Mengapa reaktor nuklir diciptakan? Ensiklopedia bagus tentang minyak dan gas

Pentingnya energi nuklir di dunia modern

Energi nuklir telah mengalami kemajuan besar selama beberapa dekade terakhir, menjadi salah satu sumber listrik terpenting bagi banyak negara. Pada saat yang sama, harus diingat bahwa perkembangan industri ini ekonomi Nasional Hal ini sepadan dengan upaya besar yang dilakukan puluhan ribu ilmuwan, insinyur, dan pekerja biasa yang melakukan segalanya untuk memastikan bahwa “atom damai” tidak berubah menjadi ancaman nyata bagi jutaan orang. Inti sebenarnya dari setiap pembangkit listrik tenaga nuklir adalah reaktor nuklir.

Sejarah penciptaan reaktor nuklir

Perangkat pertama dibuat pada puncak Perang Dunia Kedua di AS oleh ilmuwan dan insinyur terkenal E. Fermi. Karena dia terlihat tidak biasa, menyerupai tumpukan balok grafit yang ditumpuk satu sama lain, reaktor nuklir ini disebut Chicago Stack. Perlu dicatat bahwa perangkat ini beroperasi pada uranium, yang ditempatkan tepat di antara blok.

Pembuatan reaktor nuklir di Uni Soviet

Di negara kita, masalah nuklir juga diberikan peningkatan perhatian. Terlepas dari kenyataan bahwa upaya utama para ilmuwan terkonsentrasi pada penggunaan atom untuk militer, mereka secara aktif menggunakan hasil yang diperoleh untuk tujuan damai. Reaktor nuklir pertama, dengan nama sandi F-1, dibangun oleh sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh fisikawan terkenal I. Kurchatov pada akhir Desember 1946. Kelemahan signifikannya adalah tidak adanya sistem pendingin, sehingga kekuatan energi yang dilepaskannya sangat kecil. Pada saat yang sama, para peneliti Soviet menyelesaikan pekerjaan yang telah mereka mulai, yang menghasilkan pembukaan pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di dunia di kota Obninsk hanya delapan tahun kemudian.

Prinsip pengoperasian reaktor

Reaktor nuklir adalah sebuah reaktor yang sangat kompleks dan berbahaya perangkat teknis. Prinsip operasinya didasarkan pada fakta bahwa selama peluruhan uranium, beberapa neutron dilepaskan, yang, pada gilirannya, melumpuhkan partikel elementer dari atom uranium tetangga. Reaksi berantai ini melepaskan sejumlah besar energi dalam bentuk panas dan sinar gamma. Pada saat yang sama, kita harus memperhitungkan fakta bahwa jika reaksi ini tidak dikendalikan dengan cara apa pun, maka fisi atom uranium akan terjadi. waktu singkat dapat mengarah ke ledakan yang kuat dengan konsekuensi yang tidak diinginkan.

Agar reaksi dapat berlangsung dalam batas yang ditentukan secara ketat, desain reaktor nuklir sangatlah penting. Saat ini, setiap struktur tersebut adalah sejenis ketel tempat cairan pendingin mengalir. Air biasanya digunakan dalam kapasitas ini, namun ada pembangkit listrik tenaga nuklir yang menggunakan grafit cair atau air berat. Mustahil membayangkan reaktor nuklir modern tanpa ratusan kaset heksagonal khusus. Mereka mengandung elemen penghasil bahan bakar, melalui saluran dimana cairan pendingin mengalir. Kaset ini dilapisi dengan lapisan khusus yang mampu memantulkan neutron sehingga memperlambat reaksi berantai

Reaktor nuklir dan perlindungannya

Ia memiliki beberapa tingkat perlindungan. Selain bodinya sendiri, bagian atasnya ditutupi dengan insulasi termal khusus dan perlindungan biologis. Dari sudut pandang teknik bangunan ini Ini adalah bunker beton bertulang yang kuat, pintunya ditutup rapat mungkin.

Halaman 1

Reaktor nuklir pertama yang dibangun di Uni Soviet (uranium-grafit) beroperasi dengan bahan bakar uranium alam tanpa pendinginan khusus.

Reaktor nuklir pertama, dibuat di bawah kepemimpinan Fermi, diluncurkan pada tahun 1942. U-235, Pu-239, U-238, dan Th-232 digunakan sebagai bahan baku dan zat fisil dalam reaktor. Dalam campuran alami isotop uranium, isotop U-238 ditemukan di. Untuk memahami proses yang terjadi dalam reaktor dengan campuran isotop alami, perlu diperhatikan perbedaan yang dicatat dalam § 18.8 dalam kondisi terjadinya fisi inti kedua isotop uranium. Neutron ini hanya mampu menyebabkan fisi inti U-235. Beberapa neutron cepat yang energinya melebihi energi aktivasi fisi inti U-238 lebih mungkin mengalami hamburan inelastis, dan energinya biasanya berada di bawah ambang fisi inti U-238. Akibat serangkaian tumbukan dengan inti uranium, neutron kehilangan energi dalam porsi kecil, melambat dan mengalami penangkapan radiasi oleh inti U-238 atau diserap oleh inti U-235. Penyerapan neutron oleh inti U-235 mendorong berkembangnya reaksi berantai, sedangkan penyerapannya oleh inti U-238 menghilangkan neutron dari reaksi berantai dan menyebabkan terhentinya rantai reaksi. Perhitungan menunjukkan bahwa dalam campuran alami isotop uranium, kemungkinan terminasi rantai melebihi kemungkinan percabangan reaksi dan reaksi berantai fisi tidak dapat berkembang dengan neutron cepat atau lambat.

Reaktor nuklir pertama, dibuat di bawah kepemimpinan Fermi, diluncurkan pada tahun 1942. U-235, Pu-239, U-238, dan Th-232 digunakan sebagai bahan baku dan zat fisil dalam reaktor. Dalam campuran alami isotop uranium, isotop U-238 mengandung 140 kali lebih banyak dibandingkan isotop U-235. Untuk memahami proses yang terjadi dalam reaktor dengan campuran isotop alami, perlu diperhatikan perbedaan yang dicatat dalam § 18.8 dalam kondisi terjadinya fisi inti kedua isotop uranium. Neutron ini hanya mampu menyebabkan fisi inti U-235. Beberapa neutron cepat yang energinya melebihi energi aktivasi fisi inti U-238 lebih mungkin mengalami hamburan inelastis, dan energinya biasanya berada di bawah ambang fisi inti U-238. Akibat serangkaian tumbukan dengan inti uranium, neutron kehilangan energi dalam porsi kecil, melambat dan mengalami penangkapan radiasi oleh inti U-238 atau diserap oleh inti U-235. Penyerapan neutron oleh inti U-235 mendorong berkembangnya reaksi berantai, sedangkan penyerapannya oleh inti U-238 menghilangkan neutron dari reaksi berantai dan menyebabkan terhentinya rantai reaksi. Perhitungan menunjukkan bahwa dalam campuran alami isotop uranium, kemungkinan terminasi rantai melebihi kemungkinan percabangan reaksi dan reaksi berantai fisi tidak dapat berkembang dengan neutron cepat atau lambat.

