Ядерный реактор — принцип работы, устройство, схема
Принцип работы ядерного реактора
Принцип действия реактора можно описать в паре предложений:
Уран-235 распадается, вследствие чего выделяется большое количество тепловой энергии. Эта энергия кипятит воду, а возникший пар крутит турбину под давлением. Турбина, в свою очередь, вращает электрогенератор, который вырабатывает электричество.
Все, расходимся… Ладно, давайте разберемся более детально.
Уран-235 — это один из изотопов урана. Изотоп — это разновидность атома какого-либо вещества, которая отличается от обычного атома атомной массой. Конкретно уран-235 отличается от простого урана тем, что в ядре такого изотопа на три нейтрона меньше.
Из-за недостатка нейтронов ядро становится менее стабильным и распадается на две части, если разогнать и врезать в него нейтрон. При этой реакции вылетает еще парочка нейтронов.
Эти нейтроны могут попасть в другое ядро урана-235 и расщепить его, после чего оттуда вылетит еще нейтрон, и так далее по цепочке. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией.
Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова
Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков
Деление урана
Деление ядер урана под воздействием нейтронов открыли немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман в 1938 году. Для эксперимента выбрали именно нейтроны потому, что они электрически нейтральны, то есть у них нет заряда. А раз нет заряда, то между протонами и нейтронами нет кулоновского отталкивания, и нейтроны легко проникают в ядро.
Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, оно деформируется и становится вытянутым. Ядерные силы действуют на очень маленьких расстояниях, но не работают на больших. А вот электростатическое взаимодействие может происходить и на больших расстояниях.
Поэтому ядерное взаимодействие не может противодействовать электростатическому отталкиванию противоположных частей вытянутого ядра, и последнее разрывается на части. При этом излучается та самая парочка нейтронов, о которых мы уже упоминали выше, а близкие по массе осколки разлетаются с большой скоростью.
Результаты деления ядра урана-235:
1. Распад на барий и криптон с выделением трех нейтронов:
2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:
Еще больше наглядных примеров — на курсах по физике для 9 класса в онлайн-школе Skysmart.
Управляемая ядерная реакция
Естественная ядерная реакция происходит очень быстро — меньше, чем за секунду. Такая быстрая ядерная реакция провоцирует ядерный взрыв.
Хорошая новость заключается в том, что ядерной реакцией можно управлять. Задача проста — следи себе за реакцией, контролируй и не давай урану распадаться слишком быстро.
Легко сказать!
Для выполнения этой задачи придумали замедлитель. Замедлитель — не устройство, а вещество, которое уменьшает кинетическую энергию нейтронов за счет многократного столкновения с молекулами замедлителя. В качестве замедлителя часто используют графитовые стержни и воду — обычную (H2O) или тяжелую (D2O).
Оказывается…
На Земле был природный ядерный реактор. Он находился в урановом месторождении Окло. Это в Габоне, в Центральной Африке. В природном ядерном реакторе процесс распада урана происходит без человеческого участия. Но есть один нюанс: этот реактор остыл больше миллиарда лет назад.
Техническая реализация
Если вы хоть раз смотрели «Симпсонов» (или в вашем городе есть реактор), то знаете, как выглядят большие трубы, стоящие на территории атомной электростанции (АЭС). Эти трубы называются градирни и служат для быстрого охлаждения пара.
В момент распада ядро урана раскалывается на две части. Эти части разлетаются в разные стороны с огромной скоростью, но, несмотря на скорость, не улетают далеко. Они ударяются об атомы, которые находятся рядом, и кинетическая энергия переходит в тепловую. Количество теплоты от этих соударений нагревает воду, превращая ее в пар. Пар крутит турбину, а турбина крутит генератор, который вырабатывает электричество.
Вот и получается, что мы живем в стимпанке — все работает на пару.
АЭС
Если коротко, то атомная электростанция — это сооружение, которое производит электричество за счет ядерного реактора.
А если подробнее, то АЭС — это большой комплекс, во главе которого стоит ядерный реактор. Помимо реактора на АЭС есть турбина, генератор, трансформаторы для преобразования напряжения. В общем, это большая система.
В бытовом употреблении АЭС часто приравнивают к ядерному реактору, и это нельзя назвать неправильным.
Просто ядерный реактор — босс в этой движухе, поэтому он и определяет все остальное. 😉
Кстати, когда будете играть в крокодила, загадайте атомную электростанцию. Будет забавно, проверено.
Чернобыльская АЭС
Когда речь заходит о ядерной энергетике, многие невольно вспоминают катастрофу на Чернобыльской АЭС и поэтому ошибочно считают, что ядерный реактор — зло.
Но по большому счету, реактор — это очень дорогой чайник. Дым, который валит из труб АЭС и пугает прохожих, на самом деле не дым, а пар.
В результате работы ядерного реактора действительно образуются радиоактивные отходы, и они могут быть опасны, если с ними неправильно обращаться. Часть этих отходов перерабатывают для дальнейшего использования, а часть приходится держать в хранилищах, чтобы они не причинили вред человеку и окружающей среде.
Шок-контент 😱
Ядерная энергия — самый экологически чистый вид энергии на сегодняшний день.
Атомные электростанции выбрасывают в атмосферу только пар, им необходимо небольшое количество топлива, а еще они занимают малую площадь и при правильном использовании безопасны. Тем не менее, после аварии на Чернобыльской АЭС многие страны приостановили развитие атомной энергетики.
Первая авария на Чернобыльской АЭС произошла в 1982 году. Во время пробного пуска разрушился один из технологических каналов реактора, была деформирована графитовая кладка активной зоны. Пострадавших не было, но последствия ликвидировали около трех месяцев.
В 1986 году произошло ЧП в известном всему миру четвертом энергоблоке. В этом самом энергоблоке проводились испытания турбогенератора. Система аварийного охлаждения была планово отключена, поэтому, когда реактор не смогли остановить, эта система не спасла АЭС от взрыва и пожара.
Взрыв и его последствия не говорят о том, что ядерная энергетика вредна. На самом деле даже бананы радиоактивны, потому что в них содержатся радиоактивные изотопы.
Но даже съев около сотни бананов массой 150 г, вы получите всего лишь нормальную суточную дозу радиации. Чтобы банановая радиация навредила человеку, ему придется съесть не меньше тонны. То же и с ядерными реакциями — они приносят вред только в том случае, если их не контролировать.
Виды современных реакторов
Сегодня существует несколько видов ядерных реакторов, но используют в основном два — гомогенные и гетерогенные:
- в гомогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель перемешаны;
- в гетерогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель находятся отдельно друг от друга.
Еще бывают реакторы, в которых для получения энергии используют уран-238, а не уран-235. Но в таких реакторах сложно отводить тепло, поэтому они довольно редки.
Использование атомной энергии
Атомная энергия используется не только в ядерных реакторах.
Например, существуют корабли и подводные лодки, которые работают на атомной энергии.
В начале XXI века из-за высоких цен на нефть были очень актуальны поиски способов использования ядерной энергии. Тогда появились разработки по компактным атомным электростанциям, которые могут работать десятилетиями без обслуживания и к тому же безопасны.
Кроме того, ученые работают над ядерными методами для диагностики и лечения онкологических заболеваний. Есть исследования, которые подтверждают, что радиоактивные изотопы могут уничтожать раковые клетки.
| Ядерный (атомный) реакторNuclear reactor
Ядерный (атомный) реактор – установка, в которой осуществляется самоподдерживающаяся управляемая цепная
ядерная реакция деления. Ядерные реакторы используются в атомной энергетике
и в исследовательских целях. Основная часть реактора – его активная зона,
где происходит деление ядер и выделяется ядерная энергия. Активная зона,
имеющая обычно форму цилиндра объёмом от долей литра до многих кубометров,
содержит делящееся вещество (ядерное топливо) в количестве, превышающем
критическую массу. Ядерное топливо (уран, плутоний) размещается, как правило,
внутри тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), количество которых в активной
зоне может достигать десятков тысяч. ТВЭЛы сгруппированы в пакеты по несколько
десятков или сотен штук. Активная зона в большинстве случаев представляет
собой совокупность ТВЭЛов погружённых в замедляющую среду (замедлитель)
– вещество, за счёт упругих соударений с атомами которого энергия нейтронов,
вызывающих и сопровождающих деление, снижается до энергий теплового равновесия
со средой. См. также
|
Боттомоний
Чармоний
Такие “тепловые” нейтроны обладают повышенной способностью вызывать
деление. В качестве замедлителя обычно используется вода (в том числе и
тяжёлая, D2О) и графит. Активную зону реактора окружает отражатель
из материалов, способных хорошо рассеивать нейтроны. Этот слой возвращает
вылетающие из активной зоны нейтроны обратно в эту зону, повышая скорость
протекания цепной реакции и снижая критическую массу. Вокруг отражателя
размещают радиационную биологическую защиту из бетона и других материалов
для снижения излучения за пределами реактора до допустимого уровня. 
Введение
их в активную зону снижает скорость цепной реакции и при необходимости полностью
останавливает её, несмотря на то, что масса ядерного топлива превышает критическую.
По мере извлечения регулирующих стержней из активной зоны поглощение нейтронов
уменьшается, и цепная реакция может быть доведена до стадии самоподдерживающейся. Разгадка чудесной тайны атомного стартапа | Duke Energy
Один из многих вопросов, которые мы получаем от членов сообщества, касается процесса запуска ядерной реакции на наших заводах. Для тех из нас, кто не является ядерным оператором или инженером, этот процесс может показаться загадочным. Чтобы помочь пролить свет на эту загадку, вот очень упрощенное объяснение того, как это работает.
Во-первых, давайте поговорим о том, как работает процесс реакции для коммерческого ядерного реактора.
Нейтрон сталкивается с атомом урана-235. Этот дополнительный нейтрон создает нестабильные изотопы урана-236, которые распадаются почти мгновенно. Это расщепление производит тепло, которое преобразуется в энергию для мощности, и оно производит два нейтрона, которые продолжают процесс, называемый цепной реакцией. Мы называем этот процесс расщепления атомов делением . Активная зона реактора спроектирована так, чтобы быть стабильной по своей природе во время работы, при этом контур обратной связи снижает мощность активной зоны по мере повышения температуры, обеспечивая стабильность. Кроме того, активная зона реактора тщательно контролируется, у реакторов есть регулирующие стержни, которые можно вставлять в реактор для поглощения нейтронов и замедления реакции.
Существенным компонентом процесса является само топливо. Атомные станции используют уран в качестве источника топлива. Это природный элемент, который добывают из земли, обогащают и превращают в плотную, компактную топливную гранулу размером с ластик для карандашей.
Если бы вы посетили завод по производству топлива в Соединенных Штатах, он был бы похож на любой другой завод, поскольку рабочие перемещают топливо с одной стадии процесса на другую.
В этот момент вы можете задаться вопросом, почему эти гранулы не вызывают реакции. Ответ заключается в том, что длительная ядерная реакция требует правильных условий. Должно быть определенное количество топлива. Чтобы реакция была устойчивой, должно быть достаточно атомов урана для непрерывной реакции. Это одна из причин, по которой кто-то на предприятии по производству топлива может безопасно прикасаться к отдельным топливным таблеткам или даже к топливным стержням в процессе производства. Проще говоря, для достижения устойчивой ядерной реакции требуется значительное количество топлива, подобное тому, что достигается внутри одного из ядерных реакторов на нашей площадке.
Как только топлива будет достаточно, чтобы вызвать реакцию, заводу, который никогда раньше не работал и у которого есть все новое топливо, понадобится что-то, чтобы начать запуск нейтронов.
Это вызвано пусковым источником нейтронов, таким как калифорний-252 или плутоний-238. Эти металлические элементы вставляются в реактор с новым ядерным топливом. Когда управляющие стержни поднимаются из активной зоны реактора, нейтроны из источника нейтронов начинают воспламеняться, и, поскольку топлива достаточно для устойчивой реакции, мы запускаем процесс деления, который поддерживает работу станции в течение целых 18–24 месяцев.
Действующие атомные электростанции меняют примерно одну треть своего топлива. Из-за этого им не требуется пусковой источник нейтронов, как в новых реакторах. Вместо этого они используют исходные нейтроны для резервного запуска реактора. В основном они происходят из трех различных процессов: нейтронов собственного источника, фотонейтронов и нейтронов трансуранового источника. Хотя по существу они разные, каждый из этих процессов приводит к высвобождению нейтронов, запускающих ядерную реакцию.
