Kernreactie in een reactor. Kernsplijting van uranium

26.09.2019

Elke dag gebruiken we elektriciteit en denken we niet na over hoe het wordt geproduceerd en hoe het bij ons terechtkomt. 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 energiecentrales, ook nucleaire. Het hart van elke kerncentrale is dat wel kernreactor. Dit is waar we in dit artikel naar zullen kijken.

Kernreactor, een apparaat waarbij een gecontroleerde nucleaire kettingreactie plaatsvindt waarbij warmte vrijkomt. Deze apparaten worden vooral gebruikt om elektriciteit op te wekken en grote schepen aan te drijven. Om een beeld te krijgen van de kracht en efficiëntie van kernreactoren, kunnen we een voorbeeld geven. Waar een gemiddelde kernreactor 30 kilogram uranium nodig heeft, heeft een gemiddelde thermische centrale 60 wagons kolen of 40 tanks stookolie nodig.

Prototype 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‘Pile’ is, samen met andere betekenissen, een kernreactor gaan betekenen). Het kreeg deze naam omdat het leek op een grote stapel grafietblokken die op elkaar waren geplaatst.

Tussen de blokken werden bolvormige ‘werkvloeistoffen’ geplaatst, gemaakt van natuurlijk uranium en zijn dioxide.

In de USSR werd de eerste reactor gebouwd onder leiding van academicus I.V. Kurchatov. De F-1 reactor was op 25 december 1946 operationeel. De reactor was bolvormig en had een diameter van ongeveer 7,5 meter. Het had geen koelsysteem en werkte dus op een zeer laag vermogensniveau.

Het onderzoek werd voortgezet en op 27 juni 1954 werd in Obninsk de eerste kerncentrale ter wereld met een capaciteit van 5 MW in gebruik genomen.

Het werkingsprincipe van een kernreactor.

Tijdens het verval van uranium U 235 komt warmte vrij, vergezeld van het vrijkomen van twee of drie neutronen. Volgens statistieken - 2.5. Deze neutronen botsen met andere uraniumatomen U235. 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 heet een kettingreactie. Atomen delen zich, het aantal verval neemt exponentieel toe, wat uiteindelijk leidt tot een bliksemsnelle, naar onze maatstaven, vrijgave van een enorme hoeveelheid energie - een atoomexplosie vindt plaats als gevolg van een oncontroleerbare kettingreactie.

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

De structuur van een kernreactor.

Momenteel zijn er twee soorten kernreactoren: VVER (watergekoelde energiereactor) en RBMK (kanaalreactor met hoog vermogen). Het verschil is dat RBMK een kokendwaterreactor is, terwijl VVER water gebruikt onder een druk van 120 atmosfeer.

Reactor VVER 1000. 1 - aandrijving van het besturingssysteem; 2 - reactordeksel; 3 - reactorlichaam; 4 - blok beschermbuizen (BZT); 5 - schacht; 6 - kernbehuizing; 7 - brandstofassemblages (FA) en regelstaven;

Elke industriële kernreactor is een ketel waar koelvloeistof doorheen 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, waarvan werd aangenomen dat het een koolwaterstof was.

TVEL- (brandstofelement). Dit zijn staven in een zirkoniumschaal met een niobiumlegering, waarin zich uraniumdioxidetabletten bevinden.

De brandstofstaven in de cassette zijn groen gemarkeerd.

Montage brandstofcassette.

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

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

De controllers kunnen op en neer bewegen, duiken of omgekeerd, waardoor de actieve zone wordt verlaten, waar de reactie het meest intens is. Dit wordt verzekerd door krachtige elektromotoren, in combinatie met een besturingssysteem.De noodbeschermingsstaven 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 gebruikte en nieuwe cassettes worden geladen en gelost.

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

Een kernexplosie in moderne reactoren is uiterst onwaarschijnlijk. Omdat de brandstof vrij licht verrijkt is en verdeeld in brandstofelementen. Zelfs als de kern smelt, zal de brandstof niet zo actief kunnen reageren. Het ergste dat kan gebeuren is een thermische explosie zoals in Tsjernobyl, toen de druk in de reactor zulke waarden bereikte dat de metalen behuizing eenvoudigweg barstte en het reactordeksel, dat 5.000 ton woog, een omgekeerde sprong maakte en door het dak van de reactor brak. het reactorcompartiment en het vrijgeven van stoom naar buiten. Als de kerncentrale van Tsjernobyl was uitgerust met de juiste biologische bescherming, zoals de huidige sarcofaag, dan zou de ramp de mensheid veel minder hebben gekost.

Exploitatie van een kerncentrale.

In een notendop is dit hoe raboboa eruit ziet.

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 het eerste circuit genoemd. Daarna wordt het naar de warmtewisselaar gestuurd, waar het het tweede circuit ontmoet. Waarna de stoom onder druk op de turbinebladen stroomt. Turbines wekken elektriciteit op.

Ontwerp en werkingsprincipe

Mechanisme voor het vrijgeven van energie

De transformatie van een stof gaat alleen gepaard met het vrijkomen van vrije energie als de stof over een energiereserve beschikt. Dit laatste betekent dat microdeeltjes van een stof zich in een toestand bevinden met een rustenergie die groter is dan in een andere mogelijke toestand waarnaar een overgang bestaat. Een spontane overgang wordt altijd verhinderd door een energiebarrière. Om deze te overwinnen moet het microdeeltje een bepaalde hoeveelheid energie van buitenaf ontvangen: excitatie-energie. De exo-energetische reactie bestaat uit het feit dat bij de transformatie die volgt op de excitatie meer energie vrijkomt dan nodig is om het proces op gang te brengen. Er zijn twee manieren om de energiebarrière te overwinnen: hetzij door de kinetische energie van botsende deeltjes, hetzij door de bindingsenergie van het verbindende deeltje.

