Những loại thanh nào được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân. Bắt đầu vận hành lò phản ứng

Hình trụ màu xám khó nhận biết này là mắt xích quan trọng trong ngành công nghiệp hạt nhân của Nga. Tất nhiên, nó trông không đẹp đẽ cho lắm, nhưng đáng để hiểu mục đích của nó và xem qua thông số kỹ thuật, khi bạn bắt đầu nhận ra tại sao bí mật về sự hình thành và cấu trúc của nó lại được nhà nước bảo vệ như quả táo trong mắt nó.

Vâng, tôi quên giới thiệu: đây là máy ly tâm khí để tách đồng vị uranium VT-3F (thế hệ thứ n). Nguyên lý hoạt động rất cơ bản, giống như máy tách sữa, phần nặng được tách ra khỏi phần nhẹ nhờ tác động của lực ly tâm. Vậy ý nghĩa và sự độc đáo là gì?

Đầu tiên, hãy trả lời một câu hỏi khác - nói chung, tại sao lại tách uranium?

Uranium tự nhiên, nằm ngay trong lòng đất, là hỗn hợp gồm hai đồng vị: uranium-238 Và uranium-235(và 0,0054% U-234).
Sao Thiên Vương-238, nó chỉ nặng thôi xám kim loại. Bạn có thể dùng nó để làm một quả đạn pháo, hoặc... một chiếc móc khóa. Đây là những gì bạn có thể làm từ uranium-235? Đầu tiên là bom nguyên tử, thứ hai là nhiên liệu cho các nhà máy điện hạt nhân. Và ở đây chúng ta đi đến câu hỏi quan trọng - làm thế nào để tách hai nguyên tử gần như giống hệt nhau này ra khỏi nhau? Không, thực sự LÀM SAO?!

Nhân tiện: Bán kính hạt nhân của nguyên tử uranium là 1,5 10 -8 cm.

Để các nguyên tử uranium được đưa vào dây chuyền công nghệ, nó (uranium) phải được chuyển thành trạng thái khí. Đun sôi chẳng ích gì, chỉ cần kết hợp uranium với flo và thu được uranium hexafluoride là đủ HFC. Công nghệ sản xuất nó không quá phức tạp và đắt tiền, do đó HFC họ tìm được nó ngay tại nơi khai thác uranium. UF6 là hợp chất uranium dễ bay hơi duy nhất (khi đun nóng đến 53°C, hexafluoride (trong hình) chuyển trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái khí). Sau đó, nó được bơm vào các thùng chứa đặc biệt và gửi đi làm giàu.

Một ít lịch sử

Vào thời kỳ đầu của cuộc chạy đua hạt nhân, những bộ óc khoa học vĩ đại nhất của cả Liên Xô và Hoa Kỳ đã nắm vững ý tưởng phân tách khuếch tán - chuyển uranium qua sàng. Bé nhỏ thứ 235đồng vị sẽ lọt qua và chất béo thứ 238 sẽ bị mắc kẹt. Hơn nữa, việc chế tạo một chiếc sàng có lỗ nano cho ngành công nghiệp Liên Xô vào năm 1946 không phải là việc khó khăn nhất.

Từ báo cáo của Isaac Konstantinovich Kikoin tại hội đồng khoa học và kỹ thuật trực thuộc Hội đồng Nhân dân (được trình bày trong tuyển tập các tài liệu được giải mật về dự án nguyên tử của Liên Xô (Ed. Ryabev)): Hiện tại, chúng tôi đã học cách chế tạo các mắt lưới có lỗ khoảng 5/1.000 mm, tức là. Lớn hơn 50 lần so với đường đi tự do của các phân tử ở áp suất khí quyển. Do đó, áp suất khí tại đó xảy ra sự phân tách đồng vị trên các lưới như vậy phải nhỏ hơn 1/50. áp suất không khí. Trong thực tế, chúng tôi giả định làm việc ở áp suất khoảng 0,01 atm, tức là trong điều kiện chân không tốt. Tính toán cho thấy để thu được sản phẩm được làm giàu đến nồng độ 90% bằng đồng vị nhẹ (nồng độ này đủ để tạo ra chất nổ) cần phải kết hợp khoảng 2.000 giai đoạn như vậy thành một tầng. Trong chiếc máy mà chúng tôi đang thiết kế và chế tạo một phần, dự kiến ​​nó sẽ tạo ra 75-100 g uranium-235 mỗi ngày. Quá trình cài đặt sẽ bao gồm khoảng 80-100 “cột”, mỗi cột sẽ có 20-25 giai đoạn được cài đặt.”

Dưới đây là tài liệu - báo cáo của Beria gửi Stalin về việc chuẩn bị cho vụ nổ bom nguyên tử đầu tiên. Dưới đây là thông tin ngắn gọn về các vật liệu hạt nhân được sản xuất vào đầu mùa hè năm 1949.

Và bây giờ hãy tự tưởng tượng - 2000 lượt cài đặt khổng lồ chỉ vì 100 gam! Chà, phải làm gì với nó, chúng ta cần bom. Và họ bắt đầu xây dựng các nhà máy, không chỉ các nhà máy mà còn cả thành phố. Và được thôi, chỉ có các thành phố, những nhà máy khuếch tán này cần nhiều điện đến mức họ phải xây dựng các nhà máy điện riêng gần đó.

Tại Liên Xô, giai đoạn đầu tiên D-1 của nhà máy số 813 được thiết kế cho tổng sản lượng 140 gam urani-235 92-93% mỗi ngày ở 2 tầng gồm 3100 giai đoạn phân tách giống hệt nhau về công suất. Một nhà máy sản xuất máy bay chưa hoàn thiện ở làng Verkh-Neyvinsk, cách Sverdlovsk 60 km, đã được phân bổ để sản xuất. Sau này nó biến thành Sverdlovsk-44, và nhà máy 813 (trong ảnh) thành Nhà máy điện hóa Ural - nhà máy phân tách lớn nhất thế giới.

Và mặc dù công nghệ tách khuếch tán, mặc dù có những khó khăn lớn về mặt công nghệ, đã được gỡ lỗi, nhưng ý tưởng phát triển quy trình ly tâm tiết kiệm hơn vẫn không rời khỏi chương trình nghị sự. Rốt cuộc, nếu chúng ta tạo ra được một máy ly tâm thì mức tiêu thụ năng lượng sẽ giảm từ 20 xuống 50 lần!

Máy ly tâm hoạt động như thế nào?

Cấu trúc của nó nhiều hơn cơ bản và giống với cấu trúc cũ Máy giặt hoạt động ở chế độ vắt/khô. Rôto quay được đặt trong một vỏ kín. Khí được cung cấp cho rôto này (UF6). Do lực ly tâm lớn gấp hàng trăm nghìn lần trường hấp dẫn của Trái đất, khí bắt đầu phân tách thành các phần “nặng” và “nhẹ”. Các phân tử nhẹ và nặng bắt đầu tập hợp thành các vùng khác nhau của rôto, nhưng không phải ở trung tâm và dọc theo chu vi mà ở trên cùng và dưới cùng.