Reaktor nuklir pertama dibangun untuk memenuhi persyaratan mendesak dari program produksi. senjata atom; Persyaratan ini telah menjadi dominan dalam desain reaktor selama 10 tahun. Reaktor untuk keperluan militer pada dasarnya digunakan hanya untuk produksi plutonium, dan upaya utama ditujukan untuk memisahkan plutonium dari uranium alam atau uranium yang diperkaya rendah. Elemen bahan bakar dalam reaktor semacam itu biasanya dibungkus dengan cangkang yang terbuat dari paduan aluminium atau magnesium.

Reaktor nuklir pertama dibangun pada akhir tahun 1942 di Amerika oleh fisikawan Italia Fermi.

Reaktor nuklir pertama dibangun dari uranium dan grafit oleh Fermi dan rekan-rekannya pada akhir tahun 1942 di Amerika.

Reaktor nuklir neutron cepat pertama dibangun di negara kita - ini adalah pembangkit listrik tenaga nuklir Beloyarsk, serta pembangkit listrik tenaga nuklir di kota Shevchenko. Agar reaktor mencapai kapasitas desainnya, hampir seluruh Np (T/z 2 35 hari) perlu diubah menjadi Pu. Selain itu, Pu yang dihasilkan harus dipisahkan dari sisa uranium asli dan unsur fragmentasinya. Jadi kimianya berhasil reaktor nuklir sangat rumit.

Reaksi berantai menggunakan domino sebagai contoh.

Reaktor nuklir pertama dikembangkan selama Perang Dunia Kedua.

Reaktor nuklir pertama tidak dimaksudkan untuk menghasilkan energi, melainkan diperlukan untuk mengumpulkan material dan pengetahuan.

Reaktor nuklir uranium ukuran kritis pertama dipasang di Universitas Chicago. Saat itu, sekitar 6 ton uranium murni telah diproduksi; uranium dan grafit diletakkan dalam lapisan yang berurutan - total 57 lapisan - di mana lubang dibiarkan untuk batang penyesuaian kadmium.

Meskipun reaktor nuklir pertama diluncurkan hanya 12 tahun yang lalu, seluruh jilid sudah dapat ditulis mengenai instalasi luar biasa ini. Hari ini dalam segala hal bola dunia- di Uni Soviet dan Amerika Serikat, di Perancis dan Kanada, di Norwegia dan Inggris - valid jenis yang berbeda reaktor. Beberapa di antaranya digunakan untuk tujuan penelitian, yang lain menghasilkan energi, dan yang lainnya merupakan pabrik nyata untuk produksi berbagai isotop radioaktif dalam jumlah besar. Mari kita membahas secara singkat desain dan pengoperasian reaktor nuklir.

Pada reaktor nuklir pertama, grafit khusus digunakan sebagai moderator. Dalam grafit (densitas 1.67), sebuah neutron bergerak rata-rata 2.53 cm antara tumbukan dengan inti karbon dan kehilangan energinya sebesar 0.158. Akibatnya, kemampuan moderasi akan sama dengan 0,0625 dan selama perjalanan I cm melalui grafit, neutron cepat akan kehilangan 6-25% energinya.

Reaktor nuklir.

Reaktor nuklir (atom) adalah perangkat yang dirancang untuk mengatur reaksi berantai fisi atom yang terkendali dan berkelanjutan, yang disertai dengan pelepasan jumlah besar energi.

Reaktor nuklir merupakan elemen utama pembangkit listrik tenaga nuklir modern.

Reaktor nuklir pertama.

Reaktor nuklir pertama dibangun dan diluncurkan pada bulan Desember 1942 di Amerika di bawah pimpinan E. Fermi.

Reaktor pertama yang dibangun di luar Amerika Serikat adalah ZEEP, diluncurkan di Kanada pada tanggal 5 September 1945.

Di Eropa, reaktor nuklir pertama adalah instalasi F-1, yang mulai beroperasi pada 25 Desember 1946 di Moskow di bawah kepemimpinan I.V. Kurchatov.

Pada tahun 1978, sudah ada sekitar seratus reaktor nuklir yang beroperasi di dunia. berbagai jenis.

Sejarah penciptaan reaktor nuklir.

Karya ilmiah di Jerman.

Kelompok teoretis “Proyek Uranium” Nazi Jerman, yang bekerja di Kaiser Wilhelm Society, dipimpin oleh Weizsäcker, tetapi hanya secara formal. Pemimpin sebenarnya adalah Heisenberg, yang mengembangkan landasan teori reaksi berantai, Weizsäcker dan sekelompok peserta fokus pada pembuatan "mesin uranium" - reaktor pertama.

Pada akhir musim semi tahun 1940, salah satu ilmuwan kelompok tersebut, Harteck, melakukan percobaan pertama yang mencoba membuat reaksi berantai menggunakan uranium oksida dan moderator grafit padat. Namun, bahan fisil yang tersedia tidak cukup untuk mencapai tujuan tersebut.

Pada tahun 1941, di Universitas Leipzig, anggota kelompok Heisenberg, Doepel, membangun stand dengan moderator air berat, dalam percobaan yang, pada Mei 1942, dimungkinkan untuk mencapai produksi neutron dalam jumlah yang melebihi penyerapannya.

Ilmuwan Jerman berhasil mencapai reaksi berantai penuh pada bulan Februari 1945 dalam percobaan yang dilakukan di sebuah tambang dekat Haigerloch. Namun, setelah beberapa minggu program nuklir Jerman tidak ada lagi.

Karya ilmiah di Amerika.

Reaksi berantai fisi nuklir (disingkat reaksi berantai) pertama kali dilakukan oleh para ilmuwan Amerika pada bulan Desember 1942. Sekelompok fisikawan di Universitas Chicago, dipimpin oleh E. Fermi, menciptakan reaktor nuklir pertama di dunia yang disebut Chicago Pile-1 (CP-1). Itu terdiri dari blok grafit, di antaranya terdapat bola uranium alam dan dioksidanya. Neutron cepat yang muncul setelah fisi inti 235U diperlambat oleh grafit menjadi energi panas, dan kemudian menyebabkan fisi nuklir baru. Reaktor seperti SR-1, yang sebagian besar fisinya terjadi di bawah pengaruh neutron termal, disebut reaktor neutron termal. Mereka mengandung banyak moderator dibandingkan dengan bahan bakar nuklir.

Karya ilmiah di Uni Soviet.

Di Uni Soviet, teori dan studi eksperimental fitur permulaan, pengoperasian dan pengendalian reaktor dilakukan oleh sekelompok fisikawan dan insinyur di bawah kepemimpinan Akademisi I.V.Kurchatov.

