Kernreactie in een reactor. Splijting van uraniumkernen

26.09.2019

Elke dag gebruiken we elektriciteit en denken we niet na over hoe het wordt geproduceerd en hoe het tot ons is gekomen. Niettemin is het een van de belangrijkste onderdelen van de moderne beschaving. Zonder elektriciteit zou er niets zijn - geen licht, geen warmte, geen beweging.

Iedereen weet dat elektriciteit wordt opgewekt in elektriciteitscentrales, ook in kerncentrales. Het hart van elke kerncentrale is: kernreactor. Dat is wat we in dit artikel zullen bespreken.

kernreactor, een apparaat waarin een gecontroleerde nucleaire kettingreactie plaatsvindt met het vrijkomen van warmte. In principe worden deze apparaten gebruikt om elektriciteit op te wekken en grote schepen aan te drijven. Om de kracht en efficiëntie van kernreactoren voor te stellen, kan men een voorbeeld geven. Waar een gemiddelde kernreactor 30 kilogram uranium nodig zou hebben, zou een gemiddelde thermische centrale 60 wagens steenkool of 40 tanks stookolie nodig hebben.

voorlopig ontwerp kernreactor werd in december 1942 in de VS gebouwd onder leiding van E. Fermi. Het was de zogenaamde "Chicago-stack". Chicago Pile (later het woord"Stapel" samen met andere betekenissen begon een kernreactor aan te duiden). Deze naam werd hem gegeven vanwege het feit dat hij leek op een grote stapel grafietblokken die op elkaar waren gelegd.

Tussen de blokken werden bolvormige "werklichamen" van natuurlijk uranium en zijn dioxide geplaatst.

In de USSR werd de eerste reactor gebouwd onder leiding van academicus IV Kurchatov. De F-1 reactor werd op 25 december 1946 in gebruik genomen. De reactor had de vorm van een bal en had een diameter van ongeveer 7,5 meter. Het had geen koelsysteem, dus het werkte op zeer lage energieniveaus.

Het onderzoek werd voortgezet en op 27 juni 1954 werd in de stad Obninsk 's werelds eerste kerncentrale met een capaciteit van 5 MW in gebruik genomen.

Het werkingsprincipe van een kernreactor.

Bij het verval van uranium U 235 komt warmte vrij en daarbij komen twee of drie neutronen vrij. Volgens statistieken - 2.5. Deze neutronen botsen met andere uraniumatomen U 235 . Bij een botsing verandert uranium U 235 in een onstabiele isotoop U 236, die vrijwel onmiddellijk vervalt in Kr 92 en Ba 141 + dezelfde 2-3 neutronen. Het verval gaat gepaard met het vrijkomen van energie in de vorm van gammastraling en warmte.

Dit wordt een kettingreactie genoemd. Atomen delen, het aantal verval neemt exponentieel toe, wat uiteindelijk leidt tot een naar onze maatstaven bliksemsnelle afgifte van een enorme hoeveelheid energie - er vindt een atoomexplosie plaats, als gevolg van een ongecontroleerde kettingreactie.

Echter, in kernreactor we hebben te maken met gecontroleerde kernreactie. Hoe dit mogelijk wordt, wordt verder beschreven.

Het apparaat van een kernreactor.

Momenteel zijn er twee typen kernreactoren VVER (drukwaterreactor) en RBMK (high power channel reactor). Het verschil is dat RBMK een kokendwaterreactor is en VVER water gebruikt onder een druk van 120 atmosfeer.

Reactor VVER 1000. 1 - CPS-aandrijving; 2 - reactordeksel; 3 - reactorvat; 4 - blok beschermbuizen (BZT); 5 - de mijne; 6 - kernschot; 7 - brandstofassemblages (FA) en regelstaven;

Elke kernreactor van het industriële type is een ketel waardoor een koelmiddel stroomt. In de regel is dit gewoon water (ongeveer 75% in de wereld), vloeibaar grafiet (20%) en zwaar water (5%). Voor experimentele doeleinden werd beryllium gebruikt en werd uitgegaan van een koolwaterstof.

TVEL- (brandstofelement). Dit zijn staafjes in een zirkonium omhulsel met niobiumlegering, waarbinnen zich tabletten van uraniumdioxide bevinden.

De brandstofelementen in de cassette zijn groen gemarkeerd.

Montage brandstofcassette.

De reactorkern bestaat uit honderden cassettes, verticaal geplaatst en met elkaar verbonden door een metalen omhulsel - een lichaam dat ook de rol van een neutronenreflector speelt. Tussen de cassettes zijn regelstaven en noodbeveiligingsstaven van de reactor geplaatst met regelmatige tussenpozen, die in geval van oververhitting zijn ontworpen om de reactor uit te schakelen.

Laten we als voorbeeld de gegevens over de VVER-440-reactor geven:

Besturingselementen kunnen op en neer bewegen door te zinken, of omgekeerd, waarbij ze de kern verlaten, waar de reactie het meest intens is. Dit wordt verzorgd door krachtige elektromotoren, in combinatie met het besturingssysteem.Noodbeveiligingsstaven zijn ontworpen om de reactor in geval van nood uit te schakelen, in de kern te vallen en meer vrije neutronen te absorberen.

Elke reactor heeft een deksel waardoor de gebruikte en nieuwe cassettes worden geladen en gelost.

Thermische isolatie wordt meestal bovenop het reactorvat geïnstalleerd. De volgende barrière is biologische bescherming. Dit is meestal een bunker van gewapend beton waarvan de ingang wordt afgesloten door een luchtsluis met verzegelde deuren. Biologische bescherming is bedoeld om het vrijkomen van radioactieve stoom en delen van de reactor in de atmosfeer te voorkomen, mocht er zich toch een explosie voordoen.

Een kernexplosie in moderne reactoren is uiterst onwaarschijnlijk. Omdat de brandstof niet voldoende is verrijkt, en wordt verdeeld in TVEL's. Zelfs als de kern smelt, zal de brandstof niet zo actief kunnen reageren. Het maximum dat kan gebeuren is een thermische explosie, zoals in Tsjernobyl, toen de druk in de reactor zulke waarden bereikte dat de metalen behuizing eenvoudig uit elkaar werd gescheurd, en het reactordeksel, met een gewicht van 5000 ton, een flip-sprong maakte en doorbrak het dak van het reactorcompartiment en laat stoom ontsnappen. Als de kerncentrale van Tsjernobyl was uitgerust met de juiste biologische bescherming, zoals de sarcofaag van vandaag, dan zou de catastrofe de mensheid veel minder hebben gekost.

Het werk van een kerncentrale.

In een notendop ziet de raboboa er zo uit.

Kerncentrale. (klikbaar)

Nadat het water met behulp van pompen de reactorkern is binnengegaan, wordt het verwarmd van 250 tot 300 graden en verlaat het de "andere kant" van de reactor. Dit wordt de eerste lus genoemd. Dan gaat het naar de warmtewisselaar, waar het samenkomt met het tweede circuit. Daarna komt de stoom onder druk in de turbinebladen. Turbines wekken elektriciteit op.

Apparaat en werkingsprincipe

Krachtontgrendelingsmechanisme:

De transformatie van een stof gaat alleen gepaard met het vrijkomen van vrije energie als de stof een energiereserve heeft. Dit laatste betekent dat de microdeeltjes van de stof zich in een toestand bevinden met een grotere rustenergie dan in een andere mogelijke toestand waarnaar de overgang bestaat. Spontane overgang wordt altijd voorkomen door een energiebarrière, om te overwinnen waarvoor het microdeeltje een bepaalde hoeveelheid energie van buitenaf moet ontvangen - de energie van excitatie. De exo-energetische reactie bestaat erin dat bij de transformatie die volgt op de excitatie meer energie vrijkomt dan nodig is om het proces te stimuleren. Er zijn twee manieren om de energiebarrière te overwinnen: ofwel door de kinetische energie van de botsende deeltjes, ofwel door de bindingsenergie van het opkomende deeltje.

