Welke soorten staven worden gebruikt in een kernreactor? Het begin van de reactor

Deze onopvallende grijze cilinder is de belangrijkste schakel in de Russische nucleaire industrie. Het ziet er natuurlijk niet erg presentabel uit, maar het is de moeite waard om het doel ervan te begrijpen en ernaar te kijken specificaties, terwijl je begint te beseffen waarom de staat het geheim van zijn creatie en structuur als zijn oogappel bewaakt.

Ja, ik vergat te introduceren: voor je staat een gascentrifuge voor het scheiden van uraniumisotopen VT-3F (n-de generatie). Het werkingsprincipe is elementair, zoals dat van een melkafscheider, zwaar, onder invloed van middelpuntvliedende kracht, gescheiden van het licht. Dus wat is de betekenis en uniciteit?

Laten we om te beginnen een andere vraag beantwoorden, maar waarom in het algemeen uranium scheiden?

Natuurlijk uranium, dat midden in de grond ligt, is een cocktail van twee isotopen: uranium-238 En uranium-235(en 0,0054% U-234).
Uranium-238 het is gewoon zwaar, grijze kleur metaal. Je kunt er een artilleriegranaat van maken, nou ja, of... een sleutelhanger. En hier is wat je ermee kunt doen uranium-235? Ten eerste een atoombom, en ten tweede brandstof voor kerncentrales. En hier komen we bij de sleutelvraag: hoe kunnen deze twee, bijna identieke atomen, van elkaar worden gescheiden? Nee echt HOE?!

Trouwens: De straal van de kern van het uraniumatoom is 1,5 x 10 -8 cm.

Om uraniumatomen in de technologische keten te kunnen brengen, moet het (uranium) in een gasvormige toestand worden omgezet. Koken heeft geen zin, het is voldoende om uranium met fluor te combineren en uraniumhexafluoride te verkrijgen HFC. De technologie voor de productie ervan is niet erg ingewikkeld en kostbaar, en daarom HFC Ga naar de plek waar dit uranium wordt gewonnen. UF6 is de enige zeer vluchtige uraniumverbinding (bij verhitting tot 53°C gaat hexafluoride (foto) rechtstreeks van vast naar gasvormig). Vervolgens wordt het in speciale containers gepompt en ter verrijking verzonden.

Een beetje geschiedenis

Helemaal aan het begin van de nucleaire race beheersten de grootste wetenschappelijke geesten, zowel de USSR als de VS, het idee van diffusiescheiding: uranium door een zeef laten gaan. Klein 235e de isotoop zal wegglijden, en de "dikke" 238e vastzitten. En het maken van een zeef met nanogaten voor de Sovjet-industrie in 1946 was niet de moeilijkste taak.

Uit het rapport van Isaac Konstantinovich Kikoin van de Wetenschappelijke en Technische Raad onder de Raad van Volkscommissarissen (gegeven in de verzameling van vrijgegeven materiaal over het atoomproject van de USSR (Ed. Ryabev)): Momenteel hebben we geleerd hoe we mazen kunnen maken met gaten van ongeveer 5/1.000 mm, d.w.z. 50 maal de gemiddelde vrije weglengte van moleculen bij atmosferische druk. Derhalve moet de gasdruk waarbij isotopenscheiding op dergelijke roosters zal optreden kleiner zijn dan 1/50 luchtdruk. In de praktijk verwachten we te werken bij een druk van ongeveer 0,01 atmosfeer. onder goede vacuümomstandigheden. Uit de berekening blijkt dat om een ​​product te verkrijgen dat verrijkt is tot een concentratie van 90% in een lichte isotoop (een dergelijke concentratie is voldoende om een ​​explosief te verkrijgen), ongeveer 2.000 van dergelijke trappen in een cascade moeten worden geschakeld. In de door ons ontworpen en gedeeltelijk vervaardigde machine wordt verwacht dat deze 75 tot 100 g uranium-235 per dag zal produceren. De installatie zal bestaan ​​uit ongeveer 80-100 ‘kolommen’, die elk 20-25 stappen zullen bevatten.

Hieronder staat een document: Beria's rapport aan Stalin over de voorbereiding van de eerste nucleaire explosie. Hieronder vindt u een kleine verwijzing naar de verzamelde nucleaire materialen aan het begin van de zomer van 1949.

En stel je nu eens voor: 2000 flinke installaties, ter wille van zo'n 100 gram! Welnu, waar te gaan, er zijn bommen nodig. En ze begonnen fabrieken te bouwen, en niet alleen fabrieken, maar hele steden. En oké, alleen steden, deze diffusiecentrales hadden zoveel elektriciteit nodig dat ze aparte energiecentrales in de buurt moesten bouwen.

In de USSR werd de eerste trap D-1 van fabriek nr. 813 ontworpen voor een totale productie van 140 gram 92-93% uranium-235 per dag in 2 cascades van 3100 scheidingstrappen met een identiek vermogen. Een onvoltooide vliegtuigfabriek in het dorp Verkh-Neyvinsk, 60 km van Sverdlovsk, werd toegewezen voor productie. Later veranderde het in Sverdlovsk-44, en de 813e fabriek (foto) in de Ural Electrochemical Plant - 's werelds grootste scheidingsfabriek.

En hoewel de technologie van diffusiescheiding, zij het met grote technologische moeilijkheden, werd gedebugd, verliet het idee om een ​​economischer centrifugaalproces onder de knie te krijgen niet van de agenda. Als het je lukt een centrifuge te maken, wordt het energieverbruik immers 20 tot 50 keer verlaagd!

Hoe wordt een centrifuge opgesteld?

Het is meer dan elementair gerangschikt en lijkt op het oude. wasmachine in de modus "centrifugeren/drogen". In een afgesloten behuizing bevindt zich een roterende rotor. Deze rotor wordt geleverd met gas (UF6). Als gevolg van de middelpuntvliedende kracht, honderdduizenden keren groter dan het zwaartekrachtveld van de aarde, begint het gas zich te scheiden in "zware" en "lichte" fracties. Lichte en zware moleculen beginnen zich te groeperen in verschillende zones van de rotor, maar niet in het midden en langs de omtrek, maar aan de boven- en onderkant.