Reaktor F-1 Soviet pertama dibangun di Laboratorium No. 2 Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet (Moskow). Reaktor ini mengalami kondisi kritis pada tanggal 25 Desember 1946. Reaktor F-1 dirakit dari balok grafit berbentuk bola dengan diameter kurang lebih 7,5 m, pada bagian tengah bola berdiameter 6 m ditempatkan batang uranium melalui lubang pada balok grafit. Reaktor F-1, seperti reaktor CP-1, tidak memiliki sistem pendingin, sehingga beroperasi pada tingkat daya yang sangat rendah (daya rata-rata tidak melebihi 20 W. Sebagai perbandingan, reaktor CP-1 Amerika pertama jarang melebihi 1 W kekuatan). Hasil penelitian pada reaktor F-1 menjadi dasar proyek reaktor industri yang lebih kompleks. Pada tahun 1948, reaktor I-1 (menurut sumber lain disebut A-1) untuk produksi plutonium dioperasikan.

27 Juni 1954 mulai bekerja pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di dunia dengan kapasitas listrik 5 MW di kota Obninsk.

Prinsip fisika pengoperasian reaktor nuklir.

Diagram reaktor nuklir neutron termal:

1 - Batang kendali.

2 - Perlindungan radiasi.

3 - Isolasi termal.

4 - Perlambat.

5 - Bahan bakar nuklir.

6 - Pendingin.

Keadaan reaktor nuklir saat ini dapat dicirikan dengan koefisien efektif perkalian neutron k atau reaktivitas ρ, yang dihubungkan dengan hubungan berikut:

Dengan demikian, opsi berikut untuk pengembangan reaksi berantai fisi atom dimungkinkan:

1.ρ<0, Кэф

2. ρ>0, Kef>1 - reaktor superkritis, intensitas reaksi dan daya reaktor meningkat.

3. ρ=0, Kef=1 - reaktor kritis, intensitas reaksi dan daya reaktor konstan.

Klasifikasi reaktor nuklir.

Menurut tujuan dan sifat penggunaannya, reaktor nuklir dibagi menjadi:

Reaktor energi dirancang untuk menghasilkan energi listrik dan panas yang digunakan di sektor energi, serta untuk desalinasi air laut(reaktor desalinasi juga diklasifikasikan sebagai industri). Reaktor semacam ini terutama digunakan di pembangkit listrik tenaga nuklir. Daya termal reaktor daya modern mencapai 5 GW.

Reaktor transportasi dirancang untuk memasok energi ke mesin Kendaraan. Kelompok aplikasi terluas adalah reaktor transportasi laut yang digunakan kapal selam dan berbagai kapal permukaan, serta reaktor yang digunakan dalam teknologi luar angkasa.

Reaktor eksperimental dirancang untuk mempelajari berbagai macam besaran fisis, yang pentingnya diperlukan untuk desain dan pengoperasian reaktor nuklir. Kekuatan reaktor tersebut biasanya tidak melebihi beberapa kW.

Reaktor penelitian, di mana fluks neutron dan sinar gamma yang dihasilkan di intinya digunakan untuk penelitian di bidang fisika nuklir, fisika padat, kimia radiasi, biologi, untuk pengujian bahan yang dimaksudkan untuk beroperasi dalam fluks neutron yang intens (termasuk bagian reaktor nuklir), untuk produksi isotop. Kekuatan reaktor riset biasanya tidak lebih dari 100 MW. Energi yang dilepaskan biasanya tidak digunakan.

Reaktor industri (senjata, isotop) yang digunakan untuk menghasilkan isotop yang digunakan berbagai bidang. Paling banyak digunakan untuk produksi bahan senjata nuklir, seperti 239Pu. Reaktor nuklir industri juga mencakup reaktor yang digunakan untuk desalinasi air laut.

Reaktor nuklir sering digunakan untuk memecahkan dua atau lebih masalah yang berbeda, dalam hal ini disebut reaktor multiguna. Misalnya, beberapa reaktor daya, terutama pada masa-masa awal tenaga nuklir, dirancang terutama untuk eksperimen. Reaktor neutron cepat secara bersamaan dapat menghasilkan energi dan menghasilkan isotop. Reaktor industri, selain tugas utamanya, seringkali menghasilkan energi listrik dan panas.

Reaktor nuklir. Reaktor atom.

Desain dan prinsip operasi

Mekanisme pelepasan energi

Transformasi suatu zat disertai dengan pelepasan energi bebas hanya jika zat tersebut mempunyai cadangan energi. Yang terakhir berarti bahwa mikropartikel suatu zat berada dalam keadaan dengan energi diam lebih besar daripada keadaan lain yang mungkin terjadi transisi. Transisi spontan selalu dicegah oleh penghalang energi, untuk mengatasinya mikropartikel harus menerima sejumlah energi dari luar - energi eksitasi. Reaksi eksoenergik terdiri dari fakta bahwa dalam transformasi setelah eksitasi, lebih banyak energi yang dilepaskan daripada yang dibutuhkan untuk menggairahkan proses tersebut. Ada dua cara untuk mengatasi hambatan energi: baik karena energi kinetik partikel yang bertabrakan, atau karena energi ikat partikel yang bergabung.

Jika kita mengingat skala makroskopis pelepasan energi, maka semua atau setidaknya sebagian kecil partikel suatu zat harus memiliki energi kinetik yang diperlukan untuk merangsang reaksi. Hal ini hanya dapat dicapai dengan meningkatkan suhu medium ke nilai di mana energi gerak termal mendekati ambang batas energi yang membatasi jalannya proses. Dalam kasus transformasi molekuler, yaitu reaksi kimia, peningkatan seperti itu biasanya ratusan kelvin, tetapi dalam kasus ini reaksi nuklir- ini minimal 10 7 karena itu dataran tinggi Hambatan Coulomb dari inti yang bertabrakan. Eksitasi termal dari reaksi nuklir dalam praktiknya dilakukan hanya selama sintesis inti paling ringan, di mana hambatan Coulomb minimal (fusi termonuklir).

Eksitasi melalui penggabungan partikel tidak memerlukan energi kinetik yang besar, dan oleh karena itu, tidak bergantung pada suhu medium, karena hal ini terjadi karena ikatan yang tidak terpakai yang melekat pada gaya tarik-menarik partikel. Tetapi untuk merangsang reaksi, diperlukan partikel itu sendiri. Dan jika yang kami maksud lagi bukanlah reaksi yang terpisah, melainkan produksi energi dalam skala makroskopis, maka hal ini hanya mungkin terjadi jika terjadi reaksi berantai. Yang terakhir terjadi ketika partikel yang merangsang reaksi muncul kembali sebagai produk reaksi eksoenergi.

