Атомный реактор что внутри

21.06.202320.06.2023 admin 0 Comments

Принцип работы и устройство ядерного реактора

Наступила бурная, но недолгая эпоха пара, которую сменила еще более фантастическая эпоха электричества. Города наполнялись светом, а цеха – гулом невиданных доселе машин, приводимых в движение электродвигателями. Тогда казалось, что прогресс достиг своего апогея.

Все изменилось в конце XIX века, когда французский химик Антуан Анри Беккерель совершенно случайно обнаружил, что соли урана обладают радиоактивностью. Спустя 2 года, его соотечественники Пьер Кюри и его супруга Мария Склодовская-Кюри получили из них радий и полоний, причем уровень их радиоактивности в миллионы раз превосходил показатели тория и урана.

Эстафету подхватил Эрнест Резерфорд, детально изучивший природу радиоактивных лучей. Так начинался век атома, явивший на свет свое любимое дитя – атомный реактор.

Типы ядерных реакторов

Их основное назначение – поддерживать контролируемую ядерную реакцию, производящую электроэнергию. На некоторых реакторах производятся изотопы. Если кратко, то они представляют собой устройства, в недрах которых одни вещества превращаются в другие с выделением большого количества тепловой энергии. Это своеобразная «печь», где вместо традиционных видов топлива «сгорают» изотопы урана – U-235, U-238 и плутоний (Pu).

В отличии, к примеру, от автомобиля, рассчитанного на несколько видов бензина, каждому виду радиоактивного топлива соответствует свой тип реактора. Их два – на медленных (с U-235) и быстрых (c U-238 и Pu) нейтронах. На большинстве АЭС установлены реакторы на медленных нейтронах. Помимо АЭС, установки «трудятся» в исследовательских центрах, на атомных субмаринах и опреснителях морской воды.

Как устроен реактор

Операторы контролируют работу установки с помощью двух важнейших систем – регулирования цепной реакции и дистанционной системы управления. Если возникает нештатная ситуация, мгновенно срабатывает аварийная защита.

Как работает реактор

Атомное «пламя» невидимо, так как процессы происходят на уровне деления ядер. В ходе цепной реакции тяжелые ядра распадаются на более мелкие фрагменты, которые, будучи в возбужденном состоянии, становятся источниками нейтронов и прочих субатомных частиц. Но на этом процесс не заканчивается. Нейтроны продолжают «дробиться», в результате чего высвобождается большая энергия, то есть, происходит то, ради чего и строятся АЭС.

Основная задача персонала – поддержание цепной реакции с помощью управляющих стержней на постоянном, регулируемом уровне. В этом его главное отличие от атомной бомбы, где процесс ядерного распада неуправляем и протекает стремительно, в виде мощнейшего взрыва.

Что произошло на Чернобыльской АЭС

Одна из основных причин катастрофы на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года – грубейшее нарушение эксплуатационных правил безопасности в процессе проведения регламентных работ на 4-м энергоблоке. Тогда из активной зоны было одновременно выведено 203 графитовых стержня вместо 15, разрешенных регламентом. В итоге, начавшаяся неуправляемая цепная реакция завершилась тепловым взрывом и полным разрушением энергоблока.

Реакторы нового поколения

За последнее десятилетие Россия стала одним из лидеров мировой ядерной энергетики. На данный момент госкорпорация «Росатом» ведет строительство АЭС в 12 странах, где возводятся 34 энергоблока. Столь высокий спрос – свидетельство высокого уровня современной российской ядерной техники. На очереди — реакторы нового 4-го поколения.

«Брест»

Один из них – «Брест», разработка которого ведется в рамках проекта «Прорыв». Ныне действующие системы разомкнутого цикла работают на низкообогащенном уране, после чего остается большое количество отработанного топлива, подлежащего захоронению, что требует огромных затрат. «Брест» — реактор на быстрых нейтронах уникален замкнутым циклом.

В нем отработанное топливо после соответствующей обработки в реакторе на быстрых нейтронах опять становится полноценным топливом, которое можно загружать обратно в ту же установку.

