rumah » Benda » Bagaimana reaksi nuklir terjadi di dalam reaktor? Reaksi berantai dan kekritisan

Bagaimana reaksi nuklir terjadi di dalam reaktor? Reaksi berantai dan kekritisan

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 mencapai ratusan kelvin, tetapi dalam kasus reaksi nuklir setidaknya mencapai 10 7 karena sangat 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 keadaan 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, peran reproduksi tetap penting 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 adalah 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 terletak 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:

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.
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 besar reaktor. 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 berlanjut untuk waktu yang lama, yang menciptakan a 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, laju pelepasan panas tersebut 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

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

Kita sudah terbiasa dengan listrik sehingga kita tidak memikirkan dari mana asalnya. Pada dasarnya diproduksi di pembangkit listrik yang menggunakan berbagai sumber untuk itu. Pembangkit listrik dapat berupa pembangkit listrik tenaga panas, angin, panas bumi, tenaga surya, pembangkit listrik tenaga air, dan nuklir. Yang terakhir inilah yang paling banyak menimbulkan kontroversi. Mereka berdebat tentang kebutuhan dan keandalannya.

Dalam hal produktivitas, energi nuklir saat ini merupakan salah satu yang paling efisien dan memiliki andil dalam produksi global energi listrik cukup signifikan, lebih dari seperempat.

Bagaimana cara kerja pembangkit listrik tenaga nuklir dan bagaimana cara menghasilkan energi? Elemen utama pembangkit listrik tenaga nuklir adalah reaktor nuklir. Reaksi berantai nuklir terjadi di dalamnya, yang mengakibatkan pelepasan panas. Reaksi ini terkendali, itulah sebabnya kita dapat menggunakan energi secara bertahap, daripada melakukan ledakan nuklir.

Elemen dasar reaktor nuklir

Bahan bakar nuklir: uranium yang diperkaya, isotop uranium dan plutonium. Yang paling umum digunakan adalah uranium 235;
Pendingin untuk menghilangkan energi yang dihasilkan selama pengoperasian reaktor: air, natrium cair, dll.;
Batang kendali;
moderator neutron;
Selubung pelindung radiasi.

Video reaktor nuklir sedang beroperasi

Bagaimana cara kerja reaktor nuklir?

Di dalam inti reaktor terdapat elemen bahan bakar (fuel elements) – bahan bakar nuklir. Mereka dirangkai menjadi kaset yang berisi beberapa lusin batang bahan bakar. Pendingin mengalir melalui saluran melalui setiap kaset. Batang bahan bakar mengatur daya reaktor. Reaksi nuklir hanya mungkin terjadi pada massa batang bahan bakar tertentu (kritis). Massa masing-masing batang secara individual berada di bawah kritis. Reaksi dimulai ketika semua batang berada pada zona aktif. Dengan memasukkan dan melepas batang bahan bakar, reaksi dapat dikendalikan.

Jadi, ketika massa kritis terlampaui, unsur bahan bakar radioaktif mengeluarkan neutron yang bertabrakan dengan atom. Hasilnya adalah isotop tidak stabil yang segera meluruh, melepaskan energi dalam bentuk radiasi gamma dan panas. Partikel-partikel yang bertabrakan memberikan energi kinetik satu sama lain, dan jumlah peluruhan meningkat secara eksponensial. Ini adalah reaksi berantai - prinsip pengoperasian reaktor nuklir. Tanpa kendali, hal itu terjadi dengan kecepatan kilat, yang menyebabkan ledakan. Namun dalam reaktor nuklir, prosesnya terkendali.

Dengan demikian, energi panas dilepaskan di inti, yang ditransfer ke air yang mencuci zona ini (sirkuit primer). Di sini suhu air 250-300 derajat. Selanjutnya, air memindahkan panas ke sirkuit kedua, lalu ke bilah turbin yang menghasilkan energi. Konversi energi nuklir menjadi energi listrik dapat direpresentasikan secara skematis:

Energi dalam inti uranium,
Energi kinetik dari pecahan inti yang membusuk dan neutron yang dilepaskan,
Energi internal air dan uap,
Energi kinetik air dan uap,
Energi kinetik rotor turbin dan generator,
Energi listrik.

Inti reaktor terdiri dari ratusan kaset yang disatukan oleh cangkang logam. Cangkang ini juga berperan sebagai reflektor neutron. Batang kendali untuk mengatur kecepatan reaksi dan batang pelindung darurat reaktor dimasukkan di antara kaset. Selanjutnya, isolasi termal dipasang di sekitar reflektor. Di atas insulasi termal terdapat cangkang pelindung yang terbuat dari beton, yang menjebak zat radioaktif dan tidak membiarkannya masuk ke ruang sekitarnya.

Di mana reaktor nuklir digunakan?

Reaktor energi nuklir digunakan di pembangkit listrik tenaga nuklir, di kapal instalasi listrik, di stasiun pasokan panas nuklir.
Reaktor konvektor dan pemulia digunakan untuk memproduksi bahan bakar nuklir sekunder.
Reaktor penelitian diperlukan untuk penelitian radiokimia dan biologi serta produksi isotop.

Terlepas dari semua kontroversi dan kontroversi mengenai energi nuklir, pembangkit listrik tenaga nuklir terus dibangun dan dioperasikan. Salah satu alasannya adalah efisiensi biaya. Contoh sederhananya: 40 tangki bahan bakar minyak atau 60 gerbong batu bara menghasilkan energi yang sama dengan 30 kilogram uranium.

Silinder abu-abu yang mencolok ini adalah penghubung utama dalam industri nuklir Rusia. Tentu saja, tampilannya tidak terlalu rapi, tetapi ada baiknya memahami tujuannya dan memperhatikannya spesifikasi, ketika Anda mulai menyadari mengapa rahasia penciptaan dan strukturnya dilindungi oleh negara seperti biji matanya.