Điều này xảy ra do dòng điện đối lưu - vỏ rôto bị nóng lên và xảy ra dòng khí ngược. Có hai ống nạp nhỏ được lắp đặt ở phía trên và phía dưới xi lanh. Hỗn hợp nạc đi vào ống dưới và hỗn hợp có nồng độ nguyên tử cao hơn đi vào ống trên. 235U. Hỗn hợp này đi vào máy ly tâm tiếp theo và cứ như vậy cho đến khi đạt nồng độ thứ 235 sẽ không đạt tới uranium giá trị mong muốn. Một chuỗi máy ly tâm được gọi là tầng.

Đặc tính kỹ thuật.

Vâng, đầu tiên, tốc độ quay là thế hệ hiện đại trong máy ly tâm, nó đạt tới 2000 vòng / phút (tôi thậm chí không biết so sánh nó với cái gì... nhanh hơn 10 lần so với tuabin trong động cơ máy bay)! Và nó đã hoạt động không ngừng nghỉ trong BA THẬP KỲ! Những thứ kia. Giờ đây, các máy ly tâm, được khởi động dưới thời Brezhnev, đang quay theo tầng! Liên Xô không còn tồn tại nhưng họ vẫn tiếp tục quay và quay. Không khó để tính toán rằng trong chu kỳ làm việc của nó, rôto quay được 2.000.000.000.000 (hai nghìn tỷ) vòng. Và ổ trục nào sẽ chịu được điều này? Vâng, không có! Không có vòng bi ở đó.

Bản thân rôto là một mặt trên thông thường, ở phía dưới có một cây kim chắc chắn nằm trên ổ trục corundum, còn đầu trên treo trong chân không, được giữ trường điện từ. Cây kim cũng không hề đơn giản, được làm từ dây thông thường dùng cho dây đàn piano, nó rất cứng. một cách xảo quyệt(là GT). Không khó để tưởng tượng rằng với tốc độ quay điên cuồng như vậy, bản thân chiếc máy ly tâm không chỉ phải bền mà còn phải cực kỳ bền bỉ.

Viện sĩ Joseph Friedlander nhớ lại: “Họ có thể đã bắn tôi ba phát. Một lần, khi chúng tôi đã nhận được Giải thưởng Lênin thì xảy ra một sự cố lớn, nắp máy ly tâm bay ra. Các mảnh vỡ rải rác và phá hủy các máy ly tâm khác. Một đám mây phóng xạ nổi lên. Chúng tôi đã phải dừng toàn bộ dây chuyền - một km lắp đặt! Tại Sredmash, Tướng Zverev chỉ huy các máy ly tâm; trước dự án nguyên tử, ông làm việc trong bộ phận của Beria. Vị tướng tại cuộc họp cho biết: “Tình hình rất nguy kịch. Quốc phòng của đất nước đang gặp nguy hiểm. Nếu chúng tôi không nhanh chóng khắc phục tình trạng này, '37 sẽ lặp lại cho bạn'. Và ngay lập tức kết thúc cuộc họp. Sau đó chúng tôi hoàn toàn nghĩ ra công nghệ mới với cấu trúc vỏ bọc đồng nhất hoàn toàn đẳng hướng, nhưng yêu cầu lắp đặt rất phức tạp. Kể từ đó, những loại nắp này đã được sản xuất. Không còn rắc rối nào nữa. Ở Nga có 3 nhà máy làm giàu uranium, hàng trăm nghìn máy ly tâm”.
Trong ảnh: thử nghiệm thế hệ máy ly tâm đầu tiên

Vỏ rôto ban đầu cũng được làm bằng kim loại, cho đến khi chúng được thay thế bằng… sợi carbon. Nhẹ và có độ bền kéo cao, nó là vật liệu lý tưởng cho xi lanh quay.

Tổng Giám đốc UEIP (2009-2012) Alexander Kurkin nhớ lại: “Chuyện ngày càng trở nên lố bịch. Khi họ đang thử nghiệm và kiểm tra một thế hệ máy ly tâm mới, “tiết kiệm năng lượng” hơn, một nhân viên đã không đợi rôto dừng hẳn, ngắt kết nối nó khỏi dòng thác và quyết định dùng tay mang nó lên giá đỡ. Nhưng thay vì tiến về phía trước, dù có chống cự thế nào, anh ta vẫn ôm lấy hình trụ này và bắt đầu lùi lại. Vì thế chúng tôi đã tận mắt chứng kiến ​​trái đất quay và con quay hồi chuyển là một lực rất lớn.”

Người phát minh ra nó?

Ồ, đó là một điều bí ẩn, được bao bọc trong sự bí ẩn và bao phủ bởi sự hồi hộp. Ở đây bạn sẽ tìm thấy các nhà vật lý người Đức bị bắt, các sĩ quan CIA, SMERSH và thậm chí cả phi công gián điệp bị bắn rơi Powers. Nhìn chung, nguyên lý của máy ly tâm khí được mô tả vào cuối thế kỷ 19.

Ngay từ buổi bình minh của Dự án Nguyên tử, Viktor Sergeev, kỹ sư tại Phòng Thiết kế Đặc biệt của Nhà máy Kirov, đã đề xuất phương pháp tách bằng máy ly tâm, nhưng lúc đầu các đồng nghiệp của ông không tán thành ý tưởng của ông. Song song đó, các nhà khoa học từ nước Đức bại trận cũng nỗ lực tạo ra máy ly tâm phân tách tại viện nghiên cứu đặc biệt-5 ở Sukhumi: Tiến sĩ Max Steenbeck, người từng là kỹ sư hàng đầu của Siemens dưới thời Hitler, và cựu thợ cơ khí của Không quân Đức, tốt nghiệp Đại học Vienna, Gernot Zippe. Tổng cộng, nhóm bao gồm khoảng 300 nhà vật lý “xuất khẩu”.

Ghi nhớ CEO Tập đoàn nhà nước CJSC Centrotech-SPb Rosatom Alexey Kaliteevsky: “Các chuyên gia của chúng tôi đã đi đến kết luận rằng máy ly tâm của Đức hoàn toàn không phù hợp cho sản xuất công nghiệp. Bộ máy của Steenbeck không có hệ thống để chuyển sản phẩm được làm giàu một phần sang giai đoạn tiếp theo. Người ta đề xuất làm mát các đầu của nắp và đóng băng khí, sau đó rã đông, thu gom và đưa vào máy ly tâm tiếp theo. Tức là kế hoạch này không hiệu quả. Tuy nhiên, dự án có một số giải pháp kỹ thuật rất thú vị và khác thường. Những điều “thú vị và giải pháp bất thường"được kết hợp với kết quả thu được của các nhà khoa học Liên Xô, đặc biệt là với đề xuất của Viktor Sergeev. Nói một cách tương đối, máy ly tâm nhỏ gọn của chúng tôi là một phần ba thành quả của tư tưởng Đức và hai phần ba là của Liên Xô.” Nhân tiện, khi Sergeev đến Abkhazia và bày tỏ suy nghĩ của mình về việc lựa chọn uranium cho cùng một Steenbeck và Zippe, Steenbeck và Zippe đã bác bỏ chúng vì cho rằng chúng không thể thực hiện được.