Als we de macroscopische schaal van het vrijkomen van energie in gedachten houden, moeten alle of in eerste instantie tenminste een deel van de deeltjes van de stof de kinetische energie hebben die nodig is om reacties op te wekken. Dit is alleen haalbaar door de temperatuur van het medium te verhogen tot een waarde waarbij de energie van thermische beweging de energiedrempel nadert die het verloop van het proces beperkt. In het geval van moleculaire transformaties, dat wil zeggen chemische reacties, bedraagt een dergelijke toename gewoonlijk honderden Kelvins, maar in het geval van kernreacties is deze ten minste 10 7 vanwege de zeer grote hoogte Coulombbarrières van botsende kernen. Thermische excitatie van kernreacties wordt in de praktijk alleen uitgevoerd tijdens de synthese van de lichtste kernen, waarbij de Coulomb-barrières minimaal zijn (thermonucleaire fusie).

Excitatie door het samenvoegen van deeltjes vereist geen grote kinetische energie en is daarom niet afhankelijk van de temperatuur van het medium, aangezien dit plaatsvindt als gevolg van ongebruikte bindingen die inherent zijn aan de aantrekkingskracht van deeltjes. Maar om reacties op te wekken zijn de deeltjes zelf nodig. En als we wederom niet een afzonderlijke reactieactie bedoelen, maar het opwekken van energie op macroscopische schaal, dan is dit alleen mogelijk als kettingreactie. Dit laatste gebeurt 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 nucleaire brandstof en moderator;
Neutronenreflector rond de kern;
Kettingreactiecontrolesysteem, inclusief noodbeveiliging;
Stralingsbescherming;
Afstandsbedieningssysteem.

Fysieke werkingsprincipes

Zie ook de belangrijkste artikelen:

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

Typisch voor deze hoeveelheden zijn de volgende waarden:

k> 1 - de kettingreactie neemt in de loop van de tijd toe, de reactor is ingeschakeld superkritisch toestand, de reactiviteit ervan 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 stabiele toestand kritisch voorwaarde.

Kritiekheidsvoorwaarde voor een kernreactor:

, Waar

Het omkeren 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 de verliezen: opvang zonder splijting en lekkage van neutronen buiten het kweekmedium.

Het is duidelijk dat 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 voor twee absorpties.

De volumes van moderne energiereactoren kunnen honderden m³ bereiken en worden voornamelijk niet bepaald door de kritische omstandigheden, maar door het vermogen om warmte te verwijderen.

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

Reactoren waarin de brandstof bestaat uit 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 - 0,5 kg. Het is echter algemeen bekend dat de kritische massa voor de LOPO-reactor (de eerste reactor voor verrijkt uranium ter wereld), die een berylliumoxidereflector had, 0,565 kg bedroeg, ondanks het feit dat de mate van verrijking voor isotoop 235 slechts iets groter was. dan 14%. Theoretisch heeft het de kleinste kritische massa, waarvoor deze waarde slechts 10 g bedraagt.

Om de lekkage van neutronen te verminderen, krijgt de kern een bolvormige of bijna bolvormige vorm, bijvoorbeeld een korte cilinder of kubus, aangezien deze figuren de kleinste verhouding tussen oppervlakte en volume hebben.

Ondanks het feit dat de waarde (e - 1) doorgaans klein is, is de rol van snelle neutronenkweek 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 zijn doorgaans de neutronen die vrijkomen bij de spontane splijting van uraniumkernen voldoende. Ook is het mogelijk een externe bron van neutronen te gebruiken om de reactor te starten, bijvoorbeeld een mengsel van en/of andere stoffen.

Jodium put

Hoofd artikel: jodiumput

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

Classificatie

Met doel

Afhankelijk van de aard van hun gebruik zijn kernreactoren onderverdeeld in:

Krachtreactoren ontworpen voor de productie van elektrische en thermische energie die wordt gebruikt in de energiesector, en voor de ontzilting van zeewater (ontziltingsreactoren worden ook geclassificeerd als industrieel). Dergelijke reactoren worden vooral gebruikt in kerncentrales. Het thermische vermogen van moderne energiereactoren bereikt 5 GW. Een aparte groep omvat:
- Transportreactoren, ontworpen om energie te leveren aan voertuigmotoren. De grootste groepen toepassingen zijn de zeetransportreactoren die worden gebruikt op onderzeeërs en diverse oppervlakteschepen, evenals reactoren die worden gebruikt in de ruimtetechnologie.
Experimentele reactoren, bedoeld voor de studie van verschillende fysieke grootheden, waarvan de waarde noodzakelijk is voor het ontwerp en de werking van kernreactoren; Het vermogen van dergelijke reactoren bedraagt niet meer dan enkele kW.
Onderzoeksreactoren, waarin in de kern gecreëerde neutronen- en gammakwantastromen worden gebruikt voor onderzoek op het gebied van kernfysica, vaste-stoffysica, stralingschemie en biologie, voor het testen van materialen die bedoeld zijn om te werken in intense neutronenfluxen (inclusief onderdelen van kernreactoren) voor de productie van isotopen. Het vermogen van onderzoeksreactoren bedraagt niet meer dan 100 MW. De vrijkomende energie wordt meestal niet gebruikt.
Industriële (wapens, isotoop) reactoren, gebruikt voor de productie van isotopen die op verschillende gebieden worden gebruikt. Het meest gebruikt voor de productie van kernwapenmaterialen, zoals 239 Pu. Ook geclassificeerd als industrieel zijn reactoren die worden gebruikt voor de ontzilting van zeewater.

Vaak worden reactoren gebruikt om twee of meer verschillende problemen op te lossen, in welk geval ze worden genoemd multifunctioneel. Sommige kernreactoren waren bijvoorbeeld, vooral in de begindagen van kernenergie, in de eerste plaats ontworpen voor experimenten. Snelle neutronenreactoren kunnen tegelijkertijd energie produceren en isotopen produceren. Industriële reactoren genereren naast hun hoofdtaak vaak elektrische en thermische energie.

