Kernreactor, werkingsprincipe, werking van een kernreactor.

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 voor het opwekken van elektriciteit en als aandrijving grote schepen. Om ons de kracht en efficiëntie van kernreactoren voor te stellen, 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. 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, dus het werkte 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. Atoomsplijting, het aantal verval neemt toe geometrische progressie, wat uiteindelijk leidt tot een bliksemsnelle, naar onze maatstaven, vrijkomende hoeveelheid energie: er vindt een atoomexplosie plaats als gevolg van een oncontroleerbare kettingreactie.

Echter, binnen kernreactor waar wij mee te maken hebben gecontroleerde kernreactie. Hoe dit mogelijk wordt, wordt hieronder 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.

VVER 1000 reactor 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.

TVEL-raktor RBMK. Structuur van het splijtstofelement van de RBMK-reactor: 1 - plug; 2 - uraniumdioxidetabletten; 3 - zirkoniumschaal; 4 - lente; 5 - bus; 6 - fooi.

TVEL bevat ook een veersysteem om brandstofpellets op hetzelfde niveau te houden, waardoor het mogelijk wordt om de diepte van onderdompeling/verwijdering van brandstof in de kern nauwkeuriger te regelen. Ze worden geassembleerd in zeshoekige cassettes, die elk enkele tientallen brandstofstaven bevatten. Het koelmiddel stroomt door de kanalen in elke cassette.

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 een voorbeeld nemen van gegevens 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 controlesysteem. 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 afgesloten 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 Kerncentrale van Tsjernobyl was uitgerust met de juiste biologische bescherming, zoals de huidige sarcofaag, dan kostte de ramp de mensheid veel minder.

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 transitie 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, dan 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 welteverstaan chemische reacties Zo'n stijging bedraagt ​​gewoonlijk honderden Kelvins, maar in het geval van kernreacties is deze minstens 10 7 vanwege de zeer hoge hoogte van de Coulomb-barrières 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 individuele reactieactie bedoelen, maar de productie van energie op macroscopische schaal, dan is dit alleen mogelijk als er een kettingreactie optreedt. Dit laatste gebeurt wanneer de deeltjes die de reactie opwekken weer verschijnen als producten van een exo-energetische reactie.

Ontwerp

Elke 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:

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 van deze compositie 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”:

• 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. Kritische massa- de massa van het splijtbare materiaal van de reactor, die zich in een kritische toestand bevindt.

Reactoren die brandstof als brandstof gebruiken, hebben de laagste kritische massa. waterige oplossingen zouten van zuivere splijtbare isotopen met een waterneutronenreflector. 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 over een berylliumoxidereflector beschikte, 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

Jodiumput - een toestand van een kernreactor nadat deze is uitgeschakeld, gekenmerkt door de accumulatie van de kortlevende isotoop xenon. Dit proces leidt tot het tijdelijk optreden 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 "close grid" 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)

Door ontwerp

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 bij hoge temperaturen. 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:

1. 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 keer groter dan die van de stationaire put. verandering in Keff veroorzaakt door 135 Xe-vergiftiging.
2. 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 maten reactor. Oscillatieperiodes ˜ 10 uur.

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

In het geval van een volledige brandstofwissel heeft de reactor een overmatige reactiviteit die gecompenseerd moet worden, terwijl in het tweede geval alleen compensatie nodig is wanneer de reactor voor het eerst wordt gestart. 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 snelle neutronen 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 geval van anders noodsituaties In elke reactor wordt voorzien in 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.
• Sjoekoljoekov A. Yu. Natuurlijke kernreactor." “Chemistry and Life” nr. 6, 1980, p. 20-24

Opmerkingen

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

Een kernreactor is een apparaat waarin een gecontroleerde nucleaire kettingreactie plaatsvindt, waarbij energie vrijkomt.

Verhaal

Een zichzelf onderhoudende gecontroleerde kettingreactie van kernsplijting (kortweg kettingreactie) werd voor het eerst uitgevoerd in december 1942. Een groep natuurkundigen Universiteit van Chicago, geleid door E. Fermi, bouwde 's werelds eerste kernreactor, genaamd SR-1. Het bestond uit grafietblokken, waartussen zich ballen van natuurlijk uranium en zijn dioxide bevonden. Snelle neutronen die verschijnen na kernsplijting 235U, werden door grafiet vertraagd tot thermische energieën en veroorzaakten vervolgens nieuwe kernsplijtingen. Reactoren zoals SR-1, waarin de meeste splijtingen plaatsvinden onder invloed van thermische neutronen, worden thermische neutronenreactoren genoemd. Ze bevatten veel moderator vergeleken met uranium.