Dit gebeurt als gevolg van convectiestromen - het rotordeksel wordt verwarmd en er vindt een terugstroom van gas plaats. Aan de boven- en onderkant van de cilinder bevinden zich twee kleine buisjes: de inlaat. Een uitgeput mengsel komt de onderbuis binnen, een mengsel met een hogere concentratie aan atomen komt de bovenbuis binnen 235U. Dit mengsel gaat de volgende centrifuge in, enzovoort, tot de concentratie 235e uranium zal het niet bereiken Gewenste waarde. Een keten van centrifuges wordt een cascade genoemd.

Technische kenmerken.

Ten eerste de rotatiesnelheid - y moderne generatie centrifugeert, hij bereikt 2000 tpm (ik weet niet eens waarmee ik moet vergelijken ... 10 keer sneller dan een turbine in een vliegtuigmotor)! En het werkt al DRIE DECENNIA jaren non-stop! Die. nu draaien de centrifuges die onder Brezjnev werden ingeschakeld in cascades! De USSR bestaat niet meer, maar ze blijven draaien en draaien. Het is niet moeilijk om te berekenen dat de rotor tijdens zijn werkcyclus 2.000.000.000.000 (twee biljoen) omwentelingen maakt. En welk soort lager kan dit aan? Ja, geen! Er zijn geen lagers.

De rotor zelf is een gewone bovenkant, aan de onderkant heeft hij een sterke naald die op een korunddruklager rust, en het bovenste uiteinde hangt in een vacuüm en houdt het vast elektromagnetisch veld. De naald is ook niet eenvoudig, gemaakt van gewoon draad voor pianosnaren, hij is erg gehard. op een lastige manier(wat - GT). Het is niet moeilijk voor te stellen dat de centrifuge zelf met zo'n waanzinnige rotatiesnelheid niet alleen duurzaam, maar ook supersterk moet zijn.

Academicus Joseph Friedlander herinnert zich: “Drie keer hadden ze neergeschoten kunnen worden. Eens, toen we de Lenin-prijs al hadden ontvangen, vond er een zwaar ongeval plaats, het deksel van de centrifuge vloog eraf. Stukken verspreid, andere centrifuges vernietigd. Er is een radioactieve wolk opgestegen. Ik moest de hele lijn stopzetten - een kilometer aan installaties! In Sredmash stonden de centrifuges onder bevel van generaal Zverev, vóór het atoomproject werkte hij in het departement Beria. De generaal zei tijdens de bijeenkomst: “De situatie is kritiek. De verdediging van het land wordt bedreigd. Als we de situatie niet snel rechtzetten, herhaalt het 37e jaar zich voor u. En onmiddellijk werd de vergadering gesloten. Wij zijn er toen helemaal uitgekomen nieuwe technologie met een volledig isotrope uniforme dekselstructuur, maar er waren zeer complexe opstellingen vereist. Sindsdien zijn deze covers geproduceerd. Er waren geen problemen meer. Er zijn drie verrijkingsfabrieken in Rusland, vele honderdduizenden centrifuges.
Op de foto: tests van de eerste generatie centrifuges

De rotorbehuizingen waren aanvankelijk ook van metaal, totdat ze werden vervangen door ... koolstofvezel. Lichtgewicht en extreem scheurbestendig, het is een ideaal materiaal voor een roterende cilinder.

Algemeen directeur van UEIP (2009-2012) Alexander Kurkin herinnert zich: “Het werd belachelijk. Bij het testen en testen van een nieuwe, meer "draaiende" generatie centrifuges wachtte een van de medewerkers niet tot de rotor volledig stilstond, koppelde hem los van de cascade en besloot hem over te brengen naar de standaard in zijn armen. Maar in plaats van vooruit te gaan, hoe hard hij zich ook verzette, omhelsde hij deze cilinder en begon achteruit te gaan. Dus we zagen met onze eigen ogen dat de aarde draait, en de gyroscoop is een grote kracht.”

Wie bedacht?

Oh, het is een mysterie doordrenkt van mysterie en gehuld in onduidelijkheid. Hier heb je Duitse gevangen genomen natuurkundigen, de CIA, SMERSH-officieren en zelfs de neergestorte spionagepiloot Powers. In het algemeen werd het principe van een gascentrifuge eind 19e eeuw beschreven.

Zelfs aan het begin van het Atoomproject stelde Viktor Sergeev, ingenieur van het Special Design Bureau van de Kirov-fabriek, een centrifugale scheidingsmethode voor, maar aanvankelijk keurden zijn collega's zijn idee niet goed. Tegelijkertijd vochten wetenschappers uit het verslagen Duitsland om de oprichting van een scheidingscentrifuge in een speciale NII-5 in Sukhumi: Dr. Max Steenbeck, die onder Hitler werkte als hoofdingenieur van Siemens, en Gernot Zippe, een voormalige Luftwaffe-monteur. , afgestudeerd aan de Universiteit van Wenen. In totaal telde de groep ongeveer 300 "geëxporteerde" natuurkundigen.

Terugroepingen Directeur CJSC "Centrotech-SPb" Staatsbedrijf "Rosatom" Alexey Kaliteevsky: “Onze experts kwamen tot de conclusie dat de Duitse centrifuge absoluut ongeschikt is voor industriële productie. Het Steenbeck-apparaat beschikte niet over een systeem om het gedeeltelijk verrijkte product naar de volgende fase over te brengen. Er werd voorgesteld om de uiteinden van het deksel af te koelen en het gas te bevriezen, en het vervolgens te ontdooien, op te vangen en in de volgende centrifuge te plaatsen. Dat wil zeggen: het schema werkt niet. Het project kende echter een aantal zeer interessante en ongebruikelijke technische oplossingen. Deze "interessante en ongebruikelijke oplossingen” werden gecombineerd met de resultaten verkregen door Sovjetwetenschappers, in het bijzonder met de voorstellen van Viktor Sergeev. Relatief gezien is onze compacte centrifuge een derde van de vrucht van het Duitse denken, en tweederde van het Sovjetdenken.” Trouwens, toen Sergeev naar Abchazië kwam en tegenover dezelfde Steenbeck en Zippe zijn gedachten over de selectie van uranium uitte, deden Steenbeck en Zippe ze af als onrealistisch.