Volgens het neutronenspectrum

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

Door brandstofplaatsing

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

In een heterogene reactor kunnen de brandstof en de moderator ruimtelijk gescheiden zijn, in het bijzonder in een holtereactor omringt de moderator-reflector een holte met brandstof die geen moderator bevat. Vanuit nucleair-fysisch oogpunt is het criterium voor homogeniteit/heterogeniteit niet het ontwerp, maar de plaatsing van brandstofblokken op een afstand groter dan de neutronenmoderatielengte in een gegeven moderator. Reactoren met het zogenaamde "dichte rooster" zijn dus als homogeen ontworpen, hoewel daarin de brandstof meestal gescheiden is van de moderator.

Kernbrandstofblokken in een heterogene reactor worden splijtstofassemblages (FA) genoemd, die zich in de kern bevinden op de knooppunten van een regelmatig rooster en zo cellen.

Per brandstoftype

uraniumisotopen 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
plutoniumisotoop 239 (239 Pu), ook isotopen 239-242 Pu in de vorm van een mengsel met 238 U (MOX-brandstof)
thoriumisotoop 232 (232 Th) (via conversie naar 233 U)

Naar mate van verrijking:

natuurlijk uranium
zwak verrijkt uranium
hoogverrijkt uranium

Volgens chemische samenstelling:

metalen U
UC (uraniumcarbide), enz.

Op type koelvloeistof

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

Op type moderator

C (grafiet, zie Grafiet-gasreactor, Grafiet-waterreactor)
H2O (water, zie Lichtwaterreactor, Watergekoelde reactor, VVER)
D 2 O (zwaar water, zie Zwaarwaterkernreactor, CANDU)
Metaalhydriden
Zonder moderator (zie Snelle reactor)

Met opzet

Door stoomgeneratiemethode

Reactor met externe stoomgenerator (Zie Water-waterreactor, VVER)

IAEA-classificatie

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

De meest voorkomende ter wereld zijn drukwaterreactoren (ongeveer 62%) en kokendwaterreactoren (20%).

Reactormaterialen

De materialen waaruit reactoren zijn gebouwd, werken bij hoge temperaturen in een veld van neutronen, γ-kwanta en splijtingsfragmenten. Daarom zijn niet alle materialen die in andere takken van de technologie worden gebruikt geschikt voor de constructie van reactoren. Bij de keuze van reactormaterialen wordt rekening gehouden met hun stralingsweerstand, chemische inertheid, absorptiedoorsnede en andere eigenschappen.

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

Reactormaterialen staan met elkaar in contact (brandstofomhulsel met koelmiddel en splijtstof, brandstofcassettes met koelmiddel en moderator, enz.). 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 krachtreactoren werken structurele materialen bij hoge temperaturen. Dit beperkt de keuze van bouwmaterialen, vooral voor die delen van de kernreactor die hoge druk moeten kunnen weerstaan.

Burn-out en reproductie van nucleaire brandstof

Tijdens de werking van een kernreactor, als gevolg van de ophoping van splijtingsfragmenten in de brandstof, veranderen de isotopische en chemische samenstelling ervan en worden transurane elementen, voornamelijk isotopen, gevormd. Het effect van splijtingsfragmenten op de reactiviteit van een kernreactor wordt genoemd vergiftiging(voor radioactieve fragmenten) en slakken(voor stabiele isotopen).

De belangrijkste reden voor reactorvergiftiging is , dat de grootste heeft (2,6·10 6 schuur). Halfwaardetijd van 135 Xe T 1/2 = 9,2 uur; De opbrengst tijdens deling is 6-7%. Het grootste deel van 135 Xe wordt gevormd als gevolg van het verval ( T 1/2 = 6,8 uur). Bij vergiftiging verandert Keff met 1-3%. De grote absorptiedwarsdoorsnede van 135 Xe en de aanwezigheid van de tussenisotoop 135 I leiden tot twee belangrijke verschijnselen:

Tot een toename van de concentratie van 135Xe en bijgevolg tot een afname van de reactiviteit van de reactor nadat deze is gestopt of het vermogen is verminderd (“jodiumput”), wat kortetermijnstops en schommelingen in het uitgangsvermogen onmogelijk maakt . Dit effect wordt ondervangen door de introductie van een reactiviteitsreserve bij toezichthoudende 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 de diepte is 2 maal groter dan die van de stationaire put. verandering in Keff veroorzaakt door 135 Xe-vergiftiging.
Als gevolg van vergiftiging kunnen spatio-temporele fluctuaties in de neutronenflux F, en bijgevolg in het reactorvermogen, optreden. Deze oscillaties treden op bij Ф > 10 18 neutronen/(cm²·sec) en grote reactorgroottes. Oscillatieperiodes ˜ 10 uur.

Wanneer kernsplijting plaatsvindt groot aantal stabiele fragmenten die qua absorptiedwarsdoorsnede verschillen van de absorptiedwarsdoorsnede van de splijtbare isotoop. Concentratie van fragmenten met grote waarde De absorptiedwarsdoorsnede bereikt verzadiging binnen de eerste paar dagen dat de reactor in bedrijf is. Dit zijn voornamelijk brandstofstaven van verschillende “leeftijden”.

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

De massa van geladen brandstof overschrijdt de massa van ongeladen brandstof vanwege het “gewicht” van de vrijkomende energie. Nadat de reactor is uitgeschakeld, eerst voornamelijk als gevolg van splijting door vertraagde neutronen, en vervolgens, na 1-2 minuten, als gevolg van β- en γ-straling van splijtingsfragmenten en transuraniumelementen, gaat het vrijkomen van energie in de brandstof door. Als de reactor lang genoeg werkte voordat hij stopte, dan is de energieafgifte 2 minuten na het stoppen ongeveer 3%, na 1 uur - 1%, na een dag - 0,4%, na een jaar - 0,05% van het initiële vermogen.