Ya, saya lupa memperkenalkan: ini adalah gas centrifuge untuk memisahkan isotop uranium VT-3F (generasi ke-n). Prinsip pengoperasiannya sederhana, seperti pemisah susu, yang berat dipisahkan dari yang ringan karena pengaruh gaya sentrifugal. Lalu apa arti dan keunikannya?

Pertama, mari kita jawab pertanyaan lain - secara umum, mengapa memisahkan uranium?

Uranium alami, yang terletak tepat di dalam tanah, merupakan campuran dari dua isotop: uranium-238 Dan uranium-235(dan 0,0054% U-234).
Uran-238, itu hanya logam berat berwarna abu-abu. Anda bisa menggunakannya untuk membuat peluru artileri, atau... gantungan kunci. Inilah yang dapat Anda lakukan uranium-235? Pertama, bom atom, dan kedua, bahan bakar untuk pembangkit listrik tenaga nuklir. Dan di sinilah kita sampai pada pertanyaan kuncinya - bagaimana memisahkan dua atom yang hampir identik ini satu sama lain? Tidak benar-benar BAGAIMANA?!

Omong-omong: Jari-jari inti atom uranium adalah 1,5 · 10 -8 cm.

Agar atom uranium dapat didorong ke dalam rantai teknologi, maka (uranium) perlu diubah menjadi keadaan gas. Tidak ada gunanya merebus, cukup menggabungkan uranium dengan fluor dan mendapatkan uranium heksafluorida HFC. Teknologi produksinya tidak terlalu rumit dan mahal, oleh karena itu HFC mereka melakukannya dengan benar di tempat penambangan uranium ini. UF6 adalah satu-satunya senyawa uranium yang sangat mudah menguap (bila dipanaskan hingga 53°C, heksafluorida (gambar) langsung berubah dari wujud padat menjadi gas). Kemudian dipompa ke dalam wadah khusus dan dikirim untuk pengayaan.

Sedikit sejarah

Pada awalnya perlombaan nuklir, pemikir ilmiah terbesar dari Uni Soviet dan Amerika Serikat menguasai gagasan pemisahan difusi - melewatkan uranium melalui saringan. Kecil tanggal 235 isotop akan lolos, dan “lemak” ke-238 akan terjebak. Selain itu, membuat saringan lubang nano untuk industri Soviet pada tahun 1946 bukanlah tugas yang paling sulit.

Dari laporan Isaac Konstantinovich Kikoin di dewan ilmiah dan teknis di bawah Dewan Komisaris Rakyat (disajikan dalam kumpulan materi yang tidak diklasifikasikan tentang proyek atom Uni Soviet (Ed. Ryabev)): Saat ini, kami telah belajar membuat mata jaring dengan lubang berukuran sekitar 5/1.000 mm, yaitu. 50 kali lebih besar dari jalur bebas molekul pada tekanan atmosfer. Oleh karena itu, tekanan gas di mana pemisahan isotop pada jaringan tersebut akan terjadi harus kurang dari 1/50 tekanan atmosfir. Dalam praktiknya, kami berasumsi bekerja pada tekanan sekitar 0,01 atmosfer, yaitu. dalam kondisi vakum yang baik. Perhitungan menunjukkan bahwa untuk mendapatkan produk yang diperkaya hingga konsentrasi 90% dengan isotop ringan (konsentrasi ini cukup untuk menghasilkan bahan peledak), perlu untuk menggabungkan sekitar 2.000 tahapan tersebut dalam satu kaskade. Pada mesin yang kami rancang dan produksi sebagian, diharapkan dapat menghasilkan 75-100 g uranium-235 per hari. Instalasi akan terdiri dari sekitar 80-100 “kolom”, yang masing-masing akan memiliki 20-25 tahap terpasang.”

Di bawah ini adalah dokumen - laporan Beria kepada Stalin tentang persiapan ledakan bom atom pertama. Di bawah ini adalah informasi singkat tentang bahan nuklir yang dihasilkan pada awal musim panas tahun 1949.

Dan sekarang bayangkan sendiri - 2000 instalasi besar dan kuat, hanya untuk 100 gram! Nah, apa hubungannya dengan itu, kita butuh bom. Dan mereka mulai membangun pabrik, dan bukan hanya pabrik, tapi seluruh kota. Dan oke, hanya di kota saja, pembangkit difusi ini membutuhkan begitu banyak listrik sehingga mereka harus membangun pembangkit listrik terpisah di dekatnya.

Di Uni Soviet, tahap pertama D-1 dari pabrik No. 813 dirancang untuk menghasilkan total 140 gram uranium-235 92-93% per hari dalam 2 tahap dari 3100 tahap pemisahan dengan kekuatan yang sama. Pabrik pesawat yang belum selesai di desa Verkh-Neyvinsk, 60 km dari Sverdlovsk, dialokasikan untuk produksi. Kemudian berubah menjadi Sverdlovsk-44, dan pabrik 813 (foto) menjadi Pabrik Elektrokimia Ural - pabrik pemisahan terbesar di dunia.

Dan meskipun teknologi pemisahan difusi, meskipun dengan kesulitan teknologi yang besar, telah di-debug, gagasan untuk mengembangkan proses centrifuge yang lebih ekonomis tidak meninggalkan agenda. Lagi pula, jika kita berhasil membuat centrifuge, konsumsi energi akan berkurang dari 20 menjadi 50 kali lipat!

Bagaimana cara kerja mesin sentrifugasi?

Strukturnya lebih dari sekedar dasar dan mirip dengan yang lama mesin cuci beroperasi dalam mode “putar/keringkan”. Rotor yang berputar terletak di dalam wadah tertutup. Gas disuplai ke rotor ini (UF6). Karena gaya sentrifugal yang ratusan ribu kali lebih besar dari medan gravitasi bumi, gas mulai terpecah menjadi pecahan “berat” dan “ringan”. Molekul ringan dan berat mulai berkelompok zona yang berbeda rotor, tetapi tidak di tengah dan di sekelilingnya, tetapi di bagian atas dan bawah.

