1 jadrový reaktor. Jadrový reaktor: princíp činnosti, charakteristika, popis. Ako fungujú jadrové reaktory, ako vyrábajú elektrinu? Video: ako fungujú jadrové reaktory

Jadrový reaktor funguje hladko a efektívne. V opačnom prípade, ako viete, budú problémy. Ale čo sa deje vo vnútri? Skúsme stručne, prehľadne, so zastávkami sformulovať princíp fungovania jadrového (jadrového) reaktora.

V podstate sa tam deje rovnaký proces ako pri jadrovom výbuchu. Len k výbuchu dôjde veľmi rýchlo, ale v reaktore sa to všetko naťahuje na dlhú dobu. Výsledkom je, že všetko zostáva bezpečné a zdravé a dostávame energiu. Nie až tak, že by sa naraz zničilo všetko naokolo, ale úplne postačujúce na to, aby do mesta zabezpečili elektrinu.

Ako funguje reaktor Chladiace veže jadrovej elektrárne
Predtým, ako pochopíte, ako prebieha riadená jadrová reakcia, musíte vedieť, čo je jadrová reakcia vo všeobecnosti.

Jadrová reakcia je proces transformácie (štiepenia) atómových jadier, keď interagujú s elementárnymi časticami a gama lúčmi.

Jadrové reakcie môžu prebiehať pri absorpcii aj uvoľňovaní energie. Reaktor využíva druhé reakcie.

Jadrový reaktor je zariadenie, ktorého účelom je udržiavať riadenú jadrovú reakciu s uvoľňovaním energie.

Jadrový reaktor sa často nazýva aj atómový reaktor. Všimnime si, že tu nie je žiadny zásadný rozdiel, ale z hľadiska vedy je správnejšie používať slovo „jadrový“. V súčasnosti existuje veľa typov jadrových reaktorov. Ide o obrovské priemyselné reaktory určené na výrobu energie v elektrárňach, jadrové reaktory ponoriek, malé experimentálne reaktory používané pri vedeckých experimentoch. Existujú dokonca reaktory používané na odsoľovanie morskej vody.

História vzniku jadrového reaktora

Prvý jadrový reaktor bol spustený v nie tak vzdialenom roku 1942. Stalo sa tak v USA pod vedením Fermiho. Tento reaktor sa nazýval Chicago Woodpile.

V roku 1946 začal fungovať prvý sovietsky reaktor, spustený pod vedením Kurčatova. Telo tohto reaktora bola guľa s priemerom sedem metrov. Prvé reaktory nemali chladiaci systém a ich výkon bol minimálny. Mimochodom, sovietsky reaktor mal priemerný výkon 20 wattov a americký iba 1 watt. Pre porovnanie, priemerný výkon moderných energetických reaktorov je 5 gigawattov. Necelých desať rokov po spustení prvého reaktora bola v meste Obninsk otvorená prvá priemyselná jadrová elektráreň na svete.

Princíp činnosti jadrového (jadrového) reaktora

Každý jadrový reaktor má niekoľko častí: jadro s palivom a moderátorom, neutrónový reflektor, chladiacu kvapalinu, riadiaci a ochranný systém. Ako palivo v reaktoroch sa najčastejšie používajú izotopy uránu (235, 238, 233), plutónia (239) a tória (232). Jadrom je kotol, cez ktorý prúdi obyčajná voda (chladiaca kvapalina). Spomedzi iných chladív sa menej bežne používa „ťažká voda“ a tekutý grafit. Ak hovoríme o prevádzke jadrových elektrární, tak na výrobu tepla sa využíva jadrový reaktor. Samotná elektrina sa vyrába rovnakým spôsobom ako v iných typoch elektrární – para roztáča turbínu a energia pohybu sa premieňa na elektrickú energiu.

Nižšie je uvedený diagram činnosti jadrového reaktora.

schéma prevádzky jadrového reaktora Schéma jadrového reaktora v jadrovej elektrárni

Ako sme už povedali, pri rozpade ťažkého jadra uránu vznikajú ľahšie prvky a niekoľko neutrónov. Výsledné neutróny sa zrážajú s inými jadrami, čo tiež spôsobuje ich štiepenie. Zároveň počet neutrónov rastie ako lavína.

Tu treba spomenúť multiplikačný faktor neutrónov. Ak teda tento koeficient prekročí hodnotu rovnajúcu sa jednej, dôjde k jadrovému výbuchu. Ak je hodnota menšia ako jedna, neutrónov je príliš málo a reakcia vyhasne. Ale ak udržíte hodnotu koeficientu rovnú jednej, reakcia bude prebiehať dlho a stabilne.

Otázkou je, ako to urobiť? V reaktore je palivo obsiahnuté v takzvaných palivových článkoch (palivové články). Ide o tyče, ktoré obsahujú jadrové palivo vo forme malých tabliet. Palivové tyče sú spojené do kaziet šesťuholníkového tvaru, ktorých môžu byť v reaktore stovky. Kazety s palivovými tyčami sú usporiadané vertikálne a každá palivová tyč má systém, ktorý umožňuje regulovať hĺbku jej ponorenia do jadra. Okrem samotných kaziet sú medzi nimi ovládacie tyče a tyče núdzovej ochrany. Tyčinky sú vyrobené z materiálu, ktorý dobre pohlcuje neutróny. Regulačné tyče tak môžu byť spustené do rôznych hĺbok v jadre, čím sa upraví faktor násobenia neutrónov. Havarijné tyče sú určené na odstavenie reaktora v prípade núdze.

Ako sa spúšťa jadrový reaktor?

Prišli sme na samotný princíp fungovania, ale ako spustiť a zabezpečiť fungovanie reaktora? Zhruba povedané, tu to je - kúsok uránu, ale reťazová reakcia v ňom nezačína sama od seba. Faktom je, že v jadrovej fyzike existuje koncept kritického množstva.

Jadrové palivoJadrové palivo

Kritická hmotnosť je množstvo štiepneho materiálu potrebného na spustenie jadrovej reťazovej reakcie.

Pomocou palivových tyčí a regulačných tyčí sa najskôr v reaktore vytvorí kritické množstvo jadrového paliva a následne sa reaktor v niekoľkých stupňoch uvedie na optimálnu úroveň výkonu.

Bude sa vám páčiť: Matematické triky pre študentov humanitných odborov a nie až tak (1. časť)
V tomto článku sme sa vám pokúsili poskytnúť všeobecnú predstavu o štruktúre a princípe fungovania jadrového (jadrového) reaktora. Ak máte akékoľvek otázky k danej téme alebo ste boli požiadaní o problém z jadrovej fyziky na univerzite, obráťte sa na špecialistov našej spoločnosti. Ako obvykle, sme pripravení pomôcť vám vyriešiť akýkoľvek naliehavý problém týkajúci sa vášho štúdia. A keď už sme pri tom, tu je pre vašu pozornosť ďalšie vzdelávacie video!

blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

Tento nevýrazný sivý valec je kľúčovým článkom ruského jadrového priemyslu. Nevyzerá to, samozrejme, veľmi reprezentatívne, ale keď pochopíte jeho účel a pozriete sa na technické vlastnosti, začnete chápať, prečo je tajomstvo jeho tvorby a dizajnu chránené štátom ako jablko oka.