Dus wat bedacht Sergejev?

En het voorstel van Sergejev was om gasbemonsteringsapparatuur te maken in de vorm van pitotbuizen. Maar Dr. Steenbeck, die, zoals hij geloofde, zijn tanden bijt op dit onderwerp, was categorisch: “Ze zullen de stroom vertragen, turbulentie veroorzaken, en er zal geen scheiding zijn!” Jaren later, terwijl hij aan zijn memoires werkt, zal hij er spijt van krijgen: “Een idee dat het waard is om van ons te komen! Maar het kwam niet in mij op...’

Later, toen hij zich buiten de USSR bevond, hield Steenbeck zich niet langer bezig met centrifuges. Maar Geront Zippe kreeg, voordat hij naar Duitsland vertrok, de gelegenheid om kennis te maken met het prototype van de centrifuge van Sergejev en het ingenieus eenvoudige principe van de werking ervan. Eenmaal in het Westen patenteerde de "sluwe Zippe", zoals hij vaak werd genoemd, het ontwerp van de centrifuge onder zijn eigen naam (patent nr. 1071597 uit 1957, aangevraagd in 13 landen). In 1957, nadat hij naar de VS was verhuisd, bouwde Zippe daar een werkende installatie, waarmee hij het prototype van Sergeev uit het geheugen reproduceerde. En hij noemde het, laten we hulde brengen, "Russische centrifuge" (foto).

Trouwens, de Russische techniek heeft zich in veel andere gevallen bewezen. Een voorbeeld is een elementaire noodsituatie afsluiter. Er zijn geen sensoren, detectoren en elektronische circuits. Er is alleen een samovar-kraan, die met zijn bloemblad het frame van de cascade raakt. Als er iets misgaat en de centrifuge van positie in de ruimte verandert, draait hij eenvoudigweg en sluit de inlaatleiding. Het is net als in een grap over een Amerikaanse pen en een Russisch potlood in de ruimte.

Onze dagen

Deze week was de auteur van deze regels aanwezig bij een belangrijke gebeurtenis: de sluiting van het Russische waarnemerskantoor van het Amerikaanse ministerie van Energie op grond van het contract HEU-LEU. Deze deal (hoogverrijkt uranium – laagverrijkt uranium) was en is nog steeds de grootste kernenergieovereenkomst tussen Rusland en Amerika. Volgens de voorwaarden van het contract verwerkten Russische kernwetenschappers 500 ton van ons uranium van wapenkwaliteit (90%) tot brandstof (4%) HFK's voor Amerikaanse kerncentrales. De inkomsten over de periode 1993-2009 bedroegen 8,8 miljard dollar. Dit was het logische resultaat van de technologische doorbraak van onze nucleaire wetenschappers op het gebied van isotopenscheiding, die in de naoorlogse jaren werd gerealiseerd.
Op de foto: cascades van gascentrifuges in een van de UEIP-werkplaatsen. Er zijn er hier ongeveer 100.000.

Dankzij centrifuges hebben we duizenden tonnen relatief goedkope, zowel militaire als commerciële producten ontvangen. De nucleaire industrie, een van de weinige overgebleven (militaire luchtvaart, ruimtevaart), waarin Rusland onbetwiste superioriteit bezit. Alleen buitenlandse orders voor tien jaar vooruit (van 2013 tot 2022), de portefeuille van Rosatom exclusief het contract HEU-LEU bedraagt ​​69,3 miljard dollar. In 2011 bedroeg het meer dan 50 miljard...
Op de foto een magazijn met containers met HFK's bij UEIP.

Op 28 september 1942 werd een resolutie aangenomen Staats Comité Verdediging nr. 2352ss "Over de organisatie van de werkzaamheden aan uranium". Deze datum wordt beschouwd als het officiële begin van de geschiedenis van de nucleaire industrie in Rusland.

Gebouwd onder de westelijke tribunes van het voetbalveld van de Universiteit van Chicago en ingeschakeld op 2 december 1942, was Chicago Pile-1 (CP-1) 's werelds eerste kernreactor. Het bestond uit grafiet- en uraniumblokken en had ook cadmium-, indium- en zilverregelstaven, maar had geen stralingsbescherming en koelsysteem. De wetenschappelijk directeur van het project, natuurkundige Enrico Fermi, beschreef de SR-1 als "een vochtige stapel zwarte stenen en houten blokken."

De werkzaamheden aan de reactor begonnen op 16 november 1942. Er is moeilijk werk verricht. Natuurkundigen en universitair personeel werkten de klok rond. Ze bouwden een raster van 57 lagen uraniumoxide en uraniumstaven ingebed in grafietblokken. houten frame steunde het ontwerp. Fermi's beschermeling, Leona Woods - de enige vrouw aan een project, waarbij hij zorgvuldige metingen deed terwijl de hoop groeide.

Op 2 december 1942 was de reactor klaar voor een test. Het bevatte 22.000 uraniumblokken en er was 380 ton grafiet nodig, evenals 40 ton uraniumoxide en zes ton uraniummetaal. Er was 2,7 miljoen dollar nodig om de reactor te bouwen. Het experiment begon om 9.45 uur. Het werd bijgewoond door 49 mensen: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Hiberry, Woods, een jonge timmerman die grafietblokken en cadmiumstaven maakte, artsen, gewone studenten en andere wetenschappers.

Drie mensen vormden de ‘zelfmoordploeg’ – zij maakten deel uit van het beveiligingssysteem. Hun taak was om de brand te blussen als er iets misging. Ook was er sprake van controle: regelstaven die met de hand werden bediend en een noodstaaf die aan de reling van het balkon boven de reactor werd vastgemaakt. In geval van nood moest het touw worden doorgesneden door een persoon die speciaal dienst had op het balkon, en de staaf zou de reactie hebben gedoofd.

In 1553 begon voor het eerst in de geschiedenis een zichzelf in stand houdende nucleaire kettingreactie. Het experiment was een succes. De reactor werkte 28 minuten.

