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

Verhaal

Een zichzelf in stand houdende 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 plutoniumproductiereactor in gebruik genomen en op 27 juni 1954 werd in Obninsk 's werelds eerste kerncentrale 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 overgang wordt altijd verhinderd door een energiebarrière. Om deze te overwinnen moet het microdeeltje een bepaalde hoeveelheid energie van buitenaf ontvangen: excitatie-energie. De exo-energetische reactie bestaat uit het feit dat bij de transformatie die volgt op de excitatie meer energie vrijkomt dan nodig is om het proces op gang te brengen. Er zijn twee manieren om de energiebarrière te overwinnen: hetzij door de kinetische energie van botsende deeltjes, hetzij door de bindingsenergie van het verbindende deeltje.

Als we de macroscopische schaal van het vrijkomen van energie in gedachten houden, moeten alle of in eerste instantie tenminste een deel van de deeltjes van de stof de kinetische energie hebben die nodig is om reacties op te wekken. Dit is alleen haalbaar door de temperatuur van het medium te verhogen tot een waarde waarbij de energie van thermische beweging de energiedrempel nadert die het verloop van het proces beperkt. In het geval van moleculaire transformaties, 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 afzonderlijke 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 van deze compositie 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 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. 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 verschijnen van aanzienlijke negatieve reactiviteit, wat het op zijn beurt onmogelijk maakt om de reactor binnen een bepaalde periode (ongeveer 1-2 dagen) naar zijn ontwerpcapaciteit te brengen.

Classificatie

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).

Blokken nucleaire brandstof in een heterogene reactor worden brandstofelementen (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 tien keer 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 controleren.

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 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 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 transuraniumelementen 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 239 Pu 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 239 Pu. 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/t - snelle neutronenreactoren.

Een verbranding van 1 GW dag/t 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 het kweekpercentage en het verbrandingspercentage 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 kritische 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.

In de meeste gevallen worden staven die in de kern worden gestoken en gemaakt van materialen die neutronen sterk absorberen (Cd, B, enz.) gebruikt om de reactor te besturen. 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 de 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 de deelname van de operator.

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

Kernenergieopwekking is een moderne en zich snel ontwikkelende methode voor de productie van elektriciteit. Weet jij hoe kerncentrales werken? Wat is het werkingsprincipe van een kerncentrale? Welke soorten kernreactoren bestaan ​​er tegenwoordig? We zullen proberen het werkingsschema van een kerncentrale in detail te bekijken, ons verdiepen in het ontwerp van een kernreactor en ontdekken hoe veilig de nucleaire methode voor het opwekken van elektriciteit is.

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

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

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

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

De binnenschil, 1 meter en 20 cm dik, is voorzien van speciale staalkabels die de sterkte van het beton bijna drie keer vergroten en voorkomen dat de constructie afbrokkelt. MET binnen het is bekleed met een dunne plaat van speciaal staal, die is ontworpen om te dienen als extra bescherming voor de insluiting en, in het geval van een ongeval, om de inhoud van de reactor niet buiten de insluitingszone vrij te laten komen.

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

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

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

Waaruit bestaat een kernreactor?

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

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

Brandstof voor kerncentrales

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

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

Verrijkt uranium

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

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

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

Uraniumpoeder

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

Uraniumtabletten

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

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

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

Wat zijn TVEL en FA?

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

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

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

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

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

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

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

Eén brandstofassemblage gedurende vier jaar produceert dezelfde hoeveelheid energie als bij het verbranden van 670 auto's met steenkool, 730 tanks met aardgas of 900 tanks geladen met olie.
Tegenwoordig worden brandstofassemblages voornamelijk geproduceerd in fabrieken in Rusland, Frankrijk, de VS en Japan.

Om brandstof voor kerncentrales aan andere landen te leveren, worden brandstofassemblages in lange en brede metalen buizen opgesloten, wordt de lucht uit de buizen gepompt en door speciale machines aan boord van vrachtvliegtuigen aangevoerd.

Kernbrandstof voor kerncentrales weegt onbetaalbaar veel, omdat... uranium is een van de meest voorkomende zware metalen op de planeet. Het soortelijk gewicht is 2,5 keer groter dan dat van staal.

