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

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

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

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

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

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

Om uraniumatomen in de technologische keten te laten drijven, moet het (uranium) in een gasvormige toestand worden omgezet. Het heeft geen zin om te koken, het is voldoende om uranium met fluor te combineren en uraniumhexafluoride te krijgen HFC. De technologie voor de productie ervan is niet erg ingewikkeld en duur, en daarom: HFC ga naar de plek waar dit uranium wordt gewonnen. UF6 is de enige zeer vluchtige uraniumverbinding (bij verhitting tot 53°C gaat hexafluoride (afgebeeld) direct van vast naar gasvormig). Vervolgens wordt het in speciale containers gepompt en verzonden voor verrijking.

Een beetje geschiedenis

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

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

Hieronder is een document - Beria's rapport aan Stalin over de voorbereiding van de eerste nucleaire explosie. Hieronder volgt een kleine verwijzing naar het verzamelde nucleaire materiaal aan het begin van de zomer van 1949.

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

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

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

Hoe wordt een centrifuge opgesteld?

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

Dit gebeurt door convectiestromen - het rotordeksel wordt verwarmd en er treedt een terugstroming van gas op. Aan de boven- en onderkant van de cilinder bevinden zich twee kleine buizen - de inlaat. Een verarmd mengsel komt de onderste buis binnen, een mengsel met een hogere concentratie aan atomen komt de bovenste buis binnen 235U. Dit mengsel gaat de volgende centrifuge in, enzovoort, tot de concentratie 235ste uranium zal niet bereiken Gewenste waarde. Een keten van centrifuges wordt een cascade genoemd.

Technische kenmerken.

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

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

Academicus Joseph Friedlander herinnert zich: “Drie keer hadden ze kunnen worden neergeschoten. Op een keer, toen we de Lenin-prijs al hadden ontvangen, gebeurde er een groot ongeluk, waarbij het deksel van de centrifuge eraf vloog. Stukken verspreid, vernietigde andere centrifuges. Er is een radioactieve wolk opgetrokken. Ik moest de hele lijn stoppen - een kilometer aan installaties! In Sredmash stonden de centrifuges onder bevel van generaal Zverev, voor het atoomproject werkte hij in het departement Beria. De generaal op de bijeenkomst zei: “De situatie is kritiek. De verdediging van het land wordt bedreigd. Als we de situatie niet snel rechtzetten, herhaalt het 37e jaar zich voor u. En meteen werd de vergadering gesloten. We hebben toen helemaal bedacht nieuwe technologie met een volledig isotrope uniforme dekselstructuur, maar er waren zeer complexe opstellingen nodig. Sindsdien zijn deze covers geproduceerd. Er waren geen problemen meer. Er zijn 3 verrijkingsfabrieken in Rusland, vele honderdduizenden centrifuges.
Op de foto: tests van de eerste generatie centrifuges

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

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

Wie bedacht?

Oh, het is een mysterie doordrenkt van mysterie en gehuld in duisternis. Hier heb je Duitse gevangengenomen natuurkundigen, de CIA, SMERSH-officieren en zelfs de neergehaalde spionpiloot Powers. In het algemeen werd het principe van een gascentrifuge aan het eind van de 19e eeuw beschreven.

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

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

Dus waar kwam Sergeyev mee op de proppen.

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

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

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

Onze dagen

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

Dankzij centrifuges hebben we duizenden tonnen relatief goedkoop, zowel militair als commercieel product gekregen. De nucleaire industrie, een van de weinige overgebleven (militaire luchtvaart, ruimtevaart), waar Rusland onbetwistbaar superieur is. Alleen buitenlandse orders voor tien jaar vooruit (van 2013 tot 2022), Rosatom's portfolio exclusief contract HEU-LEU bedraagt ​​69,3 miljard dollar. In 2011 overschreed het 50 miljard ...
Op de foto een magazijn van containers met HFK's bij UEIP.