«Брест» отличает высокий уровень безопасности. Он никогда не «рванет» даже при самой серьезной аварии, очень экономичен и экологически безопасен, поскольку повторно пользуется своим «обновленным» ураном. Его также невозможно использовать для наработки оружейного плутония, что открывает широчайшие перспективы по его экспорту.

ВВЭР-1200

ВВЭР-1200 – инновационный реактор поколения «3+» мощностью 1150 МВт. Благодаря своим уникальным техническим возможностям, он обладает практически абсолютной эксплуатационной безопасностью. Реактор в изобилии оснащен системами пассивной безопасности, которые сработают даже в отсутствии электроснабжения в автоматическом режиме.

Одна из них – система пассивного отведения тепла, которая автоматически активируется при полном обесточивании реактора. На этот случай предусмотрены аварийные гидроемкости. При аномальном падении давления в первом контуре в реактор начинается подача большого количества воды, содержащей бор, которая гасит ядерную реакцию и поглощает нейтроны.

Еще одно ноу-хау находится в нижней части защитной оболочки – «ловушка» расплава. Если все же в результате аварии активная зона «потечет», «ловушка» не позволит разрушиться защитной оболочке и предотвратит попадание радиоактивных продуктов в грунт.

Источник

Ядерный реактор работает слаженно и четко. Иначе, как известно, будет беда. Но что там творится внутри? Попытаемся сформулировать принцип работы ядерного (атомного) реактора кратко, четко, с остановками.

Градирни АЭС

Ядерная реакция – это процесс превращения (деления) атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами и гамма-квантами.

Ядерные реакции могут проходить как с поглощением, так и с выделением энергии. В реакторе используются вторые реакции.

Ядерный реактор – это устройство, назначением которого является поддержание контролируемой ядерной реакции с выделением энергии.

Реактор

История создания атомного реактора

В 1946 году заработал первый советский реактор, запущенный под руководством Курчатова. Корпус этого реактора представлял собой шар семи метров в диаметре. Первые реакторы не имели системы охлаждения, и мощность их была минимальной. К слову, советский реактор имел среднюю мощность 20 Ватт, а американский – всего 1 Ватт. Для сравнения: средняя мощность современных энергетических реакторов составляет 5 Гигаватт. Менее чем через десять лет после запуска первого реактора была открыта первая в мире промышленная атомная электростанция в городе Обнинске.

Принцип работы ядерного (атомного) реактора

Приведем ниже схему работы ядерного реактора.

Схема ядерного реактора на АЭС

Как мы уже говорили, при распаде тяжелого ядра урана образуются более легкие элементы и несколько нейтронов. Образовавшиеся нейтроны сталкиваются с другими ядрами, также вызывая их деление. При этом количество нейтронов растет лавинообразно.

Цепная реакция

Вопрос в том, как это сделать? В реакторе топливо находится в так называемых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах). Это стержни, в которых в виде небольших таблеток находится ядерное топливо. ТВЭЛы соединены в кассеты шестигранной формы, которых в реакторе могут быть сотни. Кассеты с ТВЭЛами располагаются вертикально, при этом каждый ТВЭЛ имеет систему, позволяющую регулировать глубину его погружения в активную зону. Помимо самих кассет среди них располагаются управляющие стержни и стержни аварийной защиты. Стержни изготовлены из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Так, управляющие стержни могут быть опущены на различную глубину в активной зоне, тем самым регулируя коэффициент размножения нейтронов. Аварийные стержни призваны заглушить реактор в случае чрезвычайной ситуации.

ТВЭЛы, помещенные в топливную кассету

Ядерное топливо

Критическая масса – это необходимая для начала цепной ядерной реакции масса делящегося вещества.

При помощи ТВЭЛов и управляющих стержней в ректоре сначала создается критическая масса ядерного топлива, а потом реактор в несколько этапов выводится на оптимальный уровень мощности.

В данной статье мы постарались дать Вам общее представление об устройстве и принципе работы ядерного (атомного) реактора. Если у Вас остались вопросы по теме или в университете задали задачу по ядерной физике – обращайтесь к специалистам нашей компании. Мы, как обычно, готовы помочь Вам решить любой насущный вопрос по учебе. А пока мы этим занимаемся, Вашему вниманию очередное образовательное видео!