Desain

Setiap reaktor nuklir terdiri dari bagian-bagian berikut:

• Inti dengan bahan bakar nuklir dan moderator;
• Reflektor neutron yang mengelilingi inti;
• Sistem kendali reaksi berantai, termasuk perlindungan darurat;
• Perlindungan radiasi;
• Sistem kendali jarak jauh.

Prinsip operasi fisik

Lihat juga artikel utama:

Keadaan reaktor nuklir saat ini dapat dicirikan oleh faktor penggandaan neutron efektif k atau reaktivitas ρ , yang dihubungkan dengan relasi berikut:

Nilai-nilai berikut adalah tipikal untuk besaran-besaran ini:

• k> 1 - reaksi berantai meningkat seiring waktu, reaktor aktif superkritis keadaan, reaktivitasnya ρ > 0;
• k < 1 - реакция затухает, реактор - subkritis, ρ < 0;
• k = 1, ρ = 0 - jumlah fisi nuklir konstan, reaktor dalam keadaan stabil kritis kondisi.

Kondisi kekritisan reaktor nuklir:

, Di mana

Membalikkan faktor perkalian menjadi satu dicapai dengan menyeimbangkan perkalian neutron dengan kerugiannya. Sebenarnya ada dua alasan hilangnya neutron: penangkapan tanpa fisi dan kebocoran neutron di luar media perkembangbiakannya.

Jelas bahwa k< k 0 , поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k 0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k 0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны.

k 0 untuk reaktor termal dapat ditentukan dengan apa yang disebut “rumus 4 faktor”:

, Di mana

• η adalah hasil neutron untuk dua serapan.

Volume reaktor daya modern dapat mencapai ratusan m³ dan ditentukan terutama bukan oleh kondisi kritis, tetapi oleh kemampuan pembuangan panas.

Volume kritis reaktor nuklir - volume inti reaktor dalam kondisi kritis. Massa kritis- massa bahan fisil reaktor yang berada dalam keadaan kritis.

Reaktor yang menggunakan bahan bakar sebagai bahan bakarnya mempunyai massa kritis yang paling rendah. larutan berair garam dari isotop fisil murni dengan reflektor neutron air. Untuk 235 U massanya 0,8 kg, untuk 239 Pu - 0,5 kg. Namun diketahui secara luas bahwa massa kritis reaktor LOPO (reaktor pengayaan uranium pertama di dunia), yang memiliki reflektor berilium oksida, adalah 0,565 kg, meskipun tingkat pengayaan isotop 235 hanya sedikit lebih tinggi. dari 14%. Secara teoritis, ia memiliki massa kritis terkecil, yang nilainya hanya 10 g.

Untuk mengurangi kebocoran neutron, inti diberi bentuk bulat atau mendekati bola, misalnya silinder atau kubus pendek, karena angka-angka ini memiliki perbandingan luas permukaan dan volume terkecil.

Meskipun nilai (e - 1) biasanya kecil, namun peran pembiakan neutron cepat cukup besar, karena untuk reaktor nuklir besar (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Untuk memulai reaksi berantai, neutron yang dihasilkan selama fisi spontan inti uranium biasanya cukup. Dimungkinkan juga untuk menggunakan sumber neutron eksternal untuk menghidupkan reaktor, misalnya campuran dan, atau zat lain.

lubang yodium

Artikel utama: lubang yodium

Lubang yodium - keadaan reaktor nuklir setelah dimatikan, ditandai dengan akumulasi isotop xenon yang berumur pendek. Proses ini menyebabkan munculnya reaktivitas negatif yang signifikan untuk sementara, yang pada gilirannya membuat reaktor tidak mungkin mencapai kapasitas desainnya dalam jangka waktu tertentu (sekitar 1-2 hari).

Klasifikasi

Dengan sengaja

Menurut sifat penggunaannya, reaktor nuklir dibagi menjadi:

• Reaktor daya dirancang untuk menghasilkan energi listrik dan panas yang digunakan di sektor energi, serta untuk desalinasi air laut (reaktor desalinasi juga diklasifikasikan sebagai industri). Reaktor semacam ini terutama digunakan di pembangkit listrik tenaga nuklir. Daya termal reaktor daya modern mencapai 5 GW. Kelompok terpisah meliputi:
  • Reaktor transportasi, dirancang untuk memasok energi ke mesin kendaraan. Kelompok aplikasi terluas adalah reaktor transportasi laut yang digunakan di kapal selam dan berbagai kapal permukaan, serta reaktor yang digunakan dalam teknologi luar angkasa.
• Reaktor eksperimental, dimaksudkan untuk mempelajari berbagai besaran fisis, yang nilainya diperlukan untuk desain dan pengoperasian reaktor nuklir; Kekuatan reaktor tersebut tidak melebihi beberapa kW.
• Reaktor penelitian, di mana fluks neutron dan kuanta gamma yang dibuat di inti digunakan untuk penelitian di bidang fisika nuklir, fisika keadaan padat, kimia radiasi, biologi, untuk pengujian bahan yang dimaksudkan untuk beroperasi dalam fluks neutron yang kuat (termasuk bagian reaktor nuklir) untuk produksi isotop. Kekuatan reaktor riset tidak melebihi 100 MW. Energi yang dilepaskan biasanya tidak digunakan.
• Reaktor industri (senjata, isotop)., digunakan untuk menghasilkan isotop yang digunakan di berbagai bidang. Paling banyak digunakan untuk memproduksi bahan senjata nuklir, seperti 239 Pu. Juga diklasifikasikan sebagai industri adalah reaktor yang digunakan untuk desalinasi air laut.

Seringkali reaktor digunakan untuk memecahkan dua atau lebih masalah yang berbeda, dalam hal ini disebut reaktor serba guna. Misalnya, beberapa reaktor daya, terutama pada masa-masa awal tenaga nuklir, dirancang terutama untuk eksperimen. Reaktor neutron cepat secara bersamaan dapat menghasilkan energi dan menghasilkan isotop. Reaktor industri, selain tugas utamanya, seringkali menghasilkan energi listrik dan panas.

Menurut spektrum neutron

• Reaktor neutron termal (lambat) (“reaktor termal”)
• Reaktor neutron cepat ("reaktor cepat")

Dengan penempatan bahan bakar

• Reaktor heterogen, dimana bahan bakar ditempatkan secara terpisah di dalam inti dalam bentuk balok-balok, di antaranya terdapat moderator;
• Reaktor homogen, dimana bahan bakar dan moderatornya merupakan campuran homogen (sistem homogen).

Pada reaktor heterogen, bahan bakar dan moderator dapat dipisahkan secara spasial, khususnya pada reaktor rongga, moderator-reflektor mengelilingi rongga dengan bahan bakar yang tidak mengandung moderator. Dari sudut pandang fisik nuklir, kriteria homogenitas/heterogenitas bukanlah desainnya, melainkan penempatan blok bahan bakar pada jarak yang melebihi panjang moderasi neutron dalam moderator tertentu. Dengan demikian, reaktor dengan apa yang disebut “kisi tertutup” dirancang sebagai reaktor homogen, meskipun di dalamnya bahan bakar biasanya dipisahkan dari moderator.