De verhouding tussen het aantal splijtbare Pu-isotopen gevormd in een kernreactor en de hoeveelheid verbrand 235 U wordt genoemd conversiepercentage K K. De waarde van K K neemt toe met afnemende verrijking en verbranding. Voor een zwaarwaterreactor die natuurlijk uranium gebruikt, met een verbranding van 10 GW dag/t K K = 0,55, en met een kleine verbranding (in dit geval wordt K K genoemd initiële plutoniumcoëfficiënt) K K = 0,8. Als een kernreactor brandt en dezelfde isotopen produceert (kweekreactor), dan wordt de verhouding tussen de reproductiesnelheid en de verbrandingssnelheid genoemd reproductiesnelheid K V. In kernreactoren die thermische neutronen gebruiken 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 van kernreactoren

Controle over een kernreactor is alleen mogelijk vanwege het feit dat tijdens splijting sommige neutronen met een vertraging uit de fragmenten vliegen, die kan variëren van enkele milliseconden tot enkele minuten.

Om de reactor te controleren worden absorptiestaven gebruikt, ingebracht in de kern, 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 (boorcontrole) . De beweging van de staven wordt bestuurd door speciale mechanismen, aandrijvingen, die werken volgens signalen van de operator of apparatuur voor automatische controle van de neutronenflux.

In het geval van verschillende noodsituaties is elke reactor voorzien van een noodbeëindiging van de kettingreactie, uitgevoerd door alle absorberende staven in de kern te laten vallen - een noodbeschermingssysteem.

Restwarmte

Een belangrijk vraagstuk dat rechtstreeks verband houdt met de nucleaire veiligheid is vervalwarmte. Dit is een specifiek kenmerk van splijtstof, dat erin bestaat dat, na het stoppen van de splijtingskettingreactie en de thermische traagheid die gebruikelijk is voor elke energiebron, het vrijkomen van warmte in de reactor doorgaat. voor een lange tijd, wat een aantal technisch complexe problemen met zich meebrengt.

Restwarmte is een gevolg van het β- en γ-verval van splijtingsproducten die zich tijdens de werking van de reactor in de brandstof ophopen. Kernen van splijtingsproducten transformeren als gevolg van verval in een stabielere of volledig stabiele toestand, waarbij aanzienlijke energie vrijkomt.

Hoewel de snelheid waarmee de vervalwarmte vrijkomt snel afneemt tot waarden die klein zijn in vergelijking met de stabiele waarden, is deze in krachtige vermogensreactoren in absolute termen significant. Om deze reden is restwarmteopwekking noodzakelijk lange tijd zorgen voor warmteafvoer uit de reactorkern na uitschakeling. Deze taak vereist dat het ontwerp van de reactorinstallatie zodanig wordt ontworpen dat er koelsystemen met een betrouwbare energievoorziening in zitten, en vereist ook langdurige opslag (3-4 jaar) van verbruikte splijtstof in opslagfaciliteiten met speciale voorzieningen. temperatuur omstandigheden- koelbaden, die zich doorgaans in de directe 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." “Chemistry and Life” 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.: Logo's, 2008. - 438 p. -

Kernenergieopwekking is een moderne en zich snel ontwikkelende methode voor de productie van elektriciteit. Weet jij hoe kerncentrales werken? 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 verdiepen in de structuur van een kernreactor en ontdekken hoe veilig de nucleaire methode voor het opwekken van elektriciteit is.

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

Het plan is onmogelijk zonder een kernreactor. Een atoomreactor (kernreactor) is een kerncentraleapparaat dat is ontworpen om een kettingreactie van neutronensplijting te organiseren met de verplichte vrijgave van energie tijdens dit proces. Maar wat is het werkingsprincipe van een kerncentrale?

De gehele reactorinstallatie is ondergebracht in het reactorgebouw, een grote betonnen toren die de reactor verbergt en bij een ongeval alle producten van de kernreactie zal bevatten. Deze grote toren wordt containment, hermetische schaal of containmentzone genoemd.

De hermetische zone in nieuwe reactoren heeft 2 dikke betonnen muren - granaten.
De buitenschaal, 80 cm dik, beschermt de insluitingszone tegen invloeden van buitenaf.

De binnenschaal is 1 meter 20 cm dik en voorzien van bijzondere stalen kabels, die de sterkte van beton bijna drie keer vergroten en voorkomen dat de constructie afbrokkelt. MET binnen het is bekleed met een dunne plaat speciaal staal, die is ontworpen om te dienen extra bescherming insluiting en laat bij een ongeval de inhoud van de reactor niet buiten de insluitingszone vrijkomen.

Dankzij dit ontwerp van de kerncentrale is deze bestand tegen een vliegtuigcrash met een gewicht tot 200 ton, een aardbeving met een kracht van 8 op de schaal van Richter, een tornado en een tsunami.

De eerste verzegelde granaat werd in 1968 gebouwd bij de Amerikaanse kerncentrale Connecticut Yankee.

De totale hoogte van de insluitzone bedraagt 50-60 meter.

Waaruit bestaat een kernreactor?

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

Actieve zone. Dit is het gebied waar de splijtstof (brandstofgenerator) en moderator worden geplaatst. Brandstofatomen (meestal is uranium de brandstof) ondergaan een kettingsplijtingsreactie. De moderator is ontworpen om het splijtingsproces te controleren en zorgt voor de vereiste reactie in termen van snelheid en kracht.
Neutronenreflector. Een reflector omringt de kern. Het bestaat uit hetzelfde materiaal als de moderator. In wezen is dit een doos, waarvan het belangrijkste doel is om te voorkomen dat neutronen de kern verlaten en in het milieu terechtkomen.
Koelmiddel. Het koelmiddel moet de warmte die vrijkomt bij de splijting van brandstofatomen absorberen en overdragen aan andere stoffen. Het koelmiddel bepaalt voor een groot deel hoe een kerncentrale wordt ontworpen. Het populairste koelmiddel van vandaag is water.
Reactorbesturingssysteem. Sensoren en mechanismen die een kerncentralereactor aandrijven.