Als we rekening houden met de macroscopische schalen van de energieafgifte, dan moet de kinetische energie die nodig is voor het opwekken van reacties alle, of in ieder geval enkele, deeltjes van de stof hebben. Dit kan alleen worden bereikt door de temperatuur van het medium te verhogen tot een waarde waarbij de energie van thermische beweging de waarde van de energiedrempel benadert die het verloop van het proces beperkt. In het geval van moleculaire transformaties, dat wil zeggen chemische reacties, is een dergelijke toename meestal honderden kelvins, in het geval van kernreacties is het ten minste 107 als gevolg van zeer grote hoogte Coulomb-barrières van botsende kernen. Thermische excitatie van kernreacties is in de praktijk alleen uitgevoerd bij de synthese van de lichtste kernen, waarbij de Coulomb-barrières minimaal zijn (thermonucleaire fusie).

Excitatie door de verbindende deeltjes vereist geen grote kinetische energie en is daarom niet afhankelijk van de temperatuur van het medium, omdat het optreedt als gevolg van ongebruikte bindingen die inherent zijn aan de deeltjes van aantrekkende krachten. Maar aan de andere kant zijn de deeltjes zelf nodig om de reacties op te wekken. En als we weer niet een afzonderlijke reactiehandeling in gedachten houden, maar de productie van energie op macroscopische schaal, dan is dit alleen mogelijk wanneer kettingreactie. Dit laatste ontstaat wanneer de deeltjes die de reactie opwekken weer verschijnen als producten van een exo-energetische reactie.

Ontwerp

Elk kernreactor bestaat uit de volgende onderdelen:

Kern met splijtstof en moderator;
Neutronenreflector die de kern omringt;
Regelsysteem voor kettingreacties, inclusief noodbescherming;
Stralingsbescherming;
Afstandsbediening systeem.

Fysieke werkingsprincipes

Zie ook hoofdartikelen:

De huidige toestand van een kernreactor kan worden gekarakteriseerd door de effectieve nk of reactiviteit ρ , die gerelateerd zijn door de volgende relatie:

Deze waarden worden gekenmerkt door de volgende waarden:

k> 1 - de kettingreactie neemt toe in de tijd, de reactor is in superkritisch staat, zijn reactiviteit ρ > 0;
k < 1 - реакция затухает, реактор - subkritisch, ρ < 0;
k = 1, ρ = 0 - het aantal kernsplijtingen is constant, de reactor bevindt zich in een stal kritisch voorwaarde.

Kritieke toestand kernreactor:

, waar

De conversie van de vermenigvuldigingsfactor naar eenheid wordt bereikt door de vermenigvuldiging van neutronen in evenwicht te brengen met hun verliezen. Er zijn eigenlijk twee redenen voor verliezen: afvangen zonder splijting en lekkage van neutronen buiten het kweekmedium.

duidelijk, k< k 0 , поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k 0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k 0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны.

k 0 voor thermische reactoren kan worden bepaald door de zogenaamde "formule van 4 factoren":

, waar

η is de neutronenopbrengst per twee absorpties.

De volumes van moderne kernreactoren kunnen honderden m³ bereiken en worden voornamelijk niet bepaald door de kritische omstandigheden, maar door de mogelijkheden van warmteafvoer.

Kritiek volume kernreactor - het volume van de reactorkern in een kritieke toestand. Kritieke massa is de massa van het splijtbare materiaal van de reactor, die zich in een kritieke toestand bevindt.

Reactoren die worden gevoed door waterige oplossingen van zouten van zuivere splijtbare isotopen met een waterneutronenreflector hebben de laagste kritische massa. Voor 235 U is deze massa 0,8 kg, voor 239 Pu is dit 0,5 kg. Het is echter algemeen bekend dat de kritische massa van de LOPO-reactor ('s werelds eerste reactor met verrijkt uranium), die een reflector van berylliumoxide had, 0,565 kg bedroeg, ondanks het feit dat de verrijkingsgraad in de 235-isotoop slechts licht was. meer dan 14%. Theoretisch heeft de kleinste kritische massa, waarvoor deze waarde slechts 10 g is.

Om neutronenlekkage te verminderen, krijgt de kern een bolvormige of bijna bolvormige vorm, zoals een korte cilinder of kubus, omdat deze cijfers de kleinste verhouding van oppervlakte tot volume hebben.

Ondanks het feit dat de waarde (e - 1) meestal klein is, is de rol van snelle neutronenvermenigvuldiging vrij groot, aangezien voor grote kernreactoren (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Om een kettingreactie op gang te brengen, worden bij de spontane splijting van uraniumkernen meestal voldoende neutronen geproduceerd. Het is ook mogelijk om een externe bron van neutronen te gebruiken om de reactor te starten, bijvoorbeeld een mengsel van en, of andere stoffen.

jodium pit

Hoofd artikel: Jodium pit

Jodiumput - de toestand van een kernreactor nadat deze is stilgelegd, gekenmerkt door de accumulatie van de kortlevende xenon-isotoop. Dit proces leidt tot het tijdelijk optreden van significante negatieve reactiviteit, wat het op zijn beurt onmogelijk maakt om de reactor gedurende een bepaalde periode (ongeveer 1-2 dagen) tot zijn ontwerpcapaciteit te brengen.

Classificatie

Op afspraak

Volgens de aard van het gebruik van kernreactoren zijn onderverdeeld in:

Vermogensreactoren ontworpen voor de productie van elektrische en thermische energie die wordt gebruikt in de energiesector en voor de ontzilting van zeewater (ontziltingsreactoren worden ook als industrieel geclassificeerd). Dergelijke reactoren werden vooral gebruikt in kerncentrales. Het thermisch vermogen van moderne krachtreactoren bereikt 5 GW. Wijs in een aparte groep toe:
- Transportreactoren ontworpen om energie te leveren aan voertuigmotoren. De breedste toepassingsgroepen zijn zeetransportreactoren die worden gebruikt op onderzeeërs en verschillende oppervlakteschepen, evenals reactoren die worden gebruikt in de ruimtetechnologie.
Experimentele reactoren, ontworpen om verschillende fysieke grootheden te bestuderen, waarvan de waarde noodzakelijk is voor het ontwerp en de werking van kernreactoren; het vermogen van dergelijke reactoren is niet groter dan enkele kW.
Onderzoeksreactoren, waarbij in de kern gecreëerde neutronen- en gammastraling worden gebruikt voor onderzoek op het gebied van kernfysica, vastestoffysica, stralingschemie, biologie, voor het testen van materialen die bedoeld zijn voor gebruik in intense neutronenfluxen (inclusief onderdelen van kernreactoren), voor de productie van isotopen. Het vermogen van onderzoeksreactoren is niet groter dan 100 MW. De vrijgekomen energie wordt meestal niet gebruikt.
Industriële (wapens, isotopen) reactoren gebruikt om isotopen te produceren die op verschillende gebieden worden gebruikt. Het meest gebruikt voor de productie van materialen van kernwapenkwaliteit, zoals 239 Pu. Ook industriële omvatten reactoren die worden gebruikt voor ontzilting van zeewater.

Vaak worden reactoren gebruikt om twee of meer verschillende taken op te lossen, in welk geval ze worden genoemd multifunctioneel. Zo waren sommige kernreactoren, vooral aan het begin van de kernenergie, vooral bedoeld voor experimenten. Snelle neutronenreactoren kunnen tegelijkertijd energie opwekken en isotopen produceren. Industriële reactoren wekken, naast hun hoofdtaak, vaak elektrische en thermische energie op.