Kerncentrale: werkingsprincipe

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

BELANGRIJK OM TE WETEN:

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

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

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

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

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

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

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

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

Soorten kernreactoren

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

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

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

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

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

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

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

Een paar feiten over kernreactoren...

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

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

Drukwaterreactor

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

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

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

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

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

Operationele veiligheid van de kerncentrale

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

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

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

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

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

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

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

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 en werkte dus op een zeer laag vermogensniveau.

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

Het werkingsprincipe van een kernreactor.

Tijdens het verval van uranium U 235 komt warmte vrij, vergezeld van het vrijkomen van twee of drie neutronen. Volgens statistieken - 2.5. Deze neutronen botsen met andere uraniumatomen U235. Bij een botsing verandert uranium U 235 in een onstabiele isotoop U 236, die vrijwel onmiddellijk vervalt in Kr 92 en Ba 141 + dezelfde 2-3 neutronen. Het verval gaat gepaard met het vrijkomen van energie in de vorm van gammastraling en warmte.

Dit heet een kettingreactie. Atomen delen zich, het aantal verval neemt exponentieel toe, wat uiteindelijk leidt tot een bliksemsnelle, naar onze maatstaven, vrijgave van een enorme hoeveelheid energie - een atoomexplosie vindt plaats als gevolg van een oncontroleerbare kettingreactie.

Echter, binnen kernreactor 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 verzegelde deuren. Biologische bescherming is bedoeld om te voorkomen dat radioactieve stoom en delen van de reactor in de atmosfeer vrijkomen als zich een explosie voordoet.

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

Exploitatie van een kerncentrale.

In een notendop is dit hoe raboboa eruit ziet.

Kerncentrale. (Klikbaar)

Nadat het water met behulp van pompen de reactorkern is binnengegaan, wordt het verwarmd van 250 tot 300 graden en verlaat het de “andere kant” van de reactor. Dit wordt het eerste circuit genoemd. Daarna wordt het naar de warmtewisselaar gestuurd, waar het het tweede circuit ontmoet. Waarna de stoom onder druk op de turbinebladen stroomt. Turbines wekken elektriciteit op.

Een splijtingskettingreactie gaat altijd gepaard met het vrijkomen van enorme energie. Het praktische gebruik van deze energie is de hoofdtaak van een kernreactor.

Een kernreactor is een apparaat waarin een gecontroleerde of gecontroleerde kernsplijtingsreactie plaatsvindt.

Op basis van het werkingsprincipe zijn kernreactoren verdeeld in twee groepen: thermische neutronenreactoren en snelle neutronenreactoren.

Hoe werkt een thermische neutronenkernreactor?

Een typische kernreactor heeft:

• Kern en moderator;
• Neutronenreflector;
• Koelmiddel;
• Kettingreactiecontrolesysteem; noodbescherming;
• Controle- en stralingsbeschermingssysteem;
• Afstandsbedieningssysteem.

1 - actieve zone; 2 - reflector; 3 - bescherming; 4 - regelstaven; 5 - koelvloeistof; 6 - pompen; 7 - warmtewisselaar; 8 - turbine; 9 - generator; 10 - condensator.

Kern en moderator

Het is in de kern dat er een gecontroleerde splijtingskettingreactie plaatsvindt.

De meeste kernreactoren werken op zware isotopen van uranium-235. Maar in natuurlijke monsters uraniumerts bedraagt ​​het gehalte ervan slechts 0,72%. Deze concentratie is niet voldoende om een ​​kettingreactie te laten ontstaan. Daarom wordt het erts kunstmatig verrijkt, waardoor het gehalte van deze isotoop op 3% komt.

Splijtbaar materiaal, of splijtstof, in de vorm van tabletten wordt in hermetisch afgesloten staven geplaatst, die brandstofstaven (brandstofelementen) worden genoemd. Ze doordringen de gehele actieve zone gevuld met moderator neutronen.

Waarom is een neutronenmoderator nodig in een kernreactor?