IN USSR theoretische en experimentele studies naar de kenmerken van het opstarten, de werking en de controle van reactoren werden uitgevoerd door een groep natuurkundigen en ingenieurs onder leiding van een academicus I.V. Kurchatova. De eerste Sovjetreactor F1 op 25 december 1946 in kritieke toestand geplaatst. De F-1 reactor is gemaakt van grafietblokken en heeft de vorm van een bal met een diameter van ongeveer 7,5 m. In het centrale deel van de bal met een diameter van 6 m zit uranium staven worden door gaten in de grafietblokken geplaatst. De resultaten van onderzoek aan de F-1-reactor werden de basis voor projecten van complexere industriële reactoren. In 1949 werd een reactor voor de productie van plutonium in gebruik genomen en op 27 juni 1954 werd in Obninsk de eerste kerncentrale ter wereld met een elektrisch vermogen van 5 MW in gebruik genomen.

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 transitie 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, dan 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, d.w.z. chemische reacties, bedraagt ​​een dergelijke toename gewoonlijk honderden graden Kelvin, maar in het geval van kernreacties bedraagt ​​deze ten minste 107°K vanwege de zeer hoge hoogte van de Coulomb-barrières 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 individuele reactieactie bedoelen, maar de productie van energie op macroscopische schaal, dan is dit alleen mogelijk als er een kettingreactie optreedt. Dit laatste gebeurt wanneer de deeltjes die de reactie opwekken weer verschijnen als producten van een exo-energetische reactie.

Schematische structuur van een heterogene thermische neutronenreactor1 - regelstaaf; 2 - biologische bescherming; 3 - thermische beveiliging; 4 - moderator; 5 - nucleaire brandstof; 6 - koelvloeistof.

Schematisch ontwerp van een heterogene thermische neutronenreactor

bedieningsstang;

biologische bescherming;

thermische bescherming;

moderator;

nucleaire brandstof;

koelmiddel.

Ontwerp

Elke kernreactor bestaat uit de volgende onderdelen:

Kern met nucleaire brandstof en moderator;

Neutronenreflector rond de kern;

Koelmiddel;

Kettingreactiecontrolesysteem, inclusief noodbeveiliging

Stralingsbescherming

Afstandsbedieningssysteem

Het belangrijkste kenmerk van een reactor is het vermogen. Een vermogen van 1 MW komt overeen met een kettingreactie waarbij in 1 seconde 3.1016 splijtingen plaatsvinden.

Fysieke werkingsprincipes

De huidige toestand van een kernreactor kan worden gekarakteriseerd door de effectieve nk of reactiviteit ρ, die verband houden met 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 bevindt zich in een superkritische toestand, de reactiviteit ervan ρ > 0;

k< 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, ρ < 0;

k = 1, ρ = 0 - het aantal kernsplijtingen is constant, de reactor bevindt zich in een stabiele kritische toestand.

Kritiekheidsvoorwaarde voor een kernreactor:

ω is het aandeel volledig nummer neutronen gegenereerd in de reactor, geabsorbeerd in de reactorkern, of de waarschijnlijkheid dat neutronen lekkage uit het uiteindelijke volume vermijden.

k 0 is de nin een oneindig grote kern.

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< k0, поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны

k0 voor thermische reactoren kan worden bepaald met behulp van de zogenaamde “formule van 4 factoren”:

μ — sneller;

φ is de waarschijnlijkheid dat resonantievangst wordt vermeden;

θ — benuttingsfactor van thermische neutronen;

η is de neutronenopbrengst per absorptie.

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

Het kritische volume van een kernreactor is het volume van de reactorkern in een kritische toestand. Kritische massa is de massa splijtbaar materiaal in een 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. Theoretisch heeft 251 Cf 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 van (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. Het is ook mogelijk om een ​​externe neutronenbron te gebruiken om de reactor te starten, bijvoorbeeld een mengsel van Ra en Be, 252 Cf of andere stoffen.

