Как работает ядерный (атомный) реактор. Атомный реактор: принцип работы, характеристики, описание

Ядерный реактор — устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии.

История

Самоподдерживающаяся управляемая цепная реакция деления ядер (кратко — цепная реакция) была впервые осуществлена в декабре 1942 г. Группа физиков Чикагского университета , возглавляемая Э. Ферми , построила первый в мире ядерный реактор, названный СР-1 . Он состоял из графитовых блоков, между которыми были расположены шары из природного урана и его двуокиси. Быстрые нейтроны, появляющиеся после деления ядер 235U , замедлялись графитом до тепловых энергий, а затем вызывали новые деления ядер. Реакторы, подобные СР-1, в которых основная доля делений происходит под действием тепловых нейтронов, называют реакторами на тепловых нейтронах. В их состав входит очень много замедлителя по сравнению с ураном.

В СССР теоретические и экспериментальные исследования особенностей пуска, работы и контроля реакторов были проведены группой физиков и инженеров под руководством академика И. В. Курчатова . Первый советский реактор Ф-1 выведен в критическое состояние 25 декабря 1946 г. Реактор Ф-1 набран из графитовых блоков и имеет форму шара диаметром примерно 7,5 м. В центральной части шара диаметром 6 м по отверстиям в графитовых блоках размещены урановые стержни. Результаты исследований на реакторе Ф-1 стали основой проектов более сложных по конструкции промышленных реакторов. В 1949 г. введён в действие реактор по производству плутония, а 27 июня 1954 г. вступила в строй первая в мире атомная электростанция электрической мощностью 5 МВт в г. Обнинске.

Устройство и принцип работы

Механизм энерговыделения

Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергий. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер, для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии — энергии возбуждения. Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.

Если иметь в виду макроскопические масштабы энерговыделения, то необходимую для возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины, при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога, ограничивающего течение процесса. В случае молекулярных превращений, т. е. химических реакций, такое повышение обычно составляет сотни градусов Кельвина, в случае же ядерных реакций — это минимум 107°К из-за очень большой высоты кулоновских барьеров сталкивающихся ядер. Тепловое возбуждение ядерных реакций осуществлено на практике только при синтезе самых лёгких ядер, у которых кулоновские барьеры минимальны (термоядерный синтез). Возбуждение присоединяющимися частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры среды, поскольку происходит за счёт неиспользованных связей, присущих частицам сил притяжения. Но зато для возбуждения реакций необходимы сами частицы. И если опять иметь в виду не отдельный акт реакции, а получение энергии в макроскопических масштабах, то это возможно лишь при возникновении цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются как продукты экзоэнергетической реакции.

Схематическое устройство гетерогенного реактора на тепловых нейтронах1 — управляющий стержень; 2 — биологическая защита; 3 — тепловая защита; 4 — замедлитель; 5 — ядерное топливо; 6 — теплоноситель.

Схематическое устройство гетерогенного реактора на тепловых нейтронах

управляющий стержень;

биологическая защита;

тепловая защита;

замедлитель;

ядерное топливо;

теплоноситель.

Конструкция

Любой ядерный реактор состоит из следующих частей:

Активная зона с ядерным топливом и замедлителем;

Отражатель нейтронов, окружающий активную зону;

Теплоноситель;

Система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита

Радиационная защита

Система дистанционного управления

Основная характеристика реактора — его выходная мощность. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, при которой происходит 3·1016 делений в 1 сек.

Физические принципы работы

Текущее состояние ядерного реактора можно охарактеризовать эффективным коэффициентом размножения нейтронов k или реактивностью ρ, которые связаны следующим соотношением:

Для этих величин характерны следующие значения:

k > 1 — цепная реакция нарастает во времени, реактор находится в надкритичном состоянии, его реактивность ρ > 0;

k < 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, ρ < 0;

k = 1, ρ = 0 — число делений ядер постоянно, реактор находится в стабильном критическом состоянии.

Условие критичности ядерного реактора:

ω есть доля полного числа образующихся в реакторе нейтронов, поглощённых в активной зоне реактора, или вероятность избежать нейтрону утечки из конечного объема.

k 0 — коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров.

Обращение коэффициента размножения в единицу достигается сбалансированием размножения нейтронов с их потерями. Причин потерь фактически две: захват без деления и утечка нейтронов за пределы размножающей среды.

Очевидно, что k < k0, поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны

k0 для тепловых реакторов можно определить по так называемой «формуле 4-х сомножителей»:

μ — коэффициент размножения на быстрых нейтронах;

φ — вероятность избежать резонансного захвата;

θ — коэффициент использования тепловых нейтронов;

η — выход нейтронов на одно поглощение.

Объёмы современных энергетических реакторов могут достигать сотен м 3 и определяются главным образом не условиями критичности, а возможностями теплосъёма.

Критический объём ядерного реактора — объём активной зоны реактора в критическом состоянии. Критическая масса — масса делящегося вещества реактора, находящегося в критическом состоянии.

Наименьшей критической массой обладают реакторы, в которых топливом служат водные растворы солей чистых делящихся изотопов с водяным отражателем нейтронов. Для 235 U эта масса равна 0,8 кг, для 239 Pu — 0,5 кг. Теоретически, наименьшей критической массой обладает 251 Cf, для которого эта величина составляет всего 10 г.

С целью уменьшения утечки нейтронов, активной зоне придают сферическую или близкую к сферической форму, например короткого цилиндра или куба, так как эти фигуры обладают наименьшим отношением площади поверхности к объёму.

Несмотря на то, что величина (e — 1) обычно невелика, роль размножения на быстрых нейтронах достаточно велика, поскольку для больших ядерных реакторов (К∞ — 1) << 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Для начала цепной реакции обычно достаточно нейтронов, рождаемых при спонтанном делении ядер урана. Возможно также использование внешнего источника нейтронов для запуска реактора, например, смеси Ra и Be, 252 Cf или других веществ.

Иодная яма

Иодная яма — состояние ядерного реактора после его выключения, характеризующееся накоплением короткоживущего изотопа ксенона (135 Xe). Этот процесс приводит к временному появлению значительной отрицательной реактивности, что, в свою очередь, делает невозможным вывод реактора на проектную мощность в течение определённого периода (около 1—2 суток).

Классификация

По характеру использования

По характеру использования ядерные реакторы делятся на:

Экспериментальные реакторы, предназначенные для изучения различных физических величин, значение которых необходимо для проектирования и эксплуатации ядерных реакторов; мощность таких реакторов не превышает несколько кВт;

Исследовательские реакторы, в которых потоки нейтронов и γ-квантов, создаваемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёрдого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных потоках (в т. ч. деталей ядерных реакторов), для производства изотопов. Мощность исследовательских реакторов не превосходит 100 Мвт; выделяющаяся энергия, как правило, не используется.

Изотопные (оружейные, промышленные) реакторы, используемые для наработки изотопов, используемых в ядерных вооружениях, например 239Pu.

Энергетические реакторы, предназначенные для получения электрической и тепловой энергии, используемой в энергетике, при опреснении воды, для привода силовых установок кораблей и т. д.; Тепловая мощность современного энергетического реактора достигает 3—5 ГВт.

По спектру нейтронов

Реактор на тепловых нейтронах («тепловой реактор»)

Реактор на быстрых нейтронах («быстрый реактор»)

Реактор на промежуточных нейтронах

По размещению топлива

Гетерогенные реакторы, где топливо размещается в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель;

Гомогенные реакторы, где топливо и замедлитель представляют однородную смесь (гомогенную систему).

Блоки ядерного топлива в гетерогенном реакторе называются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ’ами), которые размещаются в активной зоне в узлах правильной решётки, образуя ячейки.

По виду топлива

По степени обогащения:

Естественный уран

Слабо обогащённый уран

Чистый делящийся изотоп

По химическому составу:

металлический U

UO 2 (диоксид урана)

UC (карбид урана) и т. д.

По виду теплоносителя

H 2 O (вода, см. Водо-водяной реактор)

Газ, (см. Графито-газовый реактор)

Реактор с органическим теплоносителем

Реактор с жидкометаллическим теплоносителем

Реактор на расплавах солей

По роду замедлителя

С (графит, см. Графито-газовый реактор, Графито-водный реактор)

H 2 O (вода, см. Легководный реактор, Водо-водяной реактор, ВВЭР)

D 2 O (тяжёлая вода, см. Тяжеловодный ядерный реактор, CANDU)

Гидриды металлов

Без замедлителя

По конструкции

Корпусные реакторы

Канальные реакторы

По способу генерации пара

Реактор с внешним парогенератором

Кипящий реактор

В начале XXI века наиболее распространены гетерогенные ядерные реакторы на тепловых нейтронах с замедлителями — H 2 O, С, D 2 O и теплоносителями — H 2 O, газ, D 2 O, например, водо-водяные ВВЭР, канальные РБМК.

Перспективными являются также быстрые реакторы. Топливом в них служит 238U, что позволяет в десятки раз улучшить использование ядерного топлива по сравнению с тепловыми реакторами, это существенно увеличивает ресурсы ядерной энергетики.

Материалы реакторов

Материалы, из которых строят реакторы, работают при высокой температуре в поле нейтронов, γ-квантов и осколков деления. Поэтому для реакторостроения пригодны не все материалы, применяемые в других отраслях техники. При выборе реакторных материалов учитывают их радиационную стойкость, химическую инертность, сечение поглощения и другие свойства.

Оболочки ТВЭЛов, каналы, замедлители (отражатели) изготовляют из материалов с небольшими сечениями поглощения. Применение материалов, слабо поглощающих нейтроны, снижает непроизводительный расход нейтронов, уменьшает загрузку ядерного топлива и увеличивает коэффициент воспроизводства КВ. Для поглощающих стержней, наоборот, пригодны материалы с большим сечением поглощения. Это значительно сокращает количество стержней, необходимых для управления реактором.

Быстрые нейтроны, γ-кванты и осколки деления повреждают структуру вещества. Так, в твёрдом веществе быстрые нейтроны выбивают атомы из кристаллической решётки или сдвигают их с места. Вследствие этого ухудшаются пластические свойства и теплопроводность материалов. Сложные молекулы под действием излучения распадаются на более простые молекулы или составные атомы. Например, вода разлагается на кислород и водород. Это явление известно под названием радиолиза воды.

Радиационная нестойкость материалов меньше сказывается при высоких температурах. Подвижность атомов становится настолько большой, что вероятность возвращения выбитых из кристаллической решётки атомов на своё место или рекомбинация водорода и кислорода в молекулу воды заметно увеличивается. Так, радиолиз воды несуществен в энергетических некипящих реакторах (например, ВВЭР), в то время как в мощных исследовательских реакторах выделяется значительное количество гремучей смеси. В реакторах есть специальные системы для ее сжигания.

Реакторные материалы контактируют между собой (оболочка ТВЭЛа с теплоносителем и ядерным топливом, тепловыделяющие кассеты — с теплоносителем и замедлителем и т. д.). Естественно, что контактирующие материалы должны быть химически инертными (совместимыми). Примером несовместимости служат уран и горячая вода, вступающие в химическую реакцию.

У большинства материалов прочностные свойства резко ухудшаются с увеличением температуры. В энергетических реакторах конструкционные материалы работают при высоких температурах. Это ограничивает выбор конструкционных материалов, особенно для тех деталей энергетического реактора, которые должны выдерживать высокое давление.

Выгорание и воспроизводство ядерного топлива

В процессе работы ядерного реактора из-за накопления в топливе осколков деления изменяется его изотопный и химический состав, происходит образование трансурановых элементов, главным образом изотопов Pu. Влияние осколков деления на реактивность ядерного реактора называется отравлением (для радиоактивных осколков) и зашлаковыванием (для стабильных изотопов).