Feit is dat de neutronen die ontstaan ​​na het verval van uranium-235-kernen een zeer hoge snelheid hebben. De waarschijnlijkheid van hun invanging door andere uraniumkernen is honderden keren kleiner dan de waarschijnlijkheid van invanging van langzame neutronen. En als hun snelheid niet wordt verminderd, kan de kernreactie na verloop van tijd uitsterven. De moderator lost het probleem op van het verminderen van de snelheid van neutronen. Als water of grafiet in de baan van snelle neutronen wordt geplaatst, kan hun snelheid kunstmatig worden verminderd en kan het aantal door atomen opgevangen deeltjes worden vergroot. Tegelijkertijd zal voor een kettingreactie in de reactor een kleinere hoeveelheid splijtstof nodig zijn.

Als gevolg van het vertragingsproces is thermische neutronen, waarvan de snelheid vrijwel gelijk is aan de snelheid van thermische beweging van gasmoleculen bij kamertemperatuur.

Water, zwaar water (deuteriumoxide D 2 O), beryllium en grafiet worden gebruikt als moderator in kernreactoren. Maar de beste moderator is zwaar water D2O.

Neutronenreflector

Om te voorkomen dat neutronen in het milieu terechtkomen, wordt de kern van een kernreactor omringd door neutronenreflector. Het materiaal dat voor reflectoren wordt gebruikt, is vaak hetzelfde als bij moderators.

Koelmiddel

De warmte die vrijkomt bij een kernreactie wordt verwijderd met behulp van een koelmiddel. Gewoon natuurlijk water, eerder gezuiverd van verschillende onzuiverheden en gassen, wordt vaak gebruikt als koelmiddel in kernreactoren. Maar omdat water al kookt bij een temperatuur van 100 0 C en een druk van 1 atm, wordt, om het kookpunt te verhogen, de druk in het primaire koelmiddelcircuit verhoogd. Het water uit het primaire circuit dat door de reactorkern circuleert, wast de brandstofstaven en warmt op tot een temperatuur van 320 °C. Vervolgens geeft het in de warmtewisselaar warmte af aan het water uit het secundaire circuit. De uitwisseling vindt plaats via warmtewisselaarsbuizen, waardoor er geen contact is met het water van het secundaire circuit. Hierdoor wordt voorkomen dat radioactieve stoffen in het tweede circuit van de warmtewisselaar terechtkomen.

En dan gebeurt alles zoals bij een thermische energiecentrale. Water in het tweede circuit verandert in stoom. De stoom laat een turbine draaien, die een elektrische generator aandrijft, die elektrische stroom produceert.

In zwaarwaterreactoren is het koelmiddel zwaar water D2O, en in reactoren met vloeibare metaalkoelmiddelen is het gesmolten metaal.

Kettingreactiecontrolesysteem

De huidige toestand van de reactor wordt gekenmerkt door een zogenaamde grootheid reactiviteit.

ρ = ( k-1)/ k ,

k = n ik / n ik -1 ,

Waar k –r,

n ik - het aantal neutronen van de volgende generatie in de kernsplijtingsreactie,

n ik -1 , - het aantal neutronen van de vorige generatie in dezelfde reactie.

Als k ˃ 1 , de kettingreactie groeit, het systeem wordt genoemd superkritisch j. Als k< 1 , de kettingreactie sterft uit en het systeem wordt opgeroepen subkritisch. Bij k = 1 de reactor is binnen stabiele kritieke toestand, aangezien het aantal splijtbare kernen niet verandert. In deze toestand is er sprake van reactiviteit ρ = 0 .

Door te bewegen wordt de kritische toestand van de reactor (de benodigde nin een kernreactor) in stand gehouden controle staven. Het materiaal waaruit ze zijn gemaakt, omvat neutronenabsorberende stoffen. Door deze staven in de kern uit te steken of te duwen, wordt de snelheid van de kernsplijtingsreactie gecontroleerd.

Het besturingssysteem zorgt voor controle over de reactor tijdens het opstarten, geplande stillegging, werking op stroom, evenals noodbescherming van de kernreactor. Dit wordt bereikt door de positie van de regelstaven te veranderen.