Jodium put

Jodiumput is een toestand van een kernreactor nadat deze is uitgeschakeld, gekenmerkt door de accumulatie van een kortlevende isotoop van xenon (135 Xe). Dit proces leidt tot het tijdelijk optreden 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

Door de aard van het gebruik

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

Experimentele reactoren ontworpen om verschillende fysieke grootheden te bestuderen waarvan de betekenis noodzakelijk is voor het ontwerp en de werking van kernreactoren; het vermogen van dergelijke reactoren bedraagt ​​niet meer dan enkele kW;

Onderzoeksreactoren, waarin de in de kern gecreëerde neutronen- en γ-quantastromen 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 neutronenstromen (inclusief . onderdelen van kernreactoren), voor de productie van isotopen. Het vermogen van onderzoeksreactoren bedraagt ​​niet meer dan 100 MW; De vrijkomende energie wordt in de regel niet gebruikt.

Isotopenreactoren (wapens, industriële reactoren) die worden gebruikt voor de productie van isotopen die worden gebruikt in kernwapens, bijvoorbeeld 239Pu.

Energiereactoren ontworpen voor de productie van elektrische en thermische energie die worden gebruikt in de energiesector, voor de ontzilting van water, voor de aandrijving van scheepsenergiecentrales, enz.; Het thermische vermogen van een moderne energiereactor bereikt 3-5 GW.

Volgens het neutronenspectrum

Thermische neutronenreactor (“thermische reactor”)

Snelle neutronenreactor ("snelle reactor")

Tussenliggende neutronenreactor

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).

Kernbrandstofblokken in een heterogene reactor worden splijtstofelementen (brandstofelementen) genoemd, die in de kern worden geplaatst op de knooppunten van een regelmatig rooster en cellen vormen.

Per brandstoftype

Naar mate van verrijking:

Natuurlijk uranium

Licht verrijkt uranium

Zuiver splijtbare isotoop

Volgens chemische samenstelling:

metalen U

UO 2 (uraniumdioxide)

UC (uraniumcarbide), enz.

Op type koelvloeistof

H 2 O (water, zie water-waterreactor)

Gas, (zie Grafietgasreactor)

Organisch gekoelde reactor

Vloeibaar metaalgekoelde reactor

Gesmolten zoutreactor

Op type moderator

C (grafiet, zie Grafiet-gasreactor, Grafiet-waterreactor)

H 2 O (water, zie Lichtwaterreactor, Water-waterreactor, VVER)

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

Metaalhydriden

Zonder vertrager

Door ontwerp

Scheepsreactoren

Kanaalreactoren

Door stoomgeneratiemethode

Reactor met externe stoomgenerator

Kookreactor

Aan het begin van de 21e eeuw zijn de meest voorkomende heterogene kernreactoren die thermische neutronen gebruiken met moderatoren - H 2 O, C, D 2 O en koelmiddelen - H 2 O, gas, D 2 O, bijvoorbeeld water-water VVER , kanaal RBMK.

Snelle reactoren zijn ook veelbelovend. De brandstof daarin is 238U, wat het mogelijk maakt om het gebruik van kernbrandstof tientallen keren te verbeteren in vergelijking met thermische reactoren, dit vergroot de hulpbronnen van kernenergie aanzienlijk.

Reactormaterialen

De materialen waaruit reactoren zijn gebouwd, werken bij hoge temperaturen op het gebied van neutronen, γ-quanta 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.

Omhulsels van brandstofelementen, kanalen en moderators (reflectoren) zijn gemaakt van materialen met kleine absorptiedoorsneden. Het gebruik van materialen die neutronen zwak absorberen, vermindert de verkwistende consumptie van neutronen, vermindert de belasting van splijtstof en verhoogt de reproductiecoëfficiënt van neutronen. Voor absorberstaven zijn daarentegen materialen met een grote absorptiedoorsnede geschikt. Dit vermindert aanzienlijk het aantal staven dat nodig is om de reactor te besturen.

Snelle neutronen, γ-quanta en splijtingsfragmenten beschadigen de structuur van materie. In vaste materie slaan snelle neutronen dus atomen uit het kristalrooster of verplaatsen ze van hun plaats. Als gevolg hiervan verslechteren de plastische eigenschappen en de thermische geleidbaarheid van materialen. Complexe moleculen worden door straling afgebroken tot eenvoudigere moleculen of samenstellende atomen. Water valt bijvoorbeeld uiteen in zuurstof en waterstof. Dit fenomeen staat bekend als waterradiolyse.