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник

Принцип работы ядерного реактора

Обновлено: 18 Мая 2021

Другими словами, это устройство, внутри которого происходит превращение одного вещества (ядерное топливо) в другое (пар) с выделением огромной тепловой энергии.

История создания

Развитие ядерной энергетики связано с именем французского химика Антуана Анри, который занимался изучением урана и обнаружил его радиоактивность. Позже Пьер и Мария Кюри смогли выделить из солей урана полоний и радий.

Устройство реактора, главные комплектующие элементы агрегата

Строение реакторов, независимо от их типа, одинаковое:

Принцип работы

Данная схема наглядно иллюстрирует принцип работы реакторной установки:

Основной функцией обслуживающего персонала АЭС является регулирование скорости ядерной реакции с помощью системы управления в виде стержней, которые операторы вводят в активную зону.

Типы ядерных реакторов, какие бывают

Существует несколько классификаций ядерных реакторов:

По типу конструкции реакторы бывают:

По способу генерации пара реакторы делятся на:

В зависимости от того, где в реакторе находится топливо, они бывают:

По спектру нейтронов бывают:

Также реакторные установки различаются между собой по виду топлива, теплоносителя и замедлителя.

Какое топливо используют для ядерных реакторов

Для ядерных реакторов применяют следующие виды топлива:

По степени обогащения топливо бывает:

По химическому составу подразделяется на:

Области применения реакторов

Ядерные реакторы используются прежде всего на атомных электростанциях для получения электроэнергии. Тепловая мощность таких устройств достигает 5 ГВт.

Энергетические реакторы также применяются для работы некоторых видов транспортных средств, в частности, подводных лодок, надводных кораблей, космических аппаратов.

Выделяют также 2 специальных типа реакторов, которые нужны для дальнейших изучений в атомной энергетике:

Тема реакторов крайне сложна. Вот почему, чтобы разобраться с ней, понадобится много времени и сил. А Феникс.Хелп тем временем подстрахует вас с другими предметами.

Источник

Ядерный реактор (устройство как работает)

Ядерный реактор это сложное технологическое устройство, где очень тесно переплетаются множество наук физика, химия, математика и другие.

В основу работы ядерного реактора лежит контролируемая цепная реакция, где в качестве топлива используют стерни урана.

Атомный реактор является мощным источником нейтронов и гамма-излучения, образующегося при радиоактивном распаде осколков от деления ядер урана.

Принцип работы ядерного реактора работающего на природном уране (рис. 2), состоит из стержней У диаметром 10—15 см и длиной около 1 м, изготовленных из обогащенного природного урана с содержанием U 235 до 5%.

Стержни помещаются в среду из замедлителя — графитовый блок Б с каналами. В нескольких местах блока размещаются подвижные стержни Н из поглотителя нейтронов (рис. 2, а).

Блок Б с урановыми стержнями окружается оболочкой О, отражающей нейтроны, и затем толстой бетонной стенкой С для защиты обслуживающего персонала от радиоактивного излучения (рис. 2, б).

Образующиеся при этом быстрые нейтроны выходят за пределы стержней и попадают в за медлитель. Выходящие из замедлителя нейтроны частью:

Таким образом, реакция деления U 235 (или плутония) поддерживается на необходимом уровне. Осколки от деления ядер урана (или плутония) продолжают радиоактивные превращения, пока не обратятся в устойчивые элементы.

Эти вещества представляют собой так называемый радиоактивный шлак — продукт работы реактора. Когда урановые стержни в значительной мере обеднятся ураном, их заменяют новыми.

Энергия, вырабатываемая в урановых стержнях, является главным образом кинетической энергией осколков от деления ядер U 235 или плутония.

Эта энергия путем множества последовательных упругих соударений этих осколков с окружающими частицами превращается в энергию теплового движения последних.

При этом урановые стержни разогреваются до температуры 500—600°С.