Основная причина отравления реактора — 135 Xe, обладающий наибольшим сечением поглощения нейтронов (2,6·106 барн). Период полураспада 135 Xe T½ = 9,2 ч; выход при делении составляет 6—7%. Основная часть 135Xe образуется в результате распада 135 I (T½ = 6,8 ч). При отравлении Кэф изменяется на 1—3%. Большое сечение поглощения 135 Xe и наличие промежуточного изотопа 135 I приводят к двум важным явлениям:

К увеличению концентрации 135 Xe и, следовательно, к уменьшению реактивности реактора после его остановки или снижения мощности («иодная яма»), что делает невозможным кратковременные остановки и колебания выходной мощности. Данный эффект преодолевается введением запаса реактивности в органах регулирования. Глубина и продолжительность йодной ямы зависят от потока нейтронов Ф: при Ф = 5·1018 нейтрон/(см 2 ·сек) продолжительность йодной ямы ˜ 30 ч, а глубина в 2 раза превосходит стационарное изменение Кэф, вызванное отравлением 135 Xe.

Из-за отравления могут происходить пространственно-временные колебания нейтронного потока Ф, а, следовательно, и мощности реактора. Эти колебания возникают при Ф > 1018 нейтронов/(см 2 ·сек) и больших размерах реактора. Периоды колебаний ˜ 10 ч.

При делении ядер возникает большое число стабильных осколков, которые различаются сечениями поглощения по сравнению с сечением поглощения делящегося изотопа. Концентрация осколков с большим значением сечения поглощения достигает насыщения в течение нескольких первых суток работы реактора. Главным образом это 149Sm, изменяющий Кэф на 1%). Концентрация осколков с малым значением сечения поглощения и вносимая ими отрицательная реактивность возрастают линейно во времени.

Образование трансурановых элементов в ядерном реакторе происходит по следующим схемам:

235 U + n → 236 U + n → 237 U →(7 сут)→ 237 Np + n → 238 Np →(2,1 сут)→ 238 Pu

238 U + n → 239 U →(23 мин)→ 239 Np →(2,3 сут)→ 239 Pu (+осколки) + n → 240 Pu + n → 241 Pu (+осколки) + n → 242 Pu + n → 243 Pu →(5 ч)→ 243 Am + n → 244 Am →(26 мин)→ 244 Cm

Время между стрелками обозначает период полураспада, «+n» обозначает поглощение нейтрона.

В начале работы реактора происходит линейное накопление 239 Pu, причём тем быстрее (при фиксированном выгорании 235 U), чем меньше обогащение урана. Далее концентрация 239 Pu стремится к постоянной величине, которая не зависит от степени обогащения, а определяется отношением сечений захвата нейтронов 238 U и 239 Pu. Характерное время установления равновесной концентрации 239 Pu ˜ 3/Ф лет (Ф в ед. 1013 нейтронов/см 2 ×сек). Изотопы 240 Pu, 241 Pu достигают равновесной концентрации только при повторном сжигании горючего в ядерном реакторе после регенерации ядерного топлива.

Выгорание ядерного топлива характеризуют суммарной энергией, выделившейся в реакторе на 1 топлива. Эта величина составляет:

˜ 10 Гвт·сут/т — реакторы на тяжёлой воде;

˜ 20—30 Гвт·сут/т — реакторы на слабообогащённом уране (2—3% 235U);

до 100 Гвт·сут/т — реакторы на быстрых нейтронах.

Выгорание 1 Гвт·сут/т соответствует сгоранию 0,1% ядерного топлива.

По мере выгорания топлива реактивность реактора уменьшается. Замена выгоревшего топлива производится сразу из всей активной зоны или постепенно, оставляя в работе ТВЭЛы разных «возрастов». Такой режим называется непрерывной перегрузкой топлива.

В случае полной замены топлива, реактор имеет избыточную реактивность, которую нужно компенсировать, тогда как во втором случае компенсация требуется только при первом пуске реактора. Непрерывная перегрузка позволяет повысить глубину выгорания, т. к. реактивность реактора определяется средними концентрациями делящихся изотопов.

Масса загруженного топлива превосходит массу выгруженного за счёт «веса» выделившейся энергии. После остановки реактора, сначала главным образом за счёт деления запаздывающими нейтронами, а затем, через 1—2 мин, за счёт β- и γ-излучения осколков деления и трансурановых элементов, в топливе продолжается выделение энергии. Если реактор работал достаточно долго до момента остановки, то через 2 мин после остановки выделение энергии составляет около 3%, через 1 ч — 1%, через сутки — 0,4%, через год — 0,05%.

Отношение количества делящихся изотопов Pu, образовавшихся в ядерном реакторе, к количеству выгоревшего 235 U называется коэффициентом конверсии KK. Величина KK увеличивается при уменьшении обогащения и выгорания. Для тяжеловодного реактора на естественном уране, при выгорании 10 Гвт·сут/т KK = 0,55, а при небольших выгораниях (в этом случае KK называется начальным плутониевым коэффициентом) KK = 0,8. Если ядерный реактор сжигает и производит одни и те же изотопы (реактор-размножитель), то отношение скорости воспроизводства к скорости выгорания называется коэффициентом воспроизводства КВ. В ядерных реакторах на тепловых нейтронах КВ < 1, а для реакторов на быстрых нейтронах КВ может достигать 1,4—1,5. Рост КВ для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g растёт, а а падает.

Управление ядерным реактором

Ядерный реактор может работать с заданной мощностью в течение длительного времени только в том случае, если в начале работы имеет запас реактивности. Протекающие в реакторе процессы вызывают ухудшение размножающих свойств среды, и без механизма восстановления реактивности реактор не смог бы работать даже малое время. Первоначальный запас реактивности создается путём постройки активной зоны с размерами, значительно превосходящими критические. Чтобы реактор не становился надкритичным, в активную зону вводятся вещества-поглотители нейтронов. Поглотители входят в состав материала управляющих стержней, перемещающихся по соответствующим каналам в активной зоне. Причём если для регулирования достаточно всего нескольких стержней, то для компенсации начального избытка реактивности число стержней может достигать сотни. Компенсирующие стержни постепенно выводятся из активной зоны реактора, обеспечивая критическое состояние в течение всего времени его работы. Компенсация выгорания может также достигаться применением специальных поглотителей, эффективность которых убывает при захвате ими нейтронов (Cd, В, редкоземельные элементы) или растворов поглощающих веществ в замедлителе.

Управление ядерным реактором упрощает тот факт, что часть нейтронов при делении вылетает из осколков с запаздыванием, которое может составить от 0,2 до 55 сек. Благодаря этому, нейтронный поток и, соответственно, мощность изменяются достаточно плавно, давая время на принятие решения и изменение состояния реактора извне.

Для управления ядерным реактором служит система управления и защиты (СУЗ). Органы СУЗ делятся на:

Аварийные, уменьшающие реактивность (вводящие в реактор отрицательную реактивность) при появлении аварийных сигналов;

Автоматические регуляторы, поддерживающие постоянным нейтронный поток Ф (т. е. мощность на выходе);

Компенсирующие, служащие для компенсации отравления, выгорания, температурных эффектов.

В большинстве случаев для управления реактором используют стержни, вводимые в активную зону, изготовленные из материалов, сильно поглощающих нейтроны (Cd, В и др.). Движение стержней управляется специальными механизмами, работающими по сигналам приборов, чувствительных к величине нейтронного потока.

Работа органов СУЗ заметно упрощается для реакторов с отрицательным температурным коэффициентом реактивности (с ростом температуры r уменьшается).

На основе информации о состоянии реактора, специальным вычислительным комплексом формируются рекомендации оператору по изменению состояния реактора, либо, в определённых пределах, управление реактором производится без участия оператора.

На случай непредвиденного катастрофического развития цепной реакции, в каждом реакторе предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции, осуществляемое сбрасыванием в активную зону специальных аварийных стержней или стержней безопасности — система аварийной защиты.

Ядерный реактор работает слаженно и четко. Иначе, как известно, будет беда. Но что там творится внутри? Попытаемся сформулировать принцип работы ядерного (атомного) реактора кратко, четко, с остановками.

По сути, там творится тот же процесс, что и при ядерном взрыве. Только вот взрыв происходит очень быстро, а в реакторе все это растягивается на длительное время. В итоге все остается целым и невредимым, а мы получаем энергию. Не столько, чтобы все вокруг сразу разнесло, но вполне достаточную для того, чтобы обеспечить электричеством город.

как работает реакторГрадирни АЭС
Прежде чем понять, как идет управляемая ядерная реакция, нужно узнать, что такое ядерная реакция вообще.

Ядерная реакция - это процесс превращения (деления) атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами и гамма-квантами.

Ядерные реакции могут проходить как с поглощением, так и с выделением энергии. В реакторе используются вторые реакции.

Ядерный реактор - это устройство, назначением которого является поддержание контролируемой ядерной реакции с выделением энергии.

Часто ядерный реактор называют еще и атомным. Отметим, что принципиальной разницы тут нет, но с точки зрения науки правильнее использовать слово «ядерный». Сейчас существует множество типов ядерных реакторов. Это огромные промышленные реакторы, предназначенные для выработки энергии на электростанциях, атомные реакторы подводных лодок, малые экспериментальные реакторы, используемые в научных опытах. Существуют даже реакторы, применяемые для опреснения морской воды.

История создания атомного реактора

Первый ядерный реактор был запущен в не таком уж и далеком 1942 году. Произошло это в США под руководством Ферми. Этот реактор назвали «Чикагской поленницей».

В 1946 году заработал первый советский реактор, запущенный под руководством Курчатова. Корпус этого реактора представлял собой шар семи метров в диаметре. Первые реакторы не имели системы охлаждения, и мощность их была минимальной. К слову, советский реактор имел среднюю мощность 20 Ватт, а американский - всего 1 Ватт. Для сравнения: средняя мощность современных энергетических реакторов составляет 5 Гигаватт. Менее чем через десять лет после запуска первого реактора была открыта первая в мире промышленная атомная электростанция в городе Обнинске.

Принцип работы ядерного (атомного) реактора

У любого ядерного реактора есть несколько частей: активная зона с топливом и замедлителем, отражатель нейтронов, теплоноситель, система управления и защиты. В качестве топлива в реакторах чаще всего используются изотопы урана (235, 238, 233), плутония (239) и тория (232). Активная зона представляет собой котел, через который протекает обычная вода (теплоноситель). Среди других теплоносителей реже используется «тяжелая вода» и жидкий графит. Если говорить про работу АЭС, то ядерный реактор используется для получения тепла. Само электричество вырабатывается тем же методом, что и на других типах электростанций — пар вращает турбину, а энергия движения преобразуется в электрическую энергию.

Приведем ниже схему работы ядерного реактора.

схема работы ядерного реактораСхема ядерного реактора на АЭС

Как мы уже говорили, при распаде тяжелого ядра урана образуются более легкие элементы и несколько нейтронов. Образовавшиеся нейтроны сталкиваются с другими ядрами, также вызывая их деление. При этом количество нейтронов растет лавинообразно.

Здесь нужно упомянуть коэффициент размножения нейтронов. Так, если этот коэффициент превышает значение, равное единице, происходит ядерный взрыв. Если значение меньше единицы, нейтронов слишком мало и реакция угасает. А вот если поддерживать значение коэффициента равным единице, реакция будет протекать долго и стабильно.

Вопрос в том, как это сделать? В реакторе топливо находится в так называемых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах). Это стержни, в которых в виде небольших таблеток находится ядерное топливо. ТВЭЛы соединены в кассеты шестигранной формы, которых в реакторе могут быть сотни. Кассеты с ТВЭЛами располагаются вертикально, при этом каждый ТВЭЛ имеет систему, позволяющую регулировать глубину его погружения в активную зону. Помимо самих кассет среди них располагаются управляющие стержни и стержни аварийной защиты. Стержни изготовлены из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Так, управляющие стержни могут быть опущены на различную глубину в активной зоне, тем самым регулируя коэффициент размножения нейтронов. Аварийные стержни призваны заглушить реактор в случае чрезвычайной ситуации.