Vậy Sergeev đã nghĩ ra điều gì?

Và đề xuất của Sergeev là tạo ra các bộ chọn khí ở dạng ống pitot. Nhưng Tiến sĩ Steenbeck, người mà ông tin rằng đã ăn sâu vào chủ đề này, đã dứt khoát: “Chúng sẽ làm chậm dòng chảy, gây ra nhiễu loạn và sẽ không có sự chia cắt!” Nhiều năm sau, khi đang viết hồi ký, ông đã hối hận: “Một ý tưởng xứng đáng đến từ chúng tôi! Nhưng điều đó chưa bao giờ xảy ra với tôi…”

Sau này, khi đã ở bên ngoài Liên Xô, Steenbeck không còn làm việc với máy ly tâm nữa. Nhưng trước khi đến Đức, Geront Zippe đã có cơ hội làm quen với nguyên mẫu máy ly tâm của Sergeev và nguyên lý hoạt động đơn giản khéo léo của nó. Khi ở phương Tây, “Zippe xảo quyệt”, như ông thường được gọi, đã được cấp bằng sáng chế cho thiết kế máy ly tâm dưới tên riêng của mình (bằng sáng chế số 1071597 năm 1957, được công bố ở 13 quốc gia). Năm 1957, sau khi chuyển đến Hoa Kỳ, Zippe đã xây dựng một cơ sở lắp đặt hoạt động ở đó, tái tạo nguyên mẫu của Sergeev từ trí nhớ. Và anh ấy gọi nó là “máy ly tâm của Nga” (ảnh).

Nhân tiện, kỹ thuật của Nga đã thể hiện được trong nhiều trường hợp khác. Một ví dụ là trường hợp khẩn cấp cơ bản van chặn. Không có cảm biến, máy dò hoặc mạch điện. Chỉ có một vòi samovar chạm vào khung thác bằng cánh hoa của nó. Nếu có sự cố xảy ra và máy ly tâm thay đổi vị trí trong không gian, nó chỉ cần quay và đóng đường dẫn vào. Nó giống như trò đùa về cây bút Mỹ và cây bút chì Nga trong không gian.

Ngày của chúng ta

Tuần này, tác giả của những dòng này đã tham dự một sự kiện quan trọng - đóng cửa văn phòng Nga của các quan sát viên Bộ Năng lượng Hoa Kỳ theo một hợp đồng HEU-LEU. Thỏa thuận này (uranium có độ làm giàu cao - uranium có độ làm giàu thấp) đã và vẫn là thỏa thuận lớn nhất trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân giữa Nga và Mỹ. Theo các điều khoản của hợp đồng, các nhà khoa học hạt nhân Nga đã xử lý 500 tấn uranium cấp vũ khí (90%) của chúng tôi thành nhiên liệu (4%) HFC cho các nhà máy điện hạt nhân của Mỹ. Doanh thu giai đoạn 1993-2009 lên tới 8,8 tỷ đô la Mỹ. Đây là kết quả hợp lý của bước đột phá công nghệ của các nhà khoa học hạt nhân nước ta trong lĩnh vực tách đồng vị được thực hiện trong những năm sau chiến tranh.
Trong ảnh: các tầng máy ly tâm khí tại một trong các xưởng của UEIP. Có khoảng 100.000 người trong số họ ở đây.

Nhờ máy ly tâm, chúng ta đã thu được hàng nghìn tấn sản phẩm thương mại và quân sự tương đối rẻ. Ngành công nghiệp hạt nhân là một trong số ít ngành còn lại (hàng không quân sự, vũ trụ) mà Nga giữ vị trí dẫn đầu không thể tranh cãi. Riêng đơn hàng nước ngoài trả trước 10 năm (từ 2013 đến 2022), danh mục đầu tư của Rosatom không bao gồm hợp đồng HEU-LEU là 69,3 tỷ đô la. Năm 2011 nó đã vượt quá 50 tỷ...
Trong ảnh là kho container chứa chất HFC tại UEIP.

Ngày 28/9/1942, nghị quyết được thông qua Ủy ban Nhà nước Số phòng thủ 2352ss “Về việc tổ chức công việc về uranium.” Ngày này được coi là ngày khởi đầu chính thức của lịch sử ngành công nghiệp hạt nhân Nga.

Được xây dựng dưới khán đài phía tây của sân bóng đá Đại học Chicago và được đưa vào hoạt động vào ngày 2 tháng 12 năm 1942, Chicago Pile-1 (CP-1) là lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới. Nó bao gồm các khối than chì và uranium, đồng thời có các thanh điều khiển cadmium, indium và bạc, nhưng không có hệ thống làm mát hoặc bảo vệ bức xạ. Giám đốc khoa học của dự án, nhà vật lý Enrico Fermi, mô tả CP-1 là "một đống gạch đen và gỗ khúc ẩm ướt".

Công việc xây dựng lò phản ứng bắt đầu vào ngày 16 tháng 11 năm 1942. Công việc khó khăn đã được thực hiện. Các nhà vật lý và nhân viên trường đại học làm việc suốt ngày đêm. Họ đã chế tạo một mạng lưới gồm 57 lớp oxit uranium và các thỏi uranium được nhúng trong các khối than chì. Khung gỗđã hỗ trợ cấu trúc. Người được Fermi bảo trợ, Leona Woods - người phụ nữ duy nhất trong dự án - cô ấy đã thực hiện các phép đo cẩn thận khi “đống lớn lên”.

Vào ngày 2 tháng 12 năm 1942, lò phản ứng đã sẵn sàng để thử nghiệm. Nó chứa 22.000 thỏi uranium và sử dụng 380 tấn than chì, cũng như 40 tấn uranium oxit và sáu tấn uranium kim loại. Phải mất 2,7 triệu USD để xây dựng lò phản ứng. Thí nghiệm bắt đầu lúc 09:45. Nó có sự tham dự của 49 người: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Heberry, Woods, một thợ mộc trẻ chế tạo khối than chì và thanh cadmium, bác sĩ, sinh viên bình thường và các nhà khoa học khác.

Ba người thành lập "đội cảm tử" - họ là một phần của hệ thống an ninh. Công việc của họ là dập lửa nếu có sự cố xảy ra. Ngoài ra còn có bộ điều khiển: các thanh điều khiển được điều khiển bằng tay và một thanh khẩn cấp được buộc vào lan can ban công phía trên lò phản ứng. Trong trường hợp khẩn cấp, người trực ban ban công phải cắt sợi dây và thanh sẽ dập tắt phản ứng.

Lúc 15:53, lần đầu tiên trong lịch sử, một phản ứng dây chuyền hạt nhân tự duy trì bắt đầu. Cuộc thử nghiệm đã thành công. Lò phản ứng hoạt động trong 28 phút.