Hal ini terjadi karena arus konveksi - penutup rotor memanas dan terjadi aliran gas yang berlawanan. Ada dua pipa intake kecil yang dipasang di bagian atas dan bawah silinder. Campuran kurus memasuki tabung bawah, dan campuran dengan konsentrasi atom lebih tinggi memasuki tabung atas. 235U. Campuran ini masuk ke centrifuge berikutnya, dan seterusnya, hingga terkonsentrasi tanggal 235 tidak akan mencapai uranium nilai yang diinginkan. Rantai sentrifugal disebut kaskade.

Fitur Teknik.

Pertama, kecepatan putarannya - pada sentrifugal generasi modern mencapai 2000 rps (saya bahkan tidak tahu harus membandingkannya dengan apa... 10 kali lebih cepat daripada turbin di mesin pesawat)! Dan ini telah bekerja tanpa henti selama TIGA DEKADE! Itu. Sekarang sentrifugal, yang dihidupkan di bawah Brezhnev, berputar secara bertingkat! Uni Soviet sudah tidak ada lagi, tetapi mereka terus berputar dan berputar. Tidak sulit untuk menghitung bahwa selama siklus kerjanya rotor menghasilkan 2.000.000.000.000 (dua triliun) putaran. Dan sikap apa yang bisa menahan hal ini? Ya, tidak ada! Tidak ada bantalan di sana.

Rotor itu sendiri adalah bagian atas biasa, di bagian bawah terdapat jarum kuat yang bertumpu pada bantalan korundum, dan ujung atas digantung dalam ruang hampa, ditahan. medan elektromagnetik. Jarumnya juga tidak sederhana, terbuat dari kawat biasa untuk senar piano, sangat mengeras dengan cara yang licik(yaitu GT). Tidak sulit untuk membayangkan bahwa dengan kecepatan putaran yang begitu tinggi, centrifuge itu sendiri tidak hanya harus tahan lama, tetapi juga sangat tahan lama.

Akademisi Joseph Friedlander mengenang: “Mereka bisa saja menembak saya tiga kali. Suatu ketika, ketika kami sudah menerima Hadiah Lenin, terjadi kecelakaan besar, tutup mesin centrifuge terlepas. Potongan-potongannya tersebar dan menghancurkan mesin sentrifugal lainnya. Awan radioaktif muncul. Kami harus menghentikan seluruh jalur - instalasi sepanjang satu kilometer! Di Sredmash, Jenderal Zverev memimpin sentrifugal; sebelum proyek atom, dia bekerja di departemen Beria. Jenderal pada pertemuan tersebut mengatakan: “Situasinya kritis. Pertahanan negara terancam. Jika kami tidak segera memperbaiki situasi, tahun ’37 akan terulang kembali untuk Anda.” Dan segera menutup rapat. Kemudian kami benar-benar menemukan jawabannya teknologi baru dengan struktur penutup seragam yang sepenuhnya isotropik, tetapi diperlukan instalasi yang sangat rumit. Sejak itu, tutup jenis ini telah diproduksi. Tidak ada lagi masalah. Di Rusia ada 3 pabrik pengayaan, ratusan ribu sentrifugal.”
Dalam foto: pengujian sentrifugal generasi pertama

Rumah rotor juga awalnya terbuat dari logam, hingga digantikan oleh... serat karbon. Ringan dan memiliki daya tarik tinggi, ini merupakan bahan yang ideal untuk silinder berputar.

Direktur Umum UEIP (2009-2012) Alexander Kurkin mengenang: “Itu menjadi konyol. Ketika mereka menguji dan memeriksa sentrifugal generasi baru yang lebih “cerdas”, salah satu karyawan tidak menunggu hingga rotor berhenti sepenuhnya, memutus sambungannya dari kaskade dan memutuskan untuk membawanya dengan tangan ke dudukannya. Namun alih-alih bergerak maju, tidak peduli bagaimana dia melawan, dia malah memeluk silinder ini dan mulai bergerak mundur. Jadi kami melihat dengan mata kepala sendiri bahwa bumi berputar, dan giroskop adalah kekuatan yang besar.”

Siapa yang menemukannya?

Oh, itu sebuah misteri, terbungkus misteri dan diselimuti ketegangan. Di sini Anda akan menemukan fisikawan Jerman yang ditangkap, CIA, perwira SMERSH, dan bahkan pilot mata-mata Powers yang jatuh. Secara umum, prinsip pengoperasian centrifuge gas dijelaskan pada akhir abad ke-19.

Bahkan pada awal Proyek Atom, Viktor Sergeev, seorang insinyur di Biro Desain Khusus Pabrik Kirov, mengusulkan metode pemisahan sentrifugal, tetapi pada awalnya rekan-rekannya tidak menyetujui gagasannya. Secara paralel, para ilmuwan dari Jerman yang kalah berjuang untuk menciptakan mesin pemisah pemisah di lembaga penelitian khusus-5 di Sukhumi: Dr. Max Steenbeck, yang bekerja sebagai insinyur terkemuka Siemens di bawah Hitler, dan mantan mekanik Luftwaffe, lulusan Universitas Wina, Gernot Zippe. Secara total, kelompok tersebut mencakup sekitar 300 fisikawan “ekspor”.