Как запускают ядерный реактор?

С самим принципом работы мы разобрались, но как запустить и заставить реактор функционировать? Грубо говоря, вот он — кусок урана, но ведь цепная реакция не начинается в нем сама по себе. Дело в том, что в ядерной физике существует понятие критической массы.

Ядерное топливоЯдерное топливо

Критическая масса - это необходимая для начала цепной ядерной реакции масса делящегося вещества.

При помощи ТВЭЛов и управляющих стержней в ректоре сначала создается критическая масса ядерного топлива, а потом реактор в несколько этапов выводится на оптимальный уровень мощности.

Вам понравится: Математические штучки-фокусы для студентов-гуманитариев и не очень (Часть 1)
В данной статье мы постарались дать Вам общее представление об устройстве и принципе работы ядерного (атомного) реактора. Если у Вас остались вопросы по теме или в университете задали задачу по ядерной физике - обращайтесь к специалистам нашей компании. Мы, как обычно, готовы помочь Вам решить любой насущный вопрос по учебе. А пока мы этим занимаемся, Вашему вниманию очередное образовательное видео!

blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

Для обычного человека современные высокотехнологичные устройства настолько таинственны и загадочны, что впору им поклоняться, как древние поклонялись молнии. Школьные уроки физики, изобилующие математическими выкладками, не решают проблему. А ведь рассказать интересно можно даже про атомный реактор, принцип работы которого понятен даже подростку.

Как работает атомный реактор?

Принцип действия данного высокотехнологического устройства выглядит следующим образом:

1. При поглощении нейтрона ядерное топливо (чаще всего это уран-235 или плутоний-239 ) происходит деление атомного ядра;
2. Высвобождается кинетическая энергия, гамма-излучение и свободные нейтроны;
3. Кинетическая энергия преобразуется в тепловую (когда ядра сталкиваются с окружающими атомами), гамма-излучение поглощается самим реактором и превращается также в тепло;
4. Часть из образованных нейтронов поглощается атомами топлива, что вызывает цепную реакцию. Для управления ей используются поглотители и замедлители нейтронов;
5. С помощью теплоносителя (вода, газ или жидкий натрий) происходит отвод тепла от места прохождения реакции;
6. Находящийся под давлением пар от нагретой воды используется для приведения во вращение паровых турбин;
7. С помощью генератора механическая энергия вращения турбин преобразуется в переменный электрический ток.

Подходы к классификации

Оснований для типологии реакторов может быть множество:

• По типу ядерной реакции . Деление (все коммерческие установки) или синтез (термоядерная энергетика, имеет распространение лишь в некоторых НИИ);
• По теплоносителю . В абсолютном большинстве случаев с этой целью используется вода (кипящая или тяжелая). Иногда используются альтернативные решения: жидкий металл (натрий, свинец-висмутовый сплав, ртуть), газ (гелий, углекислый газ или азот), расплавленная соль (фторидные соли);
• По поколению. Первое - ранние прототипы, которые не имели никакого коммерческого смысла. Второе - большинство ныне используемых АЭС, которые были построены до 1996 года. Третье поколение отличается от предыдущего лишь небольшими усовершенствованиями. Работа над четвертым поколением еще ведется;
• По агрегатному состоянию топлива (газовое пока существует только на бумаге);
• По целям использования (для производства электричества, пуска двигателя, производства водорода, опреснения, трансмутации элементов, получение нейронного излучения, теоретические и следовательские цели).

Устройство атомного реактора

Основными компонентами реакторов на большинстве электростанций являются:

1. Ядерное топливо - вещество, которое необходимо для производства тепла для энергетических турбин (как правило, низкообогащенный уран);
2. Активная зона ядерного ректора - именно здесь проходит ядерная реакция;
3. Замедлитель нейтронов - снижает скорость быстрых нейтронов, превращая их в тепловые нейтроны;
4. Пусковой нейтронный источник - используется для надежного и стабильного пуска ядерной реакции;
5. Поглотитель нейтронов - имеются на некоторых электростанциях для снижения высокой реакционной способности свежего топлива;
6. Нейтронная гаубица - используется для повторного инициирования реакции после выключения;
7. Охлаждающая жидкость (очищенная вода);
8. Управляющие стержни - для регулирования скорости деления ядер урана или плутония;
9. Водный насос - перекачивает воду в паровой котел;
10. Паровая турбина - превращает тепловую энергию пара во вращательную механическую;
11. Градирня - устройство для отвода лишнего тепла в атмосферу;
12. Система приема и хранения радиоактивных отходов;
13. Системы безопасности (аварийные дизель-генераторы, устройства для аварийного охлаждения активной зоны).

Как устроены последние модели

Последнее 4-е поколение реакторов будет доступно для коммерческой эксплуатации не раньше 2030 года . В настоящее время принцип и устройство их работы находятся на этапе разработки. Согласно современным данным, эти модификации будут отличаться от существующих моделей такими преимуществами :

• Система быстрого газового охлаждения. Предполагается, что в качестве охлаждающего вещества будет использован гелий. Согласно проектной документации, таким образом можно охлаждать реакторы с температурой 850 °С. Для работы при таких высоких температурах потребуется и специфическое сырье: композитные керамические материалы и актинидные соединения;
• В качестве первичного теплоносителя возможно использование свинца или свинцово-висмутового сплава. Эти материалы имеют низкий показатель нейтронного поглощения и относительно низкую температуру плавления;
• Также в качестве основного теплоносителя может использоваться смесь из расплавленных солей. Тем самым удастся работать при более высоких температурах, чем современные аналоги с водяным охлаждением.

Естественные аналоги в природе

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

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

Сколько атомных реакторов в Южной Корее?

Бедная на природные ресурсы, но промышленно развитая и перенаселенная Республика Корея испытывает чрезвычайную потребность в энергии. На фоне отказа Германии от мирного атома эта страна возлагает большие надежды на обуздание ядерных технологий:

• Планируется, что к 2035 году доля электроэнергии, генерируемой на АЭС, достигнет 60%, а совокупное производство - более 40 гигаватт;
• Страна не имеет атомного оружия, но исследования по ядерной физике ведутся непрерывно. Корейские ученые разработали проекты современных реакторов: модульные, водородные, с жидким металлом и др.;
• Успехи местных исследователей позволяют продавать технологии за рубеж. Ожидается, что в ближайшие 15-20 лет страна экспортирует 80 таких установок;
• Но по состоянию на сегодняшний день большая часть АЭС сооружена при содействии американских или французских ученых;
• Количество действующих станций относительно невелико (только четыре), но каждая из них располагает значительным числом реакторов - в совокупности 40, причем эта цифра будет расти.

При бомбардировке нейтронами ядерное топливо приходит в цепную реакцию, в результате которой образуется огромное количество тепла. Находящаяся в системе вода забирает это тепло и превращается в пар, который вращает турбины, производящие электричество. Вот простая схема работы атомного реактора, мощнейшего источника энергии на Земле.

Видео: как работают атомные реакторы

В данном ролике физик-ядерщик Владимир Чайкин расскажет, с помощью чего врабатывается электричество в атомных реакторах, их подробное устройство:

Что такое ядерный реактор?

Ядерный реактор, ранее известный как "атомный котёл" является устройством, используемым для инициирования и контроля поддерживаемой ядерной цепной реакции. Ядерные реакторы используются на атомных электростанциях для производства электроэнергии и для корабельных двигателей. Тепло от ядерного деления передается в рабочую жидкость (воду или газ), которая проходит через паровые турбины. Вода или газ приводят в движение лопасти корабля, либо вращают электрогенераторы. Пар, возникающий в результате ядерной реакции в принципе может использоваться для тепловой промышленности или для централизованного теплоснабжения. Некоторые реакторы используются для производства изотопов, применяемых в медицинских и промышленных целях или для производства оружейного плутония. Некоторые из них предназначены только для исследований. Сегодня существует около 450 ядерных энергетических реакторов, которые используются для выработки электроэнергии примерно в 30 странах мира.

Принцип работы ядерного реактора

Подобно тому, как обычные электростанции вырабатывают электроэнергию за счет использования тепловой энергии, выделяемой от сжигания ископаемого топлива, ядерные реакторы преобразуют энергию, выделяемую контролируемым делением ядер, в тепловую энергию для дальнейшего преобразования в механические или электрические формы.

Процесс деления атомного ядра

Когда значительное количество распадающихся атомных ядер (такие как уран-235 или плутоний-239) поглощают нейтрон, то может произойти процесс ядерного распада. Тяжелое ядро ​​распадается на два или более легких ядер, (продукты деления), высвобождая кинетическую энергию, гамма-излучение и свободные нейтроны. Часть этих нейтронов впоследствии могут быть поглощены другими атомами делящихся и вызвать дальнейшее деление, которое высвобождает ещё больше нейтронов, и так далее. Данный процесс известен как цепная ядерная реакция.

Для управления такой цепной ядерной реакцией, поглотители и замедлители нейтронов могут изменить долю нейтронов, которые пойдут на деление большего количества ядер. Ядерные реакторы управляются вручную или автоматически, чтобы иметь возможность остановить реакцию распада при выявлении опасных ситуаций.

Обычно используются такие регуляторы нейтронного потока как обычная ("легкая") вода (74,8% реакторов в мире), твердый графит (20% реакторов) и "тяжелая" воды (5% реакторов). В некоторых экспериментальных типах реакторов предлагается использовать бериллий, и углеводороды.

Тепловыделение в ядерном реакторе

Рабочая зона реактора вырабатывает тепло несколькими способами:

• Кинетическая энергия продуктов деления преобразуется в тепловую энергию, когда ядра сталкиваются с соседними атомами.
• Реактор поглощает часть гамма-излучения, образующегося в ходе деления и преобразует его энергию в тепло.
• Тепло вырабатывается в результате радиоактивного распада продуктов деления и тех материалов, которые подверглись воздействию в ходе поглощения нейтронов. Этот источник тепла будет сохраняться неизменным в течение некоторого времени, даже после того, как реактор остановлен.

В ходе ядерных реакций килограмм урана-235 (U-235) выделяет примерно в три миллиона раз больше энергии, чем килограмм сжигаемого угля условно (7,2 × 1013 джоулей на килограмм урана-235 по сравнению с 2,4 × 107 джоулей на килограмм угля) ,

Система охлаждения ядерного реактора

Охладитель ядерного реактора - обычно вода, но иногда газ, жидкий металл (например, жидкий натрий) или расплавленная соль - он циркулирует вокруг активной зоны реактора для поглощения выделяющегося тепла. Тепло отводится из реактора и затем используется для генерации пара. Большинство реакторов используют систему охлаждения, которая физически изолирована от воды, которая кипит и генерирует пар, используемый для турбин, как реактор с водой под давлением. Тем не менее, в некоторых реакторах вода для паровых турбин кипит непосредственно в активной зоне реактора; например, в водо-водяном типе реактора.

Контроль нейтронного потока в реакторе

Выходная мощность реактора регулируется путем контроля количества нейтронов способных вызвать больше делений.

Управляющие стержни, которые сделаны из "нейтронного яда" используются для поглощения нейтронов. Чем больше нейтронов, поглощается управляющим стержнем, тем меньше нейтронов могут вызвать дальнейшее деление. Таким образом, погружение поглотительных стержней вглубь реактора, уменьшает его выходную мощность и, наоборот, извлечение управляющего стержня увеличит её.