Áno, zabudol som predstaviť: tu je plynová odstredivka na separáciu izotopov uránu VT-3F (n-tá generácia). Princíp činnosti je elementárny, ako pri odlučovači mlieka, vplyvom odstredivej sily sa oddeľuje ťažké od ľahkého. Aký je teda význam a jedinečnosť?

Najprv si odpovedzme na ďalšiu otázku – vo všeobecnosti, prečo separovať urán?

Prírodný urán, ktorý leží priamo v zemi, je kokteilom dvoch izotopov: urán-238 A urán-235(a 0,0054 % U-234).
Urán-238, je to len ťažký, šedý kov. Môžete z neho vyrobiť delostrelecký granát, alebo... kľúčenku. Tu je to, čo môžete urobiť urán-235? Po prvé, atómová bomba a po druhé palivo pre jadrové elektrárne. A tu sa dostávame ku kľúčovej otázke – ako tieto dva, takmer identické atómy, od seba oddeliť? Skutočne nie AKO?!

Mimochodom: Polomer jadra atómu uránu je 1,5 10 -8 cm.

Aby sa atómy uránu dostali do technologického reťazca, musí sa premeniť (urán) na plynné skupenstvo. Nemá zmysel prevárať, stačí spojiť urán s fluórom a získať hexafluorid uránu HFC. Technológia na jeho výrobu nie je veľmi zložitá a drahá, a preto HFC dostanú to presne tam, kde sa tento urán ťaží. UF6 je jediná vysoko prchavá zlúčenina uránu (pri zahriatí na 53°C sa hexafluorid (na obrázku) priamo premieňa z pevného do plynného skupenstva). Potom sa prečerpá do špeciálnych nádob a odošle na obohatenie.

Trochu histórie

Na samom začiatku jadrových pretekov si najväčšie vedecké mozgy ZSSR aj USA osvojili myšlienku difúznej separácie - prechodu uránu cez sito. Malý 235 izotop prekĺzne a „tuk“ 238 zasekne sa. Navyše vyrobiť sito s nanodierami pre sovietsky priemysel v roku 1946 nebolo tou najťažšou úlohou.

Zo správy Isaaca Konstantinoviča Kikoina na vedeckej a technickej rade pri Rade ľudových komisárov (uvedená v zbierke odtajnených materiálov o atómovom projekte ZSSR (ed. Ryabev)): V súčasnosti sme sa naučili vyrábať pletivá s otvormi cca 5/1 000 mm, t.j. 50-krát väčšia ako voľná dráha molekúl pri atmosférickom tlaku. V dôsledku toho tlak plynu, pri ktorom dôjde k separácii izotopov na takýchto mriežkach, musí byť menší ako 1/50 atmosférického tlaku. V praxi predpokladáme pracovať pri tlaku asi 0,01 atmosféry, t.j. za dobrých podmienok vákua. Výpočty ukazujú, že na získanie produktu obohateného na koncentráciu 90 % ľahkým izotopom (táto koncentrácia postačuje na výrobu výbušniny) je potrebné skombinovať asi 2000 takýchto stupňov v kaskáde. V stroji, ktorý navrhujeme a čiastočne vyrábame, sa očakáva produkcia 75-100 g uránu-235 za deň. Inštalácia bude pozostávať z približne 80-100 „stĺpcov“, z ktorých každý bude mať nainštalovaných 20-25 stupňov.

Nižšie je dokument - Beriaova správa Stalinovi o príprave prvého výbuchu atómovej bomby. Nižšie sú uvedené krátke informácie o jadrových materiáloch vyrobených začiatkom leta 1949.

A teraz si predstavte sami - 2 000 statných inštalácií len za 100 gramov! No čo s tým, potrebujeme bomby. A začali stavať továrne, a nielen továrne, ale celé mestá. A dobre, len mestá, tieto difúzne elektrárne si vyžadovali toľko elektriny, že museli v blízkosti postaviť samostatné elektrárne.

Na fotografii: prvý závod na obohacovanie uránu K-25 s difúziou plynu na svete v Oak Ridge (USA). Výstavba stála 500 miliónov dolárov. Dĺžka budovy v tvare U je asi pol míle.

V ZSSR bol prvý stupeň D-1 závodu č. 813 navrhnutý na celkový výkon 140 gramov 92-93% uránu-235 za deň v 2 kaskádach 3100 výkonovo rovnakých separačných stupňov. Na výrobu bol pridelený nedokončený letecký závod v obci Verkh-Neyvinsk, 60 km od Sverdlovska. Neskôr sa zmenil na Sverdlovsk-44 a závod 813 (na obrázku) na Uralský elektrochemický závod - najväčší separačný závod na svete.

A hoci technológia difúznej separácie, aj keď s veľkými technologickými ťažkosťami, bola odladená, myšlienka vývoja ekonomickejšieho procesu odstredivky neopustila program. Ak sa nám totiž podarí vytvoriť odstredivku, spotreba energie sa zníži 20 až 50-krát!

Ako funguje odstredivka?

Jeho štruktúra je viac než elementárna a vyzerá ako stará práčka pracujúca v režime „odstreďovanie/sušenie“. Rotujúci rotor je umiestnený v utesnenom kryte. Do tohto rotora sa privádza plyn (UF6). V dôsledku odstredivej sily, ktorá je stotisíckrát väčšia ako gravitačné pole Zeme, sa plyn začína deliť na „ťažkú“ a „ľahkú“ frakciu. Ľahké a ťažké molekuly sa začínajú zoskupovať v rôznych zónach rotora, ale nie v strede a pozdĺž obvodu, ale v hornej a dolnej časti.

K tomu dochádza v dôsledku konvekčných prúdov - kryt rotora sa zahrieva a vzniká protiprúd plynu. V hornej a spodnej časti valca sú nainštalované dve malé sacie rúrky. Chudá zmes vstupuje do spodnej trubice a zmes s vyššou koncentráciou atómov vstupuje do hornej trubice. 235U. Táto zmes ide do ďalšej odstredivky a tak ďalej, až kým sa neskoncentruje 235 urán nedosiahne požadovanú hodnotu. Reťazec centrifúg sa nazýva kaskáda.

Technické vlastnosti.