De stralingsinstabiliteit van materialen heeft minder effect bij hoge temperaturen. 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 (splijtstofbekleding met koelmiddel en splijtstof, brandstofcassettes met koelmiddel en moderator, etc.). Uiteraard moeten de contactmaterialen chemisch inert (compatibel) zijn. Een voorbeeld van onverenigbaarheid is dat uranium en heet water een chemische reactie aangaan.

Voor de meeste materialen verslechteren de sterkte-eigenschappen sterk bij toenemende temperatuur. In 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 Pu-isotopen, gevormd. Het effect van splijtingsfragmenten op de reactiviteit van een kernreactor wordt vergiftiging (voor radioactieve fragmenten) en slakken (voor stabiele isotopen) genoemd.

De belangrijkste oorzaak van reactorvergiftiging is 135 Xe, dat de grootste neutronenabsorptiedoorsnede heeft (2,6 x 106 schuur). Halfwaardetijd van 135 Xe T½ = 9,2 uur; Het splijtingsrendement bedraagt ​​6-7%. Het grootste deel van 135Xe wordt gevormd als gevolg van het verval van 135I (T½ = 6,8 uur). Bij vergiftiging verandert Cef 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 = 5·1018 neutronen/(cm 2 ·sec) is de duur van de jodiumput ˜ 30 uur, en de diepte is 2 keer groter dan die van de stationaire put. verandering in Kef 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 > 1018 neutronen/(cm 2 sec) en grote reactorgroottes. Oscillatieperiodes ˜ 10 uur.

Kernsplijting produceert een groot aantal stabiele fragmenten, die qua absorptiedwarsdoorsnede verschillen van de absorptiedwarsdoorsnede van de splijtbare isotoop. De concentratie van fragmenten met een grote absorptiedwarsdoorsnede bereikt een verzadiging binnen de eerste paar dagen dat de reactor in bedrijf is. Dit is voornamelijk 149Sm, waardoor Kef met 1%) verandert. De concentratie van fragmenten met een kleine absorptiedwarsdoorsnede en de negatieve reactiviteit die ze introduceren nemen lineair toe met de tijd.

De vorming van transurane elementen in een kernreactor vindt plaats volgens de volgende schema's:

235 U + n → 236 U + n → 237 U →(7 dagen) → 237 Np + n → 238 Np →(2,1 dagen) → 238 Pu

238 U + n → 239 U →(23 min) → 239 Np →(2,3 dagen) → 239 Pu (+fragmenten) + n → 240 Pu + n → 241 Pu (+fragmenten) + n → 242 Pu + n → 243 Pu →(5 uur) → 243 uur + n → 244 uur →(26 min) → 244 cm

De tijd tussen de pijlen geeft de halfwaardetijd aan, "+n" geeft de neutronenabsorptie aan.

Aan het begin van de werking van de reactor vindt een lineaire accumulatie van 239 Pu plaats, en hoe sneller (met een vaste verbranding van 235 U) hoe lager de uraniumverrijking. Verder neigt de concentratie van 239Pu naar een constante waarde, die niet afhangt van de mate van verrijking, maar wordt bepaald door de verhouding van de neutronenvangstdoorsneden van 238 U en 239Pu. Karakteristieke tijd het vaststellen van een evenwichtsconcentratie van 239 Pu ˜ 3/F jr (F in eenheden van 1013 neutronen/cm 2 ×sec). De isotopen 240 Pu en 241 Pu bereiken pas evenwichtsconcentraties wanneer brandstof opnieuw wordt verbrand in een kernreactor na regeneratie van splijtstof.

De verbranding van kernbrandstof wordt gekarakteriseerd door de totale energie die per 1 brandstof in de reactor vrijkomt. Deze waarde is:

˜ 10 GW dag/t - reactoren op zwaar water;

˜ 20-30 GW dag/t - reactoren die zwak verrijkt uranium gebruiken (2-3% 235U);

tot 100 GW dag/ton – snelle neutronenreactoren.

Een verbranding van 1 GW dag/ton komt overeen met de verbranding van 0,1% kernbrandstof.

Naarmate de brandstof opbrandt, neemt de reactiviteit van de reactor af. Vervanging van verbrande brandstof wordt onmiddellijk vanuit de gehele kern of geleidelijk uitgevoerd, waardoor splijtstofstaven van verschillende "leeftijden" in bedrijf blijven. Deze modus wordt continu tanken genoemd.