Để hiểu nguyên lý hoạt động và thiết kế của lò phản ứng hạt nhân, bạn cần thực hiện một chuyến du ngoạn ngắn về quá khứ. Lò phản ứng hạt nhân là giấc mơ hàng thế kỷ của nhân loại, mặc dù chưa được thực hiện đầy đủ, về một nguồn năng lượng vô tận. “Tổ tiên” cổ xưa của nó là ngọn lửa được tạo ra từ cành cây khô, từng chiếu sáng và sưởi ấm các vòm hang động, nơi tổ tiên xa xôi của chúng ta đã tìm thấy sự cứu rỗi khỏi cái lạnh. Sau này, con người đã làm chủ được hydrocarbon - than đá, đá phiến, dầu và khí tự nhiên.

Một kỷ nguyên hơi nước hỗn loạn nhưng ngắn ngủi bắt đầu, được thay thế bằng một kỷ nguyên điện thậm chí còn tuyệt vời hơn. Các thành phố tràn ngập ánh sáng, và các nhà xưởng tràn ngập tiếng ồn ào của những cỗ máy chưa từng thấy được điều khiển bằng động cơ điện. Sau đó, có vẻ như sự tiến bộ đã đạt đến đỉnh cao.

Mọi thứ thay đổi vào cuối thế kỷ 19, khi nhà hóa học người Pháp Antoine Henri Becquerel vô tình phát hiện ra rằng muối uranium có tính phóng xạ. 2 năm sau, những người đồng hương của ông là Pierre Curie và vợ ông là Maria Sklodowska-Curie đã lấy được radium và polonium từ họ, mức độ phóng xạ của họ cao gấp hàng triệu lần so với thorium và uranium.

Người cầm dùi cui đã được chọn bởi Ernest Rutherford, người đã nghiên cứu chi tiết bản chất của tia phóng xạ. Thế là bắt đầu thời đại nguyên tử, nơi sinh ra đứa con yêu quý của nó - lò phản ứng nguyên tử.

Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên

“Con đầu lòng” đến từ Mỹ. Vào tháng 12 năm 1942, dòng điện đầu tiên được tạo ra bởi lò phản ứng, được đặt theo tên người tạo ra nó, một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất thế kỷ, E. Fermi. Ba năm sau, cơ sở hạt nhân ZEEP đi vào hoạt động ở Canada. “Đồng” thuộc về lò phản ứng F-1 đầu tiên của Liên Xô, ra mắt vào cuối năm 1946. I.V. Kurchatov trở thành người đứng đầu dự án hạt nhân trong nước. Ngày nay, trên thế giới có hơn 400 tổ máy điện hạt nhân đang hoạt động thành công.

Các loại lò phản ứng hạt nhân

Mục đích chính của họ là hỗ trợ phản ứng hạt nhân có kiểm soát để tạo ra điện. Một số lò phản ứng tạo ra đồng vị. Nói tóm lại, chúng là những thiết bị ở độ sâu trong đó một số chất được chuyển đổi thành chất khác bằng cách giải phóng một lượng lớn năng lượng nhiệt. Đây là một loại "lò" trong đó, thay vì nhiên liệu truyền thống, các đồng vị uranium - U-235, U-238 và plutonium (Pu) - bị đốt cháy.

Ví dụ, không giống như một chiếc ô tô được thiết kế để sử dụng nhiều loại xăng, mỗi loại nhiên liệu phóng xạ có loại lò phản ứng riêng. Có hai trong số chúng - trên neutron chậm (với U-235) và neutron nhanh (với U-238 và Pu). Hầu hết các nhà máy điện hạt nhân đều có lò phản ứng neutron chậm. Ngoài các nhà máy điện hạt nhân, việc lắp đặt còn “làm việc” tại các trung tâm nghiên cứu, trên tàu ngầm hạt nhân, v.v.

Lò phản ứng hoạt động như thế nào

Tất cả các lò phản ứng đều có mạch điện gần như giống nhau. “Trái tim” của nó là vùng hoạt động. Nó có thể được so sánh đại khái với hộp lửa của bếp thông thường. Chỉ thay vì củi mới có nhiên liệu hạt nhân ở dạng nguyên tố nhiên liệu có bộ điều tiết - thanh nhiên liệu. Vùng hoạt động nằm bên trong một loại viên nang - chất phản xạ neutron. Các thanh nhiên liệu được “rửa sạch” bằng chất làm mát – nước. Vì “trái tim” có mức độ phóng xạ rất cao nên nó được bao quanh bởi lớp bảo vệ bức xạ đáng tin cậy.

Người vận hành kiểm soát hoạt động cài đặt bằng cách sử dụng hai hệ thống quan trọng- Điều hòa phản ứng dây chuyền hệ thống từ xa sự quản lý. Nếu trường hợp khẩn cấp xảy ra, tính năng bảo vệ khẩn cấp sẽ được kích hoạt ngay lập tức.

Lò phản ứng hoạt động như thế nào?

“Ngọn lửa” nguyên tử là vô hình vì các quá trình xảy ra ở cấp độ phân hạch hạt nhân. Trong phản ứng dây chuyền, các hạt nhân nặng phân rã thành các mảnh nhỏ hơn, ở trạng thái kích thích, trở thành nguồn neutron và các hạt hạ nguyên tử khác. Nhưng quá trình không kết thúc ở đó. Các neutron tiếp tục "phân tách", do đó một lượng lớn năng lượng được giải phóng, tức là điều gì sẽ xảy ra vì mục đích xây dựng các nhà máy điện hạt nhân.

Nhiệm vụ chính của nhân viên là duy trì phản ứng dây chuyền với sự trợ giúp của thanh điều khiển ở mức không đổi, có thể điều chỉnh được. Đây là điểm khác biệt chính của nó so với bom nguyên tử, trong đó quá trình phân rã hạt nhân không thể kiểm soát được và diễn ra nhanh chóng dưới dạng một vụ nổ mạnh.

Chuyện gì đã xảy ra ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl

Một trong những nguyên nhân chính gây ra thảm họa ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl vào tháng 4 năm 1986 là do vi phạm nghiêm trọng các quy tắc an toàn vận hành trong quá trình bảo trì định kỳ tại tổ máy số 4. Sau đó, 203 thanh than chì được đồng loạt loại bỏ khỏi lõi thay vì 15 thanh như quy định. Kết quả là, không thể kiểm soát được Phản ứng dây chuyền kết thúc bằng một vụ nổ nhiệt và phá hủy hoàn toàn bộ nguồn.

Lò phản ứng thế hệ mới

Trong thập kỷ qua, Nga đã trở thành một trong những nước dẫn đầu về năng lượng hạt nhân toàn cầu. Hiện tại, tập đoàn nhà nước Rosatom đang xây dựng các nhà máy điện hạt nhân ở 12 quốc gia, nơi có 34 tổ máy điện đang được xây dựng. Nhu cầu cao như vậy là bằng chứng cấp độ cao công nghệ hạt nhân hiện đại của Nga. Tiếp theo là các lò phản ứng thế hệ thứ 4 mới.

"Brest"

Một trong số đó là Brest, đang được phát triển như một phần của dự án Đột phá. Các hệ thống chu trình mở hiện nay chạy bằng uranium có độ làm giàu thấp, khiến một lượng lớn nhiên liệu đã qua sử dụng phải được xử lý với chi phí rất lớn. "Brest" - lò phản ứng neutron nhanh là duy nhất trong chu trình khép kín của nó.