Po prvé, rýchlosť otáčania - v modernej generácii centrifúg dosahuje 2000 ot / min (ani neviem, s čím to porovnať... 10-krát rýchlejšie ako turbína v leteckom motore)! A funguje nepretržite už TRI DESAŤROČIA! Tie. Teraz sa centrifúgy, zapnuté pod Brežnevom, otáčajú v kaskádach! ZSSR už neexistuje, ale stále sa točia a točia. Nie je ťažké vypočítať, že počas svojho pracovného cyklu rotor vykoná 2 000 000 000 000 (dva bilióny) otáčok. A aké ložisko toto vydrží? Áno, žiadne! Nie sú tam žiadne ložiská.

Samotný rotor je obyčajný vrch, v spodnej časti má silnú ihlu oprenú o korundové ložisko a horný koniec visí vo vákuu a drží ho elektromagnetické pole. Ihla tiež nie je jednoduchá, je vyrobená z obyčajného drôtu na klavírne struny, je temperovaná veľmi rafinovane (ako GT). Nie je ťažké si predstaviť, že pri takej zbesilej rýchlosti otáčania musí byť samotná odstredivka nielen odolná, ale aj mimoriadne odolná.

Akademik Joseph Friedlander spomína: „Mohli ma vystreliť trikrát. Raz, keď sme už dostali Leninovu cenu, sa stala veľká nehoda, odletelo veko centrifúgy. Kusy sa rozhádzali a zničili ďalšie odstredivky. Zdvihol sa rádioaktívny mrak. Museli sme zastaviť celú linku - kilometer inštalácií! V Sredmaši velil centrifúgam generál Zverev, pred atómovým projektom pracoval v Berijovom oddelení. Generál na stretnutí povedal: „Situácia je kritická. Obrana krajiny je ohrozená. Ak situáciu rýchlo nenapravíme, '37 sa vám zopakuje. A okamžite ukončil schôdzu. Potom sme prišli s úplne novou technológiou s úplne izotropnou jednotnou štruktúrou viečok, ale boli potrebné veľmi zložité inštalácie. Odvtedy sa tieto typy viečok vyrábajú. Už neboli žiadne problémy. V Rusku sú 3 obohacovacie závody, mnoho stoviek tisíc centrifúg.
Na fotografii: testy prvej generácie centrifúg

Aj kryty rotorov boli spočiatku kovové, kým ich nenahradili... uhlíkové vlákna. Ľahký a vysoko pevný v ťahu je ideálnym materiálom pre rotačný valec.

Generálny riaditeľ UEIP (2009-2012) Alexander Kurkin pripomína: „Začínalo to byť smiešne. Keď testovali a kontrolovali novú, „vynaliezavejšiu“ generáciu centrifúg, jeden zo zamestnancov nečakal na úplné zastavenie rotora, odpojil ho od kaskády a rozhodol sa ho preniesť ručne na stojan. Ale namiesto toho, aby sa pohol vpred, bez ohľadu na to, ako sa bránil, objal tento valec a začal sa pohybovať dozadu. Takže sme na vlastné oči videli, že Zem sa otáča a gyroskop je veľká sila.“

Kto to vymyslel?

Ach, to je záhada, zahalená do tajomstva a zahalená napätím. Nájdete tu zajatých nemeckých fyzikov, CIA, dôstojníkov SMERSH a dokonca aj zostreleného špionážneho pilota Powersa. Vo všeobecnosti bol princíp plynovej odstredivky opísaný koncom 19. storočia.

Dokonca aj na úsvite atómového projektu Viktor Sergeev, inžinier zo špeciálnej konštrukčnej kancelárie Kirovovho závodu, navrhol metódu separácie centrifúgy, ale jeho kolegovia spočiatku jeho nápad neschvaľovali. Paralelne vedci z porazeného Nemecka bojovali o vytvorenie separačnej centrifúgy v špeciálnom výskumnom ústave-5 v Suchumi: Dr. Max Steenbeck, ktorý pracoval ako popredný inžinier Siemensu za Hitlera, a bývalý mechanik Luftwaffe, absolvent Viedenskej univerzity, Gernot Zippe. Celkovo skupina zahŕňala asi 300 „exportovaných“ fyzikov.

Alexey Kaliteevsky, generálny riaditeľ Centrotech-SPb CJSC, Rosatom State Corporation, pripomína: „Naši odborníci dospeli k záveru, že nemecká odstredivka je absolútne nevhodná pre priemyselnú výrobu. Steenbeckov prístroj nemal systém na prenos čiastočne obohateného produktu do ďalšieho stupňa. Navrhlo sa ochladiť konce veka a zmraziť plyn a potom ho rozmraziť, zozbierať a vložiť do ďalšej odstredivky. To znamená, že schéma je nefunkčná. Projekt mal však niekoľko veľmi zaujímavých a nezvyčajných technických riešení. Tieto „zaujímavé a nezvyčajné riešenia“ boli kombinované s výsledkami sovietskych vedcov, najmä s návrhmi Viktora Sergeeva. Relatívne povedané, naša kompaktná odstredivka je z jednej tretiny plodom nemeckého myslenia a z dvoch tretín sovietskeho. Mimochodom, keď Sergeev prišiel do Abcházska a vyjadril svoje myšlienky o výbere uránu tomu istému Steenbeckovi a Zippemu, Steenbeck a Zippe ich zamietli ako nerealizovateľné.

Na čo teda Sergeev prišiel?

A Sergeevov návrh bol vytvoriť selektory plynu vo forme pitotových trubíc. Ale Dr. Steenbeck, ktorý, ako veril, na túto tému prejedol zuby, bol kategorický: "Spomalia tok, spôsobia turbulencie a nedôjde k žiadnemu oddeleniu!" O niekoľko rokov neskôr, keď pracoval na svojich memoároch, to oľutoval: „Nápad, ktorý stojí za to prísť od nás! Ale nikdy ma to nenapadlo...“

Neskôr, keď bol Steenbeck mimo ZSSR, už s centrifúgami nepracoval. Geront Zippe mal však pred odchodom do Nemecka možnosť zoznámiť sa s prototypom Sergejevovej centrifúgy a geniálne jednoduchým princípom jej fungovania. Raz na Západe si „prefíkaný Zippe“, ako ho často volali, patentoval dizajn centrifúgy pod svojím vlastným menom (patent č. 1071597 z roku 1957, deklarovaný v 13 krajinách). V roku 1957, keď sa Zippe presťahoval do USA, vybudoval tam fungujúcu inštaláciu, ktorá reprodukovala Sergejevov prototyp z pamäte. A nazval to, vzdajme hold, „ruská centrifúga“ (na obrázku).

Mimochodom, ruské inžinierstvo sa ukázalo v mnohých iných prípadoch. Príkladom je jednoduchý núdzový uzatvárací ventil. Neexistujú žiadne senzory, detektory ani elektronické obvody. Je tu len samovarová batéria, ktorá sa svojím okvetným lístkom dotýka kaskádového rámu. Ak sa niečo pokazí a odstredivka zmení svoju polohu v priestore, jednoducho sa otočí a uzavrie prívodné vedenie. Je to ako vtip o americkom pere a ruskej ceruzke vo vesmíre.