In het geval van een volledige brandstofwissel heeft de reactor een overmatige reactiviteit die gecompenseerd moet worden, terwijl in het tweede geval alleen compensatie nodig is wanneer de reactor voor het eerst wordt gestart. 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 heeft gewerkt voordat hij werd uitgeschakeld, bedraagt ​​de energieafgifte 2 minuten na het uitschakelen ongeveer 3%, na 1 uur - 1%, na 24 uur - 0,4%, na een jaar - 0,05%.

De verhouding tussen de hoeveelheid splijtbare Pu-isotopen die in een kernreactor worden gevormd en de hoeveelheid verbrand 235 U wordt de conversiecoëfficiënt KK genoemd. De KK-waarde neemt toe met afnemende verrijking en verbranding. Voor een zwaarwaterreactor die natuurlijk uranium gebruikt, is KK bij een verbranding van 10 GW dag/ton KK = 0,55, en bij kleine verbranding (in dit geval wordt KK de initiële plutoniumcoëfficiënt genoemd) KK = 0,8. Als een kernreactor brandt en dezelfde isotopen produceert (kweekreactor), dan wordt de verhouding tussen de kweeksnelheid en de verbrandingssnelheid de kweekfactor KB genoemd. In kernreactoren die thermische neutronen KV gebruiken< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах КВ может достигать 1,4—1,5. Рост КВ для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g растёт, а а падает.

Controle van kernreactoren

Een kernreactor kan alleen lange tijd op een bepaald vermogen functioneren als hij bij aanvang van de werking over een reactiviteitsreserve beschikt. De processen die in de reactor plaatsvinden veroorzaken een verslechtering van de vermenigvuldigingseigenschappen van het medium, en zonder een mechanisme voor het herstellen van de reactiviteit zou de reactor zelfs voor een korte tijd niet kunnen functioneren. De initiële reactiviteitsreserve wordt gecreëerd door een kern te construeren met afmetingen die de kritische afmetingen aanzienlijk overschrijden. Om te voorkomen dat de reactor superkritisch wordt, worden neutronenabsorberende stoffen in de kern gebracht. Absorbers maken deel uit van het materiaal van regelstaven die langs de overeenkomstige kanalen in de kern bewegen. Bovendien, als slechts een paar staafjes voldoende zijn voor regulering, kan het aantal staafjes ter compensatie van de aanvankelijke overmatige reactiviteit oplopen tot honderden. De compensatiestaven worden geleidelijk uit de reactorkern verwijderd, waardoor een kritieke toestand gedurende de gehele werking ervan wordt gegarandeerd. Verbrandingscompensatie kan ook worden bereikt door speciale absorbers te gebruiken, waarvan de effectiviteit afneemt wanneer ze neutronen (Cd, B, zeldzame aardelementen) of oplossingen van absorberende stoffen in de moderator vangen.

De controle over een kernreactor wordt vereenvoudigd door het feit dat tijdens splijting een deel van de neutronen uit de fragmenten vliegt met een vertraging die kan variëren van 0,2 tot 55 seconden. Dankzij dit verandert de neutronenflux en dienovereenkomstig het vermogen vrij soepel, waardoor er tijd is om een ​​beslissing te nemen en de toestand van de reactor van buitenaf te veranderen.

Voor de besturing van een kernreactor wordt gebruik gemaakt van een controle- en beveiligingssysteem (CPS). CPS-organen zijn onderverdeeld in:

Noodsituatie, vermindering van de reactiviteit (introductie van negatieve reactiviteit in de reactor) wanneer noodsignalen verschijnen;

Automatische regelaars die een constante neutronenflux F (dat wil zeggen uitgangsvermogen) handhaven;

Compenserend, ter compensatie van vergiftiging, burn-out, temperatuureffecten.

Om de reactor te besturen worden in de meeste gevallen staven gebruikt die in de kern worden gestoken en gemaakt zijn van materialen die neutronen sterk absorberen (Cd, B, enz.). De beweging van de staven wordt gecontroleerd door speciale mechanismen die werken op basis van signalen van apparaten die gevoelig zijn voor de omvang van de neutronenflux.

De werking van regelstaven is merkbaar vereenvoudigd voor reactoren met een negatieve temperatuurreactiviteitscoëfficiënt (r neemt af bij toenemende temperatuur).

Op basis van informatie over de toestand van de reactor genereert een speciaal computercomplex aanbevelingen voor de operator om de toestand van de reactor te veranderen, of, binnen bepaalde grenzen, wordt de reactor bestuurd zonder deelname van de operator.