Brandstof voor kerncentrales

Waarop draait een kerncentrale? Brandstof voor kerncentrales zijn chemische elementen met radioactieve eigenschappen. In alle kerncentrales is dit element uranium.

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

Verrijkt uranium

Uranium bestaat uit twee isotopen, dat wil zeggen dat het kernen bevat met verschillende massa's. Ze werden genoemd naar het aantal protonen en neutronen, isotoop -235 en isotoop-238. Onderzoekers uit de 20e eeuw begonnen uranium 235 uit erts te winnen, omdat... het was gemakkelijker te ontleden en te transformeren. Het bleek dat dergelijk uranium in de natuur slechts 0,7% bedraagt (het resterende percentage gaat naar de 238e isotoop).

Wat te doen in dit geval? Ze besloten uranium te verrijken. Uraniumverrijking is een proces waarbij veel van de noodzakelijke 235x-isotopen erin achterblijven en weinig onnodige 238x-isotopen. De taak van uraniumverrijkers is om 0,7% om te zetten in bijna 100% uranium-235.

Uranium kan worden verrijkt met behulp van twee technologieën: gasdiffusie of gascentrifuge. Om ze te gebruiken wordt uranium, gewonnen uit erts, omgezet in een gasvormige toestand. Het is verrijkt in de vorm van gas.

Uraniumpoeder

Verrijkt uraniumgas wordt omgezet in een vaste toestand: uraniumdioxide. Dit zuivere vaste uranium 235 verschijnt als grote witte kristallen, die later tot uraniumpoeder worden vermalen.

Uraniumtabletten

Uraniumtabletten zijn massieve metalen schijven van een paar centimeter lang. Om dergelijke tabletten uit uraniumpoeder te maken, wordt het gemengd met een stof - een weekmaker; het verbetert de kwaliteit van het persen van de tabletten.

De geperste pucks worden ruim een dag gebakken op een temperatuur van 1200 graden Celsius om de tabletten een bijzondere sterkte en weerstand tegen hoge temperaturen te geven. Hoe een kerncentrale werkt, hangt rechtstreeks af van hoe goed de uraniumbrandstof wordt gecomprimeerd en gebakken.

De tabletten worden namelijk gebakken in molybdeendoosjes alleen dit metaal kan niet smelten bij “helse” temperaturen van meer dan anderhalfduizend graden. Hierna wordt uraniumbrandstof voor kerncentrales als gereed beschouwd.

Wat zijn TVEL en FA?

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

Het is onmogelijk om zomaar brandstof in de reactor te gooien, tenzij je een explosie van het hele station en een ongeval met gevolgen voor een paar nabijgelegen staten wilt veroorzaken. Daarom wordt uraniumbrandstof in brandstofstaven geplaatst en vervolgens opgevangen in brandstofassemblages. Wat betekenen deze afkortingen?

TVEL – brandstofelement (niet te verwarren met dezelfde naam Russisch bedrijf, die ze produceert). Het is in wezen een dunne en lange zirkoniumbuis gemaakt van zirkoniumlegeringen waarin uraniumtabletten worden geplaatst. Het is in brandstofstaven dat uraniumatomen met elkaar beginnen te interageren, waarbij tijdens de reactie warmte vrijkomt.

Zirkonium werd gekozen als materiaal voor de productie van brandstofstaven vanwege zijn vuurvastheid en anticorrosie-eigenschappen.

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

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

In wezen zijn dit verschillende brandstofstaven die aan elkaar zijn bevestigd. FA is afgewerkte kernbrandstof, waar een kerncentrale op werkt. Het zijn de brandstofassemblages die in de kernreactor worden geladen. Er worden ongeveer 150 tot 400 splijtstofelementen in één reactor geplaatst.
Afhankelijk van de reactor waarin de splijtstofassemblages zullen functioneren, kan dit het geval zijn verschillende vormen. Soms worden de bundels in een kubusvorm gevouwen, soms in een cilindrische, soms in een zeshoekige vorm.

Eén brandstofassemblage gedurende vier jaar produceert dezelfde hoeveelheid energie als bij het verbranden van 670 auto's met 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 aan andere landen te leveren, worden brandstofassemblages over de hele lengte afgedicht metalen buizen wordt de lucht uit de leidingen gepompt en door speciale machines aan boord van vrachtvliegtuigen aangevoerd.

Kernbrandstof voor kerncentrales weegt onbetaalbaar veel, omdat... 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:

Zonder in te gaan op de fijne kneepjes van de kernfysica, ziet het werkingsprincipe van een kerncentrale er als volgt uit:
Na het opstarten van een kernreactor worden uit de splijtstofstaven absorberstaven verwijderd, die voorkomen dat het uranium reageert.

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

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

Warmte wordt overgedragen aan het koelmiddel. Afhankelijk van het type koelmiddel verandert het in stoom of gas, waardoor de turbine draait.

De turbine drijft een elektrische generator aan. Hij is het die feitelijk de elektrische stroom opwekt.

Als je het proces niet in de gaten houdt, kunnen uraniumneutronen met elkaar botsen totdat ze de reactor laten ontploffen en de hele kerncentrale aan gruzelementen slaan. Het proces wordt bestuurd door computersensoren. Ze detecteren een temperatuurstijging of drukverandering in de reactor en kunnen reacties automatisch stoppen.

Hoe verschilt het werkingsprincipe van kerncentrales van thermische centrales (thermische centrales)?

Er zijn alleen verschillen in werk in de eerste fasen. In een kerncentrale ontvangt het koelmiddel warmte uit de splijting van atomen van uraniumbrandstof; in een thermische elektriciteitscentrale ontvangt het koelmiddel warmte uit de verbranding van organische brandstof (steenkool, gas of olie). Nadat uraniumatomen of gas en steenkool warmte hebben afgegeven, zijn de werkingsschema's van kerncentrales en thermische centrales hetzelfde.