Naše dni

Tento týždeň sa autor týchto riadkov zúčastnil významnej udalosti - uzavretia ruskej kancelárie pozorovateľov ministerstva energetiky USA na základe zmluvy HEU-LEU. Táto dohoda (vysoko obohatený urán – nízko obohatený urán) bola a zostáva najväčšou dohodou v oblasti jadrovej energie medzi Ruskom a Amerikou. Podľa zmluvných podmienok ruskí jadroví vedci spracovali 500 ton nášho uránu (90%) určeného na zbrane na palivo (4%) HFC pre americké jadrové elektrárne. Tržby za roky 1993-2009 dosiahli 8,8 miliardy amerických dolárov. To bol logický výsledok technologického prelomu našich jadrových vedcov v oblasti separácie izotopov, ktorý urobili v povojnových rokoch.
Na fotografii: kaskády plynových centrifúg v jednej z dielní UEIP. Je ich tu asi 100-tisíc.

Vďaka centrifúgam sme získali tisíce ton relatívne lacného vojenského aj komerčného produktu. Jadrový priemysel je jedným z mála zostávajúcich (vojenské letectvo, vesmír), kde má Rusko nesporné prvenstvo. Len zahraničné objednávky na desať rokov dopredu (od roku 2013 do roku 2022), portfólio Rosatomu bez zmluvy HEU-LEU je 69,3 miliardy dolárov. V roku 2011 prekročila 50 miliárd...
Na obrázku je sklad kontajnerov s HFC v UEIP.

Dňa 28. septembra 1942 bolo prijaté uznesenie Výboru obrany štátu č. 2352ss „O organizácii práce s uránom“. Tento dátum sa považuje za oficiálny začiatok histórie ruského jadrového priemyslu.

Prvý jadrový reaktor postavili v decembri 1942 v USA pod vedením E. Fermi . V Európe bol prvý jadrový reaktor spustený v decembri 1946 v Moskve pod vedením I.V. Kurčatovej . V roku 1978 už vo svete fungovalo asi tisíc jadrových reaktorov rôznych typov. Komponenty akéhokoľvek jadrového reaktora sú: jadro s jadrové palivo zvyčajne obklopený neutrónovým reflektorom, chladiaca kvapalina, systém riadenia reťazovej reakcie, radiačná ochrana, systém diaľkového ovládania ( ryža. 1). Hlavnou charakteristikou jadrového reaktora je jeho výkon. Výkon na 1 Mv zodpovedá reťazovej reakcii, pri ktorej dochádza k 3 10 16 aktom štiepenia na 1 sek.
Projektovanie energetických jadrových reaktorov.

Jadrový reaktor je zariadenie, v ktorom prebieha riadená reťazová reakcia štiepenia jadier ťažkých prvkov a tepelná energia uvoľnená pri tomto procese je odvádzaná chladivom. Hlavným prvkom jadrového reaktora je jadro. Obsahuje jadrové palivo a vykonáva reťazovú štiepnu reakciu. Jadro je súbor palivových článkov obsahujúcich jadrové palivo umiestnených určitým spôsobom. Tepelné neutrónové reaktory využívajú moderátor. Chladiaca kvapalina sa čerpá cez aktívnu zónu na chladenie palivových článkov. V niektorých typoch reaktorov plní úlohu moderátora a chladiva rovnaká látka, napríklad obyčajná alebo ťažká voda.

Schéma homogénneho reaktora: 1-telo reaktora, 2-jadro, 3-objemový kompenzátor, 4-výmenník tepla, 5-výstup pary, 6- vstup napájacej vody, 7-obehové čerpadlo

Na riadenie prevádzky reaktora sú do aktívnej zóny zavedené regulačné tyče vyrobené z materiálov s veľkým prierezom absorpcie neutrónov. Jadro energetických reaktorov je obklopené neutrónovým reflektorom – vrstvou moderátorského materiálu na zníženie úniku neutrónov z aktívnej zóny. Navyše vďaka reflektoru sa hustota neutrónov a uvoľňovanie energie vyrovnávajú v celom objeme aktívnej zóny, čo umožňuje získať väčší výkon pre danú veľkosť zóny, dosiahnuť rovnomernejšie vyhorenie paliva, predĺžiť prevádzkový čas reaktora. bez preťaženia paliva a zjednodušiť systém odvodu tepla. Reflektor sa zahrieva energiou spomalených a absorbovaných neutrónov a gama kvánt, takže je zabezpečené jeho chladenie. Jadro, reflektor a ďalšie prvky sú umiestnené v utesnenom kryte alebo plášti, ktorý je zvyčajne obklopený biologickým tienením.

V jadre jadrového reaktora je jadrové palivo, dochádza k reťazovej reakcii jadrového štiepenia a uvoľňuje sa energia. Štátny jadrový reaktor sa vyznačuje efektívnym koeficientom Kef násobenie neutrónov alebo reaktivita r:

R = (Kx-1)/Keff. (1)

Ak Kef > 1, potom sa reťazová reakcia časom zvyšuje, jadrový reaktor je v superkritickom stave a jeho reaktivita r > 0; Ak K eff< 1 , potom reakcia zanikne, reaktor je podkritický, r< 0; при TO ¥ = 1, r = 0, reaktor je v kritickom stave, prebieha stacionárny proces a počet štiepení je v priebehu času konštantný. Na spustenie reťazovej reakcie pri spúšťaní jadrového reaktora sa do aktívnej zóny zvyčajne zavádza zdroj neutrónov (zmes Ra a Be, 252 Cf atď.), aj keď to nie je potrebné, pretože spontánne štiepenie jadier uránu resp. kozmické lúče poskytujú dostatočný počet počiatočných neutrónov na rozvoj reťazovej reakcie pri Kef > 1.

Vo väčšine jadrových reaktorov sa ako štiepna látka používa 235 U. Ak aktívna zóna okrem jadrového paliva (prírodný alebo obohatený urán) obsahuje moderátor neutrónov (grafit, voda a iné látky obsahujúce ľahké jadrá, viď. Neutrónové moderovanie), potom sa hlavná časť delení vyskytuje pod vplyvom tepelné neutróny (tepelný reaktor). Tepelný neutrónový jadrový reaktor môže využívať prírodný urán, ktorý nie je obohatený o 235 U (to bol prvý jadrový reaktor). Ak v jadre nie je žiadny moderátor, potom väčšinu štiepenia spôsobujú rýchle neutróny s energiou x n > 10 kev (rýchly reaktor). Možné sú aj stredné neutrónové reaktory s energiami 1-1000 ev.