На первом уровне управления во всех ядерных реакторов, процесс задержанной эмиссии нейтронов ряда нейтронообогащенных изотопов деления является важным физическим процессом. Эти запаздывающие нейтроны составляют около 0,65% от общего числа нейтронов, образующихся при делении, а остальная часть (так называемые "быстрые нейтроны"), образуются сразу в ходе деления. Продукты деления, которые формируют запаздывающие нейтроны обладают периодами полураспада от миллисекунд до нескольких минут, и поэтому требуется значительное время, чтобы точно определить, когда реактор достигает критической точки. Поддержание реактора в режиме цепной реактивности, где запаздывающие нейтроны необходимы для достижения критической массы, достигается при помощи механических устройств или управлением под контролем человека, с целью контроля над цепной реакцией в "реальном времени"; в ином случае время между достижением критичности и плавлением активной зоны ядерного реактора в результате экспоненциального скачка напряжения в ходе нормальной ядерной цепной реакции, будет слишком коротким, чтобы осуществить вмешательство. Этот последний этап, где запаздывающие нейтроны больше не требуется для поддержания критичности, известен как критичность по мгновенным нейтронам. Существует шкала для описания критичности в числовой форме, в которой затравочная критичность обозначена термином "ноль долларов", быстрая критическая точка как "один доллар", другие моменты в процессе интерполированы в "центах".

В некоторых реакторах, охлаждающая жидкость также выступает в роли замедлителя нейтронов. Замедлитель увеличивает мощность реактора, заставляя быстрые нейтроны, которые высвобождаются в ходе деления терять энергию и становятся тепловыми нейтронами. Тепловые нейтроны с большей вероятностью, чем быстрые нейтроны вызывают деление. Если охладитель является также замедлителем нейтронов, то изменения температуры могут повлиять на плотность охладителя / замедлителя и, следовательно, на изменение выходной мощности реактора. Чем выше температура охладителя, тем он будет менее плотным, и, следовательно, менее эффективным замедлителем.

В других типах реакторов охладитель выступает в роли "нейтронного яда", поглощая нейтроны, таким же способом, как и регулирующие стержни. В этих реакторах выходная мощность может быть увеличена путем нагрева охладителя, что делает его менее плотным. Ядерные реакторы, как правило, имеют автоматические и ручные системы для остановки реактора для аварийного отключении. Эти системы помещают большого количества "нейтронного яда" (часто бора в виде борной кислоты) в реактор для того, чтобы остановить процесс деления, если обнаружены или предполагаюстя опасные состояния.

Большинство типов реакторов чувствительны к процессу известному как "ксеноновая яма" или "йодная яма". Рапространенный продукт распада ксенон-135, возникающий в результате реакции деления, играет роль нейтронного поглотителя, который стремится остановить реактор. Накоплением ксенона-135 можно управлять, поддерживая достаточно высокий уровень мощности, чтобы уничтожить его путем поглощения нейтронов так же быстро, как он производится. Деление также приводит к формированию йода-135, который в свою очередь распадается (с периодом полураспада 6,57 часа) с образованием ксенона-135. Когда реактор остановлен, йод-135 продолжает распадаться с образованием ксенона-135, что делает перезапуск реактора более трудным в течение одного или двух дней, так как ксенон-135 распадается, образуя цезий-135, который не является таким нейтронным поглотителем, как ксенон-135, с периодом полураспада 9,2 часа. Такое временное состояние является "йодной ямой". Если реактор имеет достаточную дополнительные мощность, то он может быть перезапущен. Чем больше ксенона-135 превратится в ксенон-136, что меньше нейтронного поглотителя, и в течение нескольких часов реактор испытывает так называемый "этап ксенонового выгорания". Дополнительно в реактор должны быть вставлены управляющие стержни, чтобы скомпенсировать поглощение нейтронов взамен утерянного ксенона-135. Невозможность правильно соблюдать такую процедуру послужило ключевой причиной аварии на Чернобыльской АЭС.

Реакторы, используемые в судовых атомных установках (особенно атомных подводных лодок), часто не могут быть запущены в режиме непрерывной выработки энергии таким же образом, что и наземные энергетические реакторы. Кроме того, такие энергетические установки должны обладать длительным периодом эксплуатации без смены топлива. По этой причине многие конструкции используют высокообогащенный уран, но содержат выгорающий поглотитель нейтроннов в топливных стержнях. Это позволяет сконструировать реактор с избытком расщепляющегося материала, который относительно безопасен в начале выгорания топливного цикла реактора в связи с наличием нейтронного поглощающего материала, который впоследствии замещается обычными долговечными поглотителями нейтронов (более долговечными, чем ксенон-135), которые постепенно накапливаются в течение срока эксплуатации топлива.

Как производится электроэнергия?

Энергия, образующаяся в процессе деления генерирует тепло, часть которого может быть преобразована в полезную энергию. Общий метод использования этой тепловой энергии - это использование её для кипячения воды и получения пара под давлением, который в свою очередь, приводит к вращению привода паровой турбины, которая вращает генератор переменного тока и вырабатывает электроэнергию.

История появления первых реакторов

Нейтроны былы открыты в 1932 г. Схема цепной реакции, спровоцированная ядерными реакциями в результате воздействия нейтронов впервые была осуществлена венгерским ученым Лео Силлардом, в 1933 году. Он подал заявку на патент идеи своего простого реактора в течение уже следующего года работы в Адмиралтействе в Лондоне. Тем не менее, идея Сцилларда не включала в себя теорию деления ядер как источника нейтронов, так как этот процесс еще не был обнаружен. Идеи Сцилларда для ядерных реакторов с использованием нейтронно-опосредованной ядерной цепной реакции в легких элементов оказались неосуществимыми.

Побуждением для создания нового типа реактора с использованием урана послужило открытие Лизе Мейтнер, Фрица Штрассмана и Отто Гана в 1938 году, которые "бомбардировали" уран нейтронами (с помощью реакции альфа-распада бериллия, "нейтронной пушкой") с образованием бария, который, как они считали, возник при распаде ядер урана. Последующие исследования, проведенные в начале 1939 года (Сцилард и Ферми) показали, что некоторые нейтроны также образовались в ходе ходе расшепления атома и это сделало возможным осуществление ядерной цепной реакции, как предвидел Сцилард шесть лет назад.

2 августа 1939 Альберт Эйнштейн подписал письмо, написанное Сциллардом, президенту Франклину Д. Рузвельту, где повествуется о том, что открытие деления урана может привести к созданию "чрезвычайно мощных бомб нового типа". Это дало толчок к изучению реакторов и радиоактивного распада. Сциллард и Эйнштейн хорошо знали друг друга и работали вместе много лет, но Эйнштейн никогда не думал о такой возможности для ядерной энергетики, до тех пор пока Сциллард не сообщил ему, в самом начале его поисках, чтобы и написать письмо Эйнштейна-Сцилларда, чтобы предупредить правительство США,

Вскоре после этого, в 1939 году гитлеровская Германия напала на Польшу, начав Вторую мировую войну в Европе. Официально США еще не были ов состоянии войны, но в октябре, когда письмо Эйнштейна-Сциларда был доставлено, Рузвельт отметил, что целью исследования является то, что нужно быть уверенным, что "нацисты не взорвут нас." Ядерный проект США начался, хотя и с некоторой задержкой, поскольку оставался скепсис (в частности от Ферми), а также из-за небольшого числа чиновников правительства, которые первоначально курировали этот проект.

В следующем году правительство США получило меморандум Фриша-Пайерльса от Великобритании, в котором говорилось, что количество урана, необходимое для осуществления цепной реакции значительно меньше, чем считалось ранее. Меморандум был создан при участии "Мауд Коммити", который работал над проектом атомной бомбы в Великобритании, известной позже под кодовым названием "Tube Alloys" (Трубчатые Сплавы) и позже учтен в рамках Манхэттенского проекта.

В конечном итоге, первый искусственный ядерный реактор, названный "Чикагская Поленница - 1", был построен в Университете Чикаго командой под руководством Энрико Ферми в конце 1942 г. К этому времени, атомная программа США уже была ускорена из-за вступления страны войну. "Чикагская Поленница" достигла критической точки 2 декабря 1942 года в 15 часов 25 минут. Каркас реактора был деревянным, скрепляя штабель графитовых блоков (отсюда и название) с вложенными "брикетами" или "псевдосферами"природного оксида урана.

Начиная с 1943 г вскоре после создания "Чикагской Поленницы" американские военные разработали целую серию ядерных реакторов для Манхэттенского проекта. Основной целью создания крупнейших реакторов (расположенных в Хэнфордском комплексе штата Вашингтон) было массовое производство плутония для ядерного оружия. Ферми и Сцилард подали патентную заявку на реакторы 19 декабря 1944 г. Его выдача была отложен на 10 лет из-за режима секретности военного времени.

"Первая в мире " - эта надпись сделана на месте реактора EBR-I, где сейчас расположен музей рядом с городом Арко, штат Айдахо. Изначально названный "Чикагская Поленница-4", этот реактор был создан под руководством Вальтера Зинна для Арегоннской национальной лаборатории. Этот экспериментальный реактор-размножитель быстрых нейтронов был в распоряжении Комиссии по атомной энергии США. Реактор произвёл 0,8 кВт энергии при испытаниях 20 декабря 1951 года и 100 кВт энергии (электрической) на следующий день, имея проектную мощность 200 кВт (электрической энергии).

Помимо военного использования ядерных реакторов, были политические причины продолжать исследования атомной энергии в мирных целях. Президент США Дуайт Эйзенхауэр сделал свою знаменитую речь "Атомы во имя мира" на Генеральной Ассамблее ООН 8 декабря 1953 г. Этот дипломатический шаг привел к распространению реакторных технологий как в США, так и во всем мире.

Первой атомной электростанцией, построенной для гражданских целей была АЭС "AM-1" в Обнинске, запущенная 27 июня 1954 года в Советском Союзе. Она произведила около 5 МВт электрической энергии.

После Второй мировой войны, американские военные искали другие области применения технологии ядерного реактора. Исследования проведенные в армии и ВВС не были реализованы; Тем не менее ВМС США добились успеха спустив на воду атомную подводную лодку USS Nautilus (SSN-571) 17 января 1955 года.

Первая коммерческая атомная электростанция (Колдер-Холл в Селлафилде, Англия) была открыта в 1956 году с начальной мощностью 50 МВт (позже 200 МВт).

Первый портативный ядерный реактор "Alco PM-2A" использользовался для выработки электроэнергии (2 МВт) для американской военной базы "Camp Century" с 1960 года.

Основные компоненты АЭС

Основными компонентами большинства типов атомных электростанций являются:

Элементы атомного реактора

• Ядерное топливо (активная зона ядерного реактора; замедлитель нейтронов)
• Исходный источник нейтронов
• Поглотитель нейтронов
• Нейтронная пушка (обеспечивает постоянный источник нейтронов для повторного инициирования реакции после выключения)
• Система охлаждения (часто замедлитель нейтронов и охладитель - одно и тоже, как правило очищенная вода)
• Управляющие стержни
• Корпус ядерного реактора (КЯР)

Насос подачи воды в котёл

• Парогенераторы (не в ядерных реакторах кипящего типа)
• Паровая турбина
• Генератор электроэнергии
• Конденсатор
• Градирня (требуется не всегда)
• Система обработки радиоактивных отходов (часть станции для утилизации радиоактивных отходов)
• Площадка перегрузки ядерного топлива
• Бассейн выдержки отработанного топлива

Система радиационной безопасности

• Система защиты рекатора (СЗР)
• Аварийные дизель-генераторы
• Система аварийного охлаждения активной зоны реактора (САОЗ)
• Аварийная жидкостная система регулирования (аварийный впрыск бора, только в ядерных реакторах кипящего типа)
• Система обеспечения технической водой ответственных потребителей (СОТВОП)

Защитная оболочка

• Пульт управления
• Установка для работы в аварийных ситуациях
• Ядерный учебно-тренировочный комплекс (как правило, имеется имтация пульта управления)

Классификации ядерных реакторов

Типы ядерных реакторов

Ядерные реакторы классифицируются несколькими способами; краткое изложение этих методов классификации представлено далее.