Blok bahan bakar nuklir dalam reaktor heterogen disebut rakitan bahan bakar (FA), yang ditempatkan di inti pada titik-titik kisi biasa, membentuk sel.

Berdasarkan jenis bahan bakar

• isotop uranium 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
• isotop plutonium 239 (239 Pu), juga isotop 239-242 Pu dalam bentuk campuran dengan 238 U (bahan bakar MOX)
• isotop thorium 232 (232 Th) (melalui konversi menjadi 233 U)

Berdasarkan tingkat pengayaan:

• uranium alami
• uranium yang diperkaya secara lemah
• uranium yang sangat diperkaya

Berdasarkan komposisi kimia:

• logam kamu
• UC (uranium karbida), dll.

Berdasarkan jenis cairan pendingin

• Gas, (lihat reaktor gas grafit)
• D 2 O (air berat, lihat Reaktor nuklir air berat, CANDU)

Berdasarkan jenis moderator

• C (grafit, lihat Reaktor gas grafit, Reaktor air grafit)
• H2O (air, lihat Reaktor air ringan, Reaktor berpendingin air, VVER)
• D 2 O (air berat, lihat Reaktor nuklir air berat, CANDU)
• Hidrida logam
• Tanpa moderator (lihat Reaktor cepat)

Secara desain

Dengan metode pembangkitan uap

• Reaktor dengan pembangkit uap eksternal (Lihat Reaktor air-air, VVER)

klasifikasi IAEA

• PWR (reaktor air bertekanan) - reaktor air-air (reaktor air bertekanan);
• BWR (reaktor air mendidih) - reaktor air mendidih;
• FBR (reaktor pemulia cepat) - reaktor pemulia cepat;
• GCR (reaktor berpendingin gas) - reaktor berpendingin gas;
• LWGR (reaktor grafit air ringan) - reaktor air grafit
• PHWR (reaktor air berat bertekanan) - reaktor air berat

Yang paling umum di dunia adalah reaktor air bertekanan (sekitar 62%) dan air mendidih (20%).

Bahan reaktor

Bahan pembuat reaktor beroperasi pada suhu tinggi di bidang neutron, kuanta, dan fragmen fisi. Oleh karena itu, tidak semua material yang digunakan pada cabang teknologi lain cocok untuk konstruksi reaktor. Saat memilih bahan reaktor, ketahanan radiasi, kelembaman kimia, penampang serapan, dan sifat lainnya diperhitungkan.

Ketidakstabilan radiasi bahan memiliki pengaruh yang lebih kecil pada suhu tinggi. Mobilitas atom menjadi begitu besar sehingga kemungkinan kembalinya atom-atom yang tersingkir dari kisi kristal ke tempatnya atau rekombinasi hidrogen dan oksigen menjadi molekul air meningkat secara nyata. Jadi, radiolisis air tidak signifikan dalam reaktor energi non-mendidih (misalnya, VVER), sedangkan dalam reaktor riset yang kuat sejumlah besar campuran yang mudah meledak dilepaskan. Reaktor memiliki sistem khusus untuk membakarnya.

Bahan reaktor bersentuhan satu sama lain (selongsong bahan bakar dengan cairan pendingin dan bahan bakar nuklir, kaset bahan bakar dengan cairan pendingin dan moderator, dll.). Secara alami, bahan yang bersentuhan harus bersifat inert secara kimia (kompatibel). Contoh ketidakcocokan adalah uranium dan air panas yang mengalami reaksi kimia.

Untuk sebagian besar material, sifat kekuatannya menurun tajam dengan meningkatnya suhu. Dalam reaktor daya, material struktural beroperasi pada suhu tinggi. Hal ini membatasi pilihan bahan konstruksi, terutama untuk bagian reaktor daya yang harus tahan terhadap tekanan tinggi.

Pembakaran dan reproduksi bahan bakar nuklir

Selama pengoperasian reaktor nuklir, karena akumulasi fragmen fisi dalam bahan bakar, komposisi isotop dan kimianya berubah, dan unsur transuranik, terutama isotop, terbentuk. Pengaruh pecahan fisi terhadap reaktivitas reaktor nuklir disebut peracunan(untuk fragmen radioaktif) dan terak(untuk isotop stabil).

Alasan utama keracunan reaktor adalah , yang memiliki penampang serapan neutron terbesar (2,6·10 6 lumbung). Waktu paruh 135 Xe T 1/2 = 9,2 jam; Hasil pembagian adalah 6-7%. Sebagian besar 135 Xe terbentuk sebagai hasil peluruhan ( T 1/2 = 6,8 jam). Jika terjadi keracunan, Keff berubah sebesar 1-3%. Penampang serapan yang besar dari 135 Xe dan adanya isotop perantara 135 I menyebabkan dua fenomena penting:

1. Peningkatan konsentrasi 135 Xe dan, akibatnya, penurunan reaktivitas reaktor setelah dihentikan atau daya dikurangi (“lubang yodium”), sehingga penghentian jangka pendek dan fluktuasi daya keluaran menjadi tidak mungkin dilakukan. . Dampak ini diatasi dengan memperkenalkan cadangan reaktivitas pada badan pengawas. Kedalaman dan durasi sumur yodium bergantung pada fluks neutron Ф: pada Ф = 5·10 18 neutron/(cm²·detik) durasi sumur yodium adalah ˜ 30 jam, dan kedalamannya 2 kali lebih besar dibandingkan sumur stasioner perubahan Keff yang disebabkan oleh keracunan 135 Xe.
2. Karena keracunan, fluktuasi spatiotemporal pada fluks neutron F, dan akibatnya, pada daya reaktor, dapat terjadi. Osilasi ini terjadi pada Ф > 10 18 neutron/(cm²·detik) dan ukuran reaktor yang besar. Periode osilasi ˜ 10 jam.

Fisi nuklir menghasilkan sejumlah besar fragmen stabil, yang berbeda dalam penampang serapan dibandingkan dengan penampang serapan isotop fisil. Konsentrasi fragmen dengan penampang serapan besar mencapai jenuh dalam beberapa hari pertama pengoperasian reaktor. Ini sebagian besar adalah batang bahan bakar dari “usia” yang berbeda.

Dalam kasus penggantian bahan bakar total, reaktor mempunyai reaktivitas berlebih yang perlu dikompensasi, sedangkan dalam kasus kedua, kompensasi hanya diperlukan pada saat reaktor pertama kali dihidupkan. Kelebihan beban yang terus menerus memungkinkan peningkatan kedalaman pembakaran, karena reaktivitas reaktor ditentukan oleh konsentrasi rata-rata isotop fisil.