Ingat CEO Perusahaan Negara CJSC Centrotech-SPb Rosatom Alexei Kaliteevsky: “Para ahli kami sampai pada kesimpulan bahwa centrifuge Jerman sama sekali tidak cocok untuk produksi industri. Peralatan Steenbeck tidak memiliki sistem untuk mentransfer produk yang diperkaya sebagian ke tahap berikutnya. Diusulkan untuk mendinginkan ujung tutupnya dan membekukan gas, lalu mencairkannya, mengumpulkannya dan memasukkannya ke dalam centrifuge berikutnya. Artinya, skema tersebut tidak berfungsi. Namun, proyek ini memiliki beberapa hal yang sangat menarik dan tidak biasa solusi teknis. “Solusi yang menarik dan tidak biasa” ini digabungkan dengan hasil yang diperoleh para ilmuwan Soviet, khususnya dengan usulan Viktor Sergeev. Secara relatif, mesin sentrifugal kompak kami adalah sepertiga hasil pemikiran Jerman, dan dua pertiga hasil pemikiran Soviet.” Ngomong-ngomong, ketika Sergeev datang ke Abkhazia dan mengungkapkan pemikirannya tentang pemilihan uranium kepada Steenbeck dan Zippe yang sama, Steenbeck dan Zippe menganggapnya tidak dapat direalisasikan.

Jadi, apa yang Sergeev temukan?

Dan usulan Sergeev adalah membuat penyeleksi gas dalam bentuk tabung pitot. Namun Dr. Steenbeck, yang diyakini telah gigih membahas topik ini, menyatakan dengan tegas: “Mereka akan memperlambat aliran, menyebabkan turbulensi, dan tidak akan ada pemisahan!” Bertahun-tahun kemudian, saat mengerjakan memoarnya, dia menyesalinya: “Sebuah ide yang layak datang dari kami! Tapi itu tidak pernah terpikir olehku…”

Belakangan, setelah berada di luar Uni Soviet, Steenbeck tidak lagi bekerja dengan sentrifugal. Namun sebelum berangkat ke Jerman, Geront Zippe berkesempatan untuk mengenal prototipe sentrifugasi Sergeev dan prinsip pengoperasiannya yang sangat sederhana. Sesampainya di Barat, “Si Cunning Zippe”, begitu ia sering disapa, mematenkan desain centrifuge atas namanya sendiri (paten No. 1071597 tahun 1957, diumumkan di 13 negara). Pada tahun 1957, setelah pindah ke AS, Zippe membangun instalasi yang berfungsi di sana, mereproduksi prototipe Sergeev dari memori. Dan dia menyebutnya, mari kita beri penghormatan, “centrifuge Rusia” (foto).

Omong-omong, teknik Rusia telah menunjukkan dirinya dalam banyak kasus lainnya. Contohnya adalah katup penutup darurat sederhana. Tidak ada sensor, detektor atau sirkuit elektronik. Yang ada hanya keran samovar yang kelopaknya menyentuh bingkai cascade. Jika terjadi kesalahan dan centrifuge mengubah posisinya di ruang angkasa, centrifuge akan berputar dan menutup saluran masuk. Ini seperti lelucon tentang pena Amerika dan pensil Rusia di luar angkasa.

Hari hari kita

Minggu ini penulis baris-baris ini hadir peristiwa penting– penutupan kantor pengamat Departemen Energi AS di Rusia berdasarkan kontrak HEU-LEU. Kesepakatan ini (uranium yang diperkaya tinggi - uranium yang diperkaya rendah) merupakan, dan tetap, merupakan perjanjian terbesar di bidang energi nuklir antara Rusia dan Amerika. Berdasarkan ketentuan kontrak, para ilmuwan nuklir Rusia memproses 500 ton uranium tingkat senjata (90%) menjadi bahan bakar (4%) HFC untuk pembangkit listrik tenaga nuklir Amerika. Pendapatan tahun 1993-2009 sebesar 8,8 miliar dollar AS. Ini adalah hasil logis dari terobosan teknologi para ilmuwan nuklir kita di bidang pemisahan isotop yang dilakukan pada tahun-tahun pascaperang.
Dalam foto: rangkaian sentrifugal gas di salah satu bengkel UEIP. Ada sekitar 100.000 di sini.

Berkat sentrifugal, kami memperoleh ribuan ton produk militer dan komersial yang relatif murah. Industri nuklir, salah satu dari sedikit yang tersisa ( penerbangan militer, luar angkasa), di mana Rusia memegang keunggulan yang tak terbantahkan. Pesanan luar negeri saja selama sepuluh tahun sebelumnya (dari 2013 hingga 2022), portofolio Rosatom tidak termasuk kontrak HEU-LEU adalah 69,3 miliar dolar. Pada tahun 2011 jumlahnya melebihi 50 miliar...
Foto menunjukkan gudang kontainer berisi HFC di UEIP.

Pada tanggal 28 September 1942, Resolusi Komite Pertahanan Negara No. 2352ss “Tentang organisasi kerja uranium” diadopsi. Tanggal ini dianggap sebagai awal resmi dari sejarah industri nuklir Rusia.

Setiap hari kita menggunakan listrik dan tidak memikirkan bagaimana listrik itu dihasilkan dan bagaimana listrik itu sampai ke kita. Namun demikian, ini adalah salah satu bagian terpenting dari peradaban modern. Tanpa listrik tidak akan ada apa-apa – tidak ada cahaya, tidak ada panas, tidak ada pergerakan.

Semua orang tahu bahwa listrik dihasilkan di pembangkit listrik, termasuk pembangkit listrik tenaga nuklir. Inti dari setiap pembangkit listrik tenaga nuklir adalah reaktor nuklir. Inilah yang akan kita bahas di artikel ini.

Reaktor nuklir, perangkat di mana reaksi berantai nuklir terkontrol terjadi dengan pelepasan panas. Perangkat ini terutama digunakan untuk menghasilkan listrik dan menggerakkan kapal besar. Untuk membayangkan kekuatan dan efisiensi reaktor nuklir, kita dapat memberikan sebuah contoh. Jika sebuah reaktor nuklir rata-rata membutuhkan 30 kilogram uranium, rata-rata pembangkit listrik tenaga panas akan membutuhkan 60 gerbong batu bara atau 40 tangki bahan bakar minyak.