Trong đó, nhiên liệu đã qua sử dụng, sau khi được xử lý thích hợp trong lò phản ứng neutron nhanh, một lần nữa trở thành nhiên liệu chính thức, có thể được nạp lại vào hệ thống lắp đặt tương tự.

Brest nổi bật bởi mức độ an toàn cao. Nó sẽ không bao giờ “phát nổ” ngay cả trong vụ tai nạn nghiêm trọng nhất, nó rất tiết kiệm và thân thiện với môi trường vì nó tái sử dụng uranium “đã được làm mới” của mình. Nó cũng không thể được sử dụng để sản xuất plutonium cấp độ vũ khí, điều này mở ra triển vọng rộng lớn nhất cho việc xuất khẩu nó.

VVER-1200

VVER-1200 là lò phản ứng thế hệ 3+ cải tiến có công suất 1150 MW. Nhờ sự độc đáo của nó Năng lực kỹ thuật, nó có độ an toàn vận hành gần như tuyệt đối. Lò phản ứng được trang bị đầy đủ các hệ thống an toàn thụ động sẽ hoạt động tự động ngay cả khi không có nguồn điện.

Một trong số đó là hệ thống loại bỏ nhiệt thụ động, được kích hoạt tự động khi lò phản ứng mất điện hoàn toàn. Trong trường hợp này, bể thủy lực khẩn cấp được cung cấp. Nếu có sự sụt giảm áp suất bất thường trong mạch sơ cấp, một lượng lớn nước chứa boron bắt đầu được cung cấp cho lò phản ứng, làm nguội phản ứng hạt nhân và hấp thụ neutron.

Một bí quyết khác nằm ở phần dưới của lớp vỏ bảo vệ - “bẫy” tan chảy. Nếu do tai nạn, lõi bị “rò rỉ”, “bẫy” sẽ không cho phép lớp vỏ ngăn chặn sụp đổ và sẽ ngăn các sản phẩm phóng xạ xâm nhập vào lòng đất.

Lò phản ứng hạt nhân có một nhiệm vụ: phân tách các nguyên tử trong phản ứng có kiểm soát và sử dụng năng lượng giải phóng để tạo ra năng lượng điện. Trong nhiều năm, các lò phản ứng được coi vừa là phép lạ vừa là mối đe dọa.

Khi lò phản ứng thương mại đầu tiên của Hoa Kỳ đi vào hoạt động tại Shippingport, Pennsylvania, vào năm 1956, công nghệ này đã được ca ngợi là nguồn năng lượng của tương lai và một số người tin rằng các lò phản ứng này sẽ khiến việc tạo ra điện trở nên quá rẻ. Hiện có 442 lò phản ứng hạt nhân được xây dựng trên toàn thế giới, khoảng 1/4 số lò phản ứng này là ở Mỹ. Thế giới đã trở nên phụ thuộc vào các lò phản ứng hạt nhân, sản xuất 14% điện năng. Những người theo chủ nghĩa tương lai thậm chí còn mơ tưởng về ô tô hạt nhân.

Khi lò phản ứng Đơn vị 2 tại Nhà máy điện Three Mile Island ở Pennsylvania gặp sự cố hệ thống làm mát và tan chảy một phần nhiên liệu phóng xạ vào năm 1979, cảm nhận nồng nhiệt về lò phản ứng đã thay đổi hoàn toàn. Mặc dù lò phản ứng bị phá hủy đã được ngăn chặn và không phát ra bức xạ nghiêm trọng, nhiều người bắt đầu coi các lò phản ứng này quá phức tạp và dễ bị tổn thương, có thể gây ra hậu quả thảm khốc. Người dân cũng lo ngại về chất thải phóng xạ từ các lò phản ứng. Kết quả là việc xây dựng các nhà máy điện hạt nhân mới ở Mỹ đã bị đình trệ. Khi một tai nạn nghiêm trọng hơn xảy ra tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl ở Liên Xô năm 1986, năng lượng hạt nhân dường như đã bị diệt vong.

Nhưng vào đầu những năm 2000, các lò phản ứng hạt nhân bắt đầu hoạt động trở lại do nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch ngày càng giảm, cũng như mối lo ngại ngày càng tăng về biến đổi khí hậu do phát thải carbon dioxide.

Nhưng vào tháng 3 năm 2011, một cuộc khủng hoảng khác lại xảy ra - lần này nhà máy điện hạt nhân Fukushima 1 ở Nhật Bản bị hư hại nặng nề do một trận động đất.

Cách sử dụng phản ứng hạt nhân

Nói một cách đơn giản, lò phản ứng hạt nhân sẽ tách các nguyên tử và giải phóng năng lượng giữ các bộ phận của chúng lại với nhau.

Nếu bạn đã quên vật lý Trung học phổ thông, chúng tôi sẽ nhắc bạn cách phân hạch hạt nhân làm. Nguyên tử như nhỏ bé hệ mặt trời, với lõi giống như Mặt trời và các electron giống như các hành tinh quay quanh nó. Hạt nhân được tạo thành từ các hạt gọi là proton và neutron, liên kết với nhau. Lực liên kết các phần tử của lõi thậm chí khó có thể tưởng tượng được. Nó mạnh gấp hàng tỷ lần so với lực hấp dẫn. Mặc dù vậy sức mạnh to lớn, bạn có thể tách hạt nhân bằng cách bắn neutron vào nó. Khi điều này được thực hiện, rất nhiều năng lượng sẽ được giải phóng. Khi các nguyên tử phân rã, các hạt của chúng đâm vào các nguyên tử gần đó, tách chúng ra, và những nguyên tử đó lần lượt là tiếp theo, tiếp theo và tiếp theo. Có một cái gọi là Phản ứng dây chuyền.

Uranium, một nguyên tố có nguyên tử lớn, rất lý tưởng cho quá trình phân hạch vì lực liên kết các hạt trong hạt nhân của nó tương đối yếu so với các nguyên tố khác. Lò phản ứng hạt nhân sử dụng một đồng vị đặc biệt gọi là bạnđã chạy-235 . Uranium-235 có bản chất rất hiếm, quặng từ các mỏ uranium chỉ chứa khoảng 0,7% Uranium-235. Đây là lý do tại sao lò phản ứng được sử dụng làm giàubạnvết thương, được tạo ra bằng cách tách và cô đặc Uranium-235 thông qua quá trình khuếch tán khí.

Một quá trình phản ứng dây chuyền có thể được tạo ra trong một quả bom nguyên tử, tương tự như những quả bom được thả xuống thành phố Hiroshima và Nagasaki của Nhật Bản trong Thế chiến thứ hai. Nhưng trong lò phản ứng hạt nhân, phản ứng dây chuyền được kiểm soát bằng cách chèn các thanh điều khiển làm bằng vật liệu như cadmium, hafnium hoặc boron để hấp thụ một số neutron. Điều này vẫn cho phép quá trình phân hạch giải phóng đủ năng lượng để làm nóng nước đến khoảng 270 độ C và biến nó thành hơi nước, dùng để quay tua-bin của nhà máy điện và tạo ra điện. Về cơ bản, trong trường hợp này, một quả bom hạt nhân có điều khiển hoạt động thay vì than để tạo ra điện, ngoại trừ năng lượng để đun sôi nước đến từ việc tách các nguyên tử thay vì đốt cháy carbon.