Podmienka kritickosti pre jadrový reaktor má tvar:

Keff = K ¥ × P = 1 , (1)

kde 1 - P je pravdepodobnosť úniku (úniku) neutrónov z aktívnej zóny jadrového reaktora, TO ¥ - multiplikačný faktor neutrónov v nekonečne veľkom jadre určený pre tepelný jadrový reaktor takzvaným „štvorfaktorovým vzorcom“:

TO¥ = neju. (2)

Tu n je priemerný počet sekundárnych (rýchlych) neutrónov, ktoré sú výsledkom štiepenia jadra 235 U tepelnými neutrónmi, e je multiplikačný faktor rýchlymi neutrónmi (nárast počtu neutrónov v dôsledku štiepenia jadier, najmä 238 U jadier rýchlymi neutrónmi); j je pravdepodobnosť, že neutrón nebude zachytený jadrom 238 U počas procesu spomalenia, u je pravdepodobnosť, že tepelný neutrón spôsobí štiepenie. Často sa používa hodnota h = n/(l + a), kde a je pomer prierezu záchytu žiarenia s p k prierezu štiepenia s d.

Podmienka (1) určuje rozmery jadrového reaktora Napríklad pre jadrový reaktor vyrobený z prírodného uránu a grafitu n = 2.4. e » 1,03, eju » 0,44, odkiaľ TO¥ = 1,08. To znamená, že pre TO ¥ > 1 potrebné P<0,93, что соответствует (как показывает теория Ядерный реактор) размерам активной зоны Ядерный реактор ~ 5-10 m. Objem moderného energetického jadrového reaktora dosahuje stovky m 3 a je určená hlavne schopnosťami odvodu tepla a nie kritickými podmienkami. Objem aktívnej zóny jadrového reaktora v kritickom stave sa nazýva kritický objem jadrového reaktora a hmotnosť štiepneho materiálu sa nazýva kritická hmotnosť. Najnižšiu kritickú hmotnosť má jadrový reaktor s palivom vo forme roztokov solí čistých štiepnych izotopov vo vode a s vodným neutrónovým reflektorom. Pre 235 U je táto hmotnosť 0,8 kg, Pre 239 Pu - 0,5 kg . 251 Cf má najmenšiu kritickú hmotnosť (teoreticky 10 g). Kritické parametre grafitového jadrového reaktora s prírodným uránom: hmotnosť uránu 45 T, objem grafitu 450 m 3 . Na zníženie úniku neutrónov má jadro guľový alebo takmer guľový tvar, napríklad valec s výškou rádovo ako priemer alebo kocka (najmenší pomer povrchu k objemu).

Hodnota n je známa pre tepelné neutróny s presnosťou 0,3 % (tabuľka 1). So zvyšujúcou sa energiou x n neutrónu, ktorý spôsobil štiepenie, rastie n podľa zákona: n = n t + 0,15x n (x n v Mev), kde n t zodpovedá štiepeniu tepelnými neutrónmi.

Tabuľka 1. - Hodnoty n a h) pre tepelné neutróny (podľa údajov za rok 1977)

233 U

235U

239 Pu

241 Pu

Hodnota (e-1) je zvyčajne len niekoľko %, napriek tomu je úloha rýchleho znásobenia neutrónov významná, keďže pre veľké jadrové reaktory ( TO ¥ - 1) << 1 (графитовые Ядерный реактор с естественным ураном, в которых впервые была осуществлена цепная реакция, невозможно было бы создать, если бы не существовало деления на быстрых нейтронах).

Maximálna možná hodnota J sa dosahuje v jadrovom reaktore, ktorý obsahuje len štiepne jadrá. Energetické jadrové reaktory využívajú slabo obohatený urán (koncentrácia 235 U ~ 3-5 %) a jadrá 238 U absorbujú značnú časť neutrónov. Pre prírodnú zmes izotopov uránu je teda maximálna hodnota nJ = 1.32. Absorpcia neutrónov v moderátore a konštrukčných materiáloch zvyčajne nepresahuje 5-20% absorpcie všetkých izotopov jadrového paliva. Z moderátorov má najnižšiu absorpciu neutrónov ťažká voda a zo štruktúrnych materiálov Al a Zr.

Pravdepodobnosť rezonančného záchytu neutrónov jadrami 238 U pri procese moderovania (1-j) je v heterogénnom jadrovom reaktore výrazne znížená.Pokles (1 - j) je spôsobený tým, že počet neutrónov s energiou blízkou rezonančný prudko klesá vo vnútri palivového bloku a pri rezonančnej absorpcii sa podieľa iba vonkajšia vrstva bloku. Heterogénna štruktúra jadrového reaktora umožňuje realizovať reťazový proces využívajúci prírodný urán. Znižuje hodnotu O, ale táto strata reaktivity je výrazne menšia ako zisk v dôsledku zníženia rezonančnej absorpcie.

Na výpočet tepelných vlastností jadrového reaktora je potrebné určiť spektrum tepelných neutrónov. Ak je absorpcia neutrónov veľmi slabá a neutrón sa pred absorpciou stihne mnohokrát zraziť s jadrami moderátora, potom sa medzi moderačným médiom a neutrónovým plynom vytvorí termodynamická rovnováha (termalizácia neutrónov) a popíše sa spektrum tepelných neutrónov. Maxwellova distribúcia . V skutočnosti je absorpcia neutrónov v jadre jadrového reaktora dosť vysoká. To vedie k odchýlke od Maxwellovho rozdelenia – priemerná energia neutrónov je väčšia ako priemerná energia molekúl média. Proces termizácie je ovplyvnený pohybmi jadier, chemickými väzbami atómov atď.

Vyhorenie a reprodukcia jadrového paliva. Počas prevádzky jadrového reaktora dochádza k zmene zloženia paliva v dôsledku akumulácie štiepnych fragmentov v ňom (pozri. Jadrové štiepenie) a so vzdelávaním transuránových prvkov, hlavne izotopy Pu. Vplyv štiepnych fragmentov na reaktivitu Jadrový reaktor sa nazýva otrava (pre rádioaktívne fragmenty) a struska (pre stabilné). Otravu spôsobuje najmä 135 Xe, ktorý má najväčší absorpčný prierez neutrónov (2,6 10 6 stodola). Jeho polčas T 1/2 = 9,2 hodiny, výťažok štiepenia je 6-7 %. Prevažná časť 135 Xe vzniká ako výsledok rozpadu 135 ]( Nákupné centrum = 6,8 h). Pri otrave sa Cef mení o 1-3%. Veľký absorpčný prierez 135 Xe a prítomnosť intermediárneho izotopu 135 I vedú k dvom dôležitým javom: 1) k zvýšeniu koncentrácie 135 Xe a následne k zníženiu reaktivity jadrového reaktora po ňom. sa zastaví alebo sa zníži výkon („jódová jama“). To si vyžaduje dodatočnú rezervu reaktivity v regulačných orgánoch alebo znemožňuje krátkodobé odstávky a kolísanie výkonu. Hĺbka a trvanie jódovej jamky závisí od toku neutrónov Ф: pri Ф = 5·10 13 neutrónov/cm 2 × sek Trvanie jódovej jamky ~ 30 h a hĺbka je 2-krát väčšia ako stacionárna zmena K eff, spôsobené otravou 135 Xe. 2) V dôsledku otravy môžu nastať časoprostorové oscilácie toku neutrónov F, a teda aj výkonu Jadrový reaktor Tieto oscilácie sa vyskytujú pri F> 10 13 neutrónov/cm 2 × sek a veľkých veľkostiach Jadrový reaktor Periódy oscilácií ~ 10 h.