Volgens het neutronenspectrum

Thermische (langzame) neutronenreactor ("thermische reactor")
Snelle neutronenreactor ("snelle reactor")

Door brandstofplaatsing

Heterogene reactoren, waarbij de brandstof discreet in de vorm van blokken in de kern wordt geplaatst, waartussen zich een moderator bevindt;
Homogene reactoren, waarbij de brandstof en moderator een homogeen mengsel zijn (homogeen systeem).

In een heterogene reactor kunnen de brandstof en de moderator op afstand van elkaar worden geplaatst, in het bijzonder in een holtereactor omringt de moderator-reflector de holte met brandstof die de moderator niet bevat. Vanuit nucleair-fysisch oogpunt is het criterium van homogeniteit/heterogeniteit niet het ontwerp, maar de plaatsing van brandstofblokken op een afstand die de neutronenmoderatielengte in een bepaalde moderator overschrijdt. Zo zijn zogenaamde "close-rooster"-reactoren ontworpen om homogeen te zijn, hoewel de brandstof meestal wordt gescheiden van de moderator erin.

Blokken splijtstof in een heterogene reactor worden splijtstofassemblages (FA) genoemd, die in de kern op de knooppunten van een regelmatig rooster worden geplaatst en vormen cellen.

Op type brandstof

uraniumisotopen 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
plutoniumisotoop 239 ( 239 Pu), ook isotopen 239-242 Pu als mengsel met 238 U (MOX-brandstof)
thorium isotoop 232 (232 Th) (via conversie naar 233 U)

Volgens de mate van verrijking:

natuurlijk uranium
laagverrijkt uranium
hoogverrijkt uranium

Door chemische samenstelling:

metalen U
UC (uraniumcarbide), enz.

Op type koelvloeistof

Gas, (zie Grafietgasreactor)
D 2 O (zwaar water, zie Zwaar water kernreactor, CANDU)

Op type moderator

C (grafiet, zie Grafiet-gasreactor, Grafiet-waterreactor)
H 2 O (water, zie Lichtwaterreactor, Drukwaterreactor, VVER)
D 2 O (zwaar water, zie Zwaar water kernreactor, CANDU)
Metaalhydriden
Zonder moderator (zie snelle neutronenreactor)

Met opzet

stoom generatie methode:

Reactor met externe stoomgenerator (Zie PWR, VVER)

IAEA-classificatie

PWR (drukwaterreactoren) - drukwaterreactor (drukwaterreactor);
BWR (kookwaterreactor) - kokendwaterreactor;
FBR (snelle kweekreactor) - snelle kweekreactor;
GCR (gasgekoelde reactor) - gasgekoelde reactor;
LWGR (lichtwatergrafietreactor) - grafiet-waterreactor
PHWR (pressurised heavy water reactor) - zwaarwaterreactor

De meest voorkomende ter wereld zijn reactoren met water onder druk (ongeveer 62%) en kokend water (20%).

Reactor materialen

De materialen waaruit de reactoren zijn opgebouwd, werken bij hoge temperatuur op het gebied van neutronen, γ-quanta en splijtingsfragmenten. Daarom zijn niet alle materialen die in andere takken van technologie worden gebruikt, geschikt voor de constructie van reactoren. Bij het kiezen van reactormaterialen wordt rekening gehouden met hun stralingsweerstand, chemische inertie, absorptiedoorsnede en andere eigenschappen.

De stralingsinstabiliteit van materialen heeft minder effect wanneer: hoge temperaturen Oh. De mobiliteit van atomen wordt zo groot dat de kans op terugkeer van uit het kristalrooster geslagen atomen naar hun plaats of de recombinatie van waterstof en zuurstof tot een watermolecuul aanzienlijk toeneemt. Zo is de radiolyse van water onbeduidend in krachtige niet-kokende reactoren (bijvoorbeeld VVER), terwijl in krachtige onderzoeksreactoren een aanzienlijke hoeveelheid explosief mengsel vrijkomt. De reactoren hebben speciale systemen om het te verbranden.

Reactormaterialen komen met elkaar in contact (een bekleding van een splijtstofelement met koelvloeistof en splijtstof, brandstofcassettes met koelvloeistof en moderator, etc.). Uiteraard moeten de contactmaterialen chemisch inert (compatibel) zijn. Een voorbeeld van onverenigbaarheid is dat uranium en heet water een chemische reactie aangaan.

Voor de meeste materialen verslechteren de sterkte-eigenschappen sterk bij toenemende temperatuur. In energiereactoren werken structurele materialen bij hoge temperaturen. Dit beperkt de keuze van constructiematerialen, vooral voor die delen van een kernreactor die hoge druk moeten weerstaan.

Opbranden en reproductie van nucleaire brandstof

Tijdens de werking van een kernreactor, als gevolg van de opeenhoping van splijtingsfragmenten in de brandstof, verandert de isotopische en chemische samenstelling ervan, en worden transuraniumelementen, voornamelijk isotopen, gevormd. De invloed van splijtingsfragmenten op de reactiviteit van een kernreactor heet vergiftiging(voor radioactieve fragmenten) en slakken(voor stabiele isotopen).

De belangrijkste reden voor de vergiftiging van de reactor is dat deze de grootste neutronenabsorptiedoorsnede heeft (2,6 10 6 schuur). Halfwaardetijd van 135 Xe T 1/2 = 9,2 uur; het delingsrendement is 6-7%. Het grootste deel van 135 Xe wordt gevormd als gevolg van verval ( T 1/2 = 6,8 uur). In geval van vergiftiging verandert Kef met 1-3%. De grote absorptiedoorsnede van 135 Xe en de aanwezigheid van de tussenisotoop 135 I leiden tot twee belangrijke fenomenen:

Tot een verhoging van de concentratie van 135 Xe en bijgevolg tot een vermindering van de reactiviteit van de reactor na zijn stopzetting of vermogensvermindering (“jodiumput”), die het onmogelijk maakt voor korte termijn stilstanden en fluctuaties in het uitgangsvermogen. Dit effect wordt ondervangen door een reactiviteitsmarge in te voeren in de regelgevende instanties. De diepte en duur van de jodiumput zijn afhankelijk van de neutronenflux Ф: bij Ф = 5 10 18 neutronen/(cm² sec) is de duur van de jodiumput ˜ 30 uur en is de diepte 2 keer groter dan de stationaire verandering in Keff veroorzaakt door 135 Xe-vergiftiging.
Door vergiftiging kunnen spatio-temporele fluctuaties van de neutronenflux Ф, en daarmee van het reactorvermogen, optreden. Deze fluctuaties treden op bij Ф > 10 18 neutronen/(cm² sec) en grote reactorgroottes. Oscillatieperioden ˜ 10 uur.

Tijdens kernsplijting, groot aantal stabiele fragmenten die verschillen in hun absorptiedoorsnede in vergelijking met de absorptiedoorsnede van een splijtbare isotoop. Fragmentconcentratie met grote waarde de absorptiedwarsdoorsnede bereikt verzadiging tijdens de eerste paar dagen van reactorbedrijf. Dit zijn voornamelijk TVEL's van verschillende "leeftijden".

Wanneer volledige vervanging brandstof heeft de reactor een overmatige reactiviteit, die gecompenseerd moet worden, terwijl in het tweede geval compensatie pas nodig is bij de eerste opstart van de reactor. Continu bijtanken maakt het mogelijk om de opbranddiepte te vergroten, aangezien de reactiviteit van de reactor wordt bepaald door de gemiddelde concentraties splijtbare isotopen.