Massa bahan bakar yang dimuat melebihi massa bahan bakar yang dibongkar karena “berat” energi yang dilepaskan. Setelah reaktor dimatikan, pertama terutama karena fisi oleh neutron tertunda, dan kemudian, setelah 1-2 menit, karena radiasi β- dan γ dari fragmen fisi dan unsur transuranium, pelepasan energi dalam bahan bakar terus berlanjut. Jika reaktor bekerja cukup lama sebelum berhenti, maka 2 menit setelah berhenti, pelepasan energi sekitar 3%, setelah 1 jam - 1%, setelah sehari - 0,4%, setelah satu tahun - 0,05% dari daya awal.

Perbandingan jumlah isotop fisil Pu yang terbentuk dalam reaktor nuklir dengan jumlah 235 U yang terbakar disebut tingkat konversi KK. Nilai K K meningkat seiring dengan menurunnya pengayaan dan pembakaran. Untuk reaktor air berat yang menggunakan uranium alam, dengan pembakaran 10 GW hari/t K K = 0,55, dan dengan pembakaran kecil (dalam hal ini K K disebut koefisien plutonium awal) KK = 0,8. Jika suatu reaktor nuklir terbakar dan menghasilkan isotop yang sama (reaktor pemulia), maka perbandingan laju reproduksi terhadap laju pembakaran disebut tingkat reproduksi K V. Dalam reaktor nuklir menggunakan neutron termal K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов G tumbuh dan A air terjun.

Pengendalian reaktor nuklir

Pengendalian reaktor nuklir hanya dimungkinkan karena fakta bahwa selama fisi, beberapa neutron terbang keluar dari fragmen dengan penundaan, yang dapat berkisar dari beberapa milidetik hingga beberapa menit.

Untuk mengendalikan reaktor, digunakan batang penyerap, dimasukkan ke dalam inti, terbuat dari bahan yang menyerap neutron kuat (terutama, dan beberapa lainnya) dan/atau larutan asam borat, ditambahkan ke cairan pendingin dalam konsentrasi tertentu (pengendalian boron) . Pergerakan batang dikendalikan oleh mekanisme khusus, penggerak, yang beroperasi berdasarkan sinyal dari operator atau peralatan untuk kontrol otomatis fluks neutron.

Jika berbeda Situasi darurat Di setiap reaktor, penghentian darurat reaksi berantai disediakan, dilakukan dengan menjatuhkan semua batang penyerap ke dalam inti - sistem perlindungan darurat.

Sisa Panas

Isu penting yang berhubungan langsung dengan keselamatan nuklir adalah panas peluruhan. Ini adalah ciri khusus bahan bakar nuklir, yang terdiri dari fakta bahwa, setelah penghentian reaksi berantai fisi dan inersia termal yang biasa terjadi pada sumber energi mana pun, pelepasan panas dalam reaktor terus berlanjut. untuk waktu yang lama, yang menciptakan sejumlah masalah teknis yang rumit.

Panas sisa merupakan konsekuensi dari peluruhan β- dan γ produk fisi yang terakumulasi dalam bahan bakar selama pengoperasian reaktor. Inti produk fisi, karena peluruhan, berubah menjadi keadaan yang lebih stabil atau stabil sepenuhnya dengan pelepasan energi yang signifikan.

Meskipun laju pelepasan panas peluruhan dengan cepat menurun ke nilai yang kecil dibandingkan dengan nilai kondisi tunak, dalam reaktor daya tinggi, angka ini signifikan secara absolut. Oleh karena itu, pembentukan panas sisa diperlukan lama memastikan pembuangan panas dari inti reaktor setelah dimatikan. Tugas ini memerlukan desain instalasi reaktor yang mencakup sistem pendingin dengan pasokan listrik yang andal, dan juga memerlukan penyimpanan bahan bakar nuklir bekas dalam jangka panjang (3-4 tahun) di fasilitas penyimpanan dengan fasilitas khusus. kondisi suhu- kolam pendingin, yang biasanya terletak di dekat reaktor.

Lihat juga

• Daftar reaktor nuklir yang dirancang dan dibangun di Uni Soviet

literatur

• Levin V.E. Fisika nuklir dan reaktor nuklir. edisi ke-4. - M.: Atomizdat, 1979.
• Shukolyukov A. Yu.“Uranium. Reaktor nuklir alami.” “Kimia dan Kehidupan” No. 6, 1980, hal. 20-24

Catatan

1. "ZEEP - Reaktor Nuklir Pertama Kanada", Museum Sains dan Teknologi Kanada.
2. Greshilov A.A., Egupov N.D., Matushchenko A.M. Perisai nuklir. - M.: Logos, 2008. - 438 hal. -

Reaktor nuklir pertama dibangun pada bulan Desember 1942 di Amerika di bawah kepemimpinan E. Fermi . Di Eropa, reaktor nuklir pertama diluncurkan pada bulan Desember 1946 di Moskow di bawah kepemimpinan I.V. Kurchatova . Pada tahun 1978, sudah ada sekitar seribu reaktor nuklir dari berbagai jenis yang beroperasi di dunia. Komponen setiap reaktor nuklir adalah: inti Dengan bahan bakar nuklir, biasanya dikelilingi oleh reflektor neutron, pendingin, sistem kendali reaksi berantai, proteksi radiasi, sistem kendali jarak jauh ( beras. 1). Ciri utama reaktor nuklir adalah tenaganya. Kekuatan pada 1 Mv sesuai dengan reaksi berantai di mana terjadi 3 10 16 aksi fisi menjadi 1 detik.
Desain reaktor nuklir tenaga.

Reaktor tenaga nuklir adalah suatu perangkat di mana reaksi berantai terkendali dari fisi inti unsur-unsur berat dilakukan, dan dilepaskan energi termal dihilangkan oleh cairan pendingin. Elemen utama reaktor nuklir adalah inti. Ini menampung bahan bakar nuklir dan melakukan reaksi berantai fisi. Inti adalah kumpulan elemen bahan bakar yang mengandung bahan bakar nuklir yang ditempatkan dengan cara tertentu. Reaktor neutron termal menggunakan moderator. Pendingin dipompa melalui inti untuk mendinginkan elemen bahan bakar. Pada beberapa jenis reaktor, peran moderator dan pendingin dilakukan oleh zat yang sama, misalnya air biasa atau air berat.