Počet rôznych stabilných fragmentov, ktoré sú výsledkom jadrového štiepenia, je veľký. Existujú fragmenty s veľkými a malými absorpčnými prierezmi v porovnaní s absorpčným prierezom štiepneho izotopu. Koncentrácia prvého dosiahne saturáciu počas prvých dní prevádzky jadrového reaktora (hlavne 149 Sm, zmena Keff o 1 %). Koncentrácia posledne menovaných a nimi zavádzaná negatívna reaktivita sa lineárne zvyšujú s časom.

K tvorbe transuránových prvkov v jadrovom reaktore dochádza podľa nasledujúcich schém:

Tu 3 znamená záchyt neutrónov, číslo pod šípkou je polčas rozpadu.

Akumulácia 239 Pu (jadrové palivo) na začiatku prevádzky jadrového reaktora prebieha lineárne v čase a čím rýchlejšie (s pevným vyhorením 235 U), tým nižšie je obohatenie uránu. Potom má koncentrácia 239 Pu tendenciu ku konštantnej hodnote, ktorá nezávisí od stupňa obohatenia, ale je určená pomerom prierezov neutrónového záchytu 238 U a 239 Pu. . Charakteristický čas na stanovenie rovnovážnej koncentrácie 239 Pu ~ 3/ F rokov (F v jednotkách 10 13 neutrónov/ cm 2×s). Izotopy 240 Pu a 241 Pu dosahujú rovnovážne koncentrácie až pri opätovnom spaľovaní paliva v jadrovom reaktore po regenerácii jadrového paliva.

Vyhorenie jadrového paliva je charakterizované celkovou energiou uvoľnenou do jadrového reaktora na 1 T palivo. Pre jadrový reaktor pracujúci na prírodnom uráne je maximálne vyhorenie ~10 GW × deň/t(ťažkovodný jadrový reaktor). B Jadrový reaktor so slabo obohateným uránom (2-3 % 235 U) dosiahne sa vyhorenie ~ 20-30 GW-deň/t. V rýchlom neutrónovom jadrovom reaktore - až 100 GW-deň/t. Vyhorenie 1 GW-deň/t zodpovedá spáleniu 0,1 % jadrového paliva.

Pri vyhorení jadrového paliva sa reaktivita jadrového reaktora znižuje (v jadrovom reaktore s prírodným uránom dochádza pri nízkom vyhorení k miernemu zvýšeniu reaktivity). Výmenu vyhoreného paliva je možné vykonávať okamžite z celej aktívnej zóny alebo postupne pozdĺž palivových tyčí tak, aby aktívna zóna obsahovala palivové tyče všetkých vekových kategórií - režim kontinuálneho preťaženia (možné sú aj prechodné varianty). V prvom prípade má jadrový reaktor s čerstvým palivom nadmernú reaktivitu, ktorú treba kompenzovať. V druhom prípade je takáto kompenzácia potrebná len pri prvom spustení, pred vstupom do režimu nepretržitého preťaženia. Nepretržité prekladanie umožňuje zväčšiť hĺbku vyhorenia, pretože reaktivita jadrového reaktora je určená priemernými koncentráciami štiepnych nuklidov (vykladajú sa palivové články s minimálnou koncentráciou štiepnych nuklidov). Tabuľka 2 ukazuje zloženie regenerovaného jadrového reaktora palivo (v kg) V tlakovodný reaktor sila 3 Gvt. Celé jadro sa vyloží súčasne po prevádzke jadrového reaktora na 3 rokov a "úryvky" 3 rokov(Ф = 3x1013 neutrónov/cm2xs). Počiatočné zloženie: 238 U - 77350, 235 U - 2630, 234 U - 20.

Tabuľka 2. - Zloženie vyloženého paliva, kg

Aby ste pochopili princíp fungovania a konštrukciu jadrového reaktora, musíte si urobiť krátku exkurziu do minulosti. Jadrový reaktor je stáročia starý, aj keď nie úplne zrealizovaný sen ľudstva o nevyčerpateľnom zdroji energie. Jeho pradávnym „predchodcom“ je oheň zo suchých konárov, ktorý kedysi osvetľoval a ohrieval klenby jaskyne, kde naši vzdialení predkovia našli spásu pred chladom. Neskôr ľudia ovládali uhľovodíky – uhlie, bridlicu, ropu a zemný plyn.

Začala sa turbulentná, no krátkodobá éra pary, ktorú vystriedala ešte fantastickejšia éra elektriny. Mestá sa zaplnilo svetlom a dielne zaplnil hukot dovtedy nevídaných strojov poháňaných elektromotormi. Potom sa zdalo, že pokrok dosiahol svoj vrchol.

Všetko sa zmenilo na konci 19. storočia, keď francúzsky chemik Antoine Henri Becquerel náhodou zistil, že uránové soli sú rádioaktívne. O 2 roky neskôr od nich jeho krajania Pierre Curie a jeho manželka Maria Sklodowska-Curie získali rádium a polónium a ich úroveň rádioaktivity bola miliónkrát vyššia ako u tória a uránu.

Taktovku sa chopil Ernest Rutherford, ktorý podrobne študoval povahu rádioaktívnych lúčov. Tak sa začal vek atómu, ktorý splodil svoje milované dieťa – atómový reaktor.

Prvý jadrový reaktor

„Prvorodený“ pochádza z USA. V decembri 1942 vyrobil reaktor prvý prúd, ktorý dostal meno po svojom tvorcovi, jednom z najväčších fyzikov storočia E. Fermim. O tri roky neskôr ožilo jadrové zariadenie ZEEP v Kanade. „Bronz“ získal prvý sovietsky reaktor F-1, ktorý bol spustený koncom roku 1946. Vedúcim domáceho jadrového projektu sa stal I.V.Kurčatov. Dnes vo svete úspešne funguje viac ako 400 jadrových blokov.

Typy jadrových reaktorov

Ich hlavným účelom je podpora riadenej jadrovej reakcie, ktorá vyrába elektrinu. Niektoré reaktory produkujú izotopy. Sú to skrátka zariadenia, v ktorých hĺbkach sa niektoré látky premieňajú na iné za uvoľnenia veľkého množstva tepelnej energie. Ide o druh „pece“, kde sa namiesto tradičných palív spaľujú izotopy uránu - U-235, U-238 a plutónium (Pu).