In het geval van een onvoorziene catastrofale ontwikkeling van een kettingreactie, is elke reactor voorzien van een noodstopzetting van de kettingreactie, uitgevoerd door speciale noodstaven of veiligheidsstaven in de kern te laten vallen - een noodbeschermingssysteem.

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 ons de kracht en efficiëntie van kernreactoren voor te stellen, 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. 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, dus het werkte 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 waar wij mee te maken hebben 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.

VVER 1000 reactor 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 controlesysteem. 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 afgesloten 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.

Het belang van kernenergie in de moderne wereld

Kernenergie heeft de afgelopen decennia enorme vooruitgang geboekt en is voor veel landen een van de belangrijkste elektriciteitsbronnen geworden. Tegelijkertijd moet eraan worden herinnerd dat de ontwikkeling van deze industrie nationale economie zijn de enorme inspanningen van tienduizenden wetenschappers, ingenieurs en gewone arbeiders die er alles aan doen om ervoor te zorgen dat het ‘vreedzame atoom’ niet verandert in echte dreiging voor miljoenen mensen. De echte kern van elke kerncentrale is de kernreactor.

Geschiedenis van de oprichting van een kernreactor

Het eerste dergelijke apparaat werd op het hoogtepunt van de Tweede Wereldoorlog in de VS gebouwd door de beroemde wetenschapper en ingenieur E. Fermi. Vanwege zijn bijzondere uiterlijk, dat leek op een stapel op elkaar gestapelde grafietblokken, werd deze kernreactor de Chicago Stack genoemd. Het is vermeldenswaard dat dit apparaat werkte op uranium, dat precies tussen de blokken was geplaatst.

Oprichting van een kernreactor in de Sovjet-Unie

In ons land werd ook meer aandacht besteed aan nucleaire kwesties. Ondanks het feit dat de belangrijkste inspanningen van wetenschappers geconcentreerd waren op het militaire gebruik van het atoom, gebruikten ze de verkregen resultaten actief voor vreedzame doeleinden. De eerste kernreactor, met de codenaam F-1, werd eind december 1946 gebouwd door een groep wetenschappers onder leiding van de beroemde natuurkundige I. Kurchatov. Het grote nadeel was de afwezigheid van enig soort koelsysteem, dus de energie die vrijkwam was uiterst onbeduidend. Tegelijkertijd voltooiden Sovjetonderzoekers het werk waarmee ze waren begonnen, wat resulteerde in de opening slechts acht jaar later van 's werelds eerste kerncentrale in de stad Obninsk.

Werkingsprincipe van de reactor

Een kernreactor is een uiterst complex en gevaarlijk technisch apparaat. Het werkingsprincipe is gebaseerd op het feit dat tijdens het verval van uranium verschillende neutronen vrijkomen, die op hun beurt elementaire deeltjes uit naburige uraniumatomen uitschakelen. Bij deze kettingreactie komt een aanzienlijke hoeveelheid energie vrij in de vorm van warmte en gammastraling. Tegelijkertijd moet er rekening mee worden gehouden dat als deze reactie op geen enkele manier wordt gecontroleerd, de splijting van uraniumatomen in de kortst mogelijke tijd kan leiden tot een krachtige explosie met ongewenste gevolgen.

Om de reactie binnen strikt gedefinieerde grenzen te laten verlopen, is het ontwerp van een kernreactor van groot belang. Momenteel is elke dergelijke structuur een soort ketel waardoor koelvloeistof stroomt. Meestal wordt hiervoor water gebruikt, maar er zijn kerncentrales die vloeibaar grafiet of zwaar water gebruiken. Het is onmogelijk om een ​​moderne kernreactor voor te stellen zonder honderden speciale zeshoekige cassettes. Ze bevatten brandstofgenererende elementen, door de kanalen waarvan koelvloeistoffen stromen. Deze cassette is voorzien van een speciale laag die in staat is neutronen te reflecteren en daardoor de kettingreactie te vertragen

Kernreactor en zijn bescherming

Het heeft verschillende beschermingsniveaus. Naast het lichaam zelf is het bedekt met speciale thermische isolatie en biologische bescherming bovenop. Vanuit technisch oogpunt is deze constructie een krachtige bunker van gewapend beton, waarvan de deuren zo goed mogelijk gesloten zijn.