여행을 떠날 것입니다. 우리 여행의 주제는 원자로입니다. 작동 방식, 작동의 기초가 되는 물리적 원리 및 이 장치가 사용되는 위치를 배우게 됩니다.
원자력의 탄생
세계 최초의 원자로는 1942년 미국에서 만들어졌습니다.노벨상 수상자인 엔리코 페르미(Enrico Fermi)가 이끄는 물리학자들의 실험 그룹. 동시에, 그들은 우라늄 핵분열의 자립적인 반응을 수행했습니다. 원자 지니가 출시되었습니다.
1946년 소련 최초의 원자로가 발사되었고,그리고 8년 후, 오브닌스크 시에 세계 최초의 원자력 발전소가 건설되어 전류를 생산했습니다. 기본 과학 감독자소련의 원자력 에너지 산업에서 일하는 것은 뛰어난 물리학자였습니다. 이고르 바실리예비치 쿠르차토프.
그 이후로 여러 세대의 원자로가 변경되었지만 설계의 주요 요소는 변경되지 않았습니다.
원자로의 해부학
이 원자력 시설은 수 입방 센티미터에서 수 입방 미터에 이르는 원통형 용량을 갖춘 두꺼운 벽의 강철 탱크입니다.
이 원통 안에는 지성소가 있습니다. 원자로 코어.여기서 핵분열 연쇄반응이 일어난다.
이 과정이 어떻게 일어나는지 살펴 보겠습니다.
특히 무거운 원소의 핵 우라늄-235(U-235),작은 에너지 충격의 영향으로 대략 동일한 질량의 두 조각으로 떨어질 수 있습니다. 이 과정의 원인은 중성자입니다.
파편은 대부분 바륨과 크립톤 핵입니다. 그들 각각은 양전하를 띠고 있기 때문에 쿨롱 반발력으로 인해 서로 떨어져 날아가게 됩니다. 다른 측면빛의 속도의 약 1/30이다. 이 조각들은 엄청난 운동 에너지를 운반합니다.
에너지를 실용적으로 사용하려면 에너지 방출이 자립적이어야 합니다. 연쇄 반응,문제의 핵분열은 각 핵분열 사건이 새로운 중성자의 방출을 동반하기 때문에 특히 흥미롭습니다. 평균적으로 초기 중성자 하나당 2~3개의 새로운 중성자가 생성됩니다. 핵분열성 우라늄 핵의 수가 눈사태처럼 늘어나고,엄청난 에너지를 방출하게 됩니다. 이 과정을 통제하지 않으면 핵폭발이 일어날 것입니다. 에서 진행됩니다.
중성자 수를 조절하려면 중성자를 흡수하는 물질이 시스템에 도입되고,원활한 에너지 방출을 보장합니다. 카드뮴이나 붕소는 중성자 흡수제로 사용됩니다.
파편의 막대한 운동 에너지를 어떻게 억제하고 사용할 수 있습니까? 냉각수는 이러한 목적으로 사용됩니다. 파편의 속도가 느려지고 극도로 높은 온도로 가열되는 특수한 환경입니다. 이러한 매체는 일반 물이나 중수, 액체 금속(나트륨) 및 일부 가스일 수 있습니다. 냉각수가 증기 상태로 전이되는 것을 방지하기 위해, 코어에서 지원됩니다. 고압(최대 160기압).이러한 이유로 원자로 벽은 10cm 길이의 특수 등급 강철로 만들어졌습니다.
중성자가 핵연료 외부로 날아가면 연쇄반응이 중단될 수 있다. 따라서 핵분열성 물질의 임계질량이 존재합니다. 연쇄 반응이 유지되는 최소 질량. 이는 원자로 노심을 둘러싼 반사경의 존재를 포함한 다양한 매개변수에 따라 달라집니다. 중성자가 누출되는 것을 방지하는 역할을 합니다. 환경. 이 구조 요소의 가장 일반적인 재료는 흑연입니다.