Na rozdiel napríklad od auta určeného na niekoľko druhov benzínu má každý druh rádioaktívneho paliva svoj vlastný typ reaktora. Sú dva - na pomalých (s U-235) a rýchlych (s U-238 a Pu) neutrónoch. Väčšina jadrových elektrární má reaktory s pomalými neutrónmi. Okrem jadrových elektrární „pracujú“ zariadenia aj vo výskumných centrách, na jadrových ponorkách atď.

Ako funguje reaktor

Všetky reaktory majú približne rovnaký okruh. Jeho „srdcom“ je aktívna zóna. Dá sa zhruba prirovnať k ohnisku bežných kachlí. Len namiesto palivového dreva je jadrové palivo vo forme palivových článkov s moderátorom - palivovými tyčami. Aktívna zóna sa nachádza vo vnútri akejsi kapsuly – neutrónového reflektora. Palivové tyče „obmýva“ chladiaca kvapalina – voda. Keďže „srdce“ má veľmi vysokú úroveň rádioaktivity, je obklopené spoľahlivou ochranou proti žiareniu.

Operátori riadia prevádzku závodu pomocou dvoch kritických systémov – riadenia reťazovej reakcie a systému diaľkového ovládania. Ak dôjde k núdzovej situácii, núdzová ochrana sa okamžite aktivuje.

Ako funguje reaktor?

Atómový „plameň“ je neviditeľný, pretože procesy prebiehajú na úrovni jadrového štiepenia. Počas reťazovej reakcie sa ťažké jadrá rozpadajú na menšie fragmenty, ktoré sa v excitovanom stave stávajú zdrojmi neutrónov a iných subatomárnych častíc. Tým sa však proces nekončí. Neutróny sa naďalej „štiepia“, v dôsledku čoho sa uvoľňuje veľké množstvo energie, to znamená, čo sa deje, kvôli čomu sa stavajú jadrové elektrárne.

Hlavnou úlohou personálu je udržiavať reťazovú reakciu pomocou ovládacích tyčí na konštantnej, nastaviteľnej úrovni. To je jeho hlavný rozdiel od atómovej bomby, kde je proces jadrového rozpadu nekontrolovateľný a prebieha rýchlo, vo forme silného výbuchu.

Čo sa stalo v jadrovej elektrárni v Černobyle

Jednou z hlavných príčin katastrofy v jadrovej elektrárni v Černobyle v apríli 1986 bolo hrubé porušenie pravidiel prevádzkovej bezpečnosti pri bežnej údržbe na 4. bloku elektrárne. Potom bolo z jadra súčasne odstránených 203 grafitových tyčí namiesto 15 povolených predpismi. V dôsledku toho sa nekontrolovateľná reťazová reakcia, ktorá sa začala, skončila tepelným výbuchom a úplným zničením pohonnej jednotky.

Reaktory novej generácie

Za posledné desaťročie sa Rusko stalo jedným z lídrov globálnej jadrovej energetiky. V súčasnosti štátna korporácia Rosatom stavia jadrové elektrárne v 12 krajinách, kde sa stavia 34 blokov. Takýto vysoký dopyt je dôkazom vysokej úrovne modernej ruskej jadrovej technológie. Ďalšími v poradí sú nové reaktory 4. generácie.

"Brest"

Jedným z nich je Brest, ktorý sa vyvíja v rámci projektu Breakthrough. Súčasné systémy s otvoreným cyklom fungujú na nízko obohatenom uráne, takže veľké množstvo vyhoreného paliva sa musí likvidovať s obrovskými nákladmi. „Brest“ – rýchly neutrónový reaktor je unikátny svojim uzavretým cyklom.

V ňom sa vyhoreté palivo po príslušnom spracovaní v rýchlom neutrónovom reaktore opäť stáva plnohodnotným palivom, ktoré je možné naložiť späť do toho istého zariadenia.

Brest sa vyznačuje vysokou úrovňou bezpečnosti. Nikdy „nevybuchne“ ani pri najvážnejšej nehode, je veľmi ekonomický a ekologický, keďže opätovne využíva svoj „obnovený“ urán. Nemožno ho použiť ani na výrobu plutónia na zbrane, čo otvára najširšie vyhliadky na jeho export.

VVER-1200

VVER-1200 je inovatívny reaktor 3+ generácie s výkonom 1150 MW. Vďaka svojim jedinečným technickým možnostiam má takmer absolútnu prevádzkovú bezpečnosť. Reaktor je bohato vybavený pasívnymi bezpečnostnými systémami, ktoré budú fungovať automaticky aj pri absencii napájania.

Jedným z nich je pasívny systém odvodu tepla, ktorý sa automaticky aktivuje, keď je reaktor úplne bez napätia. V tomto prípade sú k dispozícii núdzové hydraulické nádrže. Ak dôjde k abnormálnemu poklesu tlaku v primárnom okruhu, začne sa do reaktora privádzať veľké množstvo vody obsahujúcej bór, ktorý uhasí jadrovú reakciu a pohltí neutróny.

Ďalšie know-how sa nachádza v spodnej časti ochranného obalu - „lapač taveniny“. Ak v dôsledku havárie dôjde k „úniku“ aktívnej zóny, „lapač“ nedovolí zrútenie plášťa kontajnmentu a zabráni vstupu rádioaktívnych produktov do zeme.

Pre bežného človeka sú moderné high-tech zariadenia také tajomné a záhadné, že je načase ich uctievať, rovnako ako starí ľudia uctievali blesky. Školské hodiny fyziky, plné matematických výpočtov, problém neriešia. Ale dokonca môžete rozprávať zaujímavý príbeh o jadrovom reaktore, ktorého princíp fungovania je jasný aj tínedžerovi.

Ako funguje jadrový reaktor?

Princíp fungovania tohto high-tech zariadenia je nasledujúci:

1. Keď je neutrón absorbovaný, jadrové palivo (najčastejšie toto urán-235 alebo plutónium-239) dochádza k štiepeniu atómového jadra;
2. Uvoľňuje sa kinetická energia, gama žiarenie a voľné neutróny;
3. Kinetická energia sa premieňa na tepelnú energiu (pri zrážke jadier s okolitými atómami), gama žiarenie je absorbované samotným reaktorom a tiež sa mení na teplo;
4. Niektoré z produkovaných neutrónov sú absorbované atómami paliva, čo spôsobuje reťazovú reakciu. Na jeho riadenie sa používajú absorbéry a moderátory neutrónov;
5. Pomocou chladiacej kvapaliny (voda, plyn alebo kvapalný sodík) sa teplo odoberá z miesta reakcie;
6. Tlaková para z ohriatej vody sa používa na pohon parných turbín;
7. Pomocou generátora sa mechanická energia otáčania turbíny premieňa na striedavý elektrický prúd.