Как используется энергия ядерного реактора

Энергия реактора используется путем циркуляционного охлаждения урановых стержней. Для этого стержни делаются полыми и заключаются в стальную трубу.

В каналах внутри и снаружи уранового стержня циркулирует охлаждающая жидкость. В качестве последней применяют, например, воду под высоким давлением (около 100 атм, чему соответствует температура кипения 309°С) или легкоплавкие металлы в жидком виде.

Обтекающая урановые стержни жидкость нагревается до температуры 250— 300°С и затем отводится в теплообменник или парообразователь, который служит источником пара, используемого в обычной энергетической установке.

Нейтронные потоки могут быть использованы для получения радиоактивных изотопов. Для этого соответствующие вещества помещаются в специальные каналы, сделанные в стенах реактора, где они облучаются нейтронами.

Управление работой реактора

Управление работой реактора производится при помощи автоматических контрольных приборов, непрерывно регистрирующих интенсивность потока нейтронов, с центральной (активной) зоны реактора.

В зависимости от величины этого потока регулирующие устройства перемещают стержни поглотителей и автоматически поддерживают работу реактора на заданном уровне.

На рис. 3 показана схема ядерного реактора и устройство атомной электростанции. Здесь: У — пульт управления станцией, Р — урановый реактор, в нем: 1 — урановые стержни в среде из замедлителя, 2 — стержни управления реакторе, 3 — отража тельная оболочка, 4 — защитные стены; К — паровой котел или теплообменник, в нем: а — система, охлаждающая реактор (внутренняя), б — система, питающая турбогенератор (внешняя); Т — паровая турбина, р — электрический генератор, П — трансформатор, Л — линия передачи.

Первая в мире промышленная атомная электростанция мощностью 5000 квт с урановым реактором была пущена в эксплуатацию в бывшем Советском Союзе 27 июня 1954 г.

Такие вещества называются поглотителями нейтронов. К ним относятся, например, кадмий, карбид бора и др.

Для получения управляемой реакции деления ядер U 235 последний изготовляют в виде отдельных небольших брусков и помещают между ними подвижные стержни из поглотителя нейтронов.

Выдвигая или вдвигая стержни-поглотители, можно изменять поток нейтронов, попадающих из одного бруска в другой, и этим регулировать скорость цепной реакции.

Если вдвинуть стержни достаточно глубоко, реакцию можно остановить совсем; постепенно выдвигая их, можно довести реакцию до желаемой интенсивности.

Однако получение энергии для промышленных целей посредством управляемой реакции деления ядер U 235 не является экономически выгодным, так как он в природе встречается в небольшом количестве и добывание его стоит очень дорого.

Какие процессы протекают в атомных реакторах

Для обеспечения этого необходимо, чтобы нейтроны, образующиеся в реакторе при делении ядер урана или плутония, имели сравнительно невысокую энергию.

Процесс искусственного снижения энергии нейтронов или их замед ления осуществляется путем многократных упругих соударений с ядрами каких-либо легких элементов, не поглощающих нейтроны, которыми для этой цели окружают бруски урана, например графит или тяжелая вода.

Подобные вещества называются замедлителями нейтронов.

Реакция деления ядра урана

Природный уран состоит из смеси трех изотопов: U 238 — 99,274%, U 235 — 0,72% и U 234 —0,006%.

Все эти изотопы являются слабо радиоактивными; U 238 является родоначальником ряда урана-радия, U 235 — ряда актино-урана (U 234 входит в ряд урана-радия). Уран имеет также ряд радиоактивных изотопов, не встречающихся в природе.

Открытие деления ядер урана

В 1939 г. австрийскими физиками Га ном и Штрассманом была открыта реакция деления ядер урана под действием нейтронов, сопровождающаяся выделением больших количеств энергии.

Основной интерес представляет реакция деления ядер урана U 235 под дейст вием медленных (т. е. находящихся только в тепловом движении) или тепловых нейтронов.

Нейтрон, сталкиваясь с ядром U 235 поглощается им. Это нарушает устойчивость ядра, и оно распадается на две части, причем одновременно из него выбрасывается от одного до трех нейтронов, обладающих высокой энергией (рис. 5).