De massa van de geladen brandstof is groter dan de massa van de geloste brandstof vanwege het "gewicht" van de vrijgekomen energie. Na het stilleggen van de reactor, eerst voornamelijk door splijting door vertraagde neutronen, en daarna, na 1-2 minuten, door β- en γ-straling van splijtingsfragmenten en transuraniumelementen, blijft er energie vrijkomen in de brandstof. Als de reactor lang genoeg werkte voordat hij werd uitgeschakeld, en 2 minuten na uitschakeling, is de energieafgifte ongeveer 3%, na 1 uur - 1%, na een dag - 0,4%, na een jaar - 0,05% van het oorspronkelijke vermogen.

De verhouding van het aantal splijtbare Pu-isotopen gevormd in een kernreactor tot de hoeveelheid uitgebrande 235 U heet conversieratio KK. De waarde van KK neemt toe met afnemende verrijking en burn-up. Voor een zwaarwaterreactor die draait op natuurlijk uranium, met een burnup van 10 GW dag/t K K = 0,55, en voor kleine burnups (in dit geval wordt K K genoemd initiële plutoniumcoëfficiënt) KK = 0,8. Als een kernreactor verbrandt en dezelfde isotopen produceert (kweekreactor), dan wordt de verhouding van de reproductiesnelheid tot de opbrandsnelheid genoemd reproductiesnelheid K V. In thermische reactoren K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g groeit en a valt.

Controle kernreactor

De besturing van een kernreactor is alleen mogelijk doordat tijdens de splijting een deel van de neutronen uit de fragmenten vliegt met een vertraging, die kan variëren van enkele milliseconden tot enkele minuten.

Om de reactor aan te sturen, worden absorberende staven gebruikt, die in de kern worden ingebracht, gemaakt van materialen die neutronen sterk absorberen (voornamelijk en enkele andere) en / of een oplossing van boorzuur, toegevoegd aan het koelmiddel in een bepaalde concentratie (boorregulatie) . De beweging van de staven wordt geregeld door speciale mechanismen, aandrijvingen, die werken op signalen van de operator of apparatuur voor automatische regeling van de neutronenflux.

Bij verschillende calamiteiten in elke reactor wordt voorzien in een noodstop van de kettingreactie, uitgevoerd door alle absorberende staven in de kern te laten vallen - een noodbeveiligingssysteem.

Restwarmte

Een belangrijke kwestie die direct verband houdt met nucleaire veiligheid is vervalwarmte. Dit is een specifiek kenmerk van kernbrandstof, die erin bestaat dat, na beëindiging van de kettingreactie van splijting en thermische inertie, die gebruikelijk is voor elke energiebron, de warmteontwikkeling in de reactor wordt voortgezet voor een lange tijd, wat een aantal technisch moeilijke problemen oplevert.

Vervalwarmte is een gevolg van het β- en γ-verval van splijtingsproducten, die zich tijdens de werking van de reactor in de brandstof hebben opgehoopt. De kernen van splijtingsproducten gaan als gevolg van verval over in een meer stabiele of volledig stabiele toestand met het vrijkomen van aanzienlijke energie.

Hoewel de afgiftesnelheid van de vervalwarmte snel daalt tot waarden die klein zijn in vergelijking met stationaire waarden, is deze in hoogvermogenreactoren in absolute termen significant. Om deze reden vereist de opwekking van restwarmte lange tijd zorgen voor warmteafvoer uit de reactorkern nadat deze is uitgeschakeld. Deze taak vereist de aanwezigheid van koelsystemen met een betrouwbare stroomvoorziening in het ontwerp van de reactorfaciliteit, en vereist ook langdurige (binnen 3-4 jaar) opslag van verbruikte splijtstof in opslagfaciliteiten met een speciale temperatuur regime- splijtstofdokken, die zich doorgaans in de onmiddellijke nabijheid van de reactor bevinden.

zie ook

Lijst van kernreactoren ontworpen en gebouwd in de Sovjet-Unie

Literatuur

Levin V.E. Kernfysica en kernreactoren. 4e druk. - M.: Atomizdat, 1979.
Shukolyukov A. Yu. "Uranium. natuurlijke kernreactor. "Chemie en leven" nr. 6, 1980, p. 20-24

Opmerkingen:

"ZEEP - Canada's eerste kernreactor", Canada Science and Technology Museum.
Greshilov A.A., Egupov N.D., Matushchenko A.M. Nucleair schild. - M.: Logos, 2008. - 438 d. -

Kernenergie is een moderne en zich snel ontwikkelende manier om elektriciteit op te wekken. Weet jij hoe kerncentrales zijn ingericht? Wat is het werkingsprincipe van een kerncentrale? Welke soorten kernreactoren bestaan er tegenwoordig? We zullen proberen het werkingsschema van een kerncentrale in detail te bekijken, ons te verdiepen in de structuur van een kernreactor en erachter te komen hoe veilig de atomaire methode voor het opwekken van elektriciteit is.

Elk station is een afgesloten gebied ver van de woonwijk. Er zijn verschillende gebouwen op zijn grondgebied. Het belangrijkste gebouw is het reactorgebouw, daarnaast de turbinehal van waaruit de reactor wordt aangestuurd en het veiligheidsgebouw.

Het plan is onmogelijk zonder een kernreactor. Een atomaire (kern)reactor is een apparaat van een kerncentrale, die is ontworpen om een kettingreactie van neutronensplijting te organiseren met de verplichte afgifte van energie in dit proces. Maar wat is het werkingsprincipe van een kerncentrale?

In het reactorgebouw wordt de hele reactorinstallatie geplaatst, een grote betonnen toren die de reactor verbergt en bij een ongeval alle producten van een kernreactie zal bevatten. Deze grote toren wordt containment, hermetic shell of containment genoemd.

De insluitingszone in de nieuwe reactoren heeft 2 dikke betonnen muren - schalen.
Een 80 cm dikke buitenschil beschermt het insluitingsgebied tegen invloeden van buitenaf.

De binnenschaal met een dikte van 1 meter 20 cm heeft speciale stalen kabels, die de sterkte van beton bijna drie keer verhogen en ervoor zorgen dat de structuur niet afbrokkelt. VAN binnen het is bekleed met een dunne plaat van speciaal staal, dat is ontworpen om te dienen extra bescherming insluiting en, in geval van een ongeval, de inhoud van de reactor niet buiten de insluitingsruimte vrijgeven.

Zo'n apparaat van een kerncentrale is bestand tegen de val van een vliegtuig met een gewicht tot 200 ton, een 8-punts aardbeving, tornado en tsunami.

De eerste overdrukbehuizing werd in 1968 gebouwd in de Amerikaanse kerncentrale Connecticut Yankee.

De totale hoogte van het insluitingsgebied is 50-60 meter.

Waar is een kernreactor van gemaakt?

Om het werkingsprincipe van een kernreactor te begrijpen, en dus het werkingsprincipe van een kerncentrale, moet u de componenten van de reactor begrijpen.

actieve zone. Dit is het gebied waar de splijtstof (heat releaser) en de moderator zijn geplaatst. Brandstofatomen (meestal uranium is de brandstof) voeren een kettingreactie van splijting uit. De moderator is ontworpen om het splijtingsproces te controleren en stelt u in staat om de vereiste reactie uit te voeren in termen van snelheid en kracht.
Neutronenreflector. De reflector omringt de actieve zone. Het bestaat uit hetzelfde materiaal als de moderator. In feite is dit een doos waarvan het belangrijkste doel is om te voorkomen dat neutronen de kern verlaten en in het milieu terechtkomen.
Koelmiddel. De koelvloeistof moet de warmte opnemen die vrijkomt bij de splijting van brandstofatomen en deze overdragen aan andere stoffen. De koelvloeistof bepaalt voor een groot deel hoe een kerncentrale wordt ontworpen. De meest populaire koelvloeistof van tegenwoordig is water.
Reactor besturingssysteem. Sensoren en mechanismen die de kerncentralereactor in actie brengen.