Классификация ядерных реакторов по типу замедлителя

Используемые тепловые реакторы:

• Графитовые реакторы
  
• Водо-водяный реакторы
• Реакторы на тяжелой воде (используются в Канаде, Индии, Аргентине, Китае, Пакистане, Румынии и Южной Корее).
• Реакторы на легкой воде (ЛВР). Реакторы на легкой воде (наиболее распространенный тип теплового реактора) используют обычную воду для управления и охлаждения реакторов. Если температура воды возрастает, то её плотность уменьшается, замедляя поток нейтронов настолько, чтобы вызвать дальнейшие цепные реакции. Это отрицательная обратная связь стабилизирует скорость ядерной реакции. Графит и тяжеловодные реакторы, как правило, более интенсивно нагреваются, нежели легководные реакторы. Из-за дополнительного нагрева, такие реакторы могут использовать природный уран / необогащенный топливо.
• Реакторы на основе замедлителей из легких элементов .
• Реакторы с замедлителями из расплавленных солей (MSR) управляются за счёт наличия легких элементов, таких как литий или бериллий, которые являются входят в состав матричных солей охладителя / топлива LiF и BEF2.
• Реакторы с охладителями на основе жидкого металла , где охладитель представлен смесью свинца и висмута, может использовать окись ВеО в поглотителя нейтронов.
• Реакторы на основе органического замедлителя (OMR) используют дифенил и терфенил в качестве замедлителя и охлаждающего компонентов.

Классификация ядерных реакторов по виду теплоносителя

• Реактор с водяным охлаждением . В Соединенных Штатах существует 104 действующих реактора. 69 из них являются водо-водяными реакторами (PWR), а 35 - реакторы с кипящей водой (BWR). Ядерные реакторы с водой под давлением (РВД) составляют подавляющее большинство всех западных АЭС. Основной характеристикой типа РВД является наличие нагнетателя, специального сосуда высокого давления. Большинство коммерческих реакторов типа РВД и военно-морских реакторных установок используют нагнетатели. Во время нормальной работы нагнетатель частично заполнен водой, и над ним поддерживается паровой пузырь, который создается путем нагрева воды с погружными нагревателями. В штатном режиме нагнетатель подключен к корпусу реактора высокого давления (КРВД) и компенсатор давления обеспечивает наличие полости в случае изменения объема воды в реакторе. Такая схема также обеспечивает контроль давления в реактора путем увеличения или уменьшения напора пара в компенсаторе с использованием нагревателей.

• Тяжеловодные реакторы высокого давления относятся к разновидности реакторов с водой под давлением (РВД), совмещая в себе принципы использование давления, изолированного теплового цикла, предполагая использованием тяжелой воды в качестве охладителя и замедлителя, что экономически выгодно.
• Реактор с кипящей водой (BWR). Модели реакторов с кипящей водой характеризуются наличием кипящей воды вокруг топливных стержней в нижней части основного корпуса реактора. В реакторе с кипящей водой в качестве топлива используется обогащенный 235U, в форме диоксида урана. Топливо скомпоновано в стержни, размещеные в стальном сосуде, который, в свою очередь, погружен в воду. Процесс ядерного деления вызывает кипение воды и формирование пара. Этот пар проходит через трубопроводы в турбинах. Турбины приводятся в движение паром, и этот процесс генерирует электричество. Во время нормальной работы, давление регулируется количеством водяного пара, поступающего из емкости высокого давления реактора в турбину.
• Реактор бассейнового типа
• Реактор с жидкометаллическим теплоносителем . Так как вода является замедлитель нейтронов, то она не может быть использован в качестве теплоносителя в реакторе на быстрых нейтронах. Теплоносители на основе жидкого металла включают в себя натрий, NaK, свинец, свинец-висмутовая эвтектика, а для реакторов ранних поколений, ртуть.
• Реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем .
• Реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем.
• Реакторы с газовым охлаждением охлаждаются циркулирующим инертным газом, зачатую гелием в высокотемпературных конструкциях. При этом, углекислый газ был использован ранее на британских и французских АЭС. Азот также использовался. Использование тепла зависит от типа реактора. Некоторые реакторы нагреты настолько, что газ может непосредственно привести в движение газовую турбину. Старые модели реакторов, как правило, подразумевали пропускание газа через теплообменник для того, чтобы образовать пар для паровой турбины.
• Реакторы на расплавах солей (MSR) охлаждаются за счет циркуляции расплавленной соли (обычно эвтектических смесей фтористых солей, таких как FLiBe). В типичном MSR, теплоноситель также используется в качестве матрицы, в которой растворен расщепляющийся материал.

Поколения ядерных реакторов

• Реактор первого поколения (ранние прототипы, исследовательские реакторы, некоммерческие энергетические реакторы)
• Реактор второго поколения (большинство современных атомных электростанций 1965-1996)
• Реактор третьего поколение (эволюционные усовершенствования существующих конструкций 1996-настоящее время)
• Реактор четвертого поколения (технологии все еще находятся на стадии разработки, неизвестная дата начала эксплуатации, возможно, 2030 г.)

В 2003 году французский комиссариат по атомной энергетики (CEA) впервые ввел обозначение "Gen II" в течении проводимой Недели Нуклеоники.

Первое упоминание о "Gen III" в 2000 году было сделано в связи с началом форума Generation IV International Forum (GIF).

"Gen IV" был упомянут в 2000 году Министерством энергетики Соединенных Штатов Америки (DOE) для разработки новых типов электростанций.

Классификация ядерных реакторов по виду топлива

• Реактор на твердом топливе
• Реактор на а жидком топливе
• Гомогенный реактор с водяным охладителем
• Реактор на основе расплавленных солей
• Реакторы, работающие на газе (теоретически)

Классификация ядерных реакторов по назначению

• Выработка электричества
• Атомные электростанции, включая малые кассетные реакторы
• Самоходные устройства (см. ядерные энергетические установки)
• Ядерные морские установки
• Различные предлагаемые виды ракетных двигателей
• Другие формы использования тепла
• Опреснение
• Генерация тепла для бытового и промышленного отопления
• Производство водорода для использования в водородной энергетике
• Производственные реакторы для преобразования элементов
• Реакторы-размножители, способные производить больше делящегося материала, чем они потребляют во время цепной реакции (путем превращения родительских изотопов U-238 в Pu-239, или Th-232 к U-233). Таким образом, отработав один цикл, реактор-размножитель урана может быть повторно дозаправлен природным или даже обедненным ураном. В свою очередь, реактор-размножитель тория может быть повторно дозаправлен торием. Тем не менее, необходим первоначальный запас делящегося материала.
• Создание различных радиоактивных изотопов, таких, как америций для использования в детекторах дыма и кобальта-60, молибдена-99 и других, используемые в качестве индикаторов и для лечения.
• Производство материалов для ядерного оружия, таких как оружейного плутония
• Создание источника нейтронного излучения (например, импульсного реактора "Леди Годива") и позитронного-излучения (например, нейтронно-активационный анализ и датирование калий-аргоновым методом)
• Исследовательский реактор: обычно реакторы используются для научных исследований и обучения, тестирования материалов или производства радиоизотопов для медицины и промышленности. Они намного меньше, чем энергетические реакторы или корабельных реакторов. Многие из таких реакторов имеются в университетских городках. Существует порядка 280 таких реакторов, работающих в 56 странах. Некоторые работают с высоко-обогащенным урановым топливом. Предпринимаются международные усилия, чтобы заменить низкообогащенное топливо.

Современные ядерные реакторы

Водо-водяные реакторы (PWR)

Эти реакторы используют корпус высокого давления, чтобы удерживать ядерное топливо, регулирующие стержни, замедлитель и теплоноситель. Охлаждение реакторов и замедление нейтронов происходит жидкой водой под высоким давлением. Горячая радиоактивная вода, которая выходит из корпуса высокого давления проходит через цепь парового генератора, который в свою очередь нагревает вторичный (не радиоактивный) контур. Данные реакторы составляют большую часть современных реакторов. Это устройство нагревательной конструкции нейтронного реактора, новейшим из которых являются ВВЭР-1200, усовершенствованный реактор с водой под давлением и Европейский водо-водяной реактор с водой под давлением. Реакторы ВМС США являются реакторами этого типа.

Реакторы с кипящей водой (BWR)

Реакторы с кипящей водой подобны реакторам с водой под давлением без парогенератора. Реакторы с кипящей водой также используют воду в качестве теплоносителя и замедлителя нейтронов, что и реакторы с водой под давлением, но при более низком давлении, что позволяет воде кипеть внутри котла, создавая пар, который вращает турбины. В отличие от реактора с водой под давлением, отсутствует первичный и вторичный контур. Нагревательная способность этих реакторов может быть выше, и они могут быть более простыми в конструктивном плане, и даже, более стабильными и безопасными. Это устройство реактора на тепловых нейтронах, новейшим из которых являются усовершенствованный реактор с кипящей водой и экономичный упрощённый ядерный реактор с кипящей водой.

Реактор с тяжеловодным замедлителем и теплоносителем под давлением (PHWR)

Канадская разработка (известная как CANDU), это реакторы с тяжеловодным замедлителем и теплоносителем под давлением. Вместо использования одного сосуда высокого давления, как в реакторах с водой под давлением, топливо находится в сотнях каналах высокого давления. Эти реакторы, работают на природном уране и являются реакторами на тепловых нейтронах. Тяжеловодные реакторы могут дозаправляться топливом во время работы на полной мощности, что делает их очень эффективными при использовании урана (это позволяет точно регулировать поток в активной зоне). Тяжеловодные CANDU реакторы были построены в Канаде, Аргентине, Китае, Индии, Пакистане, Румынии и Южной Корее. В Индии также действует ряд тяжеловодных реакторов, которые часто называют "CANDU-производные", построенные после того, как правительство Канады прекратило отношения в ядерной сфере с Индией после проведения испытания ядерного оружия "Улыбающийся Будда" в 1974 году.

Реактор большой мощности канальный (РБМК)

Советская разработка, сконструированная для наработки плутония, а также электроэнергии. РБМК используют воду в качестве теплоносителя и графит в качестве замедлителя нейтронов. РБМК в некоторых отношениях аналогичны CANDU, так как они могут перезаряжаться во время работы и используют трубки давления вместо корпуса высокого давления (как и в реакторах с водой под давлением). Тем не менее, в отличие от CANDU они очень неустойчивы и громоздки, делая колпак реактора дорогим. Ряд критических недостатков безопасности также были выявлены в конструкциях РБМК, хотя некоторые из этих недостатков были исправлены после Чернобыльской катастрофы. Их главной особенностью является использование легкой воды и необогащенного урана. По состоянию на 2010, 11 реакторов остаются открытыми, в основном за счет повышения уровня безопасности и при поддержке со стороны международных организаций по безопасности, таких как Министерство энергетики США. Несмотря на эти усовершенствования реакторы РБМК по-прежнему считаются одними из самых опасных конструкционных исполнений реакторов для использования. Реакторы РБМК были задействованы только в бывшем Советском Союзе.

Реактор с газовым охлаждением (GCR) и с улучшенный реактор с газовыми охлаждением (AGR)

Они, как правило, используют графитовый замедлитель нейтронов и охладитель CO2. Из-за высоких рабочих температур они могут иметь более высокую эффективность для выработки тепла, по сравнению с реакторами водой под давлением. Имеется целый ряд действующих реакторов этой конструкции, главным образом в Соединенном Королевстве, где была разработана концепция. Старые разработки (т.е. Магнокс станции), либо закрыты, либо будут закрыты в ближайшем будущем. Тем не менее, улучшенные реакторы с газовым охлаждением имеют предполагаемый период эксплуатации еще от 10 до 20 лет. Реакторы данного типа представляют реакторы на тепловых нейтронах. Денежные затраты по выводу из эксплуатации таких реакторов могут быть высоки из-за большого объема активной зоны.