Prototipe reaktor nuklir dibangun pada bulan Desember 1942 di Amerika di bawah arahan E. Fermi. Itu adalah apa yang disebut “tumpukan Chicago”. Chicago Pile (kemudian kata“Pile”, bersama dengan arti lainnya, berarti reaktor nuklir). Diberi nama ini karena menyerupai tumpukan besar balok grafit yang diletakkan di atas yang lain.

Di antara blok-blok tersebut ditempatkan “fluida kerja” berbentuk bola yang terbuat dari uranium alami dan dioksidanya.

Di Uni Soviet, reaktor pertama dibangun di bawah kepemimpinan Akademisi I.V.Kurchatov. Reaktor F-1 mulai beroperasi pada tanggal 25 Desember 1946. Reaktor berbentuk bola dan diameter sekitar 7,5 meter. Ia tidak memiliki sistem pendingin, sehingga beroperasi pada tingkat daya yang sangat rendah.

Penelitian dilanjutkan dan pada tanggal 27 Juni 1954, pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di dunia dengan kapasitas 5 MW mulai beroperasi di Obninsk.

Prinsip pengoperasian reaktor nuklir.

Selama peluruhan uranium U 235, panas dilepaskan, disertai pelepasan dua atau tiga neutron. Menurut statistik - 2.5. Neutron ini bertabrakan dengan atom uranium U235 lainnya. Selama tumbukan, uranium U 235 berubah menjadi isotop tidak stabil U 236, yang segera terurai menjadi Kr 92 dan Ba 141 + 2-3 neutron yang sama. Pembusukan tersebut disertai dengan pelepasan energi berupa radiasi gamma dan panas.

Ini disebut reaksi berantai. Atom membelah, jumlah peluruhan meningkat secara eksponensial, yang pada akhirnya mengarah pada pelepasan sejumlah besar energi secepat kilat, menurut standar kita, - ledakan atom terjadi sebagai akibat dari reaksi berantai yang tidak terkendali.

Namun, di reaktor nuklir kita sedang berhadapan dengan reaksi nuklir terkendali. Bagaimana hal ini menjadi mungkin dijelaskan lebih lanjut.

Struktur reaktor nuklir.

Saat ini, terdapat dua jenis reaktor nuklir: VVER (reaktor tenaga berpendingin air) dan RBMK (reaktor saluran daya tinggi). Bedanya, RBMK merupakan reaktor air mendidih, sedangkan VVER menggunakan air bertekanan 120 atmosfer.

Reaktor VVER 1000. 1 - penggerak sistem kontrol; 2 - penutup reaktor; 3 - badan reaktor; 4 - blok pipa pelindung (BZT); 5 - poros; 6 - penutup inti; 7 - rakitan bahan bakar (FA) dan batang kendali;

Setiap reaktor nuklir industri adalah ketel tempat cairan pendingin mengalir. Biasanya, ini adalah air biasa (sekitar 75% di dunia), grafit cair (20%) dan air berat (5%). Untuk tujuan percobaan, berilium digunakan dan diasumsikan sebagai hidrokarbon.

TVEL- (elemen bahan bakar). Ini adalah batang dalam cangkang zirkonium dengan paduan niobium, di dalamnya terdapat tablet uranium dioksida.

Batang bahan bakar di kaset disorot dengan warna hijau.

Perakitan kaset bahan bakar.

Inti reaktor terdiri dari ratusan kaset yang ditempatkan secara vertikal dan disatukan oleh cangkang logam - sebuah benda, yang juga berperan sebagai reflektor neutron. Di antara kaset, batang kendali dan batang pelindung darurat reaktor dimasukkan secara berkala, yang dirancang untuk mematikan reaktor jika terjadi panas berlebih.

Mari kita beri contoh data pada reaktor VVER-440:

Pengontrol dapat bergerak ke atas dan ke bawah, terjun, atau sebaliknya, meninggalkan zona aktif, tempat reaksi paling intens. Hal ini dijamin oleh motor listrik yang kuat, bersama dengan sistem kendali.Batang pelindung darurat dirancang untuk mematikan reaktor jika terjadi keadaan darurat, jatuh ke inti dan menyerap lebih banyak neutron bebas.

Setiap reaktor memiliki penutup tempat kaset bekas dan kaset baru dimasukkan dan dibongkar.

Isolasi termal biasanya dipasang di atas bejana reaktor. Hambatan berikutnya adalah perlindungan biologis. Ini biasanya berupa bunker beton bertulang, pintu masuknya ditutup oleh kunci udara dengan pintu tertutup. Perlindungan biologis dirancang untuk mencegah pelepasan uap radioaktif dan potongan reaktor ke atmosfer jika terjadi ledakan.

Ledakan nuklir di reaktor modern sangat kecil kemungkinannya. Karena bahan bakarnya cukup sedikit diperkaya dan terbagi menjadi elemen bahan bakar. Sekalipun intinya meleleh, bahan bakar tidak akan mampu bereaksi secara aktif. Hal terburuk yang bisa terjadi adalah ledakan termal seperti di Chernobyl, ketika tekanan di dalam reaktor mencapai nilai sedemikian rupa sehingga selubung logamnya meledak, dan penutup reaktor, yang berbobot 5.000 ton, membuat lompatan terbalik, menembus atap reaktor. kompartemen reaktor dan melepaskan uap ke luar. Jika pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl dilengkapi dengan perlindungan biologis yang memadai, seperti sarkofagus yang ada saat ini, maka bencana tersebut akan menimbulkan kerugian yang jauh lebih sedikit bagi umat manusia.

Pengoperasian pembangkit listrik tenaga nuklir.

Singkatnya, seperti inilah raboboa.

Pembangkit listrik tenaga nuklir. (Dapat diklik)

Setelah memasuki inti reaktor menggunakan pompa, air dipanaskan dari 250 hingga 300 derajat dan keluar dari “sisi lain” reaktor. Ini disebut sirkuit pertama. Setelah itu dikirim ke penukar panas, di mana ia bertemu dengan sirkuit kedua. Setelah itu uap bertekanan mengalir ke bilah turbin. Turbin menghasilkan listrik.