Diagram reaktor homogen: 1 badan reaktor, 2 inti, 3 kompensator volume, 4 penukar panas, 5 saluran keluar uap, 6 saluran masuk air umpan, 7 pompa sirkulasi

Untuk mengontrol pengoperasian reaktor, batang kendali yang terbuat dari bahan dengan penampang serapan neutron yang besar dimasukkan ke dalam inti. Inti reaktor daya dikelilingi oleh reflektor neutron – lapisan bahan moderator untuk mengurangi kebocoran neutron dari inti. Selain itu, berkat reflektor, kerapatan neutron dan pelepasan energi disamakan di seluruh volume inti, yang memungkinkan untuk memperoleh daya yang lebih besar untuk ukuran zona tertentu, mencapai pembakaran bahan bakar yang lebih seragam, dan meningkatkan waktu pengoperasian reaktor. tanpa membebani bahan bakar secara berlebihan, dan menyederhanakan sistem pembuangan panas. Reflektor dipanaskan oleh energi perlambatan dan penyerapan neutron dan kuanta gamma, sehingga pendinginannya terjamin. Inti, reflektor, dan elemen lainnya ditempatkan dalam wadah atau selubung tertutup, biasanya dikelilingi oleh pelindung biologis.

Di dalam inti reaktor nuklir terdapat bahan bakar nuklir, terjadi reaksi berantai fisi nuklir dan energi dilepaskan. Keadaan reaktor nuklir dicirikan oleh koefisien efektif Pemalasan perkalian atau reaktivitas neutron r:

R = (K ¥ - 1)/K eff. (1)

Jika Kef > 1, maka reaksi berantai meningkat seiring waktu, reaktor nuklir berada dalam keadaan superkritis dan reaktivitasnya r > 0; Jika K eff< 1 , kemudian reaksi padam, reaktor subkritis, r< 0; при KE ¥ = 1, r = 0, reaktor dalam keadaan kritis, proses stasioner sedang berlangsung dan jumlah fisi konstan sepanjang waktu. Untuk memulai reaksi berantai ketika memulai reaktor nuklir, sumber neutron (campuran Ra dan Be, 252 Cf, dll.) biasanya dimasukkan ke dalam inti, meskipun hal ini tidak diperlukan, karena fisi spontan inti uranium dan sinar kosmik menyediakan jumlah neutron awal yang cukup untuk pengembangan reaksi berantai di Kef > 1.

235 U digunakan sebagai bahan fisil di sebagian besar reaktor nuklir. Jika inti, selain bahan bakar nuklir (uranium alami atau yang diperkaya), mengandung moderator neutron (grafit, air dan zat lain yang mengandung inti ringan, lihat Moderasi neutron), maka bagian utama perpecahan terjadi di bawah pengaruh neutron termal (reaktor termal). Reaktor nuklir neutron termal dapat menggunakan uranium alam yang tidak diperkaya dengan 235 U (ini adalah reaktor nuklir pertama). Jika tidak ada moderator di inti, maka sebagian besar fisi disebabkan oleh neutron cepat dengan energi x n > 10 kev (reaktor cepat). Reaktor neutron perantara dengan energi 1-1000 juga dimungkinkan ev.

Kondisi kritis suatu reaktor nuklir berbentuk:

Keff = K ¥ × P = 1 , (1)

Dimana 1 - P adalah peluang keluarnya neutron (kebocoran) dari inti Reaktor Nuklir, KE ¥ - faktor penggandaan neutron di inti tidak terbatas ukuran besar, ditentukan untuk reaktor nuklir termal dengan apa yang disebut “rumus empat faktor”:

KE¥ = neju. (2)

Di sini n adalah jumlah rata-rata neutron sekunder (cepat) yang dihasilkan dari fisi inti 235 U oleh neutron termal, e adalah faktor perkalian neutron cepat (peningkatan jumlah neutron akibat fisi inti, terutama 238 inti U, dengan neutron cepat); j adalah peluang neutron tidak ditangkap oleh inti 238 U selama proses perlambatan, u adalah peluang neutron termal menyebabkan fisi. Nilai h = n/(l + a) sering digunakan, dimana a adalah rasio penampang penangkapan radiasi s p terhadap penampang fisi s d.

Kondisi (1) menentukan dimensi Reaktor Nuklir. Misalnya untuk Reaktor Nuklir yang terbuat dari uranium alam dan grafit n = 2.4. e » 1.03, eju » 0.44, dari mana KE¥ =1,08. Artinya untuk KE ¥ > 1 P yang diperlukan<0,93, что соответствует (как показывает теория Ядерный реактор) размерам активной зоны Ядерный реактор ~ 5-10 M. Volume reaktor nuklir energi modern mencapai ratusan m 3 dan ditentukan terutama oleh kemampuan pembuangan panas, dan bukan oleh kondisi kritis. Volume inti reaktor nuklir dalam keadaan kritis disebut volume kritis reaktor nuklir, dan massa bahan fisil disebut massa kritis. Reaktor nuklir dengan bahan bakar berupa larutan garam isotop fisil murni dalam air dan dengan reflektor neutron air mempunyai massa kritis paling rendah. Untuk 235 U massanya adalah 0,8 kg, Untuk 239 Pu - 0,5 kg . 251 Cf memiliki massa kritis terkecil (secara teoritis 10 g). Parameter kritis reaktor nuklir grafit dengan uranium alam: massa uranium 45 T, volume grafit 450 m 3 . Untuk mengurangi kebocoran neutron, inti diberi bentuk bulat atau hampir bulat, misalnya silinder dengan tinggi orde diameter atau kubus (perbandingan permukaan terhadap volume terkecil).

Nilai n diketahui untuk neutron termal dengan akurasi 0,3% (Tabel 1). Dengan bertambahnya energi x n neutron yang menyebabkan fisi, n bertambah menurut hukum: n = n t + 0,15x n (x n in saya), di mana n t berhubungan dengan fisi oleh neutron termal.

Meja 1. - Nilai n dan h) untuk neutron termal (menurut data tahun 1977)

233 kamu

235 kamu

239Pu

241Pu

Nilai (e-1) biasanya hanya beberapa%; namun demikian, peran penggandaan neutron cepat sangatlah penting, karena untuk reaktor nuklir besar ( KE ¥ - 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).

Nilai J maksimum yang mungkin dicapai dalam reaktor nuklir, yang hanya berisi inti fisil. Reaktor nuklir energi menggunakan uranium yang diperkaya secara lemah (konsentrasi 235 U ~ 3-5%), dan inti 238 U menyerap sebagian besar neutron. Jadi, untuk campuran alami isotop uranium, nilai maksimum nJ = 1.32. Penyerapan neutron pada bahan moderator dan struktur biasanya tidak melebihi 5-20% dari penyerapan seluruh isotop bahan bakar nuklir. Dari moderator, air berat memiliki penyerapan neutron paling rendah, dan bahan struktural - Al dan Zr.

Kemungkinan penangkapan resonansi neutron oleh inti 238 U selama proses moderasi (1-j) berkurang secara signifikan dalam reaktor nuklir heterogen. Penurunan (1 - j) disebabkan oleh fakta bahwa jumlah neutron dengan energi mendekati resonansi menurun tajam di dalam blok bahan bakar dan dalam penyerapan resonansi Hanya lapisan luar blok yang terlibat. Struktur reaktor nuklir yang heterogen memungkinkan dilakukannya proses berantai dengan menggunakan uranium alam. Hal ini mengurangi nilai O, namun kehilangan reaktivitas ini secara signifikan lebih kecil dibandingkan keuntungan akibat penurunan serapan resonansi.