Реактор-размножитель на быстрых нейтронах (LMFBR)

Конструкция этого реактора, охлаждается жидким металлом, без замедлителя и производит больше топлива, чем потребляет. Говорят, что они "размножают" топливо, поскольку они производят расщепляющееся топливо в ходе захвата нейтронов. Такие реакторы могут функционировать так же, как и реакторы с водой под давлением с точки зрения эффективности, в них требуются компенсировать повышенное давление, поскольку используется жидкий металл, не создающий избыток давления даже при очень высоких температурах. БН-350 и БН-600 в СССР и "Суперфеникс" во Франции являлись реакторами такого типа, также как и Ферми-I в Соединенных Штатах. Реактор "Монжу" в Японии, поврежденный в ходе утечки натрия в 1995 году, возобновил свою работу ​​в мае 2010 года. Все эти реакторы используют / использовали жидкий натрий. Данные реакторы являются ректорами на быстрых нейтронах, и не относятся к ректорам на тепловых нейтронах. Эти реакторы бывают двух типов:

Со свинцовым охлаждением

Использование свинца в качестве жидкого металла обеспечивает отличную защиту от радиоактивного излучения, и позволяет работать при очень высоких температурах. Кроме того, свинец (в основном) прозрачен для нейтронов, поэтому меньше нейтронов теряется в теплоносителе, а охлаждающая жидкость не становится радиоактивной. В отличие от натрия, свинец в целом инертен, поэтому существует меньший риск взрыва или аварии, но такие большие количества свинца могут вызвать проблемы из токсичности и с точки зрения утилизации отходов. Часто в реакторах такого типа можно использовать свинец-висмутовые эвтектические смеси. В этом случае, висмут будет представлять небольшие помехи для излучения, поскольку является не полностью прозрачным для нейтронов, и может видоизмениться в другой изотоп легче, чем свинец. Российская подводная лодка класса "Альфа" использует реактор на быстрых нейтронах с свинец-висмутовым охлаждением в качестве основной системы выработки электроэнергии.

С натриевым охлаждением

Большинство жидкометаллических размножающих реакторов (LMFBR) относятся к этому типу. Натрий относительно легко получить и с ним просто работать, кроме этого с его помощью удается предотвратить коррозию различных частей реактора, погруженными в него. Тем не менее, натрий бурно реагирует при контакте с водой, поэтому необходимо соблюдать осторожность, хотя такие взрывы не будут намного мощнее, чем, например, утечки перегретой жидкости из реакторов SCWR или RWD. EBR-I - первый реактор такого типа, где активная зона состоит из расплава.

Реактор с засыпкой из шаровых тепловыделяющие элементов (PBR)

Они используют топливо запрессованное в керамические шары, в которых газ циркулирует через шары. В результате являются эффективными, неприхотливыми, очень безопасными реакторами с недорогим, унифицированным топливом. Прототипом являлся реактор AVR.

Реакторы с использованием расплавленной соли

В них топливо растворено в фтористых солях, или используются фториды в качестве теплоносителя. Их разнообразные системы безопасности, высокая эффективность и высокая плотность энергии подходят для транспортных средств. Примечательно, что у них нет частей, подвергающихся высоким давлениям или горючих компоненты в активной зоне. Прототипом был реактор MSRE, который также использовал ториевый топливный цикл. В качестве реактора-размножителя, он перерабатывает отработанное топливо, извлекая как уран, так и трансурановые элементы, оставляя лишь 0,1% от трансурановых отходов по сравнению с обычными прямоточными урановыми легководными реакторами, находящимися в настоящее время в эксплуатации. Отдельным вопросом являются радиоактивные продукты деления, которые не подвергаются повторной переработке и должны быть утилизированы в обычных реакторах.

Водный гомогенный реактор (AHR)

Эти реакторы используют топливо в виде растворимых солей, которые растворены в воде и смешаны с теплоносителем и замедлителем нейтронов.

Инновационные ядерные системы и проекты

Усовершенствованные реакторы

Более десятка проектов усовершенствованного реактора находятся на различных этапах развития. Некоторые из них эволюционировали из конструкций реакторов типа RWD, BWR и PHWR , некоторые отличаются более значительно. Первые включают усовершенствованный реактор с кипящей водой (ABWR) (два из которых в настоящее время работает, а другие находятся в стадии строительства), а также запланированный Экономичный упрощённый ядерный реактор с кипящей водой с пассивной системой безопасности (ESBWR) и AP1000 установки(см. Ядерно-энергетическую программу 2010).

Интегральный ядерный реактор на быстрых нейтронах (IFR) был построен, протестирован и выдержал испытания в течение 1980-х годов, а затем выведен из эксплуатации после отставки администрации Клинтона в 1990-е годы из-за политики в области ядерного нераспространения. Переработка отработавшего ядерного топлива заложено в основу его конструкции и, следовательно, он производит лишь часть отходов действующих реакторов.

Модульный высокотемпературный реактор с газовым охлаждением реактора (HTGCR), разработан таким образом, что высокие температуры снижают выходную мощность за счёт доплеровского уширения поперечного сечения пучка нейтронов. Реактор использует керамический тип топлива, поэтому его безопасные рабочие температуры превышают температурный диапазон уменьшения мощности. Большинство конструкций охлаждаются инертным гелием. Гелий не может привести к взрыву за счёт расширения пара, не является поглотителем нейтронов, что привело бы к радиоактивности, и не растворяет загрязняющие вещества, которые могут быть радиоактивными. Типовые конструкции состоят большего количества слоев пассивной защиты (до 7), нежели чем в легководных реакторах (обычно 3). Уникальная особенность, которая может обеспечить безопасность это то, что топливные шары фактически формируют активную зону и заменяются один за другим со временем. Конструктивные особенности топливных элементов делают их переработку дорогой.

Небольшой, закрытый, передвижной, автономный реактор (SSTAR) первоначально был испытан и разработан в США. Реактор был задуман как реактор на быстрых нейтронах, с системой пассивной защиты, который может быть выключен дистанционно в случае, если возникнут подозрение о неполадках.

Чистый и экологически безопасный усовершенствованный реактор (CAESAR) представляет собой концепцию ядерного реактора, который использует пар в качестве замедлителя нейтронов - эта конструкция еще находится в разработке.

Уменьшенный реактор c водным замедлителем построен на основе улучшенного реактора с кипящей водой (ABWR), который в настоящее время находится в эксплуатации. Это не в полной мере реактор на быстрых нейтронах, а использует в основном надтепловые нейтронов, которые обладают промежуточными скоростями между тепловыми и быстрыми.

Саморегулирующийся ядерный энергетический модуль с водородным замедлителем нейтронов (HPM) представляет собой конструкционный тип реактора, выпущенный Национальной лабораторией Лос-Аламос, который использует гидрид урана в качестве топлива.

Подкритические ядерные реакторы предназначены как более безопасные и более стабильно-работающие, но представляют сложность в инженерном и экономическом отношениях. Одним из примеров является "Усилитель Энергии".

Реакторы на основе тория . Можно преобразовывать торий-232 в U-233 в реакторах, предназначенных специально для этой цели. Таким способом, торий, который более распространен, чем уран в четыре раза, может быть использован для получения ядерного топлива на основе U-233. Полагают, что U-233 имеет благоприятные ядерные свойства по сравнению с традиционно используемым U-235, в частности, лучший коэффициент полезного использования нейтронов и уменьшение количества получаемых долгоживущих трансурановых отходов.

Улучшенный реактор с тяжелой водой (AHWR) - предложенный тяжеловодный реактор, который будет представлять разработку следующего поколения типа PHWR. В стадии разработки в ядерном научно-исследовательском центре Бхабха (BARC), Индия.

KAMINI - уникальный реактор с использованием изотопа уран-233 в качестве топлива. Построен в Индии, в исследовательском центре BARC и в центре ядерных исследований имени Индиры Ганди (IGCAR).

Индия также планирует построить реакторы на быстрых нейтронах с использованием торий - уранового-233 топливного цикла. FBTR (реактор на быстрых нейтронах) (Калпаккам, Индия) во время работы использует плутоний в качестве топлива и жидкий натрий в качестве теплоносителя.

Что представляют собой реакторы четвертого поколения

Четвертое поколение реакторов представляет собой совокупность разных теоретических проектов, которые рассматриваются в настоящее время. Эти проекты, по всей видимости, не будут реализованы к 2030 г. Современные реакторы, находящиеся в эксплуатации, как правило, считаются системами второго или третьего поколения. Системы первого поколения, не используются уже некоторое время. Разработки этого четвертой генерации реакторов были официально начаты на Международном форуме IV Поколения (GIF) исходя из восьми целей в области технологии. Основные задачи заключались в улучшении ядерной безопасности, повышении защищённости от распространения, минимизации отходов и использовании природных ресурсов, а также для снижения затрат на строительство и запуск таких станций.

• Газоохлаждаемый реактор на быстрых нейтронах
• Реактор на быстрых нейтронах со свинцовым охладителем
• Жидкосолевой реактор
• Реактор на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением
• Надкритический ядерный реактор с водяным охлаждением
• Сверхвысокотемпературный ядерный реактор

Что такое реакторы пятого поколения?

Пятое поколение реакторов это проекты, реализация которых возможна с теоретической точки зрения, но которые не являются объектом активного рассмотрения и исследования в настоящее время. Несмотря на то, что такие реакторы могут быть построены в текущей или краткосрочной перспективе, они вызывают мало интереса по причинам экономической целесообразности, практичности или безопасности.

• Жидкофазный реактор . Замкнутый контур с жидкостью в активной зоне ядерного реактора, где делящееся вещество находится в виде расплавленного урана или уранового раствора охлаждаемого при помощью рабочего газа, нагнетаемого в сквозные отверстия в основании удерживающего сосуда.
• Реактор с газовой фазой в активной зоне . Вариант замкнутого цикла для ракеты с ядерным двигателем, где делящимся материалом является газообразный уран-гексафторид, расположенный в кварцевой ёмкости. Рабочий газ (такой как водород) будет обтекать этот сосуд и поглощать ультрафиолетовое излучение, возникающее в результате ядерной реакции. Такая конструкция могла бы использоваться как ракетный двигатель, как упоминалось в 1976 году в научно-фантастическом романе Гарри Гаррисона "Skyfall". Теоретически, использование гексафторида урана в качестве ядерного топлива (а не в качестве промежуточного вещества, как это делается в настоящее время) привело бы к более низким затратам на выработку энергии, а также значительно уменьшило бы размеры реакторов. На практике, реактор работающий с такими высокими плотностями мощности, производил бы неуправляемый поток нейтронов, ослабляя прочностные свойства большей части материалов реактора. Таким образом, поток был бы схож с потоком частиц, выделяемых в термоядерных установках. В свою очередь, это потребовало бы использовать такие материалы, которые схожи материалами, используемыми рамках Международного проекта по реализации установки для облучения материалов в условиях термоядерной реакции.
• Газофазный электромагнитный реактор . Такой же как газофазный реактор, но с фотоэлектрическими элементы преобразуют ультрафиолет непосредственно в электричество.
• Реактор на основе осколочного деления
• Гибридный ядерный синтез . Используются нейтроны, испускаемые при слиянии и распаде исходного или "вещества в зоне воспроизводства". Например, трансмутация U-238, Th-232 или отработанного топлива / радиоактивных отходов другого реактора в относительно более доброкачественные изотопы.