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

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

Het werk aan de reactor begon op 16 november 1942. Er is moeilijk werk verricht. Natuurkundigen en universiteitsmedewerkers werkten de klok rond. Ze bouwden een raster van 57 lagen uraniumoxide en uraniumstaven ingebed in grafietblokken. houten frame ondersteunde het ontwerp. Fermi's beschermeling, Leona Woods - de enige vrouw op een project, zorgvuldige metingen verrichtend naarmate de hoop groeide.

Op 2 december 1942 was de reactor klaar voor een test. Het bevatte 22.000 uraniumstaven en bevatte 380 ton grafiet, evenals 40 ton uraniumoxide en zes ton uraniummetaal. Het kostte 2,7 miljoen dollar om de reactor te bouwen. Het experiment begon om 09-45. Het werd bijgewoond door 49 mensen: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Hiberry, Woods, een jonge timmerman die grafietblokken en cadmiumstaven maakte, artsen, gewone studenten en andere wetenschappers.

Drie mensen vormden de "zelfmoordploeg" - ze maakten deel uit van het beveiligingssysteem. Hun taak was om de brand te blussen als er iets mis zou gaan. Er was ook controle: handbediende bedieningsstangen en een noodstang die aan de reling van het balkon boven de reactor werd vastgemaakt. In geval van nood moest het touw worden doorgesneden door een speciaal dienstdoende persoon op het balkon, en de stang zou de reactie hebben gedoofd.

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

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

Een turbulent maar kortstondig stoomtijdperk begon, dat werd vervangen door een nog fantastischer tijdperk van elektriciteit. De steden waren gevuld met licht en de werkplaatsen met het geroezemoes van tot nu toe onbekende machines aangedreven door elektromotoren. Toen leek het erop dat de vooruitgang zijn hoogtepunt had bereikt.

Alles veranderde aan het einde van de 19e eeuw, toen de Franse chemicus Antoine Henri Becquerel bij toeval ontdekte dat uraniumzouten radioactief zijn. Na 2 jaar verkregen zijn landgenoten Pierre Curie en zijn vrouw Maria Sklodowska-Curie radium en polonium van hen, en hun niveau van radioactiviteit was miljoenen keren hoger dan dat van thorium en uranium.

Het stokje werd opgepikt door Ernest Rutherford, die de aard van radioactieve straling in detail bestudeerde. Zo begon het tijdperk van het atoom, dat zijn geliefde kind baarde - de kernreactor.

Eerste kernreactor

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

Soorten kernreactoren

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

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

Hoe is de reactor?

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

De operators besturen de werking van de fabriek met behulp van twee kritische systemen - kettingreactiecontrole en systeem op afstand beheer. Als zich een noodsituatie voordoet, wordt de noodbescherming onmiddellijk geactiveerd.

Hoe de reactor werkt

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

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

Wat gebeurde er in de kerncentrale van Tsjernobyl

Een van de belangrijkste oorzaken van de ramp in de kerncentrale van Tsjernobyl in april 1986 was een grove schending van de operationele veiligheidsregels tijdens het routine-onderhoud aan de 4e krachtbron. Toen werden er 203 grafietstaven tegelijk uit de kern verwijderd in plaats van de 15 volgens de voorschriften. Het resultaat is dat het oncontroleerbare kettingreactie eindigde met een thermische explosie en de volledige vernietiging van de krachtbron.

Nieuwe generatie reactoren

In de afgelopen tien jaar is Rusland een van 's werelds leiders op het gebied van kernenergie geworden. Op dit moment bouwt het staatsbedrijf Rosatom kerncentrales in 12 landen, waar 34 elektriciteitscentrales worden gebouwd. Zo'n hoge vraag is een bewijs hoog niveau moderne Russische nucleaire technologie. De volgende in de rij zijn de nieuwe reactoren van de 4e generatie.