Linh kiện lò phản ứng hạt nhân

Có một vài nhiều loại khác nhau lò phản ứng hạt nhân, nhưng tất cả chúng đều có một số Đặc điểm chung. Tất cả đều có nguồn cung cấp nhiên liệu phóng xạ - thường là uranium oxit - được sắp xếp thành các ống để tạo thành các thanh nhiên liệu trong vùng hoạt độngelò phản ứng.

Lò phản ứng cũng có đề cập trước đó người quản lýegậyVà- làm bằng vật liệu hấp thụ neutron như cadmium, hafnium hoặc boron, được đưa vào để kiểm soát hoặc dừng phản ứng.

Lò phản ứng cũng có người điều hành, một chất làm chậm neutron và giúp kiểm soát quá trình phân hạch. Hầu hết các lò phản ứng ở Hoa Kỳ sử dụng nước thông thường, nhưng các lò phản ứng ở các nước khác đôi khi sử dụng than chì, hoặc nặngỒNướcTại, trong đó hydro được thay thế bằng deuterium, một đồng vị của hydro với một proton và một neutron. Một phần quan trọng khác của hệ thống là làm mátvà tôichất lỏngb, thường là nước thông thường, có tác dụng hấp thụ và truyền nhiệt từ lò phản ứng để tạo ra hơi làm quay tuabin và làm mát khu vực lò phản ứng để không đạt tới nhiệt độ mà uranium sẽ tan chảy (khoảng 3815 độ C).

Cuối cùng, lò phản ứng được bao bọc trong vỏ sòTại, một cấu trúc lớn, nặng, thường dày vài mét, được làm bằng thép và bê tông để giữ khí và chất lỏng phóng xạ bên trong nơi chúng không thể gây hại cho ai.

Có một số thiết kế khác nhau lò phản ứng đang được sử dụng, nhưng một trong những lò phản ứng phổ biến nhất là lò phản ứng điện nước áp lực (VVER). Trong một lò phản ứng như vậy, nước buộc phải tiếp xúc với lõi và sau đó tồn tại ở đó dưới áp suất đến mức không thể biến thành hơi. Nước này sau đó tiếp xúc với nước không có áp suất trong máy tạo hơi nước, biến thành hơi nước làm quay các tuabin. Ngoài ra còn có thiết kế lò phản ứng công suất cao loại kênh(RBMK) với một mạch nước và lò phản ứng neutron nhanh với hai mạch natri và một mạch nước.

Lò phản ứng hạt nhân an toàn đến mức nào?

Trả lời câu hỏi này khá khó và phụ thuộc vào người bạn hỏi và cách bạn định nghĩa “an toàn”. Bạn có lo ngại về bức xạ hoặc chất thải phóng xạ được tạo ra trong các lò phản ứng? Hay bạn lo lắng hơn về khả năng xảy ra tai nạn thảm khốc? Bạn coi mức độ rủi ro nào là sự đánh đổi có thể chấp nhận được để lấy lợi ích của năng lượng hạt nhân? Và bạn tin tưởng chính phủ và năng lượng hạt nhân ở mức độ nào?

"Bức xạ" là một lập luận mạnh mẽ, chủ yếu là vì tất cả chúng ta đều biết rằng liều lượng phóng xạ lớn, chẳng hạn như từ bom hạt nhân, có thể giết chết hàng nghìn người.

Tuy nhiên, những người ủng hộ năng lượng hạt nhân chỉ ra rằng tất cả chúng ta đều thường xuyên tiếp xúc với bức xạ từ có nhiều nguồn, bao gồm các tia vũ trụ và bức xạ tự nhiên do Trái đất phát ra. Liều bức xạ trung bình hàng năm là khoảng 6,2 millisievert (mSv), một nửa trong số đó đến từ các nguồn tự nhiên và một nửa đến từ các nguồn nhân tạo như tia X ngực, máy dò khói và mặt số đồng hồ phát sáng. Chúng ta nhận được bao nhiêu bức xạ từ các lò phản ứng hạt nhân? Chỉ một phần rất nhỏ trong số phần trăm phơi nhiễm thông thường hàng năm của chúng tôi là 0,0001 mSv.

Trong khi tất cả các nhà máy hạt nhân chắc chắn sẽ rò rỉ một lượng nhỏ phóng xạ, các ủy ban quản lý yêu cầu người vận hành nhà máy phải tuân thủ các yêu cầu nghiêm ngặt. Họ không thể để những người sống xung quanh nhà máy tiếp xúc với bức xạ hơn 1 mSv mỗi năm và công nhân tại nhà máy có ngưỡng 50 mSv mỗi năm. Con số này có vẻ nhiều, nhưng theo Ủy ban Điều tiết Hạt nhân, không có bằng chứng y tế nào cho thấy liều bức xạ hàng năm dưới 100 mSv gây ra bất kỳ rủi ro nào cho sức khỏe con người.

Nhưng điều quan trọng cần lưu ý là không phải ai cũng đồng ý với đánh giá tự mãn này về rủi ro bức xạ. Ví dụ, Bác sĩ vì trách nhiệm xã hội, một nhà phê bình lâu năm đối với ngành công nghiệp hạt nhân, đã nghiên cứu trẻ em sống xung quanh các nhà máy điện hạt nhân của Đức. Nghiên cứu cho thấy những người sống trong phạm vi 5 km cách nhà máy có nguy cơ mắc bệnh bạch cầu cao gấp đôi so với những người sống xa nhà máy điện hạt nhân.

Chất thải lò phản ứng hạt nhân

Năng lượng hạt nhân được những người đề xuất gọi là năng lượng "sạch" vì lò phản ứng không thải ra lượng lớn khí nhà kính vào khí quyển so với các nhà máy điện đốt than. Nhưng các nhà phê bình chỉ ra điều gì đó khác vấn đề môi trường- xử lý chất thải hạt nhân. Một số nhiên liệu đã qua sử dụng từ các lò phản ứng vẫn giải phóng phóng xạ. Những tài liệu không cần thiết khác cần được lưu lại là chất thải phóng xạ nồng độ cao, cặn lỏng từ quá trình tái xử lý nhiên liệu đã qua sử dụng, trong đó vẫn còn một ít uranium. Hiện tại, hầu hết chất thải này được lưu trữ cục bộ tại các nhà máy điện hạt nhân trong các ao nước, nơi hấp thụ một phần nhiệt còn lại do nhiên liệu đã qua sử dụng tạo ra và giúp bảo vệ công nhân khỏi bị phơi nhiễm phóng xạ.