반응기에서 일어나는 과정은 다음과 같은 물질의 방출을 동반합니다. 위험해 보이는방사선 - 감마선. 이러한 위험을 최소화하기 위해 방사선 방지 기능이 장착되어 있습니다.
원자로는 어떻게 작동하나요?
연료봉이라고 불리는 핵연료는 원자로 노심에 배치됩니다. 이는 부서지기 쉬운 물질로 만들어진 정제로 길이 약 3.5m, 직경 10mm의 얇은 튜브에 담겨 있습니다.
수백 개의 유사한 연료 집합체가 노심에 배치되어 연쇄 반응 중에 방출되는 열에너지의 원천이 됩니다. 연료봉 주위를 흐르는 냉각수는 원자로의 첫 번째 회로를 형성합니다.
높은 수준으로 가열된 물은 증기 발생기로 펌핑되어 에너지를 2차 순환수로 전달하여 증기로 전환합니다. 생성된 증기는 터보 발전기를 회전시킵니다. 이 장치에서 생산된 전기는 소비자에게 전달됩니다. 그리고 냉각 연못의 물로 냉각된 배기 증기는 응축수의 형태로 증기 발생기로 되돌아갑니다. 주기가 완료되었습니다.
원자력 시설의 이러한 이중 회로 작동은 경계를 넘어 노심에서 발생하는 프로세스에 수반되는 방사선 침투를 제거합니다.
따라서 원자로에서는 핵분열 물질의 핵 에너지 → 파편의 운동 에너지 → 냉각수의 열 에너지 → 터빈의 운동 에너지 → 발전기의 전기 에너지로 일련의 에너지 변환이 발생합니다.
불가피한 에너지 손실로 인해 원전의 효율은 33~34%로 상대적으로 낮다.
원자로는 원자력 발전소에서 전기 에너지를 생산하는 것 외에도 다양한 방사성 동위원소를 생산하고 다양한 산업 분야의 연구를 위해 사용되며 산업용 원자로의 허용 매개변수를 연구합니다. 차량 엔진에 에너지를 공급하는 수송 원자로는 점점 더 널리 보급되고 있습니다.
원자로의 종류
일반적으로 원자로는 U-235 우라늄을 사용합니다. 그러나 천연소재에서는 그 함량이 0.7%로 극히 낮습니다. 천연 우라늄의 대부분은 동위원소 U-238이다. 느린 중성자만이 U-235에서 연쇄반응을 일으킬 수 있고, U-238 동위원소는 빠른 중성자에 의해서만 분리됩니다. 핵 분열의 결과로 느린 중성자와 빠른 중성자가 탄생합니다. 냉각수(물)에서 억제를 경험하는 빠른 중성자는 느려집니다. 그러나 천연 우라늄에 포함된 U-235 동위원소의 양은 너무 적어 농축에 의존하여 농도를 3~5%로 끌어올릴 필요가 있습니다. 이 과정은 매우 비용이 많이 들고 경제적으로 수익성이 없습니다. 또한, 이 동위원소의 천연 자원이 고갈되는 데 걸리는 시간은 100~120년으로 추정됩니다.
따라서 원자력 산업에서는 고속 중성자에서 작동하는 원자로로의 점진적인 전환이 있습니다.
주요 차이점은 액체 금속이 중성자를 늦추지 않는 냉각제로 사용되고 U-238이 핵 연료로 사용된다는 것입니다. 이 동위원소의 핵은 일련의 핵 변환을 거쳐 플루토늄-239로 변환되며, 이는 U-235와 동일한 방식으로 연쇄 반응을 겪습니다. 즉, 핵연료가 재생산되고 소비량을 초과합니다.
전문가에 따르면 동위원소 우라늄-238의 매장량은 3000년 동안 충분할 것입니다.이번에는 인류가 다른 기술을 개발할 충분한 시간을 갖기에 충분합니다.
원자력 이용의 문제점
확실한 장점과 함께 원자력, 원자력 시설 운영과 관련된 문제의 규모는 과소평가될 수 없습니다.