"Brest"

Een daarvan is Brest, dat in het kader van het Breakthrough-project wordt ontwikkeld. De huidige open-cyclussystemen werken op laagverrijkt uranium, waardoor een grote hoeveelheid verbruikte splijtstof achterblijft die tegen enorme kosten moet worden verwijderd. "Brest" - een snelle neutronenreactor is uniek in een gesloten cyclus.

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

Brest onderscheidt zich door een hoog beveiligingsniveau. Het zal zelfs bij het meest ernstige ongeval nooit "ontploffen", het is zeer economisch en milieuvriendelijk, omdat het zijn "vernieuwde" uranium hergebruikt. Het kan ook niet worden gebruikt om plutonium van wapenkwaliteit te produceren, wat de breedste perspectieven voor zijn export opent.

VVER-1200

VVER-1200 is een innovatieve generatie 3+ reactor met een vermogen van 1150 MW. Dankzij zijn unieke technische mogelijkheden, het heeft bijna absolute operationele veiligheid. De reactor is in overvloed uitgerust met passieve veiligheidssystemen, die zelfs zonder stroomvoorziening in automatische modus zullen werken.

Een daarvan is een passief warmteafvoersysteem, dat automatisch wordt geactiveerd wanneer de reactor volledig spanningsloos is. In dit geval zijn hydraulische noodtanks voorzien. Bij een abnormale drukval in het primaire circuit wordt een grote hoeveelheid boriumhoudend water aan de reactor toegevoerd, die de kernreactie dooft en neutronen absorbeert.

Een andere knowhow bevindt zich in het onderste deel van de insluiting - de "val" van de smelt. Indien desondanks, als gevolg van een ongeval, de kern "lekt", zal de "val" niet toelaten dat de insluiting instort en het binnendringen van radioactieve producten in de grond voorkomen.

Kernreactoren hebben één taak: in een gecontroleerde reactie atomen splitsen en de vrijgekomen energie gebruiken om elektrische energie op te wekken. Reactoren worden al jaren gezien als zowel een wonder als een bedreiging.

Toen de eerste Amerikaanse commerciële reactor in 1956 online ging in Shippingport, Pennsylvania, werd de technologie geprezen als de krachtpatser van de toekomst, en sommigen geloofden dat reactoren de opwekking van elektriciteit te goedkoop zouden maken. Nu zijn er wereldwijd 442 kernreactoren gebouwd, ongeveer een kwart van deze reactoren bevindt zich in de Verenigde Staten. De wereld is afhankelijk geworden van kernreactoren, die 14 procent van de elektriciteit opwekken. Futuristen fantaseerden zelfs over atoomauto's.

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

Maar in de vroege jaren 2000 begonnen kernreactoren een comeback te maken, dankzij een groeiende vraag naar energie en een afnemend aanbod van fossiele brandstoffen, evenals toenemende zorgen over klimaatverandering door de uitstoot van kooldioxide.

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

Gebruik van kernreactie

Simpel gezegd, in een kernreactor splitsen atomen en geven ze de energie vrij die hun onderdelen bij elkaar houdt.

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

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

In een atoombom kan een kettingreactieproces ontstaan, vergelijkbaar met die tijdens de Tweede Wereldoorlog op de Japanse steden Hiroshima en Nagasaki. Maar in een kernreactor wordt de kettingreactie gecontroleerd door het inbrengen van regelstaven gemaakt van materialen zoals cadmium, hafnium of boor, die een deel van de neutronen absorberen. Hierdoor kan het splijtingsproces nog steeds genoeg energie vrijgeven om water te verwarmen tot ongeveer 270 graden Celsius en het om te zetten in stoom, die wordt gebruikt om de turbines van de energiecentrale te laten draaien en elektriciteit op te wekken. In dit geval werkt in principe een gecontroleerde atoombom in plaats van steenkool, waardoor elektriciteit wordt opgewekt, behalve dat de energie om water te koken komt van het splitsen van atomen, in plaats van het verbranden van koolstof.