Reaktor nuklir memiliki satu tugas: memecah atom dalam reaksi terkendali dan menggunakan energi yang dilepaskan untuk menghasilkan tenaga listrik. Selama bertahun-tahun, reaktor dipandang sebagai keajaiban sekaligus ancaman.

Ketika reaktor komersial AS pertama kali beroperasi di Shippingport, Pennsylvania, pada tahun 1956, teknologi tersebut dipuji sebagai sumber energi masa depan, dan beberapa orang percaya bahwa reaktor tersebut akan membuat pembangkitan listrik menjadi terlalu murah. Saat ini, 442 telah dibangun di seluruh dunia. reaktor nuklir, sekitar seperempat dari reaktor ini berada di Amerika Serikat. Dunia kini bergantung pada reaktor nuklir, yang menghasilkan 14 persen listriknya. Para futuris bahkan berfantasi tentang mobil nuklir.

Ketika reaktor Unit 2 di Pembangkit Listrik Three Mile Island di Pennsylvania mengalami kegagalan sistem pendingin dan kerusakan sebagian bahan bakar radioaktif pada tahun 1979, perasaan hangat terhadap reaktor berubah secara radikal. Meskipun reaktor yang hancur dapat dibendung dan tidak ada radiasi serius yang dipancarkan, banyak orang mulai memandang reaktor tersebut terlalu rumit dan rentan, yang berpotensi menimbulkan konsekuensi bencana. Masyarakat pun turut prihatin sampah radioaktif dari reaktor. Akibatnya, pembangunan pembangkit listrik tenaga nuklir baru di Amerika Serikat terhenti. Ketika kecelakaan yang lebih serius terjadi pada Pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl di Uni Soviet pada tahun 1986, tenaga nuklir sepertinya sudah hancur.

Namun pada awal tahun 2000-an, reaktor nuklir mulai bangkit kembali karena meningkatnya kebutuhan energi dan berkurangnya pasokan bahan bakar fosil, serta meningkatnya kekhawatiran terhadap perubahan iklim akibat emisi karbon dioksida.

Namun pada bulan Maret 2011, krisis lain terjadi - kali ini pembangkit listrik tenaga nuklir Fukushima 1 di Jepang rusak parah akibat gempa bumi.

Penggunaan reaksi nuklir

Sederhananya, reaktor nuklir membelah atom-atom dan melepaskan energi yang menyatukan bagian-bagiannya.

Jika Anda lupa fisika sekolah menengah atas, kami akan mengingatkan Anda caranya fisi nuklir bekerja. Atom itu seperti kecil tata surya, dengan inti seperti Matahari dan elektron seperti planet yang mengorbit di sekitarnya. Inti atom terdiri dari partikel-partikel yang disebut proton dan neutron, yang saling terikat. Kekuatan yang mengikat unsur-unsur inti bahkan sulit untuk dibayangkan. Ini miliaran kali lebih kuat dari gaya gravitasi. Meskipun ini kekuatan yang sangat besar, Anda dapat membelah inti dengan menembakkan neutron ke dalamnya. Jika hal ini dilakukan, banyak energi yang akan dilepaskan. Ketika atom membusuk, partikel-partikelnya bertabrakan dengan atom-atom di dekatnya, membelahnya, dan atom-atom tersebut, pada gilirannya, menjadi yang berikutnya, dan berikutnya, dan berikutnya. Ada yang disebut reaksi berantai.

Uranium, salah satu unsur dengan atom besar, sangat ideal untuk proses fisi karena gaya yang mengikat partikel intinya relatif lemah dibandingkan unsur lainnya. Reaktor nuklir menggunakan isotop tertentu yang disebut kamulari-235 . Uranium-235 jarang ditemukan di alam, bijih dari tambang uranium hanya mengandung sekitar 0,7% Uranium-235. Inilah sebabnya mengapa reaktor digunakan diperkayakamuluka, yang dibuat dengan memisahkan dan memekatkan Uranium-235 melalui proses difusi gas.

Proses reaksi berantai dapat dibuat di bom atom, mirip dengan yang dijatuhkan di kota Hiroshima dan Nagasaki di Jepang selama Perang Dunia II. Namun dalam reaktor nuklir, reaksi berantai dikendalikan dengan memasukkan batang kendali yang terbuat dari bahan seperti kadmium, hafnium atau boron yang menyerap sebagian neutron. Hal ini masih memungkinkan proses fisi melepaskan energi yang cukup untuk memanaskan air hingga sekitar 270 derajat Celcius dan mengubahnya menjadi uap, yang digunakan untuk memutar turbin pembangkit listrik dan menghasilkan listrik. Pada dasarnya, dalam kasus ini, bom nuklir yang dikendalikan bekerja sebagai pengganti batu bara untuk menghasilkan listrik, hanya saja energi untuk merebus air berasal dari pemecahan atom, bukan dari pembakaran karbon.

Komponen Reaktor Nuklir

Ada beberapa berbagai jenis reaktor nuklir, namun semuanya mempunyai karakteristik yang sama. Mereka semua memiliki persediaan pelet bahan bakar radioaktif – biasanya uranium oksida – yang disusun dalam tabung untuk membentuk batang bahan bakar di dalamnya. zona aktifereaktor.

Reaktor juga telah disebutkan sebelumnya manajeretongkatDan- terbuat dari bahan penyerap neutron seperti kadmium, hafnium atau boron, yang dimasukkan untuk mengontrol atau menghentikan reaksi.