Brandstof voor kerncentrales

Wat doet een kerncentrale? Brandstof voor kerncentrales zijn chemische elementen met radioactieve eigenschappen. Bij alle kerncentrales is uranium zo'n element.

Het ontwerp van de stations impliceert dat kerncentrales werken op complexe samengestelde brandstof, en niet op pure chemish element. En om uraniumbrandstof te winnen uit natuurlijk uranium, dat in een kernreactor wordt geladen, moeten veel manipulaties worden uitgevoerd.

Verrijkt uranium

Uranium bestaat uit twee isotopen, dat wil zeggen dat het kernen met verschillende massa's bevat. Ze werden genoemd door het aantal protonen en neutronen isotoop -235 en isotoop-238. Onderzoekers van de 20e eeuw begonnen uranium 235 uit het erts te winnen, omdat. het was gemakkelijker te ontbinden en te transformeren. Het bleek dat er slechts 0,7% van dergelijk uranium in de natuur aanwezig is (de overige percentages gingen naar de 238e isotoop).

Wat te doen in dit geval? Ze besloten om uranium te verrijken. Verrijking van uranium is een proces waarbij er veel noodzakelijke 235x-isotopen en weinig onnodige 238x-isotopen in over zijn. De taak van uraniumverrijkers is om van 0,7% bijna 100% uranium-235 te maken.

Uranium kan worden verrijkt met behulp van twee technologieën: gasdiffusie of gascentrifuge. Voor hun gebruik wordt uranium gewonnen uit erts omgezet in een gasvormige toestand. In de vorm van gas is het verrijkt.

uranium poeder

Verrijkt uraniumgas wordt omgezet in een vaste toestand - uraniumdioxide. Dit pure vaste uranium 235 ziet eruit als grote witte kristallen die later worden vermalen tot uraniumpoeder.

uranium tabletten

Uraniumpellets zijn stevige metalen ringen van enkele centimeters lang. Om dergelijke tabletten van uraniumpoeder te vormen, wordt het gemengd met een stof - een weekmaker, het verbetert de kwaliteit van het persen van tabletten.

Persringen worden meer dan een dag gebakken bij een temperatuur van 1200 graden Celsius om de tabletten een speciale sterkte en weerstand tegen hoge temperaturen te geven. De manier waarop een kerncentrale werkt, hangt rechtstreeks af van hoe goed de uraniumbrandstof wordt gecomprimeerd en gebakken.

Tabletten worden namelijk in molybdeendoosjes gebakken. alleen dit metaal kan niet smelten bij "helse" temperaturen boven de anderhalve duizend graden. Daarna wordt uraniumbrandstof voor kerncentrales als gereed beschouwd.

Wat is TVEL en TVS?

De reactorkern ziet eruit als een enorme schijf of pijp met gaten in de wanden (afhankelijk van het type reactor), 5 keer zo groot als een menselijk lichaam. Deze gaten bevatten uraniumbrandstof, waarvan de atomen de gewenste reactie uitvoeren.

Het is onmogelijk om zomaar brandstof in een reactor te gooien, nou ja, als je geen explosie van het hele station wilt en een ongeluk met gevolgen voor een paar nabijgelegen staten. Daarom wordt uraniumbrandstof in splijtstofstaven geplaatst en vervolgens verzameld in splijtstofassemblages. Wat betekenen deze afkortingen?

TVEL - brandstofelement (niet te verwarren met dezelfde naam) Russisch bedrijf die ze produceert). In feite is dit een dunne en lange zirkoniumbuis gemaakt van zirkoniumlegeringen, waarin uraniumpellets worden geplaatst. In splijtstofstaven beginnen uraniumatomen met elkaar te interageren, waarbij tijdens de reactie warmte vrijkomt.

Zirkonium werd gekozen als materiaal voor de productie van splijtstofstaven vanwege zijn vuurvastheid en anticorrosieve eigenschappen.

Het type splijtstofelementen hangt af van het type en de structuur van de reactor. In de regel veranderen de structuur en het doel van splijtstofstaven niet; de lengte en breedte van de buis kunnen verschillen.

De machine laadt meer dan 200 uraniumkorrels in één zirkoniumbuis. In totaal werken er ongeveer 10 miljoen uraniumpellets tegelijk in de reactor.
FA - brandstofassemblage. NPP-werknemers noemen brandstofassemblagebundels.

In feite zijn dit verschillende TVEL's die aan elkaar zijn bevestigd. Brandstofassemblages zijn kant-en-klare nucleaire brandstof, waar een kerncentrale op draait. Het zijn brandstofassemblages die in een kernreactor worden geladen. Ongeveer 150 - 400 splijtstofassemblages worden in één reactor geplaatst.
Afhankelijk van in welke reactor de brandstofassemblage zal werken, zijn ze: verschillende vormen. Soms zijn de bundels gevouwen tot een kubus, soms tot een cilindrische, soms tot een zeshoekige vorm.

Eén brandstofeenheid voor 4 jaar gebruik genereert dezelfde hoeveelheid energie als bij het verbranden van 670 wagens steenkool, 730 tanks met aardgas of 900 tanks geladen met olie.
Tegenwoordig worden brandstofassemblages voornamelijk geproduceerd in fabrieken in Rusland, Frankrijk, de VS en Japan.

Om brandstof voor kerncentrales naar andere landen te leveren, worden splijtstofassemblages lang en breed verzegeld metalen buizen, wordt lucht uit de leidingen gepompt en door speciale machines aan boord van vrachtvliegtuigen gebracht.

Kernbrandstof voor kerncentrales weegt onbetaalbaar veel, tk. uranium is een van de zwaarste metalen op aarde. Zijn soortelijk gewicht 2,5 keer meer dan staal.

Kerncentrale: werkingsprincipe

Wat is het werkingsprincipe van een kerncentrale? Het werkingsprincipe van kerncentrales is gebaseerd op een kettingreactie van splijting van atomen van een radioactieve stof - uranium. Deze reactie vindt plaats in de kern van een kernreactor.

HET IS BELANGRIJK OM TE WETEN:

Als je niet ingaat op de fijne kneepjes van de kernfysica, ziet het werkingsprincipe van een kerncentrale er als volgt uit:
Nadat de kernreactor is gestart, worden absorberende staven van de splijtstofstaven verwijderd, die voorkomen dat het uranium reageert.

Zodra de staven worden verwijderd, beginnen de uraniumneutronen met elkaar te interageren.

Wanneer neutronen botsen, vindt er een mini-explosie plaats op atomair niveau, komt energie vrij en worden nieuwe neutronen geboren, een kettingreactie begint op te treden. Bij dit proces komt warmte vrij.

De warmte wordt overgedragen aan het koelmiddel. Afhankelijk van het type koelmiddel verandert het in stoom of gas, dat de turbine laat draaien.

De turbine drijft een elektrische generator aan. Hij is het die in feite elektriciteit opwekt.

Als je het proces niet volgt, kunnen uraniumneutronen met elkaar botsen totdat de reactor is opgeblazen en de hele kerncentrale aan gruzelementen is geblazen. Computersensoren sturen het proces aan. Ze detecteren een temperatuurstijging of een drukverandering in de reactor en kunnen de reacties automatisch stoppen.