Om het principe van de werking en het ontwerp van een kernreactor te begrijpen, moet je een korte uitweiding naar het verleden maken. Een kernreactor is een eeuwenoude, zij het niet volledig, belichaamde droom van de mensheid over een onuitputtelijke energiebron. Zijn oude "voorloper" is een vuur gemaakt van droge takken, dat ooit de gewelven van de grot verlichtte en verwarmde, waar onze verre voorouders verlossing van de kou vonden. Later beheersten mensen koolwaterstoffen: steenkool, schalie, olie en aardgas.

Er brak een turbulent maar kortstondig tijdperk van stoom aan, dat werd vervangen door een nog fantastischer tijdperk van elektriciteit. De steden waren gevuld met licht en de werkplaatsen waren gevuld met het gezoem van tot nu toe onzichtbare machines, aangedreven door elektromotoren. Toen leek het erop dat de vooruitgang zijn hoogtepunt had bereikt.

Alles veranderde aan het einde van de 19e eeuw, toen de Franse chemicus Antoine Henri Becquerel per ongeluk ontdekte dat uraniumzouten radioactief zijn. Na twee jaar verkregen zijn landgenoten Pierre Curie en zijn vrouw Maria Sklodowska-Curie radium en polonium van hen, en hun niveau van radioactiviteit was miljoenen keren hoger dan dat van thorium en uranium.

Het stokje werd overgenomen door Ernest Rutherford, die de aard van radioactieve straling in detail bestudeerde. Zo begon het tijdperk van het atoom, dat zijn geliefde kind ter wereld bracht: de kernreactor.

Eerste kernreactor

De "eerstgeborene" komt uit de VS. In december 1942 gaf de reactor de eerste stroom, die de naam kreeg van zijn schepper, een van de grootste natuurkundigen van de eeuw, E. Fermi. Drie jaar later kwam de ZEEP-kerncentrale in Canada tot leven. "Brons" ging naar de eerste Sovjetreactor F-1, gelanceerd eind 1946. I. V. Kurchatov werd het hoofd van het binnenlandse nucleaire project. Tegenwoordig zijn er wereldwijd ruim 400 kerncentrales met succes actief.

Soorten kernreactoren

Hun belangrijkste doel is het ondersteunen van een gecontroleerde kernreactie die elektriciteit produceert. Sommige reactoren produceren isotopen. Kortom, het zijn apparaten waarin in de diepte sommige stoffen worden omgezet in andere, waarbij een grote hoeveelheid thermische energie vrijkomt. Dit is een soort "oven", waar in plaats van traditionele brandstoffen uraniumisotopen - U-235, U-238 en plutonium (Pu) worden "verbrand".

In tegenstelling tot bijvoorbeeld een auto die is ontworpen voor meerdere soorten benzine, heeft elk type radioactieve brandstof zijn eigen type reactor. Er zijn er twee - op langzame (met U-235) en snelle (met U-238 en Pu) neutronen. De meeste kerncentrales zijn uitgerust met langzame neutronenreactoren. Naast kerncentrales "werken" installaties in onderzoekscentra, op kernonderzeeërs en.

Hoe is het met de reactor?

Alle reactoren hebben ongeveer hetzelfde schema. Zijn "hart" is een actieve zone. Het kan grofweg worden vergeleken met de oven van een conventionele kachel. Alleen in plaats van brandhout is er nucleaire brandstof in de vorm van brandstofelementen met een moderator - TVEL's. De actieve zone bevindt zich in een soort capsule: een neutronenreflector. De brandstofstaven worden "gewassen" door het koelvloeistofwater. Omdat het ‘hart’ een zeer hoog radioactiviteitsniveau heeft, is het omgeven door betrouwbare stralingsbescherming.

Operators controleren met twee man de werking van de fabriek kritische systemen– regulering van de kettingreactie en systeem op afstand beheer. Als er zich een noodsituatie voordoet, wordt de noodbescherming onmiddellijk geactiveerd.

Hoe de reactor werkt

De atomaire ‘vlam’ is onzichtbaar, omdat de processen plaatsvinden op het niveau van kernsplijting. In de loop van een kettingreactie vallen zware kernen uiteen in kleinere fragmenten, die, in een aangeslagen toestand, bronnen worden van neutronen en andere subatomaire deeltjes. Maar daar eindigt het proces niet. Neutronen blijven "verpletteren", waardoor er veel energie vrijkomt, dat wil zeggen wat er gebeurt waarvoor kerncentrales worden gebouwd.

De hoofdtaak van het personeel is om met behulp van regelstaven een kettingreactie op een constant, instelbaar niveau te houden. Dit is het belangrijkste verschil met de atoombom, waarbij het proces van nucleair verval oncontroleerbaar is en snel verloopt, in de vorm van een krachtige explosie.

Wat er gebeurde in de kerncentrale van Tsjernobyl

Een van de belangrijkste oorzaken van de catastrofe bij de kerncentrale van Tsjernobyl in april 1986 was een grove schending van de operationele veiligheidsregels tijdens het routineonderhoud van de 4e energiecentrale. Vervolgens werden er tegelijkertijd 203 grafietstaven uit de kern verwijderd in plaats van de 15 die volgens de regelgeving waren toegestaan. Met als resultaat het oncontroleerbare kettingreactie eindigde met een thermische explosie en de volledige vernietiging van de krachtbron.

Nieuwe generatie reactoren

De afgelopen tien jaar is Rusland een van de kernmachtleiders ter wereld geworden. Op dit moment bouwt het staatsbedrijf Rosatom kerncentrales in 12 landen, waar 34 energie-eenheden worden gebouwd. Zo’n hoge vraag is een bewijs hoog niveau moderne Russische nucleaire technologie. De volgende in de rij zijn de nieuwe reactoren van de vierde generatie.

"Brest"

Eén daarvan is Brest, dat wordt ontwikkeld als onderdeel van het Breakthrough-project. De huidige open-cyclussystemen draaien op laagverrijkt uranium, waardoor een grote hoeveelheid verbruikte splijtstof tegen enorme kosten moet worden geborgen. "Brest" - een snelle neutronenreactor is uniek in een gesloten cyclus.

Daarin wordt de verbruikte splijtstof, na passende verwerking in een snelle neutronenreactor, weer een volwaardige brandstof die weer in dezelfde faciliteit kan worden geladen.

Brest onderscheidt zich door een hoog beveiligingsniveau. Het zal nooit "ontploffen", zelfs niet bij het ernstigste ongeval. Het is zeer zuinig en milieuvriendelijk, omdat het zijn "vernieuwde" uranium hergebruikt. Het kan ook niet worden gebruikt voor de productie van plutonium van wapenkwaliteit, wat de breedste perspectieven biedt voor de export ervan.

VVER-1200

VVER-1200 is een innovatieve generatie 3+ reactor met een capaciteit van 1150 MW. Dankzij zijn uniek technische mogelijkheden, het heeft een vrijwel absolute operationele veiligheid. De reactor is overvloedig uitgerust met passieve veiligheidssystemen, die zelfs zullen werken als er geen stroomvoorziening in de automatische modus is.

Eén daarvan is een passief warmteafvoersysteem, dat automatisch wordt geactiveerd wanneer de reactor volledig spanningsloos is. In dit geval zijn er hydraulische noodtanks aanwezig. Bij een abnormale drukval in het primaire circuit wordt een grote hoeveelheid boorhoudend water aan de reactor toegevoerd, waardoor de kernreactie wordt afgeschrikt en neutronen worden geabsorbeerd.

Een andere knowhow bevindt zich in het onderste deel van de insluiting: de "valstrik" van de smelt. Als de kern desalniettemin als gevolg van een ongeval "lekt", zal de "val" niet toestaan ​​dat de insluiting instort en het binnendringen van radioactieve producten in de grond wordt voorkomen.

Kernreactoren hebben één taak: atomen splitsen in een gecontroleerde reactie en de vrijkomende energie gebruiken om elektrische energie op te wekken. Jarenlang werden reactoren gezien als zowel een wonder als een bedreiging.

Toen de eerste Amerikaanse commerciële reactor in 1956 in Shippingport, Pennsylvania, in gebruik werd genomen, werd de technologie geprezen als de krachtpatser van de toekomst, waarbij sommigen geloofden dat reactoren de elektriciteitsopwekking te goedkoop zouden maken. Nu zijn er wereldwijd 442 kernreactoren gebouwd, waarvan ongeveer een kwart in de Verenigde Staten. De wereld is afhankelijk geworden van kernreactoren, die 14 procent van de elektriciteit opwekken. Futuristen fantaseerden zelfs over nucleaire auto’s.

Toen de Unit 2-reactor van de Three Mile Island-energiecentrale in Pennsylvania in 1979 te maken kreeg met een koelingsstoring en als gevolg daarvan een gedeeltelijke meltdown van de radioactieve brandstof, veranderden de warme gevoelens over de reactoren radicaal. Hoewel er een afsluiting van de vernietigde reactor werd uitgevoerd en er geen grote radioactieve uitstoot plaatsvond, begonnen veel mensen de reactoren als te complex en kwetsbaar te beschouwen, met mogelijk catastrofale gevolgen. Ook maakten mensen zich zorgen over het radioactieve afval uit de reactoren. Als gevolg hiervan is de bouw van nieuwe kerncentrales in de Verenigde Staten tot stilstand gekomen. Toen in 1986 een ernstiger ongeval plaatsvond in de kerncentrale van Tsjernobyl in de Sovjet-Unie, leek kernenergie gedoemd.

Maar begin jaren 2000 begonnen kernreactoren een comeback te maken, dankzij een groeiende vraag naar energie en een afnemend aanbod van fossiele brandstoffen, evenals de groeiende bezorgdheid over de klimaatverandering als gevolg van de uitstoot van kooldioxide.

Maar in maart 2011 sloeg een nieuwe crisis toe: deze keer werd Fukushima 1, een kerncentrale in Japan, zwaar beschadigd door een aardbeving.

Gebruik Nucleaire reactie

Simpel gezegd: in een kernreactor splitsen atomen zich en komt de energie vrij die hun delen bij elkaar houdt.

Als je natuurkunde bent vergeten middelbare school wij zullen u eraan herinneren hoe kernsplijting werken. Atomen zijn klein zonne-systemen, met een kern zoals de zon, en elektronen zoals planeten die eromheen draaien. De kern bestaat uit deeltjes die protonen en neutronen worden genoemd en die aan elkaar zijn gebonden. De kracht die de elementen van de kern bindt, is moeilijk voor te stellen. Het is vele miljarden malen sterker dan de zwaartekracht. Ondanks dit geweldige kracht, kun je de kern splitsen door er neutronen op af te vuren. Wanneer dit gebeurt, komt er veel energie vrij. Wanneer atomen uiteenvallen, botsen hun deeltjes tegen nabijgelegen atomen, waardoor ze worden gesplitst, en die op hun beurt weer volgende, volgende, volgende. Er bestaat een zogenaamde kettingreactie.

Uranium, een element met grote atomen, is ideaal voor het splijtingsproces, omdat de kracht die de deeltjes in de kern bindt relatief zwak is vergeleken met andere elementen. Kernreactoren gebruiken een specifieke isotoop genaamd Bijliep-235 . Uranium-235 is zeldzaam van aard, waarbij erts uit uraniummijnen slechts ongeveer 0,7% U-235 bevat. Dat is de reden waarom reactoren gebruiken verrijktBijloop, dat ontstaat door uranium-235 te isoleren en te concentreren via een gasdiffusieproces.

Er kan een kettingreactieproces in gang worden gezet met een atoombom, vergelijkbaar met de bommen die tijdens de Tweede Wereldoorlog op de Japanse steden Hiroshima en Nagasaki zijn gevallen. Maar in een kernreactor wordt de kettingreactie gecontroleerd door regelstaven in te brengen die gemaakt zijn van materialen zoals cadmium, hafnium of boor, die een deel van de neutronen absorberen. Hierdoor kan bij het splijtingsproces nog steeds voldoende energie vrijkomen om water tot ongeveer 270 graden Celsius te verwarmen en om te zetten in stoom, die wordt gebruikt om de turbines van de energiecentrale aan te zetten en elektriciteit op te wekken. In principe werkt in dit geval een gecontroleerde atoombom in plaats van steenkool, waardoor elektriciteit ontstaat, behalve dat de energie om water te koken afkomstig is van het splitsen van atomen, in plaats van het verbranden van koolstof.

Onderdelen van kernreactoren

Er zijn een paar verschillende types kernreactoren, maar ze hebben er allemaal wel een paar Algemene karakteristieken. Ze hebben allemaal een voorraad radioactieve brandstofpellets – meestal uraniumoxide – die in buizen zijn gerangschikt om brandstofstaven te vormen. kernereactor.

De reactor beschikt ook over het eerder genoemde beheerdersehengelEn— van een neutronenabsorberend materiaal zoals cadmium, hafnium of boor, dat wordt ingebracht om de reactie te controleren of te stoppen.

De reactor heeft dat ook moderator, een stof die neutronen vertraagt ​​en het splijtingsproces helpt beheersen. De meeste reactoren in de Verenigde Staten gebruiken gewoon water, maar reactoren in andere landen gebruiken soms grafiet zwaarWauwwaterenbij, waarin waterstof wordt vervangen door deuterium, een isotoop van waterstof met één proton en één neutron. Een ander belangrijk onderdeel van het systeem is koelingen ikvloeistofB, meestal gewoon water, dat warmte van de reactor absorbeert en overdraagt ​​om stoom te creëren om de turbine te laten draaien en het reactorgebied af te koelen zodat het niet de temperatuur bereikt waarbij het uranium zal smelten (ongeveer 3815 graden Celsius).

Tenslotte wordt de reactor ingesloten schelpbij, een grote, zware constructie, meestal enkele meters dik, gemaakt van staal en beton, die radioactieve gassen en vloeistoffen binnen houdt waar ze niemand kunnen schaden.

Er zijn er een aantal diverse ontwerpen reactoren in gebruik, maar een van de meest voorkomende is dat wel drukwaterkrachtreactor (VVER). In zo'n reactor wordt water in contact gebracht met de kern en blijft daar vervolgens onder zo'n druk staan ​​dat het niet in stoom kan veranderen. Dit water komt vervolgens in de stoomgenerator in contact met drukloos aangevoerd water, dat verandert in stoom die de turbines laat draaien. Er is ook een ontwerp hoogvermogen reactor kanaaltype(RBMK) met één watercircuit en snelle neutronenreactor met twee natrium- en één watercircuit.

Hoe veilig is een kernreactor?

Het antwoord op deze vraag is best lastig en hangt af van wie je het vraagt ​​en wat je onder ‘veilig’ verstaat. Maakt u zich zorgen over straling of radioactief afval dat wordt gegenereerd in reactoren? Of maakt u zich meer zorgen over de mogelijkheid van een catastrofaal ongeval? Welke mate van risico beschouwt u als een aanvaardbare afweging voor de voordelen van kernenergie? En in hoeverre vertrouwt u de overheid en kernenergie?

‘Straling’ is een geldig argument, vooral omdat we allemaal weten dat grote doses straling, zoals van een atoombom, vele duizenden mensen kunnen doden.

Voorstanders van kernenergie wijzen er echter op dat we allemaal regelmatig worden blootgesteld aan straling verschillende bronnen, inbegrepen kosmische stralen en natuurlijke straling uitgezonden door de aarde. De gemiddelde jaarlijkse stralingsdosis bedraagt ​​ongeveer 6,2 millisievert (mSv), waarvan de helft afkomstig is uit natuurlijke bronnen en de helft uit kunstmatige bronnen, variërend van röntgenfoto's van de borstkas, rookmelders en lichtgevende wijzerplaten. Hoeveel straling krijgen we van kernreactoren? Slechts een klein deel van een procent van onze typische jaarlijkse blootstelling – 0,0001 mSv.

Hoewel alle kerncentrales onvermijdelijk kleine hoeveelheden straling lekken, houden toezichthoudende commissies de exploitanten van kerncentrales aan strenge regels. Ze mogen de mensen die rond de centrale wonen niet blootstellen aan meer dan 1 mSv straling per jaar, en voor de werknemers in de centrale geldt een drempelwaarde van 50 mSv per jaar. Dit lijkt misschien veel, maar volgens de Nuclear Regulatory Commission is er geen medisch bewijs dat jaarlijkse stralingsdoses van minder dan 100 mSv gezondheidsrisico's voor de mens opleveren.

Maar het is belangrijk op te merken dat niet iedereen het eens is met een dergelijke zelfgenoegzame beoordeling van stralingsrisico's. Physicians for Social Responsibility, al jarenlang criticus van de nucleaire industrie, heeft bijvoorbeeld kinderen bestudeerd die rond Duitse kerncentrales wonen. Uit het onderzoek bleek dat mensen die binnen een straal van vijf kilometer van de kerncentrales woonden een dubbel zo groot risico hadden om leukemie op te lopen, vergeleken met degenen die verder van de kerncentrale woonden.

nucleaire afvalreactor

Kernenergie wordt door de voorstanders aangeprezen als ‘schone’ energie, omdat de reactor geen grote hoeveelheden broeikasgassen in de atmosfeer uitstoot, vergeleken met kolencentrales. Maar critici wijzen op iets anders milieuprobleem— Opruiming van kernafval. Bij een deel van het verbruikte splijtstofafval van reactoren komt nog steeds radioactiviteit vrij. Andere onnodige dingen die moeten worden bewaard, zijn hoogradioactief afval, het vloeibare residu van de verwerking van verbruikte splijtstof, waarin een deel van het uranium achterbleef. Op dit moment wordt het grootste deel van dit afval lokaal opgeslagen in kerncentrales in watervijvers die een deel van de resterende warmte absorberen die door de verbruikte splijtstof wordt geproduceerd en werknemers helpen beschermen tegen blootstelling aan straling.

Een van de problemen met verbruikte splijtstof is dat deze tijdens splijting is veranderd. Wanneer grote uraniumatomen worden gespleten, creëren ze bijproducten: radioactieve isotopen van verschillende lichte elementen zoals Cesium-137 en Strontium-90, genaamd splijtingsproducten. Ze zijn heet en zeer radioactief, maar uiteindelijk vervallen ze in een periode van dertig jaar in minder gevaarlijke vormen. Deze periode heet Pperiodeohmhalveringstijd. Voor andere radioactieve elementen zal de halfwaardetijd anders zijn. Bovendien vangen sommige uraniumatomen ook neutronen op, waardoor zwaardere elementen zoals plutonium worden gevormd. Deze transuraniumelementen genereren niet zoveel warmte of doordringende straling als splijtingsproducten, maar het duurt veel langer voordat ze vervallen. Plutonium-239 heeft bijvoorbeeld een halfwaardetijd van 24.000 jaar.

Deze radioactiefevertrekS hoog niveau uit reactoren zijn gevaarlijk voor mensen en andere levensvormen, omdat ze zelfs bij een korte blootstelling enorme, dodelijke doses straling kunnen vrijgeven. Tien jaar nadat ze bijvoorbeeld de brandstof uit een reactor hebben gehaald, stoten ze per uur 200 keer meer radioactiviteit uit dan nodig is om iemand te doden. En als het afval erin belandt grondwater of rivieren, ze kunnen in de voedselketen terechtkomen en grote aantallen mensen in gevaar brengen.

Omdat afval zo gevaarlijk is, bevinden veel mensen zich in een lastige positie. Bij kerncentrales in de buurt bevindt zich 60.000 ton afval grote steden. Maar om te vinden veilige plaats het opslaan van afval is erg moeilijk.

Wat kan er misgaan met een kernreactor?

Nu overheidstoezichthouders terugkijken op hun ervaringen, hebben ingenieurs door de jaren heen veel tijd besteed aan het ontwerpen van reactoren voor optimale veiligheid. Ze gaan alleen niet stuk, werken goed en hebben back-upbeveiligingsmaatregelen voor het geval iets niet volgens plan verloopt. Als gevolg hiervan lijken kerncentrales jaar na jaar redelijk veilig te zijn vergeleken met bijvoorbeeld vliegreizen, waarbij wereldwijd routinematig tussen de 500 en 1.100 mensen per jaar om het leven komen.

Niettemin halen kernreactoren grote storingen in. Op de International Nuclear Event Scale, die reactorongevallen beoordeelt van 1 tot 7, zijn er sinds 1957 vijf ongevallen geweest die zijn beoordeeld van 5 tot 7.

De ergste nachtmerrie is het kapot gaan van het koelsysteem, wat leidt tot oververhitting van de brandstof. De brandstof verandert in een vloeistof en brandt vervolgens door de insluiting, waarbij radioactieve straling vrijkomt. In 1979 stond Unit 2 van de kerncentrale van Three Mile Island (VS) aan de vooravond van dit scenario. Gelukkig was een goed ontworpen insluitingssysteem sterk genoeg om te voorkomen dat de straling ontsnapte.

De Sovjet-Unie had minder geluk. In april 1986 vond een ernstig nucleair ongeval plaats bij de 4e energiecentrale van de kerncentrale van Tsjernobyl. Het werd veroorzaakt door een combinatie van systeemstoringen, ontwerpfouten en slecht opgeleid personeel. Tijdens een routinetest nam de reactie plotseling toe en blokkeerden de regelstaven, waardoor een nooduitschakeling niet mogelijk was. De plotselinge opbouw van stoom veroorzaakte twee thermische explosies, waardoor de grafietmoderator van de reactor de lucht in werd geworpen. Bij gebrek aan iets om de splijtstofstaven van de reactor af te koelen, begonnen ze oververhit te raken en volledig te vernietigen, waardoor de brandstof een vloeibare vorm aannam. Veel arbeiders van het station en vereffenaars van het ongeval kwamen om. Een grote hoeveelheid straling verspreidde zich over een gebied van 323.749 vierkante kilometer. Het aantal sterfgevallen als gevolg van straling is nog steeds onduidelijk, maar de Wereldgezondheidsorganisatie zegt dat dit mogelijk 9.000 sterfgevallen door kanker heeft veroorzaakt.

De bouwers van kernreactoren geven garanties op basis van probabilistische schattinge waarin ze proberen de potentiële schade van een gebeurtenis in evenwicht te brengen met de waarschijnlijkheid dat deze daadwerkelijk plaatsvindt. Maar sommige critici zeggen dat ze zich in plaats daarvan moeten voorbereiden op de zeldzame, meest onverwachte, maar zeer gevaarlijke gebeurtenissen. Een illustratief voorbeeld is het ongeval in maart 2011 bij de kerncentrale Fukushima 1 in Japan. Het station werd naar verluidt ontworpen om te weerstaan sterke aardbeving, maar niet zo catastrofaal als de aardbeving met een kracht van 9,0 op de schaal van Richter, waarbij een tsunami-golf van 14 meter over dijken werd getild die ontworpen waren om een ​​golf van 5,4 meter te weerstaan. De aanval van de tsunami vernietigde de reservedieselgeneratoren die bedoeld waren om het koelsysteem van de zes kernreactoren van stroom te voorzien in het geval van een stroomstoring. Dus zelfs nadat de regelstaven van de Fukushima-reactoren de splijtingsreactie hadden gestopt, bleef de kernsplijtingsreactie bestaan. De nog hete brandstof zorgde ervoor dat de temperatuur in de vernietigde reactoren hoog bleef.

Japanse functionarissen hebben hun toevlucht genomen tot het laatste redmiddel: de reactoren laten overstromen met enorme hoeveelheden zeewater boorzuur, dat een catastrofe kon voorkomen, maar de reactorapparatuur vernietigde. Uiteindelijk konden de Japanners met behulp van brandweerwagens en schepen zoet water in de reactoren pompen. Maar tegen die tijd had de monitoring al alarmerende niveaus van straling in het omringende land en water aangetoond. In een dorp op 40 km van deze kerncentrale bleek het radioactieve element Cesium-137 zich op een veel hoger niveau te bevinden dan na de ramp in Tsjernobyl, wat twijfels deed rijzen over de mogelijkheid van menselijke bewoning in deze zone.

De kernreactor werkt soepel en nauwkeurig. Anders zullen er, zoals u weet, problemen ontstaan. Maar wat gebeurt er binnen? Laten we proberen het werkingsprincipe van een kernreactor kort en duidelijk met stops te formuleren.

In feite voltrekt zich daar hetzelfde proces als bij een kernexplosie. Pas nu vindt de explosie zeer snel plaats, en in de reactor strekt dit zich allemaal uit lange tijd. Uiteindelijk blijft alles veilig en krijgen we energie. Niet zozeer dat alles eromheen onmiddellijk kapot ging, maar voldoende om de stad van elektriciteit te voorzien.

Voordat je kunt begrijpen hoe een gecontroleerde kernreactie werkt, moet je weten wat Nucleaire reactie helemaal niet.

Nucleaire reactie - dit is het transformatieproces (splijting) van atoomkernen tijdens hun interactie met elementaire deeltjes en gammakwanta.

Kernreacties kunnen zowel plaatsvinden bij absorptie als bij het vrijkomen van energie. In de reactor worden tweede reacties gebruikt.

Kernreactor - Dit is een apparaat dat tot doel heeft een gecontroleerde kernreactie te handhaven waarbij energie vrijkomt.

Vaak wordt een kernreactor ook wel kernreactor genoemd. Merk op dat er hier geen fundamenteel verschil is, maar vanuit wetenschappelijk oogpunt is het juister om het woord 'nucleair' te gebruiken. Er zijn nu veel soorten kernreactoren. Dit zijn enorme industriële reactoren die zijn ontworpen om energie op te wekken in energiecentrales, nucleaire onderzeese reactoren, kleine experimentele reactoren die worden gebruikt in wetenschappelijke experimenten. Er zijn zelfs reactoren die worden gebruikt om zeewater te ontzilten.

De geschiedenis van de oprichting van een kernreactor

De eerste kernreactor werd gelanceerd in het niet zo verre 1942. Het gebeurde in de VS onder leiding van Fermi. Deze reactor werd de "Chicago woodpile" genoemd.

In 1946 werd onder leiding van Kurchatov de eerste Sovjetreactor opgestart. Het lichaam van deze reactor was een bal met een diameter van zeven meter. De eerste reactoren hadden geen koelsysteem en hun vermogen was minimaal. Trouwens, de Sovjetreactor had een gemiddeld vermogen van 20 watt, terwijl de Amerikaanse slechts 1 watt had. Ter vergelijking: het gemiddelde vermogen van moderne kernreactoren bedraagt ​​5 Gigawatt. Nog geen tien jaar na de lancering van de eerste reactor werd in de stad Obninsk de eerste industriële kerncentrale ter wereld geopend.

Het werkingsprincipe van een kernreactor (atoomreactor).

Elke kernreactor bestaat uit verschillende onderdelen: kern Met brandstof En moderator , neutronenreflector , koelmiddel , controle- en beveiligingssysteem . Isotopen zijn de meest gebruikte brandstof in reactoren. uranium (235, 238, 233), plutonium (239) en thorium (232). De actieve zone is een ketel waar gewoon water (koelvloeistof) doorheen stroomt. Onder andere koelmiddelen worden “zwaar water” en vloeibaar grafiet minder vaak gebruikt. Als we het hebben over de werking van een kerncentrale, dan wordt een kernreactor gebruikt om warmte te produceren. De elektriciteit zelf wordt op dezelfde manier opgewekt als in andere soorten energiecentrales: stoom roteert de turbine en de bewegingsenergie wordt omgezet in elektrische energie.

Hieronder ziet u een diagram van de werking van een kernreactor.

Zoals we al hebben gezegd, produceert het verval van een zware uraniumkern lichtere elementen en enkele neutronen. De resulterende neutronen botsen met andere kernen, waardoor deze ook gaan splijten. In dit geval groeit het aantal neutronen als een lawine.

Het moet hier vermeld worden neutronenvermenigvuldigingsfactor . Dus als deze coëfficiënt een waarde gelijk aan één overschrijdt, is er sprake van nucleaire explosie. Als de waarde kleiner is dan één, zijn er te weinig neutronen en sterft de reactie uit. Maar als je de waarde van de coëfficiënt gelijk houdt aan één, zal de reactie lang en stabiel verlopen.

De vraag is hoe het moet? In de reactor zit de brandstof in de zogenaamde brandstof elementen (TVELah). Dit zijn staafjes waarin, in de vorm van kleine tabletten, nucleaire brandstof . De brandstofstaven zijn verbonden in zeshoekige cassettes, waarvan er honderden in de reactor kunnen zijn. Cassettes met brandstofstaven bevinden zich verticaal, terwijl elke brandstofstaaf een systeem heeft waarmee u de diepte van de onderdompeling in de kern kunt aanpassen. Naast de cassettes zelf, waaronder controle staven En noodbeschermingsstangen . De staafjes zijn gemaakt van een materiaal dat neutronen goed absorbeert. Zo kunnen de regelstaven naar verschillende diepten in de kern worden neergelaten, waardoor de nwordt aangepast. De noodstaven zijn ontworpen om de reactor in geval van nood uit te schakelen.

Hoe wordt een kernreactor gestart?

We hebben het werkingsprincipe zelf ontdekt, maar hoe moeten we de reactor starten en laten functioneren? Grof gezegd is het hier een stuk uranium, maar er ontstaat tenslotte niet vanzelf een kettingreactie. Feit is dat er in de kernfysica een concept bestaat kritieke massa .

Kritische massa is de massa splijtbaar materiaal die nodig is om een ​​nucleaire kettingreactie op gang te brengen.

Met behulp van splijtstofelementen en regelstaven wordt eerst een kritische massa splijtstof in de reactor gecreëerd, waarna de reactor in verschillende fasen op het optimale vermogensniveau wordt gebracht.

In dit artikel hebben we geprobeerd u dit te geven algemeen idee over het ontwerp en het werkingsprincipe van een kernreactor. Als u vragen heeft over dit onderwerp of de universiteit heeft een probleem op het gebied van de kernfysica, neem dan contact op specialisten van ons bedrijf. Wij staan, zoals gewoonlijk, klaar om u te helpen bij het oplossen van elk urgent probleem van uw studie. Ondertussen doen wij dit, jullie aandacht is weer een leerzaam filmpje!