Reaktornya juga punya moderator, zat yang memperlambat neutron dan membantu mengendalikan proses fisi. Sebagian besar reaktor di Amerika Serikat menggunakan air biasa, namun reaktor di negara lain terkadang menggunakan grafit, atau beratWowairpada, di mana hidrogen digantikan oleh deuterium, sebuah isotop hidrogen dengan satu proton dan satu neutron. Bagian penting lainnya dari sistem adalah pendinginandan sayacairanB, biasanya, air biasa, yang menyerap dan memindahkan panas dari reaktor untuk menghasilkan uap untuk memutar turbin dan mendinginkan area reaktor agar tidak mencapai suhu di mana uranium akan meleleh (sekitar 3815 derajat Celcius).

Akhirnya, reaktor ditutup kerangpada, sebuah struktur besar dan berat, biasanya setebal beberapa meter, terbuat dari baja dan beton yang menahan gas dan cairan radioaktif di dalamnya agar tidak membahayakan siapa pun.

Ada sejumlah desain reaktor berbeda yang digunakan, namun salah satu yang paling umum adalah reaktor tenaga air bertekanan (VVER). Dalam reaktor seperti itu, air dipaksa bersentuhan dengan inti dan kemudian tetap berada di sana di bawah tekanan sedemikian rupa sehingga tidak dapat berubah menjadi uap. Air ini kemudian bersentuhan dengan air tidak bertekanan di pembangkit uap, yang berubah menjadi uap yang memutar turbin. Ada juga desainnya reaktor tipe saluran daya tinggi (RBMK) dengan satu sirkuit air dan reaktor neutron cepat dengan dua sirkuit natrium dan satu air.

Seberapa amankah reaktor nuklir?

Menjawab pertanyaan ini cukup sulit dan tergantung pada siapa Anda bertanya dan bagaimana Anda mendefinisikan “aman”. Apakah Anda khawatir dengan radiasi atau limbah radioaktif yang dihasilkan di reaktor? Atau Anda lebih khawatir dengan kemungkinan terjadinya bencana besar? Tingkat risiko apa yang Anda anggap sebagai trade-off yang dapat diterima demi manfaat tenaga nuklir? Dan sejauh mana Anda mempercayai pemerintah dan energi nuklir?

"Radiasi" adalah argumen yang kuat, terutama karena kita semua mengetahui radiasi dalam dosis besar, misalnya dari ledakan bom nuklir, dapat membunuh ribuan orang.

Namun, para pendukung tenaga nuklir menyatakan bahwa kita semua sering terpapar radiasi dari berbagai sumber, termasuk sinar kosmik dan radiasi alam yang dipancarkan Bumi. Dosis radiasi tahunan rata-rata adalah sekitar 6,2 milisievert (mSv), setengahnya dari sumber alami, dan separuhnya lagi dari sumber buatan, mulai dari sinar X dada, detektor asap, dan dial jam tangan bercahaya. Berapa banyak radiasi yang kita peroleh dari reaktor nuklir? Hanya sebagian kecil dari persentase paparan tahunan kita yang rata-rata adalah 0,0001 mSv.

Walaupun semua pembangkit listrik tenaga nuklir pasti membocorkan sejumlah kecil radiasi, komisi regulator mewajibkan operator pembangkit listrik untuk menerapkan persyaratan yang ketat. Mereka tidak boleh memaparkan orang-orang yang tinggal di sekitar pembangkit listrik terhadap radiasi lebih dari 1 mSv per tahun, dan pekerja di pembangkit listrik memiliki ambang batas radiasi sebesar 50 mSv per tahun. Tampaknya besar, namun menurut Komisi Regulasi Nuklir, tidak ada bukti medis bahwa dosis radiasi tahunan di bawah 100 mSv menimbulkan risiko apa pun terhadap kesehatan manusia.

Namun penting untuk dicatat bahwa tidak semua orang setuju dengan penilaian risiko radiasi ini. Misalnya, organisasi “Dokter untuk tanggung jawab sosial", seorang kritikus lama terhadap industri nuklir, mempelajari anak-anak yang tinggal di sekitar pembangkit listrik tenaga nuklir Jerman. Studi tersebut menemukan bahwa orang yang tinggal dalam jarak 5 km dari pembangkit listrik mempunyai risiko dua kali lipat tertular leukemia dibandingkan dengan mereka yang tinggal jauh dari pembangkit listrik tenaga nuklir.

Limbah reaktor nuklir

Tenaga nuklir disebut-sebut oleh para pendukungnya sebagai energi "bersih" karena reaktornya tidak mengeluarkan gas rumah kaca dalam jumlah besar ke atmosfer dibandingkan dengan pembangkit listrik tenaga batu bara. Namun para kritikus menunjuk pada hal lain masalah lingkungan- mendaur ulang limbah nuklir. Beberapa bahan bakar bekas dari reaktor masih melepaskan radioaktivitas. Bahan lain yang tidak diperlukan dan sebaiknya disimpan adalah limbah radioaktif tingkat tinggi, residu cair dari pemrosesan ulang bahan bakar bekas, yang masih menyisakan sebagian uranium. Saat ini, sebagian besar limbah ini disimpan secara lokal di pembangkit listrik tenaga nuklir di kolam air, yang menyerap sebagian sisa panas yang dihasilkan oleh bahan bakar bekas dan membantu melindungi pekerja dari paparan radiasi.

Salah satu masalah dengan bahan bakar nuklir bekas adalah bahwa bahan bakar tersebut telah diubah melalui proses fisi. Ketika atom uranium berukuran besar dipecah, dihasilkan produk sampingan—isotop radioaktif dari beberapa unsur ringan seperti Cesium-137 dan Strontium-90, yang disebut produk fisi. Mereka panas dan sangat radioaktif, namun pada akhirnya, dalam jangka waktu 30 tahun, mereka membusuk menjadi bentuk yang tidak terlalu berbahaya. Periode ini dimaksudkan untuk mereka Pperiodeohmsetengah hidup. Unsur radioaktif lainnya mempunyai waktu paruh yang berbeda-beda. Selain itu, beberapa atom uranium juga menangkap neutron sehingga membentuk unsur yang lebih berat seperti Plutonium. Unsur transuranium ini tidak menghasilkan panas atau radiasi tembus sebanyak produk fisi, namun membutuhkan waktu lebih lama untuk meluruh. Plutonium-239, misalnya, memiliki waktu paruh 24.000 tahun.