Ядра новых элементов, образующиеся в результате деления ядра урана, получают каждый кинетическую энергию 70—80 Мэв.

На рис. 5 показаны следы от деления ядра урана в камере Вильсона. Уран нанесен на пластинку, помещенную на перегородке в камере.

Толстые линии — следы двух осколков (многочисленные короткие линии — следы протонов, которые выбитых нейтронами, образовавшимися при делении ядра в результате столкновений с атомами водорода, входящими в состав паров воды, заполняющих камеру).

Деление ядра урана

Деление ядра происходит всегда на два осколка (не считая выбрасываемых нейтронов), однако состав их может быть различным.

В основном это элементы с массовым числом в пределах от 80 до 150, относящиеся к 5—8 рядам таблицы Менделеева.

В значительной части эти элементы представляют радиоактивные изотопы, которые претерпевают дальнейшие превращения до тех пор, пока не перейдут в устойчивые вещества.

Поэтому уравнение реакции деления ядра можно написать только в общем виде

Можно указать также примерные случаи деления:

Особенностью реакции деления ядра урана является то, что она может принимать цепной характер. Цепной называется такая реакция, продукты которой способствуют дальнейшему ее распространению.

Цепная реакция в зависимости от условий может быть затухающей и нарастающей. В последнем случае она может иметь характер взрыва.

Цепной характер реакции деления ядра урана обусловливается тем, что при делении каждого ядра выбрасывается от одного до трех нейтронов, которые, попадая в соседние атомы, могут вызвать их деление (рис. 6).

Однако нейтроны могут проходить между соседними ядрами без столкновения и уходить за пределы данной массы вещества, не вызвав деления новых ядер.

Цепная реакция

Для развития нарастающей ц епной реакции необходимо, чтобы ко личество образующихся в единицу времени нейтронов было больше числа их, покидающих данную массу вещества.

Вероятность столкновения нейтронов с ядрами повышается с увеличением массы вещества.

Поэтому существует критическая масса урана, при которой цепная реакция становится нарастающей (для тела в виде шара она имеет порядок 10 кг).

Ядра изотопов U 238 и U 235 претерпевают также спонтанное деление в результате собственной неустойчивости или под действием блуждающих нейтронов космического излучения.

По данным Флерова и Петржака, открывших это явление, в 1 г урана в 1 ч происходит около 20 спонтанных делений. Так как U 235 в природных условиях в больших массах не встречается, реакция деления ядер при этом сразу затухает.

Нарастающая цепная реакция деления ядер U 235 используется при устройстве урановой атомной бомбы.

Последняя схематически состоит из металлического корпуса К (рис. 6), в котором на некотором расстоянии расположены два (их может быть и несколько) урановых заряда У, каждый из них содержит массу урана, меньшую критической.

Заряды окружены оболочкой О из бериллия, которая служит отражателем нейтронов.

Приведение бомбы в действие производится при помощи заряда взрывчатого вещества 3, которое находится в конце корпуса, и в нужный момент, взрываясь, соединяет урановые заряды в одну общую массу.

Взрыв урановой бомбы

Взрыв урановой бомбы длится всего несколько миллионных долей секунды, при этом в зоне цепной реакции температура повышается до десятков миллионов градусов, а давление достигает миллиона атмосфер.

Источником взрывной волны является возникающее в зоне реакции высокое давление. Высокая температура газов в центре взрыва вызывает ослепляющее глаза и обжигающее кожу световое излучение.

Радиоактивное излучение состоит из мощных потоков нейтронов и гамма-излучения. Мощный нейтронный поток вызывает в зоне его действия образование новых радиоактивных изотопов.

Вместе с выбрасываемыми при взрыве радиоактивными осколками от деления ядра урана это создает вокруг центра взрыва значительную зону радиоактивного заражения.

3dsattv.ru

Атомный реактор что внутри

Принцип работы и устройство ядерного реактора

Типы ядерных реакторов

Как устроен реактор

Как работает реактор

Что произошло на Чернобыльской АЭС