Реактор с газовой фазой в активной зоне. Вариант замкнутого цикла для ракеты с ядерным двигателем, где делящимся материалом является газообразный уран-гексафторид, расположенный в кварцевой ёмкости. Рабочий газ (такой как водород) будет обтекать этот сосуд и поглощать ультрафиолетовое излучение, возникающее в результате ядерной реакции. Такая конструкция могла бы использоваться как ракетный двигатель, как упоминалось в 1976 году в научно-фантастическом романе Гарри Гаррисона "Skyfall". Теоретически, использование гексафторида урана в качестве ядерного топлива (а не в качестве промежуточного вещества, как это делается в настоящее время) привело бы к более низким затратам на выработку энергии, а также значительно уменьшило бы размеры реакторов. На практике, реактор работающий с такими высокими плотностями мощности, производил бы неуправляемый поток нейтронов, ослабляя прочностные свойства большей части материалов реактора. Таким образом, поток был бы схож с потоком частиц, выделяемых в термоядерных установках. В свою очередь, это потребовало бы использовать такие материалы, которые схожи материалами, используемыми рамках Международного проекта по реализации установки для облучения материалов в условиях термоядерной реакции.

Газофазный электромагнитный реактор. Такой же как газофазный реактор, но с фотоэлектрическими элементы преобразуют ультрафиолет непосредственно в электричество.

Реактор на основе осколочного деления

Гибридный ядерный синтез. Используются нейтроны, испускаемые при слиянии и распаде исходного или "вещества в зоне воспроизводства". Например, трансмутация U-238, Th-232 или отработанного топлива / радиоактивных отходов другого реактора в относительно более доброкачественные изотопы.

Термоядерные реакторы

Управляемый ядерный синтез может быть использован в термоядерных электростанциях для производства электроэнергии без сложностей, связанных с работой с актиноидами. Тем не менее, сохраняются серьезные научные и технологические препятствия. Несколько термоядерных реакторов были построены, но только в последнее время удалось добиться того, чтобы реакторы высвобождали бы больше энергии, чем потребляли. Несмотря на то, что исследования были начаты в 1950-е годы, предполагается, что коммерческий термоядерного реактора так и не будет функционировать вплоть до 2050 года. В настоящее время в рамках проекта ITER предпринимаются усилия по использованию термоядерной энергии.

Ядерно-топливный цикл

Тепловые реакторы в целом зависят от степени очистки и обогащения урана. Некоторые ядерные реакторы могут работать на основе смеси плутония и урана (см. MOX-топливо). Процесс, при котором урановая руда добывается, обрабатывается, обогащается, используется, возможно, перерабатывается и утилизируется, известен как ядерно-топливный цикл.

До 1% урана в природе это легко расщепляющийся изотоп U-235. Таким образом, устройство большинства реакторов подразумевают использование обогащенного топлива. Обогащение предполагает увеличение доли U-235 и, как правило, осуществляется с помощью газовой диффузии или в газовой центрифуге. Обогащенный продукт в дальнейшем преобразуют в порошок диоксида урана, который спрессовывают и обжигают в гранулы. Эти гранулы укладываются в трубки, которые затем герметизируют. Такие трубки называют топливными стержнями. В каждом ядерном реакторе используется множество таких топливных стержней.

Большинство промышленных реакторов типа BWR и PWR используют уран, обогащенный до 4% U-235, приблизительно. Кроме того, некоторые промышленные реакторы с высокой экономией нейтронов вообще не не требуют обогащенного топлива (то есть, они могут использовать природный уран). По данным Международного агентства по атомной энергии в мире существуют по крайней мере 100 исследовательских реакторов, использующих высокообогащенное топливо (уровня оружейного / 90% по обогащению урана). Риск кражи такого типа топлива (возможного для применения в производстве ядерного оружия) привело к кампании, призывающей перейти на использование реакторов с низкообогащенным ураном (который представляет меньшую угрозу распространения).

Делящийся U-235 и не расщепляющийся, способный к ядерному делению U-238, используются в процессе ядерных преобразований. U-235 расщепляется под воздействием тепловых (т.е. медленно движущихся) нейтронов. Тепловым нейтроном является тот нейтрон, который двигается примерно с той же скоростью, что и атомы вокруг него. Поскольку частота колебаний атомов пропорциональна их абсолютной температуры, то тепловой нейтрон обладает большей возможностью расщепить U-235, когда он движется с той же колебательной скоростью. С другой стороны, U-238, скорее всего, захватит нейтрон, если нейтрон движется очень быстро. Атом же U-239 как можно быстрее распадается с образованием плутония-239, который сам является топливом. Pu-239 является полноценным топливом и должен учитываться даже при использовании высокообогащенного уранового топлива. Процессы распада плутония будет преобладать над процессами расщепления U-235 в некоторых реакторах. Особенно после того, как исходный загруженный U-235 истощится. Плутоний расщепляется как в реакторах на быстрых, так и на тепловых нейтронах, делая его идеальным как для ядерных реакторов, так и для ядерных бомб.

Большинство существующих реакторов это тепловые реакторы, которые обычно используют воду в качестве замедлителя нейтронов (замедлитель означает, что он замедляет нейтрон до тепловой скорости), а также в качестве теплоносителя. Однако в реакторе на быстрых нейтронах, используется несколько иной вид теплоносителя, который не будет замедлять поток нейтронов слишком сильно. Это позволяет преобладать быстрым нейтронам, которые эффективно могут быть использованы для постоянно пополнения запаса топлива. Всего-навсего лишь размещая дешевый, необогащенный уран в активной зоне, самопроизвольно не-расщепляющийся U-238 будет превращаться в Pu-239, "воспроизводя" топливо.

В топливном цикл на основе тория, торий-232 поглощает нейтрон как в реакторе быстрых, так и на тепловых нейтронах. Бета-распад тория приводит к образованию протактиния-233, а затем урана-233, который, в свою очередь, используется в качестве топлива. Следовательно, как и уран-238, торий-232 представляет собой воспроизводящий материал.

Обслуживание ядерных реакторов

Количество энергии в резервуаре ядерного топлива часто выражается в термине "сутки работы на полной мощности", который представляет собой количество 24-часовых периодов (дней) работы реактора на полную мощность для выработки тепловой энергии. Сутки работы на полной мощности в рабочем цикле реактора (между промежутками, необходимыми для заправки) связаны с количеством распадающегося урана-235 (U-235), содержащегося в топливных сборках в начале цикла. Чем выше процент U-235 в активной зоне в начале цикла, тем больше суток работы на полной мощности позволит реактору работать.

В конце рабочего цикла, топливо в некоторых сборках "отрабатывается", выгружается и заменяется в виде новых (свежих) тепловыделяющих сборок. Также такая реакция накопления продуктов распада в ядерном топливе определяет срок службы ядерного топлива в реакторе. Даже задолго до того, как произойдет окончательный процесс расщепления топлива, в реакторе успеют накопиться долгоживущие нейтронопоглощающие побочные продукты распада, препятствующие протеканию цепной реакции. Доля активной зоны реактора заменяемая во время перезаправки реактора топливом, как правило составляет одну четверть для реактора на кипящей воде и одну треть для реактора с водой под давлением. Утилизация и хранение этого отработанного топлива является одной из самых сложных задач в организации работы промышленной атомной электростанции. Такие ядерные отходы крайне радиоактивны и их токсичность представляет опасность в течение тысяч лет.

Не все реакторы должны быть выведены из работы для дозаправки; например, ядерные реакторы с засыпкой из шаровых тепловыделяющие элементов, реакторы РБМК (реактор большой мощности канальный), реакторы на основе расплавленной соли, Magnox, AGR и CANDU реакторы позволяют перемещать топливные элементы во время работы установки. В реакторе CANDU возможно помещать отдельные топливные элементы в активной зоне таким образом, чтобы отрегулировать содержание U-235 в топливном элементе.

Количество энергии, извлеченной из ядерного топлива называется его выгоранием, которое выражается в терминах тепловой энергии, выработанной исходной единицей веса топлива. Выгорание обычно выражается в форме тепловых мегаватт дней тонной исходного тяжелого металла.

Безопасность ядерной энергетики

Ядерная безопасность представляет собой действия, направленные на предотвращение ядерных и радиационных аварий или локализацию их последствий. Ядерная энергетика усовершенствовала безопасность и производительность реакторов, а также предложила новые более безопасные конструкционные решения реакторов (которые, как правило не тестировалось). Тем не менее, нет никакой гарантии, что такие реакторы будут спроектированы, построены и смогут надежно работать. Случаются ошибки, когда разработчики реакторов на АЭС Фукусима в Японии не ожидали, что цунами, образованное в результате землетрясения, отключит дублирующую систему, которая должна была стабилизировать работу реактора после землетрясения, несмотря на многочисленные предупреждения со стороны NRG (национальной исследовательской группы) и японской администрации по ядерной безопасности. По данным UBS AG, ядерные аварии Фукусима I ставят под сомнение то, что даже страны с развитой экономикой, как Япония могут обеспечить ядерную безопасность. Также возможны катастрофические сценарии, включая террористические акты. Междисциплинарная группа из MIT (Массачусетский технологический институт) подсчитала, что с учетом ожидаемого роста ядерной энергетики, в период 2005-2055 стоит ожидать по крайней мере четыре серьезных ядерных аварии.

Ядерные и радиационные аварии

Некоторые произошедшие серьезные ядерные и радиационные аварии. Ядерные аварии электростанции включают инцидент SL-1 (1961), аварию на Three Mile Island (1979), Чернобыльскую катастрофу (1986), а также ядерную катастрофу Фукусима Даити (2011). Аварии на атомоходах включают в себя аварии реактора на K-19 (1961), К-27 (1968), и K-431 (1985).

Ядерные реакторные установки запускались на орбиту вокруг Земли, по крайней мере 34 раза. Ряд инцидентов, связанных с советским беспилотным спутником RORSAT с питанием от ядерной установки привел к проникновению отработанного ядерного топлива в атмосферу Земли с орбиты.

Природные ядерные реакторы

Несмотря на то, что часто полагают, что реакторы на основе ядерного деления являются продуктом современной технологии, первые ядерные реакторы имеются в природных условиях. Естественный ядерный реактор может формироваться при определенных условиях, имитирующих условия в сконструированном реакторе. До настоящего времени обнаружено до пятнадцати природных ядерных реакторов в пределах трех отдельных рудных месторождений уранового рудника Окло в Габоне (Западная Африка). Впервые обнаружил общеизвестные "отмершие" реакторы Оклло в 1972 году французский физик Фрэнсис Перрен. Самоподдерживающаяся реакция ядерного деления происходила в этих реакторах примерно 1,5 миллиарда лет назад, и поддерживалась в течение нескольких сотен тысяч лет, выработав в среднем 100 кВт выходной мощности в этот период. Концепция естественного ядерного реактора была объяснена с точки зрения теории еще в 1956 году Полом Курода в Университете штата Арканзас.

Подобные реакторы уже не могут образовываться на Земле: радиоактивный распад в течение этого огромного промежутка времени уменьшил долю U-235 в природном уране ниже уровня, которая требуется для поддержания цепной реакции.

Природные ядерные реакторы сформировались, когда минеральное месторождение урана богатые стали заполняться подземными водами, которые действовали в качестве замедлителя нейтронов и наступления значительной цепной реакции. Замедлитель нейтронов в виде воды испарялся, приводя к ускорению реакции и затем обратно конденсировался, приводя к замедлению ядерной реакции и предотвращению плавление. Реакция деления сохранялась на протяжении сотен тысяч лет.