Soorten kernreactoren

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

Voor de werking ervan wordt uranium 235 gebruikt, dat de stadia van verrijking, vorming van uraniumpellets, enz. doorloopt. Tegenwoordig gebruikt de overgrote meerderheid van de reactoren langzame neutronen.
Snelle neutronenreactor.

Deze reactoren zijn de toekomst, omdat... Ze werken op uranium-238, dat in de natuur dertien in een dozijn voorkomt en het is niet nodig dit element te verrijken. Het enige nadeel van dergelijke reactoren zijn de zeer hoge kosten van ontwerp, constructie en opstarten. Tegenwoordig werken snelle neutronenreactoren alleen in Rusland.

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

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

De IAEA-organisatie (International Atomic Energy Agency) heeft een eigen classificatie opgesteld, die het vaakst wordt gebruikt in de mondiale kernenergie-industrie. Omdat het werkingsprincipe van een kerncentrale grotendeels afhangt van de keuze van het koelmiddel en de moderator, baseerde het IAEA zijn classificatie op deze verschillen.

Vanuit chemisch oogpunt is deuteriumoxide een ideaal moderator- en koelmiddel, omdat de atomen ervan werken het meest effectief samen met neutronen van uranium in vergelijking met andere stoffen. Simpel gezegd: zwaar water vervult zijn taak minimale verliezen en maximale resultaten. De productie ervan kost echter geld, terwijl gewoon ‘licht’ en vertrouwd water veel gemakkelijker te gebruiken is.

Een paar feiten over kernreactoren...

Het is interessant dat de bouw van één kerncentralereactor minstens drie jaar duurt!
Om een reactor te bouwen heb je apparatuur nodig die door kan draaien elektrische stroom bij 210 kilo Ampère, wat een miljoen keer groter is dan de stroomsterkte die een mens kan doden.

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

Drukwaterreactor

We hebben al ontdekt hoe een kerncentrale in het algemeen werkt; laten we, om alles in perspectief te plaatsen, eens kijken hoe de populairste drukwater-kernreactor werkt.
Over de hele wereld worden tegenwoordig drukwaterreactoren van de derde generatie gebruikt. Ze worden als de meest betrouwbare en veilige beschouwd.

Alle drukwaterreactoren ter wereld hebben, gedurende al de jaren dat ze in bedrijf zijn geweest, al meer dan 1000 jaar probleemloos gewerkt en hebben nooit ernstige afwijkingen gekend.

De structuur van kerncentrales die gebruik maken van drukwaterreactoren houdt in dat gedestilleerd water, verwarmd tot 320 graden, tussen de splijtstofstaven circuleert. Om te voorkomen dat het in een damptoestand terechtkomt, wordt het onder een druk van 160 atmosfeer gehouden. Het schema van de kerncentrale noemt het primair circuitwater.

Het verwarmde water komt de stoomgenerator binnen en geeft zijn warmte af aan het secundaire circuitwater, waarna het weer “terugkeert” naar de reactor. Uiterlijk lijkt het erop dat de waterbuizen van het eerste circuit in contact staan met andere buizen - het water van het tweede circuit, ze dragen warmte aan elkaar over, maar de wateren komen niet met elkaar in contact. De buizen maken contact.

Aldus is de mogelijkheid uitgesloten dat straling het water van het secundaire circuit binnendringt, dat verder zal deelnemen aan het proces van het opwekken van elektriciteit.

Operationele veiligheid van de kerncentrale

Nu we het werkingsprincipe van kerncentrales hebben geleerd, moeten we begrijpen hoe veiligheid werkt. De bouw van kerncentrales vereist tegenwoordig meer aandacht voor veiligheidsregels.
De veiligheidskosten van de NPP bedragen ongeveer 40% van de totale kosten van de centrale zelf.

Het ontwerp van de kerncentrale omvat 4 fysieke barrières die het vrijkomen van radioactieve stoffen voorkomen. Wat moeten deze barrières doen? Op het juiste moment de kernreactie kunnen stoppen, zorgen voor een constante warmteafvoer uit de kern en de reactor zelf, en het vrijkomen van radionucliden buiten de insluiting (hermetische zone) voorkomen.

De eerste barrière is de sterkte van uraniumpellets. Het is belangrijk dat ze niet vernietigd worden door hoge temperaturen in een kernreactor. Een groot deel van de werking van een kerncentrale hangt af van hoe de uraniumpellets worden ‘gebakken’ tijdens de eerste productiefase. Als de uraniumbrandstofpellets niet correct worden gebakken, zullen de reacties van de uraniumatomen in de reactor onvoorspelbaar zijn.
De tweede barrière is de dichtheid van brandstofstaven. Zirkoniumbuizen moeten goed worden afgesloten; als de verzegeling wordt verbroken, wordt in het beste geval de reactor beschadigd en stopt het werk, in het slechtste geval vliegt alles de lucht in.
De derde barrière is een duurzaam stalen reactorvat a, (dezelfde grote toren– hermetische zone) die alle radioactieve processen “bevat”. Als de behuizing beschadigd raakt, ontsnapt er straling in de atmosfeer.
De vierde barrière zijn noodbeschermingsstangen. Staven met moderatoren worden boven de kern opgehangen door magneten, die in 2 seconden alle neutronen kunnen absorberen en de kettingreactie kunnen stoppen.

Als het ondanks de bouw van een kerncentrale met vele beschermingsgraden niet mogelijk is om de reactorkern op het juiste moment af te koelen, en de brandstoftemperatuur stijgt tot 2600 graden, dan laatste hoop veiligheidssystemen – de zogenaamde melt trap.

Feit is dat bij deze temperatuur de bodem van het reactorvat zal smelten en dat alle overblijfselen van splijtstof en gesmolten structuren in een speciaal "glas" zullen stromen dat boven de reactorkern hangt.

De smeltvanger is gekoeld en brandveilig. Het is gevuld met zogenaamd ‘opofferingsmateriaal’, dat geleidelijk de kettingreactie van splijting stopt.