Kernreactor componenten

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

De reactor heeft ook de eerder genoemde managersehengelen— van een neutronenabsorberend materiaal zoals cadmium, hafnium of boor, dat wordt ingebracht om de reactie te beheersen of te stoppen.

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

Ten slotte is de reactor ingesloten in schelpBij, een grote, zware constructie, meestal enkele meters dik, gemaakt van staal en beton, die radioactieve gassen en vloeistoffen binnen houdt waar ze niemand kunnen schaden.

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

Hoe veilig is een kernreactor?

Het antwoord op deze vraag is vrij moeilijk en het hangt af van wie je het vraagt ​​en wat je bedoelt met "veilig". Maakt u zich zorgen over straling of radioactief afval dat vrijkomt in reactoren? Of maak je je meer zorgen over de mogelijkheid van een catastrofaal ongeval? Welke mate van risico beschouwt u als een aanvaardbare afweging voor de voordelen van kernenergie? En in hoeverre vertrouwt u de overheid en kernenergie?

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

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

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

Maar het is belangrijk op te merken dat niet iedereen het eens is met een dergelijke zelfgenoegzame beoordeling van stralingsrisico's. Zo heeft Physicians for Social Responsibility, een oude criticus van de nucleaire industrie, kinderen bestudeerd die in de buurt van Duitse kerncentrales wonen. Uit het onderzoek bleek dat mensen die binnen een straal van 5 km van de centrales woonden, twee keer zoveel kans hadden om leukemie op te lopen in vergelijking met mensen die verder van de kerncentrale woonden.

kernafvalreactor

Kernenergie wordt door zijn voorstanders aangeprezen als "schone" energie omdat de reactor geen grote hoeveelheden broeikasgassen in de atmosfeer uitstoot, in vergelijking met kolencentrales. Maar critici wijzen naar een ander milieuprobleem— Verwijdering van nucleair afval. Bij een deel van het verbruikte splijtstofafval van reactoren komt nog steeds radioactiviteit vrij. Andere onnodige dingen die moeten worden bewaard, zijn: hoogradioactief afval, het vloeibare residu van de verwerking van verbruikte splijtstof, waarin een deel van het uranium is achtergebleven. Op dit moment wordt het meeste van dit afval lokaal opgeslagen in kerncentrales in watervijvers die een deel van de resterende warmte absorberen die door de verbruikte splijtstof wordt geproduceerd en werknemers helpen beschermen tegen blootstelling aan straling.

Een van de problemen met verbruikte splijtstof is dat deze tijdens het splijtingsproces is veranderd.Wanneer grote uraniumatomen worden gespleten, creëren ze bijproducten - radioactieve isotopen van verschillende lichte elementen zoals Cesium-137 en Strontium-90, genaamd splijtingsproducten. Ze zijn heet en zeer radioactief, maar uiteindelijk, over een periode van 30 jaar, vervallen ze tot minder gevaarlijke vormen. Deze periode heet Pperiodeohmhalveringstijd. Voor andere radioactieve elementen zal de halfwaardetijd anders zijn. Bovendien vangen sommige uraniumatomen ook neutronen op, waardoor zwaardere elementen zoals plutonium worden gevormd. Deze transuraniumelementen wekken niet zoveel warmte of doordringende straling op als splijtingsproducten, maar het verval ervan duurt veel langer. Plutonium-239 heeft bijvoorbeeld een halfwaardetijd van 24.000 jaar.

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

Omdat afval zo gevaarlijk is, zitten veel mensen in een lastig parket. 60.000 ton afval bevindt zich in kerncentrales in de buurt van grote steden. Maar om te vinden veilige plaats afval opslaan is erg moeilijk.

Wat kan er mis gaan met een kernreactor?