Такие природные реакторы обстоятельно изучены учеными, заинтересованными в захоронении радиоактивных отходов в геологической обстановке. Они предлагают провести тематическое исследование того, как радиоактивные изотопы будут мигрировать через слой земной коры. Это ключевой момент для критиков захоронения отходов в геологической обстановке, которые опасаются, что изотопы, содержащиеся в отходах могут оказаться в системах водоснабжения или мигрировать в окружающую среду.

Экологические проблемы ядерной энергетики

Ядерный реактор высвобождает небольшое количество трития, Sr-90 в воздух и в грунтовые воды. Вода, загрязненная тритием бесцветна и не имеет запаха. Большие дозы Sr-90 повышают риск развития рака костей и лейкемию у животных, и предположительно, у людей.

Ядерный реактор

Ядерный реактор - это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор построен и запущен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. Первым реактором, построенным за пределами США, стал ZEEP, запущенный в Канаде в сентябре 1945 года. В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1, заработавшая 25 декабря 1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова.

К 1978 году в мире работало уже около сотни ядерных реакторов различных типов. Составными частями любого ядерного реактора являются: активная зона с ядерным топливом, обычно окруженная отражателем нейтронов, теплоноситель, система регулирования цепной реакции, радиационная защита, система дистанционного управления. Корпус реактора подвержен износу (особенно под действием ионизирующего излучения). Основной характеристикой ядерного реактора является его мощность. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происходит 3·10 16 актов деления в 1 сек.

История

Теоретическую группу «Урановый проект» нацистской Германии, работающую в Обществе кайзера Вильгельма, возглавлял Вайцзеккер, но лишь формально. Фактическим лидером стал Гейзенберг, разрабатывающий теоретические основы цепной реакции, Вайцзеккер же с группой участников сосредоточился на создании «урановой машины» - первого реактора. Поздней весной 1940 года один из учёных группы - Хартек - провёл первый опыт с попыткой создания цепной реакции, используя оксид урана и твёрдый графитовый замедлитель. Однако имеющегося в наличии делящегося материала не хватило для достижения этой цели. В 1941 году в Лейпцигском университете участником группы Гейзенберга Дёпелем был построен стенд с тяжеловодным замедлителем, в экспериментах на котором к маю 1942 года удалось достичь производства нейтронов в количестве, превышающем их поглощение. Полноценной цепной реакции немецким учёным удалось достичь в феврале 1945 года в эксперименте, проводимом в горной выработке близ Хайгерлоха. Однако спустя несколько недель ядерная программа Германии прекратила существование.

Цепная реакция деления ядер (кратко - цепная реакция) была впервые осуществлена в декабре 1942 года. Группа физиков Чикагского университета, возглавляемая Э. Ферми, создала первый в мире ядерный реактор, названный «Чикагской поленницей» (Chicago Pile-1, CP-1). Он состоял из графитовых блоков, между которыми были расположены шары из природного урана и его двуокиси. Быстрые нейтроны, появляющиеся после деления ядер 235U, замедлялись графитом до тепловых энергий, а затем вызывали новые деления ядер. Реакторы, подобные СР-1, в которых основная доля делений происходит под действием тепловых нейтронов, называют реакторами на тепловых нейтронах. В их состав входит очень много замедлителя по сравнению с ядерным топливом.

В СССР теоретические и экспериментальные исследования особенностей пуска, работы и контроля реакторов были проведены группой физиков и инженеров под руководством академика И. В. Курчатова. Первый советский реактор Ф-1 был построен в Лаборатории № 2 АН СССР (Москва). Этот реактор выведен в критическое состояние 25 декабря 1946 года. Реактор Ф-1 был набран из графитовых блоков и имел форму шара диаметром примерно 7,5 м. В центральной части шара диаметром 6 м по отверстиям в графитовых блоках размещены урановые стержни. Реактор Ф-1, как и реактор CP-1, не имел системы охлаждения, поэтому работал на очень малых уровнях мощности (доли ватта, редко - единицы ватт). Результаты исследований на реакторе Ф-1 стали основой проектов более сложных по конструкции промышленных реакторов. В 1948 году введён в действие реактор И-1 (по другим данным он назывался А-1) по производству плутония, а 27 июня 1954 года вступила в строй первая в мире атомная электростанция электрической мощностью 5 МВт в г. Обнинске.

Устройство и принцип работы

Механизм энерговыделения Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергий. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер, для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии - энергии возбуждения. Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.

Если иметь в виду макроскопические масштабы энерговыделения, то необходимую для возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины, при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога, ограничивающего течение процесса. В случае молекулярных превращений, то есть химических реакций, такое повышение обычно составляет сотни кельвинов, в случае же ядерных реакций - это минимум 107 K из-за очень большой высоты кулоновских барьеров сталкивающихся ядер. Тепловое возбуждение ядерных реакций осуществлено на практике только при синтезе самых лёгких ядер, у которых кулоновские барьеры минимальны (термоядерный синтез).

Возбуждение присоединяющимися частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры среды, поскольку происходит за счёт неиспользованных связей, присущих частицам сил притяжения. Но зато для возбуждения реакций необходимы сами частицы. И если опять иметь в виду не отдельный акт реакции, а получение энергии в макроскопических масштабах, то это возможно лишь при возникновении цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются, как продукты экзоэнергетической реакции.

Конструкция

Любой ядерный реактор состоит из следующих частей:

• Активная зона с ядерным топливом и замедлителем;
• Отражатель нейтронов, окружающий активную зону;
• Теплоноситель;
• Система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита;
• Радиационная защита;
• Система дистанционного управления.

Иодная яма

Иодная яма - состояние ядерного реактора после его выключения, характеризующееся накоплением короткоживущего изотопа ксенона 135Xe. Этот процесс приводит к временному появлению значительной отрицательной реактивности, что, в свою очередь, делает невозможным вывод реактора на проектную мощность в течение определённого периода (около 1-2 суток).

Классификация

По назначению

По характеру использования ядерные реакторы делятся на:

• Энергетические реакторы, предназначенные для получения электрической и тепловой энергии, используемой в энергетике, а также для опреснения морской воды (реакторы для опреснения также относят к промышленным). Основное применение такие реакторы получили на атомных электростанциях. Тепловая мощность современных энергетических реакторов достигает 5 ГВт. В отдельную группу выделяют:
  • Транспортные реакторы, предназначенные для снабжения энергией двигателей транспортных средств. Наиболее широкие группы применения - морские транспортные реакторы, применяющиеся на подводных лодках и различных надводных судах, а также реакторы, применяющиеся в космической технике.
• Экспериментальные реакторы, предназначенные для изучения различных физических величин, значение которых необходимо для проектирования и эксплуатации ядерных реакторов; мощность таких реакторов не превышает нескольких кВт.
• Исследовательские реакторы, в которых потоки нейтронов и гамма-квантов, создаваемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёрдого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных потоках (в т. ч. деталей ядерных реакторов), для производства изотопов. Мощность исследовательских реакторов не превосходит 100 МВт. Выделяющаяся энергия, как правило, не используется.
• Промышленные (оружейные, изотопные) реакторы, используемые для наработки изотопов, применяющихся в различных областях. Наиболее широко используются для производства ядерных оружейных материалов, например 239Pu. Также к промышленным относят реакторы, использующиеся для опреснения морской воды.

Часто реакторы применяются для решения двух и более различных задач, в таком случае они называются многоцелевыми. Например, некоторые энергетические реакторы, особенно на заре атомной энергетики, предназначались, в основном, для экспериментов. Реакторы на быстрых нейтронах могут быть одновременно и энергетическими, и нарабатывать изотопы. Промышленные реакторы кроме своей основной задачи часто вырабатывают электрическую и тепловую энергию.

По спектру нейтронов

• Реактор на тепловых (медленных) нейтронах («тепловой реактор»)
• Реактор на быстрых нейтронах («быстрый реактор»)
• Реактор на промежуточных нейтронах
• Реактор со смешанным спектром

По размещению топлива

• Гетерогенные реакторы, где топливо размещается в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель;
• Гомогенные реакторы, где топливо и замедлитель представляют однородную смесь (гомогенную систему).

В гетерогенном реакторе топливо и замедлитель могут быть пространственно разнесены, в частности, в полостном реакторе замедлитель-отражатель окружает полость с топливом, не содержащим замедлителя. С ядерно-физической точки зрения критерием гомогенности/гетерогенности является не конструктивное исполнение, а размещение блоков топлива на расстоянии, превышающем длину замедления нейтронов в данном замедлителе. Так, реакторы с так называемой «тесной решёткой» рассчитываются как гомогенные, хотя в них топливо обычно отделено от замедлителя.

Блоки ядерного топлива в гетерогенном реакторе называются тепловыделяющими сборками (ТВС), которые размещаются в активной зоне в узлах правильной решётки, образуя ячейки.

По виду топлива

• изотопы урана 235, 238, 233 (235U, 238U, 233U)
• изотоп плутония 239 (239Pu), также изотопы 239-242Pu в виде смеси с 238U (MOX-топливо)
• изотоп тория 232 (232Th) (посредством преобразования в 233U)

По степени обогащения:

• природный уран
• слабо обогащённый уран
• высоко обогащённый уран

По химическому составу:

• металлический U
• UO2 (диоксид урана)
• UC (карбид урана) и т. д.

По виду теплоносителя

• H2O (Водо-водяной реактор)
• Газ, (Графито-газовый реактор)
• Реактор с органическим теплоносителем
• Реактор с жидкометаллическим теплоносителем
• Реактор на расплавах солей
• Реактор с твердым теплоносителем

По роду замедлителя

• С (Графито-газовый реактор, Графито-водный реактор)
• H2O (Легководный реактор, Водо-водяной реактор, ВВЭР)
• D2O (Тяжеловодный ядерный реактор, CANDU)
• Be, BeO
• Гидриды металлов
• Без замедлителя (Реактор на быстрых нейтронах)

По конструкции

• Корпусные реакторы
• Канальные реакторы

По способу генерации пара

• Реактор с внешним парогенератором (Водо-водяной реактор, ВВЭР)
• Кипящий реактор

Классификация МАГАТЭ

• PWR (pressurized water reactors) - водо-водяной реактор (реактор с водой под давлением);
• BWR (boiling water reactor) - кипящий реактор;
• FBR (fast breeder reactor) - реактор-размножитель на быстрых нейтронах;
• GCR (gas-cooled reactor) - газоохлаждаемый реактор;
• LWGR (light water graphite reactor) - графито-водный реактор
• PHWR (pressurised heavy water reactor) - тяжеловодный реактор

Наиболее распространёнными в мире являются водо-водяные (около 62 %) и кипящие (20 %) реакторы.

Управление ядерным реактором

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

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

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

Остаточное тепловыделение

Важной проблемой, непосредственно связанной с ядерной безопасностью, является остаточное тепловыделение. Это специфическая особенность ядерного топлива, заключающаяся в том, что, после прекращения цепной реакции деления и обычной для любого энергоисточника тепловой инерции, выделение тепла в реакторе продолжается ещё долгое время, что создаёт ряд технически сложных проблем.

Остаточное тепловыделение является следствием β- и γ- распада продуктов деления, которые накопились в топливе за время работы реактора. Ядра продуктов деления вследствие распада переходят в более стабильное или полностью стабильное состояние с выделением значительной энергии.

Хотя мощность остаточного тепловыделения быстро спадает до величин, малых по сравнению со стационарными значениями, в мощных энергетических реакторах она значительна в абсолютных величинах. По этой причине остаточное тепловыделение влечёт необходимость длительное время обеспечивать теплоотвод от активной зоны реактора после его остановки. Эта задача требует наличия в конструкции реакторной установки систем расхолаживания с надёжным электроснабжением, а также обуславливает необходимость длительного (в течение 3-4 лет) хранения отработавшего ядерного топлива в хранилищах со специальным температурным режимом - бассейнах выдержки, которые обычно располагаются в непосредственной близости от реактора.