Một trong những vấn đề với nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng là nó đã bị biến đổi bởi quá trình phân hạch. Khi các nguyên tử uranium lớn bị phân tách, chúng tạo ra các sản phẩm phụ—đồng vị phóng xạ của một số nguyên tố nhẹ như Caesium-137 và Strontium-90, được gọi là sản phẩm phân hạch. Chúng nóng và có tính phóng xạ cao, nhưng cuối cùng, trong khoảng thời gian 30 năm, chúng phân hủy thành các dạng ít nguy hiểm hơn. Thời kỳ này được kêu gọi cho họ PGiai đoạnomnửa đời. Các nguyên tố phóng xạ khác sẽ có chu kỳ bán rã khác nhau. Ngoài ra, một số nguyên tử uranium còn bắt giữ neutron, tạo thành các nguyên tố nặng hơn như Plutonium. Những nguyên tố siêu uranium này không tạo ra nhiều nhiệt hoặc bức xạ xuyên thấu như các sản phẩm phân hạch, nhưng chúng mất nhiều thời gian hơn để phân hủy. Ví dụ, Plutonium-239 có chu kỳ bán rã 24.000 năm.

Những cái này phóng xạerác thảiS cấp độ cao Các lò phản ứng gây nguy hiểm cho con người và các dạng sống khác vì chúng có thể giải phóng liều lượng phóng xạ khổng lồ, gây chết người ngay cả khi tiếp xúc trong thời gian ngắn. Ví dụ, mười năm sau khi loại bỏ nhiên liệu còn lại khỏi lò phản ứng, chúng đang phát ra lượng phóng xạ mỗi giờ cao hơn 200 lần so với lượng có thể giết chết một người. Và nếu chất thải kết thúc trong nước ngầm hoặc sông, chúng có thể xâm nhập vào chuỗi thức ăn và gây nguy hiểm cho số lượng lớn người dân.

Vì rác thải rất nguy hiểm nên nhiều người dân lâm vào hoàn cảnh khó khăn. 60.000 tấn chất thải nằm ở các nhà máy điện hạt nhân gần các thành phố lớn. Nhưng tìm nơi an toàn, việc lưu trữ chất thải là rất khó khăn.

Điều gì có thể xảy ra với lò phản ứng hạt nhân?

Với việc các cơ quan quản lý của chính phủ nhìn lại kinh nghiệm của mình, các kỹ sư đã dành rất nhiều thời gian trong nhiều năm để thiết kế các lò phản ứng nhằm đảm bảo an toàn tối ưu. Chỉ là chúng không hỏng hóc, hoạt động bình thường và có các biện pháp an toàn dự phòng nếu có điều gì đó không diễn ra theo đúng kế hoạch. Kết quả là, năm này qua năm khác, các nhà máy điện hạt nhân dường như khá an toàn so với việc di chuyển bằng đường hàng không, vốn thường xuyên giết chết từ 500 đến 1.100 người mỗi năm trên toàn thế giới.

Tuy nhiên, các lò phản ứng hạt nhân thường xuyên gặp sự cố lớn. Trên Thang đo sự kiện hạt nhân quốc tế, đánh giá các vụ tai nạn lò phản ứng từ 1 đến 7, đã có 5 vụ tai nạn kể từ năm 1957 với tỷ lệ từ 5 đến 7.

Cơn ác mộng tồi tệ nhất là hệ thống làm mát bị hỏng, dẫn đến nhiên liệu quá nóng. Nhiên liệu chuyển sang dạng lỏng và sau đó đốt cháy qua thùng chứa, giải phóng bức xạ phóng xạ. Năm 1979, Tổ máy số 2 tại nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island (Mỹ) đứng trước kịch bản này. May mắn thay, một hệ thống ngăn chặn được thiết kế tốt đủ mạnh để ngăn bức xạ thoát ra ngoài.

Liên Xô kém may mắn hơn. Một vụ tai nạn hạt nhân nghiêm trọng xảy ra vào tháng 4 năm 1986 tại tổ máy số 4 của nhà máy điện hạt nhân Chernobyl. Điều này xảy ra do sự kết hợp của các lỗi hệ thống, lỗi thiết kế và nhân viên được đào tạo kém. Trong quá trình kiểm tra định kỳ, phản ứng đột ngột tăng cường và các thanh điều khiển bị kẹt, ngăn cản việc tắt máy khẩn cấp. Sự tích tụ hơi nước đột ngột gây ra hai vụ nổ nhiệt, ném chất điều tiết than chì của lò phản ứng lên không trung. Trong trường hợp không có bất cứ thứ gì để làm mát các thanh nhiên liệu của lò phản ứng, chúng bắt đầu quá nóng và sụp đổ hoàn toàn, do đó nhiên liệu chuyển sang dạng lỏng. Nhiều công nhân nhà ga và người thanh lý tai nạn đã thiệt mạng. Một lượng lớn bức xạ lan rộng trên diện tích 323.749 km2. Số ca tử vong do phóng xạ vẫn chưa rõ ràng nhưng Tổ chức Y tế Thế giới cho biết nó có thể đã gây ra 9.000 ca tử vong do ung thư.

Các nhà sản xuất lò phản ứng hạt nhân cung cấp sự đảm bảo dựa trên đánh giá xác suấte, trong đó họ cố gắng cân bằng giữa tác hại tiềm tàng của một sự kiện với khả năng nó thực sự xảy ra. Nhưng một số nhà phê bình cho rằng thay vào đó họ nên chuẩn bị cho những sự kiện hiếm gặp, bất ngờ nhưng cực kỳ nguy hiểm. Một trường hợp điển hình là vụ tai nạn tháng 3 năm 2011 tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima 1 ở Nhật Bản. Trạm này được cho là được thiết kế để chịu được trận động đất mạnh, nhưng không thảm khốc như trận động đất mạnh 9,0 độ richter gây ra sóng thần cao 14 mét trên các con đê được thiết kế để chống chọi với sóng cao 5,4 mét. Sự tấn công dữ dội của sóng thần đã phá hủy các máy phát điện diesel dự phòng nhằm cung cấp năng lượng cho hệ thống làm mát của sáu lò phản ứng của nhà máy trong trường hợp mất điện. trỗi dậy một cách nguy hiểm bên trong những lò phản ứng bị phá hủy.

Các quan chức Nhật Bản đã dùng đến biện pháp cuối cùng - đổ một lượng lớn nước biển có chất phụ gia vào các lò phản ứng. axit boric, có thể ngăn chặn thảm họa nhưng lại phá hủy thiết bị của lò phản ứng. Cuối cùng, với sự trợ giúp của xe cứu hỏa và xà lan, người Nhật đã có thể bơm nước ngọt vào các lò phản ứng. Nhưng vào thời điểm đó, việc giám sát đã cho thấy mức độ phóng xạ đáng báo động ở vùng đất và nước xung quanh. Tại một ngôi làng cách nhà máy 40 km, nguyên tố phóng xạ Caesium-137 được tìm thấy ở mức cao hơn nhiều so với sau thảm họa Chernobyl, làm dấy lên nghi ngờ về khả năng con người sinh sống trong khu vực.

Lò phản ứng hạt nhân hoạt động trơn tru và hiệu quả. Nếu không, như bạn biết, sẽ có rắc rối. Nhưng chuyện gì đang xảy ra bên trong vậy? Chúng ta hãy thử xây dựng nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân (hạt nhân) một cách ngắn gọn, rõ ràng, có điểm dừng.