Prístupy ku klasifikácii

Existuje mnoho dôvodov pre typológiu reaktorov:

• Podľa typu jadrovej reakcie. štiepenie (všetky komerčné zariadenia) alebo fúzia (termonukleárna energia, rozšírená len v niektorých výskumných ústavoch);
• Cez chladiacu kvapalinu. Vo veľkej väčšine prípadov sa na tento účel používa voda (vriaca alebo ťažká). Niekedy sa používajú alternatívne riešenia: tekutý kov (sodík, olovo-bizmut, ortuť), plyn (hélium, oxid uhličitý alebo dusík), roztavená soľ (fluoridové soli);
• Podľa generácie. Prvým boli skoré prototypy, ktoré nemali komerčný zmysel. Po druhé, väčšina v súčasnosti používaných jadrových elektrární bola postavená pred rokom 1996. Tretia generácia sa od predchádzajúcej líši len drobnými vylepšeniami. Práce na štvrtej generácii stále prebiehajú;
• Podľa stavu agregácie palivo (plynové palivo v súčasnosti existuje len na papieri);
• Podľa účelu použitia(na výrobu elektriny, štartovanie motora, výrobu vodíka, odsoľovanie, elementárnu transmutáciu, získavanie neurálneho žiarenia, teoretické a výskumné účely).

Konštrukcia jadrového reaktora

Hlavné komponenty reaktorov vo väčšine elektrární sú:

1. Jadrové palivo je látka potrebná na výrobu tepla pre energetické turbíny (zvyčajne nízko obohatený urán);
2. Jadro jadrového reaktora je miesto, kde prebieha jadrová reakcia;
3. Neutrónový moderátor - znižuje rýchlosť rýchlych neutrónov a mení ich na tepelné neutróny;
4. Štartovací neutrónový zdroj - slúži na spoľahlivé a stabilné spustenie jadrovej reakcie;
5. Absorbér neutrónov – dostupný v niektorých elektrárňach na zníženie vysokej reaktivity čerstvého paliva;
6. Neutrónová húfnica – používa sa na opätovné spustenie reakcie po vypnutí;
7. Chladiaca kvapalina (čistená voda);
8. Regulačné tyče - na reguláciu rýchlosti štiepenia jadier uránu alebo plutónia;
9. Vodné čerpadlo - čerpá vodu do parného kotla;
10. Parná turbína - premieňa tepelnú energiu pary na rotačnú mechanickú energiu;
11. Chladiaca veža - zariadenie na odvádzanie prebytočného tepla do atmosféry;
12. Systém príjmu a skladovania rádioaktívneho odpadu;
13. Bezpečnostné systémy (núdzové dieselové generátory, zariadenia na núdzové chladenie aktívnej zóny).

Ako fungujú najnovšie modely

Najnovšia 4. generácia reaktorov bude dostupná pre komerčnú prevádzku najskôr v roku 2030. V súčasnosti je princíp a štruktúra ich fungovania v štádiu vývoja. Podľa moderných údajov sa tieto úpravy budú líšiť od existujúcich modelov výhod:

• Systém rýchleho chladenia plynu. Predpokladá sa, že ako chladivo sa bude používať hélium. Podľa projektovej dokumentácie možno takto chladiť reaktory s teplotou 850 °C. Na prevádzku pri takýchto vysokých teplotách budú potrebné špecifické suroviny: kompozitné keramické materiály a zlúčeniny aktinidov;
• Ako primárne chladivo je možné použiť olovo alebo zliatinu olova a bizmutu. Tieto materiály majú nízku rýchlosť absorpcie neutrónov a relatívne nízku teplotu topenia;
• Ako hlavné chladivo možno použiť aj zmes roztavených solí. To umožní prevádzku pri vyšších teplotách ako moderné vodou chladené náprotivky.

Prírodné analógy v prírode

Jadrový reaktor je v povedomí verejnosti vnímaný výlučne ako produkt špičkových technológií. V skutočnosti však prvý takýto zariadenie je prírodného pôvodu. Bol objavený v regióne Oklo v stredoafrickom štáte Gabon:

• Reaktor vznikol v dôsledku zaplavenia uránových hornín spodnou vodou. Pôsobili ako moderátori neutrónov;
• Tepelná energia uvoľnená počas rozpadu uránu premení vodu na paru a reťazová reakcia sa zastaví;
• Po poklese teploty chladiacej kvapaliny sa všetko opakuje;
• Ak by kvapalina nevyvrela a nezastavila reakciu, ľudstvo by čelilo novej prírodnej katastrofe;
• Autonómne jadrové štiepenie začalo v tomto reaktore asi pred jeden a pol miliardou rokov. Počas tejto doby bolo poskytnutých približne 0,1 milióna wattov výkonu;
• Takýto div sveta na Zemi je jediný známy. Vznik nových je nemožný: podiel uránu-235 v prírodných surovinách je oveľa nižší ako úroveň potrebná na udržanie reťazovej reakcie.

Koľko jadrových reaktorov je v Južnej Kórei?

Chudobná na prírodné zdroje, ale industrializovaná a preľudnená Kórejská republika má mimoriadnu potrebu energie. Na pozadí odmietnutia Nemecka použiť mierový atóm má táto krajina veľké nádeje na obmedzenie jadrovej technológie:

• Plánuje sa, že do roku 2035 dosiahne podiel elektriny vyrobenej v jadrových elektrárňach 60 % a celková produkcia bude viac ako 40 gigawattov;
• Krajina nemá atómové zbrane, ale výskum jadrovej fyziky pokračuje. Kórejskí vedci vyvinuli návrhy moderných reaktorov: modulárny, vodíkový, s tekutým kovom atď.;
• Úspechy miestnych výskumníkov umožňujú predávať technológie do zahraničia. Očakáva sa, že krajina vyvezie 80 takýchto jednotiek v nasledujúcich 15-20 rokoch;
• Ale k dnešnému dňu bola väčšina jadrových elektrární postavená s pomocou amerických alebo francúzskych vedcov;
• Počet prevádzkových staníc je relatívne malý (iba štyri), ale každá z nich má značný počet reaktorov – celkovo 40 a toto číslo bude rásť.

Pri bombardovaní neutrónmi prechádza jadrové palivo do reťazovej reakcie, ktorej výsledkom je obrovské množstvo tepla. Voda v systéme odoberá toto teplo a mení sa na paru, ktorá otáča turbíny vyrábajúce elektrinu. Tu je jednoduchý diagram fungovania jadrového reaktora, najvýkonnejšieho zdroja energie na Zemi.

Video: ako fungujú jadrové reaktory

V tomto videu vám jadrový fyzik Vladimir Chaikin povie, ako vzniká elektrina v jadrových reaktoroch a ich podrobná štruktúra: