Содержание
- 1 Принцип работы и устройство ядерного реактора
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.
История создания атомного реактора
Первый ядерный реактор был запущен в не таком уж и далеком 1942 году. Произошло это в США под руководством Ферми. Этот реактор назвали «Чикагской поленницей».
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.
Первый в мире ядерный реактор
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).
Какое топливо используют для ядерных реакторов и почему именно эти химические элементы избираются
Основным топливом в реакторах могут служить изотопы урана, также плутония или тория.
Еще в 1934 году Ф.Жолио-Кюри, пронаблюдав за процессом деления ядра урана, заметил, что в результате химической реакции ядро урана делится на осколки-ядра и два-три свободных нейтрона. А это значит, что появляется вероятность, что свободные нейтрону примкнут к другим ядрам урана и спровоцируют очередное деление. А так, как предсказывает цепная реакция: из трех ядер урана освободится уже шесть-девять нейтронов, и они снова примкнут к вновь образовавшимся ядрам. И так до бесконечности.
Важно помнить! Нейтроны, появляющиеся при делении ядер, способны провоцировать деление ядер изотопа урана с массовым числом 235, а для уничтожения ядер изотопа урана с массовым числом 238 может оказаться мало возникающей в процессе распада энергии.
Уран с числом 235 редко встречается в природе. На его долю приходится только 0,7%, а вот природный уран-238 занимает более просторную нишу и составляет 99,3 %.
Невзирая на такую малую долю урана-235 в природе, все равно физики и химики от него не могут отказаться, потому что он наиболее эффективен для функционирования ядерного реактора, удешевляя процесс получения энергии для человечества.
Принцип действия атомного реактора.
При распаде урана U 235 происходит выделение тепла, сопровождаемое выбросом двух-трех нейтронов. По статистическим данным – 2,5. Эти нейтроны сталкиваются с другими атомами урана U 235 . При столкновении уран U 235 превращается в нестабильный изотоп U 236 , который практически сразу же распадается на Kr 92 и Ba 141 + эти самые 2-3 нейтрона. Распад сопровождается выделением энергии в виде гамма излучения и тепла.
Это и называется цепная реакция. Атомы делятся, количество распадов увеличивается в геометрической прогрессии, что в конечном итоге приводит к молниеносному, по нашим меркам высвобождению огромного количества энергии – происходит атомный взрыв, как последствие неуправляемой цепной реакции.
Однако в ядерном реакторе мы имеем дело с управляемой ядерной реакцией. Как такая становится возможной – рассказано дальше.
Что такое ядерный реактор
Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит постоянная контролируемая ядерная реакция с целью получения электроэнергии.
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.
Первая ядерная установка была создана в США Э. Ферми в 1942 году. В 1945 году вторым выпущенным в мире реактором стал ZEEP в Канаде. А в 1946 году под руководством И. В. Курчатова ядерный реактор сконструировали и в СССР. Первые такие устройства сильно отличались от современных, они не имели системы охлаждения и обладали минимальной мощностью. Но они дали толчок к развитию атомной энергетики во всем мире. Первая атомная электростанция была построена в Обнинске.
Устройство реактора, главные комплектующие элементы агрегата
Строение реакторов, независимо от их типа, одинаковое:
- Активная зона, в которой находятся ядерное топливо и замедлитель быстрых нейтронов. В этой зоне происходит управляемая реакция деления ядер. В качестве замедлителя может использоваться обычная вода, «тяжёлая» вода, жидкий графит и др.
- Отражатель нейтронов вокруг активной зоны.
- Теплоноситель, который выводит энергию, образующуюся при делении ядер в активной зоне. Теплоносителем может выступать вода, жидкий натрий и др.
- Система управления ядерной реакцией. Представляет собой стержни, содержащие кадмий и бор. Для регулирования скорости реакции их при необходимости вводят в активную зону для поглощения лишних нейтронов.
- Защитная система, которую делают из бетона с железным наполнителем. Она надежно удерживает нейтроны и радиационное излучение.
- Система дистанционного управления.
Принцип работы
Работу реакторной установки можно сравнить с функционированием обычной печи. Только используются не уголь и дрова, а ядерное топливо. В отличие от печи, пламени не видно, так как реакция происходит на уровне деления ядер. Ядра распадаются на мелкие частицы, которые в свою очередь становятся источниками образования нейтронов. За счет этого процесса происходит высвобождение большого количества энергии. Освобожденная энергия нагревает воду, преобразуя ее в пар. Пар вращает турбину генератора, преобразуя энергию движения в электроэнергию.
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.
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Ядерный реактор. Термоядерные реакции»
Открытие деления тяжёлых ядер привело к возникновению и развитию ядерной (или атомной) энергетики, основанной на использовании энергии, запасённой внутри ядра атома. Установки, на которых эта энергия преобразуется в электрическую, получили название атомных электростанций (АЭС).
Интересно, что называя энергию, выделяющуюся при делении ядра, атомной, мы допускаем двойную неточность. Во-первых, делится не атом, а ядро. А во-вторых, выражение «атомная энергия» в буквальном смысле означает «энергия неделимого». Для устранения этих неточностей Фредери́к Со́дди предлагал взамен термин «томная энергия» (то есть «энергия делимого»). Однако «томная» энергия не прижилась, а так и осталась «a-томной». Правильно же её называть ядерной энергией.
Всем вам наверняка известно, что на современных АЭС для получения электроэнергии используется энергия, выделяющаяся в результате цепной реакции деления. Давайте вспомним, что цепной называется реакция, в которой частицы, вызывающие ядерную реакцию распада, образуются как продукты этой же реакции.
Как мы уже знаем, цепная реакция может быть управляемой и неуправляемой.
Для управления цепной реакцией необходимо очень точно контролировать процесс размножения нейтронов, делая его таким, чтобы число нейтронов в процессе реакции оставалось практически неизменным.
Так, например, при коэффициенте размножения нейтронов примерно равным одной целой и шести тысячным (k ≈ 1,006) цепная ядерная реакция может принять неуправляемый характер. Если же хоть чуть-чуть превысить этот предел, то мгновенно происходит ядерный взрыв.
Управляемые цепные реакции деления ядер осуществляются в ядерных реакторах.
Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит управляемая цепная ядерная реакция деления ядер тяжёлых элементов под действием нейтронов.
Энергия, освобождаемая при делении ядра, уносится осколками деления, нейтронами, гамма-квантами и электронами с сопровождающими их антинейтрино. В конечном итоге вся энергия деления ядра (а это около 200 МэВ), переходит во внутреннюю энергию, которая выделяется как в самом реакторе, так и в окружающих его материалах. Эту энергию и используют для производства электрической энергии.
Напомним, что впервые управляемая цепная реакция деления ядер была осуществлена в 1942 году в США под руководством итальянского физика Энрико Ферми.
Секретная разработка реактора была первым крупным техническим достижением для Манхэттенского проекта (создания атомной бомбы во время Второй мировой войны). В качестве топлива использовался природный (необогащённый) уран в виде прессованных оксидов общей массой около тридцати семи тонн (около 33 т UO2 и около 3,7 т U3O8) и металлических слитков, общей массой около пяти целых и шести десятых тонны (5,6 т). Замедлителем был выбран графит, общей массой около 350 т.
Активная зона была выполнена в виде послойно уложенных графитовых блоков, укреплённых деревянным каркасом. Блоки каждого второго слоя имели полости, в которые укладывалось ядерное топливо, образуя кубическую решётку. Цепная реакция с k = 1,0006 длилась всего 28 минут, после чего реактор был остановлен.
Первый ядерный реактор (Ф-1) в Советском Союзе и в Европе в целом был запущен в 1946 году под руководством академика Игоря Васильевича Курчатова. Он проработал почти 66 лет и был заглушен 2012 году.
Как правило, ядерный реактор имеет пять основных составных частей. Главную часть реактора называют активной зоной. Она содержит ядерное горючее в виде таблеток, находящихся в специальных тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах по первым буквам словосочетания). ТВЭЛы представляют собой очень длинные трубки, проходящие через всю активную зону реактора. Масса топлива в каждом ТВЭЛе значительно меньше критической (критической принято называть минимальную массу вещества, необходимую для осуществления цепной ядерной реакции). Поэтому в одном стержне цепная реакция происходить не может (это делается специально из соображений безопасности). Она начинается после погружения в активную зону всех стержней, то есть когда масса делящегося вещества достигнет критического значения.
Активная зона окружена отражателем нейтронов, возвращающим их внутрь активной зоны для продолжения реакции. Хорошим отражателем нейтронов является бериллий.
В качестве ядерного горючего используется три вида радиоактивных изотопов: урана-238, уран-235, а также изотопа плутония-239. Последние два изотопа наиболее эффективно делятся под действием медленных (тепловых) нейтронов. Но вторичные нейтроны, образующиеся при делении ядер, являются быстрыми с энергией порядка 2 МэВ. Поэтому их замедляют, вводя в активную зону замедлитель. В качестве замедлителя обычно используется простая (Н2О) или тяжёлая (D2O) вода. Замедлитель эффективно отбирает энергию у быстрых нейтронов, рождающихся в реакции деления.
Чтобы понять принцип работы замедлителя, проведём аналогию с двумя бильярдными шарами. Итак, при лобовом столкновении движущегося шара с неподвижным налетающий шар останавливается, а изначально неподвижный приобретает его скорость. В случае не лобового столкновения энергия движущегося шара уменьшается частично. Аналогичная картина происходит при торможении нейтронов водой. Для уменьшения энергии нейтрона с 2—3 МэВ до тепловых значений, требуется в среднем около 18 его столкновений с ядрами водорода в молекулах воды. Хорошим замедлителем также считается графит, ядра которого не поглощают нейтронов.