Het ontwerp van een kerncentrale impliceert dus verschillende beschermingsniveaus, die elke mogelijkheid van een ongeval vrijwel volledig uitsluiten.

De kernreactor werkt soepel en efficiënt. 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 wezen vindt daar hetzelfde proces plaats als tijdens een kernexplosie. Alleen de explosie gebeurt heel snel, maar in de reactor duurt dit allemaal lang. Hierdoor blijft alles veilig en gezond en ontvangen wij energie. Niet zozeer dat alles eromheen in één keer zou worden vernietigd, maar ruim voldoende om de stad van elektriciteit te voorzien.

Hoe werkt een reactor Koeltorens van een kerncentrale
Voordat je begrijpt hoe een gecontroleerde kernreactie plaatsvindt, moet je weten wat een kernreactie in het algemeen is.

Een kernreactie is het proces van transformatie (splijting) van atoomkernen wanneer ze interageren met elementaire deeltjes en gammastraling.

Kernreacties kunnen optreden bij zowel absorptie als vrijgave van energie. De reactor maakt gebruik van de tweede reacties.

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

Vaak wordt een kernreactor ook wel atoomreactor genoemd. Laten we opmerken 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, kernreactoren van onderzeeërs, 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. Dit gebeurde in de VS onder leiding van Fermi. Deze reactor werd de Chicago Woodpile genoemd.

In 1946 werd de eerste Sovjetreactor, gelanceerd onder leiding van Kurchatov, in bedrijf genomen. 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, en de Amerikaanse slechts 1 watt. 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 principe van de werking van een kernreactor

Elke kernreactor bestaat uit verschillende onderdelen: een kern met brandstof en moderator, een neutronenreflector, een koelmiddel, een controle- en beveiligingssysteem. Isotopen van uranium (235, 238, 233), plutonium (239) en thorium (232) worden het vaakst gebruikt als brandstof in reactoren. De kern 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 kerncentrales, dan wordt een kernreactor gebruikt om warmte te produceren. 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 ziet u een diagram van de werking van een kernreactor.

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

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

Hier moeten we de nvermelden. Dus als deze coëfficiënt een waarde gelijk aan één overschrijdt, 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 dit te doen? In de reactor zit de brandstof in zogenaamde splijtstofelementen (splijtstofelementen). Dit zijn staafjes die nucleaire brandstof bevatten in de vorm van kleine tabletten. Brandstofstaven zijn verbonden in zeshoekige cassettes, waarvan er honderden in een reactor kunnen zijn. Cassettes met brandstofstaven zijn verticaal gerangschikt en elke brandstofstaaf heeft een systeem 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 absorbeert. Zo kunnen regelstaven naar verschillende diepten in de kern worden neergelaten, waardoor de nwordt aangepast. Noodstaven zijn ontworpen om de reactor in geval van nood stil te leggen.

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 stukje uranium, maar de kettingreactie begint er niet vanzelf in. Feit is dat er in de kernfysica een concept van kritische massa bestaat.

Kernbrandstof Kernbrandstof

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

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

Wat je leuk vindt: Wiskundige trucs voor geesteswetenschappenstudenten en niet zozeer (deel 1)
In dit artikel hebben we geprobeerd u dit te geven algemeen idee over de structuur en het werkingsprincipe van een kernreactor. Als u vragen heeft over dit onderwerp of als u een probleem heeft op het gebied van de kernfysica aan de universiteit, neem dan contact op met de specialisten van ons bedrijf. Zoals gewoonlijk staan wij klaar om je te helpen bij het oplossen van dringende problemen met betrekking tot je studie. En nu we toch bezig zijn, hier is nog een educatieve video voor uw aandacht!

blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

I. Ontwerp van een kernreactor

Een kernreactor bestaat uit de volgende vijf hoofdelementen:

1) nucleaire brandstof;

2) neutronenmoderator;

3) regelgevingssystemen;

4) koelsystemen;

5) beschermend scherm.

1. Kernbrandstof.

Kernbrandstof is een energiebron. Er zijn momenteel drie soorten splijtstoffen bekend:

a) uranium 235, dat 0,7% of 1/140 van natuurlijk uranium uitmaakt;

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

Door neutronen op te vangen, veranderen uranium-238-kernen in neptuniumkernen - het 93e element van het periodieke systeem van Mendelejev; de laatste veranderen op hun beurt in plutoniumkernen - het 94e element van het periodiek systeem. Plutonium kan gemakkelijk met chemische middelen uit bestraald uranium worden 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 wordt aangetroffen, worden plutonium 239 en uranium 233 uitsluitend kunstmatig verkregen. Daarom worden ze secundaire nucleaire brandstof genoemd; De bron van dergelijke brandstof is uranium 238 en thorium 232.

Van alle hierboven genoemde soorten splijtstof is uranium dus de belangrijkste. Dit verklaart de enorme omvang die het zoeken en onderzoeken van uraniumvoorraden in alle landen met zich meebrengt.

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

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

Deze energiemogelijkheden worden echter niet volledig benut, omdat niet al het uranium 235 van natuurlijk uranium kan worden gescheiden. Hierdoor 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 kernbrandstof het transport vergemakkelijkt en daarom de brandstofkosten aanzienlijk verlaagt. Britse experts hebben berekend dat ze door het verrijken van uranium de warmte die in reactoren wordt geproduceerd tien keer kunnen verhogen, wat neerkomt op 1 ton uranium op 100.000 ton steenkool.

Het tweede verschil tussen het proces van kernsplijting, waarbij warmte vrijkomt, en chemische verbranding is dat voor de verbrandingsreactie zuurstof nodig is, terwijl om een kettingreactie op gang te brengen slechts een paar neutronen en een bepaalde massa kernbrandstof nodig zijn, gelijk aan de kritische massa, waarvan we de definitie al hebben gegeven in het gedeelte over de atoombom.