Als een van de reactorparameters (temperatuur, druk, stijging van het vermogen, brandstofverbruik, enz.) afwijkt van de norm, en dit kan leiden tot een ongeval, kunnen speciale nood staven en de kernreactie stopt snel.

Zorg ervoor dat de reactorparameters voldoen aan de normen controle- en stralingsbeschermingssystemen.

Ter bescherming omgeving ter bescherming tegen radioactieve straling is de reactor in een dikke betonnen behuizing geplaatst.

Systemen voor afstandsbediening

Alle signalen over de toestand van de kernreactor (koelvloeistoftemperatuur, stralingsniveau in verschillende onderdelen reactor, enz.) worden naar het reactorcontrolepaneel gestuurd en in computersystemen verwerkt. De operator ontvangt alle nodige informatie en aanbevelingen om bepaalde afwijkingen te elimineren.

Snelle reactoren

Het verschil tussen dergelijke reactoren en thermische neutronenreactoren is dat snelle neutronen die ontstaan ​​na het verval van uranium-235 niet worden afgeremd, maar worden geabsorbeerd door uranium-238 en vervolgens worden omgezet in plutonium-239. Daarom worden snelle neutronenreactoren gebruikt om plutonium-239 en thermische energie van wapenkwaliteit te produceren, die door generatoren van kerncentrales worden omgezet in elektrische energie.

De splijtstof in dergelijke reactoren is uranium-238, en de grondstof is uranium-235.

In natuurlijk uraniumerts bestaat 99,2745% uit uranium-238. Wanneer geabsorbeerd thermische neutron het splijt niet, maar wordt een isotoop van uranium-239.

Enige tijd na β-verval verandert uranium-239 in een neptunium-239-kern:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Na het tweede β-verval wordt splijtbaar plutonium-239 gevormd:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

En tenslotte wordt na het alfaverval van de plutonium-239-kern uranium-235 verkregen:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

In de reactorkern bevinden zich brandstofstaven met grondstoffen (verrijkt uranium-235). Deze zone wordt omgeven door een broedzone, die bestaat uit splijtstofstaven met brandstof (verarmd uranium-238). Snelle neutronen die door de kern worden uitgestoten na het verval van uranium-235 worden opgevangen door uranium-238-kernen. Als gevolg hiervan wordt plutonium-239 gevormd. Zo wordt in snelle neutronenreactoren nieuwe splijtstof geproduceerd.

Vloeibare metalen of mengsels daarvan worden gebruikt als koelmiddelen in snelle neutronenkernreactoren.

Classificatie en toepassing van kernreactoren

Kernreactoren worden vooral gebruikt in kerncentrales. Met hun hulp wordt op industriële schaal elektrische en thermische energie geproduceerd. Dergelijke reactoren worden genoemd energie .

Kernreactoren worden veel gebruikt in de voortstuwingssystemen van moderne kernonderzeeërs, oppervlakteschepen en in de ruimtetechnologie. Ze voorzien motoren van elektrische energie en worden gebeld transportreactoren .

Voor wetenschappelijk onderzoek op het gebied van kernfysica en stralingschemie wordt gebruik gemaakt van neutronenstromen en gammakwanta, die in de kern worden verkregen onderzoeksreactoren. De door hen opgewekte energie bedraagt ​​niet meer dan 100 MW en wordt niet voor industriële doeleinden gebruikt.

Stroom experimentele reactoren nog minder. Het bereikt een waarde van slechts enkele kW. Deze reactoren bestuderen verschillende fysische grootheden, waarvan de betekenis belangrijk is bij het ontwerpen van kernreacties.

NAAR industriële reactoren omvatten reactoren voor de productie van radioactieve isotopen die voor medische doeleinden worden gebruikt, maar ook op verschillende gebieden van industrie en technologie. Zeewaterontziltingsreactoren worden ook geclassificeerd als industriële reactoren.

I. Ontwerp van een kernreactor

Een kernreactor bestaat uit de volgende vijf hoofdelementen:

1) nucleaire brandstof;

2) neutronenmoderator;

3) regelgevingssystemen;

4) koelsystemen;

5) beschermend scherm.