첫 번째는 방사성 폐기물 및 해체 장비의 처리원자력 에너지. 이러한 요소에는 장기간 지속되는 활성 배경 방사선이 있습니다. 이 폐기물을 처리하기 위해 특수 납 용기가 사용됩니다. 그들은 최대 600m 깊이의 영구 동토층에 묻혀 있는 것으로 추정됩니다. 따라서 방사성 폐기물을 재활용하는 방법을 찾는 작업이 지속적으로 진행되고 있으며, 이는 폐기 문제를 해결하고 지구의 생태를 보존하는 데 도움이 됩니다.
덜 심각한 두 번째 문제는 NPP 운영 중 안전을 보장합니다.체르노빌과 같은 대형 사고는 많은 사람을 앗아갈 수 있습니다. 인간의 삶그리고 광대한 지역을 사용하지 않도록 하세요.
일본 원전 후쿠시마 1호기 사고는 원전에서 비상상황이 발생할 때 드러나는 잠재적인 위험을 확인했을 뿐이다.
하지만 원자력의 가능성은 너무 커서 생태학적 문제배경으로 사라집니다.
오늘날 인류는 점점 더 늘어나는 에너지 기아를 충족시킬 수 있는 다른 방법이 없습니다. 미래 원자력 에너지의 기본은 아마도 핵연료 재생 기능을 갖춘 '고속' 원자로가 될 것이다.
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원자로는 원활하고 효율적으로 작동합니다. 그렇지 않으면 아시다시피 문제가 발생할 것입니다. 그런데 안에서 무슨 일이 벌어지고 있는 걸까요? 원자로의 작동 원리를 정지와 함께 간단하고 명확하게 공식화해 봅시다.
본질적으로 핵폭발과 동일한 과정이 그곳에서 일어나고 있습니다. 폭발만이 매우 빠르게 발생하지만 원자로에서는 이 모든 것이 오랫동안 지속됩니다. 결과적으로 모든 것이 안전하고 건전하게 유지되며 우리는 에너지를 얻습니다. 주변의 모든 것이 한꺼번에 파괴될 만큼은 아니지만 도시에 전기를 공급하기에 충분합니다.
통제된 핵반응이 어떻게 일어나는지 이해하기 전에, 그것이 무엇인지 알아야 합니다. 핵반응 조금도.
핵반응 원자핵이 소립자 및 감마양자와 상호작용할 때 원자핵이 변형(분열)되는 과정입니다.
핵반응은 에너지 흡수와 방출 모두에서 발생할 수 있습니다. 반응기는 두 번째 반응을 사용합니다.
원자로 에너지 방출과 함께 제어된 핵반응을 유지하는 것이 목적인 장치입니다.
종종 원자로를 원자로라고도 합니다. 여기에는 근본적인 차이가 없지만 과학의 관점에서는 "핵"이라는 단어를 사용하는 것이 더 정확하다는 점에 유의하십시오. 현재 다양한 유형의 원자로가 있습니다. 이들은 발전소, 원자로에서 에너지를 생성하도록 설계된 거대한 산업용 원자로입니다. 잠수함, 과학 실험에 사용되는 소형 실험 원자로. 바닷물을 담수화하는 데 사용되는 원자로도 있습니다.
원자로 생성의 역사
최초의 원자로는 그리 멀지 않은 1942년에 발사되었습니다. 이것은 페르미(Fermi)의 지도력 하에 미국에서 일어났습니다. 이 원자로는 시카고 우드파일(Chicago Woodpile)이라고 불렸습니다.
1946년에 쿠르차토프의 지도 하에 발사된 최초의 소련 원자로가 가동을 시작했습니다. 이 원자로의 몸체는 직경 7미터의 공이었습니다. 최초의 원자로에는 냉각 시스템이 없었으며 전력도 미미했습니다. 그건 그렇고, 소련 원자로는 평균 전력이 20W이고 미국 원자로는 1W에 불과했습니다. 비교를 위해 현대 동력로의 평균 전력은 5기가와트입니다. 세계 최초의 산업용 원자로인 원자로가 발사된 지 10년도 채 되지 않아 원자력 발전소오브닌스크 시에서.