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

2. Neutronenmoderator.

Om de verspreiding van splijtingsproducten in de reactor te voorkomen, moet splijtstof in speciale granaten worden geplaatst. Om dergelijke schelpen te maken, kun je aluminium gebruiken (de koelvloeistoftemperatuur mag niet hoger zijn dan 200°C), of nog beter, beryllium of zirkonium - nieuwe metalen waarvan de productie in hun pure vorm met grote moeilijkheden gepaard gaat.

De neutronen die worden geproduceerd tijdens kernsplijting (gemiddeld 2 à 3 neutronen tijdens de splijting van één kern van een zwaar element) hebben een bepaalde energie. Om de waarschijnlijkheid van neutronen om andere kernen te splitsen het grootst te maken, zonder welke de reactie niet zichzelf in stand zal houden, 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 als gevolg van talloze opeenvolgende botsingen worden omgezet in langzame. Omdat 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 allereerste begin zwaar water als moderator gebruikt (D 2 0, waarbij D deuterium is). , dat lichte waterstof in gewoon water N 2 0 verving). Nu proberen ze echter steeds vaker grafiet te gebruiken - het is goedkoper en geeft bijna hetzelfde effect.

Een ton zwaar water gekocht in Zweden kost 70 tot 80 miljoen frank. Op de Conferentie van Genève over het vreedzame gebruik van kernenergie 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.

De stof die 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 dat gedaan gemiddelde snelheid ongeveer 2200 m/sec, terwijl hun beginsnelheid ongeveer 20.000 km/sec bedroeg. In reactoren vindt het vrijkomen van warmte geleidelijk plaats en kan worden gecontroleerd, in tegenstelling tot bij een atoombom, waar deze onmiddellijk plaatsvindt en het karakter van een explosie krijgt.

Voor sommige typen snelle reactoren is geen moderator nodig.

3. Regelgevingssysteem.

Een mens moet in staat zijn een kernreactie naar eigen inzicht te veroorzaken, te reguleren en te stoppen. Dit wordt bereikt met behulp van regelstaven gemaakt van boorstaal of cadmium - materialen die het vermogen hebben om neutronen te absorberen. Afhankelijk van de diepte waarop de regelstaven in de reactor worden neergelaten, neemt het aantal neutronen in de kern toe of af, wat het uiteindelijk mogelijk maakt om het proces te reguleren. De regelstaven worden automatisch bestuurd met behulp van servomechanismen; Sommige van deze hengels kunnen bij gevaar direct in de kern vallen.

Aanvankelijk waren er zorgen dat een reactorexplosie dezelfde schade zou aanrichten als een atoombom. Om te bewijzen dat een reactorexplosie alleen plaatsvindt onder andere omstandigheden dan normaal en geen ernstig gevaar oplevert voor de bevolking die in de buurt van de kerncentrale woont, hebben de Amerikanen opzettelijk één zogenaamde ‘kokende’ reactor opgeblazen. Er vond inderdaad een explosie plaats 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 daar enig bijzonder gevaar voor bestaat.

4. Koelsysteem.

Bij kernsplijting komt een bepaalde energie vrij, die wordt overgedragen op de vervalproducten en de daaruit voortvloeiende neutronen. Deze energie wordt, als gevolg van talrijke botsingen van neutronen, omgezet in thermische energie. Om een snel falen van de reactor te voorkomen, moet daarom warmte worden verwijderd. In reactoren die zijn ontworpen om radioactieve isotopen te produceren, wordt deze warmte niet gebruikt, maar in reactoren die zijn ontworpen om energie te produceren wordt het juist het hoofdproduct. De koeling kan plaatsvinden met behulp van gas of water, dat onder druk door speciale buizen in de reactor circuleert en vervolgens in een warmtewisselaar wordt gekoeld. De vrijkomende warmte kan worden gebruikt om de stoom te verwarmen die een turbine laat draaien die op de generator is aangesloten; zo'n apparaat zou een kerncentrale zijn.

5. Beschermscherm.

Om de schadelijke effecten van neutronen die buiten de reactor kunnen vliegen te voorkomen, en om uzelf te beschermen tegen gammastraling die tijdens de reactie wordt uitgezonden, is het noodzakelijk betrouwbare bescherming. Wetenschappers hebben berekend dat een reactor met een vermogen van 100.000 kW zoveel radioactieve straling uitzendt dat een persoon die zich op een afstand van 100 m ervan bevindt, deze binnen 2 minuten zou ontvangen. dodelijke dosis. Om de bescherming van het personeel dat de reactor onderhoudt te garanderen, zijn muren van twee meter hoog 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 waren ontworpen voor onderzoek en industriële doeleinden (VS - 23, Frankrijk - 4, Engeland - 3, Canada - 1).

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

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

Het is heel belangrijk op te merken dat, hoewel de theoretische kant van de kwestie nu goed bestudeerd is door specialisten in alle landen, verschillende landen op praktisch gebied nog niet hetzelfde niveau hebben bereikt. De VS en Rusland lopen voor op andere landen. Er kan gesteld worden dat de toekomst van kernenergie vooral zal afhangen van de vooruitgang van de technologie.

Uit boek Geweldige wereld in de atoomkern [lezing voor schoolkinderen] auteur Ivanov Igor Pierovitsj

De structuur van de LHC-botser Nu een paar foto's. Een collider is een versneller van botsende deeltjes. Daar versnellen deeltjes langs twee ringen en botsen met elkaar. Dit is de grootste experimentele installatie 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. Gemengd] auteur Kondrasjov Anatoly Pavlovich

Uit het boek Het atoomprobleem van Ran Philip

Uit boek 5b. Elektriciteit en magnetisme auteur FeynmanRichard Phillips

Uit het boek van de auteur

Hoofdstuk VIII Principe van de werking en mogelijkheden van een kernreactor I. Ontwerp van een kernreactor Een kernreactor bestaat uit de volgende vijf hoofdelementen: 1) splijtstof, 2) neutronenmoderator, 3) controlesysteem, 4) koelsysteem, 5 ) beschermend