1. Kernbrandstof.

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

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

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

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

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

In tegenstelling tot uranium 235, dat in natuurlijk uranium wordt aangetroffen, worden plutonium 239 en uranium 233 uitsluitend kunstmatig verkregen. Daarom worden ze secundaire nucleaire brandstof genoemd; De bron van dergelijke brandstof is uranium 238 en thorium 232.

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

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

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

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

Het tweede verschil tussen het proces van kernsplijting, dat plaatsvindt bij het vrijkomen van warmte, en chemische verbranding is dat voor de verbrandingsreactie zuurstof nodig is, terwijl voor het op gang brengen van een kettingreactie slechts enkele neutronen en een bepaalde massa kernbrandstof nodig zijn, gelijk aan tot de kritische massa, die we al definiëren in het gedeelte over de atoombom.

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

2. Neutronenmoderator.

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

De neutronen die worden geproduceerd tijdens kernsplijting (gemiddeld 2 à 3 neutronen tijdens de splijting van één kern van een zwaar element) hebben een bepaalde energie. Om de waarschijnlijkheid van neutronen om andere kernen te splitsen het grootst te maken, zonder welke de reactie niet zichzelf in stand zal houden, is het noodzakelijk dat deze neutronen een deel van hun snelheid verliezen. Dit wordt bereikt door een moderator in de reactor te plaatsen, waarin snelle neutronen als gevolg van talloze opeenvolgende botsingen worden omgezet in langzame. Omdat de stof die als moderator wordt gebruikt, kernen moet hebben met een massa van ongeveer gelijke massa neutronen, dat wil zeggen de kernen van lichte elementen, zwaar water (D 2 0, waarbij D deuterium is, dat lichte waterstof in gewoon water H 2 0 verving) werd vanaf het allereerste begin als moderator gebruikt. Nu proberen ze echter steeds vaker grafiet te gebruiken - het is goedkoper en geeft bijna hetzelfde effect.

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

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

De stof die als moderator wordt gebruikt, moet zuiver zijn om verlies van neutronen te voorkomen wanneer ze door de moderator gaan. Aan het einde van de run hebben de neutronen een gemiddelde snelheid van ongeveer 2200 m/sec, terwijl hun beginsnelheid ongeveer 20.000 km/sec bedroeg. In reactoren vindt de warmteafgifte geleidelijk plaats en kan in tegenstelling tot andere systemen worden gecontroleerd atoombom, waar het onmiddellijk plaatsvindt en het karakter van een explosie krijgt.

Voor sommige typen snelle reactoren is geen moderator nodig.

3. Regelgevingssysteem.

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

Aanvankelijk waren er zorgen dat een reactorexplosie dezelfde schade zou aanrichten als een atoombom. Om te bewijzen dat een reactorexplosie alleen plaatsvindt onder andere omstandigheden dan normaal en geen ernstig gevaar oplevert voor de bevolking die in de buurt van de kerncentrale woont, hebben de Amerikanen opzettelijk één zogenaamde ‘kokende’ reactor opgeblazen. Er vond inderdaad een explosie plaats die we kunnen karakteriseren als ‘klassiek’, dat wil zeggen niet-nucleair; dit bewijst eens te meer dat er dichtbij kernreactoren gebouwd kunnen worden nederzettingen zonder enig bijzonder gevaar voor laatstgenoemde.

4. Koelsysteem.

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

5. Beschermscherm.

Om de schadelijke effecten van neutronen die buiten de reactor kunnen vliegen te vermijden, en om jezelf te beschermen tegen de gammastraling die tijdens de reactie vrijkomt, is betrouwbare bescherming noodzakelijk. Wetenschappers hebben berekend dat een reactor met een vermogen van 100.000 kW zoveel radioactieve straling uitzendt dat een persoon die zich op een afstand van 100 m ervan bevindt, deze binnen 2 minuten zou ontvangen. dodelijke dosis. Om de bescherming van het personeel dat de reactor onderhoudt te garanderen, zijn muren van twee meter hoog gebouwd van speciaal beton met loden platen.

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

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

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

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