Достижение и поддержание ядерной реакции — сложный процесс.
Для этого требуется надлежащее количество топлива, а также средство запуска первого нейтрона. Что наиболее важно, для этого требуются высококвалифицированные операторы для безопасного управления запуском, а также очень хорошо осведомленные инженеры-реакторщики и технические специалисты для оказания поддержки. Результат: безопасная и устойчивая ядерная реакция, которая обеспечивает безуглеродную энергию для питания наших домов и предприятий.
Как работает ядерный реактор
// Как работает ядерный реактор?
Ядерные реакторы — это, по сути, большие котлы, которые используются для нагрева воды для производства огромного количества электроэнергии с низким содержанием углерода. Они бывают разных размеров и форм и могут работать на различных видах топлива.
Атомная электростанция Ringhals с четырьмя реакторами, способными обеспечить 20 % потребности Швеции в электроэнергии (Изображение: Vattenfall)
Ядерный реактор приводится в действие расщеплением атомов, процессом, называемым делением, когда частица («нейтрон») выстреливается в атом, который затем делится на два меньших атома и несколько дополнительных нейтронов.
Некоторые из нейтронов, которые высвобождаются, затем попадают на другие атомы, заставляя их тоже делиться и высвобождая больше нейтронов. Это называется цепной реакцией.
Деление атомов в цепной реакции также приводит к высвобождению большого количества энергии в виде тепла. Вырабатываемое тепло отводится из реактора циркулирующей жидкостью, обычно водой. Затем это тепло можно использовать для производства пара, который приводит в действие турбины для производства электроэнергии.
Чтобы гарантировать, что ядерная реакция протекает с нужной скоростью, в реакторах есть системы, которые ускоряют, замедляют или останавливают ядерную реакцию и выделяемое ею тепло. Обычно это делается с помощью регулирующих стержней, которые обычно изготавливаются из материалов, поглощающих нейтроны, таких как серебро и бор.
Два примера ядерного деления урана-235, наиболее часто используемого топлива в ядерных реакторах.
Ядерные реакторы бывают разных форм и размеров: в некоторых для охлаждения активной зоны используется вода, в других – газ или жидкий металл.
Наиболее распространенные типы энергетических реакторов используют воду с более чем 90% мировых реакторов на водной основе. Дополнительную информацию о множестве различных типов реакторов по всему миру можно найти в разделе «Атомные энергетические реакторы» Информационной библиотеки.
Ядерные реакторы очень надежны в выработке электроэнергии, способны работать 24 часа в сутки в течение многих месяцев, если не лет, без перерыва, независимо от погоды и времени года. Кроме того, большинство ядерных реакторов могут работать очень долго — во многих случаях более 60 лет. В 2019 году, блоки 3 и 4 на АЭС «Турки-Пойнт» во Флориде стали первыми в мире реакторами, срок эксплуатации которых составляет 80 лет.
Заправка реактора (Изображение: Vattenfall)
Что питает реактор?
В качестве топлива для реактора может использоваться ряд различных материалов, но чаще всего используется уран. Уран в изобилии, и его можно найти во многих местах по всему миру, в том числе в океанах.
Можно использовать и другие виды топлива, такие как плутоний и торий.
Большинство современных реакторов содержат несколько сотен тепловыделяющих сборок, каждая из которых содержит тысячи маленьких таблеток уранового топлива. Одна пеллета содержит столько же энергии, сколько содержится в одной тонне угля. Типичный реактор требует около 27 тонн свежего топлива в год. Напротив, угольной электростанции аналогичного размера потребуется более двух с половиной миллионов тонн угля для производства такого же количества электроэнергии.
Таблетки ядерного топлива ненамного больше кусочка сахара (Изображение: Казатомпром)
Как насчет отходов?
Как и любая отрасль, атомная промышленность производит отходы. Однако, в отличие от многих других отраслей, ядерная энергетика производит очень мало энергии и полностью содержит и управляет тем, что производит. Подавляющее большинство отходов атомных электростанций малорадиоактивны, и в течение многих десятилетий с ними ответственно обращались и утилизировали.