Ini radioaktifelimbahS level tinggi dari reaktor berbahaya bagi manusia dan makhluk hidup lainnya karena dapat melepaskan gas dalam jumlah besar, dosis mematikan radiasi bahkan dari paparan singkat. Sepuluh tahun setelah membuang sisa bahan bakar dari sebuah reaktor, misalnya, mereka mengeluarkan radioaktivitas 200 kali lebih banyak per jam dibandingkan yang diperlukan untuk membunuh seseorang. Dan jika sampahnya masuk air tanah atau sungai, mereka dapat memasuki rantai makanan dan membahayakan banyak orang.

Karena sampah sangat berbahaya, banyak orang berada dalam situasi sulit. 60.000 ton limbah berlokasi di dekat pembangkit listrik tenaga nuklir kota-kota besar. Namun menemukan tempat yang aman untuk menyimpan sampah tidaklah mudah.

Apa yang salah dengan reaktor nuklir?

Ketika regulator pemerintah melihat kembali pengalaman mereka, para insinyur telah menghabiskan banyak waktu selama bertahun-tahun merancang reaktor untuk keselamatan optimal. Hanya saja mereka tidak rusak, berfungsi dengan baik, dan memiliki langkah pengamanan cadangan jika terjadi sesuatu yang tidak berjalan sesuai rencana. Hasilnya, dari tahun ke tahun, pembangkit listrik tenaga nuklir tampaknya cukup aman dibandingkan dengan, katakanlah, perjalanan udara, yang secara rutin menewaskan antara 500 dan 1.100 orang per tahun di seluruh dunia.

Namun, reaktor nuklir mengalami kerusakan besar. Pada Skala Peristiwa Nuklir Internasional, yang menilai kecelakaan reaktor dari 1 hingga 7, terdapat lima kecelakaan sejak tahun 1957 dengan peringkat 5 hingga 7.

Mimpi buruk terburuk adalah kegagalan sistem pendingin, yang menyebabkan bahan bakar menjadi terlalu panas. Bahan bakar berubah menjadi cair dan kemudian terbakar melalui wadahnya, melepaskan radiasi radioaktif. Pada tahun 1979, Unit 2 di pembangkit listrik tenaga nuklir Three Mile Island (AS) berada di ambang skenario ini. Untungnya, sistem penahanan yang dirancang dengan baik cukup kuat untuk menghentikan pelepasan radiasi.

Uni Soviet kurang beruntung. Kecelakaan nuklir yang parah terjadi pada bulan April 1986 di unit tenaga ke-4 di pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl. Hal ini disebabkan oleh kombinasi kerusakan sistem, kelemahan desain dan personel yang kurang terlatih. Selama pengujian rutin, reaksi tiba-tiba meningkat dan batang kendali macet, sehingga mencegah penghentian darurat. Penumpukan uap yang tiba-tiba menyebabkan dua ledakan termal, melemparkan moderator grafit reaktor ke udara. Jika tidak ada apa pun untuk mendinginkan batang bahan bakar reaktor, batang bahan bakar tersebut mulai menjadi terlalu panas dan hancur total, akibatnya bahan bakar berubah bentuk menjadi cair. Banyak pekerja stasiun dan likuidator kecelakaan meninggal. Sejumlah besar radiasi tersebar di area seluas 323.749 kilometer persegi. Jumlah kematian akibat radiasi masih belum jelas Organisasi dunia pejabat kesehatan mengatakan hal itu mungkin telah menyebabkan 9.000 kematian akibat kanker.

Produsen reaktor nuklir memberikan jaminan berdasarkan penilaian probabilistike, di mana mereka mencoba menyeimbangkan potensi kerugian suatu peristiwa dengan kemungkinan terjadinya peristiwa tersebut. Namun beberapa kritikus mengatakan mereka seharusnya bersiap menghadapi kejadian yang jarang terjadi, tidak terduga namun sangat berbahaya. Inti masalah- kecelakaan pada bulan Maret 2011 di pembangkit listrik tenaga nuklir Fukushima 1 di Jepang. Stasiun ini dilaporkan dirancang untuk tahan terhadap gempa bumi yang kuat, namun tidak ada gempa sebesar gempa berkekuatan 9,0 yang mengirimkan gelombang tsunami setinggi 14 meter ke atas tanggul yang dirancang untuk menahan gelombang setinggi 5,4 meter. Gempuran tsunami menghancurkan generator diesel cadangan yang dimaksudkan untuk memberi daya pada sistem pendingin enam reaktor pembangkit listrik jika terjadi pemadaman listrik.Jadi, bahkan setelah batang kendali reaktor Fukushima menghentikan fisi, bahan bakar yang masih panas masih mampu mempertahankan suhu. untuk bangkit secara berbahaya di dalam reaktor yang hancur.

Pejabat Jepang mengambil jalan terakhir - membanjiri reaktor dengan sejumlah besar bahan bakar nuklir air laut dengan aditif asam borat, yang mampu mencegah bencana, namun merusak peralatan reaktor. Akhirnya, dengan bantuan mobil pemadam kebakaran dan tongkang, pihak Jepang mampu melakukan pompa air tawar ke dalam reaktor. Namun pada saat itu, pemantauan telah menunjukkan tingkat radiasi yang mengkhawatirkan di daratan dan perairan sekitarnya. Di satu desa yang berjarak 40 km dari pembangkit listrik, unsur radioaktif Cesium-137 ditemukan pada tingkat yang jauh lebih tinggi dibandingkan setelah bencana Chernobyl, sehingga menimbulkan keraguan tentang kemungkinan adanya tempat tinggal manusia di daerah tersebut.

Tampilan