Untuk menghitung sifat termal suatu reaktor nuklir, perlu ditentukan spektrum neutron termal. Jika penyerapan neutron sangat lemah dan neutron berhasil bertabrakan dengan inti moderator berkali-kali sebelum penyerapan, maka kesetimbangan termodinamika (termalisasi neutron) terbentuk antara media moderat dan gas neutron, dan spektrum neutron termal dijelaskan. Distribusi Maxwell . Kenyataannya, serapan neutron pada inti reaktor nuklir cukup tinggi. Hal ini menyebabkan penyimpangan dari distribusi Maxwell - energi rata-rata neutron lebih besar daripada energi rata-rata molekul medium. Proses termalisasi dipengaruhi oleh pergerakan inti, ikatan kimia atom, dll.

Pembakaran dan reproduksi bahan bakar nuklir. Selama pengoperasian reaktor nuklir, terjadi perubahan komposisi bahan bakar karena akumulasi fragmen fisi di dalamnya (lihat. Fisi nuklir) dan dengan pendidikan elemen transuranik, terutama isotop Pu. Pengaruh pecahan fisi terhadap reaktivitas Reaktor nuklir disebut keracunan (untuk pecahan radioaktif) dan slagging (untuk pecahan stabil). Keracunan terutama disebabkan oleh 135 Xe yang memiliki penampang serapan neutron terbesar (2,6 10 6 lumbung). Waktu paruhnya T 1/2 = 9,2 jam, hasil fisi 6-7%. Bagian utama dari 135 Xe terbentuk sebagai hasil peluruhan 135 ]( Pusat perbelanjaan = 6,8 H). Saat diracuni, Cef berubah sebesar 1-3%. Penampang serapan 135 Xe yang besar dan adanya isotop perantara 135 I menyebabkan dua fenomena penting: 1) peningkatan konsentrasi 135 Xe dan, akibatnya, penurunan reaktivitas reaktor nuklir setelahnya dihentikan atau daya dikurangi (“lubang yodium”). Hal ini memaksa cadangan reaktivitas tambahan di badan pengawas atau membuat penghentian jangka pendek dan fluktuasi daya menjadi tidak mungkin dilakukan. Kedalaman dan durasi sumur yodium bergantung pada fluks neutron Ф: pada Ф = 5·10 13 neutron/cm 2 × detik Durasi sumur yodium ~ 30 H, dan kedalamannya 2 kali lebih besar dari perubahan stasioner K eff, disebabkan oleh keracunan 135 Xe. 2) Karena keracunan, osilasi spatiotemporal dari fluks neutron F, dan karenanya daya, dapat terjadi Reaktor nuklir Osilasi ini terjadi pada F> 10 13 neutron/cm 2 × detik dan ukuran besar Reaktor nuklir Periode osilasi ~ 10 H.

Jumlah fragmen stabil berbeda yang dihasilkan dari fisi nuklir sangat banyak. Terdapat fragmen dengan penampang serapan yang besar dan kecil dibandingkan dengan penampang serapan isotop fisil. Konsentrasi bahan kimia mencapai jenuh selama beberapa hari pertama pengoperasian reaktor nuklir (terutama 149 Sm, mengubah Keff sebesar 1%). Konsentrasi zat terakhir dan reaktivitas negatif yang ditimbulkannya meningkat secara linier seiring waktu.

Pembentukan unsur transuranium dalam reaktor nuklir terjadi menurut skema berikut:

Di sini 3 berarti penangkapan neutron, angka di bawah panah adalah waktu paruh.

Akumulasi 239 Pu (bahan bakar nuklir) pada awal pengoperasian reaktor nuklir terjadi secara linier dalam waktu, dan semakin cepat (dengan pembakaran tetap sebesar 235 U) semakin rendah pengayaan uranium. Kemudian konsentrasi 239 Pu cenderung pada nilai konstan, yang tidak bergantung pada derajat pengayaan, tetapi ditentukan oleh perbandingan penampang penangkapan neutron 238 U dan 239 Pu. . Waktu karakteristik untuk pembentukan konsentrasi keseimbangan 239 Pu ~ 3/ F tahun (F dalam satuan 10 13 neutron/ cm 2×detik). Isotop 240 Pu dan 241 Pu mencapai konsentrasi kesetimbangan hanya ketika bahan bakar dibakar kembali dalam reaktor nuklir setelah regenerasi bahan bakar nuklir.

Pembakaran bahan bakar nuklir ditandai dengan total energi yang dilepaskan ke dalam reaktor nuklir per 1 T bahan bakar. Untuk reaktor nuklir yang menggunakan uranium alam, pembakaran maksimumnya adalah ~10 GW × hari/t(reaktor nuklir air berat). B Reaktor nuklir dengan uranium yang diperkaya lemah (2-3% 235 kamu) kelelahan ~ 20-30 tercapai GW-hari/t. Dalam reaktor nuklir neutron cepat - hingga 100 GW-hari/t. Kelelahan 1 GW-hari/t sesuai dengan pembakaran 0,1% bahan bakar nuklir.

Ketika bahan bakar nuklir terbakar, reaktivitas reaktor nuklir menurun (dalam reaktor nuklir yang menggunakan uranium alam, dengan pembakaran kecil, terjadi sedikit peningkatan reaktivitas). Penggantian bahan bakar yang terbakar dapat dilakukan segera dari seluruh inti atau secara bertahap di sepanjang batang bahan bakar sehingga inti berisi batang bahan bakar dari segala usia - mode kelebihan beban terus menerus (opsi perantara dimungkinkan). Dalam kasus pertama, reaktor nuklir dengan bahan bakar segar memiliki reaktivitas berlebih yang harus dikompensasi. Dalam kasus kedua, kompensasi tersebut diperlukan hanya selama pengaktifan awal, sebelum memasuki mode kelebihan beban berkelanjutan. Pemuatan ulang secara terus menerus memungkinkan untuk meningkatkan kedalaman pembakaran, karena reaktivitas reaktor nuklir ditentukan oleh konsentrasi rata-rata nuklida fisil (elemen bahan bakar dengan konsentrasi nuklida fisil minimum diturunkan). Tabel 2 menunjukkan komposisi nuklir yang dipulihkan bahan bakar (dalam kg) V reaktor air bertekanan kekuatan 3 Pemerintah. Seluruh inti dibongkar secara bersamaan setelah reaktor nuklir beroperasi selama 3 bertahun-tahun dan "kutipan" 3 bertahun-tahun(Ф = 3×10 13 neutron/cm 2 ×detik). Komposisi awal : 238 U - 77350, 235 U - 2630, 234 U - 20.

Meja 2. - Komposisi bahan bakar yang dibongkar, kg