Wat is het verschil tussen het werkingsprincipe van kerncentrales en thermische centrales (thermische centrales)?

Verschillen in werk zijn pas in de eerste stadia. In kerncentrales ontvangt het koelmiddel warmte van de splijting van atomen van uraniumbrandstof, in thermische centrales ontvangt het koelmiddel warmte van de verbranding van organische brandstof (steenkool, gas of olie). Nadat de atomen van uranium of het gas met steenkool warmte hebben vrijgegeven, zijn de werkingsschema's van kerncentrales en thermische centrales hetzelfde.

Soorten kernreactoren

Hoe een kerncentrale werkt, hangt af van hoe de kernreactor werkt. Tegenwoordig zijn er twee hoofdtypen reactoren, die zijn geclassificeerd volgens het spectrum van neuronen:
Een langzame neutronenreactor, ook wel thermische reactor genoemd.

Voor de werking ervan wordt 235 uranium gebruikt, dat de stadia van verrijking, de creatie van uraniumtabletten, enz. Tegenwoordig zijn langzame neutronenreactoren in de overgrote meerderheid.
Snelle neutronenreactor.

Deze reactoren hebben de toekomst, want: ze werken aan uranium-238, dat van nature een dertien in een dozijn is en het is niet nodig om dit element te verrijken. Het nadeel van dergelijke reactoren is alleen de zeer hoge kosten voor ontwerp, constructie en lancering. Tegenwoordig werken snelle neutronenreactoren alleen in Rusland.

Het koelmiddel in snelle neutronenreactoren is kwik, gas, natrium of lood.

Trage neutronenreactoren, die tegenwoordig door alle kerncentrales ter wereld worden gebruikt, zijn er ook in verschillende typen.

De IAEA-organisatie (International Atomic Energy Agency) heeft haar eigen classificatie opgesteld, die het meest wordt gebruikt in de wereldwijde nucleaire industrie. Aangezien het werkingsprincipe van een kerncentrale grotendeels afhangt van de keuze van koelmiddel en moderator, heeft de IAEA haar classificatie gebaseerd op deze verschillen.

Chemisch gezien is deuteriumoxide een ideale moderator en koelvloeistof, omdat zijn atomen werken het meest effectief samen met de neutronen van uranium in vergelijking met andere stoffen. Simpel gezegd, zwaar water vervult zijn taak met minimale verliezen en maximaal resultaat. De productie ervan kost echter geld, terwijl het voor ons veel gemakkelijker is om het gebruikelijke "lichte" en vertrouwde water te gebruiken.

Een paar feiten over kernreactoren...

Het is interessant dat een reactor van een kerncentrale minstens 3 jaar wordt gebouwd!
Om een reactor te bouwen, heb je apparatuur nodig die werkt op elektrische stroom 210 kilo ampère, dat is een miljoen keer de stroom die een persoon kan doden.

Eén schil (structureel element) van een kernreactor weegt 150 ton. Er zijn 6 van dergelijke elementen in één reactor.

Drukwaterreactor

We hebben al ontdekt hoe de kerncentrale in het algemeen werkt, om "dingen uit te zoeken" laten we eens kijken hoe de meest populaire kernreactor op drukwater werkt.
Over de hele wereld worden tegenwoordig generatie 3+ drukwaterreactoren gebruikt. Ze worden als de meest betrouwbare en veilige beschouwd.

Alle drukwaterreactoren in de wereld zijn er in al hun jaren van in totaal al in geslaagd om meer dan 1000 jaar probleemloos te functioneren en hebben nooit ernstige afwijkingen veroorzaakt.

De structuur van kerncentrales op basis van drukwaterreactoren houdt in dat gedestilleerd water tussen de splijtstofstaven circuleert, verwarmd tot 320 graden. Om te voorkomen dat het in dampvorm gaat, wordt het onder een druk van 160 atmosfeer gehouden. De NPP-regeling noemt het primair water.

Het verwarmde water komt de stoomgenerator binnen en geeft zijn warmte af aan het water van het secundaire circuit, waarna het weer “teruggaat” naar de reactor. Uiterlijk lijkt het alsof de leidingen van het primaire watercircuit in contact staan met andere leidingen - het water van het tweede circuit, ze dragen warmte aan elkaar over, maar het water maakt geen contact. De buizen zijn in contact.

De mogelijkheid dat straling in het water van het secundaire circuit terechtkomt, dat verder zal deelnemen aan het proces van het opwekken van elektriciteit, is dus uitgesloten.

Veiligheid van kerncentrales

Nadat we het werkingsprincipe van kerncentrales hebben geleerd, moeten we begrijpen hoe de veiligheid is geregeld. Het ontwerp van kerncentrales vereist tegenwoordig meer aandacht voor veiligheidsregels.
De kosten van de veiligheid van kerncentrales bedragen ongeveer 40% van de totale kosten van de centrale zelf.

In de NPP-regeling zijn 4 fysieke barrières opgenomen die het vrijkomen van radioactieve stoffen voorkomen. Wat moeten deze barrières doen? Op het juiste moment in staat zijn om de kernreactie te stoppen, te zorgen voor een constante warmteafvoer uit de kern en de reactor zelf, en het vrijkomen van radionucliden uit de insluiting (insluitingszone) te voorkomen.

De eerste barrière is de sterkte van uraniumpellets. Het is belangrijk dat ze niet bezwijken onder invloed van hoge temperaturen in een kernreactor. In veel opzichten hangt de werking van een kerncentrale af van hoe de uraniumpellets werden "gebakken" in de beginfase van de productie. Als de uraniumbrandstofpellets verkeerd worden gebakken, zullen de reacties van de uraniumatomen in de reactor onvoorspelbaar zijn.
De tweede barrière is de dichtheid van splijtstofstaven. Zirkoniumbuizen moeten goed worden afgedicht, als de dichtheid wordt verbroken, zal in het beste geval de reactor worden beschadigd en wordt het werk stopgezet, in het slechtste geval vliegt alles de lucht in.
De derde barrière is een sterk stalen reactorvat een, (dezelfde grote toren- insluitingszone) die alle radioactieve processen in zichzelf "houdt". De romp is beschadigd - er komt straling in de atmosfeer.
De vierde barrière zijn noodbeschermingsstaven. Boven de actieve zone hangen staafjes met moderatoren aan magneten, die alle neutronen in 2 seconden kunnen absorberen en de kettingreactie stoppen.

Als het ondanks de bouw van een kerncentrale met vele graden van bescherming niet mogelijk is om de reactorkern op het juiste moment te koelen en de brandstoftemperatuur stijgt tot 2600 graden, dan laatste hoop beveiligingssystemen - de zogenaamde smeltval.

Het feit is dat bij een dergelijke temperatuur de bodem van het reactorvat zal smelten en alle overblijfselen van nucleaire brandstof en gesmolten structuren in een speciaal "glas" zullen stromen dat boven de reactorkern hangt.

De smeltval is gekoeld en vuurvast. Het is gevuld met het zogenaamde "opofferingsmateriaal", dat geleidelijk de kettingreactie van splijting stopt.

De NPP-regeling houdt dus verschillende beschermingsgraden in, die elke mogelijkheid van een ongeval vrijwel volledig uitsluiten.

De kernreactor werkt soepel en nauwkeurig. Anders krijg je, zoals je weet, problemen. Maar wat gebeurt er binnen? Laten we proberen het werkingsprincipe van een nucleaire (atoom)reactor kort, duidelijk, met stops te formuleren.

In feite is daar hetzelfde proces gaande als bij een nucleaire explosie. Alleen nu vindt de explosie heel snel plaats, en in de reactor strekt dit alles zich lang uit. Uiteindelijk blijft alles veilig en krijgen we energie. Niet zozeer dat alles in de buurt meteen kapot ging, maar ruim genoeg om de stad van stroom te voorzien.

hoe een reactor werktNPP koeltorens
Voordat je begrijpt hoe een gecontroleerde kernreactie werkt, moet je weten wat een kernreactie in het algemeen is.

Een kernreactie is een proces van transformatie (splijting) van atoomkernen tijdens hun interactie met elementaire deeltjes en gammaquanta.

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

Een kernreactor is een apparaat dat tot doel heeft een gecontroleerde kernreactie in stand te houden waarbij energie vrijkomt.

Vaak wordt een kernreactor ook wel een 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 elektriciteitscentrales, nucleaire onderzeese reactoren, kleine experimentele reactoren die worden gebruikt in wetenschappelijke experimenten. Er worden zelfs reactoren 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-houtstapel" genoemd.

In 1946 startte de eerste Sovjet-reactor onder leiding van Kurchatov. 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 is 5 Gigawatt. Minder dan tien jaar na de lancering van de eerste reactor werd 's werelds eerste industriële kerncentrale geopend in de stad Obninsk.

Het werkingsprincipe van een nucleaire (atoom)reactor

Elke kernreactor heeft verschillende onderdelen: kern met brandstof en moderator, neutronenreflector, koelvloeistof, controle- en beveiligingssysteem. De isotopen van uranium (235, 238, 233), plutonium (239) en thorium (232) worden het meest gebruikt als brandstof in reactoren. De actieve zone is een boiler waar gewoon water (koelvloeistof) doorheen stroomt. Onder andere koelvloeistoffen 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 op te wekken. Elektriciteit zelf wordt op dezelfde manier opgewekt als in andere soorten energiecentrales: stoom laat een turbine draaien en de bewegingsenergie wordt omgezet in elektrische energie.

Hieronder staat een diagram van de werking van een kernreactor.

schema van de werking van een kernreactor Schema van een kernreactor in een kerncentrale

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

Hier is het noodzakelijk om de nte vermelden. Dus als deze coëfficiënt een waarde gelijk aan één overschrijdt, is er nucleaire explosie. Als de waarde kleiner is dan één, zijn er te weinig neutronen en sterft de reactie uit. Maar als u de waarde van de coëfficiënt gelijk aan één houdt, zal de reactie lang en stabiel verlopen.

De vraag is hoe het te doen? In de reactor zit de brandstof in de zogenaamde splijtstofelementen (TVEL's). Dit zijn staafjes die splijtstof bevatten in de vorm van kleine korrels. De splijtstofstaven zijn verbonden tot 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 zijn er bedieningsstangen en noodbeschermingsstangen. De staafjes zijn gemaakt van een materiaal dat neutronen goed opneemt. Zo kunnen de regelstaven worden neergelaten tot verschillende diepten in de kern, waardoor de nwordt aangepast. De noodstangen zijn ontworpen om de reactor in geval van nood stil te leggen.

Hoe wordt een kernreactor gestart?

We hebben het principe van de werking ontdekt, maar hoe te beginnen en de reactor te laten functioneren? Grofweg gezegd, hier is het - een stuk uranium, maar er begint immers niet vanzelf een kettingreactie in. Het feit is dat er in de kernfysica het concept van kritische massa bestaat.

Nucleaire brandstofNucleaire brandstof

Kritische massa is de massa van splijtbaar materiaal die nodig is om een nucleaire kettingreactie te starten.

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

Je zult het leuk vinden: Wiskundige trucs voor geesteswetenschappen en niet-menselijke studenten (deel 1)
In dit artikel hebben we geprobeerd u algemeen idee over het ontwerp en het werkingsprincipe van een (atoom)kernreactor. Als je nog vragen hebt over het onderwerp of als de universiteit een probleem in de kernfysica heeft gesteld, neem dan contact op met de specialisten van ons bedrijf. We staan, zoals gewoonlijk, klaar om je te helpen bij het oplossen van elk dringend probleem van je studie. In de tussentijd zijn we dit aan het doen, jullie aandacht is weer een leerzame video!

blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

I. Ontwerp van een kernreactor

Een kernreactor bestaat uit de volgende vijf hoofdelementen:

1) nucleaire brandstof;

2) neutronenmoderator;

3) regelgevende systemen;

4) koelsystemen;

5) beschermend scherm.

1. Kernbrandstof.

Kernbrandstof is een bron van energie. Er zijn momenteel drie soorten splijtstoffen bekend:

a) uranium 235, dat 0,7% in natuurlijk uranium is, of 1/140 deel;

6) plutonium 239, dat in sommige reactoren wordt gevormd op basis van uranium 238, dat bijna de gehele massa natuurlijk uranium vormt (99,3%, ofwel 139/140 delen).

Door neutronen te vangen, veranderen de kernen van uranium 238 in kernen van neptunium - het 93e element van het periodiek systeem van Mendelejev; de laatste veranderen op hun beurt in plutoniumkernen - het 94e element van het periodiek systeem. Plutonium wordt gemakkelijk met chemische middelen uit bestraald uranium gewonnen en kan als nucleaire brandstof worden gebruikt;

c) uranium 233, een kunstmatige isotoop van uranium verkregen uit thorium.

In tegenstelling tot uranium 235, dat in natuurlijk uranium zit, worden plutonium 239 en uranium 233 alleen kunstmatig verkregen. Daarom worden ze secundaire nucleaire brandstof genoemd; uranium 238 en thorium 232 zijn de bron van dergelijke brandstof.

Van alle hierboven genoemde soorten nucleaire brandstof is uranium dus de belangrijkste. Dit verklaart de enorme omvang die de vooruitzichten en exploratie van uraniumvoorraden in alle landen krijgen.

De energie die vrijkomt in een kernreactor wordt wel eens vergeleken met de energie die vrijkomt tijdens chemische reactie brandend. Er is echter een fundamenteel verschil tussen hen.

De hoeveelheid warmte die wordt verkregen bij het splijten van uranium is onmetelijk groter dan de hoeveelheid warmte die wordt verkregen door bijvoorbeeld steenkool te verbranden: 1 kg uranium 235, in volume gelijk aan een pakje sigaretten, zou theoretisch evenveel energie kunnen leveren als 2600 ton steenkool.

Deze energiemogelijkheden worden echter niet volledig benut, aangezien niet al het uranium-235 kan worden gescheiden van natuurlijk uranium. Daardoor komt 1 kg uranium, afhankelijk van de mate van verrijking met uranium 235, momenteel overeen met ongeveer 10 ton steenkool. Maar er moet rekening mee worden gehouden dat het gebruik van nucleaire brandstof het transport vergemakkelijkt en bijgevolg de brandstofkosten aanzienlijk verlaagt. Britse experts hebben berekend dat ze door uranium te verrijken de warmte die in de reactoren wordt opgenomen met 10 keer kunnen verhogen, wat neerkomt op 1 ton uranium op 100.000 ton steenkool.

Het tweede verschil tussen het proces van kernsplijting, dat verloopt met het vrijkomen van warmte, van chemische verbranding is dat de verbrandingsreactie zuurstof vereist, terwijl de excitatie van een kettingreactie slechts een paar neutronen en een bepaalde massa nucleaire brandstof vereist, gelijk aan de kritische massa, waarvan we de definitie al gaven in het gedeelte over de atoombom.

En ten slotte gaat het onzichtbare proces van kernsplijting gepaard met de emissie van uiterst schadelijke straling, waartegen bescherming geboden moet worden.

2. Neutronenmoderator.

Om de verspreiding van vervalproducten in de reactor te voorkomen, moet splijtstof in speciale omhulsels worden geplaatst. Voor de vervaardiging van dergelijke schalen kan aluminium worden gebruikt (de temperatuur van de koeler mag niet hoger zijn dan 200 °), en nog beter, beryllium of zirkonium - nieuwe metalen, waarvan de bereiding in zuivere vorm met grote moeilijkheden gepaard gaat.

De neutronen die gevormd worden tijdens het proces van kernsplijting (gemiddeld 2-3 neutronen tijdens de splijting van één kern van een zwaar element) hebben een bepaalde energie. Om de kans op splijting door neutronen van andere kernen zo groot mogelijk te maken, zonder welke de reactie niet zelfvoorzienend is, is het noodzakelijk dat deze neutronen een deel van hun snelheid verliezen. Dit wordt bereikt door een moderator in de reactor te plaatsen, waarin snelle neutronen door talloze opeenvolgende botsingen worden omgezet in langzame neutronen. Aangezien de stof die als moderator wordt gebruikt kernen moet hebben met een massa die ongeveer gelijk is aan de massa van neutronen, dat wil zeggen de kernen van lichte elementen, werd vanaf het begin zwaar water als moderator gebruikt (D20, waarbij D deuterium is , die lichte waterstof verving in gewoon water H20). Nu proberen ze echter steeds meer grafiet te gebruiken - het is goedkoper en geeft bijna hetzelfde effect.

Een ton zwaar water gekocht in Zweden kost 70-80 miljoen frank. Op de Conferentie van Genève over het vreedzame gebruik van atoomenergie kondigden de Amerikanen aan dat ze binnenkort zwaar water zouden kunnen verkopen tegen een prijs van 22 miljoen frank per ton.

Een ton grafiet kost 400.000 frank en een ton berylliumoxide kost 20 miljoen frank.

Het materiaal dat als moderator wordt gebruikt, moet zuiver zijn om verlies van neutronen te voorkomen wanneer ze door de moderator gaan. Aan het einde van hun run hebben de neutronen gemiddelde snelheid ongeveer 2200 m / s, terwijl hun beginsnelheid ongeveer 20 duizend km / s was. In reactoren gebeurt de afgifte van warmte geleidelijk en kan deze worden gecontroleerd, in tegenstelling tot de atoombom, waar deze onmiddellijk plaatsvindt en het karakter van een explosie aanneemt.

Sommige typen snelle neutronenreactoren hebben geen moderator nodig.

3. Regelgevend systeem.

Een persoon moet naar believen een kernreactie kunnen veroorzaken, reguleren en stoppen. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van regelstaven van boriumstaal of cadmium, materialen die neutronen kunnen absorberen. Afhankelijk van de diepte tot waar de regelstaven in de reactor worden neergelaten, neemt het aantal neutronen in de kern toe of af, waardoor het uiteindelijk mogelijk wordt het proces te sturen. De stuurstangen worden automatisch bestuurd door servomechanismen; sommige van deze staven kunnen bij gevaar onmiddellijk in de kern vallen.

Aanvankelijk werd gevreesd dat de explosie van de reactor dezelfde schade zou aanrichten als de explosie van een atoombom. Om te bewijzen dat een reactorexplosie alleen plaatsvindt onder andere dan de gebruikelijke omstandigheden en geen ernstig gevaar vormt voor de bevolking die in de buurt van de kerncentrale woont, hebben de Amerikanen opzettelijk één zogenaamde "kokende" reactor opgeblazen. Er was inderdaad een explosie die we kunnen karakteriseren als "klassiek", dat wil zeggen niet-nucleair; dit bewijst eens te meer dat kernreactoren in de buurt van bevolkte gebieden kunnen worden gebouwd zonder dat deze laatste gevaar lopen.

4. Koelsysteem.

Bij kernsplijting komt een bepaalde energie vrij, die wordt overgedragen op de vervalproducten en de resulterende neutronen. Deze energie wordt door talrijke botsingen van neutronen omgezet in thermische energie. Om een snelle uitval van de reactor te voorkomen, moet daarom warmte worden afgevoerd. In reactoren die zijn ontworpen om radioactieve isotopen te produceren, wordt deze warmte niet gebruikt, terwijl in reactoren die zijn ontworpen om energie te produceren, het juist het hoofdproduct wordt. Koelen kan met gas of water, dat onder druk door speciale buizen in de reactor circuleert en vervolgens wordt gekoeld in een warmtewisselaar. De vrijgekomen warmte kan worden gebruikt om de stoom te verwarmen die de op de generator aangesloten turbine laat draaien; zo'n apparaat zou een kerncentrale zijn.

5. Beschermend scherm.

Om de schadelijke effecten van neutronen die uit de reactor kunnen vliegen te voorkomen en om uzelf te beschermen tegen de gammastraling die tijdens de reactie wordt uitgezonden, is het noodzakelijk betrouwbare bescherming. Wetenschappers hebben berekend dat een reactor met een capaciteit van 100 duizend kW zo'n hoeveelheid radioactieve straling uitzendt dat een persoon die zich op een afstand van 100 m ervan bevindt, binnen 2 minuten zal ontvangen. dodelijke dosis. Om de bescherming van het personeel dat de reactor onderhoudt te garanderen, zijn muren van twee meter lang gebouwd van speciaal beton met loden platen.

De eerste reactor werd in december 1942 gebouwd door de Italiaan Fermi. Tegen het einde van 1955 waren er ongeveer 50 kernreactoren in de wereld (VS -2 1, Engeland - 4, Canada - 2, Frankrijk - 2). Hieraan moet worden toegevoegd dat begin 1956 nog ongeveer 50 reactoren werden ontworpen voor onderzoeks- en industriële doeleinden (VS - 23, Frankrijk - 4, Engeland - 3, Canada - 1).

De typen van deze reactoren zijn zeer divers, gaande van langzame neutronenreactoren met grafietmoderators en natuurlijk uranium als brandstof tot snelle neutronenreactoren met uranium verrijkt met plutonium of uranium 233 kunstmatig verkregen uit thorium als brandstof.

Naast deze twee tegengestelde typen zijn er een aantal reactoren die van elkaar verschillen, hetzij in de samenstelling van de splijtstof, hetzij in het type moderator, of in het koelmiddel.

Het is erg belangrijk op te merken dat, hoewel de theoretische kant van de kwestie nu goed wordt bestudeerd door specialisten in alle landen, verschillende landen in de praktijk nog niet hetzelfde niveau hebben bereikt. De Verenigde Staten en Rusland lopen voor op andere landen. Men kan stellen dat de toekomst van atoomenergie vooral zal afhangen van de vooruitgang van de technologie.

Uit boek geweldige wereld in de atoomkern [lezing voor schoolkinderen] auteur Ivanov Igor Pierovich

Het toestel van de LHC-collider Nu wat foto's. Een collider is een botsende deeltjesversneller. Daar versnellen deeltjes langs twee ringen en botsen met elkaar. Dit is de grootste experimentele faciliteit ter wereld, omdat de lengte van deze ring - de tunnel -

Uit het boek Het nieuwste feitenboek. Deel 3 [Natuurkunde, scheikunde en technologie. Geschiedenis en archeologie. Diversen] auteur Kondrashov Anatoly Pavlovich

Uit het boek The Atomic Problem door Ren Philip

Uit boek 5b. elektriciteit en magnetisme auteur Feynman Richard Phillips

Uit het boek van de auteur

Hoofdstuk VIII Het werkingsprincipe en de mogelijkheden van een kernreactor I. Het ontwerp van een kernreactor Een kernreactor bestaat uit de volgende vijf hoofdelementen: 1) splijtstof 2) neutronenmoderator 3) controlesysteem 4) koelsysteem ; 5) beschermend