Met overheidstoezichthouders die terugkijken op hun ervaring, hebben ingenieurs in de loop der jaren veel tijd gestoken in het ontwerpen van reactoren voor optimale veiligheid. Het is alleen dat ze niet kapot gaan, goed werken en back-ups hebben als de zaken niet volgens plan verlopen. Als gevolg hiervan lijken kerncentrales jaar na jaar redelijk veilig in vergelijking met bijvoorbeeld vliegreizen, waarbij wereldwijd routinematig tussen de 500 en 1100 mensen per jaar omkomen.

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

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

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

De bouwers van kernreactoren geven garanties op basis van: probabilistische schattinge waarin ze proberen de mogelijke schade van een gebeurtenis in evenwicht te brengen met de waarschijnlijkheid dat deze zich daadwerkelijk voordoet. Maar sommige critici zeggen dat ze zich in plaats daarvan moeten voorbereiden op de zeldzame, meest onverwachte, maar zeer gevaarlijke gebeurtenissen. Een illustratief voorbeeld is het ongeval in maart 2011 in de kerncentrale van Fukushima 1 in Japan. Het station is naar verluidt ontworpen om een ​​grote aardbeving te weerstaan, maar niet zo catastrofaal als de beving van 9,0 die een 14 meter lange tsunami-golf op gang bracht over dijken die ontworpen waren om een ​​golf van 5,4 meter te weerstaan. De aanval van de tsunami vernietigde de back-up dieselgeneratoren die bedoeld waren om het koelsysteem van de zes kerncentralereactoren van stroom te voorzien in geval van stroomuitval.Dus, zelfs nadat de regelstaven van de Fukushima-reactoren de splijtingsreactie stopten, nog hete brandstof zorgde voor de temperatuur in de vernietigde reactoren.

Japanse functionarissen hebben hun toevlucht genomen tot het laatste redmiddel - de reactoren overspoelen met enorme hoeveelheden zeewater doorspekt met boorzuur, die een catastrofe kon voorkomen, maar de reactorapparatuur vernietigde. Uiteindelijk konden de Japanners met behulp van brandweerwagens en binnenschepen vers water in de reactoren pompen. Maar tegen die tijd had monitoring al alarmerende niveaus van straling in het omringende land en water laten zien. In een dorp op 40 km van deze kerncentrale bleek het radioactieve element Cesium-137 veel hoger te zijn dan na de ramp in Tsjernobyl, waardoor twijfel ontstond over de mogelijkheid van menselijke bewoning in deze zone.

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 uit over lange tijd. 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.

Voordat u kunt begrijpen hoe een gecontroleerde kernreactie werkt, moet u weten wat: Nucleaire reactie over het algemeen.

Nucleaire reactie - dit is het 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.

Kernreactor - Dit is een apparaat waarvan het doel is om een ​​gecontroleerde nucleaire reactie in stand te houden met het vrijkomen van energie.

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 Sovjetreactor 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 , koelmiddel , controle- en beveiligingssysteem: . Isotopen zijn de meest gebruikte brandstof in reactoren. uranium (235, 238, 233), plutonium (239) en thorium (232). De actieve zone is een 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. De elektriciteit zelf wordt op dezelfde manier opgewekt als in andere soorten energiecentrales: stoom laat de turbine draaien en de bewegingsenergie wordt omgezet in elektrische energie.

Hieronder staat een diagram van de werking van een kernreactor.

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.

Het moet hier vermeld worden neutronen vermenigvuldigingsfactor . 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 bevindt de brandstof zich in de zogenaamde brandstof elementen (TVLA). Dit zijn staafjes waarin, in de vorm van kleine tabletten, nucleaire brandstof . 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 onder andere: controle staven 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 een concept is kritieke massa .

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

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

In dit artikel hebben we geprobeerd u algemeen idee over het ontwerp en het werkingsprincipe van een (atoom)kernreactor. Als je vragen hebt over het onderwerp of als de universiteit een probleem heeft gesteld in de kernfysica, neem dan contact op met: 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!