Về bản chất, quá trình tương tự đang diễn ra ở đó như trong một vụ nổ hạt nhân. Chỉ có điều vụ nổ xảy ra rất nhanh và trong lò phản ứng tất cả đều kéo dài ra thời gian dài. Kết quả là mọi thứ vẫn an toàn và chúng ta nhận được năng lượng. Không đến mức mọi thứ xung quanh sẽ bị phá hủy ngay lập tức, nhưng khá đủ để cung cấp điện cho thành phố.

Trước khi hiểu phản ứng hạt nhân có kiểm soát xảy ra như thế nào, bạn cần biết nó là gì. phản ứng hạt nhân ở tất cả.

Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi (phân hạch) hạt nhân nguyên tử khi chúng tương tác với các hạt cơ bản và tia gamma.

Phản ứng hạt nhân có thể xảy ra với cả sự hấp thụ và giải phóng năng lượng. Lò phản ứng sử dụng phản ứng thứ hai.

Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị có mục đích duy trì phản ứng hạt nhân có kiểm soát bằng cách giải phóng năng lượng.

Thông thường lò phản ứng hạt nhân còn được gọi là lò phản ứng nguyên tử. Chúng ta hãy lưu ý rằng không có sự khác biệt cơ bản ở đây, nhưng từ quan điểm của khoa học thì dùng từ “hạt nhân” sẽ đúng hơn. Hiện nay có nhiều loại lò phản ứng hạt nhân. Đó là những lò phản ứng công nghiệp khổng lồ được thiết kế để tạo ra năng lượng trong các nhà máy điện, lò phản ứng hạt nhân của tàu ngầm, lò phản ứng thực nghiệm nhỏ dùng trong thí nghiệm khoa học. Thậm chí có những lò phản ứng được sử dụng để khử muối trong nước biển.

Lịch sử hình thành lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên được khởi động vào năm 1942 không xa. Điều này đã xảy ra ở Mỹ dưới sự lãnh đạo của Fermi. Lò phản ứng này được gọi là "Đống gỗ Chicago".

Năm 1946, lò phản ứng đầu tiên của Liên Xô, dưới sự lãnh đạo của Kurchatov, bắt đầu hoạt động. Thân của lò phản ứng này là một quả bóng có đường kính bảy mét. Các lò phản ứng đầu tiên không có hệ thống làm mát và công suất của chúng ở mức tối thiểu. Nhân tiện, lò phản ứng của Liên Xô có công suất trung bình là 20 Watts, còn lò phản ứng của Mỹ chỉ có 1 Watt. Để so sánh: công suất trung bình của các lò phản ứng điện hiện đại là 5 Gigawatt. Chưa đầy mười năm sau khi khởi động lò phản ứng đầu tiên, nhà máy điện hạt nhân công nghiệp đầu tiên trên thế giới đã được khai trương tại thành phố Obninsk.

Nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân (hạt nhân)

Bất kỳ lò phản ứng hạt nhân nào cũng có một số bộ phận: cốt lõi Với nhiên liệu Và người điều hành , phản xạ neutron , chất làm mát , Hệ thống điều khiển và bảo vệ . Đồng vị thường được sử dụng làm nhiên liệu trong lò phản ứng. uranium (235, 238, 233), plutoni (239) và thori (232). Lõi là một nồi hơi mà qua đó nước thông thường (chất làm mát) chảy qua. Trong số các chất làm mát khác, “nước nặng” và than chì lỏng ít được sử dụng hơn. Nếu nói về hoạt động của các nhà máy điện hạt nhân thì lò phản ứng hạt nhân được sử dụng để tạo ra nhiệt. Bản thân điện được tạo ra bằng phương pháp tương tự như ở các loại nhà máy điện khác - hơi nước làm quay tuabin và năng lượng chuyển động được chuyển thành năng lượng điện.

Dưới đây là sơ đồ hoạt động của lò phản ứng hạt nhân.

Như chúng ta đã nói, sự phân rã của hạt nhân uranium nặng tạo ra các nguyên tố nhẹ hơn và một số neutron. Các neutron sinh ra va chạm với các hạt nhân khác, cũng khiến chúng phân hạch. Đồng thời, số lượng neutron tăng lên như một trận tuyết lở.

Cần phải đề cập ở đây hệ số nhân neutron . Vì vậy, nếu hệ số này vượt quá giá trị bằng một, vụ nổ hạt nhân. Nếu giá trị nhỏ hơn một thì có quá ít neutron và phản ứng sẽ kết thúc. Nhưng nếu bạn duy trì giá trị của hệ số bằng 1 thì phản ứng sẽ diễn ra lâu dài và ổn định.

Câu hỏi là làm thế nào để làm điều này? Trong lò phản ứng, nhiên liệu ở trạng thái gọi là yếu tố nhiên liệu (TVELakh). Đây là những thanh chứa, ở dạng viên nhỏ, nhiên liệu hạt nhân . Các thanh nhiên liệu được nối thành các băng hình lục giác, trong đó có thể có hàng trăm thanh trong lò phản ứng. Các băng chứa các thanh nhiên liệu được bố trí theo chiều dọc và mỗi thanh nhiên liệu có một hệ thống cho phép bạn điều chỉnh độ sâu ngâm của nó vào lõi. Ngoài các băng cassette, chúng còn bao gồm thanh điều khiển Và thanh bảo vệ khẩn cấp . Các thanh được làm bằng vật liệu hấp thụ neutron tốt. Nhờ đó, các thanh điều khiển có thể được hạ xuống ở các độ sâu khác nhau trong lõi, từ đó điều chỉnh được hệ số nhân neutron. Thanh khẩn cấp được thiết kế để tắt lò phản ứng trong trường hợp khẩn cấp.

Lò phản ứng hạt nhân được khởi động như thế nào?

Chúng ta đã tự mình tìm ra nguyên lý hoạt động, nhưng làm thế nào để khởi động và làm cho lò phản ứng hoạt động? Nói một cách đại khái, nó đây - một mảnh uranium, nhưng phản ứng dây chuyền không tự bắt đầu trong đó. Thực tế là trong vật lý hạt nhân có một khái niệm khối lượng tới hạn .

Khối lượng tới hạn là khối lượng vật liệu phân hạch cần thiết để bắt đầu phản ứng dây chuyền hạt nhân.

Với sự trợ giúp của các thanh nhiên liệu và thanh điều khiển, một khối lượng nhiên liệu hạt nhân tới hạn trước tiên được tạo ra trong lò phản ứng, sau đó lò phản ứng được đưa đến mức công suất tối ưu trong một số giai đoạn.

Trong bài viết này chúng tôi đã cố gắng cung cấp cho bạn ý tưởng chung về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân (hạt nhân). Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào về chủ đề này hoặc đã được hỏi một vấn đề về vật lý hạt nhân ở trường đại học, vui lòng liên hệ tới các chuyên gia của công ty chúng tôi. Như thường lệ, chúng tôi sẵn sàng giúp bạn giải quyết mọi vấn đề cấp bách liên quan đến việc học của bạn. Và trong khi chúng ta đang nói về điều đó, đây là một video giáo dục khác mà bạn có thể chú ý!