Для управления цепной реакцией в реакторе предусмотрены регулирующие стержни, которые состоят из материалов (чаще из соединения кадмия или бора), активно поглощающих нейтроны. Если стержни с поглотителем ввести в активную зону, то коэффициент размножения нейтронов уменьшается. И наоборот, выведение стержней из активной зоны увеличивает коэффициент размножения. Этим и достигается управление реакцией. Обычно это делается автоматически. В случае же внештатных ситуаций предусмотрена ручная регулировка погружения стержней.
Для отвода из активной зоны реактора выделяющуюся энергию, чаще всего используется обычная вода. Она нагревается стенками ТВЭЛов в среднем до 300 о С и под высоким давлением (порядка 100 атм) выводится из активной зоны. Далее вода превращается в пар и направляется к паровым турбинам для генерации электрической энергии.
Снаружи активная зона реактора окружена отражателем нейтронов. А поверх отражателя располагаются стальной корпус реактора и защитный слой бетона, которые ослабляют радиоактивное излучение до биологически безопасного уровня.
Мы рассмотрели принцип действия реактора на медленных нейтронах, под действием которых делятся лишь достаточно редкие в природе изотопы урана-235, и не встречающиеся в природе изотопы урана-233 и плутония-239, в то время как гораздо более распространённые изотопы урана-238 поглощают тепловые нейтроны без деления на осколки.
Для решения этой проблемы в 1958 году в СССР в городе Обнинске был построен первый в мире реактор на быстрых нейтронах с ненулевой мощностью — БР-5. В реакторах на быстрых нейтронах используются урано-плутониевый цикл, в котором ядро урана-238 превращается в ядро плутония-239. И ториевый цикл, в котором ядро тория-230 превращается в ядро урана-233. Ядра этих изотопов по способности к взаимодействию с нейтронами похожи на изотопы урана-235. При захвате нейтрона их ядра делятся с испусканием в среднем трёх нейтронов, которые способны поддерживать развитие цепной реакции.
Ядерный реактор на быстрых нейтронах выполняет одновременно две функции — производство энергии и воспроизводство ядерного горючего. Именно поэтому он называется ещё реактором-размножителем (бридером).
Как мы упоминали в начале урока, выработка электроэнергии, основанная на использовании управляемой ядерной реакции, производится на атомных электростанциях. Первая в мире АЭС была построена в СССР в городе Обнинске и дала ток 27 июня 1954 года. Её мощность составляла всего 5 МВт.
Несмотря на то что атомные электростанции экологически более чистые по сравнению с тепловыми электростанциями и потребляют значительно меньше топлива, у атомной энергетики есть существенные недостатки, которые можно устранить, если для получения энергии использовать не реакции деления тяжёлых ядер, а реакции синтеза лёгких ядер. Эти реакции эффективно протекают при сверхвысоких температурах и само-поддерживаются за счёт значительного выделения в них энергии. Такие реакции были названы термоядерными. Причина выделения энергии та же, что и в случае реакций деления, — удельная энергия связи продуктов реакции выше, чем исходных материалов.
Как мы уже с вами знаем, частицы в атомном ядре удерживаются ядерными силами, которые действуют только на сверхмалых расстояниях. Поэтому при реакциях синтеза необходимо сблизить ядра на столь малое расстояние, чтобы «в игру вступили» ядерные силы. Но этому сближению будут препятствовать силы электрического отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Поэтому для преодоления этих сил, ядра изотопов изначально должны обладать большой кинетической энергией. А большая кинетическая энергия теплового движения ядер означает, что вещество должно обладать очень высокой температурой.
Возможность использования термоядерных реакций открывает перед человечеством новый путь получения практически неисчерпаемого источника энергии. Одной из самых перспективных в этом отношении является реакция
Давайте рассчитаем энергию, выделяющуюся при такой реакции.
Одной из основных проблем, возникающих при попытке осуществить управляемый термоядерный синтез — это удержания высокотемпературной дейтерий-тритиевой смеси. Эта смесь не должна касаться стенок установки, в которой она находится, иначе стенки просто испарятся. Ещё в середине ХХ века российские учёные Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Тамм предложили для удержания термоядерной смеси использовать магнитное поле особой конфигурации. Данная идея в последствии была реализована в установках типа «ТОКАМАК» — ТОроида́льных КАмерах с МАгнитными Катушками. Однако проблема удержания высокотемпературной плазмы в течение длительного времени не решена и по сей день.
Сейчас «мировой рекорд» принадлежит китайским учёным, которым в ночь на 3 июля 2017 года удалось удерживать плазменный шнур в стабильном состоянии более 100 секунд. Но о полноценной управляемой термоядерной реакции пока речь не идёт. На данном этапе своей эволюции человечество смогло осуществить лишь неуправляемую термоядерную реакцию взрывного типа в водородной бомбе.
В естественных условиях термоядерные реакции синтеза протекают в недрах звёзд и являются основным источником их энергии. Поэтому термоядерные реакции играют очень важную роль в эволюции Вселенной, в частности в преобразованиях химических веществ в ней.