원자로의 작동 원리
모든 원자로는 여러 부분으로 구성됩니다. 핵심 와 함께 연료 그리고 중재자 , 중성자 반사경 , 냉각수 , 제어 및 보호 시스템 . 동위원소는 원자로의 연료로 가장 자주 사용됩니다. 우라늄 (235, 238, 233), 플루토늄 (239) 그리고 토륨 (232). 활성 구역은 일반 물(냉각수)이 흐르는 보일러입니다. 다른 냉각수 중에서 "중수"와 액체 흑연은 덜 일반적으로 사용됩니다. 원자력 발전소의 운영에 대해 이야기하면 원자로가 열을 생산하는 데 사용됩니다. 전기 자체는 다른 유형의 발전소와 동일한 방법을 사용하여 생성됩니다. 증기가 터빈을 회전시키고 운동 에너지가 전기 에너지로 변환됩니다.
아래는 원자로의 작동 다이어그램입니다.
이미 말했듯이 무거운 우라늄 핵이 붕괴하면 더 가벼운 원소와 여러 개의 중성자가 생성됩니다. 생성된 중성자는 다른 핵과 충돌하여 핵분열을 일으키기도 합니다. 동시에 중성자의 수는 눈사태처럼 증가합니다.
여기서 언급해야 할 것 중성자 증식 인자 . 따라서 이 계수가 1과 같은 값을 초과하면 핵폭발이 발생합니다. 값이 1보다 작으면 중성자가 너무 적어서 반응이 중단됩니다. 그러나 계수의 값을 1로 유지하면 반응은 길고 안정적으로 진행될 것입니다.
문제는 이 작업을 수행하는 방법입니다. 원자로에서 연료는 소위 연료 요소 (TVELakh). 이것은 작은 정제 형태의 막대형 제품입니다. 핵연료 . 연료봉은 육각형 모양의 카세트로 연결되며 원자로에는 수백 개가 있을 수 있습니다. 연료봉이 장착된 카세트는 수직으로 배열되어 있으며, 각 연료봉에는 노심에 담그는 깊이를 조절할 수 있는 시스템이 있습니다. 카세트 자체 외에도 다음이 포함됩니다. 제어봉 그리고 비상 보호 막대 . 막대는 중성자를 잘 흡수하는 물질로 만들어졌습니다. 따라서 제어봉을 노심의 다양한 깊이로 낮춰 중성자 증식 계수를 조정할 수 있습니다. 비상봉은 비상시 원자로를 정지하도록 설계되었습니다.
원자로는 어떻게 시작됩니까?
작동 원리 자체는 알아냈는데, 원자로를 어떻게 시작하고 작동하게 만들까요? 대략적으로 말하면 여기에 우라늄 조각이 있지만 연쇄 반응은 자체적으로 시작되지 않습니다. 요점은 핵 물리학개념이 있다 임계 질량 .
임계 질량은 핵 연쇄 반응을 시작하는 데 필요한 핵분열성 물질의 질량입니다.
연료봉과 제어봉의 도움으로 원자로에서 임계 질량의 핵연료가 먼저 생성된 다음 여러 단계를 거쳐 원자로가 최적의 출력 수준에 도달합니다.
이 기사에서 우리는 원자로의 구조와 작동 원리에 대한 일반적인 아이디어를 제공하려고 노력했습니다. 해당 주제에 대해 질문이 있거나 대학에서 핵물리학 문제에 대한 질문을 받은 경우 다음 연락처로 문의하세요. 우리 회사의 전문가에게. 늘 그렇듯이, 우리는 귀하의 학업과 관련된 긴급한 문제를 해결하도록 도울 준비가 되어 있습니다. 그 동안 여러분의 관심을 끌 수 있는 또 다른 교육 비디오를 시청해 보세요!